超声防蜡降粘系统的试制及其对延长油田原油的作用

杨红新，杜宝伟，赵延杰，张 洁，李永飞，陈 刚

(1.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心，陕西 延安 716000；2.西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065)

超声防蜡降粘技术是超声技术在石油领域新的应用，已显示出成本低、工艺简单、无污染等优点[1-2]。因此，研制超声波防蜡器并且对超声防蜡降粘机理进行实验分析具有重要意义。国内研究者对超声波防蜡降粘作用机理进行了大量的理论和实验研究，提出了十几种作用功能，但目前普遍认同的主要作用有4 个：机械作用，空化作用，热作用和超声乳化作用[3-4]。超声防蜡降粘作用是机械作用、空化作用、热作用和乳化效应等综合作用的结果，其中乳化效应是空化作用的次级效应，而热作用是一种综合效应，也与空化作用有很大关系[5]。

1 防蜡降粘用超声振动系统的研制

1.1 超声振动系统的设计

变截面细杆一维纵振的波动方程为：

(1) 等截面杆

(2)圆锥形杆

根据四端网络传输矩阵法[6-7]设计了一种夹心式全波长复合压电超声换能器，所设计换能器的各段尺寸如表1 所示。在超声振动系统能量传递过程中，接触面的结合程度是影响能量传递效率的一个主要因素，所以，在变幅杆和换能器的连接方式上采用将换能器前盖板与变幅杆一体加工完成(图1)，最大限度降低能量在接触面上的辐射，提高能量传递效率。

图1 换能器整体结构示意图

表1 换能器结构尺寸

1.2 变幅杆应力校核

由于换能器后端盖(L1 段)、陶瓷片(L2 和L3 段)与前端盖(L4)所受应力与变幅杆(L5 和L6 段)相比要小得多，而且其材料的疲劳强度都小于变幅杆材料的疲劳强度，所以只校核变幅杆处的应力即可。通过解式(1)可得变幅杆的位移分布为：

对式3 中各等式两端微分得：

图2 复合变幅杆振速分布曲线

从振速分布曲线图(图2)可以看出，振动系统的振速分布平稳且可以到达放大振幅的效果。从应力分布曲线图(图3)可知，最大应力值出现在x=0.078m处，相应的最大应力为=5.4253×107Pa，硬铝的疲劳许用应力为14×107Pa，远大于该值，因而所选工具材料满足设计要求。

图3 复合变幅杆应力分布曲线

1.3 换能器支撑面的选取

本实验中，换能器、变幅杆的支撑确定在变幅杆的节面位置，因为换能器、变幅杆是在空载的条件下设计计算的，考虑到实际加工过程中的负载会对超声振动频率产生一定影响，在变幅杆各段长度确定后，频率变化会使节面位置产生偏移。将负载等效为同种材料的一小段，变幅杆又变为左右端面受力为零，如图4 所示。

图4 加载后变幅杆的等效振动模型示意图

由式(6)可得增加的L7段即可等效为在L6的末端加负载：

频率方程为：

根据式(8)和式(9)通过Matlab 仿真计算，可以得出L7变化与负载阻抗Z 之间的关系曲线，如图5 所示。由换能器位移节点方程联合式(8)和式(9)可得负载阻抗Z 与节面位置变化量δx 之间的关系曲线如图6 所示。

图5 L7 与之间的关系曲线

图6 阻抗Z 与之间的关系曲线

由图5 可以看出，当负载阻抗达到400kg·s-1时，节面位置变化不到5mm。因此在实际工作中可以根据实际工作情况先估计负载范围，然后选择节面，而由于负载的小扰动引起的节面位置的变化很小，基本不会影响工作情况。若负载变化范围很 大，则应根据各负载对应的节面加工出多个法兰面，然后根据负载情况选择其中一个作为固定面。

1.4 换能器的有限元模态分析及实验测试

1) 模态分析。对压电陶瓷施加零电压，由于设计频率为20kHz，故设置频率范围为18 22kHz 进行模态分析，分析结果如图7 所示。由有限元仿真结果可知，换能器的固有频率为19.655kHz，与设计的谐振频率20 kHz 误差较小。

图7 换能器模态分析图

2) 实验测试。实验中采用HP4294A 型精密阻抗分析仪测量和分析超声换能装置的谐振特性，其测量结果如图8 所示。由图8 可以更清晰地看到换能器的谐振频率为19.975kHz，与设计频率20kHz相差0.025kHz，误差为0.13%，满足设计要求。?

2 实验分析

2.1 超声波作用时间对处理效果的影响

在超声波频率为20kHz，超声功率为50W 的条件下，分别用超声波对延长油田原油作用1min、3min 和9min，作用前后的粘温曲线如图9 所示。

图9 不同作用时间的粘温曲线

由图9 可见不同处理时间对处理效果的影响。处理时间为1min 时，作用效果不明显，随着超声作用时间的增长，超声作用效果增强，但是，随着超声作用时间的继续增长，其作用效果反而减弱。因此，实际应用中并不能为了提高作用效果，一味延长作用时间，因为作用时间过长，作用效果改善不明显反而下降，浪费能源和效率[10-11]。

2.2 超声波功率对处理效果的影响

在超声频率20kHz，辐照3min 的条件下，分别用功率为20W、30W 和50W 的超声波对400mL 原油进行作用，作用前后的粘温曲线如图10 所示。

图10 超声波作用前后的粘温曲线

由图10 可见，当功率为20W 时，作用效果已经很明显，随着功率的增加，超声作用增强，但是增强较缓慢。因此为了提高超声作用的效果，应该采用大功率的超声波，但也不能一味追求大功率，应根据原油性质等具体情况选择合适的功率。

2.3 超声空化作用效果实验

实验选用大庆产脱水原油，此原油含杂质少，利于配制不同含蜡量的模拟油。依据以上实验结论，以下实验选取超声功率为50W，超声辐照时间为3min。将石蜡、原油、蜡油体积比1∶1、2∶1 的模拟油经超声作用测其粘温曲线，与不同含蜡量的原油自然粘温曲线对比，结果如图11 所示。由图11 可知，经超声作用后，石蜡及不同含蜡量的原油在很大温度范围内降粘效果并不明显，但却有很明显的降低相对凝点的效果。

图11 超声作用前后粘温曲线

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