高压水射流清洗装置的研制与应用

高压水射流清洗装置的研制与应用

在油田开发过程中，注水井管长期受到各种矿产的污染，导致注水量降低，影响油藏产量。另一方面，我国大部分油田开发进入高含水期，总含水量超过80%。生产过程中的高矿化物被管道壁的摩擦和结垢所包围。这种情况造成大量油井生产困难,甚至停产。利用高压水射流进行油管清洗易操作、效率高,可除去硬垢、难溶垢,使清洗效率大大提高,成本显著降低。起出的油管与厂家之间存在一段距离,使得油管从离开井口到开始清洗之间增加了一个运输环节。这一环节让油管清洗周期延长,成本增加,意外伤害概率提高。本文提出一种现场清洗油管的新工艺,即移动式高压水射流清洗油管的方式,省略运输环节,并进行了试验应用,取得了较为理想的效果。1大型高压水处理装置1.1旋转螺栓清洗组现场作业时,油管从油井或水井起出后,通常会按操作规范摆放在井场里。清洗作业队需要进入井场后结合建筑和地形特点,因势利导,安放整套清洗装置。其基本原则是利于污水循环处理;控制噪音源与工房距离;便于装置移动。高压水射流清洗的工作过程:清水由抽水机从水池中抽入蓄水箱,再由增压泵增压形成高压水,通过高压软管输送给旋转喷头,在喷嘴出口产生高压水射流,水射流剥离、冲除管壁上的污垢。旋转喷头依靠斜向水射流和后射水射流的反作用力,在管道内边旋转边向前推进。水在管道内形成回流,可将清洗下来的部分水垢和油污带出,喷头返回时将剩余的水垢和油污完全清出管外。移动式高压水射流清洗装置的主要特点是:体积小,可装在汽车上,基本不受地域限制,可以快速方便地在基地和作业地之间移动;自备柴油机动力,机动性好;泵压高,排量大,并可根据需要进行调节,适用于各种管道结垢清洗;运转性能可靠,可不停机连续工作;能实现无级变速自动调压,便于操作;工作液为清水,不需要加温或添加任何化学药品;缩短油管清洗周期,减少成本,清洗效率高,效果显著。1.2大型污水处理厂主要由大型污水处理厂组成高压水射流清洗装置主要由水循环系统、高压泵动力装置、压力调节装置、高压软管、旋转喷头及钻头进给系统等组成,见图1。(1)主要技术指标美国Butterworth公司生产的TX450H型泵,主要技术指标:额定压力140MPa,流量80L/min。柴油机最高输出功率354.35kW(475马力),最高转速2000r/min。(2)钻孔入给系统由三相异步电机配合涡轮减速器带动钻头所在的钢管前进或后退。电机功率为2.2kW,减速器型号为WXJ100,减速比为14.5∶1。(3)高压水射流油管清洗方式由回水槽、沉砂池、净水池、过滤装置等组成,主要进行污水净化处理并再生利用。高压水射流油管清洗方式见图2。在喷杆端部的旋转喷头喷出高压旋转水射流。送进机构将带喷头的钢喷杆送入固定于清洗架上的油管内,喷头产生的水射流一方面带动旋转喷头快速旋转,一方面依靠水射流冲蚀油管内壁,除去垢层,清洗油管。1.3关键技术1.3.1斜喷嘴的使用方向和转速为了消除管道的堵塞状况,需要在喷头前部安装1～2个向前喷射的强力喷嘴;为使喷嘴能够旋转,还需要有与径向成一定喷射角度的喷嘴。旋转喷头结构见图3。其工作原理是:高压水由上部套体进入心轴,穿过其中的通道进入喷头,最终由斜喷嘴和直喷嘴喷出,成为高速射流;射流产生水力扭矩,带动喷头绕其轴线做旋转运动。其中,直喷嘴产生的射流主要起清洗作用,而斜喷嘴产生的射流,一方面起清洗作用,另一方面提供水力扭矩。该扭矩足以带动喷头和心轴共同旋转。斜喷嘴安装角度是可以调整的,因而产生射流的方向也是可调的,使用时可以根据实际需要设定合适的安装角。高压水在固定件上部套体中进入运动件心轴,两者之间使用了间隙密封和迷宫密封相结合的密封形式,效果较为理想。下部套体中的阻尼机构采用离心限速机理控制喷头的转速。阻尼机构的重要作用是将喷头旋转速度限定在一个较为合适的范围内。转速过高不但会导致射流严重雾化,丧失应有的冲击力,而且会影响旋转密封的寿命,产生心轴卡死现象。严重时,还可能引起啸声和喷头的剧烈振动。转速较低时,射流具有较强的冲击力,并且在靶件表面的停滞时间相对较长,可以保证较好的清洗效果。但是,清洗油管过程中,过低的转速将延长清洗时间,增加不必要的成本。所以,有必要合理控制喷头转速,将其限定在某一范围内。在清洗过程中,喷头采用双喷嘴结构,其中斜喷嘴安装度可以随意调节;喷嘴系列化,可以根据工况方便地更换;密封形式采用迷宫密封与间隙密封相结合,与传统的填料密封相比,既减小了旋转阻力又具有更长的使用寿命。1.3.2作业作业量表1高压水射流对操作者具有很大的冲击伤害能力,作业时应封闭工作区,同时配备2名以上操作人员,戴好防护器具,一人作业,一人观察。出现紧急情况时,立即停泵卸压。1.3.3螺钉任务进给速度v清洗作业时,需要根据工程实际需要确定清洗速度。这将直接影响喷头的进给速度。喷头进给速度对清洗效果影响较大。由于旋转喷头产生的旋转射流并不能在特定时刻覆盖整个圆周截面,如果喷头前进速度过快,就会造成油管局部区域未被射流冲洗,从而产生三维螺旋线形垢物残留;喷头前进速度过慢,虽然保证了清洗质量,但延长了清洗时间,降低了工作效率。控制进给速度v的经验公式为:v=ωdn。式中v——进给速度,m/min;ω——喷头转速,r/min;d——射流有效清洗距离,m,若使用1mm的喷嘴,则射流到达油管内壁时将扩散为直径6mm左右;n——同一截面上的喷嘴个数。依上式计算的进给速度为速度下限。作业时,未必完全按此公式确定进给速度,在保证清洗质量的前提下,适当提高速度也是合适的。2高压水射流清洗油管设备目前,老油田都进入高含水开发期,在温度和压力作用下,很容易结合成化合物,导致管线结垢。垢的主要成分为CaCO3、CaSO4,并有少量Fe2O3、BaSO4等成分,致密坚硬。采油厂曾采用添加阻垢剂等措施,只是在一定程度上延缓了结垢速度,但效果并不明显,因此不得不靠增设新管线来维持生产,投资很大。该高压水射流清洗油管设备于2007年3月3日至年底,在胜利油田孤东采油厂获得应用,主要技术参数如表1所示。所清洗的油管内壁主要是水垢、铁锈等,表观为油管内有灰白垢层。经旋转射流清洗油管内表面显得干净、光亮,局部显示出金属光泽,使用605mm×1000mm通径规进行质量检查,均一次通过全管。3旋转螺钉清洗工艺高压水射流清洗比传统化学清洗节约单位成本0.95元/根,以日清洗300根计,可节约成本285元/d。尤其是油管运输费用大大削减,这也是现场清洗工艺的独特优势之一。使用旋转喷头清洗,带动油管旋转的电动机可被精简,不但节约了电费开支,而且为现场人员提供了更为安全的工作环境。另外,在油管清洗过程中,必须保证喷头与油管良好的对中性,才能获得理想的清洗效果。由于安装喷头的钢管长约12m,若不加防护措施,难免发生弯曲或振动,使旋转射流的冲击角度发生变化,严重时甚至导致喷头撞击油管内