空心抽油杆清洗工艺与装置研究

左秀华，霍丙新，陈志军，刘亚茹

一、问题的提出

吐玉克油田是吐哈盆地发现的稠油油田，通过空心抽油杆进行泵上掺稀采油，而空心抽油杆的清洗则是长期困绕修井作业者的一大难题。

二、清洗机理

空心抽油杆油垢主要为原油、石蜡、胶质、结垢和少量固体颗粒。油垢黏度相变点为70～90℃，随温度的升高黏度急剧降低。利用油垢的这一特性，采用蒸汽加热，使空心抽油杆升温，使油垢与空心抽油杆结合处温度高于相变点，从而最大限度地减少除垢的机械阻力。为了将油垢从基体剥离，必须使其产生足够的动能，克服油垢与基体间的分子引力的势能。

为此，采用蒸汽加热和高温高压水射流联合清洗方式，通过喷嘴向后喷出高压液体产生向前的推力，带动清洗管进入空心抽油杆内近距离直接吹扫，极大地提高清洗效率。

对于高压水射流清洗来说，剥离过程可以通过构造碰撞模型，并用能量守恒定律和动量守恒定律描述。

式中：E——污垢微粒与基体间的分子引力的势能；

M——作用点处被剥离的污垢微粒的质量；

V——作用点处被剥离的污垢微粒的速度。

式中：M′——作用点处清洗介质的当量质量；

V′——作用点处清洗介质的当量速度。

公式 （1） 代入公式 （2） 得

以上分析将清洗介质当量质量M′和清洗介质的临界线速度V′联系起来，从而得出以下重要结论。

（1）作用点处清洗介质的速度必须大于某一临界值才能有效清洗。

（2）作用点处被剥离的污垢微粒的质量越小，清洗介质的当量质量越大，清洗介质所需的线速度越小。

三、清洗主要技术指标

1.清洗过程中，不得损坏空心抽油杆。

2.被清洗后每1m2的表面上，残留杂物不得大于100～200g。

3.被清洗后无明显水垢或油污残留物。

4.清洗后应满足实际生产需要。

四、检验方法

清洗后的质量检验方法以目测和过规为主，必要时可采用截取标准面积的空心抽油杆，按称重法进行测量。

五、主要工艺参数及其影响规律

试验研究表明，当压力和射流速度较低时，不能用于去除硬质沉淀物，只有当射流速度超过临界速度时才能达到清除作用。当射流速度进一步提高时，清洗效率和清洗质量都有所提高。吐哈油田在用空心抽油杆规格见表1。

表1

用高温高压清洗机MAXSXW300-21试验，调整压力流量，温度控制在98℃，分别清洗5min时，可有效去除原油、石蜡、胶质。压力低于15MPa、流量低于12L/min时不能有效去除硬质沉淀物。

受空心杆内径的限制，清洗管内径只有8mm。受清洗水源限制，为了杜绝喷嘴堵塞，喷嘴直径设计在0.5mm左右。

根据液体连续性方程：流量Q=A1v1=A2v2（4）

清洗管内径8mm，面积（m2）：5.0E-05

喷嘴直径0.5mm，面积（m2）：2.8E-07×6个

式中：A1——清洗管面积；

v1——清洗管内液体流速；

A2——喷嘴面积；

v2——喷嘴液体流速。

根据液体动量方程，径向方向的喷射力（表2）

式中：Fr——液体流向改变对管壁的冲击力（喷射力）；

ρ——流体密度；

Q′=Q/6（Q为流体流量，假设喷嘴6个孔均分流体流量）；

v2r——径向方向流速，v2r=v2；

v3——冲击管壁后液体的流速。（假定液体喷射后对管壁冲击力最小的情况，就是沿着管壁切线方向，则v3r=0，∑Fr=ρQ′(0-v2r)=-ρQ′v2。

表2

通过计算获得临界速度184.0m/s，对应压力17MPa、流量13L/min。

厂家可提供满足使用要求的机型如表3。

表3

考虑到射流速度进一步提高时，清洗效率和清洗质量都提高，选择Max30.21STT工业清洗机。

六、撬装空心抽油杆高效清洗通刺装置设计制作

根据清洗机理，采用蒸汽加热和高压水射流联合清洗方式，为此设计了撬装空心抽油杆高效清洗通刺装置。

整套装置集成撬装底座上，包括清洗机、水泵、过滤器、调压阀、延伸线盘、清洗专用卡具、配电箱、排烟管加热装置、贮水罐（见图1）。

图1 撬装空心抽油杆高效清洗通刺装置示意图

1.清洗机。意大利宝利特Max30.21STT工业清洗机：压力3×107Pa、流量21L/min、功率13kW/380V、温度30～140℃、宽1 200mm、长755mm、高985mm，自带水箱可进行软水处理、重量400kg。

2.水泵。型号zx32-25-160、流量3.2m3/h、功率1.2kW。

3.过滤器。水泵前安装过滤器，流量5m3/h、长度156mm、直径为200mm、过滤精度可达到5μm。

4.延伸线盘。高压延伸管40m带线盘。

5.清洗工具。高压清洗管10m带线盘、喷嘴，蒸汽和射流导入卡具，全部固定在小车上，方便在井场操作。

6.配电箱。Exd II CT6型，额定电压380/220V，电流100A。

7.排烟管。排烟有余热，为了充分利用余热，排烟设计加长进入水罐加热冷水。

8.贮水罐。长3m，宽2.3m，高1.5m，贮水10t，碳钢制造，钢梁支撑，活动顶盖，便于清洗。

七、应用及结论

空心抽油杆清洗通刺技术现场应用12井次，每井次至少节约通刺时间9.5h，节约收污时间4h。实践证明，该项技术是一整套安全、优质、高效的修井作业清洁生产技术。

[1]许焕春，宋海云，杨高喜.油田水井有关清洗新工艺 [J].内蒙古石油化工，2005，（8）.

[2]赵霄峰，李少兵，张华礼，罗小麟，唐棖浩.常压电磁感应加热油管清洗工艺与装置研究 [J].钻采工艺，2007，30（3）：85-87.

[3]冯异勇.石蜡沉积及清除数值模拟 [D].西南石油学院，2002.

[4]高浩国.高压水射流清洗油管喷头的改进 [J].设备管理与维修，2006， （1）.

[5]卢惠春.油管清洗工艺的应用效果及优化研究 [J].断块油气田，2007，14（2）：78-80.