基于换能器阵的原油超声波防蜡降粘技术研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景超声技术是20世纪初发展起来的一项运用声学技术，它是声学的一门重要分支学科，也是一个世纪以来发展的最为活跃的一门技术，目前超声技术已经渗透到国防建设、国民经济、人民生活和科学技术等各个领域。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。按超声波辐射性质的不同，超声技术的运用可分为两大方面：一方面是利用它的能量来改变材[1]料的某些状态，称为功率超声，如：超声清洗，超声加工，超声马达，超声手术，超声化学等；另一方面是利用它来采集信息，称为检测超声，如：B超，雷达，声纳等

2、。功率超声是超声学中一个重要的研究方向，随着科学技术的发展，其应用已遍及航空、航海、国防、生物工程、机械电子等领域。超声波的频率一般为20kHz～10MHz，各频段的主要作用如图1-1所示。当一定强度的超声波施加于某一液体系统中时，将产生一系列的物理和化学效应，明显改变液体中溶解态和颗粒态物质的特性。超声波防蜡降粘技术就是功率超声在原油集输方面的应用。图1-1超声波频率范围及各频段主要作用在石油工业中，原油通常是指呈液态的气、液、固三相共存的混合物溶液，[2][3]其中的固态物质主要是石蜡、胶质和沥青质等。原油中的蜡主要是由碳原

3、子数为16～64的正构烷烃构成。蜡在原油中的溶解度随温度的降低而下降，原油藏于地下时油温高于析蜡点，蜡全部溶解于其中；当原油随着集油管输送到地面，压[4]力下降，温度逐渐降低至析蜡点时，原油就会呈现出明显的非牛顿流体特性，蜡晶体不断析出，并交联成网状结构，附着在管壁上，阻塞管道，减少有效管径，增大压降，降低输油量，形成“蜡沉积”。管输原油中的蜡沉积现象是长期困扰原油生产和运输的一个难题。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2课题研究的目的及意义我国出产的原油80%以上含蜡量较高，含胶质和沥青较多、密度较大，常称为稠油。这类原

4、油具有高粘度、高凝点，对集输管道十分不利，据统计：含蜡量大于10%的油田超过90%，广泛分布在胜利、辽河、新疆和渤海等地，其中大庆原油含蜡量高达25%。[5]原油中蜡的析出不仅妨碍了油田的正常生产，而且还造成巨大的能源浪费。据悉：全球各大石油公司每年都需花费几百亿美元用于化学药品投放和管道加热保暖，以防止原油结蜡堵塞生产管路和油泵，以及解决因药品投放带来的油井停[6]产、设备报废、额外动力开销等一系列附加问题。对于海上采用水平井技术的油[7]田来说，原油中所含的蜡和沥青质等很容易在井的水平部分沉积下来，造成减产。近年来，深海油井

5、的出现使蜡更容易的沉积在海底输油管路中，极大的增加了开[8]采成本，实例表明，水深一百米成本大约二十万美元，而水深四百米成本将达到一百万美元。在国内，以大庆油田为例，由于地处寒冷的北方，为了维持原油的正常输送，采用掺热水的方法使原油的温度保持在析蜡点以上，此方法消耗了大量的能源(其能耗相当于大庆年产天然气热当量值的1/3)，增加了生产成本。据统计，大庆油田每年集输系统因加热而耗费的资金超过十亿元，若能将输油温度降低1℃，则可节约2000万元以上。为了保持原油集输管道畅通，除加热外，还需要对输油管道进行定期清洗，且清洗周期较短(每

6、月1次)，资源浪费严重。另外，大庆油田每年更换因原油结蜡而报废的各类管道、泵、容器和加热器等，所投入的资金也高达数[9]千万元。由此可见，采用有效的原油防蜡技术，有利于节约能源，降低成本，极具经济价值和战略意义。图1-2为实拍大庆油田输油管道结蜡现象。图1-2输油管道结蜡现象1.3国内外研究现状1.3.1常用清防蜡方法及存在的问题自上世纪60年代以来，石油工作者们就致力于油井和输油管道的防蜡技术的研究，发明了多种防蜡技术，在一定的时期内达到了预期的目标，但也存在着许多问题。常用的清防蜡方法有：-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

7、(1)机械清防蜡机械清防蜡是最早运用于油井和集输管道的一种防蜡方法，它是将刮蜡片、清蜡钻头，尼龙刮蜡器等清蜡工具伸入到油管内，刮除油管内壁上的结蜡层，并靠液流将蜡带走。该方法简单直接，但成本较高，设备空间局限性大，功效低，操作复杂，容易损伤油管，并且还存在着刮削工具断裂的危险。(2)热力清防蜡热力清防蜡技术是利用热能提高集输油管中原油的温度，使蜡溶解在其中以达到清防蜡目的。当原油的温度超过析蜡点时，能起到防蜡作用；当超过蜡熔化温度时，则可起到清蜡作用。其方法有直接加热原油管道，或从管道容器底部开孔注入热水、蒸汽，或注入能释放热量

8、的化学药品。然而这种方法[10]需要不间断地加热以保持原油温度处于析蜡点之上，将会耗费大量的能源，并且对设备有损害。(3)化学清防蜡化学清防蜡技术是指向原油中投入改性剂以抑制石蜡聚集或改变蜡晶形态。常用的有油溶性清防蜡剂、水溶性清防蜡剂、乳状型清防蜡剂和固体防蜡