基于PIC單片機超聲波驅(qū)油系統(tǒng)的研究

朱強

【摘要】隨著油田產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國地下可采石油也逐漸減少，各種油價不斷上漲。因此各類提高產(chǎn)業(yè)效率、增加原油利用率等開采技術(shù)越來越多地獲得了關(guān)注。設(shè)計以PIC系列單片機為控制核心，利用超聲波的理論基礎(chǔ)，制作了電路板，并通過實驗深入探討了超聲波的驅(qū)油機理，優(yōu)化了系統(tǒng)參數(shù)，通過實驗數(shù)據(jù)獲得了最佳的驅(qū)油效果。

【關(guān)鍵詞】超聲波;PIC;原油降粘;參數(shù)優(yōu)化

1.引言

光由于我國的油氣藏多為陸相沉積，油藏類型較為復(fù)雜，油層物性并非十分良好，油層薄而互層較多，原油物理性質(zhì)區(qū)別較大，油層所能承受壓力較小，而且井下油水關(guān)系復(fù)雜，因此開發(fā)油氣藏增產(chǎn)技術(shù)十分必要。超聲波采油可以用于解堵、提高采收率、防蠟、降粘、脫水、脫氣、防垢、乳化、破乳等多個方面，是以物理作用為基礎(chǔ)，應(yīng)用范圍廣泛，不存在造成油層污染的外來因素，同時還具備適應(yīng)性強、工藝簡單等優(yōu)點的先進采油技術(shù)。

設(shè)計采用PIC單片機作為系統(tǒng)的控制核心，控制超聲波頻率、作用時間、聲強等各項參數(shù)對巖心滲透率以及原油粘度的影響規(guī)律，最終進行參數(shù)優(yōu)化以達到更好的應(yīng)用效果，進而解決實際問題[1]。

2.總體電路設(shè)計

該系統(tǒng)包括超聲波信號控制部分、超聲波發(fā)生器、信號檢測部分等組成。其中控制核心為PIC系列PICF16887單片機，具有全新的流水線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線（HARWARD）結(jié)構(gòu)、單字指令體系，與其它單片機相比，具有性能完善、功能強大、開發(fā)應(yīng)用方便、人機界面友好等突出優(yōu)點。PIC16F877具有PIC系列單片機的全部優(yōu)點，有28個引腳，22個通用I/O口，5路的10位AD轉(zhuǎn)換通道，2路PWM發(fā)生器，13個中斷源，3個定時計數(shù)器，自帶“看門狗”，可以在線編程。本設(shè)計通過PIC單片機強大的PWM發(fā)生器來產(chǎn)生系統(tǒng)所需頻率信號。主要控制電路如圖1所示。

圖1 PIC控制電路

系統(tǒng)使用運算放大器UA741進行信號的采集[2]，采集信號包括系統(tǒng)電流、電壓值，系統(tǒng)溫度等。

3.原油超聲波驅(qū)油實驗研究

3.1 超聲波頻率對原油驅(qū)油效果的影響

圖2 不同超聲波頻率作用下的粘溫曲線

在超聲波頻率定性分析實驗中，采用的超聲波頻率分別為20kHz、28kHz、40kHz和68kHz，為了減小實驗測量結(jié)果的誤差，在每個頻率下均對三個油樣進行處理，測量結(jié)果取實驗數(shù)據(jù)的平均值。固定超聲波處理器的功率，調(diào)整實驗裝置的頻率，使得在每一個頻率下超聲波實驗裝置對原油樣品累計作用時間相同，測量原油樣品在不同恒溫水浴溫度下的粘度值。原油超聲波頻率驅(qū)油實驗所得的實驗結(jié)果如圖2所示。

在選用的四個頻率中，20kHz左右的超聲波作用原油后降粘幅度最大，降粘率最高，驅(qū)油效果最好。隨著超聲波頻率的增大，降粘幅度、降粘率、驅(qū)油效果均逐漸降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：在其他實驗條件保持相同的情況下，超聲波的頻率越小，振蕩周期越長，則為空化泡生長、增大、崩潰等過程提供的時間越充足，空化效應(yīng)更易于產(chǎn)生。同時，對于空化效應(yīng)產(chǎn)生的空化泡，其振動幅度會隨著超聲波頻率的降低而增大，破壞原油原有蠟層結(jié)構(gòu)，對蠟晶的形成和生長有一定的阻礙作用，降低了原油粘度。根據(jù)實驗可知，采用頻率約為20kHz的超聲波作用原油獲得的驅(qū)油效果最佳[3]。

3.2 超聲波累計作用時間對原油驅(qū)油效果的影響

在超聲波累計作用時間定性分析實驗中，超聲波累計作用時間分別為1min、3min、5min和7min，為了減小實驗測量結(jié)果的誤差，在每個累計作用時間范圍內(nèi)均對三個油樣進行處理，測量結(jié)果取實驗數(shù)據(jù)的平均值。固定超聲波處理器的頻率和功率，調(diào)整超聲波實驗裝置的累計作用時間，使得在每一個累計作用時間范圍內(nèi)超聲波實驗裝置處理原油樣品，測量原油樣品在不同恒溫水浴溫度下的粘度值[4]。原油超聲波累計作用時間驅(qū)油實驗所得的實驗結(jié)果如下：

圖4 累計作用時間與降粘率的關(guān)系曲線

圖5 不同超聲波功率作用下的粘溫曲線

3.3 超聲波累計作用時間對原油驅(qū)油效果的影響

設(shè)定超聲波實驗裝置的功率分別為50W、100W、150W和200W，為了減小實驗測量結(jié)果的誤差，在每個功率下均對三個油樣進行處理，測量結(jié)果取實驗數(shù)據(jù)的平均值。固定超聲波處理器的頻率，調(diào)整實驗裝置的功率，使得在每一個功率下超聲波實驗裝置對原油樣品累計作用時間相同，測量原油樣品在不同恒溫水浴溫度下的粘度值[5]。原油超聲波功率驅(qū)油實驗所得的實驗結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)含水率小于50%時，超聲波處理前后的原油粘度進行比較可知，超聲波處理低含水率的原油沒有明顯降粘效果，且含水率越低，降粘效果越不明顯。當(dāng)含水率在50%到60%之間時，原油降粘幅度較大，降粘率顯著增大，降粘效果明顯。當(dāng)含水率大于60%時，原油降粘率略有減小，但降粘效果依舊顯著。

4.結(jié)束語

超聲波頻率對原油粘度影響較大，隨累計作用時間的增加，降粘率先增大后減小，出現(xiàn)一個峰值。在累積作用時間為1min時，降粘率較小，降粘效果不明顯;在累計作用時間為3min左右時，降粘率達到峰值，約為33%;在累積作用時間超過3min后，降粘率有所降低，但幅度較小，降粘效果基本平穩(wěn)。隨超聲波功率的增大，原油降粘率先增大后逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)超聲波功率為50W時，超聲波降粘幅度較小，降粘率較小，僅為15.76%，驅(qū)油效果較不明顯;當(dāng)功率為100W時，原油粘度明顯降低。隨著功率的進一步增大，降粘率繼續(xù)增大，但增幅減小，降粘率相對較為穩(wěn)定。一味增大實驗裝置功率，會縮短裝置壽命，因此優(yōu)選出的超聲波功率約為100W。

參考文獻

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[3]Ahmed N S，Nassar A M，Zaki N N，et al.Formation of fluid heavy oil in water emulsions for pipeline transportation Corporate.Fuel.1999.

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[5]王陽恩，鄧勝華，楊長銘，周克厚.超聲-表面活性劑對原油降粘的實驗研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2001（04）：79-81.