0 引言

在油气田后期开采过程中, 随着产油量的减少, 注水量加大，油田生产系统结垢问题日益严重^[1]。结垢导致设备低效运转，使设备维护费用增加^[2]，不利于安全高效生产。与油田常见的碳酸钙垢相比，化学酸化法可以去除碳酸钙垢，但不能去除硫酸钡垢。目前，最常用的防、除硫酸钡垢的方法是加入阻垢剂和超声波物理除垢，但是阻垢剂成本高，且每次在线连续注入用量难以把握^[3-4]。近年来，超声波除垢技术以其操作简单、自动化程度高、运行费用低、在线连续工作、工作性能可靠、效率高及无环境污染等特点^[5]，在油田生产中得到了广泛应用。超声波除垢的影响因素主要分为3类：超声波参数、流体参数和材质。目前有关超声波除垢中流体参数的研究较多，而超声波参数研究需要进一步完善^[6]，需要实施超声波除硫酸钡垢试验研究。

笔者根据试验数据，结合超声波的除垢机理和硫酸钡垢的成因2方面，评价超声波在不同频率、不同辐照时间和不同温度下去除Q235钢制挂片和聚乙烯挂片上硫酸钡垢的效果，得到了除垢效果最佳时，超声波频率、辐照时间和温度三者的最优组合。

1 除垢机理

超声波除垢装置主要由超声波发生器和超声波换能器2部分组成，超声波除垢技术主要依靠频率高于20 kHz声波的空化效应、剪切效应和活化效应去除管壁污垢^[6]。

1.1 空化效应

超声波产生的脉冲振荡波在管道中传播，会在管道与流体分界面位置处产生大量细小的空穴和气泡，流体中的水起到空化核作用，在极限压力作用下气泡破溃，与此同时，流体中的细小颗粒连续不断地冲刷管道内壁，从而进一步加剧空化作用强度。气泡获得能量后，在声场的作用下不断振动，在界面处形成的压力逐渐增大^[7]。当气泡迅速膨胀，相互挤压，突然溃破时，一方面气泡界面处产生瞬间高温^[8]，导致液体黏度和表面张力减小，空化阈值降低，促进空化气泡形成，更加有利于空化效应的发生；另一方面，会对垢层表面产生一定范围的局部冲击力，使结垢层疏松，产生疲劳和裂缝，形成较多分散的小颗粒，在流体的冲刷下导致垢质脱落^[9]。

1.2 剪切效应

由于结垢层和管道对超声波吸收和反射的能力不同，导致超声波在两者之间的传播存在速度差，从而在两界面处产生相对剪切力，使得垢层与管道内壁之间形成的黏合力减小，污垢附着力减小，垢层易剥落^[9-10]。当超声波振荡器的频率与管道内壁上附着的垢层固有频率相同时，将会发生共振现象，垢层疲劳松散，垢质粉碎，垢物逐渐从管壁上脱落^[9-10]。此外，在超声波的作用下，流体会形成细小漩涡，产生旋流效应，垢层疏松，同时也可以避免形成的结垢晶体在管道内壁淤积^[11-12]。

1.3 活化效应

在液体介质中，超声波可以使水分子裂解为活性H自由基和HO自由基，甚至是H⁺和HO^-[11]。活性H自由基性质活泼，具有氧化性，容易与垢质发生反应, 可以把生成的积垢剥落下来；而HO自由基与成垢物质离子可以形成CaOH⁺、MgOH⁺等配合物^[12-13]，增加水溶解污垢的能力，使附着在管道内壁的垢量减少。

2 试验试剂和装置 2.1 试验试剂

试验所选择的药品等级和用量均按照SY/T 0600—2009《油田水结垢趋势预测》的规定。表 1为试验试剂等级表。

2.2 试验装置

超声波发生器的主要作用是给超声波除垢装置提供电能。超声波换能器是本次试验的核心部件，其主要作用是从超声波发生器获得电能，然后转换成超声波。根据试验设计要求，选择3种型号的超声波发生器和4种类型的超声波换能器，试验仪器的主要参数见表 2。

超声波除垢装置主要由超声波发生器和超声波换能器2部分组成。由于超声波的传播具有方向性，将超声波换能器安装在水槽底部^[14]。将已经结垢的Q235钢制挂片和聚乙烯挂片放入水槽中，超声波在不同频率、不同辐照时间和不同辐照温度下对挂片进行处理，观察其除垢效果。超声波试验装置组装示意图如图 1所示。

2.3 试验设计

试验设计参考标准SYT 5673—1993《油田用防垢剂性能评价方法》。

试验步骤如下：

(1) 将除锈、打磨、冲洗、烘干和称量后的Q235钢制挂片和聚乙烯挂片分别放到标准硫酸钡溶液中，恒温水浴锅温度设定为60 ℃，24 h后取出挂片, 经恒温干燥箱风干后，称量并计算挂片的结垢质量m₀。

(2) 将结垢挂片放入原标准硫酸钡溶液中，超声波在不同频率、不同温度和辐照时间下分别对挂片进行处理，称量并计算超声波作用后挂片的质量m₁。

(3) 除垢效果采用质量差法进行评估。

除垢率E的计算公式为：

(1)

3 试验结果与分析 3.1 频率

在超声波发生器功率为1 500 W，超声波换能器除垢频率分别为20、28、60和120 kHz，试验温度分别为40和60 ℃，辐照时间分别为5和10 min，作用于已结垢的Q235钢制挂片和聚乙烯挂片, 计算处理前和处理后挂片的质量差，计算除垢率，从而得出超声波除硫酸钡垢的最佳频率。未处理前挂片实物如图 2所示。在频率为28 kHz、辐照温度40 ℃及辐照时间10 min的条件下，超声波对结垢挂片进行处理。处理后挂片实物图如图 3所示。试验合计32组，试验结果见图 4。

由图 4可知，在试验温度和辐照时间相同的情况下，每组试验结果均表明除垢率随着超声波频率的增大先升高后降低，在频率为28 kHz时，超声波去除硫酸钡垢效果最好，除垢率最高。

从理论上分析，频率增大，单位时间内超声波的交变次数越多，液体体系中的剪切效应增强^[14]；另一方面，也有利于液体获得超声波中的能量，增强超声波的热效应，瞬间产生的高温降低空化阈值，利于空化气泡的形成，加剧空化效应的强度。但是频率过高，超声波的能量在传播过程中衰减快，热效应减弱，声波压缩相时间缩短，空化气泡来不及破灭，除垢效果反而减弱。

3.2 辐照时间

在超声波发生器功率为1 500 W、超声波换能器频率为28 kHz、试验温度为40和60 ℃，辐照时间分别为5和10 min，处理结有硫酸钡垢的Q235钢制挂片和聚乙烯挂片，称量处理后挂片的质量，计算除垢率，得出超声波除硫酸钡垢率与辐照时间的关系，结果如图 5所示。

由图 5可知，随着辐照时间的延长，超声波除垢效果更加明显，辐照时间为10 min，超声波作用于聚乙烯挂片上的除垢率为90.84%；在相同条件下，Q235钢制挂片的除垢率低于聚乙烯挂片。

从理论上分析，辐照时间增加，液体从超声波获得的能量增多，空化气泡和空穴的数量增加，加速空化效应的发生；另一方面，活化效应增强，水分子中裂解的活性H自由基增多，具有氧化性的活性H自由基更容易把积垢剥离，减少硫酸钡垢在挂片上的沉积。

3.3 辐照温度

超声波发生器功率为1 500 W、超声波换能器频率为28 kHz、辐照时间分别为5和10 min，超声波在不同的温度下处理已结垢的挂片，称量处理后挂片的质量，计算除垢率，得到超声波除垢率与温度的关系，结果如图 6所示，进一步分析可得出最佳辐照温度。

由图 6可知，超声波除垢频率为28 kHz、辐照时间为10 min时，最佳辐射温度为40 ℃。温度从40 ℃升高到60 ℃，聚乙烯挂片除垢率由90.84%降低到60.12%，下降幅度为33.82%，Q235钢制挂片除垢率由71.68%下降到43.76%，下降幅度为38.95%。

从理论上分析，温度升高，促使硫酸钡在水中发生结晶现象，悬浮于溶液中的硫酸钡颗粒增多；同时硫酸钡在水中的溶解度减小，综合这2方面可知，温度升高，加快结垢过程的发生，挂片结垢量增加，除垢率降低。

4 结论

(1) 通过比较超声波在4种不同频率下的除垢试验，采用超声波处理挂片前、后的质量差法来评价除垢效果，得到超声波最佳除垢频率为28 kHz。

(2) 在最佳除垢频率为28 kHz的情况下，控制超声波对挂片的处理时间，得出超声波辐照时间为10 min时除垢效果最好。

(3) 基于最佳除垢频率和最佳辐照时间，超声波在不同辐照温度下处理结垢挂片，确定超声波最佳除垢温度为40 ℃。

(4) 在超声波除垢参数相同的情况下，去除聚乙烯挂片上的硫酸钡垢比去除Q235钢制挂片上的硫酸钡垢容易。