超聲波解除巖心鉆井液堵塞實(shí)驗(yàn)研究

谷瀟雨，蒲春生，王 蓓，李天太，許洪星，胡曉龍

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島266580;3.長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院，陜西 西安710018;4.中石油新疆油田公司采油二廠，新疆克拉瑪依834008)

目前，針對(duì)鉆井液堵塞嚴(yán)重的儲(chǔ)層，通常采取強(qiáng)氧化劑復(fù)合酸化解堵，但措施成本較高，且對(duì)人員及環(huán)境存在安全隱患。超聲波解堵技術(shù)具有高效低成本、對(duì)環(huán)境及儲(chǔ)層無(wú)污染、儲(chǔ)層適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)［1］。近些年，隨著超聲技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，超聲波解堵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，逐步引起國(guó)內(nèi)外石油工作者的重視，先后開(kāi)展了大量的室內(nèi)研究和礦場(chǎng)試驗(yàn)工作。但針對(duì)特定污染類(lèi)型的超聲波解堵效果、影響因素及規(guī)律仍缺乏系統(tǒng)研究，尤其是針對(duì)超聲波解除鉆井液堵塞的研究鮮有報(bào)道。本文利用自主研制的超聲波采油動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置和鉆井液傷害的人造均質(zhì)巖心樣品，開(kāi)展超聲波處理近井鉆井液堵塞室內(nèi)模擬研究，分析了超聲波頻率、超聲波功率、處理時(shí)間及巖心滲透率等參數(shù)對(duì)超聲波解堵效果的影響規(guī)律，并將超聲波、化學(xué)劑單獨(dú)解堵與超聲波—化學(xué)復(fù)合解堵效果作了對(duì)比［2-8］。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用自制的超聲波采油動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)，該裝置根據(jù)波動(dòng)采油原理、驅(qū)替機(jī)理等模擬地層壓力、溫度條件，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)對(duì)巖心進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，以研究超聲波場(chǎng)對(duì)巖石、流體、儲(chǔ)層堵塞物的物化性質(zhì)影響規(guī)律;模擬油藏在超聲波場(chǎng)條件下巖心傷害后滲透率恢復(fù)情況，進(jìn)行波場(chǎng)近井處理效果室內(nèi)評(píng)價(jià)等。裝置主要包括ISCO泵、高溫高壓中間容器、環(huán)壓泵、特制巖心夾持器、超聲波換能器、超聲波發(fā)生器、壓力及流量計(jì)量系統(tǒng)、恒溫箱等(圖1)。裝置的核心是超聲波系統(tǒng)，其工作原理是將由大功率超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電信號(hào)經(jīng)特種傳輸電纜傳至壓電發(fā)射換能器，經(jīng)換能器將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波后傳輸?shù)綆r心截面，完成超聲波處理過(guò)程。為了研究各因素對(duì)超聲波解堵效果的影響，實(shí)驗(yàn)選擇的超聲波參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同超聲波換能器參數(shù)Tab.1 Ultrasonic parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與藥品

氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、鹽酸、氫氟酸等，分析純。勝利油田鉆井液 SLZJY;人造巖心(直徑2.5 cm，長(zhǎng)8 cm)，氣測(cè)滲透率分別為30 ×10—3μm2，80 ×10—3μm2，150 ×10—3μm2;蒸餾水;標(biāo)準(zhǔn)鹽水(組分質(zhì)量配比 NaCl∶CaCl2∶MgCl2·6H2O=7∶0.6∶0.4，礦化度20 000 mg/L)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)巖心飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水，放入夾持器加環(huán)壓后，開(kāi)始水驅(qū)，待巖心兩端壓差穩(wěn)定后，按達(dá)西定律計(jì)算巖心初始液測(cè)滲透率Ki;

(2)停止水驅(qū)，反向注入2倍孔隙體積的鉆井液，關(guān)閉巖心兩端閥門(mén)2 h;

(3)正向開(kāi)始水驅(qū)，待巖心兩端壓力穩(wěn)定后，計(jì)算鉆井液傷害后巖心液測(cè)滲透率Kd;

(4)壓力穩(wěn)定后，開(kāi)始使用1號(hào)換能器間歇式處理巖心(作用10 min間歇5 min)，待累計(jì)處理時(shí)間達(dá)到60 min后，停止超聲波處理，計(jì)算超聲波處理后巖心液測(cè)滲透率Kt;

(5)重復(fù)(1)—(4)，分別改用2～6號(hào)換能器處理巖心。以巖心滲透率恢復(fù)率(Kt—Kd)/Ki為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出解堵效果最佳的超聲波換能器;

(6)重復(fù)(1)—(3)，使用優(yōu)選出的換能器，改變超聲波累計(jì)處理時(shí)間，研究處理時(shí)間對(duì)解堵效果的影響;

(7)重復(fù)(1)—(3)，待Kd穩(wěn)定后，反向注入2倍孔隙體積鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%、氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的土酸溶液，正向水驅(qū)，直至巖心兩端壓力穩(wěn)定后，計(jì)算化學(xué)劑解堵后的巖心滲透率。

(8)重復(fù)(1)—(3)，使用優(yōu)選出的換能器在最佳處理參數(shù)(頻率22 kHz、功率1 000 W、時(shí)間60 min)情況下，與土酸溶液復(fù)合解除巖心鉆井液傷害。復(fù)合處理結(jié)束后，待巖心兩端壓力穩(wěn)定時(shí)，計(jì)算超聲波—化學(xué)復(fù)合解堵后的巖心滲透率。

2 結(jié)果與討論

為了優(yōu)選解除鉆井液傷害效果最佳的超聲波換能器，對(duì)比超聲波累計(jì)處理時(shí)間均為60 min情況下的解堵效果，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 超聲波累計(jì)處理60 min解除巖心鉆井液傷害結(jié)果Tab.2 Removing core damage results by ultrasonic treating 60 min

由表2可以看出，超聲波處理后，各組實(shí)驗(yàn)中巖心滲透率均有不同程度的提高，表明超聲波能有效解除巖心鉆井液傷害。其中，在巖心氣測(cè)滲透率30×10—3μm2和150 ×10—3μm2段中 2 號(hào)超聲波換能器解除鉆井液效果最佳，(Kt—Kd)/Ki最大值分別為26.39%、20.14%;巖心氣測(cè)滲透率80 ×10—3μm2段中3號(hào)超聲波換能器解堵效果最佳，(Kt—Kd)/Ki最大值為23.19%。受多種因素諸如巖心物理性質(zhì)、超聲波換能器形狀和處理參數(shù)等影響，1、2、3號(hào)換能器與4、5、6號(hào)換能器實(shí)驗(yàn)中超聲波解除巖心鉆井液傷害效果相差較大。從整體效果來(lái)看，2號(hào)換能器為優(yōu)選結(jié)果。

2.1 超聲波功率對(duì)解堵效果的影響

不同超聲波換能器對(duì)解堵效果的影響曲線見(jiàn)圖2。由圖2可知，1、2、3號(hào)超聲波換能器解除巖心鉆井液堵塞效果明顯優(yōu)于4、5、6號(hào)超聲波換能器，這主要受控于超聲波換能器功率大小:1、2、3號(hào)超聲波換能器功率均為1 000 W，3號(hào)和4號(hào)超聲波換能器功率僅為60 W，6號(hào)超聲波換能器功率為200 W。超聲波換能器功率越小，則巖心實(shí)際得到的能量越少，超聲波解堵效果變差。超聲波解除巖心鉆井液堵塞效果與實(shí)際作用到巖心上的超聲波能量大小有關(guān)，而作用到巖心上的超聲波能量與換能器功率大小有直接關(guān)系。

2.2 超聲波頻率對(duì)解堵效果的影響

為了研究超聲波頻率對(duì)解堵效果的影響，分別將功率相同的超聲波換能器解堵結(jié)果作對(duì)比，見(jiàn)圖2。由圖2可知，功率相同的1、2、3號(hào)超聲波換能器解堵效果相差不大，頻率稍低的2號(hào)超聲波換能器解堵效果稍優(yōu)于高頻率的3號(hào)換能器;4號(hào)和5號(hào)超聲波換能器功率相同，頻率相對(duì)較低的4號(hào)超聲波換能器解堵效果稍好;1號(hào)超聲波換能器頻率低，但解堵效果較2號(hào)和3號(hào)換能器差。分析是由于其頻率為18 kHz，超聲波能量會(huì)以聲的形式耗散掉一部分，同時(shí)，其巖極距(換能器端面到巖心的距離)較長(zhǎng)，且中間充滿液體，加劇了超聲波能量的耗散。以上結(jié)果表明，超聲波頻率對(duì)超聲波解除巖心鉆井液堵塞影響并不顯著，但從整體上有隨頻率降低解堵效果變好的趨勢(shì)。超聲波在液體中的傳播衰減系數(shù)與頻率的平方成正比，故頻率越大超聲波衰減系數(shù)變大，超聲能量的耗散也就越嚴(yán)重。

2.3 巖心滲透率對(duì)解堵效果的影響

用1—6號(hào)超聲波換能器分別處理被鉆井液傷害的不同滲透率巖心的效果如圖3所示。由圖可知，不同超聲波換能器得到的實(shí)驗(yàn)曲線變化趨勢(shì)基本一致，即巖心滲透率越小，超聲波解堵效果越好。這與實(shí)驗(yàn)用到的鉆井液種類(lèi)有關(guān)，所用鉆井液為低固相聚合物鉆井液，巖心傷害主要是由聚合物堵塞引起。這樣隨著巖心滲透率的增加，巖心孔道半徑增大，則聚合物在巖心孔道中更易形成強(qiáng)度較高的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加了超聲波解堵難度，導(dǎo)致超聲波解堵效果變差。

2.4 處理時(shí)間對(duì)解堵效果的影響

使用優(yōu)選出的2號(hào)換能器處理氣測(cè)滲透率為30×10—3μm2、150 ×10—3μm2段巖心，使用 3 號(hào)超聲波換能器處理80×10—3μm2段巖心，研究超聲波處理時(shí)間對(duì)解堵效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。3個(gè)滲透率段的巖心在超聲波初始作用階段(0～40 min)，巖心滲透率的恢復(fù)率均大幅度提高;隨著處理時(shí)間的增加，累計(jì)處理60 min后，滲透率的恢復(fù)率逐漸平穩(wěn);累計(jì)處理80～100 min后，各滲透率段巖心滲透率的恢復(fù)率均取得最大值，說(shuō)明超聲波解除鉆井液效果達(dá)到最佳。累計(jì)處理時(shí)間對(duì)解堵效果的影響主要受控于超聲空化現(xiàn)象?？栈瘯r(shí)瞬間產(chǎn)生的高溫、高壓及伴隨產(chǎn)生的劇烈沖擊波和高速微射流能有效剝離堵塞微粒，擴(kuò)大巖心孔隙半徑、解離聚合物大分子，顯著降低流體黏度。但較長(zhǎng)時(shí)間的空化現(xiàn)象將造成超聲能量的大量耗散，減少實(shí)際作用到巖心上的能量。同時(shí)，巖心出口端超聲空化產(chǎn)生的激波及高壓不利于流體流出，表現(xiàn)為測(cè)得的滲透率有所降低。故從作用效果與經(jīng)濟(jì)角度考慮，超聲波處理時(shí)間存在一個(gè)最優(yōu)范圍。本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)處理時(shí)間為60 min。

2.5 超聲波輔助化學(xué)解堵效果評(píng)價(jià)

超聲波解除巖心鉆井液堵塞主要是靠超聲空化、機(jī)械振動(dòng)等作用，與化學(xué)法解除鉆井液堵塞機(jī)理明顯不同，二者復(fù)合使用利用其協(xié)同效應(yīng)提高解堵效果。實(shí)驗(yàn)使用優(yōu)選出的超聲波換能器在最佳超聲波處理參數(shù)下(頻率22 kHz、功率1 000 W、時(shí)間60 min)做超聲波—化學(xué)復(fù)合解堵實(shí)驗(yàn)，并與單獨(dú)超聲波、化學(xué)劑解堵效果作對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3 超聲波、化學(xué)劑及其復(fù)合解堵效果比較Tab.3 Result comparison of ultrasonic，mud acid and ultrasonic—mud acid combination deplugging

由表3可以看出，超聲波—化學(xué)復(fù)合解堵效果明顯優(yōu)于單獨(dú)超聲波、單獨(dú)化學(xué)劑解堵效果，復(fù)合解堵與二者單獨(dú)解堵效果相比，巖心滲透率的恢復(fù)率提高了21%～31%。超聲—化學(xué)復(fù)合作用解除巖心鉆井液堵塞除了兼有超聲波解堵機(jī)理和化學(xué)解堵機(jī)理外，超聲波和化學(xué)劑還能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng):超聲波能提高化學(xué)劑的活性，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，提高化學(xué)解堵效果;化學(xué)劑作用，可降解部分有機(jī)大分子，且化學(xué)作用能改變鉆井液固相微粒在孔道中的受力狀態(tài)，使超聲波解堵、疏通孔道等效果變得更加顯著。

3 結(jié)論

(1)超聲波作用能有效解除巖心鉆井液傷害，單獨(dú)超聲波處理巖心滲透率的恢復(fù)率可達(dá)27%。

(2)巖心初始滲透率、超聲波累計(jì)處理時(shí)間、超聲波功率及頻率等均會(huì)影響超聲波解堵效果。超聲波功率越大，解堵效果越好;超聲波頻率對(duì)解除巖心鉆井液堵塞效果影響不大，但超聲波頻率降低，解堵效果有變好的趨勢(shì);超聲波累計(jì)處理時(shí)間達(dá)到60 min后，巖心滲透率的恢復(fù)率趨于平穩(wěn)，累計(jì)處理80～120 min，超聲波解除鉆井液堵塞效果最佳;巖心滲透率越低，超聲波解除鉆井液堵塞效果越好。

(3)超聲波—化學(xué)劑具有協(xié)同效應(yīng)，復(fù)合解堵巖心滲透率的恢復(fù)率平均可達(dá)50.93%，復(fù)合解堵效果明顯優(yōu)于二者單獨(dú)解堵效果。

［1］ 楊莉，姚建華，羅平亞.鉆井液常見(jiàn)污染問(wèn)題及處理方法探討［J］.鉆井液與完井液，2012，29(2):47-50.

［2］ Higdon，Muldowney.Resistance functions for spherical particles，droplets and bubbles in cylindrical tubes［J］.Journal of Fluid Mechanics，1995(298):193-210.

［3］ Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid:Low-frequency range［J］.J Acoust Soc Amer，1956(a，b)28:168-178，179-191.

［4］ Dvorkin J，Nur A.Dynamic poroelasticity:A unifed model with the squirt and the Biot mechanisms［J］.Geophysics，1993，58(4):524-533.

［5］ Dvorkin J R，Nolen-Hoeksema，Nur A.The squirt-flow mechanism:macroscopic description［J］.Geophysics，1994，59(3):428-438.

［6］ Dvorkin J，Mavko G，Nur A.Squirt flow in fully saturated rocks［J］.Geophysics，1995，60(1):97-107.

［7］ Poesio P，Ooms G.Removal of particle bridges from a porous material by ultrasonic irradiation ［J］.Transport in Porous Media，2007，66:235-257.

［8］ Hamida T.The Influence of Ultrasonic Energy on Capillary Fluid Displacement［J］.SPE，2006，106521-STU:1-30.