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1、 一、前言超声波油层处理技术是一项应用于油、水井的物理解堵新技术。该技术利用声波-超声波的声学特性,对油、水井的近井带污染、结垢进行振荡解堵除垢,以提高油井产量,增加水井注水能力。超声波解堵技术早在五、六十年代美国、前苏联就开始了研究和应用,尤其前苏联在该技术的研究与应用方面一直处于世界领先地位,五十年代就进行了各类声波采油机理的研究与探讨,六十年代进行了大规模的现场试验,首先在低渗透、低产、低能井区进行水力脉冲声波解堵处理,并获得理想的效果,如在兹阿兹石油企业的油田中,用此技术陆续处理了1624井次,平均有效期为12.1个月,共增油22万吨,其实际经济效益达236万卢布。进入七十年代,前苏联
2、又领先发展了大功率电力超声波油井处理装置,并在现场应用中取得了成功。1977年前苏联在卡拉让巴斯油田218号井上进行死井诱喷的超声波驱油试验,地面声源10KW,在井底形成1-1.5W/c m 2声场,经过1.5小时后,油井开始自喷。总之超声波解堵技术在前苏联做为一项采油技术巳广泛应用。我国在五、六十年代也曾对超声波解堵油层技术应用于采油领域进行了一些研究和试验,但终因材料、技术都不过关,不得不半途夭折。进入九十年代,由于科学技术的发展,技术的进步,新型材料不断涌现,由华北石油管理局和中科院联手,首先在国内研制出了超声波发生器和井下换能器,并在玉门和华北油田投入试验取得一定效果。超声波解堵技术具
3、有工艺简单,施工方便,分层处理能力强,成本低,见效快等特点,对进入中、晚期油田开发阶段,利用现有常规增产技术工艺施工难度逐年加大,成本费用逐年增高,效果逐年变差,因此需要对现有工艺技术进行发展和更新,以确保油田在中、晚期开发阶段能继续获得较好的经济效益,为此,我们从1988年4月首先开展超声波油层解堵试验。并成立了一支专业化队伍，专门从事物理法采油的研究应用。使该项技术得到快速发展。二、超声波解堵机理 超声波被应用于采油领域,其振动是主要原因。所谓振动是指物体在一定位置附近所作的往复运动,这是一种很普通的运动形式,诸如钟摆的摆动等变化。波分两种，一种是横波,其震动方向垂直于波的传播方向,另一种
4、是纵波,其震动方向平行于传播方向,声波是一种压缩波,属于纵波类型。声波的穿透能力很强,可以容易地穿过电磁波无法穿透的油水层。超声波是机械波的一种,它具有波的一般特性,即具有振动及传递能量的性质。 众所周知,油、水井在开发生产过程中都会受到各种污染,虽然当今油、气层保护技术方兴未艾,使油、水井的污染大为降低,但油、水井从钻井到完井直至采油、注水,各种诸如射孔、酸化、压裂检泵、防砂、事故处理等各种工艺的不断实施,使油、水井或轻或重地受到外来固相侵入、水敏性损害、酸敏损害、碱敏损害、微粒运移、结垢、细菌堵塞等损害,造成油、气、水层的渗流空间的改变即有效渗透率下降。既然超声波是机械波的一种,它就能产生
5、一定的物理作用，超声波对流体主要有三种作用,即机械作用、空化作用和热作用。1、机械作用超声波是弹性介质中机械振动的传播，在传播过程中,弹性粒子的振幅、速度发生显著变化,从而产生松动,边界摩擦、微裂隙、声流、解聚及热作用等。(1) 机械振动可以破坏堵塞颗粒与储层岩石之间的凝聚力,由于不同介质的声阻抗不同,所以,在超声泼的机械振动下,不同声阻抗介质的声反射、振动速度的不同以及弹性介质的波动,都会破坏堵塞颗粒与岩面之间凝聚力，在超声波的破坏作用下,堵塞颗粒与储层岩石发生剥落,使粘着的颗粒脱离,达到解堵作用。(2) 机械振动使毛细管孔径发生变化,降低孔隙内表面张力,导致毛细管的胀缩，在未受声波抗动前,
6、岩拉压力(外压)和油藏压力(内压)及岩层骨架所承受的压力(外压与内压的压差)处于平衡状态。在超声波作用下,平衡受到破坏,声压的变化导致毛细管内外压差的变化。由于超声波的周期性作用,毛细管孔径随压差发生周期性的胀大和缩小。毛细管胀大时,使得近井地带的原油进入孔隙,毛细管缩小时,孔隙体积变小,有利于把油挤入井内。频率20KHZ左右的超声波,其位移振幅很小,但声压振幅度却非常大,由此可见超声波对孔隙半径影响很大(从有关实验证实)。(3) 机械振动产生的冲击破坏力使岩石发生微裂纹。由于油、岩石和水声特性阻抗的不同,岩石表面面对超声波产生反射,背向声源的发散波与面向声源的会聚波在岩石中形成一个压力稀疏区
7、,两种不同方向的波产生相反方向的应力,当超过强度极限时,在岩面抗裂强度较小处,产生微裂纹，据有关资料介绍,经超声波作用后的岩样在电镜下观察充分显示出钱裂纹的存在。(4) 边界摩擦对油体产生局部加热作用,边界摩擦的局部加热作用是超声波热效应来源之一,在流体与固体的分界面处,由于振动速度的巨大差异,使得超声波的能量通过传热和粒滞的机构而大大地转换成热量。这种作用不仅能在油体与岩石的界面处出现。边界摩擦仅发生在局部,并且较激裂,往往会产生局部高温(例加湿器)对于粘度较大的原油,吸收系数大,所造成的局部温升的十分可观的。(5) 降低油体粘度,提高渗流速度。原油是一种含蜡质、胶质、沥青质等多种高分子化合
8、物的流体，在高频、高强度的超声波作用下,机械振动使大分子具有较大的加速.度,形成分子间的相对运动。由于分子的惯性,使得分子链断裂,大分子被粉碎,尤其在空化状态下,这种能聚作用尤为明显。对于原油中的高分子化合化分子,能聚作用使其充分地被粉碎,降低原油粘度。当然,这必然需要是在高声强和长时间的作用下才能发生。2、空化作用所谓空化是指在超声波作用下,液体中空泡成长和崩溃的过程以及伴随发生的一系列现象(超声波空化也可以认为液体中声压变化的结果)在液体中一般都存在微小气泡,在超声波作用下,气泡发生响应,当声压足够大时,在伸张过程中,声场中的拉力使气泡膨胀,随之而来的压缩过程使气泡缩小,乃至破灭,气泡在崩
9、溃瞬间,会伴有激波的产生,对周围产生声波作用。(1).空化作用引起声压变化,消除气阻,严格来讲,超声去气与空化作用的气泡崩溃是有区别的,但在储油层中,存在着各种孔径尺寸的气泡,超声去气与空化作用是并存的,储油层中不仅蕴藏着原油,同时也有大量夭然气存在,在交错复杂的油层孔隙中,天然气以气核形式存在于孔隙中,由于液体中很难存在稳定的气泡,所以,这些气核一般附着在岩石表面上,计算气核在毛管孔道中所受的毛管力可知,大量存在的气核对油体流动具有很大的阻碍作用,称之为气阻。当气核的本征频率与声频相近而发生共振时,气核产生强烈振动。大量气核在声场中迅速结合形成大的气泡，不断扩大的气泡迅速脱离毛管孔道而达到疏
10、远目的,同时、在空化作用下气核在拉伸周期内膨胀而具有一定速度,并靠着惯性达到最大半径再快速地缩小,直至崩溃,从而消除流阻,当然,由于油体压强较大,气核半径较小,消除气阻需要高强度,高频率的超声波。(2) 空化作用在气核崩溃时形成激波,产生热作用。空化崩溃(尤其在低频下)在理想情况下,液体中最大压强可达上万大气压气泡内的气体由于泡热压缩温度也可达数千度(),崩溃时产生的激波对周围产生强烈的冲击力,大大地加强了超声波的机械作用。同时,在小空间的孔隙内,激波的产生能扩大岩石的孔隙半径,增强微裂隙作用。崩溃间产生的局部高温是由声能转化而来的,对于提高油体温度,增加流动性具有很好的效果。3、热作用油体流
11、动时的阻力主要由流体间的摩擦表现出的粘性引起的。粘度越小,浓度越低,油体中分子碰撞机会越少,油体流动的阻力也越小。因此,提高油气渗流速度的主要措施是提高油体温度,降低油体粘度。超声波的热作用是一种综合效应,第一,超声波在介质的传播中被吸收,使得声能转化为热能;第二,在不同介质的分界处,边界摩擦使油体温度升高;第三,空化作用在气泡崩溃问释放出大量的热能，频率越高,吸收效果越好,边界摩擦也越激烈;强度越大,空化作用越强,热效应越显著。 三、现场应用情况及效果分析1、超声波设备（见下图） (1)30千瓦超声波设备 (2)井下换能器一只 (3)井下磁定位器一只 (4)地面校深记录仪一台 (5)特种电缆
12、一盘2、选井依据根据超声波解堵机理及参考国内外选井条件,结合玉门油田实际情况,主要依据以下几条进行选井施工。(1)近井地带有明显污染堵塞或结垢导致产量明显递减的油井。(2)油井出砂，进行过化学防砂,导致产量下降的油井。(3)套管轻度损坏通径90mm或套管严重损坏通径110mm,套管外漏无法进行常规措施的井。(4)分层处理难度大,其它措施无法达到一次性处理的。 （5）隔层发育差,利用该技术可以达到分层处理的目的。(6)距水线近或因层问裂缝发育长期不能进行乐裂的措施井。3、克拉玛依油田施工情况自1988年4月至2003年11月克拉玛依油田共进行超声波解堵试验58口井,分属十几个不同的区层, 58口
13、井均为抽油井,井深为450m-2100m,平均井深1285m,38口井施工均获一次成功,在处理过程中每米处理时间最长4小时,最短时间为1小时,平均每米处理时间为2.4小时(每米油层为一个处理段),平均单井处理时间为20小时,处理时工作频率为2027KHZ ,声强0.5W/cm2, 58口井中全层处理的为27口井,选层处理的为16口井。其中7822、7229、J 56、8834、四口井根据产液剖面及井组注水井资料等,避开高含水层,对潜力层进行处理,处理后四口井的含水均有所下降,四口井累积增油均在1000吨以上。取得了显著的效果。4、玉门油田施工情况该技术从1988年投入应用以来止2002年已成功
14、施工352口油水井，成功率100，有效率83.2。见下表施工油田名称施工井数（口）成功率（）有效率（）累计增油（吨）有效期（天）玉门石油沟油田152100856678217玉门白杨河油田25100921500191玉门老君庙油田37100793020230大港油田810087.5辽河油田5710073.8大庆油田6100100克拉玛依油田5810077.516928长庆油田1210075青海油田4810087.520135 5、典型井例 （1）石油沟油田175井受注水影响,含水较高,89年6月对其进行泡沫水泥封水措施后,封住了水也降低了产能,致使产液量由7m3/d下降至2m3/d左右,89年1
15、2月应用频率24-28KHZ、功率10KW超声波进行了32个小时的处理,结果产能大幅度上升,含水保持稳定。 （2）辽河油田曙采7311井,施五时间为94年8月13日,对大凌河组和莲花组共进行了64个小时的处理,施五前产液量为9t/d,产油为2t/d,动液面为1040m,在施五过程中,于15日凌晨开始溢流,溢流量为160mL/l0s ，16日投产,17日产液36m3/d,18日产液29m3，且18日测动液面为400m目前液量平稳。原先压裂一口井需20多万元，通过采用震荡采油新技术使7311井日产满量由2t/d上升至7t/d,比压裂节省18万元摘至辽河石油报。 （3）利用测试技术对超声波处理油层前后油井变化情况的监测!石油沟油田138井应用频率25-28KHZ功率为10KW的超声波进行86小时声辐射处理,处理前后采用压力恢复曲线测试技术对原油的流动能力,渗透性能作对比分析(见表),原油的流度比提高43.6，有效渗透率提高了43.3。138井超声波处理前后地层参数变化对比参数流动系数流度比地层系数有效渗透率处理前32.661.79473.5726.02处理后46.812.57678.75
