振动提高石油采收率机理研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第７卷第１９期２００７年１０月　科学技术与工程　＠Ｖｏ１．７　Ｎｏ．１９　Ｏｃｔ．２００７　１６７１—１８１９（２００７）１９—５０４９—０４　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２００７　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．　石油技术　振动提高石油采收率机理研究　裴桂红李树铁　（武汉工业学院多孑Ｌ介质力学研究所，武汉４３００２３；中国科学院渗流流体力学研究所　，廊坊０６５００７）　摘要振动采油方法是一种很有前景的新型提高石油采收率的方法。从流体流动性能、储层孔渗性能变化、流体一岩石边壁　相互作用演化等方面论述了振动提高石油采收率的机理。基于以上机理，建立了振动　渗流耦合数学模型，通过算例分析了振　动对产液量等的影响。　关键词振动　提高采收率　ＴＥ３１２；　渗流　多场耦合　Ａ　中图法分类号文献标识码通常一次采油和二次采油可采收３０％一４０％原　始，石油大学和西安石油学院也曾对振动采油技术　做过一些研究　Ｊ，这些研究均建立在实验结果的　基础上，这方面的研究目前尚处于感性认识和理论　推测阶段。　油，大量的原油仍滞留在地下，以化学手段为主的　三次采油还有６０％－＿７０％的开采潜力。因此，世界　各产油国对三次采油都很重视。但化学驱采油存　在许多问题：一是由于需要向地下注入大量的化学　本文从振动对油藏流体流动性能、储层孔渗性　能、油藏流体与岩体相互作用等方面论述了振动提　剂，使得成本过高；二是化学剂注入地层后，可能造　成油层结垢、油层堵塞、设备腐蚀和影响采出原油　品质等负面影响；此外，不同性质原油，不同的地层　条件，需要的化学剂不同，化学剂配方技术还不　成熟　。　高石油采收率的机理。在此基础上，建立了振动．渗　流一应力多物理场耦合的数学模型。并通过算例分　析，研究了振动对储层产量和渗透性能的影响。　振动采油方法是人们受到自然现象的启发而　提出的一种新的采油方法。早在１９３８年，前苏联老　格罗兹尼油田从天然地震中发现油井产油量提高　１振动提高石油采收率机理　１．１振动对流体流动性能的影响　室内和现场试验结果表明，人工振动作用可　的现象。前苏联从２０世纪５０年代开始就声波采油　机理进行了大量的室内外研究，６０年代，又进行了　大规模的现场试验。美国早在２０世纪５０年代也开　始了声波采油技术的研究，近２０～３０年来，这方面　以降低原油的粘度。降粘效果与振动参数有关。　可以认为，振动降粘的机理主要有两方面：①人　工振动引起的振动波在原油中传播时，振动波的　能量被原油粘滞吸收，振动能转变为热能，导致　的研究一直没有中断。我国从２０世纪５０年代开　２００７年６月２１日收到　气资源与勘探技术教育部重点实验室　开放基金（Ｋ２００６０４）和湖北省高等学校优秀　中青年科技创新团队计划（Ｔ２００６０３）资助　第一作者简介：裴桂红，女，博士生，讲师，研究方向：渗流力学。　Ｅ－ｍａｉｌ．：ｐｅｉｇｈ＠ｔｏｍ、ｃｏｒｎｏ　原油粘度降低；②交变的振动作用加速了原油中　大、小分子之问的相对运动，使原油的结构发生　变化，甚至使部分大分子断裂为小分子，从而降　低原油的粘度。　石油大学孙仁远等通过实验研究了振动对　维普资讯 http://www.cqvip.com

５０５０　科学技术与工程　７卷　流体粘度的影响。研究发现：随着振动时间的延　长，流体粘度逐渐降低，且初始时刻粘度降低明　显：随着振幅的增加，流体降粘率增加；降粘率随　着振动频率的增加一开始是增加的，但是频率增　加的一定程度反而降低，如图１～图３所示　。　２０　＼　龉１５　耍　世　ｌ０　７　８　９　１０　ｌ１　１２　１３　频率，１／Ｈｚ　图１　振动时间对降粘效果的影响　逝　１０　７　８　９　１０　ｌｌ　１２　１３　瓤率ｆ｜Ｈｚ　图２振动频率对降粘效果的影响　２５　２０　葵ｌ０　逝　Ｏ　振￣Ａ／ｍｍ　图３振动振幅对降粘效果的影响　１．２振动对储层孔隙度、渗透率的影响　振动作用可以振掉边壁黏附的颗粒，打通渗流　通道；同时振动还可以使油藏岩体产生微观裂缝，　增加油藏渗流率。实验表明，振动对油藏渗透率的　影响十分明显。图４～图６为振动频率、振动时间、　振幅对岩心渗透率的影响　ｊ。　７０　振动时间ｔ／ｍｉｎ　图４振动时间对岩心渗透率的影响　ｌ　４　１　２　ｌ　０　８　豁　Ｏ　２　Ｏ　０　１０　２０　３０　４０　５０　振动频￣ｆ／Ｉ－Ｉｚ　图５振动频率对岩心渗透率的影响　量　诗　嘲　振￣Ａ／ｍｉｎ　图６振动振幅对岩心渗透率的影响　２储层振动场－渗流场耦合方程　为建立振动一渗流耦合数学模型，做如下假设：　（１）储层骨架为理想弹性多孔连续介质；　（２）孔隙流体可压缩，渗流服从Ｄａｒｃｙ定律；　（３）孔隙尺寸远大于波长；　（４）不计温度等因素影响。　２．１振动条件下岩土体运动方程　振动情况下岩土体运动方程可表示为　：　［Ｍ】｛　）＋［Ｄ　】｛　）＋［Ｋ】｛　）＝｛Ｆ）　（１）　（１）式中：［　】为质量矩阵；［Ｄ　】为阻尼矩阵：　维普资讯 http://www.cqvip.com １９期　裴桂红，等：振动提高石油采收率机理研究　５０５１　［　】为刚度矩阵；｛Ｆ）为荷载项；｛　）为单元节点位　移矢量；｛　）为节点速度矢量；｛　｝为节点加速度　矢量。　（１０）式中：Ｅ为弹性模量；　为泊松比。　２．２振动条件下流体渗流方程　根据渗流达西定律，单相流体渗流方程为　］：　｛Ｆ）＝｛　）＋｛Ｆ　）＋｛Ｆ　）＋｛　）　（２）　荷载项｛Ｆ）可展开为：　（　。ｐ）＋　。　＋ｐ　＋　（１１）　（２）式中：｛　）为体积力荷载；｛　）为面力荷载；　｛Ｆ　）集中力荷载；｛　）为振动荷载。　（１１）式中：　为渗透率；　为孔隙流体的粘度；　振动荷载｛　）为：　｛　）＝［　】｛　）　（３）　（３）式中：｛　）为节点加速度。　体积力荷载｛Ｆｖ）为：　｛　）＝｛　）＋｛　）　（４）　（４）式中：｛　）为重力荷载；｛Ｆ　）为孔隙压力荷载。　质量矩阵［Ｍ】可表征为：　［　］＝Ｊｐ｛　）　（５）　（５）式中：Ｐ为质量密度；｛　）为质量分布因子矩阵。　质量密度Ｐ为：　Ｐ＝　，＋（１一　）ｐ　（６）　（６）式中：　为孔隙流体的密度；　为固体颗粒的密　度；　为孔隙度。　假设阻尼矩阵［Ｄ　】为质量矩阵和刚度矩阵的　线性关系，则阻尼矩阵为：　［Ｄ　】＝　［Ｍ】＋　［Ｋ】　（７）　（７）式中：　、　为标量系数和瑞利阻尼系数。　、卢可　通过阻尼比卵联系。　叼：一ａ＋　／３ｔｏ２　卵　一＾　一　（９）ｙ　　（【Ｊ　（８）式中：　为系统振动的固有频率。　单元刚度矩阵［Ｋ】为：　［　］＝ｆ【　］　［Ｄ］［　］ｄｖ　（１０）　Ｊ　（９）式中：［Ｂ】为几何矩阵；［Ｄ】为本构矩阵。对于　弹性介质而言，本构矩阵［Ｄ】为：　１一　１一　［Ｄ】＝　Ｅ　（１＋　）（１—　）　１一　Ｐ。为初始流体密度；　为流体压缩系数；Ｑ为源汇　项；ｔ为时问项。　假定岩土只发生孔隙变形，岩土颗粒是不可压　缩的。（１１）式可写为：　ｏｘ（＼　／篙ｏｘ）　＋　（ａｙ＼　／篙ｏｙ）　＼＋　ｏｚ（　ｏ　／ｚ）　＋　。　＋　＋　（１２）　（１２）式中，　为体积应变；‰为初始孔隙度。　２．３振动－渗流耦合关系　振动对储层渗透率的影响十分复杂，为便于计　算，可通过实验给出振动对渗流影响的关系式：　＝　（　，ｔ，　）　（１３）　Ｋ＝Ｋ（Ａ，ｔ，　）　（１４）　（１３）式与（１４）式中：　为振幅，ｔ为振动时间，　为振动频率。　在计算过程中，采用迭代解耦方法，依据振动　振幅、时间和频率调整流体粘度和渗透率。　３算例　为检验本文的模型的应用效果，对振动作用下　一口井采用衰竭式开采时的情况进行了数值模拟，　并和不考虑振动时的模型计算的结果进行了对比。　计算模型为二维模型。边界均为不渗透边界。模　型长１６０　ｍ，厚度为５　ｍ，假设均饱和油。模拟采用　的初始孔隙度为０．３，初始渗透率为２００　ｍＤ，初始　流体粘度为：０．５　Ｐａ・Ｓ，振动频率为５００　Ｈｚ，振幅为　１　ｍｍ，储层的弹性模量为７０　ＭＰａ，泊松比为０。２５。　初始水平地应力为１６　ＭＰａ，垂向地应力为２０　ＭＰａ。　模拟时问为３年。计算结果如图７～图９所示。通　过分析可知，振动载荷作用下由于渗透率的提高（最　维普资讯 http://www.cqvip.com

５０５２　￡Ⅲ＼卿艇　科学技术与工程　７卷　大Ｐａ　・Ｓ　），储层流动速度明显增加，压力降低迅速。　５结论　…一　本文论述了振动提高石油采收率的机理，在此　ｌ４０　ｌ２０　ｌ００　８０　６０　４０　２０　基础上，根据振动力学、岩石力学和渗流力学理论，　提出了振动一渗流耦合数学模型，并给出了耦合模型　的有限元数值求解方法。通过单井降压开采时的　算例表明，振动可以改变储层的孑Ｌ隙度和渗透率，　０　提高产液速度和累计产液量，对提高石油采出率效　果明显。　图７　日产液量随时间曲线　参考文献　ｌ７　ｌ６　１赵福麟．采油化学．东营：石油大学出版社，１９８９　１５　２王萍，蒲春生，孟德嘉，等．国内外振动采油技术的研究及展望．　１４　石油矿场机械，２００５；３４（５）：２８—３０　３　雷光伦．振动采油技术的发展简介．钻采工艺，２００２；２５（６）：　４６—　８　９　８　４孙仁远．人工振动降粘试验研究．石油大学学报，２００１；２５（４）：　０　ｌ００　２００　３００　４００　５００　６００　７００　８００　９００　ｌ０００ｌｌＯ０　５４—．５５　ｔ／ｄ　５孙仁远，成国祥．人工振动对多孔介质中液体流动的影响．水动　图８储层平均压力随时问变化曲线　力学研究与进展，２００４；１８（４）：５５２—５６７　６邵秀民，蓝志凌．流体饱和多孔介质波动方程的有限元解法．地　球物理学报，２０００；４３（２）：２６４—２７８　７于海力．蒙古林砾石油藏人工地震采油试验研究．地震工程与　人工振动，２０００；２０（４）：１４８—１５２　８刘建军，刘先贵，胡雅初，等．低渗透储层流一固耦合渗流规律　的研究．岩石力学与工程学报，２００２；２１（１）：８８—９２　９刘建军，刘先贵．开发过程中三场耦合的数学模型．特种油气　藏，２００１；８（２）：３１—３３　１Ｏ王杰，金友煌，蒋华义，等．压力波动采油机理的模拟实验．石　图９累积采液量随时间曲线　油学报，２００４；２５（２）：９３—９５　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　Ｏｉｌ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｂｙ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ＰＥＩ　Ｇｕｉ—ｈｏｎｇ，ＬＩ　Ｓｈｕ　ｔｉｅ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｏｒｏｍｅｃｈａｎｉｅｓ，Ｗｕｈａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００２３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｏｒｏｕｓ　Ｆｌｏｗ　ａｎｄ　Ｆｌｕｉｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　，Ｌａｎｇｆａｎｇ　０６５００７，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｏｉｌ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｂｙ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｆｌｕｉｄ　ｌｆｏｗｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｐｏｒｏｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｆｕｉｄ　ａｎｄ　ｓｏｌｉｄ　ｗａｌｌ　ｌａｙｅｒ，ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｏｉｌ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｂｙ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—ｆｉｅｌｄ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ—ｓｅｅｐａｇｅ—ｓｔｒｅｓｓ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｏｉｌ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｊ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｏｉｌ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｌｆｏｗ　ｉｎ　ｐｏｒｏｕｓ　ｍｅｄｉａ　ｍｕｌｔｉ—ｉｆｅｌｄｓ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ