曲从锋团队在《石油机械》发表井筒超声波空化清洗距离影响因素研究成果

　　中国石油集团工程技术研究院有限公司曲从锋团队在《石油机械》发表论文《井筒超声波空化清洗距离影响因素试验研究》。该研究首次系统量化了井下高温高压环境对超声波空化清洗距离的衰减规律，通过全尺寸试验与仿真分析，明确了压力、频率、温度三大关键因素的影响权重，为超声波洗井技术的现场应用与参数优化提供了关键数据支撑。

　　超声波空化清洗作为一种新兴的高效、无损伤滤饼清除技术，在油气井固井作业中具有重要应用潜力。然而，其在复杂井下环境，特别是高温高压条件下的有效作用距离一直是个未解之谜，严重制约了该技术的规模化应用。为此，曲从锋团队成功构建了一套可模拟井下环境(压力、温度、流体介质)的超声波空化清洗距离综合测试平台，为相关研究提供了重要工具。

　　研究团队首先采用有限元仿真揭示了超声波在类井筒结构中的传播与衰减规律。研究发现，在同等功率下，低频超声波展现出更优的远距离清洗潜力。尽管高频超声波(如40kHz)能在近场产生更高的声压幅值(仿真显示最高可达3.0×10⁶ Pa)，但其能量衰减迅速，有效清洗距离(衰减至空化阈值以下)仅约850毫米。相比之下，低频超声波(20kHz)虽然初始声压幅值(2.5×10⁵ Pa)较低，但传播距离更远，有效清洗距离可达1370毫米，更适合深部井段的轴向清洗作业。

　　为验证仿真结果并探究多因素耦合影响，团队设计了包含超声波频率、环境温度和液体压力的三因素正交试验。基于响应曲面法(Box-Behnken模型)的深入分析表明，静水压力是对超声波清洗距离影响最显著的因素，其次是超声频率，最后是温度。该结论颠覆了部分传统认知，明确了压力是深井应用中的首要限制条件。研究进一步指出，在400W输出功率下，获得最佳清洗距离(理论最优解为1193.94毫米)的工艺参数为：超声波频率20kHz、液体温度31.3℃、常压环境。然而，当环境条件变为40℃和6MPa时，清洗距离相较最优条件大幅衰减约63%。这预示着，在典型的高温高压井(如103.4MPa、149℃)工况下，超声波的空化效应将急剧减弱，难以实现有效的远距离清洗。

　　此外，针对最优频率(20kHz)的功率单因素试验揭示了一个重要现象：空化效应存在“功率饱和点”。当输出功率提升至1200W时，表征空化强度的次谐波及谐波幅值趋于稳定，表明此时空化强度已达到饱和。继续增加功率至1600W甚至2000W，不仅无法显著增强清洗效果，反而可能因工具头末端剧烈振动产生空腔而导致能量损耗。

　　该项研究为超声波洗井技术的工程应用划定了清晰的技术边界：该技术更适用于浅井、中深井或近井筒区域的局部高效清洗。对于超深、高温高压油气井，由于环境压力导致的空化阈值急剧升高，超声波能量衰减严重，其应用将受到极大限制。研究成果为现场科学选井、工艺参数优化(优先选用低频、适中功率)及经济性评价提供了直接的理论依据，避免了技术应用的盲目性。