水力振动采油技术

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2015-01-0516:05:16
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水力振动采油技术
所属分类:高科技 最后更新:2015年1月5日 16:16
       一、高压水旋转射流采油技术
  高压水旋转射流采油技术是近年来发展起来的具有工艺简单、效率高、成本低、无污染、能量集中、处理深度大、可选择处理地层等优点,是用于高含水期油田和低渗油田油水井解堵、增产、增注的一项高新技术。

  (一)结构和工艺过程
  井下采油装置是由过滤器、单向阀、扶正器、旋转控制器和自振空化射流喷嘴组成,其中关键部件是控制器和自振空化喷嘴。
  该装置用油管连接,并送到井下射孔段,用地面水泥车开泵打压。清水或加有防膨剂、防蜡剂、粘土稳定剂的处理液通过油管、单向间、过滤器后进入旋转射流发生器,产生多股径向高压水射流,其中两倾斜的侧向射流产生旋转力矩,驱动喷头旋转,旋转速度由旋转控制器控制。同时,地面作业车缓慢升降油管,使工具在射孔段上下移动。喷头旋转一周有多股水力射流直接冲入炮眼,对炮眼产生直接的和间接的强大水力脉冲压力,清除炮眼堵塞。高压水从两个与井壁成Φ角的斜喷嘴喷出,同时产生一定的反作用力,对轴线产生一个反扭矩并产生反向转动。在相同压力和排量下,改变咳嘴的角度,可得到不同的转速,但转速高,水射流的冲击压力小。根据下式可确定偏心角Φ:
  T=c pQRsinΦ            (1-13)
  式中 T———扭矩,N·m;
  c———系数;p———压力,MPa;
  Q———流量,L/s;
  R———偏心距,mm;
  Φ———偏心角,(°)。
   高压水射流发生器每转一周,通过套管上的炮眼对地层产生四个脉动冲击,其中两个较大的脉动冲击是由两个与井壁垂直的喷嘴产生的。此脉冲产生的冲击压力较大,而两个较小的脉动冲击是由另两个斜喷嘴产生的。它既产生一定的冲击压力,又能使高压水射流发生器整体转动。为了将高压水射流发生器的旋转速度控制在一定范围内,在其上面连接一个能自动调整速度的旋转控制器。转速高时,产生的阻力大,转速低时,产生的阻力小。这样可以把高压水射流发生器的转速控制在一定的范围内,使其既能产生较大的冲击力,又能多次覆盖整个地层。石油大学马加骥等人对高压水射流穿透能力和泵压与转速的关系进行了试验研究,测出单个炮眼在不同深度的地层所受到的冲击压力。他们认为,高压水射流在旋转时产生的脉冲频率一般为800~1400Hz,这时冲击压力最合理,既有较大的冲击力,又有较多的机会冲击炮眼。
  测试结果表明,测试点离井壁越近,冲击压力越大。当喷距达到一定距离时,冲击压力不是随泵压增加而增加,而是随着脉冲频率减小,冲击压力衰减也小。喷距较大时,高泵压冲击压力反而比低泵压衰减大。脉冲频率高,衰减快,作用深度小。反过来,泵压低,射流转速馒,脉冲频率低,衰减慢,作用深度大。
  (二)解堵原理
  高压水旋转射流解堵技术,是利用井下可控转速的旋转自振空化财流解堵装置,产生高压水射流直接冲洗炮眼解堵和高频振荡水力波、空化噪声(超声波)物理解堵。
  自振空化射流是一种新型高效射流。这种射流具有强烈的压力振荡作用和冲蚀岩石效果,其射流振动频率达几千至上万赫兹,压力脉动幅度达24%~37%;在相同泵压下,破碎岩石效果为普通射流的2~4 倍。这种高频自振射流可直接冲入炮眼,对炮眼和近井地带深穿透冲击解堵,射流冲击力可达250N 以上,射流水功率可达130kW 以上,冲击破碎地层岩石,产生新的微裂缝,从而提高地层的渗透率。射流伴生高频、强辐射、深穿透空化噪声,频率可高达10kHz。空化噪声在0100kHz 上均有分布。并且存在一个极值。改变压力、速度或物体形状,可在较大程度上改变空化噪声的频谱分布和强度。空化噪声作用能产生比射流冲击压力高6~124 倍的瞬时空化冲击压力和高达摄氏上千度的瞬时高温。这种高频率超声波一方面有助于解堵,另一方面可以改变原油分子结构,降低原油粘度,减少岩石和油水界面上的表面张力,从而改善原油的流动性,提高原油的采出程度。当工具在井下旋转时,在井筒内会产生旋转水力扰动波,旋转速度在100~0r/min 范围内。这种低频旋转水力波作用在地层近井地带,再加上自振空化射流水力脉冲冲击作用,以及高频水力振荡和空化噪声的物理作用,使沉积在地层孔隙内的机械杂质和堵塞物逐渐松动脱落,离开油层孔隙通道,分散在液体中被旋流带走,达到疏通孔道、解除堵塞的目的。同时,地层岩石在这种低频旋转水力波的反复作用下,产生疲劳微裂缝网,并随着水力波的深入,裂缝不断扩大和延伸,从而提高地层的渗透率。因为射流直接冲击炮眼,因此,能量集中,对炮眼处理深度增大,最深可达0.1m 左右,可以对整个射孔段炮眼和近井地层全方位处理和冲击、振荡及空化等综合处理,有效地解除近井地层堵塞。
  (三)参数的确定
  解堵工具的旋转特性和压力脉冲特性是在石油大学(华东)高压水射流研究室进行的,实验得出以下结论。
  1.旋转喷头的旋转特性
  喷头的旋转是实现射流对射孔段所有炮眼直接冲洗的关键之一。采用阻尼式旋转控制技术,喷头的旋转速度由射流的旋转动力矩和喷头的旋转阻力平衡关系确定。旋转阻力由密封摩阻、阻尼液粘滞阻力等组成。在喷嘴出口直径不变的条件下,改变泵压和阻尼液,通过测量孔的压力脉冲数可测得喷头的旋转速度。采用8 种泵压,3 种阻尼液测得的喷头的旋转速度与泵压的关系曲线。
  2.泵压对套管壁面冲击压力的影响
  不同泵压下套管壁面冲击压力的测试结果。可以看出,随泵压的增加,射流对套管壁面处的冲击压力呈线性增加,壁面冲击压力为泵压的80%~90%。3.射流冲击压力与径向距离的关系为了试验射流冲击压力对地层的处理深度,在泵压一定时试验了不同径向距离(喷距)处的射流冲击压力。可以看出,在泵压一定的条件下,随着径向深度(喷距) 的增加,射流冲击压力逐渐减小。在所试验的13.0MPa 和20.0MPa 泵压下,距管壁径向距离增至600mm 时,射流冲击压力仍达2.2MPa 和3.0MPa,说明射流作用距离可达600mm 以上。
  4.泵压计算
  (1)作用于喷嘴上的压力计算
  (2)喷嘴出流对炮眼冲击力的计算
  (四)应用技术
  1.适用范围和选井条件
  (1)油井:
  ①地层渗透率较高,具有一定产能,近井带堵塞引起产量下降或停产。
  ②地层堵塞又具有酸敏、水取特性,不易实施酸化等措施。
  ③油层薄、层段小,不易进行其他分层改造措施。
  ④地层能量低,酸化后无法排液。
  ⑤油层近井地带存在液阻效应,渗流阻力大。
  ⑥原油粘度大,流动性差。
  ⑦地层表层损害,近井地带压力损失大。
  ⑧不易进行其他化学法处理油层的井。
  ⑨可作为酸化、压裂、注蒸汽、注聚合物、防砂等措施前的预处理,以下环境。
  ⑩因套变不能进行其他措施,但不影响工具下入的井。
  (2)水井:
  ①需调整油水井产出剖面及吸水剖面。
  ②地层渗透性较好,由于各种原因二次污染造成井壁附近后期堵塞。
  ③地层泥质含量较低。
  ④转注初期吸水能力强,但注水过程中,由于水质不合格造成后期堵塞
  ⑤转注后不吸水或吸水较差。
  ⑥在酸化或压裂过程中,由于排液不及时造成近井地带堵塞。
  ⑦酸敏、水敏、欠注。
  (3)水力振动处理地层,应避免在下列情况下使用:
  ①套管受到损害,影响工具下入的井。
  ②地层压力低的注水井。
  ③地层漏失严重的注水井。
  2.施工设备及要求
  (1)作业机一台,400 型水泥车一辆,15m3水罐车两辆。
  (2)施工井井口自封装置,并有回水管线。
  (3)地面管汇中需要与400 型水泥车配套的高压弯头、高压水龙带、三通等,并清洗干净,连接密封良好。
  (4)地面泵工作压力为15~30MPa,流量为400L/min 左右。
  (5)工作介质为清水,根据地层物性和堵塞情况可加入适量的防膨剂、解堵剂、粘土稳定剂等添加剂,以保证工作液与地层岩石及流体配伍,并保证解堵效果。
  (6)采用返出液外排的方法,以保护油层及减少过滤器堵塞。不能外排井采用冲砂罐作为循环装置时,要将泵车吸入口放在罐上部,以防止堵塞过滤器及减少污染。
  (7)用磁定位技术确定施工井段。
  3.施工工艺和方法
  (1)严把施工准备关,不符合施工条件,不允许施工。特别是解堵工具,要严格检查。对于结垢严重的井,采用盐酸预处理。
  (2)用清水或活性水洗井,防膨液压井,起出井内管柱,探明砂面。
  (3)按射孔段深度和长度配好油管柱并清洗干净。从上到下按-级过滤器+单向阀+二级过滤器+扶正器+阻尼控制器+旋转喷头的顺序连接好施工管柱,用油管送至射孔段顶部约1m 处。
  (4)用清水正洗井,洗净油管内的污垢和杂物。
  (5)按上述要求配好处理液后,打开井口,自井口投球,打开单向阀,两台车并联,一挡调压至15~30MPa,正循环打处理液。同时,用作业机缓慢下放管柱(越慢越好),使解堵工具从上到下连续清洗射孔段炮眼,直至射孔段底部约1m处,然后缓慢提升油管,从下到上连续清洗炮眼直至射孔段顶部约1m 处,反复清洗4~5 次。
  (6)处理完后,将工具下至油层段下部,打开井口流程闸门,用清水大排量反循环洗井2~3 周,排出炮眼内清洗掉的杂物。
  (7)起出全部管柱及清洗工具,按常规下泵或下注水管柱,开井生产。
  4.应用效果
  自1995 年初至1997 年5 月,高压水旋转射流解堵技术已在辽河、胜利、中原等油田现场试验和应用,效果显著。辽河油田锦州采油厂1995 年应用旋转射流解培技术施工23 口油井,其中21 口井有效,有效率为91%,平均单井增油幅度为20%~50%,有效期90 天以上,当年累计净增油8 892t,创经济效益410.5 万元。
  胜利油田胜利采油厂1996 年2—10 月,应用高压水旋转射流解堵技术在43 口注水井上进行了现场试验,其中38 口井有效,有效率为88%,平均单井日增注30%~90%,有效期的天以上,累计增注30 多万立方米。
  大庆油田选择了具有代表性的南6-30-632 井和南6-40-643 井进行了现场试验。试验过程中对洗井冲出的污物进行了现场记录。振动前已洗井见清水,振动处理后洗井时,均有块状污油间歇排出,且水流混浊与清澈交替,10 分钟后开始排清水。
  实际这两口井振动处理后动液面和流压上升,增油幅度为22.2%,有效率达100%。大庆油田在其他油井的试验也都取得较好效果,未发生水敏及粘土膨胀产生的负效应。试验结果表明,通过振动处理,改善了油层的孔隙结构,恢复和提高了近井地带油层的渗透率。由于振动后孔隙结构的改善,使井底附近油层内流体流动能力增加,收到了明显的增油效果。中原油田自1996 年9 月至1997 年4 月底,应用高压水旋转射流解堵油水井共36 口,有效34 口,有效率为94.4%,其中油井24 口,有效24 口,有效率为100%,累计增液5270t,累计增油2377.7t,其中增产幅度较大的有P5-112 和P7-3 井。P5-112 井措施前日产液11.0t,日产油6.4t,含水41.8%,于1997 年4 月21 日—28 日实施射流解堵后,日产液28.3t,日产油15.8t,含水44.1%,日增液17.3t,日增油9.4t,至1997 年7 月继续有效。P7-3 井在实施射流解堵后,日增液28.5t,日增油13t,累计增油803t,有效期64 天。
  中原油田在1996 年下半年至1997 年上半年对水井实施射流解堵18 口,其中有效16 口,有效率88.9%,累计增注62564m3,平均有效期157 天,解堵效果十分显著。如中原油田采油三厂的 W2 -56 井,该井实施射流解堵后,注水压力由16.5MPa 下降到15MPa,启动压力由9.2MPa 下降到8.4MPa,视吸水指数由45.0m3/(d·MPa)增大到50.6m3/(d·MPa)。从吸水剖面资料对比看,原本不吸水的井段2767.5~2796.5m ,解堵后,相对吸水增大到5.4%,新增吸水厚度4.6m ,新增吸水层3 层,对应油井2 口,见效率100%,截止1997 年4 月累计增油468t,有效期237 天。
  再如中原油田采油二厂1997 年2 月27 和28 日分别对P7-9 和P7-581 井进行射流解堵。P7-9 解堵后,注水压力由24MPa 下降到20MPa,注水量由41m3/d 增加到92m3/d,截止1997 年4 月底累增注4892m3,有效期62 天。P7-581 井解堵前在23MPa 的注水压力下日注44m3,解堵后在25MPa 下日注100m3,满足配注要求。
  该工艺技术成本低,施工简单,投入产出比高,在中原油田的应用效果十分显著,具有良好的推广应用前景。
  二、水力振动采油技术
  水力振动采油技术在吉林、大庆、大港、玉门等油田应用,效果非常显著。由于这项技术的不断完善,已经成为重要的振动采油技术之一。
  (一)水力振动采油设备及工作原理
  1.振动器的结构及技术指标
  2.振动器的工作原理
  当振动器内部受高压时,由于柱塞左端受压面积大于右端受压面积,导致活塞受到自左向右的推力,此推力F 的大小为活塞面积A 与压强⑽p 的乘积,即F =⑽p·A。此推力推动活塞向右移动,井压缩强簧。当管压力达到工作压力时,活塞向右移动,内泄孔从衬套中漏出,这时高压水瞬间大量外泄,并作用在活塞面上,使活塞在端受力面积大幅度增加,其作用力也大幅度增加,并使活塞瞬间向右运动并达到下死点。同时,内泄孔与外泄孔全部相通,管内的高压水瞬间排出,并作用于油层段。这时,由于管内的高压水已瞬间排出,压力大幅度下降,致使管内外压力平衡,活塞在高压弹簧压缩力的作用下被推复原位,待振动器内部压力又升至工作压力时,活塞又重复上述动作。这样,振动器在井下周而复始地工作,就产生了一种具有低频、高幅的水力冲击波。
  (二)水力振动采油机理
  水力振动采油是以水力振动器作为井下振源,将其下入至处理井段,地面供液源接一定排量将工作液注入振动器内,振动器依靠流经它的流体来激励,产生水力脉冲波,对油层施加作用,实现振动处理地层。水力脉冲波携带能量在油层中传播,以振动和冲击作用激发振动场内的介质,使介质质点的某些物理量(如位移、速度、压力等)发生反复变化。这样,沉积在油层孔隙内的固体附着物逐渐松动剥落,分散在液体中,然后被工作液带走,达到疏通孔道的目的。振动波以强烈的交变压力作用于地层,在地层内产生周期性的张压应力。当振动幅度和振动频率达到一定值时,地层会产生裂缝网,从而提高油层的渗透率。呈塑性液体特性的原油,在超过其极限切应力的弹性波场内,原油的结构被破坏,使原油粘度降低。振动效应还表现为降低岩层中的表面张力,破坏毛管力平衡,加快地层流体的渗流速度等。
  (三)现场施工工艺
  1.施工流程施工流程
  由地面设备和振动管柱两部分组成。其中地面设备为一台300 型泵车、一台储液罐车、一部修井机。振动管柱由井口、油管、扶正器、振动器组成。
  2.施工步骤
  (1)起出井内生产管柱,通井,探砂面。若砂埋油层,则冲砂。
  (2)彻底清蜡,保持油管内清洁。
  (3)配振动管柱,振动器下至处理层位。
  (4)连接地面施工设备及仪器仪表,做好施工准备。
  (5)启动泵车开始施工,先以0.2~0.3m3/min 的较低排量启动振动器,待振动器工作正常后,增加泵排量至设计排量。
  (6)施工结束后,即可起出振动管柱,下生产管柱投产。
  3.施工要求
  (1)泵车性能良好,在6.0~8.0MPa 泵压下,能以0.4~0.6m3/min 的排量持续工作。
  (2)单井振动处理时间为1~2 小时,工作液用量在30~50m3之间。对于油层漏失的井,原则上应增加工作液用量,直至井口返液,再按设计用量施工。
  (3)若进行多层处理,应自下而上换层振动。
  4.工作液的选择
  工作液对振动效果起着举足轻重的作用,它应具有以下性能。
  (1)低密度、低粘度。
  (2)不与地层及地层流体反应生成沉淀物。
  (3)不与地层流体发生乳化。
  (4)降低界面张力。
  (5)不使地层粘土膨胀。目前,现场使用的工作液有清水、地层水、活性水、原油、活性原油、复配工作液等。
  应根据油层性质及油层流体的性质来选择工作液的类型。
  5.选井原则
  (1)油层近井地带存在污染、堵塞的井。
  (2)原油粘度高,流动性差。
  (3)油层近井地带存在液阻效应,渗流阻力大。
  (4)严重漏失井、水淹井、套外窜槽井不易进行振动处理。
  (5)地层泥质含量较低的井。
  (6)地层出砂较轻的井。
  (7)油井生产正常,转注后不吸水或吸水较差的井。
  (8)不适于套管直径较大的井。
  (9)不适于高压低渗透油藏。
  (四)应用效果
  1.水力振动解堵增油效果
  (1)吉林油田红岗来油厂红20-02 井该井位于红岗油田V 号区块,属开发老井,注水无效。曾采取过压裂、酸化等措施,但增产效果不理想。该井油层及开采情况见表9-1-22。
层位
层号
油层井段m
有效厚度m
电测解释
油水井连通俗况
备注
Es
1 -2
1196.4 ~1206.8
5.6
油层
单层开采
自1989 年1 月至1991 年3 月,该井日产液从17.5t 降至10.2t,日产油从7.8t降至3.7t,动液面从950m 降至988m,含水率从55.4%升至63.7%,油井供液不足。1989 年3 月地层压力为12.69MPa,1991 年1 月为13.19MPa,呈上升趋势,而其周围井地层压力下降。综合该井的动态资料、静态资料、压力资料,结合开发现状分析、认为油层存在堵塞。1991 年4 月4 日对该井进行了水力振动处理。现场施工参数为:工作排量:0.4~0.5m3/min;工作泵压:7.5~10.0MPa;振动幅度:1.6~2.5MPa ;振动频率:270~300Hz;振动时间:96min。
  (2)大港油田第一采油厂浅3-6 井
  该井位于港东区块,属开发老井,井深1810.49m 。振动处理前间抽生产,每10 天开井一次,生产一天液面就被抽到井底,只得关井恢复液面。
  资料反映出,产量递减超常,动液面与静液面差值大。综合分析认为,油层存在堵塞。1992 年8 月24 日对该井进行了振动处理。现场施工参数为:工作排量:0.45~0.52m3/min;工作泵压:4.0~20.0MPa;振动幅度:1.8~2.8MPa;振动频率:280~320Hz;振动时间:80min。该井振动处理后增产效果非常明显,最高日产液28.7t,日产油23.8t,平均日产液15.5t,日产油11.7t,统计至1992 年10 月末,仅两个月累计增油605.5t,而且继续有效。振动处理后油井连续生产,产量稳定,动液面稳定,示功图正常。
  结果表明,水力振动采油技术的有效率高于压裂和酸化,增产幅度居中,而且水力振动采油技术施工简便,费用低廉。与压裂、酸化相比,在具有同等增产量的条件下,费用低得多,其经济效益显著。到1994 年12 月底,胜利油田东辛采油厂共施工油水井209 口,其中有效井153口,无效井43 口,不对比井13 口,施工有效率为78%,累计增注水685501m3,累计增油69 059t。特别是油井的增油效果相当明显。如辛17-23 井,层位为东二,井段为1579.4~1604.0m ,有效厚度为10.9m 。1994 年3 月16 日水力振动施工,振动点11 个,施工泵压为12MPa,施工一切正常,下44mm 泵,生产制度为2.5×7×Φ44,开井后生产情况良好。
  2.水力振动使原油含水大幅度下降
  随着油田的注水开发,抽井含水逐年上升,降水增油是提高高含水油井采收率的重要方向。吉林油田应用水力振动采油技术在高含水油井中进行了尝试,取得了比较乐观的效果。
  吉林油田统计的1996 年以前105 口油井中,有65.71%油井经振动处理后含水降低,平均下降10.27%,最大下降幅度为25.2%。这一作用对于注水开发的中晚期油田具有重要意义。
  3.水力振动解堵增注
  (1)胜利水63 井
  胜利石油管理局永63 井注水层位为砂二1—砂三2层,井段为1 976.4 ~2792.0m,有效厚度为37.1m 。1994 年3 月19—23 日进行作业,采用下二级振动器施工,共选振动点26 个,施工泵压为10.5MPa,振动完后注水,3 月26 日注水量由施工前的(油压15MPa)42m3上升到施工后的(油压13.9MPa)163m3。截止1994 年12 月底,有效期长达280 天,累计增注水27364m3。
  (2)大港油田
  1990 年5 月,石油大学与大港油田合作在现场进行了水力振动器地面试验,从模拟井筒中通过压力传感器测出的压力脉动,可以从示波器上直接观察到,并以此验证水力振动器在现场工作的可靠性。在此基础上,从1990 年6 月至1991 年5 月依靠大港油田第三采油厂与石油大学水力解堵科研组的合作,在枣园油田枣南区块共进行了6 口注水井的水力振动解堵试验,成功率为100%,增大了这些注水井的吸水能力,取得了显著的经济效益。
  ①1273 井位于枣南断块,1985 年4 月投注,注水层位为枣V3-9,注水井段为1871.4~1982.2m ,厚度为47m,日配注量为100m3。当时基本能满足这一要求1985 年6 月23—27 日,用活性水增注,无明显效果。1986 年5 月11—13 日进行了补孔,使注水井段变为1871.4~2035.6m ,共21 层,厚度为64.8m,日配注量为150m3。截止1990 年5 月31 日,累计注水83611m3。该井自1989 年底以后,日注水量逐渐下降,1990 年5 月的平均日注量只有35m3,达不到配注要求。分析该井注水历史,认为长期注入水质不合格的水,可能使近井地带地层孔隙堵塞。因此,决定应用水力振动解堵工艺对1273 井进行施工。在注水井段从油层部位顶部开始每隔1m 振荡10 分钟,泵压保持在10MPa 左右。该井子1990 年7 月19 日开井进入正常注水,至1991 年7 月已有一年的增注有效期,累计增加注水量达36705m3。表9-1-28 为1273 井施工前后的注水情况。
  ②1279 井于1985 年4 月投注,注水层位为枣V,注水井段为1845.0~1993.1m ,厚度为65.3m ,日配注量为100m3,当时基本能满足配水要求。从1988 年注水量开始下降,1988 年5 月11 日进行了酸化防膨处理,无明显效果。截止1990 年10 月,累计注水57667m3。自1989 年底以后,注水量明显下降,注不进水的情况常常发生,1990 年9 月的平均日注量只有5.27m3,远远达不到此时配注30m3的要求。水力振动试验于1990 年11 月6 日—21 日进行,作业井段为1845 ~1993m ,泵压为10MPa。该井于1990 年11 月24 日开井,至1991 年7 月已有7 个月的增注有效期,累计增水7317m3。
  (3)大庆油田
  近年来,大庆萨南油田和葡萄花油田进行了部分注水井水力振动解堵试验。两个油田应用该技术共处理注水井23 口,均不同程度地见到了增注效果。从振动前后的对比情况看,萨南油田水力振动处理15 口井24 个层,实现平均日增注13.3m3。葡萄花油田注水井水力振动解堵8 口井,振动处理50 个层,累计增注3429m3。由此可见,这项技术用于大庆油田注水井解堵不仅是适用的,而且是比较成功的。
  三、多级同步振动采油技术
  单级振动采油技术存在处理油层厚度受到限制和处理能量低等问题,而采用多级同步振动采油技术一次管柱可同时处理多个油层,降低了作业成本,对井身及油层无损害。
  (一)基本原理
  多级同步振动器是定转子机构的振动器。它主要由内套、外滑套及球状铰链组成。在施工过程中,多级振动器分别接于油管柱下端对准每个油层段,一次施工至少能够同时处理两个以上油层段。工作时由地面泵车注入一定量的工作液,由油管流经振动器内套,并从内套的斜向槽孔中流出,形成具有一定压力和频率的水力脉冲波。其频率取决于槽孔的数量及外滑套的旋转速度,其冲击压力取决于工作液流经槽孔的流速。
  多级同步振动器在工作中同时产生以下两种物理作用:一是使地层的堵塞物松动脱落,随液体排出,同时,使岩石裂缝延伸扩大并产生新的微裂缝网;二是改善原油的流动特性,提高原油的采出程度,恢复地层的渗透性。
  (二)多级振动器技术指标
  (1)多级同步工作;
  (2)工作液排量:0.1~0.5m3/min;
  (3)脉冲压力:2.0~5.0MPa;
  (4)振动频率:10~100Hz。
  (三)施工工艺
  1.选井条件
  (1)地层有较高的渗透率,并有一定的产能。经分析证明确因近井地带堵塞,造成油井产量下降的井。
  (2)原油粘度高,流动性差。
  (3)严重漏失井、水淹井、套变井不易进行振动处理。
  2.施工设备目前,吉林油田现场施工所用设备包括400 型泵车一台,15m3罐车两台,作业机一部。
  3.施工工艺
  (1)起出施工管柱,通井探砂面,若砂埋油层应冲砂。
  (2)油管要求彻底清蜡,保证油管内清洁。
  (3)配振动管柱,将多级振动器分别下至处理层位。
  (4)连通地面设备,做好的工准备。
  (5)启动泵车开始施工,先以0.2~0.3m3/min 的排量启动振动器,持续2~3分钟左右,待推动器工作正常后,增加泵车排量至设计排量。
  四、低频水力脉冲采油技术
  (一)增产机理
  低频水力脉冲采油技术,是将用表面活性剂处理过的水或轻质油注入地层,多次瞬间升降压,来恢复、增强油层渗流能力的一种方法。当一定频率的液体传送给油层,经多次重复不同档次的增压,造成对含油饱和岩石的脉冲作用,并且以强烈的伸长—压缩作用于地层,使地层产生裂缝网。在注入压力周期性变化的情况下,注入的液体还逐步向地层深处发展,有可能在地层深部揭开裂缝,疏通油层通道。由于交变冲击力的作用,又会降低岩石的强度,产生微裂缝。同时,由于脉冲液一般是活性水或轻质油,所以注入近井地带后,又可以降低原油粘度及岩层水的表面张力,加快液体向井底的流动速度。低频水力脉冲处理油层的增产作用表现在以下四个方面。
  1.净化作用
  施工过程中工作液在连续交变压力作用下,油流孔道中会产生“水击”现象,能有效地剥蚀套管孔壁上的沉积物,使射孔部位孔道流通;在瞬间突然放压过程中,促使挤入油流孔道中的工作液全部吐出,对油层产生高压降,井在给定时间保持不变,保证了液体从近井地带流入井内喷出地面,强化了液体流动对近井地带的清洗作用,从而起到了净化渗滤孔道、解除孔道堵塞的作用。
  2.疲劳扩展作用
  岩石在交变压力下产生破坏时,最大应力值一般低于静载作用下岩石的抗拉强度。在分级多次周期变压作用下,会降低岩石的强度,其降低的程度与交变压力的循环形式、升降压次数和岩石的性质有关。多次的分级升压和瞬时降压,使地层原裂缝延伸,新裂缝扩展,从而达到提高油层渗流能力,疏通油流孔道的目的。
  3.排挤作用
  油田开发后期,含水逐步升高,井底乳化物堵塞严重,残余水沉积在井底,这些都影响油层渗透率,降低油井产量.尤其对低渗、低压油层更为严重。周期脉冲处理工艺能有效地将残余水和乳化液排放出来,而堵塞地层的外来固体颗粒则经受着反方向我行的作用,将其推移到裂缝和孔隙的窄道和扩张处,有助于颗拉脱离原位置并被破坏,增加了液体的流动性
  4.洗涤作用
  脉冲处理前必须进行正反循环洗井。由于工作液是用活性剂处理过的活性水,因而能起洗涤作用。
  (二)适用条件及脉冲处理工艺
  1.适用条件
  (1)油层厚度大,渗透率低,压力较高,在生产过程中有明显堵塞、产量下降明显的油井。
  (2)底水活跃的低渗透油藏。这类油藏如用水力压裂的方法,容易将底水压穿造成底水锥进。应用低频水力脉冲,能避免由于底水上升而造成的不良后果,达到增产的目的。
  (3)试油产量高,由于各种原因,油井产量大幅度下降的油井效果较好。
  (4)井底油水乳化严重,粘度高,堵塞了油流孔道,油流阻力增大,影响地层渗流能力而导致产量下降的油井。
  (5)生产时间较长,已和注水层位连通,产量逐年大幅度下降的油井处理效果较好。
  2.施工工艺
  (1)配制工作液:一般有汽油、活性液,以活性水使用广泛。
  (2)将工作液替入井筒并冲洗井底。
  (3)脉冲作业。
  (4)反循环冲洗井底、井壁。
  (三)低频水力脉冲技术应用效果
  长庆油田是一个低渗透油田,因油层堵塞产量成倍下降。1988 年以来,在8 口井进行了试验,成功率100%,效果很好。如吴100 井,1982 年投产,井深1635.9m ,油层中部深度为1291.5m ,油层厚15.4m ,地层压力为7.1MPa,初期日产油15t。后来产量突然下降,1987 年日产油量下降到2.16t,含水0.23%。于1988年5 月进行低频水力脉冲处理油层,进行了四次脉冲作业,接着进行反循环洗井,第二天下泵投产,日产油7.18t,日增油量5t,含水6.8%,连续生产144 天,日产油量仍稳定在4.2~4.5t。
  泵下阻尼振动采油技术
  泵下阻尼振动采油,是利用油管柱端部的自然伸缩,带动阻尼器作周期性的脉冲振动,从而产生振动波直接作用于油层,解除近井地带堵塞,提高产油量和最终采收率的振动采油技术。
  一、管柱装置结构组成
  该振动管柱由抽油管柱、抽油泵、阻尼振动器、筛管和尾管组成。阻厄振动器由单向阀罩、阻流阀、中心管、阻尼盘和上接头组成。
  二、振动技术机理
  抽油泵在正常生产过程中,因油管中的液柱载荷在上、下冲程中交替作用在油管的下端部,使油管承受频繁的交变载荷。在交变载荷的影响下,油管发生弹性伸缩,产生纵向自由振荡。当柱塞上行程时,游动阀关闭,固定阀打开。结果油管内的液柱载荷转到抽油杆上,使抽油杆伸长,而此时,油管柱则缩短;柱塞下行程时,出油阀打开,固定阀关闭,液柱载荷及其他相关动载荷突加到油管柱上,使之伸长,而油管柱下端部完成往复振动的幅度最大,其绝对幅值每1 000m 油管长度高达15~33cm 。这种伸长或缩短发生的时间只有几分之一秒,即为脉冲式。所以,在柱塞作上下移动的同时,泵下阻尼器就在套管内进行脉冲式往复振动。阻流阀在阻尼器上冲期间打开,通过筛管与环形空间连通。当阻尼器向下作脉冲运动时,阻流阀靠阻尼盘下方的液流阻力作用而瞬间关闭,这样,就在阻尼盘下方形成较大的压力脉冲。由于这一脉冲作用时间仅几分之一秒,其脉冲频率相当于1~10Hz,属超低频脉冲次声波振动。泵下阻尼振动器一般放在油层部位,产生的振动波直接作用于油层。当阻尼器向下冲动时,其盘间的液体被加速击向井壁,可有效地刷洗射孔炮眼及孔隙通道,解除近井堵塞。形成的脉冲次声波将以最大的能量方向向油层深部传播,增加油层驱动的弹性能量,使残余油的流动性增大,从而降低产液含水,提高油井产量和最终采收率。
  三、主要技术指标和适用条件
  1.主要技术参数油田常用泵下阻尼振动器参数如下:
  (1)工作井泵挂深度:>500m ;
  (2)工作井套管规格:Φ139mm;
  (3)振动器距筛管距离:5~300m;
  (4)阻尼振动器最大外径:115mm;
  (5)振动器长度:1.21m;
  (6)纵向脉冲幅度:15~33cm ;
  (7)振荡频率:1~10Hz;
  (8)工作周期:连续。
  2.适用条件
  (1)为了使阻尼振动器具有明显的振动幅度,泵挂应具有足够的长度(约1000m),并且井内液面低于500m;
  (2)阻尼振动器放在主力油层中部或上部,并尽量靠近筛管;
  (3)在泵挂较短的浅井内(400~500m),可用弹簧增大阻尼振动的行程;
  (4)阻尼振动器在井内应具有最小的径向间隙,最好选择无套变井或新井随泵振动。
  非线性波采油技术
  非线性波采油技术是大港油田钻采院研究的,并研制成功了相应的非线性波发生器,现场试验取得了显著效果。
  一、非线性波发生器
  非线性波发生器的基本结构是在主体上均匀安装多个哨声发生器,动力液从进口进入哨腔,并在哨腔内高速旋转,然后由管口喷出,即发出声波向外辐射。外径分别为90,98 和110mm,长度为400mm ,工作压力为1~12MPa,工作排量大于10m3/h,频率为420~2000Hz,最大声强为9.8kw/m2。除基频波外,还伴有较低频率的子波存在,因此,比其他声波具有较强的穿透能力,也即具有较大的处理半径。同时,还伴有频率较高的谐波。由于高频波能量较为集中,因此,低频于波可以作为高频谐波的载体,将能量带入地层较深部位,因而非线性波较其他类型的波作用于油层具有较高的换能效率,可以提高解堵效果。
  二、非线性波解堵机理
  非线性波具有较强的穿透能力,因而可以提高解堵效率,达到疏通油流通道及增产的目的。具体地说,非线性波处理油水层具有以下几方面的作用。
  1.净化作用
  非线性波携带能量在油水层中传播,以振动和冲击作用激发波场中的介质,使介质的振幅、速度及加速度发生显著的变化。由于其时大时小的反复作用,破坏了封堵颗粒与油层间的结合力,产生松动作用,使沉积在油层孔隙内的固体封堵颗粒剥落,分散在液体中,然后被动力液带走,达到疏通孔道的目的。
  2.疲劳扩张效应
  非线性波以强烈的交变声压作用于地层,在地层内产生周期性的张应力、压应力。由于岩石在此应力的作用下发生破坏所需的应力比静载荷作用时小得多,因此,当声波强度和频率达到某一域值时,地层会产生微裂缝网,从而提高油层的渗透率。
  3.对有机质沉积的溶解作用
  在油流与地层通道的分界面处,由于波场参数的差异,使非线性彼的能量通过传热和粘滞机构而大大转化为热能.边界摩擦仅发生在局部,但是很强烈,有时会发生局部高温。原油粘度越大,吸收系数越大,所造成的局部温升越大。由于高温和动力液中活性剂的作用,使油流通道中的有机质沉积得以溶解,随动力液排出。
  4.加速原油流动的作用
  非线性波所产生的交变声压的持续作用,除可以改变原油结构,降低原油粘度外,还可以降低原油在岩层中的表面张力,加快原油向井筒的流动速度。
  三、非线性波采油技术工艺
  非线性波采油工艺是用油管柱将非线性波发生器下至油层部位,然后由地面设备经油管柱打入高压动力液,使非线性波发生器产生持续的、高能量的非线性水力声波。
  1.选井原则
  (1)在钻井、完井、修井或生产过程中,近井地带有杂质堵塞和污染的井;
  (2)与邻井相比,在产层能力和特性相似的情况下,产油量或注水量太低的井;
  (3)在一年内产油量或注水量下降三分之二以上的井。
  2.动力液的选择
  选择动力液类型应根据油层性质而定。动力液应符合以下要求:
  (1)低粘度、低密度;
  (2)不与地层及地层流体发生反应生成沉淀物;
  (3)不与地层流体发生乳化;
  (4)不使地层粘土膨胀。
  3.处理点位置的设计及处理时间的确定
  在进行非线性波解堵设计时,处理点位置及处理点数量的确定,原则上是根据油层总厚度来决定。由于非线性波发生器在某一处理点工作时,其他各点也不同程度地受到声波的辐射和反射作用,因此,处理点多时,每个点的处理时间可短一些,处理点少时,每个点的处理时间需长些,原则上每个点处理10~30 分钟。
  4.应用效果
  该技术在1995 年12 月以来,先后在大港油田7 口油井上试验。该技术适用直井,也适用于斜井,对井深无限制,对油层的无机质和有机质堵塞均有较好的解堵效果,且不会对油层造成二次污染,增油效果显著。实践证明,该技术具有工艺简单,施工方便,成本低的特点。
  双稳态射流净化炮眼技术及声波除垢技术
  双稳态射流净化炮眼技术是利用一个射流振荡器产生脉动压力,击通炮眼。此振荡器有两个与声谐振腔系统相接的液流出口。发射器的工作原理是通向动力喷嘴的射流进入振荡器两个喷管中的一个,井与这个喷管的外壁吸联。这是振荡器任何一个喷管稳定工作的条件(因此命名为双稳态)。并且一直持续到此条件被扰乱为止。随后液流进人扩散段,在这里由于截面积增加而使液束流速慢下来,导致静压增加。大部分流体流过此振荡器的出口,而其余的液流则进入反馈管路(依靠扩散段下游存在的高压),用来控制振荡器的切换。当在控制喷嘴中建立足够的反馈液流时,吸联于这一喷管外壁的动力喷嘴液流就会被切断,而转向流入另一个喷管中去。在此相对的喷管中重复上述全过程。只要保持进入的液流量适当,反馈液流就会不断切换液体流向。
  (一)谐振腔系统谐振腔系统
  谐振腔和主振荡区是充有液体的腔室,这些腔室交替接受来自振荡器的持续时间很短(约3 微秒)的射流脉冲。这些谐振腔的主要声学特性是声容抗(由于液体的不可压缩性和壁部的挠曲度)。声感抗管是一连接通道,其主要的声学特性是声感抗(由于管中液体质量的惯性)。两个滤声器装在距主振区一定距离的地方,用来限制声波在井筒中的传播。谐振腔系统的所有部件反应某种程度的声容抗、声感抗和声阻抗值。
  主振区包括细脖子区和周围的井下套管。由于谐振腔处在工具的外边,它能使井筒感受由压力振击器产生的全部压力波动。主振区中的压力波动在工具与套管之间的环形空间内上下传送。这些压力波依靠工具端部附近的滤声器与井筒的其余部分封隔开。这样就能集中由发射器产生的全部能量,而不会让它在整个井筒中散失掉。这些低通滤声器各自有一柔性胶囊,囊中装有压缩气体。滤声器像一个泵上的储能器,它能迫使压力波在其井口处接近于零,大约从5Hz 到250HZ 的声信号能有效地被衰减掉。滤声器间距是影响压力振击器工作频率的主要因素。两个滤声器的开孔距主振区均为四分之一的声波波长。
  在两个滤声器之间存在一个正弦压力振幅分布。最高的峰—峰波动幅值产生在主振区,其节点位于每个滤声器的开孔处。为使压力波动穿透炮眼的深度大些,低工作频率是所希望的,而且采取远滤声器间距就可以达到这一点,但是,滤声器间距小些,可聚集声能,产生较高的压力波动幅值。为了产生最佳的综合效果,滤声器间距应采取折中办法解决。设计谐振腔和主振区的大小,应考虑到在其频率合乎要求的情况下,可产生高的振动幅度。谐振腔太大,就会具有过剩的声容抗,这样,对于一个来自振荡器的给定输出,就难以产生高的压力振动。谐振腔太小,就会缺乏足够的液流体积来产生经过声感抗管的高惯性力。谐振腔最终采用多大尺寸合适,要综合考虑所有上述因素。声感抗管的直径和长度应加以选择,以便使谐振腔系统与其他的压力振动元件发生共振。这样就可使谐振腔系统有效地动作,并对发射器给出的每一给定输出动力,都可以达到高的振幅。振荡器激励谐振腔系统,会在两个谐振腔之间经声感抗管建立起液体的来回交换。出现这种情况,是因为激发能准确地与谐振腔系统的谐振频率同步。因为工具的谐振腔同主振区是以谐振条件振荡的,所以流体交换可达到一峰值,产生高幅度的压力波动。
  (二)井下操作工艺
  压力振击器净化油层,是靠高速压力波动作用于地层表面,在地层表皮内产生周期性的张压应力。因为地层的抗张强度是很低的,因此,就能够快速破碎地层面上的物质。被粉碎的物质随后可以用合适的流体彻底地清除,炮眼随之畅通。振动压力与井筒静压值是相叠加的,并依靠滤声器与井筒其余部分封隔开,因此,不需要下封隔器封隔液流。
  若井下压力小于振动压力的50%,则压力振击器的压力振动趋向于接近零。这种不希望有的情况(常见于浅井和某些修井处理中),可采用向环形空间注液体的办法加以防止。环形空间的液柱将在压力振击器周围形成足够的环境压力。这样,可允许产生全幅振动并且防止工具中出现谐振腔损害。在向工具中注入液体的同时,将工具移动通过目的层清洗每一个炮眼,使整个目的层的所有炮眼得到均匀处理。在滤声器与主振区之间的等距离点,其压力波动大致为峰值的70%。由此给出了工具的合理长度约为2.44m,在这一长度上可产生高振幅的振荡。这对于处理长井段是一个优点。因为在充分处理每一炮眼的同时,移动工具的速度可以快一些。
  (三)炮眼的影响
  当靠近工具的炮眼穿通时,就会增加环空中的液量,使声感抗增加,使系统“刚性”变差,降低了谐振腔系统的谐振频率。炮眼穿通的结果,使工具振动慢下来,并且以一个新的较低的谐振频率振动。只有位于滤声器之间的那些炮眼穿通时,才对压力振击器产生这种影响。主振区穿通的炮眼有最明显的干扰,而靠近滤声器的穿通炮眼影响甚徽。优选滤声器间距和声容抗管长度,以便产生较高频率的振荡。若匹配不当,其结果是使谐振腔系统产生较低的振动幅。炮眼的数量和穿通后对压力振击器工作的影响程度,随井下条件而改变。单个炮眼几乎没有影响。随着射孔密度的增加,频率和振幅都会下降,振幅下降尤为显著。地层强度对压力振击器打通炮眼要求的时间有明显的影响。低强度地层,如石灰岩,只要10 秒或不到10 秒就可以打通。在这种情况下,可以连续缓慢地移动工具。高强度地层,如白云岩,要30 秒或30 秒以上的时间才能取得好的净化效果。炮眼击穿的时间还是振动幅度的函数。因此,在所有其他因素等同的情况下,低密度的射孔段可以击穿得比高密度的更快,这是因为在高密度的情况下,振动压力大大降低了。压力振击器在密集射孔层中的工作特性显示为炮眼连续击穿,虽然许多炮眼被击穿会引起振动幅度降低。这是因为地层物质暴露在高速振动压力波的情况下,要想保持原状不动是不可能的。地层对周期性的张压应力的抵抗力是很差的,只要施加适当的振动,就可很快地将它击穿。
  (四)地面监测
  在井下产生的一部分声能经套管柱被传至地面。将一地震检波器接到井口并调整信号,压力振击器的振荡就可以在一个频谱分析仪上显示出来。这种仪器显示出频谱的每一部分(在一特定的有关范围之内)的相应的幅值。仪器可精确监测振动工具在工作过程中的操作频率和相关的幅度变化,也可真实测量炮眼的净化时间。当振幅和频率有明显的降低时,这就表明孔眼已经打通,工具可移至下一组炮眼进行处理。因为压力振击器仅受滤声器之间打通炮眼的影响,因此,当工具移至下一个未处理层段时,它将重新恢复全工作振幅和频率。
  二、声波除垢技术
  电动机的输出轴驱动声波发生器,声波发生器的基本构造是对偏质心转子。转子转动频率为20~100Hz,它所产生的振动脉冲使套管及其孔眼上的垢松动破碎,井筒附近的油层堵塞物也同样得到处理。垢块破碎后随共中的液体被活瓣间抽进空心筒,进入空心筒的液体和微小固体颗粒仍可从过滤孔返回井筒,而大块的污物则被最后打捞出井筒。
  除垢器外筒上部的电动机其左端输出轴在轴套内相对于枢轴偏心固定,而右端则对心装在支架另一端。滑动轴承内还有固定套和减振垫。这样电动机旋转所造成的正弦波振动就仅由左端支架传给隔板。隔板的振幅可通过调整左端输出轴的安装偏心度进行调整。振动波由隔板中心向外传播,在与外筒相接处形成波节。外筒上、下两部分的振动范围是不同的。外简壁上交互分布着小孔(仅左外简下半部)橡胶钮。橡胶钮起缓冲作用,使外筒与套管内壁保持一定间隙。内筒可放除垢剂,如果除垢剂为固体,内筒的壁可做成筛网,这样由外壁小孔进来的液体就可逐渐溶解除垢剂,提高除垢效果。内筒顶端用三脚叉通过弹性剪切轴承装在外筒上,这样可防止内筒随外简振动,内筒也不会影响外筒下部的振动。
  打击式人工地震采油技术
  一、振源结构与工作原理
  人工地震装置是由电磁调速电动机、皮带轮、变速箱、两组相对旋转的偏心轮及机架组成。通过配电和控制装置改变振动频率和激振力。其工作原理如下:假定底座重量为Q,每个偏心轮重量为p,偏心距为e,两偏心轮以不变的角速度ω朝相反的方向转动,转动时两偏心轮始终保持对称。考虑整个振动器为一个质点系,则此质点系所受的外力为:两个偏心轮重量p,机架重力Q,土壤的反作用力N。
  二、主要装备及施工工艺
  1.振动系统组成
  低频振动法处理油层工艺的矿场施工设备,主要包括人工振源设备和振动监测与分析系统。人工振源设备由可调起振机和可调重基础构成。
  (1)人工振源设备
  前苏联用于现场试验的低频振动采油设备是由戈麦尔特种工艺设计局研制的固定式大功率地面振源机(1×106N 振动力)和前苏联科学院西伯利亚分院矿场地球物理专业设计局研制的双模块水平衡振源(1 ×105N 振动力),工作频率为2 ~10Hz,2~18Hz,29~35Hz,为CB10/100 和CB20/60 移动式起振机。吉林油田采用的起振设备为CSD-60 型双模块非平衡垂直起振机,最大激振力为300kN,频率范围为5~15Hz,电动机功率为55kW ,自重约60kN,处理半径为250m 。辽河油田应用的是LCZYⅡ和LCZYⅢ型超低频可控振源,其Ⅱ型振源机技术指标是:激振力为250~350kN,调频范围为5~I3Hz,电动机功率为75kW ,自重50t,最大加速度为0.7g/S2。大庆油田所用的起振机为CQ -Ⅰ型和CQ -Ⅱ型两种。克拉玛依油田用于地震处理油层的试验设备是20t 移动式油田专用起振机,它包括偏心式起振机和起振机移运专用车。该起振机采用机械偏心式四力矩起振,动力源为交流滑差式调速电动机。起振机的基础同起振机设计成一个整体,以避免在各不同试验区块重复设置基础。为了在转移试验区块时避免动用搬运车辆和大型吊装设备,移运车能方便地进入起振机的工作位置,起振机秒运专用车车身不带车头,可方便升降人工起振机,拖这时只需在汽车或拖拉机上挂上移运车的牵引臂,就可将其移运到下一个工作点。
  不管是国外还是国内的振源机,其工作原理基本相同。只是检测系统所用的仪器和施工方法稍有差别。
  (2)振源设置
  ①振源地基要平整,夯实,地势要高。
  ②振源距操作室大于60m,操作室距电源变压器不小于30m 。
  ③振动在地表的影响安全极限距离参考值:对于50t 的振源,极限距离为30m ,安全距离为80m 。
  ④振源置于这块平面的几何中心。
  ⑤振源设置应避开断层线。
  ⑥供电、供水、交通力求方便。
  (3)适用条件和范围
  ①振动处理油层技术适应于构造比较简单、区块比较完整、油层连通性好、原油粘度中等的油藏。
  ②选择油层渗透率要慎重。试验室研究发现,振动处理特低渗透率和渗透率较高的岩心效果均不好(见表9-3-2),存在一个振动处理的最佳渗透率范围。应合理选择油层渗透率。
岩心号
质量
  g
含水馆和度
  %
振动处理采收率
  %
与未振动比增加采收率
  %
岩心渗透率
  10-3μm2
T -19
68.2137
9.49
4 O.67
1.01
14.82
T -30
62.9O49
8.45
42.23
2.24
30.00
T -34
68.9798
6.O O
41.g4
0.32
150.07
③振动处理油层技术对单井有效厚度大于14m ,且油层供液能力较好的油井,有效率相应高一些,油井的有效期也相应长一些。
  ④振动处理油层技术对于日产油不大于6.0t 的油井,振动增产效果更为明显,可作为低产能区块的一种辅助增产手段。
  ⑤运输、供电较方便的井,并且对附近建筑物及油井不构成振动伤害。
  ⑥油井以不出砂或含砂量较低为宜。
  ⑦可用于低产低能区块及注蒸汽开采已接近经济许可线的稠油区块。
  2.振动监测与分析系统
  振动监测与分析系统由两个子系统组成,即井下监测与分析子系统和振动地面公害监测与分析子系统。
  井下监测与分析子系统通过扫描激振和生产动态监测,优化激振频率和扰动力,认识波场沿井深的衰减特征。振动公害监测与分析子系统通过测量周围结构物的自振特性和振动效应,以及自激振点向各方向不同距离的加速度和衰减情况,找出最大加速度和相应的地震强度,以评价发生振动公害的可能性。振动测试系统主要包括检波器、测振仪和数据处理系统三部分。将振动仪安放在测场的确定测点上,振采机作频率为9.5~10.0Hz 的振动,记录振动数据。测试内容主要包括地面影响场的测试和地面构物、输油管线和注汽管线及采油泵站、井口、抽油机底座和抽油机等的振动测试。
  (1)辽河油田振动伤害监测
  振动是否会对地面构物及输油、注汽管线造成伤害,能否对油层出砂情况和套管及固井水泥环造成影响,对这些问题,辽河油田选择了三个区块、四个振区进行了比较深入的试验研究。
  a)振动伤害的测试
  首先确定在地表的衰减关系。在曙光油田D66 块、D48 块和D212 块进行测试,以振源为中心,按东西南北方向进行十字测试,结果是地表振动强度随振源距的增加呈指数递减,随着深度的增加也呈指数递减。试验采用可控振源机,振动扰动力为303kN。对周围设施及地下管线的振害影响进行测试,结果表明,距振源30m 以外的地面构物,在振源机正常工作状态下,不会造成伤害。
  b)油层出砂
  振动期间对大量油井出砂情况进行检测,均未发现明显变化,说明振动没有加剧油层出砂。
  c)对套管及固井水泥环的测试
  采用声波测井在距振源25m 的井中对套管和固井水泥环进行测试,结果表明,套管和固井水泥环均未受到破坏。以上测试结果说明,在工作频率为9~11Hz 之间进行振动,距振源30m 以外地面构物、管线振动烈度均小于V 级,不造成伤害;振动不加剧油层出砂;对套管和水泥环不造成损坏。
  (2)吉林油田振动伤害监测
  吉林油田也对地面激振影响场的测量及对周围建筑设施的公害进行了监测和研究,即在不同的频率激振时,测量自激振点向外各个方向不同距离的振幅值及衰减趋势;测量振点周围的地面建筑及采油设施的自振特性和振动响应,以研究其抗振性能;在优化频率激振时,监测各地面建筑及采油设施基础部位的振动强度,以便对其安全性作出评价。研究表明
  :①地面振动强度随着至振点距离的增加呈波浪式衰减。波浪周期性的距离随频率的降低而增加,如当振动频率为10.2~10.4Hz 时的波浪周期性距离为50~60m ,而频率为8.9~9.4Hz 时的周期性距离增长到70~80m 。
  ②在振点附近20m 内,振动强度急剧衰减。起振机基础的加速度为1 000cm/s2时,距根部10m 处急剧衰减到150~200cm/s2,到20m 处又急剧衰减到15~30cm/s2,20m 处之外,则呈缓慢的波浪式衰减。这是由于在垂直振动下,在地表形成面波和剪切波,表土层承受剪切能力差,所以距振点20m 内急剧衰减,波浪式的衰减趋势是由于土层对面波的反射造成的。
  ③绝大多数结构或设施都处在地振烈度Ⅳ度以下,Ⅳ度区的结构物一般不至于发生损坏,仅有25~30m 内的抽油机及变压器支架的烈度为V 度,属于低烈度区,一般损害很小,但考虑到在较长时间的稳态激振下,有可能发生疲劳破坏,因此,在选择振源位置时应尽量远离重要的建筑及设施,一般距离应大于50m 。对极少数无法避开的建筑、设施,应采取加固或其他措施。
  ④在距离振源180m 以外,地面振动烈度均在Ⅳ度以下,因此,距振源较远的建筑、设施是不会发生公害的。一般人工地振采油方法不适于建筑物密集区,更不适用于城市。
  3.振动参数的确定
  通常用扫频激振寻找最佳振动频率。其方法是:由地面起振机作扫频振动,下入井内的拾振器自上而下或自下而上地定点测量,拾振器拾录的讯号,经电缆传输、放大器放大、示波器监视、磁带机记录,再送频谱分析仪进行频谱分析。每测一点,振采机作变频振动,这样有利于确定与地层共振时的频率。
  (1)激振时振幅随深度衰减规律
  (2)最佳振动频率的确定
  (3)振动时间和振动周期的确定
  振动时间和振动周期确定以油井产量变化为依据。一般振动开始后,油井产量逐渐增加,直到产量达到最高,见效井增产效果有明显下降趋势时,可停止振动。从开始振动到停止振动期间为振动时间。停止振动后,产量要逐渐下降,当产量下降到最高产量的三分之二时,可开始再次振动。从停止振动到再次开始振动期间为停振时间。
  (4)振动扰动力(即激振力)的确定
  4.效果评价方法
  (1)可对比井:可对比井是指试验区块中,振前没有进行油井增产措施的井(包括酸化、压裂、降粘、堵水、补孔、检泵、注汽及示功图显示泵工作不正常等)和长期无产量井等。
  (2)见效时间段的划分;根据稠油区块井影响因素较多,产量波动较频繁,确定连续8 天增产、降低含水的井为有效,稀油区块连续5 天见效的井,视为有效。
  (3)见效井的确定包括:产液上升,含水下降,产油大幅度上升;产液上升,含水稳定,产油上升;产液稳定,含水下降,产油上升;产液下降,含水下降,产油上升;产液稳定,含水稳定,动液面上升,油井见效(井下泵工作正常情况下);稠油井自然递减较明显,同振前对比递减幅度小视为有效(但增产量不计)。
  5.技术特点人工地震采油与其他增产措施相比具有较多的优越性。
  (1)它是在不影响油井正常生产的前提下进行的,不需要任何井上或井下作业,避免了因占井作业造成的产量损失。
  (2)一点振动就可大面积地处理油层,波及半径达1km ,在波及面积上,使很多油井受效。
  (3)适应性强。
  ①对浅井、中深井有效;
  ②对中、低渗油层和特低渗油层有效;
  ③对低产、中产和高产井都有效;
  ④对中、高含水井有效,对低含水和不含水井也有效。
  (4)对油层无任何污染和破坏,相反还具有振动解堵、疏通孔道的作用。
  (5)振动处理油层是最清洁的技术,不存在对环境的污染,具有环保效益。
  (6)节省人力物力,投资少,见效快,效益高,简单易行,便于推广。
  (7)低频振动处理油层时,油相渗透率增加值比水相渗透率增加值高,使油水界面张力降低,从而可提高水驱油速度和采收率。
  (8)振动处理油层技术与传统的增油技术相结合,可提高驱油效率。大庆油田研究发现:振动处理与注CO2结合,可提高CO2在岩心内的流动速度;与注天然气结合,可降低天然气用量30%~70%;与化学方法结合,可节省化学剂用量50%~60%。因此,该技术是一种节能型技术。同时,也可采出低渗透层和水淹层内的40%~60%的剩余油。
  三、人工地震采油效果分析
  1.辽河油田人工振动处理现场试验及效果
  1994 年以来,在曙光油田杜66 和杜48 两个稠油区分别进行了三个周期的振动处理试验,累计振动时间为718 小时,平均每个周期振动237 小时,振动频率为9.97~10.90Hz,激振力为300~350kN,振动波及面上可对比统计油井155 口,有效井116 口,总有效率达75%。平均增产幅度为20%~60%,累计增产原油3034t,投入产出比达1∶16,取得了明显的经济效益。
  (1)杜48 块试验效果
  杜48 块属高孔、中高渗透油藏。开发目的层为杜家台油层,油藏埋深854~1344m ,平均单井有效厚度为18m ,孔隙度为28%,渗透率为0.9183μm2,地面脱气原油粘度(50℃时)为500~10000mPa·s。该块原始地层压力为10.23MPa,1997 年7 月地层压力为5.24MPa。从平面上看,中部地区压力较低,平均为2.14MPa,油层供液能力差,措施效果也差。该块老井自然递减率高达42.4%。振前平均动液面为837m ,平均单井吞吐周期为5.8 周期。吞吐4 周期以上井占统计总数的87%,振前平均单井产油2.6t/d,综合含水72%。1994 年5 月8 日至5 月31 日,在杜48 块选取激振频率为10.0~10.7Hz,激振力为300kN 进行一个周期的振动增产试验,历时24 天,累计振动261 小时,振动波及半径为800m,对比油井52 口,有效井为38 口,有效率达73%,其中有5 口振前不出油的井报后出油。该块有效期内累计增油1489t,有3 口井有效期达两个月之久.振源中心的42井站16 口统计井中,有14 口井见效。取得了较好的振动效果。
  (2)杜66 块试验区试验效果
  杜66 块位于辽河盆地西斜坡中段,是典型的稠油藏,油藏埋深800~1 200m ,平均单井有效厚度为42.1m ,平均孔隙度为25.5%,渗透率为300×10-3~1000×10-3μm2,平均渗透率为781×10-3μm2,属于高渗透油藏,油层连通性较好。该块原始地层压力为10.8MPa,1997 年7 月地层压力为3.5MPa,但产能较低。单井日产油3.7t,综合含水为49.9%。1994 年2 月至7 月,在杜66 块共进行了两个周期的振动处理试验。第一周期振动于1994 年2 月22 日至3 月14 日,历时21 天,累计振动200/小时,统计波及半径为500m ,可对比井60 口,有效井为44 口,累计增油3 245t。其中振源中心53#站的效果尤为突出,该站20 口统计井中,有效井为16 口,有效率达80%。第二周期振动自1994 年6 月16 日至7 月16 日,历时31 天,累计振动257 小时,800m半径范围内有油井103 口,见效78 口,有效率达76%,振动期间共增油4120t。
  ①为了摸索不同频率、不同激振力对油井产生的影响,在杜66 块第二周期里,采用300,35O,400kN 三种激振力以及9.97~10.80Hz 的激振频率进行了试验,从中得出以下认识:
  a.在一定频率范围内,低频激振时远井地带(500m 以外)见效井数多,增产幅度较明显。
  b.随着激振力的加大(1994 年6 月28 日激振力由350kN 加至400kN),总体范围内见效井数有所增加,部分初期曾见效井的产量在下降之后再一次回升,部分无效井在这一时期产量也有所抬头。
  ②对D212 块的试验是在1995 年7 月11 日开始的,共进行四个周期,累计进油6769.6t,见到了较好的增产效果,并得出以下认识:
  a.采用声幅测井确定的优势频率振动效果好。
  b.双机组合振动效果好于单机振动。表现在油井受效率提高,单井振动油并受效率为15.5%,双机振动油井受效率为69.0%;增产幅度增大,单机振动平均增产幅度为27.8%,双机振动平均增产幅度为37.0%S 平均有效期增加,单机振动平均有效期为17 天,双机振动有效期为27 天。
  c.从见效井时间看,大部分油井见效都滞后2~5 天,相继见效的有30 口井中,而且大部分是间断见效,见效井分布与振源无关,300~800m 范围内的井增产幅度相对较高。
  2.克拉玛依油田现场试验及效果
  人工地震采用的试验方法是利用大功率起振机在地面激振,并使振动波传递至油层。由于这种方法频率低、波长大,从地面振源点向地下呈半球体传播,传播半径与深度及振动彼的波长成比例。因此,这种方法波及的面积大,可以一点振动在多井激起反应,但同时能量损失也较大。要想取得较好的试验效果,应该选择比较理想的振动波传递介质,即地表覆盖土层低速带要薄,从而使振动向下的传递能量损耗最小。克拉玛依油田地表的覆盖地层坚硬且较薄,松土层低速带平均仅十几米深,表层波速达400m/s 以上,油层深度在300~1500m 的油井占大部分,现为注水开发中后期,许多油井为高含水油井,用地震法处理地层的条件优越。1993 年6 月,在1764 小断块开展了人工地震增产试验。每天以激振力100kN,频率6Hz 持续振动6~7 小时。试验过程中,每天进行单井计量井连续四次取样化验含水,累计振动40 小时后停机观察.振动时,在距离根源点50m 范围内,站立的人有明显的震感。根据国家地震烈度表,在起振机附近可产生烈度表明,在起振机附近可产生烈度为Ⅱ度左右的震感.通过振动,区块内5 口抽油井都见到了不同程度的效果,两口注水井没有变化。将振前振后的生产参数作一对比,可得出如下结果:
  (1)振动后,5 口油井的含水普遍下降,其中3 口井下降幅度很大。日产油量普遍增加,有4 口井产液量上升。
  (2)振动后,5 口油井的日产气量和油气比普遍下降。
  (3)振动后,有两口井的动液面上升,两口井的动液面下降,一口井无变化。在振动过程中还发现,最先见到效果的井距离振源点410m 远,振动第二天后,其含水由原来的56%下降到28%,日产液量增加了6t,其余井多在振动第五天后见到明显的效果。振动结束后,各井以振后最好的效果(即日产油量最高)持续了20 多天。通过这一阶段人工地震试验,振后全月比振前一个月多增产原油289t,增长率为27%。
  3.大港油田人工振动现场试验效果
  大港油田在孔店、港东两个区块进行了现场试验。孔店油田二断块南部含油层系馆陶组,油层埋深1205~1480m,油层大面积连通,油层平均有效厚度为11.0m,平均空气渗透率为2 571 ×10-3μm2,孔隙度为33%,储层胶结疏松,原油粘度为568~4098mPa·s,平均为1182mPa·s,凝固点为-12℃,地下原油粘度为114~200mPa·s,原始地层压力为13.44MPa。该区块于1975 年10 月投入开发,1979 年开始注水,1989 年井距为100~150m ,可采储量为345×104t。到振前该区内(1 000m 半径)共有油井16 口,水井13 口,选定其中12 口井为观察井,其平均单井日产量为2.83t,总体日产量为33.98t,综合含水95.6%,采出程度为10.5%左右。1995 年4 月18 日,使用频率为5~6Hz,激振力为300kN,激振至5 月23 日,起振机出现机械问题,修复后在7 月15 日起振,直至8 月16 日正常结束。累计振动240 小时(一个振动周期)。振后平均日产油37.84t,日增油3.86t,增油幅度为11.4%,综合含水为93.9%,见到了一定的效果。
  港东10-27 试验井区,1000m 范围内有油井24 口,油藏埋藏深度为1245 ~1879m ,平均单井有效厚度为8.7m ,平均孔隙度为30.3%,空气渗透率为725.5×10-3μm2,地面原油粘度为62.65mPa·s,采出程度为47%~72%,振前1 个月总体平均日产油130.43t,综合含水63.9%,单井平均日产油5.43t。港东10-27 井在南30m 处安装起振设备,1995 年9 月13 日和14 日进行试振,15 日正式起振。振动频率为5~6HZ,激振扰动力为268.8~386.5kN。工作至9 月26 日晚停止振动。10 月4 日-18 日重新起振,振动频率为6HZ,工作到18 日停机观察效果。12 月1 日以频率4.3Hz 再次振动至12 月25 日。振动采取白天工作晚上停止的间歇式振法。累计振动505 小时。振后效果的评价以8 月份的产量为准进行对比。振前8 月份,平均总产量98.11t/d,单井平均产量5.77t/d。9 月14 日起振至12 月25 日,这段时间内平均日总产量为99.96t,单井平均日产5.88t。从以上数据来看,效果并不理想,但1995年振前的l—8 月份,所统计井总产量的月平均自然递减率为2.48%,振后9—12 月份的月平均自然递减率为1.1%。虽然本次试验的增产效果并不理想,但还是能起到一定的控水稳油作用。
  4.吉林材油田人工地震采油效果分析
  (1)东25-30 井区
  (a)基本情况
  本井区在东十一站境内,位于扶余油田东北边缘,属油水过渡带,油层埋深379~470m ,是最贫瘠的区块。该站1980 年以200m 正三角形井网建站投产,长期未注水补充能量(仅在1991 年11 月才在南部转注五口井),地层压力由4.4MPa 降至2.2MPa,油层供液能力差,措施效果也差。如1988—1990 年压裂时,平均单井增产不足10t。据1990 年底统计,综合含水为63%,平均单井日产油0.37t,累计产油14.2×104t,采出程度为13.9%,地下亏空34.4×104m3。
  b)效果分析
  报动进行了两个周期,累计振动时间为225/小时30 分,波及半径为400m ,波及面积上有油井17 口,可对比井14 口,有效井9 口,有效率为64.3%。振动效果表现为油井“三升”(即产波、产气、动液面上升)、“三降”(即含水、原油粘度和凝固点下降)。
  ①产气量大幅度上升。1991 年4 月份(振前)产气量16 609m3,振后逐渐上升,至当年8 月份达31919m3,提高近一倍。
  ②原油物性得到了改善。振动后原油粘度比振动前平均下降了12.37%,凝固点平均下降了14.7%。这不仅对原油在孔隙中流动有利,而且由于油水粘度比的降低,进而改善了水驱油状况。
  ③油井增产效果分析:
  油井增产效果大致可分为三种类型:
  第一种:产量上升,含水下降的有三口井(23-29,25-30,27-30)。如23-29 井,该井距振源200m ,有效厚度4.0m 。振前日产液0.3t,日产油0.13t,含水56.7%,振后产液大幅度上升,含水大幅度下降,9 月份效果达到高峰;日产液0.8t,为振前的2.66 倍;含水42.5%,下降了14.2%;日产油0.46t,为振前的3.5倍,动液面也由388m 上升到357m ,上升了31m 。
  第二种:产液上升,含水基本稳定的有三口井(21-28,25-31,29-33)。如21-28 井,该井距振源400m ,有效厚度6.8m 。振前日产液1.7t,日产油0.9t,含水47.05%。振后日产液持续上升,含水稳定在45%,6 月份日产油1.1t,9 月份日产油2.0t,11 月份日产油2.2t,增产效果相当明显。第三种:含水、产液均下降,产油稳定的有三口井(23 -30,25 -29,29 -30)。如23-30 井,该井距振源170m,有效厚度6.4m。振前日产液0.7t,日产油0.3t,含水57.14%。振后含水逐渐下降,至9 月份为46%,下降了19.5%,日产液也在下降,但日产油稳定在0.3t,动液面也较稳定。从这9 口井的总采油曲线上看(见图9-3-10),第一振动周期,含水明显下降,7 月份含水50%,下降了10,5 个百分点,日产油由振前的2.88t 上升到4.32t,为振前的1.5 倍。第二振动周期含水略升,也低于振前7.2 个百分点,产油略高于第一周期效果。据统计,这9 口井平均单井增产35.5t,效果明显。
  (2)新立9-18 井区
  a)基本情况
  该区地处新立油田开发区的东南角,开采目的层为扶余油层,埋深1 110~1293m ,油层中直立裂缝发育,呈东西向,地层倾角2.5。据钻井资料揭示,地层岩性纵横向变化大,油层平均有效厚度为17.5m ,渗透率为20×10-3μm2,孔隙度为14.5%,含油饱和度为50%,地面原油粘度为23.56 ~28.00mPa·s,凝固点为33.1℃。该区1985 年初以正方形井网,300m 井距,九点法面积注水开发.截止1992 年底振动试验区上有油井20 口,平均日产液6.1t,日产油5.2t,综合含水14.7%,注水井6 口,单井日注水30~100m3,注入压力为11.0~13.2MPa,已采出原油34.3×104t,采出程度为11.53%,已采出可采储量的42.69%。
  b)增产效果
  在该区进行了两个周期的振动试验,第一周期振动66 小时,第二周期振动142小时,总计208 小时。振动波及面积上可对比井16 口。据1993 年1—4 月统计,其中增产百吨以上井有8 口,减产百吨以上井有1 口,11 口有效井累计总增产油量为1778t,总体效果为增产原油1207t。
  ①基本特点:
  a.波及范围:从平面上看,最远波及井距振源975m ,从纵向上看,波及井深1290m 。
  b.见效时间:从振动之日算起,一般为3~11 天不等,距振源近见效时间短,远井见效时间滞后。
  c.有效期:近井有效期一般在两个月上下,远井在一个月左右。油井增产效果与油层连通性、有效厚度密切相关。
  ②增产效果:
  a.高产井效果:
  把日产油大于10t 的油井划为高产井,有3 口,其中增产井两口,占66.6%,增产效果最明显的,即为7-16 井和3-18 井。7-16 井距振源450m,为不含水井,油层有效厚度大(30.2m),与注水井连通性好,振动三天后就见效,有效期也最长。振前日产油15.9t,振后产油持续上升至22.9t,日增油达7t。累计增油478t,为增产井之首。3-18 井距振源达975m ,油层有效厚度为18m ,油层连通性好。振前日产油12.1t,振后上升至16.5t,日增油4.4t,累计增油241.3t。
  b.中产井效果:
  日产油在3~10t 的井划为中产井,计9 口,其中增产井6 口,减产井3 口,有效率为66.6%,总效果为增产原油609.9t。
  C.低产井效果:
  产量小于3t/d 的井划为低产井,有4 口井,其中增产井3 口,减产井1 口,总效果为增产原油322.2t。
  井下人工地震采油技术与波导管振动采油技术
  一、井下人工地震采油技术
  人工地震采油技术使用的振源,大体分为地面振源和井下振源两种形式。地面振源可以一处振动,多井受益,它是对一定范围的油层进行整体处理。由于是在地面建立波动场,向油层传播,振动波在地层中传播时有90%以上都损失掉,传到油层只有几个百分点。将振源移到井下油层部位,振动波直接作用于油层,使振动波在油层中传播,便可实现单井作用,多井受益的目的。这种振动采油方法就是井下人工地震采油方法。它可以减少振动波从振源向油层传播衰减造成的能量损失。井下振动能量辐射器就是实现该作用的主要装置。
  (一)振源结构与工作原理
  该套装置由抽油机、抽油杆、振动能量辐射器等组成。振源的作用机理是:利用抽油机将抽油杆和液柱的势能转化为动能,作用于能量辐射器,能量辐射器将动能以振动波的形式向油层传播,从而达到疏通油层孔隙、降低油层“贾敏效应”、改变岩石表面润湿性等作用,最终达到降水、增油的目的。
  它的工作原理是,抽油机带动抽油杆和柱塞上面的液柱敲击振动能量辐射器的上活塞,这种敲击的能量经轴纵波转换装置(能量转换装置)变为横向波传入油层,并在油层中传播,从而实现在油层部位振动的目的。
  (二)主要技术指标
  该技术适用于正常抽油井(或间抽油井),在油井作用实现邻井受益。如果辐射器下至1000m 深处,那么就相当于有:
  m总量=m油杆+m液柱=6000kg
  式中 m油杆———油杆质量,kg;
  m液柱———液柱质量,kg。
  通过受力分析可得出振击力为8.6kN。另外,振动的频率由抽油机的冲次决定。通过上面的分析可得出下面主要的参数:
  (1)振动扰动力:10kN;
  (2)调频范围:0.2~0.5Hz;
  (3)产生弹性波类型:P 波;
  (4)工作方式:可连续工作;
  (5)振动形式(改进型):生产过程中振动。
  (三)室内及现场试验
  吉林新立油田于1998 年在83 区块采油五队503-3 井上进行了人工地震采油实验。该井是间抽井,日产油1.0t 左右。区块与振动同层井共统计3 口井。实验结果表明:振动后这些井普遍出现增油效果。振动后本井开抽同样出现明显的增油效果。在该井实施井下人工地震期间,对临井也进行测试,测试井与振源井同层距离为375m,具体测试结果如下。
  (l)现场测试结果见表9-3-7。
井深,m
水平加速度,m/s2
垂直加速度,m/s2
770
0.0O003
0.00011
820
0.0249
0.0026
870
0.032
0.082
940
0.0002
0.00023
振源井振动层位是870m (4-15 层)。通过现场测试数据,我们看出与振源同层接受到的信号最强,同层上、下信号明显减弱。由此可以证明临井受振动影响,产量变化与振源共振动有关。
  (2)振沉井振动期间,对其邻井(振动同层井)进行效果统计。统计井距离振源井在300~500m 之间。
  通过现场统计数据可以看出,振动处理期间邻井出现明显的增油效果,而且效果随振动时间推移越来越明显。503-3 井,振动后由原来的间抽改为正常抽,开抽后即1998 年11 月上旬的产量就抵消停产期间的产量。中、下旬日产量达到了以前的月产量,可见,本井效果更加明显。
  二、波导管振动采油技术
  波导管振动采油技术是将振源振动产生的次声波,通过波导管直接传至井下油层附近的能量辐射器,从而实现对油层进行振动处理。
  (一)波导管采油工艺的发展
  波导管采油技术早在20 世纪60 年代,前苏联就开始研究,并投入了大量的人力和物力组织攻关,全俄石油与天然气科学研究院是牵头单位,截止1996 年已开发出两套振采工艺技术。一是地面振源车载式工艺技术。由于本工艺的能量损耗大,因而增产效果不够理想,1979 年已经停止了该项试验和发展。
  该工艺俄方从20 世纪80 年开始研究试验,1986 年进入现场工艺试验,1996 年开始进入商业性的技术服务。先后在四个油田进行了现场试验,均取得很好的增油效果。
  (二)振动工艺原理
  电磁型振动仪由电磁线圈、电锤和外壳构成。当电磁线圈通电后,产生较大的磁力,将电锤举起,断电后磁力消失电锤落下,碰击振动仪与波导管间的接合装置(主要部件是大圆铁盘),产生20kJ 的能量波,这种波即为频率低于20Hz 的次声波,通过波导管向井下传递。由于波导管材质硬度大,且按不同形状组合,波在其中传播速度快,振动能量损失很小,因而可将地面振动器的能量高效地传给井下振动辐射器。振动辐射器固定于油层部位。固定方式有两种:一种是永久固定,即用水泥固死;另一种是可起式固定,利用一种特殊井下工具。振动辐射器可以克眼纵向上的能量损耗,再以波的形式使油层产生较强烈的振动,电锤一个行程产生一次脉冲,这样循环不断地工作,对地层就不断地进行强烈地振动,从而达到提高油相渗透率,降低含水,促进油井增产,提高采收率的目的。频率的控制主要靠振动仪的电操纵装置来完成。在不同区块,可以采用不同的振动参数组合,以达到增产最佳效果。如果能量大,可以达到单井振动多井受效的目的。
  (三)振动增产机理
  1.振动加快了地层中流体的流速
  振源产生的声波,通过波导管、振动辐射器作用于油层上,由于径向距离的差异,在油层横向产生微小附加压力梯度,这种附加压力会降低油层液体的表面张力,促进其流动。此外,低频简谐振动对油层这种粘—弹介质反复作用的结果,造成其应变积累。停振后,油层介质的积累应变会松弛而转变为应力,其应力的释放过程会继续使流速的增加保持一段时间,因此,振源振动和停振一段时间后,均会促进液体向油井低压区流动。
  2.振动可以改变油层内油、气、水的重新分布
  在油层内,砂岩孔隙都比较大,渗透率也比较高,但是在砂岩内,无序排列的网状毛细孔隙内,总是有少量的水和气,孔隙变形的地方“贾敏效应”会更明显,振动会使气体逸出从而疏通了孔隙,油、气、水也会按密度差异重新分布,而且振动后的动摩擦力也小于静态液相与岩石的摩擦力,这样不仅减小了“贾敏效应”,也有利于油相流动。
  3.振动可以降粘
  振动使原油连续不断地受到拉伸和压缩,这种重复作用,使原油结构遭到剪切破坏,使长链变为短链,从而降低了原油粘度,增加了流动性。
  4.振动具有改变岩石表百润湿性的作用
  浸水岩石会在岩石表面形成一层水膜,润湿相水会在颗粒间的孔隙形成液环,而非润湿相油就会被挤到孔隙中心部分,阻塞孔队喉道,阻碍流体的流动。振动则促进了水膜的分化和剥离,由于附加压差作用,促进孤立油滴的流动,起到驱油的作用。(四)波导管振动采油工艺基本参数及技术特点
  1.基本参数及适用条件
  (1)该技术适用于高、低渗透油田,可增加单井产量和提高油田采收率。
  (2)在油、水井上均可作业,适用于127mm/5m 以上套管井。
  (3)波导管最大外径为102mm ,为螺纹连接。
  (4)波导管下入井内的极限深度目前为2500m 。
  (5)工作电源:电压380V,频率50Hz。
  (6)电磁型振动仪(地面部分)适应环境温度±30℃,长度为8m ,重达2t,最大直径0.8m 。
  2.技术特点
  (1)该技术是一项无污染,对油层无伤害的增产技术。
  (2)产生的能量为20kJ,能量衰减为7%~8%,因而振动能量损失小,作用效果明显。
  (3)最终原油采收率可达50%以上。
  (4)作业1—2 个月,有效期可达6 个月。
  (5)增产幅度在2 倍以上。
  (6)作用频率在l~100Hz 之间,可调,目前应用的频率在1.0~1.2Hz 之间,也有达8.1Hz,振幅为0.1~1.omm 。
  (五)波导管振动采油工艺技术的现场试验
  1.工艺试验
  波导管振动采油工艺技术于1986 年在俄罗斯吉尔吉斯油田巴乌拉斯基区块首次进行了现场工艺试验。该油田油藏埋深2 000m 左右,渗透率为(50~200)×10-3μm2,油井日产油1~20t,采用注水开发,综合含水60%以上。近一个月的现场试验表明,该工艺试验获得了成功。在试验期间收集了距振源井不同井距油井的动态反映,最近500m ,最远1500m。动态反映是产液上升,含水下降,产油上升,取得了比较理想的增产效果。
  2.增产试验
  在工艺试验获得成功以后,俄方有目的地进行了增产评价试验。于1988 年10月,在依格木尔塔什油田杰克别力地区进行了电磁型波导管振动采油试验,增产效果明显。综合含水由55.8%下降到43.0%,产液由6.0t/d 上升到6.53t/d,产油由2.654t/d 上升到3.719t/d,日增油1.065t,有效期为两个月。
  3.技术服务形式试验
  俄方自1991 年开始,为许多油田进行了技术服务形式的现场试验。1991 年10月至1992 年7 月在日尔诺夫斯基技术服务,1996 年在别尔姆油田进行了技术服务,1997 年在新西伯利亚地区进行了技术服务。在日尔诺夫斯基油田的一个区块,现场在实施电磁型波导管振动采油技术的同时,采用了在临井同时注空气的综合技术。即振动采油设备在157 号井上工作,同时在166 号井注空气,该井距157 号井300m 。在该区块共进行两个周期,第一周期为1991 年10 月20 日至1991 年12 月18日,共29 天。在157 号井电磁型振动器振动了70 万次,同时在166 号井注空气9×104m3。第二周期为1992 年5 月18 日到1992 年7 月13 日,共56 天,在157 号井进行了35 万次振动,同时在166 号井注空气10×104m3。在作业前后,对周围26 口油井进行观察,从整个区块看,综合含水下降了40~75 个百分点,采油量增加了2~5 倍。整个区块1991 年11 月至1992 年9 月开发形式发生明显的变化,水驱特征曲线由陡变缓,采油量平均增加了32.4%,累计增油5.25×104t,综合含水下降了4.9个百分点。
  微波采油机理
  一、加热作用
  在微波场中所产生的热量大小与物质的种类及其电特性有关。微波对物质的介电热效应是通过离子迁移和极性分子的旋转使分子运动来实现的,即极性分子接受能量后,被作用的分子从相对静态瞬间转变为动态,通过分子偶极以数十亿次的高速旋转产生热效应。在波场变化时,偶极子不能完全恢复到它们的初始位置,表征为本身介电常数的减少和损耗因子的增大,这时能量将以热的形式耗散在材料中。由于瞬间变态是在被作用物质内部进行,故称为内加热(通过热传导和热对流过程加热称为外加热)。微波作为一种特殊形式的能量,在油气开发中的应用性研究已引起人们的重视。微波加热效率一般在微波段100MHz~10GHz 之间为最大。其强度取决于被作用物质的中子、原子、偶极子转向、界面极化等损耗因子值的总和的大小。非电磁加热过程一般是从表面开始,通过传导、对流和辐射方式,把热从外部逐渐传至内部,这是一个相对漫长的过程。材料吸收微波能是内、外部与表面同时进行的,可以称此为体加热。因此,加热速度快,向外辐射和传导损失的热量也小。微波加热与蒸汽加热相比还有一个很大的优点,即它可以使地层内的流体达到很高的温度,这为地下石油的干馏汽化开采提供了关键性条件。
  二、造缝作用
  微波采油技术是利用大功率微波源对地层辐射。石油储层是由不同的化学物质组成的,非均质性特点明显,化学成分复杂(由硅酸盐、一氧化硅、铝氧化物、长石、泥质等矿物质组成),储层中含有许多孔隙空间,其中包含有地层流体,主要为地层水和石油,而不同的化学成分对微波的吸收能力相差甚远,如水对微波的吸收能力为石英砂的数十倍。因此,在微波作用下各不同物质组分温度升高亦相差甚远,导致热膨胀系数大小相差很大,造成热膨胀、冷收缩不均匀,产生很大的热应力,致使岩石产生很多微裂缝。低渗油田中次生微裂缝的产生促使地层的渗透率提高,从而实现低渗油田的高渗开发。西安石油学院金友煌等人和中科院电子所胡立铭等人将两块建立了束缚水的饱和原油的岩心加工成许多切片,做了两种对比试验。一是用2 450MHz 微波辐射,使其温度达到140℃后,对其表面进行电镜扫描拍片,并与微波辐射前的该表面电镜扫描拍片进行对比。二是用电阻丝恒温箱将岩心切片加热到约140℃后,对其表面进行电镜扫描,并与加热前的该表面的电镜扫描进行对比。拍出四组微波加热前后对比的照片。观察结果表明,在加热前切片中可观察到只有数条较为明显的晶间缝,用微波加热后明显的裂缝有数十条,一方面使原有裂缝变宽,同时又产生了新的裂缝,而在用恒温烘箱加热前后的切片对比观察中发现裂缝没有变化。实验分析表明:地层岩心用微波处理能促使裂缝发育,提高地层的渗透率。微波采油技术应用于低渗油田开发可大幅度提高产量和采收率。
  三、非热效应
  微波加热地层后,由于温度升高,原油粘度显著下降,渗透阻力减小。同时,由于所使用的微波频率接近地层流体中极性分子的固有频率,极易引起强烈的共振,油品中的长链分子化合物、支链分子化合物、杂环化合物,以及一些胶质体和松散结构的结合断裂、裂解,使高粘重质油部分成为低粘轻质油,渗透率大为提高,改进指进现象,进一步提高了采收率和油井产量。同时,降低了凝固点,便于石油的开采和输送。研究结果表明:在原油中含有少量的胶质化合物将极大地影响其润湿性。微波的以上这些作用,可以将稠油变稀,少量胶质化合物的分裂将大大改进润湿性,提高流度,改进指进现象,从而提高采收率。
  非热效应也可以从金友煌等人的试验中得到验证;
  实验岩心物性参数:孔隙度Φ=19.4%;
  饱和度Sw=73.26%,S0=26.74%;
  微波加热前渗透率:K∞=18.46×10-3μm2;
  微波加热后渗透率:K∞=49.98×10-3μm2。
  由实验结果可以看出,微波处理后渗透率显著提高,说明微波处理效果明显
  微波采油技术
  微波采油用的微波系统可以分为两类:一类为器件与被加热物质分离,即器件置于地面,通过传输线把微波功率传人地下,再由辐射器(加热天线)对油层进行加热。另一类是把微波管和辐射器置于井下储层部位,直接对储层作用。其最大优点是可以最大限度地利用热效率,因为这时所有的能量不论是器件本身的热损耗,还是微波的热辐射,不论是相干的辐射还是不相干的辐射,不论什么频率的辐射最终都变成含油岩层的热。微波加热开采技术目前设计有三种方法。
  1.作为地面井口锅炉
  微波对由地面注入地层的水或水蒸气加热。此方法的优点是不用改变现有井筒。如果有小型的适合井下工作的大功率微波管,则一切设备和工艺都不变,只要增加大功率供电电缆即可。若把大功率微波管放在地面,把中间的油管用做微波传输管道,油就可从环空中抽出,所以要研制一种新型的环空泵。
  2.作为井下锅炉
  用微波对地下储层直接加热,使地层温度升高。根据美国的一项专利,在井周围的温度升高到425℃以上,即远远高出稠油的拐点温度时,用100kW 功率,频率在0.01~2.00GHz 甚至到30GHz 变化,有效作用半径可达到12m 。若井周围的温度只要求达到拐点温度时,则有效作用半径可远远大于12m 。
  3.多底井地层微波加热
  微波能由竖井段向下传到多连通器中的功分器,并与开窗侧钻的水平井内的天线相连通。微波能由水平天线向地层辐射。在这种结构中,水平段有多远,水平天线就可伸到多远,有效采油半径就可达到多远。水平段实际是不水平的,而是在向外延伸时向上挠,以便在远处的原油受微波加热后渗入到“水平”段,在重力作用下流入垂直段,再由装在垂直段内的环空泵将油举升到地面。这种结构的有效作用半径决定于开窗侧钻的水平井的个数和沿水平方向延伸的距离。
  由以上所述可以看出,油层微波加热开采技术在开采工艺上存在着重重困难,有待于今后解决。目前,国外在物理模拟和现场实验方面取得了较大的进展。但是对于地层高频电磁波加热采油一补充能量系统的数字模拟研究,基本上还处于刚刚起步阶段。为此,应把变频电磁场、温度场、流场、应力场及其破裂准则结合起来,解决微波加热开采技术中的各种难题,为稠油的微波开采最大限度地提高最终有效热利用率提供理论依据。
  微波采油完井方法
  一、完井方法
  稠油产层一般胶结松散,在地层流体的冲刷下出砂严重。完井方法上必须考虑防砂的同时满足微波采油的特殊技术要求,主要考虑以下两种完井方法。
  1.陶瓷材管完井方法
  该方法采用特殊陶瓷村管,利用产层砂的自然成拱作用防砂,适用于不会严重出砂的稠油产层。
  完井管柱结构为:悬挂封隔器+伸缩接头+盲管+陶瓷村管+陶瓷墙头。这种方法的特点是结构简单,施工方便,防砂能力较差。
  2.陶瓷筛管筒化砾石充填完井法
  砾石充填完井能有效保护产层和防砂,防砂期一般可长达10~15 年,是目前最为有效的防砂工艺。使用陶瓷筛管砾石充填完井时,工艺上适宜采用简化砾石充填完井法。完井管柱结构为:悬挂封隔器+伸缩接头+盲管+陶瓷筛管+陶瓷墙头。这种方法的特点是管柱结构简单,施工方便,能有效防砂。稠油微波开采时,从工艺上不会对地层出砂产生激励作用,特别是微波中温或高温开采时在近井地带还将伴随有一定程度的焦化作用,预期地层出砂不会很严重。当然,该方法有待实践检验,尚需进一步进行实验模拟研究和相应现场验证。
  二、微波采油井套管柱设计和固井设计
  微波采油是在井下直接加热产层,中温和高温开采时还考虑使用隔热套管短节和少量具备伸缩性的套管柱,所以上部套管柱受到温度的影响很小。设计中主要考虑温度对产层附近套管柱的影响。为保证高温下套管一井眼环空的有效密封性,同时需要进行特殊的固井设计。
  1.微波低温开采
  低温开采时对于套管柱设计和固井的技术要求与常规蒸汽热采相同。下部套管柱要尽可能采用高强套管。固井水泥中需添加耐热稳定剂、绝热添加剂、粘结添加剂。
  2.微波中温、高温开采
  在微波中温、高温开采时,地层加热温度在400℃以上。为防止热应力损坏套管,破坏套管柱与地层的密封,必须采取特殊措施。
  (1)用特种耐高温水泥固井。
  (2)完井管柱中盲管、悬挂封隔器、伸缩接头采用特种耐高温金属材料。
  (3)套管下部采用具有隔热作用的陶瓷套管短节,以防止套管柱产生高温热应力损坏;隔热陶瓷套管短节上加接具有良好伸缩性的玻璃纤维套管1—2 根,进一步防止可能产生的套管变形。
  微波采油技术的应用
  一、微波脱蜡
  我国石油的特点之一是蜡含量(1%~28%)和凝固点(26~36℃)均较高。在开采过程中,当油由井底向井口输出时,由于温度和压力降低,油中有助于溶解石蜡的轻质组分被脱出。致使油中的石蜡聚结在油管壁上,造成油井减产或因堵塞而停产。国内外现行的脱蜡方法主要有热油循环、蒸汽加热、机械剥除和化学溶剂清洗等。在原油输送过程中,由于输油管壁结蜡,造成阻力增大直至堵塞,因此,多采用加热输送法。虽然影响原油结蜡的因素比较多(如原油组成、流速、温度、压力等),但温度变化是主要因素。当加热温度达到“析蜡”点以上时,石蜡在油中的溶解度随温度的升高而增加,加之油管壁上所结的蜡中含有10%~25%的水,对微波脱蜡更为有利。西安石油学院马宝歧和倪炳华在微波脱蜡试验中曾采用长庆油田的聚结石蜡,其中含水25%,含砂1%。微波频率为2 450MHz。研究结果表明,当微波功率由255W 增大到850W 时,脱蜡时间由10 分钟缩短到2 分钟。与其他方法相比较,微波脱蜡具有时间短,效果好等特点。试验还表明,随着水分含量的增多,其清蜡时间将相应缩短,这主要是由于极性分子的水在微波作用下极易被加热升温甚至闪蒸为蒸汽,促使石蜡熔化。因此,蜡中所含水分的量对微波脱蜡效果有较大影响。
  二、微波破乳
  注水开发油田所产原油中一般含水70%~80%,经沉降分离后,可将游离水脱出。而对W/O 型乳状液原油,通常需采用热化学和电化学脱水工艺处理后,才能使原油中的含水量达到外输标准的要求(<0.5%)。其工艺过程较复杂。原油乳状液一般含水20%~40%,其内相水滴的直径在0.1μm。以上。在微波照射下,能形成高频变化的电磁场,使极性分子高速旋转,破坏油包水界面膜的ζ电位。当水(油)分子失去ζ电位的支撑后,自由上下运动,碰撞聚结,使得油水分离。同时,由于高速旋转的水分子摩擦生热,使界面膜受内压变薄,降低了油水界面膜的机械强度;高频电磁场可使非极性的油分子磁化,形成与油分子轴线有一定角度的漩涡电场,使分子间的引力减弱,油的粘度降低,油水密度差增大。这些作用均可加剧油、水分子的碰撞聚结。微波脱水速度之快,效果之好是其他脱水方法所不能比拟的。该试验中还对稠油乳状液和聚合物驱原油乳状液的微波脱水进行了研究,同样取得了显著效果。研究表明,将微波技术用于化学脱水时,可使脱水率提高16.7%~45.7%。
  三、微波脱硫
  天然气中含有的酸性气体H2S 会引起输送管道和设备严重腐蚀。目前主要先采用吸收或吸附方法脱除H2S,然后再将解吸或脱附的浓H2S 气体用克劳斯工艺使其部分氧化为S 加以回收,H2被氧化为水而消耗掉。该生产工艺过程复杂,投资大。而微波脱硫与常规脱硫技术相比,具有工艺过程简单,反应时间短,效率高等特点。
  用微波法分解天然气中的H2S,可一步同时得到H2和S 两种产物。1990 年至1992 年,美国和俄罗斯合作研究了利用微波能产生等离子体分解H2S。微波能由一个或数个微波发生器产生,经波导管对称地引入等离子体反应区,利用微波产生“泛”非平衡等离子体,将反应混合物引入换热器急冷即可分离出硫磺,同时也有效地减少了副反应的发生;H2S 与H2混合物通过膜分离器分离出H2。其微波发生器功率为2kw,H2S 分解率为65%~80%。从1993 年开始,西安石油学院对利用微波脱除天然气中的HS进行了研究。研究表明,当微波频率为2450MH2时,功率由225W 增大到850W ,最佳反应时间由180 秒缩短到60 秒,H2S 的分解率由58%提高到84%。为了提高H2S 的分解率,1997 年,西安石油学院以FeS 为催化剂,对微波分解K2S 进行了研究,当微波频率为2450MHz,功率为500W ,反应时间为60 秒时,H2S 的分解率可达91.2%。目前,西安石油学院的研究人员正与英国帝国理工学院化学系Mingos 教授合作,对微波催化法分解H2S 的反应机理、催化剂选择和工艺条件等进行系统研究。
  总之,微波在油气开发中的应用,目前仍处于研究的起步阶段,有一系列技术问题需要进一步研究和解决,如大功率微波装置的研制,提高微波穿透深度的方法、作用机理和技术经济性等。由于微波具有作用速度快、时间短、效率高等显著优点,在现有研究工作的基础上,继续对微波采油机理及工艺技术开展研究具有现实意义。
  水力振动压裂技术
  2.振动压裂工艺管柱各部件的作用
  (1)负压发生器
  其作用是振动前在环空造成一个负压波,有利于裂缝生成。
  (2)振动器
  由于产生水击压力的大小与速度和质量成正比,与作用时间成反比,要想产生足够大的水击压强,就必须使液体具备一定的流动速度和质量,而振动器就是把高压变成高速的一套定压装置。
  (3)堵塞器
  其作用是保证增压室是空腔。堵塞器必须密封可靠。
  (4)接收器
  其作用是提供传播水击压强的通道,保护井下工艺管柱安全及对下落工件接收等。
  3.增压室的设计要求 增压室就是井底振动器与堵塞器之间形成的密闭空腔,主要作用是使向下高速膨胀的液体产生一个加速度以获得最佳的水击效果,产生更大的水击压强。增压室的设计是在一定的管径下,计算出最佳增压室长度,从而获得最佳效果。根据计算出的速度变化情况,以速度变化量最小的增压室长度为合理的长度。
  4.水力振动压裂工艺原理
  用无交联压裂液向振动压裂工艺管住内打压,当压力达到振动器开启压力时,振动器将被瞬时打开,这时由于振动器以下的增压室是空腔,所以振动器上部被压缩的所有液体将以一定的初始速度和加速度迅速冲入增压室,并经增压室加速后撞击在堵塞器的密封堵上。密封堵被撞开井打击井下液体,产生典型的破坏性极大的正水击现象,从而在井底造成显著超过岩石破裂压力的水击压强。此压强将以接近声波的速度通过喷砂器、接收器孔眼传播出去,并作用在预定压裂井段及所有射开展位上,使目的层及其他层位形成不同方向的人工裂缝或使原天然裂缝扩大。在管内液体高速膨胀或下落的同时,管内压力大幅度降低,当管内压力小于油套环形空间压力时,负压发生器将自动开启,给井筒造成一个低压(负压)波。这样井底就会受到一个负压波和一个正压波的交互作用。这种忽高忽低的作用对井底裂缝的产生将起到积极的作用,而且这样的裂缝将长时间保存,很难闭合。
  振动后,开始进行压裂施工,在压裂液的作用下,目的层的原压裂裂缝和振动产生的人工裂缝将被延伸或扩展,并通过压裂液中的支撑剂使部分人工裂缝保留下来或产生新的压裂裂缝。
  内爆冲击压裂技术
  内爆冲击压裂技术是一项新的压裂技术。所谓“内爆”是液体流动时内部的空气泡从产生到溃灭后引起的空化效应。它能产生巨大的水力冲击压力。内爆冲击压裂技术是利用了振荡空化现象中空泡溃灭时的瞬态动力过程,人为地制造出空泡形状阻力,采用空心钢化玻璃球(简称空化球),在设定环境压力下破碎时产生的瞬态动压冲击能量,将油层压开多方位动内爆冲击压裂技术集空化和水锤效应于一体,设计思想独特。具有工艺先进,施工简单,用途多,可操作性强的特点。通过空化球破碎时产生的瞬态动压冲击能量,将油层压开多条裂缝。实践证明,空化和水锤效应在这一技术中得到了有机结合,是振动采油技术的又一创新。
  一、结构及工作原理
  1.结构组成
  内爆冲击装置由轮式发球器、减速接头、内爆泄压装置三部分组成。
  (1)井口轮式发球器用来装填空化球。可带压、手动和定时自动发送空化球。每次可装填50~100只空化球。每次装球的多少,要根据每口井的实际情况,按照压裂设计要求决定。
  (2)减速接头接设计要求安放在内爆泄压装置的上部,用以降低空化球的落座速度。
  (3)内爆泄压装置用于坐封空化球并向油层传递冲击压力。
  2.工作原理
  启动井口轮式发球器,发出第一只球。当该球经管柱缓慢落人减速接头,坐封于泄压装置顶部时,管内压力升高,集最大压能于空化球上部。在压力达到设定值域时,空化球瞬间破碎,周围液体迅速填补真空,引起上下水头的对撞,形成内爆。管内液柱在空化球没灭的同时,将势能突然转化为动能,在目的油层激起强大的空化振荡。其冲击压力Pi;将是普通滞止压力ps。的8~12倍,能有效地压开地层,并重复进行。
  3.作用及特点
  由于空化球的材料性能和特有结构,决定了空化球落座后将油管内液柱分隔成三层空间,即在空化球上部形成高压区;在空化球内部保持常压或真空状态;在空化球下部为环空低压区。因此,破碎空化球的压力只能由主化球上部(外部)与空化球内部的压力差决定,不会受到环空回压的影响。又因空化球破碎的突然性和破碎后形成的碎小颗粒可进入地层裂缝作为支撑剂或经冲洗返回地面。所以,内爆冲击压裂工艺具备下述五个特点。
  (1)空化球可有效地实现内爆。与节流型空化相比,其内爆强度高,生命周期长。
  (2)空化球的破碎不受井内环宝液柱的回压制约,内爆过程均可主动进行。
  (3)可采用同次管柱在同一井内进行多层处理。
  (4)处理水井时不受时间限制,可根据井况随时进行井下内爆冲击压裂(指单展注水井或混注井)。
  (5)可伴随水力压裂施工全过程实现内爆压力冲击,达到振荡压裂的效果。
  二、技术性能
  1.空化球的材料选择
  内爆需要空化球的瞬间溃灭。因此,选择机械强度高,热稳定性好,破碎后碎片较小,经过淬火处理后的销钙玻璃。其来源广、成本低,溃灭后形成小的颗粒和碎末,可实现空化的需要。
  2.空化球的技术性能
  (1),冲击强度:在1~2m 高度自由落下不被击破。
  (2)耐温急变性:冷冻至-40℃,保持12 小时,用熔化金属铅浇注空化球表面不致破裂;加热至200℃,然后投人30℃的水中不致破裂。
  (3)耐液压强度:20MPa;35MPa;55MPa。
  (4)透明度大于82%,无裂痕,外表面不许有疙瘩。
  3.撞击态度
  撞击感度是指空化球在液体内的实际下落速度与其在空气中自由落下不被击破时的速度的比值。
  (1)空气中速度:从2m 高度自由下落时,末速度vt=8.86m/s。
  (2)水中实测速度(参照重锤投掷时间)v测=6.6m/s (同直径截面物体的风洞阻力系数:圆柱体4.0;球体9.3。二者阻力系数相差约2.3 倍)。
  (3)撞击感度I冲:I冲=I测/vt=0.7<1 (比较安全)。
  4.内爆冲击压力pi
  内爆冲击力pi用下式计算。
  空化球在破碎后的滞止压力取决于液柱水头和泵压水头的转化程度。因此.当空化球破碎后其总水头全部机为速度水头。
  三、实验测试结果
  室内曾对一种规格的空化球样品进行了压爆实验。当表压升至28MPa 时,空化球破碎,出现两次声爆。第一次破碎,第二次爆炸,形成冲击波。实验结果,空化球溃灭后有50%以上的碎末、50%以下直径小于3mm 的颗粒,使量程为60MPa 的压力表损坏。实验结果表明,主化球内爆效果比设想的还要好。对另一种规格的空化球样品进行压爆实验,当表压接近50MPa 时,空化球破碎。重复了第一种规格样品的试验效果。这说明,空化球的内爆压力可以根据实际需要进行设计、制作。
  内爆冲击压裂工艺,是一项功能性强、多用途油层解堵技术。集振荡空化、水力冲击、振荡压裂于一体,可广泛用于油水井的常规作业。
  正水击化学解堵技术与射流振荡压裂技术
  一、正水击化学解堵技术
  正水击化学解堵技术是一项物理法和化学法相结合处理油层的新技术。该工艺技术克服了单一的物理法或单一的化学法处理油层的弊端,从而大大地提高了近井地带的解堵效果。
  (一)工艺技术原理
  1.工艺过程及原理
  正水击发生器主要由地面部分和井下部分组成。地面部分主要是专用井口(内装数只定压器),作业时用来向井下投放定压器;井下部分为正水击发生器主体。作业时,将发生器连在Φ73mm 油管上下至预处理油层段,导液花管对准油层中部。连接好高压井口和地面泵车、罐车。试压后向油管内注液体。此时,压能作用在隔板上(隔板相当于一级定压器),当压能大于隔板的剪切压力时隔板爆破,液柱进人冲压室,压能转换成动能。液柱以加速度向下移动,当液柱冲至柱塞上方瞬间又由动能转换成压能,将柱塞推出冲压室,正水击压力被第一次冲击油层段。经理论计算,瞬时的冲击压力是隔板剪切压力的2 倍。如果正水击发生器下至1000m ,泵车表压为20MPa,那么可产生60MPa 的冲击压力。接着顺次投定压器。定压器下至井底坐到定压器底座上,泵车起压,当压力大于定压器剪切压力时,定压器爆破实现第二次正水击。如果投10 级定压器,那么可对油层段产生10 次正水击。由于正水击压力超过处理油层段的破裂压力,且正水击作用速度快,在油层段产生不规则的网状裂缝,再由于多次水击作用使裂缝不断延伸,正水击作用后,再挤入一定量的解堵剂,解堵剂溶蚀裂缝表面及孔隙喉道的堵塞物,关井1~2 小时,封隔器胀封,抽吸排出油层的溶蚀物。溶蚀后的油层段产生凸凹不平的沟槽,在上覆岩石压力作用下裂缝闭合不严,从而提高层段的导流能力,达到增产增注的目的。
  2.水击压力确定
  (1)根据处理油层段的破裂压力确定定压器的压力。定压器的压力主要由其剪切厚度控制。(2)根据处理油层中部临界冲击速度确定第一级隔板的剪切压力。正水击压力超过井壁附近的地应力及岩石的抗张强度,岩石才会被压开,所以,要求第一次冲击液柱的实际冲击速度大于临界冲击速度。当不考虑摩擦阻力损失时,
  vg= 2g (h0+p0/ρ液)           (5-3)
  vk=σbg/(Eρ岩)             (5-4)
  式中 vg———实际冲击速度,m/s;
  g———重力加速度,9.8m/s2;
  ρ液———液体密度,kg/m3;
  H0———隔板至井口的液柱高度,m ;
  p0———泵车表压,MPa。
  vk———临界冲击速度,m/s;
  ρ岩———岩石密度,kg/m3;
  σb———岩石极限强度,MPa;
  E———岩石弹性模量,MPa。
  3.施工参数的确定
  (1)定压器剪切压力在10~40MPa 之间,可任意选择所需压力。
  (2)正水击冲击次数根据处理油层厚度、层教而定,一般冲击10 次左右。
  (3)定压器剪切压力误差应控制为1.5MPa。
  (4)根据油层物性及堵塞原因确定解堵剂类型。
  (5)解堵剂用量用下式计算。
  V解=π4(D2-d2)HΦ           (5-5)
  式中 V解———解堵剂体积,m3;
  d———裸眼直径,m ;
  Φ———有效孔隙度,%;
  D———处理直径,m ;
  H———处理油层厚度,m 。
  (二)正水击发生器设计原理
  (1)定压器产生水击压力的大小由定压器剪切厚度确定。根据剪切强度理论有:
  Q/A≥[τb]            (5-6)
  (2)室内60MPa 水压泵剪切强度试验。
  (3)现场测试数据见表9-5-1。
井号
油层深度
  m
破裂压力
  M Pa
剪切压力
  M Pa
理论冲击压力
  M Pa
实测压力
绝对误差
  M Pa
17 -02
1252
32
25
50
43
7
22 -3
1168
32
27
54
48
6
+8 -06
1290
33
26
52
47
5
(三)现场应用效果
  正水击化学解堵工艺技术1996 年在吉林油田和河南油田共处理50 口油井。在吉林红岗等油田应用47 口井,其中只有3 口井无效,有效率达93.6%,成功率100%。截至当年12 月末,原计增产原油4039t,平均单井增油85.9t。1996 年10 月在河南油田采油一厂对3 口水井进行处理,工艺成功率100%,有效率100%,平均日增注量41.5m3,取得了良好的效果。
  (1)红岗+2-08 井是红岗采油厂一队所辖油井,处于注水受效区。该井从1995 年末开始产量递减,通过动态分析认为近井地带存在堵塞。用正水击化学解堵技术处理,对主力油层正水击9 次,冲击压力为28~32MPa,水击后挤HG-3 型解堵剂400kg。
  (2)红26-4 井属红岗采油厂四队的一口边远油井。该井地层压力较低,地层中部压力为6.5MPa。措施前日产液2.6t,产油1.6t,含水38.5%,液面983m 。用该技术对主力油层正水击10 次,水击压力为28~32MPa,后挤HG-3 型1%解堵剂20m3。措施后日产液8.2t,日产油4.07t,含水50.4%,液面1069m ,有效时间185天,累计增油457t。
  (3)H136 井是河南油田采油一厂的老注水井。该井位于双河油矿南区,井深1760m 。该井由于近井地带堵塞严重,日注水11.5m3,一直达不到配注要求。1996年七八月分别上压裂、酸化措施,但不见效果。同年11 月13 日用正水击化学解堵工艺技术对该井进行处理,共进行正水击10 次,水击压力为35~45MPa,水去后挤盐酸12t,土酸15t,用酸量与该厂其他井酸化措施相同。措施后,日注水量达88m3,超过其配注量50m3,收到了很好的增注效果。
  二、射流振荡压裂技术
  射流振荡压裂技术是把射流振荡处理油层与水力压裂相结合,变静态压裂为连续根荡动态加砂压裂。射流振荡压裂可以降低施工压力,提高加砂速度,进而提高压裂效果。
  (一)射流振荡压裂工具
  射流振荡压裂工具结构。过滤器连接于反馈式振荡器之上,用来过滤压裂液。
  反馈式振荡器上有干涉腔、控制孔、扩压管、反馈腔、节流孔。反馈式振荡器坐在共振器上的振荡器座上。共振器上有振荡器座、喉管、共振腔、侧面出口、底部出口、节流孔。共振器的共振频率位于反馈式振荡器的振荡频带中,这样脉动压力波经过共振器后会得到进一步加强。变相管借用油管短节,用来把共振器出口的反相脉动压力变为同相脉动压力,从而利用同频声波的相于原理,增加脉动压力幅度。滤波器借用胶筒封隔器,胶筒封隔器相当于声阻,可以阻止反馈式振荡器产生的脉动压力能量沿环形空间向目的层上、下扩散。
  (二)工作原理
  1.射流的性质
  射流射出时和周围介质相摩擦,携带周围介质随之流动。因而射流周围介质密度减小,压力降低,与外围介质产生压差,外围介质便补充进来。这种现象称为射流的吸卷效应。如果在小孔左右各放一块板,小孔距离右板较近。由于板子阻碍了射流对两边介质的吸卷,造成射流左右低压区介质压力的差异,当压差达到一定值时,射流就偏向压力低的右边,最后附着在右板上流动。这种现象叫做射流的附壁效应。如果在右板靠近小孔的地方开凿一个控制孔,并由此引入控制射流,两束射流相互冲击,右边低压区压力逐渐升高。当压力达到一定值时,合成射流便偏向左边,最后附着于左板流动。这种现象就是碰撞射流的偏转效应。如果撤走右边的控制射流,财流将重新附着于右板,即射流具有记忆性。这就是单稳元件的工作原理。射流偏转时的压力,称为射流的切换压力。
  2.射流元件
  如果把小孔设置在中间,那么射流或附于左壁,或附于右壁。如果在左右壁各开凿一个孔,先从右边射入控制射流,控制射流压力高于切换压力时,合成射流偏转并附着于左壁流动。撤走控制射流,主射流仍旧附着于左壁。即射流对左壁具有记忆性,反之亦然。这就是双稳元件的工作原理。如果把双稳元件的左右控制孔分别与左右出口连接起来,形成左右反馈通道,就构成反馈型射流振荡器。
  3.反馈型射流振荡器的工作原理
  工作时,压裂液自油管进入射流振荡压裂工具的上接头和外套。过滤器把压裂液分为含砂液和过滤液。含砂液经挡片、反馈式振荡器、共振器上的一对节流孔进入下接头和变相管,再进入喷砂器。过滤波经过滤器下部的喷嘴进入反馈式振荡器。过滤液进入反馈式振荡器后,再进入分流壁上方的干涉区。由于射流的附壁效应和扰动,其中大量液流们向一边,比如左边扩压管。进入扩压管的大量液流经共振器的喉管进入共振腔,少量液流则由于喉管的节流作用和扩压管底部压力升高,进入反馈通道,返回左边控制孔。随着左边控制孔的压力和流量的增加,控制孔射流与主喷嘴射流交汇,合成射流将偏向干涉区右边。右边也进行同样的过程,从而完成一个循环。由于左右出口交替间断出液,所以左右出口的脉动压力波相位相反。
  油田常用振荡器主要技术参数为;
  脉动压力幅度:5MPa;
  振荡频率:1.6~2.0kHz;
  最大外径:114mm ;
  总长度:760mm。
  (三)射流振荡压裂技术处理
  油层机理射流振荡压裂技术的最突出的特点是可以降低施工压力,提高加砂速度。地层岩石在脉冲压力产生的交变应力作用下,地层表层产生周期性的张压应力,由于地层的抗张强度低,所以脉冲动压力可以降低岩石的结构强度,使破裂压力比静水破裂压力低,容易在地层产生微裂缝,并加速扩展和延伸现有裂缝。另一方面,由于压裂液受到脉冲压力的扰动,支撑剂的沉降速度大大降低,压裂液携砂能力大大提高,从而尽快把支撑剂输送到缝端,改善铺砂剖面,达到饱填砂的目的,进而提高压裂效果。
  (四)施工工艺
  1.井下工艺管柱射流振荡压裂技术施工工艺简单,除在喷砂器上接上射流振荡压裂工具外,其他与常规压裂相同。
  2.应用范围射流振荡压裂技术由于其工具特点可以适用于:
  (1)单层压裂;
  (2)多层压裂的底层压裂;
  (3)高砂比压裂;
  (4)限流压裂。
  (五)应用效果自1996 年10 月下旬以来,吉林油田在采油二厂、红岗采油厂、新立采油厂共施工6 口井。
  施工压力平均降低26.7%,破裂压力降低20.8%,即脉动压力作用下的破裂压力是静态破裂压力的0.79 倍,砂比则平均提高37.3%。可见,射流振荡压裂技术达到了预期的效果,即具有降低施工压力和破裂压力,提高加砂速度的作用。
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