（油气田开发工程专业论文）声波混气水助排技术研究.pdf

t h es t u d yo fb r o k e n d o w nt e c h n i q u eb ya c o u s t i cw a v e a s s i s t a n tg a s s yw a t e rd r a i n a g e z h u j i - d o n g ( o i l & g a s f 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 e s s o rz i - i a n gj i a n - g u o a b s t r a c t t h es t u d yo f b r o k e n - d o w nt e c h n i q u e b ya c o u s t i cw a v e a s s i s t a n tg a s s y w a t e rd r a i n a g ei so n eo fp h y s i c a lr e c o v e r ym e t h o d s t h er e s e a r c hb a s e so n a c o u s t i ca n dc a v i t a t i o nt h e o r y t h r o u g hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dd o c u m e n t r e t r i e v a l ，w ed e s i g n e dh y d r o d y n a m i c a la c o u s t i cg e n e r a t o r t h eh i g h - a m p l i t u d e v i b r a t i o nw a v e sc a u s e db ya c o u s t i cg e n e r a t o ra f f e c tp r o b l e m a t i cf o r m a t i o n , b r e a k i n gd o w np l u g g e df o r m a t i o n ；d r e d g i n gl i q u i df l o wc h a n n e l ；i m p r o v i n g p e r c o l a t i n ge n v i r o n m e n t ；i n c r e a s i n g o i l p r o d u c t i v i t y i no p e r a t i n g ，a i r c o m p r e s s o rc o o p e r a t i n gw i t hc e m e n tt r u c k s ，a d d sg a si n t os t r e a m i n gf l o w i n c r e a s i n gc a v i t a t i o ne f f e c t f u r t h e r , f o rg a s w a t e rf l u xd e n s i t yi sl o w e rt h a n w a t e r , i n c r e a s i n gd i f f e r e n t i a lp r e s s u r eo f b o t t o mh o l e ，s t e m m i n go ff o r m a t i o n i sp r o n et od i s c h a r g e df r o mf o r m a t i o n t h et e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dm o r e t h a n2 4 0w e l l si ns h e n g l i ，l i a o - h ea n dd a - g a n go i lf i e l d t h es t a t i s t i c sd a t a s h o wt h e t e c h n i q u ei n c r e a s i n g - f l u i di s6 1 o f a e r a t e dw a t e rt e c h n i q u e k e yw o r d s ：a c o u s t i cg e n e r a t o r ，c a v i t a t i o n ，b r e a k - d o w n 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油 大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同恚 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：知z 年i - 月弓，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： j 傍6 年丁月弓。日 j 盎遣! 叠e ) 。6 年5月名日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 第1 章前言 1 1 问题的提出 孤岛油田已经投入开发近三十年，目前仍是胜利油田的主力产油区之 一。因孤岛油田油藏埋深浅，成岩作用弱，地层胶结差等原因导致油井出 砂严重，为油井生产带来许多困难。尤其是泥质含量较高，地层砂粒较细 的部分层段，防砂措施难以见效，极易产生微细颗粒堵塞油层现象，其结 果导致油并供液不足，生产周期交短，甚至造成停产。根据多年的现场经 验和射孔技术应用效果分析，表明孤岛油田油水井污染半径在l 米左右。 在正常生产作业时，过去一般采用混气水排液的方法来缓解这一矛盾，但 其效果都不是很理想。其主要问题在于，要想提高处理效果就应增大混气 量，然而受地面设备的制约( 主要是高压风机性能制约) 不容易做到。虽 然可以单纯应用气举达到此目的，但为安全起见应采用氮气或二氧化碳气 体，由此增加的成本太高。因此，如何有效对这类地层实施解堵、恢复油 水井正常生产成为长期以来困扰孤岛油田正常生产的突出问题之一 我们经过大量的文献调研及室内实验工作，认为将物理解堵方法与混气 水排液工艺结合起来可作为提高油水井处理效果的有效途径之一在目前 常用的物理解堵方法中，高能气体爆炸、人工地震与电液压脉冲技术都不 是应用连续流体作介质，所以是不可能实现与混气水排液工艺相结合。水 力振荡和高压水射流都是用连续水流作动力，可以实现与混气水排液工艺 相结合，但因受喷嘴结构及尺寸的制约，当将连续水流换为混气水流时则 会急剧增加嘴损而产生不利影响。因此，要更好的实现物理解堵技术与混 气水排工艺相结合只能依靠声波解堵技术。声波混气水助排就是这样一种 技术，它将物理法的声波解堵技术与混气水排液工艺有机结合起来，实现 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 了既能达到高效解堵又能有效地将堵塞物质携带出井简的目的，解决了多 年来困扰该油田生产的实际问题实践证明其效果非常显著，正是由于该 技术的成功应用，使n 9 1 + 2 这样的原来难以正常开发的簿、差层系也可以 投入正常生产。为近几年采油厂的稳产作出了贡献。 1 2 声波采油国内外研究现状 7 0 年代，前苏联、美国在超声波采油技术应用研究与试验方面进行了 大量的工作，取得了可喜的成绩。前苏联从6 0 年代首先在巴什基里亚油 气田进行了水力脉冲波振动试验，处理油井数百1 3 ，累计增油4 6 5 1 0 4 t ， 累计增注2 7 0 x1 0 4 m 3 ，有效期1 3 1 5 个月，获得经济效益4 5 6 万卢布。1 9 7 4 年，在美国德克萨斯州的敖德萨油田进行了2 1 口井的现场试验，2 l 口井 总产量由处理前的7 7 0 b b l ，d 增加到1 0 9 8 b b l d ，净增加3 2 8 b b l ，d ，有效率 为8 0 。 国内开展声波采油技术的研究始于8 0 年代，近几年开始应用于现场。 大庆油田于1 9 9 4 年从俄罗斯引进两台小直径超声波作用仪，先后在萨南 油田和朝阳沟油田共进行了1 4 口井的超声波采油试验。萨南油田试验9 口井，6 口井有效，有效率为6 7 ，初期平均单井日增油1 1 9 4 t ；朝阳沟油 田试验5 口井，5 口井全部有效，有效率达1 0 0 ，初期平均单井日增油 3 1 3 8 t ，平均有效期3 2 天。自1 9 8 9 年以来，玉门油田共施工1 7 0 多口井， 有效率为8 7 ，累计增油近万吨。胜利油田在c 2 0 2 0 1 8 稠油井使用井下 声波发生器并结合蒸汽注入，一个循环结束后原油产量比邻近的4 个只 注入蒸汽而未使用井下声波发生器的稠油井的产量提高了5 7 ，增加原油 产量3 0 0 余吨，并且改善了下次该油井注入蒸汽的地层条件。 石油大学( 华东) 课题组前期曾做过声波振动解堵技术探索性研究， 取得了一定的进展和成果。然而，将声波振动解堵技术与助排工艺结合起 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 来达到更好的解堵和助排效果，前人没有做过系统的研究，还是一个新的 提法。 1 3 论文研究的主要内容 本课题包括室内实验研究与现场试验两个阶段。室内研究内容主要包 括 ( 1 ) 油水井堵塞机理研究： ( 2 ) 疏松砂岩地层堵塞模拟及物理解堵方法实验： ( 3 ) 流体动力式声波发生器的研制及室内实验。通过实验掌握发声 器的频率特性、结构尺寸( 谐振腔深、喷距、喷腔直径) 对发声器工作性能 的影响，以及谐振频率、流压、声压等工作参数之间的关系，并最终优选 出适用于不同井况的发声器型号。 ( 4 ) 适应与助排工艺相配套的声波解堵器的改进； ( 5 ) 声波解堵与助排协同作用机理及分析； ( 6 ) 声波助排工艺设计及控制。 最后，通过现场试验来检验不同参数的声波解堵器对于不同类型地层 堵塞物的处理效果并完善其工艺配套措施，从而根据施工井的具体条件来 选择适当参数的声波发生器及相应的配套措施，以期获得最佳的油层处理 效果。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 2 1 油井堵塞机理分析 油田开发过程中，外来流体如钻井、完井、修井、压裂、酸化等的工 作液以及注入水等进入油层往往会引起油层中的水敏性矿物膨胀或由于 外来流体与油层水不配伍而产生沉淀，使油层渗流通道减小；外来流体中 的固相颗粒更加重了孔隙的堵塞。当采液强度过高或注水强度过大时，油 层中流体流速会超过l l 盎界流速，使油层中微粒运移而堵塞油流的孔道。另 外，细菌的入侵和繁殖、表面张力的改变和乳化液滴的形成、相渗透率的 变化以及原油中蜡和沥青的析出均会造成地层孔隙受到不同程度的堵塞， 其结果必然导致渗流阻力增大、油井产能减小，注水井注入能力下降。研 究油层的堵塞机理有利于保护油气层和选用正确的解堵方法解除油层堵 塞，实现增产增注的目的。 2 1 1 引起油层伤害堵塞的一般原因分析 ( 1 ) 颗粒对孔隙空间的堵塞 孔隙介质是由不规则的矿物颗粒组成的具有孔隙的复杂集合体。而孔 隙空间是提供流体的传输通道，它的形成和分布也是不规则的。这一复杂 结构可以理想化为较大孔腔与连通孔腔的狭窄喉道的集合。介质的渗透率 主要受孔隙喉道的数目及导流能力的控制。 当微粒通过孔隙介质运动时，常会沉积下来，如果这种沉积发生在孔 隙喉道中，则会使渗透率大大降低。被输送到孔隙介质表面的大颗粒会在 孔隙表面上形成桥堵，并在孔隙介质外面形成泥饼。钻井中井壁上形成的 泥浆饼就是表面桥堵和滤饼形成的一个例子。这种泥饼会极大地降低孑l 隙 介质传输流体的能力，但比较容易清除或绕过它们。小的微粒通过孔隙介 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 质时可能会粘附到孔腔的表面，这对渗透率的伤害并不大。小的微粒也可 能会桥堵在孔隙喉道处堵塞孔隙。当粒予大小是孔隙喉道的l ，3 到1 7 或 更大时，常会发生桥堵。因此，在确定微粒运移是否会对地层造成伤害时， 微粒和孔隙喉道的相对尺寸是一个重要因素。 造成颗粒堵塞的微粒可能来自外部，也可能来自孔隙介质自身。由于 水的化学组成的变化或运动流体所施加的剪切力的机械携带作用，都会使 孔隙介质中的微粒发生运移。 粘士膨胀造成油层的堵塞 油层中往往含有不同程度的粘土矿物，粘土矿物遇水会发生膨胀。在 地层条件下，粘土矿物与地层流体处于相对平衡状态，但当与外来的矿化 度较低的流体接触时，粘土便会膨胀、分散，其直接导致岩层强度降低， 使之易于出砂，间接结果造成油层渗透率降低。钻井液、完井液、修井液、 洗井液以及增产措施中的酸液和压裂液等，其矿化度均小于地层水矿化 度，若不添加防膨剂，当进入油层后会使油井附近油层粘土膨胀，进而经 过运移、分散而堵塞油层。对注水井，则由于注入水矿化度小于油层水矿 化度，也会引起油层中粘土膨胀而堵塞油层。 外来颗粒进入油层造成堵塞 为达到不同密度的要求，钻井液、完井液和修井液中都含有不同程度 的固相颗粒，井眼周围的油层孔隙很容易被这些外来的颗粒堵塞。试验表 明，对低渗油层，颗粒浸入深度为1 2 厘米，对高渗透地层浸入深度可 达l 米以上。 油田注水时，往往由于水质不合格或注入管线的腐蚀，进入油层的注 入水中会含有大量的固相颗粒，这些颗粒随水流向油层深部推进，当水流 速度降低而堵塞孔隙喉道，减小渗流通道断面积，从而造成油层堵塞。 ( 2 ) 化学沉淀 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 当盐水或原油中的固体沉淀于地层中时，会引起严重的地层伤害。所 形成的沉淀可能是来自盐水中的无机化合物，也可能是来自油中的有机 质。不管那种沉淀，都可能是由于井筒附近压力或温度的变化，或者是由 于注入流体引起相组成的变化引起的。 引起地层伤害的无机沉淀通常是诸如钙、钡等二价阳离子与碳酸根或 硫酸根离子的结合。 如： c a 2 + + c d 3 。一c a c d 3 ( 沉淀) f e 2 + + 3 0 h 一一f e ( o h ) 3 ( 沉淀) 尼2 + + s 2 一一f e s ( 沉淀) 在酸化时会有f e ( o l o ，、4 ，( 凹x 等胶状物二次沉淀生成，若反排不 彻底也会造成二次沉淀堵塞；压裂时还会有压裂液残渣滞留于地层，这些 沉淀的生成，均会堵塞渗流通道。 引起地层伤害最常见的有机物是石蜡和沥青。石蜡是当温度降低或由 于压力降低气体被释放而使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，被认为是一胶体状分散在原油中的化 合物。这种胶状物被原油中的树脂所稳定；当移走树脂时，沥青就会絮凝， 产生足以引起地层伤害的大颗粒。降低原油中的树脂浓度的化学变化，会 导致沥青在地层中的沉淀。原油中不同程度地含有蜡和沥青质及胶质，在 原始条件下，它们在原油中处于相对溶解稳定状态。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，使原油对蜡 的溶解能力降低。从而产生析蜡、结蜡现象。水的不断注入以及油藏温度 的变化更加剧了这种现象的发生。一旦蜡在油层中析出，就会较严重地堵 塞渗流孔道，尤其是高含蜡、高含沥青质及胶质的油田就更为严重。 ( 3 ) 流体的伤害 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 地层伤害可能是由于流体自身的变化而非岩石渗透率的变化引起的。 流体引起的伤害可能是油相视粘度的变化，也可能是相对渗透率的变化。 这些类型的伤害可认为是暂时的，因为流体是可流动的，而且从理论上讲， 都可从近井底地带排除，但有时难以实现。 活性剂和修井工作液的使用，造成岩石及流体表面性能发生改变，可 在油层中形成油包水或水包油型乳状液，这些乳状液在乳化剂、微粒及粘 土颗粒存在时能稳定存在。当比孔喉尺寸大的乳化液滴存在时，就会堵塞 喉道，造成液堵，乳化液滴的存在会增加液体粘度，降低原油的流动能力。 油层中乳化液滴的存在会减小油相饱和度而降低油相渗透率。井筒周围地 层岩石中形成的油包水乳状液会引起伤害，因为乳状液的视粘度比油的视 粘度高几个数量级此外，乳状液通常是非牛顿流体，要使它流动起来需 要足够的力来克服其屈服应力。 由于井筒周围含水饱和度的增加，使油的渗透率降低，也能引起地层 的伤害，这种效应叫水堵，当水基流体进入地层时都可能发生这种现象。 最后，某些化学药品会改变地层的润湿性，从而完全改变了地层的相 对渗透率特征。如果井筒周围的水湿地层被变为油湿的，则近井底地带的 油相相对渗透率会被大大地降低。 ( 4 ) 由贾敏效应而产生的气阻现象 原油中含有一定量的溶解气时，若溶解气在地层中分离出来，就会产 生油气两相渗流。当气液两相流体在井筒附近分离出的气量较少时，对提 高采收率开发油藏是有利的，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，增大流动阻力，对驱油是不利的。在 气泡增大到一定尺寸时，将会产生气阻现象，严重时则会造成油井产液量 急剧下降。油井修井时造成的产量下降现象除工艺本身原因外多数与液阻 和气阻现象有关。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 ( 5 ) 机械伤害 近井底地带的地层可能会因物理破碎或压实作用而受到伤害。射孑l 使 孔眼附近岩石发生破碎和压实是不可避免的，从而导致像图2 一l 所示的 伤害区。基于对砂岩岩心的室内试验，k r u e g e r ( 1 9 8 6 ) 报导了孔眼周围伤害 带的厚度为1 ，4 一l 2 加，其渗透率为未伤害渗透率的7 到2 0 。由于孔 眼的聚流效应，孔眼周围的这一小小伤害层，也会严重地损伤孔眼的生产 能力。例如，据l e e 等人( 1 9 9 1 ) 证实，若破碎区的渗透率为原始渗透率的 1 0 ，则射孔的表皮系数约为1 5 。 井筒周围的机械伤害，也可能是由于井筒周围松软地层的坍塌引起的。 这种伤害可能发生在易破碎地层或由于近井底地带的酸化而使地层变弱 的井中。 l 蠢 掣 足 璺 退十铀控投比伪 图2 1 孔眼周围伤害区示意图 ( 6 ) 生物伤害 有些井，尤其是注水井，容易受到细茵引起的伤害。注入到地层中的 细菌、尤其是厌氧菌，在地层中可能生长、繁殖很快，并产生代谢产物， 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 这些细菌、代谢物或其与有机物的作用所形成的沉淀会堵塞孔隙。细菌所 引起的渗透率降低可能很大，因此，目前正在研究把细菌注入油层以降低 其渗透率的一种强化采油方法。用杀菌剂处理注入水是防止生物伤害的最 好办法。 2 1 2 油水井生产期间的地层伤害源 ( 1 ) 钻井伤害 最常见的地层伤害源是钻井过程。钻井的伤害是由于钻井液中的颗粒 及侵入地层的滤液，钻井液中的颗粒引起的伤害很可能是比较严重的。 钻井泥浆颗粒在井筒周围地层中的沉积会严重地降低该区域的渗透 率。幸运的是，颗粒侵入的深度一般比较小，其范围从不足li n 到最大lf t 左右。为使这种伤害减到最小，泥浆颗粒应大于孔隙直径a b r a m s ( 1 9 7 7 ) 认为，5 ( 体积) 的泥浆颗粒的直径超过平均孔隙直径的l 3 即可防止颗粒 的侵入由丁侵入深度很小，通过穿透伤害区的射孔或酸化即可克服钻井 泥浆颗粒的伤害。 钻井泥浆滤液侵入地层的深度比钻井泥浆颗粒的侵入深度要大通常 的侵入深度的1 “f t ( h a s s e n ，1 9 8 0 ) 。当滤液进入地层时，在地层面上会 形成泥浆滤饼，从而降低了滤液的浸人速度。但钻井液的剪切力也能把滤 饼冲蚀掉。动态滤失速度说明了滤饼形成和冲蚀问的平衡关系： u f = + 3 6 0 0 b y( 2 - - 1 ) 吖t 式中u ，一滤失速度，c m h ； c 一滤饼的动态滤失系数，e r a 3 ( c m 2 万) ； f 侵入时间，h ； b 一与滤饼机械稳定性有关的常数，c m 3 几m 2 ； 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 y 一壁面处的剪切速率，h - 1 ； 钻井滤液可能通过微粒运移、沉淀或水堵伤害地层。通过改变钻井液 的离子组成使其与地层配伍，可把微粒运移和沉淀所造成的伤害减到最 低。若水堵问题严重，则应避免使用水基泥浆。 ( 2 ) 完井伤害 完井作业时对地层的伤害可能是完井液侵入地层、注水泥、射孔或增 产措施引起的。由于完井液的主要目的是维持井筒内的压力高于地层压力 ( 过平衡) ，因此会把完井液部分挤入地层。如果完井液中含有固体成分或 化学上与地层不配伍的物质，则可能会产生类似于钻井泥浆所引起的伤 害。因此，为防止把固体注入地层，很好地过滤完井液尤为重要。建议完 井液中小于2 9 t m 的固体颗粒的浓度不要超过2 m g l 。 进入地层的水泥滤液，是另一潜在的伤害液。由于水泥滤液常常含有 高浓度的钙离子，所以可能会产生沉淀伤害。 射孔必然会导致孔眼附近地层的破碎，通过负压f 即井筒内的压力低于 地层压力) 射孔可使这种伤害减到最小。 尽管增产措施液是用来增加油水井的生产能力的，但也会因它的固体 浸入地层或生成沉淀而引起地层的伤害 ( 3 ) 生产伤害 生产期间的地层伤害可能是因地层中的微粒运移或沉淀引起的。井筒 附近流体在孔隙介质中的高速流动有时足以使微粒运动起来，从而可能堵 塞孔隙喉道。许多研究己表明存在一个i 临界速度，超过这个速度，就会发 生颗粒运移引起的地层伤害。遗憾的是，临界速度与特定岩石及流体的性 质关系非常复杂，所以临界速度很难确定。有时又由于实际生产的需要， 又很难控制在临界流速以下进行生产。 当油井产水时，微粒可能在生产井附近发生运动，当微粒的润湿相为 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 可流动相时，微粒发生运动的可能性最大。由于大多数地层微粒是水湿的， 可流动水相的存在会使微粒运移并导致地层伤害。 由于井筒附近的压力降，不管盐水中的无机固体还是原油中有机固体， 都可能沉淀出来。这些地层伤害源常用一些特殊措施来克服( 如用酸来解除 碳酸盐沉淀或用溶剂除蜡) 或用封固剂进行化学封固措施来预防。 ( 4 ) 注入伤害 注入的固体颗粒、由于注入水与地层水的不配伍性所产生的沉淀或细 菌的生长，会导致注入井的地层伤害。如果注入水没有经过很好的过滤， 注入固体总是一种危险物。 当注入水与地层水混合，导致一种或多种化学物质出现过饱和时，都 会发生固体沉淀的伤害。最常见的这类问题就是把含有较高浓度的舰2 - 、 c o , 2 - 的水注入到含有二价阳离子( 如c a “、 及“、b a 2 + ) 的地层中。 因为当注入具有不同离子组成的水时，由于与地层的粘土发生阳离子交 换，会使释放出的二价阳离子进入溶液，即使看上去与地层水配伍的注入 水，地层中也会发生沉淀。换言之，即使地层水样与注入水样混合时不会 产生沉淀，也不足以保证在地层中不发生沉淀必须考虑诸如阳离子交换 这种动力过程。 注入水中可能含有细菌，正像其它固体颗粒一样，它们也会堵塞地层。 注入的细茵在井筒附近也可能繁殖生长，这会引起严重的地层伤害。 2 2 孤岛油田的油藏特性及地层特点 2 2 1 馆。单元概况 ( 1 ) 基本概况 孤岛油田馆l + 2 油层为河流相废弃河道和漫滩沉积，砂体呈条带状、土 豆状零星分布。含油面积3 7 2 k i n 2 ，地质储量2 7 3 0 x1 0 4 t ，平均有效厚度 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油水井堵塞机理及孤岛地层特点 4 6 m 。馆l + 2 油层埋藏较浅，深度在1 1 3 0 一1 2 5 0 米之间，岩性为浅棕色、 黑褐色的粉砂岩和粉细砂岩，粒度较细，粒度中值为0 1 6 0 0 6 m m 之间， 平均为o 1 1 7 m m ，连通孔隙度为3 5 1 ，平均空气渗透率为1 6 7 3x1 0 。3 u l t l 2 ， 泥质含量为1 l ，胶结疏松( 见表2 - 1 ) 。 表2 - 1 馆1 + 2 单元油层特征参数 项目数据 项目 数据 含油面积( i ( 1 1 1 2 ) 3 7 2 空气渗透率( 1 0 - 3 u m 2 ) 1 6 7 3 地质储量( 1 0 4 t ) 2 7 3 0含油饱和度( )5 5 8 平均有效厚度( m ) 4 6 渗透率级差 4 粒度中值( m m ) o 1 1 7原油粘度( m p a s )1 1 2 1 泥质含量( ) 1 1原油密度 最时才能出现负压。负压超过流 体强度时才能形成空化，因此空化阈只可由下式表示： = 只一只+ 去 ( 4 3 ) 式中p 一为空化阈压力，p a ： 只一为静水压力，p a ： 尸一为蒸汽压，p a ； 矿一为水的表面张力，d y n c m ； r 一为空化核的初始半径，1 3 1 ； 可见，空化阂值随不同流体而不同，对于同种流体，不同的温度、 压力、空化核半径及含气量，空化闳值也不同。流体含气量越少，空化阈 越高，例如在1 0 k h z 以下，自来水的空化阈是o 5 a t m 左右，除气后空化 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章声波的基本特征及作用机理 阈升到1 5 a t m 左右。空化阈随流体的静压力增加而增加。此外空化阈还与 流体的粘度有关，液体粘度大，空化阈也高，空化阈和粘滞系数的关系大 致可用经验公式表示： 只= 0 8 ( 1 9 叩+ 5 ) 式中只为空化阈，p a ； 玎为粘滞系数，m p a s ； 空化阈和声波频率也有密切的关系，频率越高空化阈也越高，在 1 0 0 k h z 到1 0 0 0 k h z 之间空化阈值增加很快，到5 m h z 时几乎超过1 0 0 a r m 。 ( 3 ) 空化泡破裂时的压力 空化泡破裂时能产生巨大的压力，称为冲蚀力。根据气泡动力学，如 图1 所示，先假定在无界均质 不可压液体中有一球形气泡， 内部压力为咒，p a ；无穷远处 液体压力为p 。，p a ；若气泡 从静止开始崩溃，初始半径为 r 。，m 。下面研究与分析崩溃 时间及液体中的压力分布，假 定只一只是常值。 假设条件： 一一十一一 茵乒l溉泡示意目i 一 球漱。- o ，寺= 昙一o ， 其中 、匕为气泡运动速度，l s ； 无粘； 重力忽略不计。 利用个口j j 盘条仟，征坏坐杯p 刚列出连绥住万栏及运动方程为： f 掣；o ( 4 - 4 ) i跏 悟+ 啡等= 一丢詈删 ， 由式( 4 4 ) 得：q = 号孕设气泡表面运动规律为r ，则r = r ， d r = 百d r 刊，故q = 字删等= 专扣印将式( 4 删，从，至m 积分，得! r 导d t 似2 f ) 一i 1 ( r 厂2 r ) 2 = 一丢( 最一d ，故压力分布规律为： p = 局+ 穆i 磊d ( 嘲一言( 争2 】( 4 - 6 ) 现在问题是确定月( f ) ，为此，注意到，= r , p = 只，则由式( 4 6 ) 得： 去鲁c 栅一c 争：= 学棚： 艘+ 扣：华( 4 - 7 ) z口 式( 4 7 ) 可变形为： 三丢( 删) = 学咖 ( 4 _ 8 ) 式( 4 - 8 ) 可从物理角度上得到解释，即在气泡外任取一球面，作用在气 泡及该球面的压力功率为：只r 4 积2 一p u ，4 n r 2 = ( 只一p ) 4 ：r r 2 r ，此功率 等于球壳间流体动能变化律，鲁f 争2 。材2 咖= 詈4 石鲁( 等笋一墨等i 二) 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章声波的基本特征及作用机理 考虑到球壳为无穷远情形，- - o o ，由式( 4 8 ) 得，r 3 r “= 2 _ t 5 - e or 3 + c 。 j口 利用初始条件，f ：o ，r ：o ，r ：r ，得到c ：一= 2 g - p o ，则： j口 足= 一1 f l j 2 _ p o - _ l p b 叼r o 3 一l 】( r ) 只) ( 4 9 ) 进一步可得： r 一吾青岛皂南 当r = 。时，f = o - 9 1 4 8 蜀、瓦导百可用r 函数表出) 式“- 1 0 ) 与 实验观测非常符合( 如图4 - 2 所示) ，证明上述假设是可信的。 压力了p - & = 警墨+ j 1r 2 芒一m i lr 2 叠一习r 4 r rrrr ( 脚oo上 。 己 ! e r = 4 4 ；r 处有极限值只一昂= 4 ( 晶一只) 夸3 1 】。当r 一。时， 3 处有极限值只一昂= 43 ( 晶一只) e ) 3 一】。当一。时， 由式( 4 ) 得知，足一一，因此在气泡崩溃的 最后阶段，泡内液体向四面八方高速撞击 ( 类似金属相碰) ，产生极高压力压力本 身以及反射的压力波对所作用物体表面有 很强的破坏作用，这就是空化的气蚀的流 体力学原理。有关研究表明，由计算确定 图4 - 2 空化泡的形成与发展 的球形空泡溃灭时，在边壁上造成的压力可高达1 2 0 0 m p a 。可见，如此高 的动压力作用于地层，会使岩层松动或产生裂缝，达到改善其连通性，提 高渗透率的目的。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章声波的基本特征及作用机理 ( 4 ) 影响声空化的物理因素 声空化现象涉及到诸如液体、气泡、声场及环境等多方面条件因素。 因此，反映这些条件的许多有关物理参数都会影响到空化过程。 液体若干物理参数的影响 i 粘滞系数 为了在液体中形成空穴，要求在声控膨胀相中产生的负压值能足以克 服液体内部引力( 包括环境压力) ，因此，粘滞性大的液体中空化较难发生。 i i 蒸汽压 液体的蒸汽压力越高，空化强度越弱。 i i i 温度 温度升高将使液体的表面张力系数及粘滞系数下降，使空化易于发 生；但是由于温度升高，蒸汽压将增大，从而会使空化强度减弱。因此， 在声化学处理中，为得至较大的空化强度，通常力求在较低温度下进行， 而且选用蒸汽压较低的液体。 i v 液体中的含气 液体中气体含量的增加将导致超声空化阈值声压下降及空化泡崩溃 时形成的冲击波强度减弱。阈值下降是由于液体中空化核( 亦即液体中的 结构弱点处) 增多，而空化强度的减弱则是由于空化泡内气体含量大，使 “缓冲”效应增大的缘故。 此外还应指出，使用溶解度大的气体也会降低空化阂值( 通过在液体 中提供较多的空化核) 及空化强度。事实上，在气体溶解度与空化强度之 间存在着确定的相关性，气体溶解度越高，进入空化泡内的气体量也越多， 其“缓冲”作用则越大，空化泡崩溃时释放出的冲击波强度也就越弱。 v 气体的热传导比值 气体的热传导比值越大，空化强度越强。因此使用单原子气体比使用 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章声波的基本特征及作用机理 双原子气体要好。此外，导热系数对空化作用也有影响。气体的导热系数 越大，在空化过程将会削弱空化泡内的热量积累，从而导致空化强度下降。 声场参数的影响 i 声波频率 大量实验研究表明，随着频率升高，声空化过程变得难以发生。这 种现象可作如下定性解释：频率增高，声波膨胀相的时间相应变短( 例如 f = 2 0 k h z ， 其膨胀相时间为2 5 p s ；而f = 2 0 m h z 时，其膨胀相时间只有 2 5 脚) ；空化核来不及增长到可产生效应的空化泡。或者即便空化泡可 以形成，但由于压缩相时间变短，空化泡来不及收缩发生崩溃。因此， 频率增高将使空化效应变弱。当然，为了在较高超声频率下产生空化， 可以提高声强，即超声空化的阂值声强将随频率而升高。此外，高频超 声在液体中的能量消耗快。因此，为获得同样的化学效应，对于高频超声 则需付出较大的能量消耗。例如，为了在水中获得空穴，使用4 0 0 k h z 超声需要消耗的功率要比使用1 0 k h z 超声高出1 0 倍。 i i 声强 一般来说，声强在空化阈值以上，提高声强会使声化学效应增加，但 提高声强有一定的界限。超过了这个界限，空化泡在声波的膨胀相内可能 增长过大，以致它在声波的压缩相内来不及发生崩溃，从而使声化学效应 趋于饱和甚至会下降。此外，声强增大，声空化增强，遂使声散射衰减增 大；同时，声强增大，非线性振动引起的附加声空衰减亦随之增大，这都 不利于声化学效应的提高。 i i i 声辐照时间 有人曾用高频( 8 2 0 i ( l z ) 和低频( 2 8 i ( h z ) 超声波，采取不同的声化学检 测方法来研究声化学效应与声辐照时间的关系。发现在一定的时间范围 ( 如1 0 m i n ) 内，声化学效应与辐照时间大体上成正比增长。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章声波的基本特征及作用机理 i v 声波波形 研究表明，在进行声化学反应时，利用混响声场要比行波声场有效得 多，即在同样的超声能量输入条件下，声化学效应增强。当使用脉冲超声 波时，为使稳定的混响声场得以建立，应使脉冲宽度达到足够的宽。 v 环境压力的影响 当增大外部环境压力，势必导致声空化的闶值增高和空化强度加剧。 也就是说，作用在空化核的环境压力增大，那么为抵消它而诱发空化泡起 动的负声压值必然亦随之增大，即空化阈值增高。此外，环境压力增大， 使空化泡崩溃瞬间所能达到最大温度与压力值增高，即空化强度增大 4 2 3 热作用 超声波在传播介质内部的吸收、在不同介质的分界处的摩擦及空化作 用在气泡崩裂时释放大量的热量，这三种方式是热作用能量的主要来源。 上述三种作用不是孤立的，而是互相交织在一起并存的，不同振源及 频率，三种作用的比例也不同。 4 3 声波对油层的作用效果 声波与物质结合会产生各种作用，适于对油层进行无损害处理，在油 气开采中可以发挥意想不到的作用： ( 1 ) 声波作用于油层，储层流体及岩层随声波一起振动( 压缩脉冲 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；而水与油的界 面在声波的作用下，会形成油包水或者水包油的乳状液，能顺利地流入井 筒内。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章声波的基本特征及作用机理 ( 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其表面张力减小， 使毛细管中的残余油失去毛管力和重力的平衡，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筒。 ( 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，每秒时间 内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，这就是声波压裂的原理。 ( 4 ) 声波作用于油层，由于其穿透性极强，能轻而易举地进入电磁波 无法进入的油、水层。地层流体也会随着声波作快速的往复振动。从而可 以疏通油流通道，提高地层的渗透率。 ( 5 ) 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，所以就提高了地层的泄油 能力。 ( 6 ) 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，尤其是其空化作 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 w m 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 w m 2 时，被声场作用的原油可达到强烈的 空化状态，原油粘度大幅度下降，并且不再逆转。 ( 7 ) 声波作用于油井可以防蜡，清蜡。由于声波的高频振荡及其空化 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 长链烃分子发声断链，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 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章声波的基本特征及作用机理 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，从而也阻碍了蜡在管壁聚结。 ( 8 ) 原油在地层饱和压力下溶解了许多碳氢气体，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的穿过岩层孔隙，从而疏通了出 油通道，也对液柱产生了一定的举升作用，为油井诱喷提供了条件。 ( 9 ) 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，可 以穿入垢层微粒中，使盐垢每个质点都能得到巨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，使堤层变为微粒状而从附着介质上脱落。 ( 1 0 ) 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上，间接地提高了油井的 生产能力。 ( 1 1 ) 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地利用。 ( 1 2 ) 声波方法可与注水、注气结合，可以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。 ( 1 3 ) 水淹油田中，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是无效的。而简单地用关 闭油田的办法进行油水问自然重力分离需要几十年，乃至上百年的时问， 但在强声场的作用下，其分离速度会成几百倍的增加。所以用超声场可开 发水淹油田。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章声波的基本特征及作用机理 ( 1 4 ) 声波作用于并筒及井下设备，可防止设备上结垢、结蜡、这样就 保护了井下设备，延长其免修期及减少检泵次数，也会起到一定的增产作 用。 综上所述，声波一超声波几乎可以应用于采油技术中的各个方面，是 一种很有潜力的方法。 堂国石油大学( 华东) 硕士论文 第5 章声波解堵器的研制与设计 第5 章声波解堵器的研制与设计 5 1 声波发生器的简单介绍 5 i 1 概述 按照声的产生方式，可以把目前常用的发声技术与设备分成两大类， 即机械式换能器( 也称流体动力式换能器) 和电源式换能器。 电源式换能器是由电源供给能量而产生超声波，包括磁致伸缩式换能 器和电致伸缩式换能器。磁致伸缩式换能器是采用具有磁致伸缩效应的特 种材料( 如铁、钴、镍合金等) 加工成管状或窗形，通过激励磁场产生激 动。其优点在于机械性能及振动性能好，功率密度容易做大；缺点是电声 效率低，目前国内应用较少电致伸缩式换能器也称为压电换能器，是利 用压电晶体在变化的电场中可发生体积伸缩变化的特性制成的一种发声 装置，通过高压激励产生振动来实现声波发射。此种换能器的电声转换率 最高，一般可达5 0 9 0 ，应用领域较广。下面主要介绍一下流体动力 式换能器。 5 1 2 流体动力式声波发生器 流体动力式声波发生器是以流体为动力源。利用高速液体或高速气体 来激发声波和超声波的发声器，主要包括迦尔登( g a l t o n ) 发声器、哈特曼 ( h a r t m a n n ) 发声器、帕尔曼( p o h l m a n n ) 发声器、杆式共振哨、旋笛以及圆 板哨、旋涡哨等。从类型上分，可分为气流式、液流式和气液混合式三种。 同其他声波发生器相比，流体动力式发声器的独特优点是结构简单、造价 低廉、处理量大、工作条件要求低以及经久耐用等。由于在石油生产中， 原油通常是呈气、液、固三相共存的混合物溶液，具有非常好的流动性， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章声波解堵器的研制与设计 因此非常适合流体动力式发声器的应用，开展这种发声器的研究工作也具 有特殊的意义。下面分别对不同结构流体发生器的特点及其性能作简单的 介绍。 ( i ) g a l t o n 发生器 气流式警笛( g a l t o n 哨) 基本结构如图5 1 所示。左边是连接器a 。 c 是由插塞f 所形成的环型注孔，保证同心，微调器b 可以改变喷嘴与共 振腔r 的距离。测微头e 和可调节的圆塞h 相连接，用来改变共振腔深度， 调好后，由锁环g 来固定。 气体一 f 图5 - - 1g a l t o n 哨的基本结构 哨的发声过程是这样的：图中左边进气，受压气体进入连接器a ，流 至插塞f 所形成的环型注孔c 。由c 喷口射出高速射流射出的射流有其 本身的本振频率，射流的频率与共振腔r 的本征频率一致时即发生共振， 产生强超声波。共振腔相当于一头开口，一头封闭的管，它的固有频率经 验公式为： ，2 南 ( 纠) 式中，所产生声波的频率，h z ； c 一声速，m s ； 一共振腔深度，m ； 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第5 章声波解堵器的研制与设计 一取决于媒质压强的常数，它的值由实验来确定。 ( 2 ) 哈特曼( h a r t m a n n ) 发声器 哈特曼发声器结构示意图如图5 2 所示，其中i 为流体方向，d 为喷 腔直径，h 为谐振腔深，l 为喷距。发声器主要由圆形喷腔和谐振腔组成。 当流体从喷腔中高速射出时，由于喷腔截面的突然收缩，会使得喷腔前的 流体压力呈现出周期性的变化结构。如果在压力的不稳定区内放置一个圆 柱型的谐振腔，则形成一个谐振系统。当呈周期性压力变化的流体进入谐 振腔后，会使谐振腔的压力逐渐升高并最终反馈出来，形成声波振荡。哈 特曼认为，不同尺寸的喷腔和谐振腔具有不同的固有频率，当喷腔的射流 频率与谐振腔的本征频率一致时，就会产生强烈的振动声波，其频率可达 几十至几百千赫兹。它的固有频率经验公式为；