超聲波解堵機(jī)理研究

華強(qiáng)?譚冬寒?王國(guó)慶?李晨?原超毅

摘 要 超聲波近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)稠油超聲波解堵技術(shù)進(jìn)行分析，調(diào)研國(guó)內(nèi)外資料，研究了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，指出了超聲波解堵的主要機(jī)理及研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞 超聲波;稠油;解堵

最近幾十年來(lái)，超聲波已經(jīng)普遍用于工業(yè)生產(chǎn)的許多方面，如廢水處理、定位檢測(cè)、醫(yī)藥等。超聲波技術(shù)可以提高石油產(chǎn)量，增加注入量，綠色環(huán)保，無(wú)污染。稠油粘度很大，流動(dòng)性差，這一點(diǎn)給稠油采收率的提高和原油輸送帶來(lái)了許多困難。CO2混相驅(qū)后導(dǎo)致油層內(nèi)部滯留較多的重質(zhì)組分，因此，通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，研究超聲波作用對(duì)于稠油粘度和解堵系數(shù)的影響作用，致力于減小重質(zhì)組分的粘度，增加儲(chǔ)層滲透率等物性參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)超聲波解堵的作用目的。以下實(shí)驗(yàn)主要從兩個(gè)方面著手，一是超聲波作用對(duì)樣品粘度的影響，粘度的改變影響了原油與孔隙內(nèi)壁的結(jié)合力;二是超聲波作用對(duì)樣品滲透率的影響，滲透率的改變影響了樣品允許油水通過(guò)的能力。

超聲波對(duì)稠油采出液黏度的影響，主要基于在超聲波的空化作用[1]、機(jī)械振動(dòng)作用[2]和熱作用[3]。

超聲波在稠油中傳播時(shí)，可產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)，油樣溫度有明顯的上升，溫度的較大上升將會(huì)降低稠油的黏度降低，利于稠油與水更充分混合，有利于稠油采出液的轉(zhuǎn)相。但熱作用導(dǎo)致輕質(zhì)組分從稠油體系中揮發(fā)導(dǎo)致C16以下的組分百分含量有較明顯的下降，并且由于輕質(zhì)組分含量的減少會(huì)導(dǎo)致稠油中重質(zhì)組分相對(duì)含量增加，這一點(diǎn)不利于轉(zhuǎn)相，由于超聲熱效應(yīng)有限，實(shí)驗(yàn)油樣溫度最高上升15℃左右，所以熱效應(yīng)的作用效果有限，且黏度對(duì)于溫度上升的敏感程度高于少量輕質(zhì)組分揮發(fā)帶來(lái)的不利影響，熱作用不是影響稠油采出液的主要因素。超聲波的熱效應(yīng)使稠油有較大的溫升幅度，都能促進(jìn)空化作用、機(jī)械作用產(chǎn)生更強(qiáng)的作用效果。

脫水稠油經(jīng)超聲波處理后，原油組分有明顯的變化，超聲波可對(duì)稠油施加空化作用，在原油內(nèi)產(chǎn)生微小泡核，伴隨泡核的產(chǎn)生、震蕩、生長(zhǎng)、發(fā)展、消失等過(guò)程，在極短時(shí)間內(nèi)在很小范圍內(nèi)產(chǎn)生極大的溫升效應(yīng)，壓力隨著急劇上升，對(duì)稠油的大分子產(chǎn)生破壞作用，超聲的空化作用使得稠油的大分子C-C鍵不同程度的斷裂，導(dǎo)致大分子向小分子變化的過(guò)程，稠油隨超聲功率增加，稠油表面生成數(shù)量更多、尺寸更小的氣泡，稠油顏失也由黑褐色變?yōu)楹稚?，最終變?yōu)闇\褐色，顏色的變化意味著瀝青大分子的逐漸減少。另外，促使稠油大分子C-C鍵斷裂的因素除了空化作用外，超聲波的機(jī)械作用對(duì)稠油大分子C-C鍵斷裂都有一定的促進(jìn)作用[4-5]，機(jī)械作用致使稠油分子間產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，產(chǎn)生一定幅度的相對(duì)位移，機(jī)械運(yùn)動(dòng)達(dá)到某個(gè)程度的時(shí)候，劇烈振動(dòng)及大幅度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)致使C-C鍵斷裂產(chǎn)生小分子。超聲波作用使瀝青組分減少，飽和烴組分增加，空化、機(jī)械振動(dòng)和熱作用都對(duì)稠油采出液起到促進(jìn)作用，其中空化作用、振動(dòng)作用占主導(dǎo)地位，熱效果起輔助作用。

合適頻率與功率的超聲波除了力-化學(xué)作用，空化的瞬間高溫、高壓變化以及含氧介質(zhì)（水、空氣）的同時(shí)作用下導(dǎo)致的原油分子鏈斷裂、降解外，還有強(qiáng)烈的氧化、水解等作用[6]，不但分子量會(huì)變小，而且可能導(dǎo)致雙鍵及極性（親水性）基團(tuán)和發(fā)色基團(tuán)的產(chǎn)生，因?yàn)樵椭斜旧砭秃幸欢〝?shù)量的石油磺酸，后者的形成和數(shù)量變化、原來(lái)C-C鏈的縮短，都會(huì)使在使組成變化的同時(shí)，改變其溶解度參數(shù)，從而導(dǎo)致相變的產(chǎn)生，很好地解釋水包油/水漂油的產(chǎn)生和體系黏度的下降。此外，導(dǎo)致黏度降低可能也有物理過(guò)程的參與，稠油加水降低稠油黏度的原因在于稠油和水形成分散均勻的乳化液。超聲處理稠油與水混合液，促進(jìn)了乳化混合的程度，使稠油更好的分散在水中，不同超聲處理功率對(duì)蠟晶的數(shù)量及尺寸有明顯的作用。超聲波功率較小時(shí)，蠟晶數(shù)量少，相對(duì)密集聚集，尺寸大，多呈橢球形，分散程度較低，當(dāng)處理功率從50W增大到150W時(shí)，可以明顯看到，蠟晶顆粒的數(shù)量快速增加，顆粒尺寸大幅度減小，且多呈近圓形，由之前的聚集分布過(guò)渡到相對(duì)分散分布。蠟晶的尺寸、形狀、集中程度的明顯變化對(duì)稠油的黏度產(chǎn)生較大的解堵作用。因此相同條件下超聲處理后，混合液的黏度更低，解堵效率更高。

對(duì)于低滲儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，孔滲物性差，當(dāng)孔喉半徑與瀝青質(zhì)集團(tuán)差別不大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致瀝青質(zhì)于儲(chǔ)層內(nèi)部產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象;對(duì)于中高滲儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)層物性較好，孔隙喉道較粗，孔隙內(nèi)壁距離瀝青質(zhì)集團(tuán)較遠(yuǎn)，巖心孔道壁對(duì)瀝青質(zhì)的吸附作用力小，基本隨原油一起滲流，不易產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象。物性差的低滲油藏比中高滲油藏更利于瀝青質(zhì)的沉淀。

參考文獻(xiàn)

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[2] Hamidi H，Mohammadian E，Junin R，et al. The Effect of Ultrasonic Waves on Oil Viscosity[J]. Petroleum Science and Technology，2014，32（19）：2387.

[3] Hua Qiang，Tan Donghan，Chen Laicheng，et al. Ultrasonic irradiation reduces Shengli heavy oil viscosity [J].Oil&Gas Journal，2017，115（10）：46-49.

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[5] Mousavi SM. Effect of ultrasonic irradiation on rheological properties of asphaltenic crude oils[J]. Petroleum Science，2012，9（1）：82.

[6] Mullakaev MS. Effect of ultrasound on the viscosity-temperature properties of crude oils of various compositions[J]. Theoretical Foundations of Chemical Engineering，2015，49（3）：287.

作者簡(jiǎn)介

華強(qiáng)（1982-），男，學(xué)歷：博士，講師，現(xiàn)就職單位：河南大學(xué)濮陽(yáng)工學(xué)院，研究方向：石油工程的教學(xué)研究。