CN115387758A - 一种井筒清蜡除垢装置及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井筒清蜡除垢装置及操作方法，包括：井口装置、地面流体注入及回收系统、吊卡机构、清蜡除垢器；其中，清蜡除垢器包括旋转密封头、冲蚀机构、旋转机构A、旋转联轴器A、皮碗密封器、旋转联轴器B、旋转机构B和机械除垢器；冲蚀机构可以随着旋转机构A的旋转实现周向自由转动,而机械除垢器也可以随着旋转机构B的旋转实现周向自由转动。该装置在清蜡除垢作业过程中，机械除垢器将首先对油管内较大的积蜡和结垢进行初步清除，与此同时地面流体注入及回收系统将加热后的清蜡剂及加砂罐中的固体颗粒，通过高压软管泵入保温管，最终由冲蚀机构喷出，完成对油管表面的深度清理，实现对油管内壁的清蜡及其除垢作业。
Description
技术领域
本发明涉及石油管工程技术领域，更具体地说，涉及一种井筒清蜡除垢装置及操作方法。
背景技术
近年来，油田开发力度的不断增强，促使井筒治理工艺技术有了全新的发展,但也存在着诸多的问题，致使油井的生产效率难以达到预期标准。其中，清防蜡以及防结垢等相关问题作为井筒治理工艺技术的主要针对点。结蜡的原因主要是由于油田在正式开采前，原油一直处在高温高压的恶劣环境中，主要以单项液态形式存在，这就导致蜡极易溶解在原油中，随着原油的开采，致使压力以及温度也会明显下降，当压力难以达到相应标准时，就会导致石蜡溶解的平衡条件遭到破坏，产生相应的石蜡结晶，此时原油的温度也会降低到原来蜡晶析出的温度，从而导致油管内壁上也会出现更多的蜡晶微粒，致使原油的开采效率无法达到预期标准。此外，对于开发中后期水量占比较高的油井，其油管内壁也会产生大量的结垢，大量的结垢和石蜡结晶将严重影响原油的开采效率。但是目前清防蜡和防结垢措施单一，现有装置无法同时满足清蜡和除垢的作业进行。
发明专利CN105317402A公开了用于自喷井的清蜡器。该装置包括布置在自喷井中的第一位置处的第一换向装置；布置在自喷井中的第二位置处的第二换向装置；具有刮蜡瓦片的清蜡器，清蜡器位于第一位置和所述第二位置之间且能够在第一位置和第二位置之间移动，且当其碰撞到所述第一换向装置或所述第二换向装置时，运动方向转变为与原来的方向相反的方向。该装置可以有效利用重力和自喷井的流体动能，在几乎无外部能量输入的情况下反复地上行和回落，同时进行清蜡工作。但是该装置为了减少清蜡器移动时产生的摩擦，从而使清蜡器无法与油管内壁充分接触，从而导致无法完全清除油管内壁的积蜡，此外该装置无法完成对油管内壁结垢物的清除。
发明专利CN114086917A公开了油井清蜡方法、装置、设备及存储介质。该装置通过从多口油井对应的传感器接收压力信号，利用压力信号用于指示所述多口油井的结蜡状态；根据所述压力信号，确定待清蜡的油井，并启动加热装置进行加热。该装置无需人工判断需要清蜡的油井，提高了设备的利用率，还实现了自动清蜡的效果。但是油井实际生产过程中油管内结蜡区域较大，而该装置仅能实现局部加热除蜡，且装置不适合在井筒中大量布置，因此难以广泛应用。
发明专利CN105089559A公开了一种油井自动清蜡装置。该装置包括油管和油管上等距离设置有三个清蜡单元，清蜡单元位于套管内，清蜡单元通过铠装电缆与设置在套管外的配电柜连接；清蜡单元本体上沿着通孔呈放射性设置多个内部磁控管，清蜡单元本体边缘均匀分布有三个外部磁控管和一个铠装电缆，铠装电缆旁设置有温控装置，温控装置和清蜡单元电连接。该装置通过铠装电缆通电控制清蜡单元加热油管，从而实现对油管内的结蜡进行清除。但是该装置为了完成井筒全部油管的清除，需要同时在多个油管外布置大量的清蜡单元，从而应用成本增加，难以广泛推广，此外该装置无法在清蜡的同时对油管内壁的结垢进行清除。
因此，如何提供一种井筒清蜡除垢装置及其应用方法，使其能够克服上述问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种井筒清蜡除垢装置及其应用方法，解决了井筒无法在清蜡的同时对油管内壁结垢进行清除的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种井筒清蜡除垢装置，包括：
井口装置，包括自上而下依次布置且固定连接的井口防喷器、油管头和套管头；井口防喷器、油管头和套管头整体坐落于井口上方；井口下部的井筒内设置有用以采油的油管，油管的外部套设有套管，套管与套管头的底端相连接；保温管自上而下依次穿过井口防喷器、油管头和套管头并插入井筒的油管内；
地面流体注入及回收系统，包括清蜡剂储液罐、涡轮泵、加热器、配电柜、高压柱塞泵、单向阀一、流量计、加砂罐、高压软管、固液分离器、滚筒筛、冷凝器、返排管线、液相回收管、注砂管和单向阀二；清蜡剂储液罐的出液端通过管道与加热器的进液端连通，清蜡剂储液罐和加热器之间的管道上安装有流量计和涡轮泵；加热器的出液端与高压柱塞泵的进液端连通，高压柱塞泵的出液端通过管道与加砂罐的进液端连通，加砂罐的出液端通过高压软管与保温管的顶端连通；高压柱塞泵和加砂罐之间的管道上安装有单向阀一和流量计；冷凝器的进液端通过返排管线分别与油管头和套管头连通，返排管线在靠近油管头和套管头处分别对应安装有一单向阀二；冷凝器的出液端与固液分离器的进液端连通，固液分离器的固相出口与滚筒筛的进口连通，固液分离器的液相出口通过液相回收管与清蜡剂储液罐的出液端相连；滚筒筛的出口通过注砂管与加砂罐连通；涡轮泵、高压柱塞泵、固液分离器和滚筒筛均与配电柜电性连接；
吊卡机构，位于井口防喷器的上方，用于吊放保温管；
清蜡除垢器，保温管的底端通过保温短节与位于油管内部的清蜡除垢器相连；清蜡除垢器包括旋转密封头、冲蚀机构、旋转机构A、旋转联轴器A、皮碗密封器、旋转联轴器B、旋转机构B和机械除垢器；旋转密封头的主体为旋转外套筒，保温短节的下部伸入旋转外套筒内，并与旋转外套筒内的对应结构实现连接；旋转外套筒的下端通过内螺纹与冲蚀机构的喷头主体上端连接，喷头主体的下端通过内螺纹管与旋转机构A的第一芯杆上端连接，第一芯杆的下端与旋转联轴器A上端的联轴器接头连接，旋转联轴器A通过其下端的联轴器转轴与皮碗密封器的第二芯杆上端连接，第二芯杆的下端与旋转联轴器B上端的联轴器接头连接,旋转联轴器B通过其下端的联轴器转轴与旋转机构B的第一芯杆上端连接，第一芯杆的下端与机械除垢器的第三芯杆上端连接；
冲蚀机构能够随着旋转机构A的旋转实现周向自由转动,机械除垢器能够随着旋转机构B的旋转实现周向自由转动。
本发明装置在清蜡除垢作业过程中，机械除垢器将首先对油管内较大的积蜡和结垢进行初步清除，与此同时地面流体注入及回收系统将加热后的清蜡剂及加砂罐中的固体颗粒，通过高压软管泵入保温管，最终由冲蚀机构喷出，完成对油管表面的深度清理，实现对油管内壁的清蜡及其除垢作业。
优选的，旋转密封头包括旋转外套筒、承压轴承A、V型组合密封和定位圆环，旋转外套筒的顶端设有阻挡环，下端内壁设有内螺纹，旋转外套筒套于保温短节外部，旋转外套筒内壁和保温短节外杆壁形成的环形空间由上至下内依次设置有第一承压轴承A、V型组合密封、定位圆环和第二承压轴承A，旋转外套筒通过两个承压轴承A实现与保温短节之间的相对转动；保温短节分为上部分和下部分，下部分的外径大于上部分的外径，上部分的环形底面抵于旋转外套筒的顶面；定位圆环通过其上的内螺纹与保温短节的下端连接，以限制旋转外套筒、第一承压轴承A和V型组合密封的向下运动。
优选的，冲蚀机构包括喷头主体、扇形喷头和内螺纹管，喷头主体的内部中空，喷头主体上端开口、下端密封，并在下端面固定连接向下延伸的内螺纹管，喷头主体的上端与保温短节的下端贯通；喷头主体的上部通过与旋转外套筒的下端内螺纹连接进而压紧第二承压轴承A；喷头主体的外壁中部沿周向均匀设有若干螺纹通孔，螺纹通孔与扇形喷头的数量一致，一个扇形喷头对应安装于一个螺纹通孔内。
优选的，单个扇形喷头喷出的最佳流量Q,根据公式①计算如下：
其中，
f(α)＝2cosαsin1.5α ③
式中，Q为单个扇形喷头喷出的最佳流量，m3/s；β为固相颗粒出口面积修正系数，无量纲；d1、d2、d3为三个喷嘴出口直径，m；Vt为除垢除蜡速率，m3/s；dp为固相颗粒直径，m；b为固相颗粒体积分数，无量纲；σs为蜡垢混合物弹性极限，Pa；Rt为粒子圆度系数，无量纲；ρp为粒子密度，kg/m3；α为扇形喷头与井眼中心线的夹角，度。
优选的，扇形喷头与井眼中心线的夹角为α，夹角α的取值范围为15°-35°。
优选的，旋转机构A和旋转机构B的结构相同，均包括第一芯杆、基座套筒、旋转轴、定位螺柱、滚轮支架和滚轮，第一芯杆的两端为螺纹外接头；第一芯杆沿其周向固定连接若干个基座套筒，且基座套筒的轴线方向垂直于第一芯杆的轴线方向；基座套筒的筒体内对应嵌套旋转轴，旋转轴的一端抵于第一芯杆外壁面，另一端固定连接有滚轮支架；基座套筒沿其周向均匀设有若干套筒侧孔，旋转轴上对应设有定位通孔，定位螺柱穿过套筒侧孔连接于定位通孔中，限制旋转轴的转动；滚轮支架上安装有滚轮，滚轮抵于油管内壁。
优选的，旋转联轴器A和旋转联轴器B的结构相同，均包括联轴器接头、联轴器外套筒、承压轴承B和联轴器转轴，联轴器接头的下端外壁上设有外螺纹，上端为外六角螺母头，外六角螺母头的中部为内螺纹接头；联轴器转轴顶端设有转轴环，转轴环夹于两组承压轴承B之间，位于上方的一组承压轴承B位于联轴器接头底端的台阶上；联轴器外套筒与联轴器接头的下端通过螺纹连接，进而由下至上压紧承压轴承B与转轴环，限制承压轴承B和转轴环沿轴向的运动；联轴器转轴的中部设有内螺纹；
第一芯杆下端的螺纹外接头与旋转联轴器A上端的内螺纹接头配合，实现螺纹连接；旋转联轴器A通过其下端的联轴器转轴与皮碗密封器的第二芯杆上端螺纹连接；第二芯杆下端的螺纹外接头与旋转联轴器B上端的内螺纹接头配合，实现螺纹连接；旋转联轴器B通过其下端的联轴器转轴与旋转机构B的第一芯杆上端螺纹连接。
优选的，皮碗密封器包括第二芯杆、皮碗、活动盘、固定盘和压紧螺栓，第二芯杆两端为螺纹外接头，第二芯杆的杆体中间固定套接有固定盘，活动盘套设于第二芯杆的杆体上，且位于固定盘的下方；皮碗夹于活动盘和固定盘之间，压紧螺栓穿过固定盘、皮碗以及活动盘将皮碗压紧。
优选的，机械除垢器包括第三芯杆、小滚刀骨架、小滚刀、小滚刀轴、大滚刀和锁紧螺母，第三芯杆上端为变径螺纹接头，下端设置有外螺纹；小滚刀骨架套装在第三芯杆上，第三芯杆靠近变径螺纹接头的外表上设置有芯杆凸起，芯杆凸起与小滚刀骨架靠近中心一端的凹槽A配合，实现第三芯杆和小滚刀骨架的同步转动；小滚刀骨架远离中心处设置有若干组小滚刀，小滚刀的上下两端设置有台阶，台阶内安装有滚珠轴承，小滚刀和滚珠轴承作为整体安装在小滚刀轴的外侧壁上，实现小滚刀能够相对小滚刀轴转动；小滚刀轴的上下两端固定于小滚刀骨架上；小滚刀轴的上下两端还安装有限制小滚刀轴向移动的卡簧；小滚刀的中心线与油管的管中心线平行；大滚刀套装在第三芯杆的外侧壁的下端，大滚刀的上端设置有大滚刀上凸起，大滚刀上凸起与小滚刀骨架下端的凹槽B配合，使小滚刀骨架与大滚刀同步转动；锁紧螺母与第三芯杆的下端螺纹连接，以限制小滚刀骨架和大滚刀的轴向运动；小滚刀与大滚刀的外壁均螺旋环绕有切削刃。
优选的，加砂罐中的固相颗粒为石英砂或者陶瓷颗粒。
本发明还请求保护上述井筒清蜡除垢装置的操作方法，具体包括如下步骤：
S1、在地面依次将旋转密封头、冲蚀机构、旋转机构A、旋转联轴器A、皮碗密封器、旋转联轴器B、旋转机构B和机械除垢器进行组装；
S2、将组装好的清蜡除垢器与保温短节下端连接，保温短节的上端与第一根保温管的下端连接，第一根保温管的上端与高压软管连接，利用吊卡机构将清蜡除垢器、保温短节和保温管整体吊装至井筒的油管内，将返排管线与油管头和套管头连接，将清蜡剂加入清蜡剂储液罐，并在加砂罐中加入固相颗粒；
S3、启动涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器和滚筒筛，并打开加砂罐阀门，测试其是否正常工作；
S4、清蜡除垢作业，打开涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器、滚筒筛和加砂罐阀门，并利用吊卡机构缓慢下放保温管，与此同时清蜡除垢器最下端的机械除垢器在旋转机构B的作用下开始旋转，并对油管内壁的大量积蜡和结垢进行机械清除，清蜡除垢器的冲蚀机构利用含砂热流体的射流冲击对油管内壁的积蜡和结垢彻底清理，清理后的固液两相废液将通过油管与保温管形成的环形空间上返至地面，并通过与油管头连接的返排管线进入冷凝罐，去除蜡的废液接着进入固液分离器，经固液分离器分离的液相由涡轮泵重新泵入清蜡剂储液罐出液管路被循环使用，经固液分离器分离的固相杂质，由滚筒筛筛选出固相颗粒后，固相颗粒经注砂管重新注入加砂罐循环使用；
S5、当吊装上一根保温管的吊卡机构再次落于井口防喷器上方时，关闭涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器和滚筒筛，并将下一根保温管吊装至井口防喷器上方，利用液压钳将下一根保温管的底部与上一根保温管的顶部连接好并对下一根保温管进行下放，然后同时打开涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器、滚筒筛和加砂罐阀门，继续清理油管内壁积蜡和结垢；依次循环完成整个井筒油管内壁积蜡和结垢的清理。
本发明提供了一种井筒清蜡除垢装置，与现有清蜡除垢装置相比，具有以下优点：
(1)清蜡除垢器的下端装有机械除垢器，能对油管内较大的结垢及其结蜡进行自动清除。
(2)清蜡除垢器的冲蚀机构利用扇形喷嘴喷出的高压固液两相热流体，彻底完成了对油管内壁结蜡及结垢的清除。
(3)本发明装置在清蜡除垢作业过程中，能够实现对清蜡剂及固相颗粒的重复利用，避免了所用作业流体的浪费。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的整体装置布置示意图。
图2为本发明实施例提供的清蜡除垢器的等轴测示意图。
图3为本发明实施例提供的旋转密封头和冲蚀机构局部剖视图的等轴测示意图。
图4为本发明实施例提供的旋转机构局部剖视图的等轴测示意图。
图5为本发明实施例提供的旋转联轴器局部剖视图的等轴测示意图。
图6为本发明实施例提供的皮碗密封器局部剖视图的等轴测示意图。
图7为本发明实施例提供的机械除垢器局部剖视图的等轴测示意图。
图8为本发明实施例提供的扇形喷头与井眼中心线夹角示意图。
附图中：1-地面流体注入及回收系统；2-清蜡除垢器；3-油管头；4-套管头；5-井口防喷器；6-保温管；7-清蜡剂储液罐；8-涡轮泵；9-加热器；10-配电柜；11-高压柱塞泵；12-单向阀一；13-流量计；14-加砂罐；15-高压软管；16-固液分离器；17-滚筒筛；18-返排管线；19-液相回收管；20-注砂管；21-单向阀二；22-吊卡机构；23-油管；24-套管；25-冷凝器；26-保温短节；27-旋转密封头；28-冲蚀机构；29-旋转机构A；30-旋转联轴器A；31-皮碗密封器；32-旋转联轴器B；33-旋转机构B；34-机械除垢器；35-旋转外套筒；36-承压轴承A；37-阻挡环；38-V型组合密封；39-定位圆环；40-喷头主体；41-内螺纹管；42-扇形喷头；43-第一芯杆；44-螺纹外接头；45-基座套筒；46-旋转轴；47-滚轮支架；48-滚轮；49-套筒侧孔；50-定位通孔；51-定位螺柱；52-联轴器接头；53-内螺纹接头；54-联轴器外套筒；55-联轴器转轴；56-转轴环；57-承压轴承B；58-外六角螺母头；59-第二芯杆；60-固定盘；61-皮碗；62-活动盘；63-压紧螺栓；64-第三芯杆；65-变径螺纹接头；66-芯杆凸起；67-小滚刀骨架；68-凹槽A；69-凹槽B；70-小滚刀轴；71-卡簧；72-滚珠轴承；73-小滚刀；74-大滚刀；75-大滚刀上凸起；76-锁紧螺母；77-切削刃。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：
如图1-7所示，本发明提供的一种井筒清蜡除垢装置，包括：井口装置、地面流体注入及回收系统1、吊卡机构22、清蜡除垢器2。
参照图1所示，井口装置包括自上而下依次布置且固定连接的井口防喷器5、油管头3和套管头4；井口防喷器5、油管头3和套管头4整体坐落于井口上方；井口下部的井筒内设置有用以采油的油管23，油管23的外部套设有套管24，套管24与套管头4的底端相连接；保温管6自上而下依次穿过井口防喷器5、油管头3和套管头4并插入井筒的油管23内。
地面流体注入及回收系统1包括清蜡剂储液罐7、涡轮泵8、加热器9、配电柜10、高压柱塞泵11、单向阀一12、流量计13、加砂罐14、高压软管15、固液分离器16、滚筒筛17、冷凝器25、返排管线18、液相回收管19、注砂管20和单向阀二21；清蜡剂储液罐7的出液端通过管道与加热器9的进液端连通，清蜡剂储液罐7和加热器9之间的管道上安装有流量计13和涡轮泵8；加热器9的出液端与高压柱塞泵11的进液端连通，高压柱塞泵11的出液端通过管道与加砂罐14的进液端连通，加砂罐14的出液端通过高压软管15与保温管6的顶端连通；高压柱塞泵11和加砂罐14之间的管道上安装有单向阀一12和流量计13；冷凝器25的进液端通过返排管线18分别与油管头3和套管头4连通，返排管线18在靠近油管头3和套管头4处分别对应安装有一单向阀二21；冷凝器25的出液端与固液分离器16的进液端连通，固液分离器16的固相出口与滚筒筛17的进口连通，固液分离器16的液相出口通过液相回收管19与清蜡剂储液罐7的出液端相连；滚筒筛17的出口通过注砂管20与加砂罐14连通；涡轮泵8、高压柱塞泵11、固液分离器16和滚筒筛17均与配电柜10电性连接。
吊卡机构22位于井口防喷器5的上方，用于吊放保温管6。
保温管6的底端通过保温短节26与位于油管23内部的清蜡除垢器2相连。并且，本发明中的保温短节26为特制保温短节，其分为上部分和下部分，下部分的外径大于上部分的外径，上部分的环形底面抵于旋转外套筒35的顶面上。
参照图2-7所示，清蜡除垢器2包括旋转密封头27、冲蚀机构28、旋转机构A29、旋转联轴器A30、皮碗密封器31、旋转联轴器B32、旋转机构B33和机械除垢器34；旋转密封头27的主体为旋转外套筒35，保温短节26的下部伸入旋转外套筒35内，并与旋转外套筒35内的对应结构实现连接；旋转外套筒35的下端通过内螺纹与冲蚀机构28的喷头主体40上端连接，喷头主体40的下端通过内螺纹管41与旋转机构A29的第一芯杆43上端连接，第一芯杆43的下端与旋转联轴器A32上端的联轴器接头58连接，旋转联轴器A30通过其下端的联轴器转轴55与皮碗密封器31的第二芯杆59上端连接，第二芯杆59的下端与旋转联轴器B32上端的联轴器接头58连接,旋转联轴器B32通过其下端的联轴器转轴55与旋转机构B33的第一芯杆43上端连接，第一芯杆43的下端与机械除垢器34的第三芯杆64上端连接。
参照图2所示，冲蚀机构28能够随着旋转机构A29的旋转实现周向自由转动,机械除垢器34能够随着旋转机构B33的旋转实现周向自由转动。
本发明装置在清蜡除垢作业过程中，机械除垢器34将首先对油管23内较大的积蜡和结垢进行初步清除，与此同时地面流体注入及回收系统1将加热后的清蜡剂及加砂罐14中的固体颗粒，通过高压软管15泵入保温管6，最终由冲蚀机构28喷出，完成对油管23表面的深度清理，实现对油管内壁的清蜡及其除垢作业。
进一步地，如图3所示，旋转密封头27包括旋转外套筒35、承压轴承A36、V型组合密封38和定位圆环39，旋转外套筒35的顶端设有阻挡环37，下端内壁设有内螺纹，旋转外套筒35套于保温短节26外部，旋转外套筒35内壁和保温短节26外杆壁形成的环形空间由上至下内依次设置有第一承压轴承A、V型组合密封38、定位圆环39和第二承压轴承A，旋转外套筒35通过两个承压轴承A36实现与保温短节26之间的相对转动；定位圆环39通过其上的内螺纹与保温短节26的下端连接，以限制旋转外套筒35、第一承压轴承A和V型组合密封38的向下运动。
进一步地，如图3所示，冲蚀机构28包括喷头主体40、扇形喷头42和内螺纹管41，喷头主体40的内部中空，喷头主体40上端开口、下端密封，并在下端面固定连接向下延伸的内螺纹管41，喷头主体40的上端与保温短节26的下端贯通；喷头主体40的上部通过与旋转外套筒35的下端内螺纹连接进而压紧第二承压轴承A；喷头主体40的外壁中部沿周向均匀设有若干螺纹通孔，螺纹通孔与扇形喷头42的数量一致，一个扇形喷头42对应安装于一个螺纹通孔内。
为保证良好的清蜡除垢效果，单个扇形喷头42喷出的最佳流量Q,根据公式①计算如下：
其中，
f(α)＝2cosαsin1.5α ③
式中，Q为单个扇形喷头喷出的最佳流量，m3/s；β为固相颗粒出口面积修正系数，无量纲；d1、d2、d3为三个喷嘴出口直径，m；Vt为除垢除蜡速率，m3/s；dp为固相颗粒直径，m；b为固相颗粒体积分数，无量纲；σs为蜡垢混合物弹性极限，Pa；Rt为粒子圆度系数，无量纲；ρp为粒子密度，kg/m3；α为扇形喷头与井眼中心线的夹角，度。
如图8所示，在一个实施例中，扇形喷头42与井眼中心线的夹角为α，夹角α的取值范围为15°-35°。
进一步地，如图4所示，旋转机构A29和旋转机构B33的结构相同，均包括第一芯杆43、基座套筒45、旋转轴46、定位螺柱51、滚轮支架47和滚轮48，第一芯杆43的两端为螺纹外接头44；第一芯杆43沿其周向固定连接若干个基座套筒45，且基座套筒45的轴线方向垂直于第一芯杆43的轴线方向；基座套筒45的筒体内对应嵌套旋转轴46，旋转轴46的一端抵于第一芯杆43外壁面，另一端固定连接有滚轮支架47；基座套筒45沿其周向均匀设有若干套筒侧孔49，旋转轴46上对应设有定位通孔50，定位螺柱51穿过套筒侧孔49连接于定位通孔50中，限制旋转轴46的转动；滚轮支架47上安装有滚轮48，滚轮48抵于油管23内壁。
进一步地，如图5所示，旋转联轴器A30和旋转联轴器B32的结构相同，均包括联轴器接头52、联轴器外套筒54、承压轴承B57和联轴器转轴55，联轴器接头52的下端外壁上设有外螺纹，上端为外六角螺母头58，外六角螺母头58的中部为内螺纹接头53；联轴器转轴55顶端设有转轴环56，转轴环56夹于两组承压轴承B57之间，位于上方的一组承压轴承B57位于联轴器接头52底端的台阶上；联轴器外套筒54与联轴器接头52的下端通过螺纹连接，进而由下至上压紧承压轴承B57与转轴环56，限制承压轴承B57和转轴环56沿轴向的运动；联轴器转轴55的中部设有内螺纹。
第一芯杆43下端的螺纹外接头44与旋转联轴器A32上端的内螺纹接头53配合，实现螺纹连接；旋转联轴器A30通过其下端的联轴器转轴55与皮碗密封器31的第二芯杆59上端螺纹连接；第二芯杆59下端的螺纹外接头44与旋转联轴器B32上端的内螺纹接头53配合，实现螺纹连接；旋转联轴器B32通过其下端的联轴器转轴55与旋转机构B33的第一芯杆43上端螺纹连接。
进一步地，如图6所示，皮碗密封器31包括第二芯杆59、皮碗61、活动盘62、固定盘60和压紧螺栓63，第二芯杆59两端为螺纹外接头44，第二芯杆59的杆体中间固定套接有固定盘60，活动盘62套设于第二芯杆59的杆体上，且位于固定盘60的下方；皮碗61夹于活动盘62和固定盘60之间，压紧螺栓63穿过固定盘60、皮碗61以及活动盘62将皮碗61压紧。
进一步地，如图7所示，机械除垢器32包括第三芯杆64、小滚刀骨架67、小滚刀73、小滚刀轴70、大滚刀74和锁紧螺母76，第三芯杆64上端为变径螺纹接头65，下端设置有外螺纹；小滚刀骨架67套装在第三芯杆64上，第三芯杆64靠近变径螺纹接头65的外表上设置有芯杆凸起66，芯杆凸起66与小滚刀骨架67靠近中心一端的凹槽A68配合，实现第三芯杆64和小滚刀骨架67的同步转动；小滚刀骨架67远离中心处设置有若干组小滚刀73，小滚刀73的上下两端设置有台阶，台阶内安装有滚珠轴承72，小滚刀73和滚珠轴承72作为整体安装在小滚刀轴70的外侧壁上，实现小滚刀73能够相对小滚刀轴70转动；小滚刀轴70的两端固定于小滚刀骨架67上；小滚刀轴70的上下两端还安装有限制小滚刀73轴向移动的卡簧71；小滚刀73的中心线与油管16的管中心线平行；大滚刀74套装在第三芯杆64的外侧壁的下端，大滚刀74的上端设置有大滚刀上凸起75，大滚刀上凸起75与小滚刀骨架67下端的凹槽B69配合，使小滚刀骨架67与大滚刀74同步转动；锁紧螺母76与第三芯杆64的下端螺纹连接，以限制小滚刀骨架67和大滚刀74的轴向运动；小滚刀73与大滚刀74的外壁均螺旋环绕有切削刃77。
在一个实施例中，加砂罐14中的固相颗粒为石英砂或者陶瓷颗粒。
本实施例中，本发明提供的井筒清蜡除垢装置，其操作方法如下：
S1、在地面依次将旋转密封头、冲蚀机构、旋转机构A、旋转联轴器A、皮碗密封器、旋转联轴器B、旋转机构B和机械除垢器进行组装；
S2、将组装好的清蜡除垢器与特制的保温短节的下端连接，保温短节的上端与第一根保温管的下端连接，第一根保温管的上端与高压软管连接，利用吊卡机构将清蜡除垢器、保温短节和保温管整体吊装至井筒的油管内，将返排管线与油管头和套管头连接，将清蜡剂加入清蜡剂储液罐，并在加砂罐中加入固相颗粒；
S3、启动涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器和滚筒筛，并打开加砂罐阀门，测试其是否正常工作；
S4、清蜡除垢作业，打开涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器、滚筒筛和加砂罐阀门，并利用吊卡机构缓慢下放保温管，与此同时清蜡除垢器最下端的机械除垢器在旋转机构B的作用下开始旋转，并对油管内壁的大量积蜡和结垢进行机械清除，清蜡除垢器的冲蚀机构利用含砂热流体的射流冲击对油管内壁的积蜡和结垢彻底清理，清理后的固液两相废液将通过油管与保温管形成的环形空间上返至地面，并通过与油管头连接的返排管线进入冷凝罐，去除蜡的废液接着进入固液分离器，经固液分离器分离的液相由涡轮泵重新泵入清蜡剂储液罐出液管路被循环使用，经固液分离器分离的固相杂质，由滚筒筛振动筛选出固相颗粒后，固相颗粒经注砂管重新注入加砂罐循环使用；
S5、当吊装上一根保温管的吊卡机构再次落于井口防喷器上方时，关闭涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器和滚筒筛，并将下一根保温管吊装至井口防喷器上方，利用液压钳将下一根保温管的底部与上一根保温管的顶部连接好并对下一根保温管进行下放，然后同时打开涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器、滚筒筛和加砂罐阀门，继续清理油管内壁积蜡和结垢；依次循环完成整个井筒油管内壁积蜡和结垢的清理。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种井筒清蜡除垢装置，其特征在于，包括：
井口装置，包括自上而下依次布置且固定连接的井口防喷器(5)、油管头(3)和套管头(4)；井口防喷器(5)、油管头(3)和套管头(4)整体坐落于井口上方；井口下部的井筒内设置有用以采油的油管(23)，油管(23)的外部套设有套管(24)，套管(24)与套管头(4)的底端相连接；保温管(6)自上而下依次穿过井口防喷器(5)、油管头(3)和套管头(4)并插入井筒的油管(23)内；
地面流体注入及回收系统(1)，包括清蜡剂储液罐(7)、涡轮泵(8)、加热器(9)、配电柜(10)、高压柱塞泵(11)、单向阀一(12)、流量计(13)、加砂罐(14)、高压软管(15)、固液分离器(16)、滚筒筛(17)、冷凝器(25)、返排管线(18)、液相回收管(19)、注砂管(20)和单向阀二(21)；清蜡剂储液罐(7)的出液端通过管道与加热器(9)的进液端连通，清蜡剂储液罐(7)和加热器(9)之间的管道上安装有流量计(13)和涡轮泵(8)；加热器(9)的出液端与高压柱塞泵(11)的进液端连通，高压柱塞泵(11)的出液端通过管道与加砂罐(14)的进液端连通，加砂罐(14)的出液端通过高压软管(15)与保温管(6)的顶端连通；高压柱塞泵(11)和加砂罐(14)之间的管道上安装有单向阀一(12)和流量计(13)；冷凝器(25)的进液端通过返排管线(18)分别与油管头(3)和套管头(4)连通，返排管线(18)在靠近油管头(3)和套管头(4)处分别对应安装有一单向阀二(21)；冷凝器(25)的出液端与固液分离器(16)的进液端连通，固液分离器(16)的固相出口与滚筒筛(17)的进口连通，固液分离器(16)的液相出口通过液相回收管(19)与清蜡剂储液罐(7)的出液端相连；滚筒筛(17)的出口通过注砂管(20)与加砂罐(14)连通；涡轮泵(8)、高压柱塞泵(11)、固液分离器(16)和滚筒筛(17)均与配电柜(10)电性连接；
吊卡机构(22)，位于井口防喷器(5)的上方，用于吊放保温管(6)；
清蜡除垢器(2)，保温管(6)的底端通过保温短节(26)与位于油管(23)内部的清蜡除垢器(2)相连；清蜡除垢器(2)包括旋转密封头(27)、冲蚀机构(28)、旋转机构A(29)、旋转联轴器A(30)、皮碗密封器(31)、旋转联轴器B(32)、旋转机构B(33)和机械除垢器(34)；旋转密封头(27)的主体为旋转外套筒(35)，保温短节(26)的下部伸入旋转外套筒(35)内，并与旋转外套筒(35)内的对应结构实现连接；旋转外套筒(35)的下端通过内螺纹与冲蚀机构(28)的喷头主体(40)上端连接，喷头主体(40)的下端通过内螺纹管(41)与旋转机构A(29)的第一芯杆(43)上端连接，第一芯杆(43)的下端与旋转联轴器A(32)上端的联轴器接头(58)连接，旋转联轴器A(30)通过其下端的联轴器转轴(55)与皮碗密封器(31)的第二芯杆(59)上端连接，第二芯杆(59)的下端与旋转联轴器B(32)上端的联轴器接头(58)连接,旋转联轴器B(32)通过其下端的联轴器转轴(55)与旋转机构B(33)的第一芯杆(43)上端连接，第一芯杆(43)的下端与机械除垢器(34)的第三芯杆(64)上端连接；
冲蚀机构(28)能够随着旋转机构A(29)的旋转实现周向自由转动,机械除垢器(34)能够随着旋转机构B(33)的旋转实现周向自由转动。
2.根据权利要求1所述的一种井筒清蜡除垢装置，其特征在于，旋转密封头(27)包括旋转外套筒(35)、承压轴承A(36)、V型组合密封(38)和定位圆环(39)，旋转外套筒(35)的顶端设有阻挡环(37)，下端内壁设有内螺纹，旋转外套筒(35)套于保温短节(26)外部，旋转外套筒(35)内壁和保温短节(26)外杆壁形成的环形空间由上至下内依次设置有第一承压轴承A、V型组合密封(38)、定位圆环(39)和第二承压轴承A，旋转外套筒(35)通过两个承压轴承A(36)实现与保温短节(26)之间的相对转动；保温短节(26)分为上部分和下部分，下部分的外径大于上部分的外径，上部分的环形底面抵于旋转外套筒(35)的顶面；定位圆环(39)通过其上的内螺纹与保温短节(26)的下端连接，以限制旋转外套筒(35)、第一承压轴承A和V型组合密封(38)的向下运动。
3.根据权利要求2所述的一种井筒清蜡除垢装置，其特征在于，冲蚀机构(28)包括喷头主体(40)、扇形喷头(42)和内螺纹管(41)，喷头主体(40)的内部中空，喷头主体(40)上端开口、下端密封，并在下端面固定连接向下延伸的内螺纹管(41)，喷头主体(40)的上端与保温短节(26)的下端贯通；喷头主体(40)的上部通过与旋转外套筒(35)的下端内螺纹连接进而压紧第二承压轴承A；喷头主体(40)的外壁中部沿周向均匀设有若干螺纹通孔，螺纹通孔与扇形喷头(42)的数量一致，一个扇形喷头(42)对应安装于一个螺纹通孔内。
4.根据权利要求3所述的一种井筒清蜡除垢装置，其特征在于，单个扇形喷头(42)喷出的最佳流量Q,根据公式①计算如下：
其中，
式中，Q为单个扇形喷头喷出的最佳流量，m3/s；β为固相颗粒出口面积修正系数，无量纲；d1、d2、d3为三个喷嘴出口直径，m；Vt为除垢除蜡速率，m3/s；dp为固相颗粒直径，m；b为固相颗粒体积分数，无量纲；σs为蜡垢混合物弹性极限，Pa；Rt为粒子圆度系数，无量纲；ρp为粒子密度，kg/m3；α为扇形喷头与井眼中心线的夹角，度。
5.根据权利要求3或4所述的一种井筒清蜡除垢装置，其特征在于，扇形喷头(42)与井眼中心线的夹角为α，夹角α的取值范围为15°-35°。
6.根据权利要求1所述的一种井筒清蜡除垢装置，其特征在于，旋转机构A(29)和旋转机构B(33)的结构相同，均包括第一芯杆(43)、基座套筒(45)、旋转轴(46)、定位螺柱(51)、滚轮支架(47)和滚轮(48)，第一芯杆(43)的两端为螺纹外接头(44)；第一芯杆(43)沿其周向固定连接若干个基座套筒(45)，且基座套筒(45)的轴线方向垂直于第一芯杆(43)的轴线方向；基座套筒(45)的筒体内对应嵌套旋转轴(46)，旋转轴(46)的一端抵于第一芯杆(43)外壁面，另一端固定连接有滚轮支架(47)；基座套筒(45)沿其周向均匀设有若干套筒侧孔(49)，旋转轴(46)上对应设有定位通孔(50)，定位螺柱(51)穿过套筒侧孔(49)连接于定位通孔(50)中，限制旋转轴(46)的转动；滚轮支架(47)上安装有滚轮(48)，滚轮(48)抵于油管(23)内壁。
7.根据权利要求6所述的一种井筒清蜡除垢装置，其特征在于，旋转联轴器A(30)和旋转联轴器B(32)的结构相同，均包括联轴器接头(52)、联轴器外套筒(54)、承压轴承B(57)和联轴器转轴(55)，联轴器接头(52)的下端外壁上设有外螺纹，上端为外六角螺母头(58)，外六角螺母头(58)的中部为内螺纹接头(53)；联轴器转轴(55)顶端设有转轴环(56)，转轴环(56)夹于两组承压轴承B(57)之间，位于上方的一组承压轴承B(57)位于联轴器接头(52)底端的台阶上；联轴器外套筒(54)与联轴器接头(52)的下端通过螺纹连接，进而由下至上压紧承压轴承B(57)与转轴环(56)，限制承压轴承B(57)和转轴环(56)沿轴向的运动；联轴器转轴(55)的中部设有内螺纹；
第一芯杆(43)下端的螺纹外接头(44)与旋转联轴器A(32)上端的内螺纹接头(53)配合，实现螺纹连接；旋转联轴器A(30)通过其下端的联轴器转轴(55)与皮碗密封器(31)的第二芯杆(59)上端螺纹连接；第二芯杆(59)下端的螺纹外接头(44)与旋转联轴器B(32)上端的内螺纹接头(53)配合，实现螺纹连接；旋转联轴器B(32)通过其下端的联轴器转轴(55)与旋转机构B(33)的第一芯杆(43)上端螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的一种井筒清蜡除垢装置，其特征在于，皮碗密封器(31)包括第二芯杆(59)、皮碗(61)、活动盘(62)、固定盘(60)和压紧螺栓(63)，第二芯杆(59)两端为螺纹外接头(44)，第二芯杆(59)的杆体中间固定套接有固定盘(60)，活动盘(62)套设于第二芯杆(59)的杆体上，且位于固定盘(60)的下方；皮碗(61)夹于活动盘(62)和固定盘(60)之间，压紧螺栓(63)穿过固定盘(60)、皮碗(61)以及活动盘(62)将皮碗(61)压紧。
9.根据权利要求1所述的一种井筒清蜡除垢装置，其特征在于，机械除垢器(32)包括第三芯杆(64)、小滚刀骨架(67)、小滚刀(73)、小滚刀轴(70)、大滚刀(74)和锁紧螺母(76)，第三芯杆(64)上端为变径螺纹接头(65)，下端设置有外螺纹；小滚刀骨架(67)套装在第三芯杆(64)上，第三芯杆(64)靠近变径螺纹接头(65)的外表上设置有芯杆凸起(66)，芯杆凸起(66)与小滚刀骨架(67)靠近中心一端的凹槽A(68)配合，实现第三芯杆(64)和小滚刀骨架(67)的同步转动；小滚刀骨架(67)远离中心处设置有若干组小滚刀(73)，小滚刀(73)的上下两端设置有台阶，台阶内安装有滚珠轴承(72)，小滚刀(73)和滚珠轴承(72)作为整体安装在小滚刀轴(70)的外侧壁上，实现小滚刀(73)能够相对小滚刀轴(70)转动；小滚刀轴(70)的上下两端固定于小滚刀骨架(67)上；小滚刀轴(70)的上下两端还安装有限制小滚刀(73)轴向移动的卡簧(71)；小滚刀(73)的中心线与油管(16)的管中心线平行；大滚刀(74)套装在第三芯杆(64)的外侧壁的下端，大滚刀(74)的上端设置有大滚刀上凸起(75)，大滚刀上凸起(75)与小滚刀骨架(67)下端的凹槽B(69)配合，使小滚刀骨架(67)与大滚刀(74)同步转动；锁紧螺母(76)与第三芯杆(64)的下端螺纹连接，以限制小滚刀骨架(67)和大滚刀(74)的轴向运动；小滚刀(73)与大滚刀(74)的外壁均螺旋环绕有切削刃(77)。
10.一种井筒清蜡除垢操作方法，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项的一种井筒清蜡除垢装置，包括如下步骤：
S1、在地面依次将旋转密封头、冲蚀机构、旋转机构A、旋转联轴器A、皮碗密封器、旋转联轴器B、旋转机构B和机械除垢器进行组装；
S2、将组装好的清蜡除垢器与保温短节下端连接，保温短节的上端与第一根保温管的下端连接，第一根保温管的上端与高压软管连接，利用吊卡机构将清蜡除垢器、保温短节和保温管整体吊装至井筒的油管内，将返排管线与油管头和套管头连接，将清蜡剂加入清蜡剂储液罐，并在加砂罐中加入固相颗粒；
S3、启动涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器和滚筒筛，并打开加砂罐阀门，测试其是否正常工作；
S4、清蜡除垢作业，打开涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器、滚筒筛和加砂罐阀门，并利用吊卡机构缓慢下放保温管，与此同时清蜡除垢器最下端的机械除垢器在旋转机构B的作用下开始旋转，并对油管内壁的大量积蜡和结垢进行机械清除，清蜡除垢器的冲蚀机构利用含砂热流体的射流冲击对油管内壁的积蜡和结垢彻底清理，清理后的固液两相废液将通过油管与保温管形成的环形空间上返至地面，并通过与油管头连接的返排管线进入冷凝罐，去除蜡的废液接着进入固液分离器，经固液分离器分离的液相由涡轮泵重新泵入清蜡剂储液罐出液管路被循环使用，经固液分离器分离的固相杂质，由滚筒筛筛选出固相颗粒后，固相颗粒经注砂管重新注入加砂罐循环使用；
S5、当吊装上一根保温管的吊卡机构再次落于井口防喷器上方时，关闭涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器和滚筒筛，并将下一根保温管吊装至井口防喷器上方，利用液压钳将下一根保温管的底部与上一根保温管的顶部连接好并对下一根保温管进行下放，然后同时打开涡轮泵、加热器、高压柱塞泵、固液分离器、滚筒筛和加砂罐阀门，继续清理油管内壁积蜡和结垢；依次循环完成整个井筒油管内壁积蜡和结垢的清理。
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