變頻電磁場除防垢裝置在CB11A井組平臺(tái)上的試驗(yàn)

梁立民

(勝利油田海洋采油廠,山東東營25700) *

變頻電磁場除防垢裝置在CB11A井組平臺(tái)上的試驗(yàn)

梁立民

(勝利油田海洋采油廠,山東東營25700)*

埕島油田采用注水開發(fā)工藝,油井結(jié)垢嚴(yán)重影響生產(chǎn)。介紹了磁阻垢除垢、超聲波阻垢除垢及變頻電磁場阻垢除垢的原理。提出采用變頻電磁場來阻垢、除垢,并開發(fā)了一套適合現(xiàn)場使用的裝置?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明:該裝置可有效防止注水系統(tǒng)結(jié)垢,對(duì)含水量較高的輸油管線也有阻垢、除垢的作用,效果可以延伸到油水分離罐、除油器以及污水罐。采用該技術(shù)可極大降低管線中加阻垢劑的藥量,避免因清洗結(jié)垢管線而停產(chǎn),節(jié)約生產(chǎn)成本,減少二次污染。

油井;結(jié)垢;變頻電磁場;防垢

埕島油田注水系統(tǒng)對(duì)于油田穩(wěn)定、高效生產(chǎn)具有重要意義[1-3]。海上注水系統(tǒng)采用了一站多網(wǎng)、一線多井、樹枝狀結(jié)構(gòu)。由于水的熱力學(xué)不穩(wěn)定性和化學(xué)不相容性,造成油水井井筒、管柱、工具,地面集輸系統(tǒng)、注水系統(tǒng)及地層結(jié)垢,并帶來許多危害[4-6]。因此,有必要分析這些結(jié)垢現(xiàn)象的原因,采取有效的防治措施。

1 油井結(jié)垢的危害

隨著油井開采時(shí)間的延長,原油含水率也上升較快,原油地層水中含有大量的 Ca2+、CO2-3、HCO1-3、HSO2-4等離子在閥門、海管管壁處析出并結(jié)垢,使得海管中的原油通道孔徑變得越來越小,干壓越升越高。以CB11B井組平臺(tái)至中心一號(hào)油氣工藝處理平臺(tái)海底管線為例,該管線投產(chǎn)初期,CB11B平臺(tái)生產(chǎn)回壓0.45 MPa,2009-07上升至1.7 MPa,比生產(chǎn)初期上升了1.25 MPa,嚴(yán)重影響著油井的正常生產(chǎn)和安全外輸。針對(duì)干壓升高,筆者曾拆下并更換過中心一號(hào)流程閥門,發(fā)現(xiàn)結(jié)垢情況非常嚴(yán)重,在閥門及海管管壁處形成了一層很厚的垢層,203.2 mm(8英寸)閥門孔徑只有?6 cm,垢質(zhì)為黃色、褐色,在空氣中暴露時(shí)間一長,變得非常堅(jiān)硬。分析原因,注水水源主要為地表海水及分離出的污水,礦化度在1 4000 mg/L左右。垢樣成分如表1。

表1 中心一號(hào)平臺(tái)注水系統(tǒng)結(jié)垢成分 wB%

從垢樣分析來看,結(jié)垢的主要成分為碳酸鈣,污水中不含鐵質(zhì)成分,p H值為7.5比較適中。2009-09筆者對(duì)中心一號(hào)平臺(tái)至CB11B平臺(tái)海底管線進(jìn)行了清洗,在清洗過程中有大量氣體產(chǎn)出,分析認(rèn)為,該氣體為與清洗液中的 H1+反應(yīng)生成為CO2氣體。清洗后CB11A、CB11B平臺(tái)干壓下降了0.25 MPa(如表2)。

表2 CB11B、CB11A、中心一號(hào)平臺(tái)海底管線干壓統(tǒng)計(jì)

污水結(jié)垢不僅影響了水處理設(shè)備的處理效果,而且進(jìn)入注水管網(wǎng)后堵塞管道、井下工具,甚至堵塞地層,造成地層吸水能力下降。例如,CB12B-1井注水量下降,將井下水嘴投撈上來發(fā)現(xiàn)水嘴有結(jié)垢現(xiàn)象。在進(jìn)行污水處理時(shí),采用了化學(xué)法緩蝕阻垢劑,從使用情況來看,費(fèi)用較高。隨著采油年限的增長,有一些油井采出液含水量較高,例如CB11A平臺(tái)油井采出液含水量超過50%,污水結(jié)垢使管線堵塞,管壓升高,影響產(chǎn)量,采取酸洗后結(jié)垢問題雖然得到了緩解,但管線結(jié)垢需要停產(chǎn)酸洗,既影響生產(chǎn),又形成了二次污染。

2 防垢除垢方法

在世界范圍內(nèi),各油田都存在污水結(jié)垢問題。油田污水結(jié)垢主要有2種情況,采用的辦法基本分為化學(xué)法和物理法2大類[7-9]。

2.1 化學(xué)法

化學(xué)法防垢采用的是緩蝕劑,具體配方要根據(jù)現(xiàn)場結(jié)垢的成分及結(jié)垢條件進(jìn)行配伍。對(duì)于井筒及地面設(shè)備的結(jié)垢,通常先采樣分析了解結(jié)垢的成份及結(jié)垢條件,然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室配方試驗(yàn),最后進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定配方及工藝。

油層結(jié)垢取樣比較困難,需要先進(jìn)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測,而且緩蝕劑防垢不能達(dá)到百分之百,通常需要停產(chǎn)進(jìn)行化學(xué)法除垢。無論化學(xué)法防垢還是除垢,都對(duì)環(huán)境有一定污染,且成本高。

2.2 物理法

物理阻垢主要指磁阻垢、超聲波阻垢、電子阻垢。磁阻垢的研究與應(yīng)用已有100多a的歷史,超聲波和電子阻垢方法的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)要短一些。由于物理阻垢不需要停產(chǎn)和添加化學(xué)藥劑,不污染環(huán)境且成本低,因此在國際上越來越受到青睞。

變頻電磁場法除垢阻垢的機(jī)理是:利用頻率在一定范圍掃描的磁場,其頻率涵蓋了所有水分子的自然頻率,引起水分子的共振,破壞了水分子族團(tuán)的結(jié)構(gòu),使水的溶解能力大為提高,獲得較高能量的單個(gè)水分子,促進(jìn)垢離子結(jié)成垢晶體粒子,這些粒子不帶電并溶入水中,不在管道及容器壁上形成垢層。同時(shí)發(fā)生共振而獲得較高能量的水分子,能夠破壞原先結(jié)在管壁或容器壁上的老垢,使其由外向里慢慢溶入水中,從而產(chǎn)生除垢的效果。

3 變頻電磁場除垢防垢裝置

3.1 基本原理

控制單元產(chǎn)生數(shù)字控制信號(hào),經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),控制變頻正弦波生成器產(chǎn)生10～20 kHz正弦波,經(jīng)放大器放大后輸出。在該頻率范圍內(nèi)的正弦波周期性快速掃描,使輸出為掃頻正弦波電流信號(hào)。主機(jī)原理如圖1。其中,控制單元模塊的主要功能是在規(guī)定控制程序的控制下,產(chǎn)生一系列控制數(shù)字指令,正弦波生成器依據(jù)該指令產(chǎn)生掃頻正弦波。

圖1 主機(jī)原理

待處理水中的變頻電磁場由纏繞在管道上的特制螺線管形成,如圖2。螺線管的兩端連接到如圖1所示主機(jī)的掃頻信號(hào)輸出端,螺線管線圈內(nèi)的正弦波電流在管道內(nèi)部產(chǎn)生變化的磁場,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,變化的磁場激發(fā)變化的電場,在管道內(nèi)的水中形成變頻電磁場,從而達(dá)到除垢阻垢的目的。

圖2 形成電磁場的螺線管

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

將研制的變頻電磁場除垢裝置安裝在CB11A平臺(tái)的生產(chǎn)流程管線上,防爆達(dá)到了ⅡB級(jí),通電后,從4個(gè)圓形小窗口可以觀察到正常運(yùn)行指示燈不停地閃爍,說明正常運(yùn)行。

變頻電磁場除垢裝置運(yùn)行之前,在CB11A采油平臺(tái)上的生產(chǎn)流程管線上取了2個(gè)樣,油水分離后對(duì)污水進(jìn)行了粒徑測量,測試結(jié)果如表3。

變頻電磁場除垢系統(tǒng)運(yùn)行14 d后,在生產(chǎn)流程管線上又取了2個(gè)樣,油水分離后同樣進(jìn)行了粒徑測量,測量結(jié)果如表4。

表3 變頻電磁場除垢裝置運(yùn)行前粒徑測量值

表4 變頻電磁場除垢裝置運(yùn)行14 d后粒徑測量值

3.3 測試結(jié)果分析

在粒徑測量時(shí),各樣品取同樣的水量,由表3～4可以看出,電磁變頻除垢裝置運(yùn)行后污水中的顆粒數(shù)增多了。顆粒增多有2個(gè)原因:一是變頻電磁場使水分子發(fā)生了共振,水分子的振動(dòng)促使垢離子在水中結(jié)成垢晶體顆粒;二是變頻電磁除垢系統(tǒng)起到了除垢的作用,使管壁上的部分老垢被分解溶入水中。

變頻電磁場除垢裝置運(yùn)行前后粒徑平均個(gè)數(shù)變化率如表5,可以看出,粒徑為2.00μm的粒子數(shù)量增加率較大,這是因?yàn)楣鸽x子在水中形成垢的晶體粒子時(shí),粒徑為2.00μm的粒子最多。粒徑為6.35 μm的粒子數(shù)量增加率大,這是因?yàn)樵摿降牧Ｗ訑?shù)量很少,測量次數(shù)又少,形不成概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律,測量結(jié)果價(jià)值不高。

表5 變頻電磁場除垢裝置運(yùn)行前后粒徑平均個(gè)數(shù)變化率

現(xiàn)場取樣測試結(jié)果表明,變頻電磁場除垢裝置安裝在CB11A平臺(tái)的生產(chǎn)流程管線上達(dá)到了除垢阻垢的效果。說明變頻電磁場除垢法不僅適合注水管線及設(shè)備,也適合油氣集輸管線的除垢阻垢。

3.4 技術(shù)特點(diǎn)

1) 無電極,不接觸水。這種結(jié)構(gòu)沒有壓力、流速、流量的損失;不需要定期更換電極;體積小,這是其他有電極的電子除垢產(chǎn)品無法達(dá)到的。

2) 高效。共振頻率覆蓋不同條件(硬度、溫度、粘度、壓力、p H值)下的水分子的自然頻率,保證對(duì)各種水質(zhì)的高效除垢、防垢。

3) 低電壓。工作電壓DC10～50 V,操作和用水安全。

4) 安裝簡單。直接安裝在用戶進(jìn)水管道上,不需另加旁路系統(tǒng),不改動(dòng)生產(chǎn)流程,只需將特殊材料制成的導(dǎo)線纏繞在管道上,其兩端連接到主機(jī)上即可。

5) 有活化水的作用。

6) 壽命長,效果穩(wěn)定。正是由于采用了變頻共振技術(shù),決定了其壽命長,效果穩(wěn)定。相反,有電極的除垢產(chǎn)品如果不經(jīng)常更換、清洗電極,除垢效果將打折扣。另外,采用磁場除垢的產(chǎn)品(如強(qiáng)磁、永磁、高磁等)容易產(chǎn)生磁衰減,加在管道上的磁極還容易吸附水中的鐵銹微粒造成磁短路,失去除垢效果,這就是開始使用時(shí)效果好,運(yùn)行一段時(shí)間效果又不明顯的原因。

7) 應(yīng)用范圍廣。一般電子除垢產(chǎn)品只能用于工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng),由于變頻電磁場除垢儀除垢防垢的功能強(qiáng)大,因此不僅可用于循環(huán)水系統(tǒng),還可用于更多的開環(huán)水路系統(tǒng)。

4 經(jīng)濟(jì)效益

以CB11A平臺(tái)為例,由于結(jié)垢每年需清洗管道2次,每次需要費(fèi)用?2萬元,停產(chǎn)引起的產(chǎn)量損失?3萬元,每年2次共消耗費(fèi)用?10萬元,中心一號(hào)加阻垢劑每年需要?120萬元,減少10%的藥劑量年節(jié)約費(fèi)用?12萬元。

采用國外進(jìn)口專用芯片的變頻電磁場阻垢除垢設(shè)備每套?10萬元,處理污水量50 m3/h的功率為0.1 kW,按保質(zhì)期5 a(試驗(yàn)推算10 a)計(jì)算,用電量為:0.1×24×360×5=4 320 kW·h,1 kW·h按?0.5元計(jì),5 a為?0.216萬元,安裝1套變頻電磁場阻垢除垢設(shè)備可節(jié)約經(jīng)費(fèi)為

10×5+12×5-10-0.216=109.8萬元

安裝變頻電磁場阻垢除垢裝置可在5 a內(nèi)減輕清洗管道的勞動(dòng)強(qiáng)度,同時(shí)不存在清洗管道引起的二次污染及清洗液對(duì)管道的腐蝕,既可更好地保護(hù)環(huán)境,又可延長輸油管道的使用壽命。

5 結(jié)論

1) 變頻電磁場除垢裝置可以有效消除和預(yù)防污水處理系統(tǒng)中油水分離罐、水力旋流除油器及污水罐等污水處理設(shè)備的結(jié)垢問題,水力旋流除油器入口處可以不加阻垢劑。

2) 由變頻電磁場處理過的水可提高水分子的能量,在注水管線中起防垢、除垢作用。

3) 在注水泵出口安裝變頻電磁場阻垢除垢裝置能使水分子的能量得到補(bǔ)充,阻垢除垢效果可影響到下游注水井,起到增注的作用,可有效減少注水井的作業(yè)檢修次數(shù)。

4) 變頻電磁場除防垢裝置的研發(fā)及推廣應(yīng)用對(duì)油田注水開發(fā)效益將起到積極的推動(dòng)作用。

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Test of Scaling Removing Device by Frequency Electromagnetic Field in CB11A Oil Production Platform

LIANG Li-min
(Ocean Production Factory,Shengli Oilf ield,Dongying257000,China)

Removing scale mechanism study on magnetic,ultrasonic and variable frequency electromagnetic technology for Chengdao Oil wells,through a large number of experimental studies and economic comparison,variable frequency electromagnetic remove scale technique was proposed,a variable frequency electromagnetic removal scale device was developed for field use.The onsite test showed that,in higher water content,oil pipeline scale can also be removal;the effect can be extended to be used in the oil-water separation tank,oil remover,and water tank.Applying the device,the pipeline in the pharmaceutical dosage of prevent scale and avoid scale pipeline cleaning was significantly reduced so as to achieve cost savings and reduce the secondary pollution.

oilwell;scaling;frequency electromagnetic field;prevention of scaling

1001-3482(2011)05-0033-04

TE952

A

2011-01-16

梁立民(1976-),男,山東淄博人,工程師,1999年畢業(yè)于重慶石油高等?？茖W(xué)校,現(xiàn)從事注水、采油、集輸系統(tǒng)技術(shù)管理工作,E-mail:shatannanhai@vip.sina.com。