超声波提高特低渗储层水驱波及体积实验研究

华强

（濮阳职业技术学院能源与化学工程学院，河南 濮阳 457000）

0 引言

由于受沉积作用、成岩作用的影响，特低渗储层孔隙结构复杂[1-2]，物性极差，流体渗流阻力大[3]，不利于特低渗油藏的高效开发。特低渗储层不同于常规油气藏[4]，往往具有复杂的孔隙结构[5]及流固耦 合现象[6]、显著的压力敏感性[7]、非线性渗流[8]等特点，导致常规水驱难以充分波及到特低渗储层含油区域[9-10]，尤其物性较差的小孔隙区域开发效果更差[11-12]。

近年来，超声波技术在油田开发领域应用越来越广泛[13]。研究发现，超声作用后，水敏性储层的渗透率提高20%以上[14]，可有效清除储层内部的KCl无机沉淀堵塞[15]，降低了稠油黏度，降幅最高可达57%，可减少沥青质在储层内部的沉积,从而提高油田开发的采收率。

有关研究虽然证明了超声波技术对于改善油田开发有一定效果，然而，前人对于该技术的研究多侧重于提高宏观采收率、稠油降黏等方面的应用，尚缺乏超声作用对特低渗储层水驱波及体积的认识，且超声波对储层特低渗储层水驱波及体积的作用机理尚不清楚。而弄清这些问题对于了解超声作用、提高特低渗油藏开发效果，具有重要的意义。

因此，基于现有研究，本文设计了超声波作用下的特低渗储层水驱实验，采用不同渗透率的天然岩心，研究了在流动状态下超声波作用对水驱波及体积的影响，以期进一步夯实超声作用提高特低渗储层水驱波及体积的理论基础，并为推广该技术在油田现场的应用提供理论指导。

1 实验

1.1 仪器

1）岩心驱替实验装置。设备型号为HKY-20C，最大驱替压力40 MPa，环压 0～50 MPa，流量范围 0.01～10.00 mL/min，工作温度0～150℃，主要由注入系统、夹持器系统、计量系统、数据采集与处理系统等组成，用于动态条件下的岩心渗透率测定。

2）超声发生仪。使用濮阳市物理法采油重点实验室自主设计研制的超声发生仪，设备型号为US-GDS-1036A，由超声发生器、固定支架、超级恒温水浴以及显示器组成。工作频率为17～125 kHz，最大输出功率2 000 W，运行温度为10～110℃。

3）低场核磁共振设备。设备型号为MesoMR23-060VI/VTP，磁场强度为0.5±0.08 T，仪器主频率为21.3 MHz，探头线圈直径为60 mm。通过低场核磁共振设备对含水岩心进行核磁共振测试，可获取实验岩心孔隙中1H质子流体的核磁驰豫信号（T2谱）。

4）岩心气测渗透率仪和天平。

1.2 材料

实验岩心样品采用中国石化中原油田的天然岩心。为了更加直观地反映超声作用对不同物性储层的水驱波及体积提高效果，本实验选取了不同渗透率的天然岩心，岩心参数见表1。由于氘在低场核磁共振中无响应信号，可充分研究驱替介质进入储层不同孔隙的情况，因此用氘水配制模拟地层水，饱和实验岩心，实验中分别采用纯净水和氘水配制模拟地层水，记作1#模拟地层水、2#模拟地层水，矿化度均为8 000 mg/L，组分质量配比 NaCl∶CaCl2=9∶1。

表1 实验岩心数据

1.3 原理

由核磁共振弛豫机制可知，在均匀磁场中测量的横向弛豫时间T2为

式中：T2B为流体的自由弛豫时间，ms；ρ为岩石表面弛豫率，μm/ms；S 为孔隙表面积，m2；V 为孔隙体积，m3。

一般情况下，T2B的数值远大于3 000 ms，T2B≫T2，近似为0，此时可以忽略不计，式（1）简化为

由式 （2）可以看出，T2与储层岩石孔隙比表面有关，也就是T2与孔隙大小及其形状有关，所以T2能定量表征储层岩石内孔隙大小分布情况以及各种类型孔隙区域内的流体分布。

由式（2）、式（3）得：

式中：r为孔隙半径，m。

由式（4）可以看出，T2与r成正比，即流体弛豫时间与储层岩石的孔隙半径成正比。

通过核磁共振测试所得的T2谱能直接反映1H质子流体在储层岩石中的分布情况：弛豫时间越长，说明对应的孔隙半径越大；而弛豫时间越短，则说明对应的孔隙半径越小。T2曲线所对应的面积则反映岩心孔隙中1H流体的体积大小。所以，可通过测试T2谱来定量表征岩石中不同类型的孔隙分布情况。

1.4 步骤

1）将岩心样品编号，清洗，放入60℃烘箱烘干至质量不再变化，测试岩心的基本参数（气测渗透率、孔隙度）。

2）将岩心YX-1-1放入岩心夹持器，加环压，使用2#模拟地层水进行水驱。为消除速敏效应对实验结果的不利影响，在实验温度为70℃的条件下，采用泵入速度小于临界流速，2#模拟地层水泵入速度设定为0.05 mL/min，保持注入压力。

3）采用步骤2）中得到的稳定注入压力继续恒压注入1#模拟地层水，以驱替已经饱和岩心YX-1-1的氘水，直至低场核磁共振T2谱稳定不变。此过程中，依次记录不同注入孔隙体积倍数下的T2谱。

4）启动超声发生仪，采用超声频率25 kHz及超声作用功率600 W，在步骤3）的基础上继续恒压注入1#模拟地层水，直至低场核磁共振T2谱稳定不变。此过程中，依次记录超声作用下不同注入孔隙体积倍数下的T2谱。

5）依次采用岩心 YX-1-2，YX-2，YX-3，YX-4，重复步骤1）、2），采用步骤4）中的超声作用参数，恒压注入2#模拟地层水，直至低场核磁共振T2谱稳定不变。此过程中，依次记录超声作用下各岩心不同注入孔隙体积倍数下的T2谱。

6）处理实验数据，利用式（5）计算岩心水驱波及体积提高幅度。

式中：BE为水驱波及体积提高幅度，%；SU为超声处理后T2谱峰面积，m2；S 为超声作用前 T2谱峰面积，m2。

2 结果与讨论

2.1 超声波提高特低渗储层水驱波及体积实验

为便于定量分析与讨论，本实验将T2弛豫时间分为3类：小于10 ms，对应岩心中小孔隙区域；10～100 ms，对应中孔隙区域；大于100 ms，对应大孔隙区域，模拟地层水T2谱见图1。

图1 模拟地层水T2谱

从图1可看出，岩心YX-1-1的核磁共振T2谱共有左峰PS、中峰PM、右峰PH，对应上述的小孔隙、中孔隙及大孔隙区域，各峰面积对应相应孔隙中水体积的多少。对于岩心YX-1-1来说，当1#模拟地层水注入孔隙体积倍数从0.25增大到0.50时，PH峰强度逐渐增大，超过0.50 PV时，PH峰基本稳定。这说明注入0.50 PV时，YX-1-1的大孔隙区域已达到水驱平衡状态。对于中孔隙区域来说，注入1.00 PV时，PM峰不再明显增加，达到水驱平衡，对于小孔隙区域，注入2.00 PV时，才达到水驱平衡。

在岩心YX-1-1水驱平衡的基础上，超声作用后的T2谱如图2所示。当注入量达到1.0 PV时，岩心达到水驱驱替平衡状态。随着模拟地层水的继续注入，PH峰强度基本重合，对岩心大孔隙区域没有明显影响，PM峰强度略有增大。在YX-1-1的3种孔隙类型中，PS峰强度增加最为明显，说明超声作用可明显增大特低渗储层小孔区域的水驱波及体积。PM，PS峰强度均高于超声作用前的T2谱峰强度。这说明，超声作用可在水驱基础上进一步增加水驱波及体积，尤其对于中小孔隙区域作用效果更为明显。

图2 岩心YX-1-1超声作用后模拟地层水T2谱

对YX-1-2开展超声波提高特低渗储层水驱波及实验研究，超声波作用后的T2谱如图3所示。超声波作用下，岩心YX-1-2中孔隙区域水驱平衡所对应的注入孔隙体积倍数为0.75，小孔隙区域对应1.00；而无超声作用下，岩心YX-1-1的中、小孔隙区域达到水驱平衡所对应的注入孔隙体积倍数分别为1.00，2.00，均明显大于超声作用下的对应值。这一现象说明超声作用不仅增大了特低渗储层的水驱波及体积，而且也提高了其水驱速度。这意味着在特低渗油藏水驱开发中，在达到同一水驱波及效率时，超声作用可以减少注水量：注水量的减少可缓解水敏性矿物导致的储层渗透率降低程度，进而有可能减少或避免特低渗储层污染的发生。

图3 岩心YX-1-2超声作用后模拟地层水T2谱

利用式（5）计算了各实验岩心在超声作用下水驱波及体积提高幅度，如图4所示。在本实验条件下，经超声作用后，各实验岩心的水驱波及体积均有较大提高，数值在10.5%～15.1%。水驱波及体积提高与岩心渗透率有密切关系，渗透率越小，波及体积提高越大；渗透率越大，波及体积提高越小，但水驱波及体积均超过10%，二者呈现较好的对数关系。这证明了超声作用对特低渗储层水驱波及体积提高有较好的适应性。

图4 超声作用对不同岩心提高波及体积的效果

2.2 超声波提高特低渗储层水驱波及体积机理

上述实验结果表明，超声作用可进一步明显提高岩心中、小孔隙区域的水驱波及体积，尤其对小孔隙作用效果更佳。为深入研究超声作用提高特低渗储层水驱波及体积的的内在机制，开展以下相关实验。

选择不同的超声功率对1#模拟地层水进行处理，研究水的团簇结构随超声功率的变化规律。从图5可以看出，随着超声功率的增大，模拟地层水的17O-NMR谱线宽逐渐变窄。水的团簇结构是依赖水分子之间的氢键相互作用而形成，所以水团簇结构的改变与水分子间的氢键作用力有关。超声功率的升高会导致水分子间氢键的破裂。从比热容的角度看，气态水和固态水分别是 37.46，37.65 J/（mol·K），基本一致；液态水的比热容是 76.02 J/（mol·K）。随着超声波功率的提高，声能转化成水内能的速度更快，温度不断升高，水的汽化会加剧，从而导致水分子间氢键的持续断裂，而水的汽化需要大量能量，这一点与液态水比热容大于气态水非常吻合。

图5 不同超声功率下17O-NMR半峰宽

随着超声功率的增大，空化作用不断变强，模拟地层水的17O-NMR半峰宽迅速减小；当超声功率超过600 W时，半峰宽随超声功率增大而减小的趋势逐渐减缓，产生减缓的原因在于600 W后的温升效应趋缓以及超声声能的逸散。半峰宽的改变证明了超声作用对水分子间氢键缔合作用有明显的影响，进而改变了水分子三维网状结构。大分子变成小分子，产生的小分子水能更顺畅地进入特低渗储层的小孔隙区域，而单个水分子直径为0.40 nm，远小于特低渗储层的孔喉直径（微米级），单个水分子直径不到特低渗储层孔喉直径的千分之一，而0℃环境中氢键化所致的簇状结构中水分子个数约为400[16]，理论上小分子水可顺利进入小孔隙区域。这能很好地解释超声作用下中、小孔隙区域达到水驱平衡所对应的注入孔隙体积倍数均小于常规水驱的现象。超声作用不仅能提高特低渗储层的水驱波及体积，并且能进一步提高此类油藏的水驱开发速度。

从图6可看出，超声作用导致水温明显上升。随着超声功率增大，水温变化基本划分了3个阶段：1）缓慢升温阶段，超声功率为200～600 W，超声作用逐渐产生空化泡，空化泡的湮灭导致水温升高。2）快速升温阶段，超声功率为600～1 000 W，超声波作用产生的空化泡湮灭速度加大，产生的热能迅速被水吸收，温度迅速上升。3）稳定阶段。超声功率大于1000W以后，此时水温升高到一定程度，空化泡增速减缓，能量吸收逐渐稳定，温升速度减小直至稳定不变。

图6 超声作用后的温升效应

温度的变化意味着水分子运动加剧，这将影响到水分子间的氢键作用，水分子的转动引起氢键的断裂，而氢键的变化又影响了水分子的几何构型。温度的升高导致氢键不断减弱，氢键的断裂及超声空化作用导致部分水分子的脱离，使得水分子团簇结构变小，均有利于特低渗储层小孔隙区域水驱波及体积的提高。

研究发现，模拟地层水黏度随超声功率增大而逐渐减小。如图7所示，模拟地层水黏度降幅达到15.23%，超声功率超过600～800 W以后，降幅变小，这与本文2个实验结果基本一致。超声导致水黏度的降低有利于水驱渗流阻力的减小，有助于注入水进入以前无法进入的区域，从而从整体上提高水驱波及体积。

图7 超声作用后的水黏度

3 结论

1）超声作用可以在水驱基础上进一步提高特低渗储层的水驱波及体积10.5%～15.1%，且超声波可提高水驱开发速度，这有利于减少油田开发所需的注水量及特低渗储层污染的产生。

2）超声作用可减小水分子间氢键作用，从而改变水分子的簇状结构，产生的小分子水可进入特低渗储层的小孔隙区域，使特低渗储层小孔隙区域水驱波及体积增幅大于大、中孔隙区域。

3）超声作用可降低水的黏度，提高水温，从而减小注入水的驱替阻力，提高特低渗储层的水驱波及体积。