動(dòng)態(tài)條件下超聲儲(chǔ)層水敏性去除實(shí)驗(yàn)研究?

華 強(qiáng)

(濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 濮陽 457000)

0 引言

儲(chǔ)層滲透率是一定壓差下，巖石允許流體通過能力的直接反映。儲(chǔ)層滲透率的大小對(duì)油井的產(chǎn)量、水井的注入量有重要影響。當(dāng)注入水等外來流體進(jìn)入儲(chǔ)層，由于不配伍性等問題引起黏土礦物膨脹、儲(chǔ)層孔喉堵塞從而導(dǎo)致儲(chǔ)層物性損害的過程即儲(chǔ)層水敏性傷害。在石油開采過程中，儲(chǔ)層水敏性問題會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層物性傷害，影響油田開發(fā)效果。儲(chǔ)層水敏性是造成儲(chǔ)層滲透率傷害的重要因素。

超聲是一種綠色、環(huán)保技術(shù)，對(duì)水敏性去除有一定的效果。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)超聲去除儲(chǔ)層水敏性展開了研究。Wang 等[1]設(shè)計(jì)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，展開了超聲-化學(xué)劑聯(lián)合去除儲(chǔ)層水敏性研究，認(rèn)為超聲最佳處理頻率為20～25 kHz，且增大超聲功率有利于巖心水敏性的去除，證明了超聲波與化學(xué)劑的協(xié)同效應(yīng)；Khan 等[2]給出了超聲最佳處理時(shí)間為100 min，此時(shí)滲透率恢復(fù)率可達(dá)24.4%，超過這一處理時(shí)間，滲透率恢復(fù)率逐漸減小。

上述研究證明了超聲技術(shù)對(duì)于儲(chǔ)層水敏性傷害所致的滲透率損失有一定的去除效果。然而，前人對(duì)于該技術(shù)的研究多側(cè)重于靜態(tài)研究及小功率超聲的應(yīng)用，對(duì)于動(dòng)態(tài)過程中超聲水敏性的去除缺乏充足的認(rèn)識(shí)，不同物性、高頻超聲對(duì)儲(chǔ)層水敏性去除規(guī)律尚不清楚，而這些問題對(duì)于了解超聲作用提高水敏性去除的作用機(jī)理具有重要的意義。

因此，基于現(xiàn)有研究的不足，本文設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)超聲波儲(chǔ)層水敏性去除實(shí)驗(yàn)，采用不同滲透率的天然巖心和大功率超聲對(duì)此進(jìn)行探討，研究了在流動(dòng)狀態(tài)下超聲去除水敏性的影響因素，以期進(jìn)一步夯實(shí)超聲去除水敏性傷害的理論基礎(chǔ)，并為推廣該技術(shù)在油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 動(dòng)態(tài)超聲波儲(chǔ)層水敏性去除實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步揭示動(dòng)態(tài)過程中超聲對(duì)儲(chǔ)層水敏性去除的作用機(jī)理，利用自主研制的超聲發(fā)生儀，選取不同滲透率的天然巖心，模擬實(shí)際地層的溫度、壓力，在不同的超聲作用參數(shù)下進(jìn)行室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(1)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置：設(shè)備型號(hào)為HKY-20C，最大驅(qū)替壓力40 MPa，環(huán)壓0～50 MPa，流量范圍0.01～10 mL/min，工作溫度0?C～150?C，主要由注入系統(tǒng)、夾持器系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成，該設(shè)備用于動(dòng)態(tài)條件下的巖心滲透率測(cè)定。

(2)超聲發(fā)生儀：使用濮陽市物理法采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)研制的超聲發(fā)生儀，設(shè)備型號(hào)為US-GDS-1036A，由超聲發(fā)生器、固定支架、超級(jí)恒溫水浴以及顯示器組成。工作頻率為17～125 kHz，最大輸出電功率2000 W，超聲設(shè)備的超聲作用面積為20 cm×30 cm，運(yùn)行溫度為10?C～110?C，加載方式為連續(xù)型，可滿足長(zhǎng)時(shí)間的使用要求。超聲波聲強(qiáng)測(cè)試儀器采用本多HONDA HUS-3。圖1為功率為1200 W的超聲波不同頻率下的聲壓變化。

圖1 聲壓與頻率關(guān)系Fig.1 The relationship between sound pressureand frequency

(3)巖心氣測(cè)滲透率儀：設(shè)備型號(hào)為STY-2，測(cè)試巖心直徑為25 mm，測(cè)試巖心長(zhǎng)度為20～70 mm，工作介質(zhì)為氮?dú)猓蜐B測(cè)量差10%。

(4)電子分析天平：設(shè)備型號(hào)為力辰FA124，精度0.1 mg。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)巖心樣品采用中原油田的天然巖心，巖心直徑為(2.5±0.1)cm，長(zhǎng)度為3.1～7.5 cm，滲透率為11×10?3～1423×10?3μm2；考慮到中原油田儲(chǔ)層特點(diǎn)，本次研究采用的模擬地層水礦化度為20000 mg/L，組分配比NaCl :CaCl2:MgCl26H2O=7.0:0.6:0.4。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將巖心樣品進(jìn)行編號(hào)、清洗并置于50?C烘箱烘干24 h，測(cè)試巖心的基本參數(shù)(氣測(cè)滲透率、孔隙度)。

(2)將巖心飽和模擬地層水后，將其放入巖心夾持器，加環(huán)壓，開泵水驅(qū)。為消除溫度變化和速敏對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不利影響，在實(shí)驗(yàn)溫度為70?C 的條件下，采用泵入速度小于臨界流速，模擬地層水泵入速度設(shè)定為0.02 mL/min，流動(dòng)穩(wěn)定后，利用達(dá)西定律計(jì)算巖心的初始滲透率(Ki)，直至注入2 PV(PV為注入孔隙體積倍數(shù)，無因次)。

(3)將模擬地層水改變?yōu)檎麴s水，速度設(shè)定為0.02 mL/min，穩(wěn)定后計(jì)算巖心滲透率(Kb)，直至注入4 PV，建立儲(chǔ)層水敏性傷害后的巖心。

(4)打開超聲發(fā)生儀，測(cè)定超聲作用后的巖心滲透率(Ka)。

(5)重復(fù)步驟(1)～(4)，分別采用不同的超聲波作用參數(shù)，以巖心滲透率恢復(fù)程度KR=(Ka ?Kb)/Ki ×100%作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究各作用參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層水敏性傷害的恢復(fù)情況。

圖2為實(shí)驗(yàn)流程示意圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.2 Experimental setup

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 頻率

研究中采用不同頻率的超聲波對(duì)天然巖心進(jìn)行處理，分析超聲頻率對(duì)動(dòng)態(tài)條件下儲(chǔ)層水敏性去除的影響。實(shí)驗(yàn)中作用時(shí)間為20 min，功率為1200 W，巖心滲透率為56.36×10?3μm2。

通過研究發(fā)現(xiàn)，超聲波的頻率與儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)存在較為復(fù)雜的關(guān)系，見圖3。當(dāng)超聲頻率處在17～22 kHz范圍時(shí)，隨著頻率的增加，滲透率恢復(fù)率迅速增加；當(dāng)超聲頻率處在22～50 kHz 范圍時(shí)，隨著頻率的增加，滲透率恢復(fù)率急劇減小；而當(dāng)超聲波頻率超過50 kHz時(shí)，滲透率恢復(fù)率則呈緩慢上升趨勢(shì)。

圖3 頻率與儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)率關(guān)系Fig.3 The relationship between frequency and reservoir permeability recovery

由于超聲能量衰減隨著頻率的增加而變大[3]，較高的超聲波頻率不利于巖心水敏性傷害的去除，故應(yīng)將頻率控制在合理的范圍內(nèi)。當(dāng)儲(chǔ)層固有頻率與超聲波頻率匹配時(shí)，能引起黏土礦物顆粒在儲(chǔ)層孔隙內(nèi)部的蠕動(dòng)傳輸，對(duì)于降低儲(chǔ)層水敏性傷害能取得良好的效果。在較低頻率(17～22 kHz)下，空化作用產(chǎn)生的空化泡具有數(shù)量較少、尺寸大、能量強(qiáng)的顯著特點(diǎn)，所以在17～22 kHz 頻率范圍內(nèi)，滲透率恢復(fù)率處在較高的水平上。隨著超聲頻率增加，超聲能量迅速衰減，系統(tǒng)內(nèi)空化作用產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)隨超聲波頻率增大而降低，空化作用的減弱會(huì)促進(jìn)黏土顆粒聚結(jié)的趨勢(shì)[4]，這一點(diǎn)并不利于儲(chǔ)層滲透率的恢復(fù)；但高頻聲波往往在介質(zhì)中吸收更多，由此產(chǎn)生更強(qiáng)的邊界摩擦作用，隨之產(chǎn)生的熱量往往會(huì)除去黏土的吸附水，導(dǎo)致黏土顆粒尺寸的減小，相鄰黏土顆粒之間的空間逐漸變大。也就是說，超聲作用通過減小黏土團(tuán)簇的尺寸，從而促進(jìn)儲(chǔ)層內(nèi)部黏土顆粒的懸浮程度，最終減少了儲(chǔ)層的水敏性傷害，儲(chǔ)層滲透率得以部分程度的恢復(fù)。水的存在填充了孔隙空間，影響了多孔介質(zhì)里面的超聲波傳播特性[5?7]。高頻聲波對(duì)于滲透率恢復(fù)的影響取決于上述兩種效應(yīng)的作用強(qiáng)弱，在一定程度上，邊界摩擦作用能間接地抑制黏土礦物在儲(chǔ)存內(nèi)部的水化膨脹和分散。

2.2 超聲功率

前人研究多停留在較低功率超聲對(duì)儲(chǔ)層水敏性的去除，采用功率多低于1000 W，尚缺乏大功率超聲對(duì)儲(chǔ)層水敏性問題的相關(guān)研究，因此，特研制大功率超聲發(fā)生器，開展相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)中超聲作用頻率分別25 kHz、50 kHz，超聲作用時(shí)間為30 min，巖心滲透率為45.92×10?3μm2。

通過研究發(fā)現(xiàn)，超聲波功率與儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，見圖4。當(dāng)超聲頻率為25 kHz 時(shí)，滲透率恢復(fù)率隨功率的變化一直保持增加的趨勢(shì)，當(dāng)超聲功率高于1300 W 時(shí)，滲透率恢復(fù)率則保持相對(duì)穩(wěn)定；而當(dāng)超聲波頻率為50 kHz、超聲功率低于1300 W 時(shí)，隨著超聲功率的增加，滲透率恢復(fù)率迅速增加；當(dāng)超聲功率高于1300 W 時(shí)，隨著超聲功率的增加，滲透率恢復(fù)率則保持相對(duì)穩(wěn)定，不再繼續(xù)增加。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)采用較低的超聲功率時(shí)，兩種頻率下的超聲所對(duì)應(yīng)的滲透率恢復(fù)率差值較大(500 W，差值為4.2%)；當(dāng)采用較高的超聲功率時(shí)，兩種頻率下的超聲所對(duì)應(yīng)的滲透率恢復(fù)率差值較小(1700 W，差值為1.7%)，說明大功率超聲解除水敏性傷害具有更大的優(yōu)勢(shì)，在使用時(shí)不會(huì)受到頻率的限制。

圖4 超聲功率與儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)率關(guān)系Fig.4 The relationship between ultrasonic power and reservoir permeability recovery

隨著超聲功率的增加，系統(tǒng)的能量供應(yīng)越充足，超聲空化作用就越強(qiáng)烈[8]，越有利于水敏性去除。提高超聲波功率能夠彌補(bǔ)頻率增大所引起的超聲波能量衰減。超聲頻率越高，能量衰減越大，這一點(diǎn)較好地解釋了較高頻率下滲透率恢復(fù)率小于較低頻率下的滲透率恢復(fù)率這一現(xiàn)象。功率可補(bǔ)償因頻率引起的衰減。大功率的超聲作用于油層時(shí)，儲(chǔ)層內(nèi)部的毛細(xì)管直徑會(huì)隨著超聲作用時(shí)大時(shí)小，由于直徑發(fā)生變化，表面張力、毛細(xì)管力均會(huì)隨之發(fā)生變化，所以能獲得更高的滲透率恢復(fù)率。

2.3 作用時(shí)間

超聲最佳激勵(lì)時(shí)間研究處于起步階段，為研究超聲波處理時(shí)間對(duì)去除巖心水敏性的影響規(guī)律，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中超聲頻率為25 kHz，功率為1000 W。為增強(qiáng)其代表性，采用3 種不同的巖心，巖心1滲透率K1=16.55×10?3μm2，代表低滲儲(chǔ)層；巖心2 滲透率K2= 133.23×10?3μm2，代表中滲儲(chǔ)層；巖心3 滲透率K3= 1265.79×10?3μm2，代表高滲儲(chǔ)層。

研究發(fā)現(xiàn)，在超聲波作用初期，3 種巖心的滲透率恢復(fù)率迅速增加，呈現(xiàn)相似的特征，高滲儲(chǔ)層的曲線斜率明顯高于中滲、低滲儲(chǔ)層，說明原始滲透率越好的儲(chǔ)層，其滲透率恢復(fù)速度也越快，見圖5。不同的是，低滲巖心的滲透率恢復(fù)率在超聲作用100 min 后達(dá)到最高值，之后增加超聲處理時(shí)間，滲透率恢復(fù)率基本保持平穩(wěn)，這一結(jié)果與文獻(xiàn)[2]較為吻合；中滲巖心的滲透率恢復(fù)率在超聲作用80 min后達(dá)到最高值，之后基本保持平穩(wěn)；對(duì)于高滲巖心，該處理時(shí)間縮減為60 min，中滲、高滲巖心對(duì)應(yīng)的超聲處理時(shí)間均小于文獻(xiàn)[2]研究結(jié)果。這說明，滲透率更低的巖心應(yīng)采用更長(zhǎng)的超聲激勵(lì)時(shí)間，超聲處理存在一個(gè)最佳處理時(shí)間，且這一最佳處理時(shí)間與儲(chǔ)層物性密切相關(guān)，儲(chǔ)層物性越好，最佳處理時(shí)間越短，過長(zhǎng)的超聲激勵(lì)時(shí)間有可能導(dǎo)致較大顆粒分離[2]，這些顆粒在后面以架橋的形式阻礙流體的滲流，導(dǎo)致滲透率恢復(fù)率降低。

圖5 作用時(shí)間與儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)率關(guān)系Fig.5 The relationship between action time and reservoir permeability recovery

超聲處理存在最佳處理時(shí)間，這與文獻(xiàn)[1]的研究較為吻合。與其不同的是，本文研究發(fā)現(xiàn)，最佳處理時(shí)間與儲(chǔ)層物性密切相關(guān)，分析其原因，在于文獻(xiàn)開展的實(shí)驗(yàn)為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，流體對(duì)超聲能量的吸收程度不同；另外，文獻(xiàn)[1]開展的實(shí)驗(yàn)采用巖心的滲透率為30×10?3μm2、60×10?3μm2、120×10?3μm2，巖心屬于中低滲范圍，巖心物性相差不大，所以超聲處理時(shí)間的差別并不明顯。

低滲儲(chǔ)層孔喉半徑較小，黏土顆粒與孔喉內(nèi)壁的距離較小，致使孔喉內(nèi)壁對(duì)黏土顆粒產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用；加之低滲儲(chǔ)層易受污染，所以低滲儲(chǔ)層需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間。但是，對(duì)滲透率為16.55×10?3μm2的巖心1 累積處理時(shí)間達(dá)到180 min時(shí)，滲透率恢復(fù)率降低了1.1%，這是由于長(zhǎng)時(shí)間的超聲作用造成巖心入口端強(qiáng)烈的空化作用，作用在巖心的超聲能量減少，從而導(dǎo)致較多的聲能量逸散；另外，空化泡湮滅時(shí)產(chǎn)生的壓力給巖心驅(qū)替系統(tǒng)施加了回壓效應(yīng)，導(dǎo)致流體流動(dòng)受阻，這種回壓對(duì)于物性差的低滲巖心影響更顯著。

2.4 儲(chǔ)層滲透率

文獻(xiàn)[1–2]分別使用滲透率30×10?3～150×10?3μm2的3種巖心開展實(shí)驗(yàn)，使用的滲透率范圍過于狹窄，不能充分揭示滲透率對(duì)水敏性解除的真實(shí)影響，這一影響并沒有得到充分的探討。因此，為更全面地揭示儲(chǔ)層滲透率與滲透率恢復(fù)率之間的內(nèi)在聯(lián)系，尤其是探索中高滲儲(chǔ)層的滲透率恢復(fù)問題，本次研究采用中原油田23 塊天然巖心(滲透率范圍11×10?3～1423×10?3μm2，低滲、中滲、高滲儲(chǔ)層都有涉及)，進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究。

通過研究發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)儲(chǔ)層滲透率低于30×10?3μm2時(shí)，滲透率恢復(fù)率處在較低的水平；當(dāng)儲(chǔ)層滲透率處在30×10?3～80×10?3μm2范圍時(shí)，隨著滲透率的增加，滲透率恢復(fù)率逐漸增大；而當(dāng)儲(chǔ)層滲透率高于80×10?3μm2時(shí)，則呈現(xiàn)出中滲儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)率逐漸增大而高滲儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)率相對(duì)穩(wěn)定的特征，見圖6。

圖6 儲(chǔ)層滲透率與儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)率關(guān)系Fig.6 The relationship between permeability and reservoir permeability recovery

當(dāng)儲(chǔ)層滲透率較高時(shí)，儲(chǔ)存的孔喉直徑較大，黏土顆粒與孔隙內(nèi)壁的作用力較小，在超聲波作用下，黏土顆粒更容易擺脫儲(chǔ)層內(nèi)壁對(duì)其吸引力而脫落，滲透率恢復(fù)率隨滲透率的增大而增大。在油氣層滲流中，黏土顆粒的水敏性膨脹降低了孔喉的有效直徑，從而增大了滲流阻力，造成了水敏性傷害這一嚴(yán)重后果，黏土顆粒的水化膨脹會(huì)造成儲(chǔ)層的水敏性傷害。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲頻率對(duì)于去除儲(chǔ)層水敏性存在最佳范圍，為17～22 kHz。當(dāng)超聲頻率處在22～50 kHz范圍時(shí)，隨著頻率的增加，滲透率恢復(fù)率急劇減小；而當(dāng)超聲波頻率超過50 kHz，滲透率恢復(fù)率則呈緩慢上升趨勢(shì)。超聲頻率與功率存在一定的補(bǔ)償關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需重視頻率、功率的匹配問題。超聲最佳處理時(shí)間與儲(chǔ)層物性有一定聯(lián)系，不同滲透率的儲(chǔ)層超聲最佳處理時(shí)間有明顯差異。滲透率恢復(fù)率與儲(chǔ)層物性呈現(xiàn)較復(fù)雜的關(guān)系。研究結(jié)果有助于了解超聲水敏性去除的作用機(jī)理，為該技術(shù)在油田現(xiàn)場(chǎng)的推廣提供理論指導(dǎo)。