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(shù)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(chǎn)出液體流經(jīng)油管內(nèi)壁，會結(jié)蠟和產(chǎn)生水垢，這些雜質(zhì)日積月累堆積在油管內(nèi)壁上，會造成抽油機負荷增加、管線回壓高，嚴(yán)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(chǎn)，影響油氣井正常生產(chǎn)。尤其是在油氣藏開發(fā)后期，需要大量采用注水等措施增產(chǎn)，如何有效解決注水井及生產(chǎn)井結(jié)垢和結(jié)蠟的問題，是當(dāng)前面臨的一個問題。

1 結(jié)蠟及結(jié)垢的機理以及處理方式

1.1 機理分析

結(jié)垢機理有如下幾個原因：首先是因為地層內(nèi)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(jié)合形成水垢。值得注意的是油井中出現(xiàn)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(jié)垢。

結(jié)蠟機理分析：蠟是以碳原子數(shù)在16～64之間的烷烴為主要成分的固態(tài)物質(zhì)。一般油層所含的蠟都處于分解狀態(tài)，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(jié)蠟”。管壁上結(jié)出的蠟并不是純蠟[1]，而是蠟和瀝青質(zhì)以及泥沙、水的混合體，多呈黑色、棕色，原油中所含輕質(zhì)餾分越多，則蠟的結(jié)晶溫度就越低，而蠟不易析出，保持溶解狀態(tài)的蠟量就越多。油氣井開發(fā)時：溫度越低，降溫越快，結(jié)蠟明顯；壓力越高，溶解能力越強。在生產(chǎn)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(jié)蠟。此外，高產(chǎn)井因為產(chǎn)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(xiàn)結(jié)蠟。

1.2 當(dāng)前處理方式

目前井下作業(yè)時常用的清蠟除垢方式主要有：化學(xué)除垢、清蠟、地面高壓水射流清除[3]等方式。油水井結(jié)垢的成分是CaSO4、CaCO3、BaSO4，這些成分與鹽酸液容易反應(yīng)，生成可溶性鹽類，所以目前鹽酸液是使用比較廣泛的酸型?；瘜W(xué)除垢就是用化學(xué)藥劑和垢起化學(xué)反應(yīng)，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(xué)清蠟的方法是從井口注入清蠟劑[4]，清蠟劑和蠟產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，破壞其晶體結(jié)構(gòu)，阻止結(jié)蠟情況的發(fā)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(jié)晶的石蠟分子形成一種共結(jié)晶。然后降低蠟晶形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溫度和網(wǎng)絡(luò)強度，這樣就能更進一步地降低原油結(jié)蠟的程度和黏度，防蠟和降黏的功用達到了，結(jié)蠟情況就能很好地被阻止和緩解。上述化學(xué)除垢和除蠟的方法缺點是費用很高，并且會對油層產(chǎn)生污染[5]。

地面高壓水射流清除方法是將油管從井內(nèi)逐根取出，運用專用設(shè)備進行清除，清洗作業(yè)隊將高壓泵車開入現(xiàn)場，清水經(jīng)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(nèi)部往返前行，高壓水射流的反復(fù)沖擊管道內(nèi)壁堅硬污垢，直至清洗干凈。水在管道內(nèi)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(nèi)，高壓泵從井口注入動力液，動力液驅(qū)動螺桿馬達轉(zhuǎn)動，進而帶動裝置底部的銑錐旋轉(zhuǎn)，對水垢和蠟進行切削形成碎屑，由動力液循環(huán)將碎屑清除。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

除垢清蠟裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由鋼絲繩、重力封隔器、反轉(zhuǎn)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(shè)有循環(huán)孔連通內(nèi)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖

反轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，上下設(shè)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(zhuǎn)，其槽體內(nèi)安裝彈簧和扶正塊，扶正塊在彈簧作用下處于伸出狀態(tài)。螺桿馬達上接反轉(zhuǎn)矩自鎖器，下接銑錐[10]，

為銑錐提供轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，銑錐采用硬質(zhì)合金顆粒堆焊，旋轉(zhuǎn)切削水垢和蠟，錐體上開設(shè)有水眼，沖洗碎屑并建立循環(huán)將碎屑從油套環(huán)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(tài)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(tài)，膠筒不受外力，保持自然狀態(tài)；當(dāng)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(nèi)徑。

圖2 反轉(zhuǎn)矩自鎖器原理圖

2）反轉(zhuǎn)矩自鎖器工作原理。動力液驅(qū)動螺桿馬達[11]輸出轉(zhuǎn)矩T至銑錐，以切削水垢或蠟，螺桿馬達定子會產(chǎn)生相同大小的反轉(zhuǎn)矩T′，T′會傳到自鎖器的凸輪軸上，凸輪軸受力旋轉(zhuǎn)，凸輪將自鎖鍵推出，自鎖鍵與油管內(nèi)壁嚙合實現(xiàn)自鎖，以此克服螺桿馬達的反轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)，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(huán)孔，依次流經(jīng)中心管、凸輪軸內(nèi)孔、螺桿馬達，最后經(jīng)銑錐水眼噴出。螺桿馬達運行，帶動銑錐旋轉(zhuǎn)，切削水垢或蠟，水眼噴出的動力液沖洗碎屑，循環(huán)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(jié)構(gòu)參數(shù)

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

3 關(guān)鍵部件設(shè)計及優(yōu)選

1）螺桿馬達參數(shù)優(yōu)選。水泥漿涂抹在油管內(nèi)壁形成20 mm厚的水泥環(huán)，模擬水垢。用銑錐對油管內(nèi)水泥環(huán)做磨削試驗，首先給定具體鉆壓，然后用轉(zhuǎn)矩測試機施加轉(zhuǎn)矩，并記錄鉆壓值和與其對應(yīng)的有效轉(zhuǎn)矩值，逐步升高鉆壓，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 鉆壓-轉(zhuǎn)矩對應(yīng)表

依據(jù)試驗參數(shù)，優(yōu)選出螺桿馬達：外徑φ58 mm，額定排量120 L/min，壓降2 MPa，輸出轉(zhuǎn)速260 r/min，最大轉(zhuǎn)矩280 N·m，最大鉆壓10 kN。

2）銑錐設(shè)計。結(jié)合油管內(nèi)水垢的特點，設(shè)計銑錐結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。銑錐的錐角設(shè)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(xiàn)“卡鉆”現(xiàn)象；切削面采用硬質(zhì)合金顆粒堆焊，錐體上設(shè)有排屑槽，便于清除碎屑。

3）凸輪軸設(shè)計。為了準(zhǔn)確分析凸輪與卡瓦的最大接觸應(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)矩作為載荷，設(shè)置轉(zhuǎn)矩為300 N·m，凸輪接觸線為約束，進行分析計算后結(jié)果如圖6所示，最大應(yīng)力343 MPa，出現(xiàn)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(jié)構(gòu)圖

圖5 銑錐三維圖

4 模擬試驗

1）試驗準(zhǔn)備及過程。采用27/8″系列油管模擬結(jié)垢油管，原內(nèi)徑為φ62 mm，壁厚5.5 mm，這是常用油管[15]。為了模擬結(jié)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(huán)的硬度高于垢和蠟。采用高壓泵驅(qū)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(wǎng)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(jié)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(nèi)，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(nèi)實施。開泵注入清水，除垢器在水力作用下，向下移動至結(jié)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(zhuǎn)，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(jié)果。試驗效果如圖7所示，銑錐切削后，油管內(nèi)水泥垢直徑為φ60 mm，完全可以滿足生產(chǎn)需求，試驗達到預(yù)期指標(biāo)和效果。

5 結(jié) 論

除垢清蠟裝置采用水壓驅(qū)動，高壓水泵作為動力源，以清水作為傳動介質(zhì)，螺桿馬達帶動銑錐運轉(zhuǎn)，采用機械切削垢和蠟，整個過程杜絕化學(xué)藥劑干涉，避免了藥劑對油層以及周圍環(huán)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(nèi)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(guī)格的生產(chǎn)需求，同時還要進一步對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進行優(yōu)化，提高切削速率，進一步完善。