張新春(長慶油田分公司第十一采油廠，甘肅 慶陽 745000)

1 超聲波原理

超聲波是指聲音振動頻率、超出人耳所能聽到的聲波。人耳一般能正常聽到的聲波范圍是16～20 kHz，低于16 kHz的聲波被稱為次聲波、超過20 kHz的聲波稱為超聲波。超聲波有兩個主要性能參數(shù)指標；一是頻率，F(xiàn)≥20 kHz；二是功率密度，p=發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(cm2)，通常p≥0.3 W/cm2。

2 油井結(jié)蠟結(jié)垢

油井產(chǎn)生結(jié)蠟、結(jié)垢的原因主要是受原油本身所含的化學(xué)成份性質(zhì)及微量元素有關(guān)。原油中的主要成分是碳氫化合物，其中碳元素占比96%以上。還有少量的氧、氮、硫等微量元素，一般它們總量不超過1%，個別達5%。受開采方式的影響，地層壓力溫度對油井結(jié)蠟、結(jié)垢產(chǎn)生深遠影響。繼油井投入生產(chǎn)后，天然的原始驅(qū)動飽和能量(壓力、溫度)開始下降，溶解氣上升。飽和狀態(tài)下的溶解氣開始逸出。起初油井由于天然的地質(zhì)能量充足，流動性強對油井攜帶沖刷力大，原油中的碳元素、無機鹽類還未形成蠟和垢，就被液流沖涮帶走。隨著油井開采時間的延續(xù)，地層能量(壓力、溫度)逐漸降低。地下采出部分未得到及時有效的補充就會出現(xiàn)虧空，原油失去動能(壓力、溫度)無法流動留下死油區(qū)，最終會降低采收率[1]。

(1)原油中的輕質(zhì)成份是影響蠟產(chǎn)生原因之一，輕質(zhì)成份含量高溶蠟?zāi)芰?，流動性好。反之，溶解能力弱，原油變得黏稠流動性差。蠟形成初期，是由于原油中輕質(zhì)成分逃逸所致，碳元素慢慢析出成小分子傾角結(jié)晶。隨著原油溶解氣不斷脫出，碳元素結(jié)晶傾角越來越大形成長鏈凝結(jié)成蠟。原油中還含有膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，也是影響油井結(jié)蠟的重要原因。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)具有正反二個特質(zhì)，即有承接分散原油中碳元素的聚集阻止蠟形成的特質(zhì)。又有在原油中成為碳元素結(jié)晶依附點、是蠟形成的核心載體，油井中的蠟一旦形成。便會在所有金屬表面內(nèi)部形成結(jié)蠟，進而漸進堵塞油流通道，增加流動阻力。油井結(jié)蠟還會降低生產(chǎn)井抽油泵的泵效，嚴重時造成停井停產(chǎn)檢泵。

(2)結(jié)垢與結(jié)蠟是屬同一性質(zhì)但不同物質(zhì)形態(tài)、危害油井正常生產(chǎn)。地下含水原油伴隨著無機鹽一同被采出地面，對井下油管桿及地面管線、設(shè)備造成積垢。長時間的堵塞沉積、使垢變硬加厚。流阻增加、系統(tǒng)壓力上升造成設(shè)備承壓油氣泄漏、帶來較大安全隱患。與油井結(jié)蠟不同是、油井自身含蠟量的多少、決定了油井結(jié)蠟的輕重。油井飽和壓力情況下溶解氣越多、溶蠟?zāi)芰υ綇?，原油稀釋能力強流動好阻力小。結(jié)垢形成的機理過程是油層中的無機鹽類含量沉淀導(dǎo)致。實質(zhì)上都可形成設(shè)備油井堵塞。結(jié)垢相對于結(jié)蠟而言是一個比較緩慢的過程。它同樣改變著液流通道通過能力，使其逐漸喪失流動性。液中的無機鹽類在金屬內(nèi)表面形成堅硬垢清理難度大。使用阻垢劑處理效果有限。

(3)油井結(jié)蠟、結(jié)垢是影響油井日常生產(chǎn)主要矛盾，油田因結(jié)蠟、結(jié)垢付出了巨大的人力成本和經(jīng)濟成本。目前油井采油常用的清蠟、除垢的方法有化學(xué)清蠟、阻垢和機械清蠟兩類，機械清蠟是指井口投球、熱洗、掃線、修井檢泵等作業(yè)?；瘜W(xué)清蠟是指在正常生產(chǎn)的采油井筒內(nèi)加入化學(xué)清蠟劑、阻垢劑，預(yù)防和阻止蠟、垢的形成過程。在站控系統(tǒng)中加入破乳劑，作用于原油凈化集中脫水。污水處理回注，不與地層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)、凈化油外輸。加入除硫劑、阻垢劑主要用于原油脫硫和阻止設(shè)備工藝流程內(nèi)部結(jié)垢，原油脫硫為原油后續(xù)進一步深加工處理提供基礎(chǔ)。相較于傳統(tǒng)的清蠟、除垢作業(yè)，投入的勞動工序繁瑣、隨機不可預(yù)見性大，管理粗放，安全風(fēng)險高等。改用超聲波清蠟、除垢器設(shè)備工藝簡單，一次行安裝無需過多的人工干預(yù)，只需做好日常維護即可。使用超聲波清蠟、除垢器，可優(yōu)化管理成本減少操作程序，降低勞動強度。在油井井底井安裝超聲波清蠟除垢器，減輕井底周圍地層井筒結(jié)蠟、結(jié)垢風(fēng)險[2]。

3 認識超聲波

人們對超聲波的認識，源自于生物蝙蝠。1793年的夏夜，意大利科學(xué)家拉扎羅斯帕拉捷，通過對蝙蝠的觀察發(fā)現(xiàn)了超聲波，由此揭開了超聲波的神秘面紗。隨著科技的進步，人們對超聲波有了全新的認識，在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

20世紀初，電子學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)，運用電子技術(shù)制作了超聲波發(fā)生器。1922年德國科學(xué)家根據(jù)超聲波振頻原理申請了首個超聲波發(fā)明專利，1939年超聲波醫(yī)學(xué)臨床治療運用文獻發(fā)表，1949年第一次國際超聲波運用醫(yī)學(xué)大會召開，超聲波醫(yī)學(xué)治療正式進入醫(yī)療領(lǐng)域。20世紀50年代我國開始使用800 kHz頻率的超聲波治療多種疾病，80年代開始利用超聲機械碎石術(shù)進行體外碎石和超聲外科手術(shù)。

4 超聲波技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的運用

超聲波技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域運用，源于日本柴野佳英1987年發(fā)表超聲波清洗器理論論述。傳統(tǒng)意義上的超聲波清洗原理認為，超聲波是由電子產(chǎn)生的壓電與反壓電效應(yīng)，振動頻率在液體中形成的氣泡起到了清洗的作用。而柴野佳英通過觀察分析發(fā)現(xiàn)。氣泡的形成是由粗密度波引發(fā)氣體爆發(fā)，反而抑制了超聲波的清洗效果。真正達到清洗作用力的是真空氣穴，通過這一發(fā)現(xiàn)，奠定了超聲波清洗理論、論述依據(jù)。

原油本身所含碳基元素及地層無機鹽類，在生產(chǎn)過程中、對油井管線、設(shè)備金屬內(nèi)表面產(chǎn)生結(jié)蠟結(jié)垢，是一個循序漸進的過程。當然也不排除各別油井或井組有突然吐蠟的現(xiàn)象。這與生油地質(zhì)條件油層性質(zhì)不同有關(guān)。油井生產(chǎn)除了維護設(shè)備正常運行外、就是清蠟除垢，保證輸油管線暢通降低回壓。投球、加藥、熱洗就是通過人為干預(yù)防止輸油管線結(jié)蠟或結(jié)垢，改用超聲波清蠟除垢可降低人工成本，有效緩解輸油管線及設(shè)備流阻。

(1)利用超聲波真空氣穴清理原理，在油井及附屬設(shè)備上安裝超聲波清蠟除垢器。對輸油管線、設(shè)備內(nèi)部液流形成的蠟或垢進行超聲波處理，產(chǎn)生氣泡爆發(fā)真空氣穴破蠟及垢的固態(tài)，使液流不能產(chǎn)生新的結(jié)晶聚合。超聲波清蠟除垢的原理是對液相粒子流產(chǎn)生較大的能量沖擊波、達上千MPa壓力和幾百℃的高溫，在密閉輸油管線內(nèi)產(chǎn)生“空化作用”。超聲波產(chǎn)生的氣泡真空破裂，產(chǎn)生的沖擊波可有效的達到破碎固形物及清潔的目的，擾動的液流微?？墒杌焖偻ㄟ^。

(2)超聲波清蠟、除垢器是將電能轉(zhuǎn)換成機械振動的聲能，在液體中實現(xiàn)超聲波傳遞，來達到復(fù)雜的物理、化學(xué)清洗過程。超聲波是由電子電壓激勵換能晶片發(fā)生振動產(chǎn)生波，它的特點是頻率高、繞射現(xiàn)象小波長短方向性好、能夠匯聚成射線定向傳播。超聲波對液體、固體的穿透能力強，在集輸密閉的環(huán)境中波及較遠。遇到固形物蠟或垢會產(chǎn)生反向波，隨液流能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。應(yīng)用在井站常輸流程清蠟除垢具有一定的效果。

(3)超聲波清蠟、除垢器是將換能器超聲聲能轉(zhuǎn)化成機械振動能，通過設(shè)備、管網(wǎng)中的液流的流速反射保持振動。當超聲波壓強達到一定能量時，液流氣泡迅速膨脹閉合，產(chǎn)生沖擊波形成空化效應(yīng)，空化使內(nèi)部固形物分化瓦解不能產(chǎn)生聚集。反復(fù)的沖擊對固體形成剪切力使其疲勞，最終脫落成微粒。

(4)超聲波產(chǎn)生正負交變的聲壓射流，沖擊液流中的固形物蠟和垢。受壓能勢能的共同作用，液體混相流動明顯。超聲波空化效應(yīng)還會產(chǎn)生非線性聲流和微聲流，在分子與固形物之間產(chǎn)生高速的微射流破壞大分子固體(蠟、垢)結(jié)構(gòu)，去除物理邊界，增加擾動溶解、乳化破壞力。

(5)超聲波發(fā)生器工作時，發(fā)出的交頻訊號，通過換能器將交頻機械振能傳導(dǎo)給液流，并以高低疏密相間的能量體輻射到液流空間。形成空化氣泡。合理的布局超聲波引導(dǎo)源控制能量引援、使聲波頻振延伸至輸油管線設(shè)備更深空域、清除附著在設(shè)備、管網(wǎng)內(nèi)部固形物蠟或垢，需要注意的是避免因能量過于集中釋放產(chǎn)生的破壞力，與此同時弱相液流繼續(xù)得以發(fā)撒、沖擊軟化更遠處固體結(jié)構(gòu)。

(6)超聲波空化作用在能量轉(zhuǎn)換過程中，以液相為傳遞介質(zhì)產(chǎn)生的數(shù)以萬計微小氣泡、在頻率波附近氣泡迅速使空間膨脹形成真空形成負壓區(qū)，與此同時正壓區(qū)氣泡迅速長大爆裂閉合循環(huán)往復(fù)。能量空間瞬間塌陷、膨脹產(chǎn)生近10 MPa的氣壓，對設(shè)備管線內(nèi)部蠟、垢有型形態(tài)造成破壞。“空化的作用”是由超聲波產(chǎn)生高、低壓聲波頻率交互作用形成的結(jié)果。低壓狀態(tài)下，氣泡一點點變大，高壓狀態(tài)下，被壓縮產(chǎn)生內(nèi)部爆裂，液流打破不同介質(zhì)密度自然形態(tài)差異，乳化增加了摩擦和沖擊[3]。

(7)不同類型的超聲波清蠟、除垢器，產(chǎn)生不同的超聲波發(fā)射頻率與不同狀態(tài)下的液流、流相(平流、紊流、混流)相配合，改變設(shè)備、管網(wǎng)內(nèi)部液體張力，調(diào)節(jié)增大或減小超聲波空化效果。使其更加符合實際需求，產(chǎn)生優(yōu)化效果，提升能量集中破壞力。

(8)油井連續(xù)生產(chǎn)，在特定的一段時間內(nèi)，液流具有相對穩(wěn)定的流動狀態(tài)?？拷O(shè)備、管線內(nèi)部邊沿地帶，液流流體保持紊流狀態(tài)，而大空間區(qū)流速相對平緩，狹小區(qū)域由于通道狹小，液流流速較快呈混流狀態(tài)。對不同流相需對超聲波振幅和頻率做出相應(yīng)的調(diào)整，按照不同的時間節(jié)點做出相應(yīng)的調(diào)整，改進流體內(nèi)部液流分子的怠點，有效化解生產(chǎn)過程中帶來的負面消極影響，確保平穩(wěn)正常運行。

5 結(jié)語

使用超聲波技術(shù)原理，可以解決油田在原油生產(chǎn)過程中、油井結(jié)蠟、結(jié)垢對設(shè)備、管線造成的不利影響。超聲波清蠟、除垢器設(shè)備工藝簡單，一次行安裝無需過多的人工干預(yù)，只需做好日常維護即可。使用超聲波清蠟、除垢器，可優(yōu)化管理成本減少操作程序，降低勞動強度。做好超聲波清蠟、除垢工作，提高設(shè)備使用效果，還需要在工作中不斷總結(jié)經(jīng)驗，加強技術(shù)指導(dǎo)，完善操作規(guī)范。