油井變頻電磁場防蠟的實驗研究

代 越，張建國

（中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，山東 東營257061）

油井變頻電磁場防蠟的實驗研究

代 越，張建國

（中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，山東 東營257061）

變頻電磁場防蠟技術(shù)作為一種新興的物理法防蠟技術(shù)，具有成本低、對油層無污染、有效期較長、管理方便等優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。實驗研究表明，電磁場作用可以降低含蠟油的析蠟點和凝固點，減少含蠟油的結(jié)蠟量，破壞蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。變頻電磁場可引起蠟分子的內(nèi)共振，導(dǎo)致蠟晶結(jié)構(gòu)與形狀發(fā)生變化，抑制了蠟分子的結(jié)晶過程，同時對已形成的蠟晶產(chǎn)生一定的破碎作用，從而達(dá)到防蠟的目的。

變頻電磁場；防蠟；含蠟油；凝固點；降溫曲線；蠟晶形態(tài)

對于高含蠟原油，在開采和輸送過程中，油井結(jié)蠟現(xiàn)象是普遍存在的問題。油井結(jié)蠟會給油井正常生產(chǎn)帶來很多困難。蠟晶的不斷析出使原油性質(zhì)產(chǎn)生巨大的變化，原油黏度增加使原油變稠，引起流動阻力增加，導(dǎo)致抽油機(jī)載荷增加，使得采油泵壓和原油輸送泵壓提高，導(dǎo)致電能消耗增加，同時縮短檢泵周期，導(dǎo)致工作量增加；油井結(jié)蠟縮小油管通徑，減小過流面積，降低了油井產(chǎn)量；嚴(yán)重時原油會失去流動性而凝固，造成蠟堵、蠟卡，使得油井停產(chǎn)［1］。油井結(jié)蠟嚴(yán)重影響了原油的正常生產(chǎn)和輸送。

在室內(nèi)實驗條件下，筆者用變頻電磁場防蠟器對含蠟油進(jìn)行電磁波處理，考察了電磁波處理前后結(jié)蠟量的變化，采用生物顯微鏡觀察電磁波處理前后的蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)，并分析了變頻電磁場防蠟器是如何通過電磁效應(yīng)對蠟的結(jié)晶過程產(chǎn)生影響的。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置和儀器

變頻電磁場防蠟實驗平臺由變頻電磁場防蠟器、油箱、水箱、自吸泵、超級恒溫水浴鍋、掛片、電子天平及若干PVC管段組成，如圖1所示。2個油箱中分別安裝有5個掛片，可以通過稱量掛片上的結(jié)蠟量來分析變頻電磁場防蠟器的防蠟效果。采用GALEN-Ⅲ型生物顯微鏡觀察蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖1 變頻電磁場防蠟實驗平臺Fig.1 Experimental platform of variable frequency electromagnetic paraffin control

1.2 變頻電磁場防蠟器的安裝

變頻電磁場防蠟器由電磁感應(yīng)器和激勵源控制箱兩部分組成。電磁感應(yīng)器通過法蘭與抽油機(jī)井和輸油管線相連，水平安裝于地面以上，如圖2所示。防蠟器安裝在可以提供220V電源的油井，安裝前要清洗井筒和管線，停井泄壓排空。電纜需要埋地，外露電纜用鋼管或者PVC管防護(hù)。

圖2 變頻電磁場防蠟器安裝示意圖Fig.2 Installation schematic of variable frequency electromagnetic paraffin control instrument

1.3 實驗過程

配置含蠟量20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的溶蠟柴油，在變頻電磁場防蠟實驗平臺的油箱中加熱到預(yù)定溫度后恒溫，然后開啟自吸泵循環(huán)進(jìn)行電磁波處理，觀察實驗過程中兩油箱油樣形態(tài)的變化（左油箱油樣為未經(jīng)電磁波處理的油樣，右油箱油樣為電磁波處理油樣）。兩個油箱中分別安裝有5個掛片，通過稱量掛片上的結(jié)蠟量，得到電磁處理前后掛片結(jié)蠟量的變化，可分析變頻電磁場防蠟器的防蠟效果。從降溫曲線和蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)兩方面對電磁處理效果進(jìn)行深入分析。

變頻電磁場激勵源的作用頻段為0～22kHz，工作檔位和工作電流分別選為3檔和2.5A（依據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)），實驗流體在電磁場防蠟器中的流速約為0.2m/s，實驗流體溫度為38～42℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 電磁場作用對含蠟油凝固點的影響

對兩油箱中油樣進(jìn)行加熱，蠟逐漸溶解，由于油箱底部溫度高于頂部溫度，所以油箱中的蠟從下往上逐漸溶解，蠟層浮于液面上方，如圖3（a）所示。

圖3 不同實驗時間（t）變頻電磁場防蠟實驗平臺兩油箱內(nèi)含蠟油樣形態(tài)Fig.3 Morphology of the oil samples in two oil tanks of the experimental platform at different times（t）

由圖3（b）可以看出，電磁處理30min后，右油箱中的蠟塊已經(jīng)全部溶解于柴油，而未經(jīng)電磁波處理的左油箱中還漂浮著大量的蠟層，清晰可辨，說明電磁場防蠟器使得蠟的溶解速率加快。此時，水溫為42℃，右油箱油樣溫度為38℃，左油箱油樣溫度為40.5℃。兩油樣的溫度差別是由右油箱油樣的油流循環(huán)路徑較長，散熱更多而引起。右油箱油樣在流經(jīng)電磁場防蠟器的電磁感應(yīng)器過程中，與后者金屬內(nèi)壁充分接觸，進(jìn)行了大量的熱交換，而且電磁感應(yīng)器又暴露于空氣中，而室溫為12℃，遠(yuǎn)低于油樣溫度，因此損失了大量的熱量，且該油樣在整個循環(huán)過程中流經(jīng)PVC管的長度較長，比未處理油樣產(chǎn)生了更多的熱量損失。上述這兩部分熱量損失致使右油箱油樣在整個實驗過程中的溫度始終低于左油箱油樣1～2℃。即便如此，右油箱油樣中的蠟要比左油箱油樣中的蠟提前溶解，這足以驗證電磁場防蠟器的防蠟效果。

圖3（c）中，水溫為44℃，左油箱油樣溫度為42.5℃，右油箱油樣溫度為40.5℃。此時，兩油箱油樣中的蠟均已溶解，可見未處理油樣中蠟的溶解時間相比電磁波處理油樣推遲了20min。

由實驗可知，電磁波處理油樣的凝固點相比未處理油樣降低了3～5℃。

2.2 電磁處理前后結(jié)蠟量的變化

實驗平臺兩油箱中各掛片上的結(jié)蠟量列于表1。

表1 實驗平臺兩油箱油樣中各掛片的結(jié)蠟量Table 1 Wax deposition mass（m）on coupons in two oil tanks with samples of the experimental platform

由表1可得，未處理油樣中的掛片平均結(jié)蠟量為0.160g，電磁波處理油樣中的掛片平均結(jié)蠟量為0.074g，防蠟率為54%，防蠟效果明顯。

2.3 電磁場作用對含蠟油降溫曲線的影響

將含蠟油加熱至某一個確定的溫度，在一定的環(huán)境溫度和導(dǎo)熱條件下進(jìn)行冷卻，測量并記錄含蠟油冷卻過程中溫度隨時間的變化，然后即可繪制出油樣的降溫曲線。隨著溫度的降低，降溫曲線在析蠟點處的切線斜率將發(fā)生變化，經(jīng)過防蠟降黏處理后的原油，其析蠟點應(yīng)該滯后，所以通過降溫曲線的變化可以判斷處理效果［2］。同樣，通過電磁波處理會使含蠟油的降溫曲線改變，使溫度升高或黏度降低。

根據(jù)兩油樣在冷卻過程中溫度隨時間的變化數(shù)據(jù)繪制的降溫曲線如圖4所示。

圖4 電磁波處理油樣與未處理油樣的降溫曲線Fig.4 Cooling curves of the two oil samples untreated and treated by electromagnetic radiation

根據(jù)圖4降溫曲線，將溫度對時間積分，得到電磁處理油樣降溫曲線的積分面積比未處理油樣增加了2.76%，這是電磁場作用的結(jié)果。電磁處理油樣的降溫曲線在未處理油樣降溫曲線的上方，降溫速率變緩，兩油樣起點溫度同為60℃，在冷卻后的17.5min，未處理油樣溫度下降到28.7℃，而電磁處理油樣溫度此時為30℃。

由實驗數(shù)據(jù)可知，未處理油樣在冷卻后的6.5min開始析蠟，析蠟點約為38.1℃，而電磁處理油樣在冷卻后8.5min開始析蠟，析蠟點約為36.8℃。含蠟油經(jīng)電磁場處理其析蠟點的出現(xiàn)滯后了約2min，析蠟點降低約1.3℃，說明電磁場處理起到防蠟作用。

2.4 電磁波處理前后蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化

分別取少許未處理和電磁波處理的含蠟油，在GALEN-Ⅲ型生物顯微鏡下觀察其蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)，結(jié)果示于圖5。

圖5 未處理油樣與電磁波處理油樣蠟晶形態(tài)的顯微照片F(xiàn)ig.5 Microscopic images of wax crystal morphology in the samples untreated and treated by eletromagnetic radiation

由圖5（a）、（b）可見，未處理油樣的蠟晶顆粒尺寸較大、聚結(jié)嚴(yán)重，呈現(xiàn)出致密竹葉狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由圖5（c）、（d）可見，經(jīng)電磁波處理的油樣其蠟晶微粒尺寸較小、分布較散，致密的蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，有力地證明了變頻電磁場作用的防蠟效果。

2.5 變頻電磁場的防蠟機(jī)理分析

振蕩電路的變化電場經(jīng)過纏繞在鋼管上的線圈而產(chǎn)生振蕩磁場，防蠟器與相連的生產(chǎn)管路形成一個閉合回路的電磁場，所激發(fā)的電磁波就會在場中發(fā)射和傳播。變化的電場場強(qiáng)與變化的磁場場強(qiáng)遵守麥克斯韋方程［3］。

不同物質(zhì)由于分子結(jié)構(gòu)不同，具有不同的固有振動頻率，若對之施加一個頻率與固有頻率相同的電磁場，便會使其達(dá)到共振目的。物質(zhì)在變頻共振作用下會產(chǎn)生一些意想不到的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)變化。

電磁場引起石蠟分子的內(nèi)共振，誘發(fā)電偶極矩，使得分子鍵發(fā)生變化甚至破裂，導(dǎo)致分子構(gòu)型的改變，造成其物理性質(zhì)的變化。蠟分子中C—C鍵存在伸縮振動，C—H鍵存在伸縮振動和彎曲振動［4］。在電磁場作用下，分子發(fā)生內(nèi)共振，導(dǎo)致蠟晶結(jié)構(gòu)與形狀發(fā)生變化，從而抑制了蠟分子的析出、長大和聚集，同時對已形成的蠟晶產(chǎn)生一定的破碎作用。

2.6 應(yīng)用前景

變頻電磁場防蠟技術(shù)作為一種新興的物理法防蠟技術(shù)，具有獨特的優(yōu)勢：不用添加化學(xué)藥劑，人工和材料成本低；綠色環(huán)保，對油層、地面環(huán)境無污染；有效期相對較長；無需監(jiān)控保養(yǎng)，便于管理維護(hù)，節(jié)約管理成本；結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，使用變頻電磁場防蠟技術(shù)的機(jī)采油井，加藥周期和熱洗周期成倍延長，防蠟效果顯著，有效地減少了工作量和藥劑費用的投入，生產(chǎn)成本大大降低。變頻電磁場防蠟技術(shù)為高含蠟原油的開采和輸送提供了一種新的防蠟方法，具有廣闊的發(fā)展前景。

3 結(jié) 論

（1）含蠟油經(jīng)電磁場處理后其凝固點降低；結(jié)蠟量大幅降低；其析蠟點降低，且滯后出現(xiàn)；其蠟晶微粒尺寸較小、分布較散，致密的蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞。

（2）變頻電磁場可引起蠟分子的內(nèi)共振，使得分子構(gòu)型發(fā)生改變，導(dǎo)致蠟晶結(jié)構(gòu)與形狀發(fā)生變化，抑制了蠟分子的析出、長大和聚集，同時對已形成的蠟晶產(chǎn)生一定的破碎作用，從而達(dá)到防蠟的目的。

［1］羅哲鳴，李傳憲.原油流變性及測量［M］.東營：石油大學(xué)出版社，1994：110-115.

［2］耿宏章，潘舉玲，周開學(xué).原油磁化防蠟實驗研究［J］.油氣地質(zhì)和采收率，2003，10（4）：61-63.（GENG Hongzhang，PAN Juling，ZHOU Kaixue.Experimental study on paraffin control by magnetic treatment of crude oil［J］.Oil ＆ Gas Recovery Technology，2003，10（4）：61-63.）

［3］盛新慶.電磁波述論［M］.北京：科學(xué)出版社，2007：11-15.

［4］朱林.關(guān)于磁化技術(shù)機(jī)理的理論研究［J］.磁能應(yīng)用技術(shù)，1990，1：22-25.（ZHU Lin.Theoretical study of mechanism of magnetization technology［J］.Magnetic Energy Applied Technology，1990，1：22-25.）

Experimental Study of Variable Frequency Electromagnetic Paraffin Control for Oil-Well

DAI Yue，ZHANG Jianguo
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Dongying257061，China）

Variable frequency electromagnetic paraffin control technology is a new physical method，which has advantages of low cost，reservoir protection，long period of validity and convenient management，and has an obvious effect and broad prospect.Laboratory experiments showed that electromagnetic field can reduce the wax precipitation point and freezing point of waxy oil，reduce the quality of wax deposition，and destroy the wax-crystal netted structure.Variable frequency electromagnetic field can cause the internal resonance of wax molecules，change the wax-crystal structure and shape，inhibit the crystallization process of wax molecules，and also break existent wax crystals，thus the goal of paraffin control can be achieved.

variable frequency electromagnetic field；paraffin control；waxy oil；freezing point；cooling curve；wax crystal morphology

TE357.3

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2012.03.023

1001-8719（2012）03-0494-04

2011-04-19

代越，男，碩士研究生，從事電磁場防蠟防垢技術(shù)的研究；E-mail：dy3160＠163.com

張建國，男，教授，從事聲波采油技術(shù)、無極自固結(jié)材料防砂技術(shù)、抽油泵提高泵效技術(shù)和電磁場防蠟防垢技術(shù)的研究；

Tel：0546-8391155；E-mail：zhjguo＠upc.edu.cn