石油工程中超声波的应用现状分析

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摘要：针对超声波技术在石油工程中的应用进行了综述。从超声波的作用机理进行了描述。介绍了超声波在石油工程中对石油增产、注水井增注、原油破乳、污水处理、污水防垢等应用情况。超声波技术是一种高效环保技术，将其与传统工艺技术相结合，提高应用效果、降低生产成本是今后的研究方向。

关键词：超声波；石油工程；污水处理；原油破乳

引言

随着世界经济的迅速发展，石油已成为重要的能源及化工原料，要提高石油的产量和含油污水污泥的处理回收利用效果，就要采取有效的处理措施。目前，超声波技术在石油化工中的应用逐渐引起人们的重视，被广泛应用。本文从超声波作用机理、超声波的技术应用情况等方面进行阐述。

1.超声波作用机理

超声波是一种频率高于20KHZ的声波，特点是穿透能力强，方向性好，现在已广泛应用于化工、医学、工业、能源、生物、农业、生物等行业。当超声波在介质中传播时，由于超声波与两相或多相介质的相互作用，使介质发生物理化学变化，从而产生一系列的力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应，这些效应可归结为机械效应、空化效应、热效应和化学效应4种基本作用[1-2]。机械效应：当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积，增大非均相的反应界面，促进强化分散相的扩散、传质过程。空化效应：超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。液体在超声波的作用下，因空化作用形成的小气泡将随介质的振动而瞬间崩溃，在崩溃点处产生局部高温、高压，同时产生激波。在空化作用下，介质的内摩擦形成电荷，在气泡内因放电而产生发光现象，同时也可以影响液体中的化学反应。热效应：超声波携带大量能量，在介质传播过程中，超声波中的能量被介质吸收，从而使介质温度升高，介质温度升高后可影响到分散相的属性，并且可以加速化学反应的进行。化学效应：超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。液体在超声波的作用下产生空化效应，空化效应产生的局部高温、高压的能量足以断开结合较强的化学键，促进化学反应的进行、提高反应速率、增加产率。并且超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。

2.超声波在石油工程领域的应用状况

(1)超声波在低产井增采技术上的应用我国陆地采油厂、队、矿有400多个，全国采油井、注水井达18万余口，其中中晚期油井4万多口，5-10年后，现有的油井大多数也会成为中晚期采油井。中晚期油井虽还有可观的储量，但产量很低，开采难度大。然而处理低产井的技术方法十分有限：一是油井压裂，但多次压裂后地下岩石已破碎，再压裂已没有作用；二是化学方法如酸化，由于对地层会造成污染，现已限制使用；三是其他方法，包括一系列物理方法在内。因此，大功率超声波驱油系统及设备的市场前景是相当广阔的。在石油开采过程中，利用超声波的声波作用对油层的岩缝施加作用，从而使原油从岩缝中顺利出来，同时能够降低原油的粘度。王洁琼研究了在油层作业时超声波能够充分渗透进入原油的各种成分之间，将原油烃类分子之间的化学作用在一定程度上进行了破坏，使得烃类高分子化合物能够分解掉，从而将原油分解成粘性较低的成分，有利于进行开采[3]。(2)超声波在注水井增注技术上的应用在油田注水开采中，注水效果主要取决于注水水质。如果注入不合格的水，会造成岩石渗透率下降，同时对低渗透层造成严重伤害，影响水驱效果，采收率降低。故必须对水中的机械杂质含量、总含铁量、细菌含量、含氧量、PH值等指标进行严格控制，注水前需进行水处理。孙仁远、扬怀杰等[4]利用超声波的空化作用，针对油田采出水进行了室内研究，得出结论：超声波能够粉碎水中的机械杂质，降低固体颗粒物直径，悬浮物含量降低，水的界面张力下降，还原菌数不变，腐生细菌减少，总铁含量和含油量降低，从而改善水质。同时，经现场试验，超声波处理后，注水井的吸水指数明显增大。(3)超声波在原油破乳脱水技术上的应用在原油脱水处理过程中，对稠油及超稠油进行脱水处理存在着一定困难，也制约着日常产量。针对这一问题，可通过采取在传统化学脱水的同时，加入超声波场以提升破乳比例。辽河油田进行室内研究，选择合适的超声波强度和超声辐射时间对原油脱水油显著的效果，通过现场应用可以证明，利用超声波进行稠油破乳脱水已取得了良好的脱水效果，与物理化学沉降法相比，具有脱水时间短、脱水效率高及加药量少等优点[5]。孙宝江等[6]研究了超声波对乳化原油脱水机理，证实了声强是超声波破乳的重要因素。在声强增大时，水滴运动加速，产生位移效应，加速水滴的碰撞、凝聚，加速油相与水相的分离；在声强值超过临界值时，水滴运动过于剧烈，同时也加速了水滴与油滴的碰撞，导致油水乳化。超声波的频率和声辐射时间也是影响破乳效果的影响因素。超声波的频率对破乳效果存在最佳范围，在频率不足最佳频率时，通过延长辐射时间可以增强破乳效果，但辐射时间并非越长越好，过长的声辐射时间，反而导致脱水效果下降。

据报道[7]，对辽河稠油破乳脱水的实验研究，在原“热——化学破乳”的工艺上增加超声波处理的组合工艺，实现热、化学、超声的联合作用，可大幅降低化学破乳剂的用量和沉降时间，有利于提高脱水效率，降低能耗。另外，在老化油脱水处理工艺中采用热化学+气浮+超声进行脱水，选用合适的超声波强度和作用时间，可实现油、水、泥三相分离。(4)超声波在含油污水处理技术上的应用油田含油污水主要来自原油脱水站及联合站内各种原油储罐的罐底水、原油洗盐后的污水以及为有效保护井下管柱而定期对注水井进行洗井作业的洗井水等。根据含油污水原水主要污染物为原油及悬浮物。目前，油田上的油水分离方法主要包括重力热化学沉降、离心分离、电化学分离、聚结分离、超声分离等，各种方法各有利弊。近几年，超声波处理含油污水也取得了良好的处理效果，其主要是利用空化作用与化学效应进行一系列的化学反应将复杂的高分子有机物转化成为无机物或简单有机物。蒋昊琳等[8]研究表明，利用超声波可以将难处理的有机物转化为易处理的小分子基团，甚至可能再转化为水和二氧化碳。为了提高降解效果，可以将超声波与其他处理技术联合使用，如超声波+气浮、超声波+热化学、超声波一臭氧、超声波一光催化、超声波一零价铁、超声波一活性炭技术、超声波一膜技术、超声波一电化学法等联合技术。(5)超声波在污水防垢技术上的应用采油增产过程中，注水量的增大使油田生产系统结构问题日益严重，超声波可以防止设备、管线结垢[2]。超声波防垢机理主要是利用超声的空化效应和机械效应，超声波产生的脉冲震荡波能强烈地冲刷设备表面，降低设备表面附着的垢量，强烈干扰沉淀在设备表面沉积长大，也可以起到清洗作用，同时，超声波能够提高过饱和溶液成核速率，降低溶液过饱和度，以缓解设备管线表面成垢压力。通过选择合适的超声场参数，就可以有效地防止设备结垢。油田污水常用防垢方法为投加防垢剂，而超声波防垢技术在环境保护和经济方面均优于化学药剂。(6)超声波在含油污泥处理中的应用含油污泥是指采油、炼油生产过程中产生的各类含有石油组分的污泥，成分复杂，乳化程度高，处理难度大。王永平等[9]研究报道，通过优化工艺，采用机械调制+高温热化学洗涤+超声破乳+气浮除油+离心脱水除油技术，在清洗剂浓度为1%，温度为60℃，高温清洗时间40min，除油率达到85%，再通过超声作用20min，投加破乳剂10mg/L，可去除剩余油85%。最终投加絮凝剂，经离心机转速2500r/min脱水，脱水后污泥含水小于80%，含油量小于2%。殷绚等[10]对超声波在污泥脱水的效果研究发现，在超声波频率为20kHz，声强为400W/m2，处理时间为2～4min，污泥的结合水含量可以从16.7g/g降低至2g/g以下。大大降低了污泥结合水的含量，使污泥的脱水能力得到明显提高，减少脱水后污泥量。

3.结语

超声波技术是一种高效的处理技术应用于很多领域。与许多传统应用技术相比，其具有环保、经济等特点，是一种绿色环保技术，结合目前环保政策的要求，具有广阔的应用前景。将超声波技术与传统技术和其他新兴技术相结合，提高应用效果、降低生产成本是今后的研究方向。

【参考文献】

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[2]李春喜,宋红艳,王子镐.超声波在化工中的应用与研究进展[J].石油学报(石油加工),2001,17(03):86-94.

[3]王洁琼.超声波采油技术的可行性探讨[J].黑龙江科技信息,2017,11:21.

[4]孙仁远,杨怀杰,等.超声技术在油田水处理中的应用[J].声学科技,2000,4:201-202.

[5]萧振强.浅析超声稠油脱水技术在油田联合站中的应用[J].化工原理,2017,9,27:4.

[6]孙宝江,颜大椿,乔文孝.乳化原油的超声波脱水研究[J].声学学报,1999,24(3):327-331.

[7]周铁金.辽河稠油破乳脱水综合技术实验研究.渤海大学学报(自然科学版),2007,28(2):113-116.

[8]蒋昊琳,刘立新,等.超声波在水处理中的应用与研究现状[J].化工进展,2017,36(1):464-468.

[9]王永平,宗延贵,张雷.含油污泥超声强化热洗处理工艺研究.石油化工应用,2016,35(10):145-148+153.

[10]殷绚,阙子龙,吕效平,等.超声波声强及处理时间对污泥结合水的影响.化工进展,2005,24(3):307-310.

作者：李忠杰 仝珍珍 单位：新疆科力新技术发展股份有限公司