（油气田开发工程专业论文）超声波近井处理室内模拟及工艺参数优化.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d yo nu l t r a s o n i ct r e a t m e n t f o rr r e m o v a lo fn e a r w e l l b o r ed a m a g ea n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n x uh o n g x i n g ( p e t r o l e u me n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f p uc h u n s h e n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i l f i e l de x p l o i t a t i o na n dp r o d u c t i o n ，r e c o v e r yd i f f i c u l t ya n dc o s t o fl a n do i li n c r e a s e d a tt h es a m et i m e ，i tb e c o m e sm o r ea n dm o r ed i f f i c u l tt oc a t t yo u tt h e h a r m o m 0 1 l sd e v e l o p m e n to fo i lp r o d u c t i o na n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n t , s oi tn e e d sh i ；9 1 1 e f f i c i e n ta n de n v i r o n m e n tf r i e n d l ye o rt e c h n o l o g i e s u l t r a s o n i ct r e a t m e n tf o rr e m o v a lo fn e a r w e l l b o r ed a m a g ei so n eo ft h o s et e c h n o l o g i e s b u tt h e o r e t i c a ls t u d yo ft h i st e c h n o l o g yi s l a g g i n gb e h i n dp r o c e s st e c h n o l o g ys e r i o u s l y , t h i sm a k e s f i e l dc o n s t r u c t i o nb l i n da n dt h ee f f e c t u n s t a b l e f o c u s i n g o nt h o s e p r o b l e m s ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dt h e f o l l o w i n g r e s e a r c h w o r k f i r s t ，w ef o u n d e dm a t h e m a t i c a lm o d e l so ff r a c t u r eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，f l u i da d h e s i o n l a y e re l i m i n a t i o n ，d e p o l y m e r i z a t i o ne t c t h e nb ym e a n so fc o u p l i n gw a v ef i e l d ，s e e p a g ef i e l d a n ds o i l dm e d i u mf i e l d ，w es e tu pt h e o r e t i c a lm o d e l so fp a r t i c l e sb r i d g ef o r m a t i o na n d p a r t i c l e sd e p o s i t i o no n t ot h ep o r ew a l l s ，a f t e rf o r c ea n a l y s i sa n dm o d e ls o l u t i o n ，t h ed y n a m i c s c o n d i t i o n so fu l t r a s o n i ct r e a t m e n tf o rr e m o v a lo fn e a rw e l l b o r es o l i dp a r t i c l e sd a m a g ew a s o b t a i n e d u s i n gt h em u l t i f u n c t i o nd y n a m i c ss i m u l a t i o ns y s t e mo ff l u c t u a t i n go i le x t r a c t i o n t e c h n o l o g y ，w eh a v ec a r r i e do ne x p e r i m e n t so fu l t r a s o n i ct r e a t m e n tf o rr e m o v a lo fp o l y m e r p l u g g i n g ，p r e c i p i t a t i o no fp a r a f f i n , d r i l l f l u i dd a m a g e ，i n o r g a n i cs c a l ep l u g g i n ga n dw a t e r s e n s i t i v i t yo fc o r e s i n f l u e n c i n g f a c t o r so fu l t r a s o n i cr e m o v i n gf o r m a t i o nd a m a g ew a s f o u n d e d ，a sw e l la si t si n f l u e n c er u l e s f i n a l l yw ec o m p a r e dt h ee f f e c to fp l u g g i n gr e m o v a lb y u l t r a s o m cs i n g l e ，c h e m i c a ls i n g l ea n dc o m p o s i t em e m b e r s ，a n de f f e c to ft h ec o m p o s i t eo n ei s b e t t e r , t h i sb e c a u s et h a tu l t r a s o n i ca n dc h e m i c a lh a v es y n e r g e t i ce f f e c t b yc o m p a r i s o no f t h e o r e t i c a lr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a ld a t a s ，t h e ya g r e e dw e l l 晰t l le a c ho t h e r b a s e do nt h e s t u d yo ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，w eo p t i m i z e dt h eu l t r a s o n i cp a r a m e t e r s ，a n d e s t a b l i s h e dt h es t a n d a r da n dp r i n c i p l eo fw e l la n dl a y e rs e l e c t i o n t h o s ea l lp r o v i d et h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o ru l t r a s o n i ct r e a t m e n tf o rr e m o v a lo fn e a rw e l l b o r ed a m a g ei nt h e f i e l da p p l i c a t i o n ，i th e l p st oe n s u r et h ei m p l e m e n t a t i o ne f f e c ta n ds u c c e s sr a t e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c , n e a rw e l l b o r e ，p l u g g i n g ，w e l la n dl a y e rs e l e c t i o n ，p a r a m e t e r 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： 日期：妒7 年6 月日 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i - j ( 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：盗堕墨 指导教师签名： 日期：p7 年7 月日 日期：岬年月j 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 选题依据与课题来源 第一章绪论 随着我国油气资源勘探开发工作的不断深入，我国陆上石油工业大多已进入中、高 含水开发时期，且新增储量中低渗、特低渗、稠油、超稠油等难动用储量居多，开发难 度大、成本高。同时，由于油区生态环境极为脆弱，油田的高效开发与生态环境协调可 持续发展的压力也越来越大。在不断发展、完善油田现有开发及采油工艺技术的基础上， 加快寻找、研究、发展一些效果好，对生态环境不造成破坏的提高采收率新技术，正显 得越来越为重要和迫切，超声波近井处理技术就是能适应这一需要的物理法采油技术。 虽然国内外在超声波增产增注机理及基本规律等方面开展了一些初步的研究工作， 但仍基本停留在定性解释的水平上，无法根据油藏、油水井的具体情况选择最佳方式及 优化技术参数。因此，现场应用几乎全凭经验设计与施工，这样不仅具有很大的盲目性， 而且难以保证达到最佳处理效果。由于超声波采油机理的研究滞后于其工艺技术的发 展，使得该领域难以形成整体突破与创新，严重制约了该技术的推广应用。为此，本文 通过理论与实验研究深入探讨超声波近井处理增产增注机理，研究影响超声波解堵效果 的主要因素及规律，为超声波近井处理工艺参数的优化设计提供可靠的依据。 1 2 国内外研究现状 超声波采油技术是物理法采油技术的一种。早在2 0 世纪5 0 年代，美国和前苏联就 开始了该技术的研究，并应用到实际工作中。到2 0 世纪7 0 年代，随着声波技术的迅速 发展及对超声波特性的进一步认识，使得超声波强化采油技术在采油工作中受到越来越 广泛的重视。2 0 世纪9 0 年代初，以前苏联、美国为代表的国家更是进行大面积的推广 应用，可使油井产油量提高( 4 0 6 0 ) ，原油采收率提高1 0 以上，超声波采油实施成功 率可达8 0 以上【1 1 。 在超声波采油机理研究方面，前苏联、美国较早地开展了一些研究工作。1 9 6 4 年， d u h o n 首次研究了超声波振动能量对多孔介质中流体流动特性的影响，发现在不同频率 的超声波作用下，可提高水驱采收率( 6 4 1 4 7 ) 。其机理是超声波作用使原油粘度降低， 且超声波产生的辐射压力能促进流体流动 2 1 ；1 9 7 6 年，a b a d g u e r r a 做了超声波解除砂 岩岩心石蜡沉积的实验研究，结果表明岩心渗透率提高t ( 5 1 7 5 ) ，其机理是：在超声 第一章绪论 波机械振动作用下，岩心孔道周期伸缩，导致流体流动能力增强，超声波空化作用产生 的剧烈扰动和热作用降低了流体粘度，提高了岩心渗透率；e m r o b e r t s 等开展了超声 波解除砂岩岩心石蜡沉积、聚合物堵塞的实验研究，结果表明超声波解除石蜡沉积效果 明显，而对聚合物污染处理效果欠佳，认为单独使用超声波解除聚合物堵塞不可行【3 j ； a d i n a t h a nv e n k i t a r a m a n 等使用超声波解除钻井液和微粒运移引起的岩心污染，结果表 明，超声波解除两种堵塞效果显著，解堵效果受换能器输出功率、超声波累计处理时间 及驱替流量的影响【4 】；u k g o l l a p u d i 等开展了超声波解除岩心沥青质沉积的实验研究， 效果明显，其主要机理是超声波的空化作用、热作用等使原油粘度降低，增强原油流动 能力，且沥青质沉积的解除增大了流体流量【5 】；b r i a nc h a m p i o n 等通过现场试验和理论 研究证实了超声波近井解堵的可行性，表明超声波处理能够解除近井带多种地层污染， 并提出了井下超声波换能器的改进方法【6 】；t o mw b a k k e r 等研究了井下超声空化现象， 给出了井下空化现象的发生条件及对超声波近井解堵效果的影响【7 1 ；t h a m i d a 研究了超 声波处理对单个毛细管中混相驱替、非混相驱替流动规律的影响，结果表明：悬滴实验 中，在特定超声波频率下水滴速率达到最大值；自吸实验中，超声波作用下原油采收率 和采收速率显著提高，且同一组流体在顺流和逆流两种情况下，超声波处理效果并不相 同 s l ；a c t a a r t s 等研究了超声波辐射对多孔介质中液体流动性能的增强作用，建立了 蠕动输运机理的理论模型及二阶近似下的净流量方程，并通过数值计算揭示了流体阻尼 效应、孔壁强度、超声源输出功率等对净流量的影响，讨论了蠕动输运机理在油水井增 产增注中的作用1 9 1 ；s a uw a iw o n g 等研究了超声波辐射对近井地带的作用效果，将超声 波近井处理与传统增产措施进行了比较，探讨了超声波增产增注机理，提出了超声波采 油技术需要改进的关键问题【l q ；j o s eg i lc i d o n c h a 回顾了超声波采油技术的发展历程， 研究了超声波采油机理，并列举了一些现场应用实例【l l 】；m m a i t f f o 通过室内实验证实 超声波作用能够提高水驱采收率，在油田中、高含水期应用效果明显，但不适合在疏松 介质中使用【1 2 】；f a i r b a n k s 、c h e n 研究了超声波作用产生的热量对多孔介质中流体渗流 的影响，结果表明超声波辐射可提高流体渗流速度，但其机理仍需进一步研究【1 3 1 。 国内在2 0 世纪7 0 年代开始了该技术的探讨。9 0 年代初，开展了一些室内实验对超 声波的采油机理进行研究，并取得了一定进展。孙仁远，沈本善等人利用物理模拟装置 研究评价了超声波对储层砂岩岩心油水渗透率的影响规律，实验结果表明超声波可以提 高岩石渗透率，提高的幅度与岩极距有关，并且超声波具有明显的滞后效应【1 4 】；孙仁远 等利用高能超声波进行了稠油超声降粘实验研究，研究了超声波处理时间、环境温度对 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 稠油降粘效果的影响。结果表明，超声波处理可以明显降低原油的粘度，降粘幅度可达 5 0 以上【1 5 1 。王瑞飞等研究了超声波作用前后岩心渗透率变化曲线和压力梯度变化曲 线，探讨了超声波在油层中作用的有效距离。研究结果表明，超声波处理后，原油的视 粘度显著降低，反映了明显的声流变特性【1 1 。梁成浩，白忻平对水处理系统施加2 0 k h z 的超声波，研究了超声波的阻垢作用。结果表明，超声处理具有明显的阻垢功效，阻垢 率可达8 5 以上【1 6 - 1 。郑茂俊，严织培，马荔详细地分析了超声波使原油降粘、防蜡、脱 蜡的机理【1 7 1 。夏宁等使用超声波处理微污染水，结果表明超声波对微污染水的细菌和色 度去除效果明显【l 引。张永发，祝济之，胡长华用多孔介质模拟地层，以胶体微粒作为堵 塞颗粒，建立了微粒桥型堵塞的微观模型，研究了超声波解除多孔介质中微粒堵塞的作 用机理【1 9 1 。李明远等通过实验证实无论岩石是水湿还是油湿，在水浸泡过程中，超声波 作用都可以促进岩石表面由亲油向亲水转变，降低原油与岩石的粘附力，最终提高采收 率。储层渗透率越低，声波作用越显著【2 0 】。孙仁远等通过人工振动增产理论的实验研究 表明人工振动能提高岩石的渗透率，提高幅度与岩石性质和振动参数有关，并具有滞后 效应，人工振动可以提高原油采收率1 5 以上，并同时降低含水率，处理效果大小与振 动参数有关【2 1 1 。 已有的研究成果表明，目前超声波近井处理技术偏重于现场试验，并且在不同的油 藏条件下，超声波处理应用效果差异很大，对其适用性的评价褒贬不一。虽然国内外在 增产增注机理及其基本规律性等方面开展了一些初步的研究工作，但还主要是利用室内 物理模拟实验装置，针对一元波场激励条件下，超声波场激励参数对储层岩石油水渗流 特征的影响规律，多数成果属于超声波场对岩石宏观渗流现象影响的总结与归纳，基本 上仍主要停留在感性认识与定性解释的水平上，理论模型的研究还处于起步阶段，没能 真正建立起超声波参数与油水渗流特征之间的定量关系与相关的基本理论，从而使得超 声波采油的机理研究严重滞后于工艺技术的发展，使其工艺设计还主要凭借经验而定， 现场试验与技术应用在一定程度上存在盲目性，导致现场效果不稳定，使得该领域难以 形成整体突破与创新，严重制约了超声波采油技术形成更大的规模。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 本论文针对油水井近井带在油田开发、作业等过程中易产生严重堵塞，造成产能、 注水能力降低的现象，探索利用超声波近井解堵实现油井增产、水井增注，并明确超声 第一章绪论 波近井处理增产增注机理；建立超声波场近井处理工艺参数优化决策及选井、选层基本 原则与标准。 主要研究内容如下： ( 1 ) 超声波近井处理增产增注机理研究 ( 2 ) 超声波解除固相微粒堵塞动力学分析 ( 3 ) 超声波近井处理室内模拟实验研究 ( 4 ) 超声波近井处理主要影响因素及其规律研究 ( 5 ) 超声波近井处理选井选层原则与标准研究 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 利用波动力学、岩石力学、渗流力学以等基本原理，分析研究超声波增产增注 微观机理的理论模型，如：造缝、清除孔壁粘附层、破坏流体表面层、解聚降粘等，为 超声波近井处理效果定量化研究打下基础。 ( 2 ) 利用胶体化学、波动力学等基本原理，分析储层孔隙中微粒的静动态受力状态， 建立微粒脱落、运移的基本动力学条件。结合超波动能量传递与衰减特征，研究超声波 解除微粒堵塞的动力学模型，由此建立超声波解除固相堵塞伤害的基本动力学条件。 ( 3 ) 利用波场采油动态模拟实验装置，通过系统地对比测试超声波单独处理、化学 剂单独处理及超声波化学剂复合处理对不同岩心污染类型的解堵效果。以岩心渗透率 的恢复率为衡量标准，考察掌握波场参数及化学剂对油水井增产增注效果的影响规律， 明确超声波增产增注的主要机理及关键影响参数。 ( 4 ) 在大量超声波解堵室内模拟实验研究的基础上，以岩心渗透率的恢复率为指标， 利用统计数学、最优化理论，优化超声波近井处理参数及工艺。 ( 5 ) 在上述室内模拟实验和理论研究的基础上，初步建立超声波近井处理技术选井 选层基本原则及标准，有效地提高超声波近井处理技术现场施工的成功率。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章超声波近井处理增产增注机理研究 近年来，超声波技术在我国得到了迅速的发展，几乎已经渗透到采油工艺和油田开 发的各个领域，主要涉及到以下几个方面：超声波压裂造缝、超声波防垢除垢、超声波 防蜡除蜡、超声波降粘冷输、超声波处理石油污水、超声波驱油、超声波解堵、超声波 激励提高地层渗透率等方面。 超声波近井解堵技术不同于常规采油技术，实施超声波近井解堵具有安全可靠，设 备少，工艺简单，成本低，见效快，效率高，对油水井、油层无污染等优点。由于其作 用机理截然不同，可与化学驱采油技术、水力压力等采油技术联合应用优势互补。特别 是在油田开发中晚期，超声波采油用于二、三次采油，提高最终采收率是很有前途的方 法之一。因此，受到采油工程技术人员的普遍重视。 油层的主要储油空间是孔隙及孔隙喉道。孔隙喉道的大小决定了渗透率的大小。根 据径向流油层内部任意一点的压力分布公式： 尸= + 罴- n 毒 ( 2 - 1 ) 式中，尸为油层内部压力，m p a ；r 为井底流压，m p a ：为原油粘度，m p a s ；k 为地层渗透率，m 2 ；为井筒半径，m ；，为供油半径，m ；q 为油井产量，t ；h 为油 层厚度，m 。 可知，地层中压力与距离之间呈对数关系，离井越近，压力损失越大，其等压线为 一系列以井为圆心的同心圆。越靠近井筒，等压线越密集，故而近井地带堵塞对产量影 响特别大。 油、水井近井带在开发生产过程中受到各种污染，从钻井到完井直至采油、注水。 各种增产措施不断实施，如射孔、酸化、压裂、检系、防砂、事故处理时，使油、水井 受到外来固相侵入、水敏性损害、酸敏损害、碱敏损害、微粒运移、结垢、细菌堵塞等 损害，造成油气、水层的渗流空间的改变，有效渗透率降低。比如，试油过程中由于污 染造成孔隙喉道堵塞，而且在长期采油过程中，该区是一个压力及温度的拐点，因此， 也成为许多矿物质及原油中某些组分的相交点，由溶解变为析出，往往产生一些沉淀结 垢，使孔隙喉道变窄或堵塞；液体中携带的团相颗粒在喉道变窄的情况下更易形成堵塞， 使产量下降。 第二章超声波近井处理增产增注机理研究 超声波处理油层，是将大功率超声波换能器下放到油层位置，在机械、空化、热、 声流等功能作用下，使堵塞物疏松脱落，随液体排出油井。 超声波是机械波的一种，它具有波动的一般特性，即具有振动及传送能量的性质。 媒质内存在声场时，媒质颗粒可作机械振动。超声波应用于采油领域，振动是关键因素， 对油层能产生一定的物理作用。通过国内外大量的理论与实验研究表明，超声波近井处 理对流体、储层的作用主要有以下几种【2 3 】： 2 1 机械振动作用 机械振动作用是指波可以使介质质点发生激烈的机械振动，产生强大的单向力作 用。振波传播时介质中的不同点处机械粒子的振幅、速度及加速度发生显著的变化，从 而产生松动、边界摩擦、微裂缝、解聚及热作用。 ( 1 ) 松动作用 机械振动作用破坏封堵颗粒与储油岩石之间的凝聚力、流体表面层，产生松动作用。 流体都具有粘滞性，并存在着速度不同的流体层。在井壁处速度为零的壁面到速度分布 均匀的液体层，称之为表面层。如果把储层毛管孔隙看作是笔直的毛细管，根据油藏物 理学中毛细管渗流定律可知，表面层的存在对储层毛管孔隙的有效半径影响很大，随着 表面层的形成，毛管流动孔径变小，渗流量降低。在波的机械振动下，不同波阻抗介质 的反射、振动速度的差异以及弹性介质的波动都会对表面层产生破坏作用，堵塞颗粒与 岩石之间的流体薄膜在波场的破坏作用下，发生剥落，使“粘着”的颗粒脱落，达到解堵 作用。 流体表面层是由原油中的日键物质形成，具有粘塑性物质的特性，不随核心层流体 一起流动。设流体表面层厚度为，孔道初始半径为，则存在流体表面层时的孔道半 径为( 此时一般存在粘附层) ： r b = r o 一吃一玩 ( 2 - 2 ) 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 1 毛冒柬模型不恿图 f i 9 2 - 1m o d e lo fc a p i l l a r yt u b e s 取图2 1 所示的单元体，不存在流体表面层时的孔隙体积为( 此时可能存在粘附 层) 、孔隙度为丸； 存在流体表面层时的孔隙体积应为： = 7 1 2 刃三 ( 2 3 ) 孔隙度为： 无= 圪= 衫4 以允2 ( 2 - 4 ) 清除流体表面层后使孔隙度由唬变为丸，其关系式为： 丸九= 也见) 2( 2 5 ) 而渗透率则由变为岛。根据渗透率与孔隙度和孔道半径的关系得出： k 6 = k 。瓴九地)( 2 6 ) 由于k = 硒，将( 2 - 5 ) 式代入( 2 6 ) 式得： 巧=ko(rirb)4(2-7) 同理，超声波破坏流体表面层也存在一个有效作用范围如，在厶范围内，流体表 面层被全部清除，其渗透率由( 2 7 ) 式表示例。可见渗透率的提高与流体表面层厚度有关。 ( 2 ) 胀缩作用 机械振动作用使毛细管孔径发生变化，降低孔隙内表面张力，导致毛细管的胀缩。 在波未扰动前，岩柱压力( 外压) 和油藏压力( 内压) 及岩石骨架所承受的压力( 外压与内压 的压差) 处于平衡。在波场作用下，平衡受到破坏，波场压力的变化导致毛管内外压差 的变化。由于波的周期性作用，毛管孔径随压差发生周期性的变大和缩小，从而引起表 面张力和毛管力发生变化。表面张力与毛管力表达式如下： 7 第二章超声波近井处理增产增注机理研究 口：墨壅亘 二：墨塑由 刀r p ：2 0 - c o s 0 ；型掣c o s 0 r。 ( 2 8 ) 由( 2 8 ) 式可知，当毛管半径变大时，表面张力就以半径的平方倍缩小，毛管力就以 半径的立方倍缩小，这就使原来的毛管力和重力的平衡关系被打破，束缚在毛细管中的 残余油就会在重力与波场的振动下使近井地带的原油流入孔隙，毛管缩小，孔隙体积变 小，有利于把油挤入井内。 ( 3 ) 造缝作用 机械振动作用产生的冲击破坏力在岩石中产生微裂缝。岩石中天然裂缝或人工裂缝 的存在，可以扩大流通孔道，有效地提高采收率。油层的渗透性和产量主要决定于裂缝 的集合形态和数量。若砂岩油层靠岩石孔隙储油，则油的渗流孔道主要是裂缝。由于油、 岩石和水的波阻抗存在差异，岩石对波产生反射。背向波源的发散波与面向波源的会聚 波在岩石中形成一个压力稀疏区，两种不同方向的波产生相反方向的应力，当超过岩石 强度极限时，在岩石抗裂强度较小处，产生微裂缝。另外，由于饱和油水的岩石骨架的 复杂性，根据叠加原理，各种不同类型的波在会聚处形成高度集中的应力，将会产生会 聚效应，即当波传到自由面或两种介质的交界处时产生新波。这种新波本身之间或与母 波之间产生干涉，形成应力集中的现象，称为会聚效应。会聚效应造成不连续的应力分 布更有利于微裂缝的形成而不破坏整个岩层结构。结合波动数值计算的应力场和相应的 破裂准则，可以确定超声波作用下，地层岩石任何一点是否破裂及超声波压裂作用范围 内地层的平均渗透率。 超声波能量在传播过程中衰减，能量一定时，波场对地层的压裂作用存在着一个有 效范围超出这个范围就不能产生裂缝。此外，波场能量越大，超过压裂临界值越 多，压裂效果越好。定义压裂程度m 。g ) 为： 畎加f 川一蒜r l - 胪z o 小) m a x ：s ， 式中，f 为岩石剪应力，n m 2 ；z 为岩石内摩擦系数，无量纲；盯为岩石v o n - m i s e s 等效应力，n m 2 ；s o 为岩石内摩擦力，n 。 由式( 2 9 ) 可知，在压裂有效范围内，随着各点压裂程度的变化，压裂效果也相应变 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 化。假设地层初始渗透率为k 。，超声波在地层中某一点x 处形成裂缝，使得该点渗透 率增加a k ，则该点受振动作用后的渗透率k g ) 为： k g ) = k o + a k( 2 - t o ) 若将压裂系数朋定义为：由单位压裂程度朋y b ) = l 所引起的渗透率值的变化( 其量 纲为m 2 ) ，则( 2 1 0 ) 式可改写为： k ( x ) - - k 。+ 聊m ，g ) ( 2 - 1 1 ) 在压裂范围内的平均渗透率为： 驴氅坐 位埘 l y | 将( 2 - 11 ) 式代入( 2 - 1 2 ) 式得： b = k 。+ m 。w y lr y l 聊y ( x 垮 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 3 ) 式可变形为 铲十旦l y ，k o ，卅 亿 上式即为超声波压裂作用范围内地层平均渗透率公式【2 4 1 。 ( 4 ) 解聚及热作用 机械振动作用下，在流体与固体的分界面处，由于粒子振动速度的巨大差异，导致 边界摩擦，产生热量造成局部加热，甚至局部高温，降低原油粘度，提高渗流速度。当 储油层在高强度、长时间超声波作用下，由于原油分子间具有较大的加速度，形成分子 间相对运动，由于惯性力的作用使得分子链断裂，大分子被粉碎，从而降低了原油的粘 度，提高了渗流速率。 解聚程度与波强有关，在宏观上可用波强与临界波强之比表示解聚程度： m ，( x ) = i ( x ) 如 ( 2 1 5 ) 式中，g ) 为x 处的声强，k w m 2 ；厶为解聚作用的临界波强，k w m 2 。 假设原油粘度减小的极限为水的粘度，可将解聚作用对原油粘度的影响表示为： 9 第二章超声波近井处理增产增注机理研究 。+ 孓鬟两 q - 1 6 ) 式中，以为水的粘度，p a s ；心为原油的初始粘度，p a 。s ；l j 为解聚范围，m ；肌 为解聚系数，m d ( 表示单位解聚长度和单位解聚程度，即m ，g ) = l 时所引起的原油粘度 值的对数降低) 。 根据计算得知，只需少量长链高分子物质的降解就能大大降低流体粘度，而原油中 通常含有不同浓度的沥青、胶质、石蜡等多种高分子化合物，所以超声波解聚作用对降 低原油粘度的效果非常明显【2 4 1 。 2 2 空化作用 一定频率的振动会使液体中原有的或者新生的气泡产生共振。在波的稀疏阶段气泡 迅速膨胀；在波的压缩阶段气泡迅速破灭，在破灭的瞬间，气泡内部温度可达几千摄氏 度，压力达到几千甚至几万大气压，在破灭过程中产生的加速度是重力加速度的几十倍， 这种现象就是“空化现象”。伴随空化现象能产生许多物理和化学效应。出现空泡会使介 质的阻抗下降，从而使辐射阻抗变化，降低辐射的功率。另外由于散射增强，吸收衰减 也增大，同时方向性也要变化。 理论上讲，因为分子的内聚力很大，只有当外压的负压超过分子内聚力时，才能把 液体拉开。分子间的相互作用力在一定温度下是分子间距x 的函数。当z 很小时，厂为 外力，距离增大到一定范围，分子间力变为吸引力并随距离增大而增大，大到至临界距 离矗时，距离继续增大而引力逐渐变小，所以溉是液体分子的稳定距离，也即液体分子 稳定的平均距离的临界值。加温可使分子的平均距离增大，当距离超过五时，分子易于 克服分子间的内聚力而逸散。当施加很大负压使p - p 。，也可把分子拉开。a 对应于矗 距离的分子内压力。 液体空化首先是从液体中强度薄弱的地方开始，这些地方由于热起伏或其他物理原 因出现一些很小的蒸汽空泡，或者空气泡，这些气泡称为核，于是在负压作用下，气泡 核膨胀产生空化。若波的振幅值为p 。，则液体压强在p 。 p 。时，p 。一p 。形成负压， 这时核在负压作用下开始膨胀，当p 。一p m p 。时，形成空化。对于一定强度的波，要 能产生空化的气泡核，其半径有一最小i 临界值，半径小于其值的气泡不可能拉开，半径 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 南京更大的气泡其振幅低于波频率时，气泡虽被拉开，但不能闭合。空化现象中，气泡 膨胀到的最大半径r 。和空穴问动半径风的比值愈大，则闭合时冲击波辐射能量愈大， 冲击波愈强，空化噪声也愈强。实际上，气泡的r 。决定于振幅p ，和频率f ，p 。愈大， 尺。愈大，而厂较低，周期更大，气泡能膨胀到相当大并被关闭，于是激波更强。但当 f 石( 气泡谐振频率) ，则难产生空化。气泡周围介质以愈来愈大的速度挤压气泡，液 体的动能转变为对气泡作功。小气泡猛然闭合的瞬间发生冲击波，气泡的能量除部分转 变为热和光的辐射以外，还以激波的形式辐射。 ( 1 ) 空化作用消除气阻 严格来说，波场去气与空化作用的气泡崩溃是有区别的，但在储油层中，存在着各 种孔径尺寸的气泡，波场去气与空化作用是并存的。储油层中不仅蕴藏着原油，同时也 有大量油气存在。在交错复杂的油层孔隙中，油气往往以气核形式存在于孔隙中。由于 液体中很难存在稳定的气泡，所以这些气核一般附着在岩石上。计算气核在毛管孔道中 所受的毛管力可知，大量气核的存在对原油流动具有很大的阻碍作用，称为气阻。 气泡在波场的作用下产生振动，但不一定会发生气泡闭灭。当波的频率小于气泡的 谐振频率时才会使气泡闭灭，而当波的频率超过气泡的谐振频率时，气泡进行复杂的振 动，但不能使气泡闭灭，当气核的谐振频率与波的频率相近而发生共振，气核发生强烈 振动。大量气核在波场中迅速结合而形成大的气泡，不断扩大的气泡迅速脱离毛管孔道 而达到疏通目的。同时，在空化作用下，气核在拉伸周期内膨胀而具有一定速度，并靠 着惯性而达到最大半径，而快速地缩小，直至崩溃，从而消除了气阻。显然，由于流体 压强较大，气核半径较小，消除气阻需要高强度、高频率的波。 ( 2 ) 空化作用在气核崩溃瞬间形成激波，产生热作用 空化作用在气核崩溃时会产生激波，理想情况下会使液体中最大压强可达上千兆 帕，气泡内的气体由于绝热压缩，温度也可达数千度。气核崩溃产生的高温高压可将附 着在岩石表面的粒子炸掉，炸掉的粒子并被横向和交替的液流带走。同时，对周围产生 强烈的冲击力，大大地加强了波的机械作用。在小空间的孔隙里，激波的产生能扩大岩 石的孔隙半径，增强微裂隙作用。崩溃产生的局部高温是由能量转化而产生的，对于提 高油温，增加流动性具有很好的效果。 ( 3 ) 空化作用可以减小原油的相对分子质量 第二章超声波近井处理增产增注机理研究 原油在超声波的作用下会产生强烈的振动，在空化作用下原油中分子链断裂，降低 原油粘度。空化作用产生的局部高温高压，促进氧化还原反应，高分子物质的解聚，使 胶结的沥青质分子键断裂，起到解堵作用。 此外，空化作用产生的高温高压会产生一系列次级反应，如化学效应、声致发光、 分散作用和乳化作用等，他们都会对地层产生相应的作用。 2 3 热作用 油体流动时的阻力主要由油体间的摩擦表现出的粘性引起的。粘度越小，浓度越低， 油体中分子碰撞机会越小，油体流动的阻力越小。因此，提高油气渗流速度的主要措施 之一是提高油体温度，降低粘度。超声波的热作用是一种综合效应，有吸收引起的整体 加热、边界面处的局部加热和形成激波时的波前处的局部加热等。主要表现在以下三个 方面。 ( 1 ) 超声波在传播介质内部的吸收，使得声能转化为热能。 ( 2 ) 在不同介质的分界面处，边界摩擦使油体温度升高。 ( 3 ) 空化作用在气泡崩溃瞬间释放出大量的热能，局部温度可达摄氏上千度。频率 越高，吸收效果越好，边界摩擦越激烈：强度越大，空化作用越强，热效应越显著。因 此，只有施加高频、高强度的超声波才能取得明显的效果。 当在多孔介质中传播慢纵波时，固体骨架和其中饱和的流体之间运动呈反向，而在 快纵波中也可发生相对位移，这种相对运动必然造成弹性能量耗散。通过计算得到，振 动平面上单位面积、单位时间内耗散能量【2 5 j 为： i = 1 2 a 2 国2 p u( 2 1 7 ) 式中，a 为振动波的振幅，m ；缈为振动角频率，s - i ；p 为介质密度，k m 3 ；甜为 波速，m s ；i 为声强，w m 2 。 假定这些能耗全部转化为热能，则： q = 1 2 a 2 国2 p u ( 2 - 1 8 ) 式中，q 为热流量密度，w m 2 。 由上式可得出因振动而转化的热能或固液系统温度升高值。边界摩擦产生的程度 取决于固液界面，因而也就决定于多孔介质本身的孔隙结构、表面润湿性及饱和于其 中的流体性质。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 4 反向流动作用 起声波传递方向具有与油层液体流动方向相反的特性。 室内研究结果证明了这样一个机理，即在井底油层中建立的声场，无论是强声场还 是弱声场都可以对地层产生振动作用。在振动作用下，原油的分子不断进行排列组合， 大分子部分弱共价键及氢键破裂，使其通过多孔介质的能力大大提高。地层中声波产生 的振动也使石油沿着反射波的路线向井底的声源方向流动，向井孔聚集，使油井增产， 形成声学中的蔡特金图。室内试验发现，加上方向相反的声场后，渗流速度提高3 0 。 这证明在井底油层部位放置的大功率声源促进了孔隙中的原油迎着声波辐射方向朝井 底声源流动。与渗流方向相反的井底辐射声波可以促进地层中原油的渗流和聚集。 2 5 声流作用 超声波传递0 向 图2 2 蔡特金图形 f i 9 2 - 2g r a p h i co fz e t k i n 声流是强声场在液体中传播时，由于媒质吸收了波的能量和动量，流体产生非周期 性流动形成的。声流通常具有涡旋性质。由物体振动所引起的流体运动，在物体周围某 一层内是有旋的，而经过一个较大的距离就迅速变为势流。用下式计算有旋流穿透声附 面层厚度。 6 = 、2 v 国 ( 2 - 1 9 ) 式中，i ，为运动粘度，m 2 s ；c o 为角频率，s ；万为声附面层厚度，m 。 声流的产生必须满足2 6 d u 为孔隙直径) 。孔隙中声流的最大速度可用下式计算。 第二章超声波近井处理增产增注机理研究 甜一= a u 2 d 2 v ( 2 - 2 0 ) 式中，a 为流体中声衰减系数；d 为孔隙直径，m ；“为振动速度，m s 。 由于无声场作用时地下渗流呈指进形状，毛细管中心处的流速远大于管壁处的声流 速度，涡旋所产生的逆于渗流方向的声流速度可以忽略，而在边界处声流与流体渗流方 向一致，减弱了指进现象的发生，使整体运动速度得到提高，从而提高了流量。 声流的主要特点是：由于声波与流体内的物质非均质性，诸如平滑界面和固体颗粒 等的相互作用而产生稳定的旋转流。由声流引起的流体激荡不如由其引起的空化作用来 的强烈，但是声流对于清除表面上的粘附颗粒却非常有效。声流可以在较低的声强下和 较之空化作用所需的更宽范围内的频率下产生。 2 6 提高地层渗透率 地层骨架是一种极化的多孔介质，含有石蜡和沥青胶质组分的原油是带电极性相， 它在孔隙孔道壁表面上形成具有立体结构的多分子胶体化粘附层，使有效孔隙半径减 小，在细小颗粒存在的条件下就可能造成孔道堵塞，导致渗透率降低。粘附层具有粘弹 性固体的性质，能承受载荷，但由于实际储层存在束缚水，粘附层只能比较疏松地吸附 在岩石骨架表面上，因此，粘附层物质结构比较疏松，塑性较强，容易被剪切作用所破 坏。超声波提高地层渗透率的机理主要是超声波可以通过穿透粘附层，引起储层岩石与 流体介质的非同向振动，造成粘附层的破坏、脱落，从而地层提高渗透率。 设粘附层的厚度为h 。孔道初始半径为厶，则存在粘附层时的孔隙半径为： = r o 一玩 ( 2 - 2 1 ) 根据毛管束模型，取一个单元体( 图2 - 1 ) ，横截面上平行排列着门行刀列个半径为，o 的毛管，其长度为三，则单元体的外观体积为： 圪= 4 n 2 r o l l ( 2 2 2 ) 原始孔隙体积为： 吃= 翮2 0 ( 2 - 2 3 ) 原始孔隙度为： 九= 昔= ； ( 2 2 4 ) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 存在粘附层后的孔隙体积为： = 翮2 坪( 2 2 5 ) 存在粘附层后的孔隙度为： 九= 鲁= 矧2 仁2 6 ， 则清除粘附物使孔隙度由丸变为丸，有： 丸m=也几)2(2-27) 根据渗透率与孔隙度、孔道半径的关系，除粘后渗透率由为变为k ： k 。= k ，轨丸几) 2( 2 2 8 ) 将( 2 2 7 ) 式代入( 2 2 8 ) 式得： kn=kibohj(2-29) 当超声波在粘附层中产生的应力满足粘附层脱落的条件时，粘附层就被破坏脱落， 反之，则不脱落。超声波能量在传播过程中衰减，对孔壁粘附物的清除作用也存在一个 有效范围厶。在厶范围内时，粘附物被全部清除，其渗透率由公式( 2 2 9 ) 表示。所以， 粘附层厚度( 污染程度) 的大小影响着清除粘附物的效果和渗透率的提高【2 4 】。 第三章超声波解除微粒堵塞动力学分析 第三章超声波解除微粒堵塞动力学分析 超声波近井处理技术是一种新型的物理法采油技术，研究发现该项技术有较严格的 适用条件，虽然国内外在其适应性方面做了一些相关研究，但尚没能建立超声波近井处 理选井、选层标准与理论体系，现场施工仍缺乏理论指导。因此，展开相关的机理研究 显得尤为重要。本章主要研究饱和流体多孔介质中超声波解除微粒堵塞的动力学模型。 首先需要明确多孔介质微粒堵塞类型：一是微粒在多孔介质孔喉处形成桥型堵塞； 再者就是微粒粘附在孔壁上，造成孔道直径变小，储层渗透率降低；或是两种堵塞类型 兼而有之。究竟多孔介质中存在哪种堵塞类型，取决于微粒、储层的物性及流体流速等。 通过研究发现，超声波解除上述两种堵塞类型的机理并不相同，接下来分别进行阐述【2 6 】。 3 1 超声波解除微粒粘附堵塞动力学分析 首先需要建立超声波解除微粒粘附堵塞的理论模型：超声波作用下，球形微粒粘附 在光滑的孔壁上。这是一个理想的几何模型，假设微粒是球形的，孔壁是光滑的。理论 模型的建立是为了研究球形微粒与孔壁脱离的条件。 3 1 1 超声波作用下孑l 壁粘附微粒的受力分析 假设，堵塞微粒只受到超声波的作用，多孔介质中不存在压力梯度。设孔道半径为 r 。，则超声波作用下多孔介质中振荡流体的运动方程可写成如下形式： 要：一! 尘十吖鲁+ 三罢1 ( 3 - 0 =