高壓水射流清洗裝置的研制與應(yīng)用

高壓水射流清洗裝置的研制與應(yīng)用

在油田開發(fā)過程中，注水井管長期受到各種礦產(chǎn)的污染，導(dǎo)致注水量降低，影響油藏產(chǎn)量。另一方面，我國大部分油田開發(fā)進(jìn)入高含水期，總含水量超過80%。生產(chǎn)過程中的高礦化物被管道壁的摩擦和結(jié)垢所包圍。這種情況造成大量油井生產(chǎn)困難,甚至停產(chǎn)。利用高壓水射流進(jìn)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(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)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(xiàn)場清洗油管的新工藝,即移動(dòng)式高壓水射流清洗油管的方式,省略運(yùn)輸環(huán)節(jié),并進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)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(zhuǎn)螺栓清洗組現(xiàn)場作業(yè)時(shí),油管從油井或水井起出后,通常會按操作規(guī)范擺放在井場里。清洗作業(yè)隊(duì)需要進(jìn)入井場后結(jié)合建筑和地形特點(diǎn),因勢利導(dǎo),安放整套清洗裝置。其基本原則是利于污水循環(huán)處理;控制噪音源與工房距離;便于裝置移動(dòng)。高壓水射流清洗的工作過程:清水由抽水機(jī)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(zhuǎn)噴頭,在噴嘴出口產(chǎn)生高壓水射流,水射流剝離、沖除管壁上的污垢。旋轉(zhuǎn)噴頭依靠斜向水射流和后射水射流的反作用力,在管道內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊向前推進(jìn)。水在管道內(nèi)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(shí)將剩余的水垢和油污完全清出管外。移動(dòng)式高壓水射流清洗裝置的主要特點(diǎn)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(yè)地之間移動(dòng);自備柴油機(jī)動(dòng)力,機(jī)動(dòng)性好;泵壓高,排量大,并可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié),適用于各種管道結(jié)垢清洗;運(yùn)轉(zhuǎn)性能可靠,可不停機(jī)連續(xù)工作;能實(shí)現(xiàn)無級變速自動(dòng)調(diào)壓,便于操作;工作液為清水,不需要加溫或添加任何化學(xué)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(huán)系統(tǒng)、高壓泵動(dòng)力裝置、壓力調(diào)節(jié)裝置、高壓軟管、旋轉(zhuǎn)噴頭及鉆頭進(jìn)給系統(tǒng)等組成,見圖1。(1)主要技術(shù)指標(biāo)美國Butterworth公司生產(chǎn)的TX450H型泵,主要技術(shù)指標(biāo):額定壓力140MPa,流量80L/min。柴油機(jī)最高輸出功率354.35kW(475馬力),最高轉(zhuǎn)速2000r/min。(2)鉆孔入給系統(tǒng)由三相異步電機(jī)配合渦輪減速器帶動(dòng)鉆頭所在的鋼管前進(jìn)或后退。電機(jī)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(jìn)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(zhuǎn)噴頭噴出高壓旋轉(zhuǎn)水射流。送進(jìn)機(jī)構(gòu)將帶噴頭的鋼噴桿送入固定于清洗架上的油管內(nèi),噴頭產(chǎn)生的水射流一方面帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴頭快速旋轉(zhuǎn),一方面依靠水射流沖蝕油管內(nèi)壁,除去垢層,清洗油管。1.3關(guān)鍵技術(shù)1.3.1斜噴嘴的使用方向和轉(zhuǎn)速為了消除管道的堵塞狀況,需要在噴頭前部安裝1～2個(gè)向前噴射的強(qiáng)力噴嘴;為使噴嘴能夠旋轉(zhuǎn),還需要有與徑向成一定噴射角度的噴嘴。旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)見圖3。其工作原理是:高壓水由上部套體進(jìn)入心軸,穿過其中的通道進(jìn)入噴頭,最終由斜噴嘴和直噴嘴噴出,成為高速射流;射流產(chǎn)生水力扭矩,帶動(dòng)噴頭繞其軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中,直噴嘴產(chǎn)生的射流主要起清洗作用,而斜噴嘴產(chǎn)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(dòng)噴頭和心軸共同旋轉(zhuǎn)。斜噴嘴安裝角度是可以調(diào)整的,因而產(chǎn)生射流的方向也是可調(diào)的,使用時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定合適的安裝角。高壓水在固定件上部套體中進(jìn)入運(yùn)動(dòng)件心軸,兩者之間使用了間隙密封和迷宮密封相結(jié)合的密封形式,效果較為理想。下部套體中的阻尼機(jī)構(gòu)采用離心限速機(jī)理控制噴頭的轉(zhuǎn)速。阻尼機(jī)構(gòu)的重要作用是將噴頭旋轉(zhuǎn)速度限定在一個(gè)較為合適的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)速過高不但會導(dǎo)致射流嚴(yán)重霧化,喪失應(yīng)有的沖擊力,而且會影響旋轉(zhuǎn)密封的壽命,產(chǎn)生心軸卡死現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí),還可能引起嘯聲和噴頭的劇烈振動(dòng)。轉(zhuǎn)速較低時(shí),射流具有較強(qiáng)的沖擊力,并且在靶件表面的停滯時(shí)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(zhuǎn)速將延長清洗時(shí)間,增加不必要的成本。所以,有必要合理控制噴頭轉(zhuǎn)速,將其限定在某一范圍內(nèi)。在清洗過程中,噴頭采用雙噴嘴結(jié)構(gòu),其中斜噴嘴安裝度可以隨意調(diào)節(jié);噴嘴系列化,可以根據(jù)工況方便地更換;密封形式采用迷宮密封與間隙密封相結(jié)合,與傳統(tǒng)的填料密封相比,既減小了旋轉(zhuǎn)阻力又具有更長的使用壽命。1.3.2作業(yè)作業(yè)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(yè)時(shí)應(yīng)封閉工作區(qū),同時(shí)配備2名以上操作人員,戴好防護(hù)器具,一人作業(yè),一人觀察。出現(xiàn)緊急情況時(shí),立即停泵卸壓。1.3.3螺釘任務(wù)進(jìn)給速度v清洗作業(yè)時(shí),需要根據(jù)工程實(shí)際需要確定清洗速度。這將直接影響噴頭的進(jìn)給速度。噴頭進(jìn)給速度對清洗效果影響較大。由于旋轉(zhuǎn)噴頭產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)射流并不能在特定時(shí)刻覆蓋整個(gè)圓周截面,如果噴頭前進(jìn)速度過快,就會造成油管局部區(qū)域未被射流沖洗,從而產(chǎn)生三維螺旋線形垢物殘留;噴頭前進(jìn)速度過慢,雖然保證了清洗質(zhì)量,但延長了清洗時(shí)間,降低了工作效率?？刂七M(jìn)給速度v的經(jīng)驗(yàn)公式為:v=ωdn。式中v——進(jìn)給速度,m/min;ω——噴頭轉(zhuǎn)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(dá)油管內(nèi)壁時(shí)將擴(kuò)散為直徑6mm左右;n——同一截面上的噴嘴個(gè)數(shù)。依上式計(jì)算的進(jìn)給速度為速度下限。作業(yè)時(shí),未必完全按此公式確定進(jìn)給速度,在保證清洗質(zhì)量的前提下,適當(dāng)提高速度也是合適的。2高壓水射流清洗油管設(shè)備目前,老油田都進(jìn)入高含水開發(fā)期,在溫度和壓力作用下,很容易結(jié)合成化合物,導(dǎo)致管線結(jié)垢。垢的主要成分為CaCO3、CaSO4,并有少量Fe2O3、BaSO4等成分,致密堅(jiān)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(jié)垢速度,但效果并不明顯,因此不得不靠增設(shè)新管線來維持生產(chǎn),投資很大。該高壓水射流清洗油管設(shè)備于2007年3月3日至年底,在勝利油田孤東采油廠獲得應(yīng)用,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。所清洗的油管內(nèi)壁主要是水垢、鐵銹等,表觀為油管內(nèi)有灰白垢層。經(jīng)旋轉(zhuǎn)射流清洗油管內(nèi)表面顯得干凈、光亮,局部顯示出金屬光澤,使用605mm×1000mm通徑規(guī)進(jìn)行質(zhì)量檢查,均一次通過全管。3旋轉(zhuǎn)螺釘清洗工藝高壓水射流清洗比傳統(tǒng)化學(xué)清洗節(jié)約單位成本0.95元/根,以日清洗300根計(jì),可節(jié)約成本285元/d。尤其是油管運(yùn)輸費(fèi)用大大削減,這也是現(xiàn)場清洗工藝的獨(dú)特優(yōu)勢之一。使用旋轉(zhuǎn)噴頭清洗,帶動(dòng)油管旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)可被精簡,不但節(jié)約了電費(fèi)開支,而且為現(xiàn)場人員提供了更為安全的工作環(huán)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(hù)措施,難免發(fā)生彎曲或振動(dòng),使旋轉(zhuǎn)射流的沖擊角度發(fā)生變化,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致噴頭撞擊油管內(nèi)