基于超声波岩心驱油系统研究

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【摘要】油田油井开采过程中，油层因原油种类的繁多而产生堵塞，这是导致油井产量下降的重要因素，严重地制约了油井的开发。设计以超声波理论为基础，结合实验室模拟油井实验，深入地研究了超声波方式降低原油粘度、解决油井堵塞的机理。设计并制作了电子电路，分析了超声波各类参数对岩心驱油的影响。根据实验结果优化了驱油系统的工艺参数，得出了优化系统参数下的原油降粘率。

【关键词】超声波;降粘;岩心驱油;原油

1.引言

我国油田油井大多数为陆相沉积，并且油藏类型特别繁多。因此开发一套增加油气产量的技术显得尤为重要。传统增产技术有一定效果，但是开发成本高、污染严重等因素直接缩减了技术的发展。而超声波技术属于物理技术，非接触式方式可进行无损处理，它的潜在优势更是受国内外的广泛关注。超声波已被用于生产生活中的各个领域，例如采油时的解堵、防蜡、脱水、防垢等。在国外，超声波技术已经广为推广，油井生产中产量提高百分之四十以上，原油提取量提高百分之十以上。在国内，自上世纪五十年代以来，超声波技术已取得了显著的成就[1]。本文以超声波理论为基础，构建了一个完整的实验室平台，对岩心的油层进行研究，分析超声波对油层的作用。改变超声波的频率、功率、作用时间、原油环境等参数，得出实验数据，并优化实验。

2.超声波驱油理论研究

2.1 超声波遵循几何光学定律

本系统所采用的超声波具有非常类似的光学传输规律。例如超声波可以发生反射、折射、散射等等。经过更深入的了解和研究以后发现，超声波的频率越高，光学特性越显著，也就越靠近光波。根据这一理论特性，利用不同波长的超声波的不同影响来促使油层发生不同反应，以实现各种应用场合[2]。

2.2 超声波的吸收特性

超声波的吸收系数如下[3]：

（1）

根据上面公式可以看出，与音频或者低频声波相比较，超声波在物体介质中的吸收作用更大，并且超声波在介质中的传播距离更短。经过试验证明，超声波的频率越大吸收作用越强，传播距离也越短。超声波的吸收作用在气体介质中的效果最强，固体介质中效果最弱，在液体介质中的效果介于二者之间。

2.3 超声波功率

超声波在介质中传播时的平均功率可用如下公式表示：

（2）

公式中Pa表示最大声压幅值，ua表示最大值点的速度，Pz表示的是有效声压幅值，而uz为有效质点速度。

通过对上述公式的观察，很容易得出，超声波的功率会远大于音频声波或者低频声波。由于这种突出优势使得超声波在各个领域中广泛使用。当超声波传入媒介以后，介质中的物质会随着超声波而振动，并且振动频率与超声波频率保持一致。因而介质物质由于振动所获得了能量，大小与介质分子质量成正比，与介质的振动速度的平方成正比。

利用这一运动过程，超声波所产生的机械能为介质分子提供较高的加速度，这是利用超声波对物质进行处理、改变的主要原因。

3.岩心超声波驱油系统设计

本实验采用三个不同岩心渗透率的岩心，岩心的长度为5cm，直径为2.5cm，渗透率分别为30*10-3 um2、150*10-3 um2、300*10-3 um2。岩心超声波驱油实验在实验室环境中进行，常温常压。通过不同参数因素定量分析实验所得数据，研究超声波对油层岩心渗透率的相应，进而得出超声波驱油效果。

本实验采用的实验装置如图1所示：

图1 超声波作用岩心实验装置

如图1所示的装置中，1处代表岩心的夹持器，2处表示岩心，3处代表测量压力系统装置，4代表超声波换能器，5处代表超声波发生器，6处为岩心高压泵，7处为量筒。

4.岩心超声波驱油实验

4.1 超声波频率对岩心驱油效果的影响

频率是超声波的固有属性，是将超声波与其他声波区分出来的重要因素。因此超声波对岩心的作用也起着相当大的作用[4]。因此有必要对超声波频率进行单因素分析，设其他参数不变，采用不同频率的超声波作用于岩心。

三个岩心渗透率段30*10-3 um2、150*10-3 um2、300*10-3 um2所对应的流速分别为1.5ml/min、3ml/min、5ml/min。通过测压系统观察岩心两端压力，在压力基本稳定的情况下，测量液体体积，同时记录时间，三个岩心渗透率段均取三块岩心进行测量，最终取其平均值作为岩心原始液测渗透率。根据实验结果绘制出岩心渗透率与超声波频率之间的关系图：

图2 岩心渗透率恢复率与超声波频率的关系曲线

如图2所示三个渗透率的恢复率与超声波的频率关系走势基本相同，相应规律基本一致。关系曲线中出现了一个极值，即三种渗透率在28KHz附近时岩心的驱油效果最好。每个超声波频率范围内都会产生相似的驱油效果。

4.2 超声波作用时间对岩心驱油效果的影响

根据上一节的实验结果，选出不同渗透率驱油效果最好的频率，以此为基础的实验研究超声波作用时间对岩心层解堵的效果[5]。依然选用三种渗透率的岩心分别为30*10-3 um2、150*10-3 um2、300*10-3 um2。在优选的频率范围内，并且调整好超声波的输出功率，分别对三种岩心作用不同时间，然后测量出此刻岩心的渗透率，反复测量后得出实验结果。

图3 不同渗透率段岩心的渗透率恢复率与超声波累计作用时间关系曲线

根据图3所示的信息可以得出，对于30*10-3 um2、150*10-3 um2渗透率的岩心来说，超声波的作用时间小于50分钟时，渗透率会随着作用时间的增加而加大，并且增长幅度较大。而超声波作用时间超过50分钟以后渗透率会上下浮动，且幅度较小，近似趋近于稳定。而对300*10-3 um2渗透率的岩心而言，超声波的作用时间小于30分钟时，恢复率增长幅度较小。当作用时间在30分钟到50分钟区间内时恢复率增长幅度有了明显的提高。50分钟以后恢复率趋近于稳定。

根据该实验可知，超声波作用时间对三种渗透率的岩心的作用趋势基本相同，从环境、经济等因素考虑后，应该将趋近于稳定的时间点作为超声波驱油的作用时间。

5.结束语

本设计介绍了三种渗透率段的岩心实验，其中超声波作用后的岩心渗透率会随着超声波频率的增加而改变，并且出现了一个峰值。该峰值对于三种渗透率的岩心均为28KHz。因此可以得出，频率为28KHz左右的超声波驱油效果最佳。超声波的作用累积时间在50分钟以内时岩心渗透率的恢复率逐渐增大。而超过50分钟以后恢复率变化幅度很小，并且趋近于稳定状态。因此，为了避免资源以及经济上的浪费，超声波的作用时间约为50分钟，去油效果最佳。

参考文献

[1]杨建华，李保印，靳天波.物理法采油新技术的研究与应用[J].清洗世界，2005（11）：132-136.

[2]Pietro Poesio，Gijs Ooms.Removal of Particle Bridges From a Porous Material by Ultrasonic Irradiation[J].Transport in Porous Media ，2007（3）.

[3]中国机械工程学会无损检测学会编.超声波检测[M].北京：机械工业出版社，2000.

[4]吴志民.高压旋流解堵技术的原理及应用[J].中国石油和化工标准与质量，2011（01）：71-73.

[5]尹文波，王平，董怀荣，江正清，李永强.大功率超声波采油成套装备的研制及应用[J].石油机械，2007（05）：175-178.