井筒超聲波空化清洗距離影響因素試驗(yàn)研究

超聲波能夠?qū)τ蜌饩疄V餅進(jìn)行清除，提升固井質(zhì)量，但在井下條件下超聲波空化所能產(chǎn)生的清洗距離少有人研究。為此，基于超聲波發(fā)射換能器、水聽(tīng)器以及套管設(shè)計(jì)了超聲波空化清洗距離檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)?；谠囼?yàn)平臺(tái)，研究了不同頻率、溫度及壓力下，井下超聲空化清洗所能達(dá)到的有效清洗距離，探索高溫高壓井中超聲波空化效應(yīng)去除濾餅的可行性。基于正交試驗(yàn)方法制定試驗(yàn)方案，并對(duì)超聲空化清洗影響因素開(kāi)展分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)超聲空化清洗影響程度的因素由大到小為壓力、超聲頻率、溫度?；贐ox-Behken模型擬合得出，在發(fā)射功率為400 W時(shí)，超聲波空化清洗最優(yōu)參數(shù)為超聲波頻率20 kHz、液體溫度30 ℃、液體壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，此時(shí)超聲波空化清洗距離最遠(yuǎn)為1 193.94 mm，與仿真誤差約為14.75%?；陬l譜分析方法，使用水聽(tīng)器對(duì)空化噪聲進(jìn)行采集，開(kāi)展功率單因素變量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在超聲波輸出功率達(dá)到1 200 W時(shí)，空化強(qiáng)度趨于飽和。研究結(jié)果可為超聲波在井筒清洗中的應(yīng)用提供理論參考。

超聲波；空化；清洗距離；有限元；濾蝕清除；正交試驗(yàn)

TE256

A

202403002

Experimental Study on Influencing Factors of Ultrasonic

Cavitation Cleaning Distance in Wellbore

Qu Congfeng¹"Yin Yiyong²"Liu Binhui¹"Wang Yan²"Guo Xinchao¹"Bai Hanqin³

（1.CNPC Engineering Technology Ramp;D Co.， Ltd.; 2.College of Engineering， China Agricultural University; 3.Beijing KEMBL Petroleum Technology Development Co.， Ltd.）

Ultrasonic waves can remove filter cake from oil and gas wells， thereby enhancing the quality of well cementing. However， the distance over which ultrasonic cavitation can effectively clean under downhole conditions has been rarely studied. This paper describes a test platform designed for measuring the cleaning distance of ultrasonic cavitation， which incorporates an ultrasonic transducer， hydrophone and casing setup. Using this platform， the effective cleaning distance of downhole ultrasonic cavitation was examined at different frequencies， temperatures and pressures， to investigate the feasibility of ultrasonic cavitation to remove filter cake in high-temperature， high-pressure wells. An orthogonal experiment was designed to identify factors influencing the ultrasonic cavitation cleaning. The results reveal that the influencing factors are pressure， ultrasonic frequency， and temperature， in a descending order of impact. By fitting a Box-Behnken model， the optimal parameters were determined to be an ultrasonic frequency of 20 kHz， a liquid temperature of 30 ℃， and a liquid pressure at standard atmospheric conditions， when the transmission power is at 400 W， yielding a maximum cleaning distance of 1 193.94 mm with an approximate simulation error of 14.75%. Through spectral analysis and the use of a hydrophone to gather cavitation noise， single-factor experiment was conducted under different power outputs. It is found that the cavitation intensity tends to reach saturation when the ultrasonic power output reaches 1 200 W. The research results provide a theoretical reference for application of ultrasonic wave in wellbore cleaning.

ultrasonic; cavitation; cleaning distance; finite element; filter cake removal; orthogonal experiment

0"引"言

在油氣井鉆井過(guò)程中，由于鉆井液濾失形成了地層淺處的內(nèi)濾餅和井壁表面的外濾餅^［1-2］，濾餅的存在會(huì)對(duì)固井質(zhì)量和后期的油氣生產(chǎn)產(chǎn)生影響^［3-4］。為了提高固井質(zhì)量和油氣井采收率^［5］，需要有效清除濾餅。

在固井作業(yè)中，清除濾餅的方法主要有機(jī)械清除法、固化法和沖洗法。通常采用機(jī)械清除法作為濾餅清除的預(yù)處理方式^［6-10］，然而單獨(dú)使用該方法很難達(dá)到有效清除井壁處濾餅的目的^［11-12］。固化法的使用存在著局限性，濾餅改性劑具有專一性，只能與特定類鉆井液、固井水鉆井液配合使用才能發(fā)揮功效^［13-14］，制約了該方法的推廣使用。沖洗法適用范圍較廣，但是忽略了沖洗液水動(dòng)力沖刷特性對(duì)濾餅清除效果的影響^［15-17］。

隨著洗井技術(shù)的快速發(fā)展，利用超聲波在液體中產(chǎn)生的空化作用來(lái)實(shí)現(xiàn)井壁上濾餅的清除已經(jīng)成為一種新興洗井技術(shù)^［18］。R.LORD^［19］在1917年研究了空化泡潰滅的規(guī)律，建立了理想條件下空化泡自由運(yùn)動(dòng)方程，為后來(lái)的空化泡動(dòng)力學(xué)計(jì)算提供了基礎(chǔ)；M.S.PLESSET等^［20］以R.LORD的成果為基礎(chǔ)，在考慮液體黏性情況下得到了氣泡動(dòng)力學(xué)常見(jiàn)的R-P方程，為后續(xù)研究提供了理論基礎(chǔ)；2008年，霍文蘭等^［21］在輸油管道上應(yīng)用了化學(xué)試劑輔以超聲波作用的方式進(jìn)行除垢，研究結(jié)果表明，添加超聲波作用時(shí)除垢率可達(dá)96.3%；2013年，崔方玲等^［22］通過(guò)MATLAB建立仿真模型，發(fā)現(xiàn)超聲頻率越低、空化泡振幅越大、運(yùn)動(dòng)越劇烈，產(chǎn)生的空化效果越強(qiáng)；XU N.等^［23］開(kāi)展了上超聲波對(duì)油泥除油效果的影響分析，選擇28和40 kHz對(duì)油泥進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)28 kHz相比40 kHz更適合油泥中油相與固體顆粒的分離，分離效率更高。在上述研究中，很少有學(xué)者針對(duì)不同井況中的壓力、溫度及超聲波參數(shù)對(duì)超聲波在井筒中清洗距離的影響規(guī)律開(kāi)展研究。為此，筆者基于超聲波空化作用下的井筒清洗，研制了一種能夠判斷不同參數(shù)的超聲波產(chǎn)生的清洗距離檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)超聲參數(shù)進(jìn)行交互影響分析，并對(duì)超聲波清洗距離進(jìn)行測(cè)試。所得結(jié)果可為超聲波在井筒清洗中的應(yīng)用提供理論參考。

1"清洗距離測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1"試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

超聲波空化清洗試驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。平臺(tái)由超聲檢測(cè)收發(fā)組件、試驗(yàn)環(huán)境變換組件和試驗(yàn)臺(tái)組件裝配而成。

超聲檢測(cè)收發(fā)組件由超聲波發(fā)生器、超聲波發(fā)射換能器、水聽(tīng)器、水聽(tīng)器固定架、采集儀和計(jì)算機(jī)組成，負(fù)責(zé)不同頻率、功率參數(shù)的超聲波發(fā)射及超聲波空化噪聲信號(hào)的接收，完成聲學(xué)信息采集與分析；試驗(yàn)環(huán)境變化組件由加泄壓閥門、壓力計(jì)、加壓設(shè)備、加熱帶、控溫裝置及溫度傳感器組成，負(fù)責(zé)試驗(yàn)套管中液體環(huán)境的壓力及溫度控制，完成不同工況井下環(huán)境的模擬；試驗(yàn)臺(tái)組件由套管放置臺(tái)、139.70 mm（5.5 in）試驗(yàn)套管組成，完成套管的放置、提供盛納液體發(fā)生空化作用的容器以及柱形井筒環(huán)境的模擬。

1.2"試驗(yàn)原理及流程

空化發(fā)生的液體介質(zhì)為水。首先打開(kāi)加泄壓閥門，將水注滿試驗(yàn)套管，啟動(dòng)加壓設(shè)備和加熱帶，將它們?cè)O(shè)置為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)壓力與溫度，通過(guò)加壓設(shè)備與加熱帶、控溫裝置來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而模擬不同的井下環(huán)境。之后啟動(dòng)超聲波發(fā)生器及超聲波發(fā)射換能器，調(diào)節(jié)超聲波頻率及超聲波發(fā)射功率，通過(guò)水聽(tīng)器采集空化噪聲數(shù)據(jù)，通過(guò)分析空化噪聲譜，提取基頻、諧波及次諧波幅值，從而判斷空化效應(yīng)的強(qiáng)度。數(shù)據(jù)采集及分析流程如圖2所示。最后將涂泥PC管置于管道中，通過(guò)PC管上清洗干凈的距離從宏觀上判斷超聲波清洗距離并對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。最終判斷在特定井下環(huán)境下，不同參數(shù)的超聲波能夠達(dá)到的清洗距離。

1.3"超聲波發(fā)射換能器選型

超聲波發(fā)射換能器常見(jiàn)的種類有貼附式和變幅桿式，如圖3所示。

對(duì)于貼附式超聲波發(fā)射換能器，壓電陶瓷在強(qiáng)交流電作用下產(chǎn)生相應(yīng)的高頻振動(dòng)，通過(guò)金屬座將超聲波傳遞至清洗槽中。該類超聲波發(fā)射換能器配合的清洗槽厚度通常小于3 mm，以降低超聲波傳遞的損耗。

對(duì)于變幅桿式超聲波發(fā)射換能器，其結(jié)構(gòu)由3部分組成，壓電陶瓷、變幅桿及工具頭，結(jié)構(gòu)如圖4所示。壓電陶瓷在激勵(lì)作用下產(chǎn)生振動(dòng)銅鼓，變幅桿放大傳遞至工具頭產(chǎn)生超聲波。

由于變幅桿式換能器發(fā)射功率大、產(chǎn)生的空化效應(yīng)強(qiáng)、密封較為簡(jiǎn)單，所以試驗(yàn)研究采用變幅桿式換能器。

2"管道內(nèi)部聲壓分布有限元分析

使用COMSOL Multiphysics軟件模擬空化作用下的套管內(nèi)聲場(chǎng)聲壓分布及衰減情況。建模時(shí)使用矩形平面來(lái)模擬管道截面，以減小有限元計(jì)算量。管道長(zhǎng)度為5 452 mm，內(nèi)徑為113.4 mm，用8 mm長(zhǎng)的線段來(lái)模擬超聲波發(fā)射換能器工具頭末端面直徑。超聲波加載方式通過(guò)“壓力聲學(xué)”接口中的內(nèi)部法向位移的形式進(jìn)行加載。振動(dòng)位移公式為^［24］：

x=Asin2πft（1）

式中：f為頻率，Hz；t為時(shí)間，s；A為振幅，μm。

模擬不同超聲功率時(shí)，只需要改變代表工具頭末端面的法向振動(dòng)幅值A(chǔ)即可，管道內(nèi)液體填充為水，仿真建模如圖5所示。

在400 W輸出功率下，液體溫度為30 ℃，液體壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，變幅桿末端工具頭位移是20 μm，分別施加20、30及40 kHz頻率進(jìn)行超聲波空化仿真。不同頻率下的管道內(nèi)聲壓場(chǎng)分布圖及聲壓沿中心軸線衰減如圖6所示。

由有限元分析結(jié)果可知，頻率越高，管道內(nèi)的聲壓分布越密集。20 kHz時(shí)，最大聲壓為2.5×10⁵"Pa；30 kHz時(shí)，最大聲壓為2.5×10⁶"Pa；40 kHz時(shí)，最大聲壓為3.0×10⁶"Pa。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)判斷，相同功率下，頻率越高，產(chǎn)生的聲壓場(chǎng)聲壓幅值越大，空化效應(yīng)強(qiáng)度越高。由于頻率越高的超聲波波長(zhǎng)越短，能量衰減越強(qiáng)，通過(guò)在管道模型中設(shè)置中心軸線，查看沿軸線的聲壓衰減情況。根據(jù)R-P方程可知空化閾值表達(dá)式為：

p_b=p₀+p_c=p₀-p_v+233×

2σR₀3p₀-p_v+2σR₀¹²

（2）

p_c=-p_v+233

2σR₀3p₀-p_v+2σR₀¹²

（3）

式中：p_b為空化閾值，Pa；p₀為液體靜壓，Pa；p_c為液體強(qiáng)度，Pa；p_v為液體飽和蒸汽壓，Pa；σ為液體表面張力系數(shù)，N/m；R₀為氣泡初始半徑，m。

水中氣泡的初始半徑R₀為1 μm，由式（2）和式（3）計(jì)算得到水中的空化閾值約為1.5×10⁵"Pa。當(dāng)聲壓大于該值時(shí)可以判斷該位置發(fā)生空化現(xiàn)象，管道中該位置具備較好的清洗效果。由仿真結(jié)果可以得到，20、30及40 kHz分別在1 370、1 180、850 mm處聲壓衰減至空化閾值以下。由此可知，頻率越高，能量衰減越嚴(yán)重，選擇低頻超聲進(jìn)行遠(yuǎn)距離清洗較為合適。

3"超聲波空化清洗距離測(cè)試室內(nèi)試驗(yàn)

3.1"涂泥PC管超聲波清洗距離試驗(yàn)

將1.5 m長(zhǎng)的透明PC管外管壁涂泥，之后放在試驗(yàn)套管中，一端放置在距離超聲波發(fā)射換能器20 mm處，調(diào)節(jié)發(fā)射功率為400 W對(duì)PC管外壁附著的泥進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間為3 min。定義超聲清洗距離等于PC管上清洗干凈的長(zhǎng)度加上PC管一端距離發(fā)射換能器的距離。PC管裝配、實(shí)物涂泥及清洗效果如圖7所示。

開(kāi)展400 W輸出功率下，不同頻率、溫度及壓力對(duì)套管中超聲波空化清洗距離影響的正交試驗(yàn)，確定對(duì)空化效應(yīng)影響最大的因素。通過(guò)Design Expert軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出超聲空化清洗距離試驗(yàn)因素水平表（見(jiàn)表1）與超聲空化清洗距離正交試驗(yàn)表（見(jiàn)表2）。

基于響應(yīng)曲面法，選擇Box-Behnken模型對(duì)表2中的清洗距離D進(jìn)行多元回歸擬合，得到清洗距離D的二次多項(xiàng)回歸方程為：

D=-1 264.375+27.437 50f+143.375T-

79.791 67p-0.025fT-0.125fp-0.166 667Tp-

0.818 75f²-2.281 25T²+2.013 89p²（4）

式中：p為正交試驗(yàn)聲壓，Pa；T為正交試驗(yàn)溫度，℃。

Box-Behnken模型的方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由方差分析結(jié)果可知，頻率f、壓力p對(duì)清洗距離均有極顯著的影響，溫度T對(duì)清洗距離具有顯著影響。根據(jù)p值越小對(duì)清洗距離的影響越大并結(jié)合F值，得出各參數(shù)對(duì)清洗距離的影響程度為：壓力gt;超聲頻率gt;溫度。

在不同的工況參數(shù)下，對(duì)超聲清洗距離進(jìn)行二次多元回歸擬合分析，得到不同工況參數(shù)下的響應(yīng)曲面。基于響應(yīng)曲面可以更好地分析超聲頻率、溫度及壓力的交互作用對(duì)超聲清洗距離的影響程度和變化趨勢(shì)。不同工況參數(shù)的交互影響如圖8所示。

圖8"不同參數(shù)交互作用對(duì)清洗距離產(chǎn)生的交互影響

Fig.8"Interactions of parameters to cleaning distance

由圖8分析可知，清洗距離隨著溫度的升高呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢(shì)，并且在30 ℃附近達(dá)到最大值；清洗距離隨著壓力的升高呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并且在0附近達(dá)到最大值；清洗距離隨著超聲頻率的增加而逐漸減小，且在20 kHz附近時(shí)最大。

基于上述響應(yīng)曲面法求解的二次回歸模型，并結(jié)合交互影響分析，以最大清洗距離為目標(biāo)尋求頻率、溫度和壓力的最優(yōu)解，求解結(jié)果顯示：f=20 kHz、T=31.3 ℃、p=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大清洗距離1 193.94 mm，與仿真結(jié)果（1 370 mm）的誤差約為14.75%。

基于響應(yīng)曲面得出的二次回歸模型可以判斷在常溫常壓環(huán)境下超聲清洗能夠達(dá)到較大的清洗距離，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，環(huán)境溫度為40 ℃、6 MPa時(shí)產(chǎn)生最小的清洗距離為440 mm；而經(jīng)過(guò)二次回歸模型擬合達(dá)到的最大清洗距離為1 193.94 mm，說(shuō)明溫度上升約10 ℃，壓力增大6 MPa，清洗距離衰減約63%。根據(jù)高溫高壓井環(huán)境參數(shù)，當(dāng)?shù)貙訅毫_(dá)到103.4 MPa，地層溫度達(dá)到149 ℃以上的井稱為高溫高壓井^［25］。根據(jù)響應(yīng)曲面趨勢(shì)判斷，在高溫高壓環(huán)境下超聲空化清洗距離將大幅減小，超聲空化清洗在井筒中軸向遠(yuǎn)距離清洗濾餅的目的將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

3.2"頻率20 kHz不同功率單因素變量試驗(yàn)

在對(duì)涂泥PC管進(jìn)行超聲清洗距離試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，20 kHz頻率下清洗效果較優(yōu)，故開(kāi)展20 kHz不同功率下的單因素超聲清洗試驗(yàn)研究。將水聽(tīng)器放置在與發(fā)射端換能器2.5 m處進(jìn)行聲壓幅值監(jiān)測(cè)。設(shè)置5個(gè)擋位進(jìn)行功率輸出（輸出功率分別為400、800、1 200、1 600和2 000 W），水聽(tīng)器采集噪聲信號(hào)之后，對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，獲取諧波（基頻）和次諧波（1.5倍基頻、2倍基頻、3倍基頻）的電壓幅值，結(jié)果如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：20 kHz時(shí)基頻輸出能量最高，隨著換能器輸出功率增加，當(dāng)輸出功率為1 200 W時(shí)，空化效應(yīng)引起的次諧波以及諧波變換后數(shù)值趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明在輸出功率1 200 W時(shí)空化強(qiáng)度趨于飽和，判定工具頭尺寸較小，增加功率后工具頭末端與水之間由于高頻振動(dòng)產(chǎn)生空腔，無(wú)法產(chǎn)生更強(qiáng)的空化作用，該功率下清洗效果已經(jīng)達(dá)到最佳。

4"結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）搭建超聲波空化清洗距離測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可以模擬井下環(huán)境，進(jìn)行不同參數(shù)的超聲波洗井效果研究。

（2）對(duì)不同頻率及功率的超聲波在類井筒形狀中基于有限元分析方法獲得試驗(yàn)套管中內(nèi)聲壓場(chǎng)的分布及超聲波衰減規(guī)律，通過(guò)仿真判斷不同功率的超聲波換能器有效清洗距離，頻率越高產(chǎn)生的近聲壓場(chǎng)聲壓幅值越高，但是聲壓幅值衰減越嚴(yán)重；頻率越高，有效清洗距離越近。

（3）超聲空化所發(fā)生的液體環(huán)境對(duì)清洗效果具有較強(qiáng)的影響，實(shí)際工況中，井下液體環(huán)境中存在大量的固體顆粒，這些顆粒會(huì)阻礙超聲波的傳播，使超聲波無(wú)法充分地到達(dá)需要清洗的物體表面，從而減弱清洗效果。此外，固體顆粒還可能與氣泡發(fā)生作用，減弱空化效應(yīng)的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，因此超聲洗井工程應(yīng)用難度較大。

（4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，超聲空化清洗僅適用于近井端、溫度及壓力不高的環(huán)境中。對(duì)于高溫高壓深井，由于環(huán)境因素的限制，超聲空化清洗濾餅清除方式并不適用。

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