低频声波驱动采油技术讲义

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1、低频声波驱动采油技术,中国石油大学（华东）地球资源与信息学院 主讲人：申辉林联系电话：8399779；13589970006 E-mail：,问题的提出？,储集层在采液及注水后的变化1、压力下降；天然气析出；地层能量下降。2、孔隙通道堵塞，渗透率下降。其原因主要有：钻井泥浆及固井液渗滤;射孔高温使骨架烧结;石蜡、沥青、胶质析出;采油和注水使用化学试剂；,问题的提出？,储集层开发后期变化导致： 在采油井，石油、天然气单井产量和采液量下降； 在注水井，则储集层的吸水能力下降； 使不同储集层段在渗透性上的差异更加明显，即非均质性更为突出，尤其是会使高渗透层段的注入水单层突进，油井的水淹更加严重，有可

2、能降低对整个油藏的石油驱排系数和最终的采收率； 另外，由于储集层非均质性加剧，也增加了后期开发的难度。 解决问题方向：恢复地层能量和压力；恢复渗透率。,超声清洗的物理机理,为了恢复和改善长期开采后的储集层的渗透性能，在上个世纪中期就提出过超声采油的各种技术方案和进行过相关的机理研究。 但是直到21世纪初期，由于对声波采油的机理的认识和具体工艺方案的选择都还存在一些问题，因此用超声方法采油还只是在工业试验的规模上进行，还没有形成独立而且有明显经济和市场效益的技术门类。,主要技术问题是： 声波信号与储集层的孔隙介质以及孔隙中流体的作用机理十分复杂，而且储集层以及储集层只所含流体（石油、天然气、水）

3、的差异十分显著。 因此，对声波采油工艺参数的选择（声波信号的频段，作用时间的长短，声波信号的强度或功率）和在井下获得较大功率的声波信号都很困难。 另外，即使在某口井或某个油气区中作业成功，当井下条件和区域性储集层或储集层内流体条件改变时，则其作用效果可能会有明显差异。 目前能够在工业试验和一定规模上进行的是用低频次声冲击储集层以改善其渗透性能和用超声频段的声波信号对邻近井筒的储集层进行清洗的方法。,超声清洗的物理机理,超声清洗的机理是应用超声的空化作用。 空化是液体中产生空穴的一种特别的物理现象。 在静压力为Po的液体中，由于交变声压为Pm的超声作用，如果PmPo，在液体的某些局部区域会出现瞬

4、时的负压区，于是液体中可能出现空穴或气泡，空穴或气泡中可能有该液体的蒸汽或者空气，这些空穴或气泡在声场作用下会随声压增加而变大，而且发生振动。当液体中的声压达到一定数值时，空穴或气泡会闭合破裂。,超声清洗的物理机理,如果空穴中是空气，则空气会空穴的破裂的过程中从液体中被排出，即除气。 空穴或气泡中如果是蒸汽，则在空穴或气泡的破裂的过程中由于在局部产生瞬时的高温和高压，其所激起的蒸汽流和同时产生的激波对固体（例如岩石骨架）表面的污染物（例如石油或某些胶体）产生强烈的冲刷作用，使其脱离固体，这种激波的振动还可能使固体表面的污染物薄层由于疲劳而脱离固体表面，同时，微小的气泡还可以钻进固体（岩石骨架）

5、的裂缝或孔隙通道，使其表面的污染物脱落，从而达到对这些部位的清洗。 除此之外，附着在储集层孔隙通道或射孔孔眼表面的被油包裹的固体颗粒（砂粒或岩屑），由于油被超声乳化，脱离固体颗粒，从而使粘附在孔隙和孔眼表面的污染物脱离。,超声清洗的物理机理,超声清洗是能够以较快的速率对几何形状复杂的各种孔道的表面进行清洗，而且不破坏储集层的结构。 超声清洗还可与其他清洗方法（例如过热蒸汽清洗、化学清洗和压裂）同时进行，也能够增加这些方法的效果。 超声清洗所用的地面和井下设备比较简单和施工容易。,超声清洗的施工及联合清洗,超声采油的基本思路是通过对储集层井间孔隙通道的清洗以恢复和改善储集层和井间的渗透流动能力，

6、而其主要过程是清洗储集层和井间的所有孔隙通道。 因此，要考虑选择合适的声学参数（声波信号的工作频率、强度或功率），以使在储集层中产生足够的空化作用。,超声清洗的基本工作参数,超声清洗的基本工作参数,空化阈Pc 使液体发生空化作用的声压值称为空化阈，记为Pc。 前面提到，只有当超声在液体中产生低于液体的静压力Po的“负压”Pm时，才可能产生空化。使液体空化的最小声压值（绝对值）称为空化阈，记为Pc。 由于空化现象和沸腾现象类似，因此空化阈Pc和沸腾的温度（沸点Tp，）间有以下经验关系：Pc = 0.7(Tp T) + Po 式中：T为液体的温度； Pc（绝对值）的单位为大气压（atm，1atm

7、= 100kPa）。 从上式可见，当液体的温度为沸点时，在其静压下即可空化（汽化）。 当液体的温度在沸点Tp以下时，发生空化的条件是液体中产生幅度为Pc的“负”声压。 液体温度越高，其中所含气体越多，越容易产生空化。 液体的空化阈与所含气体（例如空气）的多少有关。例如，自来水的空化阈约为0.5atm，将自来水除气后，其空化阈增加为1.5atm（声波信号的频率为10KHz）。 液体的空化阈还与其黏度有关，越粘稠的液体越不容易发生空化。,超声清洗的基本工作参数,表1 某些液体的空化阈和粘度（声波信号破裂为25KHz时）,注意：粘度的单位为NS/m2 = (N/m2)S =PaS；习惯上，用“泊”（

8、P）为单位；1泊 = 1P=0.1PaS。 从表1可见，液体的空化阈Pc随粘度增加，而且有以下经验关系： Pc = 0.8(log + 5),超声清洗的基本工作参数,在进行井下超声作业时，井内和储集层中的液体并不完全相同，井筒内通常是压井液，一般情况下是泥浆或混油的水，而储集层的孔隙通道内则是水和石油的混合物，石油在水中呈悬浮或乳化状态。 而空化作用一般是在水中发生，石油的粘度大，甚至可以达几百至几千泊，在这样的液体中难以产生空化作用。 而在储集层孔隙通道的液体中，空化作用与水中的气体（空气或游离的天然气）含量有关。 随井深加增加或井液密度增加，井筒和储集层孔隙通道中的液体的静压力Po增加，液

9、体发生空化作用的空化阈升高，清洗的效果变差。 经验指出，在稠油井和在4000m以下的深井，超声清洗的效果变差。,超声清洗的基本工作参数,声波信号的频率和强度 液体的空化阈除了与液体的粘度、含气量等液体本身的因素有关以外，还与声波信号的频率有关。 表2 水在不同频率下的空化阈Pc值,超声清洗的基本工作参数,声波信号的频率和强度 水（可推论到一般液体）的空化阈随声波信号的频率升高而增大。因此，为了提高清洗效果，不采用过高的频率。 空化后产生的气泡在声压的作用下，其半径会发生周期性变化： 在声压趋向负值时，气泡半径增大；而声压趋向正值时其半径变小。 气泡半径的这种周期性变化称为谐振，其频率与气泡的原

10、始半径Ro、液体的密度及表面张力等有关。例如，在水中气泡的半径为0.033mm时，其谐振频率为fo=100KHz。实验表明只有外加声波信号的频率ffo 时，气泡才可能在一次谐振没有完成时发生破裂，从而也才有清洗效果。,超声清洗的基本工作参数,在气泡发生破裂时，由于所用时间极短（微秒级）会产生200atm500atm的瞬时高压（瑞利的理论计算则认为可能产生液体静压力10300倍的高压）。 伴随压力急剧变化也会产生瞬时的高温，这还会引起液体的电离等效应。 超声驱油选择的声波信号的工作频率可以为18KHz25KHz，但实际的工作频率通常略低于20KHz，此时，半径约为0.165mm的气泡的谐振频率为

11、20KHz，可在一次谐振中通常发生破裂。 国外研制的用于井下超声采油的仪器工作时输出频率为19.2KHz及20.8KHz的声波信号。 所采用的声波信号的频率还与超声清洗的作用范围有关，频率过高的声波信号很容易在井壁储集层中衰减，清洗作用范围小。 在碳酸盐岩储集层中由于孔隙尺寸小，可以使用较高的工作频率；在砂泥岩储集层中孔隙尺寸较大可以使用较低的工作频率。 但是声波信号频率过低，不利于对储集层中尺寸较小的孔隙通道的清洗，因为此时谐振频率高的小气泡不发生破裂。,超声清洗的基本工作参数,声学参数选择的另外一个问题是声波信号的强度（或功率）。 从表面来看，似乎声波信号强度越大，产生气泡越多，清洗效果越

12、好，但其实并非如此。 当气泡过多时，在声源附近过多的气泡形成对声源发出声波信号的反射层，使声波信号不容易辐射到远处，即清洗的作用范围受到限制。 在井下使用直流供电的超声发生器（工作频率为19.2KHz及20.8KHz）在其输出电功率为250W300W时，输出的超声信号的功率可达180W240W，其有效作用范围约为井壁附近50cm以内。要求在每个作业点（作业点的间距为1.01.5m）上持续处理24h，以保证清洗效果。,问题的解决！,针对上述情况，我们开发和研制了井下低频声波驱油测井技术和工艺，该项技术特别适应于低渗低压和注水采油产层，其增油效果可达2550%以上。低频声波驱油测井技术原理可由地面

13、上一个简单试验予以说明：将一堆湿沙子压实后，沙子的水不会流出，我们用其他物体不停地连续拍打沙子后，沙子中的水会从沙子中渗出，这是由于拍打的振动波使沙子中的液体在波动能的作用下，脱离了砂池的束缚而自由流动。,问题的解决！,针对上述情况，我们开发和研制了井下低频声波驱油测井技术和工艺，该项技术特别适应于低渗低压和注水采油产层，其增油效果可达2550%以上。低频声波驱油测井技术原理可由地面上一个简单试验予以说明：将一堆湿沙子压实后，沙子的水不会流出，我们用其他物体不停地连续拍打沙子后，沙子中的水会从沙子中渗出，这是由于拍打的振动波使沙子中的液体在波动能的作用下，脱离了砂池的束缚而自由流动。,低频声波

14、驱油测井工作原理,在相距260m的井中测得的电脉冲声压频谱,作用半径分析,低频声波驱油测井工作原理,我们将大功率低频波动仪下到产层，在地面控制低频波动仪，以1530Hz/s向产层发射400W大功率低频声波，这种波只能水平传播，由于使用了低频，所以其传播作用半径可达到150米以上，在低频波连续不停的波动作用下，产层中的油脱离砂岩骨架的束缚而自由流动起来，在抽油机的抽吸作用下，从射孔眼流入井中，以达到提高采收率而增产的目的。这种方法是一种纯物理方法，对产层不留任何污染物，而且作用半径大，采益面积可达70000平方米以上，按产层一米层计算，每立方米驱油5Kg，可增产30T以上。这种工艺可在同一井中反

15、复使用，直到此井无产能为止。因此，这种工艺是一种全新的高效、安全环保的采油工艺。,低频声波驱油测井仪器技术指标,仪器技术指标 1、外径：102mm，80mm 2、长度：1050mm，1300mm 3、耐温：175 4、耐压：60MPa 5、工作频率：1530Hz/s 6、适应套管内径：120240mm,低频声波驱油测井应用效果,在辽河油田的应用,低频声波驱油测井应用效果,在二连油田的应用,低频声波驱油测井应用效果,在延长油田的应用,蓝天1、2、3井作业前三口井总产量约0.9T，作业后，两口井增产接近100%，一口井增产到6T。 靖边1252井对主力油层进行过二次压裂，并开发第二油层，应用KCl

16、洗井，三种措施作业结果均降产，电爆震作业后增产50%以上。 安塞168井1998年5月完井，初产1T，仅射孔后产量0.3T，初次压裂后1T，二次压裂后无效果。作业前产量0.5T，作业后1.0T。 延55井延长七里村油矿延55-2井，作业前产量0.4T，作业后产量1T；延长七里村油矿延55-7井，作业前产量0.2T，作业后产量1T。,建 议,储层堵塞后果：在油气田开发后期阶段，不论是采液井还是注水井，邻近井的储集层的孔隙通道往往会发生淤塞，使其渗透率下降，导致石油天然气单井产量和采液量下降；在注水井中则是储集层的吸水能力下降。而且由于部分储集层的堵塞使井剖面上不同的储集层段在渗透性上的差异更加明显，即储集层的非均质性更为突出，尤其是会使高渗透层段的注入水单层突进，油井的水淹更加严重，有可能降低对整个油藏的石油驱排系数和最终的采收率，另外由于储集层非均质性加剧，也增加了后期开发的难度。定期进行低频声波驱油测井的必要性：可以有效地清除储集层的堵塞，恢复和改善储集层的渗透性能，而储集层渗透性能的改善可以提高注水井的吸水能力和采液井的产液量，因此可以增加石油的产量，另外也可以使井剖面上储集层段的非均质性有所改善。,