渤海油田防砂完井多层管柱油井超声波解堵实验研究

高建崇，崔国亮，李 康，王 玉,田发超，刁东镇，李含秀.

(1.中海石油有限公司天津分公司，天津 300456；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

油水井在采注生产过程中会产生各种堵塞情况，特别是近井地带堵塞会严重影响油田油水井生产作业，近井地带形成各种堵塞特别是无机垢堵塞是由微小晶体逐步生长、牢固附着在储层岩石骨架表面的致密固体[1-3]，特别难以清除。目前，解决这一问题的主要手段是近井地带基质酸化，当油水储层堵塞发生在近井地带较大范围时，只能采取酸压或者水力压裂工艺对油水储层进行解堵改造[4]。传统的酸化、酸压、压裂工艺施工周期长，成本较高，作业复杂，并容易出现二次沉淀堵塞和储层伤害风险。

大功率超声波解堵技术属于物理法解堵工艺技术，其具有操作方便，成本低，无污染，适应性强、可重复使用等特点。从20世纪70年代在俄罗斯进行首次应用，该工艺技术即受到国内外石油工程界的高度重视，并进行许多室内评价和实验研究工作，开展相应陆地油田试验应用，取得了较好的应用效果[4]。但陆地油田及室内实验主要针对裸眼完井解堵研究及试验应用，对以防砂完井为主要构成的渤海油田油水井解堵缺乏系统深入的研究，超声波在渤海海上油田应用中的选井原则、工艺参数设计以及后期效果评价需依据经验完成，亟需相应实验研究支持[5]。

本文利用防砂完井模拟实验装置，采用全尺寸超声波发声器和不同类型人工岩心样品，进行来了超声波解除储层伤害堵塞岩心室内实验研究，评价超声波解除岩心堵塞的作用效果，研究功率、频率、作用距离、作用时间、堵塞类型、岩心渗透率等关键参数对超声波解堵效果的影响规律，进一步探讨指导超声波解堵生产实际。

1 室内实验原理及方法

1.1 实验装置

实验系统使用针对渤海油田防砂完井管柱自主研制的防砂完井管柱超声波解堵装置，该实验系统针对渤海油田防砂完井多层管柱结构特点，全方位模拟管柱结构、地层压力、温度条件、作业条件等，借助全尺寸超声波发射器、计算机采集装置、压力传感器等技术对岩心进行各项实验研究[6]，探索研究超声波解堵地层参数、井筒参数、工艺参数等对超声波解除岩心堵塞的影响规律，研究适合渤海油田超声波解堵的增产规律和工艺措施。

实验装置主要包括全尺寸超声波发射器、超声波功率电源、模拟防砂完井井筒、岩心模型、平流泵、中间容器与管汇系统、压力传感器、计算机采集装置等(图1)。实验采用现场用超声波发射器和配套功率电源产生大功率超声波，自主研制防砂完井管柱模拟试验井筒进行超声波解堵实验。

图1 防砂完井管柱超声波解堵实验系统Fig.1 Ultrasonic unplugging test system for sand control completion string1—全尺寸超声波发射器；2—模拟防砂完井井筒；3—岩心模型；4—中间容器；5—平流泵；6—超声波接收器；7—压力传感器；8—计算机采集装置；9—超声波功率电源

1.2 实验材料

实验选用5种规格型号的超声波发射器，制备多种渗透率无机垢堵塞岩心和聚合物堵塞岩心，选用3种型号优质筛管防砂筛管模拟不同规格防砂完井形式。

2 实验步骤

①首先制作岩心样品，并测岩心的初始液测渗透率(Ki)以及孔隙度等其他参数。

表1 超声波发射器规格参数表Table 1 Specification parameters of ultrasonic transmitter

表2 不同筛管规格参数表Table 2 Specifications of different screens

②在模拟井筒和岩心处稳定饱和5PV碳酸钠和5PV氯化钙溶液并静置反应时间，使岩心内部产生无机垢堵塞。

③利用平流泵反向水驱，测无机垢堵塞后的岩心液测渗透率(Kd)。

④进一步水驱，将1号超声波发射器下入到模拟井筒中处理堵塞岩心样品，超声波发射器作用120 min，测量超声波处理后的岩心液测渗透率(Kf)。

⑤重复上述步骤①—④，使用2～5号超声波发射器处理岩心分别进行实验。以岩心渗透率恢复率(Kf/Ki)为超声波解堵效果的评价依据，并筛选解除堵塞效果最佳的超声波发射器。

⑥控制②中碳酸钠和氯化钙饱和速率，制作不同渗透率无机垢堵塞岩心样品，重复③、④步骤，研究不同渗透率无机垢堵塞超声波解堵规律。

⑦在步骤②中改为注入聚合物(聚丙烯酰胺)溶液，控制饱和速度并在静置后测试堵塞岩心渗透率，重复③、④步骤，比较无机垢堵塞和聚合物堵塞条件下的超声波解堵规律。

⑧改变模拟井筒中的筛管类型，研究筛管孔道当量截面积对超声波解堵效果的影响。

⑨改变岩心相对超声波发射器的距离，研究超声波作用距离对超声波解堵效果的影响。

3 实验结果与讨论

通过上述实验步骤进行了相关室内试验，以岩心渗透率恢复率((Kf-Kd)/Ki)作为解堵效果的评价指标，通过系列实验得到了以下超声波解堵实验结果，分析如下。

(1)超声波工作功率、频率对解堵效果的影响。

由图2可见，超声波发射频率一定时，通过使用不同功率超声波发射器进行实验，分别研究了6 kW、8 kW、12 kW的超声波发射器，通过高、中、低三类渗透率岩心进行实验，发现超声波发射器功率越大，解堵效果越明显，分析主要是因为超声波解堵属于物理方式解堵，通过超声波能量的机械振动和空化作用解除岩心的堵塞颗粒。

图2 超声波发射器功率、频率对超声波解堵效果的影响图Fig.2 Influence of power and frequency of ultrasonic transmitter on ultrasonic plugging removal effect

另外，通过相同大小功率(12 kW)超声波发射器解堵，改变超声波发射器的工作频率，分别采用16 kHz、18 kHz、22 kHz频率进行解堵作用，通过高、中、低三类渗透率岩心进行实验，发现随超声波作业频率增加，解堵效果先增加后减少，超声波作为一种频率高、波长短的纵向物理波，在产生机械振动和空化作用的同时，也存在物理波普遍存在的衰减问题，超声波频率较高时超声波能量衰减较大，影响整体解堵效果[7]。

(2)岩心堵塞渗透率对解堵效果的影响。

通过采用无机垢进行堵塞岩心，制备不同无机垢堵塞渗透率岩心研究不同渗透率岩心对超声波解堵效果的影响。由图3可见，制备了551 mD、966 mD和1489 mD 3种渗透率岩心，利用6 kW、8 kW和12 kW 3种功率超声波发射器进行超声波解堵实验，结果表明岩心渗透率越高超声波解堵解堵效果越好[8、9]。

图3 堵塞岩心渗透率对超声波解堵效果的影响图Fig.3 Effect of the permeability of the plug core on the ultrasonic plugging removal effect

(3)不同堵塞类型对解堵效果的影响。

通过在岩心中注入聚丙烯酰胺聚合物处理堵塞岩心，研究对比超声波对聚合物堵塞和无机垢堵塞岩心的解堵效果。由图4可见，超声波针对无机垢堵塞岩心的解堵效果明显优于对聚合物堵塞岩心的解堵效果，分析主要是由于聚合物相比于无机垢属于弹性堵塞物，聚合物堵塞物对超声波有明显的吸波和遮挡作用，大大降低超声波解堵的效果[10～13]。因此，超声波处理储层伤害优先针对无机垢堵塞，对于聚合物堵塞解堵效果较差。

图4 不同堵塞类型对超声波解堵效果的影响图Fig.4 Influence of different plugging types on ultrasonic plugging removal effect

(4)不同筛管规格对解堵效果的影响。

通过在模拟防砂井筒内放置不同规格的筛管，研究不同规格筛管对超声波解堵的影响。实验研究了基管布孔密度120孔/m、180孔/m和220孔/m共 3种规格筛管对超声波解堵的影响，由图5可见，同样孔径(12 mm)条件下，基管布孔密度越大，筛管孔道当量过流面积越大，超声波解堵效果越好。分析主要是由于基管布孔密度越大，筛管对超声波的遮挡和衰竭作用越小，作用在堵塞岩心上的超声波能量越大，解堵效果越好。

图5 不同筛管规格对超声波解堵效果的影响图Fig.5 Effect of different screen specifications on ultrasonic plugging removal

(5)超声波作用距离、作用时间对解堵效果的影响。

在12 kW功率超声波发射器，18 kHz频率条件下，500 mD无机垢堵塞岩心和220孔/m规格筛管条件下，研究超声波作用距离、作用时间对超声波解堵效果的影响规律。由图6可见，实验结果表明超声波作用距离对超声波解堵效果影响较大，超声波作用距离越远超声波解堵效果越差，分析是由于作用距离越远，超声波衰减越严重，超声波解堵效果越差[14、15]。

由图7可见，超声波解堵效果随超声波作用时间先增加后稳定，当超声波解堵作用时间在60～90 min时解堵效果最优，分析是由于超声波作为物理波方式解堵，主要通过机械振动和空化作用解堵，当达到一定作用时间时超声波解堵效果达到最佳。

图6 不同超声波作用距离对超声波解堵效果的影响图Fig.6 Effect of different ultrasonic operating distances on ultrasonic plugging removal effect

图7 不同超声波作用时间对超声波解堵效果的影响图Fig.7 Effect of different ultrasonic action time on ultrasonic plugging removal effect

4 结论

超声波解堵对于聚合物堵塞适应性较差，针对无机垢堵塞解堵效果较好，且随着堵塞岩心渗透率越高、超声波发射器功率越高，超声波对堵塞岩心的解堵效果越好。

重点针对海上油田防砂完井多层管柱对超声波阻挡影响，研究了不同筛管规格、不同作用距离和超声波作用时间的超声波解堵效果，发现基管布孔密度120孔/m、180孔/m和220孔/m 共三种规格防砂完井筛管，基管布孔密度越大，超声波解堵效果越好；选择距超声波发射器15 cm、30 cm、45 cm和60 cm距离条件下对比，超声波作用距离越远，超声波衰减越严重，解堵效果越差；超声波工作频率为18 kHz左右时，超声波作用时间在60～90 min时解堵效果最优。