基于PIC单片机超声波驱油系统的研究

朱强

【摘要】随着油田产业的不断发展，我国地下可采石油也逐渐减少，各种油价不断上涨。因此各类提高产业效率、增加原油利用率等开采技术越来越多地获得了关注。设计以PIC系列单片机为控制核心，利用超声波的理论基础，制作了电路板，并通过实验深入探讨了超声波的驱油机理，优化了系统参数，通过实验数据获得了最佳的驱油效果。

【关键词】超声波;PIC;原油降粘;参数优化

1.引言

光由于我国的油气藏多为陆相沉积，油藏类型较为复杂，油层物性并非十分良好，油层薄而互层较多，原油物理性质区别较大，油层所能承受压力较小，而且井下油水关系复杂，因此开发油气藏增产技术十分必要。超声波采油可以用于解堵、提高采收率、防蜡、降粘、脱水、脱气、防垢、乳化、破乳等多个方面，是以物理作用为基础，应用范围广泛，不存在造成油层污染的外来因素，同时还具备适应性强、工艺简单等优点的先进采油技术。

设计采用PIC单片机作为系统的控制核心，控制超声波频率、作用时间、声强等各项参数对岩心渗透率以及原油粘度的影响规律，最终进行参数优化以达到更好的应用效果，进而解决实际问题[1]。

2.总体电路设计

该系统包括超声波信号控制部分、超声波发生器、信号检测部分等组成。其中控制核心为PIC系列PICF16887单片机，具有全新的流水线结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（HARWARD）结构、单字指令体系，与其它单片机相比，具有性能完善、功能强大、开发应用方便、人机界面友好等突出优点。PIC16F877具有PIC系列单片机的全部优点，有28个引脚，22个通用I/O口，5路的10位AD转换通道，2路PWM发生器，13个中断源，3个定时计数器，自带“看门狗”，可以在线编程。本设计通过PIC单片机强大的PWM发生器来产生系统所需频率信号。主要控制电路如图1所示。

图1 PIC控制电路

系统使用运算放大器UA741进行信号的采集[2]，采集信号包括系统电流、电压值，系统温度等。

3.原油超声波驱油实验研究

3.1 超声波频率对原油驱油效果的影响

图2 不同超声波频率作用下的粘温曲线

在超声波频率定性分析实验中，采用的超声波频率分别为20kHz、28kHz、40kHz和68kHz，为了减小实验测量结果的误差，在每个频率下均对三个油样进行处理，测量结果取实验数据的平均值。固定超声波处理器的功率，调整实验装置的频率，使得在每一个频率下超声波实验装置对原油样品累计作用时间相同，测量原油样品在不同恒温水浴温度下的粘度值。原油超声波频率驱油实验所得的实验结果如图2所示。

在选用的四个频率中，20kHz左右的超声波作用原油后降粘幅度最大，降粘率最高，驱油效果最好。随着超声波频率的增大，降粘幅度、降粘率、驱油效果均逐渐降低。产生这一现象的原因是：在其他实验条件保持相同的情况下，超声波的频率越小，振荡周期越长，则为空化泡生长、增大、崩溃等过程提供的时间越充足，空化效应更易于产生。同时，对于空化效应产生的空化泡，其振动幅度会随着超声波频率的降低而增大，破坏原油原有蜡层结构，对蜡晶的形成和生长有一定的阻碍作用，降低了原油粘度。根据实验可知，采用频率约为20kHz的超声波作用原油获得的驱油效果最佳[3]。

3.2 超声波累计作用时间对原油驱油效果的影响

在超声波累计作用时间定性分析实验中，超声波累计作用时间分别为1min、3min、5min和7min，为了减小实验测量结果的误差，在每个累计作用时间范围内均对三个油样进行处理，测量结果取实验数据的平均值。固定超声波处理器的频率和功率，调整超声波实验装置的累计作用时间，使得在每一个累计作用时间范围内超声波实验装置处理原油样品，测量原油样品在不同恒温水浴温度下的粘度值[4]。原油超声波累计作用时间驱油实验所得的实验结果如下：

图4 累计作用时间与降粘率的关系曲线

图5 不同超声波功率作用下的粘温曲线

3.3 超声波累计作用时间对原油驱油效果的影响

设定超声波实验装置的功率分别为50W、100W、150W和200W，为了减小实验测量结果的误差，在每个功率下均对三个油样进行处理，测量结果取实验数据的平均值。固定超声波处理器的频率，调整实验装置的功率，使得在每一个功率下超声波实验装置对原油样品累计作用时间相同，测量原油样品在不同恒温水浴温度下的粘度值[5]。原油超声波功率驱油实验所得的实验结果如图5所示。

当含水率小于50%时，超声波处理前后的原油粘度进行比较可知，超声波处理低含水率的原油没有明显降粘效果，且含水率越低，降粘效果越不明显。当含水率在50%到60%之间时，原油降粘幅度较大，降粘率显著增大，降粘效果明显。当含水率大于60%时，原油降粘率略有减小，但降粘效果依旧显著。

4.结束语

超声波频率对原油粘度影响较大，随累计作用时间的增加，降粘率先增大后减小，出现一个峰值。在累积作用时间为1min时，降粘率较小，降粘效果不明显;在累计作用时间为3min左右时，降粘率达到峰值，约为33%;在累积作用时间超过3min后，降粘率有所降低，但幅度较小，降粘效果基本平稳。随超声波功率的增大，原油降粘率先增大后逐渐趋于平稳。当超声波功率为50W时，超声波降粘幅度较小，降粘率较小，仅为15.76%，驱油效果较不明显;当功率为100W时，原油粘度明显降低。随着功率的进一步增大，降粘率继续增大，但增幅减小，降粘率相对较为稳定。一味增大实验装置功率，会缩短装置寿命，因此优选出的超声波功率约为100W。

参考文献

[1]田松柏.原油评价标准试验方法[M].中国石化出版社，2010.

[2]孟科全，唐晓东，邹雯炆，崔盈贤.稠油降粘技术研究进展[J].天然气与石油，2009（03）：147-149.

[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.

[4]刘建军.原油超声波防蜡降粘技术的研究[D].哈尔滨工业大学，2007.

[5]王阳恩，邓胜华，杨长铭，周克厚.超声-表面活性剂对原油降粘的实验研究[J].声学技术，2001（04）：79-81.