基于超聲波巖心驅(qū)油系統(tǒng)研究

朱強

【摘要】油田油井開采過程中，油層因原油種類的繁多而產(chǎn)生堵塞，這是導致油井產(chǎn)量下降的重要因素，嚴重地制約了油井的開發(fā)。設(shè)計以超聲波理論為基礎(chǔ)，結(jié)合實驗室模擬油井實驗，深入地研究了超聲波方式降低原油粘度、解決油井堵塞的機理。設(shè)計并制作了電子電路，分析了超聲波各類參數(shù)對巖心驅(qū)油的影響。根據(jù)實驗結(jié)果優(yōu)化了驅(qū)油系統(tǒng)的工藝參數(shù)，得出了優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)下的原油降粘率。

【關(guān)鍵詞】超聲波;降粘;巖心驅(qū)油;原油

1.引言

我國油田油井大多數(shù)為陸相沉積，并且油藏類型特別繁多。因此開發(fā)一套增加油氣產(chǎn)量的技術(shù)顯得尤為重要。傳統(tǒng)增產(chǎn)技術(shù)有一定效果，但是開發(fā)成本高、污染嚴重等因素直接縮減了技術(shù)的發(fā)展。而超聲波技術(shù)屬于物理技術(shù)，非接觸式方式可進行無損處理，它的潛在優(yōu)勢更是受國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。超聲波已被用于生產(chǎn)生活中的各個領(lǐng)域，例如采油時的解堵、防蠟、脫水、防垢等。在國外，超聲波技術(shù)已經(jīng)廣為推廣，油井生產(chǎn)中產(chǎn)量提高百分之四十以上，原油提取量提高百分之十以上。在國內(nèi)，自上世紀五十年代以來，超聲波技術(shù)已取得了顯著的成就[1]。本文以超聲波理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個完整的實驗室平臺，對巖心的油層進行研究，分析超聲波對油層的作用。改變超聲波的頻率、功率、作用時間、原油環(huán)境等參數(shù)，得出實驗數(shù)據(jù)，并優(yōu)化實驗。

2.超聲波驅(qū)油理論研究

2.1 超聲波遵循幾何光學定律

本系統(tǒng)所采用的超聲波具有非常類似的光學傳輸規(guī)律。例如超聲波可以發(fā)生反射、折射、散射等等。經(jīng)過更深入的了解和研究以后發(fā)現(xiàn)，超聲波的頻率越高，光學特性越顯著，也就越靠近光波。根據(jù)這一理論特性，利用不同波長的超聲波的不同影響來促使油層發(fā)生不同反應(yīng)，以實現(xiàn)各種應(yīng)用場合[2]。

2.2 超聲波的吸收特性

超聲波的吸收系數(shù)如下[3]：

（1）

根據(jù)上面公式可以看出，與音頻或者低頻聲波相比較，超聲波在物體介質(zhì)中的吸收作用更大，并且超聲波在介質(zhì)中的傳播距離更短。經(jīng)過試驗證明，超聲波的頻率越大吸收作用越強，傳播距離也越短。超聲波的吸收作用在氣體介質(zhì)中的效果最強，固體介質(zhì)中效果最弱，在液體介質(zhì)中的效果介于二者之間。

2.3 超聲波功率

超聲波在介質(zhì)中傳播時的平均功率可用如下公式表示：

（2）

公式中Pa表示最大聲壓幅值，ua表示最大值點的速度，Pz表示的是有效聲壓幅值，而uz為有效質(zhì)點速度。

通過對上述公式的觀察，很容易得出，超聲波的功率會遠大于音頻聲波或者低頻聲波。由于這種突出優(yōu)勢使得超聲波在各個領(lǐng)域中廣泛使用。當超聲波傳入媒介以后，介質(zhì)中的物質(zhì)會隨著超聲波而振動，并且振動頻率與超聲波頻率保持一致。因而介質(zhì)物質(zhì)由于振動所獲得了能量，大小與介質(zhì)分子質(zhì)量成正比，與介質(zhì)的振動速度的平方成正比。

利用這一運動過程，超聲波所產(chǎn)生的機械能為介質(zhì)分子提供較高的加速度，這是利用超聲波對物質(zhì)進行處理、改變的主要原因。

3.巖心超聲波驅(qū)油系統(tǒng)設(shè)計

本實驗采用三個不同巖心滲透率的巖心，巖心的長度為5cm，直徑為2.5cm，滲透率分別為30*10-3 um2、150*10-3 um2、300*10-3 um2。巖心超聲波驅(qū)油實驗在實驗室環(huán)境中進行，常溫常壓。通過不同參數(shù)因素定量分析實驗所得數(shù)據(jù)，研究超聲波對油層巖心滲透率的相應(yīng)，進而得出超聲波驅(qū)油效果。

本實驗采用的實驗裝置如圖1所示：

圖1 超聲波作用巖心實驗裝置

如圖1所示的裝置中，1處代表巖心的夾持器，2處表示巖心，3處代表測量壓力系統(tǒng)裝置，4代表超聲波換能器，5處代表超聲波發(fā)生器，6處為巖心高壓泵，7處為量筒。

4.巖心超聲波驅(qū)油實驗

4.1 超聲波頻率對巖心驅(qū)油效果的影響

頻率是超聲波的固有屬性，是將超聲波與其他聲波區(qū)分出來的重要因素。因此超聲波對巖心的作用也起著相當大的作用[4]。因此有必要對超聲波頻率進行單因素分析，設(shè)其他參數(shù)不變，采用不同頻率的超聲波作用于巖心。

三個巖心滲透率段30*10-3 um2、150*10-3 um2、300*10-3 um2所對應(yīng)的流速分別為1.5ml/min、3ml/min、5ml/min。通過測壓系統(tǒng)觀察巖心兩端壓力，在壓力基本穩(wěn)定的情況下，測量液體體積，同時記錄時間，三個巖心滲透率段均取三塊巖心進行測量，最終取其平均值作為巖心原始液測滲透率。根據(jù)實驗結(jié)果繪制出巖心滲透率與超聲波頻率之間的關(guān)系圖：

圖2 巖心滲透率恢復(fù)率與超聲波頻率的關(guān)系曲線

如圖2所示三個滲透率的恢復(fù)率與超聲波的頻率關(guān)系走勢基本相同，相應(yīng)規(guī)律基本一致。關(guān)系曲線中出現(xiàn)了一個極值，即三種滲透率在28KHz附近時巖心的驅(qū)油效果最好。每個超聲波頻率范圍內(nèi)都會產(chǎn)生相似的驅(qū)油效果。

4.2 超聲波作用時間對巖心驅(qū)油效果的影響

根據(jù)上一節(jié)的實驗結(jié)果，選出不同滲透率驅(qū)油效果最好的頻率，以此為基礎(chǔ)的實驗研究超聲波作用時間對巖心層解堵的效果[5]。依然選用三種滲透率的巖心分別為30*10-3 um2、150*10-3 um2、300*10-3 um2。在優(yōu)選的頻率范圍內(nèi)，并且調(diào)整好超聲波的輸出功率，分別對三種巖心作用不同時間，然后測量出此刻巖心的滲透率，反復(fù)測量后得出實驗結(jié)果。

圖3 不同滲透率段巖心的滲透率恢復(fù)率與超聲波累計作用時間關(guān)系曲線

根據(jù)圖3所示的信息可以得出，對于30*10-3 um2、150*10-3 um2滲透率的巖心來說，超聲波的作用時間小于50分鐘時，滲透率會隨著作用時間的增加而加大，并且增長幅度較大。而超聲波作用時間超過50分鐘以后滲透率會上下浮動，且幅度較小，近似趨近于穩(wěn)定。而對300*10-3 um2滲透率的巖心而言，超聲波的作用時間小于30分鐘時，恢復(fù)率增長幅度較小。當作用時間在30分鐘到50分鐘區(qū)間內(nèi)時恢復(fù)率增長幅度有了明顯的提高。50分鐘以后恢復(fù)率趨近于穩(wěn)定。

根據(jù)該實驗可知，超聲波作用時間對三種滲透率的巖心的作用趨勢基本相同，從環(huán)境、經(jīng)濟等因素考慮后，應(yīng)該將趨近于穩(wěn)定的時間點作為超聲波驅(qū)油的作用時間。

5.結(jié)束語

本設(shè)計介紹了三種滲透率段的巖心實驗，其中超聲波作用后的巖心滲透率會隨著超聲波頻率的增加而改變，并且出現(xiàn)了一個峰值。該峰值對于三種滲透率的巖心均為28KHz。因此可以得出，頻率為28KHz左右的超聲波驅(qū)油效果最佳。超聲波的作用累積時間在50分鐘以內(nèi)時巖心滲透率的恢復(fù)率逐漸增大。而超過50分鐘以后恢復(fù)率變化幅度很小，并且趨近于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，為了避免資源以及經(jīng)濟上的浪費，超聲波的作用時間約為50分鐘，去油效果最佳。

參考文獻

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[3]中國機械工程學會無損檢測學會編.超聲波檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

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