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物理法采油作业
——《人工地震采油技
术》
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人工地震采油技术机理研究与分析
摘 要: 人工地震采油技术是利用一定的设备在油层附近产生频率很低的机械波，通过声波的特性在油层发生一系列的波动效应, 达到多口井增产增注的一种物理采油方法。它是一种适应低渗透、高含水中后期油田开发的比较理想的物理法采油技术。作者对其作用机理进行了理论分析、归纳和总结,为该技术的进一步深入研究做铺垫。
关 键 词: 人工地震;采油技术;波场;机理
通过分析大量的文献资料以及现场与室内实验相结合的研究, 对该技术的作用机理进行了理论研究分析。理论基础
(1)低频波具有强穿透性, 并且与油层易发生共振。人工震源在井底作垂直震动, 能使地下深处的油层产生一定振幅的受迫振动, 这已被许多实验所证实。目前人工地震所采用的震动频率为次声波频率, 通过井底测试该频域的波最适合在油层中传播,当井深超过200m 后, 波在地层中的衰减系数非常小;计算表明
[ 7] , 一般地层的振动占优频率低于300H z, 在该的频域内谐振, 作用距离可达到几百米以上, 即利用低频振动处理地层可取得较显著效果。
同时有实验[ 1] 表明, 在某些窄频带做位移振动时会使岩心渗透率提高, 而这个窄频带恰是岩样的固有频率, 即人工地震目前所采用的频域范围是6~12H z[ 6 ] , 与油层介质的固有频接近, 即很容易产生共振, 共振时能量可大大提高。低频采油技术被认为是扩大油层处理半径及提高油层采收率的最有发展前景的方法。
(2)振动采油具有一井振动多井受益的优点,起到事半功倍之效。人工地震采油过程中, 振动井所产生的机械波通过油层介质时, 使得油层(弹性介质)的某一部分产生离开它的平衡位移, 进而使得油层介质出现内部恢复力。正是这些质点之间的弹性恢复力与质点惯性结合在一起, 使这部分介质在平衡位置附近振动。由于介质的弹性, 这种振动就一层接着一层由近及远地传递出去, 这种振动在油层介质中的传播就是波。可以得出: 一方面振动本身能够对油层介质中的液体的物性起到改良性作用;另一方面能量在油层介质中的传递就是通过这种介质中的扰动在传播, 而介质本身并不随波一道向前运动, 这就能够使得一井振动大面积多井都处在波场范围内受益,起到一井振动多井受益事半功倍的效果。2 机理分析
(1)振动对原油降黏、升温的作用。处在波场范围内的油层, 由于岩石骨架的振动,岩石孔隙中饱和的流体受到不断的挤压和拉伸, 使得流体结构不断遭受剪切破坏, 从而流体的流变性发生改变, 使非牛顿流体变成牛顿流体, 进而原油黏度降低。另外波在油层介质中的传播, 随着传播距离增加而逐渐变为热能被吸
收, 起到热降粘的作用。室内实验还表明[ 5], 在长时间周期性脉冲波下, 振动效果与升温(20~ 70 ℃)的效果相同, 可以使化学反应的逸出速度提高几十倍, 逸出气体会增加孔隙的压力, 宏观上增加了整个地层能量。
(2)振动产生的超声波作用。
波场范围内的油层, 波扫过油层空间的每一点时都可以激发该点的岩石颗粒产生超声波。
超声波传播时主要引起三方面效应:
一、引起介质交变振动, 能够使油层介质中应力或声压作周期性变化;
二、产生空化作用, 使岩石孔隙饱和液体中的气泡逐步生成和扩大, 然后突然破灭。在这急速的气泡崩溃过程中, 气泡内出现高温高压, 气泡附近的液体中也形成局部的但强烈的激波。
三、解聚降粘作用, 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, 机械振动作用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, 使得分子键断裂, 大分子被粉碎, 这种解聚作用在空化状态下更为明显。
实验表明[ 4 ] , 超声波具有强洗油作用, 并且超声波产生的一系列的次级效应都有利于洗油作用,如化学效应、分散作用和乳化作用等;另外超声波对原油粘度的下降程度及其逆转性取决于声处理的强度及时间, 只有在强度、时间达到的情况下, 原油粘度才能明显下降并不再恢复。
(3)振动具有增大毛细管半径, 缩小毛细管力作用。研究表明, 当球面地震波传播至地层中的毛细管某处时, 会使波阵面与毛细管相交处的毛细管半径瞬间扩大40~ 110 Lm, 毛细管半径的扩大值等于该点的岩层振幅。研究还表明油层岩石振幅随岩石密度的增大而增大, 即地震波引发的小毛管(主要在低渗层)的变化比在大毛细管(主要在高渗层)的变化幅度要大。国外研究认为[ 3] 振动可以增大小毛细管半径,缩小毛管力级差, 改善低渗透层的水驱效果和平面矛盾, 提高低渗油层水驱效果。具体原理是油层未受声波扰动时, 其内部处于上覆岩石压力、油藏压力及岩层骨架承受压力的平衡状态。
根据表面张力(R)和毛管压力(p)的计算公式:
E表面E相内2E表面E相内2Pcoscos 22rrr
式中: —— 两相界面层的表面张力, N /m;
E表面—— 两相界面层所具有的能量, N m;
E相内—— 相内同体积分子层所具有的能量, N m;
—— 水对岩石的润湿角, °;
2r2—— 两相界面的面积, m;
r—— 毛细管半径, m;
p—— 毛细管压力, N /m
可以看出, 当毛管半径变大时, 表面张力就以半径的平方形式缩小, 毛管力就以半径的三次方形式缩小, 这就使原来毛管力和重力的平衡关系被打破,束缚在毛细管中的残余油就会在重力与声波的振动作用下流入井底。
(4)振动引起的压力波效应可以降低液体的表面张力, 增加原油的流动性。井下震锤的强烈振动, 产生的压力波(P)传播到储油层的上覆盖层, 由于径向距离的差异, 在油层横向产生微小附加压力梯度, 这种附加压力梯度会减小油层液体的表面张力, 促使其流动。
(5)振动可以改变岩石表面的润湿性。机械震动通过多孔介质时所激发产生的超声能够促使吸附在岩石孔隙和吼道表面上的膜分化和剥离, 降低了流体对岩石表面的粘附力, 从而改变了岩石的润湿性;研究表明[ 6 ] 震动所产生的压力波对岩心润湿性影响的程度不同, 可使岩心的亲水性加强, 也可使岩石的润湿性由中性向亲水转化。润湿性向水湿方向转变的结果可降低毛细管阻力, 提高水驱效率和原油采收率。用“自吸法”测试岩心在固有频率附近下岩心的吸水比[ 2] 得出了相同的结果。
(6)振动能使油、水重新分布, 提高油水两相渗透率, 降低含水上升速度。振动后的动摩擦力小于静摩擦力, 这样不仅减小了贾敏效应0, 使/死油区0中的原油在较小的压差下进入渗流通道, 降低残余油饱和度。而且由于油、水及岩石物质密度不同, 所以各自产生的振动速度和振幅也不同, 致使两种相态物质界面产生对运动, 达到一定强度就会撕裂, 从而使原油和岩石的亲和力减弱, 使原油脱离岩石表面。在高频振动波的机械振动作用下油和水的界面会形成油包水或水包油型乳状液, 使原油出现乳化现象, 进而降低水驱压力, 大幅度提高油水两相的渗透率, 提高水驱开发效率;现场试验表明[ 7] , 振动作用开始之后, 地层平均含水饱和度快速降低, 最大降低值超过20%,有理论推断, 在弹性场内的渗流速度可增加100倍,已得到证实。
(7)振动波的压裂作用, 有利于清除油层堵塞, 提高渗透率。
振动本身可以使油层岩石孔隙表面附着的污染物慢慢剥离, 分散在液体中, 同时振动产生的脉冲压缩波使油层岩石的应力发生时大时小的变化。在压缩时应力强度可以达到上千个大气压, 一张一弛使岩层每秒钟内承受着上万次甚至更高的冲击振幅,当超过岩石的疲劳强度极限时, 就可以使岩层产生疲劳裂缝, 从而改善油层泄油剖面, 提高绝对渗透率。
(8)振动造成的应变积累效果, 在油层中具有迟滞作用。超低频率振动对油层这种粘-弹介质反复作用的结果造成其应变积累。停振后, 油层介质的积累应变会松弛而转变为应力, 应力释放过程会继续使液体流速的增加保持一段时间。因此, 震源振动和停振一段时间后, 均会促使液体向油井低压区流动。3 结 论
(1)低频波的强穿透性以及低衰减性奠定了波场采油作为一种新型采油技术的理论基础, 一井振动多井受益的高效性以及工艺的简单性为进一步现 场应用做了铺垫。
(2)振动使液-液界面受到剪切, 油水乳化、原油降粘、剩余油启动聚集和重新分布;液固界面振动使岩石表面润湿性发生改变、油膜脱落而聚集运移。(3)岩石颗粒的周期振动, 引起喉道伸缩, 贾敏效应解除, 渗透率增加;同时激发产生的超声波强洗油作用以及一系列的次级效应, 降低含水率。
(4)人工地震采油技术具有生态环保、低成本性优点, 是提高石油采收率的物理、化学方法中很有前景的方法之一。但是其关键技术(振源振力、频率、施工工艺, 波动场、渗流场和固体介质场三场偶合等)还有待进一步深入研究。参考文献
[ 1] 马建国, 金友煌, 周三平, 等.机械振动对岩心渗透率影响的实 验[ J].西安石油学院学报, 1996, 11(5): 825.[ 3] U S P.4060.128 1977.11.[ 4] 严炽培, 吴小薇.用超声波提高油气渗流速度的研究[ J].石油 大学学报, 1989(6): 55-57.[ 5] 王仲茂.振动采油技术[M ].北京: 石油工业出版社, 2000.[ 6] 于海力.振动采油选择激振参数的新方法[ J].世界地震工程, 1998(2): 60-64.[ 7] 王江.振动采油机理及影响因素研究[ J].钻采工艺, 2007, 30(4): 49-50;58.
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