常廣濤

（ 中國(guó)石油大學(xué)（ 北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

稠油指的是在油層條件下粘度（ 不脫氣） 大于50 mPa·s 的原油，或脫氣油粘度大于100 mPa·s 的原油，通常所說(shuō)的重油、瀝青都屬于稠油范圍。 由于稠油具有粘度高，原油流動(dòng)性差的特點(diǎn)，因而不能采用常規(guī)的開(kāi)采技術(shù)，如天然能量、人工注水等。 常規(guī)的開(kāi)采方法包括蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SAGD、火燒油層等熱力采油方法。 我國(guó)擁有儲(chǔ)量豐富的稠油， 主要分布在遼河油田、勝利油田以及新疆克拉瑪依油田等地。 數(shù)據(jù)表明，全世界范圍內(nèi)稠油產(chǎn)量占石油總產(chǎn)量的十分之一，而我國(guó)稠油遠(yuǎn)景儲(chǔ)量為175 億t， 年產(chǎn)量1 300 萬(wàn)t 左右[1]，因而稠油的增產(chǎn)潛力巨大，對(duì)于維持國(guó)內(nèi)原油產(chǎn)量可持續(xù)發(fā)展、 降低原油對(duì)外依存度具有非常重要的意義。

超聲波采油是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的物理采油技術(shù)。 由于超聲波采油具有一系列常規(guī)采油手段不具備的優(yōu)點(diǎn)（ 比如，對(duì)儲(chǔ)層無(wú)污染、無(wú)傷害，設(shè)備簡(jiǎn)單成本低、增產(chǎn)效果明顯等等），因而受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越高的重視。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超聲波采油是從20 世紀(jì)50 年代發(fā)展起來(lái)的新的采油技術(shù)。美國(guó)和前蘇聯(lián)在這方面發(fā)展較快，進(jìn)行了大量的研究和礦場(chǎng)應(yīng)用，并逐漸演變?yōu)椤?采油聲學(xué)》這門(mén)學(xué)科。 中國(guó)在這方面起步較晚，20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始了聲波采油技術(shù)的研究，80 至90 年代在國(guó)內(nèi)玉門(mén)、大慶等油田形成了超聲波采油的應(yīng)用高潮， 并研制了一系列超聲波采油設(shè)備，取得了較為成功的應(yīng)用效果?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外在超聲波采油方面幾十年的研究發(fā)展歷程，總體可以分為理論研究和礦場(chǎng)應(yīng)用兩個(gè)方面。

1.1 理論研究現(xiàn)狀

國(guó) 外，1965 年，Duhon 和Campbll[2]研 究 了 超 聲 波對(duì)孔隙介質(zhì)中流體流動(dòng)特性的影響， 發(fā)現(xiàn)超聲波能夠提高水驅(qū)采收率。 1977 年，Cherskiy[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出超聲波作用下的水濕巖石滲透率急劇增長(zhǎng)。 1995 年，Venkitaraman[4]把超聲波作用于被鉆井液污染的巖心，實(shí)驗(yàn)表明， 巖心的滲透率得到有效恢復(fù)。 2002 年，Poesio 等[5]把超聲波作用于飽含流體的孔隙介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)巖心的流壓下降， 作者認(rèn)為這是由于超聲波的熱效應(yīng)導(dǎo)致了流體粘度的降低。 國(guó)內(nèi)，1989 年，嚴(yán)熾培等[6]研究了超聲波對(duì)污染巖心滲透率的影響， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖心被鉆井液污染后，經(jīng)過(guò)超聲波作用，滲透率恢復(fù)到原來(lái)的61 %～88 %。1993 年，黃序韜等[7]進(jìn)行了超聲波對(duì)原油粘度影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，在40 ℃～80 ℃超聲波處理后的原油粘度下降了25 %～30 %。1995 年，孫仁遠(yuǎn)[8]研究了超聲波作用下水驅(qū)采收率的變化， 發(fā)現(xiàn)在水驅(qū)油過(guò)程中，超聲波能夠提高最終采收率，并且降低了含水率。 1999 年，李明遠(yuǎn)、董朝霞等[9]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在水驅(qū)油過(guò)程中， 超聲波能夠使巖心潤(rùn)濕性朝著親水的方向改變，從而提高采收率。 2011 年，雷俊杰[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了超聲波功率、 超聲波作用時(shí)間和間隔比3 個(gè)因素與超聲波處理后稠油粘度之間的關(guān)系。

1.2 礦場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

1974 年，美國(guó)對(duì)德克薩斯州的一塊油田發(fā)射高頻率的聲波，發(fā)現(xiàn)原油產(chǎn)量有增加。 1977 年，前蘇聯(lián)通過(guò)對(duì)卡拉讓巴斯油田的一個(gè)廢棄油井施加大功率超聲波，使得短時(shí)間內(nèi)油井實(shí)現(xiàn)自噴。 1978 年，前蘇聯(lián)用20 kHz、2 kW/m2的超聲波對(duì)西西伯利亞一口油井進(jìn)行了增產(chǎn)試驗(yàn)， 作用6 h 后油井產(chǎn)量從76 t/d 增加到187 t/d，最終產(chǎn)量達(dá)到764 t/d，有效期接近一年。 1981年，華北油田率先進(jìn)行了超聲波破乳、降阻的冷輸抽油試驗(yàn)， 隨后又做了超聲波增產(chǎn)試驗(yàn)， 取得了良好的效果。 1989 年，在玉門(mén)油田12 口油井上投入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中10 口井有效，成功率83 %，效果顯著，其中總產(chǎn)油量提高了77.3 %～129.8 %，總產(chǎn)液量提高了32.4 %～88.8 %，含水率降低了5 %，同時(shí)近井帶油層物性得到了改善。 1994 年，大慶油田先后在薩南油田和朝陽(yáng)溝油田的14 口井上進(jìn)行超聲波增產(chǎn)試驗(yàn)，11 口井有效，成功率78 %，平均單井日增油2.6 t，平均有效期32 d。

2 超聲波在地層中傳播的特點(diǎn)

超聲波是一種頻率高于20 000 Hz 的聲波， 它的方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。 與人耳能聽(tīng)到的聲波相比， 超聲波在介質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律基本相同。由于超聲波的波長(zhǎng)很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米，障礙物的尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，聲波可看成沿直線傳播。超聲波的兩個(gè)主要參數(shù)：頻率：F≥20 kHz（ 在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)樾Ч嗨疲?通常把F≥15 kHz 的聲波也稱為超聲波）；功率密度：P=發(fā)射功率（ W）/發(fā)射面積（ cm2），通常P≥0.3 W/cm2。

2.1 超聲波在地層中的衰減規(guī)律

超聲波在地層的傳播過(guò)程中， 由于流體和孔隙介質(zhì)的阻礙作用，其能量將逐漸耗損、衰減，造成超聲波傳播過(guò)程中能量不斷衰減的原因主要可分為擴(kuò)散衰減、吸收衰減、散射衰減。

2.1.1 擴(kuò)散衰減 超聲波傳播時(shí)， 非平面波聲束隨傳播時(shí)間的增加而不斷向外擴(kuò)散， 聲束截面積也不斷擴(kuò)大，在總能量守恒的前提下，單位面積上的聲波能量下降，超聲波的擴(kuò)散衰減與傳播介質(zhì)無(wú)關(guān)，而與傳播波形和傳播距離有關(guān)。 單位面積上的聲波能量衰減速度與聲源距離的平方呈正相關(guān)。

2.1.2 吸收衰減 由聲波物理學(xué)可知， 當(dāng)聲波質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置向前傳播時(shí)， 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的粘滯力和內(nèi)摩擦力是質(zhì)點(diǎn)傳播過(guò)程中的阻力， 因而聲波要克服阻力必須要消耗聲波的能量， 這部分能量將轉(zhuǎn)換成熱能的形式。在超聲波傳播過(guò)程中，吸收衰減是指聲波質(zhì)點(diǎn)克服質(zhì)點(diǎn)間粘滯力和內(nèi)摩擦力做功的現(xiàn)象。 它與聲波頻率的一次方呈正相關(guān)。

2.1.3 散射衰減 不同聲阻抗的介質(zhì)所組成的界面在超聲波傳播過(guò)程中會(huì)使得超聲波散亂反射，聲能分散，造成散射衰減。 比如當(dāng)介質(zhì)中存在顆粒狀結(jié)構(gòu)如液體中的懸浮粒子、氣泡，固體中的顆粒狀結(jié)構(gòu)等。 一般情況下，散射衰減與頻率平方呈正相關(guān)。

2.2 超聲波在地層中傳播模型的建立

以毛細(xì)管束模型[11]（ 見(jiàn)圖1）為基礎(chǔ)，考慮超聲波在地層中的傳播過(guò)程。 同時(shí)取其中一根毛細(xì)管中的微段作為研究對(duì)象（ 見(jiàn)圖2）。

圖1 毛細(xì)管束孔隙介質(zhì)模型

圖2 研究對(duì)象示意圖

模型假設(shè)：（ 1）流體在油層中的流動(dòng)為簡(jiǎn)單一維流動(dòng)；（ 2）流體分子之間的內(nèi)摩擦力不考慮；（ 3）剛開(kāi)始地層流體是靜止的；（ 4）超聲波在油層傳播時(shí)，不與外界發(fā)生能量交換；（ 5）超聲波在油層流體中傳播屬于小振幅聲波擾動(dòng)，各聲學(xué)變量都是一級(jí)微量。

模型建立：

考慮流體粘滯作用的運(yùn)動(dòng)方程為：

將式（ 1）兩邊對(duì)空間求導(dǎo)，式（ 2）兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，然后結(jié)合兩式，可得方程：

將超聲波近似簡(jiǎn)化為諧波：u=u（ x）ejwt，其中：ω-超聲波的振動(dòng)頻率，Hz。 代入式（ 4）經(jīng)化簡(jiǎn)可得：

定解條件：要得到方程式（ 5）的解需要有定解條

方程求解：這個(gè)方程有解析解，通過(guò)推導(dǎo)可以得到其解為：

其中：an和bn的表達(dá)式分別為：

從上述表達(dá)式可以看出， 超聲波在油層中的傳播距離與超聲波頻率、流體的粘度、孔隙度和滲透率等有關(guān)。 在其他條件相同的情況下， 超聲波振動(dòng)頻率f 越小，地層孔隙度φ 越低，流體粘度μ 越小，滲透率K 越高，超聲波在油層中的衰減越慢，傳播距離越大。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)油層的孔隙度取0.2，油層的滲透率取0.5 μm2，流體的運(yùn)動(dòng)粘度取1.0×10-6mm2/s，超聲波在流體中傳播速度取1 500 m/s，孔隙半徑取1.0×10-6m，聲波振動(dòng)頻率取20 kHz 時(shí)候，超聲波在油層中傳播距離不超過(guò)1 m。

3 超聲波采油在稠油油藏中增產(chǎn)的機(jī)理

超聲波在油田中具有非常廣泛的用途。 它能使停產(chǎn)井恢復(fù)生產(chǎn)、降低稠油粘度、減少原油中蠟的含量、提高油層滲透率、提高注水井注入能力、改善巖石表面潤(rùn)濕性等作用[12]，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。 通常情況下，超聲波處理油井，可以使得原油產(chǎn)量提高40 %～50 %，且成功率達(dá)80 %以上[13]，大大提高油井的采收率，并獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 超聲波增產(chǎn)的機(jī)理具體可以分為以下三種。

3.1 機(jī)械振動(dòng)作用

超聲波是一種機(jī)械波， 依靠介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)之間的振動(dòng)來(lái)向前傳播。超聲波作用于油層，將振動(dòng)這種形式傳遞到孔喉當(dāng)中， 使得毛細(xì)管直徑發(fā)生時(shí)大時(shí)小的周期性變化，油水之間的界面張力發(fā)生變化，使毛細(xì)管當(dāng)中的殘余油得以擺脫束縛，重新流到孔隙和裂縫中，進(jìn)而經(jīng)過(guò)井筒產(chǎn)出到地面。 同時(shí)，超聲波作用于油層，使得巖石受到的應(yīng)力發(fā)生周期性變化， 在巖石的應(yīng)力敏感處會(huì)產(chǎn)生疲勞裂縫，從而改善了巖石的滲透率，增加了地下流體的出油通道。另外，超聲波的機(jī)械振動(dòng)作用使稠油分子之間產(chǎn)生激烈的機(jī)械振動(dòng)， 造成稠油中分子之間發(fā)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)分子間的摩擦力，能有效起到降粘的作用。

3.2 空化作用

超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡。 空化作用是指液體中的小氣泡在聲波振動(dòng)作用下不斷變大，最終突然破裂的過(guò)程。它一般包括3 個(gè)階段：小氣泡的形成、長(zhǎng)大和劇烈的崩潰。 氣泡在最后破滅的瞬間，周圍液體突然沖入氣泡，這個(gè)過(guò)程會(huì)釋放大量能量，產(chǎn)生高溫高壓，同時(shí)產(chǎn)生激波。 在地層條件下，地層中的原油在地層壓力作用下溶解了大量的液化氣體。 如果在井筒底部放置一個(gè)大功率超聲波發(fā)生器， 所產(chǎn)生的強(qiáng)大聲場(chǎng)作用于地層原油，則會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化作用，在原油中產(chǎn)生大量小氣泡，小氣泡逐漸生長(zhǎng)、變大，最終發(fā)生破裂，此時(shí)，原油中的溶解氣逸出越過(guò)界面進(jìn)入氣泡，對(duì)液柱產(chǎn)生舉升作用，有利于驅(qū)油。

3.3 熱效應(yīng)

超聲波在地下傳播時(shí)， 由于受到巖石和流體的阻礙，部分能量被傳播介質(zhì)吸收，轉(zhuǎn)化為熱量形式，使稠油溫度升高，粘度降低。產(chǎn)生熱量的途徑主要有以下三個(gè)方面。

（ 1）能量轉(zhuǎn)化。 超聲波被地層流體吸收，聲能直接轉(zhuǎn)化為熱能。

（ 2）邊界摩擦效應(yīng)。超聲波作用油層后流體發(fā)生流動(dòng)，流體與孔隙壁面產(chǎn)生摩擦，生成的熱量加熱原油。

（ 3）空化作用。 空化過(guò)程會(huì)釋放大量的熱量，這些熱量被流體吸收。

4 超聲波采油現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工具

目前，對(duì)于絕大多數(shù)的超聲波采油設(shè)備，都是將其下到生產(chǎn)層的底部。當(dāng)強(qiáng)大的超聲波射向油層時(shí)，原油和儲(chǔ)層孔喉發(fā)生一系列物理、化學(xué)的變化，增強(qiáng)了原油的流動(dòng)性，從而提高油井產(chǎn)能。下面以環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器為例具體說(shuō)明超聲波采油設(shè)備的原理和構(gòu)造。

環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器[14]是廣泛應(yīng)用于油田解堵、防蠟降粘的物理法采油設(shè)備，它綜合混氣水排和聲波兩者的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)（ 見(jiàn)圖3）。 聲波發(fā)生器下方有一個(gè)噴嘴， 高速流體流經(jīng)噴嘴處會(huì)產(chǎn)生周期性變化的壓力場(chǎng)，然后通過(guò)諧振腔形成大小振幅交替變化的超聲波，超聲波作用于油層，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化作用，改善井眼附近滲透率，降低原油粘度，最終達(dá)到油井增產(chǎn)的目的。

圖3 環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器

其主要性能參數(shù)為： 振動(dòng)頻率200 Hz～1 000 Hz；聲壓＞3.14×106Pa；聲強(qiáng)＞337 W/m2；解堵深度＞1.0 m。環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化完成后在孤島油田多口油井實(shí)施作業(yè)， 解堵增產(chǎn)效果顯著。 2011 年對(duì)GD2-34X426 和GDX2-2 井進(jìn)行施工，兩口井液量分別由施工前7 m3/d、21.2 m3/d 增加到施工后的54.6 m3/d和51.88 m3/d，增產(chǎn)效果顯著。

5 總結(jié)

與傳統(tǒng)的開(kāi)采稠油所用的熱力采油、化學(xué)采油、注水注氣采油等方法相比， 超聲波采油具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)[15]，比如超聲波采油對(duì)油層的作用迅速，見(jiàn)效快；經(jīng)濟(jì)效益顯著；設(shè)備費(fèi)用低，施工簡(jiǎn)單；提高采收率和采油速度；不會(huì)對(duì)油層產(chǎn)生污染，不會(huì)損壞油層；適用范圍廣等。

但是，由于超聲波在油層中傳播范圍非常有限，距離油井較遠(yuǎn)的地方超聲波發(fā)揮不了作用， 因此超聲波采油目前主要適用于解除近井地帶機(jī)械雜質(zhì)和固體顆粒堵塞。

6 幾點(diǎn)建議

（ 1）目前各種針對(duì)超聲波采油機(jī)理的各種正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)大多是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的， 未考慮稠油油藏的實(shí)際地層溫度和壓力條件。

（ 2）超聲波采油作為一種獨(dú)立的三次采油方法，由于其作用半徑的限制，在稠油開(kāi)發(fā)中，目前主要將超聲波采油方法與其它增產(chǎn)措施結(jié)合使用，效果比較顯著，如聲波-蒸汽吞吐、聲波-熱水驅(qū)、聲波-酸化壓裂等。

（ 3）超聲波采油目前大多數(shù)應(yīng)用在低滲、稠油等油藏當(dāng)中， 未來(lái)是否可以考慮將超聲波采油應(yīng)用到煤層氣、頁(yè)巖氣等氣藏開(kāi)采當(dāng)中，這可以作為未來(lái)的一個(gè)新的發(fā)展方向。

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