華 強

(濮陽職業(yè)技術學院 濮陽 457000)

0 引言

儲層滲透率是一定壓差下，巖石允許流體通過能力的直接反映。儲層滲透率的大小對油井的產量、水井的注入量有重要影響。當注入水等外來流體進入儲層，由于不配伍性等問題引起黏土礦物膨脹、儲層孔喉堵塞從而導致儲層物性損害的過程即儲層水敏性傷害。在石油開采過程中，儲層水敏性問題會導致儲層物性傷害，影響油田開發(fā)效果。儲層水敏性是造成儲層滲透率傷害的重要因素。

超聲是一種綠色、環(huán)保技術，對水敏性去除有一定的效果。目前，國內外學者針對超聲去除儲層水敏性展開了研究。Wang 等[1]設計靜態(tài)實驗，展開了超聲-化學劑聯(lián)合去除儲層水敏性研究，認為超聲最佳處理頻率為20～25 kHz，且增大超聲功率有利于巖心水敏性的去除，證明了超聲波與化學劑的協(xié)同效應；Khan 等[2]給出了超聲最佳處理時間為100 min，此時滲透率恢復率可達24.4%，超過這一處理時間，滲透率恢復率逐漸減小。

上述研究證明了超聲技術對于儲層水敏性傷害所致的滲透率損失有一定的去除效果。然而，前人對于該技術的研究多側重于靜態(tài)研究及小功率超聲的應用，對于動態(tài)過程中超聲水敏性的去除缺乏充足的認識，不同物性、高頻超聲對儲層水敏性去除規(guī)律尚不清楚，而這些問題對于了解超聲作用提高水敏性去除的作用機理具有重要的意義。

因此，基于現(xiàn)有研究的不足，本文設計動態(tài)超聲波儲層水敏性去除實驗，采用不同滲透率的天然巖心和大功率超聲對此進行探討，研究了在流動狀態(tài)下超聲去除水敏性的影響因素，以期進一步夯實超聲去除水敏性傷害的理論基礎，并為推廣該技術在油田現(xiàn)場的應用提供理論指導。

1 動態(tài)超聲波儲層水敏性去除實驗

為進一步揭示動態(tài)過程中超聲對儲層水敏性去除的作用機理，利用自主研制的超聲發(fā)生儀，選取不同滲透率的天然巖心，模擬實際地層的溫度、壓力，在不同的超聲作用參數下進行室內驅替實驗。

1.1 實驗設備及材料

1.1.1 實驗設備

(1)巖心驅替實驗裝置：設備型號為HKY-20C，最大驅替壓力40 MPa，環(huán)壓0～50 MPa，流量范圍0.01～10 mL/min，工作溫度0?C～150?C，主要由注入系統(tǒng)、夾持器系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、數據采集與處理系統(tǒng)等組成，該設備用于動態(tài)條件下的巖心滲透率測定。

(2)超聲發(fā)生儀：使用濮陽市物理法采油重點實驗室自主設計研制的超聲發(fā)生儀，設備型號為US-GDS-1036A，由超聲發(fā)生器、固定支架、超級恒溫水浴以及顯示器組成。工作頻率為17～125 kHz，最大輸出電功率2000 W，超聲設備的超聲作用面積為20 cm×30 cm，運行溫度為10?C～110?C，加載方式為連續(xù)型，可滿足長時間的使用要求。超聲波聲強測試儀器采用本多HONDA HUS-3。圖1為功率為1200 W的超聲波不同頻率下的聲壓變化。

圖1 聲壓與頻率關系Fig.1 The relationship between sound pressureand frequency

(3)巖心氣測滲透率儀：設備型號為STY-2，測試巖心直徑為25 mm，測試巖心長度為20～70 mm，工作介質為氮氣，低滲測量差10%。

(4)電子分析天平：設備型號為力辰FA124，精度0.1 mg。

1.1.2 實驗材料

實驗巖心樣品采用中原油田的天然巖心，巖心直徑為(2.5±0.1)cm，長度為3.1～7.5 cm，滲透率為11×10?3～1423×10?3μm2；考慮到中原油田儲層特點，本次研究采用的模擬地層水礦化度為20000 mg/L，組分配比NaCl :CaCl2:MgCl26H2O=7.0:0.6:0.4。

1.2 實驗步驟

(1)將巖心樣品進行編號、清洗并置于50?C烘箱烘干24 h，測試巖心的基本參數(氣測滲透率、孔隙度)。

(2)將巖心飽和模擬地層水后，將其放入巖心夾持器，加環(huán)壓，開泵水驅。為消除溫度變化和速敏對實驗結果的不利影響，在實驗溫度為70?C 的條件下，采用泵入速度小于臨界流速，模擬地層水泵入速度設定為0.02 mL/min，流動穩(wěn)定后，利用達西定律計算巖心的初始滲透率(Ki)，直至注入2 PV(PV為注入孔隙體積倍數，無因次)。

(3)將模擬地層水改變?yōu)檎麴s水，速度設定為0.02 mL/min，穩(wěn)定后計算巖心滲透率(Kb)，直至注入4 PV，建立儲層水敏性傷害后的巖心。

(4)打開超聲發(fā)生儀，測定超聲作用后的巖心滲透率(Ka)。

(5)重復步驟(1)～(4)，分別采用不同的超聲波作用參數，以巖心滲透率恢復程度KR=(Ka ?Kb)/Ki ×100%作為評價指標，研究各作用參數對儲層水敏性傷害的恢復情況。

圖2為實驗流程示意圖。

圖2 實驗流程示意圖Fig.2 Experimental setup

2 實驗結果與討論

2.1 頻率

研究中采用不同頻率的超聲波對天然巖心進行處理，分析超聲頻率對動態(tài)條件下儲層水敏性去除的影響。實驗中作用時間為20 min，功率為1200 W，巖心滲透率為56.36×10?3μm2。

通過研究發(fā)現(xiàn)，超聲波的頻率與儲層滲透率恢復存在較為復雜的關系，見圖3。當超聲頻率處在17～22 kHz范圍時，隨著頻率的增加，滲透率恢復率迅速增加；當超聲頻率處在22～50 kHz 范圍時，隨著頻率的增加，滲透率恢復率急劇減??；而當超聲波頻率超過50 kHz時，滲透率恢復率則呈緩慢上升趨勢。

圖3 頻率與儲層滲透率恢復率關系Fig.3 The relationship between frequency and reservoir permeability recovery

由于超聲能量衰減隨著頻率的增加而變大[3]，較高的超聲波頻率不利于巖心水敏性傷害的去除，故應將頻率控制在合理的范圍內。當儲層固有頻率與超聲波頻率匹配時，能引起黏土礦物顆粒在儲層孔隙內部的蠕動傳輸，對于降低儲層水敏性傷害能取得良好的效果。在較低頻率(17～22 kHz)下，空化作用產生的空化泡具有數量較少、尺寸大、能量強的顯著特點，所以在17～22 kHz 頻率范圍內，滲透率恢復率處在較高的水平上。隨著超聲頻率增加，超聲能量迅速衰減，系統(tǒng)內空化作用產生的力學效應隨超聲波頻率增大而降低，空化作用的減弱會促進黏土顆粒聚結的趨勢[4]，這一點并不利于儲層滲透率的恢復；但高頻聲波往往在介質中吸收更多，由此產生更強的邊界摩擦作用，隨之產生的熱量往往會除去黏土的吸附水，導致黏土顆粒尺寸的減小，相鄰黏土顆粒之間的空間逐漸變大。也就是說，超聲作用通過減小黏土團簇的尺寸，從而促進儲層內部黏土顆粒的懸浮程度，最終減少了儲層的水敏性傷害，儲層滲透率得以部分程度的恢復。水的存在填充了孔隙空間，影響了多孔介質里面的超聲波傳播特性[5?7]。高頻聲波對于滲透率恢復的影響取決于上述兩種效應的作用強弱，在一定程度上，邊界摩擦作用能間接地抑制黏土礦物在儲存內部的水化膨脹和分散。

2.2 超聲功率

前人研究多停留在較低功率超聲對儲層水敏性的去除，采用功率多低于1000 W，尚缺乏大功率超聲對儲層水敏性問題的相關研究，因此，特研制大功率超聲發(fā)生器，開展相關研究。實驗中超聲作用頻率分別25 kHz、50 kHz，超聲作用時間為30 min，巖心滲透率為45.92×10?3μm2。

通過研究發(fā)現(xiàn)，超聲波功率與儲層滲透率恢復存在明顯的正相關關系，見圖4。當超聲頻率為25 kHz 時，滲透率恢復率隨功率的變化一直保持增加的趨勢，當超聲功率高于1300 W 時，滲透率恢復率則保持相對穩(wěn)定；而當超聲波頻率為50 kHz、超聲功率低于1300 W 時，隨著超聲功率的增加，滲透率恢復率迅速增加；當超聲功率高于1300 W 時，隨著超聲功率的增加，滲透率恢復率則保持相對穩(wěn)定，不再繼續(xù)增加。從實驗結果來看，當采用較低的超聲功率時，兩種頻率下的超聲所對應的滲透率恢復率差值較大(500 W，差值為4.2%)；當采用較高的超聲功率時，兩種頻率下的超聲所對應的滲透率恢復率差值較小(1700 W，差值為1.7%)，說明大功率超聲解除水敏性傷害具有更大的優(yōu)勢，在使用時不會受到頻率的限制。

圖4 超聲功率與儲層滲透率恢復率關系Fig.4 The relationship between ultrasonic power and reservoir permeability recovery

隨著超聲功率的增加，系統(tǒng)的能量供應越充足，超聲空化作用就越強烈[8]，越有利于水敏性去除。提高超聲波功率能夠彌補頻率增大所引起的超聲波能量衰減。超聲頻率越高，能量衰減越大，這一點較好地解釋了較高頻率下滲透率恢復率小于較低頻率下的滲透率恢復率這一現(xiàn)象。功率可補償因頻率引起的衰減。大功率的超聲作用于油層時，儲層內部的毛細管直徑會隨著超聲作用時大時小，由于直徑發(fā)生變化，表面張力、毛細管力均會隨之發(fā)生變化，所以能獲得更高的滲透率恢復率。

2.3 作用時間

超聲最佳激勵時間研究處于起步階段，為研究超聲波處理時間對去除巖心水敏性的影響規(guī)律，開展相關實驗。實驗中超聲頻率為25 kHz，功率為1000 W。為增強其代表性，采用3 種不同的巖心，巖心1滲透率K1=16.55×10?3μm2，代表低滲儲層；巖心2 滲透率K2= 133.23×10?3μm2，代表中滲儲層；巖心3 滲透率K3= 1265.79×10?3μm2，代表高滲儲層。

研究發(fā)現(xiàn)，在超聲波作用初期，3 種巖心的滲透率恢復率迅速增加，呈現(xiàn)相似的特征，高滲儲層的曲線斜率明顯高于中滲、低滲儲層，說明原始滲透率越好的儲層，其滲透率恢復速度也越快，見圖5。不同的是，低滲巖心的滲透率恢復率在超聲作用100 min 后達到最高值，之后增加超聲處理時間，滲透率恢復率基本保持平穩(wěn)，這一結果與文獻[2]較為吻合；中滲巖心的滲透率恢復率在超聲作用80 min后達到最高值，之后基本保持平穩(wěn)；對于高滲巖心，該處理時間縮減為60 min，中滲、高滲巖心對應的超聲處理時間均小于文獻[2]研究結果。這說明，滲透率更低的巖心應采用更長的超聲激勵時間，超聲處理存在一個最佳處理時間，且這一最佳處理時間與儲層物性密切相關，儲層物性越好，最佳處理時間越短，過長的超聲激勵時間有可能導致較大顆粒分離[2]，這些顆粒在后面以架橋的形式阻礙流體的滲流，導致滲透率恢復率降低。

圖5 作用時間與儲層滲透率恢復率關系Fig.5 The relationship between action time and reservoir permeability recovery

超聲處理存在最佳處理時間，這與文獻[1]的研究較為吻合。與其不同的是，本文研究發(fā)現(xiàn)，最佳處理時間與儲層物性密切相關，分析其原因，在于文獻開展的實驗為靜態(tài)實驗，流體對超聲能量的吸收程度不同；另外，文獻[1]開展的實驗采用巖心的滲透率為30×10?3μm2、60×10?3μm2、120×10?3μm2，巖心屬于中低滲范圍，巖心物性相差不大，所以超聲處理時間的差別并不明顯。

低滲儲層孔喉半徑較小，黏土顆粒與孔喉內壁的距離較小，致使孔喉內壁對黏土顆粒產生較強的吸附作用；加之低滲儲層易受污染，所以低滲儲層需要較長的處理時間。但是，對滲透率為16.55×10?3μm2的巖心1 累積處理時間達到180 min時，滲透率恢復率降低了1.1%，這是由于長時間的超聲作用造成巖心入口端強烈的空化作用，作用在巖心的超聲能量減少，從而導致較多的聲能量逸散；另外，空化泡湮滅時產生的壓力給巖心驅替系統(tǒng)施加了回壓效應，導致流體流動受阻，這種回壓對于物性差的低滲巖心影響更顯著。

2.4 儲層滲透率

文獻[1–2]分別使用滲透率30×10?3～150×10?3μm2的3種巖心開展實驗，使用的滲透率范圍過于狹窄，不能充分揭示滲透率對水敏性解除的真實影響，這一影響并沒有得到充分的探討。因此，為更全面地揭示儲層滲透率與滲透率恢復率之間的內在聯(lián)系，尤其是探索中高滲儲層的滲透率恢復問題，本次研究采用中原油田23 塊天然巖心(滲透率范圍11×10?3～1423×10?3μm2，低滲、中滲、高滲儲層都有涉及)，進行更加系統(tǒng)的研究。

通過研究發(fā)現(xiàn)， 當儲層滲透率低于30×10?3μm2時，滲透率恢復率處在較低的水平；當儲層滲透率處在30×10?3～80×10?3μm2范圍時，隨著滲透率的增加，滲透率恢復率逐漸增大；而當儲層滲透率高于80×10?3μm2時，則呈現(xiàn)出中滲儲層滲透率恢復率逐漸增大而高滲儲層滲透率恢復率相對穩(wěn)定的特征，見圖6。

圖6 儲層滲透率與儲層滲透率恢復率關系Fig.6 The relationship between permeability and reservoir permeability recovery

當儲層滲透率較高時，儲存的孔喉直徑較大，黏土顆粒與孔隙內壁的作用力較小，在超聲波作用下，黏土顆粒更容易擺脫儲層內壁對其吸引力而脫落，滲透率恢復率隨滲透率的增大而增大。在油氣層滲流中，黏土顆粒的水敏性膨脹降低了孔喉的有效直徑，從而增大了滲流阻力，造成了水敏性傷害這一嚴重后果，黏土顆粒的水化膨脹會造成儲層的水敏性傷害。

3 結論

通過實驗發(fā)現(xiàn)，超聲頻率對于去除儲層水敏性存在最佳范圍，為17～22 kHz。當超聲頻率處在22～50 kHz范圍時，隨著頻率的增加，滲透率恢復率急劇減?。欢敵暡l率超過50 kHz，滲透率恢復率則呈緩慢上升趨勢。超聲頻率與功率存在一定的補償關系，現(xiàn)場應用需重視頻率、功率的匹配問題。超聲最佳處理時間與儲層物性有一定聯(lián)系，不同滲透率的儲層超聲最佳處理時間有明顯差異。滲透率恢復率與儲層物性呈現(xiàn)較復雜的關系。研究結果有助于了解超聲水敏性去除的作用機理，為該技術在油田現(xiàn)場的推廣提供理論指導。