纤维增强尼龙刮蜡器的性能与应用

董元军， 邹远北， 孙渊平， 李淑芳， 王海文

(1中石化胜利油田有限分公司临盘采油厂 2中国石油大学)

临盘油田19个低渗开发单元509口油井存在不同程度的结蜡，这些油藏埋藏深，主要分布在2 400～3 700 m，原油含蜡量高，平均33.2%，凝固点高，平均35.5℃，单井产量低，平均液量5.5 m3/d，油井结蜡深度一般在850 m，采油生产管理中以加药和热洗为主[1-5]，存在污染油层、排水期长、容易蜡卡管柱、工人劳动强度大等问题。

尼龙刮蜡器安装在抽油杆上实现油井的清防蜡[6-9]，既省时省力，又节约管理成本。本文针对该产品性能和使用中存在负荷明显增大、刮蜡器与抽油杆粘结不牢、不耐磨损等问题，开展优化刮蜡器结构及尼龙改性研究，取得较好效果。

一、刮蜡器外形结构及参数优化

井筒温度低于蜡的结晶温度时，原油中的蜡质以结晶形式析出，固态晶粒聚集粘结在油管内壁上，这就是油井结蜡[10]，油井结蜡后造成油流通道减小，甚至堵塞，造成油井生产困难。

尼龙刮蜡器是一种机械刮蜡器，一般在结蜡井段使用。尼龙刮蜡器粘结或固结在抽油杆上，然后随抽油杆下至抽油机井的油管内。抽油机井生产时，刮蜡器随抽油杆一起上下往复运动，清除油管内壁积蜡。

以Ø25 mm抽油杆上固定的刮蜡器为例，外形结构见图1。

图1 尼龙刮蜡器外形图

尼龙刮蜡器整体设计为圆柱状，长度150 mm，外径68 mm，用于内径76 mm油管之中，之间差距8 mm；刮蜡器外周上由三片均匀、螺旋线分布的刮蜡片组合而成，螺距300 mm，与油管之间的过流面积达到1 582 mm2，比普通刮蜡器[11]多738 mm2，增大了油气过流通道；螺旋角120°，确保相邻两个凸起部分上下投影重合，对油管内壁实现360°全方位清蜡。刮蜡器螺旋状凸台之间的过流槽为油流通道，油气通过时可产生旋流，对原油中蜡结晶颗粒有冲击、分散作用，破坏蜡的沉积。

二、刮蜡器固结脱落强度测试

刮蜡器在油井中工作时，要承受来自刮蜡片与油管之间的摩擦力，上下冲程摩擦力方向相反，造成刮蜡器与抽油杆之间承受交变应力。刮蜡器与抽油杆粘结或固结的强度，是刮蜡器性能的一个非常重要参数。参照SY/T5832-2009抽油杆扶正器标准，脱落时载荷应不小于600 kg。经对比粘结与固结两种加工工艺，选用热固注塑工艺将尼龙刮蜡器固结在抽油杆上。

脱落强度实验方法：按低周疲劳强度研究方法测试固结脱落强度，用万能试验机测试刮蜡器与抽油杆本体固结强度，按10次/min施加模拟侧向力，设计交变受力10 000个循环，侧面受力分别为1 000 N、2 000 N、3 000 N、4 000 N、5 000 N、6 000 N、7 000 N，测试原理如图2所示。

图2 刮蜡器侧向受力测试示意图

轴向力由万能试验机的液压缸产生。液压柱塞作用到样品的抽油杆端面，在样品底端，设置一个中空底座，刮蜡器放在中空底座上。液压柱塞施加在抽油杆上的力，经尼龙刮蜡器传递到底座上，使刮蜡器与抽油杆之间承受侧向力。通过万能试验机反复加压、泄压实现交变载荷。

经测试表明，刮蜡器经受1 000 N、2 000 N、3 000 N、4 000 N、5 000 N、6 000 N、7 000 N后轴向力10 000次循环后，均没有出现脱落现象，可以继续使用。

三、刮蜡器磨损性能

1.磨损性能测试

实验方法：实验用液体取自临盘油田油井产出液，蜡取自结蜡油井作业时在油管上结的蜡。先将油管、刮蜡器、蜡、油井产液放在一起加热至45℃以上，自然降温到室温。

刮蜡器与油管之间的正压力来自与井身轨迹不垂直等因素，根据抽油杆在油井内受力分析，可以设定正压力为100 N与200 N两个等级。

实验在摩擦试验机上进行，实验过程中刮蜡器始终浸没在液体中，实验数据如表1。

表1 刮蜡器磨损性能测试

由实验数据可以得出以下结论：

(1)在无蜡液体中，磨损快，含蜡液体中磨损大幅减小。这是由于油管上附着蜡结晶，有利于润滑。

(2)纤维增强尼龙刮蜡器耐磨损性能优于尼龙刮蜡器。

(3)正压力加大，磨损量加大，但并不完全呈等比例增加。

(4)按照刮蜡器室内实验结果，以刮蜡器最大磨损量4 mm作为损坏失效的最大磨损量，本次测试的纤维增强刮蜡器在冲程4 m、冲次6次/min的结蜡油井内，使用寿命为1 333 d。

2.尼龙刮蜡器磨损显微测试

对刮蜡器磨损实验后的表面用抛光砂纸打磨后，进行了显微形貌观测，见图3。

显微照片观测到尼龙内部的显微结构，图3中可以看到大量的纤维成分，说明施加200 N正压力作用下，磨损表面裸露出大量纤维，一方面起承载作用，另一方面凸起的纤维延缓偶件对尼龙基体的切削作用，这是刮蜡器强度和耐磨性增加的一个重要因素。

图3 纤维增强尼龙刮蜡器磨损测试后表面电镜显微照片

四、现场应用情况

1.刮蜡器安装个数计算

为了使相邻两个刮蜡器刮过的地方能相互重叠，不留空白，刮蜡器的间距要小于冲程。刮蜡器固结在抽油杆上，一根抽油杆长度为8 m，抽油机冲程一般为3～7 m。抽油杆上固结刮蜡器数量、位置要规范化，综合起来，一根抽油杆固结2个刮蜡器较为合适，两个刮蜡器之间的间距等于抽油杆长度的一半，现场使用时要求抽油机冲程不低于4 m，这样就可以实现无盲区刮蜡。

带刮蜡器的抽油杆下入深度要深于结蜡点深度，一口抽油机井需要安装刮蜡器的数量：

N=2H/L

式中：N— 一口抽油井需要安装尼龙刮蜡器的数量，个；

H—结蜡点深度，m；

L—单根抽油杆长度，m。

2. 现场应用

纤维增强尼龙刮蜡器在盘40沙四、夏502沙四等低渗油藏应用45口井，对比使用刮蜡器前生产数据，使用后回压平均下降0.07 MPa，最大电流平均下降1.13 A，最大负荷略有下降，尤其明显的是使用刮蜡器后，大部分油井不再需要热洗清蜡或加清防蜡剂，少部分井进行了15口次热洗，热洗周期平均延长35 d。至目前已有3口井上作业提出杆柱，对提出来的刮蜡器观察，未出现刮蜡器脱落现象，磨损轻微，对应的油管内壁无结蜡现象。

典型井例：夏502-6井油层深度3 227.0～3 247.0 m，日产液2.4 m3，日产油1.2 t，含水率51%，原油密度0.860 4 g/cm3，地面原油黏度(50℃)15.8 mPa·s，凝固点34℃，含蜡21.2%，结蜡点深度750 m。该井日常管理为3 d加一次清防蜡剂，每次25 kg，采用纤维增强尼龙刮蜡器后，与此前井筒加药生产情况对比见表2。

下入刮蜡器后，通过测试示功图对比，抽油机负荷稳定，悬点最大载荷下降0.7 kN，每年节约清防蜡剂费用6万元，而750 m抽油杆加装尼龙刮蜡器190个，费用0.95万元。

表2 502-6井两种清蜡措施应用效果对比

从现场使用情况综合来看，纤维增强尼龙刮蜡器的性能优良，相比井筒加药和热洗工艺，经济效益突出，在结蜡油井上具有较好的推广前景。

五、结论

(1)通过优化刮蜡器结构设计，增大了油流通道、减小了油流阻力，使抽油机井载荷没有明显变化，螺旋式刮蜡片结构实现了360°全方位刮蜡。

(2)尼龙中掺混碳纤维成分，提高了尼龙刮蜡器耐磨性能。纤维增强尼龙刮蜡器耐磨损性能优于普通尼龙，以刮蜡器最大磨损量4 mm作为损坏失效的最大磨损量，纤维增强尼龙刮蜡器在井使用寿命为1 333 d。

(3)现场应用情况表明，纤维增强尼龙刮蜡器性能优良，清防蜡经济效益突出，具有推广前景。

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