断块油气田
FAULT-BLOCK OIL&GAS FIELD
midautumnday
第28卷第1期2021年1月doi:10.6056/dkyqt202101021
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)
基金项目：河南省科技攻关计划项目“CO驱油层堵塞的超34解堵实验研究”(172102210434)；河南省高等学校重点科研项目
“异常高压低渗透油藏压力敏感性研究"(19B480004)
摘要提高水驱波及体积是改善特低渗油藏开发效果的重要手段&利用低场核磁共振仪器、岩心驱替实验仪器和自主研制的超3发生仪，选取天然岩心开展岩心驱替实验，评价了渗流过程中超3作用对特低渗储层水驱4及体积的影响，探索了超34提高特低渗储层水驱4及体积的作用机理&研究表明：超3作用可以在
水驱基础上进一步提高特低渗储层的波及体积10.5%〜15.1%；超3作用可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区域&另外，超3作用可降低水的黏度，提高水温，从而提高特低渗储层的水驱波及体积&研究结果有助于了解超3波提高特低渗储层水驱波及体积的作用机理，为该技术在油田现场的推广提供理论指导&
关键词特低渗储层；水驱波及体积；超3波；核磁共振
中图分类号：TE341文献标志码：A
Experimental study on ultrasound improving water-flooding swept volume of ultra-low
permeability rervoir
HUA Qiang
(School of Energy and Chemical Engineering,Puyang Vocational and Technical College,Puyang457000,China) Abstract：Increasing the water-flooding swept volume is an important means to improve the development effect of ultra-low permeability rervoir.Using low field nuclear magnetic resonance instrument,core displacement experimental instrument and lfdeveloped ultrasonic generator,the core displacement experiment was carried out in natural cores,an
d the influence of ultrasound on the water-flooding swept volume of ultra-low permeability rervoir was evaluated and the mechanism of ultrasonic wave to increa water-flooding swept volume of ultra-low permeability rervoir was discusd.The results show that ultrasonic action can further increa water-flooding swept volume of ultra-low permeability rervoir from10.5%to15.1%on the basis of water flooding.
Ultrasonic action can change the cluster structure of water molecules,and the resulting small molecule water can enter the fine pore area of ultra-low permeability rervoir.In addition,the ultrasonic action can reduce the viscosity of water and increa the water temperature,and thus increa water-flooding swept volume of ultra-low permeability rervoir.The results are helpful to understand the mechanism of ultrasonic wave to increa water-flooding swept volume of ultra-low permeability rervoir and provide theoretical guidance for the popularization of this technology in oil field.
Key words：ultra-low permeability rervoir;water-flooding swept volume;ultrasound;nuclear magnetic resonance
0引言fank>2015六级真题
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#T，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及流固耦合现象#6%、显著的压力敏感性#7%、非线性渗流等特点，导致常规水驱难以充分波及到特低渗储层含油区域切，尤其物性较差的小孔隙区域开发效果更差[11-12]o中日在线互译
近年来，超声波技术在油田开发领域应用越来越广泛回。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
收稿日期：2020-07-30；改回日期：2020-11-06。
pleasure怎么读第一作者：华强，男，1982年生，讲师，博士，主要从事油田开发教学研究工作。E-mail：*******************。
引用格式：华强.超声波提高特低渗储层水驱波及体积实验研究[J].断块油气田，2021，28(1)*115-119.
HUA Qiang.Experimental study on ultrasonic improving water-flooding swept volume of ultra-low permeability rervoir[J].Fault-Block Oil& Gas Field，2021，28(1)*115-119.
116断块油气田2021年1月
淀堵塞!1%"，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40MPa，环压0~50MPa，流量范围0.01~ 10.00mL/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17~125kHz，最大输出功率2000W，运行温度为10~110
3)低场核磁共振设备。设备型号为MesoMR23-060V-I/VTP，磁场强度为0.5±0.08T，仪器主频率为21.3 MHz，探头线圈直径为60mm。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$H质子流体的核磁驰豫信号(Z谱)。
4)岩心气测渗透率仪和天平。
1.2材料
实验岩心样品采用中国石化中原油田的天然岩心。为了更加直观地反映超声作用对不同物性储层的水驱波及体积提高效果，本实验选取了不同渗透率的天然岩心，岩心参数见表1。由于@在低场核磁共振中无响应信号，可充分研究驱替介质进入储层不同孔隙的情况，因此用@水配制模拟地层水，饱和实验岩心，实验中分别采用纯净水和@水配制模拟地层水，记作1#模拟地层水、2K模拟地层水，矿化度均为8000mg/L，组分质量配比NaCl：CaC12=9：1。
表1实验岩心数据
岩心编号长度/cm直径/cm气测渗透率/10-3|xm2 YX-1-1 4.9 2.5 3.73
YX-1-2 5.1 2.5 3.56
YX-2 5.0 2.5 5.81
YX-3 5.1 2.57.29
newhalf是什么意思
YX-4 5.0 2.59.62
注："#证实(强*对比—，YX-1-1和YX-1-2同一34
1.3原理
由核磁共振弛豫机制可知，在均匀磁场中测量的横向弛豫时间！2为
X=1(1)
式中：！2Q为流体的自由弛豫时间,ms*p为岩石表面弛豫率，！m/ms；S为孔隙表面积,m2；#为孔隙体积,m3。
一般情况下，抵的数值远大于3000ms,T2B!!2，-1-近似为0，此时可以忽略不计，式(1)简化为
!2B
S(0)
丁P#(2)由式(2)可以看出，！2与储层岩石孔隙比表面有关，也就是！2与孔隙大小及其形状有关，所以！2能定量表征储层岩石内孔隙大小分布情况以及各种类型孔隙区域内的流体分布。
"讣⑶由式(2)、式(3)得：
笃"$(4)
式中：$为孔隙半径,m。
由式(4)可以看出，笃与$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！2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。！2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)。
第28卷第1期华强.超声波提高特低渗储层水驱波及体积实验研究117
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0.05mL/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n水，直至低场核磁共振！2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！2谱％
4）启动超声发生仪，采用超声频率25kHz及超声
作用功率60。W，在步骤3）的基础上继续恒压注入I8模拟地层水，直至低场核磁共振！2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!2谱%
5）依次采用岩心YX-l-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！2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！2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。
"e="100%（5）
$u
式中：为水驱波及体积提高幅度,％；S；为超声处理后T2谱峰面积,m2；S为超声作用前！2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10ms，对应岩心中小孔隙区域；10~100 ms，对应中孔隙区域；大于100ms，对应大孔隙区域，模拟地层水T2谱见图1%
图1模拟地层水T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18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0.50PV时,PH峰基本稳定％这说明注入0.50PV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1.00PV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1.0PV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T?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
118断 块 油 气 田2021年1月
的发生000
t e n
200
3
注人0.25 PV 注人0.50 PV 注入0.75 PV 注入1.00 PV —注入1.50 PV —注 A 2.00PV
0 I ------------1------------1_r
10-2 10-1 10° 101 102
弛豫时间/ms
103
104
图3 岩心YX -1-2超声作用后模拟地层水T 2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&
16「
14
尸 r .lllln%+19.505
0.966 4
12
10 --------------------------------------------------------------------------2 4 6 8 10
渗透率/10-3凹12
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
怎么盘头发分别是37.46,37.65 J/(mol-K )，基本一致；液态水的比
热容是76.02 J/(mol-K )0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。
120 rforgive
60 ----------------------------------------------------------------------200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600
超声功率/W
图5 不同超声功率下17O -NMR 半峰宽
蜉蝣的意思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
&
第28卷第1期华强•超声波提高特低渗储层水驱波及体积实验研究119
.2.0.
8.64.2
2.21.1.1.1.
200 400
600 800 1 000 1 200 1 400 1 600超声功率/W
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。
1.2 r
.O
0 8 | | | | |'0 400 800 1 200 1 600
超声功率/W
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。
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(编辑乔保林
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