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第 7 卷第 2 期 2 0 0 9年 6月 中国工程机械学报 C HI NE S E J 0URNAL OF CO N l UC TI C lN MACHI NE RY V0 1 ． 7 No ． 2 J u n ． 2 0 0 9 地震 波增 加石油产 量机理研究 刘 挺 ， 刘 杨 ， 刘桂珍 ， 冯 霏 ， 闻邦椿 东北大学 机械工程学院 ， 辽宁 沈 阳 1 1 0 0 0 4 摘要 对地震增加原油产量的机理作了研究． 分析了振动对含油层的影响， 探讨 了制约非均匀裂隙多孔介质中 的渗流的3个基本因素 含油层应力梯度 、 渗透率和动力粘滞系数 ， 对比了地层与油层之间地震波不同的衰减特 征， 并对油井在振动时的响应特性以及原油在振动时的粘度变化做了实验研究． 关键词 地震波衰减；地震增油； 振动 中图分类号 T E 3 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 0 9 0 2 0 2 4 90 4 Me c hani s m s t ud y o n r ai s i ng p e t r ol e um pr o duc t i o n V l a Sel Sm l C W aVeS L／ U ，LI U Y a ng，L 1 U Gui - z h e n，F ENG Fe i ，WEN Ba n g - c h u n S c h o o l o f Me c h a ni c a l En g i n e e r i n g＆ Au t o ma t i o n，No r t he a s t e r n Uni v e r s i t y ，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4。Ch i n a Ab s t r a c t F i r s t l y， t h e me c h a n i s m o f r a i s i n g p e t r o l e u m p r o d u c t i o n v i a s e i s mi c wa v e s i s s t u d i e d ． Th e n ， t h e i mp a c t o n o i l - b e a r i n g l a y e r i s a n a l y z e d i n t e r ms o f v i b r a t i o n s ． Ne x t ， t h r e e c r i t e r i a ， n a me l y s t r e s s g r a d i e n t O f o i l - b e a r i n g l a y e r ， p e n e t r a t i o n r a t e a n d d y n a mi c v i s c o s i t y， a r e i n v e s t i g a t e d t o r e s i s t u n e v e n f r a c t u r e a n d mu l t i p o r o u s me d i a see p a g e ． S u b s e q u e n t l y， t h e a t t e n u a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s b e t we e n l a y e r a n d r e s e r v o i r a r e c o mp a r e d ． C o n seq u e n t l y， t h e v i b r a t i o n r e s p o n s e s t o o i l we l l a n d c r u d e o i l v i s c o s i t y a r e e x p e r i me n t a l l y e l a b o r a t e d ． Ke y wo r d s s e i s mi c wa v e a t t e n u a t i o n；sei s m- e n a b l e d p e t r o l e u m p r o d u c t i o n r a i s i n g；v i b r a t i o n 中国是一个石油的净进口国家， 随着我国经济的快速发展， 每年的石油进口量也在节节攀升， 2 0 0 7 年 进口石油约占2 亿 t 左右， 而相应的国内石油产量却没有太大的提高， 东部的几个大型油田， 如大庆油田、 辽河油田、 胜利油田， 已经相继进入油田开发的中后期， 在经历了注水开采、 注聚合物开采之后， 油田的高 含水率、 低渗透率等问题单靠过去的方法已经很难解决， 如何启动剩余油， 提高油田的最终采收率， 这一问 题摆在了人们面前． 1 地震增加油井产量方法的起源 最初发现振动对油井产量和采收率有影响的是对一些 自然现象的观察l 1 ] ． 1 9 3 8 年， 在前苏联老格罗 兹尼油田的天然地震中发现油井产油量提高的现象； 1 9 4 8 年， 前苏联北高加索 S t a r o g r o z n e n s k y e 油田， 在 一 次地震后产量增加了4 5％； 1 9 9 3 年， 美国加利福尼亚的 L a n d e r s 地震使得该地区的含水层压力出现了 明显变化， 地震观察结果表明， 流体压力随振动增长了3 ． 3 倍， 并按指数规律衰减， 持续时间为几天至几 周； 我国在2 0 世纪 7 O 年代发生海城、 唐山两次大地震之后 ， 辽河、 大港、 胜利油田的部分油井石油产量明 显增加． 以上分析表明， 地震会使油层的水动力学系统受到影响， 油藏压力和井下液面发生变化； 会使油层 作者简介刘挺 1 9 7 8一 ， 男 ， 博士生 ． E - ma i l l l l t q 1 2 6 ． c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 7卷 渗透率显著增加， 油井产液量成倍增长； 会使孤立的剩余油滴启动、 聚集、 运移和重新分布， 油井产油量增 加、 含水率下降、 废弃的油井重新出油． 振动作用面积大小及效果随位置发生变化， 使多15油井受到影响， 受影响的井产量有升有降． 2 地震波在油层 中的衰减机制 2 ． 1 散 射 散射是波在传播时， 由于介质的不均匀性而产生的能量不规则漫射． C h e r n o v 1 9 6 0 年应用随机介质 中的标量波传播理论处理了地震波的散射问题． 这一历史性的工作开了地震波散射理论之先河． A k i ， C h o u e t ， S a t o 等人分别于 1 9 6 9 年、 1 9 7 5 年和 1 9 7 7年应用 C h e r n o v的随机介质中标量波单次散射理论模 拟了地震尾波的生成 ． 1 9 8 0年 ， A k i 应用上述理论分析地震尾波时发现 ， 短周期地震波衰减可用介质非均 匀效应引起散射衰减来解释． 1 9 9 8 年 S e i f e r t 等人做了一个实验， 分别将不混溶液体 异十二烷、 异辛烷、 氟利昂等 和水冲填到未固结的砂层孔隙中、 发现波的衰减随非水相的不混溶液体的饱和度增加而增大， 在通过数值模拟比较， 表明衰减主要由散射所致． 但是弹性散射只有在声波信号的波长接近于不均匀体大 小时才是明显的． 此外， 1 9 9 7年 G u r e v i c h 等人也研究了在细微层状孔隙岩石中的散射对衰减的影响． H u d s o n J ． A ． ， K n o p o f f [ ] 研究发现波通过线性复合介质 如含小尺度包体或裂纹的复合介质 时将发生衰 减， 首先是因为流体和其他充填物的粘性将导致能量耗散[3 ] ， 其次是由于能量散射离开信号方向转变成噪 声或尾波． 在波长相对于包体的体积很大时， 由散射导致的衰减依赖于频率 的 4次方 ， 而由裂纹 中的牛顿 流体粘性造成的衰减是频率的 1 次方， 所以在低频情况下， 裂纹壁上的衰减主要是由散射造成的[ 4] ． 2 ． 2 电化学作用和毛细管作用L 5 ] 岩石中湿润相的化学性质在控制耗散方面也是重要的， 1 9 8 1 --1 9 8 4年 C l a r k等人证明了水润湿的岩 石在加入少量流体时就有最大的吸收， 孔隙流体引起的吸收与它们的可湿性、 分子的偶极矩及含氢量成比 例关系． 在低流体饱和度和低压力时， 流体薄膜与硅表面的电化学相互作用可能是十分重要的嘲． 尤其在 浅的油侵储层， 由于表面的不同电化学性质， 碳酸盐岩与硅质岩对地震波能量吸收会有较大的不同． 2 ． 3 岩石颗粒间的摩擦滑移 在干燥岩石中， 颗粒之间的摩擦滑移起着重要的作用． 通常认为， 地震波在岩石骨架中的衰减由2 个 因素引起 即基质矿物的固有滞弹性和颗粒界面或裂隙表面的相对运动引起的摩擦耗损． 一般来说， 前者 对衰减的作用较小， 主要以摩擦滑移的作用为主． 但据 N u r 等人的研究， 在应变大于 1 0 的强震条件下， 岩石颗粒间的内摩擦作用才是吸收衰减的主要方式． 3 地震对含油层的影响 实际的含油层可视为裂隙性多孔介质， 通常在地表下几百至几千米的深度， 因此处在一定的应力和温 度状态． 当油层内部存在压力梯度时， 含油层中的油液便会表现出一定规模的渗流运动． 对于一口通向地 表的油井 ， 这种渗流向井 口的汇集便形成喷油 ． 由描述渗流运动的 D a r c y 定律 可知， 无论是岩块系统还是裂隙系统， 决定渗流速度有 3 个因素 含 油层的压力梯度、 渗透率和粘滞系数． 压力梯度取决于采油层内外的力学状态； 渗透率与系统的孔隙度、 颗 粒大小等几何结构有关， 颗粒越粗， 裂隙越多， 渗透率越高； 粘滞系数则与油液的物理性质及状态有关， 与 渗流速度成反比， 油液越粘， 渗透越慢． 作为整个含油层系统来说， 平均渗流速度还取决于2 个子系统间的互渗交换 p a ． p2一P1 1 V 式中 l0 为流体密度； a为量纲一系数， 代表岩块与裂隙间的互渗强度； 7 为粘滞系数； P ， P 2 为 2 个子系统 之间的压力． 在裂隙性的含油层中， 岩块的孔隙度一般较大， 但渗透率较小； 而对于裂隙， 恰好相反， 孔隙度远小于 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 刘挺 ， 等 地震波增加石油产量机理研究 2 5 1 岩块孔隙度， 但它的渗透率却远大于岩块的渗透率， 裂隙系统是含油层中油液渗流的主通道． 当油井喷油 时， 裂隙中的油液在压力梯度的作用下首先向压力最低的井口渗流． 而岩块系统中的油液随裂隙中的压力 的降低以式 1 形式在压差作用下向裂隙渗透． 由于岩块中的渗透率远小于裂隙中的渗透率， 因此， 除含油 层在采油过程中压力梯度不断减小外， 每一油井经一段时间开采后， 均会出现因岩块系统中的油液来不及 补充裂隙系统， 而使采油量降低的现象． 为了提高渗流速度和强度， 可增加含油层中的压力梯度， 提高渗透 率和互渗强度以及减小粘滞性 ． 3 ． 1 地震对渗流的影响 当地震波作用于油层时， 使含油层内部压力， 在原有的压力项上多加了一项动扰力． 这样也就增大了 它与扰动源周围之间的压力梯度， 从而使渗流速度提高． 根据断裂力学原理， 在地震波的作用下， 油层的裂 隙性多孔介质中近垂直向的裂隙， 都将趋向张开， 从而使裂隙中的压力减小， 渗透率增大． 于是， 岩块系统 和裂隙系统之间的压力差 A pP z ～P 增大， 根据式 1 ， 这一结果有利于使岩块系统中的油液向裂隙中 交换渗透， 提高了渗透强度． 当岩石其他性质不变时， 渗透率主要取决于岩石空隙度的变化， 渗透率 与 孔隙度 成正比关系 ， 即 ～ 。 ／ 1 一 。 ． 不难看 出， 由于裂隙张开 ， 孔隙度增大 ， 裂 隙渗透率必然增 大． 根据有关以原油为渗透介质的室内模拟实验结果[ 7 ] ， 可以看出 渗透流量变化幅度很大， 相当于生产油 井的间歇出油， 振动时， 间歇现象明显； 振动状态下渗流量也明显高于不振时渗流量； 对不同温度下的原油 粘度测试， 发现有振动时粘度降低． 3 ． 2 地震对粘滞性 的影响 含油层是地壳上层中的一种特殊地层 ， 由于具有较大的孔隙度并在孔隙和裂隙中充满油液， 既不同于 单纯固体介质， 也不同于单纯的粘滞液体． 这种含油层介质对于高频的振动可能是一种弹性固体， 而对于 地震波这种低频的振动， 它应当是介于弹性固体和粘性流体之间的一种过渡状态的物质． 对于过渡状态的粘弹性介质中的应力应同时满足弹性固体和粘滞流体中的表示 r 2 l l 伽 2 式 中 r为剪应力 ； 为剪切变量 ； l l 诸 为形变张量． 2 3 式中 为粘滞应力； 五 证 为形变速度张量． 对于粘弹性介质来说， 式 2 代表一种高频极限情形； 式 3 为粘性流体中的粘滞应力表达式， 代表相 反 的低频极限． 此外 ， 对于粘弹性介质 ， 弛豫时间是表征应力松弛的一个重要特征量 t E 4 通常 t 称为Ma x w e l l 弛豫时间； E为杨氏模量． 当粘弹性介质受到一个频率为 ∞的可变外力作用时， 若 叫 t 1， 则粘弹性介质处于像流体一样的低频极限状态． 反之， 叫 t 1， 粘弹性介质表现为弹性固体一样 的高频极限状态． 显然， 作为过渡状态， ∞ -- 1 ／ t ， 此时由式 2 和式 3 表示的应力， 就数量级而言必须 相等． 因此有 叩 ～t ， 或者 ～ ／ c D ． 由此可知， 对于处于两种极限状态之间的过渡状态的粘弹性介质， 它的粘滞性是与频率有关的． 那么， 当一个地震波传播到含油层时， 油液受到该频率扰动时的粘滞性要比 不受扰动时低． 由于粘滞性减小， 渗流速度和渗流交换强度都将因此而增大． 当然， 油井产量也随之提高． 4 结论 通过以上的研究可以发现， 地震波在含油层中的衰减， 与其在地层中的衰减完全不同， 在含油层中能 量的衰减更多， 正是这种衰减， 为提高油井的产量， 加速剩余油的启动提供了动力， 因此可以用人工地震的 方法， 或者是在井下安装换能器的方法， 激发地震波， 给油层一个长时间的、 持续的动扰力， 这种方法将能 大大提高油田的产量和采收率 ． 参考文献 [ 1 ] 刘兵． 弹性波提高采收率方法综述[ J ] ． 世界石油工业， 1 9 9 5 2 2 8 4 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 7卷 L I U B i n g ． T h e s u m m a r y o f t h e e l a s t i c i t y w a v e f o r i m p r o v i n g o n r e c o v e r y [ J ] ． Wo r l d P e t r o l e u m I n d u s tr y ， 1 9 9 5 2 2 8 4 0 E 2 ] H U D S O N J A ， K N O P O F F L ． P r e d i c t in g th e o v e r a l l p r o p e r ti e s o f c o m p o s i t e s m a t e r i a l s w i th s m a l l s c a l e i n c l u s i o n s o r c r a c k s [ J ] P u r e A p - p l Ge o p h y s， 1 9 8 9， 1 31 5 5 15 7 6． [ 3 ] 0 ’ C O N N E L L R J， B U D I A N S K Y B ． V i s c o e l a s l u t i c p r o per t i e s o f f l u i d s a t u r a t e d c r a c k e d s o l i d s [ J ] ． G e o p h y s， R e s ， 1 9 7 7 ， 8 2 5 7 1 9 5 7 3 5 [ 4 ] 尹军杰， 刘学伟， 李文慧． 地震波散射理论及应用研究综述口] ． 地球物理学进展， 2 0 0 5 ， 2 0 1 1 2 3 1 3 4 Y I N J u n j i e ， L I UX u e w e i ， L I We n h u i ． T h e v i e w o f s e i s m i c w a v e s c a t t e r i n gth e o r y a n di t s a p p l i cat i o n s [ J - ] ． P r o g r e s s I n G e o p h y s s ， 2 0 0 5 ， 2 0 1 1 2 31 3 4 ． [ 5 ] 熊翥． 复杂地区地震数据处理思路[ M 3 ． 北京 石油工业出版社， 2 0 0 2 ． X I O N G Z h u ． T h ei d e a o f c o m p l e x a r e a s e i s m i c d a ta p r o c e s s i n g [ M ] ． B e ij i n g P e t r o l e u mI n d u s tr y P r ea s , 2 0 0 2 ． [ 6 ] 吴云华． 天然地震增油与人工地震采油[ J ] ． 世界地震工程， 1 9 9 6 3 7 1 7 7 ． W U Y u r d a u a ． I n c r e a s e o f o i l o u t p u t d u e t o n a t u r a l e a r thq u a k e a n d e x t r a c t i n g o i l w i th ar t i f i c i a l ear thq u a k e [ J ] ． Wo r l d I n f o r m a t i o n o n E a r th q u a k e E ng i n e e r i n g ， 1 9 9 6 3 7 1 7 7 ． [ 7 ] 李以农， 闻邦椿， 李竞志． 可控震源振动采油机理及实验研究[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 0 0 3 5 9 ． L I Y in o n g， WE N B a n g c h u n ， L I J i ngz h i ． S t u d y o n t h e me c h a n i s m a nd the e x per ime n t s o f c o n tro l l a b l e h y p oce n t er to e x t r a c t o i l wi th v i b r a 。 t i o n厂 J ] ． J o u r n a l o f Vi b r a t i o n a nd S h o c k ， 2 0 0 0 3 5 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m