空心抽油桿清洗工藝與裝置研究

左秀華，霍丙新，陳志軍，劉亞茹

一、問題的提出

吐玉克油田是吐哈盆地發(fā)現(xiàn)的稠油油田，通過空心抽油桿進行泵上摻稀采油，而空心抽油桿的清洗則是長期困繞修井作業(yè)者的一大難題。

二、清洗機理

空心抽油桿油垢主要為原油、石蠟、膠質(zhì)、結(jié)垢和少量固體顆粒。油垢黏度相變點為70～90℃，隨溫度的升高黏度急劇降低。利用油垢的這一特性，采用蒸汽加熱，使空心抽油桿升溫，使油垢與空心抽油桿結(jié)合處溫度高于相變點，從而最大限度地減少除垢的機械阻力。為了將油垢從基體剝離，必須使其產(chǎn)生足夠的動能，克服油垢與基體間的分子引力的勢能。

為此，采用蒸汽加熱和高溫高壓水射流聯(lián)合清洗方式，通過噴嘴向后噴出高壓液體產(chǎn)生向前的推力，帶動清洗管進入空心抽油桿內(nèi)近距離直接吹掃，極大地提高清洗效率。

對于高壓水射流清洗來說，剝離過程可以通過構(gòu)造碰撞模型，并用能量守恒定律和動量守恒定律描述。

式中：E——污垢微粒與基體間的分子引力的勢能；

M——作用點處被剝離的污垢微粒的質(zhì)量；

V——作用點處被剝離的污垢微粒的速度。

式中：M′——作用點處清洗介質(zhì)的當(dāng)量質(zhì)量；

V′——作用點處清洗介質(zhì)的當(dāng)量速度。

公式 （1） 代入公式 （2） 得

以上分析將清洗介質(zhì)當(dāng)量質(zhì)量M′和清洗介質(zhì)的臨界線速度V′聯(lián)系起來，從而得出以下重要結(jié)論。

（1）作用點處清洗介質(zhì)的速度必須大于某一臨界值才能有效清洗。

（2）作用點處被剝離的污垢微粒的質(zhì)量越小，清洗介質(zhì)的當(dāng)量質(zhì)量越大，清洗介質(zhì)所需的線速度越小。

三、清洗主要技術(shù)指標(biāo)

1.清洗過程中，不得損壞空心抽油桿。

2.被清洗后每1m2的表面上，殘留雜物不得大于100～200g。

3.被清洗后無明顯水垢或油污殘留物。

4.清洗后應(yīng)滿足實際生產(chǎn)需要。

四、檢驗方法

清洗后的質(zhì)量檢驗方法以目測和過規(guī)為主，必要時可采用截取標(biāo)準(zhǔn)面積的空心抽油桿，按稱重法進行測量。

五、主要工藝參數(shù)及其影響規(guī)律

試驗研究表明，當(dāng)壓力和射流速度較低時，不能用于去除硬質(zhì)沉淀物，只有當(dāng)射流速度超過臨界速度時才能達到清除作用。當(dāng)射流速度進一步提高時，清洗效率和清洗質(zhì)量都有所提高。吐哈油田在用空心抽油桿規(guī)格見表1。

表1

用高溫高壓清洗機MAXSXW300-21試驗，調(diào)整壓力流量，溫度控制在98℃，分別清洗5min時，可有效去除原油、石蠟、膠質(zhì)。壓力低于15MPa、流量低于12L/min時不能有效去除硬質(zhì)沉淀物。

受空心桿內(nèi)徑的限制，清洗管內(nèi)徑只有8mm。受清洗水源限制，為了杜絕噴嘴堵塞，噴嘴直徑設(shè)計在0.5mm左右。

根據(jù)液體連續(xù)性方程：流量Q=A1v1=A2v2（4）

清洗管內(nèi)徑8mm，面積（m2）：5.0E-05

噴嘴直徑0.5mm，面積（m2）：2.8E-07×6個

式中：A1——清洗管面積；

v1——清洗管內(nèi)液體流速；

A2——噴嘴面積；

v2——噴嘴液體流速。

根據(jù)液體動量方程，徑向方向的噴射力（表2）

式中：Fr——液體流向改變對管壁的沖擊力（噴射力）；

ρ——流體密度；

Q′=Q/6（Q為流體流量，假設(shè)噴嘴6個孔均分流體流量）；

v2r——徑向方向流速，v2r=v2；

v3——沖擊管壁后液體的流速。（假定液體噴射后對管壁沖擊力最小的情況，就是沿著管壁切線方向，則v3r=0，∑Fr=ρQ′(0-v2r)=-ρQ′v2。

表2

通過計算獲得臨界速度184.0m/s，對應(yīng)壓力17MPa、流量13L/min。

廠家可提供滿足使用要求的機型如表3。

表3

考慮到射流速度進一步提高時，清洗效率和清洗質(zhì)量都提高，選擇Max30.21STT工業(yè)清洗機。

六、撬裝空心抽油桿高效清洗通刺裝置設(shè)計制作

根據(jù)清洗機理，采用蒸汽加熱和高壓水射流聯(lián)合清洗方式，為此設(shè)計了撬裝空心抽油桿高效清洗通刺裝置。

整套裝置集成撬裝底座上，包括清洗機、水泵、過濾器、調(diào)壓閥、延伸線盤、清洗專用卡具、配電箱、排煙管加熱裝置、貯水罐（見圖1）。

圖1 撬裝空心抽油桿高效清洗通刺裝置示意圖

1.清洗機。意大利寶利特Max30.21STT工業(yè)清洗機：壓力3×107Pa、流量21L/min、功率13kW/380V、溫度30～140℃、寬1 200mm、長755mm、高985mm，自帶水箱可進行軟水處理、重量400kg。

2.水泵。型號zx32-25-160、流量3.2m3/h、功率1.2kW。

3.過濾器。水泵前安裝過濾器，流量5m3/h、長度156mm、直徑為200mm、過濾精度可達到5μm。

4.延伸線盤。高壓延伸管40m帶線盤。

5.清洗工具。高壓清洗管10m帶線盤、噴嘴，蒸汽和射流導(dǎo)入卡具，全部固定在小車上，方便在井場操作。

6.配電箱。Exd II CT6型，額定電壓380/220V，電流100A。

7.排煙管。排煙有余熱，為了充分利用余熱，排煙設(shè)計加長進入水罐加熱冷水。

8.貯水罐。長3m，寬2.3m，高1.5m，貯水10t，碳鋼制造，鋼梁支撐，活動頂蓋，便于清洗。

七、應(yīng)用及結(jié)論

空心抽油桿清洗通刺技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用12井次，每井次至少節(jié)約通刺時間9.5h，節(jié)約收污時間4h。實踐證明，該項技術(shù)是一整套安全、優(yōu)質(zhì)、高效的修井作業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)。

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