（油气田开发工程专业论文）超声波解堵深度试验研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nd a m a g er e l i e v i n gd e p t hb yu l t r a s o n i c s t i m u l a t i o n s l i uj i n w e i ( o i la n dg 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 ya s s o c i a t e p r o f s u nr e n y u a n a b s t r a c t r e s e r v o i rt y p e so fc h i n ai sn u m e r o u sa n dc o m p l i c a t e d ，a d o p t i n gt h ev a r i o u st e c h n o l o g y a n dm e a s u r eo fi n c r e a s et h ep r o d u c t i o ni ne x p l o i t i n gp r o c e s sl e a d st ov a r i o u sc o n t r a d i c t i o nb e o u t s t a n d i n gg r a d u a l l y , a n dt h eo i ll a y e ra c c e p t sa l lk i n d so fh u r t i n g ，w h i c hm a k e sm o r ea n d m o r ed i f f i c u l tt od e v e l o pt h eo i lf i e l d u l t r a s o u n dh a sb r o u g h th o p et ot h er e s e r v o i r d e v e l o p m e n tb e c a u s et h i sm e t h o dn e e d sl e s sm o n e y ，d o e sn o td oa n yh u r t st or e s e r v o i ra n d e f f e c ts o l v e sh u r t si nd a m a g er e l i e v i n g t h em e c h a n i c s ，a f f e c t i n gf a c t o r sa n dt h er a n g eo f d a m a g er e l i e v i n go fu l t r a s o u n di sp r e l i m i n a r yd i s c u s s e di nt h ep a p e r a n d , t h r o n gl i t e r a t u r e r e s e a r c h , t h er a n g eo fd a m a g er e l i e v i n gu s i n gu l t r a s o u n di sd i s c u s s e d t h et e s ti n i t i a l l y s t u d i e st h eu l t r a s o n i ca t t e n u a t i o no fw a t e ri nt h ef l a t - s l a bm o d e la n dl o n g t u b em o d e l ，s a n di n t h ef l a t s l a bm o d e la n dl o n g - t u b em o d e la n da r t i f i c i a lc o r e ，t h i st e s ti sd o n eu n d e rd i f f e r e n t u l t r a s o n i cc o n d i t i o n s i ti sf o u n dt h a ti nv a r i o u sm o d e l st h ea r e n u a t i o nc o e f f i c i e n to f u l t r a s o u n di nw a t e ri n c r e a s e sw h e nt h ed i s t a n c ei si n c r e a s e d ，a n dt h ea t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ti s l a r g e rt h a nt h et h e o r e t i c a lv a l u e ，b u tt h ea t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ti ns m a l l e rm o d e lm e a s u r e s g r e a t e r u l t r a s o u n ds e v e r e l ya t t e n u a t e si nt h es a n da n db e c o m e st h em i n i l t l u l ni nt h er a n g eo f 5 e r a f r e q u e n c yi sn o tm e a s u r e db e c a u s eo fas e r i o u sd i s p e r s i o no ff r e q u e n c y a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n to fu l t r a s o u n di na r t i f i c i a lc o r ei si m p a c t e db yt h ep o w e ra n d 丘e q u e n c yo f u l t r a s o u n da n dt h ep o r o s i t yo fc o r e ，i ti sg r e a t e rw h e np o w e ra n df r e q u e n c yo fu l t r a s o u n di s b i g g e ra n dp o r o s i t yo fc o r e i sb i g g e r t h es t u d yo fa t t e n u a t i o no fu l t r a s o u n dp r o v i d e s r e f e r e n c ef o rt h es t u d yo fd a m a g er e l i e v i n gd e p t ho fu l t r a s o u n d t h e n , t h ea r t i f i c i a lc o r e p o l l u t e db yc l a y i st r e a t e db yu l t r a s o u n dt os t u d yt h ed a m a g er e l i e v i n g t h ec o r e sw i t h d i f f e r e n tp e r m e a b i l i t y , l e n g t h sa n dp o r o s i t ya r et r e a t e du s i n gu l t r a s o u n di nt h ec o n d i t i o no f d i f f e r e n tp o w e ra n dd i f f e r e n tt i m e ，w h i c hi su s e dt os t u d yt h ei m p a c to ft h ec o r ep a r a m e t e r s a n du l t r a s o n i cp a r a m e t e r sw h e nu l t r a s o u n di su s e dt or e m o v eb l o c k i n g i ti sp r o v e dt h a tt h e l e n g t ho fd a m a g er e l i e v i n gu s i n gu l t r a s o n i ci sa b o u t7 c m t h en e x ts t e p ，o r t h o g o n a l e x p e r i m e n ti sc o n d u c t e dt os t u d yt h ec o r ep a r a m e t e r sa n du l t r a s o n i cp a r a m e t e r so nt h ei m p a c t o fd a m a g er e l i e v i n gr a n g eo f u l t r a s o u n d ，a n di ti sc o n s i d e r e dt h a tt h eu l t r a s o n i cp o w e ri st h e m o s tc r i t i c a lf a c t o rw h i c ho p t i m i z e st h eu l t r a s o n i cp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cw a v e ，a t t e n u a t i o n ，d a m a g er e l i e v i n g ，d e p t h 1 1 1 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， 本论文不包含其它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：塞! i 噩鱼日期：年月日 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：一型重鱼一一 指导教师签名： 罩：盘圣 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章引言 我国的油藏类型多而复杂，在开采过程中容易受到各种各样的伤害，对油田的正常 生产影响很大，必须采取多种解堵、增产工艺措施。酸化、压裂是解除油层污染的有效 方法，近年来得到了长足的发展。物理法解堵技术具有无伤害、成本低、见效快、可多 次处理、可与其它工艺措施复合等优点，因而受到油田企业的青睐。 超声波解堵技术是以物理、化学作用为基础，在处理地层时，不向地层引入流体， 无造成污染的外来因素，不会再次对油层产生伤害，它几乎可用于油田开采的全过程， 而且工艺简单，操作方便，经济效益高。据国外资料报道，利用超声波处理油井和油层， 可提高原油产量4 0 5 0 ，提高采收率1 0 以上，其成功率可达8 0 以上【1 3 】，因而 具有广阔的应用前景。 大功率超声波处理油层不同于传统的小功率超声波传播，不能采用线性化处理，解 堵深度的研究尽管受到关注，但研究不够深入，不能有效地指导现场试验。本课题采用 平板模型、长管填砂模型、岩心模型等多种模型，研究功率超声在其中的衰减规律；对 污染岩心，采用不同参数的超声波处理，研究解堵效果与超声波处理参数、岩石性质之 间的关系，探索影响超声波解堵深度的因素，并对超声波解堵参数进行了优化。通过研 究，以期为超声波解堵的现场试验提供理论依据，为超声波解堵技术的大规模推广应用 创造条件。 1 2 油层污染对油气田开发的影响 油井堵塞是油气层伤害的表现之一。在进行钻井、完井、采油、增产、修井等各种 作业时，储集层近井地带流体( 包括液流、气流或多相流) 产出或注人能力有任何障碍 出现时，油气层伤害也就随之产生了。不论是钻井、采油、注水开发，还是在提高采收 率的各种作业中，油井堵塞问题都是普遍存在的。对油井堵塞类型进行分类可以更好地、 更经济地、更有针对性地制定解堵措施。根据造成堵塞的原因将堵塞类型分为：地层敏 感、有机物沉积、无机盐析出、颗粒运移、乳化堵塞和细菌堵塞以及开发过程中产生的 其他堵塞物。其中，地层敏感又有水敏、盐酸酸敏、其他酸酸敏、盐敏和速敏等。无机 盐沉淀又细分为铁盐( f e s 、f e s 0 4 、f e ( o h ) 3 ) 堵塞和c a c 0 3 、c a s 0 4 、b a s 0 4 、s r s 0 4 、 第一章引言 c a s i 0 3 堵塞等类型【4 】。 ( 1 ) 无机垢引起的堵塞 无机垢又简称垢。油田最常见的垢是碳酸钙、石膏、硫酸钡、铁垢、氯化物垢、 硅垢等等。垢通常是不相配伍的水混合后或者是打乱了水的热力学平衡而形成的沉淀 物。外来流体与储层岩石作用产生五敏损害。研究表明，五敏侵入深度可达2 到6 c m 【5 1 。 ( 2 ) 有机沉积物引起的堵塞 有机沉积物是压力和温度降低时重烃( 石蜡或沥青) 沉淀而形成的产物。这是蒸馏的 一种形式。它们通常位于油管、孔眼或地层中。尽管地层中有机沉积物的形成机理很复 杂，但其主要的机理是由于流动系统中压力或温度变化。井筒的冷却或者注入冷的施工 液体都可以产生有机沉积物。常见的有机沉积物有石蜡、沥青质、焦油。 ( 3 ) 界面堵塞 界面堵塞指存在于油水界面、固液界面和两( 多) 相界面上的界面张力，它能在地 层多孔介质中产生阻止流体流动的乳化、润湿和水锁作用，可导致严重的堵塞问题。常 见的界面堵塞包括：乳化液、润湿性改变、水锁。 ( 4 ) 外来颗粒堵塞 外来颗粒是指除了自然发生运移的颗粒如粘土或微粒外，在钻井、完井、修井、增 产措施以及二次或三次采油都能向地层引入外来颗粒。外来颗粒可堵塞地层孔隙喉道， 使近井地带发生伤害。常见问题有：孔隙中桥塞、孔眼中堵塞以及高固化液体向天然裂 缝及支撑裂缝系统中的大量滤失。钻井液、完井液等各种工作流体以及压井流体和注入 流体往往含有有害颗粒、杂质、岩屑、砂子等固相污染物质。它们先在正向压差作用下 进入井周围储层堵塞孔喉，然后在井壁附近沉积成泥饼。据g l e a n 、s l u s s e r 、y a n gq a y 、 k r u g e r 等人的研究结果，固相侵入深度达2 到5 c m ，个别地层侵入达1 0 c m 。侵入越深 对储层损害越大【5 】。 ( 5 ) 酸反应及其产物引起的堵塞 酸化增产时会引起许多堵塞问题，如：油管上的伤害物质进入地层；表面活性剂使 油藏变为油湿，特别是缓蚀剂，它还能引起乳化堵塞；水锁；当注人大量酸液时产生沥 青或石蜡沉积【6 】。 油田常规的解堵技术 消除堵塞方法基本分为两大类：一类是物理解堵技术，它是通过物理手段改变堵塞 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 物的形态和分布，改善油流通道阻力；另一类是化学解堵技术，它是通过分析研究不同 堵塞物的化学性质和分布规律，采用不同的化学洗井方法溶蚀、携带、消除堵塞物，降 低通道阻力，以提高原油产量。后来又出现了微生物解堵技术。 ( 1 ) 物理解堵法 超声波解堵技术 超声波是一种机械波，其重要特性在于其功率。传播介质不同，其传播速度也不同 ( 传播速度= 波长频率) ，频率越高，波长越短，介质质点所获得的机械能就越大，所 产生的加速度也就越大，从而使得介质中的压力具有很大的瞬时变化。超声波对流体和 地层的作用大致可分为三个方面，即机械作用、空化作用和热作用。可以解除因蜡、含 油污水、颗粒聚合物产生的污染，进而恢复油层渗透率，还具有降低原油粘度、提高油 层的渗透率作用，是一种先进的物理采油新方法【刀。如图1 1 就是超声波处理油层的示 意图，它说明了超声波采油技术在现场的使用情况。 器 图1 - 1 超声波系统原理示意图【8 1 f i g1 - 1 s k e t c ho fu l t r a s o n i cs y s t e m 超声波采油技术以其成本低，工艺简单，设备人员少，不损害地层，无环境污染， 适用范围广等许多优点受到石油界的广泛重视。国外在6 0 , - - 一7 0 年代将超声波采油技术 投入现场应用，以前苏联、美国为代表的国家在9 0 年代初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 。国内在7 0 年代开始了该技术的探讨，9 0 年代初，开 展了大量的室内实验对超声波的采油机理进行研究，取得不错的成绩。但在现场应用方 面报道很少【9 】。 江苏油田经过几年的研究，终于研制成功大功率容量的新型超声设备，换能器功率 3 第一章引言 容量l o k w ，可在1 0 0 条件下工作，最大有效处理深度为2 6 5 0 m ，为国内最深。同时 开展了大量的室内试验研究，优选了处理工作参数，加上优化选井选层，大大提高了处 理效果，措施有效率8 4 ，投入产出比达1 ：1 0 8 ，该技术在江苏、四j i i 和中原油田进 行了现场应用，取得了显著的增产效果和经济效果1 9 。 电液压解堵技术 液压冲击法是通过在井内液体中高压放电产生的压力脉冲定向传播，选择性处理注 入水波及差的油层，从而达到增产原油和降低含水的目的。其物理实质是高压击穿充满 井内的局部介质，在液体中，脉冲放电具有很高的能量密度，在容积很小的放电孔道内 迅速释放出大量能量，产生大密度的高压等离子体，继而形成强大的冲击波。可以清除 油层孔道的乳化液珠、无机固体、有机固体等沉积物，疏通孔道，解除孔喉堵塞。 电液压处理油层的第二个作用机理是造缝。将油层岩石视为非连续均匀材料，用材 料力学和断缝力学理论来分析脉冲波的造缝机理。在高速加载( 冲击) 条件下材料的断 缝强度明显降低，最大断裂应力一般低于静水柱压力载荷的疲劳强度。脉冲作用使非连 续均匀的岩石内产生相对撕裂的剪切应力，当局部的剪切应力超过疲劳强度时就会产生 微裂缝或宏观裂缝并高速扩展，直到冲击应力与岩石的疲劳应力相平衡时才会停止。这 种高压脉冲波的传播距离超过2 0 0 m ，其作用可达到远井地层1 0 】。岩芯的处理效果不仅 与放电功率有关，而且与岩芯的原始渗透率有关【1 1 】。机械作用是解除地层堵塞的主要机 理之一【1 2 1 。 射流解堵技术 高压射流是一种可控转速的高压旋转射流解堵工具。用油管将该工具连同过滤器、 单向阀、扶正器一起送至井下射孔段顶部后，地面水泥车开泵加压1 5 - 3 0 m p a ，将加 有防膨剂、防蜡剂、粘土稳定剂及活性剂的高压水通过油管、单向过滤器进入旋转射流 发生器，通过喷嘴产生多股径向高压水射流，驱动工具旋转，同时地面作业车缓慢下放 油管，使工具在射孔段边下行边旋转，径向喷出的多股旋转射流不断冲击炮眼并作用于 地层，一方面使地层堵塞物松动脱落，随液体排出，同时使岩石裂缝延伸扩大并产生新 的微裂缝；另一方面可降低原油粘度，改善原油流动性能，提高原油采出程度，从而达 到深穿透解堵、增产、增注的目的【1 0 】。 冲击波解堵 随着油田开发的深入，钻井、作业、洗井污染时有发生，长期注水也对地层造成一 定程度的伤害，导致油层不同程度堵塞。冲击波解堵技术是一种兼顾物理和化学综合作 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 用的解除油层污染措施，可以在一定程度上克服压裂、酸化及其它物理或化学方法的适 应性差、费用高及井底残酸污物难以排尽等问题。 冲击波解堵利用冲击弹在井下有规律地( 分阶段) 燃烧，产生高能量的冲击波并以 一定的增压速度加载于地层，在近井地带形成5 1 5 m 的多条径向多裂缝体系，有效提 高井筒附近地层的渗流能力。火药燃烧产生的气体一部分溶解形成酸液，另一部分以气 泡形式存在液体中，气泡的成长或崩溃过程中会产生一系列反应，气泡破裂时产生瞬时 高压，能粉碎一定尺寸的微粒，使污垢被溶解、分散而得到解除。而燃烧放出的大量热 量可溶解近井地带的蜡质和沥青质、降低原油的粘度，井筒中液体震荡形成的脉冲波能 有效地清除近井地层孔道和炮眼中的胶质和其他固相沉积物的堵塞，从而达到解堵、增 产、增注的目的【”】。火药燃烧产生的气流，一部分直接由井底向井口冲击，另一部分以 冲击波的形式迅速进入地层，随即返回井底向井口冲击，因此在近井地带形成负压区， 在负压作用下，近井油层孔道内的堵塞物会由地层排出，也达到解堵目的【l 4 1 。 高能气体压裂 高能气体压裂是一项用于油气层改造的新兴压裂技术，亦称爆燃压裂、可控脉冲压 裂或多缝压裂。它利用特定的火药或推进剂在油气井的生产层段进行可控燃烧，迅速产 生大量的高温高压燃气，爆炸时火药燃烧释放出大量热量，在绝热条件下使气体温度达 千度以上 1 4 】，对井壁及地层形成脉冲加载来压裂油气层，可以形成自井眼呈放射状展开 的多条径向裂缝，有效地穿透在钻井、完井过程中形成的污染带，清除油气层堵塞物， 并尽可能沟通地层中的天然裂缝，从而改善地层的渗透性，达到增产增注的目的。 高能气体压裂技术突出的特点和优势是： ( 1 ) 无需用大型昂贵的压裂设备和车辆以及大量的压裂液和支撑剂等，费用低廉。 ( 2 ) 工艺简便易行，周期短，基本不受场地限制，对油层无污染，无污水返排问题。 ( 3 ) 压裂增产机理独特，连通天然微细裂缝的可能性较大。 ( 4 ) 技术适应面广。即可用于油、气、水井的近井地带解堵，又可用来形成新裂缝， 也能与其它增产措施结合形成综合增产措施。尤其适用于气井和不宜采用水力压裂或酸 化的水敏及酸敏油气层。 ( 5 ) 可通过优化系统设计，控制压力一时间( p _ ) 过程，达到保护套管的目的。 从总体而言，由于高能气体压裂加载速率较高，从而决定了其适用地层为脆性岩层， 而不适用蠕变性较强的塑性地层，在泥岩地层中反而可能产生“压实效应 1 0 o 适用的 岩性有灰岩、白云质灰岩、白云岩和泥质含量较低的砂岩不适用的岩性是泥岩、泥质含 5 第一章引言 量较高的泥灰岩和泥砂岩等。此外胶结疏松的砂岩地层压裂后可能引起严重出砂问题， 因此选层时应慎重对待【1 5 】。 蒸汽吞吐解堵法【4 】 蒸汽吞吐解堵法利用地面加热装置将水加热成水蒸汽，再注入施工层段，热量使稠 油结蜡升温，粘度降低，流动性增强，从而解除堵塞。改进的蒸汽吞吐法添加辅助化学 剂如降粘剂、防膨剂等功能助剂以进一步增强解堵效果。该技术适用于解除单项的有机 沉积引起的近井地带堵塞，解堵效果明显，但是热能利用率低，有效期短。 ( 2 ) 化学解堵法 化学增产处理就是油井射孔后靠酸液的化学溶蚀作用以及向地层挤酸时的水力作 用来提高地层的渗透性能。其目的在于解除钻井和完井( 射孔孔眼压实带) 等造成的地 层污染堵塞，恢复地层的天然渗透能力，改造低渗透层，打开油流入井通道【1 6 1 。 热化学解堵 热化学解堵技术( t c t ) 是解除气井蜡质堵塞、毛细管“液锁”堵塞的有效方法。 它对地层无污染，施工简单，成本低廉。在发热剂中添加合适的延缓剂和分散剂，通过 调整延缓剂浓度控制反应时间，可以对不同井况和井深进行精确施工。 热化学技术利用亚硝酸盐与铵盐溶液在油层中的放热放气反应以及配方中所添加 的降粘剂，能有效地解除有机沉淀淤积或油垢引起的深部堵塞。热化学处理剂由发热剂、 延缓剂、分散剂等组成。发热剂在延缓剂的控制下发生热化学反应： n a n 0 2 + a 伍= n a c i + 2 个+ 2 h 2 0 + q( 1 1 ) 离子式： n o ；+ 删= 2 个+ 2 日2 0 + q( 1 - 2 ) q 为发热量，可由化学热力学数据求得，即： 篓羊蚪篙篇0 n h ；n o ；篙- 3 3 2 2 型5 8 m o l 掣 m 3 ， 一魍。一l 一蛾。一l = q r 叫 反应产物有氮气、高温热水和氯化钠盐水。 其中盐水对大多数产层无损害，大量的氮气可以提高气井压力，并在较大压力冲击 作用下冲洗气层，把堵塞物和溶解垢一起举升到地面。亚硝酸钠和氯化铵溶液混合后， 通过调节延缓剂的浓度来控制反应速度，通过分散剂分散堵塞物。 常规酸液解堵 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 常规酸液解堵法是一种常用的解堵措施。在近井地带地层注入盐酸( 碳酸盐岩储层) 或盐酸氢氟酸混合液( 砂岩储层) 可溶蚀无机颗粒及造岩矿物，但酸液反应速度快，有 效作用距离短，对低渗透率储层的解堵效果不佳。该技术适用于解除单项的无机物沉淀 及岩石碎屑堵塞，是目前油田普遍使用的方法【4 】。 低伤害缓速酸 由于酸能够溶解地层矿物及钻井或修井作业时漏入底层的泥浆等外来物质，所以被 用于油气井增产措施。溶解上述物质所获得的增产程度取决于很多因素，其中包括选用 的酸处理工艺。常用的酸处理工艺为：酸洗、基质酸化以及压裂酸化。由于较小规模的 酸化措施有可能极大的提高油井产能，所以通常在经济上酸化是有吸引力的。另外，运 用该措施的风险也是不能忽视的，基质酸化涉及复杂的化学和传输现象，这极有可能消 除了一种伤害却产生另外的伤害。 常用的酸化药剂主要有四种：无机酸、有机酸、复合酸( 有机+ 无机) 、低碳混合有 机酸。无机酸酸化药剂主要适用低渗、连通性差，并且油层富铁矿物含量低和胶质、沥 青质、蜡低的油井。有机酸酸化适合有机质( 胶质、沥青质、蜡) 造成的地层堵塞。复 合酸酸化可以起到解除有机、无机堵塞的作用，但是不能解决乳状液堵塞造成的液锁、 水锁伤害。低碳混合有机酸能够解除乳状液堵塞、粘土膨胀、水锁伤害以及有机沉淀。 ( 3 ) 微生物解堵法【1 8 1 微生物解堵技术是目前国内外发展较迅速的一项提高原油采收率的高新生物技术， 以其工艺简单、投资少、见效快、无污染等特点而越来越受到人们的重视。它是指利用 微生物对有机物污染进行解堵。其代谢产生的生物表面活性剂，可改善原油与岩石、原 油与水、水与岩石的界面特性，促进原油流动，增加产能。 微生物与石蜡的代谢物( 有机酸如乳酸、丁酸等，表面活性剂如糖脂、中性脂等， 有机溶剂如乙醇、丁醇等) 均具有很高的表面活性，能激活和清洗岩石表面的固解物， 降低油水界面的张力，疏通井底油层的孔隙通道，从而降低残余油饱和度，达到增加产 量提高原油采收率的目的。微生物菌体可以被油层中的颗粒吸附，使颗粒周围的极性增 强，颗粒与岩石作用力减弱，从而清除一些杂质对岩石孔道的堵塞，起到疏通孔道，提 高渗透率的作用，从而提高油井产能。 2 0 0 5 年大庆油田采油一厂现场施工微生物解堵1 5 口井。有效井数1 4 口，解堵初期 有效率达到9 3 3 ，该1 4 口井解堵后油井产液量、产油量均有不同程度的增加。1 4 口 井解堵前平均单井日产液7 2 1 t ，产油2 0 t ，含水7 3 2 ，沉没度4 2 2 8 9 m ，泵效2 5 0 9 ； 7 第一章引言 解堵后初期平均单井日产液1 5 3 t ，产油4 4 3 t ，含水6 9 9 ，沉没度4 8 5 5 8 m ，泵效 4 6 0 4 。解堵前后对比单井日增液8 0 7 t ，增油2 4 3 t ，沉没度上升6 2 6 9 m ，泵效提高 2 0 9 6 ，累计增液2 0 1 8 9 t ，累计增油4 5 0 0 t ，平均有效期达到2 3 8 天，最长有效期达到 4 5 0 天【1 9 】。 1 4 超声波衰减检测方法【2 0 】 测量衰减系数的方法很多下面介绍几种。 1 、光学法 光学法测量超声波吸收是经典方法，它的优点是光路系统与超声波相互独立，即光 束不扰乱声场，测量原理依然是基于超声光衍射效应。声强不大时，衍射光与声强成正 比，这时只出现正负一级衍射光谱，因此，只要检测出一级衍射光强的变化便可以知道 光束所通过这部分介质中声强的变化。 测量过程中，激光源扩束后经过透镜形成平行光，呗光栏截去部分后形成窄束平行 光通过超声场，零级条纹呗屏蔽后，只让一级衍射光谱射入光点倍增管光电接收窗。通 过前级放大、滤波后送人记录器，记录器驱动同步马达带动超声水槽在垂直光束方向上 水平移动。声源产生高频振荡信号作用在换能器上。当记录器工作时可带动超声水槽移 动。这时记录的强光亦随着发生改变。这样就可以得到衰减系数。此法亦可以测量透明 固体试样的超声衰减。此时，声脉冲衍射的光强波形的高度与声强成正比。利用光学法 还可以对某些不透明样品进行声吸收测量，不过这时将样品放在声源换能器与光束之 间，液槽与光路垂直而且固定不动，测量样品浸入前后第一级衍射光强的变化。这种比 较方法要求样品与液体的声阻抗率相近，以免在样品上发生声反射。 光学法测量声吸收要由光电接受装置测量光强。一般来说，这种装置比较复杂，对 环境也要就无杂散光影响。 2 、脉冲法 利用脉冲法校准换能器可以不必字消声室自由声场中进行，而且脉冲法最为使用。 原理简单，适用与固、液、气多重介质以及不同吸收系数的各种样品材料。 基本脉冲法包括移板法、多次反射法和比较法。移板法即移动反射板以改变声程的 距离，记录不同声程处的反射声脉冲的高度。利用示波器上测量的脉冲幅值来计算声衰 减系数。它只适用与液体介质。多次反射法则使反射板固定不动，或者利用固体试样的 两个平面端面，使声波脉冲在两者之间来回多次反射。它适合于吸收较小的固体、液体 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 介质。比较法可以克服上述两者情况引起的误差，在相同的机械装置条件下，分别测量 标准介质与被测介质的脉冲幅值来计算吸收系数。脉冲法的测量特点是可以使用很高的 频率。 3 、超声干涉仪法 利用驻波原理精确测量声波在媒质中的传播速度的仪器。它也能用来测量媒质中的 声衰减系数，但准确度不高。它有变程干涉仪和定程干涉仪两种基本类型。 变程干涉仪主要由辐射压电晶片和一块可移动的刚性反射板组成，两者严格平行， 中间充满待测流体媒质，两者距离可以精密地调节。为了避免温度、静压等因素对声速 的影响，根据要求的测量准确度，还须采用恒温装置甚至恒压措施。晶片被激发后向媒 质发射平面超声波，经反射板反射，使得晶片和反射板间发生声波的干涉而形成驻波。 这时晶片的辐射阻抗随晶片和反射板间的距离而周期地变化。改变这两者间的距离时， 就可发现晶片的电参量( 电流或端电压) 将随距离周期性变化，在一系列特定距离上相 间出现一系列极大值和极小值。根据驻波原理，相邻两次极大值( 或极小值) 之间所移 动的距离就等于声波的半个波长。精确测定从某一极大( 小) 值开始，到达其后出现咒 个极大( 小) 值时反射板所移动的总距离三，就可求得声波的波长a = 2 l n ，再利用精确测 定的声波频率值万就可求得媒质的声速c - - l f = 2 z f n 。因为频率的测量准确度可以极高， 所以变程干涉仪测量声速的准确度主要限于长度测量的准确度，目前最高约达1 0 4 1 0 。5 的准确度。在上述变程干涉仪的基础上，曾有过多种改进，例如，用一接收晶片代 替反射板，并且利用接受晶片输出电压的极值来进行测量，就是所谓双晶片干涉仪，适 用于测量衰减较大的媒质。变程干涉仪不适用于固体媒质。 定程干涉仪把辐射晶片和反射板( 或接收晶片) 间的距离保持为固定值，而连续调 变发射声波的频率。这时可发现晶片的电参量将在一系列特定频率上相继出现极大值和 极小值。根据相邻两个共振频率之差可求得声速c - 2 d a f o 定程干涉仪测量声速绝对值 的准确度同样限于长度的测量准确度，也仅为1 0 4 1 0 5 的数量级。但因距离为常数， 测量声速变化的准确度却只受频率测量准确度的限制，故可大为提高，达1 0 。的数量级。 用共振曲线的形状还可求得媒质在频率厂时的声衰减系数为0 c = 尢f q e ，式中q 为这时共 振曲线的品质因素，但测量准确度也不高。定程干涉仪的原理可用于固体媒质，把辐射 晶片贴在固体试样的一个端面，另一端面任其自由或贴上接收晶片就可实现测量，但应 考虑所贴晶片对共振频率的贡献而加以修正，故计算公式将较复杂。 9 第一章引言 1 5 超声波解堵深度研究国内外进展 1 5 1 国外研究进展 声波经典吸收理论是在19 世纪建立的，n 2 0 世纪3 0 年代超声技术得到很大发展。大 量研究表明：超声吸收的经典理论只能对单原子气体给出正确描述，而对其他所有情况， 实验值总是大于理论值1 2 1 1 。 b i o t 2 2 研究了各向同性的多孔岩石中，固体与饱和流体之间变形关系的理论。b i o t 认为孔隙流体可以相对于固体流动，并引起粘滞摩擦损耗。根据b i o t 理论，在无限介质 中传播的平面波，将出现两类膨胀波( 纵波) 和一类旋转波( 横波) 。两类纵波中，快纵波 与地震勘探中的纵波相同；慢纵波是一种扩散波，主要出现在各种介质的分界面附近( 包 括不同流体饱和固体之间的分界面以及流体和流体饱和多孔介质之间的任何分界面) ， 衰减非常明显。 2 0 世纪6 0 年代，美国科学家首先进行了超声波油井增产的研究，并且在俄克拉荷马 州华盛顿县的油井中进行了超声采油的矿场试验，试验取得了一定的成效 2 3 1 。室内实验 结果表明：在适当参数的超声波作用下，可使原油通过砂岩时的流速增加2 - 9 倍 2 4 1 。 1 9 7 7 年5 - - 一8 月，前苏联在卡拉让巴斯油田的2 1 8 号探井上进行了超声诱喷试验。 该油田油层压力低，无工业性油流。向井下放入超声波换能器，超声波处理11 5 h ，油井 开始自喷【2 5 1 。 1 9 7 9 年，w i n l d e r 给出了衰减随着应变振幅的增加而增加的实验结果。之后，a z r a 等人也陆续在自己的实验结果中得到了衰减与应变振幅之间的这种关系。由于影响因素 的复杂性导致经典理论模型一直没有研究出来。 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【2 6 璐】。最近 p o e s i o 等口9 】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【3 0 】。 1 5 2 国内研究进展 孙仁远等【3 1 】研究了超声波对多孔介质中单相和两相流动的影响，结果表明，超声波 作用能够改善油水的流态，但从李伟瞰1 等人对超声波作用范围的研究来看，这种作用对 于油层的作用范围是有限的，2 0 k h z 左右的超声波向地层渗入的深度不超过3 c m 。 研究表明超声波采油仍然存在一定的局限性，关键是声波能量向油层辐射效率太 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 低。主要原因是超声波作用仅限于井筒内，只有少量进入油层【3 3 1 。 超声波采油技术则是通过声波处理生产油井、注水井及近井油层，使油层中流体的 物性及流态发生变化，改善井底近井油层的流通条件及渗透性，解除采油井、注水井的 堵塞及油井防垢、除垢、防蜡，提高采液量、原油产量和注水量，降低原油的粘度，提 高原油、水在多孔岩石中的渗透率【3 4 弓7 】。 利用超声波处理油井和油层，可以提高原油产量4 0 5 0 ，提高采收率1 0 以上， 其成功率可达8 0 ，增产期可长达半年以上超声波采油的原理是：当大功率的超声波 进入油层中时，油层中的毛细管直径就会随着超声波的作用发生时大时小的变化当毛 细管直径发生变化时，其表面张力、毛细管力也随之变化，当毛细管半径变大时，表面 张力以半径的平方倍缩小，毛细管力以半径的立方倍缩小，这就使原来毛细管力和重力 的平衡关系被打破束缚在毛细管中的残余油，由于力的平衡关系被打破，就会在重力与 超声波的振动作用下流入井中。此外，在大功率超声波的作用下，油层还会裂开，形成 裂缝，提高原油的渗透率。超声加速原油通过多孔介质时的最佳参数是：工作频率为 2 0 k h z ，声强为1 7 0 d b 3 引。 严炽培【3 9 】等人研究了超声波对多孔岩样渗流速度的影响。结果表明：多孔岩样被泥 浆等污染后，经超声波作用，使油层的渗透率恢复到原来的6 1 - - 8 8 。 孙仁远嗍等人研究了超声波对岩石渗透率的影响。研究表明：超声波作用可以提高 多孔岩石渗透率3 倍以上，停止超声作用后，还有明显的滞后效果。 邵长金【4 1 】等人研究了超声波热效应对渗透率的影响。结果表明，超声热效应在提高 多孔介质渗透率的影响。结果表明，在低温条件下能显著提高多孔岩心渗透率，与振动 作用相比不可忽略。随着温度的升高，作用逐渐减弱。在高温条件下，起主要作用的是 机械振动作用，热效应作用不明显。 2 0 世纪9 0 年代，中国科学院成都传感器研究所研制出了可用于油田井下的大功率 超声波采油机，并在玉门、大庆等油田现场进行了超声波采油技术的试验，使作用油田 油层物性明显好转，流动系数、流度比、比层系数渗透率等均有大幅度提高，取得了比 较理想的效果【4 2 】。 杨永超等【4 3 1 从超声波的性质出发，对超声波油层解堵作用归纳为机械作用、空化作 用和热作用。通过现场试验得出如下结论： f 1 ) 解除因地层造成的堵塞污染效果显著 超声波解堵试验表明，对于油藏物性好、渗透率高、地层压力高的地层，利用超声波技 第一章引言 术解除近井地带堵塞、污染后增产效果极为显著，如p 1 1 1 井，该区渗透率为0 1 2 l m 2 ， 孔隙度达到2 6 3 ，地层压力2 4 3 m p a ，油藏物性好，超声波解堵后，日产液由1 9 4 t 上升到2 8 5 t ，日产油由2 9 t 上升到9 2 t ，日增液9 i t ，日增油6 3 t ，累计增油7 4 3 t 。 ( 2 ) 解除因井下作业造成的堵塞污染效果显著 由于我国油田出砂井逐渐增多，为了保证油井正常生产，出砂后普遍采取挤固砂剂 防砂工艺，但挤固砂剂后油层渗透率变差，如3 1 7 2 1 井、3 1 7 2 7 井均因挤固砂剂使油藏 堵塞而造成产量下降。3 1 7 2 1 井挤固砂剂前日产液1 5 o t ，含水3 5 ，1 9 9 5 年9 月发现 该井出砂严重进行固砂，挤固砂剂后日产液只有8 5 t ，通过分析认为该井挤固砂剂后近 井地带油层堵塞，渗透率下降，因该井含水一直不高，故决定对其实施超声波解堵。超 声波处理后，日产液由原来的9 4 t 上升到1 9 3 t ，日产油由5 5 t 上升到1 1 。1 t ，累计增油 5 8 5 t ，取得了显著的增产效果。 杨吉生等脚】研究发现，当换能器位于套管中心时，只有中心频率厂分别为1 1 5 ，2 1 0 、 3 0 5 、3 9 6 、4 9 0 k h z 时才能向油层辐射能量，对于某一特定频率，换能器只有离开套管 中心位置时，才可能向油层辐射能量。对f = 2 7 0 k h z 的系统进行的实验结果与理论计算 结果相符，因为换能器在不同位置上是以某种概率出现的，以换能器向油层辐射的总能 量将服从一定的概率分布。 张永发等【4 5 】通过在胜利、辽河两油田油样中超声波粘度、声速及吸收衰减的理论与 实验研究，得出结论：当温度升高时，原油的粘度、声速和声衰减系数都呈下降趋势粘 度随温度的变化，胜利油田油样呈指数规律，辽河油田油样呈多项式规律；声速随温度 的变化规律则均为线性的；关于声衰减系数，温度越高，其值变化越缓慢：温度越低， 其值变化越急剧。通过对油样粘温关系、声衰减系数与超声波频率关系、声速与温度关 系、声速方次与温度关系实验数据的拟合及分析，得到了超声波在原油中的声衰减系数 公式的修正公式。 2 0 0 6 年，刘扬、狄鹏等人利用超声波功率5 0 k w ，输出频率5 一4 0 k h z 的大功率超 声波解堵技术先后在张巨河、王徐庄油田实施解堵4 口，有效4 口，工艺成功率1 0 0 ， 油井有效率1 0 0 ，2 0 0 4 年1 月到2 0 0 5 点8 月累计增油3 4 9 6 吨【矧。 张永发等【4 7 1 认为超声波地层解堵是根据超声波对地层多孔介质原油、水、高分子聚 合物等的综合作用，解除油层堵塞和污染，防止污垢沉积，增强岩面湿润性，提高油井 的驱油能力，从而最终提高采收率。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 6 研究内容及技术路线 1 6 1 研究内容 ( 1 ) 超声波在水、砂和孔隙介质中的衰减试验研究 采用不同的模型对水、砂以及岩心进行超声波衰减系数的测量。 ( 2 ) 超声波解堵深度研究 对不同长度、孔隙度的岩心用不同参数的超声波处理，测量超声波处理前后渗透率 的变化情况，研究这些岩心参数和超声波参数对超声波解堵的影响，得出超声波解堵的 深度。 ( 3 ) 影响超声波解堵效果因素优化研究 采用不同的岩性参数、超声波参数来进行正交试验，优化超声波参数。 1 6 2 技术路线 ( 1 ) 设计不同的测量超声波在水、砂、人造岩心中衰减的模型； ( 2 ) 用示波器测量超声波换能器发出的超声波，通过研究各个模型中超声波振幅的 变化来得出超声波在水、砂、人造岩心中的衰减系数； ( 3 ) 选择合适的人造岩心，测量原始渗透率，然后进行粘土污染，静置并测量污染 后的渗透率； ( 4 ) 超声波清洗机采用不同的超声波作用时间和功率处理污染后的岩心，研究超声 波作用时间、功率以及岩心物性参数对超声波解堵的影响，得出超声波解堵深度； ( 5 ) 对超声波参数和岩心参数进行正交试验，优化超声波参数，得到适合超声波解 堵的岩心参数； ( 6 ) 综合超声波衰减和超声波解堵结果，对现场超声波解堵深度做出预测。 1 3 第# 孔隙介质中超 城试试验 21 试验内容 第二章7 l 隙介质中超声波衰减测试试验 本部分的内容为对平板模型、长管模型、特征岩心进行超声波振幅的测量。试验过 程中分别以水和砂为衰减介质在平板模型和长管模型进行超声波的衰减研究，得出超声 波在水和砂中的衰减特性，为实际应用提供依据。特