（油气田开发工程专业论文）帕尔曼式声波发生器参数优化及防蜡实验研究.pdf

p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no fp o h l m a n a c o u s t i c g e n e r a t o ra n d r e l a t e de x p e r i m e n t a ls t u d yo fp a r a f f i nc o n t r o l l i n g z h e n gd u o ( o i l & g a s f i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n - g u o a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , ad o w n h o l ep a r a f f i nc o n t r o l l i n ga n dv i s b r e a k i n gm e c h a n i c a ld e v i c e ， w h i c hb a s e do np o h l m a na c o u s t i c g e n e r a t o r , i sd e v e l o p e df o rr e d u c i n gt h ec o s t so f p a r a f f i n c o n t r o l l i n g , d e c r e s a s i n gt h ei n t e n s i t yo fl a b o ra n de n h a n c i n gt h ee f f e c to fp a r a f f i n c o n t r o l l i n gt r e a t m e n t t h ed e v i c ei so n eo ft h eh y d r o d y n a m i ca c o u s t i c w a v eg e n e r a t o r s i t u t i l i z e sk i n e t i ce n e r g yo fo i lf l o wt og e n e r a t ea c o u s t i ce n e r g y , w h i c ha c t so nt h ed o w n h o l e o i ls t r e a m i no r d e rt oc o n t r o lp a r a f f i na n dt h i no u tt h ec r u d e ，p a r a f f i nd e p o s i ti si n h i b i t e db y t h ee f f e c t so fa c o u s t i cm e c h a n i c a lv i b r a t i o n , a c o u s t i cc a v i t a t i o na n df r i c t i o n a lh e a t t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e ：f a c t o r so fp a r a f hd e p o s i ta n du n i v e r s a l m e t h o do fp a r a f f m ep r e v e n t i o na n dr e m o v a lw e r ea n a l y z e d ；t h em e c h a n i s ma n dv i b r a t i o n a l m o d eo fp o h l m a na c o u s t i c g e n e r a t o rw e r ea n a l y z e d t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，t h ea c o u s t i c t e s t i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi ss e tu p ，a n dt h ei n i t i a t i n gs t r u c t u r eo fa c o u s t i c - g e n e r a t o ri s d e s i g n e d ，b a s e do nt h es i m u l a t i n gl a bt e s t s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na c o u s t i cp a r a m e t e r s ， w h i c hi n c l u d es o n i cf r e q u e n c ya n dp r e s s u r ea m p l i t u d e ，a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r ss u c ha s s t r u c t u r eo fv i b r a t i o n c h i p ，l e n g t ho f j e td i s t a n c ea n dv e l o c i t yo ft h ea c t u a t i n gf l o w , e t c ，w a s r e s e a r c h e d ，a n dt h ek e yp a r a m e t e r st oo p t i m i z et h ea c o u s t i c - g e n e r a t o rw e r ef o u n do u t a t t h es a m et i m e ，t h ea c o u s t i c g e n e r a t o r si m p a c to fp a r a f f mc o n t r o l l i n ga n dv i s b r e a k i n g t r e a t m e n tt ot h ew e l l s i ts a m p l i n go i la n dd i e s e lo i lw i t hd i s s o l v e dp a r a f f i nw a sa s s e s s e db y t h ef l u i d f l o wt e s t s ，a n dt h ec a v i t a t i o np h e n o m e n ac a u s e db yt h ea c o u s t i c - g e n e r a t o rw a s v e r i f i e db yt h es i m u l a t i n gl a bt e s t s m o r eo v e r , a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ， o p t i m i z a t i o nd e s i g nw a sm a d e o nt h ep a r a m e t e r so fd o w n h o l ep e r l m a na c o u s t i c p a r a f f m - c o n t r o l l i n gd e v i c e ，a n dt h es t i m u l a t i o nm e c h a n i s mo f t h ea c o u s t i cp a r a f f i nc o n t r o l a n dv i s c o s i t yr e d u c t i o n 鹪a n a l y z e d t h ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u eb y11w e l l si n “ z h u a n g x io i lf i e l di n d i c a t e dt h a tt h et e c h n i c a le f f e c t i v er a t e w a s81 8 ，t h ea v e r a g e i m p l e m e n t a t i o nc y c l eo fh o t - f l u i dc l e a n o u ts e r v i c ew a sw a se x t e n d e df o r 3 7d a y s ，t h e o p e r a t i n gc u r r e n t a n ds e r v i c el o a d o fw a l k i n g b e a mp u m p i n gu n i t w e r ed e c r e a s e d e f f e c t i v e l y , a n dt h ed e v i c el i f e t i m ew a sm o r et h a no n ey e a r i ti sa ne f f i c i e n tn e wp a r a f f m i n h i b i t i o nt r e a t m e n tw i t hl o w - c o s t ，n o n - p o l l u t i n g ，l o n gv a l i dt e r mf o rp a r a f f i n 。t r o u b l e d w e l l s ，a n dh a sg o o da p p l i c a t i o np r o s p e e t i o n k e yw o r d s ：p o h l m a na c o u s t i c g e n e r a t o r , s o u n dp r e s s u r e ，s o u n df r e q u e n c y , c o n t r o lo f p a r a f f md e p o s i t ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：枷7 年月。1 9 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名琊睇 指导教师签名：弓唇差f 司 月，矿日 旯f o1 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第一章引言 原油是一种多相烃类混合物，当含蜡原油温度高于石蜡晶体的析出温度时，原油 属于牛顿流体，其粘度较低且随温度的变化不大。但当含蜡原油的温度低于石蜡晶体 的析出温度时，原油则呈现出明显的非牛顿性质【1 1 ，粘度急剧增加。在含蜡原油的开 采过程中，含蜡原油的温度不断降低，析出的石蜡晶体数量增加，并相互交联成网状 结构。当网状结构达到一定强度，石油将失去流动性而凝结，严重影响了原油的正常 生产和输送。对抽油井而言，结蜡现象会造成抽油机负荷增加、卡泵等现象【2 】，严重 时甚至会因过载而烧毁电机。因此，采用清蜡、防蜡措施便成为维持结蜡油井稳产、 高产的重要措施。 为了减少结蜡问题对原油开采的影响，通常采取的措施主要有化学方法清防蜡、 油井热洗作业和电热法防蜡。这些方法既增加生产成本，也给油井的日常管理带来了 许多不便。例如：化学方法需要定期向井筒内加入清防蜡剂，为此需要建立相关的加 药流程，而相应的化学药剂成本也较高：热流体循环清蜡方法需要定期进行，个别结 蜡严重的油井洗井周期只有几天，这样必然增加施工人员的劳动强度；此外，如果措 施不当还可能造成井底污染，堵塞油层及射孔井段【3 】；各种类型的电加热方法虽然能 较好地清除和防止结蜡，但是由于绝缘问题难以妥善解决、初期投入费用高以及耗电 量大等不足，较难加以推广应用。 声波防蜡降粘技术是一种新型的物理采油方法【4 】。在高含蜡油井的生产过程中， 通过声波振动技术，可以有效地降低原油的粘度，抑制石蜡晶体析出，从而能较大幅 度地降低原油在井筒中的流动阻力，起到节能减耗的作用。与上述防蜡、清蜡工艺相 比，具有成本低，方便可靠等优点。 加深对声波防蜡降粘技术的研究，可以为不便用使热采方法开采的高含蜡、高粘 度油井的开采提供可靠的方法。这就需要对以帕尔曼声波发生器为基础模型的声波防 蜡降粘装置进行设计改进和参数优化，研制出使用方便、投入少、见效快、有效期长 的实用型的声波防蜡降粘装置。因此，开展这方面的研究具有重要的理论意义和推广 应用价值。 1 第一章引言 1 2 国内外研究状况及进展 1 2 1 声波蜡处理技术的发展与应用 自上世纪五十年代，美国及前苏联等西方石油大国就已经开始进行声波在石油工 业中的应用研究。相继开发出了声波脉冲解堵技术和油层声波处理技术，随后大功率 超声处理油层的增产技术也投入应用并取得了相当可观的经济效益。 声波蜡处理技术最早由k o m a r n 于1 9 6 7 年提出，他用功率为1 0 0 w ( 声波发生器 功率) 、频率为2 0 k h z 的声波发生器连续处理高含蜡原油1 2 5 小时至2 3 1 小时，得到 了除蜡1 0 0 的效果。1 9 7 6 年a b a d g u e r r a n 也做了相应的声波清蜡室内试验，用功率 为5 0 w ( 声波发生器功率) 、频率为8 8 0 k h z 的声波发生器连续处理高含蜡原油o 5 小 时至1 小时，得到了除蜡1 0 0 的效果。k o m a r 与a b a d g u e r r a 的研究将声波的空化 作用和热作用引入到采油领域中，并在室内试验中得到了充分的验证。 自上世纪7 0 年代前苏联就开展了声波蜡处理技术的研究，无论从理论上还是从实 践方面都做了大量的探索研究工作【6 】，并于1 9 7 6 年至1 9 7 7 年在老格罗兹内油田进行 防蜡、清蜡试验。实验表明：借助大功率声场地作用，在比石蜡熔点低的多的温度下 ( 2 0 3 9 ) ，就可以使石蜡完全溶于原油中，得到含蜡5 0 的液体原油；而不加 声场，单纯靠提高温度的方法，需要在5 5 至6 0 的温度下持续5 0 分钟的时间才能 溶入同等质量的石蜡，得到含蜡5 0 的液体原油。 国内在8 0 年代初也开展了声波防蜡、清蜡技术的研究，进行了相应的声波蜡处理 室内实验。在成都科技大学研究所的超声防蜡室内实验中【7 】，用到了声强为4 9 0 w 、频 率为2 1 5 k h z 的c s f 6 型超声波发生器，对含蜡2 5 7 6 、凝固点3 4 。c 的大庆原油处 理3 0 分钟，凝固点降至1 7 ，处理1 5 分钟后，破坏了石蜡的晶体结构。处理1 0 分 钟后，表观粘度从1 5 7 5 厘泊降到5 7 5 厘泊。1 9 8 3 年4 月，在华北油田采油工艺所完 成的超声防蜡室内实验，实验油样含蜡量为2 2 5 6 ，凝固点为4 0 c ，控制原油温度 为4 5 c ，在6 0 c m 长的3 4 寸结蜡管内( 内径为1 9 c m ，原油流量为1 0 l m i n ) 进行流 动实验，4 0 0 w 的超声连续作用半小时后，结蜡量降到3 5 0 m g ，而在没有声波作用的 对比试验中结蜡管结蜡5 2 0 m g 。即在其他同样条件下结蜡量减少了三分之一，实验证 明该类方法防蜡效果好，潜力大，值得进一步研究和推广。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 2 井下声波发生器与相关现场试验 声波蜡处理技术在实验室研究阶段取得了较好的实验效果，但是由于井下声波发 生器研制难度较高以及油井自身的结构因素制约了声波蜡处理技术在现场中的应用和 推广。为此，国内外就井下声波发生器的制造进行了一系列的研究，并进行了相关的 现场试验取得相应的防蜡、清蜡效果，为声波蜡处理技术的后续发展与现场应用奠定 了基础。在井下声波发生器的发展过程中，由声源的驱动方式不同逐渐分为两大类： 电激励式声波发生器和流体激励式声波发生器。 电激励式声波发生器采用电流作为驱动方式，将声波发生器随同电缆送至井底， 直接对井内的结蜡部位和高含蜡原油进行清蜡处理。根据声波发生器材质的不同，可 以分为：磁致伸缩式声波发生器、压电陶瓷式声波发生器、电容振荡式声波发生器瞪1 。 前苏联自2 0 世纪6 0 年代就声波蜡处理的机理进行了大量的研究。7 0 年代，进行 了现场试验。电激励式声波发生器清蜡工艺在前苏联的特沃尔油田进行了最先的单井 现场试验【6 】，并取得成功。现场试验中，声波发生器放置在油层井段，其工作频率为 3 k h z 至1 0 k h z ，强度为1 k w m 2 。实验表明，如果声场强度足够大( 超过0 1 k w m z ) ， 那么5 0 的声场能量将会转变为热能。因此，地层受到声场和热场的共同作用( 声一 热作用) 。在这种共同作用下，石蜡、沥青质和胶质沉淀被溶解，井底结蜡被清除。 流体激励式声波发生器采用流体作为驱动方式，将液体的动能转化振动声波，直 接对井底高含蜡原油进行防蜡处理。根据设计的基本机械结构不同可分为：帕尔曼式 声波发生器，哈特曼式声波发生器和旋笛式声波发生器【9 】。在9 0 年代，国内也开展了 声波蜡处理技术的现场试验研究，主要以流体激励式声波发生器作为声源，进行了大 量的现场试验，不仅延长了高含蜡油井的热洗周期，而且在大多数油井上都取得了不 同程度的增液、增油的效果。1 9 9 6 年，大庆油田采油五厂试用声波防蜡技术达1 5 0 多 井次，从最的初两口试验井来看，取得了良好的效果1 0 】：杏8 4 3 7 井，措施前热洗周 期为2 0 天，产液量为1 3 t d ，产油量为8 t d ，抽油机工作电流为7 5 7 2 a ，措施后产液 量为2 4 t ，产油量为1 i t ，抽油机工作电流为7 6 7 5 a ，结蜡周期延长至1 0 8 天；杏1 2 - 3 - 4 4 3 井，措施前热洗周期为6 0 天，产液量为2 3 t d ，产油量2 t d ，抽油机工作电流为3 6 3 2 a ， 下井后产液量4 4 t d ，产油3 t d ，电流3 6 3 2 a ，结蜡周期为1 6 7 天。1 9 9 8 年流体激励 式声波发生器在胜利油田现河采油进行了十c i 井的现场试验】。根据十口井的统计发 3 第一章引言 现：措施后，日产液量由5 5 7 吨上升到7 9 9 吨，日产油由3 1 8 吨上升到5 0 5 吨：热 洗周期延长，平均单井热洗周期由1 8 天延长至5 8 天，效果最好的单井甚至可延长热 洗周期3 个月。 由此可见，目前国内外都已发展了多种形式的声波防蜡技术，现场试验都取得了 较好的实验效果。 1 2 3 声波蜡处理技术的不足与发展趋势 随着物理法采油技术的发展，声波清蜡、防蜡技术也得到了迅速的发展，并在国 内外取得了现场试验的初步成功。与此同时，在声波防蜡技术的现场应用中，显露出 了些许不足。主要包括下面三个方面： ( 1 ) 油井自身结构条件与井下环境对电激励式声波发生器研发的制约 由于采油井自身结构复杂：深度大，管径小。为了保证在井下作业操作过程中 的安全性，声波发生器的尺寸不宜过长，其直径必须小于井壁直径。电激励式声波发 生器的制造工艺决定了在驱动电流功率一定的情况下，换能部件的尺寸大小和声波功 率大小成正比。这类声波发生器的功率只能通过加大驱动电流功率的方式来提高，这 就需要井下电缆具备高绝缘性和高负载性，必然增加工艺措施的成本； 井底温度高，压力大，井内液体具有一定的腐蚀性。电激励式声波发生器的工 作参数易受温度和压力的影响，井底环境条件复杂，声波发生器的工作状态就会受到 影响，表现出不稳定性，甚至在一定条件下失效。此外，井内液体具有一定的腐蚀性， 这对电激励式声波发生器和井下电缆的正常工作同样是一个严峻的挑战； 大功率电激励声波发生器的清蜡效果是非常显著的，但是该措施只能在关井的 条件下，放入工具施工，无法与油井的正常生产同时进行，这必然加大了生产井的管 理难度，提高了措施的成本。所以，这项技术只停留在室内实验研究和高含蜡特殊井( 例 如井底射孔因结蜡堵塞的特殊井) 的单井试验方面。 ( 2 ) 实验手段和检测设备的限制 由于9 0 年代初期，国内检测设备价格昂贵，检测手段单一，对初期的流体激励式 声波发生器的研制带来了很多不便，在研发过程中存在以下不足： 所使用的检测系统精度低，无法保证测量参数的精确性； 没有采用以计算机控制技术为核心的数据采集系统，研发过程中测量读数由人 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 工完成，实验读数存在较大的测量偏差： 测量范围有限，导致实验所得到的某些规律存在片面性。 ( 3 ) 声波蜡处理机理研究不充分 经过多年的现场试验，流体激励式声波发生器的现场防蜡效果显著。但是相关的 声波防蜡、清蜡机理研究并不完善：对于声波的空化现象也仅仅是从理论上进行了推 导，并没有进行相关的室内实验；流体激励式声波发生器一般安装在井底附近，对上 层油管没有直接作用。然而，从现场效果可以看出，井底的声波处理的确改善了含蜡 原油的流动性质，抑制了上层的结蜡。这两方面的理论研究已经成为流体激励声波防 蜡的理论研究重点。 本文所研究、优化的帕尔曼式声波防蜡器以帕尔曼式声波发生器为理论模型，以 1 9 9 4 年石油大学( 华东) 张建国等人研发的声波防蜡器【1 2 】为设计雏形，针对这类发生器 先前研发过程中所存在的问题，加以完善和优化。通过对帕尔曼式声波发生器各项参 数的优化，使其更好的利用油流自身动能激励产生振动声波，形成循环声波场，直接 作用于抽油泵下含蜡原油，起到改善原油流动特性、抑制结蜡的作用。本文从理论和 实验两个方面进行了深入细致的研究。 1 3 研究内容 ( 1 ) 搭建声波发生器声学特性分析的计算机检测平台，用于声波发生器的振动发 声规律检测实验； ( 2 ) 对声波发生器的声学参数进行测量，研究声波发生器结构与发声特性的规律， 对声波发生器进行初步优化，为室内防蜡、降粘模拟实验提供初始声波防蜡器模型： ( 3 ) 进行室内模拟声波防蜡、降粘实验和空化现象验证实验，为井下声波防蜡技 术的现场应用提供实验基础； ( 4 ) 估算声波防蜡器的工作流速，结合室内实验结果，对声波防蜡器的设计参数 进行优化，设计完成声波防蜡器装配图，进行批量生产，投入现场防蜡试验； ( 5 ) 针对不同产能的结蜡井，制定相应施工方案，通过现场试验，优化相关工艺 参数。 5 第一章引言 1 4 研究方法 本文以结构参数优化和声波防蜡、降粘作为研究的主要方向，采用文献调研、室 内模拟实验与现场试验研究相结合的方法逐步进行。首先根据已有的文献资料和现场 调研，设计出室内模拟实验装置；通过室内测量的方法来确定流体流速、声波发生器 自身结构参数与帕尔曼式声波发生器所产生的声压、频率的关系。根据试验结果优化 帕尔曼式声波发声器的设计参数；利用优化后的帕尔曼式声波发生器进行室内声波防 蜡试验，探索井下声波防蜡机理；最后将优化后的样机进行现场试验。主要技术路线 如图1 1 所示。 l 油井结蜡影响因素与常用防蜡、清蜡技术分析 1 l 声学实验平台的搭建与声波发生器参数优化 上 室内模拟防蜡降粘实验与空化实验 土 帕尔曼式声波防蜡器参数优化 上 声波防蜡机理研究 上 现场试验与工艺优化 图i - i 技术路线 f i 9 1 - 1s t u d yr o u t e 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章油井结蜡影响因素及常用防蜡清蜡方法 2 1 石蜡的基本性质 石蜡的典型结构式如图2 1 0 ) 所示，但广义地讲，高碳链的异构烷烃和带有长链 烷基的环烷烃或芳香烃也属于蜡的范畴，其结构如图2 - 1 ( b ) 、( c ) 、( d ) 所示。生产过程 中沉积的石蜡晶体可以分为两大类：粗晶石蜡和微晶石蜡【1 3 1 。粗晶石蜡是以长链正构 烷烃构成，为针状结晶，它能够形成大块晶体，是石蜡沉积导致油井堵塞的主要成分。 异构烷烃、长链环烷烃和长链芳香烃是微晶石蜡的主要成分，其相对分子质量较大， 主要存在于油泥中，微晶石蜡能够加剧石蜡结晶的形成和增长。一般来说碳数高于1 6 的石蜡( c 1 6 h 3 4 以上) 都会对油井的正常生产造成威胁。 c ? 弋八? ? 烩? 、太? 淤? k 鸭 ( a ) 长链正构烷烃 c 讯? 、? y ? 峪，心 夕心 ( b ) 长链异构烷烃 c 乞 c 卜| 3 、 c 心 ( c ) 长链环烷烃 稚熘o h 2 ： 第二章油井结蜡影响因素及常用防蜡清蜡方法 烃数量不同，具体区别见表2 1 。由表2 1 中可以看到，粗晶石蜡是以正构烷烃为主，而 微晶石蜡是以环烷烃为主。 表2 - 1 粗晶石蜡与微晶石蜡对比 t a b l e 2 1 c o m p a r i s o no fp a r a f f i na n dm i c r o c r y s t a l u n ep a r a f f i n 对比项目 粗晶石蜡微晶石蜡 正构烷烃( ) 8 0 9 0 0 1 5 异构烷烃( ) 2 1 5 1 5 3 0 环烷烃( ) 2 8 6 0 7 5 熔点范围( ) 5 0 6 5 6 0 9 0 平均相对分子量范围 3 5 0 4 3 0 5 0 0 8 0 0 典型碳数范围 1 0 3 5 3 5 。6 0 结晶度范围( ) 8 0 9 0 5 0 6 5 ( 1 ) 粗晶石蜡 粗晶石蜡是指那些碳数比较高的正构烷烃，通常把c 1 6 h 3 4 - - c 3 5 h 7 2 的正构烷烃通 称为粗晶石蜡，纯净的粗晶石蜡是略带透明的白色无味晶体。粗晶石蜡分子的碳原子 数为1 6 3 5 ，即c 1 6 c 3 5 ，分子量为3 5 0 4 3 0 。固态粗晶石蜡的熔点为5 0 c 6 5 ，密度 约为0 8 6 5 9 c m 3 0 9 4 9 e r a 3 。粗晶石蜡没有确定的分子式，分子式通式为c 。h 2 n + 2 ，式 中碳原子数n 为1 6 3 5 。n 越大，粗晶石蜡的熔点越高。粗晶石蜡中含油质会降低熔点 及使用性能。粗晶石蜡的化学活性较低，呈中性，化学性质稳定，在通常的条件下不 与酸( 除硝酸外) 和碱性溶液发生作用。粗晶石蜡在1 4 0 c 以下不易分解碳化；且具有一 定的强度和良好的塑性，不易开裂；但粗晶石蜡的软化点低( 约3 0 0 c ) ，凝固收缩大， 表面硬度小。固态石蜡易熔于液态烃类化合物中，其溶解度与温度有关，当温度降低 时，粗晶石蜡在石油中的溶解度急剧下降一些白色片状或带状粗晶石蜡结晶便从原油 中析出。 ( 2 ) 微晶石蜡 对于高沸点结晶烃( 其中包括环烷族烃、芳香烃和异构烷烃) 占多数的固态烃类混 合物称为微晶石蜡。微晶石蜡分子中碳原子数约为3 6 6 4 ，即c 3 6 一c 6 4 。分子量约为 5 0 0 8 0 0 ，它的熔点约为6 0 c 9 0 。它的构成更为复杂，主要由环烷烃和少量的正、 异构烷烃组成，它们有高熔点和无定形的特点。微晶石蜡是通过一系列复杂的溶剂分 离法从留在蒸馏釜里的渣油中分离出来的。相对粗晶石蜡，微晶石蜡韧性好，不易破 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 碎。大多数微晶石蜡有可塑性。颜色上，微晶石蜡是乳白色或者淡黄色。微晶石蜡具 有极好的粘附性质，并能在很宽的温度范围内具有韧性的光亮薄膜。 2 2 含蜡原油的流变特性 2 2 1 牛顿特性 含蜡原油是一种多相多组分的烃类混合物，在不同温度下，原油中的石蜡处于不 同的形态，从而使原油呈现出不同的流变物性。在较高的温度下，石蜡全部溶解于原 油中，除了少量悬浮的胶质、沥青外，原油基本上是液态的单相体系，其粘度只随温 度变化，具有牛顿流体的特性。随着油温的降低，液态原油中的蜡组分按分子量的大 小而依次析出，开始形成连续相是液态烃，分散相是石蜡晶体的二相体系。当析出的 石蜡晶体不太多时，该二相体系的粘度只随温度而变化，即仍具有牛顿流体的特性， 但粘度与温度的函数关系与高温时略有不同。 2 2 2 非牛顿特性 当温度继续降低，原油中析出的石蜡晶体增多，逐渐长大并相互聚集成海绵状的 凝胶体，虽然二相体系的连续相还是液态烃，但其粘度已不再是温度的单一函数关系， 而是随着剪切速率的变化而变化，含蜡原油逐渐转变为非牛顿液体，具有剪切稀释性， 其表观粘度将随剪切速率的增大而下降，并随着温度的继续降低而逐渐呈现触变性的 特点【1 5 】。 当温度再降低时，逐渐增多和长大的石蜡晶体相互连结而形成空间网络结构，将 液态烃包围其中，含蜡原油逐渐失去流动性，即转变为石蜡晶体是连续相，液态烃是 分散相的的二相体系。因为空间网络结构具有一定的强度，所以必须当外加剪切力增 大到能够克服晶体的结构强度后，原油才能流动。此外，在结构破坏后呈现出较强的 触变性。 含蜡原油的流变性与一些外界因素密切相关：含蜡原油的组成异常复杂，其受力 流动呈现出多相性和复杂性，这不仅仅取决于原油的组成( 例如：连续相的组分、含量 和分散相的浓度、颗粒大小、形状及排列形式等因素) ，还与经历的热历史、剪切历史、 剪切作用时间等外界因素有关。实验证明，产地不同的原油其组成和基本物性虽然不 相同，但它们的流变规律仍具有一定相似性。含蜡原油的流变特性、触变特性，和屈 9 第二章油井结蜡影响因素及常用防蜡清蜡方法 服特征等都有许多共同之处。含蜡原油的全粘温曲线如图2 - 2 所示 16 1 。 图2 - 2 含蜡原油的全粘温曲线 f i 9 2 - 2w a x yc r u d eo i lv i s c o s i t y - t e m p e r a t u r ec u r v e 由图可见，全粘温曲线大体可分为两部分：牛顿段( 直线段) 和非牛顿段( 放射线状 段) 。其中要注意几个特殊温度点： t 析：析蜡点，当温度下降至t 折时，析出了一定量的石蜡晶体，并且在宏观上表 现出随温度减小粘度增加率变大的现象。因此，这并不是真正意义上的石蜡晶体开始 析出的温度。 t 反：反常点，说明油温低于t 反时，原油的粘度出现反常，这时流变行为已不再 符合牛顿内摩擦定律。可以用表观粘度来表征它的粘稠程度。 t 失：失流点，它在数值上与凝点相近，说明此温度下的原油，表观粘度已足够大， 较小的外力作用难以推动它，只有外力达到某值足以破坏其石蜡晶体网络结构时，才 能迫使其流动。在恒定外力作用下，流动速度随外力作用的时间增加而增加。 2 3 蜡沉积的主要影响因素 油井结蜡对油井的正常生产造成了巨大影响，清、防蜡工作日益受到石油工作者 的重视，要作好清防蜡工作，必须明确原油在生产过程中，油井结蜡的多种影响因素。 2 3 1 蜡沉积的自身影响因素 ( 1 ) 原油中石蜡的含量 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 原油中的石蜡含量是引起蜡沉积的决定性因素【1 7 1 ，原油中的石蜡含量越高，则原 油的凝固点越高，当原油的温度降低时，石蜡极易从原油中析出，从而产生沉积。除 含蜡量外，石蜡的组成及石蜡在石油中的分散程度等也将对油井结蜡产生影响。 ( 2 ) 沥青质和胶质的含量 沥青质是原油中不溶于正庚烷( 或正己烷) 而溶于苯的暗褐色或黑色的无定形固态 物质，加热也不熔融【1 8 】；而胶质是指原油中能溶于正庚烷的半液态物质或无定形固体， 流动性很差。它们的存在加剧了原油中的石蜡沉积，使沉积物变得更为复杂，同时也 使热洗清蜡等变得更困难【1 9 1 。 ( 3 ) 原油中轻质馏分含量 原油自身的特性将对结蜡产生影响：原油中所含的轻质馏分愈多，蜡越易溶解在 油中，则蜡的初始结晶温度就愈低，即蜡越难析出来。有人曾做过汽油、原油、渣油 在不同条件下溶蜡量的比较实验，结果表明【1 6 1 ，在同一温度下，汽油中蜡的溶解度最 大，原油其次，渣油最少。这说明轻质烃能溶解更多的蜡量，而渣油中的石蜡最容易 析出。 ( 4 ) 含水率 含水率对油井结蜡程度的影响目前尚难以定量分析。研究表明【2 0 1 ，当含水率较低 时，原油呈连续相，水则分散在油中。此时，在某些因素的影响下，石蜡容易析出， 油井结蜡比较严重。油中含水量继续增加时，会使液流温度不易下降，液流中的含蜡 量减少，水流又容易在油管内壁上形成连续水膜，使石蜡不易沉积。随着油井含水量 的增加，结蜡程度就会有所减轻。 2 3 2 蜡沉积的外界影响因素 。 ( 1 ) 原油温度 原油温度是结蜡的主要条件之一，它直接影响着石蜡晶体形成和聚集的速度口1 1 。 当原油温度高于析蜡温度时：原油中的石蜡晶体颗粒大部分或全部溶解；沥青质、胶 质将高度分散，减小了结蜡的可能性。随着原油温度的冷却，石蜡晶体将按分子量的 大小依次连续析出、聚集和长大，吸附在壁面上形成结蜡层。同时，沥青质、胶质也 依次吸附在已经析出的石蜡晶体上，并且共晶长大，加剧了石蜡沉积。原油温度越低， 蜡沉积程度越严重。 1 1 第二章油井结蜡影响因素及常用防蜡清蜡方法 油井生产过程中，油流从井底向井口的流动，温度是逐渐降低的。温度降低的因 素主要有两个：一是地温梯度的影响，原油举升过程中，地层温度逐渐降低，油流的 热量通过油套环空传给地层，使原油自身温度逐渐降低；二是原油溶解气体析出对原 油温度的影响，当气体从原油中分离出来时，体积膨胀，流速增加，对于原油来说这 是一个放热过程，使原油自身温度降低。 ( 2 ) 溶解气及压力 地层中的原油通常溶解一定量的氮气和气态烃等。大量研究表明【2 2 1 ：溶解气含量 越大，原油的溶解蜡能力就越强。溶解气的析出，会减小大分子烃类在原油中的溶解 度，从而加剧了石蜡、沥青质和胶质的沉积。而压力对油井结蜡的影响主要通过溶解 气量的大小来表征，压力越小溶解气越容易析出，原油中的石蜡溶解量就越小。 ( 3 ) 液流速度 实践表明【2 3 1 ，如果液体流动速度增加，管壁上的结蜡量将会减少。这是因为流速 较大时，液相中的石蜡结晶保持悬浮状态，还来不及沉积在管壁上就被液流带走。而 其较高流速的液体就有冲刷作用，可以从管壁上带走部分已沉积下来的蜡。此外，随 着液流速度的增加，原油举升过程中的热量损失就会减小，油井的结蜡点就会向上移， 结蜡的程度也会有所减轻。在产量较小的井中会得到与上述相反的结果。 ( 4 ) 泥砂及机械杂质对结蜡的影响 原油中的泥沙和机械杂质对蜡的初始结晶温度影响不大。但是在蜡的结晶过程， 需要有好的结晶中心，原油中的细小颗粒将会成为石蜡析出的结晶核心，促使石蜡结 晶析出，易于蜡晶体聚集长大，加重结蜡【2 4 】。 ( 5 ) 油管内表面的粗糙程度和表面性质 粗糙的管壁由于会减少结蜡所需的能量，而使石蜡晶体容易吸附在上面【2 4 】。因此， 管壁越粗糙，石蜡越容易沉积。如果油管内表面越光滑，它的亲水能力越强，不易于 结蜡沉积。 ( 6 ) 油井作业过程中造成的结蜡伤害 酸化、压裂及注水等作业都是向油层注入大量比油层温度低的流体，因此冷却了 井筒附近的地层，都有可能导致原油中的蜡沉积在地层中，造成地层损害【2 5 】f 2 6 1 。这种 损害与地层原油性质、地层原始温度、地层降温幅度及地层渗透率等因素有关。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在注气过程中，高流速气体通过射孔孔眼和井筒附近地层时，可引起“冷却效应 并扰乱平衡条件，导致石蜡沉积造成地层损害。当回注气体中混入大量空气、二氧化 碳等成分时表现的尤为严重：二氧化碳溶于高沥青质含量原油中会造成沥青质沉积， 空气中的氧气进入地层会与原油发生氧化作用，生成非溶性烃类与石蜡一起析出沉淀， 加深了对地层的损害。 热洗或热油循环的目的是清洗油管中的石蜡堵塞。在循环处理过程中，如果措施 不当，会导致热流体在循环过程中热能大量散失。当热流体的温度低于石蜡的初始结 晶温度时，溶于热流体中的石蜡晶体就会重新析出，沉积在井筒内造成堵塞。如果作 业时，地层压力低于的井底压力，会将井眼附近含有大量溶解蜡的热溶液推入较冷的 地层深部，造成更严重的的储层损害【2 7 1 。 以上分析了影响油井结蜡的一些主要因素，需要指出的是，这些因素在不同程度 上是同时起作用的。现阶段，由于对这些因素的研究还不够深入，现场生产中还没有 找到彻底防止结蜡的方法，油井结蜡仍然是无法避免的。由于各个油井的具体条件不 同，结蜡影响因素具有一定的差异性。所以在现场防蜡、清蜡施工中需要结合每口油 井的具体情况制定相应的防蜡、清蜡方案，确保结蜡油井的稳定生产。 2 4 油井结蜡规律及危害 2 4 1 油井结蜡规律 尽管油井的析蜡、结蜡是一个复杂的过程，但存在一些相似之处。油流在井底时， 外界温度、压力较高，油中的溶解气大部分没有分离，原油的溶蜡能力较强。一般来 说，在地层、井底和油管下部不容易结蜡。随着油流从井底往井口方向流动，在油流 举升过程中，温度、压力逐渐下降，当压力低于原油的饱和压力时，气体从油中不断 分离出来，气体膨胀要吸收一部分热量，同时油中部分轻质组分被带出，原油的溶蜡 能力减弱，在一定深度油管壁处开始出现结蜡。随着油气的继续上升，油中的溶解气 不断逸出，蜡的沉积量也越来越多。 石蜡在油管中的沉积过程可归纳如下【2 8 】：在距井口l o o m 3 0 0 m 处结蜡最严重，而 且该井段紧贴管壁的主要是硬蜡，这种较坚硬的蜡晶体间充填的油、水和泥砂较少。 在硬蜡的表面又沉积着软蜡，软蜡晶体间含有一定量的油、水等，硬度不大。当软蜡 1 3 第二章油井结蜡影响因素及常用防蜡清蜡方法 晶体中的油、水被带走后，软蜡又变为硬蜡，继续沉积在管壁上。在距离井口5 0 m 7 0 m 以内时，含蜡量反而减少，这是因为在靠近井口处，流体速度增大，_ 部分石蜡晶体 被带到地面，所以油管壁上沉积的蜡层厚度反而减小。 抽油井在油管内部的结蜡过程大致与自喷井相似。不同的是对于地层温度较低的 抽油井，在泵筒以下尾管处的压力和温度均比较低，此处也是抽油井容易结蜡的部位。 此外，泵的凡尔罩和进口处也常常易被蜡堵死。 综上所述，油井的结蜡规律可总结为【2 8 】： ( 1 ) 高含蜡油井比低含蜡油井结蜡严重； ( 2 ) 低产井及井口温度较低的井结蜡严重，高产井及井口温度较高的井结蜡不严 重或者不结蜡； ( 3 ) 油井见水后，低含水阶段油井结蜡严重，而含水上升到一定程度后，结蜡则 有所减轻； ( 4 ) 表面粗糙的油管比表面光滑的油管容易结蜡，油管清蜡不彻底的油管容易结 蜡： ( 5 ) 出砂含蜡井容易结蜡； ( 6 ) 油井结蜡严重的地方并不是在井口，也不是在井底，而是在油管的一定深度 处。 2 4 2 油井结蜡危害 部分含蜡油井在生产过程中的结蜡现象几乎是不可避免的，根据油井的结蜡部位 不同，结蜡对生产的危害主要体现如下： ( 1 ) 油层结蜡危害 在通常情况下，油层是不会结蜡的。在生产过程中，由于油层温度较高，压力较 大，含溶解气量大，对蜡的溶解能力强，所以油层不容易结蜡。但对于高含蜡原油生 r 产井，在进行射孔完井及压裂、酸化等措施时，由于有大量的液体人为地注入油层中， 此时，如果注入液体温度等参数控制不当，将会在近井地带造成结蜡。此外，近井地 带由于射孔等原因，油流速度高，节流效应引起温度变化也可能引起石蜡晶体的析出。 处于开发中后期的高含蜡油井，由于油层压力下降，原油对蜡的溶解能力下降，也可 能会有蜡在油层中尤其是在近井地带析出，形成结蜡堵塞。此外，对于异常低温油井， 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在开采时有可能出现油层温度低于析蜡点而出现油层结蜡是对油层的直接伤害，它将 减少甚至堵塞地层介质孔隙，降低渗透率，增大渗流阻力，使油井减产，降低最终采 收率。由于石蜡对各种酸如氢卤酸、硝酸等都很稳定，因而油层的结蜡堵塞很难在短 时间内消除。 ( 2 ) 油管结蜡危害 由于原油在从油层通过油管向地面流动过程中，压力下降，溶解气大量释放，原 油溶蜡能力下降，同时井筒温度逐渐降低，因而井筒结蜡是含蜡原油，尤其是高含蜡 原油生产过程中最常见的现象，井筒结蜡对油井的日常生产危害也最大。对最常见的 有杆抽油井而言，油管的结蜡同样会使油流通道缩小，增加抽油杆柱的上、下行阻力， 下冲程时易出现驴头“打架 现象，上冲程时驴头负荷增加，若清蜡不及时，严重结 蜡会使抽油杆卡死在油管中，甚至造成抽油杆断裂的井下事故。此外，对于油层温度 较低的井，在抽油泵固定阀、固定阀罩以及其以下部位，由于压力低，在生产过程中 也容易形成蜡堵，而被迫进行修井。对电潜泵生产井而言，油管中结蜡所造成的危害 与其它机采井相同。电潜泵井排量大，吸入口处压力低，当油层温度较低时，此处容 易结蜡并造成叶导轮流道堵塞，入泵阻力增加，使泵排量下降；同时会使电机负荷增 加，严重的会造成电机过载停机，使电泵机组不能正常运转。 2 5 主要防蜡、清蜡工艺 在长期的生产实践中，根据对油井的结蜡影响因素和结蜡规律的认识，形成了解 决油井结蜡问题的多种工艺。归根结底，解决油井的结蜡问题有两条途径：防蜡和清 蜡。 所谓防蜡，就是原油在井筒流动过程中，使用一定的方法抑制原油中的石蜡析出， 或防止析出的蜡在管壁上沉积；而清蜡则是当油管壁上的结蜡较严重，影响正常生产 时所采取的清除管壁结蜡的措施。 目前油田生产中所采用的防蜡工艺主要有：化学防蜡、内衬油管防蜡( 包括涂料油 管、塑料油管、玻璃衬油管等) 、隔热油管防蜡、加热保温防蜡、磁防蜡、微生物防蜡 等。清蜡工艺主要有机械清蜡、化学清蜡、热洗清蜡、电加热清蜡等。油井的清蜡工 作与防蜡工作往往同步进行，优势互补，因而