声波涡流防蜡技术及其现场应用_佀传龙.pdf

2023 年 第 7 期 化学工程与装备 2023 年 7 月 Chemical Engineering&Equipment 99 声波涡流防蜡技术及其现场应用 声波涡流防蜡技术及其现场应用 佀传龙（大庆油田公司第二采油厂工艺研究所，黑龙江 大庆 163000）摘 要：摘 要：随着油田中转站热洗设备老化、损坏以及机采井热洗管线结垢、腐蚀穿孔等原因造成部分机采井热洗效果差、严重时导致无法流程洗井，从而导致井下杆、管、泵蜡质聚集、凝结，生产运行负荷增加影响产量。针对抽油机井在生产时，管、杆容易结蜡，而目前现场热洗设备无法满足实际生产需求的情况，开展了声波涡流防蜡技术现场试验研究。该技术工艺简单、效果明显，能够有效延长免洗井周期，降低生产成本。关键词：关键词：结蜡；作业；声波涡流；空化作用 前 言 前 言 近年来，随着热洗周期待洗井井数较多且热洗车数量不足，无法满足实际热洗需求，造成部分井清蜡不及时，严重的造成蜡卡无法正常生产。针对上述问题，拟开展井下声波涡流防蜡器技术现场试验，达到有效减缓油井结蜡、延长热洗周期，降低生产成本的目的。声波涡流防蜡技术具有工艺简单、施工方便、成本低、有效期长等特点，能够有效延长免洗井周期以及因结蜡造成的检泵周期，降低生产成本。1 声波涡流防蜡器的技术原理 1 声波涡流防蜡器的技术原理 声波涡流防蜡主要基于机械振动、空化作用、热效应等三方面的原理。1.1 声波的机械振动 声波具有能量，在介质中传播时产生压力，上述两个物理量称为声功率（声强）、声压。该机械能可使介质的质点产生较大的加速度，且频率越高，加速度越大。从而使蜡、胶体等分子产生急速运动，破坏其分子结构，接连发生某些化学反应。声功率与声压关系：质点振动速度与密度、声压关系：其中：I：声功率（W/m2）；C：声波传播速度（m/s）。根据质点位移、加速度与频率之间的关系：其中：xa：质点位移（m）；a0：加速度（m2/s）；f：频率（Hz）因此，超声波可处理溶液中的溶质，加快化学反应速度或提高化学反应产率，也是声波防蜡、降粘的依据。1.2 声空化作用 由于涡流或声波的作用使其在某些地方形成局部的暂时负压区，在液体中产生空穴或气泡。气泡核形成，在声压作用下，负压会使气泡核膨胀，正压会使其压缩，正负压综合作用将使气泡核产生振荡、生长、收缩及崩溃等过程。在崩溃瞬间将在周围极限空间产生高温和高压，并将伴随强烈冲击波。影响空化作用主要有液体及声学参数两方面的影响：DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.07.048100 佀传龙：声波涡流防蜡技术及其现场应用 表 1 空化作用主要影响因素（液体）表 1 空化作用主要影响因素（液体）纯洁均匀的水很难空化，所需声压较高，但实际相当低的声压（0.2-5 大气压）条件即可产生。这是由于液体中固体微粒或气体的存在，液体中而形成局部的“弱力点”或薄弱区域。声学参数影响空化作用主要为频率，在不同频率的声波作用下，超声空化阈是不等的，声频率增高，空化现象会变的难以发生。频率增高，则声波膨胀的时间变短，空化核来不及增长到可产生空化效应的空化泡，或者即使空化泡形成了，由于声波的压缩相时间亦短，空化泡可能来不及收缩发生崩溃。机械振动及空化作用对含溶解气原油防蜡机理如下：一是使原油中长链石蜡烃分子、沥青质分子断裂，分子量减小，蜡的熔点降低；二是晶粒越小，溶解度越大，同时，声波的搅拌作用也提高了石蜡晶体的溶解速度，有利于流动的原油把蜡晶带走；三是振动及空化作用对石蜡晶体的生长有抑制作用。1.3 热效应 声波的热作用是一种综合效应，主要包括三个方面：一是声波在介质内部被吸收，结果使声能转化为热能，即声波在原油中传播时，原油介质吸收声能转化成热能；二是机械振动作用使流体内部和悬浮粒子的分界面处出现边界摩擦而产生局部的加热作用；三是空化作用在气泡崩溃瞬间时放出大量的热能。2 声波涡流防蜡器的设计和优化 2 声波涡流防蜡器的设计和优化 2.1 振片长度设计 振片长度与共振频率与声压直接相关，在 50-60mm 长度时，可以产生较高的声压，频率达到 500-700Hz。因此，可根据不同产量优化喷嘴直径，实现不同产量相同流速，使其产生较高的声压参数。图 1 震动频率与振片长度、声压与流速的关系曲线 图 1 震动频率与振片长度、声压与流速的关系曲线 结合我厂生产实际水平，日产液 30-40 吨/天，主流泵型为 57mm 抽油泵，振片长度设计为 60mm。2.2 振片尖劈角设计 对于不同长度振片，在尖劈角为 50时，启振流速最小，同时尖劈角对共振频率也没有影响，因此，50为最优值。2.3 喷嘴设计 通过实验，振片长度为 60mm-80mm 时可产生较高的声压，其中 60mm 最高（12-13KPa），同时有较高的振动频率。设计不同的喷嘴直径，实现不同产量均可达到最佳的流速范围及声压值，结合生产实际选择喷嘴直径 12mm。佀传龙：声波涡流防蜡技术及其现场应用 101 表 2 喷嘴直径对应产量关系 表 2 喷嘴直径对应产量关系 产量（t）下限 上限 下限 上限 下限 上限 下限 上限 10 20 20 40 40 60 60 100 喷嘴直径（mm）6 8 10 13 截面积（m3）0.00002826 0.00005024 0.0000785 0.000132665 流速（m/s）9.2 18.4 10.3 20.7 13.3 19.9 11.8 19.6 （4）声波涡流防蜡器技术参数 声波涡流防蜡器主要由射流发生器、双声波振荡器、涡流导流槽、涡流导流阀和涡流喷射器五个部分组成。图 2 声波涡流防蜡器图纸 表 3 声波涡流防蜡器技术参数 图 2 声波涡流防蜡器图纸 表 3 声波涡流防蜡器技术参数 名称 外形尺寸（mm）净重（kg）连接油管（英寸）使用温度（）振动频率（KHz）参数 89*1010 49.6 2 7/8 150 0.5-2.0 3 现场试验效果及经济效益分析 3 现场试验效果及经济效益分析 2021 年声波涡流防蜡技术现场应用 37 口井，应用后取得良好的节能和防蜡效果。3.1 防蜡效果明显，热洗周期有效延长 现场试验 37 口井，措施前日产液 23.5 吨，热洗周期76.8 天，措施后日产液 31.0 吨，热洗周期 191.3 天，前后对比日增液 7.5 吨，热洗周期延长 114.5 天。其中措施后热洗周期 200 天以上 21 口井（占措施井比例 56.7%），平均热洗周期 235.3 天对比延长 153.0 天，防蜡效果较为理想。例某*井：措施前日产液 17.6 吨，热洗周期 90 天，措施后日产液 18.8 吨，热洗周期延长至 303 天，前后对比热洗周期延长 213 天延长 2.37 倍。该井 2020 年 11 月 18 日漏失检泵，现场检查结蜡严重轻微结垢，油管外壁及抽油杆上结蜡严重。图 3-1 作业过程中杆管结蜡现场图片 3-2 起出抽油杆结蜡情况现场图片 图 3-1 作业过程中杆管结蜡现场图片 3-2 起出抽油杆结蜡情况现场图片 3.2 生产运行平稳，交变载荷大幅下降 现场试验 37 口井，措施前日产液 23.5 吨，日产油 1.4吨，沉没度 164.6m，上电流 47.3A，最大载荷 50.4KN，交变载荷 31.3KN；措施后日产液 31.0 吨，日产油 1.9 吨，沉102 佀传龙：声波涡流防蜡技术及其现场应用 没度 246.8m，上电流 44.8，最大载荷 46.7KN，交变载荷27.4KN；前后对比电流下降 2.5A，最大载荷下降 3.7KN，交变载荷下降 3.9KN，生产运行平稳。3.3 措施增油效果好，经济效益显著 措施前日产液 23.5 吨，日产油 1.4 吨，沉没度 164.6m；措施后初期日产液 31.0 吨，日产油 1.9 吨，对比日增液 7.5吨，日增油 0.5 吨；措施后 4 个月，日产液 29.6 吨，日产油 2.0 吨，对比日增液 6.1 吨，日增油 0.5 吨；措施后 8个月，日产液 27.7 吨，日产油 1.6 吨，对比日增液 4.2 吨，日增油 0.2 吨；截止到 2021 年 12 月，累计增油 2040 吨。3.4 系统效率提高，节能降耗效果显著 系统效率可对比 16 口井，措施前日增液 25.5 吨，日产油,1.7 吨，沉没度 161.4m，系统效率 24.3%；措施后日产液 35.1 吨，日产油 2.2 吨，沉没度 331.1m，系统效率 32.5%；前后对比系统效率提高 8.2 分百分点。3.5 经济效益评价 截止到 2021 年 12 月底，声波涡流防蜡技术现场共计试验 37 口井。其经济效益评价：（1）投入费用：19073.45 元/台10 台+32710 元/台27 台=107.4 万元；（2）经济效益：节省洗井费用：设备寿命按两个检泵周期 1400 天计算，单井可减少热洗 10.9 次，单井热洗费用按照 3600 元计算，37 口井可节省热洗费用 145.18 万元。增产效益：单井日增油 0.3 吨，措施有效期 8 个月以上，可增油 2664 吨；热洗影响 3 天产量 4.8 吨，减少产量损失1936 吨；吨油效益按照 2500 元/吨计算，累计增油创效1149.9 万元。节能效益：单井系统效率提高 8.2 个百分点，单井日耗电按照240kW.h计算，37口井生命周期内可节电240kW.h/d/口井37 口井8.2%/30.2%1400 天0.51 元/kW.h=172.2 万元。经济效益=产出效益-投入费用=1149.9 万元+145.18 万元+172.2-107.4 万元=1359.88 万元 投入产出比=投入费用/产出效益=107.4 万元/1467.28.万元=1:13.7 4 结 论 4 结 论 通过声波涡流防蜡技术现场试验，结合生产实际优化声波防蜡器结构参数，完善了配套施工工艺，取得了较好的经济效益及社会效益。（1）防蜡效果明显，热洗周期有效延长 声波涡流防蜡器结构设计合理，结合生产实际优化结构参数，利用声波的机械震动、声空化作用，使蜡分子断裂、点降低、溶解度增大，达到防蜡、降粘的目的。（2）生产运行平稳，交变载荷大幅下降 声波涡流防蜡技术工艺简单，防蜡效果较好，措施前后生产运行平稳，电流、最大载荷及交变载荷等表征抽油机井生产运行状态的参数下降明显，机采井工况得到有效改善。（3）措施增油效果好，经济效益显著 声波涡流防蜡技术能够在井下产生一定频率的声波，有效处理采出液中的已结蜡质，降低采出液粘度减缓结蜡速度；同时，对近井地带或炮眼附近因蜡堵塞造成的堵塞具有一定的物理解堵作用。现场试验 37 口井，措施后日增液 7.5吨，日增油 0.5 吨，措施有效期可达 8 个月以上，经济效益显著。（4）社会经济效益显著，可实现工业化推广应用 声波涡流防蜡技术能够大幅延长机采井热洗周期，缓解因地面流程、热洗设备等因素造成的结蜡严重问题。该技术随作业下入井筒内，防蜡效果好、无须人工操作，有效降低劳动强度，具有较为广泛的应用前景。参考文献 参考文献 1 阮岩.声波涡流法采油技术的研究与试验分析J.西安石油大学学报(自然科学版),2010(01):50-52+56.2 胡龙胜,申宏,薄其花,等.声波与涡流振荡防蜡工艺J.油气田地面工程,2008(04):70-70.3 卿鹏程,宁奎,阎长生.清防蜡工艺技术的研究及应用J.钻采工艺,1992,22(6):42.4 皱艳霞.采油工艺技术M.北京:石油工业出版社,2006:32-35.