CN105277659A - 一种动态模拟石油管结垢结蜡的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管道结垢结蜡的实验装置及方法，该装置包括：储液池、变频电机、螺杆泵、恒温水浴箱、第一测试管、第二测试管、盖板、挂片试样。储液池用于容纳实验所需油水，并与温度控制系统、加热器连接，保证油水温度恒定在预设值；通过变频电机与螺杆泵实现预定流量的油水输出；恒温水浴箱用于模拟测试管段壁温，研究沉积物特性随壁温差的变化规律及机理；第一测试管为全尺寸管材段，用于完全模拟管材结垢结蜡；第二测试管为带开口的管材段，用于研究沉积物特性随时间的变化规律及机理。本发明能为研制及评价清、防垢/蜡措施提供新的方法和支撑，保障石油管的安全、经济、高效运行。

Description

一种动态模拟石油管结垢结蜡的装置及方法

技术领域

本发明涉及石油管结垢结蜡实验装置及方法，具体是一种动态模拟石油管结垢结蜡的装置及方法。

背景技术

随着油气田开发的不断深入，油层能量逐渐衰减，注水、热采、气驱、化学驱等二次三次采油技术已大规模应用于国内外油田。与此同时，也引发了一系列问题，一是注入水或地层水由于温度、压力、流速的变化，导致水体呈过饱和状态，生成垢物，如CaCO₃、CaSO₄、BaSO₄、SrSO₄等；二是热采的运用，升高了管内流体温度，提高了结垢反应活跃度；而气驱、化学驱的应用，加剧了地层水与注入水的不配伍性。另外，由于温度、压力、流速、相态等条件的变化，原油中的轻质组分逐渐损失，破坏了石蜡在原油中的溶解平衡，石蜡溶解度降低，石蜡晶体析出、聚集、凝结并黏附于生产设施表面，即原油结蜡。

结垢结蜡问题对石油管的安全、经济、高效运行所构成的威胁主要表现在：(1)结垢结蜡往往使注入管线和油套管的过流面积减小，设备处理能力降低；(2)沉积物堵塞井眼、油管、阀门、套管射孔，阻塞抽油泵，磨损抽油杆管；(3)管道表面结垢易造成垢下腐蚀，甚至穿孔，当压力增大时，被垢物堵塞和腐蚀的管道可能爆裂，造成严重的安全事故。

国内外学者关于结垢结蜡机理的研究表明，结垢结蜡是受流体温度与压力、流速、时间、管材材质及其表面特性等多因素所共同控制的动态过程；此外，壁温差(管内流体温度与管道壁面温度的差值)也是影响原油结蜡的重要因素。

目前，石油天然气行业主要采用静态法和动态法模拟石油管结垢结蜡。其中，静态法总体上分为两种：(1)将采出液置入烧杯，并在一定压力条件下，加热采出液至预设温度，恒定一段时间后，对比反应前后采出液成垢离子浓度的变化。如沈坤蓉所进行的静态结垢实验。(2)将管材试样浸泡于油井采出液，并在一定压力条件下，加热采出液至预设温度，恒定一段时间后，对比反应前后的试样质量。如庞丽娜所采用的高温高压釜实验。静态法流程简单，易于实现，但由于流体流速、壁温差与真实环境下的油水流动状态相去甚远，故不足以真实模拟油水管流环境。

动态法同样有两种实现方式：(1)将管材试样置入高温高压釜内，在对釜内温度、压力、气体组分进行控制的同时，利用搅拌器搅动釜内液体，模拟流速。如苗青等人所设计的高压密封环流式原油结蜡模拟装置。该方法虽可模拟流速对垢沉积与蜡沉积的影响，但其环形流动与实际管内的线型流动差异很大，流体对壁面沉积物的剪切作用并不相同，难以准确模拟真实管流下流速对沉积物的影响。(2)模拟实际石油管线路设计，建立环道装置，利用泵循环采出液，调节泵参数，模拟真实管流速度，循环一定时间后，运用差压法、传热法等理论，计算结垢结蜡速率、厚度。如于达等人研制的管道结蜡实验装置及方法。然而，该方法仍然存在较大缺陷，即不能研究沉积物特性随时间的变化规律及机理。依据现有的研究发现，沉积物的组分、类型、硬度等沉积物特性均会随时间发生变化。根据沉积物的组分、物相、硬度，针对性的研制相应药剂、抗结垢结蜡管材等除垢清蜡措施，科学确定除垢清蜡周期，无疑对油田生产具有重大实际意义。

通过对石油管结垢结蜡实验装置及方法的研究发现，现有技术不能在真实模拟流体温度与压力、流速、管材材质及其表面特性、壁温差的同时，研究时间对垢沉积与蜡沉积的作用规律与机理。上述因素无不对石油管的垢沉积与蜡沉积产生重要影响，而时间因素对沉积物特性的影响，直接关乎除垢清蜡措施的制定与实施。因此，开展模拟真实环境下的垢沉积与蜡沉积研究，评价流体温度与压力、流速、时间、管材材质及其表面特性、壁温差与垢沉积、蜡沉积的相关性，进而基于评价结果，研制科学有效的防治措施有着显著的现实意义。

有鉴于此，为探究管流环境因素对结垢结蜡的作用机理，并克服现有模拟石油管结垢结蜡技术的不足，基于相似原理，本发明提出了一种动态模拟石油管结垢结蜡的装置及方法。

发明内容

基于相似原理，本发明提供一种能在真实模拟流体温度与压力、流速、管材材质及其表面特性、壁温差的条件下，研究时间对垢沉积与蜡沉积的作用规律与机理，进而准确预测垢沉积与蜡沉积速率的装置及方法，并以此为室内评价注入水与地层水的配物性，除垢剂、阻垢剂、清蜡剂、防蜡剂及抗结垢结蜡管材性能提供新的方法和支撑，从而保障石油管的安全、经济、高效运行。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提出了一种动态模拟石油管结垢结蜡的装置，主要包括：温度控制系统、加热器、储液池、保温层、第一输液管、变频电机、螺杆泵、第二输液管、第一阀门、恒温水浴箱、第一测试管、法兰、流量表、压力表、温度计、第三输液管、第二测试管、第二阀门、第一台肩、第二台肩、第二测试管环空、第二测试管下管壁、盖板、A类通孔、挂片试样、B类通孔、上螺母、螺栓、下螺母、密封垫圈。储液池用于容纳实验所需油水，并与温度控制系统、加热器连接，保证油水温度恒定在预设值；螺杆泵通过第一输液管与储液池连接，驱替油水介质在管路中循环流动；变频电机用于调节螺杆泵转速，以实现预定流量的油水输出；第一阀门与第二阀门分别用于控制第一测试管与第二测试管的流量；流量表、压力表、温度计与输液管相连，用于测量流经测试管段的流体流量、压力与温度；第一测试管为全尺寸管材段，用于完全模拟管材结垢结蜡；第二测试管为带开口的管材段，内置挂片试样，用于研究沉积物特性随时间的变化规律及机理；恒温水浴箱用于模拟测试管段壁温，研究沉积物特性随壁温差的变化规律及机理。

本发明所述第二测试管为带开口的管材段，其材质与外管相同。第二测试管上管壁分别设有第一台肩与第二台肩，其中，第二台肩与盖板间设有密封垫圈，由此通过台肩密封与垫圈密封，实现盖板对管内流体的密封。

本发明所述盖板为矩形板状，其材质与测试管一致。盖板上合理布置相等孔径的A类通孔，用于螺栓对挂片试样的悬挂。

本发明所述挂片试样为矩形片状，其材质与测试管一致。试样上设置B类通孔，用于螺栓与挂片试样的连接。

本发明所述盖板与螺栓通过上下螺母紧固连接，并实现挂片试样悬挂高度的调节。

本发明所述盖板与螺栓通过垫圈密封实现。

本发明利用变频电机控制螺杆泵转速，以实现预定流量油水输出。使用螺杆泵的有益技术效果在于：(1)降低油流的过泵剪切强度，由此减小剪切作用对蜡晶形态的影响，降低对管材结蜡的干扰；(2)过泵剪切强度低，过泵流体升温小，降低摩擦生热对流体温度的干扰；(3)输出流量连续、均匀、匀速。

本发明第一测试管的设置，能全尺寸模拟管材结垢、结蜡，验证结垢、结蜡预测模型的准确性。

本发明第二测试管上开口与盖板的设置，便于实验过程中从第二测试管内取样，研究沉积物特性随时间的变化规律及机理，建立结垢、结蜡预测模型。

另一方面，本发明提出了一种动态模拟石油管结垢结蜡的方法，所述方法为：基于油田运行参数，运用相似原理，计算实验所需管输压力、流速、管径，完成实验方案设计；利用温度控制系统与加热器加热储液池内的油水至预设温度，而当油水温度达到预设温度时，通过变频电机控制螺杆泵转速，以实现预定流量的油水输出，利用第一阀门与第二阀门分别控制第一测试管与第二测试管的流量，分别通过流量表、压力表与温度计对实验条件进行实时监测；其中，第一测试管与第二测试管均浸泡于恒温水浴箱，通过对水浴温度的控制，实现壁温差的模拟；通过控制A类通孔间隔及挂片试样悬挂高度，避免流态的改变对垢晶、蜡晶的形成与吸附造成影响；每隔一定时间于第二测试管内取样一次，直至取出所有挂片试样，以研究沉积物特性随时间的变化规律及机理；停泵后，分析第一测试管及挂片试样的增重量、表面形貌、沉积物组分物相，得到各实验因素对结垢结蜡的作用规律与机理；基于各时间点下的挂片试样增重量建立结垢、结蜡预测模型，结合第一测试管增重量验证预测模型的准确性。

需特别指出的是，现有环道装置多为非全尺寸模型，这就要求所搭建的模型与原型具有几何相似，并兼具流体的运动相似与动力相似。因此，本发明基于油田运行参数，运用相似原理，计算实验所需管输压力、流速、管径，完成实验方案设计，保证模型流动的实验结果能有价值的返回原型流动所需解决的问题。

本发明控制A类通孔间隔与挂片试样悬挂高度的目的在于，避免流态的改变对垢晶、蜡晶的形成与吸附造成影响。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明基于油田运行参数，运用相似原理，计算实验所需管输压力、流速、管径，保证模型与原型的几何相似、运动相似和动力相似，实验所得数据能准确描述对应原型的流动现象；

(2)本发明通过对流体温度与压力、流速、管材材质及其表面特性、壁温差的控制，真实模拟油水管流环境；

(3)本发明能在真实模拟油水管流环境的前提下，研究时间对垢沉积与蜡沉积的作用规律与机理；

(4)本发明能在真实模拟油水管流环境的条件下，建立结垢、结蜡预测模型，并验证相应模型的准确性；

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式限制本发明的公开范围。另外，图中各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性，以帮助对本发明的理解，并不具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明第二测试管结构示意图；

图3为本发明盖板结构示意图；

图4为本发明挂片试样结构示意图；

图5为本发明盖板与螺栓连接示意图。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明具体实施方式，仅用于本发明解释，而不能以任何方式理解为对本发明的限制。

如附图所示，本发明提出的动态模拟石油管结垢结蜡装置，主要包括：温度控制系统1、加热器2、储液池3、保温层4、第一输液管5、变频电机6、螺杆泵7、第二输液管8、第一阀门9、恒温水浴箱10、第一测试管11、法兰12、流量表13、压力表14、温度计15、第三输液管16、第二测试管17、第二阀门18、第一台肩19、第二台肩20、第二测试管环空21、第二测试管下管壁22、盖板23、A类通孔24、挂片试样25、B类通孔26、上螺母27、螺栓28、下螺母29、密封垫圈30。

为使本发明的发明目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行阐述。

实施实例1：结垢实验方法及步骤：

步骤一：基于油田运行参数，运用相似原理，计算实验所需管输压力、流速、管径，完成实验方案设计；

步骤二：截取两根相同管材分别作为第一测试管11与第二测试管17，并依据图2所示加工第二测试管17；

步骤三：依据图3所示加工盖板23，保证相邻A类通孔24的合理间距，避免流态的改变对垢晶的形成与吸附造成影响；

步骤四：加工并分组挂片试样25，分别采用不同目数的金相砂纸打磨挂片试样25；

步骤五：清洗、干燥、测量挂片试样25与第一测试管11的质量、壁厚；

步骤六：将第一测试管11、第二测试管17通过法兰12与第二输液管8、第三输液管16连接，通过上螺母27、下螺母29与密封垫圈30实现螺栓28与盖板23的连接、密封，同时利用上螺母27与下螺母29实现挂片试样25悬挂高度的调节，避免流态的改变对垢晶的形成与吸附造成影响，挂片试样25安装完毕后，紧密连接盖板23与第二台肩20；

步骤七：加热储液池3内的地层水至预设温度，待水温达到预设值后，通过变频电机6控制螺杆泵7转速，实现预定流量的地层水输出，并分别利用第一阀门9与第二阀门18控制第一测试管11与第二测试管17的流量，分别通过流量表13、压力表14与温度计15对实验条件进行实时监测；

步骤八：每隔一定时间于第二测试管17内取样一次，干燥、称重，直至取出所有挂片试样25，停泵，干燥、测量第一测试管11的质量、壁厚；

步骤九：分析第一测试管11与第二测试管17内挂片试样25的增重量、表面形貌、沉积物组分及物相，得出流体温度与压力、流速、时间、管材材质及表面特性、时间对结垢的作用规律与机理；

步骤十：基于各时间点下的挂片试样25增重量建立结垢预测模型，结合第一测试管11增重量验证预测模型的准确性。

实施实例2：结蜡实验方法及步骤：

步骤一：基于油田运行参数，运用相似原理，计算实验所需管输压力、流速、管径，完成实验方案设计；

步骤二：截取两根相同管材分别作为第一测试管11与第二测试管17，并依据图2所示加工第二测试管17；

步骤三：依据图3所示加工盖板23，保证相邻A类通孔24的合理间距，避免流态的改变对蜡晶的形成与吸附造成影响；

步骤四：加工并分组挂片试样25，分别采用不同目数的金相砂纸打磨挂片试样25；

步骤五：清洗、干燥、测量挂片试样25与第一测试管11的质量、壁厚；

步骤六：将第一测试管11、第二测试管17通过法兰12与第二输液管8、第三输液管16连接，通过上螺母27、下螺母29与密封垫圈30实现螺栓28与盖板23的连接、密封，同时利用上螺母27与下螺母29实现挂片试样25悬挂高度的调节，避免流态的改变对蜡晶的形成与吸附造成影响，挂片试样25安装完毕后，紧密连接盖板23与第二台肩20；

步骤七：加热储液池3内的原油，与恒温水浴箱10内的水至预设温度，待油温、水温分别达到预设值后，通过变频电机6控制螺杆泵7转速，实现预定流量的原油输出，并分别利用第一阀门9与第二阀门18控制第一测试管11与第二测试管17的流量，分别通过流量表13、压力表14与温度计15对实验条件进行实时监测；

步骤八：每隔一定时间于第二测试管17内取样一次，清洗、干燥、称重，直至取出所有挂片试样25，停泵，清洗、干燥、测量第一测试管11的质量、壁厚；

步骤九：分析第一测试管11与第二测试管17内挂片试样25的增重量、表面形貌、沉积物组分及物相，得出流体温度与压力、流速、时间、管材材质及表面特性、壁温差、时间对结蜡的作用规律与机理；

步骤十：基于各时间点下的挂片试样25增重量建立结蜡预测模型，结合第一测试管11增重量验证预测模型的准确性。

以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明并不对本发明的实质内容作任何形式的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质，对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，及可能利用上述技术内容加以变更或修饰的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (2)

1.一种动态模拟石油管结垢结蜡的装置，其特征在于：

温度控制系统(1)、加热器(2)、储液池(3)、变频电机(6)、螺杆泵(7)、恒温水浴箱(10)、第一测试管(11)、第二测试管(17)、盖板(23)、A类通孔(24)、挂片试样(25)；

利用温度控制系统(1)与加热器(2)加热储液池(3)内的油水至预设温度；

通过变频电机(6)控制螺杆泵(7)转速，实现预定流量的油水输出；

相比于其它类型的泵，螺杆泵能降低油流的过泵剪切强度，及摩擦生热对流体温度的干扰；

第一测试管(11)与第二测试管(17)均浸泡于恒温水浴箱(10)，通过对水浴温度的控制，实现壁温差的模拟；

第一测试管(11)为全尺寸管材段，能完全模拟管材结垢、结蜡，验证结垢、结蜡预测模型的准确性；

第二测试管(17)为带开口的管材段，用于研究沉积物特性随时间的变化规律及机理，建立结垢、结蜡预测模型。

2.根据权利要求1，一种动态模拟石油管结垢结蜡的方法，其特征在于：

基于油田运行参数，运用相似准则，计算实验所需管输压力、流速、管径，完成实验方案设计；

控制A类通孔(24)间隔及挂片试样(25)悬挂高度，避免流态的改变对垢晶、蜡晶的形成与吸附造成影响；

每隔一定时间于第二测试管(17)内取样一次，直至取出所有挂片试样(25)，以研究沉积物特性随时间的变化规律及机理；

停泵后，分析第一测试管(11)与挂片试样(25)的增重量、表面形貌、沉积物组分及物相，得出流体温度与压力、流速、时间、管材材质及其表面特性、壁温差、时间对结垢结蜡的作用规律与机理，建立并验证结垢、结蜡预测模型。