常廣濤

（ 中國石油大學(xué)（ 北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

稠油指的是在油層條件下粘度（ 不脫氣） 大于50 mPa·s 的原油，或脫氣油粘度大于100 mPa·s 的原油，通常所說的重油、瀝青都屬于稠油范圍。 由于稠油具有粘度高，原油流動性差的特點，因而不能采用常規(guī)的開采技術(shù)，如天然能量、人工注水等。 常規(guī)的開采方法包括蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SAGD、火燒油層等熱力采油方法。 我國擁有儲量豐富的稠油， 主要分布在遼河油田、勝利油田以及新疆克拉瑪依油田等地。 數(shù)據(jù)表明，全世界范圍內(nèi)稠油產(chǎn)量占石油總產(chǎn)量的十分之一，而我國稠油遠景儲量為175 億t， 年產(chǎn)量1 300 萬t 左右[1]，因而稠油的增產(chǎn)潛力巨大，對于維持國內(nèi)原油產(chǎn)量可持續(xù)發(fā)展、 降低原油對外依存度具有非常重要的意義。

超聲波采油是近幾十年發(fā)展起來的一項新的物理采油技術(shù)。 由于超聲波采油具有一系列常規(guī)采油手段不具備的優(yōu)點（ 比如，對儲層無污染、無傷害，設(shè)備簡單成本低、增產(chǎn)效果明顯等等），因而受到國內(nèi)外越來越高的重視。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超聲波采油是從20 世紀50 年代發(fā)展起來的新的采油技術(shù)。美國和前蘇聯(lián)在這方面發(fā)展較快，進行了大量的研究和礦場應(yīng)用，并逐漸演變?yōu)椤?采油聲學(xué)》這門學(xué)科。 中國在這方面起步較晚，20 世紀70 年代開始了聲波采油技術(shù)的研究，80 至90 年代在國內(nèi)玉門、大慶等油田形成了超聲波采油的應(yīng)用高潮， 并研制了一系列超聲波采油設(shè)備，取得了較為成功的應(yīng)用效果?？偨Y(jié)國內(nèi)外在超聲波采油方面幾十年的研究發(fā)展歷程，總體可以分為理論研究和礦場應(yīng)用兩個方面。

1.1 理論研究現(xiàn)狀

國 外，1965 年，Duhon 和Campbll[2]研 究 了 超 聲 波對孔隙介質(zhì)中流體流動特性的影響， 發(fā)現(xiàn)超聲波能夠提高水驅(qū)采收率。 1977 年，Cherskiy[3]通過實驗得出超聲波作用下的水濕巖石滲透率急劇增長。 1995 年，Venkitaraman[4]把超聲波作用于被鉆井液污染的巖心，實驗表明， 巖心的滲透率得到有效恢復(fù)。 2002 年，Poesio 等[5]把超聲波作用于飽含流體的孔隙介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)巖心的流壓下降， 作者認為這是由于超聲波的熱效應(yīng)導(dǎo)致了流體粘度的降低。 國內(nèi)，1989 年，嚴熾培等[6]研究了超聲波對污染巖心滲透率的影響， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖心被鉆井液污染后，經(jīng)過超聲波作用，滲透率恢復(fù)到原來的61 %～88 %。1993 年，黃序韜等[7]進行了超聲波對原油粘度影響的相關(guān)實驗研究，在40 ℃～80 ℃超聲波處理后的原油粘度下降了25 %～30 %。1995 年，孫仁遠[8]研究了超聲波作用下水驅(qū)采收率的變化， 發(fā)現(xiàn)在水驅(qū)油過程中，超聲波能夠提高最終采收率，并且降低了含水率。 1999 年，李明遠、董朝霞等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)在水驅(qū)油過程中， 超聲波能夠使巖心潤濕性朝著親水的方向改變，從而提高采收率。 2011 年，雷俊杰[10]通過實驗研究了超聲波功率、 超聲波作用時間和間隔比3 個因素與超聲波處理后稠油粘度之間的關(guān)系。

1.2 礦場應(yīng)用實例

1974 年，美國對德克薩斯州的一塊油田發(fā)射高頻率的聲波，發(fā)現(xiàn)原油產(chǎn)量有增加。 1977 年，前蘇聯(lián)通過對卡拉讓巴斯油田的一個廢棄油井施加大功率超聲波，使得短時間內(nèi)油井實現(xiàn)自噴。 1978 年，前蘇聯(lián)用20 kHz、2 kW/m2的超聲波對西西伯利亞一口油井進行了增產(chǎn)試驗， 作用6 h 后油井產(chǎn)量從76 t/d 增加到187 t/d，最終產(chǎn)量達到764 t/d，有效期接近一年。 1981年，華北油田率先進行了超聲波破乳、降阻的冷輸抽油試驗， 隨后又做了超聲波增產(chǎn)試驗， 取得了良好的效果。 1989 年，在玉門油田12 口油井上投入現(xiàn)場試驗，其中10 口井有效，成功率83 %，效果顯著，其中總產(chǎn)油量提高了77.3 %～129.8 %，總產(chǎn)液量提高了32.4 %～88.8 %，含水率降低了5 %，同時近井帶油層物性得到了改善。 1994 年，大慶油田先后在薩南油田和朝陽溝油田的14 口井上進行超聲波增產(chǎn)試驗，11 口井有效，成功率78 %，平均單井日增油2.6 t，平均有效期32 d。

2 超聲波在地層中傳播的特點

超聲波是一種頻率高于20 000 Hz 的聲波， 它的方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。 與人耳能聽到的聲波相比， 超聲波在介質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律基本相同。由于超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米，障礙物的尺寸遠大于波長時，聲波可看成沿直線傳播。超聲波的兩個主要參數(shù)：頻率：F≥20 kHz（ 在實際應(yīng)用中因為效果相似， 通常把F≥15 kHz 的聲波也稱為超聲波）；功率密度：P=發(fā)射功率（ W）/發(fā)射面積（ cm2），通常P≥0.3 W/cm2。

2.1 超聲波在地層中的衰減規(guī)律

超聲波在地層的傳播過程中， 由于流體和孔隙介質(zhì)的阻礙作用，其能量將逐漸耗損、衰減，造成超聲波傳播過程中能量不斷衰減的原因主要可分為擴散衰減、吸收衰減、散射衰減。

2.1.1 擴散衰減 超聲波傳播時， 非平面波聲束隨傳播時間的增加而不斷向外擴散， 聲束截面積也不斷擴大，在總能量守恒的前提下，單位面積上的聲波能量下降，超聲波的擴散衰減與傳播介質(zhì)無關(guān)，而與傳播波形和傳播距離有關(guān)。 單位面積上的聲波能量衰減速度與聲源距離的平方呈正相關(guān)。

2.1.2 吸收衰減 由聲波物理學(xué)可知， 當聲波質(zhì)點離開平衡位置向前傳播時， 介質(zhì)質(zhì)點間的粘滯力和內(nèi)摩擦力是質(zhì)點傳播過程中的阻力， 因而聲波要克服阻力必須要消耗聲波的能量， 這部分能量將轉(zhuǎn)換成熱能的形式。在超聲波傳播過程中，吸收衰減是指聲波質(zhì)點克服質(zhì)點間粘滯力和內(nèi)摩擦力做功的現(xiàn)象。 它與聲波頻率的一次方呈正相關(guān)。

2.1.3 散射衰減 不同聲阻抗的介質(zhì)所組成的界面在超聲波傳播過程中會使得超聲波散亂反射，聲能分散，造成散射衰減。 比如當介質(zhì)中存在顆粒狀結(jié)構(gòu)如液體中的懸浮粒子、氣泡，固體中的顆粒狀結(jié)構(gòu)等。 一般情況下，散射衰減與頻率平方呈正相關(guān)。

2.2 超聲波在地層中傳播模型的建立

以毛細管束模型[11]（ 見圖1）為基礎(chǔ)，考慮超聲波在地層中的傳播過程。 同時取其中一根毛細管中的微段作為研究對象（ 見圖2）。

圖1 毛細管束孔隙介質(zhì)模型

圖2 研究對象示意圖

模型假設(shè)：（ 1）流體在油層中的流動為簡單一維流動；（ 2）流體分子之間的內(nèi)摩擦力不考慮；（ 3）剛開始地層流體是靜止的；（ 4）超聲波在油層傳播時，不與外界發(fā)生能量交換；（ 5）超聲波在油層流體中傳播屬于小振幅聲波擾動，各聲學(xué)變量都是一級微量。

模型建立：

考慮流體粘滯作用的運動方程為：

將式（ 1）兩邊對空間求導(dǎo)，式（ 2）兩邊對時間求導(dǎo)，然后結(jié)合兩式，可得方程：

將超聲波近似簡化為諧波：u=u（ x）ejwt，其中：ω-超聲波的振動頻率，Hz。 代入式（ 4）經(jīng)化簡可得：

定解條件：要得到方程式（ 5）的解需要有定解條

方程求解：這個方程有解析解，通過推導(dǎo)可以得到其解為：

其中：an和bn的表達式分別為：

從上述表達式可以看出， 超聲波在油層中的傳播距離與超聲波頻率、流體的粘度、孔隙度和滲透率等有關(guān)。 在其他條件相同的情況下， 超聲波振動頻率f 越小，地層孔隙度φ 越低，流體粘度μ 越小，滲透率K 越高，超聲波在油層中的衰減越慢，傳播距離越大。具體來說，當油層的孔隙度取0.2，油層的滲透率取0.5 μm2，流體的運動粘度取1.0×10-6mm2/s，超聲波在流體中傳播速度取1 500 m/s，孔隙半徑取1.0×10-6m，聲波振動頻率取20 kHz 時候，超聲波在油層中傳播距離不超過1 m。

3 超聲波采油在稠油油藏中增產(chǎn)的機理

超聲波在油田中具有非常廣泛的用途。 它能使停產(chǎn)井恢復(fù)生產(chǎn)、降低稠油粘度、減少原油中蠟的含量、提高油層滲透率、提高注水井注入能力、改善巖石表面潤濕性等作用[12]，從而達到增產(chǎn)的目的。 通常情況下，超聲波處理油井，可以使得原油產(chǎn)量提高40 %～50 %，且成功率達80 %以上[13]，大大提高油井的采收率，并獲得顯著的經(jīng)濟效益。 超聲波增產(chǎn)的機理具體可以分為以下三種。

3.1 機械振動作用

超聲波是一種機械波， 依靠介質(zhì)質(zhì)點之間的振動來向前傳播。超聲波作用于油層，將振動這種形式傳遞到孔喉當中， 使得毛細管直徑發(fā)生時大時小的周期性變化，油水之間的界面張力發(fā)生變化，使毛細管當中的殘余油得以擺脫束縛，重新流到孔隙和裂縫中，進而經(jīng)過井筒產(chǎn)出到地面。 同時，超聲波作用于油層，使得巖石受到的應(yīng)力發(fā)生周期性變化， 在巖石的應(yīng)力敏感處會產(chǎn)生疲勞裂縫，從而改善了巖石的滲透率，增加了地下流體的出油通道。另外，超聲波的機械振動作用使稠油分子之間產(chǎn)生激烈的機械振動， 造成稠油中分子之間發(fā)生較大的相對運動，增強分子間的摩擦力，能有效起到降粘的作用。

3.2 空化作用

超聲波作用于液體時可產(chǎn)生大量小氣泡。 空化作用是指液體中的小氣泡在聲波振動作用下不斷變大，最終突然破裂的過程。它一般包括3 個階段：小氣泡的形成、長大和劇烈的崩潰。 氣泡在最后破滅的瞬間，周圍液體突然沖入氣泡，這個過程會釋放大量能量，產(chǎn)生高溫高壓，同時產(chǎn)生激波。 在地層條件下，地層中的原油在地層壓力作用下溶解了大量的液化氣體。 如果在井筒底部放置一個大功率超聲波發(fā)生器， 所產(chǎn)生的強大聲場作用于地層原油，則會產(chǎn)生強烈的空化作用，在原油中產(chǎn)生大量小氣泡，小氣泡逐漸生長、變大，最終發(fā)生破裂，此時，原油中的溶解氣逸出越過界面進入氣泡，對液柱產(chǎn)生舉升作用，有利于驅(qū)油。

3.3 熱效應(yīng)

超聲波在地下傳播時， 由于受到巖石和流體的阻礙，部分能量被傳播介質(zhì)吸收，轉(zhuǎn)化為熱量形式，使稠油溫度升高，粘度降低。產(chǎn)生熱量的途徑主要有以下三個方面。

（ 1）能量轉(zhuǎn)化。 超聲波被地層流體吸收，聲能直接轉(zhuǎn)化為熱能。

（ 2）邊界摩擦效應(yīng)。超聲波作用油層后流體發(fā)生流動，流體與孔隙壁面產(chǎn)生摩擦，生成的熱量加熱原油。

（ 3）空化作用。 空化過程會釋放大量的熱量，這些熱量被流體吸收。

4 超聲波采油現(xiàn)場應(yīng)用工具

目前，對于絕大多數(shù)的超聲波采油設(shè)備，都是將其下到生產(chǎn)層的底部。當強大的超聲波射向油層時，原油和儲層孔喉發(fā)生一系列物理、化學(xué)的變化，增強了原油的流動性，從而提高油井產(chǎn)能。下面以環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器為例具體說明超聲波采油設(shè)備的原理和構(gòu)造。

環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器[14]是廣泛應(yīng)用于油田解堵、防蠟降粘的物理法采油設(shè)備，它綜合混氣水排和聲波兩者的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)（ 見圖3）。 聲波發(fā)生器下方有一個噴嘴， 高速流體流經(jīng)噴嘴處會產(chǎn)生周期性變化的壓力場，然后通過諧振腔形成大小振幅交替變化的超聲波，超聲波作用于油層，產(chǎn)生機械振動效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化作用，改善井眼附近滲透率，降低原油粘度，最終達到油井增產(chǎn)的目的。

圖3 環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器

其主要性能參數(shù)為： 振動頻率200 Hz～1 000 Hz；聲壓＞3.14×106Pa；聲強＞337 W/m2；解堵深度＞1.0 m。環(huán)腔式流體聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化完成后在孤島油田多口油井實施作業(yè)， 解堵增產(chǎn)效果顯著。 2011 年對GD2-34X426 和GDX2-2 井進行施工，兩口井液量分別由施工前7 m3/d、21.2 m3/d 增加到施工后的54.6 m3/d和51.88 m3/d，增產(chǎn)效果顯著。

5 總結(jié)

與傳統(tǒng)的開采稠油所用的熱力采油、化學(xué)采油、注水注氣采油等方法相比， 超聲波采油具有非常明顯的優(yōu)點[15]，比如超聲波采油對油層的作用迅速，見效快；經(jīng)濟效益顯著；設(shè)備費用低，施工簡單；提高采收率和采油速度；不會對油層產(chǎn)生污染，不會損壞油層；適用范圍廣等。

但是，由于超聲波在油層中傳播范圍非常有限，距離油井較遠的地方超聲波發(fā)揮不了作用， 因此超聲波采油目前主要適用于解除近井地帶機械雜質(zhì)和固體顆粒堵塞。

6 幾點建議

（ 1）目前各種針對超聲波采油機理的各種正交優(yōu)化實驗大多是在實驗室條件下進行的， 未考慮稠油油藏的實際地層溫度和壓力條件。

（ 2）超聲波采油作為一種獨立的三次采油方法，由于其作用半徑的限制，在稠油開發(fā)中，目前主要將超聲波采油方法與其它增產(chǎn)措施結(jié)合使用，效果比較顯著，如聲波-蒸汽吞吐、聲波-熱水驅(qū)、聲波-酸化壓裂等。

（ 3）超聲波采油目前大多數(shù)應(yīng)用在低滲、稠油等油藏當中， 未來是否可以考慮將超聲波采油應(yīng)用到煤層氣、頁巖氣等氣藏開采當中，這可以作為未來的一個新的發(fā)展方向。

［ 1］ 丁樹柏，王天成.依靠科技進步，加快稠油開發(fā)步伐［ J］.石油科技論壇，2001，（ 6）：15-17.

［ 2］ Duhon R.D，Compbell J.M. The Effect of Ultrasonic Energy on the Flow of Fluids in Porous Media［ J］.SPE，1965，1316：1-15.

［ 3］ N. V. Cherskiy，V. P. Tsarev，V. M. Konovalov and O. L.Kuznetsov，The effect of ultrasound on permeability of rocks to water. Trans.（ Doklady）USSR Acad. Sci，Earth Sci. Sect.232（ 1977）：201-204.

［ 4］ Venkittaremen A.，Roberts P.M.，Sharma M.M.. Ultrasonic Removal of Near- Wellbore Damage Caused by Fines and Mud Solids［ J］.SPE，1995，27388：193-197.

［ 5］ Poesio，P，Ooms，G.，Barake，S. and Van der Bas，F(xiàn).：2002，An investigation of the influence of acoustic waves on the liquid flow through a porous material，J.Acoust.Soc.Am.111，2019-2025.

［ 6］ 嚴熾培，等.用超聲波提高油氣滲流速度的研究［ J］.石油大學(xué)學(xué)報，1989，13（ 6）：72-79.

［ 7］ 孫仁遠，等.利用超聲波提高注水開發(fā)效果的研究［ M］.北京：石油大學(xué)出版社：石油科技進展，1995.

［ 8］ 黃序韜，梁淑寰，等.聲波采油的機理及特點研究［ J］.石油學(xué)報，1993，14（ 4）：110-116.

［ 9］ 李明遠，董朝霞，等. 聲波振動與巖石表面潤濕性［ J］.石油學(xué)報，1999，20（ 6）：57-62.

［ 10］ 雷俊杰.超聲波改善稠油流變性的實驗研究［ J］.遼寧化工，2011，40（ 6）：578-580.

［ 11］ 曲文宇. 理想孔隙介質(zhì)超聲蠕動以及超聲波在其中的傳播［ D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［ 12］ 喻高明.超聲波在石油開采中的應(yīng)用及其新發(fā)展［ J］.大自然探索，1998，17（ 64）：73-76.

［ 13］ 鄧尉芳，黃秀明.超聲波采油技術(shù)的應(yīng)用［ J］.國外油田工程，1990，6（ 1）：20.

［ 14］ 李晨曦.常用物理法采油技術(shù)在油田生產(chǎn)的應(yīng)用［ J］.內(nèi)蒙古石油化工，2013，（ 17）：114-115.

［ 15］ 李延軍，彭玨，等.低滲透油層物理化學(xué)采油技術(shù)綜述［ J］.特種油氣藏，2008，15（ 4）：7-12.