基于超聲波巖心驅油系統研究

朱強

【摘要】油田油井開采過程中，油層因原油種類的繁多而產生堵塞，這是導致油井產量下降的重要因素，嚴重地制約了油井的開發。設計以超聲波理論為基礎，結合實驗室模擬油井實驗，深入地研究了超聲波方式降低原油粘度、解決油井堵塞的機理。設計并制作了電子電路，分析了超聲波各類參數對巖心驅油的影響。根據實驗結果優化了驅油系統的工藝參數，得出了優化系統參數下的原油降粘率。

【關鍵詞】超聲波;降粘;巖心驅油;原油

1.引言

我國油田油井大多數為陸相沉積，并且油藏類型特別繁多。因此開發一套增加油氣產量的技術顯得尤為重要。傳統增產技術有一定效果，但是開發成本高、污染嚴重等因素直接縮減了技術的發展。而超聲波技術屬于物理技術，非接觸式方式可進行無損處理，它的潛在優勢更是受國內外的廣泛關注。超聲波已被用于生產生活中的各個領域，例如采油時的解堵、防蠟、脫水、防垢等。在國外，超聲波技術已經廣為推廣，油井生產中產量提高百分之四十以上，原油提取量提高百分之十以上。在國內，自上世紀五十年代以來，超聲波技術已取得了顯著的成就[1]。本文以超聲波理論為基礎，構建了一個完整的實驗室平臺，對巖心的油層進行研究，分析超聲波對油層的作用。改變超聲波的頻率、功率、作用時間、原油環境等參數，得出實驗數據，并優化實驗。

2.超聲波驅油理論研究

2.1 超聲波遵循幾何光學定律

本系統所采用的超聲波具有非常類似的光學傳輸規律。例如超聲波可以發生反射、折射、散射等等。經過更深入的了解和研究以后發現，超聲波的頻率越高，光學特性越顯著，也就越靠近光波。根據這一理論特性，利用不同波長的超聲波的不同影響來促使油層發生不同反應，以實現各種應用場合[2]。

2.2 超聲波的吸收特性

超聲波的吸收系數如下[3]：

（1）

根據上面公式可以看出，與音頻或者低頻聲波相比較，超聲波在物體介質中的吸收作用更大，并且超聲波在介質中的傳播距離更短。經過試驗證明，超聲波的頻率越大吸收作用越強，傳播距離也越短。超聲波的吸收作用在氣體介質中的效果最強，固體介質中效果最弱，在液體介質中的效果介于二者之間。

2.3 超聲波功率

超聲波在介質中傳播時的平均功率可用如下公式表示：

（2）

公式中Pa表示最大聲壓幅值，ua表示最大值點的速度，Pz表示的是有效聲壓幅值，而uz為有效質點速度。

通過對上述公式的觀察，很容易得出，超聲波的功率會遠大于音頻聲波或者低頻聲波。由于這種突出優勢使得超聲波在各個領域中廣泛使用。當超聲波傳入媒介以后，介質中的物質會隨著超聲波而振動，并且振動頻率與超聲波頻率保持一致。因而介質物質由于振動所獲得了能量，大小與介質分子質量成正比，與介質的振動速度的平方成正比。

利用這一運動過程，超聲波所產生的機械能為介質分子提供較高的加速度，這是利用超聲波對物質進行處理、改變的主要原因。

3.巖心超聲波驅油系統設計

本實驗采用三個不同巖心滲透率的巖心，巖心的長度為5cm，直徑為2.5cm，滲透率分別為30*10-3 um2、150*10-3 um2、300*10-3 um2。巖心超聲波驅油實驗在實驗室環境中進行，常溫常壓。通過不同參數因素定量分析實驗所得數據，研究超聲波對油層巖心滲透率的相應，進而得出超聲波驅油效果。

本實驗采用的實驗裝置如圖1所示：

圖1 超聲波作用巖心實驗裝置

如圖1所示的裝置中，1處代表巖心的夾持器，2處表示巖心，3處代表測量壓力系統裝置，4代表超聲波換能器，5處代表超聲波發生器，6處為巖心高壓泵，7處為量筒。

4.巖心超聲波驅油實驗

4.1 超聲波頻率對巖心驅油效果的影響

頻率是超聲波的固有屬性，是將超聲波與其他聲波區分出來的重要因素。因此超聲波對巖心的作用也起著相當大的作用[4]。因此有必要對超聲波頻率進行單因素分析，設其他參數不變，采用不同頻率的超聲波作用于巖心。

三個巖心滲透率段30*10-3 um2、150*10-3 um2、300*10-3 um2所對應的流速分別為1.5ml/min、3ml/min、5ml/min。通過測壓系統觀察巖心兩端壓力，在壓力基本穩定的情況下，測量液體體積，同時記錄時間，三個巖心滲透率段均取三塊巖心進行測量，最終取其平均值作為巖心原始液測滲透率。根據實驗結果繪制出巖心滲透率與超聲波頻率之間的關系圖：

圖2 巖心滲透率恢復率與超聲波頻率的關系曲線

如圖2所示三個滲透率的恢復率與超聲波的頻率關系走勢基本相同，相應規律基本一致。關系曲線中出現了一個極值，即三種滲透率在28KHz附近時巖心的驅油效果最好。每個超聲波頻率范圍內都會產生相似的驅油效果。

4.2 超聲波作用時間對巖心驅油效果的影響

根據上一節的實驗結果，選出不同滲透率驅油效果最好的頻率，以此為基礎的實驗研究超聲波作用時間對巖心層解堵的效果[5]。依然選用三種滲透率的巖心分別為30*10-3 um2、150*10-3 um2、300*10-3 um2。在優選的頻率范圍內，并且調整好超聲波的輸出功率，分別對三種巖心作用不同時間，然后測量出此刻巖心的滲透率，反復測量后得出實驗結果。

圖3 不同滲透率段巖心的滲透率恢復率與超聲波累計作用時間關系曲線

根據圖3所示的信息可以得出，對于30*10-3 um2、150*10-3 um2滲透率的巖心來說，超聲波的作用時間小于50分鐘時，滲透率會隨著作用時間的增加而加大，并且增長幅度較大。而超聲波作用時間超過50分鐘以后滲透率會上下浮動，且幅度較小，近似趨近于穩定。而對300*10-3 um2滲透率的巖心而言，超聲波的作用時間小于30分鐘時，恢復率增長幅度較小。當作用時間在30分鐘到50分鐘區間內時恢復率增長幅度有了明顯的提高。50分鐘以后恢復率趨近于穩定。

根據該實驗可知，超聲波作用時間對三種滲透率的巖心的作用趨勢基本相同，從環境、經濟等因素考慮后，應該將趨近于穩定的時間點作為超聲波驅油的作用時間。

5.結束語

本設計介紹了三種滲透率段的巖心實驗，其中超聲波作用后的巖心滲透率會隨著超聲波頻率的增加而改變，并且出現了一個峰值。該峰值對于三種滲透率的巖心均為28KHz。因此可以得出，頻率為28KHz左右的超聲波驅油效果最佳。超聲波的作用累積時間在50分鐘以內時巖心滲透率的恢復率逐漸增大。而超過50分鐘以后恢復率變化幅度很小，并且趨近于穩定狀態。因此，為了避免資源以及經濟上的浪費，超聲波的作用時間約為50分鐘，去油效果最佳。

參考文獻

[1]楊建華，李保印，靳天波.物理法采油新技術的研究與應用[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]中國機械工程學會無損檢測學會編.超聲波檢測[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4]吳志民.高壓旋流解堵技術的原理及應用[J].中國石油和化工標準與質量，2011（01）：71-73.

[5]尹文波，王平，董懷榮，江正清，李永強.大功率超聲波采油成套裝備的研制及應用[J].石油機械，2007（05）：175-178.