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研发大功率超声波技术 引领功率超声产业化发展——哈尔滨工业大学航天学院赵树山教授
2021-04-08
长久以来，功率超声技术被誉为“工业味素”，可以应用于各个工业领域。但由于功率超声技术门槛高，曾经掌握大功率超声技术并能够工业应用的只有美国和苏联。赵树山教授经过19年的技术攻关，终于在大功率超声核心技术的实验室阶段取得突破，使我国成为世界第三个掌握大功率超声波技术及其应用的国家。
1 攻坚克难，研发全球先进的功率超声技术
我国曾在20 世纪60 年代尝试将超声波用于采油领域，但由于其作用于储层的功率密度较小，无法达到有效的增产增注原油开采目标而停滞。同时，石油领域广泛应用的原油复产技术（EOR技术）具有高耗能、高污染、高成本等需要解决的问题。
基于以上原因，20世纪90年代初开始，我国将大功率超声波采油技术研究列入了国家863计划。赵树山教授作为课题负责人完成国家863计划“超大功率超声波油井增油技术及其装备研究”课题（课题编号：2007AA06Z227），研发的超大功率超声波油井增油技术及其装备，成功突破了大功率超声换能器、发射机、电缆传输和系统集成匹配四大技术难题，实现了节能环保、降低成本、对储层无破坏、增产和提高采收率等效用。
作为国家能源战略中的一项关键环节，利用大功率超声波增产石油采掘不是一项简单的运用，其中的关键是，如何将地面上的电能转变为机械能的功率超声。将380 V 50 Hz的电能转化为2 000多伏及几万赫兹频率的电源，又是这项技术的重中之重。在没有任何经验参考的情况下，为解决这个难题，赵树山教授带领团队一面从有限的资料中寻找答案，一面跑遍大江南北。在濒临绝望的境地，他们不等不靠，联合哈尔滨工业大学强电、弱电、力学、石油工程、控制工程等12 个专业的专家，历经10 年研发攻关，最终解决了包括电源在内的5 个技术关键性问题，获得了4 项关键技术成果、2项国家实用新型专利（超声波消除气泡装置及消泡制冰设备，ZL201820541741.4；一种三叶转子流量计，ZL201620217943.4），使我国成为当前国际上第三个掌握该项技术的国家。
与同类技术相比，该功率超声EOR技术项目具有四大优势。一是节能环保，平均吨油耗能仅为1 kW电能，是传统热法能耗的0.01%～0.1%；功率超声油井增产技术是一种绿色、环保的增产技术，作业后不会对环境造成影响。二是低成本，功率超声油井增产技术仅消耗电能及换能器的寿命，成本仅是其他三次采油技术的10%～50%。三是对储层无破坏，压裂等驱油技术只能作业有限次数，而功率超声油井增产技术可以反复多次对油井进行作业，对储层无破坏。四是除增产之外还可提高采收率，增产能达到30%以上，平均增产40%～60%，可提高油田5%～8%全寿命采收率，全国推广相当于再造一个大型油田。
1998 年开始，他们与哈尔滨兰德超声设备有限公司合作，将大功率超声波采油技术试用于大庆采油七厂和延长油田杏子川采油厂，使采油厂的单井产量得到显著提升。为进一步推进这项技术在采油行业的发展空间，他们先后在大庆、长庆、延长、胜利、辽河、大港、华北和中海油等油田的200余口油井使用该技术，受到了油田好评。
2 精益求精，开发超声波处理含油污水技术
目前，我国还处于经济发展而水污染问题未得到根本解决时期，污水处理工作迫在眉睫。随着中国工业的发展，污水类型各种各样，所以对污水处理的技术需要和设备的要求逐渐提高。针对国家“土十条”提出的土壤修复要求，重点治理油田作业中产生的污油泥，从而解决目前污油泥治理领域存在的成本高、对环境不友好、处理后的产品无法资源化回收利用等问题。
赵树山教授在不断完善功率超声驱油技术的基础上，精益求精，瞄准环保，开发超声波作用含油污水技术。超声波作用含油污水技术是一项新型的污水处理技术，当一定强度的超声波作用于废水时发生空化作用，使局部产生强大的冲击波，进而会破坏大分子油滴的分子键，达到裂解去除污油的目的。
赵树山教授团队通过实验得到了超声波的作用时间、超声功率和频率（40 kHz 和28 kHz）对污水作用后对污水粘度和裂解效果的影响。实验表明：在频率相同的情况下，随着功率的增加，污水的粘度下降不断加快，裂解效果先增加后降低，功率密度在70 W /m2左右出现最大值；而在相同功率时间下频率为40 kHz 的超声波比28 kHz 的超声波作用含油污水后对粘度和裂解效果的影响更大；随着超声时间的增加，其中的微生物不断被消灭，污水的粘度和裂解效果将持续下降，但是存在临界值。
3 结语
随着超声波技术理论研究更加完善和深入，越来越多的功率超声技术被应用在石油企业、环保领域、食品加工制造等工程中。功率超声应用技术的进一步研发，有望将该应用技术推向一个新的高峰，功率超声技术正朝着环保、高效和自动化的方向发展。赵树山教授团队研发的功率超声油井增产技术不仅实现了自主研发，而且达到国际一流水平。未来，该团队希望通过人才储备和学科发展，抢占功率超声技术的国际高地，助推我国科技和工业发展。
