大功率超聲波油層解堵技術(shù)及應(yīng)用

陳 華 興

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司， 天津 300450)

在油田開發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，從鉆井到完井采油、注水，需實(shí)施各種增產(chǎn)措施，如射孔、酸化、壓裂、檢泵、防砂、事故處理等。在這些措施的實(shí)施過(guò)程中，油水井難以避免外來(lái)顆粒侵入、微粒運(yùn)移、結(jié)垢等損害。由此導(dǎo)致近井地帶堵塞污染，使得有效滲透率降低、油井產(chǎn)量減損，甚至引發(fā)停產(chǎn)和注水井減注。尤其是處于中后期開發(fā)階段的油田，其近井地帶污染已成為普遍問(wèn)題。為了解決此類問(wèn)題，擬研究大功率超聲波油層解堵技術(shù)在油田的應(yīng)用。

超聲波采油作為近幾年在國(guó)內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的物理法采油增產(chǎn)技術(shù)，是通過(guò)強(qiáng)大的聲波能量作用于地層，使油層及流體產(chǎn)生不同的物理、化學(xué)變化，從而改變油層滲流條件，疏通油流通道，創(chuàng)造有利于原油流動(dòng)的環(huán)境，提高原油采收率。超聲波采油技術(shù)以其技術(shù)含量高、投入少、產(chǎn)出高、工藝簡(jiǎn)單以及對(duì)油層和環(huán)境無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)而受到關(guān)注[1-3]。

1 超聲波地層解堵機(jī)理

超聲波具有振動(dòng)傳遞能量的物理性質(zhì)，頻率較高，因而與同類介質(zhì)相比其聲波的波長(zhǎng)短得多，所以超聲波的傳播方向性好、能量大。通常，超聲波對(duì)流體及地層會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)作用、空化作用、熱作用、解聚作用等4方面的作用[4]。

1.1 機(jī)械振動(dòng)作用

超聲波可以使介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生激烈的機(jī)械振動(dòng)，形成強(qiáng)大的單向作用力，并使介質(zhì)粒子的振幅、速度和加速度等參數(shù)發(fā)生顯著變化，從而產(chǎn)生松動(dòng)、邊界摩擦、微裂隙、解聚、沖擊破碎及熱作用，最終達(dá)到解堵、疏通地層空隙的目的。同時(shí)，超聲波機(jī)械振動(dòng)會(huì)在流體中形成輻射壓差，產(chǎn)生聲流作用，使流體強(qiáng)烈流動(dòng)，沖洗出油流孔道，疏通堵塞空隙，從而提高地層滲透率[5]。

1.2 空化作用

超聲波空化作用，是指存在于液體中的微氣核空化泡在超聲波的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)生長(zhǎng)和崩潰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在氣泡被壓縮直至崩潰的一瞬間，其內(nèi)部溫度可升至幾千攝氏度，產(chǎn)生高達(dá)上百兆帕的巨大瞬時(shí)壓力，并伴有強(qiáng)烈的沖擊波和時(shí)速達(dá)400 km 的微射流。這種巨大的瞬時(shí)壓力，可以急劇破壞液體的固體表面，從而達(dá)到解堵的目的?？栈^(guò)程中產(chǎn)生的高溫高壓作用使得高分子分解、化學(xué)鍵斷裂和自由基產(chǎn)生，從而降低原油黏度。

1.3 熱作用

超聲波的熱作用是一種綜合效應(yīng)。首先，超聲波在傳播介質(zhì)內(nèi)部被吸收，聲能轉(zhuǎn)化為熱能。頻率越高，吸收效果越好。其次，在不同介質(zhì)的分界面處，邊界摩擦使油體溫度升高。頻率越高，邊界摩擦越激烈。最后，空化作用使氣泡在崩潰瞬間釋放出大量的熱能，局部溫度可達(dá)上千攝氏度。聲波強(qiáng)度越大，空化作用就越強(qiáng)，熱效應(yīng)也就越顯著。因此，施加高頻、高強(qiáng)度的超聲波，可取得明顯的熱作用效果。

1.4 解聚作用

含有高分子碳?xì)浠衔锏脑土黧w，在高頻、高強(qiáng)度的超聲波作用影響下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，加大了流體分子的加速度，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，大分子被粉碎。在空化作用下，這種解聚作用尤其明顯。首先，超聲波的解聚作用使原油的黏度降低，流速增加；其次，解聚作用使膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的分子鍵斷裂，達(dá)到油層降黏解堵的目的；最后，解聚作用使長(zhǎng)鏈的石蠟分子斷裂，粉碎石蠟晶體，使細(xì)蠟微粒懸浮于油流中，并在較低溫度下熔化，從而達(dá)到防蠟清蠟的目的[6]。

2 超聲波油層解堵設(shè)備構(gòu)成

2.1 設(shè)備組成及工作原理

超聲波油層解堵設(shè)備由核心設(shè)備及絞車兩大部分組成。其中，核心設(shè)備主要包括大功率超聲波電源、井下大功率超聲換能器、專用低損耗超聲波鎧裝電纜、專用馬籠頭、油層定位系統(tǒng)等(見圖1)。

圖1 超聲波油層解堵設(shè)備組成

進(jìn)行超聲波作業(yè)時(shí)，地面超聲波電源發(fā)射出 22 kHz 左右的超聲電功率，經(jīng)超聲波增油專用電纜和超聲波作業(yè)專用馬籠頭將超聲電功率傳輸?shù)骄麓蠊β食晸Q能器；超聲換能器將電功率轉(zhuǎn)化為聲功率，聲波經(jīng)流體耦合進(jìn)入地層，對(duì)油層進(jìn)行超聲解堵處理，解除近井地帶的污染，從而達(dá)到油水井增產(chǎn)增注的目的。

2.2 大功率超聲波電源

超聲波電源是由主電路、控制電路、匹配電路和保護(hù)電路等4部分組成，其作用是將380 V的交變電信號(hào)轉(zhuǎn)變成高頻脈沖信號(hào)，再通過(guò)高頻高壓超聲波專用電纜將信號(hào)傳給井下大功率超聲換能器。

我們研制生產(chǎn)的大功率超聲波電源具有發(fā)射功率大、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。根據(jù)井況設(shè)定參數(shù)后，電源可以通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)完成工作，具有頻率自動(dòng)跟蹤與調(diào)整功能。相關(guān)參數(shù)包括：電源輸入，380 V(±10%)；輸出電功率峰值，≥250 kW；占空比，連續(xù)可調(diào)；輸出頻率，15～30 kHz；工作環(huán)境溫度，-20～70 ℃。

2.3 井下大功率超聲換能器

換能器的作用是將超聲波電源輸入的高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲能，將其作用于油層，以達(dá)到解堵和增加原油流動(dòng)性的目的。換能器由壓電陶瓷發(fā)聲器件、內(nèi)部液體介質(zhì)、保護(hù)筒、接線底座及壓力平衡裝置等部分采取特殊裝配工藝制成，電聲轉(zhuǎn)換效率大，能夠在井下高溫高壓環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作。相關(guān)參數(shù)包括：發(fā)射頻率，20～23 kHz；聲功率峰值，60 kW；長(zhǎng)度，2 330 mm；外徑，89 mm；聲波發(fā)射段長(zhǎng)度，1 m；換能器耐溫，150 ℃；換能器耐壓，60 MPa。

2.4 專用低損耗超聲波傳輸電纜

專用低損耗超聲波鎧裝電纜的質(zhì)量，決定了電源發(fā)射的大功率高頻電信號(hào)能否長(zhǎng)距離有效地傳輸給井下?lián)Q能器。超聲波電纜采用特殊的纜芯和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包敷以優(yōu)質(zhì)的絕緣材料，可有效降低高頻電流在傳輸中的集膚效應(yīng)對(duì)電纜的影響，從而提高傳輸效率。相關(guān)參數(shù)為：載流截面積，18.05 mm2；外徑，16.4 ±0.1 mm；絞盤尺寸(直徑×寬度)，1 100 mm×1 000 mm；拉斷力，不低于7.5 t；工作電壓，≤7 000 V；工作環(huán)境溫度，≤200 ℃。

2.5 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前市場(chǎng)上的大功率超聲波地層處理設(shè)備存在2點(diǎn)不足：

(1) 電源功率不夠大，峰值功率在100 kW左右。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離電纜傳輸后，當(dāng)?shù)竭_(dá)換能器時(shí)功率已經(jīng)偏小。

(2) 脈沖時(shí)間長(zhǎng)，一般在10 ms左右。脈沖時(shí)間長(zhǎng)就意味著到達(dá)峰值功率的過(guò)程緩慢，這會(huì)大大降低解堵效果[7]。

瞬時(shí)觸發(fā)大功率超聲波地層處理設(shè)備有效地克服了以上不足，具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

(1) 脈沖時(shí)間在1 ms以內(nèi)，在極短時(shí)間內(nèi)功率即達(dá)峰值。這種瞬時(shí)觸發(fā)極大地提高了超聲波的發(fā)射沖量，強(qiáng)化了超聲波波束的沖擊作用，使解堵效果大幅提高。

(2) 超聲波電源的發(fā)射功率大。為了適應(yīng)瞬時(shí)觸發(fā)的需要，將電源峰-峰電功率從原來(lái)的240 kW提高到300 kW以上。對(duì)受到電沖擊的功率元器件進(jìn)行篩選和加強(qiáng)功率余量保護(hù)后，能保證在大功率沖擊負(fù)荷的條件下穩(wěn)定可靠地工作。同時(shí)，不管頻率怎樣改變，均能實(shí)現(xiàn)感抗和容抗基本相等、電流電壓相位一致，即自動(dòng)優(yōu)化阻抗匹配，使有效輸出最大化。

(3) 超聲波電源具有頻率自動(dòng)跟蹤與調(diào)整功能。根據(jù)井下溫度壓力、電感電容等變化造成的諧振頻率改變，采用自動(dòng)鎖頻和自動(dòng)匹配控制技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，自動(dòng)調(diào)整輸出頻率和阻抗參數(shù)，使系統(tǒng)的諧振頻率、輸出相位和輸出阻抗自動(dòng)匹配，從而使系統(tǒng)在測(cè)定的諧振頻率下處于最佳工作狀態(tài)。

(4) 自動(dòng)化程度高。根據(jù)井況設(shè)定參數(shù)后，電源能自動(dòng)控制工作，不需要人工調(diào)整。

(5) 電聲轉(zhuǎn)換效率高。井下?lián)Q能器采用了特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)特殊裝配工藝制作而成，可使換能器最大限度地發(fā)揮壓電陶瓷的電聲轉(zhuǎn)換效率，從而提高了換能器的聲功率，確保其在井下高溫高壓環(huán)境中穩(wěn)定工作。

(6) 傳輸效率高。容抗、感抗、電阻、集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等因素都會(huì)對(duì)電纜高頻電信號(hào)傳輸效率產(chǎn)生影響。基于電纜廠家設(shè)計(jì)研發(fā)的超聲波傳輸電纜，對(duì)結(jié)構(gòu)、芯桿、絕緣材料、絕緣層厚等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)改進(jìn)，加大了過(guò)流面積，可確保大功率高頻沖擊電流的傳輸需求，有效地降低了高頻電流在傳輸中的集膚效應(yīng)對(duì)電纜的影響，提高了傳輸效率。

(7) 整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可靠性較高，性能穩(wěn)定，能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作[8]。

3 選井選層原則

大功率超聲波油層解堵技術(shù)，一般適用于各種因地層堵塞造成的減產(chǎn)甚至停產(chǎn)的油井和欠注注水井。如以下幾種情況的井：

(1) 由于蠟堵、垢堵、外來(lái)物質(zhì)堵塞等原因，使得滲透率、產(chǎn)量急劇下降的井，或者鉆井、修井中油層受到傷害及堵塞而采不出油或注不進(jìn)水的井。

(2) 油層黏土含量高，導(dǎo)致產(chǎn)能明顯遞減的油井和水井。

(3) 硬巖層、黏土層等不適宜進(jìn)行常規(guī)水力壓裂的井。

(4) 具有水敏、酸敏等敏感性傷害油層的井。

(5) 一般解堵技術(shù)處理無(wú)效或吸水能力下降的注水井。

作業(yè)目標(biāo)井需滿足以下必要條件：井深≤3 000 m，井斜角≤50°，套管完好無(wú)變形或只有輕微變形。

4 超聲波油層解堵技術(shù)應(yīng)用效果

超聲波油層解堵技術(shù)已在勝利、延長(zhǎng)、吉林、大慶等油田進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[9]。目前，已在600余口油水井實(shí)施了解堵作業(yè)，施工段每米處理時(shí)間為4～6 h，平均單井處理時(shí)間為30 h。解堵工藝成功率為100%，措施有效率達(dá)85%以上，單井平均有效期達(dá)180 d以上，增產(chǎn)增注效果顯著。

在此，以吉林油田民西57-1、民西+61-9油井為例，介紹該技術(shù)的應(yīng)用情況。2017年8月，對(duì)新民采油廠的2口油井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施解堵作業(yè)，措施有效率為100%，平均有效期為180 d以上。截至目前，累計(jì)增油逾200 t，投入產(chǎn)出比為1∶3.56。

民西57-1油井于2008年10月開始投產(chǎn)，初期日產(chǎn)油量為5.20 t，至2012年8月日產(chǎn)油量降至2.80 t。受民西57-3油井鉆停的影響，民西57-1油井在2016年6月的日產(chǎn)油量水平由2.0 t 下降至1.0 t ，鉆停后至超聲波解堵施工前未恢復(fù)產(chǎn)量。采用超聲波解堵作業(yè)解除地層污染，改善水驅(qū)效果，提高產(chǎn)量。該井超聲波解堵施工后的產(chǎn)能水平動(dòng)態(tài)曲線如圖2所示。經(jīng)超聲波解堵處理后，日產(chǎn)液量從1.60 t上升至2.81 t ，日產(chǎn)油量從0.90 t上升至1.66 t，增產(chǎn)率為84%。截至目前，增產(chǎn)仍在延續(xù)，增產(chǎn)效果顯著。

民西+61-9油井于2008年10月投產(chǎn)，初期日產(chǎn)量為8.3 t。2010年1月進(jìn)行分層測(cè)壓，9小層壓力為12.161 MPa，12小層壓力為17.618 MPa。2017年1月測(cè)壓，9小層壓力為12.100 MPa，12小層壓力為12.300 MPa。解堵施工前的日產(chǎn)量?jī)H為0.50 t。壓力分析結(jié)果顯示，區(qū)域能量充足，但油井產(chǎn)狀與靜態(tài)條件不符。通過(guò)超聲波解堵作業(yè)，解除了近井地帶地層污染，改善了水驅(qū)效果，提高了產(chǎn)量。該井產(chǎn)能水平動(dòng)態(tài)曲線如圖3所示。經(jīng)超聲波解堵處理后，日產(chǎn)液量從1.60 t上升至4.03 t，日產(chǎn)油量從0.50 t上升至1.53 t，增產(chǎn)率為206%。截至目前，增產(chǎn)仍在延續(xù)，增產(chǎn)效果顯著。

圖2 民西57-1油井產(chǎn)能水平動(dòng)態(tài)曲線

圖3 民西+61-9井產(chǎn)能水平動(dòng)態(tài)曲線

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可以看出，超聲波解堵技術(shù)在新民采油廠施工的2口油井均有效，日增油量約為1.75 t，效果顯著，而且仍在持續(xù)。超聲波增油的效果較理想，增油效率、增油率都較高，有效時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，且無(wú)污染。

5 結(jié) 語(yǔ)

大功率超聲波處理地層技術(shù)是一種先進(jìn)的物理法采油技術(shù)，環(huán)保性好，無(wú)二次污染，不會(huì)損壞套管。該技術(shù)特別適用于油田中晚期油水井的解堵處理，對(duì)于油層物性好、地層壓力保持程度高、近井地帶堵塞等污染嚴(yán)重的油水井，解堵效果顯著。大功率超聲波處理地層技術(shù)具有施工工藝簡(jiǎn)單、作業(yè)成本低、環(huán)保無(wú)污染、安全可靠的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。建議進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的范圍，尋求更佳的施工工藝。