声波采油技术

带地层的污染和堵塞，以增加油井产量。
1 超声波的作用及作用效应
1）超声波的作用
①线性的交变振动作用
这是指超声波在介质中传播时，引起介质粒子作交变振动 产生作用。如其位移振幅度为A，则振速振幅为，加速度振 幅为，它将引起介质中应力或声压作周期性变化，从而产生 一系列的次级效应。
②激波作用
大振幅振动在介质中传播时会形成锯齿形波面的周期性 激波，在波面处造成很大的压强梯度，因而能产生局部高 温庙坟等一系列特殊效应。
中，液体中的气泡可以逐步生成和扩大，然后突然破灭。在这 急速的气泡崩溃过程中，气泡内出现高温高压，气泡附近的液 体中也形成局部的、但很强烈的激波。因此，就可以产生一系 列次级效应．如化学效应、声致发光、分散作用和乳化作用等
等，在液体中进行的超声处理技术，几乎大多数都与空化作用
有关。
2）超声波对油层的作用
70年代，前苏联首先发展了大功率电力超声油井处理装置，并在现场应用取得 了成功。声波处理地层的成功为前苏联油田的开发展示了广阔的前景。
80年代，前苏联在曼格什拉克、西西伯利亚、格鲁吉亚、鞑靼等油田进行了更 深入的现场试验，同时也探讨了将声波与酸化、压裂等常规的增产增注措施结合 起来的可能性。随着采油技术的日益成熟，声波采油设备的进一步完善，前苏联 也开始形成了一套声波处理油井油层的工艺方法并确定了各种声波设备的适用范 围为更加合理地处理各类油层，提高处理效果提供了科学依据。 90年代，声波采油技术及采油声学已经形成一门新兴学科。美、前苏联在这一 领域的研究十分活跃，在较大范围内开展声波驱油、解堵、降粘等项目的机理研 究和现场试验，均见到了较好的效 果。
第三就是声波的热作用，声波穿过介质时，介质吸收一定的 声能，引起局部高温，这对于降粘熔蜡有一定的作用。
声波的这些特点和物理作用为声波采油技术提供了理论依据。
从上述的声波作用原理中可以看到声能是研究声波传播的最重要的因素。因为 声波频率和油层有关性质(渗透率)与声能在地层中衰减直接相关。
二） 声波在油层中的传导和衰减特征
处理油层工艺。
发展背景
随着二次采油的不断进行，油层条件变差，开采难度日益增加。 三次采油 ：
聚合物驱，（提高原油采收率，采油成本较高、注入困难、对油层有不同程度的伤害、产
出水处理困难）聚合物驱的应用范围有所限制 若水驱采收率按30％～40％计算，聚合物驱可以提高采收率10％～15％，则聚合物驱后仍有 半数原油遗留于地下，需要采用其他四次采油技术进行开采。 物理法采油技术 国内外许多室内实验和矿场试验都已表明，利用物理场作用于油藏，可以大大地提高原油 采收率，声波采油技术就是其中方法之一。
1）温度对声速的影响
两种混合液中声速的表达式为：
C，声速； T，温度；
1、 2、1、 2，两种液体的绝热压缩 系数和密度； N、 1－N，两种液体所占的比例 ；
分析声速表达式可知，随着温度增加，混合液的声波传播速度降低 。
2）压力对声速的影响
含气原油中声速与压力关系曲线
密度为0.959g/m3的原油中声速与压力关系曲线
③定向作用
振动的非线性会引起一些赢流定向力，其中最主要的 是沿声的传播方向的辐射压强，此外还有可以在粒子之间 引起相互靠近的伯努利力，由粘度的周期性变化而引起的 直流平均粘滞力等等，这些直流力可以使流体介质产生一 定的方向作用、凝聚作用等力学效应。
④空化作用
这是仅能在液体介质中出现的一种重要的基本作用，在声场
纵波声速vP，衰减品质因素QP与饱和度的关系
4）重度对声速的影响
图中给出了在0.7MPa 以及22.8～80℃之间声速与 重度之间的关系曲线。图中 曲线表明，不论在低温还是 高温下，声速随重度的增加 而递减 。
声速与重度关系曲线
三）超声波采油技术
超声波采油技术是利用超声波的振动作
用、空化作用等作用于油层，解除近井地
整个岩层的结构。
③提高油层的渗透率 A、降低毛管压力
油层未受声波扰动时，受力平衡；当受到超声波作用时，其内部会 产生一些直流定向力，破坏油层原有的压力平衡，使毛管半径发生时 大时小的变化。

E表面－E相内
r 2
2( E表面－E相内 ) 2 p cos cos 3 r r
当毛管半径变大时，表面张力就以半径的平方形式缩小，毛 管压力就以半径的三次方形式缩小，这就使原来毛管力和重力的平 衡关系被打破，束缚在毛细管中的残余油就会在重力与声波的振动 作用下流入井内。
声波作用原理：
首先是它的机械作用，声波能迫使介质做激烈的机械振动， 并产生强大的单向力作用。
其二是空化作用，当在声波作用下，液体发生共振时，在声 波稀疏阶段，小泡迅速涨大；在声波压缩阶段，小泡又很快地 湮灭，在湮灭瞬间，泡内的温度和压力可达几千度和几千乃至 几万个大气压。从而导致流体的一些性质发生变化。
(2)声波传播时，介质中稠密和稀疏过程都是绝热的。 (3)假设在介质中传播的是小振幅声波，各声学参量都是一 阶微量。 (4)只考虑一维情况。 (5)假设声压在多孔介质骨架中的波动与其在孔隙流体中的 波动情况相同，即完全可以通过研究声场中的流体来研究油 层。
2 ）一维传导时声波衰减特征
①声波频率对能量衰减的影响
流体粘度对声压衰减的影响
流体粘度对振速衰减的影响
声波的能量、声压和振动速度在较高粘度的地层中要比在低粘度 的地层中衰减得快。即流体粘度越高，声波在其中衰减得越快。
2 声波在油层中的径向传导 1） 物理模型和假设条件
将如前所述声波的一维传导假设条件中， 改成“考虑径向渗流情况”，假设流体渗流符 合达西定律。
发展历程
我国率先进行探索的是华北油田。该油田于1981年在南马庄进行了声波 破乳、降阻的冷输抽油试验。随后又做了声波增产试验，见到了良好效
果。
后来，大庆石油管理局与成都换能技术研究所共同研制成功了超声驱 油系统的首台样机。这是声波采油技术的一项重大突 破，填补了我国声
波采油领域的一项空白。1987年冬及1990年在玉门油田用此样机进行了现
场试验。经过测井证明，油田物性明显好转、流动系数、流度比、地层 系数以及渗透率等均大幅度提高。 随后，辽河、华北、吉林等油田也发表了各自的调研报告。尤其是近 几年来包括声波采油等一些物理采油技术已作为推广项目在油田应用， 由此引起全国各油田普遍重视。各油田结合自己的特点，开展声波采油 技术的研究与实际应用，声波采油在我国已显示了广泛的应用前景。
声波频率对声压衰减的影响
声波频率对振速衰减的影响
即声波频率越高，流体中的声压衰减得越快，振速随距离衰减得越快。 因此在地层中传递的声波，其能量随距离逐渐减小，而声波频率越高，声波 能量衰减得越快，即低频率的声波能量在地层中能传递得远一些。 要处理近井5～6m范围的区域，可选择频率为50Hz的声波；要处理距井底 l2m以外的区域，选择频率为10Hz的声波。
②油层渗透率对声能衰减的影响
径向流条件下渗透率对声压衰减的影响
径向流条件下渗透率对振速衰减的影响
对同一频率的声波在不同渗透率的地层中传播时，声波能量、声压和 流体振速在较高渗透率的地层中要比在低渗透率的地层中衰减得慢。这与一维 情况所得结论一致 。 声能、声压和流体振动速度在径向情况要比一维情况衰减幅度大。
②油层渗透率对声波衰减的影响
在渗透率
渗透率对声压衰减的影响
渗透率对振速衰减的影响
图中可以看出，在渗透率高地层中流体的振动速度及声压的衰减速 度要比渗透率低的地层中衰减的速度慢 。 即： 同一频率的声波在不同渗透率的地层中传播时，声波能量、 声压和振动速度在较高渗透率的地层中衰减得慢。
③流体粘度对声能衰减的影响
1 声波在油层中的一维传导 1） 物理模型和假设条件
假设油层是由无数根直流管沿x方向平行排列组成，流管内 充满流体，管壁部分和流管之间△x的一段流管和其中的流体 做为研究对象。所取单元体如图所示。
图2－1 物理模型示意图
为了使问题简化，必须对介质及声波的作用过程做出一些 假定，这些假定条件是：
(1)介质的初始压强和初始密度都是常数。
B、提高渗流能力
a、强声场在液体中传播时，液体介质吸收波的能量而使 流体温度升高，粘度降低，渗流性增强。 b、强声场在液体中传播时，由于介质吸收了波的能量和 动量，流体会产生非周期性流动，形成声流。声流通常具有 涡旋性质 。 由于无声场作用时地下渗流呈指进形状，毛细管中心处的 流速远大于管壁处的声流速度，涡旋所产生的逆于渗流方向 的声流速度可以忽略，而在边界处声流引起的流动与流体渗 流方向一致，减弱了指进现象的发生，使整体运动速度得到 提高，从而提高了流量 。
②使油层产生微裂缝
石油、岩石和水的声特性阻抗是不同的，当超声波在
饱和石油和水的地层内传播时，不同介质内的声波之间发
生耦合作用，在自由界面或两种介质的交界处产生新波， 这种新波本身之间或新波与母波之间产生干涉作用，形成 应力集中的现象，称为会聚效应。会聚效应造成不连续的 应力分布，可在岩石抗拉强度较小处形成微裂缝而不破坏
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2 ）径向传导时声波衰减特征
①声波频率对能量衰减的影响
径向流条件下频率对声压衰减的影响
径向流条件下频率对振速衰减的影响
从图中可以看出，在地层中频率为10Hz的声波的声压和振速要比50Hz的声波 的声压和振速衰减得慢。 沿径向传播的声波能量、声压和流体振速要比沿一维方向衰减快得多，这是由 于在径向传播的情况下，能量的衰减除了由流体与壁面的摩擦作用引起的那部分 外，还应包括由于波阵面的面积随传播距离成正比扩张而引起的波强的衰减量。
二 声波采油技术
定义：用声波处理油层，实际上是将声波作用于固体和液体，即作
用于多孔介质岩石骨架和孔隙中的饱和流体(石油、水和天然气)，使 多孔介质在波动作用下发生某些有利于流体在其中流动的变化，从而
达到提高油井产量和油层原油采收率的目的。
分类：根据对油层的作用方式不同，声波采油技术可分为超声波采
油技术、水力振荡解堵技术、井下低频电脉冲采油技术，及低频振动
一）声波的性质及作用原理
声波的性质：
质点有规则地运动称为波动。波在传播方向上能传递能量， 在波穿过的地方，波发生周期性地振动。 声波是纵波，能在任何介质中(气体、液体和固体)传播。 声波的穿透能力很强，可以很容易地穿过电磁波无法穿透 的油、水层。 声波的方向性好，能定向传播。
声波的传播速度和能量衰减与介质的性质有关。
曲线表明，在较重原油中，声速几乎随压力呈线性增加；对于含气原油(轻质 原油)在较低压力时，声速随压力的增加而下降，在较高压力时，声速随压力的 增加而呈线性增加。
3）流体饱和度对声速的影响
对于纵波而言，在 低饱和度时，砂岩中声波 衰减随饱和度增大而增大； 在部分饱和时，能量损失 加大；在完全饱和时能量 损失较小；如图所示，当 饱和度大于80％时，衰减 随饱和度增加又开始下降， 出现一个明显的峰值。
③流体粘度对声波径向传播的影响
径向流条件下流体粘度对声压衰减的影响
径向流条件下流体粘度对振速衰减的影响
由图中可以看出，声压和频率在流体粘度大的地层中衰减的快。 径向流条件下，声波在地层中的衰减特征与一维情况下一致，只是声压和 流体振动速度衰减幅度要比一维情况下的大。
3 声速在油层中传导的影响因素
①解除地层堵塞
由于超声波具有极强的穿透能力，可以穿透附面层，并引起油层的 固体介质和液体介质的非同相振动，从而破坏、剥落附面层，使“粘 着’’的颗粒脱落。 当超声波的强度和频率达到一定值时将产生空化现象，在地层的
裂缝或孔隙表面发生重复空化爆发，这些爆发所引起的瞬时主静压，
也可将粘附在孔隙或裂缝表面的颗粒炸掉，被流动着的流体迅速带 走，达到油层解堵的目的。 超声波在油层内的空化作用还可消除气阻现象。这是由于空化作 用是以油层内的气核为对象，气核在拉伸期间膨胀而具有一定的速 度。并靠着惯性达到最大值，在压缩期间迅速减小，直至崩溃，从而 消除气阻。
声波采油技术
作为声波采油技术，以其适应性强、具有明显的“增油控水效应"、工艺简单成本低、对油 层无污染以及与¨化学驱”优势互补等特点及特殊的性质，适合于对油层进行无伤害处理， 在油气田开采中可以发挥可观的作用。
发展历程
20世纪50年代，美国就开始了声波采油技术的研究，并且得到了成功和较快的 发展。 60年代是声波采油技术的实验研究和现场试行阶段。美国西佛吉尼亚大学进行 了提高原油通过岩层的渗透率的声波方法试验。实验表明，在声波的作用下，原 油通过毛细管的速度显著增加。这些实验的成功，为美国超声采油技术的发展奠 定了基础。