一种动态模拟石油管结垢结蜡的装置及方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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CaC03、CaS04、BaS04、3巧04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。
[0003]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)沉积物堵塞井目艮、油管、阀门、套管射孔，阻塞抽油栗，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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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，利用栗循环采出液，调节栗参数，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。
[0007]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、錯沉积的相关性，进而基于评价结果，研制科学有效的防治措施有着显者的现实意义。
[0008]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】
[0009]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。
[0010]本发明目的是通过以下技术方案实现的:
[0011]—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、螺杆栗、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；螺杆栗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栗转速，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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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-κ-
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[0016]本发明所述盖板与螺栓通过垫圈密封实现。
[0017]本发明利用变频电机控制螺杆栗转速，以实现预定流量油水输出。使用螺杆栗的有益技术效果在于:(1)降低油流的过栗剪切强度，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)过栗剪切强度低，过栗流体升温小，降低摩擦生热对流体温度的干扰；⑶输出流量连续、均匀、匀速。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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栗转速，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Α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；停栗后，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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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