0 引言
渤海油田含蜡油井具有析蜡温度高及蜡含量高的特点[1]，井筒结蜡问题伴随整个开发生产周期，导致频繁的清蜡作业，大幅增加油田运营成本。目前，渤海油田对结蜡问题的处理采取清防蜡相结合的措施。常用的防蜡工艺有隔热油管[2-3]、空心杆电加热及化学药剂防蜡等，常用的清蜡工艺有钢丝解堵、加热车解堵[4]、化学药剂清蜡[5]及连续管解堵[6]等。现有的清防蜡措施在一定程度上满足了生产需求，但仍存在作业频繁、针对性低、有效性差、清蜡周期短及作业费用高等问题。考虑声波防蜡工艺具有防蜡效果好、成本低、无污染及节能减耗等优点[7-12]，中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司研发了适用于海上电泵井大排量连续排液井况的可投捞式声波防蜡装置，结合海上生产管柱特点和声波防蜡机理，设计了可投捞式声波防蜡工艺管柱和声波化学复合防蜡工艺管柱，运用软件模拟和试验评价验证其科学可行性。
1 可投捞式声波防蜡装置可投捞式声波防蜡装置由声波发生装置、遇油膨胀橡胶及锚定器等组成，整套装置可通过钢丝作业实现工具的投捞，如图 1所示。其中，锚定器可通过卡瓦在油管内任意位置锚定；遇油膨胀橡胶可通过橡胶的膨胀，实现工具和油管环空的密封，确保井液全部流经声波发生装置；声波发生装置利用井液流经喷嘴产生的高速流体冲击振片产生高频至超高频振动，进而产生“空化效应”，使蜡晶体及垢晶体产生结构性破碎，起到防蜡作用。
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| 图 1 可投捞式声波防蜡装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of the retrievable acoustic wax control device |
声波发生装置主要由喷嘴、振片和涡流增压器等组成，如图 2所示。
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| 图 2 声波发生装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of acoustic wave generating device |
声波发生装置产生的强烈声波，可以激发出振片尖劈上的局部流体振荡，使喷嘴射出的流体受到横向不稳定扰动，流体的冲击力以及涡流与振片尖劈相互作用，形成一个强有力的声波发生系统。声波作用于流体，加强了对流体的搅拌作用，使液相中的分散介质均匀分布，降低蜡晶之间的接触概率，蜡晶不易生长；振动作用使蜡晶网络结构遭受强烈破坏，同时增加动能，减小蜡晶之间的结合力。
2 声波发生装置设计声波发生装置设计的理论基础是流经喷嘴的流体的流压脉动频率与振片的固有频率相吻合，激发振片产生共振，并向周围液体发射强烈的声波。声波发生器的振动频率与振片的厚度、长度以及流体流速等因素有关。海上油井多采用电泵生产，具有产液量高、检泵周期长及作业费用高等特点，综合考虑声波发生装置的防蜡效果和使用寿命，对喷嘴和振片进行了优化设计。
2.1 喷嘴设计喷嘴主要起改变流体流态的作用，流体流经喷嘴发生变化，从而改变流体流态。喷嘴实物图如图 3所示。
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| 图 3 喷嘴实物图 Fig.3 Photo of nozzle |
为延长喷嘴的使用寿命，采用CrWMn材料设计加工，淬火后硬度为58~62 HRC。为避免流体流经喷嘴时产生较大的硬冲击和压力损失，喷嘴设计为40°喇叭口形，喷嘴宽度为2 mm。
2.2 振片设计振片是防蜡装置的核心，振片的材质、有效长度、厚度及宽度等因素都直接影响声波防蜡器的防蜡效果。
2.2.1 振片参数设计振片的材料选择具有弹性良好、弹性滞后小、疲劳强度高和硬度高的铍铜。振片的参数设计根据不同的井况而定。振片的厚度由起振流速、声波主频和使用寿命确定，长度由振片频率、声压以及起振流速确定，宽度设计为28 mm(声波的波形最稳定)，尖劈角设计为50°(起振流速最小)[13]。
2.2.2 振片疲劳寿命仿真采用ANSYS软件对振片的疲劳寿命进行模拟仿真。根据优选的振片尺寸进行建模，对其进行网格划分，网格划分后的有限元模型见图 4。运用modal模型计算振片的固有频率后，利用Structural模块中Fatigue Tool模块进行疲劳计算。利用ANSYS软件模拟振片振动，分析振片受力情况，结果如图 5所示。由图 5可知其应力疲劳点在固定处。
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| 图 4 振片模型图 Fig.4 Vibration plate model |
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| 图 5 振片受力大小分布云图与寿命结果图 Fig.5 The stress distribution and the fatigue life of the vibration plate |
以油井产液量70 m3/d为例，设计振片参数：厚度3 mm、宽度28 mm、有效长度60 mm、尖劈角50°。ANSYS仿真模拟寿命在258 d以上，远大于海上油井的清蜡周期100~150 d。
3 试验评价为定量评价声波防蜡装置的防蜡率，搭建了声波防蜡效果评价试验装置，装置原理如图 6所示。依据试验需求，安装声波防蜡器，启动加热装置将样品加热至试验温度。螺杆泵将样品由搅拌罐加入循环管道，样品流经声波防蜡器和结蜡管后重新进入搅拌罐，形成循环回路。
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| 图 6 声波防蜡效果评价试验装置 Fig.6 The acoustic wax control effect evaluation test device |
3.1 试验过程
试验过程中，配置了含蜡质量分数为10%、20%和30%的溶蜡柴油。具体试验步骤如下：
(1) 配置含蜡质量分数10%的溶蜡柴油放置于搅拌罐中，并开启搅拌装置；
(2) 设置加热器恒温至设定温度，开启螺杆泵建立油流循环，保持系统循环运转4 h，试验过程中实时记录流量、压力及温度等数据；
(3) 试验结束后，关闭螺杆泵，取下结蜡管，刮出沉积的石蜡后称重，清洗循环管道；
(4) 更换新的结蜡管，安装声波防蜡器，重复步骤(1)~(3)，并做好数据记录工作；
(5) 配置含蜡质量分数分别为20%和30%的溶蜡柴油，重复步骤(1)~(4)，并做好数据记录工作。
3.2 试验结果分析试验完成后，对比分析安装声波防蜡装置前后结蜡管的蜡沉积质量，运用公式(1)计算声波防蜡效果。试验结果如表 1所示。
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(1) |
| 溶蜡质量分数/% | 10 | 10 | 10 | 20 | 20 | 20 | 30 | 30 | 30 |
| 温度/℃ | 28 | 30 | 32 | 28 | 30 | 32 | 28 | 30 | 32 |
| W0/g | 129.1 | 22.3 | 0.0 | 206.2 | 40.9 | 0.0 | 289.7 | 47.3 | 0.0 |
| W/g | 37.8 | 0.0 | 0.0 | 49.3 | 1.4 | 0.0 | 61.6 | 1.9 | 0.0 |
| 防蜡率/% | 70.7 | 100.0 | — | 76.1 | 96.6 | — | 78.7 | 96.0 | — |
| 压差/kPa | 44.48 | 42.19 | 40.05 | 48.05 | 45.14 | 41.63 | 49.32 | 47.51 | 44.36 |
式中：η为防蜡效果系数；W0为未安装声波防蜡装置时结蜡管蜡沉积质量，g；W为安装声波防蜡装置后结蜡管蜡沉积质量，g。
由表 1可知，声波防蜡装置的防蜡效果高于70%，节流压力小于0.05 MPa。该装置可有效延长油井的清蜡周期，且不会对油井产生节流作用。
4 声波化学复合防蜡工艺管柱设计 4.1 管柱特点为了更好地防治结蜡井，综合考虑声波防蜡和化学药剂防蜡作用，中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司设计了声波化学复合防蜡工艺管柱，如图 7所示。该管柱具有以下特点：
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| 图 7 声波化学复合防蜡工艺管柱 Fig.7 The composite acoustic-chemical wax control string 1—液控管线；2—井下安全阀；3—声波防蜡器；4—动力电缆；5—潜油电泵；6—顶部封隔器；7、9—筛管；8、23—隔离封隔器；10—圆堵；11—油管挂；12—药剂注入管线；13—套管；14—过电缆封隔器；15—药剂注入阀；16—Y接头；17—油管；18—带孔管；19—封隔器定位密封；20、22—滑套；21—封隔器插入密封。 |
(1) 管柱设置防蜡化学药剂注入管线，能够实现防蜡化学药剂的注入功能；
(2) 声波化学复合防蜡装置设置有丢手管柱，声波防蜡器可通过钢丝作业进行投捞，实现不动管柱作业，并且可根据井况采用多级设计，以达到更好的防蜡效果；
(3) 声波化学复合防蜡工艺管柱可协调发挥声波防蜡器和防蜡化学药剂的作用。声波防蜡器可使蜡晶体破碎，确保其与防蜡化学药剂充分混合，减少防蜡化学药剂用量，提高化学药剂作用效率。可根据海上油井产量优选声波发生器和化学药剂注入量，以提高防蜡效率，达到延长结蜡油井清蜡周期、减少作业次数、降低作业成本及保证生产平稳运行的目的。
4.2 A01井管柱方案设计以渤海某油田A01井为例，该井射孔深度为2 493.56 m，射开厚度11 m，油层温度109 ℃，油层静压19 MPa。该井产液量为33.39 m3/d，产油量为32.58 m3/d，产气量为2 000 m3/d，含水体积分数为2.4%，井口温度为33 ℃，差示扫描量热法(DSC)测定A01井析蜡温度为55 ℃。计算A01井析蜡深度为708 m(垂深675 m)，考虑温度计算误差和井身结构限制，设计单级声波防蜡装置下深为800 m(垂深761 m)，化学药剂注入阀下深为830 m(垂深787 m)。声波防蜡装置设计参数如表 2所示。
| 参数名称 | 设计结果 |
| 尖劈角/(°) | 50 |
| 振片厚度/mm | 2.5 |
| 振片长度/mm | 80.0 |
| 振片宽度/mm | 28.0 |
| 喷距/mm | 22.0 |
| 喷嘴长度/mm | 25.0 |
| 喷嘴宽度/mm | 2.0 |
5 结论
(1) 基于海上油井生产特点和声波防蜡机理，研发了可投捞式声波防蜡装置。综合考虑声波发生装置的防蜡效果和使用寿命，对声波发生装置的喷嘴和振片进行了优化设计。运用ANSYS软件建立了振片疲劳寿命仿真模拟计算方法，该方法可有效指导振片参数的优化设计和评价声波防蜡装置的使用寿命。
(2) 采用搭建的声波防蜡效果评价试验装置进行了防蜡试验。试验中，声波防蜡装置的防蜡效果高于70%，节流压力小于0.05 MPa。
(3) 综合考虑声波防蜡和化学药剂防蜡作用，设计了声波化学复合防蜡工艺管柱，并简述了声波化学复合防蜡工艺管柱主要工具设计方法。
(4) 可投捞式声波防蜡装置可有效延长油井的清蜡周期，为海上电泵结蜡井提供了一种高效、经济的防蜡工艺方法。
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