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        基于PIC單片機超聲波驅油系統(tǒng)的研究

        2014-04-29 00:44:03朱強
        電子世界 2014年17期
        關鍵詞:參數(shù)優(yōu)化超聲波

        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越來越多地獲得了關注。設計以PIC系列單片機為控制核心,利用超聲波的理論基礎,制作了電路板,并通過實驗深入探討了超聲波的驅油機理,優(yōu)化了系統(tǒng)參數(shù),通過實驗數(shù)據(jù)獲得了最佳的驅油效果。

        【關鍵詞】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,而且井下油水關系復雜,因此開發(fā)油氣藏增產(chǎn)技術十分必要。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,應用范圍廣泛,不存在造成油層污染的外來因素,同時還具備適應性強、工藝簡單等優(yōu)點的先進采油技術。

        設計采用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)化以達到更好的應用效果,進而解決實際問題[1]。

        2.總體電路設計

        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構,數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線(HARWARD)結構、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.原油超聲波驅油實驗研究

        3.1 超聲波頻率對原油驅油效果的影響

        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果的誤差,在每個頻率下均對三個油樣進行處理,測量結果取實驗數(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。原油超聲波頻率驅油實驗所得的實驗結果如圖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,驅油效果最好。隨著超聲波頻率的增大,降粘幅度、降粘率、驅油效果均逐漸降低。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,空化效應更易于產(chǎn)生。同時,對于空化效應產(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構,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油效果最佳[3]。

        3.2 超聲波累計作用時間對原油驅油效果的影響

        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油實驗所得的實驗結果如下:

        圖4 累計作用時間與降粘率的關系曲線

        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油效果的影響

        設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果的誤差,在每個功率下均對三個油樣進行處理,測量結果取實驗數(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]。原油超聲波功率驅油實驗所得的實驗結果如圖5所示。

        當含水率小于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%,驅油效果較不明顯;當功率為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

        [1]田松柏.原油評價標準試驗方法[M].中國石化出版社,2010.

        [2]孟科全,唐曉東,鄒雯炆,崔盈賢.稠油降粘技術研究進展[J].天然氣與石油,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]劉建軍.原油超聲波防蠟降粘技術的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2007.

        [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].聲學技術,2001(04):79-81.

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