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物理采油新技术研究现状及展望 刘俊海 陈小宏 中国石油大学 北京 102249 在石油开采中， 提高中后期油井的产量及油田采收率， 一直是采油工程中的重要课题之 一[1]。物理采油技术是利用不同性质的物理场处理油层，引起油层的物理、化学性质发生变 化，改善油层的渗流情况，达到提高原油采收率的目的。根据作用方式和原理的不同，物理 采油技术主要包括超声波技术、人工地震技术、电脉冲技术、直流电场技术、电热杆采油技 术及磁降凝降粘技术等。和化学方法相比，物理采油技术最突出的优点是对油层无伤害，无 污染，此外还具有作业方式灵活，适用范围广；工艺简单，操作方便，成本低廉；易和化学 采油技术进行优势互补等优点[2]。 1 超声波采油技术 1.1 声波采油的机理 声波采油的机理主要来源于声波的振动作用、 空化作用以及热作用等， 具体分析主要有 以下几个方面 ⑴ 声波的振动作用 向地层中辐射的大功率声波， 可以降低毛细管中油水界面的表面张力， 使含有残余油的 毛细管在声波的作用下产生振动， 导致毛细管半径发生时大时小的变化。 这导致了界面振荡， 并减弱了毛细管力对油、水流动的影响。同时，由于振动作用的存在，致使两相流体界面、 流体－固体界面产生相对运动，使原油和岩石的附着力减弱，有利于原油的采出。 由于声波的振动作用，垢层微粒获得较大的加速度，从而在界面上产生强烈的剪切力， 使垢层从附着介质上脱落，从而达到防垢、解堵等目的。 ⑵ 声波的空化作用 声波通过液体时，会使原有的或新生的微气泡发生共振。在声波的稀疏阶段，小气泡迅 速地胀大；在压缩阶段，小气泡又迅速地被湮灭。在湮灭的瞬间，小气泡内部可达到几千度 的高温，几千乃至几万个大气压。这就是声学中所谓的“空化现象” 。空化发生时，其能力 足以粉碎一定尺寸的物质微粒。因此，声波可用于解堵、防蜡、防垢等。 ⑶ 声波的热作用 声波辐射是一种能量的辐射，由于其在物质中的吸收等原因，必然对物质产生热作用。 由于声波的热作用，原油的粘度降低，流动性能改善。 总之，声波采油的机理比较复杂，一般认为是上述作用的综合结果[3]。 1.2 主要设备 声波处理储油地层系统由地面声波－超声波大功率发生器、 油井用特种传输电缆、 井孔 大功率压电发射换能器等 3 部分构成（图 1） 。 地面声波－超声波大功率发生器通过先进的功率合成技术产生频率为205kHz的振荡 脉冲信号， 经特种传输电缆送至大功率压电发射换能器， 由换能器将电振荡转化为声波机械 动能，由其传播载体－原油介质（油、水、气等）耦合后辐射到储油地层中。目前，超声波 发生器的电功率已达上百千瓦，超声换能器的形状一般是圆柱形，长度约 1～2m，半径约几 十毫米左右[4]。 1.3 声波采油的发展前景 声波技术之所以在采油中得到比较广泛的应用， 是由于声波采油具有以下的优点 ⑴作 用迅速，增产效果明显；⑵不会对油层产生污染，不会损坏油层；⑶设备费用相对较低，施 工工艺简单，成本低，效益高；⑷可与其它增产措施结合使用，优势互补；⑸适用范围广。 图 1 超声波采油示意图 鉴于超声波采油技术具有成本低、见效快、无污染、效益高以及适用范围广等优点，其 应用前景是很乐观的。 尤其重要的是， 超声波采油技术在我国的研究和应用已经具有了一定 的基础。因此，超声波采油技术必将在我国的石油工业中发挥重要作用，其应用的深度和广 度也将不断扩大。 2 人工地震采油技术 人工地震采油技术， 就是在不影响油水井正常生产的前提下利用地面人工震源所建立起 来的波动场，以频率很低的机械波的形式传到油层，进而对油层大面积振动处理，从而达到 多口井增产、增注的一种物理采油方法[5]。 2.1 人工地震采油机理 ⑴ 震动可以降低原油粘度 机械波使孔隙里的原油连续不断地受到拉伸和压缩， 由于剪切力的作用降低了分子间的 作用力，破坏了原油的流变结构，使原油粘度降低。 ⑵ 机械波可以增加原油的流动性 机械波通过地下介质传播到储油层的上覆盖层， 由于径向距离的差异， 在油层横向产生 微小附加压力梯度，这种附加压力梯度会减小油层液体的表面张力，促进其流动。此外，超 低频简谐震动对油层的粘－弹介质反复作用的后果造成其应变积累。 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使液体流速的增加保持一段时间。因此，震 源震动和停振一段时间后，均会促进液体向低压区流动。 ⑶ 震动可以提高地层渗透率 震动可使沉积在孔隙表面的污染物缓慢地剥离， 分散在液体中被带走； 还有可能使某些 储层产生微小裂缝，或使其较致密的地方变得有些疏松，导致绝对渗透率提高。 ⑷ 震动可以改变岩石表面的润湿性 机械震动通过多孔介质或裂隙性介质时还可激发产生超声波， 机械震动和超声波破坏了 吸附在孔隙表面上的表面膜，降低了流体对岩石表面的粘附力，改变了岩石的润湿性；而表 面膜破坏后， 使同样的孔隙尺寸允许流体通过的截面积增大， 并且震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” ，使“死油区”中的原油在较小 的压差下进入渗流通道，降低残余油饱和度。而且由于这部分原油的迁移，储层流体也会按 密度差异重新分布[6]。 2.2 主要设备 低频振动法处理油层工艺的矿场施工设备， 主要包括人工震源设备和振动监测与分析系 统。振动检测与分析系统由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组成。 井下监测与分析子系统通过扫描激振和生产动监测， 优化激振频率和扰动力， 认识波场 沿井深的衰减特性。 振动地面公害监测与分析子系统通过测量周围构物的自振特性和振动效应， 以及自激振 点向各向不同距离的加速度和衰减情况， 找出最大加速和相应的地震强度， 以评价发生振动 公害的可能。 2.3 振动参数的确定 ⑴ 最佳振动频率的确定 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。根据不同井深测得的振动信号幅频特性曲线，找出其幅值中的峰值，即 为最佳振动频率。 ⑵ 振动时间和周期的确定 振动时间和振动周期的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，见效井效果有明显下降时，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。 2.4 适用条件和范围 人工地震采油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；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，有效 期也相应长一些； 油井以不出砂或含砂量较低为宜， 也可用于低产低能区块及注蒸汽开采已 接受经济许可线的稠油区块。 3 电脉冲采油技术 电脉冲采油技术是通过在井下液体中高压放电， 在地层中产生定向传播的压力脉冲， 激 发周期性压力波和强电磁场，利用产生的空化作用解除地层污染，并对地层产生微裂缝，从 而达到增产、增注的目的。 3.1 工作原理 电脉冲采油技术整个系统由地面控制操作、 动力传输承载电缆和井下低频脉冲发射器三 大部分组成（图 2） 。地面仪器将 380V/50Hz 交流电经整流、变频、升压，在计算机伺服系 统的控制下，产生稳定的 25～75Hz、15kW 的功率输出，通过动力承载电缆传到井底，供 低频脉冲发生器使用，使之在油层的换能器发射 40～80kW/m2的强功率冲击波，由油井套 管耦合进入地层作用于油层[7]。其工作原理为电致振动，对油层有四个方面的作用。一是对 介质的聚集作用，有利于疏通油流通道；二是对原油的降粘增速作用，有利于增加原油渗流 速度；三是对降低介质的表面张力和地层的亲和力作用，有利于改变油层物性；四是对地层 的造裂缝解堵作用，有利于增加油层的渗透性。 3.2 电脉冲采油技术主要特点 ⑴ 传输损耗低，其电缆只要求其频率特征，从根本上克服了电缆的高频衰减和换能器 功率损耗。 ⑵ 转换率高，低频脉冲井下发射器由于振动与套管直接耦合进入地层，故衰减小，电 声转换率高达 90％～95％。 ⑶ 运行稳定，维护性能良好，特别是脉冲井下发射器所有部件均是钢结构，工作寿命 长，从根本上保证了全系统的安全运行。 ⑷ 施工周期短，且作业费用低，增产效果明显。 图 2 电脉冲采油示意图 3.3 电脉冲技术的发展方向 电脉冲采油技术的发展趋势是储能装置由井下发展到地面， 功率由小变大， 频率由高到 低，由处理近井地带向处理油层深处发展[8]。大功率电火花震源为电脉冲采油技术的发展提 供了良好的条件， 随着电容器制造技术的发展及电力电子和微机控制技术的应用， 电脉冲装 置将向高能、高频、小型化、智能化方向发展，具有较好的应用前景。 4 直流电场采油技术 4.1 直流电场增油降水机理 ⑴ 地层流动相的静电场 地层流体的流动是一种多相渗流过程。 由于摩擦等原因， 在流动过程中固相与液相产生 电荷的不等价交换，地层中流动的水通常带正电荷，原油总是负电荷的载体。各运动相的电 荷在流动中相互吸附产生自发静电场，其电场强度约为 0.309V/m。考虑到地层的表面导电 率和含水，实际地层内电场强度约 0.324～0.587V/m，这一电场对地层孔隙内带电流体产生 流动阻力，称为电动阻流效应[9]。 ⑵ 电渗效应 根据扩散双电层理论， 水湿油层地层水与岩石在界面处形成扩散双电层， 双电层的可动 层在外加直流电场作用下携带水分子一起运动， 产生有利于水驱油的电渗作用。 水相带正电 向负极移动， 油相带负电向正极移动， 扩散双电层中可动层的阳离子向阴极移动的数目大于 阴离子，携带水分子向阴极产生一个附加电渗流量，从而降低水相的流动能力；同时岩石表 面水膜的厚度变薄为油流让出了空间，因油相表面带有负电，油相向正极（油井）流动的能 力增加。在毛细管中，电渗流量与毛管半径的平方成正比，而水动力流量与毛管半径的四次 方成正比，因此，电渗流可以启动水动力不能启动的流体[10]。 ⑶ 电泳、电热、电解 施加外电场后，电泳作用可以疏通孔隙喉道中的粘土颗粒，从而改善储层渗流通道，同 时使流体中的细组分聚集而减少油流阻力。 在近井地带由于电阻耗损产生的热量， 有利于清 除油层污染。同时，阴极电解生成 H2和 OH-，OH-与原油中的有机酸作用可形成降低油水 界面张力的表面活性剂，减小油流阻力，起到一定的碱驱作用。 4.2 工艺设备 电化学采油在工艺法上考虑了注水开采的需要， 常在 2 口或 2 口以上的注采井组中分别 安装不同极性的电极。电场的施加方式取决于不同的开采目的。施加正向电场（即电场方向 与电流方向一致） ，主要目的是强化采油。在电渗力及电极附近热效应作用下，近井带钻井 液、沥青、石蜡物质及其它沉积物质被清除，渗透率提高，使原来被堵死的层段投产，增大 了油井的产量。施加反向电场（即电场方向与电流方向相反）的主要目的是为了延滞出水， 降低含水率，增产和提高采收率。地面直流电通过电缆或套管、油管而传输到地下目的层。 现场实践中对井下导电线路要求严格， 要与油层上部地层绝缘。 常用的方法是在未打开油层 前固井，并在盖层与产层接触段采用绝缘套管（如玻璃钢） 。电极通常采用颗粒或棒状将其 压入油层，使其与油层充分接触，电极通过电缆或油管下部与地面电源接通。 4.3 直流电场技术应用 室内试验结果表明，直流电场使各开发阶段水油比降低，采收率提高，且随着注水倍数 的增加，驱替效果提高[11]。直流电场增油降水效果主要与电压梯度、电流强度、电场频率 有关。 外加直流电场对两相流的影响明显，随着外加电压梯度的增加，油相有效渗透率增加。 在低电流和低电压梯度下，随着频率升高，电场作用效果逐渐减弱，实际使用中，电场频率 一般取 10Hz 以下。 当外加电场建立后， 地层中固相晶格在外加电场作用下发生极化， 导致地层内自发静电 场的重新分布， 由于这种地层中固相晶格的极化现象可以保持较长时间， 故在外加电场对地 层作用一段时间后，其作用延续可达一年以上。 直流电场提高原油采收率技术对储层岩性、 渗透率等无严格的要求， 在油田各个开发阶 段都可达到增油降水的效果，对于高含水开采期效果愈加显著。 5 电热杆采油技术 电热杆采油技术主要是利用电加热原理， 将电缆通过空心抽油杆下到井下， 接通电源后， 利用井中的电缆加热抽油杆， 进而加热油管内的原油， 这样既可以溶解掉抽油杆上的蜡起到 清防蜡作用，又可以使井筒内原油温度保持在凝固点和析蜡点以上[12]。这样就从根本上解 决了结蜡问题，结束了加药防蜡和洗井清蜡的历史，又杜绝了洗井对地层所造成的污染，保 护了油层。停电造成的卡泵问题也迎刃而解了，等来电后，先加热使井筒内的凝油熔化后再 启抽开井，就不会因原油凝固而卡泵了，也就不存在洗井或检泵解卡了。 整套工艺设备有配电柜、空心抽油杆和专用电缆。配电柜放在地面，电缆从配电柜出 来后，连同空心杆一同下到井下，电缆和抽油杆构成电路，其中电缆相当于电阻丝，是主要 的加热元件，通电发热后将热量传递抽油杆，而抽油杆相当于零线，对大地的电压为零，所 以人接触抽油杆不会触电。 电热杆采油技术特点有加热温度高，可达到 100℃，且加热温度可通过控制加热时间 人为地自由控制；作业维修方便，与普通检泵井相比，只多了起下电缆的工序；容易掌握， 使用方便，只需根据加热周期和加热温度及时送电、断电即可；选井条件宽，只对井斜有要 求，如斜度过大，空心杆磨损严重，则寿命短。 电热杆采油技术比较适合低压低渗、 凝固点高的油井， 还有那些供电不正常地区的油井， 这项技术本身管理简单， 使用范围广， 不受井底温度、 井下管柱、 含水和环境等因素的影响， 长期使用不会对油层造成伤害。 6 磁降凝降粘技术 前苏联早在 20 世纪 60 年代便开始研究将磁技术应用于石油工业， 但由于当时的永磁材 料性能不稳定，场强较低，耐温较低，使用一段时间后发生退磁现象,，仪器失效，因而限 制了磁技术的发展。直到最近十几年，高性能稀土永磁材料的出现，才使磁技术在油田的应 用得到迅速的发展 [13]。 其工作原理为磁场的磁化作用产生诱导磁距，可抑制蜡晶形成，降低原油的凝固点，同 时降低原油的粘度。由于原油是抗磁性物质，当原油通过磁场时，烷烃分子中质子外围电子 的自旋磁距受到磁场作用后产生微小的改变， 即产生一个瞬时的诱导磁距， 诱导磁距的产生 破坏了石蜡分子结晶时的定向排列，使蜡晶不易聚集，起到防蜡降凝的作用；同时，磁化作 用破坏了原油各烃类分子间的作用力， 使分子间的聚合力减弱， 其中的胶质和沥青质以分散 相而不是缔结相溶解在原油中，从而使原油的粘度降低，流动性增强。 利用磁降凝降粘技术设计研制的适合油井生产的磁降粘技术产品按型号分为管式和杆 式两种。管式磁降凝降粘器安装于泵下，主要解决泵下稠油粘度大，进泵困难的问题；杆式 磁降凝降粘器安装于抽油杆上， 解决由于泵上井筒中原油粘度高， 抽油杆上下运动过程中泵 受力大的问题。 磁降凝降粘技术用于稠油和高凝油生产中， 可起到降低原油凝固点和原油粘度、 缓解抽 油泵的负荷、 减少检泵次数以及方便日常生产管理的作用。 该项技术的发展离不开油样分析、 优选磁路等配套技术的进一步完善。 7 结束语 同化学采油技术相比，物理采油技术具有成本低廉、适用范围广、操作简单、对油层无 污染等优点，其具有良好的发展前景。但各种物理采油技术均有一定适用范围，且部分物理 采油技术尚停留在室内实验阶段， 仍需要不断的发展完善。 因此不同油田应根据自身地质条 件， 选择合适的采油方法， 力求物理和化学采油技术优势互补， 最大程度的提高油田采收率。 参考文献 1 沈平平，袁士义，韩东等. 中国陆上油田提高采收率潜力评价及发展战略研究[J]. 石油学报，2001，22 （1） 45～48 2 路斌，关继腾. 无污染物理采油新技术[J]. 实验技术，2002，31（4） 235～239 3 孙仁远，沈本善，严炽培. 声波采油技术研究及发展前景[J]. 声学技术，1996，15（4） 192～193 4 王阳恩 超声波采油技术的原理及应用[J]. 物理学和高新技术，2002，31（11） 725～728 5 廖家汉，孙利，姜淑霞等. 人工地震采油技术的研究与应用[J]. 钻采工艺，2003，26（5） 47～49 6 王正东. 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