超聲波降黏機理研究

華強 常香玲 張建莉 李洋 史園園

摘 要 超聲波近年來成為研究熱點。本文針對稠油超聲波降粘技術進行分析，調研國內外資料，研究了相關技術的發展，指出了超聲波降粘的主要機理及研究現狀。

關鍵詞 超聲波;稠油;降黏

1空化作用

空化現象是一種比較常見的物理現象。它是一種關于液體的物理現象，當超聲波作用于液體時，會使液體內部某些地方形成局部暫時的負壓區域，這就會在液體中產生空穴或者是氣泡。由這種原因產生的氣泡基本都處于一種很不穩定的狀態，它的振蕩會產生激波，在局部位置造成短時間的較大的壓強。由這些氣泡的非線性振蕩以及崩潰產生的瞬時壓強，會使液體內部發生許多物理以及化學效應，這些被稱作為空化效應。

當超聲波作用與稠油時，稠油內部的微小泡核會被激活。當超聲波的聲壓到達足夠大的時候，在聲波負壓的作用下，稠油內部的氣泡核發生膨脹;同時，在聲波正壓的作用下，稠油內部的氣泡核又被壓縮。在聲波正負壓的作用下，稠油具體表現為內部氣泡核的膨脹、振蕩、收縮以及崩潰等一系列的動力學過程。當氣泡核崩潰時，會瞬間在其周圍的極小空間內產生局部的高溫高壓。并且有極其強烈的射流和沖擊波。在這些因素的共同作用下，超聲波能達到改變稠油中膠質、瀝青質體系，釋放小分子的作用。同時破壞稠油內部的長鏈分子，使輕組分增多，從而降低稠油黏度。

2機械作用

超聲波可以使介質的質點發生強烈的機械振動，而不同分子因機械振動得到的加速度是不同的，大分子會獲得較大的加速度， 從而導致稠油中大分子與小分子之間產生相對運動，增強分子與分子之間的摩擦力。同時在慣性力的影響下，導致部分分子鏈斷裂，小分子增加。

從宏觀方面看，超聲波引起的高頻機械振動效應還能起到攪拌的作用，時稠油剪切變稀，達到降粘效果。

3熱作用

超聲波的熱作用是由多種方面因素引起的：

（1）超聲波在稠油中傳播時，超聲波的聲能被吸收轉化為稠油的熱能;

（2）在超聲波引起的振動效應下，由于稠油內組分復雜，在不同組分間，由于振動速度之間存在的差異，使得不同分子之間相互摩擦，產生熱量，降低局部黏度。另外，在稠油與其他介質的分界處，由振動效應帶來的速度差異，同樣會使稠油與其他組分摩擦生熱;

（3）空化作用激活的氣泡核在破裂時會在瞬間釋放出較大熱量。空化效果越好，產生的熱效應越強，降粘效果越明顯。

4超聲波降粘國內外研究現狀

超聲波對稠油的作用基本可以歸結為三種基本作用：機械作用、空化作用和熱作用。超聲波降粘具有無污染、低成本、安全性好等特點。

早期，Mullakaev [1]和Bjorndalen[2]等人研究了超聲波作用處理稠油的實驗，發現在超聲波作用時間的增長中，稠油黏度先降低后回升。經過分析認為稠油黏度降低是由于超聲波的處理升高了稠油溫度，黏度回升是受到稠油分子聚合的影響。鐘偉華等人[3]通過對減壓渣油進行超聲處理發現，輸出電壓越大，超聲波處理時間越長，降粘率越高。張龍力等人[4]運用質量分率電導率法研究了超聲波對中東常壓渣油膠體穩定性的影響，發現超聲波處理對其常壓渣油的膠體穩定性有改善作用，超聲波作用越強，改善效果越好，但改善的原因主要是物理作用，渣油幾乎沒有發生化學結構的變化。

陳潔等人[5]以超聲波功率、作用時間和作用溫度為影響因素，考察了不同處理條件下超聲波對渣油黏度的影響，研究表明超聲波作用時間對減壓渣油的黏度的影響較顯著，最佳的處理條件是溫度70℃，功率750W，作用時間70min。李瑩等[6]運用變幅桿式聲化學反應器對遼河油田稠油進行了研究，并分析了超聲作用下的脫水稠油與含水稠油降粘率的關系，結果發現超聲反應4.5h左右時遼河油田稠油的降粘率最佳，反應溫度300℃降粘率高達40%。超聲處理后50℃時降粘效果最好，超聲波主要靠機械振動作用和空化作用降低稠油體系的黏度。

上述研究表明超聲波稠油降粘的可行性，但大多為實驗結果的宏觀分析和對超聲降粘機理的定性描述，對超聲波降低稠油機理的研究仍不夠透徹。

參考文獻

[1] M. S. Mullakaev，G. I. Volkova，O. M. Gradov. Effect of ultrasound on the viscosity-temperature properties of crude oils of various compositions[J]. Theoretical Foundations of Chemical Engineering，2015，49（3）.

[2] N. Bjorndalen，M.R. Islam. The effect of microwave and ultrasonic irradiation on crude oil during production with a horizontal well[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2004，43（3）.

[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] 張龍力，楊國華，闕國和，楊朝合，山紅紅. 超聲波處理對渣油膠體穩定性的改善作用初步研究[A]. 中國石油學會石油煉制分會、北京石油學會、中國石油學會第六屆石油煉制學術年會論文集[C].中國石油學會石油煉制分會、北京石油學會：《石油學報（石油加工）》編輯部，2010：4.

[5] 陳潔，孫昱東，張強，趙凌云，周瓊.超聲波處理對減壓渣油粘度的影響[J].煉油技術與工程，2015，45（02）：28-31.

[6] 李瑩，趙德智，宋官龍，郝明陽.超聲波處理對遼河油田稠油粘度的影響[J].當代化工，2016，45（12）：2751-2753+2756.

作者簡介

華強（1982-），男，博士，講師，石油工程的教學研究。