纖維增強尼龍刮蠟器的性能與應(yīng)用

董元軍， 鄒遠北， 孫淵平， 李淑芳， 王海文

(1中石化勝利油田有限分公司臨盤采油廠 2中國石油大學(xué))

臨盤油田19個低滲開發(fā)單元509口油井存在不同程度的結(jié)蠟，這些油藏埋藏深，主要分布在2 400～3 700 m，原油含蠟量高，平均33.2%，凝固點高，平均35.5℃，單井產(chǎn)量低，平均液量5.5 m3/d，油井結(jié)蠟深度一般在850 m，采油生產(chǎn)管理中以加藥和熱洗為主[1-5]，存在污染油層、排水期長、容易蠟卡管柱、工人勞動強度大等問題。

尼龍刮蠟器安裝在抽油桿上實現(xiàn)油井的清防蠟[6-9]，既省時省力，又節(jié)約管理成本。本文針對該產(chǎn)品性能和使用中存在負荷明顯增大、刮蠟器與抽油桿粘結(jié)不牢、不耐磨損等問題，開展優(yōu)化刮蠟器結(jié)構(gòu)及尼龍改性研究，取得較好效果。

一、刮蠟器外形結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化

井筒溫度低于蠟的結(jié)晶溫度時，原油中的蠟質(zhì)以結(jié)晶形式析出，固態(tài)晶粒聚集粘結(jié)在油管內(nèi)壁上，這就是油井結(jié)蠟[10]，油井結(jié)蠟后造成油流通道減小，甚至堵塞，造成油井生產(chǎn)困難。

尼龍刮蠟器是一種機械刮蠟器，一般在結(jié)蠟井段使用。尼龍刮蠟器粘結(jié)或固結(jié)在抽油桿上，然后隨抽油桿下至抽油機井的油管內(nèi)。抽油機井生產(chǎn)時，刮蠟器隨抽油桿一起上下往復(fù)運動，清除油管內(nèi)壁積蠟。

以?25 mm抽油桿上固定的刮蠟器為例，外形結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 尼龍刮蠟器外形圖

尼龍刮蠟器整體設(shè)計為圓柱狀，長度150 mm，外徑68 mm，用于內(nèi)徑76 mm油管之中，之間差距8 mm；刮蠟器外周上由三片均勻、螺旋線分布的刮蠟片組合而成，螺距300 mm，與油管之間的過流面積達到1 582 mm2，比普通刮蠟器[11]多738 mm2，增大了油氣過流通道；螺旋角120°，確保相鄰兩個凸起部分上下投影重合，對油管內(nèi)壁實現(xiàn)360°全方位清蠟。刮蠟器螺旋狀凸臺之間的過流槽為油流通道，油氣通過時可產(chǎn)生旋流，對原油中蠟結(jié)晶顆粒有沖擊、分散作用，破壞蠟的沉積。

二、刮蠟器固結(jié)脫落強度測試

刮蠟器在油井中工作時，要承受來自刮蠟片與油管之間的摩擦力，上下沖程摩擦力方向相反，造成刮蠟器與抽油桿之間承受交變應(yīng)力。刮蠟器與抽油桿粘結(jié)或固結(jié)的強度，是刮蠟器性能的一個非常重要參數(shù)。參照SY/T5832-2009抽油桿扶正器標準，脫落時載荷應(yīng)不小于600 kg。經(jīng)對比粘結(jié)與固結(jié)兩種加工工藝，選用熱固注塑工藝將尼龍刮蠟器固結(jié)在抽油桿上。

脫落強度實驗方法：按低周疲勞強度研究方法測試固結(jié)脫落強度，用萬能試驗機測試刮蠟器與抽油桿本體固結(jié)強度，按10次/min施加模擬側(cè)向力，設(shè)計交變受力10 000個循環(huán)，側(cè)面受力分別為1 000 N、2 000 N、3 000 N、4 000 N、5 000 N、6 000 N、7 000 N，測試原理如圖2所示。

圖2 刮蠟器側(cè)向受力測試示意圖

軸向力由萬能試驗機的液壓缸產(chǎn)生。液壓柱塞作用到樣品的抽油桿端面，在樣品底端，設(shè)置一個中空底座，刮蠟器放在中空底座上。液壓柱塞施加在抽油桿上的力，經(jīng)尼龍刮蠟器傳遞到底座上，使刮蠟器與抽油桿之間承受側(cè)向力。通過萬能試驗機反復(fù)加壓、泄壓實現(xiàn)交變載荷。

經(jīng)測試表明，刮蠟器經(jīng)受1 000 N、2 000 N、3 000 N、4 000 N、5 000 N、6 000 N、7 000 N后軸向力10 000次循環(huán)后，均沒有出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，可以繼續(xù)使用。

三、刮蠟器磨損性能

1.磨損性能測試

實驗方法：實驗用液體取自臨盤油田油井產(chǎn)出液，蠟取自結(jié)蠟油井作業(yè)時在油管上結(jié)的蠟。先將油管、刮蠟器、蠟、油井產(chǎn)液放在一起加熱至45℃以上，自然降溫到室溫。

刮蠟器與油管之間的正壓力來自與井身軌跡不垂直等因素，根據(jù)抽油桿在油井內(nèi)受力分析，可以設(shè)定正壓力為100 N與200 N兩個等級。

實驗在摩擦試驗機上進行，實驗過程中刮蠟器始終浸沒在液體中，實驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 刮蠟器磨損性能測試

由實驗數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

(1)在無蠟液體中，磨損快，含蠟液體中磨損大幅減小。這是由于油管上附著蠟結(jié)晶，有利于潤滑。

(2)纖維增強尼龍刮蠟器耐磨損性能優(yōu)于尼龍刮蠟器。

(3)正壓力加大，磨損量加大，但并不完全呈等比例增加。

(4)按照刮蠟器室內(nèi)實驗結(jié)果，以刮蠟器最大磨損量4 mm作為損壞失效的最大磨損量，本次測試的纖維增強刮蠟器在沖程4 m、沖次6次/min的結(jié)蠟油井內(nèi)，使用壽命為1 333 d。

2.尼龍刮蠟器磨損顯微測試

對刮蠟器磨損實驗后的表面用拋光砂紙打磨后，進行了顯微形貌觀測，見圖3。

顯微照片觀測到尼龍內(nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)，圖3中可以看到大量的纖維成分，說明施加200 N正壓力作用下，磨損表面裸露出大量纖維，一方面起承載作用，另一方面凸起的纖維延緩偶件對尼龍基體的切削作用，這是刮蠟器強度和耐磨性增加的一個重要因素。

圖3 纖維增強尼龍刮蠟器磨損測試后表面電鏡顯微照片

四、現(xiàn)場應(yīng)用情況

1.刮蠟器安裝個數(shù)計算

為了使相鄰兩個刮蠟器刮過的地方能相互重疊，不留空白，刮蠟器的間距要小于沖程。刮蠟器固結(jié)在抽油桿上，一根抽油桿長度為8 m，抽油機沖程一般為3～7 m。抽油桿上固結(jié)刮蠟器數(shù)量、位置要規(guī)范化，綜合起來，一根抽油桿固結(jié)2個刮蠟器較為合適，兩個刮蠟器之間的間距等于抽油桿長度的一半，現(xiàn)場使用時要求抽油機沖程不低于4 m，這樣就可以實現(xiàn)無盲區(qū)刮蠟。

帶刮蠟器的抽油桿下入深度要深于結(jié)蠟點深度，一口抽油機井需要安裝刮蠟器的數(shù)量：

N=2H/L

式中：N— 一口抽油井需要安裝尼龍刮蠟器的數(shù)量，個；

H—結(jié)蠟點深度，m；

L—單根抽油桿長度，m。

2. 現(xiàn)場應(yīng)用

纖維增強尼龍刮蠟器在盤40沙四、夏502沙四等低滲油藏應(yīng)用45口井，對比使用刮蠟器前生產(chǎn)數(shù)據(jù)，使用后回壓平均下降0.07 MPa，最大電流平均下降1.13 A，最大負荷略有下降，尤其明顯的是使用刮蠟器后，大部分油井不再需要熱洗清蠟或加清防蠟劑，少部分井進行了15口次熱洗，熱洗周期平均延長35 d。至目前已有3口井上作業(yè)提出桿柱，對提出來的刮蠟器觀察，未出現(xiàn)刮蠟器脫落現(xiàn)象，磨損輕微，對應(yīng)的油管內(nèi)壁無結(jié)蠟現(xiàn)象。

典型井例：夏502-6井油層深度3 227.0～3 247.0 m，日產(chǎn)液2.4 m3，日產(chǎn)油1.2 t，含水率51%，原油密度0.860 4 g/cm3，地面原油黏度(50℃)15.8 mPa·s，凝固點34℃，含蠟21.2%，結(jié)蠟點深度750 m。該井日常管理為3 d加一次清防蠟劑，每次25 kg，采用纖維增強尼龍刮蠟器后，與此前井筒加藥生產(chǎn)情況對比見表2。

下入刮蠟器后，通過測試示功圖對比，抽油機負荷穩(wěn)定，懸點最大載荷下降0.7 kN，每年節(jié)約清防蠟劑費用6萬元，而750 m抽油桿加裝尼龍刮蠟器190個，費用0.95萬元。

表2 502-6井兩種清蠟措施應(yīng)用效果對比

從現(xiàn)場使用情況綜合來看，纖維增強尼龍刮蠟器的性能優(yōu)良，相比井筒加藥和熱洗工藝，經(jīng)濟效益突出，在結(jié)蠟油井上具有較好的推廣前景。

五、結(jié)論

(1)通過優(yōu)化刮蠟器結(jié)構(gòu)設(shè)計，增大了油流通道、減小了油流阻力，使抽油機井載荷沒有明顯變化，螺旋式刮蠟片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了360°全方位刮蠟。

(2)尼龍中摻混碳纖維成分，提高了尼龍刮蠟器耐磨性能。纖維增強尼龍刮蠟器耐磨損性能優(yōu)于普通尼龍，以刮蠟器最大磨損量4 mm作為損壞失效的最大磨損量，纖維增強尼龍刮蠟器在井使用壽命為1 333 d。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，纖維增強尼龍刮蠟器性能優(yōu)良，清防蠟經(jīng)濟效益突出，具有推廣前景。

[1]武繼輝,孫軍,賀志剛，等.油井清防蠟技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].油氣田地面工程,2007,23(7):14-14.

[2]張立.不同熱洗工藝技術(shù)效果淺析[J].油氣田地面工程，2009,28(6)：38-39.

[3]肖進軍.油井結(jié)蠟及清防蠟技術(shù)探討[J].化學(xué)工程與裝備,2010(7):65-66.

[4]劉愛華,章結(jié)斌,陳創(chuàng)前.油田清防蠟技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油化工腐蝕與防護，2009,26(1):1-7.

[5]楊培誠,付道明.自噴井自動清蠟工具的設(shè)計與模擬研究[J].石油機械,2017,45(9): 106-109.

[6]魯紅光,陳保剛,黃世戢，等.抽油井機械式自動清蠟裝置工藝試驗[J].石油礦場機械，2000,29(6):19-21.

[7]丁曙東,劉冬琴.自旋式刮蠟抽油桿扶正器的研制與應(yīng)用[J].特種油氣藏，2004,11(1)：77-78.

[8]楊曉芳.水動力刮蠟器的研制與應(yīng)用[J].石油機械，2013,41(1):94-96.

[9]南江峰,唐玉成,閆曉敏，等.自旋轉(zhuǎn)刮蠟裝置的研制與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2014,11(3):22-23.

[10]余燕,劉建儀,張迥，等.蠟沉積動態(tài)模型研究綜述[J].特種油氣藏,2010,17(3):10-13.

[11]朱金杜.尼龍刮蠟器[J].石油鉆采工藝,1987(2):82,86.