變頻電磁防垢技術研究與應用

羅慶梅, 王軍星, 鄢長頡, 張軍斌, 王智勇, 潘 昊, 張 波, 鐘 英, 李 丹, 張振海

(1長慶油田采油一廠 2山東廣聚德機電設備制造有限公司)

一、變頻電磁防垢的機理

1.極性活化理論

水分子是一種極性分子，在它受到變頻電磁場的作用時，電磁力對其反復作用而極化，使得水分子震動、變形，當達到共振的頻率，震動幅度加大，在這種大振幅的作用下，大團的水分子(H2O)n將會被分離成單個水分子和雙水分子(H2O)2。單個分子的增加改善了水的運動型，使CaCO3晶體析出的時間延后，不易形成堅硬的水垢。

通常情況下，Ca2+、Mg2+、Ba2+多以離子形式存在于水中。在變頻電磁場電磁力的作用下，這些離子中的電子圍繞著原子核，分布于不同的能級階層中，電磁力作用于不同能級結構的電子，使其電子從一個能級躍變到另一個能級，從而改變其晶體結構；由于晶體結構的改變，晶粒間結合力消解、分散，Ca2+、Mg2+、Ba2+等離子懸浮于水溶液中而不會形成水垢，在電磁場作用下，即使有少量水垢生成，也不會是堅實致密的長方石結晶形態的水垢，而是質地松軟、附著力較弱且輕易可除去的文石垢[3]。

2.變頻共振理論

大千世界中的所有物質，均在進行著不同的運動；當兩種不同的物質相互作用，頻率相同時，就會發生共振現象。變頻電磁場作用于含有不同離子濃度的水時，可以引發水分子的共振，使水分子團變成單個極性水分子，增加水的活性和溶解度，水分子可以疏松、滲透、溶解垢。同時，水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+等離子的運動頻率與變頻電磁場的頻率相吻合時，就會產生同頻共振現象，離子的震動幅度增大，當振幅達到一定程度，大團的離子團被震散，減少垢的形成。

不同條件下水的溫度、硬度、黏度、pH值等不同，其物質運動的頻率就不同，所以其共振頻率也不可能相同[4-5]。因此，采用變頻電磁技術能夠使不同水質條件下的水分子或垢離子產生共振，從而達到防垢的效果。

二、變頻電磁防垢室內試驗

1.試驗流程裝置

變頻電磁防垢試驗流程由變頻器、水泵、變頻電磁激勵電源、激勵線圈、恒溫水浴、實驗掛片、水箱、管線等組成，其示意圖如圖1。

圖1 變頻防垢室內試驗流程

2.室內試驗效果

根據采集的油田結垢區塊水的物性在實驗室配置相應濃度礦化度的水，模擬油井內的溫度工況，在礦化度為15 000～65 000 mg/L等不同的條件下，分批次進行了室內掛片防垢實驗，計算其阻垢率。

根據油井現場水溶液的礦化度，進行了室內試驗，根據數據對比，設計考慮設備通用性原則等因素，選用線圈段數4段、各段間距50 mm、匝數50×4、掃頻范圍80～20 kHz、信號幅度9.5 Vpp等參數，阻垢效果比較好(見表1)。

表1 掛片室內試驗阻垢率

3.電磁防垢裝置的研發

按照試驗最優參數，研制電磁防垢裝置，裝置主體由連接接箍、中心管、電磁轉換部分、電纜插頭、電纜及控制柜等組成，見圖2。

圖2 裝置結構組成圖

三、電磁防垢現場試驗及效果評價

1.現場安裝情況

變頻電磁防垢裝置安裝于井組匯管流程上，通過管線將電磁場傳遞到井筒和地面管線，實現對井下油管及地面管線的防垢，見圖3。

圖3 變頻電磁防垢裝置現場安裝圖

2.現場安裝井組情況

該技術在室內試驗取得效果的基礎上，在吳堡作業區山101擴、午371-97、山026-43擴結垢嚴重的三個井組進行了防治結垢技術的現場試驗，試驗情況見表2。

表2 現場試驗井組情況

3.試驗效果評價

在三個井組安裝電磁防垢裝置后，選取其中檢泵的8口井評價其防垢效果，油井的生產動態平穩，井組回壓由平均1.1 MPa下降到目前的平均0.7 MPa，結垢速度由0.3 mm/月減少到0.13 mm/月，油井熱洗周期有所延長，檢泵周期延長167 d，防垢效果比較明顯，實現了地面管線與井筒防垢一體化，減少了油田運行成本，提高了油田生產經濟效益,見表3。

表3 現場試驗效果對比表

吳堡作業區午371-97井組的山016-391井，生產層位為長4+5,日產液4.23 m3,含水75.2%,礦化度65 000 mg/L。由于礦化度高，導致油井結垢，井口以下211～236根管柱結垢嚴重，油井生產6個月左右，因結垢進行修井作業，起出管柱后，發現抽油泵泵閥處因結垢堵死油流通道，油井不能正常生產；從油井作業起出的油井管柱可知，實施變頻電磁防垢措施前，油井管柱因為結垢，表面為白色，刮一下管柱，有大片的垢片脫落。

根據油井因結垢導致運行時間短的實際生產狀況，對此井實施了變頻電磁防垢措施。實施變頻電磁防垢技術后，修井提出抽油桿觀察，結垢情況明顯減少，油井正常運行時間由6個月提高到15個月，效率提高了1.5倍。

四、認識與結論

(2)經室內試驗表明,變頻電磁防垢技術可以有效防止含有結垢離子中水溶液中垢的形成。

(3)經現場試驗應用,油井在高礦化度的條件下，變頻電磁防垢技術可以防止油井中垢片的形成，提高油井正常運行的周期和油井生產的經濟效益。

(4)與以往的防垢技術相對比，電磁防垢時效性更長，不受地層因素影響，防垢效果更明顯，安全風險小，該裝置防垢距離較長，實現了地面管線-井筒防垢技術一體化。