超声波采油原理及应用效果

2013-12-14张晓东周亚楠

地下水 2013年1期

张晓东，程鑫，马轮，周亚楠，石月，杨刚

(西北大学地质学系，陕西西安710069)

上世纪五六十年代，美国和前苏联首先将超声波技术运用于油田增产，并取得了显著效果。目前，超声波采油发展出了诸如声波降粘、防蜡、脱水、乳化破乳、解堵、除垢、增注等一系列新技术，已成为一种经济可行、自动化程度较高的采油工艺。我国超声波采油技术的真正兴起始于八十年代初，经过大庆油田、玉门油田的实践，取得了显著效果。而超声波采油技术在陕北低渗透油藏的应用效果目前少有报道，因此我们选取陕北志丹ZK区块进行试验。

1 超声波采油

用超声波处理油层，实际上是将超声波作用多孔介质岩石骨架和孔隙中的饱和流体(石油、水和天然气)，改善饱和流体的流动性，从而达到提高油井产液量及原油采收率的目的。

1.1 降低流体的粘度

高强度的超声波作用使油层烃类高分子聚合物具有较大的加速度，剧烈机械振动造成形成分子间的相对运动，在分子的惯性作用下，高分子化合物的分子键断裂，高分子被降解，致使原油粘度降低，有利于提高水驱效率及采收率。

1.2 新生微裂缝

当超声波在储层内传播时，由于油、水及储层介质的声阻抗特性不同，会发生不同声波之间的耦合作用，在自由界面或两种介质的交界处激发新波，新波之间因存在干涉作用会造成应力集中现象，称为会聚效应。会聚效应造成不连续的应力分布，可在岩石抗拉强度较小处形成微裂缝而不破坏整个岩层的结构。

1.3 超声波解堵

流体因其粘滞性而在孔道中形成的附面层，对储层毛管孔隙的有效半径影响很大。随着附面层长期吸附油层流体内的细小固体物质，就可造成油层的堵塞。由于超声波具有极强的穿透能力，当其强度和频率达到一定值时将产生空化现象(声波会使液体中的微气泡发生共振。在声波的稀疏阶段和压缩阶段，小气泡迅速地胀大或湮灭，在湮灭的瞬间，小气泡内部可达到几千度的高温，几千到几万个大气压)，可以破坏、剥落附面层，从而达到解堵效果。如图1所示，从岩芯解堵实验(王瑞飞，2006)可以看出超声波解堵效果十分明显。

图1 超声波解堵曲线

1.4 超声波防蜡

生产过程中的清蜡防蜡一直是困扰油田正常生产的技术难题。超声波降粘防蜡的基本原理是:当含蜡原油在流经发生器时激发振荡系统而产生强烈的机械振动，声波以强烈的交变压力作用于传播介质，并处理波场流体及周围介质，起到搅拌、分散、解聚降粘的作用，并使蜡晶不易聚集长大，达到降粘防蜡延长油井结蜡周期的目的。

1.5 超声波防垢

在原油生产过程中，当地层水矿化度较高时，容易在管路及抽油设备上造成严重结垢，影响设备的使用寿命，缩短检泵周期，严重影响油田的正常生产。研究表明，超声波作用可以有效地防止或延缓结垢现象的发生，其防垢率最低达85%以上(张建国，2001)，比一般的化学防垢效果要好。

2 超声波采油的应用

2.1 选井原则

为使中晚期油井的开发准确、高效，经实践总结，确定了以下选井原则:(1)严重污染的油井，因结垢、结蜡造成堵塞的油井及钻井或其它作业时污染的油水井;(2)在注水井中，一般处理吸水能力严重下降的井;(3)对水、酸较敏感的油层;(4)距水线较近而长期不能实施压裂的井。

2010年我们在陕北志丹ZK区块进行试验，通过以上选井原则，分别选取 Z63-1、Z63-5、Z45-2、Z47-3、Z40-6、Z27-7六口生产井进行超声波处理。其中Z45-2、Z47-3、Z40-6、Z27-7这四口井生产作业时间均超过7年，有不同程度的堵塞;而Z63-1、Z63-5两口井属同一井组，因其注水井吸水能力严重下降，故对其注水井同时进行调驱处理。

2.2 主要仪器设备及工艺流程

超声波处理油层系统包括:地面声波—超声波大功率发生器;油井用特种传输电缆;井孔大功率压电发射换能器三大部分。如图2所示。施工时将井下换能器用普通射孔电缆送至油层部位，由相应的电源提供电能，地面发生机产生脉冲波、超声波和电功率振荡信号，经电缆传输给大功率发射型换能器，由换能器将电功率振荡信号转换成机械振动能——声波，由传播载体——原油介质(油、水、气等)耦合进入油层，达到解除污染、堵塞，提高近井地带地层渗透性的目的。

2.3 陕北志丹ZK区块试验数据结果(见表1)。

表1 超声波处理油层井增产效果统计表

3 试验效果分析

陕北志丹区块的井下地质类型为低渗透砂岩类，然而储层渗透率对试验结果能产生多大程度的影响，尚不可知。但在注水条件下，即油井地层能量得到补充的情况下，用超声波处理后产液量明显会增加。Z45-3井产液量含水达到100%，试验前后并无变化、但产液量明显增加，说明超声波在近井地带发生了空化效应，一定程度破坏了孔喉结构和附着面，起到了很好的解堵效果;油井Z40-6及Z27-7经超声波处理后，当日产液量在含水率基本不变的情况下均有不同程度的增加，可见超声波处理油井的效果与油层自身条件关系密切，油层渗透性越低，原油粘度越大，超声波在油层内的衰减越快;对油井Z45-2进行超声波处理后，取少量样液与试验前该井的产出液对比，流体黏度有明显的降低，可见超声波降黏效果比较理想;对于井Z63-1和Z63-5，试验效果不甚理想，分析原因，这两口井都处于一次开采后期，地层能量较低，虽然超声波有很好的降黏和解堵效果，但是没有足够的地层能量将地下流体采出。

选井对试验结果也有较大影响，不同类型的油井，经超声解堵作业，其产生的效果不尽相同。对于因泥浆浸泡、压井、结蜡及其它原因造成井近地带层污染堵塞的井，采用超声波技术解堵效果较好;对于油层厚度大，出油能力差的井，适当延长超声波处理时间，可获得更好的处理效果。另外仪器设备长时间工作在井下恶劣环境中，影响仪器参数的因素众多，温度及压力等因素都会影响最终结果。