基于PIC單片機超聲波驅油系統的研究

朱強

【摘要】隨著油田產業的不斷發展，我國地下可采石油也逐漸減少，各種油價不斷上漲。因此各類提高產業效率、增加原油利用率等開采技術越來越多地獲得了關注。設計以PIC系列單片機為控制核心，利用超聲波的理論基礎，制作了電路板，并通過實驗深入探討了超聲波的驅油機理，優化了系統參數，通過實驗數據獲得了最佳的驅油效果。

【關鍵詞】超聲波;PIC;原油降粘;參數優化

1.引言

光由于我國的油氣藏多為陸相沉積，油藏類型較為復雜，油層物性并非十分良好，油層薄而互層較多，原油物理性質區別較大，油層所能承受壓力較小，而且井下油水關系復雜，因此開發油氣藏增產技術十分必要。超聲波采油可以用于解堵、提高采收率、防蠟、降粘、脫水、脫氣、防垢、乳化、破乳等多個方面，是以物理作用為基礎，應用范圍廣泛，不存在造成油層污染的外來因素，同時還具備適應性強、工藝簡單等優點的先進采油技術。

設計采用PIC單片機作為系統的控制核心，控制超聲波頻率、作用時間、聲強等各項參數對巖心滲透率以及原油粘度的影響規律，最終進行參數優化以達到更好的應用效果，進而解決實際問題[1]。

2.總體電路設計

該系統包括超聲波信號控制部分、超聲波發生器、信號檢測部分等組成。其中控制核心為PIC系列PICF16887單片機，具有全新的流水線結構，數據總線和指令總線分離的哈佛總線（HARWARD）結構、單字指令體系，與其它單片機相比，具有性能完善、功能強大、開發應用方便、人機界面友好等突出優點。PIC16F877具有PIC系列單片機的全部優點，有28個引腳，22個通用I/O口，5路的10位AD轉換通道，2路PWM發生器，13個中斷源，3個定時計數器，自帶“看門狗”，可以在線編程。本設計通過PIC單片機強大的PWM發生器來產生系統所需頻率信號。主要控制電路如圖1所示。

圖1 PIC控制電路

系統使用運算放大器UA741進行信號的采集[2]，采集信號包括系統電流、電壓值，系統溫度等。

3.原油超聲波驅油實驗研究

3.1 超聲波頻率對原油驅油效果的影響

圖2 不同超聲波頻率作用下的粘溫曲線

在超聲波頻率定性分析實驗中，采用的超聲波頻率分別為20kHz、28kHz、40kHz和68kHz，為了減小實驗測量結果的誤差，在每個頻率下均對三個油樣進行處理，測量結果取實驗數據的平均值。固定超聲波處理器的功率，調整實驗裝置的頻率，使得在每一個頻率下超聲波實驗裝置對原油樣品累計作用時間相同，測量原油樣品在不同恒溫水浴溫度下的粘度值。原油超聲波頻率驅油實驗所得的實驗結果如圖2所示。

在選用的四個頻率中，20kHz左右的超聲波作用原油后降粘幅度最大，降粘率最高，驅油效果最好。隨著超聲波頻率的增大，降粘幅度、降粘率、驅油效果均逐漸降低。產生這一現象的原因是：在其他實驗條件保持相同的情況下，超聲波的頻率越小，振蕩周期越長，則為空化泡生長、增大、崩潰等過程提供的時間越充足，空化效應更易于產生。同時，對于空化效應產生的空化泡，其振動幅度會隨著超聲波頻率的降低而增大，破壞原油原有蠟層結構，對蠟晶的形成和生長有一定的阻礙作用，降低了原油粘度。根據實驗可知，采用頻率約為20kHz的超聲波作用原油獲得的驅油效果最佳[3]。

3.2 超聲波累計作用時間對原油驅油效果的影響

在超聲波累計作用時間定性分析實驗中，超聲波累計作用時間分別為1min、3min、5min和7min，為了減小實驗測量結果的誤差，在每個累計作用時間范圍內均對三個油樣進行處理，測量結果取實驗數據的平均值。固定超聲波處理器的頻率和功率，調整超聲波實驗裝置的累計作用時間，使得在每一個累計作用時間范圍內超聲波實驗裝置處理原油樣品，測量原油樣品在不同恒溫水浴溫度下的粘度值[4]。原油超聲波累計作用時間驅油實驗所得的實驗結果如下：

圖4 累計作用時間與降粘率的關系曲線

圖5 不同超聲波功率作用下的粘溫曲線

3.3 超聲波累計作用時間對原油驅油效果的影響

設定超聲波實驗裝置的功率分別為50W、100W、150W和200W，為了減小實驗測量結果的誤差，在每個功率下均對三個油樣進行處理，測量結果取實驗數據的平均值。固定超聲波處理器的頻率，調整實驗裝置的功率，使得在每一個功率下超聲波實驗裝置對原油樣品累計作用時間相同，測量原油樣品在不同恒溫水浴溫度下的粘度值[5]。原油超聲波功率驅油實驗所得的實驗結果如圖5所示。

當含水率小于50%時，超聲波處理前后的原油粘度進行比較可知，超聲波處理低含水率的原油沒有明顯降粘效果，且含水率越低，降粘效果越不明顯。當含水率在50%到60%之間時，原油降粘幅度較大，降粘率顯著增大，降粘效果明顯。當含水率大于60%時，原油降粘率略有減小，但降粘效果依舊顯著。

4.結束語

超聲波頻率對原油粘度影響較大，隨累計作用時間的增加，降粘率先增大后減小，出現一個峰值。在累積作用時間為1min時，降粘率較小，降粘效果不明顯;在累計作用時間為3min左右時，降粘率達到峰值，約為33%;在累積作用時間超過3min后，降粘率有所降低，但幅度較小，降粘效果基本平穩。隨超聲波功率的增大，原油降粘率先增大后逐漸趨于平穩。當超聲波功率為50W時，超聲波降粘幅度較小，降粘率較小，僅為15.76%，驅油效果較不明顯;當功率為100W時，原油粘度明顯降低。隨著功率的進一步增大，降粘率繼續增大，但增幅減小，降粘率相對較為穩定。一味增大實驗裝置功率，會縮短裝置壽命，因此優選出的超聲波功率約為100W。

參考文獻

[1]田松柏.原油評價標準試驗方法[M].中國石化出版社，2010.

[2]孟科全，唐曉東，鄒雯炆，崔盈賢.稠油降粘技術研究進展[J].天然氣與石油，2009（03）：147-149.

[3]Ahmed N S，Nassar A M，Zaki N N，et al.Formation of fluid heavy oil in water emulsions for pipeline transportation Corporate.Fuel.1999.

[4]劉建軍.原油超聲波防蠟降粘技術的研究[D].哈爾濱工業大學，2007.

[5]王陽恩，鄧勝華，楊長銘，周克厚.超聲-表面活性劑對原油降粘的實驗研究[J].聲學技術，2001（04）：79-81.