[发明专利]一种动态模拟石油管结垢结蜡的装置及方法

说明书

技术领域

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

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CaCO₃、CaSO₄、BaSO₄、SrSO₄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。

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)沉积物堵塞井眼、油管、阀门、套管射孔，阻塞抽油泵，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。

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。

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。

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，利用泵循环采出液，调节泵参数，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。

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、蜡沉积的相关性，进而基于评价结果，研制科学有效的防治措施有着显著的现实意义。

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

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。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：