石油工程中超聲波的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

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

關(guān)鍵詞：超聲波；石油工程；污水處理；原油破乳

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)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(chǎn)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(shù)在石油化工中的應(yīng)用逐漸引起人們的重視，被廣泛應(yīng)用。本文從超聲波作用機(jī)理、超聲波的技術(shù)應(yīng)用情況等方面進(jìn)行闡述。

1.超聲波作用機(jī)理

超聲波是一種頻率高于20KHZ的聲波，特點(diǎn)是穿透能力強(qiáng)，方向性好，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、能源、生物、農(nóng)業(yè)、生物等行業(yè)。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于超聲波與兩相或多相介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)變化，從而產(chǎn)生一系列的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等一系列效應(yīng)，這些效應(yīng)可歸結(jié)為機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)4種基本作用[1-2]。機(jī)械效應(yīng)：當(dāng)超聲波流體介質(zhì)中形成駐波時，懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)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(yīng)界面，促進(jìn)強(qiáng)化分散相的擴(kuò)散、傳質(zhì)過程?？栈?yīng)：超聲波作用于液體時可產(chǎn)生大量小氣泡。一個原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)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(qiáng)大的拉應(yīng)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(zhì)的振動而瞬間崩潰，在崩潰點(diǎn)處產(chǎn)生局部高溫、高壓，同時產(chǎn)生激波。在空化作用下，介質(zhì)的內(nèi)摩擦形成電荷，在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，同時也可以影響液體中的化學(xué)反應(yīng)。熱效應(yīng)：超聲波攜帶大量能量，在介質(zhì)傳播過程中，超聲波中的能量被介質(zhì)吸收，從而使介質(zhì)溫度升高，介質(zhì)溫度升高后可影響到分散相的屬性，并且可以加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。化學(xué)效應(yīng)：超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng)。液體在超聲波的作用下產(chǎn)生空化效應(yīng)，空化效應(yīng)產(chǎn)生的局部高溫、高壓的能量足以斷開結(jié)合較強(qiáng)的化學(xué)鍵，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行、提高反應(yīng)速率、增加產(chǎn)率。并且超聲波對光化學(xué)和電化學(xué)過程也有明顯影響。

2.超聲波在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用狀況

(1)超聲波在低產(chǎn)井增采技術(shù)上的應(yīng)用我國陸地采油廠、隊(duì)、礦有400多個，全國采油井、注水井達(dá)18萬余口，其中中晚期油井4萬多口，5-10年后，現(xiàn)有的油井大多數(shù)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(chǎn)量很低，開采難度大。然而處理低產(chǎn)井的技術(shù)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(xué)方法如酸化，由于對地層會造成污染，現(xiàn)已限制使用；三是其他方法，包括一系列物理方法在內(nèi)。因此，大功率超聲波驅(qū)油系統(tǒng)及設(shè)備的市場前景是相當(dāng)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(jìn)入原油的各種成分之間，將原油烴類分子之間的化學(xué)作用在一定程度上進(jìn)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(jìn)行開采[3]。(2)超聲波在注水井增注技術(shù)上的應(yīng)用在油田注水開采中，注水效果主要取決于注水水質(zhì)。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(yán)重傷害，影響水驅(qū)效果，采收率降低。故必須對水中的機(jī)械雜質(zhì)含量、總含鐵量、細(xì)菌含量、含氧量、PH值等指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，注水前需進(jìn)行水處理。孫仁遠(yuǎn)、揚(yáng)懷杰等[4]利用超聲波的空化作用，針對油田采出水進(jìn)行了室內(nèi)研究，得出結(jié)論：超聲波能夠粉碎水中的機(jī)械雜質(zhì)，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(shù)不變，腐生細(xì)菌減少，總鐵含量和含油量降低，從而改善水質(zhì)。同時，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，超聲波處理后，注水井的吸水指數(shù)明顯增大。(3)超聲波在原油破乳脫水技術(shù)上的應(yīng)用在原油脫水處理過程中，對稠油及超稠油進(jìn)行脫水處理存在著一定困難，也制約著日常產(chǎn)量。針對這一問題，可通過采取在傳統(tǒng)化學(xué)脫水的同時，加入超聲波場以提升破乳比例。遼河油田進(jìn)行室內(nèi)研究，選擇合適的超聲波強(qiáng)度和超聲輻射時間對原油脫水油顯著的效果，通過現(xiàn)場應(yīng)用可以證明，利用超聲波進(jìn)行稠油破乳脫水已取得了良好的脫水效果，與物理化學(xué)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(diǎn)[5]。孫寶江等[6]研究了超聲波對乳化原油脫水機(jī)理，證實(shí)了聲強(qiáng)是超聲波破乳的重要因素。在聲強(qiáng)增大時，水滴運(yùn)動加速，產(chǎn)生位移效應(yīng)，加速水滴的碰撞、凝聚，加速油相與水相的分離；在聲強(qiáng)值超過臨界值時，水滴運(yùn)動過于劇烈，同時也加速了水滴與油滴的碰撞，導(dǎo)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(qiáng)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(dǎo)致脫水效果下降。

據(jù)報(bào)道[7]，對遼河稠油破乳脫水的實(shí)驗(yàn)研究，在原“熱——化學(xué)破乳”的工藝上增加超聲波處理的組合工藝，實(shí)現(xiàn)熱、化學(xué)、超聲的聯(lián)合作用，可大幅降低化學(xué)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(xué)+氣浮+超聲進(jìn)行脫水，選用合適的超聲波強(qiáng)度和作用時間，可實(shí)現(xiàn)油、水、泥三相分離。(4)超聲波在含油污水處理技術(shù)上的應(yīng)用油田含油污水主要來自原油脫水站及聯(lián)合站內(nèi)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(hù)井下管柱而定期對注水井進(jìn)行洗井作業(yè)的洗井水等。根據(jù)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(xué)沉降、離心分離、電化學(xué)分離、聚結(jié)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(xué)效應(yīng)進(jìn)行一系列的化學(xué)反應(yīng)將復(fù)雜的高分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成為無機(jī)物或簡單有機(jī)物。蔣昊琳等[8]研究表明，利用超聲波可以將難處理的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易處理的小分子基團(tuán)，甚至可能再轉(zhuǎn)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(shù)聯(lián)合使用，如超聲波+氣浮、超聲波+熱化學(xué)、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(shù)、超聲波一膜技術(shù)、超聲波一電化學(xué)法等聯(lián)合技術(shù)。(5)超聲波在污水防垢技術(shù)上的應(yīng)用采油增產(chǎn)過程中，注水量的增大使油田生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題日益嚴(yán)重，超聲波可以防止設(shè)備、管線結(jié)垢[2]。超聲波防垢機(jī)理主要是利用超聲的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，超聲波產(chǎn)生的脈沖震蕩波能強(qiáng)烈地沖刷設(shè)備表面，降低設(shè)備表面附著的垢量，強(qiáng)烈干擾沉淀在設(shè)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(shè)備管線表面成垢壓力。通過選擇合適的超聲場參數(shù)，就可以有效地防止設(shè)備結(jié)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(shù)在環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)方面均優(yōu)于化學(xué)藥劑。(6)超聲波在含油污泥處理中的應(yīng)用含油污泥是指采油、煉油生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類含有石油組分的污泥，成分復(fù)雜，乳化程度高，處理難度大。王永平等[9]研究報(bào)道，通過優(yōu)化工藝，采用機(jī)械調(diào)制+高溫?zé)峄瘜W(xué)洗滌+超聲破乳+氣浮除油+離心脫水除油技術(shù)，在清洗劑濃度為1%，溫度為60℃，高溫清洗時間40min，除油率達(dá)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(jīng)離心機(jī)轉(zhuǎn)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(xiàn)，在超聲波頻率為20kHz，聲強(qiáng)為400W/m2，處理時間為2～4min，污泥的結(jié)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(jié)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(jié)語

超聲波技術(shù)是一種高效的處理技術(shù)應(yīng)用于很多領(lǐng)域。與許多傳統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)相比，其具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保技術(shù)，結(jié)合目前環(huán)保政策的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。將超聲波技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)和其他新興技術(shù)相結(jié)合，提高應(yīng)用效果、降低生產(chǎn)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(shù)發(fā)展股份有限公司