新的防蜡防垢防腐蚀工具技术手册.doc

Lando Oilfield Supply 防蜡防垢防腐蚀工具防蜡防垢防腐蚀工具 第 2 页 共 43 页 目目 录录 工具概述工具概述 2 专利产品 2 使用特点 2 使用特点 2 工作原理 2 工具类型 2 系列产品技术规格 2 应用范围 2 使用前后效果对比 2 工作原理工作原理 2 绪言 2 水的性质 2 除垢和除锈阶段 2 性能和优点 2 防蜡和除蜡 2 小结 2 防垢和防腐蚀机理防垢和防腐蚀机理 2 常见垢的种类 2 碳酸钙和碳酸镁垢 带黏结剂 的性质 2 工具如何起作用以防止石灰质垢的形成以及溶解现有的垢 2 工具为何能起催化作用 2 工具和水溶液的相对电负性 2 工具合金和水溶液的相对电负性的证明 2 电动势序 2 电子转移到水溶液中及其对垢的作用 2 工具抑制以及溶解锈蚀产物的途径 2 小结 2 防蜡和除蜡机理防蜡和除蜡机理 2 原油的性质 2 工具的防蜡作用 2 地面工具地面工具 2 工具结构 2 技术规格 2 工具安装 2 第 3 页 共 43 页 工具安装 2 安装方法 2 安装尺寸 2 典型应用和安装位置 2 冷却塔 2 蒸汽锅炉 2 注水井 2 地面集输管线 2 油气水分离系统 2 原油转运站 2 井下工具井下工具 2 简介 2 工具结构和尺寸 2 技术规格 2 使用优点 2 工作原理 2 油田应用 2 防蜡作用 2 防垢作用 2 重油开发 2 在油井中的应用及安装方法 2 抽油井 2 自喷井 2 气举井 2 使用维护使用维护 2 地面工具 2 井下工具 2 注意事项 2 使用寿命使用寿命 2 应用实例应用实例 2 防蜡实例 2 王南作业区H16 7井 中国石油长庆油田分公司 2 HOOK STATE 1 号井 美国TOUCHSTONE 资源公司 2 EAST TEXAS 油田 EXXONMOBILE 石油公司 2 Imo River 59T井防蜡实验 SHELL石油公司 2 GOOCH 2号和3号高压气井 AUSTRAL石油公司 2 KILGORE 油田 ARMSTRONG ASSOCIATES 公司 2 得克萨斯州JEFFERSON县 AUSTRAL 石油公司 2 防垢和除垢实例 2 反渗透膜防垢实验 2 EAST TEXAS 盐水注水井 ABNEY 3号井 2 美国得克萨斯洲休斯顿 REDDY 制冰厂 2 第 4 页 共 43 页 CAGLE KEYSTONE 家禽饲养场 2 防腐实例 2 HUGOTON 气田硫化铁问题 2 新墨西哥州LEA县 注水井 2 美国得克萨斯州 Tyler Aramark Linen 2 其他应用 2 美国得克萨斯州 LaMesa 花生农场 2 部分用户清单部分用户清单 2 国外用户 2 国内用户 错误 未定义书签 错误 未定义书签 第 5 页 共 43 页 CIS 有限公司生产的防蜡 防垢 防腐蚀工具是针对工业用水严重结垢和腐蚀问题以及油 田结蜡问题而研究开发的一种新型工具 工具的材质是一种通过获得专利的处理工艺而 得到的不同组分的合金材料 这种材料可以抑制固相粒子 蜡和垢的形成 能够改变流 体的静电位 将固相矿物质悬浮在液相中 防止蜡 垢的形成以及对设备的腐蚀 这种 工具无磁 无电 也无需添加任何化学药品 其防蜡防垢防腐蚀的性能已经被国内和国 外的用户所公认 工具概述工具概述 专利产品 CIS 有限公司生产的防蜡 防垢 防腐蚀工具获得美国专利 专利号为 4 789 031 和 D446 797S 第 6 页 共 43 页 第 7 页 共 43 页 使用特点 防止和减少蜡 垢以及腐蚀的形成 减少停工时间 节省化学处理成本 和节省热洗作业成本 防止储油罐内油泥淤积 提高设备的工作效率 延长设备的使用寿命 易于安装 维护工作量小 无磁 无化学剂 无电 是一种环保型产品 既不在流体中加任何物质 也不从流体中带走任何物质 第 8 页 共 43 页 工作原理 工具的核心材料是由九种不同的金属成分组成的特殊合金 该合金作为电化学催化剂 向 溶液体系提供电子 使溶液发生电化学作用 从而 使原油中的蜡和胶体物质呈悬浮状态 不易聚集吸附于管壁上 使液相中的各种离子及杂质不易相互结合形成垢 并能使已结的垢脱落 减弱溶液组分对金属的氧化作用 增强其还原作用 抑制金属的腐蚀 工具类型 井下工具地面防蜡工具注水井防垢地面工具 系列产品技术规格 工具种类井下工具地面工具 尺寸1 66 外径 X 20 0 长 X 1 00 内径 2 英寸3 英寸4 英寸5 英寸6 英寸 内芯规格10 0 长 X0 75 外径 4 6 片4 6 片4 6 片4 6 片4 6 片 处理量90 加仑 分 20 方 小时 TMFLTMFLTMFLTMFLTMFL 安装方式短节 接箍 油管座放端节APCAPCAPCAPCAPC TMFL 与流动管线匹配 APC 根据客户的要求而定 所有的地面工具都应该按照客户的要求配套 所选用的尺寸规格由流动管线的尺寸而定 例如 2 的 流动管线一般要求 4 和 6 的地面工具 高压地面工具始终要求配置一个旁通管线和控制阀 第 9 页 共 43 页 应用范围 使用前后效果对比 安装工具前 每六天更换过滤器一次 并且每天进行化学剂 处理 安装工具后 三十天后第一次更换过滤器 不再需要化学剂 处理 井下工具 自喷井 抽油井 气举井 地面工具 锅炉和 或任何热水设施 冷却系统 热水系统 生产设施 注水井 石油化工厂 油田集输管线 第 10 页 共 43 页 工作原理工作原理 绪言 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具的材料是一种特殊的合金 可在流体中充当催化体 影响其 中的胶体分布 它可用于诸如家庭 楼房 空调 制冷设备 加热锅炉及热交换器等等的 水处理 也可用在石油工业上进行防蜡和除蜡 这种工具是一种是非牺牲体催化体 因此 连续使用非常经济 整个反应既不添加任何物质到流体中 也不从流体中带走物质 只是 对流体中的气体有脱气效果 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具最重要的商业用途是能根除或大量 减少流体系统由于结垢 腐蚀和结蜡导致的种种问题 催化体 按照定义 是一种使化学或物理反应更加高效的媒介 并且该媒介在反应前 后无任何损耗 反应在没有催化体存在时亦可发生 但可能对反应条件 如温度等 的要 求会很高 并且反应程度微乎其微 胶体是离子或分子的聚集体 它小到可以通过滤纸 能轻易悬浮 并且通常是不可见 的粒子 胶体悬浮可保持长时间的稳定 如果不发生变化 一般不会形成更大的聚集体或 沉淀物 水的性质 要理解催化体是如何影响水中的这种稳定的胶体和如何实现防垢防腐蚀和除垢除腐蚀 首先要弄懂常规的水中通常有哪些成分和这些成分可能发生的变化 水在渗透通过地表时总是会带上一定的矿物盐和气体 矿物盐的具体成分随接触的土 壤 岩石等等而定 雨水的成分近似于蒸馏水 但含有少量杂质 如空气中的微尘 这是 在其通过大气层 尤其是接触到凝结体系时带上的 即使蒸馏水或是去离子后的软水也会 在净化过程 输送管道和容器中带上微量杂质 研究用水经大致五步程序可以得到净化 每加仑要花 50 美元 但是 生活用水必须含有一些人体必需的矿物质 所以公共用水的处 理只需氯化消毒和沉淀过滤就可以了 以下是水的几个技术指标 1 总固相含量 是衡量溶液中悬浮物和溶解盐总量的指标 要测定总固相含量 把液 体蒸发 称重余下物质即可 2 浑浊度 是指溶液的透明状态特性 浑浊度能反映出悬浮和分散物质的真实情况 包括过滤不掉的胶体的数值 但不能反映已溶解的矿物盐的含量 浑浊度通常是用 所测试的溶液和标准透明度的溶液 非透明的稳定胶体的标准浑浊溶液 比较来确 定的 3 导电性 矿物溶质含量越高 导电性越强 清水的导电性等同于总固相含量的导电 性 高导电性的水溶液由于含盐分高而对土壤和作物有危害 4 总矿化度 是指溶液中钙离子 镁离子及其它诸如铁离子等的含量 矿化度越高 第 11 页 共 43 页 水结垢趋势就越高 就需要更多皂剂来中和 口感较差 而含铁量高不仅会导致金 属表面出现锈迹 也加剧了其他垢的形成 5 酸碱度和 pH 值 是衡量溶液反应基和酸度的指标 常规水的酸碱度与碳酸根和碳 酸氢根离子的数量有关 6 细菌值 是检查饮用水是否能饮用通常使用的指标 而工业用水则更注重的是铁锈 细菌 它靠溶液中的硫酸离子为食 并将其转化为硫离子 硫离子又会直接与该 细菌附着处的金属离子反应 造成表面的物理性损伤和水中更多的铁离子 反渗透水调节器能清除溶液中大部分的钙和镁 以钠作为替换 而钠不会增加水的硬 度 但这种软化水的方法要求定时补充钠盐 尽管这样处理过的软水做清洁用途非常好 但却不宜饮用或灌溉用 软水中只需要加入一点皂剂就会产生泡沫 例如在 绿皂硬度测 试 中 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具不是如上所述的水软化器 它不会从溶液中清除任何矿质 因此使用前后水的硬度不会发生变化 皂化也需要加和未处理过的水所使用的相同分量的 皂剂 然而工具处理过的水的物理性能却发生了变化 其悬浮性能因催化作用而被改变 稀浓度的皂液表现得像是比实际上要浓 除污物性能的增强降低了耗皂量 以致于一般无 须再进行化学软化 并且 工具处理的水具有超强清洁能力 能防止凝块 垢块及渣滓等 粘到其他物体上 以粘土的分散为例 往两个容器内装水 一个装入未处理的水 一个装入工具处理过的水 分别撒入一把 粘土 稍加搅拌 静止等候 20 分钟后 倒掉多余的水 用手感觉两个杯子中剩下的泥浆 用工具处理过的水中的泥浆状态分散 手感光滑 粘土轻易地分散成了胶体大小 到目前为止 金属表面出现麻点无疑是热水管线 冷凝管等高温表面最常见的腐蚀形 式 它形成的主要原因就是液体中夹带的腐蚀性气体 举例来说 水中携带着成千上万的 溶解氧气分子 受热时 这些分子会在金属表面合适的地方聚集 将这些地方氧化 形成 一定的凹坑 最终穿透为针眼大小的漏洞 水中还含有数量比氧气多得多的碳酸氢 而这 些碳酸氢会自然分解在一些地方形成二氧化碳气体 后者与水反应形成碳酸 会很快腐蚀 未加保护的金属表面 除垢和除锈阶段 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具在安装一段时间后 其除垢 沉淀 污垢的能力会受到一定 限制 这在旧系统上表现尤为明显 因为这时工具附近悬浮粒子形成过多 水中固相含量 过高 这种过浓度的悬浮固相会干扰系统作用点的除垢除锈作用 若系统未经清洗 则要 经常检查和清洁滤芯和滤网 系统清洗后 工具就可以提供理想的除垢除锈效果 需要注意的是 若管道系统已被严重地腐蚀并结垢 则工具在除垢除锈后可能会导出 现管线漏的现象 需要做好检修管线应有的准备 性能和优点 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具性能包括 第 12 页 共 43 页 1 通过阻碍固体粒子之间力学上的吸附和聚集来防止结垢 2 软化和清除已经存在的垢和锈 3 抑制藻类生长 防止新藻类生成 4 清除水中的气体 5 防止腐蚀的形成 6 改变溶液的口感 颜色等细微特征 7 由于整个过程是催化作用 节省了大量的化学处理费用 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具使用一种获得美国专利的特殊合金作为催化体 影响胶体分 散 增强了流体的物理性能 除了脱掉水中含有的气体而提高了水的质量外 这是非常有 用的 因为流体中夹带的气体是导致金属表面锈蚀的主要原因 整个处理过程没有在水 中添加或减少任何物质 由于是催化作用 工具可以在不用化学剂 无电 无磁的情况下 防止结垢 腐蚀和麻点 而且不需要任何维修和保养 也避免了清洁或更换过滤器的麻烦 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具简单 可直接安装在现有的管线上就可以了 根据不同管线 尺寸及流量要求 有各种型号可供选择 由于独特的在线安装设计 在管线的任何地方都 能安装 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具用非化学的手段解决了您流体系统的结垢和腐蚀问题 其应 用场所包括 车辆冷却系统 装瓶厂 汽车清洗 冷却塔 加热锅炉 制奶业 工厂 花池 温室 医院 宾馆 制冰厂 洗衣房 市政 海上钻井设备 照片冲印 电厂 反渗透厂 太阳能加热设备 洒水灌溉 游泳池 大专院校 热水器厂 第 13 页 共 43 页 任何其他需要加热 冷却和使用水的地方 防蜡和除蜡 在油田自喷井和抽油井中 原油在地层压力或抽油泵抽吸压力的作用下进入工具管壁 上四周分布的孔道 原油通过管壁上的孔道时形成大量细柱状射流 径向垂直地撞击到环 空中的内壁和芯轴上 在冲击作用发生的同时 工具表面电子的作用会使原油分子及原油 中石蜡和其他矿物质分子发生变化 改变原油物理特性 也会改变原本阻塞油管 妨碍原 油上流的杂质的特性 原油及所含矿物质在经过处理后通过油管到达地面 处理过的原油不仅可以使蜡和其 他容易结块而堵塞油管的蜡质物质处于悬浮状态 而且还可以断裂碳氢化合物分子的长链 使原油变得更加 光滑 对于高含蜡低重度的原油 这种处理可以使原油的 API 重度提 高 2 3 个百分点 因而增加了原油可售性 地面工具的防蜡机理也基本相同 小结 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具的合金成分以催化方式使溶液中的分子和溶液中的矿物质极 化 这种电化学反应能够 1 防止结垢和腐蚀 2 溶解已生成的垢和腐蚀产物 3 增加原油的重度 4 减少溶液中气体含量 5 分散和溶解已经形成的蜡 第 14 页 共 43 页 防垢和防腐蚀机理防垢和防腐蚀机理 常见垢的种类 最常见的垢有两类 它们的组成为 1 碳酸钙 CaCO3 和碳酸镁 MgCO3 带黏结剂 在油井中的抽油杆上和油管中以 及地面设备中形成这类垢 2 锈 在镀锌管中形成这类垢 或其它腐蚀产物 在铜 黄铜 铝或镀铬管或设 备中形成这类垢 为了理解工具阻止垢形成的过程以及它剥离和消除已存在的垢的途径 有必要理解垢的性 质以及垢形成的方式 碳酸钙和碳酸镁垢 带黏结剂 的性质 在自然界中 碳酸钙 CaCO3 作为石灰石和大理石而存在 硅石 SiO2 氧化铝 Al2O3 和硫酸钙 CaSO4 则是石灰石中的主要杂质 起黏结剂 黏合剂 的作用 在 自然界中 大量沉积的碳酸镁 MgCO3 与碳酸钙一起以白云石 CaCO3 MgCO3 的形式存 在 或作为菱镁矿 MgCO3 而存在 即使如象亚利桑那州的大峡谷这样的高山地区的石 灰石层 其深度超过一英里 是由沉积在海底的海中生物的遗体 经过数百年的变化而形 成的 这些生物遗体所含的 CaCO3 与作为黏结剂的硅石 SiO2 氧化铝 Al2O3 和 或 黏土 SiO2 Al2O3 12H2O 化合在一起 另外 石灰石通常包含一些 MgCO3 就亚利桑那 州的大峡谷来说 科学家们已经鉴别出至少七种不同的石灰石层 每层都有海生动物的壳 这表明该区域在地质历史上至少覆盖过七种不同的海 CaCO3在水中仅仅微溶 然而 由于雨水在石灰石上作用的结果 大量的钙变得能溶 解于大部分水中 雨水有些酸性 这是由于它通过大气层降下时 遇到二氧化碳 CO2 二者发生反应 生成碳酸 H2CO3 如下式所示 H2O CO2 H2CO3 当雨水接触到地面上的石灰石时 石灰石溶解成为碳酸氢钙而进入溶液中 如下式所 示 CaCO3 2H2CO3 Ca2 2HCO3 2H2O CO2 碳酸能轻微电离 H2CO3 H HCO3 由于 HCO3 的电离常数非常小 第 15 页 共 43 页 K1 H CO32 HCO3 由碳酸而增加的 H 浓度会降低 CO32 的浓度 CO32 是 CaCO3 固体溶解于水中而产生的 离子 因为 H 离子与 CO32 离子结合生成微电离的碳酸氢根离子 HCO3 溶液中 CO32 离 子浓度的降低引起更多的 CaCO3 以 Ca2 2HCO3 的形式溶解 试图使溶液饱和 并使 Ca2 浓度和 CO32 浓度的乘积等于 CaCO3 的溶度积 Ca2 CO32 1 10 9 在 25 下 地表水也从土壤中溶解由有机物腐烂和氧化而产生的二氧化碳 当这种水与石灰石接 触 石灰石就逐渐溶解了 这种作用的例子有石灰石溶洞以及井中的硬水等 当水受到加热时 溶解于水中的 Ca2 和 HCO3 很容易转化为 CaCO3 随着温度增加 保留在溶液中 Ca2 离子和 HCO3 离子的数量降低 产生 CaCO3沉淀 如下式所示 Ca2 2HCO3 CaCO3 H2O CO2 这是热水器和锅炉中形成大量 石灰 的基本反应 当含有 Ca HCO3 2的水蒸发 时 也发生这种反应 留下 CaCO3沉淀 例如 MgCO3 H2CO3 Mg2 2HCO3 然而 MgCO3的溶解度比 CaCO3稍微大一些 Mg2 CO32 Ksp 1 10 5 在 25 下 研究不同的工业系统中形成垢的科学家和工程师们已经确定 尽管 MgCO3和 CaCO3 是形成石灰类垢的主要成分 但它们需要硅石 SiO2 氧化铝 Al2O3 或硫酸钙 CaSO4 作为黏结剂 把它们黏结在一起 如同它们在自然界中的情况一样 CaSO4溶解于水中时 以 Ca2 离子和 SO42 离子的状态存在 CaSO4溶解度随温度增 加而增大 直至达到 100F 其后 随温度增加 溶解度降低 因此 在水加热器和锅炉 中也会发生 CaSO4沉淀 SiO2和 Al2O3不是离子 而是电性相对为中性的胶体物质 微溶于水 淡水中 SiO2的 含量为 1 100mg L 在高浓度 超过 50 mg L 时 出现化学沉淀 胶体物质 包括 SiO2 Al2O3和黏土 SiO2 Al2O3 2H2O 悬浮于水中时 通常带 负电荷 如果这些负电荷 额外的电子 得到中和 移去额外的电子 则胶体发生凝聚 沉淀 并与 CaCO3 MgCO3以及 CaSO4相结合 形成典型的石灰质垢 这种垢的密度和硬 度随 SiO2 Al2O3和 或 CaSO4含量增加而增大 大约 87 的地壳由硅化合物组成 硅石则是硅化合物中最丰富的一种化合物 铝是最 丰富的金属 也是第三种最丰富的元素 铝的最丰富的矿物是矾土 系水合氧化铝 Al2O3 3H2O 和氧化铁的一种混合物 钙是地壳中第五种最丰富的金属 占地壳的 3 以上 第 16 页 共 43 页 工具如何起作用以防止石灰质垢的形成以及溶解现有的垢 起催化作用的 工具包含许多种贵重或半贵重的金属 组成了一种特殊的电化学催化剂 此外 工具核心部件设计得不限制流体流动 但能形成高度的紊流 从而增加水中的离子 和分子与调节器核心部分的接触 使得催化效率达到最大程度 工具为何能起催化作用 所有的金属均容易释放其外电子层的电子 基于此理由 金属都是优良的导电体 在 所有非放射性金属中 铯最不容易获得电子 在元素电负性表上 铯的电负性为 0 7 金是 金属中获得电子倾向最大的元素 它的电负性为 2 4 元素 原子 的电负性越强 它获得 电子以满足其外电子层原子价的倾向就越大 工具和水溶液的相对电负性 工具合金的电负性比水溶液的整体电负性小 因此 与某些元素 例如电负性为 2 1 的氢离子 H 以及某些比核心合金电负性大的离子基团 如象 SO42 和 CO32 相比 处理 器核心部件失去 给出 的电子比获得的电子多 原子的原子核与电子之间较大的距离可以描述如下 假定一个原子象一间屋子那样大 那么它的原子核 带正电荷 就如同这句子末尾的句号这样大 或针头般大小 而它的外层 电子轨道将超出屋墙的范围 电子 带负电荷 比浮动于空气中的灰尘还小 当一个原子 与其它原子结合时 由于受到其它原子的引力 这个原子的外层轨道层会被拉成蛋形 甚 至超出屋墙的范围 当水处于冰的状态时 其中的分子和离子保持一种比较固定的构型 但在液态下 它 的构型变得宛如一种活跃的 旋转的 杂乱无章的舞蹈 溶液中的分子和离子集团互相旋 转 它们之间的结合破裂 新的集团相互结为伙伴 当水流过催化合金处理器 水的构型 更加千变万化 原子的电子轨道以及相关的结合遭受更大的扰动与应力 电子从核心部件 进入溶液之中 工具合金和水溶液的相对电负性的证明 工具合金里的电子进入水溶液容易得到证明 1 给花园的水龙带选择一个合适的 工具 2 将处理器安装在水龙带上 3 将万用表的正极导线接到处理器的核心部 件 4 将负极探头插入水流中 5 观测电位差 即核心部件相对于水显示正电位 处理器相对于外部水流显示正电位这一事实表明 水溶液流经调节器核心部件时 工具 的电子转移到了水溶液中 电动势序 早先 不同元素的电负性排列成表 用于表明它们的相对电势或获得电子的倾向 获 第 17 页 共 43 页 得电子的倾向可以看作 还原电势 当原子的化合价变小时 该元素发生了还原反应 例如 在下述反应中 e Cl20 H2O HOCl Cl H 一个 Cl0被还原成 Cl 与还原相反 当化合价变大时 便发生了氧化反应 例如 在 下述反应中 2Cl Cl20 2e 2Cl 被氧化为 Cl20 产生氯气以及两个电子 该电子可用于还原溶液或电路中的其它 物质 电动势序是将元素和化合物按它们的氧化电势或失去电子的倾向而排列的顺序 元素 的氧化电势越大 该元素作还原剂越好 电动势序和电负性表提供了认识下列问题的基础 1 元素互相发生反应的方式多种 多样 2 它们发生特有反应的原因 3 发生或者不发生反应或变化的条件 4 金 属能作为水的催化调节剂的原因 电子转移到水溶液中及其对垢的作用 因为水溶液所含的离子的电负性比 工具核心部件的电负性大 所以催化合金的电子进 入到水溶液中 或者以电动势序的观点 工具核心部件含有的元素的氧化电势比水溶液中 的离子的氧化电势大 当水流过 工具时 一些电子进入水溶液中 在许多电子的剧烈旋转 运动过程中 取代了一些已经被捕获的离子 诸如 CO32 HCO3 SO42 和 OCl 等 这些 取代的电子变成了溶液中的 自由电子 并且这些 自由电子 能被电负性小的离子或 胶体 例如 Ca2 Mg2 SiO2 Al2O3和 Fe2O3等捕获 这使得 Ca2 Mg2 脱离 CO32 SO42 和 HCO3 形成原子结构 Ca0 Mg0 其结果是 当它们处于水溶液中时 它们的离子键断裂 或者当它们处于沉淀的固体即垢的状态时 它们的晶格键断裂 当热 水器和锅炉中的水受到加热时 或者水的碱度达到 pH8 4 以上的情况下 水中电子数量的 增加也阻止碳酸氢根离子分解为 H 和 CO32 胶体物质 例如硅石 氧化铝以及锈颗粒 通过获得或重新获得负电荷而保持悬浮在 溶液中 不吸附到钙离子 镁离子和铁离子上 获得负电荷也引起这些胶体物质受到存在 于流动水中的或者早已吸附到胶体物质上的这些离子的排斥 这种排斥分离抑制了这三种 离子的硬度效应 水中的硬度总是由于 Ca2 Mg2 Fe2 这些离子的存在而造成的 作为粘结剂而吸附于垢晶格上的硅石 氧化铝 也能从已生成的垢晶格上脱离 这样 由于 Ca0 和 Mg0 元素以及带负电荷的 SiO2 和 Al2O3 的脱离 垢晶格便逐渐遭到 破坏和消除 工具抑制垢形成的效应可总结如下 1 Ca2 2e Ca0 2 Mg2 2e Mg0 3 xSiO2 xe xSiO2 第 18 页 共 43 页 4 xAl2O3 xe xAl2O3 5 xFe2O3 xe xFe2O3 加热 6 HCO3 xe HCO3 xe 抑制分解成 CO32 H2O CO2 在设备中抑制垢形成的效应可总结如下 加热 7 Ca0 2HCO3 Ca0 H2O 2CO2 加热 8 2CO32 2CO2 O2 4e 加热 9 2HCO3 xe 2HCO3 xe 抑制分解成 CO32 H2O CO2 工具抑制以及溶解锈蚀产物的途径 锈是铁在特殊情况下的典型腐蚀产物 锈的形成需要三步电化学反应 1 金属表面的阳极区域 阳极 发生金属的溶失 对于铁的情况来说 铁 Fe0 氧 化为 Fe2 离子而溶解于水中 2 形成 Fe2 离子的结果 使两个电子从 Fe 原子上脱离而流向阴极区域 阴极 3 水溶液中的氧 O2 移动到阴极 结合那两个流向阴极的电子 在阴极区域生成 氢氧根离子 OH 从而完成电流循环 反应如下 1 阳极反应 Fe0 Fe2 2e 2 阴极反应 1 2 O2 H2O 2e 2 HO 3 或 e H H0 如果缺氧 氢离子 H 在阴极区域代替氧而参加反应 反应式 3 完成电流循环 Fe2 离子与 OH 离子化合生成氢氧化亚铁 如下式所示 4 Fe2 2OH Fe OH 2 当 Fe OH 2发生氧化反应就生成铁锈 5 2Fe OH 2 1 2 O2 Fe2O3 2H2O 如果使铁的负电荷比周围物质多些 迫使阳极区域的反应宛如阴极区域 这样就可以抑制 腐蚀 将水溶液中的额外电子 由合金调节器提供 吸引到阳极区域 从而避免 Fe 原子变 为离子 就能实现抑制腐蚀 添加的电子也可以通过将铁锈分散为细微的胶体颗粒来溶解 铁锈 与此相似 对于除铁之外的其它金属 例如黄铜和铝 其腐蚀也可以得到抑制 应 注意 工业上已经采用其它的方法实现添加电子到阳极区域以避免发生腐蚀 人们将这种 第 19 页 共 43 页 方法称为 阴极保护 镀锌是阴极保护方法的一个例子 因为锌的氧化电势比铁大 锌 的电子就转移到铁上 将镁或锌制的桩埋入地里 并将它们与需要保护的管线连接起来 也可以实现阴极保护 从事水研究的科学家们已经发现 除了腐蚀可以产生锈之外 水中 的铁沉淀细菌例如 Sphaerotilus 和盖氏铁柄杆菌属也能产生铁锈沉淀 水中亚铁含量高有利 于铁沉淀细菌作用 将亚铁转化为水不溶解的氢氧化铁 Fe OH 3 氢氧化铁又变成细 胞的一部分粘质外壳 这种物质沉淀在镀锌钢管上 加速腐蚀速率 产生更多的溶解铁 增加了铁的数量 因而进一步增加了系统中铁沉淀细菌的数量 这种循环常常持续进行直 至整个系统被氧化铁沉淀物堵塞 或者直至管壁被锈蚀穿孔 工具的阴离子效应也可使 Fe OH 3 破碎成胶体颗粒而处于悬浮状态 小结 依据分别列于电负性表和电动势表中的化学元素的电负性以及氧化电势 工具以催化剂的 方式给水溶液提供电子 用以减少水溶液中电子的不足 这使得电化学变化发生 从而 1 抑制结垢和腐蚀 2 溶解已存在的垢和腐蚀产物 3 增强水的润湿和清洗能力 4 降低水中气体含量 5 除去土壤中过多的盐分 6 抑制藻类和菌类微生物的生长 由于合金调节器中所有的金属具有两极 阳极和 阴极 性质 合金调节器也能从某些负离子转移电子 然而 合金调节器为水溶 液中的离子和胶体提供了大量的电子 导致 a 抑制不需要的氧化反应 b 增加有益的还原反应 c 通过提供负离子 使垢粘合颗粒以及锈 腐蚀产物保持在胶体悬浮物中 第 20 页 共 43 页 防蜡和除蜡机理防蜡和除蜡机理 原油的性质 原油主要包括四种组分 即油 胶质 沥青质和前沥青质 如碳青质和油焦质 原油的 化学性能和物理性能很大程度上取决于每一种组分在原油中的相对含量和每一组分的性能 沥青质组分一般比胶质和油组分含有更多的芳香化合物 胶质含有芳香烃和环烷烃 而油 组分含有环烷结构和沥青结构 沥青质在自然状态下以胶束形式存在 被胶质分子胶溶在 一起的 而胶束的中心物质有可能是金属 粘土或水 但基本的特点就是极性基团 如 含有 S 负 和 或 N 负 和 或 O 负 的基团 都朝着中心聚集 这通常也称 之为 外油内水 或油包水乳化 当原油从地层流到井筒中时 压力和温度都会降低 随着油和水溶液的冷却流向井筒的时 候 其温度和压力都会降低 蜡和水都将从油包水乳化液中释放出来 在低温条件下 释放出来的蜡蜡将逐渐固化 凝固沉积的蜡就会影响原油的流动 工具的防蜡作用 工具的作用就是利用本身产生的电化学反应 使油包水的乳化结构稳定 防止蜡从胶束结 构中释放出来而形成固态沉积 从而保证原油流动无阻碍和管壁清洁无蜡沉积 第 21 页 共 43 页 地面工具地面工具 工具结构 如左图所示 CIS 防垢防腐蚀工具由进口 出口 外筒 内 筒 斜板 芯子以及排放口几个部分组成 芯子包括 4 6 片 标准设计为 5 片 经过设计的孔板 孔板呈轴向排列 放 置于工具内筒中 见右边芯子及孔板结构图 流体通过进口和斜 板进入工具内筒中 工具的结构设计能 够确保通过的流体 充分与芯子孔板表 面接触 当流体和 芯子接触时 芯子 的金属材料会通过 电化学的方式使流体产生极化效应 从而防止溶 液中的矿物质呈固体状态沉淀在工具下游的管壁 或其他表面上 技术规格 工具规格2 英寸3 英寸4 英寸6 英寸 进出口内径50 876 2101 6152 4 内筒内径50 876 2101 6152 4 外筒径114 168205273 孔板直径50 876 2101 6152 4 孔板数量5 片5 片5 片5 片 连接方式法兰法兰法兰法兰 表中参数单位为毫米 标准孔板数量为 5 片 但可以根据具体工况确定数目 工具和管线的连接方式可以为法兰 由壬和丝扣 标准连接为公制法兰连接 第 22 页 共 43 页 工具安装 安装方法安装方法 地面工具的安装非常简单 如下图所示 可以在线将地面工具串联安装在流体管线上 只 需保证按照工具上方向标志安装进出口连接即可 图中红色箭头为工具方向标志 绿色箭 头为流体方向 安装尺寸安装尺寸 地面工具系列的安装尺寸如下图和表所示 第 23 页 共 43 页 D1 d H D n d1 A 规格AHDD1dd1n 2 420280 110 140 50 18 4 3 500350 150 185 80 18 4 4 550370 170 210 100 18 4 6 650493 225 257 150 18 8 第 24 页 共 43 页 气体 地面工具 冷却水 泵 给水泵 锅炉 冷凝器 蒸汽 排空 负荷 冷却水 地面工具 脱气罐 210华氏度 冷却塔 地面工具 冷却器 泵 泵 泵 冷凝器 多介 质过 滤器 排空 工厂 负荷 Y型过滤器 散热片 典型应用和安装位置 冷却塔冷却塔 蒸汽锅炉蒸汽锅炉 第 25 页 共 43 页 水罐 地面装置 高压泵 注水井 生产井 地面装置 分离器 生产井集输管线安装示意图 注水井注水井 地面集输管线地面集输管线 当地面工具应用于油田集输管线上时 地面工具安装数量和工具之间的距离要根据具体的 油田条件而定 一般来说 每一口井都安装一个地面装置 如果集输管线的尺寸为 2 英 寸 则推荐每口 5 公里左右安装一个 使用效果非常好 当地面装置用在较大尺寸 6 和 8 的集输管线上时 地面装置之间的安装距离要近一些 现场使用经验证明 根据集输管线直径和流体粘度的不同 地面装置之间的距离可以布置 在 5 公里到 10 公里左右 如果原油流量大 压力高 地面装置应该布置得稍近一点 因为 系统的工作效果取决于工具表面和流体接触时间的长短 当设计布置地面装置的 时候 工具和流体的接 触时间是一个重要的考 虑因素 应该保证所安 装的地面装置能够解决 集输管线的结蜡和结垢 问题 如果可能的话 在安 装地面装置之前最好将 集输管线内部清理干净 集输管线就不会再出 现结蜡和结垢的现象 从而确保管线流动通畅 压力稳定 第 26 页 共 43 页 水罐 地面装置 油罐 水管线 油管线 气 油 水 油气水分离系统油气水分离系统 原油转运站原油转运站 地面工具 输油泵 油罐油罐 储油罐 第 27 页 共 43 页 井下工具井下工具 简介 井下工具是针对石油油井防蜡 防垢和防腐蚀而开发的一种专用工具 可以用在石油和天 然气生产过程中防止并清除垢 蜡和其他沥青质沉积 如果将这种系统安装在油气生产井 中 目前所使用的一些常规的处理方法 如钢丝作业清刮 化学防蜡 防垢和热油循环清 洗作业 将被淘汰 从而降低作业成本 稳定油井产量 工具结构和尺寸 井下工具的连接丝扣根据用户所用抽油泵的技术规格加工 技术规格 尺寸 1 66 英寸 流量 20 方 小时 应用范围 2 3 8 2 7 8 和 3 油管 42 16mm 508 mm 6 35mm 19 05mm 254mm 第 28 页 共 43 页 使用优点 一次性安装 不需要维 护保养和外来动力源 可以安装在抽油井中和 自喷井中 清洁井筒和油藏界面 无需定期进行热油清洗 作业 刮蜡作业和化学 处理 节约了生产作业 成本 提高泵的使用寿命和泵 效 不会因为结垢 结蜡和沥青质沉积而造成抽油杆和抽油泵的失效 不会造成作业停产 稳定油气井产量 工作原理 这种新型的防蜡防垢防腐蚀系统可以同时起到防蜡 防垢和防腐蚀的效果 当流体流过工 具的时候 工具可以产生一种电化学反应改变流体中矿物质的电位 在自喷井和抽油井中 原油在地层压力或抽油泵抽吸压力的作用下进入工具管壁上四周分 布的孔道 原油通过管壁上的孔眼时形成大量细柱状射流 径向垂直地撞击到工具环空的 内壁和芯轴上 在冲击作用发生的同时 工具的表面的电子会使原油分子及原油中石蜡和 其他矿物质分子极化 改变原油及地层产出水 若有的话 的物理特性 也会改变原本阻 塞油管 妨碍原油上流的杂质的特性 原油及所含矿质在经过工具处理后通过油管到达地面 处理过的原油不仅可以使蜡和其他 容易结块而堵塞油管的蜡质物质处于悬浮状态 而且还可以断裂碳氢化合物分子的长链使 原油变得更加 光滑 对于高含蜡低重度的原油 这种处理可以使原油的重度提高 2 3 API 因而增加了原油可售性 油田应用 井下工具可以应用在任何有结蜡 结垢和严重腐蚀的井中 包括双管完井的井 定向井 水平井 热水井和注水井 并且也可以和任何井下抽油泵系统配套使用 包括杆式泵 管 式泵 螺杆泵 电潜泵和各种特殊作业泵 工具的安装设计应该根据具体的井况 生产 油管的尺寸和油井产量 而定 一般情况下 工具安装在抽油泵下面的进口处或泵上方的 出口处 或者作为一节尾管接在生产油管的底部 第 29 页 共 43 页 工具的安装非常简单 在使用过程中 工具不需要外部动力 不需要维护保养和服务 对 流体的流动没有任何阻碍作用 工具也可以安装在自喷井中 不需要起出生产油管 使用钢丝将工具和合适的座放工具从 油管里面下到座放短节的位置坐放好即可 防蜡作用 工具能够产生一种电化学变化 使油包 水的乳化结构稳定 防止蜡从胶束结构 中释放出来而形成固态沉积 防垢作用 垢的形成会增加所使用的设备的工作负 荷 造成设备的早期失效 工具可以 消除结垢问题 提高设备的使用寿命和 工作效率 重油开发 大部分重油油井的生产都存在结蜡问题 因为重油在生产油管中的黏度比较低 使用井下 工具置 可以提高原油的流动速度 减少由于粘度度变化造成的扭矩压力和泵所承受的应 力 同样 井筒更为清洁 油流更为畅通 从 而提高了泵的工作效率 减轻了泵的工作负荷 在油井中的应用及安装方法 抽油井抽油井 1 安装示意图 见右图 2 安装操作规程 关井 在井口安装好修井设备 起出抽油杆和抽油泵 将抽油泵的粗滤短节取下 将工具安装在粗滤短节的位置 按常规方法下入抽油泵 恢复生产 如果井下有气锚 将气锚取下 安装一根两头带 丝扣的加长管 将工具接在加长管的下面 测量 所需要的气锚长度 安装合适长度的加长管 使 得整个气锚和工具的长度合适 井下工具 座放短节 生产油管 射孔井段 表层套管 生产套管 抽油杆 气锚 带孔短节 可选 抽油泵 1 25 的管子 如有必要 砂锚 抽油井井下工具安装 根据井下工作管柱的尺 寸和丝扣类型 选择适 当尺寸的工具安装短接 接头 短接上部和泵筒或油 管连接 短接下部外面接油管 井下工具和短接内部丝 扣连接 适用于各种泵和井下管 串的安装情况 抽油井井下工具安装 根据井下工作管柱的尺 寸和丝扣类型 选择适 当尺寸的工具安装短接 接头 短接上部和泵筒或油 管连接 短接下部外面接油管 井下工具和短接内部丝 扣连接 适用于各种泵和井下管 串的安装情况 第 30 页 共 43 页 自喷井自喷井 1 安装示意图 见右图 2 安装操作规程 关井 在井口安装好钢缆设备 通井到座放深度 将工具接在座放工具的固定心轴上 将井下工具总成接在钢缆上 将井下总成下放到十字短节处 使固定心轴 定位 将电缆和固定心轴脱开 起出电缆 恢复生产 以下是墨西哥油公司制定的自喷井中工具的安装程序 按照油公司的操作规程准备和清洗井眼 现场举行安全会议 安装钢缆设备 将井径规下入井中 探测 XN 座放短节 或其 他类型的座放短接 的位置 如果无法下到 XN 座放短节的位置 起井 下入小一点的井径规确定能够下到 XN 座放 短节 或其他类型的座放短接 的位置的工具串 的尺寸 如果必要 用合适尺寸的锥型尖头工具 通井 通井到 XN 座放短节的位置 并且可以 使用 XN 锁紧装置 如果井眼清除干净 按照下面顺序下入工具管串 1 井下工具 2 悬挂锁紧装置 3 电缆下入工具 4 振击器 5 活络接头 6 加重杆 7 电缆头 将锁紧装置下到座放短节的位置 将井下工具锁 紧定位 将其余的工具管串起出 将油井恢复生产 观察 30 天 封隔器 十字短节 座放工具 生产油管 井下工具 射孔井段 表层套管 生产套管 第 31 页 共 43 页 气举井气举井 1 系统安装示意图 见右图 2 安装操作规程 工具安放在气举心轴下面 关井 在井口安装好钢缆设备 通井到座放深度 将工具接在座放工具的固定心轴上 将井下工具总成接在钢缆上 将井下总成下放到十字短节处 使固定心轴 定位 将电缆和固定心轴脱开 起出电缆 恢复生产 工具安放在气举心轴下面 关井 在井口安装好钢缆设备 通井到座放深度 将工具接在座放工具的固定心轴上 将井下工具总成接在钢缆上 将井下总成下放到十字短节处 使固定心轴 定位 将电缆和固定心轴脱开 起出电缆 恢复生产 井下工具 封隔器 十字短节 座放工具 生产油管 射孔井段 表层套管 生产套管 气举心轴 井下工具 封隔器 十字短节 座放工具 生产油管 射孔井段 表层套管 气举心轴 生产套管 井下工具 电缆头 加重杆 震击器 活络接头 锁紧悬挂 下入工具 第 32 页 共 43 页 使用维护使用维护 地面工具 打开顶盖 从内筒中取出孔板芯子 用清洁的水冲洗干净孔板表面的污垢 打开底部排污 丝堵 冲洗外筒内部 清洁后安装芯子和丝堵 至此全部维护完成 根据需要确定清洗的 间隔时间 一般每月清洗一次 确保工具正常工作 井下工具 免保养维护 需要检修抽油泵时取出井下工具 清洗工具内外部表面即可 注意事项 在使用时间较长的管线中 无论是地面工具还是井下工具 安装好后 工具在工作过程中 会使原来的蜡 垢和腐蚀颗粒从管线内壁脱落 从而可能发生管线泄漏或由于脱蜡 垢和 锈引起的管线堵塞现象 用户对此事先应该做好防范准备工作 第 33 页 共 43 页 使用寿命使用寿命 CIS 防蜡防垢防腐蚀工具使用寿命非常长 它是作为催化体通过电化学作用使流体和流体 中的矿物质的产生极化效应而改变流体和其中矿物质的性能 工具本身是一种非牺牲体 在使用过程中始终不会改变其本身的特性和工作性能 工具 包括地面工具和井下工具 无任何运动部件 因此 不存在任何磨损和破坏问题 在使用过程中 其工作寿命取决于使用工况和工作条件的好坏 根据目前的使用情况 最 长的已经使用了六年多还未出现任何问题 1988 年美国新墨西哥州 ROSEWELL 测试中心对地面工具的芯子孔板做过一次淋滤实验 实验结果如下 实验时间 1988 年 月 20 日至 1989 年 1 月 13 日 实验用流体是井水 总的溶解固相溶解量约为 111 000 ppm 在孔板的后面安置了一 个流量剂 测量水的流量 实验方法是测试一段时间后 将孔板取出 用 2 浓度的柠檬酸清洗 晾干 然后称重 然后再装回到测试系统 重新开始测试 第 1 个月 每星期按照实验方法做一次 然后两个月后做一次 最后一次是在 3 个月 以后 孔板最初的原始重量 当 75 143 加仑的流体通过孔板后 为 76 3834 克 最后的重量 为 71 5665 克 整个过程孔板损失了 4 8169 克 也就是说 平均有 0 0009ppm 的孔 板材料进到溶液里 如果所处理的流体含有大量的研磨砂和石 由于高速流体通过工具 这些砂石有可能造成对 工具的磨损和破坏 但不会明显影响工具的使用效果 第 34 页 共 43 页 应用实例应用实例 防蜡实例 王南作业区王南作业区 H16 7 井井 中国石油长庆油田分公司中国石油长庆油田分公司 2003 年 7 月下入一套井下工具 下入前结蜡严重 平均每月要进行一次清蜡热洗作业 才能维持油井正常生产 长庆采油一厂 9 月 16 日的书面报告 下入后 截止 9 月 15 日 累计生产时间 42 天 该井未进行检泵作业和清蜡热洗作业 同时 最大载荷和最大电流相比下入前有所降 低 综合分析认为 目前该井结蜡情况相比下入前减缓 长期效果有待进一步观察 截止到 2004 年 2 月 19 日的防蜡工艺统计数据如下表 H16 7 井防蜡工艺统计效果台帐 投产日期防蜡工艺名称下入日期下入位置防蜡工艺简介 2000 11 2 防蜡防垢 防腐蚀井下工 具 2003 7 5 993 73m 本井与 2003 年 7 月 5 日在进行热洗作业 后 修井下入防蜡防垢防腐蚀系统井下 工具 下 入 前 生 产 情 况 日 期 开井 天数 日产液 m3 日产油 t 含水 动液面 m 功图解 释 最大载 荷 KN 最小载 荷 KN 上冲程 最大电 流 A 下冲程 最大电 流 A 备注 2002 83112 162 1980 1 547 441正常 8 6 修井 2002 929 9 11 602 0778 7 420 568正常 9 8 热洗 2002 1030 7 11 992 1279 1 402 586正常 10 14 修井 2002 1129 8 11 742 3276 6 518 470正常 11 16 热洗 2002 123110 772 3574 3 532 456正常 12 10 热洗 2003 13110 751 979 523 465正常 1 17 热洗 2003 22810 931 8679 7 498 490正常 2003 33111 121 8480 3 440 524正常 3 5 热洗 2003 429 7 11 432 0279 0 389 575正常 4 17 热洗 2003 53111 341 9479 7 470 494正常 5 22 热洗 2003 63011 331 5783 5 488 476正常 2003 730 7 10 542 5771 0 505 458正常 26 297 911714 7 18 修井下入 结蜡情况检泵周期 237 天 结蜡周期 30 天 下 入 后 生 产 情 况 日 期 开井 天数 日产液 m3 日产 油 含水 动液面 m 功图解 释 最大载荷 KN 最小载 荷 上冲程 最大电 下冲程 最大电 备注 第 35 页 共 43 页 t KN 流 A 流 A 2003 8 12 10 382 0876 2 480 483正常 28 3010 491413 2003 8 25 10 252 1475 1 451 512正常 28 1610 121312 2003 9 2 13 943 1073 5 2003 9 3 12 541 9981 1 2003 9 12 10 542 2374 8 455 508 正常 27 4510 211311 2003 9 13 10 542 5771 0 2003 9 19 11 662 7871 6 2003 9 22 14 332 7777 0 42