潜油电泵机组变频电磁防垢除垢仪研制与试验

白俊，李云峰，邹万勤，谢祥恩，王晓飞

潜油电泵机组变频电磁防垢除垢仪研制与试验

白俊，李云峰，邹万勤，谢祥恩，王晓飞

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

在油田潜油电泵机组生产过程中，垢经常导致潜油电泵叶轮流道阻塞、泵效降低、油井产液量下降。本文通过对变频电磁场防垢除垢的机理进行分析，研制了一种适用于油田潜油电泵机组的变频电磁防垢除垢仪。在运行电流3 A、扫频频率160～240 kHz、线圈匝数30匝的最佳工艺参数条件下，室内试验连续运行20天，对碳酸钙（镁）垢和硫酸钙（镁钡）垢的阻垢率可达到90.17%；自油田现场投运以来，在未使用化学防垢剂和除垢剂的条件下，潜油电泵井的结垢量和结垢速率明显下降，机组连续运行时间提高了30%以上，有效实现了防垢除垢、延长机组运行时间、降低油田生产成本的目的。

潜油电泵；变频；电磁；防垢除垢

在油田生产过程中，垢主要存在于地层、近井、井筒以及生产处理设备等部位[1]，如井下潜油电泵机组、油管内壁、井筒、注水井套管、集输管线、阀门、油水处理系统、各种罐体及泵类等。油田主要的垢型有碳酸盐垢、硫酸盐垢、铁沉积垢、硅沉积垢、硫垢、磷酸垢等[2]。其中最常见的是碳酸钙（镁）垢和硫酸钙（镁）垢；危害最大、最难去除的是硫酸钡垢和硫酸锶垢[3]。垢经常导致潜油电泵叶轮流道阻塞、泵效降低、油井产液量下降，同时垢层脱落还会造成潜油电泵机组磨损或卡泵[4]，影响潜油电泵机组长时间连续工作，缩短了检泵周期，增加了检泵次数和油田生产成本。为了解决潜油电泵机组结垢问题，油田常采用注入防垢剂、除垢剂的化学方法[5]，但药剂费用较高；其他的物理方法，如电磁场防垢、超声波防垢、金属防垢等，因自身工艺技术的缺陷，现场应用中，特别是在防治硫酸钡垢和硫酸锶垢时，效果欠佳。

变频电磁防垢除垢是电磁场防垢技术的一种，近几年广泛应用于锅炉循环水、油田生产污水等防垢除垢领域。根据活性极化理论、氢键弯曲理论和变频共振理论[6]可知，在外加变频电磁场作用下，水分子发生极化引起水分子团产生振动，当振动频率与外加电磁场达到一致时，氢键发生弯曲甚至断裂，水分子团离解成极性极强的单个水分子H2O或双水分子(H2O)2，提高了水的活化性，并通过占据流体内大量的空隙间隔，抑制了垢的生成，延缓了垢晶体的析出时间和成长速率。同时，水中的钙离子、镁离子、硫酸根离子、碳酸根离子等在电磁力作用下发生极化，离子与离子之间产出排斥现象或碰撞生成一种比较稳定的“离子缔合体”[7]，使得成垢离子在流体中悬浮，减少了相互聚结并依附在管壁形成垢结晶的几率，从而起到防垢的作用。另外，经电磁场处理后的水，其表面张力提高、溶解性和渗透性增强，促使单个水分子或双水分子容易渗透到微小间隙的垢层内，改变垢晶体结构，逐渐使垢层软化、开裂、脱落，从而实现除垢的目的。

本文通过对变频电磁场防垢除垢机理进行分析，研制了一种适用于油田潜油电泵机组的变频电磁防垢除垢仪，解决了潜油电泵机组运行过程中结垢问题，延长了潜油电泵机组连续运行时间和检泵周期、降低了油田生产成本。

1 方案设计

1.1 结构设计

变频电磁防垢除垢仪由井下环空管、多芯钢丝电缆和地面二次仪表组成[8]，如图1所示。

1.2 电气设计

井下环空管内筒体外壁上部以及下部分别紧密缠绕有1#线圈和2#线圈，两组线圈匝数相同、绕向一致；且分别与1#驱动器、2#驱动器的信号输出端d1和d2连接。井下电源分配器的电源输入端a通过井下电缆密封接头与多芯钢丝电缆中的供电导线连接；井下电源分配器电源输出端b1、b2和b3分别与井下微处理器、井下调质解调器、1#驱动器和2#驱动器的电源输入端a连接，并向连接的电路提供相应电压等级的直流电源。井下调质解调器的信号输入端c通过井下电缆密封接头与多芯钢丝电缆中的通讯导线连接并进行双向通讯；井下调质解调器的信号输出端d与井下微处理器的信号输入端c连接并进行双向通讯，井下微处理器的信号输出端d1和d2分别与1#驱动器和2#驱动器的信号输入端c连接，并进行双向通讯。

220 VAC电源导线固定在地面二次仪表箱体上，并与地面电源分配器的电源输入端a连接，地面电缆密封接头固定在仪表箱体外壁上。地面电源分配器的电源输出端b2、b3和b4分别与地面调制解调器、地面微处理器和触摸屏的电源输入端a连接，并向连接的电路提供相应电压等级的直流电源；地面电源分配器的电源输出端b1通过地面电缆密封接头与多芯钢丝电缆中的供电导线连接，并向井下环空管内部的井下电源分配器提供直流电源。地面微处理器的信号输入端c与触摸屏的信号输出端d连接，并进行双向通讯；地面微处理器的信号输出端d与地面调制解调器的信号输入端c连接，并进行双向通讯。地面调制解调器的信号输出端d通过地面电缆密封接头与多芯钢丝电缆中的通讯导线连接，并与井下环空管内部的井下调质解调器的信号输入端c连接以进行双向通讯。

图1 变频电磁防垢除垢仪组成结构示意图

220 VAC交流电源经地面二次仪表中地面电源分配器整流、滤波、降压、稳压后，转变为多组不同电压等级的直流电源，不但直接给地面二次仪表内部各电路模块供电，还通过多芯钢丝电缆的供电导线给井下环空管供电。触摸屏获得操作人员设定的工作参数，如线圈的启停、扫频频率、扫频周期等数据，经地面微处理器计算、处理后，传输给地面调制解调器进行信号加载处理，通过通讯导线传输给井下环空管内部的井下调制解调器进行解调处理，并输出给井下微处理器。井下微处理器根据接收到的指令信号产生两组扫频频率、扫频周期、电压幅值、占空比等技术指标均满足设定参数要求的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）方波信号，分别输出至1#驱动器和2#驱动器进行功率放大，并分别在1#线圈和2#线圈中独立产生一个交流变频电磁场。同时，1#驱动器和2#驱动器分别将1#线圈和2#线圈当前的工作状态、实际产生的PWM方波信号等关键数据传输给井下微处理器。经井下微处理器处理后的实时数据，依次通过井下调制解调器信号加载处理、通讯导线传输和地面调制解调器解调处理后，反馈给地面微处理器计算处理，并传输至触摸屏进行显示、记录和报警。

2 室内试验

根据设计方案研制三套变频电磁防垢除垢仪，搭建室内试验流程，探索最佳工艺参数，计算阻垢率。

2.1 试验流程搭建

为了进行对比试验，搭建了四套配置均一致的试验流程，如图2所示。每一套试验流程主要由储罐、离心泵、阀门、管路、加热温控器、测试短管等组成，与流体接触部位均采用不锈钢材质。储罐容积为0.2 m3，罐外壁加保温层，罐内设置电动搅拌器和加热温控器。管路采用不锈钢材质，管径为2”（英寸），设计流速为2.5 m/s。

图2 试验流程示意图

2.2 试验设备仪器与原料

试验设备和仪器主要有变频电磁防垢除垢仪、电热鼓风干燥箱、电子天平（精度0.001 g）、测试短管、烧杯、扫描电子显微镜等。试验原料为油井产出液，20℃时密度为0.948 g/cm3，含水率75%，其水相主要离子浓度如表1所示。

表1 试验流体主要离子浓度

2.3 试验方法

（1）试验温度控制

试验过程中流体温度控制在90℃，以模拟油井地层温度。

（2）计算方法

通过电子天平测量清洁干燥状态下测试短管试验前后的重量差计算结垢量；通过不使用和使用电磁防垢除垢仪两种情况下结垢量的差值，除以未使用电磁防垢除垢仪情况下的结垢量，计算阻垢率。

（3）最佳工艺参数测试

以阻垢率为指标，测试不同的输出电流、扫频频率和线圈匝数对电磁防垢除垢效果的影响，并获得最佳工艺参数。

（4）防垢除垢效果和阻垢率测试

在最佳工艺参数条件下连续运行20天，计算阻垢率。

（5）垢样扫描电镜图像分析

采用扫描电子显微镜观察不使用和使用电磁防垢除垢仪两种情况下垢样的结构图像，分析垢样外观、结构的变化情况。

2.4 试验数据分析

开展三批次试验，分析不同运行电流、扫频频率和线圈匝数对结垢量和阻垢率的影响。每批次试验连续运行时间均为3天，试验数据如表2所示，可知，在运行电流3 A、扫频频率160～240 kHz、线圈匝数30匝的最佳工艺参数和试验连续运行3天的条件下，电磁防垢除垢仪的阻垢率可达到15.57%。

在最佳工艺参数条件下，试验连续运行20天，未使用和使用电磁防垢除垢仪的2组试验流程的结垢量分别为24.63 g和2.42 g，电磁防垢除垢仪的阻垢率可达到90.17%。

2.5 扫描电镜图像分析

分别对未使用和使用电磁防垢除垢仪的流程管道内壁的垢样取样，进行扫描电镜处理，扫描倍数为1 000和10 000，垢样如图3所示，可知，未使用电磁防垢除垢仪处理的垢样整体不规则、呈球状，表面凹凸不平，结构致密紧凑；使用电磁防垢除垢仪处理的垢样整体规则、呈长条状，表面比较平滑，结构稀疏松散。

表2 不同运行电流、扫频频率和线圈匝数对结垢量和阻垢率的影响

1#为未使用电磁防垢除垢仪。

图3 未使用和使用电磁防垢除垢仪的垢样扫描电镜图像

3 现场应用

在渤海油田B26井现场实施作业过程中，变频电磁防垢除垢仪的井下环空管通过螺纹连接的方式安装在生产油管串下部的带孔管段与定位密封接头之间，多芯钢丝电缆井下端固定连接在井下环空管上密封环上端面的井下电缆密封接头处。井下环空管及多芯钢丝电缆与生产油管串连接、固定后，随生产油管串、潜油电泵机组及铠装电缆等按常规的下井作业流程下入油井套管内。多芯钢丝电缆的地面端，依次穿过电缆封隔器和地面井口装置，与地面二次仪表的地面电缆密封接头固定连接。现场安装流程如图4所示。

在油井生产过程中，油井产出液经过生产滑套沿着生产油管串进入井下环空管，经井下环空管产生的变频电磁场处理后，从带孔管段流出，进入分层封隔器上部油层，在潜油电泵机组作用下，沿生产油管串被举升至地面井口装置。经变频电磁场处理的油井产出液，电磁场作用时效可在2 h以上。因此，油井产出液在经过潜油电泵机组及生产油管串被举升至地面井口装置的过程中，能对潜油电泵机组、生产油管串及地面井口装置起到防垢除垢的作用。

图4 变频电磁防垢除垢仪现场安装示意图

自变频电磁防垢除垢仪投运以来，在未使用化学防垢剂和除垢剂的条件下，该井潜油电泵机组已连续运行超过500天，比历史平均运行时间提高了30%以上。同时，通过定期检测该井产出液组分和成垢元素含量可知，钙、镁、钡和锶等元素的含量与投运时的数值相比均提高了18%以上。由此可知，潜油电泵机组、生产油管串及地面井口装置等与油井产出液接触的部位结垢量和结垢速率明显下降。

4 结论

（1）基于活性极化理论、氢键弯曲理论和变频共振理论研制的油田潜油电泵机组变频电磁防垢除垢仪，经室内试验验证可知，在运行电流3 A、扫频频率160～240 kHz、线圈匝数30匝的最佳工艺参数条件下，试验连续运行20天，对碳酸钙（镁钡）垢和硫酸钙（镁钡）垢的阻垢率可达90.17%。

（2）通过室内试验垢样扫描电镜分析可知，未使用电磁防垢除垢仪处理的垢样整体不规则、呈球状，表面凹凸不平，结构致密紧凑；使用电磁防垢除垢仪处理的垢样整体规则、呈长条状，表面比较平滑，结构稀疏松散。

（3）采用多芯钢丝电缆供电与通讯，不影响潜油电泵机组正常工作；两组线圈独立工作，产生同一扫频频率、扫频周期的复合变频电磁场，强化了防垢除垢处理效果，特别有利于去除常规方法难以防治的钡锶垢。

（4）自油田现场投运以来，在未使用化学防垢剂和除垢剂的条件下，该井结垢量和结垢速率明显下降，潜油电泵机组连续运行时间提高了30%以上，有效实现了防垢除垢、延长机组运行时间、降低油田生产成本的目的。

[1]马彩凤. 磁场对油田污水结垢的影响及综合防垢方法的研究[D]. 西安：西安石油大学，2010.

[2]左景栾，任韶然，于洪敏. 油田防垢技术研究于应用进展[J].石油工程建设，2008，34（2）：7-13.

[3]肖英玉，韦良霞，杨丙飞，等. 梁南输油管线防垢技术的研究与应用[J]. 钻床工艺，2003，26（5）：104-106.

[4]纪树立，梁凤儒，周怀亮，等. 防垢潜油电泵研制及在渤海油田的应用[J]. 石油矿场机械，2016，45（4）：88-91.

[5]孙赫，陈颖，钱慧娟. 油田除垢技术研究进展[J]. 化学试剂，2012，34（11），991-994.

[6]刘科. 变频电磁场除垢阻垢机理的试验研究[D]. 青岛：中国石油大学（华东），2013.

[7]张怡焉. 电磁防垢除垢技术在油田中的应用[D]. 西安：西安石油大学，2015.

[8]白俊，李令喜，卢大艳，等. 一种海上油田潜油电泵机组变频电磁防垢除垢仪[P]. 中国：ZL201920038870.6，2019-01-09.

Development and Test of Frequency Conversion Electromagnetic Anti-Scaling and Descaling Instrument for Electric Submersible Pump Unit

BAI Jun，LI Yunfeng，ZOU Wanqin，XIE Xiang’en，WANG Xiaofei

( CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China )

In the production process of electric submersible pump units in oilfields, scaling often results in blockage of impeller passage and decrease of pump efficiency and fluid production in oil-wells. In this paper, based on the analysis of mechanism of anti-scaling and descaling by frequency conversion electromagnetic field, we develop a kind of frequency conversion electromagnetic anti-scaling and descaling instrument suitable for electric submersible pump units in oilfield. Under the optimum technological parameters of operation current 3 A, sweeping frequency 160~240 kHz and coil 30 turns, the inhibition rate of calcium (magnesia)carbonate scale and calcium(magnesia-barium) sulfate scale reaches 90.17% after 20 days' continuous test in laboratory. The oilfield application shows that the scaling amount and rate decreases significantly and the continuous operation time of the unit increases by more than 30% without chemical scale remover. The purposes of anti-scaling and descaling, prolonging the operation time of the unit and reducing the production cost of the oilfield are effectively achieved.

electric submersible pump；frequency conversion；electromagnetic；anti-scaling and descaling

TE357

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.09.008

1006－0316 (2020) 09－0050－06

2020－01－06

公司级科研项目《电磁防垢除垢装置样机开发与试验》（GCJSXMHT-1719）

白俊（1981－），男，四川遂宁人，高级工程师，主要从事化学驱提高油田采收率、油气水处理等技术研究和现场应用工作，E-mail：baijun2@cnooc.com.cn。