超聲防蠟降粘系統(tǒng)的試制及其對延長油田原油的作用

楊紅新，杜寶偉，趙延杰，張 潔，李永飛，陳 剛

(1.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000；2.西安石油大學化學化工學院，陜西 西安 710065)

超聲防蠟降粘技術(shù)是超聲技術(shù)在石油領(lǐng)域新的應用，已顯示出成本低、工藝簡單、無污染等優(yōu)點[1-2]。因此，研制超聲波防蠟器并且對超聲防蠟降粘機理進行實驗分析具有重要意義。國內(nèi)研究者對超聲波防蠟降粘作用機理進行了大量的理論和實驗研究，提出了十幾種作用功能，但目前普遍認同的主要作用有4 個：機械作用，空化作用，熱作用和超聲乳化作用[3-4]。超聲防蠟降粘作用是機械作用、空化作用、熱作用和乳化效應等綜合作用的結(jié)果，其中乳化效應是空化作用的次級效應，而熱作用是一種綜合效應，也與空化作用有很大關(guān)系[5]。

1 防蠟降粘用超聲振動系統(tǒng)的研制

1.1 超聲振動系統(tǒng)的設(shè)計

變截面細桿一維縱振的波動方程為：

(1) 等截面桿

(2)圓錐形桿

根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣法[6-7]設(shè)計了一種夾心式全波長復合壓電超聲換能器，所設(shè)計換能器的各段尺寸如表1 所示。在超聲振動系統(tǒng)能量傳遞過程中，接觸面的結(jié)合程度是影響能量傳遞效率的一個主要因素，所以，在變幅桿和換能器的連接方式上采用將換能器前蓋板與變幅桿一體加工完成(圖1)，最大限度降低能量在接觸面上的輻射，提高能量傳遞效率。

圖1 換能器整體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 換能器結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 變幅桿應力校核

由于換能器后端蓋(L1 段)、陶瓷片(L2 和L3 段)與前端蓋(L4)所受應力與變幅桿(L5 和L6 段)相比要小得多，而且其材料的疲勞強度都小于變幅桿材料的疲勞強度，所以只校核變幅桿處的應力即可。通過解式(1)可得變幅桿的位移分布為：

對式3 中各等式兩端微分得：

圖2 復合變幅桿振速分布曲線

從振速分布曲線圖(圖2)可以看出，振動系統(tǒng)的振速分布平穩(wěn)且可以到達放大振幅的效果。從應力分布曲線圖(圖3)可知，最大應力值出現(xiàn)在x=0.078m處，相應的最大應力為=5.4253×107Pa，硬鋁的疲勞許用應力為14×107Pa，遠大于該值，因而所選工具材料滿足設(shè)計要求。

圖3 復合變幅桿應力分布曲線

1.3 換能器支撐面的選取

本實驗中，換能器、變幅桿的支撐確定在變幅桿的節(jié)面位置，因為換能器、變幅桿是在空載的條件下設(shè)計計算的，考慮到實際加工過程中的負載會對超聲振動頻率產(chǎn)生一定影響，在變幅桿各段長度確定后，頻率變化會使節(jié)面位置產(chǎn)生偏移。將負載等效為同種材料的一小段，變幅桿又變?yōu)樽笥叶嗣媸芰榱悖鐖D4 所示。

圖4 加載后變幅桿的等效振動模型示意圖

由式(6)可得增加的L7段即可等效為在L6的末端加負載：

頻率方程為：

根據(jù)式(8)和式(9)通過Matlab 仿真計算，可以得出L7變化與負載阻抗Z 之間的關(guān)系曲線，如圖5 所示。由換能器位移節(jié)點方程聯(lián)合式(8)和式(9)可得負載阻抗Z 與節(jié)面位置變化量δx 之間的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖5 L7 與之間的關(guān)系曲線

圖6 阻抗Z 與之間的關(guān)系曲線

由圖5 可以看出，當負載阻抗達到400kg·s-1時，節(jié)面位置變化不到5mm。因此在實際工作中可以根據(jù)實際工作情況先估計負載范圍，然后選擇節(jié)面，而由于負載的小擾動引起的節(jié)面位置的變化很小，基本不會影響工作情況。若負載變化范圍很 大，則應根據(jù)各負載對應的節(jié)面加工出多個法蘭面，然后根據(jù)負載情況選擇其中一個作為固定面。

1.4 換能器的有限元模態(tài)分析及實驗測試

1) 模態(tài)分析。對壓電陶瓷施加零電壓，由于設(shè)計頻率為20kHz，故設(shè)置頻率范圍為18 22kHz 進行模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖7 所示。由有限元仿真結(jié)果可知，換能器的固有頻率為19.655kHz，與設(shè)計的諧振頻率20 kHz 誤差較小。

圖7 換能器模態(tài)分析圖

2) 實驗測試。實驗中采用HP4294A 型精密阻抗分析儀測量和分析超聲換能裝置的諧振特性，其測量結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可以更清晰地看到換能器的諧振頻率為19.975kHz，與設(shè)計頻率20kHz相差0.025kHz，誤差為0.13%，滿足設(shè)計要求。?

2 實驗分析

2.1 超聲波作用時間對處理效果的影響

在超聲波頻率為20kHz，超聲功率為50W 的條件下，分別用超聲波對延長油田原油作用1min、3min 和9min，作用前后的粘溫曲線如圖9 所示。

圖9 不同作用時間的粘溫曲線

由圖9 可見不同處理時間對處理效果的影響。處理時間為1min 時，作用效果不明顯，隨著超聲作用時間的增長，超聲作用效果增強，但是，隨著超聲作用時間的繼續(xù)增長，其作用效果反而減弱。因此，實際應用中并不能為了提高作用效果，一味延長作用時間，因為作用時間過長，作用效果改善不明顯反而下降，浪費能源和效率[10-11]。

2.2 超聲波功率對處理效果的影響

在超聲頻率20kHz，輻照3min 的條件下，分別用功率為20W、30W 和50W 的超聲波對400mL 原油進行作用，作用前后的粘溫曲線如圖10 所示。

圖10 超聲波作用前后的粘溫曲線

由圖10 可見，當功率為20W 時，作用效果已經(jīng)很明顯，隨著功率的增加，超聲作用增強，但是增強較緩慢。因此為了提高超聲作用的效果，應該采用大功率的超聲波，但也不能一味追求大功率，應根據(jù)原油性質(zhì)等具體情況選擇合適的功率。

2.3 超聲空化作用效果實驗

實驗選用大慶產(chǎn)脫水原油，此原油含雜質(zhì)少，利于配制不同含蠟量的模擬油。依據(jù)以上實驗結(jié)論，以下實驗選取超聲功率為50W，超聲輻照時間為3min。將石蠟、原油、蠟油體積比1∶1、2∶1 的模擬油經(jīng)超聲作用測其粘溫曲線，與不同含蠟量的原油自然粘溫曲線對比，結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知，經(jīng)超聲作用后，石蠟及不同含蠟量的原油在很大溫度范圍內(nèi)降粘效果并不明顯，但卻有很明顯的降低相對凝點的效果。

圖11 超聲作用前后粘溫曲線

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