大功率超声波油层解堵技术及应用

陈 华 兴

(中海石油(中国)有限公司天津分公司， 天津 300450)

在油田开发生产过程中，从钻井到完井采油、注水，需实施各种增产措施，如射孔、酸化、压裂、检泵、防砂、事故处理等。在这些措施的实施过程中，油水井难以避免外来颗粒侵入、微粒运移、结垢等损害。由此导致近井地带堵塞污染，使得有效渗透率降低、油井产量减损，甚至引发停产和注水井减注。尤其是处于中后期开发阶段的油田，其近井地带污染已成为普遍问题。为了解决此类问题，拟研究大功率超声波油层解堵技术在油田的应用。

超声波采油作为近几年在国内发展起来的一种先进的物理法采油增产技术，是通过强大的声波能量作用于地层，使油层及流体产生不同的物理、化学变化，从而改变油层渗流条件，疏通油流通道，创造有利于原油流动的环境，提高原油采收率。超声波采油技术以其技术含量高、投入少、产出高、工艺简单以及对油层和环境无二次污染等优势而受到关注[1-3]。

1 超声波地层解堵机理

超声波具有振动传递能量的物理性质，频率较高，因而与同类介质相比其声波的波长短得多，所以超声波的传播方向性好、能量大。通常，超声波对流体及地层会产生机械振动作用、空化作用、热作用、解聚作用等4方面的作用[4]。

1.1 机械振动作用

超声波可以使介质的质点产生激烈的机械振动，形成强大的单向作用力，并使介质粒子的振幅、速度和加速度等参数发生显著变化，从而产生松动、边界摩擦、微裂隙、解聚、冲击破碎及热作用，最终达到解堵、疏通地层空隙的目的。同时，超声波机械振动会在流体中形成辐射压差，产生声流作用，使流体强烈流动，冲洗出油流孔道，疏通堵塞空隙，从而提高地层渗透率[5]。

1.2 空化作用

超声波空化作用，是指存在于液体中的微气核空化泡在超声波的作用下振动，当声压达到一定值时生长和崩溃的动力学过程。在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，其内部温度可升至几千摄氏度，产生高达上百兆帕的巨大瞬时压力，并伴有强烈的冲击波和时速达400 km 的微射流。这种巨大的瞬时压力，可以急剧破坏液体的固体表面，从而达到解堵的目的。空化过程中产生的高温高压作用使得高分子分解、化学键断裂和自由基产生，从而降低原油黏度。

1.3 热作用

超声波的热作用是一种综合效应。首先，超声波在传播介质内部被吸收，声能转化为热能。频率越高，吸收效果越好。其次，在不同介质的分界面处，边界摩擦使油体温度升高。频率越高，边界摩擦越激烈。最后，空化作用使气泡在崩溃瞬间释放出大量的热能，局部温度可达上千摄氏度。声波强度越大，空化作用就越强，热效应也就越显著。因此，施加高频、高强度的超声波，可取得明显的热作用效果。

1.4 解聚作用

含有高分子碳氢化合物的原油流体，在高频、高强度的超声波作用影响下产生机械振动，加大了流体分子的加速度，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，大分子被粉碎。在空化作用下，这种解聚作用尤其明显。首先，超声波的解聚作用使原油的黏度降低，流速增加；其次，解聚作用使胶质、沥青质的分子键断裂，达到油层降黏解堵的目的；最后，解聚作用使长链的石蜡分子断裂，粉碎石蜡晶体，使细蜡微粒悬浮于油流中，并在较低温度下熔化，从而达到防蜡清蜡的目的[6]。

2 超声波油层解堵设备构成

2.1 设备组成及工作原理

超声波油层解堵设备由核心设备及绞车两大部分组成。其中，核心设备主要包括大功率超声波电源、井下大功率超声换能器、专用低损耗超声波铠装电缆、专用马笼头、油层定位系统等(见图1)。

图1 超声波油层解堵设备组成

进行超声波作业时，地面超声波电源发射出 22 kHz 左右的超声电功率，经超声波增油专用电缆和超声波作业专用马笼头将超声电功率传输到井下大功率超声换能器；超声换能器将电功率转化为声功率，声波经流体耦合进入地层，对油层进行超声解堵处理，解除近井地带的污染，从而达到油水井增产增注的目的。

2.2 大功率超声波电源

超声波电源是由主电路、控制电路、匹配电路和保护电路等4部分组成，其作用是将380 V的交变电信号转变成高频脉冲信号，再通过高频高压超声波专用电缆将信号传给井下大功率超声换能器。

我们研制生产的大功率超声波电源具有发射功率大、自动化程度高等特点。根据井况设定参数后，电源可以通过自动控制系统完成工作，具有频率自动跟踪与调整功能。相关参数包括：电源输入，380 V(±10%)；输出电功率峰值，≥250 kW；占空比，连续可调；输出频率，15～30 kHz；工作环境温度，-20～70 ℃。

2.3 井下大功率超声换能器

换能器的作用是将超声波电源输入的高频电信号转换成声能，将其作用于油层，以达到解堵和增加原油流动性的目的。换能器由压电陶瓷发声器件、内部液体介质、保护筒、接线底座及压力平衡装置等部分采取特殊装配工艺制成，电声转换效率大，能够在井下高温高压环境下长时间工作。相关参数包括：发射频率，20～23 kHz；声功率峰值，60 kW；长度，2 330 mm；外径，89 mm；声波发射段长度，1 m；换能器耐温，150 ℃；换能器耐压，60 MPa。

2.4 专用低损耗超声波传输电缆

专用低损耗超声波铠装电缆的质量，决定了电源发射的大功率高频电信号能否长距离有效地传输给井下换能器。超声波电缆采用特殊的缆芯和整体结构设计，包敷以优质的绝缘材料，可有效降低高频电流在传输中的集肤效应对电缆的影响，从而提高传输效率。相关参数为：载流截面积，18.05 mm2；外径，16.4 ±0.1 mm；绞盘尺寸(直径×宽度)，1 100 mm×1 000 mm；拉断力，不低于7.5 t；工作电压，≤7 000 V；工作环境温度，≤200 ℃。

2.5 技术优势

目前市场上的大功率超声波地层处理设备存在2点不足：

(1) 电源功率不够大，峰值功率在100 kW左右。经过长距离电缆传输后，当到达换能器时功率已经偏小。

(2) 脉冲时间长，一般在10 ms左右。脉冲时间长就意味着到达峰值功率的过程缓慢，这会大大降低解堵效果[7]。

瞬时触发大功率超声波地层处理设备有效地克服了以上不足，具有以下技术优势：

(1) 脉冲时间在1 ms以内，在极短时间内功率即达峰值。这种瞬时触发极大地提高了超声波的发射冲量，强化了超声波波束的冲击作用，使解堵效果大幅提高。

(2) 超声波电源的发射功率大。为了适应瞬时触发的需要，将电源峰-峰电功率从原来的240 kW提高到300 kW以上。对受到电冲击的功率元器件进行筛选和加强功率余量保护后，能保证在大功率冲击负荷的条件下稳定可靠地工作。同时，不管频率怎样改变，均能实现感抗和容抗基本相等、电流电压相位一致，即自动优化阻抗匹配，使有效输出最大化。

(3) 超声波电源具有频率自动跟踪与调整功能。根据井下温度压力、电感电容等变化造成的谐振频率改变，采用自动锁频和自动匹配控制技术进行实时跟踪，自动调整输出频率和阻抗参数，使系统的谐振频率、输出相位和输出阻抗自动匹配，从而使系统在测定的谐振频率下处于最佳工作状态。

(4) 自动化程度高。根据井况设定参数后，电源能自动控制工作，不需要人工调整。

(5) 电声转换效率高。井下换能器采用了特殊结构设计，并通过特殊装配工艺制作而成，可使换能器最大限度地发挥压电陶瓷的电声转换效率，从而提高了换能器的声功率，确保其在井下高温高压环境中稳定工作。

(6) 传输效率高。容抗、感抗、电阻、集肤效应和邻近效应等因素都会对电缆高频电信号传输效率产生影响。基于电缆厂家设计研发的超声波传输电缆，对结构、芯杆、绝缘材料、绝缘层厚等关键技术进行了改进。通过改进，加大了过流面积，可确保大功率高频冲击电流的传输需求，有效地降低了高频电流在传输中的集肤效应对电缆的影响，提高了传输效率。

(7) 整个系统的安全性、可靠性较高，性能稳定，能长时间连续工作[8]。

3 选井选层原则

大功率超声波油层解堵技术，一般适用于各种因地层堵塞造成的减产甚至停产的油井和欠注注水井。如以下几种情况的井：

(1) 由于蜡堵、垢堵、外来物质堵塞等原因，使得渗透率、产量急剧下降的井，或者钻井、修井中油层受到伤害及堵塞而采不出油或注不进水的井。

(2) 油层黏土含量高，导致产能明显递减的油井和水井。

(3) 硬岩层、黏土层等不适宜进行常规水力压裂的井。

(4) 具有水敏、酸敏等敏感性伤害油层的井。

(5) 一般解堵技术处理无效或吸水能力下降的注水井。

作业目标井需满足以下必要条件：井深≤3 000 m，井斜角≤50°，套管完好无变形或只有轻微变形。

4 超声波油层解堵技术应用效果

超声波油层解堵技术已在胜利、延长、吉林、大庆等油田进行了大量现场应用[9]。目前，已在600余口油水井实施了解堵作业，施工段每米处理时间为4～6 h，平均单井处理时间为30 h。解堵工艺成功率为100%，措施有效率达85%以上，单井平均有效期达180 d以上，增产增注效果显著。

在此，以吉林油田民西57-1、民西+61-9油井为例，介绍该技术的应用情况。2017年8月，对新民采油厂的2口油井现场实施解堵作业，措施有效率为100%，平均有效期为180 d以上。截至目前，累计增油逾200 t，投入产出比为1∶3.56。

民西57-1油井于2008年10月开始投产，初期日产油量为5.20 t，至2012年8月日产油量降至2.80 t。受民西57-3油井钻停的影响，民西57-1油井在2016年6月的日产油量水平由2.0 t 下降至1.0 t ，钻停后至超声波解堵施工前未恢复产量。采用超声波解堵作业解除地层污染，改善水驱效果，提高产量。该井超声波解堵施工后的产能水平动态曲线如图2所示。经超声波解堵处理后，日产液量从1.60 t上升至2.81 t ，日产油量从0.90 t上升至1.66 t，增产率为84%。截至目前，增产仍在延续，增产效果显著。

民西+61-9油井于2008年10月投产，初期日产量为8.3 t。2010年1月进行分层测压，9小层压力为12.161 MPa，12小层压力为17.618 MPa。2017年1月测压，9小层压力为12.100 MPa，12小层压力为12.300 MPa。解堵施工前的日产量仅为0.50 t。压力分析结果显示，区域能量充足，但油井产状与静态条件不符。通过超声波解堵作业，解除了近井地带地层污染，改善了水驱效果，提高了产量。该井产能水平动态曲线如图3所示。经超声波解堵处理后，日产液量从1.60 t上升至4.03 t，日产油量从0.50 t上升至1.53 t，增产率为206%。截至目前，增产仍在延续，增产效果显著。

图2 民西57-1油井产能水平动态曲线

图3 民西+61-9井产能水平动态曲线

根据以上数据分析可以看出，超声波解堵技术在新民采油厂施工的2口油井均有效，日增油量约为1.75 t，效果显著，而且仍在持续。超声波增油的效果较理想，增油效率、增油率都较高，有效时间持续较长，且无污染。

5 结 语

大功率超声波处理地层技术是一种先进的物理法采油技术，环保性好，无二次污染，不会损坏套管。该技术特别适用于油田中晚期油水井的解堵处理，对于油层物性好、地层压力保持程度高、近井地带堵塞等污染严重的油水井，解堵效果显著。大功率超声波处理地层技术具有施工工艺简单、作业成本低、环保无污染、安全可靠的特点，具有广阔的应用推广前景。建议进一步扩大现场应用的范围，寻求更佳的施工工艺。