油管除垢清蠟裝置的研制和試驗

劉平全， 施連海， 霍新， 黃志強， 張帆

（1.長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧盤錦124010；2.遼河油田錦州采油廠，遼寧凌海121209）

0 引言

油井產出液體流經油管內壁，會結蠟和產生水垢，這些雜質日積月累堆積在油管內壁上，會造成抽油機負荷增加、管線回壓高，嚴重時造成地面管線堵、油管斷、脫概率增大，造成大修甚至停產，影響油氣井正常生產。尤其是在油氣藏開發后期，需要大量采用注水等措施增產，如何有效解決注水井及生產井結垢和結蠟的問題，是當前面臨的一個問題。

1 結蠟及結垢的機理以及處理方式

1.1 機理分析

結垢機理有如下幾個原因：首先是因為地層內水具有成垢離子，如鈣離子、碳酸氫根離子等；其次是注水井中注入水和地層水不匹配；最后是壓力和溫度的變化造成垢離子結合形成水垢。值得注意的是油井中出現的鈣垢大多是因為溫度變化引起的，多集中在花管和射孔孔眼的周圍，因為孔眼處溫度和壓力變化較大，并且油井含水高的井更易結垢。

結蠟機理分析：蠟是以碳原子數在16～64之間的烷烴為主要成分的固態物質。一般油層所含的蠟都處于分解狀態，原油沿井筒上移時，隨溫度和壓力的降低，油中原本溶解的石蠟便會析出，析出的石蠟堆積在管壁上，就是所謂“結蠟”。管壁上結出的蠟并不是純蠟[1]，而是蠟和瀝青質以及泥沙、水的混合體，多呈黑色、棕色，原油中所含輕質餾分越多，則蠟的結晶溫度就越低，而蠟不易析出，保持溶解狀態的蠟量就越多。油氣井開發時：溫度越低，降溫越快，結蠟明顯；壓力越高，溶解能力越強。在生產過程中，氣體的不斷析出，造成壓力降低，降低了蠟的溶解能力，易于結蠟。此外，高產井因為產量高，原油流出時的流量就大，容易將油中的蠟沖洗帶走，不容易出現結蠟。

1.2 當前處理方式

目前井下作業時常用的清蠟除垢方式主要有：化學除垢、清蠟、地面高壓水射流清除[3]等方式。油水井結垢的成分是CaSO4、CaCO3、BaSO4，這些成分與鹽酸液容易反應，生成可溶性鹽類，所以目前鹽酸液是使用比較廣泛的酸型。化學除垢就是用化學藥劑和垢起化學反應，生成可溶性鹽類，使其變軟變薄，進一步利用刮削器清除。

化學清蠟的方法是從井口注入清蠟劑[4]，清蠟劑和蠟產生化學反應，破壞其晶體結構，阻止結蠟情況的發生。清蠟劑主要由溶蠟劑、滲透劑、蠟分散劑等組成，溶蠟劑將分散劑和改進劑溶解之后，形成真溶液，其中的分子吸附在石蠟晶體的表面或者和正在結晶的石蠟分子形成一種共結晶。然后降低蠟晶形成網絡結構的溫度和網絡強度，這樣就能更進一步地降低原油結蠟的程度和黏度，防蠟和降黏的功用達到了，結蠟情況就能很好地被阻止和緩解。上述化學除垢和除蠟的方法缺點是費用很高，并且會對油層產生污染[5]。

地面高壓水射流清除方法是將油管從井內逐根取出，運用專用設備進行清除，清洗作業隊將高壓泵車開入現場，清水經過車載高壓泵增壓后，流至噴桿，噴桿端部連接高壓噴嘴，在噴嘴處形成高壓水射流[6]，水射流剝離、沖刷、清除管壁污垢，清洗噴頭在管柱內部往返前行，高壓水射流的反復沖擊管道內壁堅硬污垢，直至清洗干凈。水在管道內匯集成流，將清洗下來的水垢和油污帶出。高壓水射流清除方法不僅工序繁瑣，且費用高。

為解決上述問題，本文提出了一種油管除垢清蠟裝置，該裝置用鋼絲繩（電纜）懸吊下入油管柱內，高壓泵從井口注入動力液，動力液驅動螺桿馬達轉動，進而帶動裝置底部的銑錐旋轉，對水垢和蠟進行切削形成碎屑，由動力液循環將碎屑清除。

2 結構及工作原理

2.1 結構

除垢清蠟裝置結構如圖1所示，主要由鋼絲繩、重力封隔器、反轉矩自鎖器、螺桿馬達以及銑錐4部分組成。重力封隔器[7]包括重錘、壓帽、膠筒、中心管以及托盤，壓帽上接重錘，設有循環孔連通內外，和中心管軸肩限位連接，并可沿中心管軸向移動，托盤上接中心管，下接反轉矩自鎖器，膠筒安裝在中心管上，上下兩端分別由壓帽和托盤限位。

圖1 清蠟除垢裝置結構圖

反轉矩自鎖器包括槽體、彈簧、扶正塊、軸承、凸輪軸、自鎖鍵，凸輪軸[8]是一個空心軸和三瓣凸輪的整體結構，上下設有螺紋分別與重力封隔器和螺桿馬達連接，三瓣凸輪分別和3個自鎖鍵[9]嚙合。槽體套裝在凸輪軸上，是軸孔連接，可以旋轉，其槽體內安裝彈簧和扶正塊，扶正塊在彈簧作用下處于伸出狀態。螺桿馬達上接反轉矩自鎖器，下接銑錐[10]，

為銑錐提供轉速和轉矩，銑錐采用硬質合金顆粒堆焊，旋轉切削水垢和蠟，錐體上開設有水眼，沖洗碎屑并建立循環將碎屑從油套環空排出井口。

2.2 工作原理及工藝過程

1）重力封隔器工作原理。重力封隔器在初始狀態時，上端承受鋼絲繩拉力，下端承受螺桿及銑錐的重力，處于拉伸狀態，膠筒不受外力，保持自然狀態；當銑錐下行遇阻時，重錘的自重力會施加到壓帽上，膠筒在壓帽和托盤擠壓下脹開，封閉油管內徑。

圖2 反轉矩自鎖器原理圖

2）反轉矩自鎖器工作原理。動力液驅動螺桿馬達[11]輸出轉矩T至銑錐，以切削水垢或蠟，螺桿馬達定子會產生相同大小的反轉矩T′，T′會傳到自鎖器的凸輪軸上，凸輪軸受力旋轉，凸輪將自鎖鍵推出，自鎖鍵與油管內壁嚙合實現自鎖，以此克服螺桿馬達的反轉矩T′，如圖2所示。這一過程中，扶正塊受彈簧作用力伸出，并和油管內壁形成摩擦阻力[12]，此摩擦阻力大于凸輪軸和槽體之間的靜摩擦力，故自鎖器殼體不會轉動。

3）工藝過程。地面絞車用鋼絲繩將除垢清蠟裝置下入油管柱內，自重下行，遇到水垢或臘后，重力封隔器脹開，高壓泵從井口注入動力液，動力液進入循環孔，依次流經中心管、凸輪軸內孔、螺桿馬達，最后經銑錐水眼噴出。螺桿馬達運行，帶動銑錐旋轉，切削水垢或蠟，水眼噴出的動力液沖洗碎屑，循環排出井外，直至油管柱全部清除干凈后，地面絞車收回鋼絲繩，起出工具。

2.3 主要結構參數

除垢清蠟裝置外徑φ56～φ58 mm，銑錐直徑φ60 mm，適用油管內徑φ62 mm。

3 關鍵部件設計及優選

1）螺桿馬達參數優選。水泥漿涂抹在油管內壁形成20 mm厚的水泥環，模擬水垢。用銑錐對油管內水泥環做磨削試驗，首先給定具體鉆壓，然后用轉矩測試機施加轉矩，并記錄鉆壓值和與其對應的有效轉矩值，逐步升高鉆壓，試驗結果如圖3所示。

圖3 鉆壓-轉矩對應表

依據試驗參數，優選出螺桿馬達：外徑φ58 mm，額定排量120 L/min，壓降2 MPa，輸出轉速260 r/min，最大轉矩280 N·m，最大鉆壓10 kN。

2）銑錐設計。結合油管內水垢的特點，設計銑錐結構如圖4、圖5所示。銑錐的錐角設計為160°，這樣一方面存在一定錐度便于切削，另一方面也避免了因錐角太小而出現“卡鉆”現象；切削面采用硬質合金顆粒堆焊，錐體上設有排屑槽，便于清除碎屑。

3）凸輪軸設計。為了準確分析凸輪與卡瓦的最大接觸應力，采用有限單元法進行受力分析。用三維建模軟件Pro/E對凸輪軸進行三維實體建模，然后導入有限元分析軟件femap naxstran[13]進行分析，以螺桿馬達輸出最大轉矩作為載荷，設置轉矩為300 N·m，凸輪接觸線為約束，進行分析計算后結果如圖6所示，最大應力343 MPa，出現在凸輪表面。凸輪選用材料[14]為42CrMo，為提高表面強度，對其表面滲碳處理，提高表面硬度。

圖4 銑錐結構圖

圖5 銑錐三維圖

4 模擬試驗

1）試驗準備及過程。采用27/8″系列油管模擬結垢油管，原內徑為φ62 mm，壁厚5.5 mm，這是常用油管[15]。為了模擬結垢，將油管注入G級水泥漿，中間留出φ20 mm孔道，候凝48 h，水泥環的硬度高于垢和蠟。采用高壓泵驅動，高壓泵最高排量可達200 L/min，最高壓力可達100 MPa。動力液采用清水，用100 μm過濾網過濾，目的是防止損壞高壓水泵。

圖6 凸輪軸受力圖

試驗時，將“結垢油管”上端接上油管柱，總約10 m長度，以此模擬油管管柱，然后將組裝的除垢清蠟器放入油管柱內，管柱頂端連接高壓注水接頭，最后通過高壓軟管和高壓水泵相連接。整個試驗在模擬井筒內實施。開泵注入清水，除垢器在水力作用下，向下移動至結垢處并遇阻，地面泵壓上升至2 MPa，除垢器螺桿馬達開始運轉，觀察有水泥碎屑隨水流出，8 min后試驗完成，整個過程高壓泵排量為120 L/min，平均鉆速為1 m/min。

2）試驗結果。試驗效果如圖7所示，銑錐切削后，油管內水泥垢直徑為φ60 mm，完全可以滿足生產需求，試驗達到預期指標和效果。

5 結 論

除垢清蠟裝置采用水壓驅動，高壓水泵作為動力源，以清水作為傳動介質，螺桿馬達帶動銑錐運轉，采用機械切削垢和蠟，整個過程杜絕化學藥劑干涉，避免了藥劑對油層以及周圍環境的污染，同時也降低了費用。與高壓水射流清除工藝比較而言，工序明顯簡化，不用將油管從井內逐根取出，不用運送到指定位置，省去大量人工和費用，具有廣闊前景。

圖7 試驗前后

該除垢清蠟裝置還需要進行系列化研究，滿足不同油管規格的生產需求，同時還要進一步對轉速和轉矩等參數進行優化，提高切削速率，進一步完善。