采油设备超声波清蜡除垢的应用

张新春(长庆油田分公司第十一采油厂，甘肃 庆阳 745000)

1 超声波原理

超声波是指声音振动频率、超出人耳所能听到的声波。人耳一般能正常听到的声波范围是16～20 kHz，低于16 kHz的声波被称为次声波、超过20 kHz的声波称为超声波。超声波有两个主要性能参数指标；一是频率，F≥20 kHz；二是功率密度，p=发射功率(W)/发射面积(cm²)，通常p≥0.3 W/cm²。

2 油井结蜡结垢

油井产生结蜡、结垢的原因主要是受原油本身所含的化学成份性质及微量元素有关。原油中的主要成分是碳氢化合物，其中碳元素占比96%以上。还有少量的氧、氮、硫等微量元素，一般它们总量不超过1%，个别达5%。受开采方式的影响，地层压力温度对油井结蜡、结垢产生深远影响。继油井投入生产后，天然的原始驱动饱和能量(压力、温度)开始下降，溶解气上升。饱和状态下的溶解气开始逸出。起初油井由于天然的地质能量充足，流动性强对油井携带冲刷力大，原油中的碳元素、无机盐类还未形成蜡和垢，就被液流冲涮带走。随着油井开采时间的延续，地层能量(压力、温度)逐渐降低。地下采出部分未得到及时有效的补充就会出现亏空，原油失去动能(压力、温度)无法流动留下死油区，最终会降低采收率[1]。

(1)原油中的轻质成份是影响蜡产生原因之一，轻质成份含量高溶蜡能力强，流动性好。反之，溶解能力弱，原油变得黏稠流动性差。蜡形成初期，是由于原油中轻质成分逃逸所致，碳元素慢慢析出成小分子倾角结晶。随着原油溶解气不断脱出，碳元素结晶倾角越来越大形成长链凝结成蜡。原油中还含有胶质和沥青质，也是影响油井结蜡的重要原因。胶质、沥青质具有正反二个特质，即有承接分散原油中碳元素的聚集阻止蜡形成的特质。又有在原油中成为碳元素结晶依附点、是蜡形成的核心载体，油井中的蜡一旦形成。便会在所有金属表面内部形成结蜡，进而渐进堵塞油流通道，增加流动阻力。油井结蜡还会降低生产井抽油泵的泵效，严重时造成停井停产检泵。

(2)结垢与结蜡是属同一性质但不同物质形态、危害油井正常生产。地下含水原油伴随着无机盐一同被采出地面，对井下油管杆及地面管线、设备造成积垢。长时间的堵塞沉积、使垢变硬加厚。流阻增加、系统压力上升造成设备承压油气泄漏、带来较大安全隐患。与油井结蜡不同是、油井自身含蜡量的多少、决定了油井结蜡的轻重。油井饱和压力情况下溶解气越多、溶蜡能力越强，原油稀释能力强流动好阻力小。结垢形成的机理过程是油层中的无机盐类含量沉淀导致。实质上都可形成设备油井堵塞。结垢相对于结蜡而言是一个比较缓慢的过程。它同样改变着液流通道通过能力，使其逐渐丧失流动性。液中的无机盐类在金属内表面形成坚硬垢清理难度大。使用阻垢剂处理效果有限。

(3)油井结蜡、结垢是影响油井日常生产主要矛盾，油田因结蜡、结垢付出了巨大的人力成本和经济成本。目前油井采油常用的清蜡、除垢的方法有化学清蜡、阻垢和机械清蜡两类，机械清蜡是指井口投球、热洗、扫线、修井检泵等作业。化学清蜡是指在正常生产的采油井筒内加入化学清蜡剂、阻垢剂，预防和阻止蜡、垢的形成过程。在站控系统中加入破乳剂，作用于原油净化集中脱水。污水处理回注，不与地层发生物理化学反应、净化油外输。加入除硫剂、阻垢剂主要用于原油脱硫和阻止设备工艺流程内部结垢，原油脱硫为原油后续进一步深加工处理提供基础。相较于传统的清蜡、除垢作业，投入的劳动工序繁琐、随机不可预见性大，管理粗放，安全风险高等。改用超声波清蜡、除垢器设备工艺简单，一次行安装无需过多的人工干预，只需做好日常维护即可。使用超声波清蜡、除垢器，可优化管理成本减少操作程序，降低劳动强度。在油井井底井安装超声波清蜡除垢器，减轻井底周围地层井筒结蜡、结垢风险[2]。

3 认识超声波

人们对超声波的认识，源自于生物蝙蝠。1793年的夏夜，意大利科学家拉扎罗斯帕拉捷，通过对蝙蝠的观察发现了超声波，由此揭开了超声波的神秘面纱。随着科技的进步，人们对超声波有了全新的认识，在很多领域得到广泛的应用。

20世纪初，电子学上发现了压电效应与反压电效应，运用电子技术制作了超声波发生器。1922年德国科学家根据超声波振频原理申请了首个超声波发明专利，1939年超声波医学临床治疗运用文献发表，1949年第一次国际超声波运用医学大会召开，超声波医学治疗正式进入医疗领域。20世纪50年代我国开始使用800 kHz频率的超声波治疗多种疾病，80年代开始利用超声机械碎石术进行体外碎石和超声外科手术。

4 超声波技术在工业领域的运用

超声波技术在工业领域运用，源于日本柴野佳英1987年发表超声波清洗器理论论述。传统意义上的超声波清洗原理认为，超声波是由电子产生的压电与反压电效应，振动频率在液体中形成的气泡起到了清洗的作用。而柴野佳英通过观察分析发现。气泡的形成是由粗密度波引发气体爆发，反而抑制了超声波的清洗效果。真正达到清洗作用力的是真空气穴，通过这一发现，奠定了超声波清洗理论、论述依据。

原油本身所含碳基元素及地层无机盐类，在生产过程中、对油井管线、设备金属内表面产生结蜡结垢，是一个循序渐进的过程。当然也不排除各别油井或井组有突然吐蜡的现象。这与生油地质条件油层性质不同有关。油井生产除了维护设备正常运行外、就是清蜡除垢，保证输油管线畅通降低回压。投球、加药、热洗就是通过人为干预防止输油管线结蜡或结垢，改用超声波清蜡除垢可降低人工成本，有效缓解输油管线及设备流阻。

(1)利用超声波真空气穴清理原理，在油井及附属设备上安装超声波清蜡除垢器。对输油管线、设备内部液流形成的蜡或垢进行超声波处理，产生气泡爆发真空气穴破蜡及垢的固态，使液流不能产生新的结晶聚合。超声波清蜡除垢的原理是对液相粒子流产生较大的能量冲击波、达上千MPa压力和几百℃的高温，在密闭输油管线内产生“空化作用”。超声波产生的气泡真空破裂，产生的冲击波可有效的达到破碎固形物及清洁的目的，扰动的液流微粒可疏化快速通过。

(2)超声波清蜡、除垢器是将电能转换成机械振动的声能，在液体中实现超声波传递，来达到复杂的物理、化学清洗过程。超声波是由电子电压激励换能晶片发生振动产生波，它的特点是频率高、绕射现象小波长短方向性好、能够汇聚成射线定向传播。超声波对液体、固体的穿透能力强，在集输密闭的环境中波及较远。遇到固形物蜡或垢会产生反向波，随液流能产生多普勒效应。应用在井站常输流程清蜡除垢具有一定的效果。

(3)超声波清蜡、除垢器是将换能器超声声能转化成机械振动能，通过设备、管网中的液流的流速反射保持振动。当超声波压强达到一定能量时，液流气泡迅速膨胀闭合，产生冲击波形成空化效应，空化使内部固形物分化瓦解不能产生聚集。反复的冲击对固体形成剪切力使其疲劳，最终脱落成微粒。

(4)超声波产生正负交变的声压射流，冲击液流中的固形物蜡和垢。受压能势能的共同作用，液体混相流动明显。超声波空化效应还会产生非线性声流和微声流，在分子与固形物之间产生高速的微射流破坏大分子固体(蜡、垢)结构，去除物理边界，增加扰动溶解、乳化破坏力。

(5)超声波发生器工作时，发出的交频讯号，通过换能器将交频机械振能传导给液流，并以高低疏密相间的能量体辐射到液流空间。形成空化气泡。合理的布局超声波引导源控制能量引援、使声波频振延伸至输油管线设备更深空域、清除附着在设备、管网内部固形物蜡或垢，需要注意的是避免因能量过于集中释放产生的破坏力，与此同时弱相液流继续得以发撒、冲击软化更远处固体结构。

(6)超声波空化作用在能量转换过程中，以液相为传递介质产生的数以万计微小气泡、在频率波附近气泡迅速使空间膨胀形成真空形成负压区，与此同时正压区气泡迅速长大爆裂闭合循环往复。能量空间瞬间塌陷、膨胀产生近10 MPa的气压，对设备管线内部蜡、垢有型形态造成破坏。“空化的作用”是由超声波产生高、低压声波频率交互作用形成的结果。低压状态下，气泡一点点变大，高压状态下，被压缩产生内部爆裂，液流打破不同介质密度自然形态差异，乳化增加了摩擦和冲击[3]。

(7)不同类型的超声波清蜡、除垢器，产生不同的超声波发射频率与不同状态下的液流、流相(平流、紊流、混流)相配合，改变设备、管网内部液体张力，调节增大或减小超声波空化效果。使其更加符合实际需求，产生优化效果，提升能量集中破坏力。

(8)油井连续生产，在特定的一段时间内，液流具有相对稳定的流动状态。靠近设备、管线内部边沿地带，液流流体保持紊流状态，而大空间区流速相对平缓，狭小区域由于通道狭小，液流流速较快呈混流状态。对不同流相需对超声波振幅和频率做出相应的调整，按照不同的时间节点做出相应的调整，改进流体内部液流分子的怠点，有效化解生产过程中带来的负面消极影响，确保平稳正常运行。

5 结语

使用超声波技术原理，可以解决油田在原油生产过程中、油井结蜡、结垢对设备、管线造成的不利影响。超声波清蜡、除垢器设备工艺简单，一次行安装无需过多的人工干预，只需做好日常维护即可。使用超声波清蜡、除垢器，可优化管理成本减少操作程序，降低劳动强度。做好超声波清蜡、除垢工作，提高设备使用效果，还需要在工作中不断总结经验，加强技术指导，完善操作规范。