超声波解除岩心钻井液堵塞实验研究.pdf

2 0 1 4年 1 月 第 2 9卷第 1期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u rna l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n J a n ．2 0 1 4 Vo l _ 2 9 No ． 1 文章编号 1 6 7 3 -06 4 X 2 0 1 4 0 1 - 0 0 7 6 - 0 4 超声 波解 除岩 心钻 井液堵塞 实验研 究 谷潇雨 ， 蒲春 生2 ， 王蓓 ， 李天太 ， 许洪星 ， 胡晓龙4 1 ． 西安石油大学 石油工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 中国石油大学 华东石油工程学院， 山东 青岛 2 6 6 5 8 0 ； 3 ． 长庆油田公司 油气工艺研究院， 陕西 西安 7 1 0 0 1 8 ； 4 ． 中石油新疆油田公司 采油二厂， 新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 8 摘要 利用自主研制的超声波采油动态模拟实验装置和钻井液堵塞的人工岩心样品， 开展了超声波 解除岩心钻井液堵塞实验研究， 分析了超声波功率、 频率、 处理时间及岩心渗透率等参数对解堵效 果的影响， 并将超声波、 化学剂单独解堵与超声波 一 化学复合解堵效果作 了对比。研究结果表明 超声波功率越大， 解堵效果越好； 随超声波频率降低， 解堵效果有变好的趋势； 超声波累计处理 8 0～ 1 2 0 m i n ， 解堵效果最佳； 岩心渗透率越低， 超声波解除钻井液堵塞效果越好； 超声波 一 化学剂复合 解堵效果明显优于二者单独解堵效果。 关键词 超声波解堵 ； 钻 井液伤害； 实验研究 中图分类号 T E 3 5 7 ． 4 文献标识码 A 目前 ， 针对钻井液堵塞严重的储层 ， 通常采取强 氧化剂复合酸化解堵 ， 但措施成本较高 ， 且对人员及 环境存在安全 隐患。超声波解堵技术具有高效低成 本 、 对环境及储层无污染 、 储层适应性强等特点 j 。 近些年， 随着超声技术的长足发展， 超声波解堵技术 的优势逐渐凸显， 逐步引起国内外石油工作者的重 视 ， 先后开展 了大量 的室 内研究和矿 场试 验工作。 但针对特定污染类型的超声波解堵效果、 影响因素 及规律仍缺乏系统研究， 尤其是针对超声波解除钻 井液堵塞的研究鲜有报道。本文利用 自主研制的超 声波采油动态实验装置和钻井液伤害的人造均质岩 心样品 ， 开展超声波处理近井钻井液堵塞室 内模 拟 研究， 分析了超声波频率、 超声波功率、 处理时间及 岩心渗透率等参数对超声波解堵效果的影响规律， 并将超声波、 化学剂单独解堵与超声波 一 化学复合 解堵效果作了对比 。 1 实验原理与方法 1 ． 1 实验装置 实验使 用 自 的超 声 波 采 油 动 态实 验 装 置 图 1 ， 该装置根据波动采油原理、 驱替机理等模拟 地层压力、 温度条件， 借助于计算机技术、 传感器技 术对岩心进行各种实验 ， 以研究超声波场对岩石 、 流 体、 储层堵塞物的物化性质影响规律； 模拟油藏在超 声波场条件下岩心伤害后渗透率恢复情况， 进行波 场近井处理效果室内评价等。装置主要包括 I S C O 泵 、 高温高压中间容器 、 环压泵 、 特制岩心夹持器 、 超 声波换能器、 超声波发生器、 压力及流量计量系统、 恒温箱等 图 1 。装置 的核心是超声 波系统 ， 其工 作原理是将由大功率超声波发生器产生的高频电信 号经特种传输电缆传至压电发射换能器， 经换能器 将高频电信号转化 为超声波后传输到岩心截面 ， 完 成超声波处理过程。为了研究各因素对超声波解堵 收稿日期 2 0 1 3 1 1 - 2 0 基金项目国家科技重大专项课题“ 低渗透油藏大功率谐振波 一化学复合驱技术研究” 编号 2 0 l 1 Z X 0 5 0 0 9 0 0 4 作者简介 谷潇雨 1 9 8 9 一 ， 男 ， 硕士研究生， 主要从事复杂油气藏强化开采理论与技术方面的研究。 E ma i l g u x i a o y u 0 1 2 5 1 6 3 ． c o m 谷潇雨等 超声波解除岩心钻井液堵塞实验研究 一7 7 一 效果的影响 ， 实验选择的超声波参数见表 1 。 图 1 超 声波采油动态模拟 实验装 置 Fi g ． 1 S c h e m a t i c d i a g r a m f o r dy n a mi c s i mu l a ti o n e x p e r i me n t o f ult r a s o n i c a s s i s t e d o i l p r o du c t i o n 表 1 不同超声波换能器参数 Ta b． 1 Ul t r as o n i c p a r a me t e r s 1 ． 2 实验材料与药品 氯化钠、 氯化钾、 氯化镁、 盐酸、 氢氟酸等， 分析 纯。胜利 油 田钻 井 液 s L Z J Y； 人 造 岩 心 直径 2 ． 5 c m， 长8 c m ， 气测渗透率分别为3 0 1 0 ～ m ， 8 0 1 0 ～ m ， 1 5 01 0一 m ； 蒸馏水 ； 标准盐水 组分质 量配比 N a C I C a C 1 2 Mg C 1 2 6 H 2 07 0 ． 6 0 ． 4 ， 矿 化度 2 0 0 0 0 m g ／ L 。 1 ． 3实验方法 1 岩心饱和标准盐水 ， 放入夹持器加环压后 ， 开始水驱， 待岩心两端压差稳定后， 按达西定律计算 岩心初始液i 贝 0 渗透率 K ； 2 停止水驱 ， 反 向注入 2倍孔隙体积的钻井 液 ， 关闭岩心两端 阀门 2 h ； 3 正向开始水驱， 待岩心两端压力稳定后， 计 算钻井液伤害后岩心液测渗透率 K a ； 4 压力稳定后， 开始使用 1 号换能器间歇式 处理岩心 作用 1 0 m i n间歇 5 m i n ， 待累计处理时 间达到 6 0 m i n 后， 停止超声波处理， 计算超声波处 理后岩心液测渗透率 K f ； 5 重复 1 一 4 ， 分别改用 2 6号换能器 处理岩心。 以岩心渗透率恢复率 K 一 ／ K i 为评 价指标 ， 优选出解堵效果最佳 的超声波换能器 ； 6 重复 1 ～ 3 ， 使用优选出的换能器， 改 变超声波累计处理时间 ， 研究处理时 间对解堵效果 的影响 ； 7 重复 1 一 3 ， 待 稳定后 ， 反 向注入 2 倍孔隙体积盐酸质量分数 9 ％、 氢氟酸质量分数 3 ％ 的土酸溶液 ， 正向水驱 ， 直至岩心两端压力稳定后 ， 计算化学剂解堵后 的岩心渗透率。 8 重复 1 ～ 3 ， 使用优选 出的换能器在最 佳处理参数 频率 2 2 k H z 、 功率 1 0 0 0 W 、 时间 6 0 m in 情况下， 与土酸溶液复合解除岩心钻井液伤 害。复合处理结束后 ， 待岩心两端压力稳定时， 计算 超声波 一 化学复合解堵后的岩心渗透率。 2结果与讨论 为了优选解除钻井液伤害效果最佳的超声波换 能器 ， 对比超声波累计处理时间均为 6 0 mi n情况下 的解堵效果 ， 结果见表 2 。 表 2 超声波累计处理6 0 mi n解除岩心钻井液伤害结果 Ta b． 2 Re mo v i ng c o r e d a m a g e r e s ul t s by ul t r a s o ni c t r e a t i n g 6 0 mi n 1 5 1 1 52 1 53 1 54 l 55 1 56 1 2 6． 7 2 1 1 7． 6 6 1 1 5． 5 O 9 9 ． 43 l1 4． 6 7 1 3 5 ． 8 8 5 8． 5 9 5 0． 2 6 5 2． 8 0 5 2 ． 2 3 5 2． 51 5 7． 4 3 8 O． 1 3 7 3． 9 6 7 3． 9 2 5 8 ． 0 9 5 9． 1 4 7 0． 5 2 1 7 ． o o 2 0． 1 4 l 8． 2 9 5． 9 0 5． 7 8 9． 6 3 一 7 8 一 西安石油大学学报 自然科学版 由表2可以看出， 超声波处理后， 各组实验中岩 心渗透率均有不同程度的提高， 表明超声波能有效 解除岩心钻井液伤害。其中， 在岩心气测渗透率 3 O 1 0一 m 和 1 5 01 0～ m 段中 2号超声波换能 器解除钻井液效果最佳， K K d ／ K i 最大值分别 为2 6 ． 3 9 ％、 2 0 ． 1 4 ％ ； 岩心气测渗透率 8 01 0 ～ m 段 中 3号 超 声 波 换 能 器 解 堵 效 果 最 佳 ， K 一 ／ K 最大值为 2 3 ． 1 9 ％。受多种因素诸如岩心物 理性质、 超声波换能器形状和处理参数等影响， 1 、 2 、 3号换能器与 4 、 5 、 6号换能器实验 中超声波解除岩 心钻井液伤害效果相差较大。从整体效果来看， 2 号换能器为优选结果 。 2 ． 1 超声波功率对解堵效果的影响 不 同超声波换能器对解堵效果的影响曲线见图 2 。由图 2可知 ， 1 、 2 、 3号超声波换能器解 除岩心钻 井液堵塞效果明显优于 4 、 5 、 6号超声波换能器 ， 这 主要受控 于超声波换能器功率大小 1 、 2 、 3号超声 波换能器功率均为 1 0 0 0 W， 3号和 4号超声波换能 器功率仅为6 0 W， 6 号超声波换能器功率为2 0 0 W。 超声波换能器功率越小， 则岩心实际得到的能量越 少， 超声波解堵效果变差。超声波解除岩心钻井液 堵塞效果与实际作用到岩心上的超声波能量大小有 关， 而作用到岩心上的超声波能量与换能器功率大 小有直接关系。 彗 琴 图2 不同超声波换能器对解除岩心钻井液伤害的影响 Fi g ． 2 Re mo v i n g c o r e d a ma g e r e s u l t s o f d i ffe r e n t u l t r a s o n i c t r a n s du c e r s 2 ． 2 超声波频率对解堵效果的影响 为了研究超声波频率对解堵效果的影响， 分别 将功率相同的超声波换能器解堵结果作对 比， 见 图2 。由图2可知， 功率相同的 l 、 2 、 3号超声波换 能器解堵效果相差不大， 频率稍低的2号超声波换 能器解堵效果稍优于高频率的 3号换能器； 4号和 5 号超声波换能器功 率相 同， 频率相对较低的 4号超 声波换能器解堵效果稍好； 1 号超声波换能器频率 低 ， 但解堵效果较 2号和 3号换能器差。分析是 由 于其频率为 1 8 k H z ， 超声波能量会以声的形式耗散 掉一部分 ， 同时， 其岩极距 换能器端面到岩 心的距 离 较长， 且中间充满液体 ， 加剧了超声波能量的耗 散。以上结果表明， 超声波频率对超声波解 除岩心 钻井液堵塞影响并不显著， 但从整体上有随频率降 低解堵效果变好的趋势。超声波在液体中的传播衰 减系数与频率的平方成正比， 故频率越大超声波衰 减系数变大 ， 超声能量的耗散也就越严重。 2 ． 3 岩， 渗透率对解堵效果的影响 用 1 6 号超声波换能器分别处理被钻井液伤 害的不同渗透率岩心的效果如图 3所示。由图可 知， 不同超声波换能器得到的实验曲线变化趋势基 本一致， 即岩心渗透率越小， 超声波解堵效果越好。 这与实验用到的钻井液种类有关 ， 所用钻井液为低 固相聚合物钻井液， 岩心伤害主要是由聚合物堵塞 引起 。这样随着岩心渗透率的增加 ， 岩心孔道半径 增大， 则聚合物在岩心孔道中更易形成强度较高的 网状结构 ， 从而增加了超声波解堵难度 ， 导致超声波 解堵效果变差。 蓦 接 图3 岩心渗透率对超声波解除钻井液堵塞效果的影响 Fi g ． 3 Effe c t o f c o r e p e r me a b i l i t y o n ul tra s o n i c r e mo v i n g c o r e d am a g e r esul t s 2 ． 4 处理时间对解堵效果 的影响 使用优选出的 2号换能器处理气测渗透率为 3 0 1 0 一 m 、 1 5 01 0 ～ m 段岩心 ， 使 用 3号超 声波换能器处理 8 01 0 ～ m 段岩心 ， 研 究超声波 处理时间对解堵效果的影响 ， 结果见 图4 。3个渗透 率段的岩心在超声波初始作用阶段 O～ 4 0 m i n ， 岩 心渗透率的恢复率均大幅度提高； 随着处理时间的 增加， 累计处理 6 0 ra i n 后， 渗透率的恢复率逐渐平 稳； 累计处理 8 0～ 1 0 0 m i n 后， 各渗透率段岩心渗透 率的恢复率均取得最大值， 说明超声波解除钻井液 效果达到最佳。累计处理时间对解堵效果的影响主 要受控于超声空化 现象 。空化 时瞬问产生的高温 、 谷潇雨等 超声波解除岩心钻井液堵塞实验研究 ．--- 7 9 ---- 高压及伴随产生的剧烈冲击波和高速微射流能有效 剥离堵塞微粒 ， 扩大岩心孔隙半径 、 解离聚合物大分 子， 显著降低流体黏度。但较长时间的空化现象将 造成超声能量的大量耗散 ， 减少实际作用到岩心上 的能量 。同时 ， 岩心出 口端超声空化产生 的激波及 高压不利于流体流出， 表现为测得的渗透率有所降 低 。故从作用效果与经济角度考虑 ， 超声波处理时 间存在一个最优范围。本实验最优处理时间为 6 0 mi n 图 4 超声波累计处理时间对解除钻井液堵塞效果的影响 Fi g． 4 Effe c t o f t r e a ting t i me o n u l t r a s o n i c r e mov i n g c o r e d a ma g e r e s u l t s 2 ． 5 超声波辅助化学解堵效果评价 超声波解除岩心钻井液堵塞主要是靠超声空 化、 机械振动等作用， 与化学法解除钻井液堵塞机理 明显不同， 二者复合使用利用其协同效应提高解堵 效果。实验使用优选出的超声波换能器在最佳超声 波处理参数下 频率2 2 k H z 、 功率 1 0 0 0 W、 时间 6 0 m i n 做超声波 一 化学复合解堵实验， 并与单独超声 波 、 化学剂解堵效果作对 比， 见表 3 。 表 3 超声波、 化学剂及其复合解堵效果比较 Ta b． 3 Re s u l t c o mp a r i s o n o f ul t r a s onic，m u d a c i d a nd ul t r a s o n i cmu d a c i d c o m b i na ti o n de p l u g g i n g 由表 3 可以看出， 超声波 一 化学复合解堵效果 明显优于单独超声波、 单独化学剂解堵效果， 复合解 堵与二者单独解堵效果相比， 岩心渗透率的恢复率 提高了2 1 ％ ～ 3 1 ％。超声 一 化学复合作用解除岩 心钻井液堵塞除了兼有超声波解堵机理和化学解堵 机理外 ， 超声波和化学剂还能产生协同效应 超声波 能提高化学剂的活性 ， 促进化学反应进行 ， 提高化学 解堵效果； 化学剂作用， 可降解部分有机大分子， 且 化学作用能改变钻井液固相微粒在孔道 中的受力状 态 ， 使超声波解堵 、 疏通孔道等效果变得更加显著 。 3 结 论 1 超声波作用能有效解 除岩 心钻井液伤害 ， 单独超声波处理岩心渗透率的恢复率可达 2 7 ％。 2 岩心初始渗透率、 超声波累计处理时间、 超 声波功率及频率等均会影响超声波解堵效果。超声 波功率越大， 解堵效果越好； 超声波频率对解除岩心 钻井液堵塞效果影响不大， 但超声波频率降低， 解堵 效果 有变好 的趋势 ； 超 声波 累计处理 时间达 到 6 0 m in 后， 岩心渗透率的恢复率趋于平稳， 累计处理 8 0～1 2 0 m i n ， 超声 波解除钻井液堵塞效果最佳 ； 岩 心渗透率越低， 超声波解除钻井液堵塞效果越好。 3 超声波 一化 学剂具有协 同效应 ， 复合解堵 岩心渗透率 的恢 复率平 均可达 5 0 ． 9 3 ％ ， 复合解堵 效果明显优于二者单独解堵效果。 参 考 文 献 [ 1 ] 杨莉， 姚建华 ， 罗平亚． 钻井液常见污染问题及处理方 法探讨[ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 1 2 ， 2 9 2 4 7 - 5 0 ． [ 2 ] H i g d o n ， M u l d o w n e y ． R e s i s t a n c e f u n c t i o n s f o r s p h e r i c a l p a r t i c l e s ， d r o p l e t s a n d b u b b l e s i n c y l i n d ri c a l t u b e s [ J ] ． J o u r n a l o f F l u i d Me c h a n i c s ， 1 9 9 5 2 9 8 1 9 3 2 1 0 ． [ 3 ] B i o t M A ． T h e o r y o f p r o p a g a t i o n o f e l a s t i c w a v e s i n a fl u - i d s a t u r a t e d p o r o u s s o l i d L o w f r e q u e n c y r a n g e[ J ] ． J A c o u s t S o c A m e r ， 1 9 5 6 a ， b 2 8 1 6 8 1 7 8 ， 1 7 9 - 1 9 1 ． [ 4 ] D v o r k i n J ， N u r A． D y n a m i c p o r o e l a s t i c i t y A u n i f e d mo d e l w i t h t h e s q u i r t a n d t h e B i o t me c h a n i s m s [ J ] ． G e o p h y s i c s ， 1 9 9 3 ， 5 8 4 5 2 4 - 5 3 3 ． [ 5 ] D v o r k i n J R， N o l e n H o e k s e ma ， N u r A ． T h e s q u i r t fl o w m e c h a n i s m ma c r o s c o p i c d e s c ri p t i o n [ J ] ． G e o p h y s i c s ， 1 9 9 4， 5 9 3 4 2 8 43 8 ． [ 6 ] D v o r k i n J ， Ma v k o G， N u r A ． S q u i rt fl o w i n f u l l y s a t u r a t e d r o c k s [ J ] ． G e o p h y s i c s ， 1 9 9 5 ， 6 0 1 9 7 1 0 7 ． [ 7 ] P o e s i o P ， O o m s G ． R e m o v a l o f p a rt i c l e b ri d g e s f r o m a p o r - O U S m a t e ri a l b y u l t r a s o n i c i r r a d i a t i o n[ J ] ． T r a n s p o rt i n P o r o u s Me d i a ， 2 0 0 7， 6 6 2 3 5 - 2 5 7． [ 8 ] H a mi d a T ． T h e I n fl u e n c e o f U l t r a s o n i c E n e r g y o n C a p i l l a r y F l u i d D i s p l a c e m e n t[ J ] ． S P E， 2 0 0 6 ， 1 0 6 5 2 1 一 S T U 1 3 0． 责任编辑 贺元旦