变频电磁场除防垢装置在CB11A井组平台上的试验

梁立民

(胜利油田海洋采油厂,山东东营25700) *

变频电磁场除防垢装置在CB11A井组平台上的试验

梁立民

(胜利油田海洋采油厂,山东东营25700)*

埕岛油田采用注水开发工艺,油井结垢严重影响生产。介绍了磁阻垢除垢、超声波阻垢除垢及变频电磁场阻垢除垢的原理。提出采用变频电磁场来阻垢、除垢,并开发了一套适合现场使用的装置。现场试验表明:该装置可有效防止注水系统结垢,对含水量较高的输油管线也有阻垢、除垢的作用,效果可以延伸到油水分离罐、除油器以及污水罐。采用该技术可极大降低管线中加阻垢剂的药量,避免因清洗结垢管线而停产,节约生产成本,减少二次污染。

油井;结垢;变频电磁场;防垢

埕岛油田注水系统对于油田稳定、高效生产具有重要意义[1-3]。海上注水系统采用了一站多网、一线多井、树枝状结构。由于水的热力学不稳定性和化学不相容性,造成油水井井筒、管柱、工具,地面集输系统、注水系统及地层结垢,并带来许多危害[4-6]。因此,有必要分析这些结垢现象的原因,采取有效的防治措施。

1 油井结垢的危害

随着油井开采时间的延长,原油含水率也上升较快,原油地层水中含有大量的 Ca2+、CO2-3、HCO1-3、HSO2-4等离子在阀门、海管管壁处析出并结垢,使得海管中的原油通道孔径变得越来越小,干压越升越高。以CB11B井组平台至中心一号油气工艺处理平台海底管线为例,该管线投产初期,CB11B平台生产回压0.45 MPa,2009-07上升至1.7 MPa,比生产初期上升了1.25 MPa,严重影响着油井的正常生产和安全外输。针对干压升高,笔者曾拆下并更换过中心一号流程阀门,发现结垢情况非常严重,在阀门及海管管壁处形成了一层很厚的垢层,203.2 mm(8英寸)阀门孔径只有«6 cm,垢质为黄色、褐色,在空气中暴露时间一长,变得非常坚硬。分析原因,注水水源主要为地表海水及分离出的污水,矿化度在1 4000 mg/L左右。垢样成分如表1。

表1 中心一号平台注水系统结垢成分 wB%

从垢样分析来看,结垢的主要成分为碳酸钙,污水中不含铁质成分,p H值为7.5比较适中。2009-09笔者对中心一号平台至CB11B平台海底管线进行了清洗,在清洗过程中有大量气体产出,分析认为,该气体为与清洗液中的 H1+反应生成为CO2气体。清洗后CB11A、CB11B平台干压下降了0.25 MPa(如表2)。

表2 CB11B、CB11A、中心一号平台海底管线干压统计

污水结垢不仅影响了水处理设备的处理效果,而且进入注水管网后堵塞管道、井下工具,甚至堵塞地层,造成地层吸水能力下降。例如,CB12B-1井注水量下降,将井下水嘴投捞上来发现水嘴有结垢现象。在进行污水处理时,采用了化学法缓蚀阻垢剂,从使用情况来看,费用较高。随着采油年限的增长,有一些油井采出液含水量较高,例如CB11A平台油井采出液含水量超过50%,污水结垢使管线堵塞,管压升高,影响产量,采取酸洗后结垢问题虽然得到了缓解,但管线结垢需要停产酸洗,既影响生产,又形成了二次污染。

2 防垢除垢方法

在世界范围内,各油田都存在污水结垢问题。油田污水结垢主要有2种情况,采用的办法基本分为化学法和物理法2大类[7-9]。

2.1 化学法

化学法防垢采用的是缓蚀剂,具体配方要根据现场结垢的成分及结垢条件进行配伍。对于井筒及地面设备的结垢,通常先采样分析了解结垢的成份及结垢条件,然后进行实验室配方试验,最后进行现场试验,根据试验结果确定配方及工艺。

油层结垢取样比较困难,需要先进的计算机进行结垢趋势预测,而且缓蚀剂防垢不能达到百分之百,通常需要停产进行化学法除垢。无论化学法防垢还是除垢,都对环境有一定污染,且成本高。

2.2 物理法

物理阻垢主要指磁阻垢、超声波阻垢、电子阻垢。磁阻垢的研究与应用已有100多a的历史,超声波和电子阻垢方法的应用时间相对要短一些。由于物理阻垢不需要停产和添加化学药剂,不污染环境且成本低,因此在国际上越来越受到青睐。

变频电磁场法除垢阻垢的机理是:利用频率在一定范围扫描的磁场,其频率涵盖了所有水分子的自然频率,引起水分子的共振,破坏了水分子族团的结构,使水的溶解能力大为提高,获得较高能量的单个水分子,促进垢离子结成垢晶体粒子,这些粒子不带电并溶入水中,不在管道及容器壁上形成垢层。同时发生共振而获得较高能量的水分子,能够破坏原先结在管壁或容器壁上的老垢,使其由外向里慢慢溶入水中,从而产生除垢的效果。

3 变频电磁场除垢防垢装置

3.1 基本原理

控制单元产生数字控制信号,经D/A转换成模拟信号,控制变频正弦波生成器产生10～20 kHz正弦波,经放大器放大后输出。在该频率范围内的正弦波周期性快速扫描,使输出为扫频正弦波电流信号。主机原理如图1。其中,控制单元模块的主要功能是在规定控制程序的控制下,产生一系列控制数字指令,正弦波生成器依据该指令产生扫频正弦波。

图1 主机原理

待处理水中的变频电磁场由缠绕在管道上的特制螺线管形成,如图2。螺线管的两端连接到如图1所示主机的扫频信号输出端,螺线管线圈内的正弦波电流在管道内部产生变化的磁场,根据法拉第电磁感应定律,变化的磁场激发变化的电场,在管道内的水中形成变频电磁场,从而达到除垢阻垢的目的。

图2 形成电磁场的螺线管

3.2 现场试验结果

将研制的变频电磁场除垢装置安装在CB11A平台的生产流程管线上,防爆达到了ⅡB级,通电后,从4个圆形小窗口可以观察到正常运行指示灯不停地闪烁,说明正常运行。

变频电磁场除垢装置运行之前,在CB11A采油平台上的生产流程管线上取了2个样,油水分离后对污水进行了粒径测量,测试结果如表3。

变频电磁场除垢系统运行14 d后,在生产流程管线上又取了2个样,油水分离后同样进行了粒径测量,测量结果如表4。

表3 变频电磁场除垢装置运行前粒径测量值

表4 变频电磁场除垢装置运行14 d后粒径测量值

3.3 测试结果分析

在粒径测量时,各样品取同样的水量,由表3～4可以看出,电磁变频除垢装置运行后污水中的颗粒数增多了。颗粒增多有2个原因:一是变频电磁场使水分子发生了共振,水分子的振动促使垢离子在水中结成垢晶体颗粒;二是变频电磁除垢系统起到了除垢的作用,使管壁上的部分老垢被分解溶入水中。

变频电磁场除垢装置运行前后粒径平均个数变化率如表5,可以看出,粒径为2.00μm的粒子数量增加率较大,这是因为垢离子在水中形成垢的晶体粒子时,粒径为2.00μm的粒子最多。粒径为6.35 μm的粒子数量增加率大,这是因为该粒径的粒子数量很少,测量次数又少,形不成概率统计规律,测量结果价值不高。

表5 变频电磁场除垢装置运行前后粒径平均个数变化率

现场取样测试结果表明,变频电磁场除垢装置安装在CB11A平台的生产流程管线上达到了除垢阻垢的效果。说明变频电磁场除垢法不仅适合注水管线及设备,也适合油气集输管线的除垢阻垢。

3.4 技术特点

1) 无电极,不接触水。这种结构没有压力、流速、流量的损失;不需要定期更换电极;体积小,这是其他有电极的电子除垢产品无法达到的。

2) 高效。共振频率覆盖不同条件(硬度、温度、粘度、压力、p H值)下的水分子的自然频率,保证对各种水质的高效除垢、防垢。

3) 低电压。工作电压DC10～50 V,操作和用水安全。

4) 安装简单。直接安装在用户进水管道上,不需另加旁路系统,不改动生产流程,只需将特殊材料制成的导线缠绕在管道上,其两端连接到主机上即可。

5) 有活化水的作用。

6) 寿命长,效果稳定。正是由于采用了变频共振技术,决定了其寿命长,效果稳定。相反,有电极的除垢产品如果不经常更换、清洗电极,除垢效果将打折扣。另外,采用磁场除垢的产品(如强磁、永磁、高磁等)容易产生磁衰减,加在管道上的磁极还容易吸附水中的铁锈微粒造成磁短路,失去除垢效果,这就是开始使用时效果好,运行一段时间效果又不明显的原因。

7) 应用范围广。一般电子除垢产品只能用于工业循环水系统,由于变频电磁场除垢仪除垢防垢的功能强大,因此不仅可用于循环水系统,还可用于更多的开环水路系统。

4 经济效益

以CB11A平台为例,由于结垢每年需清洗管道2次,每次需要费用†2万元,停产引起的产量损失†3万元,每年2次共消耗费用†10万元,中心一号加阻垢剂每年需要†120万元,减少10%的药剂量年节约费用†12万元。

采用国外进口专用芯片的变频电磁场阻垢除垢设备每套†10万元,处理污水量50 m3/h的功率为0.1 kW,按保质期5 a(试验推算10 a)计算,用电量为:0.1×24×360×5=4 320 kW·h,1 kW·h按†0.5元计,5 a为†0.216万元,安装1套变频电磁场阻垢除垢设备可节约经费为

10×5+12×5-10-0.216=109.8万元

安装变频电磁场阻垢除垢装置可在5 a内减轻清洗管道的劳动强度,同时不存在清洗管道引起的二次污染及清洗液对管道的腐蚀,既可更好地保护环境,又可延长输油管道的使用寿命。

5 结论

1) 变频电磁场除垢装置可以有效消除和预防污水处理系统中油水分离罐、水力旋流除油器及污水罐等污水处理设备的结垢问题,水力旋流除油器入口处可以不加阻垢剂。

2) 由变频电磁场处理过的水可提高水分子的能量,在注水管线中起防垢、除垢作用。

3) 在注水泵出口安装变频电磁场阻垢除垢装置能使水分子的能量得到补充,阻垢除垢效果可影响到下游注水井,起到增注的作用,可有效减少注水井的作业检修次数。

4) 变频电磁场除防垢装置的研发及推广应用对油田注水开发效益将起到积极的推动作用。

[1] 李 明,王治国,朱 蕾,等.桥式偏心分层注水技术现场试验研究[J].石油矿场机械,2010,39(10):66-67.

[2] 李 荣,康学峰1潜油电泵注水工艺及应用前景探讨[J].石油矿场机械,2009,38(5):86-891

[3] 尹文波,江正清,梁子波1井下低频脉动注水技术理论及方法[J].石油矿场机械,2009,38(11):5-81

[4] 沈晓明,李根生,马加计,等1油管结垢机理及水力清垢技术研究[J].石油钻探技术,1996,24(3):43-451

[5] 王 兵,李长俊,刘洪志,等1井筒结垢及除垢研究[J].石油矿场机械,2007,36(11):17-211

[6] 王 百,吕亿明,韩二涛,等1水平井测试管柱防垢工艺[J].石油矿场机械,2010,39(9):74-771

[7] 张洪山.重力式泵下药剂滴注装置研制与应用[J].石油矿场机械,2010,39(11):78-79.

[8] 刘有昌,孙晓君.磁化抑垢机理的研究[J].哈尔滨工业大学学报,2000,32(1):86-94.

[9] 王 斌,石重阳,冯阀军.基于油田污水结垢的扫频磁场除垢[J].承德石油高等专科学校学报,2006,8(2):5-7.

Test of Scaling Removing Device by Frequency Electromagnetic Field in CB11A Oil Production Platform

LIANG Li-min
(Ocean Production Factory,Shengli Oilf ield,Dongying257000,China)

Removing scale mechanism study on magnetic,ultrasonic and variable frequency electromagnetic technology for Chengdao Oil wells,through a large number of experimental studies and economic comparison,variable frequency electromagnetic remove scale technique was proposed,a variable frequency electromagnetic removal scale device was developed for field use.The onsite test showed that,in higher water content,oil pipeline scale can also be removal;the effect can be extended to be used in the oil-water separation tank,oil remover,and water tank.Applying the device,the pipeline in the pharmaceutical dosage of prevent scale and avoid scale pipeline cleaning was significantly reduced so as to achieve cost savings and reduce the secondary pollution.

oilwell;scaling;frequency electromagnetic field;prevention of scaling

1001-3482(2011)05-0033-04

TE952

A

2011-01-16

梁立民(1976-),男,山东淄博人,工程师,1999年毕业于重庆石油高等专科学校,现从事注水、采油、集输系统技术管理工作,E-mail:shatannanhai@vip.sina.com。