全智能井下防垢裝置的制作方法

本發明涉及防垢領域，特別涉及一種全智能井下防垢裝置。

背景技術：

油氣集輸系統中的井下設備的結蠟、結垢和腐蝕問題會大大降低設備傳熱效果，嚴重時會引起堵塞。結垢會引起設備和管道局部垢下腐蝕，并且為srb細菌的繁殖提供有利條件。同時，結垢還會使緩蝕劑與金屬表面難以接觸成膜，大大降低緩蝕效果，加重設備和管道的腐蝕，甚至引起腐蝕穿孔，使管道報廢。結垢沉積還會降低流體截面積，增大流體阻力和輸送能量。結垢的綜合作用會造成集輸系統內清洗作業頻繁和站內管道更換頻繁，嚴重影響到油田的正常生產秩序，大大增加油田的生產成本。以勝利油田為例。勝利油田某些油區的集輸管道內平均結垢速度達到25mm/月，為了防止垢層堵塞管道，必須平均每月進行一次酸洗。這不僅影響了正常生產，而且會加速管道的腐蝕，縮短管道的使用壽命。因此，如何經濟有效地解決油氣集輸系統的結垢問題已成為各油田普遍關注的重要課題和迫切需要解決的生產問題。現有技術雖然有提出不需要加化學藥劑的防垢裝置，但由于其銅基觸媒合金含有毒性的微量金屬元素鉛或銻，其生產會造成一定的污染，且安全性能欠佳，該成分的合金防垢除垢尚存在提升空間，尚需更安全、穩定和效果更好的防垢除垢裝置。

技術實現要素：

發明目的：本發明旨在提供一種更安全、更穩定的以及穩態電流釋放量更高、電流持續釋放性能更強的全智能井下防垢裝置，在不改變溶液系統成分和酸堿度的條件下，通過全智能井下防垢裝置持續釋放自由電子，形成更穩定更強的穩態電流，降低溶液系統的陽離子濃度，從而降低成垢指數，來達到安全阻垢的目的，防止井下設備的結蠟、結垢和腐蝕問題，節能環保。

技術方案：本發明所述的一種全智能井下防垢裝置，包括防垢管、防垢管內的防垢體和管接頭；防垢管一端為開口端，管接頭安裝在開口端；防垢管另一端為封閉端，防垢管在靠近封閉端的外壁上分布有管開孔；防垢體包括多個防垢片、銷子、連接軸，所述防垢片為圓形餅狀物，圓形餅狀物邊緣向外延伸有至少三個扇形葉片，防垢片的中部設有通孔；所有防垢片通過通孔套裝在銷子上，并經由銷子插接在連接軸上的銷孔固定，相鄰兩塊防垢片之間由連接軸隔開；所有防垢片的扇形葉片呈螺旋排列，防垢片與防垢管的配合方式為過渡配合或間隙配合；所述防垢片材料為全智能防垢除垢合金，全智能防垢除垢合金按質量百分比包括如下組分：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％，所述各組分經高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

優選的，所述全智能防垢除垢合金按質量百分比包括如下組分：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％，所述各組分經高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

優選的，所述全智能防垢除垢合金按質量百分比包括如下組分：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％，所述各組分經高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

更優選的，所述全智能防垢除垢合金按質量百分比包括如下組分：cu：55％、ni：15％、zn：10％、sn：8％、ag：4％、fe：3％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，所述各組分經高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

進一步的，所述全智能防垢除垢合金按以下步驟制成：按所述各組分的質量百分比準備原材料，原材料純度為99.9％以上的塊狀物，其體積小于或等于2cm³；在加熱爐的坩堝內鋪入3cm厚的木炭，按重量計將cu料的一半均勻鋪在木炭上，然后在cu料上均勻鋪入全部ni塊，再鋪入3cm厚的木炭，開爐升溫至1100℃-1500℃，待全部金屬熔化后，加入全部fe、v、nb、c塊體，攪拌至金屬全部熔化后再加入全部mn塊體，保溫3分鐘～8分鐘，使熔體金屬脫氣；然后按照zn、sn、ag和剩余的cu順序加入，慢速攪拌，待金屬全部熔化后，去浮渣，使熔體溫度降低至1230℃～1350℃，將熔體金屬注入澆筑型模具中，冷卻5分鐘～15分鐘至金屬表面結殼形成金屬錠，然后水冷至室溫，取出金屬錠，得到全智能防垢除垢合金。

進一步的，所述防垢體兩端分別固連有支撐塊和壓塊，以將防垢體固定在防垢管內部，支撐塊抵靠在防垢管封閉端內壁以支撐防垢體，壓塊與管接頭內壁接觸固定。

進一步的，所述管開孔成排設置，相鄰兩排管開孔的位置都是交錯設置，且任意相鄰兩排的其中一排任意兩個管開孔的圓心連線，該圓心連線的中點和另一排與該兩個管開孔均為交錯關系的那一管開孔圓心的連線，兩根連線相互垂直。

進一步的，所述管開孔成排設置的排間距為7mm-14mm。

進一步的，管開孔的直徑與管開孔之間的間距相同，都為5mm-15mm。

進一步的，所述扇形葉片為三個，相鄰扇形葉片的軸線夾角為120°。

反應機理：當流體流經本發明時，在兩者之間能夠形成65μa左右的穩態電流。此電流的持續作用將使溶液中的溶劑分子產生極化效應，形成溶劑分析的偶極子。極化的偶極子與帶電荷的成垢離子重新排列，形成新的成垢離子耦合物，呈懸浮態分布在溶液系統中，進一步降低了成垢反應的可能性。同時可以明顯降低垢鹽因電荷吸附產生的壁面沉積效應，減少鈣鎂垢在管路壁面的沉積。

碳酸鈣、碳酸鎂等不溶性分子的結晶形態在電流作用下也會發生改變。碳酸鈣、碳酸鎂分子一般有兩種結晶形態：一種是“大理石型”結構，質地堅硬，吸附性強，總分子量較大，是正常條件下鈣鎂垢的常見形態。另一種是“文石型”結構，質地松軟，吸附性不強，總分子量較小。一般在弱電場持續作用下形成。由于在工作時能夠在全智能防垢除垢合金與流體間形成弱電場，因此可以促進“文石型”垢鹽的形成，同時使已有的垢鹽發生“大理石型”結構向“文石型”結構的轉變，使已經板結的垢層逐漸松軟脫落，達到管路系統除垢的目的。

隨著垢層的脫落，管壁金屬表面逐漸裸露。極化后的偶極子與裸露金屬表面將發生壁面效應，使管壁金屬表面沉積一定厚度的成垢離子耦合物(厚度約500μm)。這層耦合物將管壁金屬與流體系統隔開，在一定程度上起到了管壁防腐的作用。由于耦合物沉積是通過偶極子與壁面金屬的靜電吸附產生的，與普通垢層的沉積生長過程原理不同，因此，耦合物沉積層的厚度不隨時間變化，而只與管路系統的流速有關。

本發明它在不改變流體化學成分前提下，應用先進的弱電復合阻垢機理，阻止結垢的生成，并具有很強的溶解結垢能力。運行過程不需要額外維護，無磁無電，不需要外加電源。當流體中含有過量的自由電子時，成垢陽離子的電荷被自由電子中和，使其難以與酸根結合成垢。過量自由電子的存在增加了流體的離子濃度，成垢指數下降，co2分壓上升，使得垢鹽的溶解度增加，產生一定溶垢效應。同時，弱電場的持續作用會導致垢鹽晶體發生“方解石型”向“文石型”轉變，垢鹽晶體變得疏松，與壁面結合力降低，導致已經板結的垢層逐漸松脫溶解。

有益效果：本發明的結構采用葉片式扇形設計，螺旋形安裝方式，配合防垢管上的管開孔，使用時，流體經由管開孔進入防垢管內部，流經防垢管內的防垢片表面時能夠自動形成穩定電流，通過弱電的作用中和成垢金屬離子的正電荷，有效控制垢的形成，同時弱電場的持續作用可以使已板結的垢塊逐漸溶解、脫落，實現阻垢、除垢。經防垢片處理后的流體繼續向前運動，經由管接頭排出。本發明在保證結構強度的同時，還保證流體的分布均勻和流體的最大接觸面，能與流體充分的接觸，流體經過時為紊流狀態，局部阻力系數最小。本發明結構簡單，采用更合理配方組分的全智能防垢除垢合金，均為無毒的元素，同時進一步提升了除垢防垢性能，且本發明全智能防垢除垢合金為沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。與現有技術的s100晶軸形成的柱狀合金相比，s110晶軸形成的柱狀合金結構更先進、更穩定，所形成的合金釋放穩態電流由于結構的優化，穩態電流釋放量得到了提高；電流更加趨于穩定，不易流失電子。即s110晶軸得到的合金組分電負性配位關系和電流持續釋放性能得到明顯強化。試驗表明，本發明活化電流比現有的銅基觸媒合金的防垢裝置提高約60％，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖；

圖2為本發明中管接頭的示意圖；

圖3為本發明中防垢管的結構示意圖；

圖4為本發明中管開孔圓心連線相互垂直的示意圖；

圖5為本發明中防垢體的示意圖；

圖6為本發明中防垢片的示意圖；

圖7為本發明中的全智能防垢除垢合金與現有銅基觸媒合金活化電流效果對比圖。

具體實施方式

實施例1：

如圖1-6所示，本發明所述的全智能井下防垢裝置，包括防垢管1、防垢體2和管接頭3，防垢體2在防垢管1內。

管接頭3安裝在防垢管1一端，與防垢管1旋接固定。管接頭3中空，可供流體流出，且在與防垢體2接觸位置處設有螺孔31，以配合螺釘進一步加固管接頭3與防垢管1。

防垢管1一端為開口端11，管接頭3安裝在開口端11；防垢管1另一端為封閉端12，封閉端12為錐頭。防垢管1在靠近封閉端12的外壁上分布有管開孔13；管開孔13成排設置，管開孔13成排設置的排間距為7mm-14mm，優選為9mm(圓心到圓心的距離)，每排6個管開孔13。管開孔13的直徑與管開孔13之間的間距相同，都為5mm-15mm，優選為10mm。相鄰兩排管開孔13的位置都是交錯設置，且任意相鄰兩排的其中一排任意兩個管開孔13的圓心連線，該圓心連線的中點和另一排與該兩個管開孔13均為交錯關系的那一管開孔13圓心的連線，兩根連線相互垂直。這樣設置的管開孔13使得流體均勻進入本發明內部與防垢體2充分接觸，達到接觸面積最大化，且保證流體通過的流速。

防垢體2包括多個防垢片21、銷子22、連接軸23，所述防垢片21為圓形餅狀物，圓形餅狀物邊緣向外延伸有至少三個扇形葉片211，扇形葉片211優選為三個，相鄰扇形葉片211的軸線夾角為120°。防垢片21的中部設有通孔212，通孔212的數量為至少兩個，優選為兩個。所有防垢片21通過通孔212套裝在銷子22上，并經由銷子22插接在連接軸23上的銷孔固定，相鄰兩塊防垢片21之間由連接軸23隔開；所有防垢片21的扇形葉片呈螺旋排列，防垢片21與防垢管1的配合方式為過渡配合或間隙配合。

防垢體2兩端分別固連有支撐塊4和壓塊5，以將防垢體2固定在防垢管1內部，支撐塊4抵靠在防垢管1封閉端12內壁以支撐防垢體2，壓塊5與管接頭3內壁接觸固定。支撐塊4為一圓柱體，圓柱體的一端設有與防垢體2的銷子22配合固定的孔。壓塊5的中心為圓柱體，圓柱體邊緣向外延伸有至少三個突起。安裝后，支撐塊4抵觸在防垢管1封閉端12，壓塊5與管接頭3內壁接觸固定，支撐塊4與壓塊共同作用將防垢體2固定在防垢管1內部。

本發明中防垢片21的材料為全智能防垢除垢合金。全智能防垢除垢合金通過嚴格控制各種元素的成分配比，并采用特殊的熱加工工藝，在全智能防垢除垢合金內部形成了取向一致的柱狀晶體結構，從而使全智能防垢除垢合金呈現出極強的向流體介質釋放自由電子和使流體介質產生極化效應的獨特功能。當流體以一定的流速流經全智能防垢除垢合金后，全智能防垢除垢合金可向流體釋放電子，改變流體靜電位，使流體產生極化現象，使流體中的陰、陽離子不易結合形成垢。全智能防垢除垢合金按質量百分比包括如下組分：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％，所述各組份經高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。它在不改變溶液系統成分和酸堿度的條件下，通過持續釋放自由電子，降低溶液系統的陽離子濃度，從而降低成垢指數，來達到阻垢的目的。cu-ni二元合金具有優異的化學穩定性，在各種環境中耐腐蝕性能非常出色，冷熱加工性能優異，成本適中。cu-ni合金系雖然電負性小于溶液，但由于化學穩定性很好，其失電子能力并不強。因此，又在cu-ni二元合金基礎上，選擇zn和ag元素作為合金元素進行添加。其中，zn元素的電負性為1.65，是常見元素中電負性最小的金屬元素之一，能夠與cu-ni合金形成穩定的三元合金。ag元素的電負性為2.34，是常見元素中處理稀土和放射性元素以外電負性最大的合金元素之一。ag在cu-ni-zn合金中幾乎不溶，主要以游離態出現，通過合理的成分控制和熱加工工藝能夠獲得理想的分布狀態，是理想的正極材料。隨著ag含量的增加，活化電流逐漸增大。活化電流越大，釋放電子的能力越強，單位流量的全智能阻垢防垢合金用量越少，整體成本更具優勢，v和mn都是良好的脫氧劑，mn還可以做為脫硫劑對去除合金中的s元素，提高合金的淬性，改善合金的熱加工性能，而v可以增加合金的強度和韌性，并且v會和c結合，增強合金在高溫高壓下抗氫腐蝕的效果，鈮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在合金材料中加nb，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕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點、抗拉強度、冷脆性和時效敏感性。實驗表明，將φ40mm全智能防垢除垢合金放置在5000mg/mol濃度碳酸鈣溶液中，流速1000mm/s，25℃室溫環境下測得的活化電流與時間的關系示于圖7。從圖7看出，本發明的全智能防垢除垢合金活化電流約為80μa，穩定時間約為150min，不僅完全滿足阻垢器工程應用要求，且活化電流比現有的銅基觸媒合金提高約60％，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。

全智能防垢除垢合金的按如下步驟制備，按所述各組分的質量百分比準備原材料，原材料純度為99.9％以上的塊狀物，其體積小于或等于2cm³；在加熱爐的坩堝內鋪入3cm厚的木炭，按重量計將cu料的一半均勻鋪在木炭上，然后在cu料上均勻鋪入全部ni塊，再鋪入3cm厚的木炭，開爐升溫至1100℃-1500℃，開爐升溫優選為至1380℃，待全部金屬熔化后，加入全部fe、v、nb、c塊體，攪拌至金屬全部熔化后再加入全部mn塊體，保溫3分鐘～8分鐘，使熔體金屬脫氣；然后按照zn、sn、ag和剩余的cu順序加入，慢速攪拌，待金屬全部熔化后，去浮渣，使熔體溫度降低至1230℃～1350℃，將熔體金屬注入澆筑型模具中，冷卻5分鐘～15分鐘至金屬表面結殼形成金屬錠，然后水冷至室溫，取出金屬錠，即得到全智能防垢除垢合金。為進一步提高全智能防垢除垢合金的質量，增加峰值活化電流與穩定活化電流數值，同時縮短達到穩定電流值的時間，使得全智能防垢除垢合金更安全、更穩定。還可將全智能防垢除垢合金進行均勻化處理，包括將熱處理電阻爐的爐膛清理干凈，在室溫條件下將全智能防垢除垢合金裝入熱處理爐中，通電開爐加溫，以1.8℃/s～3.2℃/s的速度升溫至780℃～1100℃，保溫50min～100min；再以2℃/s-2.5℃/s的速度升溫至1100℃～1380℃，保溫300min～360min；然后冷卻至300℃～400℃，取出全智能防垢除垢合金錠空冷至室溫。優選為，以2.2℃/s的速度升溫至1070℃，保溫65min；再以2.3℃/s的速度升溫至1250℃，保溫300min；然后冷卻至360℃，取出全智能防垢除垢合金錠空冷至室溫。

實施例2：

本實施例與實施例1差異僅在于全智能防垢除垢合金組分配比不同，本實施例中的全智能防垢除垢合金按質量百分比包括如下組分：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％，所述各組分經高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

實施例3：

本實施例與實施例1差異僅在于全智能防垢除垢合金組分配比不同，本實施例中的全智能防垢除垢合金按質量百分比包括如下組分：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％，所述各組分經高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

實施例4：

本實施例與實施例1差異僅在于全智能防垢除垢合金組分配比不同，本實施例中的全智能防垢除垢合金按質量百分比包括如下組分：cu：55％、ni：15％、zn：10％、sn：8％、ag：4％、fe：3％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，所述各組分經高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

實施例5：

本實施例與實施例1差異僅在于全智能防垢除垢合金組分配比不同，本實施例中的全智能防垢除垢合金按質量百分比為：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％，各組分經化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

實施例6：

本實施例與實施例1差異僅在于全智能防垢除垢合金組分配比不同，本實施例中的全智能防垢除垢合金按質量百分比為：cu：57％、ni：13％、zn：8％、sn：7％、ag：6％、fe：5％、nb：1％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，各組分經化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

實施例7：

本實施例與實施例1差異僅在于全智能防垢除垢合金組分配比不同，本實施例中的全智能防垢除垢合金按質量百分比為：cu：60％、ni：11％、zn：11％、sn：9％、ag：2％、fe：2％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.42％、c：0.08％，各組分經化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

實施例8：

本實施例與實施例1差異僅在于全智能防垢除垢合金組分配比不同，本實施例中的全智能防垢除垢合金按質量百分比為：cu：60％、ni：10％、zn：8％、sn：10％、ag：3％、fe：4％、nb：3％、mn：1.5％、v：0.4％、c：0.1％，各組分經化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

實施例9：

本實施例與實施例1差異僅在于全智能防垢除垢合金組分配比不同，本實施例中的全智能防垢除垢合金按質量百分比為：cu：40％、ni：6％、zn：18％、sn：5％、ag：19.5％、fe：8％、nb：0.15％、mn：0.35％、v：2％、c：0.5％，各組分經化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。

本發明可以應用在任何有結蠟、結垢和腐蝕的井中，用來防止生產管柱和井下設備的結蠟、結垢和腐蝕問題。應用范圍包括雙管完井的井、定向井、水平井、熱水井和注水井。并且也可以和任何井下抽油泵系統配套使用，包括桿式泵、管式泵、螺桿泵、電潛泵和各種特殊作業泵。適用范圍廣，防垢效果顯著。

使用時，流體以一定的流速流經本發明，經由防垢管1的管開孔13進入防垢管1內，流經防垢管1內的防垢片21表面時能夠自動形成穩定電流，防垢片21能夠最大面積與流體接觸，從而更好地釋放電子，改變流體靜電位，使流體產生極化現象，使流體中的陰、陽離子不易結合形成垢。經防垢片21處理后的流體繼續向前運動，經由管接頭3排出。本發明在保證結構強度的同時，還保證流體的分布均勻和流體的最大接觸面，能與流體充分的接觸，流體流經過時為紊流狀態，局部阻力系數小。