（油气田开发工程专业论文）声波解堵实验研究.pdf

本人郑重声 的成果，论文中 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：趣竺耻 日期：历，午 多月二日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：很衍 指导教师签名：彩壹i 豇。 日期：却，年占月z - e 1 日期：纱、，年6 月z 日 k 轴 摘要 油田开发过程中，油层堵塞是油井产能下降的一个重要因素，严重制约和影响油田 开发。目前声波解堵技术在现场应用中取得了一定效果，由于受实验条件限制，大多研 究不够深入，本文通过室内实验对不同渗透率下，不同参数的声波作用后岩心渗透率的 变化情以及声波的衰减情况做了进一步研究。实验时采用声波频段为0 8 k h z 1 3 5 k h z ， 采用泥浆对不同渗透率段的岩心进行了污染并用不同频率段声波解堵，且研究了声强、 作用时间和岩心初始渗透率这些因素对解堵效果的影响规律，最后研究了声波在水、饱 和水的粗砂和细砂这三种介质中的衰减规律。研究表明随着声波频率的升高，岩心直接 恢复率和污染恢复率都是先增大后变小，存在一个最佳解堵频率，对渗透率段为3 0 1 0 。3 m 2 和6 0 0 1 0 s u m 2 的岩心来说，最佳解堵频率为2 8 k h z ，对渗透率段为1 5 0 0 1 0 - s u m 2 的岩心来说，最佳解堵频率为1 2 k h z ；作用时间对解堵效果的影响较大，实验中得出最 佳作用时间为3 0 m i n ；声波功率( 声强) 越大，解堵效果越好；声波在水中的衰减系数 很小，而在饱和水的粗砂和细砂中衰减系数较大，且声波功率越大衰减越大，且其衰减 受砂粒粒径影响越小。 关键词：声波解堵，频率，声强，作用时问，渗透率恢复率，衰减 t r e a t i n gw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tp e r m e a b i l i t y i no u rl a b o r a t o r y , u s a b l es o n i c b a n di sw i d e ，a n da c o u s t i cf r e q u e n c yb a n di sf r o m0 8k n zt o13 5 k h z w ep o l l u t e dt h ec o r e o fd i f f e r e n tp e r m e a b i l i t ys e g m e n t 、i t hd r i l l i n gf l u i da n dr e m o v e l e dt h ep u l l u t i o nu s i n ga c o u s t i c w a v e so fd i f f e r e n tf r e q u e n c y , a n dw ea l s os t u d i e dt h ef a c t o r so fs o u n di n t e n s i t y , t r e a t i n gt i m e a n dt h ei n i t i a lp e r m e a b i l i t yo nt h ee f f e c to fl a wo fc o r ep l u gr e m o v a l f i n a l l yw es t u d i e dt h e a c o u s t i ca t t e n u a t i o nl a wi nw a t e r , c o a r s es a n da n df i n es a n dw i t hs a t u r a t e dw a t e r t h er e s u l t s o ft h es t u d ys h o wt h a tw i t ha c o u s t i cf r e q u e n c yi n c r e a s i n g ，f i r s tt h ec o r ed i r e c tr e c o v e r yr a t e a n dp o l l u t i o nr e c o v e r yr a t ei n c r e a s e ，t h e nd e c r e a s e ，a n dt h e r ee x i s t sa no p t i m a la c o u s t i c b l o c k i n gr e m o v a lf r e q u e n c y t h eo p t i m a lf r e q u e n c y i s2 8 k h zf o rt h ec o r eo f3 0 x lo 3 a m ? a n d c o r eo f 6 0 0 x 1 0 3 9 m 2 ，a n dt h eo p t i m a lf r e q u e n c y i s1 2 k h zf o rt h ec o r eo f1 5 0 0 x 1 0 s a m 2 t h e e f f e c t so ft r e a t i n gt i m eo na c o u s t i cb l o c k i n gr e m o v a lf i l es i g n i f i c a n t ，a n dt h eo p t i m a ld u r a t i o n i s3 0 m i ni no u re x p e r i m e n t st h ea c o u s t i cp o w e r ( s o u n di n t e n s i t y ) i sb i g g e r , t h ea c o u s t i c b l o c k i n gr e m o v a li sb e t t e r t h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ti sv e r ys m a l li nt h ew a t e rb u ti t i sb i gi nc o a r s es a n da n df i n es a n dw i t hs a t u r a t e dw a t e r t h ea c o u s t i cp o w e r ( s o u n di n t e n s i t y ) i s b i g g e r , t h es o u n da t t e n u a t i o ni sl a r g e r , a n dt h ep a r t i c l es i z eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo ni t k e yw o r d s ：a c o u s t i cb l o c k i n gr e m o v a l ，f r e q u e n c y , s o u n di n t e n s i t y , t r e a t i n gt i m e ， p e r m e a b i l i t yr e c o v e r yr a t e ，a t t e n u a t i o n ， i 第 第二章油层堵塞机理及声波解堵技术 2 1 渗透率伤害的机理5 2 2 声波的主要作用机制5 2 2 1 声波的机械效应5 2 2 2 声波的热效应6 2 2 3 声波的空化效应6 2 3 声波解除油层堵塞的作用机理7 2 4 声波衰减机理8 2 4 1 吸收衰减8 2 4 2 散射衰减9 第三章声波解堵参数优化实验1 0 3 1 声波解堵参数优化实验设计1 0 3 2 实验设备及主要技术参数1 2 3 3 声波解堵参数优化实验效果评价指标1 2 3 4 准备性实验1 3 3 5 声波解堵室内实验步骤15 3 6 声波解堵参数优化实验现象1 6 3 7 声波解堵频率优选实验结果及规律分析18 3 7 1 声波解堵频率优选实验结果一1 8 3 7 2 声波解堵频率影响规律分析2 3 3 8 2 声波解堵时间影响规律分析一2 9 3 9 声波解堵声强优选实验结果及规律分析3 2 3 9 1 声波解堵声强优选实验结果。3 2 3 9 2 声波解堵声强影响规律分析3 4 3 1 0 声波解堵岩心渗透率影响规律分析3 6 3 1 l 本章小结3 8 第四章声波在饱和流体的疏松砂岩介质中的传播与衰减实验 4 1 实验方案设计4 0 4 2 实验仪器及材料4 l 4 2 1 实验仪器4 1 4 2 2 实验材料4 1 4 3 实验步骤4 1 4 4 声波衰减评价参数4 2 4 5 声波在水中的衰减实验结果及规律分析4 2 4 5 1 声波在水中的衰减实验结果4 2 4 5 2 声波在水中的衰减规律分析4 5 4 6 声波在饱和水的粗砂介质中的衰减实验结果及规律分析4 6 4 6 1 声波在饱和水的粗砂介质中的衰减实验结果4 6 4 6 2 声波在饱和水的粗砂介质中的衰减规律分析4 9 4 7 声波在饱和水的细砂介质中的衰减实验结果及规律分析5 2 4 7 1 声波在饱和水的细砂介质中的衰减实验结果5 2 4 7 2 声波在饱和水的细砂介质中的衰减规律分析5 5 4 8 声波在不同介质中的衰减规律对比分析5 7 4 9 本章小结6 1 结论与建议6 3 参考文献 致谢 6 8 1 1 研究 油田开发过程中，油层堵塞是油井产能下降的一个重要因素，严重制约和影响油田 开发。与此同时，发展经济的同时，必须保护生态环境，实现绿色开发，坚定不移地走 可持续发展的道路，建设生态经济已经提上了国家协调发展战略日程，而一般油田所处 地区生态环境较为脆弱，实现二者的和谐发展越来越重要。声波解堵技术因为其环保无 污染的优点，是行之有效的方法之一。 声波解堵技术虽然取得一些现场应用效果，但研究不够深入，应用效果还有待于 进一步提高，应用范围也有待于进一步拓宽，这也是课题主要研究方向和解决的问题 之一。声波的振幅和频率，决定着地层解堵施工效果的好坏。不同频率的声波在地层 的传播深度不同，同时不同类型的堵塞，对地层的堵塞深度不同，进行解堵作业所需 的施工用剂和施工参数也不同。为此，我们需要进一步通过室内实验研究声波的衰减 情况，以及不同渗透率下不同参数的声波作用后其渗透率的变化情况。受实验室条件 的限制，前期研究所用的声波频率范围较小，进行室内实验时应用的声波发生器频率 较单一，进行实验时声波频段太窄，且对声强这一因素的影响研究的不是很深入，前 期研究进行室内实验时都是以声波发生器本身的电功率为参照，并没有用相关仪器真 正测量声波的声强。本课题进行室内实验时各种频率的声波发生器比较完备，发生的 声波频率从几十h z 到上万h z ，可用于解堵实验的声波频段大大拓宽，且本课题进行 室内实验时能用声强测量仪比较准确的测量声波发生器所发出声波的声强，研究不同 声强的声波对污染岩心渗透率的影响，得出声强对污染岩心解堵的影响规律。声波的 衰减影响到其解堵深度，对于声波在地层中的衰减规律尽管相关研究并不少，但是这 一问题研究的并不是很深入，不能有效的指导现场实验，本论文分别研究声波在水、 饱和水的粗砂和饱和水的细砂中的衰减，探索其衰减规律和影响其解堵深度的因素， 更好的指导声波解堵工艺设计。本文的最终目标就是通过对声波解堵技术进一步进行 室内深入研究，能摸清较大频率范围内不同声强的声波衰减规律和其对地层渗透率的 影响，能优选出对声波频率和声强，进行参数优化使之效果更好、应用范围更宽，从 而更好的解决生产中存在的实际问题。 1 第一章引言 1 2 国内外研究状况及进展 1 2 1 国外研究现状 前苏联和美国对声波的研究开展的比较早一些。d u h o n 1 】在1 9 6 4 年首先探索了多 孔介质中流体流动受超声波振动能量的影响，得出不同频率的超声波对其作用后，降 低了原油粘度，流体在振动产生的压力下更好的流动，水驱采收率提高了6 4 旷1 4 7 ； a b a d g u e r r a l 在1 9 7 6 年针对岩心中的石蜡沉积现象利用进行超声波进行处理，经过超声 波的作用，提高岩心渗透率达5 1 7 5 ，这是因为岩心孔道在超声波的振动作用下产生周 期性的伸缩，同时在其强烈的空化作用下增强了流体的流动能力，并且受其热作用的影 响流体粘度也得到了降低，岩心渗透率大幅度提高；在超声波解除砂岩岩心石蜡沉积、 聚合物堵塞的实验研究中，e m r o b e n s 【2 j 做了大量努力，发现石蜡沉积用超声波作用后 效果比较明显，而超声波对聚合物堵塞处理效果一般，他认为解除聚合物堵塞时不能单 独使用超声波；a d i n a t h a nv e n k i t a 删：1 1 a i l 【3 】等用泥浆对岩心进行污染并用超声波进行处 理，经过试验研究得出，超声波对这两种污染处理效果很好，主要影响因素为超声波换 能器的功率、处理时间和驱替流量；岩心中常有沥青质沉积，u k g o l l a p u d i 【4 】等针对 这一现象用利用超声波进行处理，效果非常明显，分析其主要原因是在超声波的空化作 用和热作用，降低了原油的粘度使其流动能力大大增强，而且解除了沥青质的沉积，这 更加增大了流体的流量；b r i a nc h a m p i o n1 5 】等进行了超声波在近井解堵方面的现场试验 和理论研究，结果证明在解除近井地带的多种地层污染方面，用超声波处理有着很好的 可行性；t o mw b a k k e r 6 等对井下的超声空化现象进行了研究，指出了在井下发生空 化的条件，并通过实验研究得出了空化现象对超声波近井解堵效果的所造成的影响； t h a m i d a l 7 】在单个毛细管混相驱替和非混相驱替时利用超声波进行处理，并研究了超 声波对其流动规律的影响，实验结果证明，悬滴实验中水滴速率在超声波特定频率下达 到最大值；自吸实验中，原油采收率和采收速率在超声波的作用下得到明显提高，并且 流体流向不同时，所得效果不一样；国外根据声波辐射过程的基本理论，进行了相应的 理论分析及初步实验f 8 1 0 】；最j 匠p o e s i o 1 1 1 2 1 等通过实验研究多孔介质中的堵塞形成和超 声波解堵并建立微观理论模型计算微粒所受超声波作用力，分析计算出孔隙壁上沉积微 粒脱落条件。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 我国科学家【1 3 1 9 0 年代开始了声波解堵方面的试验工作，开发出了相应的仪器、设备。 沈本善【1 4 1 等人在实验室中用物理装置进行实验，用人造石英砂岩作为多孔介质，并饱和 油和水，研究了两相流体体流动的规律及影响，研究表明原油的渗流速度在超声波的作 用下显著提高，提高了原油采收率并且含水率也降低了；邵长金、沈本善和严炽培【1 5 1 等在对超声波的热效应如何影响渗透率进行了实验室研究，研究证明在低温条件下超声 的热效应比较明显，不能单纯的只看振动效应而忽略了热效应，但是当温度较高时，其 热效应的影响逐渐变弱，这时超声的机械振动作用和空化效应起主导作用；张建国、路 斌f 1 6 1 等研究了流体动力式声波防蜡降粘技术，并通过实验研究证明了原油在流体动力式 声波防蜡降粘器的作用下其粘度能够大幅度降低，原油在井筒中的流动阻力大大减小， 延长了油井的结蜡周期及免修期，降低了抽油机的负荷，提高了原油产量；张建国【1 7 】 等研究了哈特曼声波发生器在出砂井解堵中的应用，设计了一套油层模拟器，模拟了解 堵的实验过程，研究结果表明，利用哈特曼声波发生器解堵后污染地层的渗透率恢复率 达到了3 3 6 9 2 ，应用于现场时大幅度提高了产液量和产油量；杨玲等【1 8 】采用“半渗隔 板法 和“自吸法”分别测振动前后岩样的毛管压力曲线及润湿性，用对比的方法研究 振动对地层中界面现象的影响，对振动法增产的机理进行进一步的探讨，通过对毛管压 力曲线及润湿性变化的分析得出在岩样固有频率附近振动对岩心的毛管压力曲线和润 湿性影响最大，岩心的绝对渗透率变大，有利于原油的增产和采收率的提高；席道瑛等 0 9 研究了砂岩的应力弛豫衰减随温度和频率的变化规律，结果表明降低温度和增加频率 是等效的，粘滞系数和频率对砂岩振动的衰减的影响起相同的作用，随着孔隙率的增大， 砂岩振动的衰减也增大。 1 3 研究内容 l 、设计并搭建测定声波对污染岩心渗透率影响规律的实验平台； 2 、通过实验测得声波的频率、声强、作用时问和岩心初始渗透率这几个参数对于 声波解堵效果的影响； 3 、绘制声波频率、声强、作用时间和岩心初始渗透率与污染岩心渗透率恢复率之 间的曲线图，通过分析优选出声波频率、声强和作用时间，并从理论上解释不同声学参 3 数的 其衰 1 4 定不同渗透率下不同频率声波的衰减规律，测定其声学参数，应用不同渗透率的岩心， 将不同频率的声波作用于其上，测定声波作用后其渗透率的变化，通过以上实验优选出 声波频率，之后再通过相同的方法优选出声强。 主要技术路线如图1 1 所示： l 研究各种解堵方法的特点及声波解堵的优点 上 i 测量相同作用时间下声波频率对于声波解堵效果的影响规律 上 l 优选出频率后，测量最佳频率下不同作用时间对于解堵效果的影响规律 上 l 优选出作用时间后，测量相同频率声波的声强对于解堵效果的影响规律 上 i 优选出声强后，测量不同功率的声波的在不同介质中的衰减规律 上 进一步完善室内实验 图i - i 技术路线 f i g l - is t u d yr o u t e 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章油层堵塞机理及声波解堵技术 2 1 渗透率伤害的机理 在油井的采液过程中，常常会有一些固体物将油井堵塞，降低了原油的渗透率， 阻碍的原油的流动，致使油井堵塞，原油产量受到影响。在油田开发中，油层伤害是 一个普遍面临的问题，因此研究分析各种油层伤害的机理和规律以及如何有效地防止 油层伤害对地下油气资源的开发是极其重要的。 k e e l a n 和k o e p f f 2 0 】通过岩心分析和评价，归纳出近井地带渗透率伤害的4 中主要 类型： ( 1 ) 钻井、完井、修井和提高采收率作业中带入的固体颗粒对孔隙及孔喉的封堵； ( 2 ) 生产和注水过程中粘土水化及膨胀、粘土颗粒的扩散及运移； ( 3 ) 各作业过程中外来流体侵入引起的近井地带含水饱和度增加和水锁； ( 4 ) 孔隙中疏松砂岩运移导致的油井产量下降。 常见的其他地层伤害还有：流体乳化、地层润湿性反转、地层结垢及有机物垢沉 积等。 2 2 声波的主要作用机制 超声波在解堵过程中的应用主要是利用它与物质的相互作用，称为功率超声。功 率超声，是指具有一定强度的声波，其声功率、声强都比较大，一般声强在0 3 w e m 2 以上，在媒质中传播时会产生非线性效应【2 1 1 。声波在媒质中传播时，伴随着能量的传 播和介质的吸收，在介质中会产生一系列的物理、化学效应，使被作用介质的状态或 物质结构发生显著变化，这些效应大致可归纳为以下三个： 2 2 1 声波的机械效应 线性小振幅声波在液体中传播时【2 2 1 ，液体质点受到声波的扰动后会在其平衡位置 附近做微小的振动，振幅约l a m 量级，液体质点没有宏观上的移动和迁移，但其振动 速度和加速度很大，例如，考虑声强为1 w c m 2 、频率为2 0 k h z 的声波在水中传播， 如果液体质点位移振幅为5 1 t m ，则质点要经受压力在正负1 7 a r m 之间以每秒2 万次的 5 第二章油层堵塞机理及声波解堵技术 重复频率做周期性变化，质点振动速度约为0 6 3 r n s ，而振动的加速度达到8 9 x l o m m ， 大约为重力加速度的9 0 0 0 倍。对于液体中的固体微粒、大分子团聚等，这样激烈而快 速变化的机械运动，使其与溶剂分子之间产生剧烈的摩擦，强大的剪切作用足以使固 体颗粒被粉碎，有机体和聚合物中的c c ，c = c ，c = o 键被打断，微生物体被撕裂等。 大振幅声波作用于液体介质时，由于有限振幅波的非线性作用，在液体中会产生 声流和声辐射压。声场中的物体受到一个时间平均不为零的辐射力的作用，会引起物 体的宏观迁移。同时，在液体中还会产生空化核微射流效应。 2 2 2 声波的热效应 声波在介质中传播，其振动能量不断被介质吸收转变为热能f 2 3 】，使得液体温度升 高，形成对液体的加热。在液固边界处还可以形成对固体的局部加热，总的来说，超 声加热效率比较低，不如机械、化学、空化效应明显。 当强度为i ( w e m 2 ) 的平面行波超声在声压吸收系数为a ( c m 以) 的媒质中传播单位 体积后产生的热量为 q = 2 a l t ( j c m 3 )( 2 - 1 ) 2 2 3 声波的空化效应 空化是液体介质中普遍存在的一种自然现象1 2 4 ，当声波或声波作用于液体介质 时，液体介质中某点会经历周期性的压缩、膨胀过程，当处于膨胀期时，如果此时声 压的幅值小于该点所在温度下的液体饱和蒸汽压，即出现负压，则原来溶解在液体中 的气体会以气泡形式析出并迅速长大，直径几个微米至数十微米不等；在随后到来的 压缩相中，这些气泡在正压的作用下快速闭合，气泡体积急剧减小直至崩溃，一般称 这种现象为声空化。声空化主要表现在下述两个方面。 ( 1 ) 气泡内部及气泡外部极小的空间区域内：气泡在闭合、崩溃之前，在气泡内 部会产生高温、高压、声致发光等现象，泡内的高温、高压会使气泡内的气体产生常 温下难以发生的物理、化学变化。 ( 2 ) 气泡外部：在气泡外部，由于气泡的剧烈塌缩、崩溃，会产生强烈的向外辐 射的激波，同时，气泡内部高压的释放、高温急剧降落，可以形成极大的压力、温度 梯度。这种冲击波作用于气泡周围的液体介质，会使液体的结构发生变化。单一气泡 6 1 。1 。1 。1 。1 。1 。1 。1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 产生的激波其作用距离是“近程的，介质的吸收等很快耗散掉，但在功率超声产生 的声场中，由于存在大量的空化气泡，整体累积作用相当明显。另外，在泡内形成的 自由基、过氧化氢等强氧化剂随着气泡的溃灭进入到气泡周围的液体中，对液体中的 有机物、聚合体产生氧化作用。并非所有不同半径的气泡都能进入明显的空化，只有 当气泡的共振频率接近于作用的声波频率时，声波与气泡间才出现最大的能量耦合， 方可发生有效的空化过程。 综上所述，可以认为在气泡内部以化学效应为主：气泡外部以力学、机械效应为 主。 2 3 声波解除油层堵塞的作用机理 许多文献提出了多种解释来阐述超声解堵的机理，但最后还是要归结为本文前面 所说的机械、空化和热效应。例如，井下套管附近是多种液、固界面，功率超声产生 的大振幅高频振动通过这些界面时，由于各部分的声阻抗不同、固有振动频率不同， 相邻界面会产生宏观相对运动，当达到一定强度时产生撕裂，使得堵塞物松动、剥落。 同时，空化产生的声流、激波，使得脱落的堵塞物进一步变为细小的颗粒被原油带走； 气泡崩溃时产生的局部高温、高压又会使原油及蜡垢发生裂解，导致原油粘度降低， 蜡垢在未凝结前成为颗粒悬浮在原油中。这样，被堵塞的油流通道得以疏通，提高了 原油的渗透率和产率。 查阅文献，声波解除油层堵塞的具体作用机理主要有以下几点【2 5 3 0 】： ( 1 ) 对油层加诸于声波进行解堵时，由于油水、垢及岩石的密度差，在声波振动 时各自产生了不同的振幅和加速度，当这种相对运动达到一定程度时会导致原油和岩 层脱离，并使盐垢颗粒从附着面上脱落。 ( 2 ) 对油层加诸于声波进行解堵时，向地层中辐射的大功率的声波使饱含残余油 的毛细管的直径产生周期性的胀缩，且当其处于膨胀状态时，其表面张力的减小使残 余油向井眼方向流动。 ( 3 ) 对油层加诸于声波进行解堵时，岩石受到声波周期性的振动作用，其应力也 随之产生时大时小的周期性变化，当声波持续作用后，大于其疲劳强度时岩层产生疲 劳裂缝，提高了地层渗透率。 7 第二章油层堵塞机理及声波解堵技术 ( 4 ) 对油层加诸于声波进行解堵时，声波可以改变粘滞流体的流变性。对于粘滞 性很高的原油，声波处理后可以降低其粘度已为实验所证实，这主要是因为声波的空 化作用产生强大的能量撕裂了原油物质中的分子键，使其粘度降低，流动性增强。 ( 5 ) 对油层加诸于声波进行解堵时，原油中原来溶解的许多碳氢气体在大功率声 场的作用下地层原油发生强烈的空化作用，产生更多的气泡，原油中的溶解气在空化 气泡产生的负压作用下产生逸散从而使气泡进一步膨胀，对油井液柱产生明显的举升 作用。 ( 6 ) 对油层加诸于声波进行解堵时，油流通道上的细菌和杂质受声场辐射随之作 往复性周期运动，不会稳定的聚集在一个地方，间接的提高了渗流能力。 ( 7 ) 采油和运输环节，随着温度、压力下降，原来溶解在地层水中的各种矿物盐 类将沉积在井底设备泵内及管线内，同时，原油中所含蜡质也会析出沉积在设备和管 线中产生结垢现象，结垢结蜡缩短了维修周期增加了检泵次数，对原油的生产造成很 大的影响，而声波用于防垢、防蜡效果较好，保护了井下设备，间接的提高了原油产 量。 2 4 声波衰减机理 声波在非理想媒质中传播时，会出现声波随着距离而逐渐衰减的物理现象，产生 了将声能转变为热能的耗散过程，这就称为媒质中的声衰减3 1 1 ，声波衰减主要有以下 三种主要类型：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减，而扩散衰减与媒质的性质无关，下 面只介绍吸收衰减和散射衰减。 2 4 1 吸收衰减 声吸收主要是由媒质的粘滞性、热传导及各种弛豫过程引起的。 流体具有粘滞性时【3 2 1 ，粘滞媒质中相邻质点的运动速度不同，声波振动时使其产 生相对运动从而产生内摩擦力，也称为粘滞力，引起声波能量耗散；对于非理想媒质， 存在热传导现象，声波在媒质中传播时引起媒质周期性的压缩和膨胀，相邻的压缩区 和膨胀区之间的温度梯度导致了一部分热量从温度高的部分流向温度较低的媒质中 区，发生了不可逆转的热传导，声能转化为热能；一个实际的系统，在受到扰动后总 是力求达到新的平衡态，这需要一定的时间，或者说，这个系统受到扰动后会松弛 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 即“弛豫”，系统到达它的极限值( 卜i e ) 所需的时间叫做弛豫时间。在声波的传播中， 因介质和环境不同，被扰动量是多种类的，因此有多种弛豫现象。导热性和粘滞性也 可以看作是两种弛豫现象。当出现任一种弛豫现象时，波动形式的能量会随传播而减 弱。与此同时，衰减的程度与频率有关，一般会在某个相应的特征频率出现峰值。 2 4 2 散射衰减 声波在一种媒质中传播时，碰到另外一种媒质组成的障碍物而向不同方向产生散 射，从而导致声波衰减的现象称为散射衰减。波长长的声波具有弱的散射效应，散射 衰减较弱，反之，波长短的声波具有强的散射效应【3 3 3 7 】，散射衰减较强。 实际上非均匀体的形状各式各样，作理论研究时，用有关的特性尺度( 如声波波 长、粘滞波长等) 来看它们时往往将它们抽象成规范形状( 如球、柱等) 。当声波的 波长远远大于抽象成半径为a 的小球的散射体的尺寸时，理论计算表明，这种刚性小 球存在于当流体当中时存其声强的散射系数为： ，c 吼= 等k 4 a 6 n o ( 2 2 )口。2 石。u 矽 j o 但是当应用单体散射理论处理实际问题时，如水中气泡幕、海洋沉积物以及其他 颗粒介质( 如矿砂) 中的声传播时，理论不能解释实验结果，这就提醒我们研究多体、 多次散射问题。当主体介质中存在许多个小粒子时，每个粒子都要产生散射波，若主 体介质的声吸收很小，如纯水的吸收系数是每千米不超过2 d b ，故在水中一个粒子的 散射波可以影响它周围很大一片的粒子。另一方面，即使粘滞波的衰减很大，但它对 它的边界层内粒子的牵引却很大。当单位体积中的粒子数足够大时，这种影响越来越 显著，彼此之间的相互作用必须要考虑。由于这种相互作用的结果，每个粒子所在处 除了原始的入射场之外，还有其他粒子产生的一次、二次、n 次散射场，从而 产生多体、多次散射场。 9 3 1 声波解堵参数优化实验设计 在声波解堵施工过程中，很多时候都是凭借经验进行施工参数的选择，带有一定 的盲目性，本课题在室内实验设备进一步完善的情况下，开展室内深入研究，对声波 频率、声强、作用时间和衰减规律等参数进行优化，摸清较大频率范围内不同声强的 声波在不同地层条件下的衰减规律和其对地层渗透率的影响，进行参数优化后使之效 果更好、应用范围更宽，为以后声波发生器的研制提供指导，从而更好的解决生产中 存在的实际问题。 实验所用的岩心的渗透率分为三个段，几十个m u m 2 ，几百个m l , t m 2 ，几千个m l u m 2 ， 岩心采用直径为2 5 c m 左右，长度为5 c m 左右的标准岩心，所用的污染方式为泥浆污染， 受实验设备的限制，声波进行解堵时其解堵环境为常温常压，设计实验计算声波作用 后的解堵效果，实验路线如下： ( 1 ) 测量岩心的长度、直径等参数，用真空泵进行抽真空饱和； ( 2 ) 水测岩心原始渗透率； ( 3 ) 用泥浆进行岩心污染； ( 4 ) 测量污染后岩心渗透率； ( 5 ) 设定波场参数，进行岩心解堵； ( 6 ) 首先进行频率优选； ( 7 ) 然后进行声强优选： ( 8 ) 最后进行作用时间的优选； ( 9 ) 整理实验数据，分析实验结果，得出结论： 实验装置连接如图3 1 和3 2 所示： 1 0 图3 1 岩心污染实验装置 ( 1 ：高压氮气瓶，2 ：中间容器，3 ：岩心夹持器，4 ：量筒，5 ：广口瓶， 6 ：手压泵，7 ：六通阀，8 ：压力表，9 ：烧杯) f i 9 3 - 1e x p e r i m e n td e v i c e f o r c o r ed a m a g e 图3 - 2 岩心解堵实验装置 ( 1 、1 1 ：烧杯，2 ：平流泵，3 、9 ：六通阀，4 、1 0 ：压力表， 5 ：岩心夹持器，6 ：量筒，7 ：广口瓶，8 ：手压泵) f i 9 3 - 2e x p e r i m e n td e v i c ef o rc o r ed a m a g er e m o v a l 6 第三章声波解堵参数优化实验 3 2 实验设备及主要技术参数 真空泵，游标卡尺，岩心夹持器，高压中间容器，氮气瓶，六通阀，平流泵，手 压泵，压力传感器，压力表，量筒，秒表，声波发生器，声强测量仪，岩心。 表3 _ l 声波设备主要参数 t a b3 - 1m a i np a r a m e t e r so fa c o u s t i ce q u i p m e n t 波段设备编号频率( k h z )功率( w ) l2 0 1 5 0 0 2 2 81 5 0 超声波段 36 81 5 0 41 3 51 5 0 可听声波波段 1 0 8 8 ，频率连续可调 1 0 0 0 表3 - 2 实验用岩心渗透率分段及污染类型 t a b3 - 2c o r ep e r m e a b i l i t ys u b s e c t i o na n dd a m a g et y p e 3 3 声波解堵参数优化实验效果评价指标 优选的参数一共有三个：频率、声强和作用时间，这三个参数是影响声波处理效 果最为显著的系统因素。频率决定声场特性，是声处理系统中影响最大的因素之一， 频率对声处理系统的影响极为复杂，不同的声处理过程各有其相应的最佳频率，在同 一频率下，超声功率增大，声强也就越大，其能量越高。 岩心污染效果用污染率s 来评价，声波解堵效果用两个参数来评价，岩心渗透率 直接恢复率尺j 和污染恢复率如，其计算方法如下： 设定岩心原始水测渗透率为杨，岩心污染后渗透率为局，声波解堵处理后岩心 渗透率为墨。 污染率s 的计算方法： s ：1 0 0 ( k o k 。) k o 岩心渗透率直接恢复率r j 的计算方法： 1 2 率时合适的流速范围，尽量降低流速对渗透率测量准确度的影响。 ( 1 ) 实验步骤 a 在三种不同渗透率范围的岩心中各挑选一块岩心并测量岩心直径及长度，分别 标号l 、2 、3 ； b 将岩心置于密闭容器中，用真空泵抽真空将其饱和水； c 将岩心置于岩心夹持器中，用手压泵加上围压； d 打开平流泵，流速调至5 m l m i n ，打开岩心夹持器进口端排气阀排气； e 待气排净后，关闭排气阀，将泵流速调至0 5 m l m i n ，进行驱替； f 待压力稳定后，将量筒置于岩心夹持器出口端测量流出液体体积，用秒表记录 时间； g 重复上述步骤，依次加大平流泵流速，记录实验数据； h 计算岩心渗透率。 ( 2 ) 实验结果 经过测量和计算，作出岩心渗透率随流速的变化曲线，如图3 3 3 5 所示： 由图3 3 3 5 可知，泵速较低时，即岩心中流体流速不高时，随流速的增大，岩 心渗透率比较平稳，没有大的变化，而当流速增大到一定程度时，岩心渗透率随之增 大或减小，不再保持稳定。这可能是因为流体流速增大时，岩心中的粘土微粒的附着 力小于流体流动时所产生的摩擦力导致粘土微粒随流体一起流动，对于渗透率最低的 l 号岩心来说，粘土微粒随水流流动时可能有一些随之流出，疏通了孔隙吼道，其初 始渗透率较低，受此影响比较明显，使岩心初始渗透率略有增大如图3 3 所示。如果 粘土微粒又在某些孔隙厚道聚集而没有随水流流出的话又会造成岩心渗透率下降，2 1 3 oo 51 5 2 2 53 流速( m l m i n ) 图3 - 31 号岩心渗透率随流量变化曲线 f i 9 3 - 3 c u r v eo fp e r m e a b i l i t yc h a n g i n gw i t hf l o wo fc o r en u m b e r1 o 7 0 6 o 5 昌 jo 4 糌nq 蜊仇。 瓣 o 2 0 1 o 051 0 流速( m l mi n ) 图3 - 42 号岩心渗透率随流量变化 2 02 5 f i 9 3 - 4c u r v eo fp e r m e a b i l i t yc h a n g i n gw i t hf l o wo fc o r en u m b e r 2 o51 01 52 02 5 流速( m 1 m i n ) 图3 53 号岩心渗透率随流量变化 f i 9 3 - 5c u r v eo fp e r m e a b i l i t yc h a n g i n gw i t hf l o wo fc o r en u m b e r3 3 5 声波解堵室内实验步骤 ( 1 ) 按一定的配比配置泥浆溶液：将二级膨润土配成浓度4 的土浆，并加入土用 量的2 的n a 2 c 0 3 ，熟化2 4 h 以上； ( 2 ) 测量实验用岩心的直径和长度等参数，并将其抽真空饱和水直到岩心中没有 气泡冒出； ( 3 ) 将饱和好的岩心置于岩心夹持器中，用手压泵加围压至4 m p a ，关闭围压系统 进水阀门，使围压保持稳定； ( 4 ) 将平流泵驱替系统容器中装满去离子水，打开平流泵，流速调至5 m l m i n ，打 开岩心夹持器进口端排气阀排气； ( 5 ) 待气排净后，关闭排气阀，调节泵流速，驱替初始渗透率为3 0 x 1 0 3 f l m 2 的岩 心时，平流泵流速设定为1 5 m l m i n ，驱替初始渗透率为6 0 0 1 0 3 , u m 2 的岩心时，平流 泵流速设定为7 5 m l m i n ，驱替初始渗透率为1 5 0 0 1 0 3 # m 2 的岩心时，平流泵流速设 定为1 0 m l m i n ； ( 6 ) 设定好流速后，打开平流泵进行水驱，待压力稳定后，记录压力、流量和时 间，测量三次，取平均值，最后计算得出岩心原始水测渗透率值杨； ( 7 ) 测量完岩心初始水测渗透率值局后，将熟化好的泥浆装入高压中间容器，之 1 5 门，调整压力至0 8 m p a ，将高压中间容器里的泥浆驱替至岩心，待岩心夹持器出口的 溶液由浊变清时，关闭高压中间容器出口阀门及氮气瓶出口阀门，静置4 0 分钟，让岩 心充分污染； ( 9 ) 污染好岩心后，连接好水驱系统管线，按步骤( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 测量污染后的岩心 渗透率值g p i ( 1 0 ) 将测量完的岩心取出，清洗岩心夹持器，防止残留泥浆堵塞管线和阀门； ( 1 1 ) 将污染后的岩心放入一定频率的声波处理器中进行声波处理，调整声波处理 器的参数，使其到达最大功率，处理时间为3 0 分钟； ( 1 2 ) 将声波处理好的岩心取出，重复步骤( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) n 量处理后的岩心渗透率 鼢，依照3 4 所述方法计算出岩心渗透率直接恢复率r j 和岩心渗透率污染恢复率飓； ( 1 3 ) 按照上述步骤，分别用不同频率的声波处理器处理污染岩心，测量处理后的 岩心渗透率，计算出岩心渗透率直接恢复率尺，和岩心渗透率污染恢复率r 2 ； ( 1 4 ) 按照上述步骤优选出频率参数后，进一步深入研究时间参数对于声波解堵效 果的影响。挑选不同渗透率段的岩心，在优选出来的声波频率下，分别作用不同的时 间然后测定出声波作用后岩心渗透率，作用时间初步设定为2 0 m i n ，3 0 m i n ，4 0 m i n ， 5 0 m i n ，6 0 m i n 。 3 6 声波解堵参数优化实验现象 应用不同频率的声波对岩心进行解堵，实验前后及过程中，观察到的实验现象如 下： ( 1 ) 污染前岩心 抽真空饱和水后的岩心表面光洁，无裂缝延伸，岩心两端面平整干净，无附着物 粘附在其表面。 ( 2 ) 污染后岩心 将其置于岩心污染装置用泥浆污染后，岩心近污染端端面附着有一层厚厚的泥浆 污染物，岩心体外表面也附着有泥浆污染物，且泥浆污染物从近污染端到远污染端由 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 多变少，岩心体表面颜色也从近污染端到远污染端由深变浅。 ( 3 ) 声波解堵后岩心 经过声波解堵后，岩心岩心表面污染物基本消失，表面颜色变浅，恢复到岩心原 来的颜色，且岩心近污染端面附着的泥浆污染物附着量明显减少。更为明显的现象是， 在用1 2 k h z 的声波处理渗透率在1 5 0 0 1 0 m 2 左右的岩心时，岩心出现了裂缝，且 岩心近声波端表面受声波冲蚀，表面凹凸不平，颗粒明显，明显出现了共振现象，大 大提高了岩心渗透率，如图3 d 3 9 所示： ( 4 ) 污染过程中岩心排出液 岩心污染过程中，打开气瓶利用高压将泥浆驱替入岩心过程中，岩心夹持器出口 端流出液体由浊变清，说明泥浆已经顶