石油工程中超聲波的應用現狀分析

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摘要：針對超聲波技術在石油工程中的應用進行了綜述。從超聲波的作用機理進行了描述。介紹了超聲波在石油工程中對石油增產、注水井增注、原油破乳、污水處理、污水防垢等應用情況。超聲波技術是一種高效環(huán)保技術，將其與傳統(tǒng)工藝技術相結合，提高應用效果、降低生產成本是今后的研究方向。

關鍵詞：超聲波；石油工程；污水處理；原油破乳

引言

隨著世界經濟的迅速發(fā)展，石油已成為重要的能源及化工原料，要提高石油的產量和含油污水污泥的處理回收利用效果，就要采取有效的處理措施。目前，超聲波技術在石油化工中的應用逐漸引起人們的重視，被廣泛應用。本文從超聲波作用機理、超聲波的技術應用情況等方面進行闡述。

1.超聲波作用機理

超聲波是一種頻率高于20KHZ的聲波，特點是穿透能力強，方向性好，現在已廣泛應用于化工、醫(yī)學、工業(yè)、能源、生物、農業(yè)、生物等行業(yè)。當超聲波在介質中傳播時，由于超聲波與兩相或多相介質的相互作用，使介質發(fā)生物理化學變化，從而產生一系列的力學、熱學、光學、電學和化學等一系列效應，這些效應可歸結為機械效應、空化效應、熱效應和化學效應4種基本作用[1-2]。機械效應：當超聲波流體介質中形成駐波時，懸浮在流體中的微小顆粒因受機械力的作用而凝聚在波節(jié)處，在空間形成周期性的堆積，增大非均相的反應界面，促進強化分散相的擴散、傳質過程?？栈撼暡ㄗ饔糜谝后w時可產生大量小氣泡。一個原因是液體內局部出現拉應力而形成負壓，壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強大的拉應力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化。液體在超聲波的作用下，因空化作用形成的小氣泡將隨介質的振動而瞬間崩潰，在崩潰點處產生局部高溫、高壓，同時產生激波。在空化作用下，介質的內摩擦形成電荷，在氣泡內因放電而產生發(fā)光現象，同時也可以影響液體中的化學反應。熱效應：超聲波攜帶大量能量，在介質傳播過程中，超聲波中的能量被介質吸收，從而使介質溫度升高，介質溫度升高后可影響到分散相的屬性，并且可以加速化學反應的進行?；瘜W效應：超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學反應。液體在超聲波的作用下產生空化效應，空化效應產生的局部高溫、高壓的能量足以斷開結合較強的化學鍵，促進化學反應的進行、提高反應速率、增加產率。并且超聲波對光化學和電化學過程也有明顯影響。

2.超聲波在石油工程領域的應用狀況

(1)超聲波在低產井增采技術上的應用我國陸地采油廠、隊、礦有400多個，全國采油井、注水井達18萬余口，其中中晚期油井4萬多口，5-10年后，現有的油井大多數也會成為中晚期采油井。中晚期油井雖還有可觀的儲量，但產量很低，開采難度大。然而處理低產井的技術方法十分有限：一是油井壓裂，但多次壓裂后地下巖石已破碎，再壓裂已沒有作用；二是化學方法如酸化，由于對地層會造成污染，現已限制使用；三是其他方法，包括一系列物理方法在內。因此，大功率超聲波驅油系統(tǒng)及設備的市場前景是相當廣闊的。在石油開采過程中，利用超聲波的聲波作用對油層的巖縫施加作用，從而使原油從巖縫中順利出來，同時能夠降低原油的粘度。王潔瓊研究了在油層作業(yè)時超聲波能夠充分滲透進入原油的各種成分之間，將原油烴類分子之間的化學作用在一定程度上進行了破壞，使得烴類高分子化合物能夠分解掉，從而將原油分解成粘性較低的成分，有利于進行開采[3]。(2)超聲波在注水井增注技術上的應用在油田注水開采中，注水效果主要取決于注水水質。如果注入不合格的水，會造成巖石滲透率下降，同時對低滲透層造成嚴重傷害，影響水驅效果，采收率降低。故必須對水中的機械雜質含量、總含鐵量、細菌含量、含氧量、PH值等指標進行嚴格控制，注水前需進行水處理。孫仁遠、揚懷杰等[4]利用超聲波的空化作用，針對油田采出水進行了室內研究，得出結論：超聲波能夠粉碎水中的機械雜質，降低固體顆粒物直徑，懸浮物含量降低，水的界面張力下降，還原菌數不變，腐生細菌減少，總鐵含量和含油量降低，從而改善水質。同時，經現場試驗，超聲波處理后，注水井的吸水指數明顯增大。(3)超聲波在原油破乳脫水技術上的應用在原油脫水處理過程中，對稠油及超稠油進行脫水處理存在著一定困難，也制約著日常產量。針對這一問題，可通過采取在傳統(tǒng)化學脫水的同時，加入超聲波場以提升破乳比例。遼河油田進行室內研究，選擇合適的超聲波強度和超聲輻射時間對原油脫水油顯著的效果，通過現場應用可以證明，利用超聲波進行稠油破乳脫水已取得了良好的脫水效果，與物理化學沉降法相比，具有脫水時間短、脫水效率高及加藥量少等優(yōu)點[5]。孫寶江等[6]研究了超聲波對乳化原油脫水機理，證實了聲強是超聲波破乳的重要因素。在聲強增大時，水滴運動加速，產生位移效應，加速水滴的碰撞、凝聚，加速油相與水相的分離；在聲強值超過臨界值時，水滴運動過于劇烈，同時也加速了水滴與油滴的碰撞，導致油水乳化。超聲波的頻率和聲輻射時間也是影響破乳效果的影響因素。超聲波的頻率對破乳效果存在最佳范圍，在頻率不足最佳頻率時，通過延長輻射時間可以增強破乳效果，但輻射時間并非越長越好，過長的聲輻射時間，反而導致脫水效果下降。

據報道[7]，對遼河稠油破乳脫水的實驗研究，在原“熱——化學破乳”的工藝上增加超聲波處理的組合工藝，實現熱、化學、超聲的聯合作用，可大幅降低化學破乳劑的用量和沉降時間，有利于提高脫水效率，降低能耗。另外，在老化油脫水處理工藝中采用熱化學+氣浮+超聲進行脫水，選用合適的超聲波強度和作用時間，可實現油、水、泥三相分離。(4)超聲波在含油污水處理技術上的應用油田含油污水主要來自原油脫水站及聯合站內各種原油儲罐的罐底水、原油洗鹽后的污水以及為有效保護井下管柱而定期對注水井進行洗井作業(yè)的洗井水等。根據含油污水原水主要污染物為原油及懸浮物。目前，油田上的油水分離方法主要包括重力熱化學沉降、離心分離、電化學分離、聚結分離、超聲分離等，各種方法各有利弊。近幾年，超聲波處理含油污水也取得了良好的處理效果，其主要是利用空化作用與化學效應進行一系列的化學反應將復雜的高分子有機物轉化成為無機物或簡單有機物。蔣昊琳等[8]研究表明，利用超聲波可以將難處理的有機物轉化為易處理的小分子基團，甚至可能再轉化為水和二氧化碳。為了提高降解效果，可以將超聲波與其他處理技術聯合使用，如超聲波+氣浮、超聲波+熱化學、超聲波一臭氧、超聲波一光催化、超聲波一零價鐵、超聲波一活性炭技術、超聲波一膜技術、超聲波一電化學法等聯合技術。(5)超聲波在污水防垢技術上的應用采油增產過程中，注水量的增大使油田生產系統(tǒng)結構問題日益嚴重，超聲波可以防止設備、管線結垢[2]。超聲波防垢機理主要是利用超聲的空化效應和機械效應，超聲波產生的脈沖震蕩波能強烈地沖刷設備表面，降低設備表面附著的垢量，強烈干擾沉淀在設備表面沉積長大，也可以起到清洗作用，同時，超聲波能夠提高過飽和溶液成核速率，降低溶液過飽和度，以緩解設備管線表面成垢壓力。通過選擇合適的超聲場參數，就可以有效地防止設備結垢。油田污水常用防垢方法為投加防垢劑，而超聲波防垢技術在環(huán)境保護和經濟方面均優(yōu)于化學藥劑。(6)超聲波在含油污泥處理中的應用含油污泥是指采油、煉油生產過程中產生的各類含有石油組分的污泥，成分復雜，乳化程度高，處理難度大。王永平等[9]研究報道，通過優(yōu)化工藝，采用機械調制+高溫熱化學洗滌+超聲破乳+氣浮除油+離心脫水除油技術，在清洗劑濃度為1%，溫度為60℃，高溫清洗時間40min，除油率達到85%，再通過超聲作用20min，投加破乳劑10mg/L，可去除剩余油85%。最終投加絮凝劑，經離心機轉速2500r/min脫水，脫水后污泥含水小于80%，含油量小于2%。殷絢等[10]對超聲波在污泥脫水的效果研究發(fā)現，在超聲波頻率為20kHz，聲強為400W/m2，處理時間為2～4min，污泥的結合水含量可以從16.7g/g降低至2g/g以下。大大降低了污泥結合水的含量，使污泥的脫水能力得到明顯提高，減少脫水后污泥量。

3.結語

超聲波技術是一種高效的處理技術應用于很多領域。與許多傳統(tǒng)應用技術相比，其具有環(huán)保、經濟等特點，是一種綠色環(huán)保技術，結合目前環(huán)保政策的要求，具有廣闊的應用前景。將超聲波技術與傳統(tǒng)技術和其他新興技術相結合，提高應用效果、降低生產成本是今后的研究方向。

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作者：李忠杰 仝珍珍 單位：新疆科力新技術發(fā)展股份有限公司