油井电磁防蜡在线装置研究应用

高宝元,郑维师,范辉,牛永博,李欣,张仲寅

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 钻采工程技术研究院,陕西 西安 710018;2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 西安 710018;3. 中国石油长庆油田分公司 第三采油厂桐寨作业区,陕西 吴起 717064;4. 中国石油长庆油田分公司 长北作业分公司,陕西 西安 710018)

油井结蜡是影响油井高产稳产的突出问题之一,会加大油井悬点载荷,增加系统能耗,降低泵效,影响油井产量,甚至直接堵死油管,造成油井停产。油井防蜡是降低油井悬点载荷,节能降耗、延长油井免修期的重要维护措施,因此迫切需要一种长效的防蜡技术,防止油井结蜡,减小管杆摩擦力、悬点载荷和负载电流[1]。目前油井防蜡的技术比较多,主要有热洗清蜡、化学防蜡和强磁防蜡等。热洗清蜡有效期短,容易污染油层,热洗后排液影响油井产量,热洗频繁工作量大,增加了运行成本。化学防蜡对加药方法要求较高,若药剂在产出液中含量不均匀,易造成现场实施效果不理想甚至无效;要求操作人员定时定量加药。但清蜡剂多数含有机氯,在原油炼制过程中易造成设备腐蚀和催化剂中毒。清蜡剂属于有毒有害物质,闪点低,易燃,不安全且易造成环境污染。强磁防蜡经过一段时间后,永磁材料容易出现减弱或粉化,防蜡效果消失[2]。

新型油井电磁防蜡在线装置是一种低成本、高效率的长效性防蜡装置,利用高性能变频共振电磁转换器产生变频强电磁场,引起蜡分子的内共振,导致蜡晶结构与形状发生变化,抑制了蜡分子的结晶过程,同时对已形成的蜡晶产生一定的破碎作用,从而达到防蜡的目的[3]。

1 电磁防蜡在线装置简介

1.1 油井电磁防蜡原理

油井电磁防蜡系统主要由抽油机、输油管线和输油管线上安装的电磁防蜡在线装置构成,如图1所示。

图1 油井电磁防蜡系统示意

电磁防蜡在线装置利用高性能变频共振电磁转换器,产生强磁场,其强大的电磁能量可极化前后碳钢管线,并借助油管及管内介质的导磁性质,沿油管两级方向,在油管内部形成一个可以覆盖任何流体成分的强磁场,从而使上游和下游油管中的含油介质均受到磁场影响。同时,电磁防蜡在线装置的激励波发生器利用先进的变频电子技术,控制磁场的频率、脉宽和强度按某一规律进行周期性变化。磁场变化的频率可以覆盖介质中所有蜡质及其他成分的自然频率,原油中的蜡分子与交变电磁场产生的感应共振,导致蜡分子振动频率的增强,分子之间的相互作用力减弱,进而使蜡质的聚集状态改变,所结成的晶体破碎而弥散,最终达到油井井筒管柱防蜡和地面集输管线防蜡降粘的目的[4]。

1.2 电磁防蜡在线装置构成

以电磁理论为基础,结合电磁技术和变频技术,开发了一种具有突破性的油井防蜡新产品—油井电磁防蜡在线装置。

该防蜡在线装置由高性能电磁转换器和控制系统组成。高性能电磁转换器的结构如图2所示,在输油管的外壁均匀绕有电磁线圈,电磁线圈的外侧设有护套层,电磁线圈与护套层之间有填充料,电磁线圈的一端连接有接线端子,接线端子与护套层的外侧整体套装了外壳。护套层是由耐温绝缘材料构成,填充料是由绝缘材料浇铸而成,用于避免现场工作时雨水漏入其中。法兰盘用于实现与原有地面输油管线或井口管线连接[5]。

图2 高性能电磁转换器的结构示意

控制系统由主电路单元、单片机控制单元、报警保护单元、接口单元以及电源组成,如图3所示。主电路单元主要由整流器、滤波器和逆变器组成,整流器将单相工频交流电整流成直流电,滤波器采用电容将整流器输出的直流电进行滤波,逆变器由功率模块(IPM)构成,输出相应频率和宽度的方波电压,将该电压施加于电感线圈负载,产生变化的电流和磁场强度;单片机控制单元通过软件控制产生脉冲宽度调制信号作为逆变器的输入信号,同时接收IPM的短路、过流、过压、欠压、过热等信号,单片机控制单元发出中断信号,使逆变器停止工作。报警保护单元发出IPM的短路、过流、过压、欠压、过热等信号,并传递给单片机控制单元;接口单元主要由参数显示和键盘输入部分组成,而参数显示可以动态地显示整个电磁防蜡器及其控制系统的工作情况;直流电源主要用于为该控制系统供电[6]。

图3 油井电磁防蜡在线装置控制系统架构示意

电磁防蜡在线装置安装于井口输油管线上,防蜡效果既作用于井下,同时又作用于地面流程,电磁转换器的磁场可以在油管线内向远处延伸,电磁场作用于原油后,可改变分子排列结构,使杂乱的蜡分子团变成极化的稳定分子链,使蜡分子电中性化,失去脱离溶液而析出的能力,从而达到防蜡的目的。分子之间的相互作用力减弱,进而导致蜡质的聚集状态改变,所结成的晶体破碎同时磁场会降低原油溶液的黏度,增强流动性,有利于原油在管线中的输送[7]。

2 油井电磁防蜡在线装置的使用方法

该防蜡在线装置使用50 Hz,220 V交流电压,输出功率变频可调,功耗为0～600 W,温度监测范围为0～100 ℃,压力监测范围为0～20 MPa,流量监测范围为0～2 m3/h,使用环境为-30～50 ℃,连接方式采用法兰连接,电磁转换器尺寸为(1 200±20)mm。

油井电磁防蜡在线装置使用步骤如下:

1)安装。只需在油井井口处通过卡箍将油井电磁防蜡在线装置安装于油井与输油管线间,安装前要停机,开总电源开关,关闭油井阀门,排空油水气等介质后,方可施工。安装顺序为首先将原管线切断再焊接卡箍,然后安装该防蜡在线装置,最后调整紧固螺丝[8]。

2)启动。当该装置安装完成后,按送电操作规程要求确认安全后,将主电源空气开关合闸;观察该在线装置上的仪表、信号灯以及装置内是否正常,有无异常动作;该装置启动工作后,给油井电磁转换器电感线圈提供变频电压,电感线圈开始工作,电磁转换器将电能变换成变化的电磁场,电磁场可以在管线内向远处延伸,电磁场作用于原油后,可改变分子排列结构,使杂乱的分子团变成极化的稳定分子链,使蜡分子电中性化,使它失去脱离溶液而析出的能力,从而达到防蜡的目的。同时磁场会降低原油溶液的黏度,增强流动性,有利于管线输送[9]。

3)数据获取。该装置开始工作后,数字化监控室通过该装置上的现场数字化远程控制终端端口实现远程监控功能,并配备现场实时井口压力、温度和流量检测功能,实现无人值守[10]。

4)工作停止。当油井电磁防蜡在线装置出现故障后或不需要加热时,就地或数字化远程可以停止工作。

3 现场应用

该装置2022年在长庆油田某采油作业区8口油井进行了现场应用,防蜡效果明显。替代了频繁热洗、投加清蜡剂等技术,经济效益显著,油井悬点载荷平均下降了14.9%,系统效率年平均提高了5.6%,负载电流平均下降了17.83%,平均有功节电率为19.8%,平均无功节电率为12.7%,平均综合节电率为18.7%,平均日节约电为22.8 kW·h。另外,水驱油井热洗周期大幅度延长,油井平均热水洗井周期由原来30 d延长到了180 d;平均加药时间周期由原来7 d延长到了150 d。该装置的应用对提高油田经济效益具有积极作用,同时能在线监测井口原油的温度、压力和流量,实现数字化远程监控[11]。

4 结束语

采用该装置与常用防蜡技术相比,具有以下优点:

1)维护率低。该装置与化学清防蜡相比,维护工作量小,不受雨雪天气等恶劣环境的影响,同时也不受道路、机械故障的影响,解决了路途远和路况差,油井的加药和热洗作业难的问题。

2)没有副作用。从井口加入化学清蜡剂会残留在原油中,同时对环境有污染。而采用该装置没有副作用,防蜡效率高,具有作用时间长、使用方便、功率小、节能环保、安全可靠等特点。省去或减少阻垢剂、缓蚀剂等化学药品的使用,也减少了人工成本,应用前景十分广阔[12]。

3)效率高。采用该装置后,减少了抽油机负载电流、有功功率和无功功率,降低了电网损耗和电费支出[13]。