竖直管线不动管柱清洗装置及方法.pdf

本发明提供一种竖直管线不动管柱清洗装置及方法。主要解决现有的竖直管线清洗费时费力、易损伤油管及油层、成本高的问题。该装置中的射流器(11)由外翅片(1)、弹性体(2)、内翅片(3)依次叠加后将螺杆(5)穿过中心并固定夹紧螺母(4，6)组成，且其上、下部分别有曲率(SR，XR)，侧面均匀地布置若干个缝隙(14)，使用该装置清洗管柱的方法为首先将装置下放到井下，射流器(11)由地热诱发弹性形变，下曲率(XR)完全打开，上曲率(SR)部分打开，底部高压水通过射流器(11)底部，在缝隙(14)处形成射流，从而除去管壁内的垢质(7)。该发明具有结构简单、对管道无损伤、对环境无污染的特点。

1、  一种竖直管线不动管柱清洗装置，由钢丝绳(9)、螺母(10，12)、射流器(11)、配重(13)组成，其特征在于：射流器(11)由外翅片(1)、弹性体(2)、内翅片(3)依次叠加后被螺杆(5)穿过其中心，通过内、外夹紧螺母(4，6)固定住螺杆(5)，且射流器(11)两端分别有上、下曲率(SR，XR)，侧面均匀地布置若干个缝隙(14)。

2、  一种利用权利要求1所述清洗装置的竖直管线不动管柱清洗方法，其特征在于：
将清洗装置与地面缆车连接，转动缆车将其下滑到管线终端，射流器(11)由地热诱发弹性形变使得下曲率(XR)完全打开，上曲率(SR)部分打开，然后向井下注入高压水，高压水到井底后，又向上通过射流器(11)底部，在缝隙(14)处形成射流，即可除去结构管(8)内的垢质(7)，同时推动射流器(11)向上运行。

3、  根据权利要求1所述的竖直管线不动管柱清洗装置，其特征在于：狭缝(14)的宽度与厚度比在1：2—1：10之间。

4、  根据权利要求1所述的竖直管线不动管柱清洗装置，其特征在于：单个翅片(1，3)的宽度为厚度的2-3倍。

竖直管线不动管柱清洗装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于石油机械领域地下竖直管线内壁除锈除垢专用装置及方法，尤其是竖直管线不动管柱清洗装置及方法。
背景技术：
油田开采过程中尤其中后期注水开发作为保持地层压力和提高采油率的有效手段，已为国内外广泛采用。近年来为增加油井产油量，提高采收率，注入体系化学药剂(主要是碱)的三元复合驱技术也被大量运用。然而水和化学药剂的注入，一方面和地层中流体混合发生物理化学反应，另一方面与岩石矿物发生反应，打破原流体和岩石矿物间的物理化学平衡状态，使地下流体及岩石、矿物发生变化。不溶混合物在井下掺杂在一起，随压力和温度的不断变化，溶解的矿物质使产出的油水混合物处于过饱和状态。垢从水中沉淀出来，吸附在金属表面，形成硬的、层状的沉积物，使油井出现严重的结垢现象。结垢使有效传输管径减小，效率降低，物耗、能耗增加，增加了采油成本。如果发生在地面集输系统，直接影响油水输送，更重要的是发生在采油井筒、射孔眼，会直接导致工艺流程中断，设备失效，甚至发生安全事故，因此必须经常对管道进行清洗与维护。
地下竖直管线的清洗，一直都是管路清洗中的难点。目前常规的方法是起出管柱，然后分段清洗，费时费力。不动管柱的条件下的清洗一般可分为化学清洗和物理清洗。化学清洗的传统工艺是的“酸处理工艺”，即对结垢严重的油水井采用酸洗方法。这种“酸”处理方法存在如下弊端:①当垢被盐酸溶解后，在局部区域会形成高浓度的氯化钙溶液，这种溶液同原来的地层水系混合，酸度下降，诱发钙盐的二次沉淀，造成二次结垢。②酸除垢方法处理复杂、成本高。③油水井频繁酸洗会腐蚀油管、井筒、井泵等配套设备，缩短使用寿命，频繁酸化压裂会伤害油层。传统的物理除垢方法中采用容积式电动机、铣刀、带铣刀的冲击锤或纯液体的射流技术。但铣刀和类似的切削工具在作业过程中会危害管道的完整性，另外，它们的尺寸受油井最小部位尺寸的限制。井下液体射流工具是应用多个射流孔或一个分度喷头来实现整个井眼的除垢。尽管有些射流系统也使用酸，但它的使用仅限于酸能溶解的垢及较宜于酸洗的油井，纯水射流对清除一些软垢是有效的，但对于硬垢则无能为力。水力空化射流清洗技术已经在各种水平管线的除垢清洗中取得了很好的实际效果，但针对竖直管线的清洗还没有先例。
采用水力空化射流清洗技，在不动管柱条件下清洗竖直管线，主要存在以下技术问题。这些地下竖直管线长度大都在1000m左右，不动管柱条件下清洗，水流必须是单向的，只能从下往上，这样才能使垢质随水流排出，否则将造成垢质在井底堆积导致井筒堵塞报废。这样清洗过程存在一个先下后上的过程，在下放的过程中为了保证顺畅，射流器的直径要小于结垢后的管径。同时射流器在向上工作的过程中，射流器要张开紧贴内壁以保证清洗效果。而现有的空化射流清洗器无法满足这种工况，无法实现竖直管线不动管柱的清洗。
发明内容：
为了克服现有的竖直管线清洗费时费力、易损伤油管及油层、成本高的不足，本发明提供一种竖直管线不动管柱清洗装置及方法，该竖直管线不动管柱清洗装置具有结构简单、制造成本低的特点，使用该装置清洗竖直管线的方法操作方便、清洗好，且对管道无损伤、对环境无污染。
本发明的技术方案是：一种竖直管线不动管柱清洗装置，由钢丝绳、上、下螺母、射流器、配重组成，射流器由外翅片、弹性体、内翅片依次叠加后被螺杆穿过其中心，通过内、外夹紧螺母固定住螺杆，且射流器两端别有上、下曲率，侧面均匀地布置若干个缝隙。
一种利用权利要求1所述清洗装置的竖直管线不动管柱清洗方法，其特征在于：
将清洗装置与地面缆车连接，转动缆车将其下滑到管线终端，射流器由地热诱发弹性形变使得下曲率完全打开，上曲率部分打开，然后由套管内注入高压水，高压水到井底后，又向上通过射流器底部，在缝隙处形成射流，即可除去结构管内的垢质，同时推动射流器向上运行。
本发明具有如下有益效果：1、该清洗装置结构简单、制作容易、成本低；2、射流器的翅片采用记忆合金制成，利用不同地层的不同地热温度诱发形变，解决了地下竖直结垢管线不动管柱清洗过程中的核心问题——射流器的变径问题；3、利用水力空化效应，在清洗过程中产生强力微射流和空泡溃灭冲击波，对管线中的油垢、化学垢、水垢、锈垢、软性垢、粘性垢等多种垢质进行清除，具有较好的清洗效果；4、射流器外层没有宽大叶片，水流通过窄缝形成空化射流后没有障碍直接作用在垢质上，提高了空化射流压力；5、射流器紧贴在垢质上，跟随垢质的形状，作用面积加大，空化射流与垢质之间流体阻隔层面积小，射流的冲击能量损耗小，而且空泡也大量直接在垢质表面冲击溃灭，随水流冲走的大大减少，提高了空泡的有效破灭率；6、弹性翅片的缝隙使得射流器的直径收缩比可达30％，通过能力强可预防卡阻；7、本发明采用纯物理清洗技术，对管道无损伤，对环境无污染，并且不会产生二次结垢。
附图说明：
附图1是本发明中射流器的结构示意图；
附图2是沿附图1中A-A的剖视图；
附图3是本发明下放状态的示意图；
附图4是本发明工作状态的示意图；
附图5是沿附图4中B-B的剖视图；
附图6是射流器翅片及弹性体展开图。
图中1—外翅片，2—弹性体，3—内翅片，4—内夹紧螺母，5—螺杆，6—外夹紧螺母，7—垢质，8—结构管，9—钢丝绳，10—上螺母，11—射流器，12—下螺母，13—配重，14-缝隙。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图3所示，一种竖直管线不动管柱清洗装置，由钢丝绳9、螺母(10，12)、射流器11、配重13组成，射流器11上、下两端通过螺母(10，12)连接钢丝绳9，并且下部的钢丝绳9下端连接配重13，配重13的作用是为了克服管线内水的浮力，使清洗装置顺利下入井内。上部的钢丝绳9上部连接缆车，使装置下入井内，或者当装置在井内遇卡时，将其提到地面。
射流器11的结构由图1及图2所示，射流器11由外翅片1、弹性体2、内翅片3依次叠加后将螺杆5穿过中心并固定内、外夹紧螺母(4，6)组成，且其上、下两端别有上、下曲率(SR，XR)，上、下曲率(SR，XR)即为两个圆角，其半径根据结构管8内径的大小而设定，下曲率XR目的是保证装置在下放过程中不至卡在结构管8内的垢质7上，每个射流器11在清洗工作开始之前根据管线内径制作。射流器11侧面均匀地布置若干个缝隙14，形成一个弹状射流器11，当该清洗装置工作时，高压水流从管道内流过，使得弹性体2向外弯曲包裹在外翅片1上，形成狭窄的缝隙14，缝隙14使得射流器11的直径收缩比可达30％，通过能力强可预防卡阻。
图6为射流器11内的翅片(1，3)及弹性体2的展开图，内、外层翅片(1，3)的材质、形状均相同，其材料为记忆合金，记忆合金的成分和制作工艺由所清洗管线终端所处地层温度决定，翅片(1，3)及弹性体2中间没有被切除的部分为封水面积，封水面积为待清洗结构管8内径面积的1/4±10％；弹性体2的材料为聚氨酯或硅橡胶，弹性体2单个叶片的宽度为翅片1(或翅片3)单个叶片宽度加上1.8倍翅片1(或翅片3)的厚度；翅片(1，3)以及弹性体2的叶片个数和厚度，要保证进入待清洗管后狭缝14的宽度与厚度的比在1：2—1：10之间，单个翅片(1，3)的宽度为厚度的2-3倍，同时狭缝14的总宽度与待清洗管的内径周长的比在1：3-1：10之间；上曲率SR为待清洗管管径的1/3±10％，下曲率XR为记忆合金翅片1(或翅片3)厚度的5-15倍。
图3为该清洗装置下放时的示意图，此时，上、下曲率(SR，XR)为初始状态，射流器11上部由缆车员起，在配重13的作用下由地面下滑至管线终端。图4及图5为工作状态下的示意图，此时，在井下高压水流的作用下，下曲率XR完全打开，上曲率SR部分打开，弹性体2向外弯曲包裹在外翅片1上，在相临的两个叶片之间形成狭窄的缝隙14，高压水流通过狭窄缝隙14，在出口处形成射流，对结构管8内的垢质7进行清除。
利用该清洗装置对竖直管线不动管柱的清洗方法：
①、将预先根据待清洗管柱内径制作好的射流器11与螺母(10，12)及钢丝绳9、配重13连接，钢丝绳9由地面缆车提供；
②、转动缆车将清洗装置下放，根据下入井内的钢丝绳9的长度确定下入的深度，当该装置下到井底时，停止缆车转动，过5-10分钟后，由记忆合金制成的射流器11由地热诱发形变，张开恢复原有形状，下曲率XR完全打开，上曲率SR部分打开，射流器11由于翅片(1，3)自身弹性和上曲率SR的作用紧贴于垢质7上；
③、然后由套管内向井下注入高压水，高压水到井底后，又向上通过射流器11的底部，在狭窄缝隙14处形成射流，并且由于水力空化效应——流体流过一个收缩装置时会产生压降区，当压力降至蒸汽压甚至负压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，从而产生空化射流。空泡在随流体进一步流动的过程中，碰撞管壁压力增大时，体积将急剧缩小直至溃灭，瞬时激射出强力的微射流，在射流和空泡溃灭的联合作用下粉碎了沉积物清洗垢质；
④、随着高压水流的上升，带出被清掉的垢质，并且射流器11也随之上升，从而由下而上除去管壁内的垢质。