超聲波提高特低滲儲層水驅(qū)波及體積實(shí)驗(yàn)研究

華強(qiáng)

（濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與化學(xué)工程學(xué)院，河南 濮陽 457000）

0 引言

由于受沉積作用、成巖作用的影響，特低滲儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1-2]，物性極差，流體滲流阻力大[3]，不利于特低滲油藏的高效開發(fā)。特低滲儲層不同于常規(guī)油氣藏[4]，往往具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)[5]及流固耦 合現(xiàn)象[6]、顯著的壓力敏感性[7]、非線性滲流[8]等特點(diǎn)，導(dǎo)致常規(guī)水驅(qū)難以充分波及到特低滲儲層含油區(qū)域[9-10]，尤其物性較差的小孔隙區(qū)域開發(fā)效果更差[11-12]。

近年來，超聲波技術(shù)在油田開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[13]。研究發(fā)現(xiàn)，超聲作用后，水敏性儲層的滲透率提高20%以上[14]，可有效清除儲層內(nèi)部的KCl無機(jī)沉淀堵塞[15]，降低了稠油黏度，降幅最高可達(dá)57%，可減少瀝青質(zhì)在儲層內(nèi)部的沉積,從而提高油田開發(fā)的采收率。

有關(guān)研究雖然證明了超聲波技術(shù)對于改善油田開發(fā)有一定效果，然而，前人對于該技術(shù)的研究多側(cè)重于提高宏觀采收率、稠油降黏等方面的應(yīng)用，尚缺乏超聲作用對特低滲儲層水驅(qū)波及體積的認(rèn)識，且超聲波對儲層特低滲儲層水驅(qū)波及體積的作用機(jī)理尚不清楚。而弄清這些問題對于了解超聲作用、提高特低滲油藏開發(fā)效果，具有重要的意義。

因此，基于現(xiàn)有研究，本文設(shè)計了超聲波作用下的特低滲儲層水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，采用不同滲透率的天然巖心，研究了在流動狀態(tài)下超聲波作用對水驅(qū)波及體積的影響，以期進(jìn)一步夯實(shí)超聲作用提高特低滲儲層水驅(qū)波及體積的理論基礎(chǔ)，并為推廣該技術(shù)在油田現(xiàn)場的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器

1）巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置。設(shè)備型號為HKY-20C，最大驅(qū)替壓力40 MPa，環(huán)壓 0～50 MPa，流量范圍 0.01～10.00 mL/min，工作溫度0～150℃，主要由注入系統(tǒng)、夾持器系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成，用于動態(tài)條件下的巖心滲透率測定。

2）超聲發(fā)生儀。使用濮陽市物理法采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計研制的超聲發(fā)生儀，設(shè)備型號為US-GDS-1036A，由超聲發(fā)生器、固定支架、超級恒溫水浴以及顯示器組成。工作頻率為17～125 kHz，最大輸出功率2 000 W，運(yùn)行溫度為10～110℃。

3）低場核磁共振設(shè)備。設(shè)備型號為MesoMR23-060VI/VTP，磁場強(qiáng)度為0.5±0.08 T，儀器主頻率為21.3 MHz，探頭線圈直徑為60 mm。通過低場核磁共振設(shè)備對含水巖心進(jìn)行核磁共振測試，可獲取實(shí)驗(yàn)巖心孔隙中1H質(zhì)子流體的核磁馳豫信號（T2譜）。

4）巖心氣測滲透率儀和天平。

1.2 材料

實(shí)驗(yàn)巖心樣品采用中國石化中原油田的天然巖心。為了更加直觀地反映超聲作用對不同物性儲層的水驅(qū)波及體積提高效果，本實(shí)驗(yàn)選取了不同滲透率的天然巖心，巖心參數(shù)見表1。由于氘在低場核磁共振中無響應(yīng)信號，可充分研究驅(qū)替介質(zhì)進(jìn)入儲層不同孔隙的情況，因此用氘水配制模擬地層水，飽和實(shí)驗(yàn)巖心，實(shí)驗(yàn)中分別采用純凈水和氘水配制模擬地層水，記作1#模擬地層水、2#模擬地層水，礦化度均為8 000 mg/L，組分質(zhì)量配比 NaCl∶CaCl2=9∶1。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心數(shù)據(jù)

1.3 原理

由核磁共振弛豫機(jī)制可知，在均勻磁場中測量的橫向弛豫時間T2為

式中：T2B為流體的自由弛豫時間，ms；ρ為巖石表面弛豫率，μm/ms；S 為孔隙表面積，m2；V 為孔隙體積，m3。

一般情況下，T2B的數(shù)值遠(yuǎn)大于3 000 ms，T2B?T2，近似為0，此時可以忽略不計，式（1）簡化為

由式 （2）可以看出，T2與儲層巖石孔隙比表面有關(guān)，也就是T2與孔隙大小及其形狀有關(guān)，所以T2能定量表征儲層巖石內(nèi)孔隙大小分布情況以及各種類型孔隙區(qū)域內(nèi)的流體分布。

由式（2）、式（3）得：

式中：r為孔隙半徑，m。

由式（4）可以看出，T2與r成正比，即流體弛豫時間與儲層巖石的孔隙半徑成正比。

通過核磁共振測試所得的T2譜能直接反映1H質(zhì)子流體在儲層巖石中的分布情況：弛豫時間越長，說明對應(yīng)的孔隙半徑越大；而弛豫時間越短，則說明對應(yīng)的孔隙半徑越小。T2曲線所對應(yīng)的面積則反映巖心孔隙中1H流體的體積大小。所以，可通過測試T2譜來定量表征巖石中不同類型的孔隙分布情況。

1.4 步驟

1）將巖心樣品編號，清洗，放入60℃烘箱烘干至質(zhì)量不再變化，測試巖心的基本參數(shù)（氣測滲透率、孔隙度）。

2）將巖心YX-1-1放入巖心夾持器，加環(huán)壓，使用2#模擬地層水進(jìn)行水驅(qū)。為消除速敏效應(yīng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不利影響，在實(shí)驗(yàn)溫度為70℃的條件下，采用泵入速度小于臨界流速，2#模擬地層水泵入速度設(shè)定為0.05 mL/min，保持注入壓力。

3）采用步驟2）中得到的穩(wěn)定注入壓力繼續(xù)恒壓注入1#模擬地層水，以驅(qū)替已經(jīng)飽和巖心YX-1-1的氘水，直至低場核磁共振T2譜穩(wěn)定不變。此過程中，依次記錄不同注入孔隙體積倍數(shù)下的T2譜。

4）啟動超聲發(fā)生儀，采用超聲頻率25 kHz及超聲作用功率600 W，在步驟3）的基礎(chǔ)上繼續(xù)恒壓注入1#模擬地層水，直至低場核磁共振T2譜穩(wěn)定不變。此過程中，依次記錄超聲作用下不同注入孔隙體積倍數(shù)下的T2譜。

5）依次采用巖心 YX-1-2，YX-2，YX-3，YX-4，重復(fù)步驟1）、2），采用步驟4）中的超聲作用參數(shù)，恒壓注入2#模擬地層水，直至低場核磁共振T2譜穩(wěn)定不變。此過程中，依次記錄超聲作用下各巖心不同注入孔隙體積倍數(shù)下的T2譜。

6）處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式（5）計算巖心水驅(qū)波及體積提高幅度。

式中：BE為水驅(qū)波及體積提高幅度，%；SU為超聲處理后T2譜峰面積，m2；S 為超聲作用前 T2譜峰面積，m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波提高特低滲儲層水驅(qū)波及體積實(shí)驗(yàn)

為便于定量分析與討論，本實(shí)驗(yàn)將T2弛豫時間分為3類：小于10 ms，對應(yīng)巖心中小孔隙區(qū)域；10～100 ms，對應(yīng)中孔隙區(qū)域；大于100 ms，對應(yīng)大孔隙區(qū)域，模擬地層水T2譜見圖1。

圖1 模擬地層水T2譜

從圖1可看出，巖心YX-1-1的核磁共振T2譜共有左峰PS、中峰PM、右峰PH，對應(yīng)上述的小孔隙、中孔隙及大孔隙區(qū)域，各峰面積對應(yīng)相應(yīng)孔隙中水體積的多少。對于巖心YX-1-1來說，當(dāng)1#模擬地層水注入孔隙體積倍數(shù)從0.25增大到0.50時，PH峰強(qiáng)度逐漸增大，超過0.50 PV時，PH峰基本穩(wěn)定。這說明注入0.50 PV時，YX-1-1的大孔隙區(qū)域已達(dá)到水驅(qū)平衡狀態(tài)。對于中孔隙區(qū)域來說，注入1.00 PV時，PM峰不再明顯增加，達(dá)到水驅(qū)平衡，對于小孔隙區(qū)域，注入2.00 PV時，才達(dá)到水驅(qū)平衡。

在巖心YX-1-1水驅(qū)平衡的基礎(chǔ)上，超聲作用后的T2譜如圖2所示。當(dāng)注入量達(dá)到1.0 PV時，巖心達(dá)到水驅(qū)驅(qū)替平衡狀態(tài)。隨著模擬地層水的繼續(xù)注入，PH峰強(qiáng)度基本重合，對巖心大孔隙區(qū)域沒有明顯影響，PM峰強(qiáng)度略有增大。在YX-1-1的3種孔隙類型中，PS峰強(qiáng)度增加最為明顯，說明超聲作用可明顯增大特低滲儲層小孔區(qū)域的水驅(qū)波及體積。PM，PS峰強(qiáng)度均高于超聲作用前的T2譜峰強(qiáng)度。這說明，超聲作用可在水驅(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加水驅(qū)波及體積，尤其對于中小孔隙區(qū)域作用效果更為明顯。

圖2 巖心YX-1-1超聲作用后模擬地層水T2譜

對YX-1-2開展超聲波提高特低滲儲層水驅(qū)波及實(shí)驗(yàn)研究，超聲波作用后的T2譜如圖3所示。超聲波作用下，巖心YX-1-2中孔隙區(qū)域水驅(qū)平衡所對應(yīng)的注入孔隙體積倍數(shù)為0.75，小孔隙區(qū)域?qū)?yīng)1.00；而無超聲作用下，巖心YX-1-1的中、小孔隙區(qū)域達(dá)到水驅(qū)平衡所對應(yīng)的注入孔隙體積倍數(shù)分別為1.00，2.00，均明顯大于超聲作用下的對應(yīng)值。這一現(xiàn)象說明超聲作用不僅增大了特低滲儲層的水驅(qū)波及體積，而且也提高了其水驅(qū)速度。這意味著在特低滲油藏水驅(qū)開發(fā)中，在達(dá)到同一水驅(qū)波及效率時，超聲作用可以減少注水量：注水量的減少可緩解水敏性礦物導(dǎo)致的儲層滲透率降低程度，進(jìn)而有可能減少或避免特低滲儲層污染的發(fā)生。

圖3 巖心YX-1-2超聲作用后模擬地層水T2譜

利用式（5）計算了各實(shí)驗(yàn)巖心在超聲作用下水驅(qū)波及體積提高幅度，如圖4所示。在本實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)超聲作用后，各實(shí)驗(yàn)巖心的水驅(qū)波及體積均有較大提高，數(shù)值在10.5%～15.1%。水驅(qū)波及體積提高與巖心滲透率有密切關(guān)系，滲透率越小，波及體積提高越大；滲透率越大，波及體積提高越小，但水驅(qū)波及體積均超過10%，二者呈現(xiàn)較好的對數(shù)關(guān)系。這證明了超聲作用對特低滲儲層水驅(qū)波及體積提高有較好的適應(yīng)性。

圖4 超聲作用對不同巖心提高波及體積的效果

2.2 超聲波提高特低滲儲層水驅(qū)波及體積機(jī)理

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲作用可進(jìn)一步明顯提高巖心中、小孔隙區(qū)域的水驅(qū)波及體積，尤其對小孔隙作用效果更佳。為深入研究超聲作用提高特低滲儲層水驅(qū)波及體積的的內(nèi)在機(jī)制，開展以下相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

選擇不同的超聲功率對1#模擬地層水進(jìn)行處理，研究水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)隨超聲功率的變化規(guī)律。從圖5可以看出，隨著超聲功率的增大，模擬地層水的17O-NMR譜線寬逐漸變窄。水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)是依賴水分子之間的氫鍵相互作用而形成，所以水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的改變與水分子間的氫鍵作用力有關(guān)。超聲功率的升高會導(dǎo)致水分子間氫鍵的破裂。從比熱容的角度看，氣態(tài)水和固態(tài)水分別是 37.46，37.65 J/（mol·K），基本一致；液態(tài)水的比熱容是 76.02 J/（mol·K）。隨著超聲波功率的提高，聲能轉(zhuǎn)化成水內(nèi)能的速度更快，溫度不斷升高，水的汽化會加劇，從而導(dǎo)致水分子間氫鍵的持續(xù)斷裂，而水的汽化需要大量能量，這一點(diǎn)與液態(tài)水比熱容大于氣態(tài)水非常吻合。

圖5 不同超聲功率下17O-NMR半峰寬

隨著超聲功率的增大，空化作用不斷變強(qiáng)，模擬地層水的17O-NMR半峰寬迅速減??；當(dāng)超聲功率超過600 W時，半峰寬隨超聲功率增大而減小的趨勢逐漸減緩，產(chǎn)生減緩的原因在于600 W后的溫升效應(yīng)趨緩以及超聲聲能的逸散。半峰寬的改變證明了超聲作用對水分子間氫鍵締合作用有明顯的影響，進(jìn)而改變了水分子三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。大分子變成小分子，產(chǎn)生的小分子水能更順暢地進(jìn)入特低滲儲層的小孔隙區(qū)域，而單個水分子直徑為0.40 nm，遠(yuǎn)小于特低滲儲層的孔喉直徑（微米級），單個水分子直徑不到特低滲儲層孔喉直徑的千分之一，而0℃環(huán)境中氫鍵化所致的簇狀結(jié)構(gòu)中水分子個數(shù)約為400[16]，理論上小分子水可順利進(jìn)入小孔隙區(qū)域。這能很好地解釋超聲作用下中、小孔隙區(qū)域達(dá)到水驅(qū)平衡所對應(yīng)的注入孔隙體積倍數(shù)均小于常規(guī)水驅(qū)的現(xiàn)象。超聲作用不僅能提高特低滲儲層的水驅(qū)波及體積，并且能進(jìn)一步提高此類油藏的水驅(qū)開發(fā)速度。

從圖6可看出，超聲作用導(dǎo)致水溫明顯上升。隨著超聲功率增大，水溫變化基本劃分了3個階段：1）緩慢升溫階段，超聲功率為200～600 W，超聲作用逐漸產(chǎn)生空化泡，空化泡的湮滅導(dǎo)致水溫升高。2）快速升溫階段，超聲功率為600～1 000 W，超聲波作用產(chǎn)生的空化泡湮滅速度加大，產(chǎn)生的熱能迅速被水吸收，溫度迅速上升。3）穩(wěn)定階段。超聲功率大于1000W以后，此時水溫升高到一定程度，空化泡增速減緩，能量吸收逐漸穩(wěn)定，溫升速度減小直至穩(wěn)定不變。

圖6 超聲作用后的溫升效應(yīng)

溫度的變化意味著水分子運(yùn)動加劇，這將影響到水分子間的氫鍵作用，水分子的轉(zhuǎn)動引起氫鍵的斷裂，而氫鍵的變化又影響了水分子的幾何構(gòu)型。溫度的升高導(dǎo)致氫鍵不斷減弱，氫鍵的斷裂及超聲空化作用導(dǎo)致部分水分子的脫離，使得水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變小，均有利于特低滲儲層小孔隙區(qū)域水驅(qū)波及體積的提高。

研究發(fā)現(xiàn)，模擬地層水黏度隨超聲功率增大而逐漸減小。如圖7所示，模擬地層水黏度降幅達(dá)到15.23%，超聲功率超過600～800 W以后，降幅變小，這與本文2個實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。超聲導(dǎo)致水黏度的降低有利于水驅(qū)滲流阻力的減小，有助于注入水進(jìn)入以前無法進(jìn)入的區(qū)域，從而從整體上提高水驅(qū)波及體積。

圖7 超聲作用后的水黏度

3 結(jié)論

1）超聲作用可以在水驅(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高特低滲儲層的水驅(qū)波及體積10.5%～15.1%，且超聲波可提高水驅(qū)開發(fā)速度，這有利于減少油田開發(fā)所需的注水量及特低滲儲層污染的產(chǎn)生。

2）超聲作用可減小水分子間氫鍵作用，從而改變水分子的簇狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的小分子水可進(jìn)入特低滲儲層的小孔隙區(qū)域，使特低滲儲層小孔隙區(qū)域水驅(qū)波及體積增幅大于大、中孔隙區(qū)域。

3）超聲作用可降低水的黏度，提高水溫，從而減小注入水的驅(qū)替阻力，提高特低滲儲層的水驅(qū)波及體積。