超聲波采油在稠油油藏中的應用分析

常廣濤

（ 中國石油大學（ 北京）石油工程學院，北京 102249）

稠油指的是在油層條件下粘度（ 不脫氣） 大于50 mPa·s 的原油，或脫氣油粘度大于100 mPa·s 的原油，通常所說的重油、瀝青都屬于稠油范圍。 由于稠油具有粘度高，原油流動性差的特點，因而不能采用常規(guī)的開采技術，如天然能量、人工注水等。 常規(guī)的開采方法包括蒸汽吞吐、蒸汽驅、SAGD、火燒油層等熱力采油方法。 我國擁有儲量豐富的稠油， 主要分布在遼河油田、勝利油田以及新疆克拉瑪依油田等地。 數(shù)據(jù)表明，全世界范圍內稠油產量占石油總產量的十分之一，而我國稠油遠景儲量為175 億t， 年產量1 300 萬t 左右[1]，因而稠油的增產潛力巨大，對于維持國內原油產量可持續(xù)發(fā)展、 降低原油對外依存度具有非常重要的意義。

超聲波采油是近幾十年發(fā)展起來的一項新的物理采油技術。 由于超聲波采油具有一系列常規(guī)采油手段不具備的優(yōu)點（ 比如，對儲層無污染、無傷害，設備簡單成本低、增產效果明顯等等），因而受到國內外越來越高的重視。

1 國內外研究現(xiàn)狀

超聲波采油是從20 世紀50 年代發(fā)展起來的新的采油技術。美國和前蘇聯(lián)在這方面發(fā)展較快，進行了大量的研究和礦場應用，并逐漸演變?yōu)椤?采油聲學》這門學科。 中國在這方面起步較晚，20 世紀70 年代開始了聲波采油技術的研究，80 至90 年代在國內玉門、大慶等油田形成了超聲波采油的應用高潮， 并研制了一系列超聲波采油設備，取得了較為成功的應用效果?？偨Y國內外在超聲波采油方面幾十年的研究發(fā)展歷程，總體可以分為理論研究和礦場應用兩個方面。

1.1 理論研究現(xiàn)狀

國 外，1965 年，Duhon 和Campbll[2]研 究 了 超 聲 波對孔隙介質中流體流動特性的影響， 發(fā)現(xiàn)超聲波能夠提高水驅采收率。 1977 年，Cherskiy[3]通過實驗得出超聲波作用下的水濕巖石滲透率急劇增長。 1995 年，Venkitaraman[4]把超聲波作用于被鉆井液污染的巖心，實驗表明， 巖心的滲透率得到有效恢復。 2002 年，Poesio 等[5]把超聲波作用于飽含流體的孔隙介質，發(fā)現(xiàn)巖心的流壓下降， 作者認為這是由于超聲波的熱效應導致了流體粘度的降低。 國內，1989 年，嚴熾培等[6]研究了超聲波對污染巖心滲透率的影響， 結果發(fā)現(xiàn)巖心被鉆井液污染后，經過超聲波作用，滲透率恢復到原來的61 %～88 %。1993 年，黃序韜等[7]進行了超聲波對原油粘度影響的相關實驗研究，在40 ℃～80 ℃超聲波處理后的原油粘度下降了25 %～30 %。1995 年，孫仁遠[8]研究了超聲波作用下水驅采收率的變化， 發(fā)現(xiàn)在水驅油過程中，超聲波能夠提高最終采收率，并且降低了含水率。 1999 年，李明遠、董朝霞等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)在水驅油過程中， 超聲波能夠使巖心潤濕性朝著親水的方向改變，從而提高采收率。 2011 年，雷俊杰[10]通過實驗研究了超聲波功率、 超聲波作用時間和間隔比3 個因素與超聲波處理后稠油粘度之間的關系。

1.2 礦場應用實例

1974 年，美國對德克薩斯州的一塊油田發(fā)射高頻率的聲波，發(fā)現(xiàn)原油產量有增加。 1977 年，前蘇聯(lián)通過對卡拉讓巴斯油田的一個廢棄油井施加大功率超聲波，使得短時間內油井實現(xiàn)自噴。 1978 年，前蘇聯(lián)用20 kHz、2 kW/m2的超聲波對西西伯利亞一口油井進行了增產試驗， 作用6 h 后油井產量從76 t/d 增加到187 t/d，最終產量達到764 t/d，有效期接近一年。 1981年，華北油田率先進行了超聲波破乳、降阻的冷輸抽油試驗， 隨后又做了超聲波增產試驗， 取得了良好的效果。 1989 年，在玉門油田12 口油井上投入現(xiàn)場試驗，其中10 口井有效，成功率83 %，效果顯著，其中總產油量提高了77.3 %～129.8 %，總產液量提高了32.4 %～88.8 %，含水率降低了5 %，同時近井帶油層物性得到了改善。 1994 年，大慶油田先后在薩南油田和朝陽溝油田的14 口井上進行超聲波增產試驗，11 口井有效，成功率78 %，平均單井日增油2.6 t，平均有效期32 d。

2 超聲波在地層中傳播的特點

超聲波是一種頻率高于20 000 Hz 的聲波， 它的方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農業(yè)上有很多的應用。 與人耳能聽到的聲波相比， 超聲波在介質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律基本相同。由于超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米，障礙物的尺寸遠大于波長時，聲波可看成沿直線傳播。超聲波的兩個主要參數(shù)：頻率：F≥20 kHz（ 在實際應用中因為效果相似， 通常把F≥15 kHz 的聲波也稱為超聲波）；功率密度：P=發(fā)射功率（ W）/發(fā)射面積（ cm2），通常P≥0.3 W/cm2。

2.1 超聲波在地層中的衰減規(guī)律

超聲波在地層的傳播過程中， 由于流體和孔隙介質的阻礙作用，其能量將逐漸耗損、衰減，造成超聲波傳播過程中能量不斷衰減的原因主要可分為擴散衰減、吸收衰減、散射衰減。

2.1.1 擴散衰減 超聲波傳播時， 非平面波聲束隨傳播時間的增加而不斷向外擴散， 聲束截面積也不斷擴大，在總能量守恒的前提下，單位面積上的聲波能量下降，超聲波的擴散衰減與傳播介質無關，而與傳播波形和傳播距離有關。 單位面積上的聲波能量衰減速度與聲源距離的平方呈正相關。

2.1.2 吸收衰減 由聲波物理學可知， 當聲波質點離開平衡位置向前傳播時， 介質質點間的粘滯力和內摩擦力是質點傳播過程中的阻力， 因而聲波要克服阻力必須要消耗聲波的能量， 這部分能量將轉換成熱能的形式。在超聲波傳播過程中，吸收衰減是指聲波質點克服質點間粘滯力和內摩擦力做功的現(xiàn)象。 它與聲波頻率的一次方呈正相關。

2.1.3 散射衰減 不同聲阻抗的介質所組成的界面在超聲波傳播過程中會使得超聲波散亂反射，聲能分散，造成散射衰減。 比如當介質中存在顆粒狀結構如液體中的懸浮粒子、氣泡，固體中的顆粒狀結構等。 一般情況下，散射衰減與頻率平方呈正相關。

2.2 超聲波在地層中傳播模型的建立

以毛細管束模型[11]（ 見圖1）為基礎，考慮超聲波在地層中的傳播過程。 同時取其中一根毛細管中的微段作為研究對象（ 見圖2）。

圖1 毛細管束孔隙介質模型

圖2 研究對象示意圖

模型假設：（ 1）流體在油層中的流動為簡單一維流動；（ 2）流體分子之間的內摩擦力不考慮；（ 3）剛開始地層流體是靜止的；（ 4）超聲波在油層傳播時，不與外界發(fā)生能量交換；（ 5）超聲波在油層流體中傳播屬于小振幅聲波擾動，各聲學變量都是一級微量。

模型建立：

考慮流體粘滯作用的運動方程為：

將式（ 1）兩邊對空間求導，式（ 2）兩邊對時間求導，然后結合兩式，可得方程：

將超聲波近似簡化為諧波：u=u（ x）ejwt，其中：ω-超聲波的振動頻率，Hz。 代入式（ 4）經化簡可得：

定解條件：要得到方程式（ 5）的解需要有定解條

方程求解：這個方程有解析解，通過推導可以得到其解為：

其中：an和bn的表達式分別為：

從上述表達式可以看出， 超聲波在油層中的傳播距離與超聲波頻率、流體的粘度、孔隙度和滲透率等有關。 在其他條件相同的情況下， 超聲波振動頻率f 越小，地層孔隙度φ 越低，流體粘度μ 越小，滲透率K 越高，超聲波在油層中的衰減越慢，傳播距離越大。具體來說，當油層的孔隙度取0.2，油層的滲透率取0.5 μm2，流體的運動粘度取1.0×10-6mm2/s，超聲波在流體中傳播速度取1 500 m/s，孔隙半徑取1.0×10-6m，聲波振動頻率取20 kHz 時候，超聲波在油層中傳播距離不超過1 m。

3 超聲波采油在稠油油藏中增產的機理

超聲波在油田中具有非常廣泛的用途。 它能使停產井恢復生產、降低稠油粘度、減少原油中蠟的含量、提高油層滲透率、提高注水井注入能力、改善巖石表面潤濕性等作用[12]，從而達到增產的目的。 通常情況下，超聲波處理油井，可以使得原油產量提高40 %～50 %，且成功率達80 %以上[13]，大大提高油井的采收率，并獲得顯著的經濟效益。 超聲波增產的機理具體可以分為以下三種。

3.1 機械振動作用

超聲波是一種機械波， 依靠介質質點之間的振動來向前傳播。超聲波作用于油層，將振動這種形式傳遞到孔喉當中， 使得毛細管直徑發(fā)生時大時小的周期性變化，油水之間的界面張力發(fā)生變化，使毛細管當中的殘余油得以擺脫束縛，重新流到孔隙和裂縫中，進而經過井筒產出到地面。 同時，超聲波作用于油層，使得巖石受到的應力發(fā)生周期性變化， 在巖石的應力敏感處會產生疲勞裂縫，從而改善了巖石的滲透率，增加了地下流體的出油通道。另外，超聲波的機械振動作用使稠油分子之間產生激烈的機械振動， 造成稠油中分子之間發(fā)生較大的相對運動，增強分子間的摩擦力，能有效起到降粘的作用。

3.2 空化作用

超聲波作用于液體時可產生大量小氣泡。 空化作用是指液體中的小氣泡在聲波振動作用下不斷變大，最終突然破裂的過程。它一般包括3 個階段：小氣泡的形成、長大和劇烈的崩潰。 氣泡在最后破滅的瞬間，周圍液體突然沖入氣泡，這個過程會釋放大量能量，產生高溫高壓，同時產生激波。 在地層條件下，地層中的原油在地層壓力作用下溶解了大量的液化氣體。 如果在井筒底部放置一個大功率超聲波發(fā)生器， 所產生的強大聲場作用于地層原油，則會產生強烈的空化作用，在原油中產生大量小氣泡，小氣泡逐漸生長、變大，最終發(fā)生破裂，此時，原油中的溶解氣逸出越過界面進入氣泡，對液柱產生舉升作用，有利于驅油。

3.3 熱效應

超聲波在地下傳播時， 由于受到巖石和流體的阻礙，部分能量被傳播介質吸收，轉化為熱量形式，使稠油溫度升高，粘度降低。產生熱量的途徑主要有以下三個方面。

（ 1）能量轉化。 超聲波被地層流體吸收，聲能直接轉化為熱能。

（ 2）邊界摩擦效應。超聲波作用油層后流體發(fā)生流動，流體與孔隙壁面產生摩擦，生成的熱量加熱原油。

（ 3）空化作用。 空化過程會釋放大量的熱量，這些熱量被流體吸收。

4 超聲波采油現(xiàn)場應用工具

目前，對于絕大多數(shù)的超聲波采油設備，都是將其下到生產層的底部。當強大的超聲波射向油層時，原油和儲層孔喉發(fā)生一系列物理、化學的變化，增強了原油的流動性，從而提高油井產能。下面以環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器為例具體說明超聲波采油設備的原理和構造。

環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器[14]是廣泛應用于油田解堵、防蠟降粘的物理法采油設備，它綜合混氣水排和聲波兩者的優(yōu)點，結構（ 見圖3）。 聲波發(fā)生器下方有一個噴嘴， 高速流體流經噴嘴處會產生周期性變化的壓力場，然后通過諧振腔形成大小振幅交替變化的超聲波，超聲波作用于油層，產生機械振動效應、熱效應和空化作用，改善井眼附近滲透率，降低原油粘度，最終達到油井增產的目的。

圖3 環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器

其主要性能參數(shù)為： 振動頻率200 Hz～1 000 Hz；聲壓＞3.14×106Pa；聲強＞337 W/m2；解堵深度＞1.0 m。環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器結構參數(shù)優(yōu)化完成后在孤島油田多口油井實施作業(yè)， 解堵增產效果顯著。 2011 年對GD2-34X426 和GDX2-2 井進行施工，兩口井液量分別由施工前7 m3/d、21.2 m3/d 增加到施工后的54.6 m3/d和51.88 m3/d，增產效果顯著。

5 總結

與傳統(tǒng)的開采稠油所用的熱力采油、化學采油、注水注氣采油等方法相比， 超聲波采油具有非常明顯的優(yōu)點[15]，比如超聲波采油對油層的作用迅速，見效快；經濟效益顯著；設備費用低，施工簡單；提高采收率和采油速度；不會對油層產生污染，不會損壞油層；適用范圍廣等。

但是，由于超聲波在油層中傳播范圍非常有限，距離油井較遠的地方超聲波發(fā)揮不了作用， 因此超聲波采油目前主要適用于解除近井地帶機械雜質和固體顆粒堵塞。

6 幾點建議

（ 1）目前各種針對超聲波采油機理的各種正交優(yōu)化實驗大多是在實驗室條件下進行的， 未考慮稠油油藏的實際地層溫度和壓力條件。

（ 2）超聲波采油作為一種獨立的三次采油方法，由于其作用半徑的限制，在稠油開發(fā)中，目前主要將超聲波采油方法與其它增產措施結合使用，效果比較顯著，如聲波-蒸汽吞吐、聲波-熱水驅、聲波-酸化壓裂等。

（ 3）超聲波采油目前大多數(shù)應用在低滲、稠油等油藏當中， 未來是否可以考慮將超聲波采油應用到煤層氣、頁巖氣等氣藏開采當中，這可以作為未來的一個新的發(fā)展方向。

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