超聲波采油原理及應(yīng)用效果

張曉東，程 鑫，馬 輪，周亞楠，石 月，楊 剛

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069)

上世紀(jì)五六十年代，美國(guó)和前蘇聯(lián)首先將超聲波技術(shù)運(yùn)用于油田增產(chǎn)，并取得了顯著效果。目前，超聲波采油發(fā)展出了諸如聲波降粘、防蠟、脫水、乳化破乳、解堵、除垢、增注等一系列新技術(shù)，已成為一種經(jīng)濟(jì)可行、自動(dòng)化程度較高的采油工藝。我國(guó)超聲波采油技術(shù)的真正興起始于八十年代初，經(jīng)過(guò)大慶油田、玉門油田的實(shí)踐，取得了顯著效果。而超聲波采油技術(shù)在陜北低滲透油藏的應(yīng)用效果目前少有報(bào)道，因此我們選取陜北志丹ZK區(qū)塊進(jìn)行試驗(yàn)。

1 超聲波采油

用超聲波處理油層，實(shí)際上是將超聲波作用多孔介質(zhì)巖石骨架和孔隙中的飽和流體(石油、水和天然氣)，改善飽和流體的流動(dòng)性，從而達(dá)到提高油井產(chǎn)液量及原油采收率的目的。

1.1 降低流體的粘度

高強(qiáng)度的超聲波作用使油層烴類高分子聚合物具有較大的加速度，劇烈機(jī)械振動(dòng)造成形成分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在分子的慣性作用下，高分子化合物的分子鍵斷裂，高分子被降解，致使原油粘度降低，有利于提高水驅(qū)效率及采收率。

1.2 新生微裂縫

當(dāng)超聲波在儲(chǔ)層內(nèi)傳播時(shí)，由于油、水及儲(chǔ)層介質(zhì)的聲阻抗特性不同，會(huì)發(fā)生不同聲波之間的耦合作用，在自由界面或兩種介質(zhì)的交界處激發(fā)新波，新波之間因存在干涉作用會(huì)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，稱為會(huì)聚效應(yīng)。會(huì)聚效應(yīng)造成不連續(xù)的應(yīng)力分布，可在巖石抗拉強(qiáng)度較小處形成微裂縫而不破壞整個(gè)巖層的結(jié)構(gòu)。

1.3 超聲波解堵

流體因其粘滯性而在孔道中形成的附面層，對(duì)儲(chǔ)層毛管孔隙的有效半徑影響很大。隨著附面層長(zhǎng)期吸附油層流體內(nèi)的細(xì)小固體物質(zhì)，就可造成油層的堵塞。由于超聲波具有極強(qiáng)的穿透能力，當(dāng)其強(qiáng)度和頻率達(dá)到一定值時(shí)將產(chǎn)生空化現(xiàn)象(聲波會(huì)使液體中的微氣泡發(fā)生共振。在聲波的稀疏階段和壓縮階段，小氣泡迅速地脹大或湮滅，在湮滅的瞬間，小氣泡內(nèi)部可達(dá)到幾千度的高溫，幾千到幾萬(wàn)個(gè)大氣壓)，可以破壞、剝落附面層，從而達(dá)到解堵效果。如圖1所示，從巖芯解堵實(shí)驗(yàn)(王瑞飛，2006)可以看出超聲波解堵效果十分明顯。

圖1 超聲波解堵曲線

1.4 超聲波防蠟

生產(chǎn)過(guò)程中的清蠟防蠟一直是困擾油田正常生產(chǎn)的技術(shù)難題。超聲波降粘防蠟的基本原理是:當(dāng)含蠟原油在流經(jīng)發(fā)生器時(shí)激發(fā)振蕩系統(tǒng)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，聲波以強(qiáng)烈的交變壓力作用于傳播介質(zhì)，并處理波場(chǎng)流體及周圍介質(zhì)，起到攪拌、分散、解聚降粘的作用，并使蠟晶不易聚集長(zhǎng)大，達(dá)到降粘防蠟延長(zhǎng)油井結(jié)蠟周期的目的。

1.5 超聲波防垢

在原油生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)?shù)貙铀V化度較高時(shí)，容易在管路及抽油設(shè)備上造成嚴(yán)重結(jié)垢，影響設(shè)備的使用壽命，縮短檢泵周期，嚴(yán)重影響油田的正常生產(chǎn)。研究表明，超聲波作用可以有效地防止或延緩結(jié)垢現(xiàn)象的發(fā)生，其防垢率最低達(dá)85%以上(張建國(guó)，2001)，比一般的化學(xué)防垢效果要好。

2 超聲波采油的應(yīng)用

2.1 選井原則

為使中晚期油井的開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確、高效，經(jīng)實(shí)踐總結(jié)，確定了以下選井原則:(1)嚴(yán)重污染的油井，因結(jié)垢、結(jié)蠟造成堵塞的油井及鉆井或其它作業(yè)時(shí)污染的油水井;(2)在注水井中，一般處理吸水能力嚴(yán)重下降的井;(3)對(duì)水、酸較敏感的油層;(4)距水線較近而長(zhǎng)期不能實(shí)施壓裂的井。

2010年我們?cè)陉儽敝镜K區(qū)塊進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)以上選井原則，分別選取 Z63-1、Z63-5、Z45-2、Z47-3、Z40-6、Z27-7六口生產(chǎn)井進(jìn)行超聲波處理。其中Z45-2、Z47-3、Z40-6、Z27-7這四口井生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間均超過(guò)7年，有不同程度的堵塞;而Z63-1、Z63-5兩口井屬同一井組，因其注水井吸水能力嚴(yán)重下降，故對(duì)其注水井同時(shí)進(jìn)行調(diào)驅(qū)處理。

2.2 主要儀器設(shè)備及工藝流程

超聲波處理油層系統(tǒng)包括:地面聲波—超聲波大功率發(fā)生器;油井用特種傳輸電纜;井孔大功率壓電發(fā)射換能器三大部分。如圖2所示。施工時(shí)將井下?lián)Q能器用普通射孔電纜送至油層部位，由相應(yīng)的電源提供電能，地面發(fā)生機(jī)產(chǎn)生脈沖波、超聲波和電功率振蕩信號(hào)，經(jīng)電纜傳輸給大功率發(fā)射型換能器，由換能器將電功率振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能——聲波，由傳播載體——原油介質(zhì)(油、水、氣等)耦合進(jìn)入油層，達(dá)到解除污染、堵塞，提高近井地帶地層滲透性的目的。

2.3 陜北志丹ZK區(qū)塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果(見(jiàn)表1)。

表1 超聲波處理油層井增產(chǎn)效果統(tǒng)計(jì)表

3 試驗(yàn)效果分析

陜北志丹區(qū)塊的井下地質(zhì)類型為低滲透砂巖類，然而儲(chǔ)層滲透率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果能產(chǎn)生多大程度的影響，尚不可知。但在注水條件下，即油井地層能量得到補(bǔ)充的情況下，用超聲波處理后產(chǎn)液量明顯會(huì)增加。Z45-3井產(chǎn)液量含水達(dá)到100%，試驗(yàn)前后并無(wú)變化、但產(chǎn)液量明顯增加，說(shuō)明超聲波在近井地帶發(fā)生了空化效應(yīng)，一定程度破壞了孔喉結(jié)構(gòu)和附著面，起到了很好的解堵效果;油井Z40-6及Z27-7經(jīng)超聲波處理后，當(dāng)日產(chǎn)液量在含水率基本不變的情況下均有不同程度的增加，可見(jiàn)超聲波處理油井的效果與油層自身?xiàng)l件關(guān)系密切，油層滲透性越低，原油粘度越大，超聲波在油層內(nèi)的衰減越快;對(duì)油井Z45-2進(jìn)行超聲波處理后，取少量樣液與試驗(yàn)前該井的產(chǎn)出液對(duì)比，流體黏度有明顯的降低，可見(jiàn)超聲波降黏效果比較理想;對(duì)于井Z63-1和Z63-5，試驗(yàn)效果不甚理想，分析原因，這兩口井都處于一次開(kāi)采后期，地層能量較低，雖然超聲波有很好的降黏和解堵效果，但是沒(méi)有足夠的地層能量將地下流體采出。

選井對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有較大影響，不同類型的油井，經(jīng)超聲解堵作業(yè)，其產(chǎn)生的效果不盡相同。對(duì)于因泥漿浸泡、壓井、結(jié)蠟及其它原因造成井近地帶層污染堵塞的井，采用超聲波技術(shù)解堵效果較好;對(duì)于油層厚度大，出油能力差的井，適當(dāng)延長(zhǎng)超聲波處理時(shí)間，可獲得更好的處理效果。另外儀器設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作在井下惡劣環(huán)境中，影響儀器參數(shù)的因素眾多，溫度及壓力等因素都會(huì)影響最終結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

超聲波采油技術(shù)見(jiàn)效迅速、增油效果明顯。它不僅適用常規(guī)油氣藏的開(kāi)采，也適用于低滲透砂巖油藏開(kāi)采過(guò)程。通過(guò)陜北ZK區(qū)塊的試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論:

1)在陜北低滲油田，對(duì)于因堵塞、結(jié)蠟產(chǎn)能嚴(yán)重下降的油井，一般進(jìn)行常規(guī)的超聲波處理就可以有增產(chǎn)效果，如果地層壓力偏低、能量弱，需要同時(shí)進(jìn)行調(diào)剖堵水處理，這樣增產(chǎn)效果會(huì)更加理想;

2)對(duì)于水淹井，超聲波處理后產(chǎn)液量有所提高，但含水率仍然100%。處理這種情況，需要結(jié)合調(diào)驅(qū)或者壓裂等方法進(jìn)行綜合作業(yè)。

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