（油气田开发工程专业论文）环腔式声波发生器参数优化及在油田的应用研究.pdf

o p t i m i z a t i o no fi m p r o v e dh a r t m a n nw a v eg e n e r a t o rp a r a m e t e r s a n df i e l da p p l i c a t i o nr e s e a r c h w ux i a o m i n g ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n g u o a b s t r a c t i m p r o v e d h a r t m a r mw a v eg e n e r a t o ri saw i d e l yu s e de q u i p m e n td u r i n gt h ep l u gr e m o v a l p e r f o r m a n c ei no i lf i e l d b u tt h e r ei sl i r l er e s e a r c ho nt h eg e n e r a t e dw a v ep r o p a g a t i o nd e p t h a n de s t i m a t i o nf o rt h ee f f e c to ft h ep e r f o r m a n c ea sa l s oa sr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r e p a r a m e n t e r sa n dt h eg e n e t a t e dw a v ep r o p e r t y s oi ti sn e c e s s a r yf o ru st od os o m er e s e a r c ho n t h ev a c a t i o no ft h i sf i e l d t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o nr e s e a r c ho ft h e o r ya n dl a be x p e r i m e n tw ed e d u c et h a tt h e a m p l i t u d ei ss t i l lh a l fo ft h eb e g i n n i n gv a l u ea tt h ep o i n tw h o s ed i s t a n c ei s lmf r o mt h e g e n e r a t o r t h ee x p e i m e n tr e s u l ta l s os h o wi t se f f e c t i v ed i s t a n c e i sf u r t h e rt h a n4 0 e mw h i c h p r o v i e st h ee v i d e n c ef o rp l u gr e m o v a lp e r f o r m a n c e w et a k em o r e a c c u r a t ee q u i p m e n tt ot e s t t h ew a v ep r o p e r t ya n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dd r a wt h ef o l l o w i n gc o n c u s i o n ： ( 1 ) f r e q u e n c yo fg e n e r a t e dw a v ei sb e t w e e n15 0 0 - 2 0 0 0 i - i za n dw a t e r - j e ts p e e di s t h e d o m i n a t i n gi n f l u e n c i n gf a c t o r ( 2 ) t h eb e s td i s t a n c eo fc a v i t yr e s o n a t o ri s 10 - 15 m ma n dt h eb e s tw a t e r - j e td i s t a n c ei s 1 0 1 7 m m ( 3 ) m i x e dg a sm a k et h ea v e r a g es o u n dp r e s s u r el o w e ra n d t h ei n s t a n e o u sp r e s s u r eh i g h e r a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c te v a l u a t i o nt os i g n a lc h e m i c a lo rp h y s i c sm e t h o da n dt h e c o m b i n a t i o no fb o t hs h o w e st h a td u et ot h ec o o p e r a t i o ne f f e c t ，t h ec o m b i n a t i o no fc h e m i c a l s o l v e n ta n dp h y s i c se q u i p m e n tb o a s t sab e t t e re f f e c t f i e l da p p l i c a t i o n sd e m o n s t r a t et h i sk i n d o fw a v eg e n e r a t o ri sa l le f f c t i v e ，e a s i l yo p e r a t e da n dp o t e n t i a lp l u gr e m o v a lt e c h n i c s k e y w o r d s ：p l u g ，r e m o v a l w i t ha c o u s t i cw a v e ，p o r o u sm e d i u m ，s t r u c t u r ef a c t o r s ， c o m b i n a t i o nm e t h o d 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 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：差立翻 日期：砷年月汐日 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：黑立盟 指导教师签名：玄毡皇 至1 日期：砷年f 月罗日 日期：) t 哆年厂月日 中国石油大学( 华东) 硕r 上学位论文 i 1 课题的来源 第一章前言 油f 日的正常生产过程中，地层会被各种来源的有机和无机物质堵塞，造成渗透率下 降【i 】。目前针对地层解堵的施工方法有化学法和物理法，但化学法解堵施工成本高，又 存在二次污染的问题。因此，针对孤岛油田油层埋深浅，生产过程中容易出砂，需要经 常进行解堵施工作业的特点，2 0 0 3 年石油大学与孤岛采油厂联合提出了声波助排解堵技 术，研制开发了流体动力式声波发生器并实施现场施工，达到了既能高效解堵又能将堵 塞物质有效地携带出井简的目的1 2 j 。研制开发的物理法采油设备有喷柱式流体声波发生 器、环腔式流体声波发生器、簧片式声波防蜡降粘器等【3 】。但由于当初实验条件简陋和 数据处理过于简单化，存在实验过程中所测的发声器结构参数组合变化少、所取数据点 过于随机、波段范围窄而且受周围因素影响大的缺陷；同时也没有从理论机理上研究分 析发声器的发声机理和结构参数的变化对幅频的影响机理。对声波在地层中的传播距 离、发声器对无机堵塞和有机堵塞的解堵效果以及复合解堵方法的解堵效果、混气对声 波幅频的影响缺乏实验测定和研究。为此，本课题以8 6 3 项目“声波防蜡降粘解堵增产 技术研究”为平台，从理论进行研究完善以弥补上述不足；同时，借助室内实验确定环 腔式声波发生器的结构参数和上述其他影响因素对声波幅频的影响关系，进一步完善声 波采油理论，为发声器的结构设计和现场施工提供理论依据，提高地层解堵的效果。 1 2 研究的目的和意义 环腔式流体声波发生器的结构参数和工作参数一喷嘴直径、喷距、腔深、变频器工 作频率以及混气量的多少影响着产生声波的振幅和频率，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：高频声波能量集中、衰减快、传播距离近、 解堵效果彻底、解堵深度小；低频声波能量比较分散、衰减慢、传播距离远、解堵效果 差、解堵深度大。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，我们需要确定发声器结构参数对幅频的影响、适合 解堵类型的辅助用剂、不同旅工工况下的解堵深度以及混气等因素对解堵效果的影响来 指导现场施工、提高施工效果。本课题着重研究环腔式声波发生器的结构参数和工作参 l 第一章前言 数对声波幅频的影响、测定解堵深度、优选解堵施工工艺并从理论上完善声波发生机理 和各种参数对幅频的影响机理，完善声波采油理论，指导发声器结构参数设计和现场施 工。 1 3 国内外研究现状 人们很早就认识到振动、声波等物理场对油藏的增产效果。国外对物理法采油的研 究起步比较早，而国内在8 0 年代后物理法采油的研究才真正有所进展。9 0 年代，形成 了研究推广物理法采油技术的热潮，但是近几年物理法采油技术的进展情况有所变缓， 主要原因是在于其研究和推广没有形成系统化【4 】。 1 3 1 国外研究现状 美国早在上世纪5 0 年代就开始了声波采油技术的研究，1 9 5 4 年就有关于地震对套 压影响的记录，同年，b o d i n e 博士申请了“提高采油量的声波系统”的专利。6 0 年代， 进行了提高岩芯渗透率的声波方法实验。此后，美国塔尔萨大学布兰登博士连续申请了 2 0 多项声波采油的专利。1 9 6 9 年，对俄克拉荷马州华盛顿县的一口低产井进行了声波 处理，取得明显效果。进入9 0 年代后，掀起了物理法采油研究的热潮。1 9 9 9 年，p e t e r m r o b e , s 和a r v i n ds h a r m a 发表了低频声波提高多孔介质中原油采收率一文，并在 实验室内进行了声波提高围压作用下岩芯渗透率的实验，效果明显。2 0 0 2 年，b a k k e r 和t o mw 发表了空化作用对井筒的解堵作用文，利用流体混气产生空化对井筒 周围的地层进行处理，地层渗透率明显提高，油井的产液量也明显提高。2 0 0 3 年1 0 月， w o n gs a u w 撕和v a nd e rb a s 发表了高频声波处理一一种明显的油井增产措施一文， 用高频声波对油井实施解堵施工，效果显著。俄罗斯在声波采油技术方面的研究与应用 一直处于世界领先的地位。2 0 世纪5 0 代就进行了各类声波采油机理的研究与探讨，着 力于研究大功率的声波发生设备。6 0 年代后陆续用水力脉冲、声波、超声波等物理法处 理低渗、低产井多1 2 1 ，效果显著、有效期长【5 1 。 1 3 2 国内研究现状 我国在2 0 世纪5 0 - - - , 6 0 年代开始了声波采油领域的研究，但发展缓慢，直到2 0 世 纪8 0 一- 9 0 年代随着科技的发展才又形成了研究的高潮。1 9 8 1 年，华北油田在高凝高含 蜡的南马庄油e f l 马2 井进行了声波降阻的冷输抽油试验，随后他们做了声波增产试验， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在声波作用下产液量明显提高，井底压力明显上升f 6 l 。同年2 月，又开始声波采油试验， 经声波处理的油井增产效果明显。为了进一步研究声波采油方法，他们还做了超声降粘， 防蜡的室内实验，取得了较明显的效果。此外，胜利、大庆也进行了物理法采油的先导 性试验，主要研究振动、声波超声波、水力脉冲等物理场的增产增油效果。 中国石油大学在物理法采油技术研究方面也做了大量的工作。1 9 8 0 年，沈本善、严 炽培等人就丌展了超声波采油机理方面的室内研究，主要研究了超声波对多孔介质渗透 率、渗流速度及对流体性质的影响等方面的内容。9 0 年代初期，中国石油大学周晓君等 人成功研制了水力振荡解堵器，并于9 0 年代在全国十余个油田推广应用，取得显著效 果。之后，张建国、孙仁远等人进一步开展了流体动力式声波降粘、防蜡、防垢、增注、 解堵等方面的机理研究和室内实验研究【7 叫。 1 4 课题的研究内容、拟解决的问题 1 4 1 研究内容 建立描述声波在多孔介质中的传播规律方程，计算传播深度；研究混气对产生声波 幅频特性的影响。通过室内实验研究环腔式流体声波发生器喷嘴直径、喷距、谐振腔深、 入射流体速度、混气量等因素与产生声波的频率和幅值之间的关系；实验研究针对不同 类型堵塞物质的解除方法，并通过实验测定解堵方法的效果和声波的解堵深度，用以指 导发声器结构设计和现场施工参数设计。 1 4 2 拟解决的问题 ( 1 ) 推导声波在地层中传播的波动方程，求数值解；并通过室内填砂管实验测定不同 频率声波的解堵深度，与理论结果进行对照，进一步修正波动方程。 ( 2 ) 通过室内实验得出不同结构参数组合与声波的频率和振幅关系，绘制声波频率、 振幅与结构参数之间的图版，并从理论上解释参数变化对曲线变化的影响。 ( 3 ) 对不同的堵塞类型，优选不同的解堵方法，进行室内解堵实验，测定解堵效果， 优选出合适的解堵施工方式。 3 第章前占 1 5 研究方法与技术思路 1 5 i 研究方法 ( 1 ) 理论研究，以射流理论和声基础理论为基础，研究发声器的发声机理和参数变化 对声波特性的影响机理，建立声波在地层的传播规律方程，计算传播深度。 ( 2 ) 室内实验，通过室内实验对发声器的参数进行优化，研究结构参数对幅频的影响， 优选最佳的参数组合：并通过实验测定解堵深度和不同解堵方法的解堵效果。 1 5 2 技术思路 图1 - 1 研究技术路线图 f i 9 1 - 1t e c h n o l o g yp a t h w a y 4 中国石油大学( 华东) 硕j 二学位论文 1 6 课题的改进之处 本课题的改进之处： ( 1 ) 从射流理论和声基础理论出发，分析研究发声器的发声机理和结构参数对幅频的 影响机理； ( 2 ) 建立考虑粘滞和流固耦合效应的声波在多孔介质的传播方程： ( 3 ) 实验测定结构参数、工作参数、掺气量等因素对幅频的影响； ( 4 ) 实验测定解堵深度、评价解堵效果、优选解堵方式。 5 第一二章地层堵塞与声波应用 第二章地层堵塞与声波应用 钻井、完井、正常生产、注水及作业等过程中，由于工作液流体与地层流体的不 配伍、地层内温度变化、饱和流体成分的变化导致地层内有机及无机堵塞物质的生成， 导致渗透率下降，影响油田的正常生产【1 0 l 。目前解除地层堵塞的方法主要有物理法和化 学法，而环腔式声波发生器作为一种广泛应用的物理法解堵设备融合了声波与常规混气 水排液的优点，现场应用效果显著。但对于声波在地层中的传播规律，我们仍需要进一 步的研究来确定声波在地层多孔介质中的传播深度。此外，由于现场施工过程中都要对 射流介质掺气，但掺气后对声波振幅与频率的规律尚不是很明确，我们需要通过进一步 的理论与实验研究来确定掺气后声波幅频的变化规律。 2 1 地层堵塞 2 1 1 地层内部因素 当细小微粒在孔隙中低速渗流时，由于范德华力会吸附在孔道壁上，减小了渗流的 通道面积；由于流速低，颗粒会在孔道中发生沉积，大大降低了地层的渗透率。同时， 细小的颗粒会在喉道处聚结形成桥堵，对地层渗透率的影响很大【i l 】。颗粒在孔道内运移 和喉道处聚结的同时，基液也会渗漏进入多孔介质，而基液中的固相颗粒在多孔介质表 面形成一层厚实的“泥饼”，大大降低了渗透率，如钻井泥饼。同时，对颗粒堵塞的研 究表明：细小微粒在多孔介质中运移时会粘附到孔道壁上，这种吸附对地层的渗透率影 响不是很大，而且随着周期注水压力的变化或者注水措施的调整，这种伤害容易清除； 但当细小微粒形成桥堵堵塞喉道时，对渗透率的影响很大，而且这种堵塞不容易清除， 当微粒大小是孔隙喉道的l 躬l 7 或更大时，会形成桥堵【1 21 3 1 。 ( 1 ) 粘土膨胀造成油层的堵塞【1 4 1 5 】 油层中往往都不同程度地含有粘土矿物，粘土矿物遇水会发生膨胀，特别是含有蒙 脱石、伊利石或者是伊蒙混层的地层，遇到与地层不配伍的注入流体时粘土矿物便会分 散、膨胀，导致岩层强度降低，地层出砂，从而降低地层的渗透率。 ( 2 ) 有机堵塞 引起地层伤害最常见的有机物是原油中析出的蜡质、沥青质f 1 6 1 3 1 。石蜡是当温度降 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 低或由于压力降低气体被释放而使原油的组成发生变化时从原油中析出的长链烃。沥青 是高分子量的芳香烃和环烷烃，当原油的组成发生变化时，沥青质会在晶核上吸附，并 且慢慢结晶析出，产生引起地层伤害的大颗粒。原油中不同程度地含有蜡质、沥青质及 胶质，在原始油藏条件下，它们在原油中处于相对稳定的溶解状态，随着油田的开发、 油藏压力降低，溶解气从原油中分离出来，造成原油粘度增加和对蜡的溶解能力降低， 从而产生析蜡、结蜡现象，水的不断注入及油藏温度的变化更加剧了此现象的发生0 9 1 。 2 1 2 地层外部因素 除了内部因素之外，外部因素，比如各种作业过程中工作液中的固相颗粒、管线的 腐蚀以及注入水中的杂质、微生物等同样会造成地层孔隙和喉道的堵塞，降低近井地带 的渗透率【2 0 1 。 ( 1 ) 沉淀 油田回注污水中含有种类多、量大的矿物离子，这些离子与地层水中的矿物离子接 触时可能会发生化学反应生成沉淀，导致地层堵塞；回注污水中的离子也可能与地层离 子发生交换产生沉淀，酸化过程中随着酸化液p h 值的降低，进一步产生潜在的二次沉 淀，粘附在孔道壁或者卡在喉道处形成堵塞，降低渗透率。 ( 2 ) 流体的伤害 地层伤害也可能是由于流体自身性质的变化而非岩石渗透率的降低引起的。流体自 身引起的伤害原因可能是油相视粘度的变化、相对渗透率的变化等等。此种类型的伤害 一般是暂时的，随着生产开发的进行，有的会自动解除。 ( 3 ) 贾敏效应产生的“气阻现象 原油在原始地层条件下都含有一定量的溶解气，随着油田生产开发的进行，地层压 力降低，原油中的溶解气慢慢分离出来，就会产生油气水多相渗流。当气液两相流体在 井筒附近分离出的气量较少时，对提高采收率是有利的，但当气液分离过早产生且气泡 在油层中随油流一同运移时，则会产生贾敏效应和叠加的贾敏效应，增大流动阻力，大 大减小了液相渗流能力。当气泡增大到一定尺寸时，将会产生“气阻 现象，造成油井 产液量急剧下降。 ( 4 ) 生物伤害 有些井，尤其是注水井，容易受到细菌引起的伤害。水中的铁细菌、硫酸还原菌等 对注水管道腐蚀损害，导致注入水中含有大量的铁屑和微粒，随注入水进入地层造成渗 7 第二章地层堵塞与声波应用 透率的降低；同时，随注入水进入地层的厌氧菌，在地层中可能生长、繁殖，并产生大 量的代谢产物，这些细菌、代谢物及其与有机物的作用所形成的沉淀同样会会堵塞孔隙。 2 2 声波解堵 地层的堵塞造成渗透率降低，压力消耗增大，影响油水井的日常生产。因此，要对 堵塞地层进行解堵作业来恢复地层渗透率，保持油田的正常生产。不同的解堵方式有不 同的适应类型，目前在油田应用比较广泛的解堵方式有化学解堵和物理法解堵( 主要是 声波、超声波解堵和压力脉冲解堵1 1 2 。 本文介绍的环腔式声波发生器属于物理法解堵设备，环腔式流体声波法发生器利用 声波、超声波或配以适量的化学剂对堵塞地层的无机颗粒或有机物进行作业，使其在交 替力的作用下脱离孔道表面，解除对孔隙和喉道的堵塞，达到疏通渗流通道、提高地层 渗透率的目的。 声波作用于地层会产生多种作用效应，达到很好的解除有机及无机堵塞的目的： ( 1 ) 声波作用于油层，储层流体及岩层随声波一起振动，由于油、水及岩石密度不同， 所以各自产生的振动加速度和振幅也不相同，致使两种相态物质产生相对运动，到了一 定程度就会有撕裂的趋势，从而使原油与岩层的亲和力减弱，使原油脱离岩层。 ( 2 ) 声波作用于油层，油层中含残余油的毛细管在声波的机械振动作用下直径会发生 时大时小的变化。当毛细管半径变大时表面张力减小，残余油在重力和声波振动的作用 下就会冲出毛细管流向井简。 ( 3 ) 声波作用于油层，其脉冲压缩波使油层岩石的应力发生时大时小的变化。在声波 压缩时应力压强可达上千个大气压。一张一弛，瞬间岩层承受着几万次甚至更高的冲击 振动，当超过其疲劳强度时，就可以使岩层产生疲劳裂缝，从而改善油层泄油剖面。 ( 4 ) 声波作用于油层时，由于声波的特殊性质，无论是在强声场下还是在弱声场下都 会使流体介质向声源方向流动，提高了地层的泄油能力【2 2 1 。 ( 5 ) 声波作用于原油可以使原油的粘度降低。这是因为在声场中，原油分子结构在剧 烈振荡的作用下进行周期性的排列组合，尤其是空化作用可以使原油物质的分子键断 裂，使其分子量减小，从而降低了原油的粘度。经实验证明，在强声场下( 1 0 1 0 0 k n 曲n 2 ) ， 频率为2 0 k h z 时，粘度可下降3 0 左右；当声强大于1 0 0k l l l m 2 时，被声场作用的原油 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 可达到强烈的空化状态，原油粘度大幅度下降，并且不再逆转。 ( 6 ) 声波作用于油井可以防蜡，清蜡。由于声波的高频振荡及空化作用，使石蜡在未 凝结之前就成为极细的微粒悬浮于原油流体内，并可使长链烃分子断链，从而降低了其 固化温度。另外井筒内流体及管柱在声场中会发生强烈的声波振荡，使界面产生一定的 摩擦热，可使井壁的结蜡变软和熔化，其软化界面的厚度随着声波作用的时间而增厚， 使蜡不易附着在井壁。再者，超声波的空化作用使原油析出许多气体，按螺旋方向沿着 管壁向前推进，形成一个气套层，同样阻碍了蜡在管壁聚结。 ( 7 ) 原油在地层饱和压力下溶解了大量气体，在大功率声场的作用下，原油会发生强 烈的空化效应，其中会产生许多气泡。空化时产生的负压，将会使原油中的溶解气逸散 出来，并穿过界面进入气泡内，从而使气泡迅速胀大。声场中析出的气泡脉动式地穿过 岩层孔隙，从而疏通了出油通道，对液柱产生了一定的举升作用，为油井诱喷提供了条 件。 ( 8 ) 声波也可以用于防垢解堵。由于超声波具有极强的穿透能力，作用于垢层微粒， 使盐垢每个质点产生很大的加速度。由于物质不同，其弹性模量也不同，其声阻抗、振 动速度及加速度也不同，从而使界面上产生强烈的剪切力，使垢层变为微粒状而从附着 介质上脱落。 ( 9 ) 声波作用于注水系统可以改善吸水剖面，提高地层的渗流能力，抑制地层中细菌 的生长及聚集。声波作用于油层，可使油流通道内的细菌及机械杂质与受声场辐射的地 层流体一块作往复性周期运动，且愈近声源愈强烈，使细菌及杂质不会稳定聚集在油流 通道内，问接地提高了油井的生产能力。 ( 1 0 ) 声波作用于油层，强烈的空化作用使局部瞬时形成高温高压，从而使物质的分 子键断链，加速化学反应，使注入的化学剂得到充分的利用。 ( 1 1 ) 声波方法可与注水、注气结合，提高岩石的导热速度，使热渗流距离增加，地 层导热系数成倍增长，从而强化了热采效果。 0 2 ) 水淹油l 王l 中，遗留在地层中的残余油都是以分散的油滴和透镜状油体的形式存 在。因此，注水对此类油田的开发效果不明显，但在强声场的作用下，其分离速度会大 大提高，开采效果明显改善【2 3 】。 综上所述，声波一超声波几乎可以应用于采油技术的各个方面，是一种很有潜力采 9 第一二章地层堵塞与声波应用 油新方法。 2 3 流管法地层模型中声波的传播 流体声波发生器在稳定的工作状态下产生稳定的正弦波对地层进行作用，波在地层 多孔介质中传播，并在阻尼作用下衰减。声波的传播深度决定着发声器的解堵深度，决 定着仪器的解堵效果。目前关于这方面的理论计算文献中很少有论述，主要是通过填砂 管测定发声器的解堵深度。下面考虑流固耦合作用对声波的衰减，计算声波在地层多孔 介质中的传播深度【2 4 】。 我们把实际的地层简化为流管模型，把地层中的真实孔隙体积v n 看作是n 根半径 为r 的毛细管的体积。取出其中的一根作为研究对象。 图2 - 1 毛细管岩石模型 n 9 2 - 1c a p i l l a r ym o d e lf o rr e s e r v o i rr o c k 为了简化问题的计算，我们做以下假设： ( 1 ) 介质的初始压强p 。和初始密度p 。都是常数； ( 2 ) 声波传播时，介质被压缩和舒张的过程看成是绝热过程t ( 3 ) 假设在介质中传播的是小振幅声波，因此各声学参量都是一阶微量，即p p 。： u c o ；p p 。其中p 代表声压，u 为流体在声场中的振动速度，c o 是声波在 流体中的传播速度，p 是声场作用后流体密度的变化量。 ( 4 ) 推导中只考虑一维情况下声波在地层的传播。 1 声波的连续性方程 如图2 1 所示，选择一微元体进行研究，其体积为s a x ，在体积元左侧x 处速度 l o 中国石油人学( 华东) 硕二 ：学位论文 和密度值分别为u 、和p 。；在右端x + x 处，其值分别为u ，+ 厶x 和p 。+ 叙。在t 时间内由 于流入流出微元体的流体质量变化导致微元体中流体密度的变化，根据质量守恒定律 得： ( ) ，s 一( ) x + a x s = 岛+ ，s p , s ( p u l 。 r d 1 1 。+ 。 ( 2 - 1 ) 图2 - 2 微元体结构示意图 f i 9 2 - 2 s t r u c t u r eo fb a s i cc e l l 化简( 2 一1 ) 式并考虑声波是小振幅声波最终得声波在毛细管中传播的连续性方程： 一岛罢= 等( 2 - 2 ) 一岛_ = 三 0 xo t 2 声波的运动方程 在声场中取单元体，如图2 2 所示。其体积为s a x 。作用在单元体左侧的力为： e = ( p o + p ) s 作用在单元体右侧面上的力为： e = ( p o + p + 咖) s 由于p 是位移x 函数，故d p ：窘d x ；3 8 - 7 q 面，在声场作用下，管中流体和管壁 d x 发生振动，由于流体和岩石的密度不同，因而各自产生的振动加速度和振动幅度也不相 同，致使两种物质界面产生相对运动，又因为实际流体具有粘性，流体与孔道壁间必存 在着摩擦力f 1 。由于液体中与内摩擦和导热性有关的振动能量的消耗同流体与孔道壁摩 擦造成的消耗相比很小，故将其忽略。 第二二章地层堵塞与声波应用 f p n + p 一i 一一f 3 p p + p f f i 9 2 - 3 p r e s s u r eo fb a s i cc e l l 由牛顿内摩擦定律知圆管管壁处的切应力f o 应为： f o = r 卸2 l 式中：r 一圆管半径； p 一圆管两端的压差。 根据水头损失计算公式可以导出： 望：鱼监 三2 d 将上式带入t 。的表达式中： 铲尝警嘶扣 对于多孔介质中的流体流动： 兄= 芒摆 式中 u 。一渗流速度，m s ： q 一地层孔隙度； k 一地层渗透率，l i m 2 ； l j 一地层的运动粘度，s t ； 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 流体与管道壁问的摩擦力f 3 等于管壁切应力t o 与管子侧面积的乘积，因此： e = “缸桕= 风詈扣u ；缸 再根据牛顿第二定律得： 鼻一e e = m 詈 把f l 、f 2 、f 3 的表达式带入上式化简后得声波的运动方程： 一塞一风口u 2 = 风詈 式中口= 三8 0 ，。为水力半径，m 。 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 3 声波的状态方程 近似把声波的作用过程认为是绝热过程，因此，压强p 仅是密度p 的函数，即 p ：p ( p ) ，声波扰动引起的压强和密度的微小增量则满足勿= ( 妥) ，咖，下标s 表示绝 口p 热过程。 并且令( 竺) 。用c 2 表示，即 d d d p = c j d p ( 2 - 5 ) 考虑到小振幅声波，上式中压强的微分即为声压p ，密度的微分即为密度增量， 并且用平衡状态的声速代替c ，可得小振幅声波在油层传播的状态方程： p = 口 ( 2 - 6 ) 4 声波在地层传播的一维波动方程 对于在地层传播的小振幅声波，略去二阶以上的微量，介质的3 个基本方程简化为 线性方程得： 1 3 第二章地层堵塞与声波应用 风警= 一塞一风口叼风瓦一言一风剥； 抛劬 一风_ o x = t o _ t p = c ； 由这组方程消去p 、p ，则得到在油层中传播的一维小振幅声波的波动方程： 口萨0 2 u + 2 c a u 矿a 何u = 窘 ( 2 - 7 ) f u ( x ，) = u ( x ，f + r - p 、l o u ( x , t ) o u ( x , t + t p ) t 丁= 下 式中t p 为振动周期。 i 甜( o ，f ) ：甜( f ) 式中：u ( t ) 孔隙入口处流体振动速度随时间的变化规律。 设受声场作用的振速可以用u ( x ，) = u ( x 弦刖的形式表示，并将其带入方程( 2 - 7 ) ，则 口警+ 2 c o u p , 口i d u ( x ) = 。( 2 - 8 ) x x ：- - 。o , ，v v = = u 。0 由方程( 2 8 ) 和边界条件解出u ( x ) 带ku ( x ，t ) 表达式得声波在多孔介质中的波动方 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 程： u ( x ，f ) = u ( x 弦朋= a e 。+ 朋+ b p 如n 州 ( 2 9 ) 在推导波动方程的过程中，我们没有考虑反射波，故b = o 。因此，波动方程化简为： 上。m 盟：堕：，) u ( x ，t ) = a e c o e “ c o ( 2 1 0 ) 带入边界条件得a = u o ，因此可得考虑流固耦合效应的一维波动方程： 孥但( w t 型匕) 一o c h ，- 二_ 二一j u ( x ，r ) = u o e “e c o ( 2 - 1 1 ) 再由振速和声压的关系可得： 一u q , 颤脚一避，) p ( x ，r ) = 风c o u o e c o e c o ( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 是波动方程的复数表示法，实际上沿x 方向传播的波： p ( 刈) ：r e 蜗砜p 。觏删一孕“】 ：。p 一! c ! ! o a xcos(wt-!wj巫2-u；a2p cu，)2-13 =oo o p _ - 一石) 8 计算结果分析 贴力铂等甜脚咖以c o s 孚x ) + s i n ( w t ) s i n ( 孚枷 因此，计算声波在地层的传播深度，就要计算上式的值。假设声源产生的波形为 u = u oc o s w t ，我们只需确定声波在极值时，即c o s w t = 1 时在地层的传播特性。 因此，声波在地层的衰减特性可通过下式体现： p ( x r ) ：p o c u o 等篮仲s 孽x ) ( 2 - 1 4 )，f ) =o eq 仲s 旦_ l x ) ( 2 - ) 对于( 2 1 4 ) 式中的参数，我们取平均的地层参数进行计算，取d 。：9 5 0 k g m 3 ， 1 5 第- 二章地层堵塞与声波应用 c o = 1 5 7 0 m s ，u 。= 0 1 4 7 m s ，p = 0 2 6 ，k = 6 4 1 a 2 ，“= l m p a s ，九= 0 7 5 1 ， r = 1 2 4 “2 ，q = 1 5 1 4 3 9 ，因此： p ( z ，f ) = 岛c o 砜e m l 4 hc o s ( o 6 2 1 x ) 计算( 2 1 5 ) 式可以看出声波在地层的衰减： 0 00 40 81 21 o2 02 4 距离x l 图2 - 4 声波在地层的衰减随距离的变化关系 f i 9 2 - 4 a c o u s t i cw a v ee n e r g yd e c l i n et r e n di nr e s e v o i rr o c k ( 2 - 1 5 ) 声波在地层传播的过程中很多因素，比如流体粘度、地层孔隙度和渗透率、渗流速 一一q s 孕、w 2 - u 2 a 2 。 2 4 混气对射流的影响 从撞击流产生压力波动和声的理论来说，连续介质中掺进气体之后，由于密度的减 小和气体压缩性大，将导致撞击区和壁面射流区的压力幅度产生变化口5 1 。 2 4 1 掺气对时均压力的影响 动水压强可表示为： p = 三2 若将瞬时值表示为均值与脉动值之和，则有： ( 2 1 6 ) 几一p w + p t w 9 p m 邓肘垡w ? ( 2 - 1 7 ) 【p 。= p 。+ ，p 册= ( 1 一c ) p 。，v = v + v 1 6 仉仉仉仉玑仉仉玑仉 o d 4 中国油大学( 华东) 硕士学位论文 其中，下表w 表示水，m 表示水气混合体。 对于不掺气情形，动水压强为： 对于上式，取时均后得： p 。= 圭矶矿2 = j i 石。( 矿) 2 p 。：ip p 。( 矿2 + 两p w2w ( + y “) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 水气混合体的动水压强为： p 。= 互1 成y 2 = 圭( 万。+ 艄( 歹2 抄) 2 ( 2 - 2 0 ) 对上式取时均得： ；。= 万。( 矿2 + 尹) 2 ：( 1 - 一c ) 一p 。( 矿2 + 万) 2( 2 2 1 ) ( 2 2 0 ) 式减去( 2 一l8 ) 式，得： 一p 。一万，= 石万。( 矿2 + 歹万) 2 即p 。 p 。，由此可构造出如图2 5 所示的物理现象。图中纵坐标p 为瞬时动水 压力，横坐标t 表示时间，f 。为水的时均压强、f 。为水气混合体的时均压强，f 。为气 的时均压强，b 。和b 。分别为水和水气混合体的摆幅。图2 5 列出两种典型位相的水团 和气团交替作用的波形图。由我们的分析知，无论位相差取何值，水气混合体的摆幅均 大于水的摆幅。显然，射流掺气后所产生的压力脉动明显强于单纯的连续介质水。此外 从图中还可以看出p 。 v 2 0 ，而且射流流体的流量是影响产生声波振幅的最主要的因素。这是由于射 流流体流量大，射流速度高，流体所具有的能量足，因此在撞击面上产生大的压力脉动。 从图中我们还很容易看出：在高频( 5 0 8 z 和3 5 h z ) 范围内，同一变频器频率下的射 流，所产生的声波振幅v i 7 5 v 1 5 0 v i 2 5 v 1 o o ，这是由于在喷嘴直径大的情况下，相同 的变频器频率下经过喷嘴时的压力损失小，流过的流量大，单位时间内通过的射流流体 体积大，速度快，所具有的动能足，因此两股流体相撞会产生大振幅的声波。而在相对 低频，即f = 2 0 h z 时，所产生声波的振幅规律却是相反的，即在喷嘴直径d m 戤= 1 7 5 r a m 2 5 叭引引孙斟引。 ；、霉蟮 第三章环腔式流体声波发生器结构参数优化 时，产生的声波振幅最小。这主要是由于在喷嘴直径大，变频器频率小时，喷射流体的 流速低，射流“湮没”现象严重，使得两股流体在撞击时不再具有很大的能量，因