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超声波处理油层技术

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超声波 处理 油层 技术
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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 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 10井底形成 c m 2 声场,经过 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,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 20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,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物的流体,在高频、高强度的超声波作用下,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,气泡在崩溃瞬间,会伴有激波的产生,对周围产生声波作用。(1)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≥90套管严重损坏通径≤110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 口井均为抽油井,井深为450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,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 20~27声强 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 年已成功施工 352 口油水井,成功率 100℅,有效率 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 152 100 85 6678 217玉门白杨河油田 25 100 92 1500 191玉门老君庙油田 37 100 79 3020 230大港油田 8 100 7 100 100 100克拉玛依油田 58 100 6928长庆油田 12 100 75青海油田 48 100 01355、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/m3/d 左右,89 年 12 月应用频率 24率 10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/16 日投产 ,17 日产液 36m3/d,18 日产液 29 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率为 10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 有效渗透率提高了 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 果分析1、以克拉玛依油田 58 口油井为基础:自 1988 年 4 月至 2003年 11 月共进行超声波解堵试验 58 井次,其中有效井 45 井次,元效井13 井次,措施有效率 78%。截止 2003 年 9 月底,共累计井口增油91160 吨,累积有效天数 16413 天,58 上升至处理后的 ,产油能力由处理前的 上升到处理后的 ,处理后产油能力提高了 含水由处理前的43%下降至 30%,下降了 13%。45 口有效井平均单井增油 470 吨,平均单井有效期为 143 天。其中单井增油在 1000 吨以上的有 8 口,占有效总井数的 单井增油在 500之间的有 6 口,占有效总井数的 200~500 吨之间的有 8 口井,占有效总井数的 17%单井增油 200 吨以上的井合计 22 口,占有效井的 单井有效期最长达 500 天,通过对 58 口油井处理前、后资料的对比分析及总结,超声波解堵技术主要取得了以下几个方面的效果:1、解除因地层原因造成的堵塞与污染,通过对 58 口油井统计,单井增产量大,共施工 14 口井,占总井数的 76%,累积增油量为 80018吨,占总增油量的 措施有效率 其原因主要是该区油层物性好,该油层自身产生的损坏因素也逐渐增大,如:微粒运移、粘土水化膨胀、水锁、敏感性矿物、润湿性、结垢、结蜡等诸多因素,都会不同程度的对该区油层近井地带造成严重的污染与堵塞。由于该区具有较强的供液能力,因此利用超声波技术解除近井地带堵塞与污染后取得了显著效果2、解除因井下作业造成的堵塞与污染。目前我油田出砂井逐见增多,为了保证油井正常生产,出砂后普遍采取挤因砂剂防砂,但挤固砂剂后多数井产量下降,说明挤固砂剂后油井渗透性变差,为此在不完全破坏固砂作用的前提下提高近井地带的渗透能力,达到恢复产量的目的,利用超声波解堵技术取得了较好的效果,如 7817、8913 均因挤固砂剂后使油层堵塞造成产量下降,9804 井因重新固井使油层污染,产液量由正常时 降至 ,动液面711m,表现为供液差,通过分析认为该井挤固砂后近井地带油层堵塞,渗透率下降。而该井综合含水一直不高,故决定对该井实施全井段超声波解堵,分析第八层为潜力层,重点处理第八层,在处理过程中处理到层最后一个段(井开始大量外溢,处理后产液能力由原来 上升至 ,产油能力由 上升至 ,升到 370m 截止 96 年 9 月底累积增?油 1343 吨,有效期已达496 夭,取得了显著的增产效果。(处理前后生产变化情况见曲线)7817 井处理前后生产曲线9804 井 86 年 8 月举产后,由于固井不合格,造成水窜,投产后出水,89 年 3 月对该井实施重新固井,并将射开右层全部封堵,后通过酸洗,只将 5 号层打开,后未进行任何措施直接下泵抽油,初期产液量10 吨,含水 40%,地层压力 压 4 年元月至处理前液量保持在 7 吨左右,含水达 70%,液面 800m ,由于该井生产压差较大,产液能力低,分析认为 5 号层因固井时所受污染未全部消除,处理后产液量由 上升到 ,含水由 71%下降至目前 59%。截止 96 年 9 月底共增油 517 吨,有效天数 410 夭。另外井下作业及化清液漏失造成的污染也非常严重,特别是对低产低能井影响较大。如8880 井位于 552 井区边缘地带,距注水井较远,注水受效差,目前地层压力只有 10力保持程度只有 在历次检泵作业,化清作业中均有不同程度的作业液漏失现象,造成油层污染,处理前该井只有八4 层动用,动用,厚度 理后八 5 层 1631启动,动用厚度增加,产液量由|升至 ,含水由 58%降至 24%,截止 96 年9l 月底共累积增油 1492 吨,有效夭数 487 夭(处理前后生产风情况见曲线)3、提高了油层的动用程度。通过运用产液剖面资料,对中、低含水井层进行超声波解堵,解放了中低含水油层,达到了提高油井产能的目的。如 8834 井射开层位为八 4 八 5 层,处理前地,层压力 a ,流压 a,生产压差达 a,从历年产液剖面分析 ,八 425 层含水高达 90%以上,由于八 41 层 79 年补开后未进行压裂改造,故本次处理时只处理八 41 层,处理后日产液量由 上升至 44 吨,含水由 62%下降至 37%,截止 96 年 9 月底共增油 1107 吨,有效天数 403 夭,取得了显著效果(处理前后生产情况见曲线),其原因主要为通过对八 41层处理,提高了近井地带油层的渗透能力,进一步释放了八 41 层潜如力,同时由于井筒液面的上升,井底流压高,(井筒液面由处理前的 1322m 上升至 1098m)从而抑制了八 51出液,取得了含水下降幅度较大的效果。四、经济效益评1、总增产原油价值以资料比较详实的克拉玛依油田 58 口井为依据,增产原油 16928 吨。按原油现价 840 元/吨计,其产值共计:元。2、总成本费用=174+元3、经济效益总效益=产出 元4、投入产出比=1:声波解堵技术是一项成本低、见效快,增产效果显著的新工艺,具有较好的应用前景。五、认识1、利用该技术对油层实施解堵处理,不会使油层产生二次污染,不会损伤套管。2、适用于油田中、晚期开采的油井解堵处理,具有很强的细分层,、可选择处理的特点。3、地带猪塞与污染严重的油井,解堵效果明显适用于区块油层物性较好,地层保持程度高。4、施工简单,可以作为一项常规工序加入检泵作业中,对油层进行解球或逸择性解堵处理, 5、前该技术处理半径较小,功率强度低,应进一步发展大功率超声波仪器,提高处理半径。超声波处理油层技术目录一、 前言二、 超声波解堵机理三、 现场应用情况及效果分析四、 经济效益评价五、 认识
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