水气脉冲管道清洗技术的研究与应用

摘 要：油水井管道经长年运行后易腐蚀结垢，沿管道内壁形成不规则锈垢体，造成水质二次污染，减小管道过流截面积，增加液流阻力系数，影响管道的通液能力。本文通过对水气脉冲的研究，达到清洗管道内壁腐蚀物，解决管道水质，减少能源消耗，降低环境污染的目的。

关键词：水气脉冲;气液两相流;压降;参数

1 研究目的及意义

油水井管道在长年使用过程中在管道内壁上会逐渐形成不规则的环状混合物。该混合物是由沉淀物、锈蚀物、黏垢及生物膜相互结合而成的。随着管道使用年限的增加而不断增厚，管道的实际管径减小，过流断面减小，液流通过能力显著降低，进而增大了能耗。因此，本文通过对水气脉冲管道清洗技术的研究，探讨多种因素对清洗效果的影响，研究出科学合理的管道清洗参数，使水气脉冲管道清洗技术更加完善，达到清洗管道内壁腐蚀物，解决管道水质二次污染，减少能源消耗，降低环境污染的目的。

2 水气脉冲法

水气脉冲管道清洗法是利用空气压缩设备产生高压气体，利用水气脉冲发生装置将高压气体以一定的频率充入管道内，在管内形成水--气脉冲，高压气流的高动量迅速转化成水流的冲量，在管内形成弹状流冲击腐蚀物，并具有一定的剪切力，使腐蚀物脱落，并随着高速水--气两相流排出管外。

水气脉冲管道清洗装置主要由以下六部分组成：①动力系统，为整套设备提供动力源;②高压供气系统，为管道供给高压气体;③水气脉冲发生系统，为管道的清洗提供脉冲条件;④数据采集系统，采集各种数管道冲洗据。⑤自动离合系统，由储气罐内压力的变化，通过气电控制，自动控制柴油机与空压机的离合状态;⑥循环供水系统，为管道提供水源，并且循环利用清洗水。

2.1 动力系统

由柴油发动机、联轴器、冷却器等组成，柴油发动机通过联轴器与空压机连接，为整套设备提供动力源。

2.2 高压供气系统

高压供气系统的组成主要有空气压缩机、储气罐、减压稳压阀、压力表、逆止阀等。清洗过程中系统所需的气流量的变化靠储气罐后端的稳压阀来调节。用空气压缩机自带压力表调节和储气罐的后端安装的压力表控制气体压力。

2.3 水气脉冲发生系统

水氣脉冲发生系统由水气脉冲发生器和水气脉冲控制仪通过数据线连接而成。水气脉冲控制仪主要用来控制进气时间和停气时间。可以自动根据清洗管道的管径、管长、供气压力、供水流量调节，也可手动调节。水气脉冲发生器一端用高压气管连接储气罐，一端通过高压气管与管道连接。

2.4 数据采集系统

数据采集指的是利用压力传感器、压差传感器、流量计等将管道的压力、压降、流量等物理信号转变为电压、电流等波形信号，再利用 A/D 转换器将电压、电流等波形信号转化为数字信号，后利用计算机对数字信号进行分析和显示的过程。

2.5 自动离合器系统

当空压机产生的气体压力达到储气罐内压力上限设定值时，通过气电控制，自动控制柴油机与空压机的离合状态，将柴油机与空压机动力分开;当储气罐内压力低于下限设定值时，通过气电控制，将柴油机与空压机动力闭合。通过储气罐内压力的变化，自动调节，安全方便，利于精准作业。

2.6 循环供水系统

循环供水系统主要由水箱、水泵、压力表和压力调节阀四部分组成。通过水泵控制阀来调节水泵的流量，水流清洗管道后，从出水口排放到水箱，从而循环使用。

3 影响水气脉冲清洗效果的因素

水气脉冲管道清洗过程中，管内水气两相流压降是表示清洗强度的主要指标。通过研究分析水气脉冲管道清洗过程中气液两相流压降变化规律，脉冲频率、进气压力、进水流量是影响清洗效果的重要因素。 管道中的水流充入高压气体时，管道内的压降比不充气时增大了几十倍，高频、高压水流在管道内壁的腐蚀物上产生很大的剪切力;每个清洗周期，管道内的压降具有相同的变化规律，即每个周期内的气液两相流结构相同。①一定的进水流量和脉冲频率下，管内两相流压降与进气压力线性相关;②一定的进气压力和脉冲频率下，管内两相流压降与供水流量呈三次多项式关系。

4 现场试验与参数设定

4.1 双泌37井-8#站现场试验

双泌37井集油支线从泌37井至双河8#站长1200m，管道为￠73mm*5.5mm。2017年仅12月因回压高达1.4MPa，扫线3次，2018年2月2次，3月扫线2次。

设备运行后出口压力控制在0.7MPa以内，储气罐出口压力控制在0.6MPa以内，①打开脉冲控制仪设置脉冲宽度5s，间隔20s，脉冲时间持续3min;②补水后，打开脉冲控制仪设置脉冲宽度4s，间隔20s。脉冲时间持续4min10s。对比两次参数设置清洗效果，在管内径为62mm情况下脉冲宽度4s，间隔20s，效果最佳。按照第二次参数设置重复清洗过程清洗两次。

4.2 双K400井-8#站现场试验

双K400井集油支线从K400井至双河8#站长1200m，为￠73mm*5.5mm。该井为见效井产出液中含有聚合物和泥沙在集油管线线沉积，造成干线输送压力高（1.8MPa），管线易穿孔，2017年-2018年4月因回压高达1.8MPa，扫线3次，存在极大的安全隐患。设备运行后出口压力控制在0.7MPa以内，空气发生器出口压力控制在0.6MPa以内，打开脉冲控制仪设置脉冲宽度4s，间隔20s。每趟冲洗脉冲时间持续3min5s。

4.3 双T427井-27#站现场试验

双T427井集油支线从双T427井至双河27#站长800m，为￠73mm*5.5mm。该井历次作业发现油管结垢严重且出砂，在清洗计量间内管道时发现管道内有大量黑色混有细砂的固体，最厚达1.5mm片状物。经化验黑色固体为20%铁的硫化物，50%碳酸盐，30%油泥。造成管线输送压力高（1 MPa），管线易穿孔，存在极大的安全隐患。设备运行后出口压力控制在0.7MPa以内，空气发生器出口压力控制在0.6MPa以内，打开脉冲控制仪设置脉冲宽度4s，间隔20s。脉冲时间持续2min15s。

4.4 双侧H239井-27#站现场试验

双侧H239井集油支线从双侧H239井至双河27#站长800m，为￠73mm*5.5mm。该井历次作业发现油管结垢严重，在清洗计量间内管道时发现管道内有大量黑色固体，最厚达2mm片状物。经化验黑色固体为15%铁的硫化物，50%碳酸盐，35%油泥。造成管线输送压力高（0.87MPa），管线易穿孔，存在极大的安全隐患。设备运行后出口压力控制在0.7MPa以内，空气发生器出口压力控制在0.6MPa以内，打开脉冲控制仪设置脉冲宽度4s，间隔20s。脉冲时间持续2min43s。

4.5 试验结果

经双泌47井、双K400井、双T427井和双侧H239井4口井的清洗实验，冲洗效果良好，达到了预期的效果，冲洗完的输油管线压力均比实施前下降明显。

表1  水气脉冲清洗效果

井号 实施前 实施后 对比

井口回压

（MPa） 參数 流量（m3） 油

（t） 井口回压

（MPa） 参数 流量（m3） 油

（t） 流量（m3） 油

（t）

双泌37 1.2 4.8*4.5 57.5 1.6 0.6 4.8*6 86.8 2.7 29.3 1.1

双K400 1.9 4.8*6 98 2.2 0.7 4.8*6 100.9 2.3 2.9 0.1

双T427 1 4.8*6 83.7 0.7 0.6 4.8*6 84.2 0.7 0.5 0

双侧H239 0.8 4.8*4 23.2 0.3 0.5 4.8*4 21.5 0.4 -1.7 0.1

5 结论

截止到2019年5月18日，利用水气脉冲清洗装置共计完成了59口井63500m的管道清洗。经使用，该清洗技术不使用化学药剂，只有空气和水两种物质，不会产生化学污染，纯属物理过程;利用计算机进行测控，简单可靠;输入脉冲和排除锈垢装置均安装在检查井中，在原有管道附属设备上进行施工，无需断管或开挖路面，减少了工程投资。 单次清洗长度达到在1km以上，清洗时间2-4h。

参考文献：

[1]雷永厚.水气脉冲效应与管道清洗[J].哈尔冰铁道科技，2000.

[2]张建国.水气脉冲波复合化学解堵技术[J].油气地质与采收率，2007.

作者简介：

邓世彪（1967- ），男，汉族，祖籍湖北江陵，武汉长江大学，硕士，河南油田采油气工程服务中心，高级工程师，研究方向，石油机械。