CN101094968A - 用于防止沉积的磁性组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过在沿流体流径的多个位置使用永久磁体组件控制和/或最小化该流径内侧上的有害沉积物的形成或积聚的装置和方法，所述永久磁体组件定向成使得流体流优选地从北磁极到南磁极。

Description

用于防止沉积的磁性组件
本申请要求享有2004年9月7日提交的美国临时申请60/607739的优先权，该申请的全部教导和公开结合入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及阻止在管道内形成阻止流体流动的沉积物等，更具体地，本发明涉及用于阻止在井下生产设备内形成有害的沉积物的方法和装置。
背景技术
自从在一百多年以前钻出第一口井以来，油井、天然气井、地面生产设备以及烃流动管线内的有害的固体沉积问题就对石油工业提出了挑战。尽管垢沉积是影响石油和天然气生产的主要问题，但是其并不是唯一的问题。自从全世界的石油工业开始，石蜡或蜡沉积也已被认为是主要问题，因为其会形成沥青质。这些有害的沉积物在烃生产管道和相关设备内的出现会带来许多问题，包括产量减小以及在管道关闭之后严重的和常常高成本的起动问题。有害的沉积物带来的其它问题包括烃冻结，界面问题，油箱底部的沉积，高管线压力，堵塞的流动管线，沉积物腐蚀，注入井堵塞和过滤器堵塞。
垢沉积和积聚对于石油和天然气生产井是严重的问题。垢积聚的速率依赖于许多因素，包括流体内传输的矿物的量、井眼内的温度变化和油管内的压力变化——包括由油管内径变化导致的变化。一旦垢晶体开始从流体沉淀出并且在生产管道的内壁上形成，则生长速度会增加。此现象被描述为晶体生长理论。
用于清除有害的沉积物例如垢、石蜡、沥青质和水合物的化学处理方法包括酸处理或使用多种其它的化学制品来除去有害的沉积物。通常，所选择的化学处理方法的类型根据冷凝物或沉积物的类型而改变。经常使用化学制品——例如聚合电解质、膦酸盐(例如DETPMP)、磷酸基羧酸共聚物(PPCA)、有机磷酸(例如二乙烯三胺五亚甲基膦酸和亚甲基羟基二膦酸(HMDP))和聚合物例如聚丙烯酸酯(PAA)、聚磺酸乙烯酯(PVS)、磺化聚丙烯酸酯、对甲苯胺(PMPA)，以及ACUMERTM聚合物产品例如可从Rohm和Haas公司(Philadelphia，PA)商购的羧酸酯/磺酸酯共聚物ACUMERTM 2100——来抑制或防止有害的烃沉积物例如垢晶体在生产油管内部的生长。其它化学相关的处理包括使用细菌、酶和连续或分批井下化学喷射和结晶改良剂的挤注处理。通常，这种化学制品仅对于特定类型的沉积物是有效的且仅局限于这些沉积物。
尽管具有优点，但是化学处理通常比较昂贵，在许多情况下对环境有害，并且往往非常敏感，仅对于特定的天然物质或特定类型的有害沉积物可有效地工作。化学处理常常需要专门设备来将化学制品引入井眼的最深区段。通常，防垢化学制品被注射到生产油管的环形套筒之下，并通过滑动套管或其它阀进入生产油管。近年来，小的不锈钢管线已安装在生产油管内部，并延伸到井眼内的最深位置。在压力下将防垢化学制品泵送通过该小的管线，并使其与从井内产生的流体混合。这使得可在井的正常生产期间对流体进行处理，但是需要持续监控注入管柱以保持正确的操作。另外，井的操作进一步复杂化，这是因为到生产油管的中心的通路被阻塞，防止例如钢丝绳或连续油管通过油管。处理用化学制品通常不可从成品流体中回收。
一些沉积物非常坚固以至于化学制品无效，需要物理方法清除它们，包括机械清除。在过去的数十年中已经研究了物理方法并将其用作化学方法的替代方案，用于防止和控制有害沉积物的形成。机械清除可包括使用钻、研磨机和其它工具将生产油管壁的内部的沉积物碾松或扯松。这种过程有时会对油管内部造成损坏，并且会因此导致将来更坏的垢积聚速率。在最坏的情况下，必须抽出和替换生产油管。其它已说明的物理方法包括热水循环、蒸汽注入、切割或划线(wire-lining)，以及在电磁体例如螺线管或基于轭的电磁体上使用磁性装置。但是，尽管电磁体可产生高强度的磁场，但是选择它们用于井下环境常常是不实际的，因为电磁体需要电源、冷却并需要定期维护。
与电磁装置相反，永久磁铁装置不需要井下电源并且几乎不需要维护。已进行了一些使用永久磁铁装置来减小井下垢积聚的尝试。尝试的示例包括在1966年1月11日授予Moody的美国专利No.3228878，该专利公开了使用磁体来提供具有相隔短距离的两个极区的磁场。该磁场可由位于流动管道外部的一个或多个高强度永久磁铁提供，每个永久磁铁的磁极沿垂直于流动路径的方向朝向该管道。经磁性处理的液体在湍流最小的情况下流动，并且使其在流动管道内的为磁场长度的10到150倍的距离内不受外部磁场的影响，以避免由于穿过磁场而在其中产生的改变过快地消散。
另一个对本领域的贡献是由Debney等在美国专利No.4422934中做出的，其中公开了一种用于处理钙质(calcerous)流体的磁性装置。文中说明了一种用于磁性地处理液体以阻止垢在管道系统、器具、锅炉等内沉积的装置。该装置具有细长的壳体，该壳体具有进口和出口以便液体从中流过。支承结构位于壳体内以保持多个沿纵向间隔开的磁体。所述磁体由多个横向保持元件保持在合适位置，该保持元件定位成使得磁体成角度地设置成螺旋布置。所述磁体直接浸没在流过该装置的液体中。
作为另一个示例，Mag-Well，Inc.的美国专利No.5178757公开了一种包括提供至少一个通道的细长中空芯部的装置，待处理的流体流过该通道。一排磁体沿该芯部纵向地延伸，磁体的磁极设置成可提供垂直于流径的磁场以提高工具的磁性调节效果。该装置的可选实施例具有三排沿纵向延伸的磁体，在它们之间具有两个流体通道。磁体由稀土磁性材料形成，并且通过钴-铁合金制成的磁通量承载部件加固，该部件具有圆角以便减小磁场损失。每个磁体至少部分地安装在该芯部的外表面内，所述磁通量承载部件接触、覆盖磁体的外表面且在磁体的外表面之间延伸。
1991年10月1日授予Harms等人的美国专利No.5052491公开了联接装置的使用，该联接装置包含磁体以控制井下油管柱或输油管线内的石蜡和沉积物的积聚。该联接装置由被磁体和磁性材料罩围绕的非磁性材料制成。该装置用于将油管柱的区段接合在一起，它们形成井下油管柱套管。磁性联接装置每隔1000到1500英尺放置。
1995年9月26日授予Florescu等的美国专利No.5453188提出了一种用于防止在井下油管柱的内部和传输管线的表面上形成石蜡、沥青质和垢的沉积物以及使该沉积物最少的装置和方法。沿管道的一区段在磁盘内设置连续的磁体对。每个连续的磁体对相对于相邻磁体对旋转过一特定角度以实现存在于流动流体中的带电荷粒子的有利地延长的轨迹。
1997年12月23日授予Carpenter的美国专利No.5700376说明了一种包括第一和第二壳体半部的装置和方法，该壳体半部焊接在一起以将该装置连接到安装在油套管内的短节上。该壳体包括一柱形部分以及在其相对的轴向端部处的第一和第二截头圆锥形部分。沿轴向延伸的L形间隔件固定在内部部分上，并包括紧靠管的外表面的纵向边缘。一连串沿轴向间隔开的第一和第二正平行六面体形磁体被夹在柱形部分的内部部分和管的外表面之间，第一和第二磁体的磁极相对于管相反。在被环形夹通过足够的力夹在一起以基本上通过摩擦力将装置固定在管上而无需附装到管上之后，壳体半部沿它们的纵向自由边缘焊接在一起，并以大约1000英尺的间隔沿套管固定。
1998年1月由Battelle Columbus Operations为美国能源部做出的Federal Technology Alert(联邦技术报告)公开了在水流过其中的管上使用磁性或电磁的垢控制。它还公开了制造商已将此技术应用于石油管线以防止蜡积聚。关于在石油生产期间在处理垢、石蜡和沥青质时磁体的使用以及使用机理的许多其它研究包括Farshad，F.F.等[SPE paper No.77850，2002以及SPE paper No.76767，2002]，和Tung，N.P.等[SPE paper No.68749，2001]进行的研究。
申请人已提出改进的用于阻止井下烃生产设备内的沉积物积聚的装置和方法。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于防止在与烃输送管道例如井下油管柱完全成一体的生产油管内积聚有害的固体沉积物的磁性装置和系统以及相关联的方法，所述装置可容易地组装；可在组装管线时容易地安装在该管线上，或者可容易地并入已存在的井下油管中；以及在不需要监控的情况下防止有害的固体沉积物形成或积聚(例如结垢)和清除该固体沉积物。
根据本发明的每个磁性组件包括一体件式的柱形磁体、磁体保持装置和轴环。所述柱形磁体围绕所述磁体保持装置装配，所述磁体保持装置具有所述磁体靠置于其上的凸缘。轴环接合所述磁体保持装置的第一端并将磁体保持在该磁体保持装置上。轴环还接合相邻的管线。所述磁体保持装置在第二端上具有螺纹以接合相邻的管线。可沿管线以长达大约400到大约500英尺的间隔设置多个磁性子组件。从下面的说明、附图以及所附权利要求中可清楚地了解本发明的其它特征和优点。
附图说明
下面的附图形成本说明书的一部分，并用于进一步说明本发明的某些方面。通过参照这些附图中的一个或多个并结合文中对具体实施例的详细说明可更好地理解本发明。
图1示出根据本发明的一个方面的磁性组件的透视图；
图2示出根据本发明的磁体保持装置的横截面视图；
图3示出根据本发明的磁体的横截面视图；
图4示出沿线A-A的图1的磁性组件的横截面视图；
图5示出根据本发明的一个方面的组件的半剖视图；
图6示出沿线B-B的图5的组件的放大横截面视图；
图7A示出根据本发明的一个方面的处于闭合形式的F型环形挡块(collar stop)组件的半剖视图；
图7B示出处于打开形式的图7A的环形挡块的半剖视图；
图8示出根据本发明的一个方面的包括多个子组件的井下生产管柱的局部剖开的正视图。
尽管文中公开的发明存在多种变型和可选形式，但是只有一些具体实施例作为示例在附图中示出并在下文中详细说明。这些具体实施例的附图和详细说明并不以任何方式限制本发明概念或所附权利要求的广度或范围。相反，附图和详细说明用于向本领域的普通技术人员展示发明概念，并使得这些技术人员能够实现和使用本发明概念中的一个或多个。
具体实施方式
下面提出一个或多个结合本文所公开的发明的例证性实施例。为了清楚起见，此申请中并没有说明或示出实际实施方式的所有特征。应理解，在结合本发明的实际实施例的开发中，必须进行许多特定实施方式的决定以实现开发人员的目标，例如遵从系统相关的、商业相关的、政府相关的和其它的约束，所述目标有时会根据实施方式而改变。尽管开发人员的努力复杂和费时，但是这种努力对于受益于此公开的本领域的普通技术人员而言是常规任务。
概括地说，申请人设想并开发出利用设置在烃流动管线或其它流动设备附近的永久磁体例如但不局限于柱形稀土磁体来防止和/或减少有害的沉积物累积的装置和方法。通常，磁性组件定向为使得烃流为从北磁极到南磁极。该装置和方法包括用于井下使用的新设备和修改现有井下设备的改型设备。
在本发明的一个实施例中，说明了一种用于磁性处理流过管道或其它设备的流体以阻止固相沉积物在管道内形成和/或沉积的装置。该装置可包括构造成以轴向方式与管道相互连接的细长的管状部件，该管状部件在第一端具有用于接纳流动流体的入口装置，在与该第一端纵向相对的第二端具有用于流动流体的出口装置；具有北磁极、南磁极、内表面和外表面的磁体；具有第一端和第二端的管状磁体保持装置，该磁体保持装置包括具有设置在所述第一端和第二端之间的顶面并围绕所述细长管状部件的凸缘；以及可通过螺纹设置在所述第二端的轴环，其中所述磁体靠置在所述凸缘的顶面上。通常，所述磁体定向为使得磁体的北磁极朝向该装置的远端。
在本发明的另一个实施例中，说明了一种用于处理井下烃生产油管内的烃和水流体以防止固相沉积物在该油管内形成和/或沉积的装置，其中该装置包括构造成以轴向方式与管道相互连接的细长的管状部件，该管状部件在第一端具有用于接纳流动流体的入口装置，在与该第一端纵向相对的第二端具有用于流动流体的出口装置；具有北磁极、南磁极、内表面和外表面的柱形磁体；具有第一端和第二端的管状磁体保持装置，该磁体保持装置包括具有设置在所述第一端和第二端之间的顶面并围绕所述细长管状部件的凸缘；以及可通过螺纹设置在所述第二端的轴环。优选地，所述磁体靠置在所述凸缘的顶面上。通常，根据本发明的此方面，所述柱形磁体定向为使得磁体的北磁极朝向该装置的远端，并且能够在所述保持装置和轴环之间沿该组件的主体纵向移动。
在上述实施例的另一个方面，所述装置还可包括沿纵向设置在所述磁体和所述第二端之间的柱形锁紧螺母、第一柱形密封件和第二柱形密封件，其中所述第一柱形密封件在所述磁体的北磁极和所述凸缘的顶面之间形成界面，所述第二柱形密封件在所述磁体的南磁极和所述锁紧螺母的边缘之间形成界面，从而所述柱形锁紧螺母防止所述磁体的纵向移动。
在本发明的另一个实施例中，说明了一种用于磁性处理流过延伸到地层内的井下烃生产油管的流体的环形挡块装置，该环形挡块装置包括细长的、基本为管形的主体，该主体具有近端和远端；通过螺纹连接到该主体的近端的锁紧螺母；具有包含多个锁定销的可沿轴向滑动的保持臂的保持组件，该保持组件设置在所述主体的远端；具有顶部边缘和底部边缘的柱形磁体保持装置，该保持装置设置在所述锁紧螺母和保持组件之间，并具有在一端包含顶面的支承凸缘；以及具有北磁极、南磁极、内表面和外表面的柱形磁体，其中该柱形磁体设置在所述磁体保持装置的支承凸缘上。通常，根据本发明的此方面，所述环形挡块装置是F型环形挡块，并且所述柱形磁体定向为使得磁体的北磁极朝向该装置的远端，并且能够在所述保持装置和轴环之间沿该组件的主体纵向移动。
在本发明的另一个实施例中，说明了一种用于阻止或防止由流过生产油管的流体内存在的烃形成有害的固相沉积物或清除所述固相沉积物的方法，该方法包括将文中所述的磁性组件装置通过螺纹连接到将被放置在地下井眼内的第一管道的端部，使该第一管道伸入地层，将多个管道连接并放置在该第一管道上，并将文中所述的另一个磁性组件装置通过螺纹连接到随后将被放置在地下井眼内的管道的端部。此方法可重复多次，以便设置基本上沿管道的整个轴向长度延伸的多个磁性子组件。所述多个磁性子组件优选地沿油管柱间隔一定的纵向距离，该距离通常为大约100英尺到大约500英尺。
尽管按照“包括”各种部件或步骤(应理解为是指“包括但不局限于”)说明了组成和方法，但是该组成和方法还可“主要由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”，这种术语应理解为限定基本上封闭的部件组。
现在转向利用一个或多个本发明的实施例的更详细的说明，图1示出磁性组件10，其包括磁体保持装置20、磁体50和轴环60。磁性组件10可容易地集成到井下生产油管或管道(未示出)中，从而在通过磁性组件10连接的油管柱(未示出)之间提供流体连通。
图2内示出的磁体保持装置20总体为管形，具有限定一孔口25的内表面36，该孔口在保持装置第一端22和保持装置第二端24之间提供连通。优选地但不是必要的，孔口25在整个保持装置20的装置长度28上保持恒定的孔口直径26。
紧邻保持装置第一端22设置有第一端部螺纹32，并且紧邻保持装置第二端24设置有第二端部螺纹34。第一端部螺纹32接合图1内所示的轴环60。第二端部螺纹34用于将磁性组件10通过螺纹连接到相邻的管线(未示出)。
磁体保持装置20具有装置壁30，该装置壁具有外径23。装置壁30具有壁厚度31，该厚度是在装置内表面36和装置外表面38之间测量的。
沿保持装置20在距第一端22的长度42处设置有凸缘40。磁体50通常靠置在凸缘40的顶面44上，因而凸缘40可以通过扶壁支在底面46上以提供额外的支承。凸缘40具有凸缘宽度48，其是从装置外表面38到凸缘边缘49的距离。凸缘40围绕装置壁30并具有凸缘直径45。
现在参照图3，磁体50基本上为柱形，并具有从中通过的开口55。磁体50具有磁体内径(i.d.)56和磁体外径(o.d.)53。磁体i.d.56大于磁体保持装置20的外径23，从而当轴环60不存在时磁体50可以滑过第一端22。磁体i.d.56小于凸缘直径45，从而可防止磁体50朝磁体保持装置20的第二端24滑动超过凸缘40。磁体o.d.53可小于或等于凸缘直径45。
在本发明的一个方面，磁体外径53小于凸缘外径45，从而在将磁性组件10放入井下时磁体50被充分保护并且不会从凸缘40抬离。在本发明的一个方面，当将磁体50放置在磁体保持装置20上时，磁体50的北磁极52可朝向凸缘的顶面44。即，相对于通过管道的烃的流动，柱形磁体沿北(负)向南(正)流动方向安装。但是，可选地也可以这种方式将磁体50放置在磁体保持装置20上，即使得磁体50的北磁极52与凸缘顶面44相对地定向，并且南磁极59朝向凸缘顶面44(未示出)——即沿南(正)到北(负)流动方向。因此，如图4所示，相对于磁体50，流体如箭头所示地沿北到南方向流过孔口25。关于流体流动参数，流过孔口25的流体的流速可具有临界流速，以便可优选地使沿油管柱的多个磁性组件10的间隔最大，例如相距从大约400英尺到大约500英尺。但是，当临界流速改变时，磁性组件的间隔也可改变。根据本发明，适当的临界流体流速的示例包括从大约1英尺/秒到大于100英尺/秒，包括大约1英尺/秒、2英尺/秒、3英尺/秒、4英尺/秒、5英尺/秒、6英尺/秒、7英尺/秒、8英尺/秒、9英尺/秒、10英尺/秒、20英尺/秒、30英尺/秒、40英尺/秒、50英尺/秒、60英尺/秒、70英尺/秒、80英尺/秒、90英尺/秒、100英尺/秒的流体流速，以及大于100英尺/秒的流速，和在这些流体流速中的任何两个之间例如从大约7英尺/秒到大约60英尺/秒的流速。但是，对于本领域的技术人员显而易见的是，流体流速并不是磁性子组件的间隔依赖的唯一参数，其它因素例如油管直径也会影响多个磁性组件10的间隔。
尽管不希望被任何操作理论限制，但是目前认为，所得到的磁场70以这样的方式使通过磁场70的流体分子(未示出)感应极化，即使得分子被磁场和其它已极化的分子排斥。结果，分子不太可能相互附着以及结晶和附着在磁性组件10的内表面36或井下管道或油管(未示出)的内表面上，从而防止垢堆积。这可能是由南磁极的正磁通量的影响所导致的，该正磁通量改变了液体的附着特性，使它们更易溶解。这被认为当流体中的离子通过由北到南取向的磁场时在流体中排列离子时发生。这样，南磁极的阳极效应(positive effect)排斥流体内包含的带正电荷的粒子，并且由此导致粒子从随机排列改变为有序排列。通过将磁场设置成使得粒子最后通过正极或南磁极，则粒子的正极侧变得距离带负电的管道或油管最远。离子的这种重新排列会携带或保持来自南磁极极化的正电荷——称为磁记忆效应，并且可保持长达一年的一段时间。
回到图3，磁体50具有磁体内表面54，当将磁体50组装在磁体保持装置20上时该磁体内表面面向装置外表面38。磁体50具有磁体壁58，该磁体壁具有磁体壁厚度57。磁体50当前优选地为钐钴(SmCo)类型的烧结或粘合的稀土磁体，例如可从Swift Levick Magnets(Derbyshire，U.K.)得到的烧结的SmCo磁体。如文中使用的，术语“稀土磁体”包括由镧系元素的合金构成的磁体以及稀土过渡金属磁体。文中适用的钐钴磁体包括烧结的SmCo磁体，以及钐钴合金磁体——包括SmCo5和Sm2Co17型磁体。根据本发明，由于其耐腐蚀/抗氧化、磁场强度、结构强度和热稳定性而通常优选地使用钐钴磁体50。根据具体的磁体使用环境，其它类型的稀土磁体也适于在此使用。这种磁体包括硬铁氧体(六角晶系锶铁氧体，SrO-6(Fe2O3))磁体、铍(berrylium)-铜磁体、钕-铁-硼(NdFeB)磁体。例如，在其中环境温度小于150(65.6℃)的应用中，适于使用钕-铁-硼(NdFeB)类型的稀土磁体。
在一个方面中，可将一防护罩51应用于磁体50。防护罩51被设置用于在井下环境中防止磁体50破裂或减小磁体50上的应力。防护罩51可以是强度足以向磁体50提供额外保护的各种材料。根据本发明，防护罩51可以是镍、锌、铝或任何其它合适的金属或复合材料。优选地，防护罩51是非磁性的镍或含镍的合金。
参照图1到4，在磁体50靠置在磁体保持装置20的凸缘40上之后，可附装轴环60以防止磁体50滑过第一端22。轴环60沿轴环的内表面64包括轴环螺纹62或其它联接机构。轴环螺纹62接纳第一端部螺纹32，从而轴环60在轴环第一端66与磁体保持装置20的第一端22通过螺纹接合。轴环60具有轴环外径67，该外径通常大于磁体内径56(图3所示)，从而确保磁体50被保持在凸缘40和轴环60之间。
在本发明的一个方面，例如如图4所示，轴环第一端66可与磁体50隔开一距离L1，使得磁体50可以沿装置外表面38沿纵向移动。轴环螺纹62还允许取下轴环60，从而可在必要时更换磁体50。轴环螺纹62沿轴环60的内表面64从轴环第一端66延伸到轴环第二端68。紧邻轴环第二端68的轴环螺纹62用于将磁性组件10连接到相邻的管线(未示出)上。
图5示出本发明的另一方面，其中磁性组件100包括磁体保持装置20、凸缘40、磁体50、轴环60和锁紧螺母80。组件100具有沿纵向分隔开的近端102和远端104。近端和远端分别终止于端部螺纹32和34。如图所示，近端102可具有第一端部螺纹32和次级第一端部螺纹32’，它们都在组件100的近端通过螺纹接合轴环60。远端螺纹34用于将磁性组件100通过螺纹连接到相邻的管道或导管。
磁性组件100沿保持装置20还设置有凸缘40，该凸缘40沿纵向从远端104移开。磁体50靠置在凸缘40顶上，但是被阻止沿外表面38纵向移动。尽管在优选取向中示出，磁体50的北(N)磁极朝向组件100的远端定向，磁体50的南(S)磁极朝向组件100的近端定向，但是应认识到该取向可以相反，并且只要磁体没有从外表面38向外延伸越过凸缘40的外缘，则可使用多个这样的柱形磁体50。如图5中还示出，磁性组件100还包括至少两个密封件82a和82b以及锁紧螺母80。密封件82a形成磁体50的北磁极(N)和凸缘40的顶面44之间的界面，而密封件82b类似地形成磁体50的南磁极(S)和锁紧螺母80的底部边缘之间的界面。锁紧螺母80总体为柱形，具有从中通过的开口(未示出)，具有顶面和底面以及外缘84。在轴环60的螺纹连接之前，将锁紧螺母80滑动地添加在组件100的近端。一旦滑动地添加在组件的外部边缘38上，将锁紧螺母80压靠在密封件82b上，并且通过经由外缘84将锁紧螺母80连接到磁性组件的外部边缘38的多个螺纹连接装置保持在合适位置。这种螺纹连接装置包括紧定螺钉(例如开槽或凹头紧定螺钉)、埋头螺钉、凹端紧定螺钉、滚花紧定螺钉、椭圆端紧定螺钉、锥端紧定螺钉和半圆柱端紧定螺钉。锁紧轴环80从而使磁体50紧靠凸缘40保持在合适位置，并在锁紧轴环80的顶面和轴环第一端66之间保持一固定的纵向距离L2。
如前文所述的密封件82a和82b可以是多种密封材料，包括但不局限于弹性体，并且可具有任何合适的复数个(例如四个密封件)。通常，密封件82a和82b是O形环或其它类似的taurus形的物体，其可用多种弹性体材料制成以便密封流体运动。在密封件82a和82b是O形环的情况下，通常将它们插入被称为压盖的凹腔内，如本领域内已知的，该凹腔可以是轴向的或径向的。图5内所示的O形环密封件82a和82b示出为径向密封结构。密封件82a和82b可由多种可提供耐化学性和耐热性的材料制成。这种材料通常具有在从大约-26(-32℃)到大约600(316℃)、更典型地从大约-15(-26℃)到大约400(205℃)的范围内的耐热性。适于用作密封件82a和82b的材料包括但不局限于碳氟橡胶(FKM)类型的密封件和O形环，包括KEL-F和FLUOREL(均可从3M，St.Paul，MN得到)、VITON和KALREZ(均可从E.I.DuPont de Nemours Co.得到)；氯磺化聚乙烯，例如HYPHALON(可从DuPont Dow Elastomers得到)；PTFE(TEFLON)和填充的PTFE例如FLUOROSINT(可从Quadrant DSM Engineering Plastic Products，Reading，PA得到)；被称为Buna-N(腈；NBR)的丁二烯和丙烯腈的共聚物，例如HYVCAR(可从Goodrich Chemical Co.得到)；以及硅树脂或硅橡胶。通常，密封件82a和82b是碳氟橡胶类型的密封件，例如VITON。
图6示出图5的子组件沿线B-B的横截面，其示出磁性组件10的一些部件，这些部件包括除了轴环组件和锁紧螺母80之外的许多与图5内的部件相同的部件，但是包括与烃流动管线的磁体50接触的非磁性流体管道的一部分。该流动管线包括内表面36，其形成稀土磁体50和中心孔口25之间的边界，组件10的内表面为非磁性合金材料。还可看到该组件包括围绕组件10的柱形磁体50，该磁体具有保护罩51。在图6中还可看到的是具有倾斜底面46的凸缘40的顶面44，示出磁体50用于形成没有延伸到管件(tubular)的标准尺寸外部的光滑表面。
图7A和7B示出本发明的另一个方面。如图中所示，磁性组件90是一“F”型环形挡块(例如可从FMS Inc.，New Iberia，LA得到)，其包含主体96、保持臂92和94、锁定销95a和95b、支承凸缘91、磁体50和锁紧螺母98。如文中所示，磁体50靠置在凸缘91上。尽管在图7A内未示出，但是磁体50也可以如图5所示在其上方和下方具有密封件。在磁体50靠置在磁体保持装置90的凸缘91上之后，可附装锁紧螺母98以防止磁体50滑过近端101。锁紧螺母98沿内表面包括轴环螺纹99，其接纳组件90的近端上的端部螺纹97，从而锁紧螺母98通过螺纹接合在磁性组件90的近端。锁紧螺母98具有轴环外径d1，该外径通常大于磁体50的外径，从而确保磁体50被限制在锁紧螺母98和凸缘91之间。在本发明的一个方面，锁紧螺母98沿纵向与磁体50隔开一长度L3，使得磁体50可以沿装置90的主体96移动。通过螺纹连接的锁紧螺母98还允许取下锁紧螺母，以便可在必要时更换磁体50。
如图7A和7B所示，环形挡块磁性组件90还包括可滑动的、可锁定的保持臂92和94。保持臂92和94形成位于组件90的远端102的保持组件105的一部分。保持组件105沿组件90的下体部93可滑动地设置，其具有由在远端102处的带凸缘的端部104形成的下端止挡和由保持磁体50的凸缘91形成的上端止挡。在保持臂92和94的远端是锁定销95a和95b，该锁定销在被运行工具松开时释放保持臂92和94，并允许装置90锁定到合适位置例如轴环间隙内。
图7B示出位于刚好在接合之前的位置处的环形挡块磁性组件90。在进入油管柱的内部管道之后，线状工具(wire tool)可操作地接合和松开锁定销95a和95b。然后将环形挡块磁性组件90拉回到油管柱内部，其中保持臂92和94将环形挡块磁性组件锁定在选定的油管柱的轴环之一上。
如图8所示，可将多个或一系列磁性子组件10集成到放置在井下的导管或油管结构中。在一个方面，将磁性组件10以大约400到500英尺的间隔连接到导管或油管200内。在本发明的范围内可采用其它的间隔设置，使得磁性组件10的间隔设置在从大约50英尺到大约500英尺的范围内以及在中间的范围内。磁性组件10之间的典型间隔范围包括例如大约50英尺、大约100英尺、大约150英尺、大约200英尺、大约250英尺、大约300英尺、大约350英尺、大约400英尺、大约450英尺和大约500英尺，以及在这些值中的任意两个之间的范围，即从大约150英尺到大约400英尺。如前文所述，由每个磁性组件10内的磁体50产生的磁场70防止管线内部的有害的固相积聚。
根据本发明的装置和系统以及使用这种装置和系统的相关联的方法，可使用文中所述的磁性系统控制、最小化或防止至少一种不希望的固相沉积物。如文中使用的，术语“固相沉积物”广义地指可在生产套管内形成并沉积由此减小井的生产剖面的那些化合物或组合物。这些固相沉积物包括但不局限于垢沉积物、石蜡沉积物、沥青质沉积物、水合物以及它们的组合。
文中使用的结垢通常被认为是主要为无机化合物的粘附沉积。在此方面，在烃生产操作中导致结垢的一般过程是油田水的可少量溶解的盐的沉淀。一些油田水在存在钡、钙和/或锶离子的情况下包含足够的硫酸根离子，这样就存在形成硫酸钡(BaSO4)和/或硫酸锶(SrSO4)结垢的可能性。通常，结垢的形成会导致产量减小并且会增加与烃生产相关联的维护成本。此外，在一些位置，已发现自然存在的放射性物质会结合到垢中，这样，除了清垢和/或阻止结垢之外，还会导致健康、安全和倾向性问题(liabilityconcern)以及增加的结垢处理费用。因此，如文中使用的，垢沉积物是指如下种类的化合物，包括但不局限于碳酸钙(CaCO3)、硫酸钙(CaSO4)、硫化钙(CaS)、硫酸钡(BaSO4)、硫化钡(BaS)、硫代硫酸钡(BaS2O3)、硫酸锶(SrSO4)、碳酸钠(Na2CO3)、硫酸钠(Na2SO4)、硫化钠(Na2S)、碳酸钾(K2CO3)、硫酸钾(K2SO4)、硫酸镁(Mg2SO4)、氯化镁(MgCl2)、岩盐(NaCl)、硫化锌(ZnS)、亚硫酸锌(ZnSO3)、硫酸锌(ZnSO4)、硫化铅(PbS)、亚硫酸铅(PbSO3)、硫酸铅(PbSO4)等以及它们的组合。
沥青质通常被定义为原油的一部分，其在庚烷内不可溶解，在甲苯内可溶解，并且通常以被原油内的其它组分稳定的胶态分散体的形式存在。沥青质通常为具有复杂结构的褐色到黑色的非晶质固体，包含碳、氢、氮和硫。沥青质通常是原油的极性最大的部分，并且经常会在由于混和或其它机械或物理化学过程导致的油内的压力、温度和组分变化时沉淀出。沥青质沉淀可在管线、分离器和其它设备中以及在井下和地下含烃地层本身发生。一旦沉积，这些沥青质通常给烃发生器带来许多问题，例如堵塞井下管件和/或井眼，堵塞管道并且防碍分离设备起作用，所有这些都会增加生产成本并且需要补救。如Diallo等[“Thermodynamic Properties ofAsphaltenes：A predictive Approach Based on Computer Assisted StructureElucidation and Atomistic Simulations”，in Asphaltenes and Asphalts.2Developments in Petroleum Science，40 B.；Yen，T.F.and Chilingarian，G.V.，eds.：Elsevier Science B.V.：pp.103-127(2000)]定义和说明的，文中使用的沥青质包括石油的基本上不溶于n-烷烃(例如戊烷或己烷)的非挥发性的和极性的部分。
如文中所述的，天然气水合物或简单的水合物包括围绕天然气的“客体”分子的水分子“笼(cage)”，这在温度和压力充分结合的情况下发生。典型的水合物客体分子包括甲烷、乙烷、丙烷、轻质烃、甲烷-庚烷、氮、硫化氢(H2S)和二氧化碳(CO2)。天然气水合物可在高压和低温、存在水的情况下在烃的生产、收集和运输期间形成。根据压力和气体组分，气体水合物可在温度高达80(大约30℃)、有水与天然气共存的任何位置形成。一旦形成，水合物会沉淀在油管、流动管线和/或处理设备中，从而限制流动。在许多情况中，这些限制最终会形成堵塞。气体传输管道和新的天然气井尤其容易至少部分地被水合物阻塞。水合物堵塞物带来安全危险，因为它们包含大量的压缩天然气并且已知会如抛射体在管线中释放，导致一些管线破裂。因而，工业中的许多技术人员认为要谨慎小心以防止在任何可能的情况下形成水合物堵塞物，而不是在它们形成以后设法补救。
石蜡或蜡沉积物形成的现象在石油工业中是普遍的，并且其由于改变石油内存在的蜡或石蜡部分的溶解性的热力学变量的变化而发生。石蜡化现象尤其包括在石油生产、流动和处理期间的直链和高分子量的饱和烃。在海底管线、地面设备、生产柱乃至储层岩石内的沉积会导致石油生产的严重且逐渐增加的损失。通常，石蜡沉积在井下管件的壁上以及其它类似的井下位置，例如阻气门的入口和出口附近以及沿生产出的石油的流径中的轴环和类似的限制设备。
蜡的沉淀和沉积分别与烃的相平衡和流的流体动力学条件相关联。石蜡化变成为与石油的固有特征和生产期间的温度、速度和压力变化有关的一个因素。石油中固相的出现以及随后的结蜡与由石油冷却和/或最初溶解在石油内的较轻部分的分离所导致的相平衡变化有关。如文中使用的，石蜡或蜡是指通用化学式为CnH2n+2的非芳香族饱和烃或其混合物，其中n是22和27之间的且包含这两个数的整数。
现在说明使用文中所述的一些组件和系统的一般方法。在选择磁性系统之前，通常必须首先确定通过烃管道的流体流量，并使用此信息进一步确定需要什么系统，以及该系统在管道内的相对安置。计算通过管道(油管)的烃流量所需的信息包括以下信息中的一个或多个：油或凝析油；油层压力(psi)；井底温度；水与液体的比率；地层气体比重(Formation GasSpecific)(通常为大约1.01)；油管内径和外径，和/或油管类型和油管重量；生产油管的深度；套管内径(i.d.)和深度；油管柱内使用的螺纹连接的类型；以及试验的总液体速度。在确定使用哪个系统之后，选择一新的组件安装系统(例如图5)或一改型的系统(例如图7A)。
在油管还没有装入井下的情况中，选择新的磁性组件系统例如图5中的组件10并装配(即，将期望的磁体、密封件和锁紧螺母安装在该组件上)，并将该组件通过螺纹连接到将被放置在井内的第一油管的端部。然后使油管柱的第一油管下入井中，连接连续的油管并使其下入井中，将多个磁性组件10安置成相互间隔大约400英尺到500英尺，直到生产油管的全部长度已被放置好。在地面，将磁性组件下方的油管安装在钻台上，并且将该组件手动地旋入母螺纹接头(box connection)内。下一个管状销端部可通过螺纹连接到该组件的母螺纹接头内，并且将“连接与断开(make-and-break)”装置连接到该组件上方和下方的管件上。然后施加期望的转距，并拾取双管件并将其连接到正在插入井眼的油管柱上。
在油管柱已放置在井眼内的情况中，通常选择改型的磁性组件系统90。例如，可将改型的F型环形挡块磁性组件连接到钢丝绳操作员使用的运行工具上，并将该组件放入井眼。通常使系统90超过期望将该系统放置在该处的管件的连接位置大约12英尺，然后收回(往回拉)该系统，释放锁定销95a和95b。然后，将环形挡块磁性组件90放低到轴环接头处，其中该组件将通过可滑动的臂92和94锁定在合适位置例如轴环间隙内。然后，除去运行工具，剪断锁定销95a和95b，磁性组件90然后将锁定在合适位置。收回运行工具，并重复该过程，隔开所期望的距离——例如每隔大约450英尺到大约500英尺——放置多个这种F型环形挡块磁性组件。
尽管文中公开的本发明的多个实施例是在井下烃井生产油管的上下文中实现的，但是应理解，文中公开的发明概念可应用于发生沉积物累积的所有类型的地面和井下设备。此外，这些发明的应用并不局限于石油和天然气工业，而是可在(发生)沉积物累积的任何位置实施，例如其中水垢经常是个问题的水管线路中。
根据本公开，在没有不适当的试验的情况下可实现和执行文中公开的和要求保护的所有方法、过程和/或设备。尽管已参照优选实施例说明了本发明的方法和设备，但是对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的概念和范围的情况下，可以改变文中所述的方法、过程和/或设备以及该方法的步骤或步骤的顺序。更具体地，很明显，可用一些机械和功能相关联的特征代替文中所述的特征而可达到相同或类似的结果。对于本领域的技术人员显而易见的所有这种类似的替代和修改均认为在本发明的概念和范围内。

Claims (15)

1.一种用于阻止流体流径内的沉积物积聚的系统，所述系统包括：
围绕流体流径设置以便流体流通过一从北磁极到南磁极沿轴向定向的磁场的永久磁体组件。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述磁性组件包括稀土磁体。
3.根据权利要求2的系统，其特征在于，所述稀土磁体是钐钴磁体。
4.根据权利要求3的系统，其特征在于，所述磁性组件基本上为柱形。
5.根据权利要求4的系统，其特征在于，所述系统包括多个磁性组件。
6.一种用于磁性处理流过管道的流体以阻止固相沉积物在所述管道内形成和/或沉积的装置，所述装置包括：
构造成以轴向方式与所述管道相互连接的细长的管状部件，所述管状部件在第一端具有用于接纳流动流体的入口装置，在与所述第一端纵向相对的第二端具有用于流动流体的出口装置；
具有北磁极、南磁极、内表面和外表面的柱形磁体；
具有第一端和第二端的管状磁体保持装置，所述磁体保持装置包括具有设置在所述第一端和第二端之间的顶面并围绕所述细长管状部件的凸缘；以及
可通过螺纹设置在所述第二端的轴环，
其中所述磁体靠置在所述凸缘的顶面上。
7.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述柱形磁体定向为使得磁体的北磁极朝向管状壳体的第一端，磁体的南磁极朝向管状壳体的第二端。
8.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述柱形磁体是稀土磁体。
9.根据权利要求8的装置，其特征在于，所述稀土磁体是钐钴磁体。
10.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述装置还包括应用于所述磁体的外表面的保护罩。
11.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述装置还包括：
沿纵向设置在所述磁体和所述第二端之间的柱形锁紧螺母；
第一柱形密封件；和
第二柱形密封件，
其中所述第一柱形密封件在所述磁体的北磁极和所述凸缘的顶面之间形成界面，并且
所述第二柱形密封件在所述磁体的南磁极和所述锁紧螺母的边缘之间形成界面，
从而所述柱形锁紧螺母防止所述磁体的纵向移动。
12.根据权利要求11的装置，其特征在于，所述第一和第二柱形密封件是弹性体O形环。
13.一种用于阻止由流过生产油管的流体内存在的烃形成固相沉积物或清除所述固相沉积物的方法，所述方法包括：
a)将权利要求1的磁性装置通过螺纹连接到将被放置在地下井眼内的第一管道的端部；
b)使所述第一管道伸入地层；
c)将多个管道连接并放置在所述第一管道上；
d)将权利要求1的磁性装置通过螺纹连接到随后将被放置在地下井眼内的管道的端部；
重复步骤a)到d)的方法，以便设置纵向间隔一定距离的多个磁性装置。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述磁性装置沿纵向间隔大约100英尺到大约500英尺的距离。
15.根据权利要求13的方法，其特征在于，被清除或阻止形成的固相沉积物是垢沉积物、石蜡沉积物、水合物沉积物、沥青质沉积物或它们的组合。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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