地面超声防蜡器防蜡机理及其声场的数值模拟

摘要

油井结蜡在妨碍油田正常生产的同时，增加了油田生产成本，造成了能源浪费。当下油田现场上常用的清防蜡工艺或多或少地存在费用高，劳动强度大，清蜡次数频繁等不足。利用超声波技术进行清防蜡作业有诸多优势，如成本低，工艺简单，无污染等。但是，其作用机理与应用条件及超声波在生产管线中的传播与衰减规律在当前尚缺乏足够的研究，由此影响并制约了该技术的推广及应用。因此，对超声防蜡技术进行深入研究显得尤为必要。 本文在分析油井结蜡规律及其影响因素的基础上，分别从超声波的空化效应、机械剪切效应、热效应和原油乳化效应四个方面对超声防蜡的作用机理进行探讨。推导了空化效应的数学模型，借助MATLAB软件对模型进行求解，分析了超声波的频率和声压对空化作用的影响，结果表明，低频率和高声压将有助于提高空化效应的效果。探讨了超声防蜡中热效应的来源并建立了超声作用下含蜡原油温度变化的数学模型。为更好地认识所述装置的防蜡机理，借助气相色谱—质谱联用仪对超声波作用前后的石蜡组分进行分析，证实了超声波作用可以打断C—C键；通过偏光显微镜对上述样品进行观察，发现超声波作用后的蜡晶形态明显改善。 建立实验装置，在现有条件下对超声波的传播进行实验研究，分析了频率、波形及管内充填介质对超声波传播的影响。实验表明，20kHz横波在充填水的实验管段中的传播效果能较好地反应超声波在复杂管路中的传播特性，并借助MATLAB软件对该实验条件下的数据进行拟合，得到该实验条件下的衰减系数α=0.02772dB/m，并把该数据用于数值模拟。 对地面超声防蜡系统的声场进行数值模拟，研究了换能器的个数、频率、声功率及排布对超声场中声压分布的影响，模拟结果与第四章中的实验结论相吻合，从实验和模拟两个角度进行相互印证。数值模拟结果表明，较低频率和较高功率有利于超声波在固体管壁上的传播，当多个换能器采用同一轴线螺旋状等间距取波长整数倍排布时，地面超声防蜡器激发的超声波在超声场中的声压分布能维持在较好水平。

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第一章 引 言

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 超声波防蜡降粘技术研究现状

1.2.2 目前存在的问题

1.2.3 超声波在固体中传播的数值模拟的研究现状

1.3 研究的主要内容

1.3 技术路线

第二章 含蜡原油生产过程中的结蜡现象和规律

2.1 结蜡现象的产生及其危害

2.2 油井结蜡现象的一般规律

2.3 影响油井结蜡的因素分析

2.4 本章小结

第三章 超声防蜡的作用机理与实验研究

3.1 超声防蜡的空化效应

3.1.1超声空化(Ultrasonic Cavitation)研究背景

3.1.2 超声波空化效应数学模型的推导

3.1.3 超声波频率和声压对空化作用的影响

3.2 超声振动的机械剪切效应

3.3 超声振动的热效应

3.3.1 超声防蜡中热效应的机制分析

3.3.2 超声作用下含蜡原油温度变化数学模型的推导

3.4 超声防蜡的原油乳化效应

3.4.1 超声防蜡中的原油乳化作用

3.4.2 原油乳化的作用机理

3.5 超声防蜡的实验研究

3.5.1 超声波作用下石蜡组分变化的分析

3.5.2 显微镜观察超声波作用前后蜡晶形态的变化

3.6 本章小结

第四章 超声波传播的实验研究

4.1 实验装置

4.2 实验步骤和过程

4.3 实验结果及分析

4.3.1 频率对超声波传播的影响

4.3.2 波形（横波、纵波）对超声波传播的影响

4.3.3 管内充填介质对超声波传播的影响

4.3.4 超声波在实验管段各个测点上的波形

4.4 衰减系数的拟合求解

4.4.1 实验数据前处理

4.4.2 数据点的拟合计算

4.5 本章小结

第五章 超声防蜡系统声场的数值模拟研究

5.1 描述井筒中超声波的参数

5.1.1 超声波的频率

5.1.2 超声波的声压

5.1.3 超声波的声功率

5.1.4 超声波的声速

5.1.5 超声波的声吸收系数（衰减系数）

5.2 柱面坐标系下的固体声波方程

5.3 超声波在油管中传播的数值模拟

5.3.1 超声防蜡系统声场模型的建立

5.3.2 数值模拟结果及分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢