超声波解堵机理研究

华强?谭冬寒?王国庆?李晨?原超毅

摘 要 超声波近年来成为研究热点。本文针对稠油超声波解堵技术进行分析，调研国内外资料，研究了相关技术的发展，指出了超声波解堵的主要机理及研究现状。

关键词 超声波;稠油;解堵

最近几十年来，超声波已经普遍用于工业生产的许多方面，如废水处理、定位检测、医药等。超声波技术可以提高石油产量，增加注入量，绿色环保，无污染。稠油粘度很大，流动性差，这一点给稠油采收率的提高和原油输送带来了许多困难。CO2混相驱后导致油层内部滞留较多的重质组分，因此，通过开展室内试验，研究超声波作用对于稠油粘度和解堵系数的影响作用，致力于减小重质组分的粘度，增加储层渗透率等物性参数，从而实现超声波解堵的作用目的。以下实验主要从两个方面着手，一是超声波作用对样品粘度的影响，粘度的改变影响了原油与孔隙内壁的结合力;二是超声波作用对样品渗透率的影响，渗透率的改变影响了样品允许油水通过的能力。

超声波对稠油采出液黏度的影响，主要基于在超声波的空化作用[1]、机械振动作用[2]和热作用[3]。

超声波在稠油中传播时，可产生明显的热效应，油样温度有明显的上升，温度的较大上升将会降低稠油的黏度降低，利于稠油与水更充分混合，有利于稠油采出液的转相。但热作用导致轻质组分从稠油体系中挥发导致C16以下的组分百分含量有较明显的下降，并且由于轻质组分含量的减少会导致稠油中重质组分相对含量增加，这一点不利于转相，由于超声热效应有限，实验油样温度最高上升15℃左右，所以热效应的作用效果有限，且黏度对于温度上升的敏感程度高于少量轻质组分挥发带来的不利影响，热作用不是影响稠油采出液的主要因素。超声波的热效应使稠油有较大的温升幅度，都能促进空化作用、机械作用产生更强的作用效果。

脱水稠油经超声波处理后，原油组分有明显的变化，超声波可对稠油施加空化作用，在原油内产生微小泡核，伴随泡核的产生、震荡、生长、发展、消失等过程，在极短时间内在很小范围内产生极大的温升效应，压力随着急剧上升，对稠油的大分子产生破坏作用，超声的空化作用使得稠油的大分子C-C键不同程度的断裂，导致大分子向小分子变化的过程，稠油随超声功率增加，稠油表面生成数量更多、尺寸更小的气泡，稠油颜失也由黑褐色变为褐色，最终变为浅褐色，颜色的变化意味着沥青大分子的逐渐减少。另外，促使稠油大分子C-C鍵断裂的因素除了空化作用外，超声波的机械作用对稠油大分子C-C键断裂都有一定的促进作用[4-5]，机械作用致使稠油分子间产生剧烈振动，产生一定幅度的相对位移，机械运动达到某个程度的时候，剧烈振动及大幅度的相对运动致使C-C键断裂产生小分子。超声波作用使沥青组分减少，饱和烃组分增加，空化、机械振动和热作用都对稠油采出液起到促进作用，其中空化作用、振动作用占主导地位，热效果起辅助作用。

合适频率与功率的超声波除了力-化学作用，空化的瞬间高温、高压变化以及含氧介质（水、空气）的同时作用下导致的原油分子链断裂、降解外，还有强烈的氧化、水解等作用[6]，不但分子量会变小，而且可能导致双键及极性（亲水性）基团和发色基团的产生，因为原油中本身就含有一定数量的石油磺酸，后者的形成和数量变化、原来C-C链的缩短，都会使在使组成变化的同时，改变其溶解度参数，从而导致相变的产生，很好地解释水包油/水漂油的产生和体系黏度的下降。此外，导致黏度降低可能也有物理过程的参与，稠油加水降低稠油黏度的原因在于稠油和水形成分散均匀的乳化液。超声处理稠油与水混合液，促进了乳化混合的程度，使稠油更好的分散在水中，不同超声处理功率对蜡晶的数量及尺寸有明显的作用。超声波功率较小时，蜡晶数量少，相对密集聚集，尺寸大，多呈椭球形，分散程度较低，当处理功率从50W增大到150W时，可以明显看到，蜡晶颗粒的数量快速增加，颗粒尺寸大幅度减小，且多呈近圆形，由之前的聚集分布过渡到相对分散分布。蜡晶的尺寸、形状、集中程度的明显变化对稠油的黏度产生较大的解堵作用。因此相同条件下超声处理后，混合液的黏度更低，解堵效率更高。

对于低渗储层来说，孔渗物性差，当孔喉半径与沥青质集团差别不大时，会导致沥青质于储层内部产生沉淀现象;对于中高渗储层来说，储层物性较好，孔隙喉道较粗，孔隙内壁距离沥青质集团较远，岩心孔道壁对沥青质的吸附作用力小，基本随原油一起渗流，不易产生沉淀现象。物性差的低渗油藏比中高渗油藏更利于沥青质的沉淀。

参考文献

[1] Doust AM，Rahimi M，Feyzi M. Effects of solvent addition and ultrasound waves on viscosity reduction of residue fuel oil[J]. Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2015，（95）：353.

[2] Hamidi H，Mohammadian E，Junin R，et al. The Effect of Ultrasonic Waves on Oil Viscosity[J]. Petroleum Science and Technology，2014，32（19）：2387.

[3] Hua Qiang，Tan Donghan，Chen Laicheng，et al. Ultrasonic irradiation reduces Shengli heavy oil viscosity [J].Oil&Gas Journal，2017，115（10）：46-49.

[4] Hamidi H，Mohammadian E，Junin R，et al. A technique for evaluating the oil/heavy-oil viscosity changes under ultrasound in a simulated porous medium[J]. Ultrasonics，2014，54（2）：655.

[5] Mousavi SM. Effect of ultrasonic irradiation on rheological properties of asphaltenic crude oils[J]. Petroleum Science，2012，9（1）：82.

[6] Mullakaev MS. Effect of ultrasound on the viscosity-temperature properties of crude oils of various compositions[J]. Theoretical Foundations of Chemical Engineering，2015，49（3）：287.

作者简介

华强（1982-），男，学历：博士，讲师，现就职单位：河南大学濮阳工学院，研究方向：石油工程的教学研究。