井筒超声波空化清洗距离影响因素试验研究

　　摘要:超声波能够对油气井滤饼进行清除,提升固井质量,但在井下条件下超声波空化所能产生的清洗距离少有人研究。为此,基于超声波发射换能器、水听器以及套管设计了超声波空化清洗距离检测试验平台。基于试验平台,研究了不同频率、温度及压力下,井下超声空化清洗所能达到的有效清洗距离,探索高温高压井中超声波空化效应去除滤饼的可行性。基于正交试验方法制定试验方案,并对超声空化清洗影响因素开展分析。试验结果表明,对超声空化清洗影响程度的因素由大到小为压力、超声频率、温度。基于Box-Behken模型拟合得出,在发射功率为400W时,超声波空化清洗最优参数为超声波频率20kHz、液体温度30℃、液体压力为标准大气压,此时超声波空化清洗距离最远为1193.94mm,与仿真误差约为14.75%。基于频谱分析方法,使用水听器对空化噪声进行采集,开展功率单因素变量试验,发现在超声波输出功率达到1200W时,空化强度趋于饱和。研究结果可为超声波在井筒清洗中的应用提供理论参考。

　　关键词: 超声波; 空化; 清洗距离; 有限元; 滤蚀清除; 正交试验

　　论文《井筒超声波空化清洗距离影响因素试验研究》发表在《石油机械》，版权归《石油机械》所有。本文来自网络平台，仅供参考。

　　0 引言

　　在油气井钻井过程中，由于钻井液滤失形成了地层浅处的内滤饼和井壁表面的外滤饼[1-2]，滤饼的存在会对固井质量和后期的油气生产产生影响[3-4]。为了提高固井质量和油气井采收率[5]，需要有效清除滤饼。

　　在固井作业中，清除滤饼的方法主要有机械清除法、固化法和冲洗法。通常采用机械清除法作为滤饼清除的预处理方式[6-10]，然而单独使用该方法很难达到有效清除井壁处滤饼的目的[11-12]。固化法的使用存在着局限性，滤饼改性剂具有专一性，只能与特定类钻井液、固井水钻井液配合使用才能发挥功效[13-14]，制约了该方法的推广使用。冲洗法适用范围较广，但是忽略了冲洗液水动力冲刷特性对滤饼清除效果的影响[15-17]。

　　随着洗井技术的快速发展，利用超声波在液体中产生的空化作用来实现井壁上滤饼的清除已经成为一种新兴洗井技术[18]。R.LORD[19]在1917年研究了空化泡溃灭的规律，建立了理想条件下空化泡自由运动方程，为后来的空化泡动力学计算提供了基础;M.S.PLESSET等[20]以R.LORD的成果为基础，在考虑液体黏性情况下得到了气泡动力学常见的R-P方程，为后续研究提供了理论基础;2008年，霍文兰等[21]在输油管道上应用了化学试剂辅以超声波作用的方式进行除垢，研究结果表明，添加超声波作用时除垢率可达96.3%;2013年，崔方玲等[22]通过MATLAB建立仿真模型，发现超声频率越低、空化泡振幅越大、运动越剧烈，产生的空化效果越强;XUN.等[23]开展了上超声波对油泥除油效果的影响分析，选择28和40kHz对油泥进行处理，发现28kHz相比40kHz更适合油泥中油相与固体颗粒的分离，分离效率更高。在上述研究中，很少有学者针对不同井况中的压力、温度及超声波参数对超声波在井筒中清洗距离的影响规律开展研究。为此，笔者基于超声波空化作用下的井筒清洗，研制了一种能够判断不同参数的超声波产生的清洗距离检测平台，对超声参数进行交互影响分析，并对超声波清洗距离进行测试。所得结果可为超声波在井筒清洗中的应用提供理论参考。

　　1 清洗距离测试试验平台设计

　　1.1 试验平台结构

　　超声波空化清洗试验平台总体设计方案如图1所示。平台由超声检测收发组件、试验环境变换组件和试验台组件装配而成。

　　图1 超声波空化清洗距离测试试验平台示意图

　　超声检测收发组件由超声波发生器、超声波发射换能器、水听器、水听器固定架、采集仪和计算机组成,负责不同频率、功率参数的超声波发射及超声波空化噪声信号的接收,完成声学信息采集与分析;试验环境变化组件由加泄压阀门、压力计、加压设备、加热带、控温装置及温度传感器组成,负责试验套管中液体环境的压力及温度控制,完成不同工况井下环境的模拟;试验台组件由套管放置台、139.70 mm(5.5 in)试验套管组成,完成套管的放置、提供盛纳液体发生空化作用的容器以及柱形井筒环境的模拟。

　　1.2 试验原理及流程

　　空化发生的液体介质为水。首先打开加泄压阀门,将水注满试验套管,启动加压设备和加热带,将它们设置为试验目标压力与温度,通过加压设备与加热带、控温装置来进行调节,从而模拟不同的井下环境。之后启动超声波发生器及超声波发射换能器,调节超声波频率及超声波发射功率,通过水听器采集空化噪声数据,通过分析空化噪声谱,提取基频、谐波及次谐波幅值,从而判断空化效应的强度。数据采集及分析流程如图2所示。最后将涂泥PC管置于管道中,通过PC管上清洗干净的距离从宏观上判断超声波清洗距离并对仿真数据进行验证。最终判断在特定井下环境下,不同参数的超声波能够达到的清洗距离。

　　图2 数据采集及分析流程图

　　1.3 超声波发射换能器选型

　　超声波发射换能器常见的种类有贴附式和变幅杆式，如图3所示。

　　图3 超声波发射换能器类型

　　对于贴附式超声波发射换能器，压电陶瓷在强交流电作用下产生相应的高频振动，通过金属座将超声波传递至清洗槽中。该类超声波发射换能器配合的清洗槽厚度通常小于3mm,以降低超声波传递的损耗。

　　对于变幅杆式超声波发射换能器,其结构由3部分组成,压电陶瓷、变幅杆及工具头,结构如图4所示。压电陶瓷在激励作用下产生振动铜鼓,变幅杆放大传递至工具头产生超声波。

　　图4 超声波发射换能器结构

　　由于变幅杆式换能器发射功率大、产生的空化效应强、密封较为简单,所以试验研究采用变幅杆式换能器。

　　2 管道内部声压分布有限元分析

　　使用COMSOL Multiphysics软件模拟空化作用下的套管内声场声压分布及衰减情况。建模时使用矩形平面来模拟管道截面,以减小有限元计算量。管道长度为5452mm,内径为113.4mm,用ϕ8mm长的线段来模拟超声波发射换能器工具头末端面直径。超声波加载方式通过"压力声学"接口中的内部法向位移的形式进行加载。振动位移公式为[24]：

　　x=Asin(2pi f t) qquad (1)

　　式中：f为频率, Hz;t为时间, s;A为振幅, μm。

　　模拟不同超声功率时,只需要改变代表工具头末端面的法向振动幅值A即可,管道内液体填充为水，仿真建模如图5所示。

　　在400W输出功率下，液体温度为30℃，液体压力为标准大气压，变幅杆末端工具头位移是20μm，分别施加20、30及40kHz频率进行超声波空化仿真。不同频率下的管道内声压场分布图及声压沿中心轴线衰减如图6所示。

　　图6 不同参数下管道内声压分布及衰减图

　　由有限元分析结果可知,频率越高,管道内的声压分布越密集。20kHz时,最大声压为2.5×10⁵Pa;30kHz时,最大声压为2.5×10⁶Pa;40kHz时,最大声压为3.0×10⁶Pa。通过仿真数据判断,相同功率下,频率越高,产生的声压场声压幅值越大，空化效应强度越高。由于频率越高的超声波波长越短,能量衰减越强,通过在管道模型中设置中心轴线,查看沿轴线的声压衰减情况。根据R-P方程可知空化阈值表达式为：

　　egin{align*} p_{b}&=p_0+p_{c}=p_0-p_{v}+\

　　&frac{2}{3sqrt{3}} imesleft[left(frac{2sigma}{R_0} ight)^3/left(p_0-p_{v}+frac{2sigma}{R_0} ight) ight]^{frac{1}{2}}end{align*} qquad (2)

　　p_{c}=-p_{v}+frac{2}{3sqrt{3}}left[left(frac{2sigma}{R_0} ight)^3/left(p_0-p_{v}+frac{2sigma}{R_0} ight) ight]^{frac{1}{2}} qquad (3)

　　式中：pb为空化阈值, Pa;p₀为液体静压, Pa;p_c为液体强度, Pa;p_v为液体饱和蒸汽压, Pa;σ为液体表面张力系数, N/m;R₀为气泡初始半径, m。

　　水中气泡的初始半径R₀为1μm，由式(2)和式(3)计算得到水中的空化阈值约为1.5×10⁵Pa。当声压大于该值时可以判断该位置发生空化现象，管道中该位置具备较好的清洗效果。由仿真结果可以得到，20、30及40kHz分别在1370、1180、850mm处声压衰减至空化阈值以下。由此可知，频率越高，能量衰减越严重，选择低频超声进行远距离清洗较为合适。

　　3 超声波空化清洗距离测试室内试验

　　3.1 涂泥PC管超声波清洗距离试验

　　将1.5m长的透明PC管外管壁涂泥，之后放在试验套管中，一端放置在距离超声波发射换能器20mm处，调节发射功率为400W对PC管外壁附着的泥进行清洗，清洗时间为3min。定义超声清洗距离等于PC管上清洗干净的长度加上PC管一端距离发射换能器的距离。PC管装配、实物涂泥及清洗效果如图7所示。

　　图7 PC管装配、涂泥及清洗效果图

　　开展400W输出功率下,不同频率、温度及压力对套管中超声波空化清洗距离影响的正交试验,确定对空化效应影响最大的因素。通过Design Expert软件进行正交试验设计,得出超声空化清洗距离试验因素水平表(表1)与超声空化清洗距离正交试验表(表2)。

　　表1 超声空化清洗距离试验因素水平表

　　水平 超声频率/kHz 温度/℃ 压力/MPa

　　-1 20 20 0

　　0 30 30 3

　　1 40 40 6

　　表2 超声空化清洗距离试验正交试验表

　　试验号 超声频率/kHz 温度/℃ 压力/MPa 清洗距离/mm

　　1 30 40 0 860

　　2 40 20 3 225

　　3 20 20 3 665

　　4 30 20 6 330

　　5 30 30 3 800

　　6 20 40 3 760

　　7 30 30 3 800

　　8 20 30 0 1220

　　9 40 40 3 310

　　10 20 30 6 720

　　11 40 30 0 760

　　12 30 20 0 730

　　13 30 30 3 800

　　14 30 30 3 800

　　15 30 40 6 440

　　16 40 30 6 245

　　17 30 30 3 800

　　基于响应曲面法，选择Box-Behnken模型对表2中的清洗距离D进行多元回归拟合,得到清洗距离D的二次多项回归方程为:

　　D=-1264.375+27.43750f+143.375T-79.79167p-0.025fT-0.125fp-0.166667Tp-0.81875f^2-2.28125T^2+2.01389p^2

　　式中：p为正交试验声压, Pa;T为正交试验温度,℃。

　　Box-Behnken模型的方差分析及显著性检验结果如表3所示。

　　表3 Box-Behnken二次多项式方差分析结果

　　方差来源 平方和 自由度 均方差 F值 P值

　　模型 1.1162E+6 9 1.240E+5 159.06 <0.0001

　　超声频率 4.163E+5 1 4.163E+5 534.12 <0.0001

　　温度 22050 1 22050 28.29 0.0011

　　压力 4.209E+5 1 4.209E+5 539.99 <0.0001

　　fT 25 1 25.00 0.032 0.8629

　　fp 56.25 1 56.25 0.072 0.7960

　　Tp 100 1 100.00 0.1283 0.7308

　　f² 28225.33 1 28225.33 36.21 0.0005

　　T² 2.191E+5 1 2.191E+5 281.12 <0.0001

　　p² 1383.22 1 1383.22 1.77 0.2245

　　残差 6703.62 7 979.46

　　失拟项 5456.25 3 1818.75

　　纯误差 1247.37 4 326.51

　　总误差 1.121E+6 16

　　变异系数CV 4.21%

　　由方差分析结果可知，频率f、压力p对清洗距离均有极显著的影响，温度T对清洗距离具有显著影响。根据p值越小对清洗距离的影响越大并结合F值，得出各参数对清洗距离的影响程度为：压力>超声频率>温度。

　　在不同的工况参数下，对超声清洗距离进行二次多元回归拟合分析，得到不同工况参数下的响应曲面。基于响应曲面可以更好地分析超声频率、温度及压力的交互作用对超声清洗距离的影响程度和变化趋势。不同工况参数的交互影响如图8所示。

　　图8 不同工况参数对清洗距离的交互影响图

　　由图8分析可知，清洗距离随着温度的升高呈现先上升后减小的趋势，并且在30℃附近达到最大值;清洗距离随着压力的升高呈现减小的趋势，并且在0附近达到最大值;清洗距离随着超声频率的增加而逐渐减小，且在20kHz附近时最大。

　　基于上述响应曲面法求解的二次回归模型，并结合交互影响分析，以最大清洗距离为目标寻求频率、温度和压力的最优解，求解结果显示：f=20kHz、T=31.3℃、p=0时，对应的最大清洗距离1193.94mm，与仿真结果(1370mm)的误差约为14.75%。

　　基于响应曲面得出的二次回归模型可以判断在常温常压环境下超声清洗能够达到较大的清洗距离，在试验参数范围内，环境温度为40℃、6MPa时产生最小的清洗距离为440mm;而经过二次回归模型拟合达到的最大清洗距离为1193.94mm，说明温度上升约10℃，压力增大6MPa，清洗距离衰减约63%。根据高温高压井环境参数，当地层压力达到103.4MPa，地层温度达到149℃以上的井称为高温高压井[25]。根据响应曲面趋势判断,在高温高压环境下超声空化清洗距离将大幅减小，超声空化清洗在井筒中轴向远距离清洗滤饼的目的将无法实现。

　　3.2 频率20kHz不同功率单因素变量试验

　　在对涂泥PC管进行超声清洗距离试验后发现，20kHz频率下清洗效果较优，故开展20kHz不同功率下的单因素超声清洗试验研究。将水听器放置在与发射端换能器2.5m处进行声压幅值监测。设置5个挡位进行功率输出(输出功率分别为400、800、1200、1600和2000W)，水听器采集噪声信号之后，对噪声信号进行处理，获取谐波(基频)和次谐波(1.5倍基频、2倍基频、3倍基频)的电压幅值，结果如表4所示。

　　表4 不同输出功率下谐波及次谐波的幅值电压

　　输出功率/kW 基频(20kHz)/V 1.5倍基频(30kHz)/V 2倍基频(40kHz)/V 3倍基频(60kHz)/V

　　400 2.21 0.44 1.21 0.67

　　800 2.65 0.48 1.77 1.01

　　1200 2.86 1.95 2.56 2.43

　　1600 5.24 0.32 2.23 0.65

　　2000 5.74 0.33 1.64 0.44

　　试验结果表明:20kHz时基频输出能量最高，随着换能器输出功率增加，当输出功率为1200W时，空化效应引起的次谐波以及谐波变换后数值趋于稳定。这说明在输出功率1200W时空化强度趋于饱和,判定工具头尺寸较小,增加功率后工具头末端与水之间由于高频振动产生空腔,无法产生更强的空化作用,该功率下清洗效果已经达到最佳。

　　4 结论及认识

　　(1) 搭建超声波空化清洗距离测试试验平台，该平台可以模拟井下环境,进行不同参数的超声波洗井效果研究。

　　(2) 对不同频率及功率的超声波在类井筒形状中基于有限元分析方法获得试验套管中内声压场的分布及超声波衰减规律，通过仿真判断不同功率的超声波换能器有效清洗距离，频率越高产生的近声压场声压幅值越高，但是声压幅值衰减越严重;频率越高，有效清洗距离越近。

　　(3) 超声空化所发生的液体环境对清洗效果具有较强的影响，实际工况中，井下液体环境中存在大量的固体颗粒，这些颗粒会阻碍超声波的传播，使超声波无法充分地到达需要清洗的物体表面，从而减弱清洗效果。此外，固体颗粒还可能与气泡发生作用，减弱空化效应的强度和持续时间，因此超声洗井工程应用难度较大。

　　(4) 根据试验结果，超声空化清洗仅适用于近井端、温度及压力不高的环境中。对于高温高压深井，由于环境因素的限制，超声空化清洗滤饼清除方式并不适用。

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