中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司曲從鋒團(tuán)隊(duì)在《石油機(jī)械》發(fā)表論文《井筒超聲波空化清洗距離影響因素試驗(yàn)研究》。該研究首次系統(tǒng)量化了井下高溫高壓環(huán)境對超聲波空化清洗距離的衰減規(guī)律，通過全尺寸試驗(yàn)與仿真分析，明確了壓力、頻率、溫度三大關(guān)鍵因素的影響權(quán)重，為超聲波洗井技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用與參數(shù)優(yōu)化提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

　　超聲波空化清洗作為一種新興的高效、無損傷濾餅清除技術(shù)，在油氣井固井作業(yè)中具有重要應(yīng)用潛力。然而，其在復(fù)雜井下環(huán)境，特別是高溫高壓條件下的有效作用距離一直是個(gè)未解之謎，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。為此，曲從鋒團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了一套可模擬井下環(huán)境(壓力、溫度、流體介質(zhì))的超聲波空化清洗距離綜合測試平臺(tái)，為相關(guān)研究提供了重要工具。

　　研究團(tuán)隊(duì)首先采用有限元仿真揭示了超聲波在類井筒結(jié)構(gòu)中的傳播與衰減規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在同等功率下，低頻超聲波展現(xiàn)出更優(yōu)的遠(yuǎn)距離清洗潛力。盡管高頻超聲波(如40kHz)能在近場產(chǎn)生更高的聲壓幅值(仿真顯示最高可達(dá)3.0×10? Pa)，但其能量衰減迅速，有效清洗距離(衰減至空化閾值以下)僅約850毫米。相比之下，低頻超聲波(20kHz)雖然初始聲壓幅值(2.5×10? Pa)較低，但傳播距離更遠(yuǎn)，有效清洗距離可達(dá)1370毫米，更適合深部井段的軸向清洗作業(yè)。

　　為驗(yàn)證仿真結(jié)果并探究多因素耦合影響，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了包含超聲波頻率、環(huán)境溫度和液體壓力的三因素正交試驗(yàn)?；陧憫?yīng)曲面法(Box-Behnken模型)的深入分析表明，靜水壓力是對超聲波清洗距離影響最顯著的因素，其次是超聲頻率，最后是溫度。該結(jié)論顛覆了部分傳統(tǒng)認(rèn)知，明確了壓力是深井應(yīng)用中的首要限制條件。研究進(jìn)一步指出，在400W輸出功率下，獲得最佳清洗距離(理論最優(yōu)解為1193.94毫米)的工藝參數(shù)為：超聲波頻率20kHz、液體溫度31.3℃、常壓環(huán)境。然而，當(dāng)環(huán)境條件變?yōu)?0℃和6MPa時(shí)，清洗距離相較最優(yōu)條件大幅衰減約63%。這預(yù)示著，在典型的高溫高壓井(如103.4MPa、149℃)工況下，超聲波的空化效應(yīng)將急劇減弱，難以實(shí)現(xiàn)有效的遠(yuǎn)距離清洗。

　　此外，針對最優(yōu)頻率(20kHz)的功率單因素試驗(yàn)揭示了一個(gè)重要現(xiàn)象：空化效應(yīng)存在“功率飽和點(diǎn)”。當(dāng)輸出功率提升至1200W時(shí)，表征空化強(qiáng)度的次諧波及諧波幅值趨于穩(wěn)定，表明此時(shí)空化強(qiáng)度已達(dá)到飽和。繼續(xù)增加功率至1600W甚至2000W，不僅無法顯著增強(qiáng)清洗效果，反而可能因工具頭末端劇烈振動(dòng)產(chǎn)生空腔而導(dǎo)致能量損耗。

　　該項(xiàng)研究為超聲波洗井技術(shù)的工程應(yīng)用劃定了清晰的技術(shù)邊界：該技術(shù)更適用于淺井、中深井或近井筒區(qū)域的局部高效清洗。對于超深、高溫高壓油氣井，由于環(huán)境壓力導(dǎo)致的空化閾值急劇升高，超聲波能量衰減嚴(yán)重，其應(yīng)用將受到極大限制。研究成果為現(xiàn)場科學(xué)選井、工藝參數(shù)優(yōu)化(優(yōu)先選用低頻、適中功率)及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)提供了直接的理論依據(jù)，避免了技術(shù)應(yīng)用的盲目性。