油井变频电磁场防蜡机理研究*

贺亚维

(延安大学 石油工程与环境工程学院，陕西 延安716000)

0 引 言

石油主要是由各种组分的烃(碳氢化合物)组成的多组分混合物。各组分烃的相态随着其所处状态(温度和压力)不同而变化，呈现出液相、气液两相或气液固三相。其中的固相物质主要是碳原子个数为16 ～64 的烷烃(即C16H34～C64H130)，这种物质叫石蜡。纯石蜡为白色、略带透明的结晶体，在油藏条件下一般为溶解状态，随着温度的降低其在原油中的溶解度降低，同时油越轻对蜡的溶解能力也越强。对于溶有一定量石蜡的原油，在开采过程中，随着温度、压力的降低和气体的析出，溶解的石蜡便以结晶体析出、长大聚集和沉积在管壁等固相表面上，即出现所谓的结蜡现象［1］。

中国大部分油田都含石蜡，结蜡现象普遍存在，有些油田尤为严重［2-3］。油井结蜡给自喷井带来的危害是使出油管道直径缩小甚至堵死，从而使油井产量递减甚至停产。对于有杆泵采油井，结蜡使出油管道内径缩小，还会使深井泵失灵，严重时会使泵卡死，损坏抽油设备。抽油机、抽油杆在结蜡情况下长期运行，会增加运行负荷，影响使用成本与效率。在射孔井段附近地层内发生结蜡现象，会堵塞油流通道，降低油井生产能力，减少油井产量。油井因结蜡而产生的修井作业比例极高，直接影响了油田企业的经济效益。因此，防蜡工作必须引起高度重视。

防蜡方法多种多样，油田现场使用较多的方法主要有化学防蜡技术［4-5］、表面能防蜡技术［6］、微生物防蜡技术［7-8］、声波防蜡技术［9］等。现场实践表明，这些防蜡方法虽然可以起到一定的防蜡效果，但存在着施工复杂、工作量大、费用高，需频繁进行施工等缺点。

1 变频电磁场防蜡技术及其机理研究

电磁场防蜡技术是近年来出现的一项新的物理法防蜡方法，是利用电磁场装置对长途管线运输中含蜡原油进行处理，达到降低原油的粘度，提高流动性，减少结蜡的一种防蜡技术。该技术具有节能，没有污染，施工方便，成本较低的优点。变频电磁防蜡器现场安装情况如图1 所示。

图1 变频电磁防蜡器现场安装示意图Fig.1 Variable frequency electromagnetic field installation diagram of wax

电磁场理论体系是一个相当大的物理学分支体系，在各个领域都有非常广泛的应用［10］。电磁场防蜡技术的机理问题，目前用很多的经典理论没法解释清楚，有时候甚至出现相互的矛盾。国内外的专家学者围绕这一棘手问题做了大量研究工作，但由于磁处理的复杂性，液流经过磁场处理之后表现出来的很多现象解释不通，因此至今也没能有一个完整的关于电磁场处理技术的机理解释。通过文献的调研，整理了几个比较主流的机理解释。

1.1 磁致分子取向排列理论

原油中的分子由于分子热运动的原因而非常无序的运动和分布着。原油在流动过程中会受到一些因素的影响，比如管壁的摩擦阻力以及原油的粘滞性等，这些影响因素使得管线中原油的流速呈现中间高边缘低的趋势，即管线中央的液流速度明显高于管线边缘处的液流速度。这样的液流流速状况会产生一个比较大的力矩作用在因热运动而变的无序的分子上，导致那些蜡分子被翻转并且推向管壁处，随着时间的积累，聚集在管壁上面的蜡也慢慢增多，达到一定程度就会阻碍原油的流动过程，最终阻塞管道，严重影响油田的正常生产过程。蜡分子是抗磁性的，电磁场的作用不会改变蜡分子的抗磁性，但是却可以使磁场作用的平面与蜡分子平面相互垂直，进而影响蜡分子不会发生翻转现象，不会被推向管壁处，减少蜡分子之间的碰撞结晶，进一步影响蜡晶的聚结长大，大量的蜡分子将会被原油带走，因此能够有效的抑制蜡晶的沉淀析出，达到电磁防蜡的效果［11］。

1.2 极化理论

振荡电路产生的变化电场经过缠绕在钢管上的线圈产生振荡的磁场，防蜡器和相连的管路形成一个闭合的电磁场回路，激发出的电磁波就会在场中发射和传播。若有极性带电粒子在场中经过的话，必将受到电磁场的作用［12］。在电场力和洛仑兹力、蜡分子间的范德华力、分子间热运动和布朗运动共同作用下阻止了蜡的结晶，并破坏了蜡晶网状结构的生成。

1.3 分子间色散力理论

石蜡分子是非极性分子，色散力是分子间相互作用最主要的力。电子绕原子核不停地做高速的环绕运动，由于磁场的作用，会影响到电子的运动轨迹，使得电子绕核出现瞬时的偏移，电子带负电荷，原子核带正电荷，两者发生相互位移的结果就会产生一个瞬时偶极。由于瞬时偶极的取向不同，在相互靠近的石蜡分子之间产生色散力之后，在磁场的作用下，石蜡分子会发生相互吸引。温度越高，分子间的热运动就越剧烈，分子间距离也会因为不规则的无序运动而拉大;相反当温度降低时，分子间距离也会随之而拉近，趋近于聚集，在分子间作用力下分子发生聚集凝结。当温度继续降低到析蜡点以下，蜡晶逐渐析出。蜡分子在外加磁场作用下形成电子环流影响到电子绕原子核运动的轨迹曲线，分子间作用力受到感应磁场的影响进而会影响到瞬时偶极，分子间色散力也会在此影响下被削弱，最终使石蜡分子间的聚集程度降低，有效的减弱了蜡晶的生成和聚集析出［13-14］。

1.4 变频共振理论

由于不同物质的分子结构各不相同，其固有的振动频率也会不同。对需要处理的物质施加一个与其分子振动一致的外加磁场，就会引发共振现象［15］。分子内部的共振会诱发点偶极矩，影响到分子间的共价键，甚至会破坏分子共价键，从而导致分子的结构发生变化。原油中的蜡分子在外加磁场的作用之下，引发蜡分子内部的共振发生，最终会破坏蜡分子之间的共价键，影响蜡分子的结构，达到抑制蜡晶析出的目的，并且能够破坏已经形成的蜡晶集合，最终达到防蜡清蜡的目的。

1.5 波动理论

麦克斯韦发现光也是一种电磁波，是在以波的形式高速传播运行，电磁场也是如此。电磁之间可以相互转化，当电流变化时就会产生激发的震荡磁场，在一个系统中同时存在着电场和磁场，在洛伦兹力跟电场力的相互作用下，激发出管线的振动，振动的传播速度在刚体中比在液体中要快的多，而且衰减程度也远远低于在流体中的衰减。这样，在电场力、洛伦兹力以及管壁机械振动的共同影响下，通过管线的原油会受到影响，原油中的蜡分子在这三者的共同作用下，很难发生分子间的聚集形成蜡晶，已经形成的蜡晶聚集长大的程度也会受到削弱，最终达到有效抑制蜡晶析出沉淀的目的［16-19］。

2 变频电磁场防蜡参数的实验研究

变频电磁场防蜡器示由变频电磁场感应器和激励源组成。变频电磁场防蜡技术是利用防蜡激励源释放出电信号，经过导线传送到螺线管线圈(线圈匝数为2 500 匝，管长30 cm，管径7 cm 左右)，之后发生电磁转化，在螺线管内外产生电磁场，根据麦克斯韦的电磁理论原理，磁场的强度决定于线圈的直径、电流强度以及线圈匝数，根据长期以来的理论及实验研究，本次实验的电磁场强度选择在50mT 以内。

实验时优选电流值为2，2.4，2.8，3.0，3.4 A，频率在0 ～500 Hz 范围内选择50，100，200，300，500 Hz.线圈匝数2 500 匝，长约30 cm，螺线管内径6.8 cm，外径7.5 cm. 电磁激励源外接示波器、探头。以示波器显示的激励源在各个参数下的电压峰值(mV)为优选电磁防蜡的工作参数依据。通过融蜡实验和显微镜实验来确定最优化的参数。

2.1 溶蜡试验

2.1.1 实验原理

溶蜡实验的原理是将蜡放置于柴油油样中，将经过电磁激励源处理一段时间之后的油样与未经过电磁处理的油样中的蜡块质量做对比，比较蜡的溶化情况，进而比较哪一种工作参数对蜡的溶化效果最佳，通过测量电磁场处理前后溶蜡量的变化来优选参数。油样经电磁处理后，若溶蜡

量增多，则说明电磁场对溶蜡柴油起到了有效的防蜡作用。溶蜡量越多，对应的防蜡效果越好。

2.1.2 实验方法

新型大功率变频电磁场防蜡激励源的电流范围是0 ～5 A，电压范围是0 ～100 V，在实际操作过程中不能调的太大，这和现场以及文献的实验结论也是相吻合的，并不是电流值、电压值越大越好。电流超过4 A 之后就很容易发生短路。本实验是在多次失败的尝试之后优选出来了以下几个电流值做进一步实验:2，2.4，2.8，3.0，3.2，3.4 A.在每一个电流值情况下，分别改变频率为50，100，200，300，500 Hz，为尽量减小实验误差，每次数据都会记录最少3 次，取平均值之后进行最终的计量比较。实验时，准备6 个小烧杯，编号1，2，3，4，5，6.1 号是对比样品，不做处理，2 号烧杯对应50 Hz，3 号烧杯对应100 Hz，4 号烧杯对应200 Hz，5号烧杯对应300 Hz，6 号烧杯对应500 Hz.用电子天平称量10 g 柴油，一一记录下投入到各个烧杯中的小蜡块质量。分别采取静置在管中央处理一分钟，以及来回穿行一分钟(选15 次)做实验对比，得到最终溶蜡率。

熔蜡率可以用以下公式计算

其中 M1为实验前蜡的质量;M2为试验后蜡的质量。

2.1.3 实验数据及分析

试验中选用柴油作为溶剂，蜡块是用模型统一制作的，每个小蜡块质量均为0.5g 左右，形状是规则的圆柱形，表面粗糙度也基本一致，这样就可以保证熔蜡条件相同。实验数据见表1，2.

表1 不同电流值参数下的熔蜡率Tab.1 Wax melting rate underdifferent current parameter

对以上实验数据进行分析可以得出以下结论

1)通过调整变频电磁防蜡器的各项参数，可以发现在一定的电流范围内随着电流值的增大防蜡效果会更好，但是超过一定限度就会出现下滑，呈现过山车似的变化。在本次溶蜡实验中分水岭即为3.2 A，在3.2 A 以前电流起正作用，超过了3.2 A 处理效果就出现了下滑，因而可以确定电流值最优为3.2 A;

2)相同电流情况下，低频段(50，100 Hz)工作参数的处理效果明显好过高频段，也就是说并不是频段越高效果越好。

表2 不同频率下的熔蜡率Tab.2 Wax melting rate under different frequency parameter

2.2 显微镜试验

在以上实验的基础上，选择电流为3.2 A，频率分别为50，100 Hz 的电磁场做进一步的对比试验，用来验证以上结论是否正确。

按照试验安排，激励源优选电流为3.2 A，准备3 份油样，分别经过50，100 Hz 进行电磁处理，另有一份油样不经过电磁场的处理作为对比。配置15%的溶蜡柴油，待蜡完全溶解后，经过电磁场处理，在显微镜下观察蜡晶的变化情况，拍下照片。如果蜡晶的尺寸比较小且分散，说明电磁处理是有效果的，并且越小越分散，则电磁防蜡效果越好;反之，如果电磁处理之后效果不明显，则会出现蜡晶比较粗大，分布致密的情况。实验中使用GALEN-Ⅲ型生物显微镜，不同参数下的显微镜视图如图2 所示。

图2 不同参数下的的显微照片Fig.2 Micrograph of different parameters

通过显微镜观察结果可以看到，未经过电磁处理的油样其蜡晶结构比较粗大且排列紧密，经过电磁处理的几份油样其蜡晶结构细小并且分散，说明防蜡激励源起到了很好的抑制效果;在处理的两份油样中，又以参数为50 Hz 的时候效果最好。

3 变频电磁场防蜡技术现场应用及结果

3.1 现场应用状况

2012 年，在长庆三厂五里湾一区三口井进行了试验，试验井的含蜡量在24% ～29%之间，试验前后洗井周期见表3.

表3 电磁防蜡装置试验效果对比Tab.3 Electromagnetic paraffin prevention test result contrast

另外，还对试验井的回压、上下行电流、悬点载荷等数据进行了分析，进一步评价井口电磁防蜡器的应用效果，试验结果如图3 ～5 所示。

图3 安装电磁防蜡装置回压变化图Fig.3 Changes of back pressure after installation

图4 安装电磁防蜡器前后悬点载荷变化曲线Fig.4 Curve for polished rod load contrast

图5 安装电磁防蜡装置作业前后抽油杆照片对比Fig.5 Comparison picture of the sucker rod pictures before and after installation

3.2 试验结果分析

1)通过选择适合的参数，电磁防蜡器能有效地起到防蜡的作用，延长油井的洗井周期，提高油井的生产效率;

2)使用电磁防蜡器后油井的回压及抽油机的悬点载荷降低，节省了电能，降低了消耗，有利于油田经济效益的提高;

3)电磁防蜡器便于安装和维修，在使用过程中不会造成任何的环境伤害，具有广阔的应用前景。

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