全智能井下防垢装置 |
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| 申请号 | CN201710575817.5 | 申请日 | 2017-07-14 | 公开(公告)号 | CN107143308A | 公开(公告)日 | 2017-09-08 |
| 申请人 | 南京超旭节能科技有限公司; | 发明人 | 刘东; 孙俊杰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种全智能井下防垢装置，包括防垢管、防垢管内的防垢体和 管接头 ，防垢体包括多个防垢片、销子、连接轴，所述防垢片为圆形饼状物，圆形饼状物边缘向 外延 伸有至少三个扇形 叶片 ，防垢片的中部设有通孔；所有防垢片通过通孔套装在销子上，并经由销子插接在连接轴上的销孔固定，相邻两 块 防垢片之间由连接轴隔开；所有防垢片的扇形叶片呈螺旋排列，防垢片与防垢管的配合方式为过渡配合或间隙配合；所述防垢片材料为全智能防垢除垢 合金 ，全智能防垢除垢合金按 质量 百分比包括如下组分：Cu：40％‑70％、Ni：5％‑20％、Zn：8％‑35％、Sn：5％‑30％、Ag：0.5％‑20％、Fe：0.1％‑8％、Nb：0.01％‑3％、Mn：0.05％‑5％、V：0.01％‑2％、C：0.01％‑0.5％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种全智能井下防垢装置，其特征在于，包括防垢管、防垢管内的防垢体和管接头； |
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| 说明书全文 | 全智能井下防垢装置技术领域[0001] 本发明涉及防垢领域，特别涉及一种全智能井下防垢装置。 背景技术[0002] 油气集输系统中的井下设备的结蜡、结垢和腐蚀问题会大大降低设备传热效果，严重时会引起堵塞。结垢会引起设备和管道局部垢下腐蚀，并且为SRB细菌的繁殖提供有利条件。同时，结垢还会使缓蚀剂与金属表面难以接触成膜，大大降低缓蚀效果，加重设备和管道的腐蚀，甚至引起腐蚀穿孔，使管道报废。结垢沉积还会降低流体截面积，增大流体阻力和输送能量。结垢的综合作用会造成集输系统内清洗作业频繁和站内管道更换频繁，严重影响到油田的正常生产秩序，大大增加油田的生产成本。以胜利油田为例。胜利油田某些油区的集输管道内平均结垢速度达到25mm/月，为了防止垢层堵塞管道，必须平均每月进行一次酸洗。这不仅影响了正常生产，而且会加速管道的腐蚀，缩短管道的使用寿命。因此，如何经济有效地解决油气集输系统的结垢问题已成为各油田普遍关注的重要课题和迫切需要解决的生产问题。现有技术虽然有提出不需要加化学药剂的防垢装置，但由于其铜基触媒合金含有毒性的微量金属元素铅或锑，其生产会造成一定的污染，且安全性能欠佳，该成分的合金防垢除垢尚存在提升空间，尚需更安全、稳定和效果更好的防垢除垢装置。 发明内容[0003] 发明目的：本发明旨在提供一种更安全、更稳定的以及稳态电流释放量更高、电流持续释放性能更强的全智能井下防垢装置，在不改变溶液系统成分和酸碱度的条件下，通过全智能井下防垢装置持续释放自由电子，形成更稳定更强的稳态电流，降低溶液系统的阳离子浓度，从而降低成垢指数，来达到安全阻垢的目的，防止井下设备的结蜡、结垢和腐蚀问题，节能环保。 [0004] 技术方案：本发明所述的一种全智能井下防垢装置，包括防垢管、防垢管内的防垢体和管接头；防垢管一端为开口端，管接头安装在开口端；防垢管另一端为封闭端，防垢管在靠近封闭端的外壁上分布有管开孔；防垢体包括多个防垢片、销子、连接轴，所述防垢片为圆形饼状物，圆形饼状物边缘向外延伸有至少三个扇形叶片，防垢片的中部设有通孔；所有防垢片通过通孔套装在销子上，并经由销子插接在连接轴上的销孔固定，相邻两块防垢片之间由连接轴隔开；所有防垢片的扇形叶片呈螺旋排列，防垢片与防垢管的配合方式为过渡配合或间隙配合；所述防垢片材料为全智能防垢除垢合金，全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：Cu：40％-70％、Ni：5％-20％、Zn：8％-35％、Sn：5％-30％、Ag：0.5％-20％、Fe：0.1％-8％、Nb：0.01％-3％、Mn：0.05％-5％、V：0.01％-2％、C：0.01％- 0.5％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0005] 优选的，所述全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：Cu：45％-65％、Ni：10％-20％、Zn：10％-20％、Sn：7％-30％、Ag：2％-20％、Fe：2％-8％、Nb：0.01％-2％、Mn：0.05％-5％、V：0.01％-2％、C：0.01％-0.5％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0006] 优选的，所述全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：Cu：50％-60％、Ni：12％-18％、Zn：10％-15％、Sn：7％-10％、Ag：2％-8％、Fe：2％-6％、Nb：0.01％-2％、Mn：0.05％-5％、V：0.01％-2％、C：0.01％-0.2％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0007] 更优选的，所述全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：Cu：55％、Ni：15％、Zn：10％、Sn：8％、Ag：4％、Fe：3％、Nb：2％、Mn：2.5％、V：0.45％、C：0.05％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0008] 进一步的，所述全智能防垢除垢合金按以下步骤制成：按所述各组分的质量百分比准备原材料，原材料纯度为99.9％以上的块状物，其体积小于或等于2cm3；在加热炉的坩埚内铺入3cm厚的木炭，按重量计将Cu料的一半均匀铺在木炭上，然后在Cu料上均匀铺入全部Ni块，再铺入3cm厚的木炭，开炉升温至1100℃-1500℃，待全部金属熔化后，加入全部Fe、V、Nb、C块体，搅拌至金属全部熔化后再加入全部Mn块体，保温3分钟～8分钟，使熔体金属脱气；然后按照Zn、Sn、Ag和剩余的Cu顺序加入，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1230℃～1350℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，冷却5分钟～15分钟至金属表面结壳形成金属锭，然后水冷至室温，取出金属锭，得到全智能防垢除垢合金。 [0009] 进一步的，所述防垢体两端分别固连有支撑块和压块，以将防垢体固定在防垢管内部，支撑块抵靠在防垢管封闭端内壁以支撑防垢体，压块与管接头内壁接触固定。 [0010] 进一步的，所述管开孔成排设置，相邻两排管开孔的位置都是交错设置，且任意相邻两排的其中一排任意两个管开孔的圆心连线，该圆心连线的中点和另一排与该两个管开孔均为交错关系的那一管开孔圆心的连线，两根连线相互垂直。 [0011] 进一步的，所述管开孔成排设置的排间距为7mm-14mm。 [0012] 进一步的，管开孔的直径与管开孔之间的间距相同，都为5mm-15mm。 [0013] 进一步的，所述扇形叶片为三个，相邻扇形叶片的轴线夹角为120°。 [0014] 反应机理：当流体流经本发明时，在两者之间能够形成65μA左右的稳态电流。此电流的持续作用将使溶液中的溶剂分子产生极化效应，形成溶剂分析的偶极子。极化的偶极子与带电荷的成垢离子重新排列，形成新的成垢离子耦合物，呈悬浮态分布在溶液系统中，进一步降低了成垢反应的可能性。同时可以明显降低垢盐因电荷吸附产生的壁面沉积效应，减少钙镁垢在管路壁面的沉积。 [0015] 碳酸钙、碳酸镁等不溶性分子的结晶形态在电流作用下也会发生改变。碳酸钙、碳酸镁分子一般有两种结晶形态：一种是“大理石型”结构，质地坚硬，吸附性强，总分子量较大，是正常条件下钙镁垢的常见形态。另一种是“文石型”结构，质地松软，吸附性不强，总分子量较小。一般在弱电场持续作用下形成。由于在工作时能够在全智能防垢除垢合金与流体间形成弱电场，因此可以促进“文石型”垢盐的形成，同时使已有的垢盐发生“大理石型”结构向“文石型”结构的转变，使已经板结的垢层逐渐松软脱落，达到管路系统除垢的目的。 [0016] 随着垢层的脱落，管壁金属表面逐渐裸露。极化后的偶极子与裸露金属表面将发生壁面效应，使管壁金属表面沉积一定厚度的成垢离子耦合物(厚度约500μm)。这层耦合物将管壁金属与流体系统隔开，在一定程度上起到了管壁防腐的作用。由于耦合物沉积是通过偶极子与壁面金属的静电吸附产生的，与普通垢层的沉积生长过程原理不同，因此，耦合物沉积层的厚度不随时间变化，而只与管路系统的流速有关。 [0017] 本发明它在不改变流体化学成分前提下，应用先进的弱电复合阻垢机理，阻止结垢的生成，并具有很强的溶解结垢能力。运行过程不需要额外维护，无磁无电，不需要外加电源。当流体中含有过量的自由电子时，成垢阳离子的电荷被自由电子中和，使其难以与酸根结合成垢。过量自由电子的存在增加了流体的离子浓度，成垢指数下降，CO2分压上升，使得垢盐的溶解度增加，产生一定溶垢效应。同时，弱电场的持续作用会导致垢盐晶体发生“方解石型”向“文石型”转变，垢盐晶体变得疏松，与壁面结合力降低，导致已经板结的垢层逐渐松脱溶解。 [0018] 有益效果：本发明的结构采用叶片式扇形设计，螺旋形安装方式，配合防垢管上的管开孔，使用时，流体经由管开孔进入防垢管内部，流经防垢管内的防垢片表面时能够自动形成稳定电流，通过弱电的作用中和成垢金属离子的正电荷，有效控制垢的形成，同时弱电场的持续作用可以使已板结的垢块逐渐溶解、脱落，实现阻垢、除垢。经防垢片处理后的流体继续向前运动，经由管接头排出。本发明在保证结构强度的同时，还保证流体的分布均匀和流体的最大接触面，能与流体充分的接触，流体经过时为紊流状态，局部阻力系数最小。本发明结构简单，采用更合理配方组分的全智能防垢除垢合金，均为无毒的元素，同时进一步提升了除垢防垢性能，且本发明全智能防垢除垢合金为沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。与现有技术的S100晶轴形成的柱状合金相比，S110晶轴形成的柱状合金结构更先进、更稳定，所形成的合金释放稳态电流由于结构的优化，稳态电流释放量得到了提高；电流更加趋于稳定，不易流失电子。即S110晶轴得到的合金组分电负性配位关系和电流持续释放性能得到明显强化。试验表明，本发明活化电流比现有的铜基触媒合金的防垢装置提高约 60％，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。 附图说明 [0019] 图1为本发明结构示意图； [0020] 图2为本发明中管接头的示意图； [0021] 图3为本发明中防垢管的结构示意图； [0022] 图4为本发明中管开孔圆心连线相互垂直的示意图； [0023] 图5为本发明中防垢体的示意图； [0024] 图6为本发明中防垢片的示意图； [0025] 图7为本发明中的全智能防垢除垢合金与现有铜基触媒合金活化电流效果对比图。 具体实施方式[0026] 实施例1： [0027] 如图1-6所示，本发明所述的全智能井下防垢装置，包括防垢管1、防垢体2和管接头3，防垢体2在防垢管1内。 [0028] 管接头3安装在防垢管1一端，与防垢管1旋接固定。管接头3中空，可供流体流出，且在与防垢体2接触位置处设有螺孔31，以配合螺钉进一步加固管接头3与防垢管1。 [0029] 防垢管1一端为开口端11，管接头3安装在开口端11；防垢管1另一端为封闭端12，封闭端12为锥头。防垢管1在靠近封闭端12的外壁上分布有管开孔13；管开孔13成排设置，管开孔13成排设置的排间距为7mm-14mm，优选为9mm(圆心到圆心的距离)，每排6个管开孔13。管开孔13的直径与管开孔13之间的间距相同，都为5mm-15mm，优选为10mm。相邻两排管开孔13的位置都是交错设置，且任意相邻两排的其中一排任意两个管开孔13的圆心连线，该圆心连线的中点和另一排与该两个管开孔13均为交错关系的那一管开孔13圆心的连线，两根连线相互垂直。这样设置的管开孔13使得流体均匀进入本发明内部与防垢体2充分接触，达到接触面积最大化，且保证流体通过的流速。 [0030] 防垢体2包括多个防垢片21、销子22、连接轴23，所述防垢片21为圆形饼状物，圆形饼状物边缘向外延伸有至少三个扇形叶片211，扇形叶片211优选为三个，相邻扇形叶片211的轴线夹角为120°。防垢片21的中部设有通孔212，通孔212的数量为至少两个，优选为两个。所有防垢片21通过通孔212套装在销子22上，并经由销子22插接在连接轴23上的销孔固定，相邻两块防垢片21之间由连接轴23隔开；所有防垢片21的扇形叶片呈螺旋排列，防垢片21与防垢管1的配合方式为过渡配合或间隙配合。 [0031] 防垢体2两端分别固连有支撑块4和压块5，以将防垢体2固定在防垢管1内部，支撑块4抵靠在防垢管1封闭端12内壁以支撑防垢体2，压块5与管接头3内壁接触固定。支撑块4为一圆柱体，圆柱体的一端设有与防垢体2的销子22配合固定的孔。压块5的中心为圆柱体，圆柱体边缘向外延伸有至少三个突起。安装后，支撑块4抵触在防垢管1封闭端12，压块5与管接头3内壁接触固定，支撑块4与压块共同作用将防垢体2固定在防垢管1内部。 [0032] 本发明中防垢片21的材料为全智能防垢除垢合金。全智能防垢除垢合金通过严格控制各种元素的成分配比，并采用特殊的热加工工艺，在全智能防垢除垢合金内部形成了取向一致的柱状晶体结构，从而使全智能防垢除垢合金呈现出极强的向流体介质释放自由电子和使流体介质产生极化效应的独特功能。当流体以一定的流速流经全智能防垢除垢合金后，全智能防垢除垢合金可向流体释放电子，改变流体静电位，使流体产生极化现象，使流体中的阴、阳离子不易结合形成垢。全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：Cu：40％-70％、Ni：5％-20％、Zn：8％-35％、Sn：5％-30％、Ag：0.5％-20％、Fe：0.1％-8％、Nb：0.01％-3％、Mn：0.05％-5％、V：0.01％-2％、C：0.01％-0.5％，所述各组份经高温熔炼形成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。它在不改变溶液系统成分和酸碱度的条件下，通过持续释放自由电子，降低溶液系统的阳离子浓度，从而降低成垢指数，来达到阻垢的目的。Cu-Ni二元合金具有优异的化学稳定性，在各种环境中耐腐蚀性能非常出色，冷热加工性能优异，成本适中。Cu-Ni合金系虽然电负性小于溶液，但由于化学稳定性很好，其失电子能力并不强。因此，又在Cu-Ni二元合金基础上，选择Zn和Ag元素作为合金元素进行添加。其中，Zn元素的电负性为1.65，是常见元素中电负性最小的金属元素之一，能够与Cu-Ni合金形成稳定的三元合金。Ag元素的电负性为2.34，是常见元素中处理稀土和放射性元素以外电负性最大的合金元素之一。Ag在Cu-Ni-Zn合金中几乎不溶，主要以游离态出现，通过合理的成分控制和热加工工艺能够获得理想的分布状态，是理想的正极材料。随着Ag含量的增加，活化电流逐渐增大。活化电流越大，释放电子的能力越强，单位流量的全智能阻垢防垢合金用量越少，整体成本更具优势，V和Mn都是良好的脱氧剂，Mn还可以做为脱硫剂对去除合金中的S元素，提高合金的淬性，改善合金的热加工性能，而V可以增加合金的强度和韧性，并且V会和C结合，增强合金在高温高压下抗氢腐蚀的效果，铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在合金材料中加Nb，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力并改善焊接性能。合金材料添加微量的C元素，目的在于提高材料的屈服点、抗拉强度、冷脆性和时效敏感性。实验表明，将Φ40mm全智能防垢除垢合金放置在5000mg/mol浓度碳酸钙溶液中，流速1000mm/s，25℃室温环境下测得的活化电流与时间的关系示于图7。从图7看出，本发明的全智能防垢除垢合金活化电流约为80μA，稳定时间约为150min，不仅完全满足阻垢器工程应用要求，且活化电流比现有的铜基触媒合金提高约60％，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。 [0033] 全智能防垢除垢合金的按如下步骤制备，按所述各组分的质量百分比准备原材料，原材料纯度为99.9％以上的块状物，其体积小于或等于2cm3；在加热炉的坩埚内铺入3cm厚的木炭，按重量计将Cu料的一半均匀铺在木炭上，然后在Cu料上均匀铺入全部Ni块，再铺入3cm厚的木炭，开炉升温至1100℃-1500℃，开炉升温优选为至1380℃，待全部金属熔化后，加入全部Fe、V、Nb、C块体，搅拌至金属全部熔化后再加入全部Mn块体，保温3分钟～8分钟，使熔体金属脱气；然后按照Zn、Sn、Ag和剩余的Cu顺序加入，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1230℃～1350℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，冷却5分钟～15分钟至金属表面结壳形成金属锭，然后水冷至室温，取出金属锭，即得到全智能防垢除垢合金。为进一步提高全智能防垢除垢合金的质量，增加峰值活化电流与稳定活化电流数值，同时缩短达到稳定电流值的时间，使得全智能防垢除垢合金更安全、更稳定。还可将全智能防垢除垢合金进行均匀化处理，包括将热处理电阻炉的炉膛清理干净，在室温条件下将全智能防垢除垢合金装入热处理炉中，通电开炉加温，以1.8℃/s～3.2℃/s的速度升温至780℃～1100℃，保温50min～100min；再以2℃/s-2.5℃/s的速度升温至1100℃～1380℃，保温300min～360min；然后冷却至300℃～400℃，取出全智能防垢除垢合金锭空冷至室温。优选为，以2.2℃/s的速度升温至1070℃，保温65min；再以2.3℃/s的速度升温至1250℃，保温300min；然后冷却至360℃，取出全智能防垢除垢合金锭空冷至室温。 [0034] 实施例2： [0035] 本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：Cu：45％-65％、Ni：10％-20％、Zn：10％-20％、Sn：7％-30％、Ag：2％-20％、Fe：2％-8％、Nb：0.01％-2％、Mn：0.05％-5％、V： 0.01％-2％、C：0.01％-0.5％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0036] 实施例3： [0037] 本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：Cu：50％-60％、Ni：12％-18％、Zn：10％-15％、Sn：7％-10％、Ag：2％-8％、Fe：2％-6％、Nb：0.01％-2％、Mn：0.05％-5％、V： 0.01％-2％、C：0.01％-0.2％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0038] 实施例4： [0039] 本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：Cu：55％、Ni：15％、Zn：10％、Sn：8％、Ag：4％、Fe：3％、Nb：2％、Mn：2.5％、V：0.45％、C：0.05％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0040] 实施例5： [0041] 本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：Cu：45％、Ni：18％、Zn：15％、Sn：10％、Ag：4％、Fe：2.5％、Nb：3.5％、Mn：1.5％、V：0.48％、C：0.02％，各组分经化合成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0042] 实施例6： [0043] 本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：Cu：57％、Ni：13％、Zn：8％、Sn：7％、Ag：6％、Fe：5％、Nb：1％、Mn：2.5％、V：0.45％、C：0.05％，各组分经化合成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0044] 实施例7： [0045] 本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：Cu：60％、Ni：11％、Zn：11％、Sn：9％、Ag：2％、Fe：2％、Nb：2％、Mn：2.5％、V：0.42％、C：0.08％，各组分经化合成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0046] 实施例8： [0047] 本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：Cu：60％、Ni：10％、Zn：8％、Sn：10％、Ag：3％、Fe：4％、Nb：3％、Mn：1.5％、V：0.4％、C：0.1％，各组分经化合成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0048] 实施例9： [0049] 本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：Cu：40％、Ni：6％、Zn：18％、Sn：5％、Ag：19.5％、Fe：8％、Nb：0.15％、Mn：0.35％、V：2％、C：0.5％，各组分经化合成一种沿S110晶轴定向生长的柱状晶体合金。 [0050] 本发明可以应用在任何有结蜡、结垢和腐蚀的井中，用来防止生产管柱和井下设备的结蜡、结垢和腐蚀问题。应用范围包括双管完井的井、定向井、水平井、热水井和注水井。并且也可以和任何井下抽油泵系统配套使用，包括杆式泵、管式泵、螺杆泵、电潜泵和各种特殊作业泵。适用范围广，防垢效果显著。 [0051] 使用时，流体以一定的流速流经本发明，经由防垢管1的管开孔13进入防垢管1内，流经防垢管1内的防垢片21表面时能够自动形成稳定电流，防垢片21能够最大面积与流体接触，从而更好地释放电子，改变流体静电位，使流体产生极化现象，使流体中的阴、阳离子不易结合形成垢。经防垢片21处理后的流体继续向前运动，经由管接头3排出。本发明在保证结构强度的同时，还保证流体的分布均匀和流体的最大接触面，能与流体充分的接触，流体流经过时为紊流状态，局部阻力系数小。 |
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