高建崇，崔國亮，李 康，王 玉,田發(fā)超，刁東鎮(zhèn)，李含秀.

(1.中海石油有限公司天津分公司，天津 300456；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

油水井在采注生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生各種堵塞情況，特別是近井地帶堵塞會嚴重影響油田油水井生產(chǎn)作業(yè)，近井地帶形成各種堵塞特別是無機垢堵塞是由微小晶體逐步生長、牢固附著在儲層巖石骨架表面的致密固體[1-3]，特別難以清除。目前，解決這一問題的主要手段是近井地帶基質(zhì)酸化，當(dāng)油水儲層堵塞發(fā)生在近井地帶較大范圍時，只能采取酸壓或者水力壓裂工藝對油水儲層進行解堵改造[4]。傳統(tǒng)的酸化、酸壓、壓裂工藝施工周期長，成本較高，作業(yè)復(fù)雜，并容易出現(xiàn)二次沉淀堵塞和儲層傷害風(fēng)險。

大功率超聲波解堵技術(shù)屬于物理法解堵工藝技術(shù)，其具有操作方便，成本低，無污染，適應(yīng)性強、可重復(fù)使用等特點。從20世紀(jì)70年代在俄羅斯進行首次應(yīng)用，該工藝技術(shù)即受到國內(nèi)外石油工程界的高度重視，并進行許多室內(nèi)評價和實驗研究工作，開展相應(yīng)陸地油田試驗應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果[4]。但陸地油田及室內(nèi)實驗主要針對裸眼完井解堵研究及試驗應(yīng)用，對以防砂完井為主要構(gòu)成的渤海油田油水井解堵缺乏系統(tǒng)深入的研究，超聲波在渤海海上油田應(yīng)用中的選井原則、工藝參數(shù)設(shè)計以及后期效果評價需依據(jù)經(jīng)驗完成，亟需相應(yīng)實驗研究支持[5]。

本文利用防砂完井模擬實驗裝置，采用全尺寸超聲波發(fā)聲器和不同類型人工巖心樣品，進行來了超聲波解除儲層傷害堵塞巖心室內(nèi)實驗研究，評價超聲波解除巖心堵塞的作用效果，研究功率、頻率、作用距離、作用時間、堵塞類型、巖心滲透率等關(guān)鍵參數(shù)對超聲波解堵效果的影響規(guī)律，進一步探討指導(dǎo)超聲波解堵生產(chǎn)實際。

1 室內(nèi)實驗原理及方法

1.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)使用針對渤海油田防砂完井管柱自主研制的防砂完井管柱超聲波解堵裝置，該實驗系統(tǒng)針對渤海油田防砂完井多層管柱結(jié)構(gòu)特點，全方位模擬管柱結(jié)構(gòu)、地層壓力、溫度條件、作業(yè)條件等，借助全尺寸超聲波發(fā)射器、計算機采集裝置、壓力傳感器等技術(shù)對巖心進行各項實驗研究[6]，探索研究超聲波解堵地層參數(shù)、井筒參數(shù)、工藝參數(shù)等對超聲波解除巖心堵塞的影響規(guī)律，研究適合渤海油田超聲波解堵的增產(chǎn)規(guī)律和工藝措施。

實驗裝置主要包括全尺寸超聲波發(fā)射器、超聲波功率電源、模擬防砂完井井筒、巖心模型、平流泵、中間容器與管匯系統(tǒng)、壓力傳感器、計算機采集裝置等(圖1)。實驗采用現(xiàn)場用超聲波發(fā)射器和配套功率電源產(chǎn)生大功率超聲波，自主研制防砂完井管柱模擬試驗井筒進行超聲波解堵實驗。

圖1 防砂完井管柱超聲波解堵實驗系統(tǒng)Fig.1 Ultrasonic unplugging test system for sand control completion string1—全尺寸超聲波發(fā)射器；2—模擬防砂完井井筒；3—巖心模型；4—中間容器；5—平流泵；6—超聲波接收器；7—壓力傳感器；8—計算機采集裝置；9—超聲波功率電源

1.2 實驗材料

實驗選用5種規(guī)格型號的超聲波發(fā)射器，制備多種滲透率無機垢堵塞巖心和聚合物堵塞巖心，選用3種型號優(yōu)質(zhì)篩管防砂篩管模擬不同規(guī)格防砂完井形式。

2 實驗步驟

①首先制作巖心樣品，并測巖心的初始液測滲透率(Ki)以及孔隙度等其他參數(shù)。

表1 超聲波發(fā)射器規(guī)格參數(shù)表Table 1 Specification parameters of ultrasonic transmitter

表2 不同篩管規(guī)格參數(shù)表Table 2 Specifications of different screens

②在模擬井筒和巖心處穩(wěn)定飽和5PV碳酸鈉和5PV氯化鈣溶液并靜置反應(yīng)時間，使巖心內(nèi)部產(chǎn)生無機垢堵塞。

③利用平流泵反向水驅(qū)，測無機垢堵塞后的巖心液測滲透率(Kd)。

④進一步水驅(qū)，將1號超聲波發(fā)射器下入到模擬井筒中處理堵塞巖心樣品，超聲波發(fā)射器作用120 min，測量超聲波處理后的巖心液測滲透率(Kf)。

⑤重復(fù)上述步驟①—④，使用2～5號超聲波發(fā)射器處理巖心分別進行實驗。以巖心滲透率恢復(fù)率(Kf/Ki)為超聲波解堵效果的評價依據(jù)，并篩選解除堵塞效果最佳的超聲波發(fā)射器。

⑥控制②中碳酸鈉和氯化鈣飽和速率，制作不同滲透率無機垢堵塞巖心樣品，重復(fù)③、④步驟，研究不同滲透率無機垢堵塞超聲波解堵規(guī)律。

⑦在步驟②中改為注入聚合物(聚丙烯酰胺)溶液，控制飽和速度并在靜置后測試堵塞巖心滲透率，重復(fù)③、④步驟，比較無機垢堵塞和聚合物堵塞條件下的超聲波解堵規(guī)律。

⑧改變模擬井筒中的篩管類型，研究篩管孔道當(dāng)量截面積對超聲波解堵效果的影響。

⑨改變巖心相對超聲波發(fā)射器的距離，研究超聲波作用距離對超聲波解堵效果的影響。

3 實驗結(jié)果與討論

通過上述實驗步驟進行了相關(guān)室內(nèi)試驗，以巖心滲透率恢復(fù)率((Kf-Kd)/Ki)作為解堵效果的評價指標(biāo)，通過系列實驗得到了以下超聲波解堵實驗結(jié)果，分析如下。

(1)超聲波工作功率、頻率對解堵效果的影響。

由圖2可見，超聲波發(fā)射頻率一定時，通過使用不同功率超聲波發(fā)射器進行實驗，分別研究了6 kW、8 kW、12 kW的超聲波發(fā)射器，通過高、中、低三類滲透率巖心進行實驗，發(fā)現(xiàn)超聲波發(fā)射器功率越大，解堵效果越明顯，分析主要是因為超聲波解堵屬于物理方式解堵，通過超聲波能量的機械振動和空化作用解除巖心的堵塞顆粒。

圖2 超聲波發(fā)射器功率、頻率對超聲波解堵效果的影響圖Fig.2 Influence of power and frequency of ultrasonic transmitter on ultrasonic plugging removal effect

另外，通過相同大小功率(12 kW)超聲波發(fā)射器解堵，改變超聲波發(fā)射器的工作頻率，分別采用16 kHz、18 kHz、22 kHz頻率進行解堵作用，通過高、中、低三類滲透率巖心進行實驗，發(fā)現(xiàn)隨超聲波作業(yè)頻率增加，解堵效果先增加后減少，超聲波作為一種頻率高、波長短的縱向物理波，在產(chǎn)生機械振動和空化作用的同時，也存在物理波普遍存在的衰減問題，超聲波頻率較高時超聲波能量衰減較大，影響整體解堵效果[7]。

(2)巖心堵塞滲透率對解堵效果的影響。

通過采用無機垢進行堵塞巖心，制備不同無機垢堵塞滲透率巖心研究不同滲透率巖心對超聲波解堵效果的影響。由圖3可見，制備了551 mD、966 mD和1489 mD 3種滲透率巖心，利用6 kW、8 kW和12 kW 3種功率超聲波發(fā)射器進行超聲波解堵實驗，結(jié)果表明巖心滲透率越高超聲波解堵解堵效果越好[8、9]。

圖3 堵塞巖心滲透率對超聲波解堵效果的影響圖Fig.3 Effect of the permeability of the plug core on the ultrasonic plugging removal effect

(3)不同堵塞類型對解堵效果的影響。

通過在巖心中注入聚丙烯酰胺聚合物處理堵塞巖心，研究對比超聲波對聚合物堵塞和無機垢堵塞巖心的解堵效果。由圖4可見，超聲波針對無機垢堵塞巖心的解堵效果明顯優(yōu)于對聚合物堵塞巖心的解堵效果，分析主要是由于聚合物相比于無機垢屬于彈性堵塞物，聚合物堵塞物對超聲波有明顯的吸波和遮擋作用，大大降低超聲波解堵的效果[10～13]。因此，超聲波處理儲層傷害優(yōu)先針對無機垢堵塞，對于聚合物堵塞解堵效果較差。

圖4 不同堵塞類型對超聲波解堵效果的影響圖Fig.4 Influence of different plugging types on ultrasonic plugging removal effect

(4)不同篩管規(guī)格對解堵效果的影響。

通過在模擬防砂井筒內(nèi)放置不同規(guī)格的篩管，研究不同規(guī)格篩管對超聲波解堵的影響。實驗研究了基管布孔密度120孔/m、180孔/m和220孔/m共 3種規(guī)格篩管對超聲波解堵的影響，由圖5可見，同樣孔徑(12 mm)條件下，基管布孔密度越大，篩管孔道當(dāng)量過流面積越大，超聲波解堵效果越好。分析主要是由于基管布孔密度越大，篩管對超聲波的遮擋和衰竭作用越小，作用在堵塞巖心上的超聲波能量越大，解堵效果越好。

圖5 不同篩管規(guī)格對超聲波解堵效果的影響圖Fig.5 Effect of different screen specifications on ultrasonic plugging removal

(5)超聲波作用距離、作用時間對解堵效果的影響。

在12 kW功率超聲波發(fā)射器，18 kHz頻率條件下，500 mD無機垢堵塞巖心和220孔/m規(guī)格篩管條件下，研究超聲波作用距離、作用時間對超聲波解堵效果的影響規(guī)律。由圖6可見，實驗結(jié)果表明超聲波作用距離對超聲波解堵效果影響較大，超聲波作用距離越遠超聲波解堵效果越差，分析是由于作用距離越遠，超聲波衰減越嚴重，超聲波解堵效果越差[14、15]。

由圖7可見，超聲波解堵效果隨超聲波作用時間先增加后穩(wěn)定，當(dāng)超聲波解堵作用時間在60～90 min時解堵效果最優(yōu)，分析是由于超聲波作為物理波方式解堵，主要通過機械振動和空化作用解堵，當(dāng)達到一定作用時間時超聲波解堵效果達到最佳。

圖6 不同超聲波作用距離對超聲波解堵效果的影響圖Fig.6 Effect of different ultrasonic operating distances on ultrasonic plugging removal effect

圖7 不同超聲波作用時間對超聲波解堵效果的影響圖Fig.7 Effect of different ultrasonic action time on ultrasonic plugging removal effect

4 結(jié)論

超聲波解堵對于聚合物堵塞適應(yīng)性較差，針對無機垢堵塞解堵效果較好，且隨著堵塞巖心滲透率越高、超聲波發(fā)射器功率越高，超聲波對堵塞巖心的解堵效果越好。

重點針對海上油田防砂完井多層管柱對超聲波阻擋影響，研究了不同篩管規(guī)格、不同作用距離和超聲波作用時間的超聲波解堵效果，發(fā)現(xiàn)基管布孔密度120孔/m、180孔/m和220孔/m 共三種規(guī)格防砂完井篩管，基管布孔密度越大，超聲波解堵效果越好；選擇距超聲波發(fā)射器15 cm、30 cm、45 cm和60 cm距離條件下對比，超聲波作用距離越遠，超聲波衰減越嚴重，解堵效果越差；超聲波工作頻率為18 kHz左右時，超聲波作用時間在60～90 min時解堵效果最優(yōu)。