谷瀟雨，蒲春生，王 蓓，李天太，許洪星，胡曉龍

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065;2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島266580;3.長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西 西安710018;4.中石油新疆油田公司采油二廠，新疆克拉瑪依834008)

目前，針對鉆井液堵塞嚴(yán)重的儲層，通常采取強(qiáng)氧化劑復(fù)合酸化解堵，但措施成本較高，且對人員及環(huán)境存在安全隱患。超聲波解堵技術(shù)具有高效低成本、對環(huán)境及儲層無污染、儲層適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)［1］。近些年，隨著超聲技術(shù)的長足發(fā)展，超聲波解堵技術(shù)的優(yōu)勢逐漸凸顯，逐步引起國內(nèi)外石油工作者的重視，先后開展了大量的室內(nèi)研究和礦場試驗(yàn)工作。但針對特定污染類型的超聲波解堵效果、影響因素及規(guī)律仍缺乏系統(tǒng)研究，尤其是針對超聲波解除鉆井液堵塞的研究鮮有報(bào)道。本文利用自主研制的超聲波采油動態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置和鉆井液傷害的人造均質(zhì)巖心樣品，開展超聲波處理近井鉆井液堵塞室內(nèi)模擬研究，分析了超聲波頻率、超聲波功率、處理時(shí)間及巖心滲透率等參數(shù)對超聲波解堵效果的影響規(guī)律，并將超聲波、化學(xué)劑單獨(dú)解堵與超聲波—化學(xué)復(fù)合解堵效果作了對比［2-8］。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用自制的超聲波采油動態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)，該裝置根據(jù)波動采油原理、驅(qū)替機(jī)理等模擬地層壓力、溫度條件，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)對巖心進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，以研究超聲波場對巖石、流體、儲層堵塞物的物化性質(zhì)影響規(guī)律;模擬油藏在超聲波場條件下巖心傷害后滲透率恢復(fù)情況，進(jìn)行波場近井處理效果室內(nèi)評價(jià)等。裝置主要包括ISCO泵、高溫高壓中間容器、環(huán)壓泵、特制巖心夾持器、超聲波換能器、超聲波發(fā)生器、壓力及流量計(jì)量系統(tǒng)、恒溫箱等(圖1)。裝置的核心是超聲波系統(tǒng)，其工作原理是將由大功率超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電信號經(jīng)特種傳輸電纜傳至壓電發(fā)射換能器，經(jīng)換能器將高頻電信號轉(zhuǎn)化為超聲波后傳輸?shù)綆r心截面，完成超聲波處理過程。為了研究各因素對超聲波解堵效果的影響，實(shí)驗(yàn)選擇的超聲波參數(shù)見表1。

表1 不同超聲波換能器參數(shù)Tab.1 Ultrasonic parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與藥品

氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、鹽酸、氫氟酸等，分析純。勝利油田鉆井液 SLZJY;人造巖心(直徑2.5 cm，長8 cm)，氣測滲透率分別為30 ×10—3μm2，80 ×10—3μm2，150 ×10—3μm2;蒸餾水;標(biāo)準(zhǔn)鹽水(組分質(zhì)量配比 NaCl∶CaCl2∶MgCl2·6H2O=7∶0.6∶0.4，礦化度20 000 mg/L)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)巖心飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水，放入夾持器加環(huán)壓后，開始水驅(qū)，待巖心兩端壓差穩(wěn)定后，按達(dá)西定律計(jì)算巖心初始液測滲透率Ki;

(2)停止水驅(qū)，反向注入2倍孔隙體積的鉆井液，關(guān)閉巖心兩端閥門2 h;

(3)正向開始水驅(qū)，待巖心兩端壓力穩(wěn)定后，計(jì)算鉆井液傷害后巖心液測滲透率Kd;

(4)壓力穩(wěn)定后，開始使用1號換能器間歇式處理巖心(作用10 min間歇5 min)，待累計(jì)處理時(shí)間達(dá)到60 min后，停止超聲波處理，計(jì)算超聲波處理后巖心液測滲透率Kt;

(5)重復(fù)(1)—(4)，分別改用2～6號換能器處理巖心。以巖心滲透率恢復(fù)率(Kt—Kd)/Ki為評價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出解堵效果最佳的超聲波換能器;

(6)重復(fù)(1)—(3)，使用優(yōu)選出的換能器，改變超聲波累計(jì)處理時(shí)間，研究處理時(shí)間對解堵效果的影響;

(7)重復(fù)(1)—(3)，待Kd穩(wěn)定后，反向注入2倍孔隙體積鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%、氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的土酸溶液，正向水驅(qū)，直至巖心兩端壓力穩(wěn)定后，計(jì)算化學(xué)劑解堵后的巖心滲透率。

(8)重復(fù)(1)—(3)，使用優(yōu)選出的換能器在最佳處理參數(shù)(頻率22 kHz、功率1 000 W、時(shí)間60 min)情況下，與土酸溶液復(fù)合解除巖心鉆井液傷害。復(fù)合處理結(jié)束后，待巖心兩端壓力穩(wěn)定時(shí)，計(jì)算超聲波—化學(xué)復(fù)合解堵后的巖心滲透率。

2 結(jié)果與討論

為了優(yōu)選解除鉆井液傷害效果最佳的超聲波換能器，對比超聲波累計(jì)處理時(shí)間均為60 min情況下的解堵效果，結(jié)果見表2。

表2 超聲波累計(jì)處理60 min解除巖心鉆井液傷害結(jié)果Tab.2 Removing core damage results by ultrasonic treating 60 min

由表2可以看出，超聲波處理后，各組實(shí)驗(yàn)中巖心滲透率均有不同程度的提高，表明超聲波能有效解除巖心鉆井液傷害。其中，在巖心氣測滲透率30×10—3μm2和150 ×10—3μm2段中 2 號超聲波換能器解除鉆井液效果最佳，(Kt—Kd)/Ki最大值分別為26.39%、20.14%;巖心氣測滲透率80 ×10—3μm2段中3號超聲波換能器解堵效果最佳，(Kt—Kd)/Ki最大值為23.19%。受多種因素諸如巖心物理性質(zhì)、超聲波換能器形狀和處理參數(shù)等影響，1、2、3號換能器與4、5、6號換能器實(shí)驗(yàn)中超聲波解除巖心鉆井液傷害效果相差較大。從整體效果來看，2號換能器為優(yōu)選結(jié)果。

2.1 超聲波功率對解堵效果的影響

不同超聲波換能器對解堵效果的影響曲線見圖2。由圖2可知，1、2、3號超聲波換能器解除巖心鉆井液堵塞效果明顯優(yōu)于4、5、6號超聲波換能器，這主要受控于超聲波換能器功率大小:1、2、3號超聲波換能器功率均為1 000 W，3號和4號超聲波換能器功率僅為60 W，6號超聲波換能器功率為200 W。超聲波換能器功率越小，則巖心實(shí)際得到的能量越少，超聲波解堵效果變差。超聲波解除巖心鉆井液堵塞效果與實(shí)際作用到巖心上的超聲波能量大小有關(guān)，而作用到巖心上的超聲波能量與換能器功率大小有直接關(guān)系。

2.2 超聲波頻率對解堵效果的影響

為了研究超聲波頻率對解堵效果的影響，分別將功率相同的超聲波換能器解堵結(jié)果作對比，見圖2。由圖2可知，功率相同的1、2、3號超聲波換能器解堵效果相差不大，頻率稍低的2號超聲波換能器解堵效果稍優(yōu)于高頻率的3號換能器;4號和5號超聲波換能器功率相同，頻率相對較低的4號超聲波換能器解堵效果稍好;1號超聲波換能器頻率低，但解堵效果較2號和3號換能器差。分析是由于其頻率為18 kHz，超聲波能量會以聲的形式耗散掉一部分，同時(shí)，其巖極距(換能器端面到巖心的距離)較長，且中間充滿液體，加劇了超聲波能量的耗散。以上結(jié)果表明，超聲波頻率對超聲波解除巖心鉆井液堵塞影響并不顯著，但從整體上有隨頻率降低解堵效果變好的趨勢。超聲波在液體中的傳播衰減系數(shù)與頻率的平方成正比，故頻率越大超聲波衰減系數(shù)變大，超聲能量的耗散也就越嚴(yán)重。

2.3 巖心滲透率對解堵效果的影響

用1—6號超聲波換能器分別處理被鉆井液傷害的不同滲透率巖心的效果如圖3所示。由圖可知，不同超聲波換能器得到的實(shí)驗(yàn)曲線變化趨勢基本一致，即巖心滲透率越小，超聲波解堵效果越好。這與實(shí)驗(yàn)用到的鉆井液種類有關(guān)，所用鉆井液為低固相聚合物鉆井液，巖心傷害主要是由聚合物堵塞引起。這樣隨著巖心滲透率的增加，巖心孔道半徑增大，則聚合物在巖心孔道中更易形成強(qiáng)度較高的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加了超聲波解堵難度，導(dǎo)致超聲波解堵效果變差。

2.4 處理時(shí)間對解堵效果的影響

使用優(yōu)選出的2號換能器處理氣測滲透率為30×10—3μm2、150 ×10—3μm2段巖心，使用 3 號超聲波換能器處理80×10—3μm2段巖心，研究超聲波處理時(shí)間對解堵效果的影響，結(jié)果見圖4。3個(gè)滲透率段的巖心在超聲波初始作用階段(0～40 min)，巖心滲透率的恢復(fù)率均大幅度提高;隨著處理時(shí)間的增加，累計(jì)處理60 min后，滲透率的恢復(fù)率逐漸平穩(wěn);累計(jì)處理80～100 min后，各滲透率段巖心滲透率的恢復(fù)率均取得最大值，說明超聲波解除鉆井液效果達(dá)到最佳。累計(jì)處理時(shí)間對解堵效果的影響主要受控于超聲空化現(xiàn)象?？栈瘯r(shí)瞬間產(chǎn)生的高溫、高壓及伴隨產(chǎn)生的劇烈沖擊波和高速微射流能有效剝離堵塞微粒，擴(kuò)大巖心孔隙半徑、解離聚合物大分子，顯著降低流體黏度。但較長時(shí)間的空化現(xiàn)象將造成超聲能量的大量耗散，減少實(shí)際作用到巖心上的能量。同時(shí)，巖心出口端超聲空化產(chǎn)生的激波及高壓不利于流體流出，表現(xiàn)為測得的滲透率有所降低。故從作用效果與經(jīng)濟(jì)角度考慮，超聲波處理時(shí)間存在一個(gè)最優(yōu)范圍。本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)處理時(shí)間為60 min。

2.5 超聲波輔助化學(xué)解堵效果評價(jià)

超聲波解除巖心鉆井液堵塞主要是靠超聲空化、機(jī)械振動等作用，與化學(xué)法解除鉆井液堵塞機(jī)理明顯不同，二者復(fù)合使用利用其協(xié)同效應(yīng)提高解堵效果。實(shí)驗(yàn)使用優(yōu)選出的超聲波換能器在最佳超聲波處理參數(shù)下(頻率22 kHz、功率1 000 W、時(shí)間60 min)做超聲波—化學(xué)復(fù)合解堵實(shí)驗(yàn)，并與單獨(dú)超聲波、化學(xué)劑解堵效果作對比，見表3。

表3 超聲波、化學(xué)劑及其復(fù)合解堵效果比較Tab.3 Result comparison of ultrasonic，mud acid and ultrasonic—mud acid combination deplugging

由表3可以看出，超聲波—化學(xué)復(fù)合解堵效果明顯優(yōu)于單獨(dú)超聲波、單獨(dú)化學(xué)劑解堵效果，復(fù)合解堵與二者單獨(dú)解堵效果相比，巖心滲透率的恢復(fù)率提高了21%～31%。超聲—化學(xué)復(fù)合作用解除巖心鉆井液堵塞除了兼有超聲波解堵機(jī)理和化學(xué)解堵機(jī)理外，超聲波和化學(xué)劑還能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng):超聲波能提高化學(xué)劑的活性，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，提高化學(xué)解堵效果;化學(xué)劑作用，可降解部分有機(jī)大分子，且化學(xué)作用能改變鉆井液固相微粒在孔道中的受力狀態(tài)，使超聲波解堵、疏通孔道等效果變得更加顯著。

3 結(jié)論

(1)超聲波作用能有效解除巖心鉆井液傷害，單獨(dú)超聲波處理巖心滲透率的恢復(fù)率可達(dá)27%。

(2)巖心初始滲透率、超聲波累計(jì)處理時(shí)間、超聲波功率及頻率等均會影響超聲波解堵效果。超聲波功率越大，解堵效果越好;超聲波頻率對解除巖心鉆井液堵塞效果影響不大，但超聲波頻率降低，解堵效果有變好的趨勢;超聲波累計(jì)處理時(shí)間達(dá)到60 min后，巖心滲透率的恢復(fù)率趨于平穩(wěn)，累計(jì)處理80～120 min，超聲波解除鉆井液堵塞效果最佳;巖心滲透率越低，超聲波解除鉆井液堵塞效果越好。

(3)超聲波—化學(xué)劑具有協(xié)同效應(yīng)，復(fù)合解堵巖心滲透率的恢復(fù)率平均可達(dá)50.93%，復(fù)合解堵效果明顯優(yōu)于二者單獨(dú)解堵效果。

［1］ 楊莉，姚建華，羅平亞.鉆井液常見污染問題及處理方法探討［J］.鉆井液與完井液，2012，29(2):47-50.

［2］ Higdon，Muldowney.Resistance functions for spherical particles，droplets and bubbles in cylindrical tubes［J］.Journal of Fluid Mechanics，1995(298):193-210.

［3］ Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid:Low-frequency range［J］.J Acoust Soc Amer，1956(a，b)28:168-178，179-191.

［4］ Dvorkin J，Nur A.Dynamic poroelasticity:A unifed model with the squirt and the Biot mechanisms［J］.Geophysics，1993，58(4):524-533.

［5］ Dvorkin J R，Nolen-Hoeksema，Nur A.The squirt-flow mechanism:macroscopic description［J］.Geophysics，1994，59(3):428-438.

［6］ Dvorkin J，Mavko G，Nur A.Squirt flow in fully saturated rocks［J］.Geophysics，1995，60(1):97-107.

［7］ Poesio P，Ooms G.Removal of particle bridges from a porous material by ultrasonic irradiation ［J］.Transport in Porous Media，2007，66:235-257.

［8］ Hamida T.The Influence of Ultrasonic Energy on Capillary Fluid Displacement［J］.SPE，2006，106521-STU:1-30.