油井变频电磁场防蜡的实验研究

代 越，张建国

（中国石油大学 石油工程学院，山东 东营257061）

油井变频电磁场防蜡的实验研究

代 越，张建国

（中国石油大学 石油工程学院，山东 东营257061）

变频电磁场防蜡技术作为一种新兴的物理法防蜡技术，具有成本低、对油层无污染、有效期较长、管理方便等优势，具有广阔的发展前景。实验研究表明，电磁场作用可以降低含蜡油的析蜡点和凝固点，减少含蜡油的结蜡量，破坏蜡晶网络结构。变频电磁场可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。

变频电磁场；防蜡；含蜡油；凝固点；降温曲线；蜡晶形态

对于高含蜡原油，在开采和输送过程中，油井结蜡现象是普遍存在的问题。油井结蜡会给油井正常生产带来很多困难。蜡晶的不断析出使原油性质产生巨大的变化，原油黏度增加使原油变稠，引起流动阻力增加，导致抽油机载荷增加，使得采油泵压和原油输送泵压提高，导致电能消耗增加，同时缩短检泵周期，导致工作量增加；油井结蜡缩小油管通径，减小过流面积，降低了油井产量；严重时原油会失去流动性而凝固，造成蜡堵、蜡卡，使得油井停产［1］。油井结蜡严重影响了原油的正常生产和输送。

在室内实验条件下，笔者用变频电磁场防蜡器对含蜡油进行电磁波处理，考察了电磁波处理前后结蜡量的变化，采用生物显微镜观察电磁波处理前后的蜡晶形态结构，并分析了变频电磁场防蜡器是如何通过电磁效应对蜡的结晶过程产生影响的。

1 实验部分

1.1 实验装置和仪器

变频电磁场防蜡实验平台由变频电磁场防蜡器、油箱、水箱、自吸泵、超级恒温水浴锅、挂片、电子天平及若干PVC管段组成，如图1所示。2个油箱中分别安装有5个挂片，可以通过称量挂片上的结蜡量来分析变频电磁场防蜡器的防蜡效果。采用GALEN-Ⅲ型生物显微镜观察蜡晶形态结构。

图1 变频电磁场防蜡实验平台Fig.1 Experimental platform of variable frequency electromagnetic paraffin control

1.2 变频电磁场防蜡器的安装

变频电磁场防蜡器由电磁感应器和激励源控制箱两部分组成。电磁感应器通过法兰与抽油机井和输油管线相连，水平安装于地面以上，如图2所示。防蜡器安装在可以提供220V电源的油井，安装前要清洗井筒和管线，停井泄压排空。电缆需要埋地，外露电缆用钢管或者PVC管防护。

图2 变频电磁场防蜡器安装示意图Fig.2 Installation schematic of variable frequency electromagnetic paraffin control instrument

1.3 实验过程

配置含蜡量20%（质量分数）的溶蜡柴油，在变频电磁场防蜡实验平台的油箱中加热到预定温度后恒温，然后开启自吸泵循环进行电磁波处理，观察实验过程中两油箱油样形态的变化（左油箱油样为未经电磁波处理的油样，右油箱油样为电磁波处理油样）。两个油箱中分别安装有5个挂片，通过称量挂片上的结蜡量，得到电磁处理前后挂片结蜡量的变化，可分析变频电磁场防蜡器的防蜡效果。从降温曲线和蜡晶形态结构两方面对电磁处理效果进行深入分析。

变频电磁场激励源的作用频段为0～22kHz，工作档位和工作电流分别选为3档和2.5A（依据现场数据），实验流体在电磁场防蜡器中的流速约为0.2m/s，实验流体温度为38～42℃。

2 结果与讨论

2.1 电磁场作用对含蜡油凝固点的影响

对两油箱中油样进行加热，蜡逐渐溶解，由于油箱底部温度高于顶部温度，所以油箱中的蜡从下往上逐渐溶解，蜡层浮于液面上方，如图3（a）所示。

图3 不同实验时间（t）变频电磁场防蜡实验平台两油箱内含蜡油样形态Fig.3 Morphology of the oil samples in two oil tanks of the experimental platform at different times（t）

由图3（b）可以看出，电磁处理30min后，右油箱中的蜡块已经全部溶解于柴油，而未经电磁波处理的左油箱中还漂浮着大量的蜡层，清晰可辨，说明电磁场防蜡器使得蜡的溶解速率加快。此时，水温为42℃，右油箱油样温度为38℃，左油箱油样温度为40.5℃。两油样的温度差别是由右油箱油样的油流循环路径较长，散热更多而引起。右油箱油样在流经电磁场防蜡器的电磁感应器过程中，与后者金属内壁充分接触，进行了大量的热交换，而且电磁感应器又暴露于空气中，而室温为12℃，远低于油样温度，因此损失了大量的热量，且该油样在整个循环过程中流经PVC管的长度较长，比未处理油样产生了更多的热量损失。上述这两部分热量损失致使右油箱油样在整个实验过程中的温度始终低于左油箱油样1～2℃。即便如此，右油箱油样中的蜡要比左油箱油样中的蜡提前溶解，这足以验证电磁场防蜡器的防蜡效果。

图3（c）中，水温为44℃，左油箱油样温度为42.5℃，右油箱油样温度为40.5℃。此时，两油箱油样中的蜡均已溶解，可见未处理油样中蜡的溶解时间相比电磁波处理油样推迟了20min。

由实验可知，电磁波处理油样的凝固点相比未处理油样降低了3～5℃。

2.2 电磁处理前后结蜡量的变化

实验平台两油箱中各挂片上的结蜡量列于表1。

表1 实验平台两油箱油样中各挂片的结蜡量Table 1 Wax deposition mass（m）on coupons in two oil tanks with samples of the experimental platform

由表1可得，未处理油样中的挂片平均结蜡量为0.160g，电磁波处理油样中的挂片平均结蜡量为0.074g，防蜡率为54%，防蜡效果明显。

2.3 电磁场作用对含蜡油降温曲线的影响

将含蜡油加热至某一个确定的温度，在一定的环境温度和导热条件下进行冷却，测量并记录含蜡油冷却过程中温度随时间的变化，然后即可绘制出油样的降温曲线。随着温度的降低，降温曲线在析蜡点处的切线斜率将发生变化，经过防蜡降黏处理后的原油，其析蜡点应该滞后，所以通过降温曲线的变化可以判断处理效果［2］。同样，通过电磁波处理会使含蜡油的降温曲线改变，使温度升高或黏度降低。

根据两油样在冷却过程中温度随时间的变化数据绘制的降温曲线如图4所示。

图4 电磁波处理油样与未处理油样的降温曲线Fig.4 Cooling curves of the two oil samples untreated and treated by electromagnetic radiation

根据图4降温曲线，将温度对时间积分，得到电磁处理油样降温曲线的积分面积比未处理油样增加了2.76%，这是电磁场作用的结果。电磁处理油样的降温曲线在未处理油样降温曲线的上方，降温速率变缓，两油样起点温度同为60℃，在冷却后的17.5min，未处理油样温度下降到28.7℃，而电磁处理油样温度此时为30℃。

由实验数据可知，未处理油样在冷却后的6.5min开始析蜡，析蜡点约为38.1℃，而电磁处理油样在冷却后8.5min开始析蜡，析蜡点约为36.8℃。含蜡油经电磁场处理其析蜡点的出现滞后了约2min，析蜡点降低约1.3℃，说明电磁场处理起到防蜡作用。

2.4 电磁波处理前后蜡晶形态结构的变化

分别取少许未处理和电磁波处理的含蜡油，在GALEN-Ⅲ型生物显微镜下观察其蜡晶形态结构，结果示于图5。

图5 未处理油样与电磁波处理油样蜡晶形态的显微照片Fig.5 Microscopic images of wax crystal morphology in the samples untreated and treated by eletromagnetic radiation

由图5（a）、（b）可见，未处理油样的蜡晶颗粒尺寸较大、聚结严重，呈现出致密竹叶状网络结构。由图5（c）、（d）可见，经电磁波处理的油样其蜡晶微粒尺寸较小、分布较散，致密的蜡晶网络结构受到严重破坏，有力地证明了变频电磁场作用的防蜡效果。

2.5 变频电磁场的防蜡机理分析

振荡电路的变化电场经过缠绕在钢管上的线圈而产生振荡磁场，防蜡器与相连的生产管路形成一个闭合回路的电磁场，所激发的电磁波就会在场中发射和传播。变化的电场场强与变化的磁场场强遵守麦克斯韦方程［3］。

不同物质由于分子结构不同，具有不同的固有振动频率，若对之施加一个频率与固有频率相同的电磁场，便会使其达到共振目的。物质在变频共振作用下会产生一些意想不到的物理性质和化学性质变化。

电磁场引起石蜡分子的内共振，诱发电偶极矩，使得分子键发生变化甚至破裂，导致分子构型的改变，造成其物理性质的变化。蜡分子中C—C键存在伸缩振动，C—H键存在伸缩振动和弯曲振动［4］。在电磁场作用下，分子发生内共振，导致蜡晶结构与形状发生变化，从而抑制了蜡分子的析出、长大和聚集，同时对已形成的蜡晶产生一定的破碎作用。

2.6 应用前景

变频电磁场防蜡技术作为一种新兴的物理法防蜡技术，具有独特的优势：不用添加化学药剂，人工和材料成本低；绿色环保，对油层、地面环境无污染；有效期相对较长；无需监控保养，便于管理维护，节约管理成本；结构简单，安装方便。油田现场数据表明，使用变频电磁场防蜡技术的机采油井，加药周期和热洗周期成倍延长，防蜡效果显著，有效地减少了工作量和药剂费用的投入，生产成本大大降低。变频电磁场防蜡技术为高含蜡原油的开采和输送提供了一种新的防蜡方法，具有广阔的发展前景。

3 结 论

（1）含蜡油经电磁场处理后其凝固点降低；结蜡量大幅降低；其析蜡点降低，且滞后出现；其蜡晶微粒尺寸较小、分布较散，致密的蜡晶网络结构受到严重破坏。

（2）变频电磁场可引起蜡分子的内共振，使得分子构型发生改变，导致蜡晶结构与形状发生变化，抑制了蜡分子的析出、长大和聚集，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。

［1］罗哲鸣，李传宪.原油流变性及测量［M］.东营：石油大学出版社，1994：110-115.

［2］耿宏章，潘举玲，周开学.原油磁化防蜡实验研究［J］.油气地质和采收率，2003，10（4）：61-63.（GENG Hongzhang，PAN Juling，ZHOU Kaixue.Experimental study on paraffin control by magnetic treatment of crude oil［J］.Oil ＆ Gas Recovery Technology，2003，10（4）：61-63.）

［3］盛新庆.电磁波述论［M］.北京：科学出版社，2007：11-15.

［4］朱林.关于磁化技术机理的理论研究［J］.磁能应用技术，1990，1：22-25.（ZHU Lin.Theoretical study of mechanism of magnetization technology［J］.Magnetic Energy Applied Technology，1990，1：22-25.）

Experimental Study of Variable Frequency Electromagnetic Paraffin Control for Oil-Well

DAI Yue，ZHANG Jianguo
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Dongying257061，China）

Variable frequency electromagnetic paraffin control technology is a new physical method，which has advantages of low cost，reservoir protection，long period of validity and convenient management，and has an obvious effect and broad prospect.Laboratory experiments showed that electromagnetic field can reduce the wax precipitation point and freezing point of waxy oil，reduce the quality of wax deposition，and destroy the wax-crystal netted structure.Variable frequency electromagnetic field can cause the internal resonance of wax molecules，change the wax-crystal structure and shape，inhibit the crystallization process of wax molecules，and also break existent wax crystals，thus the goal of paraffin control can be achieved.

variable frequency electromagnetic field；paraffin control；waxy oil；freezing point；cooling curve；wax crystal morphology

TE357.3

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2012.03.023

1001-8719（2012）03-0494-04

2011-04-19

代越，男，硕士研究生，从事电磁场防蜡防垢技术的研究；E-mail：dy3160＠163.com

张建国，男，教授，从事声波采油技术、无极自固结材料防砂技术、抽油泵提高泵效技术和电磁场防蜡防垢技术的研究；

Tel：0546-8391155；E-mail：zhjguo＠upc.edu.cn