摘要:超聲波能夠對油氣井濾餅進行清除,提升固井質量,但在井下條件下超聲波空化所能產生的清洗距離少有人研究。為此,基于超聲波發射換能器、水聽器以及套管設計了超聲波空化清洗距離檢測試驗平臺。基于試驗平臺,研究了不同頻率、溫度及壓力下,井下超聲空化清洗所能達到的有效清洗距離,探索高溫高壓井中超聲波空化效應去除濾餅的可行性。基于正交試驗方法制定試驗方案,并對超聲空化清洗影響因素開展分析。試驗結果表明,對超聲空化清洗影響程度的因素由大到小為壓力、超聲頻率、溫度。基于Box-Behken模型擬合得出,在發射功率為400W時,超聲波空化清洗最優參數為超聲波頻率20kHz、液體溫度30℃、液體壓力為標準大氣壓,此時超聲波空化清洗距離最遠為1193.94mm,與仿真誤差約為14.75%。基于頻譜分析方法,使用水聽器對空化噪聲進行采集,開展功率單因素變量試驗,發現在超聲波輸出功率達到1200W時,空化強度趨于飽和。研究結果可為超聲波在井筒清洗中的應用提供理論參考。

　　關鍵詞: 超聲波; 空化; 清洗距離; 有限元; 濾蝕清除; 正交試驗

　　論文《井筒超聲波空化清洗距離影響因素試驗研究》發表在《石油機械》，版權歸《石油機械》所有。本文來自網絡平臺，僅供參考。

　　0 引言

　　在油氣井鉆井過程中，由于鉆井液濾失形成了地層淺處的內濾餅和井壁表面的外濾餅[1-2]，濾餅的存在會對固井質量和后期的油氣生產產生影響[3-4]。為了提高固井質量和油氣井采收率[5]，需要有效清除濾餅。

　　在固井作業中，清除濾餅的方法主要有機械清除法、固化法和沖洗法。通常采用機械清除法作為濾餅清除的預處理方式[6-10]，然而單獨使用該方法很難達到有效清除井壁處濾餅的目的[11-12]。固化法的使用存在著局限性，濾餅改性劑具有專一性，只能與特定類鉆井液、固井水鉆井液配合使用才能發揮功效[13-14]，制約了該方法的推廣使用。沖洗法適用范圍較廣，但是忽略了沖洗液水動力沖刷特性對濾餅清除效果的影響[15-17]。

　　隨著洗井技術的快速發展，利用超聲波在液體中產生的空化作用來實現井壁上濾餅的清除已經成為一種新興洗井技術[18]。R.LORD[19]在1917年研究了空化泡潰滅的規律，建立了理想條件下空化泡自由運動方程，為后來的空化泡動力學計算提供了基礎;M.S.PLESSET等[20]以R.LORD的成果為基礎，在考慮液體黏性情況下得到了氣泡動力學常見的R-P方程，為后續研究提供了理論基礎;2008年，霍文蘭等[21]在輸油管道上應用了化學試劑輔以超聲波作用的方式進行除垢，研究結果表明，添加超聲波作用時除垢率可達96.3%;2013年，崔方玲等[22]通過MATLAB建立仿真模型，發現超聲頻率越低、空化泡振幅越大、運動越劇烈，產生的空化效果越強;XUN.等[23]開展了上超聲波對油泥除油效果的影響分析，選擇28和40kHz對油泥進行處理，發現28kHz相比40kHz更適合油泥中油相與固體顆粒的分離，分離效率更高。在上述研究中，很少有學者針對不同井況中的壓力、溫度及超聲波參數對超聲波在井筒中清洗距離的影響規律開展研究。為此，筆者基于超聲波空化作用下的井筒清洗，研制了一種能夠判斷不同參數的超聲波產生的清洗距離檢測平臺，對超聲參數進行交互影響分析，并對超聲波清洗距離進行測試。所得結果可為超聲波在井筒清洗中的應用提供理論參考。

　　1 清洗距離測試試驗平臺設計

　　1.1 試驗平臺結構

　　超聲波空化清洗試驗平臺總體設計方案如圖1所示。平臺由超聲檢測收發組件、試驗環境變換組件和試驗臺組件裝配而成。

　　圖1 超聲波空化清洗距離測試試驗平臺示意圖

　　超聲檢測收發組件由超聲波發生器、超聲波發射換能器、水聽器、水聽器固定架、采集儀和計算機組成,負責不同頻率、功率參數的超聲波發射及超聲波空化噪聲信號的接收,完成聲學信息采集與分析;試驗環境變化組件由加泄壓閥門、壓力計、加壓設備、加熱帶、控溫裝置及溫度傳感器組成,負責試驗套管中液體環境的壓力及溫度控制,完成不同工況井下環境的模擬;試驗臺組件由套管放置臺、139.70 mm(5.5 in)試驗套管組成,完成套管的放置、提供盛納液體發生空化作用的容器以及柱形井筒環境的模擬。

　　1.2 試驗原理及流程

　　空化發生的液體介質為水。首先打開加泄壓閥門,將水注滿試驗套管,啟動加壓設備和加熱帶,將它們設置為試驗目標壓力與溫度,通過加壓設備與加熱帶、控溫裝置來進行調節,從而模擬不同的井下環境。之后啟動超聲波發生器及超聲波發射換能器,調節超聲波頻率及超聲波發射功率,通過水聽器采集空化噪聲數據,通過分析空化噪聲譜,提取基頻、諧波及次諧波幅值,從而判斷空化效應的強度。數據采集及分析流程如圖2所示。最后將涂泥PC管置于管道中,通過PC管上清洗干凈的距離從宏觀上判斷超聲波清洗距離并對仿真數據進行驗證。最終判斷在特定井下環境下,不同參數的超聲波能夠達到的清洗距離。

　　圖2 數據采集及分析流程圖

　　1.3 超聲波發射換能器選型

　　超聲波發射換能器常見的種類有貼附式和變幅桿式，如圖3所示。

　　圖3 超聲波發射換能器類型

　　對于貼附式超聲波發射換能器，壓電陶瓷在強交流電作用下產生相應的高頻振動，通過金屬座將超聲波傳遞至清洗槽中。該類超聲波發射換能器配合的清洗槽厚度通常小于3mm,以降低超聲波傳遞的損耗。

　　對于變幅桿式超聲波發射換能器,其結構由3部分組成,壓電陶瓷、變幅桿及工具頭,結構如圖4所示。壓電陶瓷在激勵作用下產生振動銅鼓,變幅桿放大傳遞至工具頭產生超聲波。

　　圖4 超聲波發射換能器結構

　　由于變幅桿式換能器發射功率大、產生的空化效應強、密封較為簡單,所以試驗研究采用變幅桿式換能器。

　　2 管道內部聲壓分布有限元分析

　　使用COMSOL Multiphysics軟件模擬空化作用下的套管內聲場聲壓分布及衰減情況。建模時使用矩形平面來模擬管道截面,以減小有限元計算量。管道長度為5452mm,內徑為113.4mm,用?8mm長的線段來模擬超聲波發射換能器工具頭末端面直徑。超聲波加載方式通過"壓力聲學"接口中的內部法向位移的形式進行加載。振動位移公式為[24]：

　　x=Asin(2pi f t) qquad (1)

　　式中：f為頻率, Hz;t為時間, s;A為振幅, μm。

　　模擬不同超聲功率時,只需要改變代表工具頭末端面的法向振動幅值A即可,管道內液體填充為水，仿真建模如圖5所示。

　　在400W輸出功率下，液體溫度為30℃，液體壓力為標準大氣壓，變幅桿末端工具頭位移是20μm，分別施加20、30及40kHz頻率進行超聲波空化仿真。不同頻率下的管道內聲壓場分布圖及聲壓沿中心軸線衰減如圖6所示。

　　圖6 不同參數下管道內聲壓分布及衰減圖

　　由有限元分析結果可知,頻率越高,管道內的聲壓分布越密集。20kHz時,最大聲壓為2.5×10?Pa;30kHz時,最大聲壓為2.5×10?Pa;40kHz時,最大聲壓為3.0×10?Pa。通過仿真數據判斷,相同功率下,頻率越高,產生的聲壓場聲壓幅值越大，空化效應強度越高。由于頻率越高的超聲波波長越短,能量衰減越強,通過在管道模型中設置中心軸線,查看沿軸線的聲壓衰減情況。根據R-P方程可知空化閾值表達式為：

　　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為空化閾值, Pa;p?為液體靜壓, Pa;p_c為液體強度, Pa;p_v為液體飽和蒸汽壓, Pa;σ為液體表面張力系數, N/m;R?為氣泡初始半徑, m。

　　水中氣泡的初始半徑R?為1μm，由式(2)和式(3)計算得到水中的空化閾值約為1.5×10?Pa。當聲壓大于該值時可以判斷該位置發生空化現象，管道中該位置具備較好的清洗效果。由仿真結果可以得到，20、30及40kHz分別在1370、1180、850mm處聲壓衰減至空化閾值以下。由此可知，頻率越高，能量衰減越嚴重，選擇低頻超聲進行遠距離清洗較為合適。

　　3 超聲波空化清洗距離測試室內試驗

　　3.1 涂泥PC管超聲波清洗距離試驗

　　將1.5m長的透明PC管外管壁涂泥，之后放在試驗套管中，一端放置在距離超聲波發射換能器20mm處，調節發射功率為400W對PC管外壁附著的泥進行清洗，清洗時間為3min。定義超聲清洗距離等于PC管上清洗干凈的長度加上PC管一端距離發射換能器的距離。PC管裝配、實物涂泥及清洗效果如圖7所示。

　　圖7 PC管裝配、涂泥及清洗效果圖

　　開展400W輸出功率下,不同頻率、溫度及壓力對套管中超聲波空化清洗距離影響的正交試驗,確定對空化效應影響最大的因素。通過Design Expert軟件進行正交試驗設計,得出超聲空化清洗距離試驗因素水平表(表1)與超聲空化清洗距離正交試驗表(表2)。

　　表1 超聲空化清洗距離試驗因素水平表

　　水平 超聲頻率/kHz 溫度/℃ 壓力/MPa

　　-1 20 20 0

　　0 30 30 3

　　1 40 40 6

　　表2 超聲空化清洗距離試驗正交試驗表

　　試驗號 超聲頻率/kHz 溫度/℃ 壓力/MPa 清洗距離/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

　　基于響應曲面法，選擇Box-Behnken模型對表2中的清洗距離D進行多元回歸擬合,得到清洗距離D的二次多項回歸方程為:

　　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為正交試驗聲壓, Pa;T為正交試驗溫度,℃。

　　Box-Behnken模型的方差分析及顯著性檢驗結果如表3所示。

　　表3 Box-Behnken二次多項式方差分析結果

　　方差來源 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

　　超聲頻率 4.163E+5 1 4.163E+5 534.12 <0.0001

　　溫度 22050 1 22050 28.29 0.0011

　　壓力 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

　　殘差 6703.62 7 979.46

　　失擬項 5456.25 3 1818.75

　　純誤差 1247.37 4 326.51

　　總誤差 1.121E+6 16

　　變異系數CV 4.21%

　　由方差分析結果可知，頻率f、壓力p對清洗距離均有極顯著的影響，溫度T對清洗距離具有顯著影響。根據p值越小對清洗距離的影響越大并結合F值，得出各參數對清洗距離的影響程度為：壓力>超聲頻率>溫度。

　　在不同的工況參數下，對超聲清洗距離進行二次多元回歸擬合分析，得到不同工況參數下的響應曲面。基于響應曲面可以更好地分析超聲頻率、溫度及壓力的交互作用對超聲清洗距離的影響程度和變化趨勢。不同工況參數的交互影響如圖8所示。

　　圖8 不同工況參數對清洗距離的交互影響圖

　　由圖8分析可知，清洗距離隨著溫度的升高呈現先上升后減小的趨勢，并且在30℃附近達到最大值;清洗距離隨著壓力的升高呈現減小的趨勢，并且在0附近達到最大值;清洗距離隨著超聲頻率的增加而逐漸減小，且在20kHz附近時最大。

　　基于上述響應曲面法求解的二次回歸模型，并結合交互影響分析，以最大清洗距離為目標尋求頻率、溫度和壓力的最優解，求解結果顯示：f=20kHz、T=31.3℃、p=0時，對應的最大清洗距離1193.94mm，與仿真結果(1370mm)的誤差約為14.75%。

　　基于響應曲面得出的二次回歸模型可以判斷在常溫常壓環境下超聲清洗能夠達到較大的清洗距離，在試驗參數范圍內，環境溫度為40℃、6MPa時產生最小的清洗距離為440mm;而經過二次回歸模型擬合達到的最大清洗距離為1193.94mm，說明溫度上升約10℃，壓力增大6MPa，清洗距離衰減約63%。根據高溫高壓井環境參數，當地層壓力達到103.4MPa，地層溫度達到149℃以上的井稱為高溫高壓井[25]。根據響應曲面趨勢判斷,在高溫高壓環境下超聲空化清洗距離將大幅減小，超聲空化清洗在井筒中軸向遠距離清洗濾餅的目的將無法實現。

　　3.2 頻率20kHz不同功率單因素變量試驗

　　在對涂泥PC管進行超聲清洗距離試驗后發現，20kHz頻率下清洗效果較優，故開展20kHz不同功率下的單因素超聲清洗試驗研究。將水聽器放置在與發射端換能器2.5m處進行聲壓幅值監測。設置5個擋位進行功率輸出(輸出功率分別為400、800、1200、1600和2000W)，水聽器采集噪聲信號之后，對噪聲信號進行處理，獲取諧波(基頻)和次諧波(1.5倍基頻、2倍基頻、3倍基頻)的電壓幅值，結果如表4所示。

　　表4 不同輸出功率下諧波及次諧波的幅值電壓

　　輸出功率/kW 基頻(20kHz)/V 1.5倍基頻(30kHz)/V 2倍基頻(40kHz)/V 3倍基頻(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

　　試驗結果表明:20kHz時基頻輸出能量最高，隨著換能器輸出功率增加，當輸出功率為1200W時，空化效應引起的次諧波以及諧波變換后數值趨于穩定。這說明在輸出功率1200W時空化強度趨于飽和,判定工具頭尺寸較小,增加功率后工具頭末端與水之間由于高頻振動產生空腔,無法產生更強的空化作用,該功率下清洗效果已經達到最佳。

　　4 結論及認識

　　(1) 搭建超聲波空化清洗距離測試試驗平臺，該平臺可以模擬井下環境,進行不同參數的超聲波洗井效果研究。

　　(2) 對不同頻率及功率的超聲波在類井筒形狀中基于有限元分析方法獲得試驗套管中內聲壓場的分布及超聲波衰減規律，通過仿真判斷不同功率的超聲波換能器有效清洗距離，頻率越高產生的近聲壓場聲壓幅值越高，但是聲壓幅值衰減越嚴重;頻率越高，有效清洗距離越近。

　　(3) 超聲空化所發生的液體環境對清洗效果具有較強的影響，實際工況中，井下液體環境中存在大量的固體顆粒，這些顆粒會阻礙超聲波的傳播，使超聲波無法充分地到達需要清洗的物體表面，從而減弱清洗效果。此外，固體顆粒還可能與氣泡發生作用，減弱空化效應的強度和持續時間，因此超聲洗井工程應用難度較大。

　　(4) 根據試驗結果，超聲空化清洗僅適用于近井端、溫度及壓力不高的環境中。對于高溫高壓深井，由于環境因素的限制，超聲空化清洗濾餅清除方式并不適用。

　　參考文獻

　　[1] 段云星，楊浩. 鉆井液泥餅形成及評價研究綜述[J]. 科學技術與工程，2021，21(27): 11443-11454.

　　[2] BAGERI B S, ADEBAYO A R, AL JABERI J, et al. Evaluating drilling fluid infiltration in porous media-comparing NMR, gravimetric, and X-ray CT scan methods[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2021, 198: 108242.

　　[3] 涂強，王海平，付江龍，等. 橢圓井眼中偏心度和流量對濾餅沖洗效率的影響[J]. 鉆井液與完井液，2023，40(4): 502-510.

　　[4] 何瑀婷，趙殊勛，高啟軒，等. 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅對固井二界面膠結質量的影響與提高措施[J]. 鉆井液與完井液，2022，39(2): 227-233.

　　[5] 胡志強，魯明春，伍遠平，等. 連續管洗井液循環處理裝置的研制及應用[J]. 石油機械，2021，49(11): 119-123.

　　[6] 張超鵬，陳立超，張典坤，等. 深層非常規油氣固井材料發展現狀及趨勢淺析[J]. 世界石油工業，2023，30(6): 96-105.

　　[7] 趙金，趙星，蔡鵬，等. 連續管多孔噴嘴射流工具研制與清洗參數優化[J]. 石油鉆探技術，2023，51(3): 83-89.

　　[8] 趙峰，曾雪玲，龍丹，等. 超高溫固井水泥添加劑研選及工程性能評價[J]. 鉆采工藝，2023，46(4): 131-136.

　　[9] 鄭杜建，陳宇豪，鄒傳元，等. 塔里木盆地深井超深井分級固井新技術與應用[J]. 鉆采工藝，2023，46(5): 29-34.

　　[10] 于永金，薛毓鋮，夏修建，等. 一種抗240℃超高溫固井緩凝劑的研發與評價[J]. 天然氣工業，2023, 43(3): 107-112.

　　[11] 薛亮, 李幫民, 劉愛萍, 等. 振動固井對泥餅的剪切作用機理研究[J]. 石油鉆探技術, 2011, 39(4): 53-56.

　　[12] 胡晨彬, 張銳, 謝虹橋, 等. 新型濾餅刮削器的研制與應用[J]. 鉆采工藝，2019，42(4): 87-88, 107.

　　[13] 杜建平，顧軍，張輝，等. 有效提高頁巖氣井固井質量的泥餅固化防竄固井技術[J]. 天然氣工業，2015，35(9): 89-94.

　　[14] 顧軍，何吉標，譙世均，等. MTA方法防氣竄固井技術在澀北氣田的應用[J]. 天然氣工業，2014，34(4): 83-89.

　　[15] HUANG S, GUO X Y, DUAN W H, et al. Degradation of high molecular weight polyacrylamide by alkali-activated persulfate: reactivity and potential application in filter cake removal before cementing[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2019, 174: 70-79.

　　[16] BAGERI B S, ADEBAYO A R, BARRI A, et al. Evaluation of secondary formation damage caused by the interaction of chelated barite with formation rocks during filter cake removal[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2019, 183: 106395.

　　[17] 李照川. 清除水基濾餅提高第二界面膠結質量的絨囊沖洗液研究[D]. 北京: 中國石油大學(北京)，2021.

　　[18] WANG Z J, XU Y M. Review on application of the recent new high-power ultrasonic transducers in enhanced oil recovery field in China[J]. Energy, 2015, 89: 259-267.

　　[19] LORD R. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity[J]. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1917, 34(200): 94-98.

　　[20] PLESSET M S, CHAPMAN R B. Collapse of an initially spherical vapour cavity in the neighbourhood of a solid boundary[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1971, 47(2): 283-290.

　　[21] 霍文蘭，溫俊峰. 超聲波輔助法在輸油管道除垢、防垢中的應用[J]. 應用化工，2009，38(6): 916-918.

　　[22] 崔方玲，紀威. 超聲空化氣泡動力學仿真及其影響因素分析[J]. 農業工程學報，2013(17): 24-29.

　　[23] XU N, WANG W X, HAN P F, et al. Effects of ultrasound on oily sludge deoiling[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 171(1/2/3): 914-917.

　　[24] 徐梓榕. 聲空化泡潰滅力學的量化研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學，2021.

　　[25] 羅鳴，馮永存，桂云，等. 高溫高壓鉆井關鍵技術發展現狀及展望[J]. 石油科學通報，2021，6(2): 228-244.