超声波采油在稠油油藏中的应用分析

常广涛

（ 中国石油大学（ 北京）石油工程学院，北京 102249）

稠油指的是在油层条件下粘度（ 不脱气） 大于50 mPa·s 的原油，或脱气油粘度大于100 mPa·s 的原油，通常所说的重油、沥青都属于稠油范围。 由于稠油具有粘度高，原油流动性差的特点，因而不能采用常规的开采技术，如天然能量、人工注水等。 常规的开采方法包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、SAGD、火烧油层等热力采油方法。 我国拥有储量丰富的稠油， 主要分布在辽河油田、胜利油田以及新疆克拉玛依油田等地。 数据表明，全世界范围内稠油产量占石油总产量的十分之一，而我国稠油远景储量为175 亿t， 年产量1 300 万t 左右[1]，因而稠油的增产潜力巨大，对于维持国内原油产量可持续发展、 降低原油对外依存度具有非常重要的意义。

超声波采油是近几十年发展起来的一项新的物理采油技术。 由于超声波采油具有一系列常规采油手段不具备的优点（ 比如，对储层无污染、无伤害，设备简单成本低、增产效果明显等等），因而受到国内外越来越高的重视。

1 国内外研究现状

超声波采油是从20 世纪50 年代发展起来的新的采油技术。美国和前苏联在这方面发展较快，进行了大量的研究和矿场应用，并逐渐演变为《 采油声学》这门学科。 中国在这方面起步较晚，20 世纪70 年代开始了声波采油技术的研究，80 至90 年代在国内玉门、大庆等油田形成了超声波采油的应用高潮， 并研制了一系列超声波采油设备，取得了较为成功的应用效果。总结国内外在超声波采油方面几十年的研究发展历程，总体可以分为理论研究和矿场应用两个方面。

1.1 理论研究现状

国 外，1965 年，Duhon 和Campbll[2]研 究 了 超 声 波对孔隙介质中流体流动特性的影响， 发现超声波能够提高水驱采收率。 1977 年，Cherskiy[3]通过实验得出超声波作用下的水湿岩石渗透率急剧增长。 1995 年，Venkitaraman[4]把超声波作用于被钻井液污染的岩心，实验表明， 岩心的渗透率得到有效恢复。 2002 年，Poesio 等[5]把超声波作用于饱含流体的孔隙介质，发现岩心的流压下降， 作者认为这是由于超声波的热效应导致了流体粘度的降低。 国内，1989 年，严炽培等[6]研究了超声波对污染岩心渗透率的影响， 结果发现岩心被钻井液污染后，经过超声波作用，渗透率恢复到原来的61 %～88 %。1993 年，黄序韬等[7]进行了超声波对原油粘度影响的相关实验研究，在40 ℃～80 ℃超声波处理后的原油粘度下降了25 %～30 %。1995 年，孙仁远[8]研究了超声波作用下水驱采收率的变化， 发现在水驱油过程中，超声波能够提高最终采收率，并且降低了含水率。 1999 年，李明远、董朝霞等[9]通过研究发现在水驱油过程中， 超声波能够使岩心润湿性朝着亲水的方向改变，从而提高采收率。 2011 年，雷俊杰[10]通过实验研究了超声波功率、 超声波作用时间和间隔比3 个因素与超声波处理后稠油粘度之间的关系。

1.2 矿场应用实例

1974 年，美国对德克萨斯州的一块油田发射高频率的声波，发现原油产量有增加。 1977 年，前苏联通过对卡拉让巴斯油田的一个废弃油井施加大功率超声波，使得短时间内油井实现自喷。 1978 年，前苏联用20 kHz、2 kW/m2的超声波对西西伯利亚一口油井进行了增产试验， 作用6 h 后油井产量从76 t/d 增加到187 t/d，最终产量达到764 t/d，有效期接近一年。 1981年，华北油田率先进行了超声波破乳、降阻的冷输抽油试验， 随后又做了超声波增产试验， 取得了良好的效果。 1989 年，在玉门油田12 口油井上投入现场试验，其中10 口井有效，成功率83 %，效果显著，其中总产油量提高了77.3 %～129.8 %，总产液量提高了32.4 %～88.8 %，含水率降低了5 %，同时近井带油层物性得到了改善。 1994 年，大庆油田先后在萨南油田和朝阳沟油田的14 口井上进行超声波增产试验，11 口井有效，成功率78 %，平均单井日增油2.6 t，平均有效期32 d。

2 超声波在地层中传播的特点

超声波是一种频率高于20 000 Hz 的声波， 它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。 与人耳能听到的声波相比， 超声波在介质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律基本相同。由于超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米，障碍物的尺寸远大于波长时，声波可看成沿直线传播。超声波的两个主要参数：频率：F≥20 kHz（ 在实际应用中因为效果相似， 通常把F≥15 kHz 的声波也称为超声波）；功率密度：P=发射功率（ W）/发射面积（ cm2），通常P≥0.3 W/cm2。

2.1 超声波在地层中的衰减规律

超声波在地层的传播过程中， 由于流体和孔隙介质的阻碍作用，其能量将逐渐耗损、衰减，造成超声波传播过程中能量不断衰减的原因主要可分为扩散衰减、吸收衰减、散射衰减。

2.1.1 扩散衰减 超声波传播时， 非平面波声束随传播时间的增加而不断向外扩散， 声束截面积也不断扩大，在总能量守恒的前提下，单位面积上的声波能量下降，超声波的扩散衰减与传播介质无关，而与传播波形和传播距离有关。 单位面积上的声波能量衰减速度与声源距离的平方呈正相关。

2.1.2 吸收衰减 由声波物理学可知， 当声波质点离开平衡位置向前传播时， 介质质点间的粘滞力和内摩擦力是质点传播过程中的阻力， 因而声波要克服阻力必须要消耗声波的能量， 这部分能量将转换成热能的形式。在超声波传播过程中，吸收衰减是指声波质点克服质点间粘滞力和内摩擦力做功的现象。 它与声波频率的一次方呈正相关。

2.1.3 散射衰减 不同声阻抗的介质所组成的界面在超声波传播过程中会使得超声波散乱反射，声能分散，造成散射衰减。 比如当介质中存在颗粒状结构如液体中的悬浮粒子、气泡，固体中的颗粒状结构等。 一般情况下，散射衰减与频率平方呈正相关。

2.2 超声波在地层中传播模型的建立

以毛细管束模型[11]（ 见图1）为基础，考虑超声波在地层中的传播过程。 同时取其中一根毛细管中的微段作为研究对象（ 见图2）。

图1 毛细管束孔隙介质模型

图2 研究对象示意图

模型假设：（ 1）流体在油层中的流动为简单一维流动；（ 2）流体分子之间的内摩擦力不考虑；（ 3）刚开始地层流体是静止的；（ 4）超声波在油层传播时，不与外界发生能量交换；（ 5）超声波在油层流体中传播属于小振幅声波扰动，各声学变量都是一级微量。

模型建立：

考虑流体粘滞作用的运动方程为：

将式（ 1）两边对空间求导，式（ 2）两边对时间求导，然后结合两式，可得方程：

将超声波近似简化为谐波：u=u（ x）ejwt，其中：ω-超声波的振动频率，Hz。 代入式（ 4）经化简可得：

定解条件：要得到方程式（ 5）的解需要有定解条

方程求解：这个方程有解析解，通过推导可以得到其解为：

其中：an和bn的表达式分别为：

从上述表达式可以看出， 超声波在油层中的传播距离与超声波频率、流体的粘度、孔隙度和渗透率等有关。 在其他条件相同的情况下， 超声波振动频率f 越小，地层孔隙度φ 越低，流体粘度μ 越小，渗透率K 越高，超声波在油层中的衰减越慢，传播距离越大。具体来说，当油层的孔隙度取0.2，油层的渗透率取0.5 μm2，流体的运动粘度取1.0×10-6mm2/s，超声波在流体中传播速度取1 500 m/s，孔隙半径取1.0×10-6m，声波振动频率取20 kHz 时候，超声波在油层中传播距离不超过1 m。

3 超声波采油在稠油油藏中增产的机理

超声波在油田中具有非常广泛的用途。 它能使停产井恢复生产、降低稠油粘度、减少原油中蜡的含量、提高油层渗透率、提高注水井注入能力、改善岩石表面润湿性等作用[12]，从而达到增产的目的。 通常情况下，超声波处理油井，可以使得原油产量提高40 %～50 %，且成功率达80 %以上[13]，大大提高油井的采收率，并获得显著的经济效益。 超声波增产的机理具体可以分为以下三种。

3.1 机械振动作用

超声波是一种机械波， 依靠介质质点之间的振动来向前传播。超声波作用于油层，将振动这种形式传递到孔喉当中， 使得毛细管直径发生时大时小的周期性变化，油水之间的界面张力发生变化，使毛细管当中的残余油得以摆脱束缚，重新流到孔隙和裂缝中，进而经过井筒产出到地面。 同时，超声波作用于油层，使得岩石受到的应力发生周期性变化， 在岩石的应力敏感处会产生疲劳裂缝，从而改善了岩石的渗透率，增加了地下流体的出油通道。另外，超声波的机械振动作用使稠油分子之间产生激烈的机械振动， 造成稠油中分子之间发生较大的相对运动，增强分子间的摩擦力，能有效起到降粘的作用。

3.2 空化作用

超声波作用于液体时可产生大量小气泡。 空化作用是指液体中的小气泡在声波振动作用下不断变大，最终突然破裂的过程。它一般包括3 个阶段：小气泡的形成、长大和剧烈的崩溃。 气泡在最后破灭的瞬间，周围液体突然冲入气泡，这个过程会释放大量能量，产生高温高压，同时产生激波。 在地层条件下，地层中的原油在地层压力作用下溶解了大量的液化气体。 如果在井筒底部放置一个大功率超声波发生器， 所产生的强大声场作用于地层原油，则会产生强烈的空化作用，在原油中产生大量小气泡，小气泡逐渐生长、变大，最终发生破裂，此时，原油中的溶解气逸出越过界面进入气泡，对液柱产生举升作用，有利于驱油。

3.3 热效应

超声波在地下传播时， 由于受到岩石和流体的阻碍，部分能量被传播介质吸收，转化为热量形式，使稠油温度升高，粘度降低。产生热量的途径主要有以下三个方面。

（ 1）能量转化。 超声波被地层流体吸收，声能直接转化为热能。

（ 2）边界摩擦效应。超声波作用油层后流体发生流动，流体与孔隙壁面产生摩擦，生成的热量加热原油。

（ 3）空化作用。 空化过程会释放大量的热量，这些热量被流体吸收。

4 超声波采油现场应用工具

目前，对于绝大多数的超声波采油设备，都是将其下到生产层的底部。当强大的超声波射向油层时，原油和储层孔喉发生一系列物理、化学的变化，增强了原油的流动性，从而提高油井产能。下面以环腔式流体声波发生器为例具体说明超声波采油设备的原理和构造。

环腔式流体声波发生器[14]是广泛应用于油田解堵、防蜡降粘的物理法采油设备，它综合混气水排和声波两者的优点，结构（ 见图3）。 声波发生器下方有一个喷嘴， 高速流体流经喷嘴处会产生周期性变化的压力场，然后通过谐振腔形成大小振幅交替变化的超声波，超声波作用于油层，产生机械振动效应、热效应和空化作用，改善井眼附近渗透率，降低原油粘度，最终达到油井增产的目的。

图3 环腔式流体声波发生器

其主要性能参数为： 振动频率200 Hz～1 000 Hz；声压＞3.14×106Pa；声强＞337 W/m2；解堵深度＞1.0 m。环腔式流体声波发生器结构参数优化完成后在孤岛油田多口油井实施作业， 解堵增产效果显著。 2011 年对GD2-34X426 和GDX2-2 井进行施工，两口井液量分别由施工前7 m3/d、21.2 m3/d 增加到施工后的54.6 m3/d和51.88 m3/d，增产效果显著。

5 总结

与传统的开采稠油所用的热力采油、化学采油、注水注气采油等方法相比， 超声波采油具有非常明显的优点[15]，比如超声波采油对油层的作用迅速，见效快；经济效益显著；设备费用低，施工简单；提高采收率和采油速度；不会对油层产生污染，不会损坏油层；适用范围广等。

但是，由于超声波在油层中传播范围非常有限，距离油井较远的地方超声波发挥不了作用， 因此超声波采油目前主要适用于解除近井地带机械杂质和固体颗粒堵塞。

6 几点建议

（ 1）目前各种针对超声波采油机理的各种正交优化实验大多是在实验室条件下进行的， 未考虑稠油油藏的实际地层温度和压力条件。

（ 2）超声波采油作为一种独立的三次采油方法，由于其作用半径的限制，在稠油开发中，目前主要将超声波采油方法与其它增产措施结合使用，效果比较显著，如声波-蒸汽吞吐、声波-热水驱、声波-酸化压裂等。

（ 3）超声波采油目前大多数应用在低渗、稠油等油藏当中， 未来是否可以考虑将超声波采油应用到煤层气、页岩气等气藏开采当中，这可以作为未来的一个新的发展方向。

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