超声波解除岩心钻井液堵塞实验研究

谷潇雨，蒲春生，王 蓓，李天太，许洪星，胡晓龙

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065;2.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛266580;3.长庆油田公司油气工艺研究院，陕西 西安710018;4.中石油新疆油田公司采油二厂，新疆克拉玛依834008)

目前，针对钻井液堵塞严重的储层，通常采取强氧化剂复合酸化解堵，但措施成本较高，且对人员及环境存在安全隐患。超声波解堵技术具有高效低成本、对环境及储层无污染、储层适应性强等特点［1］。近些年，随着超声技术的长足发展，超声波解堵技术的优势逐渐凸显，逐步引起国内外石油工作者的重视，先后开展了大量的室内研究和矿场试验工作。但针对特定污染类型的超声波解堵效果、影响因素及规律仍缺乏系统研究，尤其是针对超声波解除钻井液堵塞的研究鲜有报道。本文利用自主研制的超声波采油动态实验装置和钻井液伤害的人造均质岩心样品，开展超声波处理近井钻井液堵塞室内模拟研究，分析了超声波频率、超声波功率、处理时间及岩心渗透率等参数对超声波解堵效果的影响规律，并将超声波、化学剂单独解堵与超声波—化学复合解堵效果作了对比［2-8］。

1 实验原理与方法

1.1 实验装置

实验使用自制的超声波采油动态实验装置(图1)，该装置根据波动采油原理、驱替机理等模拟地层压力、温度条件，借助于计算机技术、传感器技术对岩心进行各种实验，以研究超声波场对岩石、流体、储层堵塞物的物化性质影响规律;模拟油藏在超声波场条件下岩心伤害后渗透率恢复情况，进行波场近井处理效果室内评价等。装置主要包括ISCO泵、高温高压中间容器、环压泵、特制岩心夹持器、超声波换能器、超声波发生器、压力及流量计量系统、恒温箱等(图1)。装置的核心是超声波系统，其工作原理是将由大功率超声波发生器产生的高频电信号经特种传输电缆传至压电发射换能器，经换能器将高频电信号转化为超声波后传输到岩心截面，完成超声波处理过程。为了研究各因素对超声波解堵效果的影响，实验选择的超声波参数见表1。

表1 不同超声波换能器参数Tab.1 Ultrasonic parameters

1.2 实验材料与药品

氯化钠、氯化钾、氯化镁、盐酸、氢氟酸等，分析纯。胜利油田钻井液 SLZJY;人造岩心(直径2.5 cm，长8 cm)，气测渗透率分别为30 ×10—3μm2，80 ×10—3μm2，150 ×10—3μm2;蒸馏水;标准盐水(组分质量配比 NaCl∶CaCl2∶MgCl2·6H2O=7∶0.6∶0.4，矿化度20 000 mg/L)。

1.3 实验方法

(1)岩心饱和标准盐水，放入夹持器加环压后，开始水驱，待岩心两端压差稳定后，按达西定律计算岩心初始液测渗透率Ki;

(2)停止水驱，反向注入2倍孔隙体积的钻井液，关闭岩心两端阀门2 h;

(3)正向开始水驱，待岩心两端压力稳定后，计算钻井液伤害后岩心液测渗透率Kd;

(4)压力稳定后，开始使用1号换能器间歇式处理岩心(作用10 min间歇5 min)，待累计处理时间达到60 min后，停止超声波处理，计算超声波处理后岩心液测渗透率Kt;

(5)重复(1)—(4)，分别改用2～6号换能器处理岩心。以岩心渗透率恢复率(Kt—Kd)/Ki为评价指标，优选出解堵效果最佳的超声波换能器;

(6)重复(1)—(3)，使用优选出的换能器，改变超声波累计处理时间，研究处理时间对解堵效果的影响;

(7)重复(1)—(3)，待Kd稳定后，反向注入2倍孔隙体积盐酸质量分数9%、氢氟酸质量分数3%的土酸溶液，正向水驱，直至岩心两端压力稳定后，计算化学剂解堵后的岩心渗透率。

(8)重复(1)—(3)，使用优选出的换能器在最佳处理参数(频率22 kHz、功率1 000 W、时间60 min)情况下，与土酸溶液复合解除岩心钻井液伤害。复合处理结束后，待岩心两端压力稳定时，计算超声波—化学复合解堵后的岩心渗透率。

2 结果与讨论

为了优选解除钻井液伤害效果最佳的超声波换能器，对比超声波累计处理时间均为60 min情况下的解堵效果，结果见表2。

表2 超声波累计处理60 min解除岩心钻井液伤害结果Tab.2 Removing core damage results by ultrasonic treating 60 min

由表2可以看出，超声波处理后，各组实验中岩心渗透率均有不同程度的提高，表明超声波能有效解除岩心钻井液伤害。其中，在岩心气测渗透率30×10—3μm2和150 ×10—3μm2段中 2 号超声波换能器解除钻井液效果最佳，(Kt—Kd)/Ki最大值分别为26.39%、20.14%;岩心气测渗透率80 ×10—3μm2段中3号超声波换能器解堵效果最佳，(Kt—Kd)/Ki最大值为23.19%。受多种因素诸如岩心物理性质、超声波换能器形状和处理参数等影响，1、2、3号换能器与4、5、6号换能器实验中超声波解除岩心钻井液伤害效果相差较大。从整体效果来看，2号换能器为优选结果。

2.1 超声波功率对解堵效果的影响

不同超声波换能器对解堵效果的影响曲线见图2。由图2可知，1、2、3号超声波换能器解除岩心钻井液堵塞效果明显优于4、5、6号超声波换能器，这主要受控于超声波换能器功率大小:1、2、3号超声波换能器功率均为1 000 W，3号和4号超声波换能器功率仅为60 W，6号超声波换能器功率为200 W。超声波换能器功率越小，则岩心实际得到的能量越少，超声波解堵效果变差。超声波解除岩心钻井液堵塞效果与实际作用到岩心上的超声波能量大小有关，而作用到岩心上的超声波能量与换能器功率大小有直接关系。

2.2 超声波频率对解堵效果的影响

为了研究超声波频率对解堵效果的影响，分别将功率相同的超声波换能器解堵结果作对比，见图2。由图2可知，功率相同的1、2、3号超声波换能器解堵效果相差不大，频率稍低的2号超声波换能器解堵效果稍优于高频率的3号换能器;4号和5号超声波换能器功率相同，频率相对较低的4号超声波换能器解堵效果稍好;1号超声波换能器频率低，但解堵效果较2号和3号换能器差。分析是由于其频率为18 kHz，超声波能量会以声的形式耗散掉一部分，同时，其岩极距(换能器端面到岩心的距离)较长，且中间充满液体，加剧了超声波能量的耗散。以上结果表明，超声波频率对超声波解除岩心钻井液堵塞影响并不显著，但从整体上有随频率降低解堵效果变好的趋势。超声波在液体中的传播衰减系数与频率的平方成正比，故频率越大超声波衰减系数变大，超声能量的耗散也就越严重。

2.3 岩心渗透率对解堵效果的影响

用1—6号超声波换能器分别处理被钻井液伤害的不同渗透率岩心的效果如图3所示。由图可知，不同超声波换能器得到的实验曲线变化趋势基本一致，即岩心渗透率越小，超声波解堵效果越好。这与实验用到的钻井液种类有关，所用钻井液为低固相聚合物钻井液，岩心伤害主要是由聚合物堵塞引起。这样随着岩心渗透率的增加，岩心孔道半径增大，则聚合物在岩心孔道中更易形成强度较高的网状结构，从而增加了超声波解堵难度，导致超声波解堵效果变差。

2.4 处理时间对解堵效果的影响

使用优选出的2号换能器处理气测渗透率为30×10—3μm2、150 ×10—3μm2段岩心，使用 3 号超声波换能器处理80×10—3μm2段岩心，研究超声波处理时间对解堵效果的影响，结果见图4。3个渗透率段的岩心在超声波初始作用阶段(0～40 min)，岩心渗透率的恢复率均大幅度提高;随着处理时间的增加，累计处理60 min后，渗透率的恢复率逐渐平稳;累计处理80～100 min后，各渗透率段岩心渗透率的恢复率均取得最大值，说明超声波解除钻井液效果达到最佳。累计处理时间对解堵效果的影响主要受控于超声空化现象。空化时瞬间产生的高温、高压及伴随产生的剧烈冲击波和高速微射流能有效剥离堵塞微粒，扩大岩心孔隙半径、解离聚合物大分子，显著降低流体黏度。但较长时间的空化现象将造成超声能量的大量耗散，减少实际作用到岩心上的能量。同时，岩心出口端超声空化产生的激波及高压不利于流体流出，表现为测得的渗透率有所降低。故从作用效果与经济角度考虑，超声波处理时间存在一个最优范围。本实验最优处理时间为60 min。

2.5 超声波辅助化学解堵效果评价

超声波解除岩心钻井液堵塞主要是靠超声空化、机械振动等作用，与化学法解除钻井液堵塞机理明显不同，二者复合使用利用其协同效应提高解堵效果。实验使用优选出的超声波换能器在最佳超声波处理参数下(频率22 kHz、功率1 000 W、时间60 min)做超声波—化学复合解堵实验，并与单独超声波、化学剂解堵效果作对比，见表3。

表3 超声波、化学剂及其复合解堵效果比较Tab.3 Result comparison of ultrasonic，mud acid and ultrasonic—mud acid combination deplugging

由表3可以看出，超声波—化学复合解堵效果明显优于单独超声波、单独化学剂解堵效果，复合解堵与二者单独解堵效果相比，岩心渗透率的恢复率提高了21%～31%。超声—化学复合作用解除岩心钻井液堵塞除了兼有超声波解堵机理和化学解堵机理外，超声波和化学剂还能产生协同效应:超声波能提高化学剂的活性，促进化学反应进行，提高化学解堵效果;化学剂作用，可降解部分有机大分子，且化学作用能改变钻井液固相微粒在孔道中的受力状态，使超声波解堵、疏通孔道等效果变得更加显著。

3 结论

(1)超声波作用能有效解除岩心钻井液伤害，单独超声波处理岩心渗透率的恢复率可达27%。

(2)岩心初始渗透率、超声波累计处理时间、超声波功率及频率等均会影响超声波解堵效果。超声波功率越大，解堵效果越好;超声波频率对解除岩心钻井液堵塞效果影响不大，但超声波频率降低，解堵效果有变好的趋势;超声波累计处理时间达到60 min后，岩心渗透率的恢复率趋于平稳，累计处理80～120 min，超声波解除钻井液堵塞效果最佳;岩心渗透率越低，超声波解除钻井液堵塞效果越好。

(3)超声波—化学剂具有协同效应，复合解堵岩心渗透率的恢复率平均可达50.93%，复合解堵效果明显优于二者单独解堵效果。

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