（机械工程专业论文）便携式自循环智能洗井装置研制.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 便携式自循环智能洗井装置研制 机械工程 马军_ i l ( 签名) 周好斌( 签名) 王俊峰( 签名) 要 摘要：原油中含有一定的石蜡，原油开采时逐渐被提升离开油层，随着温度和受压降 低，石蜡会不断析出并沉积在深井泵、抽油杆和管壁上，造成结蜡现象。这样会严重影 响油井的出油量，所以要不时对油井进行清蜡处理。洗井是清除石蜡、提高原油产量的 重要方法，而目前国内的洗井方法有较多缺点。需要设计出便携自动可控制的洗井装置。 本论文主要阐述了便携式智能洗井装置结构设计的整个设计过程，以及设计过程中存在 问题的解决等。根据现有洗井装置的使用和工艺特点，查阅大量文献后设计出的电气混 合加热，油水换热的能量传递方案。电气混合加热可以节能高效的解决加热问题，油井 有伴生气的情况下利用伴生气进行加热，并设计了油气分离器，换热器等装置的结构， 选用了目前常见的标准件，并系统的设计出整体的设计加工方案。本装置的特点是如遇 到伴生气不足或者根本没有伴生气，则利用电进行加热。利用换热器进行加热主要取其 安全性，方便性。从而使得该装置具有便携，智能化，操作简单，效率高等特点。经过 反复设计和论证，并参考大量文献后，设计出了一套便携式智能洗井装置，其具有操作 简单、相对便携、智能化控制以及洗井周期短等优点。 关键词：石蜡；洗井装置；单片机；控制系统；热力洗井 i i 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r = t h ed e v e l o p m e n to fp o r t a b l ea n d i n t e l l i g e n tw e l l - f l u s h i n gd e v i c e m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a b s t r a c t t h e r ei ss o m ep m a t hi nc r u d eo i l ，a n dc r u d eo i li s g r a d u a l l yp r o m o t e df r o mo i l r e s e r v o i r s ，t h e nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo fo i lr e d u c e d t h ep a r a f f i nw i l lb ec o n s t a n t l y s e p a r a t eo u t , a n d i tw i l ld e p o s i tt op u m pa n d p i p ew a l l t h e r ei ss e p a r a t i o no fp a r a f l i ni nw a l l s o fm b i n g ，a n dp a r a f f i np h e n o m e n o n t h i sw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h ew e l l so ff u e l ，s oo i lw e l l a l w a y sd e a lw i t ht h ep a r a f f i n s of l u s h i n gi sa l li m p o r t a n tw a yt oe l i m i n a t eo l e f i na n dt oi n c r e a s et h eo u t p u to fc r u d eo i l ， b u ta tp r e s e n tw e l l w a s h i n ge q m p m e u ti no u rc o u n t r yh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s i t sn e c e s s a r y t od e s i g np o r t a b l ea u t o m a t i cc o n t r o l l a b l ew e l lw a s h i n gd e v i c e s of l u s h i n gi sa ni m p o r t a n tw a y t oe l i m i n a t eo l e f ma n dt oi n c r e a s et h eo u t p u to fc r u d eo i l ，b u ta tp r e s e mw e l l - w a s h i n g e q m p m e mi no u rc o u n t r yh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s i t sn e c e s s a r yt od e s i g np o r t a b l ea u t o m a t i c c o n t r o l l a b l ew e l lw a s h i n gd e v i c e t h i st h e s i sm a i n l yt a l k sa b o u ta l lt h ed e s i g n i n gp r o c e s so f t h ep o r t a b l ei n t e l l i g e n tw e l lw a s h i n ge q m p m e m ，a n dt h es o l u t i o nt ot h ep r o b l e m si n v o l v e d d u r i n gt h ep r o c e s s b a s e do nt h ee x t a n tw e l lw a s h i n ge q m p m e m sc h a r a c t e r i s t i ca n dt e c h n i q u e ， ap r o j e c to nb o t he n e r g yt r a n s f e ro fm i x e dh e a t i n go fe l e c t r i c i t ya n dp n e u m a t i ca n dh e a t i n g t r a n s f e ro fo i la n dw a t e ri sd e s i g n e db yc o n s u l t i n gag r e a td e a lo fr e f e r e n c e s e n e r g yt r a n s f e r o fm i x e dh e a t i n go fe l e c t r i c i t ya n dp n e u m a t i cc o u l ds o l v et h eh e a tp r o b l e m si na ne f f i c i e n ta n d e n e r g ys a v i n gw a y i ft h e r ei sa s s o c i a t e dg a si no i lw e l l ，t h e ni tc o u l db eu s e dt oh e a t ；o nt h e c o n t r a r y , i ft h ea s s o c i a t e dg a si sn o te n o u g ho rn e a r l yd o s en o te 】( i 瓯t h ee l e c t r i c i t yi su s e dt o h e a t a n dt h ep u r p o s eo fu s i n gh e a tc h a n g e ri st om a k es u r es e c u r i t ya n dc o n v e n i e n c e ，t h u sb y d o i n gs o ，t h ee q m p m e mi sn o to n l ye a s yt oc a r r ya n ds i m p l et oo p e r a t e ，b u ta l s oh a st h e c h a r a c t e r i s t i co fi n t e l l i g e n ta n dh i g h - e f f e c t b yr e i t e r a t i v ed r a f t i n g ，d e s i g n i n ga n dr e a s o n i n g ， as e to fp o r t a b l ea n di n t e l l i g e n tw e l l w a s h i n ge q u i p m e n tw h i c hi se a s yt oh a n d l ea n dc a r r yi s d e s i g n e d w h a t sm o r e ，i ti sa u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l e da n dh a sas h o r tp e r i o dt ow a s ht h ew e l l k e y w o r d s ：o l e f m ，w a s hw e l l ，s c m ，c o n t r o ls y s t e m ，t h e r m a lw e l l - w a s h i n g t h e s i s ：a p p f i c a t i o ns t u d y ii i i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 目前石油和天然气仍然非常重要的能源，它们对人类社会的发展做出了重大贡献， 今天它们仍然扮演着重要角色。每天都有数以万计的石油从地下开采出来满足社会对石 油的需求，但是要把深埋在地下的原油开采出又非易事。原油中的物质成份很多，有些 是对原油的开采不利的，并且不同油田石油的性质也有很大差别，主要是由于其中烃类 及含硫，氮和金属等的衍生物的结构与比例有差别所致。石油中碳氢两种元素所组成的 化合物，成分很复杂，并且随产地不同而异。原油的成分组成见图l l ： 图1 - 1 原油成分组成 随着石油井龄增加，在地层中会出现结垢、结蜡，导致油层渗透率降低，出油孔隙 被堵，许多油井因此而产量大大下降【1 1 。烷烃、环烷烃、芳香烃这三类烃的结构和所占 比例对于不同产地的石油而言各不相同。石蜡基石油通常以烷烃为主；环烃基石油以环 烷烃、芳香烃为主；中间基石油介于二者之间【2 】。 我国原油的主要特点是含蜡较多，凝固点高，硫含量低，镍、氮含量中等，钒含量 极少。除个别油田外，原油中汽油馏分较少，渣油占1 3 。我国原油的主要特点是含蜡量 高，凝点高，硫含量低，属低硫石蜡基原油。所以在从地下抽出原油时，经常会发生结 蜡现象。油井结蜡一直以来都是油田油井产量降低的重要因素。原油在从地下流到地面 的过程中，由于压力和温度的变化，原油中的蜡会在抽油管的内壁上沉积，形成结蜡现 象。油井中有机化合物的聚结主要是蜡、沥青质，它们不断析出并沉积在深井泵、抽油 杆和管壁上，导致深井泵凡尔漏失。泵效下降，油管内流动阻力增大，严重时还会导致 卡泵或抽油机损坏，并且当原油沿油管流出时，温度、压力都降低，蜡就从原油中分离 出来，粘在油管壁上造成结蜡现象。这样严重影响了油井的出油量，影响油田原油的生 产 4 1 。所以就产生了油田洗井，所谓的洗井就是利用机械、化学、热力、生物、电磁等 方法清除油井管壁和抽油杆上的结蜡的过程称为洗井清蜡，简称洗井或清蜡。 目前油田洗井的方法可分为：机械洗井、热力洗井、热化学等方法。采用清蜡车热 西安石油大学硕士学位论文 洗井技术是国内各油田在长期油井清防蜡工作中普遍采用的一种技术。这种清蜡方法工 艺简单、操作容易，且清蜡效果彻底。但将这种方法用于地层压力较低的油井，清蜡车 在热洗过程中难以控制压力和温度，加上入井液容易与地层反应，往往会导致油层污染、 套管损坏等问题。而采用机械方式洗井，洗井的成本比较高，同时操作也比较困难。目 前存在的洗井方法中，热洗井是最常用的。但具有高能耗，污染油层，污染环境以及洗 井质量无法控制的弊端。由于采用手工操作，洗井要依靠操作人员的经验和熟练程度才 能达到预期的效果。同时人工洗井的周期长、洗井装置过于笨拙等、精确度低、人为自 身因素相对较多，热洗时间越长，油井产量受到的影响越大。对于本课题的研究特别必 要，设计一种便携式自动化的洗井系统势在必行。为了提高洗井的效率及节省能源，我 们需要依靠油井的结腊特性来严格的控制洗井液体的流量的大小及流出的时间。 1 2 本课题的研究背景 1 2 1 结蜡原理 碳原子数在原油中的个数为1 6 6 4 ，密度为0 8 8 0 - 0 9 9 5 9 e r a 3 ，熔点为4 9 - 6 0 c 【3 4 】 的烷烃称为石蜡。所谓的结蜡现象，既在开采原油的过程中，在气体的析出和温度的降 低的情况下，晶体逐渐的析出、长大、并聚集、沉积在管壁上，这种晶体称为石蜡。由 于采油工艺条件和地质的变化，油井的结蜡机理也随之发生变化。尤其是在油田开发后 期这种现象比较明显。能够造成油井结蜡，惟一的原因是石蜡分子，这种分子可溶于原 油中并形成固相晶格。 形成石蜡时，原油携蜡机理为液滴吸附和薄膜吸附【5 7 】。液滴吸附是在紊流搅动下， 孤立液滴在油水乳化液沿油管向上运动时的能量作用下，发生径向运动并与油管壁相撞。 计算表明，液流中的每一油滴( 在距泵入口2 0 m 的范围内) 与油管壁的接触多于1 0 0 次。 这时金属表面的油膜将含有沥青、胶质和石蜡的油滴吸附，具有足够动能的油滴进入油 膜，而石蜡则在油管壁上沉积。不同的油田储层，含蜡量不同，即使几口油井处于同一 个储层，其结蜡量也不同。各个油田应该根据结蜡的特点、自身油田结垢，采取最合适 的洗井方式。 薄膜吸附是当油油管和设备与水乳化液表面接触时，通常形成两种定向层：即亲水 定向层和憎水定向层。一方面，油管或设备表面将烃类中的油溶表面活性剂吸附，形成 一层原油薄膜和具有憎水倾向的定向层；另一方面，不含表面活性剂的水与该原油薄膜 接触时破裂，在原油表面上形成亲水定向层。烃类中大量表面活性剂( 未被金属表面吸 附的) 开始以憎水基吸油、亲水基吸水的方式吸附在这一新的油水界面上，由此，在金 属表面形成由双层表面活性剂分子组成的憎水层，油膜薄层则浸润设备表面和油管并向 周围延伸。当温度降至低于石蜡结晶温度时，油膜的表面便形成不断长大的蜡的晶格网 络，并形成沉积。在这一循环往复过程中可使结蜡层不断增厚。 2 第一章绪论 1 2 2目前国内外各洗井方法及其优缺点 目前国内常用的有机械洗井，化学洗井，热力洗井以及其它特殊洗井方法。 机械洗井目前常采用抽油井机械式自动清蜡装置。油井自动清蜡器主要是由步进簧、 换向齿、连刀体等部件构成，并配合上换向器和下换向器、安全节成套使用。清蜡原理 是：清蜡器主体随抽油杆的上下往复运动，自动运行于上、下换向器之间，安装刀口部 位会自动刮除抽油杆和油管壁上的蜡质、胶质、水垢等粘结物，对杆、管同时清蜡，周 而复始达到连续清蜡的目的。即在不增加其它辅助设施的情况下依靠抽油杆的上下往复 运动进行自动清蜡。其优点是洗井周期短，管理方便简单，不影响油井的产量。缺点是 洗井的装置尺寸一定受到限制，不适合稠油井，且成本高。故目前国内外很少采用这种 方式清蜡【引。 抽油机的洗井目前应用最广泛的是热力洗井。即利用热洗泵把地面罐中油或水抽出 来，先利用加热炉给其加温，再从油井套管直接进入套管的环形空间，最后利用被深井 泵将油吸出地面。热力洗井方便控制，洗井彻底，目前国内外均采用此方法。近几年国 内出现了许多新的热洗技术，如：从1 9 9 6 年至2 0 0 5 年，康荣超等人针对胜利油田临盘 采油厂油井结蜡造成的管柱卡，油井修理周期短等问题，在部分油田推广实施油井重力 自流热洗1 9 1 。 化学洗井主要是应用化学清防蜡剂，其主要有水溶性和油溶性两大类。目前国内外 的一些油田及科研院所对含蜡油田的蜡沉积及蜡清除开展了广泛的研究，研制和开发出 了多种的清防蜡产品。国内油田经常采用的油井清蜡方法之一是化学药剂清蜡。其原理 是向油套环形空间加入清蜡剂，清蜡剂溶解在油水混合物中从油套环进入油杆环空，最 后抽出井口。在这个过程中，清蜡剂与油杆环空中集结的蜡反应，从而起到清蜡的作用。 大多数类型的油井适用于这种方法，但其也存在不足：第一是药剂在井下仅循环一次， 与管杆接触的时间不足，清蜡不太彻底；第二是药剂入井后易腐蚀油管和套管，加速油 管穿孔和套管损坏；最后是清蜡剂费用高，生产成本增加【l o 】。 目前国内较为科学有效的洗井方法为自能热油洗井法。自能热油洗井是利用加热后 的油流分离出的伴生气及套管气为燃料。油井井口产出的液体先经过自能热油洗井装置 加热，然后沿着套管进入油套环空，再依靠深井泵将其举升至地面。这样液体经过不断 地循环往复，井筒温度将逐步提高。当温度超过蜡的熔点，井筒内的蜡就会溶解在井筒 由美国人研究的微生物洗井方法。自然界中的一些微生物它们以石油为食物，同时 起到分解石油的目的。可以通过人工选择和培养的方法获得大量的所需要微生物种类， 然后把它们投放到油井中。他们会将形成石蜡沉积的长链烷烃( l c a ) ，分解成不易沉积 的短链烷烃，最终达到清除油井中沉结蜡的目的。 2 0 0 4 年石油大学( 华东) 研制了低密度氮气泡沫洗井技术1 1 2 1 ，其原理是根据泡沫流 体在常压下密度最低可达0 0 3 0 0 4 克立方厘米且密度低的特点，利用地层压力与较低 西安石油大学硕士学位论文 的井筒液柱压力高之间的差值，对堵塞物形成了一个“推动”作用，而且泡沫流体的粘度 高，切力较大、并具有良好的分散性及乳化性，对附着在套管内壁、井下设备和油管通 道上的结蜡有较好的清除作用。 电爆冲击洗井技术主要基于电工学上的液电效应。当电容上的高电压突然加到液体 中的间隙上时，产生强大脉冲电流，由于巨大的能量瞬间释放于放电通道内，通道中的 液体就迅速汽化、膨胀并引起爆炸，爆炸所产生的冲击压力可达1 0 1 5 大气压。这就是 所谓的液电效应。让液电效应在井下周期性地发生，则液电爆炸引起的冲击波就会对周 围地层( 影响半径o 5 1 m ) 产生冲击振动，使地层裂缝增加，渗透率提高，油井产量也 得以重新上升，从而达到洗井解堵的目的。 1 2 3 国内外常用的洗井装置 图1 2 国内的热洗井装置 如图1 1 所示，油田撬装移动式洗井车，属于车载式可移动水处理及洗井设备。该 车主要用于油田注水井的清洗，具有清洗效果好，污水不外排，节省大量水资源，降低 注水管网压力，是一种环保、经济、高效的油田作业设备。其工作原理为：注水井口油 管返出的液体首先进入旋流除砂器，将大颗粒的泥沙除去；随后进入旋流除油器及斜管 除油器，去除其中的大部分油及悬浮物；最后进入核桃壳、纤维球过滤器除去其中更小 的油及悬浮物；处理后的水进入清水箱，水箱中的滤后水再由三柱塞泵输送进入注水井 井口套管，形成循环洗井作业。其缺点是装置笨重，可控性差，这种电加热自循环油井 热洗清蜡装置多数为手动控制，加热功率、加热时间和热洗时间均由工人经验决定，劳 动强度大，清蜡效果随意性大，不利于节能和提高产量。 c x 型抽油井自能热洗机清蜡技术【l3 1 ，它利用油井自产液体和天然气作为抽油井热洗 的洗井液和能源，达到清蜡，节约能源，保护油层和安全生产的目的。该技术具有设备 操作简单，清蜡成本低，不污染油层，良好的经济和社会效益。x c 型抽油井自能热洗井 4 第一章绪论 机组成为：采气器，油气分离器，气体除油器，加热炉以及计量仪，连接管线组成。它 采用车载式，整套设备装备在一辆拖车上，洗井时拉运到井场，用管线与井口相连，组 成抽油井自能热洗井系统。抽油井白能热洗系统包括两组流程：洗井流程和燃气流程。 g l 溘超导自动热洗清蜡【l 训，该装置已油井产出井液为热循环介质，利用抽油机运转 抽出井液，经过超导装置快速加热后，注入到油环形空间，是油管和井内液体温度升高。 经自身多次循环，使油管内壁和抽油杆结蜡完全溶解，并随产出液提升到地面，达到洗 井的目的。超导热洗流程：采油井口- 超导清蜡装置_ 套管_ 深井泵_ 油管_ 采油井口。 该装置安全可靠，操作简单，并可以采用p l c 自动控制系统，仪表仪器在设定的温度压 力指标内，燃烧器自动监测温度和自动起停。洗井效率高，清洁环保，并且洗井费用相 比锅炉车蒸汽洗井费用低。 利用现代电子技术控制抗蜡石蜡析出器【1 5 1 ，产生的磁场强度按某一规律进行周期性 的变化，产生共振。共振就是将一个和石蜡分子自然振动频率相同的频率施加于井中， 从而石蜡分子发生共振，石蜡分子团便成为单个的极性石蜡分子，石蜡的活性便得到提 高，它失去了附着在内管壁的能力，这样石蜡分子将悬浮在石油中，不易结晶析出，从 而达到防蜡的目的。由于石蜡的温度、粘度、p h 值等在不同条件下不同，其内部的自 然频率就不同，所以其共振频率也不可能相同。因此，只有采用变频技术，才能确保使任 何油质条件下的石蜡分子产生共振，从而达到防蜡、除蜡的效果。变频是手段，共振是 目的。变化的频率覆盖了所有蜡质的自然频率，变频的过程，实际上市寻找石蜡中的自 然频率的过程。 环保型油井热洗车，以水为洗井液，工艺流程力求简捷，与美国k e w a y 车相比，增 加了从地表吸水及取井下掺水功能，大大方便用户。系统中采用卧式常压水管车载锅炉 将热洗清蜡解堵流程变为先加热后加压。加压采用大排量、高扬程高压解堵泵，克服国 产热洗车解堵压力不够、清蜡流量不足等缺点。同时采用一台特殊齿轮泵完成装载洗井 液、系统内循环、扫线和井下无压时向井下大排量输送洗井液等功能【1 6 1 。 将一定长度的空心抽油杆及配套洗井漏塞到油井结蜡点以下，在热洗、清蜡过程中， 热洗液仅在空心杆和泵上油管之间流动，洗井管线一端连接在空心光杆上端的单流阀， 另一端则连接在热洗泵车出口，洗井液从空心杆进入，不进入油套环空间，直接从油管 流出，有效避免了热洗液进入地层造成污染，热损失小，能有效清洗油管壁上的结蜡， 并及时返排出来【i7 。 装置的组成由天然气燃烧机、真空加热炉、加热炉微处理控制器、油气分离器、多 级离心输油泵、自耦降压启动柜、撬装底座等几部分组成。 工艺原理：利用油井套管气作为燃料，通过真空加热炉将油井自身所产的原油加热 到适当温度，然后用多级离心输油泵把加热的原油打人套管内。再经过抽油泵返回油罐， 热洗过程可多次循环，以确保达到所需的温度，使集结在油管壁、抽油杆、抽油泵上的 蜡品脱落，从而达到清蜡的目的。 西安石油大学硕士学位论文 技术特点：具有体积小、质量轻、移动方便、易操作、热效率高、热洗效果好、经 济1 8 1 。 1 3 低能油井的状况分析 近几年来，随着油田大量开发、生产时间的延长，低产、低能、低含水的油井不断 增多。在清除砂、蜡、盐的洗井过程中，洗井液返不出来，或返出较少，并且洗井后可 对油层造成严重污染，并且使得产液降低、含水量上升、油气产量下降，从而直接影响 了这部分低能油井的正常生产。所以说传统的洗井工艺灌压油层严重、污染大，且洗井 效率低，不能满足目前生产力对其的需求。因此改进传统洗井工艺，无论从经济上还是 从技术上都显得非常重要。基于以上原因，研制并加工了低能油井洗井装置。 1 4 本文所要研究开发的洗井装置和研究的主要内容 1 4 1 便携式智能洗井装置的研发 随着洗井技术地不断发展，研制低能油井洗井装置，可以改变传统的洗井工艺，研 发便携智能和节能环保的洗井装置，具有很重要的意义和经济价值。此设备先对采集上 来的原油进行油气分离，分离出的原油流入到换热器中受热升高温度，分离出的气用来 作为加热源的燃料。加热时先采分离出的天然气作为燃料加热水，如果所采集的气不足 以提供加热时所需的热量，然后采用电加热的方式加热。通过这种方式可以充分的利用 在洗井时采集出的气体，从而达到节能的效果，降低洗井成本。在换热时用廉价的水作 为换热介质，同时此水箱是一个自循环，非常节约水源。电气混合加热装置先对水进行 加热，加热到9 0 - - , 9 5 0 c ，然后再通过换热器将水的热量传给原油，从而达到加热原油的 目的。采用原油自循环系统对原油循环加热，并将加热到8 5 0 c 以上的原油注入原油生 产的井中，从而达到清洗石蜡的目的。 1 4 2 研究的主要内容 对于低液量、低地层压力且易结蜡油井不能用清蜡车洗井和加清蜡剂清蜡效果不理 想这两方面情况，油田现场采用了一种电加热自循环油井热洗清蜡装置，该装置通过加 热油井生产出的油水混合物，并返回到井底，实现自身循环，来达到热洗清蜡的目的， 以解决低地层压力油井不能热洗的困难。目前现场采用的这种电加热自循环油井热洗清 蜡装置多数为手动控制，加热功率、加热时间和热洗时间均由工人经验决定，劳动强度 大，清蜡效果随意性大，不利于节能和提高产量。 鉴于以上原因，本文设计了一种便携式自循环智能自动油井热洗清蜡装置，既解决 了低液量、低地层压力且易结蜡油井不能用清蜡车洗井和加清蜡剂清蜡效果不理想这两 方面情况，又降低了工人生产劳动强度，提高了清蜡效果，有利于节能和提高产量。本 6 第一章绪论 文从机械工装设计方面给出了重要说明以及各装置的选用过程，并绘制了加工图，零件 图以及工装图。这种油田自动洗井系统，能够自动控制热洗液的流量和时间，并且根据 热洗液的温度来控制洗井工作的起停，记录洗井的各个参数，同时抑制热洗液倒灌、减 少耗能、达到无人职守的目的。 1 5 本章小结 油田洗井装置被广泛由于原油的生产，好的洗井装置不仅能提高油田原油的生产， 而且能降低采油的成本，从而降低油田的成本。本章主要介绍了几种主要的洗井方法和 一些洗井装置。同时提出一种新的洗井装置，并说明它的优点和洗井方法。并说明本文 研究的主要内容。 西安石油大学硕士学位论文 第二章便携式智能洗井装置的总体方案设计 本装置设计之初，需要进行结构的整体设计，并指出各方案的优点和缺点，从而最 终确定洗井装置的方案。 通过对现有油田洗井方法和洗井设备的了解和分析，我们提出了便携式智能洗井装 置的设计。便携式智能洗井装置的设计主要是两部分，一部分机械结构方面的设计，另 一部分是控制系统的设计。机械结构是控制系统设计的基础。所以本章将先叙述机械结 构方面的设计原则，同时将给出最终所选择的结构设计方案。在设计控制系统时，首先 要明确控制的对象和一些控制参数的选择。在此装置中要控制的主要对象有：( 1 ) 为热 水循环提供循环动力的水泵；( 2 ) 加热水的加热源地控制，对此能良好的控制非常重要， 它关系到洗井成本地控制：( 3 ) 原油循环系统，本控制循环系统会与采油机相连。另外 控制系统中重要的参数：( 1 ) 温度，此温度包括原油的初始温度和最后要注入油井的温 度，还有加热水时水的温度不断的检测；( 2 ) 压强，此压强包括原油刚抽出时的压强和 最后注入油井使的压强，同时也有热水循环系形统中的压强。 在此装置中温度是一个非常重要的参数，它关系到是否能做到节能的目的。选择合 理的水加热后的温度和原油最终注入到油井中的温度值，可以有效的节约能源，可以为 选择合理的加热装置提供依据。 2 1 总体方案设计原则 便携式洗井装置总的设计原则是：节能、环保、高效、低成本，能实现全自动化控 制。 热力学洗井是一种常用的洗井方式，现在已在各大油田被广泛使用。此方法是将水 加热到石蜡融化温度以上的一定温度，然后再将这些高温水注入到油井中，提高油井温 度，最终凝结的石蜡融化达到清蜡的目的。此方法原理简单，可操作性强，但高温水注 入到油井会影响地下油层原油的成分，改变地下油层环境造成油层污染。同时使用这种 方法洗井成本也比较高，使采油成本增加。如采用机械的方法清蜡，此方法虽然原理简 单，但操作起来比较复杂，同时成本也高。如采用化学的方法清蜡，同样也会造成油层 污染。 本文所提到的洗井装置，它通过对抽出的原油经过原油分离之后再对其加热升温， 然后再将其注入到油井中提高油井温度，从而达到融化凝结的石蜡的目的。采用此方法 是对原油进行加热，然后再注入井中，所以不会造成油层污染现象，达到环保的目的。 第二章便堡茎堡壁选茎茎量箜璺堡查壅堡盐 一 一_ 2 1 方案的选择 2 1 1 可供选择的可行方案介绍 方案1 本方案如图2 - 1 利用了电加热设备进行直接加热。适合各种无气型油田， 设备便携耐用，经济成本低廉。 一一一一 图2 - 1 方案1 的结构图 方案2 如图2 2 利用电磁加热设备进行加热，并利用换热器进行油和水的换热， 然后将加热后的油水混合物注入到油井当中。 图2 - 2 方案2 的结构图 方案3 如图2 3 利用油田伴生气进行加热，同样是利用换热器进行换热，换热后 的油水混合物将被注入到油套环空。 ki一 、 一 l 、一 ，一 _、i_t-_l工- i 一霎暴涨一曩“忤狂浍 一 时衢型 堕室互垫塑主堂垡笙塞 图2 - 3 方案3 的结构图 方案4 如图2 4 本方案是将方案3 的换热器省略后，直接对油水混合物加热，并 将加热后的油水混合物注入到油套环空。 图2 - 4 方案4 的结构图 洲小耄考i 。挈图2 5 利用油田伴生气和电混合加热，如果油田自身存在伴生气且足够 则应用伴生气加热，如果伴生气不足或没有就用电加热，或二者混合加热! 。口 1 0 第二章便携式智能洗井装置的总体方案设计 b 一 i 誊温度采集器量i i 、 翔篝 麓煞戴曩。多 蠢0 。 生r i 翟各电磁加热设备l 工：r 7 图2 - 5 方案5 的结构图 方案6 如图2 - 6 和图2 7 本方案是根据油田具体情况而定，若油田无伴生气则利用 交流电进行加热，若油田有伴生气则利用伴生气进行加热，以电进行辅助加热。方案的 两个流程图如下： - 一、一v ，| ，j 。鋈1 ；j 妻：一一一一 卜 ，l 式 热水 葛 k p 图2 - 6 无自热方案 西安石油大学硕士学位论文 _ - 一冷油：_ 。 l 一一一二热油 、 。 j 舞 2 , 1 1 方案的选择与论证 图2 7 有自热方案图 每个方案都有每个方案的优缺点。方案1 来讲方案最为简单，便捷控制，设备设计 安装简单易行，具有便携的特点，且成本较低。缺点是对加热容器安全要求较高，耗电 量大，不能达到控制多样化的特点。 方案2 简单较安全，设备设计简单，具有便携式的特点。缺点是设备较沉重，环境 适应性差。 方案3 和方案4 两者优点是节能，利用油田伴生气加热，缺点是适用范围窄。方案 5 优点是设备适用范围广，节能效率较高。 方案6 可以适应各种油田，对加热具有相对便携的优点，需要时可以环保节能。设 备安全可靠，可以达到自控的要求。 综上所述，本设计采用第六套方案。 2 1 2 第六套方案的总体介绍 通过几种设计方案的对比和论证，因为第六套方案适应性较广，可以适用于各种油 田，对加热具有相对便携的优点，可以环保节能，设备安全可靠，可以达到自动控制的 要求，所以选此方案。本方案是根据油田具体情况而定，若油田无伴生气则利用交流电 进行加热，若油田有伴生气则利用伴生气进行加热，以电进行辅助加热。 由于此方案的加热源是油井所产生的半生气，或通过电加热的方式提供热量，所以 1 2 第二章便携式智能洗井装置的总体方案设计 成本会比较低。同时在设计时融入了便携的观念，在使用时也方便灵活。这又降低了， 运输成本。在对油加热时，使用了换热器将高温水的热量传递给原油。换热器是一种被 广泛应用的设备，具有很高的换热效率。 本装置通过加热油井生产出的油水混合物，并返回到井底，实现自身循环，来达到热洗 清蜡的目的。系统由抽油机系统、各种管阀、加热器、热交换器、控制柜、流量计、各 种温度传感器等组成。在论文的后续内容将做详细介绍。 2 2 油井出油温度计算 油井的出油温度是油井生产中一个重要参数，是地面集油的起始热力学条件。油井 产出液( 油、气、水) 从底层到地面的传热过程及流体本身复杂的相变过程与地层环境、 井筒及其套管的热物理性相关。油井出油温度是与地层条件、井筒特性、流体组成及其 物理性质有关的多变量函数。略去井筒影响，再按采油厂或分区进行回归时，决定油温 的只是油井产液量、产气量、和含水率。分析大庆油田的井口参数，发现产气量与井口 温度无明显依变关系，所以产气量可以忽略。井口出油温度是油井产液量和含水率的函 数【2 1 】。 大庆油田原油井口出油温度计算公式： t ：g ( i + w ) - a ( i - w ) + d f 1 1 g b ( i + r e ) - i - c o 一) 式中：t 为井口出口温度；g 为单井产液量；w 为含水率；a ，b ，c ，d 为待定系数。 文献圈中井口出油温度计算公式： t = 等黑豫i - d ( 2 ) b - i - c g f l + 形1 。7 采用式( 1 ) 和( 2 ) ，利用最优化拟和技术，编制井口温度拟和计算机程序，利用 该程序对大庆某采油厂井1 ：3 温度拟和。要对原油进行加热就必须知道原油的初始温度， 不同的井它的出口时原油的温度和成分会不同的，所以在确定原油的初始温度时可以依 据上面的公式进行计算。原油再次被注入油井时的温度，初步设定为8 5 ( 2 以上。再根据 要加热原油的体积，就可以算出加热原油时所需的能量。知道这些数据后就可以更准确 的选择设备和器件。 2 3 控制系统设计 控制系统的设计中，采用单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心来设计控制电路。单片机 c 8 0 5 1 f 0 2 0 优良的特性，在加上一些外围电路可完全实现智能化控制。同时，通过液晶 显示的方式，将整个过程显示出来，更方便于操作。在此控制系统中，最主要的是对热 源加热的控制。 西安石油大学硕士学位论文 2 3 1 系统开关量 在整装置中需要启动和关闭整个装置，同时在遇到紧急情况下需要有急停开关，这 些开关量很好地设计和控制对整个装置非常的重要。同时在电路系统中，单片机供电量 的开关，和其它一些元器件供电开关的控制也会影响此系统的控制。所以在设计控制系 统时，优化开关量地设计很重要。 2 3 2 电源合理设计和选用 电源合理的选择和使用不仅能很好的利用有限的资源，同时也能节约电能。一般外 部设备采用2 2 0 v 的交流电源，例如水泵。但控制板不能使用这种电源，一般采用+ 5 v 直流的电源，同时液晶显示器也使用这种电源。所以在设计电源电路时，要考虑到控制 板电路所能承受的最大电压的上限，不能使电压超过，不然就会烧毁设备。同时也要考 虑电压不稳时带来的威胁，设计保护电路。一些元件的供电则可以根据元件具体的用途 和所能承受的最高电压来选择供电。 2 3 3 人机界面 人机界面( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 又称人机接口，简称为h m i 。液晶，是一种 在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既具有各 向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。一般可分热致液晶和溶致液晶 两类。在显示应用领域，使用的是热致液晶，超出一定温度范围，热致液晶就不再呈现 液晶态，温度低了，出现结晶现象，温度升高了，就变成液体；液晶显示器件所标注的 存储温度指的就是呈现液晶态的温度范围。液晶由于它的各向异性而具有的电光效应， 尤其扭曲向列效应和超扭曲效应，所以能制成不同类型的显示器件( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 简称l c d ) 。 l c d 液晶显示器广泛应用于工业控制中，尤其是一些机器的人机，复杂控制设 备的面板，医疗器械的显示等等。我常用于工业控制及仪器仪表中的的l c d 液晶 显示器的分辨率为：3 2 0 x 2 4 0 ，6 4 0 x 4 8 0 ，8 0 0 x 6 0 0 ，1 0 2 4 x 7 6 8 及以上的分辨率的屏， 常用的大小有3 9 ”，4 0 ”，5 0 ”，5 5 ”，5 6 ”，5 7 ”，6 0 ”，6 5 ”，7 3 ”，7 5 ”，1 0 0 ”， 1 0 4 ”，1 2 3 ”1 5 ”1 7 ”2 0 ”甚至现在的5 0 ”y i s 等。颜色有黑白，伪彩，5 1 2 色，1 6 位色， 2 4 位色等。 2 3 4 输入键盘 按键是单片机系统最常用的人机对话输入方式，当需要按键量较多时，往往将其连 接成矩阵形式，也称之为键盘。键盘输入有独立按键输入电路，并行扫描矩阵键盘的接 1 4 第二章便携式智能洗井装置的总体方案设计 口电路，串行扫描矩阵键盘的接口电路。在本系统中采用4 x 4 软膜键盘的组合来实现人 机界面的设计，可以很好的显示数据和信息交换。 2 3 5 电加热控制 电加热器是由电加热元件、温度传感器、温控仪、温度开关、交流接触器五个部分 组成。其工作原理如下：先由温度传感器测得液体的温度值，并传递给温控仪，温控仪 根据提前设定的上下限温度值，判定温控开关是否运行。通过温控开关再去控制交流接 触器的工作，最后用交流接触器去控制电加热元件。整个过程依次循环，其流程图如2 8 所示。整个循环过程液体保持在一定的上下温度之间，整个系统的温控元件都采用的是 低压控制高压电源的方法，整个装置的安全性得到增强。 图2 8自循环电加热洗井加热装置控制图 如果油井能采出足够的气体，通过油气分离后将所采出的气体送入到气加热设备中， 气体燃烧放出的热量加热水，在通过泵循环系统把热量传递给原油，从而达到加热原油 的目的。加热过程与电加热类似。在采出的气量不足时，则可以采用电气混合加热的方 式加热。 2 3 6 循环控制系统 本装置中的循环控制系统可分为两个，一个是原油自循环系统，一个是热水循环系 统。原油循环系统，本装置的控制系统和抽油机相连，调节抽油频率就可以对抽油的量 进行调节和控制。此循环系统一侧和抽油机出油口连接，另一侧通入油井。热水循环系 统，通过水泵来调节水的流量和压强。先将温度比较低的水，在加热设备中加热到9 0 以上9 5 一下，再通过水泵把热水流入到换热器中，交换后的温度比较低的水再流入水 加热设备中加热，然后再次通过水泵循环如图2 - 9 。 西安石油大学硕士学位论文 2 4 本章小结 图2 - 9 水循环系统 本章主要介绍了设计之初各种方案的选择以及论证，通过对比比较从而得出各种方 案的优缺点，以及实际情况下具体使用哪种方案。然后介绍了本装置的工作流程。介绍 了便携式洗井装置的洗井原理，和它的主要优点和性能。提出携式洗井装置采用单片机 控制系统电路，提高此装置的控制性能，从而提高此装置的级别，同时为产品的进一步 升级打下基础。在此大体给出了控制系统的设计方案，和一些重要器件的选择。 1 6 第三章便携式智能洗井装置工装设计 第三章便携式智能洗井装置重要部件设计 本洗井装置的各个部分均采用目前市场常用的零部件，其主要零部件有油气分离器、 换热器、温度传感器以及压力传感器等。本章主要说明相关的部件选择及具体应用情况。 装配1 j n - r 简图主要根据目前已经存在的各个洗井装置的特点，进行合理性的改进和设计 得出。 3 1 重要部件的选择与设计 3 1 1 油气分离器的选择 a 油气分离器的定义 油气分离器是把油井生产出的原油和伴生天然气分离开来的一种装置。若采用 的分离器只是将天然气从总的液体中分离出来，这种分离器叫做两相分离器。若分 离器除将天然气分离出来外，还将液相中的水和原油分离开来这种分离器称为三相 分离器2 引。 b 分离方式的概念 分离方式基本上可分为下列三种，即：一次分离、连续分离和多级分离【2 4 1 。 所谓一次分离是指将油气混合物的气液两相一直保持在接触条件下逐渐降低 压力，最后流入常压储罐，在罐内一下子把气液分开。由于这种分离方式有大量气 体从储罐中排出，同时油气进入油罐时冲击力很大，在生产实际中并不采用。 连续分离指随着油气混合物在管路压力的降低，不断将溢出的平衡气体排出， 直至压力将为常压，平衡气亦最终排出干净，剩下的液相进入储罐。连续分离亦称 为微分分离或微分气化，它实际生产中亦很难实现。 多级分离是指油气两相保持接触的条件下，压力降为某一值时，把降压过程中 析出的气体排出，脱出气体的原油继续沿管路流动。降压到另一较低压力时，把该 段的降压过程中的原油析出的气体再排出，如此反复，直至系统的压力降为常压， 产品进入储罐为止。每排一次气，作为一级；排几次气，叫做几级分离。由于储罐 的压力总是有平衡器排出，因而通常把储罐作为最后一级对待，而其他各级则通过 油气分离器来排出平衡气。 c 分离方式的选择 从理论上讲，分离级数越多，在储罐中的原油收率越高，但过多的增加分离级 数，储罐原油的原油的收率的增加越来越少，而分离设备的投资和经营费用却大幅 上升，使企业经济效益下降。国内外长期实践证明：对于一般油田，采用三级或四 级分离，经济效益最好。对于气油比低的低压油田( 依靠地层剩余压力进行油气分 离时压力低于0 7 m p a 者) 则采用二级分离，经济效益更佳。 1 7 西安石油大学硕士学位论文 本装置是用在洗井设备之中，对油气分离的精度以及油气分离的效果追求并不 高，本着便携，简单和经济成本低等特点，本装置采用二级分离。分离后的气体用 来燃烧加热分离后油水混合物用来加热油井，而不是进入储罐进行储存。 d 分离器的类型 油田上使用的分离器，按其外形分主要有两种形式，即立式分离器和卧式分离 器；按分离器的功能可分为计量分离器、油气水三相分离器、油气两相分离器和生 产分离器等；按工作压力分可分为真空( o 1 m p a ) 、低压( 6 m p a ) 分离器等；按实现油气分离主要利用的能量分可分为混 合式、重力式、离心式等。 ( 1 ) 卧式分离器 液体由入口分离器进入分离器整个过程如图3 1 所示。液体经入口分流器时， 由于油、气的流向和流速瞬间发生改变，因此油气才初步分离。经初步分离后，在 重力的作用