高壓水射流清洗裝置的研制與應用

在油田開發過程中，注水井管長期受到各種礦產的污染，導致注水量降低，影響油藏產量。另一方面，我國大部分油田開發進入高含水期，總含水量超過80%。生產過程中的高礦化物被管道壁的摩擦和結垢所包圍。這種情況造成大量油井生產困難,甚至停產。利用高壓水射流進行油管清洗易操作、效率高,可除去硬垢、難溶垢,使清洗效率大大提高,成本顯著降低。起出的油管與廠家之間存在一段距離,使得油管從離開井口到開始清洗之間增加了一個運輸環節。這一環節讓油管清洗周期延長,成本增加,意外傷害概率提高。本文提出一種現場清洗油管的新工藝,即移動式高壓水射流清洗油管的方式,省略運輸環節,并進行了試驗應用,取得了較為理想的效果。1大型高壓水處理裝置1.1旋轉螺栓清洗組現場作業時,油管從油井或水井起出后,通常會按操作規范擺放在井場里。清洗作業隊需要進入井場后結合建筑和地形特點,因勢利導,安放整套清洗裝置。其基本原則是利于污水循環處理;控制噪音源與工房距離;便于裝置移動。高壓水射流清洗的工作過程:清水由抽水機從水池中抽入蓄水箱,再由增壓泵增壓形成高壓水,通過高壓軟管輸送給旋轉噴頭,在噴嘴出口產生高壓水射流,水射流剝離、沖除管壁上的污垢。旋轉噴頭依靠斜向水射流和后射水射流的反作用力,在管道內邊旋轉邊向前推進。水在管道內形成回流,可將清洗下來的部分水垢和油污帶出,噴頭返回時將剩余的水垢和油污完全清出管外。移動式高壓水射流清洗裝置的主要特點是:體積小,可裝在汽車上,基本不受地域限制,可以快速方便地在基地和作業地之間移動;自備柴油機動力,機動性好;泵壓高,排量大,并可根據需要進行調節,適用于各種管道結垢清洗;運轉性能可靠,可不停機連續工作;能實現無級變速自動調壓,便于操作;工作液為清水,不需要加溫或添加任何化學藥品;縮短油管清洗周期,減少成本,清洗效率高,效果顯著。1.2大型污水處理廠主要由大型污水處理廠組成高壓水射流清洗裝置主要由水循環系統、高壓泵動力裝置、壓力調節裝置、高壓軟管、旋轉噴頭及鉆頭進給系統等組成,見圖1。(1)主要技術指標美國Butterworth公司生產的TX450H型泵,主要技術指標:額定壓力140MPa,流量80L/min。柴油機最高輸出功率354.35kW(475馬力),最高轉速2000r/min。(2)鉆孔入給系統由三相異步電機配合渦輪減速器帶動鉆頭所在的鋼管前進或后退。電機功率為2.2kW,減速器型號為WXJ100,減速比為14.5∶1。(3)高壓水射流油管清洗方式由回水槽、沉砂池、凈水池、過濾裝置等組成,主要進行污水凈化處理并再生利用。高壓水射流油管清洗方式見圖2。在噴桿端部的旋轉噴頭噴出高壓旋轉水射流。送進機構將帶噴頭的鋼噴桿送入固定于清洗架上的油管內,噴頭產生的水射流一方面帶動旋轉噴頭快速旋轉,一方面依靠水射流沖蝕油管內壁,除去垢層,清洗油管。1.3關鍵技術1.3.1斜噴嘴的使用方向和轉速為了消除管道的堵塞狀況,需要在噴頭前部安裝1～2個向前噴射的強力噴嘴;為使噴嘴能夠旋轉,還需要有與徑向成一定噴射角度的噴嘴。旋轉噴頭結構見圖3。其工作原理是:高壓水由上部套體進入心軸,穿過其中的通道進入噴頭,最終由斜噴嘴和直噴嘴噴出,成為高速射流;射流產生水力扭矩,帶動噴頭繞其軸線做旋轉運動。其中,直噴嘴產生的射流主要起清洗作用,而斜噴嘴產生的射流,一方面起清洗作用,另一方面提供水力扭矩。該扭矩足以帶動噴頭和心軸共同旋轉。斜噴嘴安裝角度是可以調整的,因而產生射流的方向也是可調的,使用時可以根據實際需要設定合適的安裝角。高壓水在固定件上部套體中進入運動件心軸,兩者之間使用了間隙密封和迷宮密封相結合的密封形式,效果較為理想。下部套體中的阻尼機構采用離心限速機理控制噴頭的轉速。阻尼機構的重要作用是將噴頭旋轉速度限定在一個較為合適的范圍內。轉速過高不但會導致射流嚴重霧化,喪失應有的沖擊力,而且會影響旋轉密封的壽命,產生心軸卡死現象。嚴重時,還可能引起嘯聲和噴頭的劇烈振動。轉速較低時,射流具有較強的沖擊力,并且在靶件表面的停滯時間相對較長,可以保證較好的清洗效果。但是,清洗油管過程中,過低的轉速將延長清洗時間,增加不必要的成本。所以,有必要合理控制噴頭轉速,將其限定在某一范圍內。在清洗過程中,噴頭采用雙噴嘴結構,其中斜噴嘴安裝度可以隨意調節;噴嘴系列化,可以根據工況方便地更換;密封形式采用迷宮密封與間隙密封相結合,與傳統的填料密封相比,既減小了旋轉阻力又具有更長的使用壽命。1.3.2作業作業量表1高壓水射流對操作者具有很大的沖擊傷害能力,作業時應封閉工作區,同時配備2名以上操作人員,戴好防護器具,一人作業,一人觀察。出現緊急情況時,立即停泵卸壓。1.3.3螺釘任務進給速度v清洗作業時,需要根據工程實際需要確定清洗速度。這將直接影響噴頭的進給速度。噴頭進給速度對清洗效果影響較大。由于旋轉噴頭產生的旋轉射流并不能在特定時刻覆蓋整個圓周截面,如果噴頭前進速度過快,就會造成油管局部區域未被射流沖洗,從而產生三維螺旋線形垢物殘留;噴頭前進速度過慢,雖然保證了清洗質量,但延長了清洗時間,降低了工作效率。控制進給速度v的經驗公式為:v=ωdn。式中v——進給速度,m/min;ω——噴頭轉速,r/min;d——射流有效清洗距離,m,若使用1mm的噴嘴,則射流到達油管內壁時將擴散為直徑6mm左右;n——同一截面上的噴嘴個數。依上式計算的進給速度為速度下限。作業時,未必完全按此公式確定進給速度,在保證清洗質量的前提下,適當提高速度也是合適的。2高壓水射流清洗油管設備目前,老油田都進入高含水開發期,在溫度和壓力作用下,很容易結合成化合物,導致管線結垢。垢的主要成分為CaCO3、CaSO4,并有少量Fe2O3、BaSO4等成分,致密堅硬。采油廠曾采用添加阻垢劑等措施,只是在一定程度上延緩了結垢速度,但效果并不明顯,因此不得不靠增設新管線來維持生產,投資很大。該高壓水射流清洗油管設備于2007年3月3日至年底,在勝利油田孤東采油廠獲得應用,主要技術參數如表1所示。所清洗的油管內壁主要是水垢、鐵銹等,表觀為油管內有灰白垢層。經旋轉射流清洗油管內表面顯得干凈、光亮,局部顯示出金屬光澤,使用605mm×1000mm通徑規進行質量檢查,均一次通過全管。3旋轉螺釘清洗工藝高壓水射流清洗比傳統化學清洗節約單位成本0.95元/根,以日清洗300根計,可節約成本285元/d。尤其是油管運輸費用大大削減,這也是現場清洗工藝的獨特優勢之一。使用旋轉噴頭清洗,帶動油管旋轉的電動機可被精簡,不但節約了電費開支,而且為現場人員提供了更為安全的工作環境。另外,在油管清洗過程中,必須保證噴頭與油管良好的對中性,才能獲得理想的清洗效果。由于安裝噴頭的鋼管長約12m,若不加防護措施,難免發生彎曲或振動,使旋轉射流的沖擊角度發生變化,嚴重時甚至導致噴頭撞擊油管內