超聲波解堵機理研究

華強?譚冬寒?王國慶?李晨?原超毅

摘 要 超聲波近年來成為研究熱點。本文針對稠油超聲波解堵技術進行分析，調研國內外資料，研究了相關技術的發展，指出了超聲波解堵的主要機理及研究現狀。

關鍵詞 超聲波;稠油;解堵

最近幾十年來，超聲波已經普遍用于工業生產的許多方面，如廢水處理、定位檢測、醫藥等。超聲波技術可以提高石油產量，增加注入量，綠色環保，無污染。稠油粘度很大，流動性差，這一點給稠油采收率的提高和原油輸送帶來了許多困難。CO2混相驅后導致油層內部滯留較多的重質組分，因此，通過開展室內試驗，研究超聲波作用對于稠油粘度和解堵系數的影響作用，致力于減小重質組分的粘度，增加儲層滲透率等物性參數，從而實現超聲波解堵的作用目的。以下實驗主要從兩個方面著手，一是超聲波作用對樣品粘度的影響，粘度的改變影響了原油與孔隙內壁的結合力;二是超聲波作用對樣品滲透率的影響，滲透率的改變影響了樣品允許油水通過的能力。

超聲波對稠油采出液黏度的影響，主要基于在超聲波的空化作用[1]、機械振動作用[2]和熱作用[3]。

超聲波在稠油中傳播時，可產生明顯的熱效應，油樣溫度有明顯的上升，溫度的較大上升將會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相。但熱作用導致輕質組分從稠油體系中揮發導致C16以下的組分百分含量有較明顯的下降，并且由于輕質組分含量的減少會導致稠油中重質組分相對含量增加，這一點不利于轉相，由于超聲熱效應有限，實驗油樣溫度最高上升15℃左右，所以熱效應的作用效果有限，且黏度對于溫度上升的敏感程度高于少量輕質組分揮發帶來的不利影響，熱作用不是影響稠油采出液的主要因素。超聲波的熱效應使稠油有較大的溫升幅度，都能促進空化作用、機械作用產生更強的作用效果。

脫水稠油經超聲波處理后，原油組分有明顯的變化，超聲波可對稠油施加空化作用，在原油內產生微小泡核，伴隨泡核的產生、震蕩、生長、發展、消失等過程，在極短時間內在很小范圍內產生極大的溫升效應，壓力隨著急劇上升，對稠油的大分子產生破壞作用，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，導致大分子向小分子變化的過程，稠油隨超聲功率增加，稠油表面生成數量更多、尺寸更小的氣泡，稠油顏失也由黑褐色變為褐色，最終變為淺褐色，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，超聲波的機械作用對稠油大分子C-C鍵斷裂都有一定的促進作用[4-5]，機械作用致使稠油分子間產生劇烈振動，產生一定幅度的相對位移，機械運動達到某個程度的時候，劇烈振動及大幅度的相對運動致使C-C鍵斷裂產生小分子。超聲波作用使瀝青組分減少，飽和烴組分增加，空化、機械振動和熱作用都對稠油采出液起到促進作用，其中空化作用、振動作用占主導地位，熱效果起輔助作用。

合適頻率與功率的超聲波除了力-化學作用，空化的瞬間高溫、高壓變化以及含氧介質（水、空氣）的同時作用下導致的原油分子鏈斷裂、降解外，還有強烈的氧化、水解等作用[6]，不但分子量會變小，而且可能導致雙鍵及極性（親水性）基團和發色基團的產生，因為原油中本身就含有一定數量的石油磺酸，后者的形成和數量變化、原來C-C鏈的縮短，都會使在使組成變化的同時，改變其溶解度參數，從而導致相變的產生，很好地解釋水包油/水漂油的產生和體系黏度的下降。此外，導致黏度降低可能也有物理過程的參與，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蠟晶的數量及尺寸有明顯的作用。超聲波功率較小時，蠟晶數量少，相對密集聚集，尺寸大，多呈橢球形，分散程度較低，當處理功率從50W增大到150W時，可以明顯看到，蠟晶顆粒的數量快速增加，顆粒尺寸大幅度減小，且多呈近圓形，由之前的聚集分布過渡到相對分散分布。蠟晶的尺寸、形狀、集中程度的明顯變化對稠油的黏度產生較大的解堵作用。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。

對于低滲儲層來說，孔滲物性差，當孔喉半徑與瀝青質集團差別不大時，會導致瀝青質于儲層內部產生沉淀現象;對于中高滲儲層來說，儲層物性較好，孔隙喉道較粗，孔隙內壁距離瀝青質集團較遠，巖心孔道壁對瀝青質的吸附作用力小，基本隨原油一起滲流，不易產生沉淀現象。物性差的低滲油藏比中高滲油藏更利于瀝青質的沉淀。

參考文獻

[1] Doust AM，Rahimi M，Feyzi M. Effects of solvent addition and ultrasound waves on viscosity reduction of residue fuel oil[J]. Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2015，（95）：353.

[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.

[4] Hamidi H，Mohammadian E，Junin R，et al. A technique for evaluating the oil/heavy-oil viscosity changes under ultrasound in a simulated porous medium[J]. Ultrasonics，2014，54（2）：655.

[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.

作者簡介

華強（1982-），男，學歷：博士，講師，現就職單位：河南大學濮陽工學院，研究方向：石油工程的教學研究。