超聲波提高特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)波及體積實(shí)驗(yàn)研究

華強(qiáng)

（濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與化學(xué)工程學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000）

0 引言

由于受沉積作用、成巖作用的影響，特低滲儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1-2]，物性極差，流體滲流阻力大[3]，不利于特低滲油藏的高效開(kāi)發(fā)。特低滲儲(chǔ)層不同于常規(guī)油氣藏[4]，往往具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)[5]及流固耦 合現(xiàn)象[6]、顯著的壓力敏感性[7]、非線性滲流[8]等特點(diǎn)，導(dǎo)致常規(guī)水驅(qū)難以充分波及到特低滲儲(chǔ)層含油區(qū)域[9-10]，尤其物性較差的小孔隙區(qū)域開(kāi)發(fā)效果更差[11-12]。

近年來(lái)，超聲波技術(shù)在油田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛[13]。研究發(fā)現(xiàn)，超聲作用后，水敏性儲(chǔ)層的滲透率提高20%以上[14]，可有效清除儲(chǔ)層內(nèi)部的KCl無(wú)機(jī)沉淀堵塞[15]，降低了稠油黏度，降幅最高可達(dá)57%，可減少瀝青質(zhì)在儲(chǔ)層內(nèi)部的沉積,從而提高油田開(kāi)發(fā)的采收率。

有關(guān)研究雖然證明了超聲波技術(shù)對(duì)于改善油田開(kāi)發(fā)有一定效果，然而，前人對(duì)于該技術(shù)的研究多側(cè)重于提高宏觀采收率、稠油降黏等方面的應(yīng)用，尚缺乏超聲作用對(duì)特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)波及體積的認(rèn)識(shí)，且超聲波對(duì)儲(chǔ)層特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)波及體積的作用機(jī)理尚不清楚。而弄清這些問(wèn)題對(duì)于了解超聲作用、提高特低滲油藏開(kāi)發(fā)效果，具有重要的意義。

因此，基于現(xiàn)有研究，本文設(shè)計(jì)了超聲波作用下的特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，采用不同滲透率的天然巖心，研究了在流動(dòng)狀態(tài)下超聲波作用對(duì)水驅(qū)波及體積的影響，以期進(jìn)一步夯實(shí)超聲作用提高特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)波及體積的理論基礎(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 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器

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 0.01～10.00 mL/min，工作溫度0～150℃，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，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(yáng)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，最大輸出功率2 000 W，運(yùn)行溫度為10～110℃。

3）低場(chǎng)核磁共振設(shè)備。設(shè)備型號(hào)為MesoMR23-060VI/VTP，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5±0.08 T，儀器主頻率為21.3 MHz，探頭線圈直徑為60 mm。通過(guò)低場(chǎng)核磁共振設(shè)備對(duì)含水巖心進(jìn)行核磁共振測(cè)試，可獲取實(shí)驗(yàn)巖心孔隙中1H質(zhì)子流體的核磁馳豫信號(hào)（T2譜）。

4）巖心氣測(cè)滲透率儀和天平。

1.2 材料

實(shí)驗(yàn)巖心樣品采用中國(guó)石化中原油田的天然巖心。為了更加直觀地反映超聲作用對(duì)不同物性儲(chǔ)層的水驅(qū)波及體積提高效果，本實(shí)驗(yàn)選取了不同滲透率的天然巖心，巖心參數(shù)見(jiàn)表1。由于氘在低場(chǎng)核磁共振中無(wú)響應(yīng)信號(hào)，可充分研究驅(qū)替介質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)層不同孔隙的情況，因此用氘水配制模擬地層水，飽和實(shí)驗(yàn)巖心，實(shí)驗(yàn)中分別采用純凈水和氘水配制模擬地層水，記作1#模擬地層水、2#模擬地層水，礦化度均為8 000 mg/L，組分質(zhì)量配比 NaCl∶CaCl2=9∶1。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心數(shù)據(jù)

1.3 原理

由核磁共振弛豫機(jī)制可知，在均勻磁場(chǎng)中測(cè)量的橫向弛豫時(shí)間T2為

式中：T2B為流體的自由弛豫時(shí)間，ms；ρ為巖石表面弛豫率，μm/ms；S 為孔隙表面積，m2；V 為孔隙體積，m3。

一般情況下，T2B的數(shù)值遠(yuǎn)大于3 000 ms，T2B?T2，近似為0，此時(shí)可以忽略不計(jì)，式（1）簡(jiǎn)化為

由式 （2）可以看出，T2與儲(chǔ)層巖石孔隙比表面有關(guān)，也就是T2與孔隙大小及其形狀有關(guān)，所以T2能定量表征儲(chǔ)層巖石內(nèi)孔隙大小分布情況以及各種類(lèi)型孔隙區(qū)域內(nèi)的流體分布。

由式（2）、式（3）得：

式中：r為孔隙半徑，m。

由式（4）可以看出，T2與r成正比，即流體弛豫時(shí)間與儲(chǔ)層巖石的孔隙半徑成正比。

通過(guò)核磁共振測(cè)試所得的T2譜能直接反映1H質(zhì)子流體在儲(chǔ)層巖石中的分布情況：弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明對(duì)應(yīng)的孔隙半徑越大；而弛豫時(shí)間越短，則說(shuō)明對(duì)應(yīng)的孔隙半徑越小。T2曲線所對(duì)應(yīng)的面積則反映巖心孔隙中1H流體的體積大小。所以，可通過(guò)測(cè)試T2譜來(lái)定量表征巖石中不同類(lèi)型的孔隙分布情況。

1.4 步驟

1）將巖心樣品編號(hào)，清洗，放入60℃烘箱烘干至質(zhì)量不再變化，測(cè)試巖心的基本參數(shù)（氣測(cè)滲透率、孔隙度）。

2）將巖心YX-1-1放入巖心夾持器，加環(huán)壓，使用2#模擬地層水進(jìn)行水驅(qū)。為消除速敏效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不利影響，在實(shí)驗(yàn)溫度為70℃的條件下，采用泵入速度小于臨界流速，2#模擬地層水泵入速度設(shè)定為0.05 mL/min，保持注入壓力。

3）采用步驟2）中得到的穩(wěn)定注入壓力繼續(xù)恒壓注入1#模擬地層水，以驅(qū)替已經(jīng)飽和巖心YX-1-1的氘水，直至低場(chǎng)核磁共振T2譜穩(wěn)定不變。此過(guò)程中，依次記錄不同注入孔隙體積倍數(shù)下的T2譜。

4）啟動(dòng)超聲發(fā)生儀，采用超聲頻率25 kHz及超聲作用功率600 W，在步驟3）的基礎(chǔ)上繼續(xù)恒壓注入1#模擬地層水，直至低場(chǎng)核磁共振T2譜穩(wěn)定不變。此過(guò)程中，依次記錄超聲作用下不同注入孔隙體積倍數(shù)下的T2譜。

5）依次采用巖心 YX-1-2，YX-2，YX-3，YX-4，重復(fù)步驟1）、2），采用步驟4）中的超聲作用參數(shù)，恒壓注入2#模擬地層水，直至低場(chǎng)核磁共振T2譜穩(wěn)定不變。此過(guò)程中，依次記錄超聲作用下各巖心不同注入孔隙體積倍數(shù)下的T2譜。

6）處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式（5）計(jì)算巖心水驅(qū)波及體積提高幅度。

式中：BE為水驅(qū)波及體積提高幅度，%；SU為超聲處理后T2譜峰面積，m2；S 為超聲作用前 T2譜峰面積，m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波提高特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)波及體積實(shí)驗(yàn)

為便于定量分析與討論，本實(shí)驗(yàn)將T2弛豫時(shí)間分為3類(lèi)：小于10 ms，對(duì)應(yīng)巖心中小孔隙區(qū)域；10～100 ms，對(duì)應(yīng)中孔隙區(qū)域；大于100 ms，對(duì)應(yīng)大孔隙區(qū)域，模擬地層水T2譜見(jiàn)圖1。

圖1 模擬地層水T2譜

從圖1可看出，巖心YX-1-1的核磁共振T2譜共有左峰PS、中峰PM、右峰PH，對(duì)應(yīng)上述的小孔隙、中孔隙及大孔隙區(qū)域，各峰面積對(duì)應(yīng)相應(yīng)孔隙中水體積的多少。對(duì)于巖心YX-1-1來(lái)說(shuō)，當(dāng)1#模擬地層水注入孔隙體積倍數(shù)從0.25增大到0.50時(shí)，PH峰強(qiáng)度逐漸增大，超過(guò)0.50 PV時(shí)，PH峰基本穩(wěn)定。這說(shuō)明注入0.50 PV時(shí)，YX-1-1的大孔隙區(qū)域已達(dá)到水驅(qū)平衡狀態(tài)。對(duì)于中孔隙區(qū)域來(lái)說(shuō)，注入1.00 PV時(shí)，PM峰不再明顯增加，達(dá)到水驅(qū)平衡，對(duì)于小孔隙區(qū)域，注入2.00 PV時(shí)，才達(dá)到水驅(qū)平衡。

在巖心YX-1-1水驅(qū)平衡的基礎(chǔ)上，超聲作用后的T2譜如圖2所示。當(dāng)注入量達(dá)到1.0 PV時(shí)，巖心達(dá)到水驅(qū)驅(qū)替平衡狀態(tài)。隨著模擬地層水的繼續(xù)注入，PH峰強(qiáng)度基本重合，對(duì)巖心大孔隙區(qū)域沒(méi)有明顯影響，PM峰強(qiáng)度略有增大。在YX-1-1的3種孔隙類(lèi)型中，PS峰強(qiáng)度增加最為明顯，說(shuō)明超聲作用可明顯增大特低滲儲(chǔ)層小孔區(qū)域的水驅(qū)波及體積。PM，PS峰強(qiáng)度均高于超聲作用前的T2譜峰強(qiáng)度。這說(shuō)明，超聲作用可在水驅(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加水驅(qū)波及體積，尤其對(duì)于中小孔隙區(qū)域作用效果更為明顯。

圖2 巖心YX-1-1超聲作用后模擬地層水T2譜

對(duì)YX-1-2開(kāi)展超聲波提高特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)波及實(shí)驗(yàn)研究，超聲波作用后的T2譜如圖3所示。超聲波作用下，巖心YX-1-2中孔隙區(qū)域水驅(qū)平衡所對(duì)應(yīng)的注入孔隙體積倍數(shù)為0.75，小孔隙區(qū)域?qū)?yīng)1.00；而無(wú)超聲作用下，巖心YX-1-1的中、小孔隙區(qū)域達(dá)到水驅(qū)平衡所對(duì)應(yīng)的注入孔隙體積倍數(shù)分別為1.00，2.00，均明顯大于超聲作用下的對(duì)應(yīng)值。這一現(xiàn)象說(shuō)明超聲作用不僅增大了特低滲儲(chǔ)層的水驅(qū)波及體積，而且也提高了其水驅(qū)速度。這意味著在特低滲油藏水驅(qū)開(kāi)發(fā)中，在達(dá)到同一水驅(qū)波及效率時(shí)，超聲作用可以減少注水量：注水量的減少可緩解水敏性礦物導(dǎo)致的儲(chǔ)層滲透率降低程度，進(jìn)而有可能減少或避免特低滲儲(chǔ)層污染的發(fā)生。

圖3 巖心YX-1-2超聲作用后模擬地層水T2譜

利用式（5）計(jì)算了各實(shí)驗(yàn)巖心在超聲作用下水驅(qū)波及體積提高幅度，如圖4所示。在本實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)超聲作用后，各實(shí)驗(yàn)巖心的水驅(qū)波及體積均有較大提高，數(shù)值在10.5%～15.1%。水驅(qū)波及體積提高與巖心滲透率有密切關(guān)系，滲透率越小，波及體積提高越大；滲透率越大，波及體積提高越小，但水驅(qū)波及體積均超過(guò)10%，二者呈現(xiàn)較好的對(duì)數(shù)關(guān)系。這證明了超聲作用對(duì)特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)波及體積提高有較好的適應(yīng)性。

圖4 超聲作用對(duì)不同巖心提高波及體積的效果

2.2 超聲波提高特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)波及體積機(jī)理

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲作用可進(jìn)一步明顯提高巖心中、小孔隙區(qū)域的水驅(qū)波及體積，尤其對(duì)小孔隙作用效果更佳。為深入研究超聲作用提高特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)波及體積的的內(nèi)在機(jī)制，開(kāi)展以下相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

選擇不同的超聲功率對(duì)1#模擬地層水進(jìn)行處理，研究水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)隨超聲功率的變化規(guī)律。從圖5可以看出，隨著超聲功率的增大，模擬地層水的17O-NMR譜線寬逐漸變窄。水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)是依賴水分子之間的氫鍵相互作用而形成，所以水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的改變與水分子間的氫鍵作用力有關(guān)。超聲功率的升高會(huì)導(dǎo)致水分子間氫鍵的破裂。從比熱容的角度看，氣態(tài)水和固態(tài)水分別是 37.46，37.65 J/（mol·K），基本一致；液態(tài)水的比熱容是 76.02 J/（mol·K）。隨著超聲波功率的提高，聲能轉(zhuǎn)化成水內(nèi)能的速度更快，溫度不斷升高，水的汽化會(huì)加劇，從而導(dǎo)致水分子間氫鍵的持續(xù)斷裂，而水的汽化需要大量能量，這一點(diǎn)與液態(tài)水比熱容大于氣態(tài)水非常吻合。

圖5 不同超聲功率下17O-NMR半峰寬

隨著超聲功率的增大，空化作用不斷變強(qiáng)，模擬地層水的17O-NMR半峰寬迅速減小；當(dāng)超聲功率超過(guò)600 W時(shí)，半峰寬隨超聲功率增大而減小的趨勢(shì)逐漸減緩，產(chǎn)生減緩的原因在于600 W后的溫升效應(yīng)趨緩以及超聲聲能的逸散。半峰寬的改變證明了超聲作用對(duì)水分子間氫鍵締合作用有明顯的影響，進(jìn)而改變了水分子三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。大分子變成小分子，產(chǎn)生的小分子水能更順暢地進(jìn)入特低滲儲(chǔ)層的小孔隙區(qū)域，而單個(gè)水分子直徑為0.40 nm，遠(yuǎn)小于特低滲儲(chǔ)層的孔喉直徑（微米級(jí)），單個(gè)水分子直徑不到特低滲儲(chǔ)層孔喉直徑的千分之一，而0℃環(huán)境中氫鍵化所致的簇狀結(jié)構(gòu)中水分子個(gè)數(shù)約為400[16]，理論上小分子水可順利進(jìn)入小孔隙區(qū)域。這能很好地解釋超聲作用下中、小孔隙區(qū)域達(dá)到水驅(qū)平衡所對(duì)應(yīng)的注入孔隙體積倍數(shù)均小于常規(guī)水驅(qū)的現(xiàn)象。超聲作用不僅能提高特低滲儲(chǔ)層的水驅(qū)波及體積，并且能進(jìn)一步提高此類(lèi)油藏的水驅(qū)開(kāi)發(fā)速度。

從圖6可看出，超聲作用導(dǎo)致水溫明顯上升。隨著超聲功率增大，水溫變化基本劃分了3個(gè)階段：1）緩慢升溫階段，超聲功率為200～600 W，超聲作用逐漸產(chǎn)生空化泡，空化泡的湮滅導(dǎo)致水溫升高。2）快速升溫階段，超聲功率為600～1 000 W，超聲波作用產(chǎn)生的空化泡湮滅速度加大，產(chǎn)生的熱能迅速被水吸收，溫度迅速上升。3）穩(wěn)定階段。超聲功率大于1000W以后，此時(shí)水溫升高到一定程度，空化泡增速減緩，能量吸收逐漸穩(wěn)定，溫升速度減小直至穩(wěn)定不變。

圖6 超聲作用后的溫升效應(yīng)

溫度的變化意味著水分子運(yùn)動(dòng)加劇，這將影響到水分子間的氫鍵作用，水分子的轉(zhuǎn)動(dòng)引起氫鍵的斷裂，而氫鍵的變化又影響了水分子的幾何構(gòu)型。溫度的升高導(dǎo)致氫鍵不斷減弱，氫鍵的斷裂及超聲空化作用導(dǎo)致部分水分子的脫離，使得水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變小，均有利于特低滲儲(chǔ)層小孔隙區(qū)域水驅(qū)波及體積的提高。

研究發(fā)現(xiàn)，模擬地層水黏度隨超聲功率增大而逐漸減小。如圖7所示，模擬地層水黏度降幅達(dá)到15.23%，超聲功率超過(guò)600～800 W以后，降幅變小，這與本文2個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。超聲導(dǎo)致水黏度的降低有利于水驅(qū)滲流阻力的減小，有助于注入水進(jìn)入以前無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域，從而從整體上提高水驅(qū)波及體積。

圖7 超聲作用后的水黏度

3 結(jié)論

1）超聲作用可以在水驅(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高特低滲儲(chǔ)層的水驅(qū)波及體積10.5%～15.1%，且超聲波可提高水驅(qū)開(kāi)發(fā)速度，這有利于減少油田開(kāi)發(fā)所需的注水量及特低滲儲(chǔ)層污染的產(chǎn)生。

2）超聲作用可減小水分子間氫鍵作用，從而改變水分子的簇狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的小分子水可進(jìn)入特低滲儲(chǔ)層的小孔隙區(qū)域，使特低滲儲(chǔ)層小孔隙區(qū)域水驅(qū)波及體積增幅大于大、中孔隙區(qū)域。

3）超聲作用可降低水的黏度，提高水溫，從而減小注入水的驅(qū)替阻力，提高特低滲儲(chǔ)層的水驅(qū)波及體積。