波导管振动采油工艺参数优化设计研究

收稿日期:2005-03-11作者简介:马玉天(1962-),男,黑龙江海林人,高级工程师,在读博士,从事采油工程研究工作。

文章编号:1000-3754(2005)04-0059-03波导管振动采油工艺参数优化设计研究马玉天1,2,林畅松2,王晓东2,杨会东2(11中国地质大学,湖北武汉 430074;21吉林油田分公司采油工艺研究院,吉林松原 138003)摘要:人工地震采油技术可以有效地改善地层流体的流动特性,提高原油采收率。

但是由于地表软土层使振动能衰减太大,致使传输到油层的能量相对很弱,因而该项技术没有大面积推广应用。

利用波导管技术可以有效地克服能量传输过程的损失,增强对油层的作用强度。

本文通过对振动波在波导管内传输过程的计算和分析,研究波导管的最佳传输频率、共振频率与井深及波导管物理机械性能的关系,解决了波导管振动采油工艺优化设计问题,为振动采油提高采收率技术的发展提供技术支持。

关键词:采油;振动;波导管;波动方程中图分类号:TE355 文献标识码:A1 问题的提出振动采油具有增产效果好、成本低、污染小等优点,在国内外很多油田得到了广泛的应用[1-3]。

前苏联北高加索克拉斯诺达尔城已衰竭的Abuai 油田用20t 的地面可控震源进行振动处理油层,油层埋藏深度1200m 、油层厚度10m,含水90%~92%,震源距生产井水平距离250m,振动频率为2~60H z ,每天处理20m i n ,处理后采出液含水降低到75%~80%。

一年后进行同样的处理仍获得相似的效果。

现场试验结果表明在10~20H z 附近处理效果最好。

1991年在吉尔吉斯T chang irtash 油田用几台50k W 震源进行地面人工振动处理油层,油层埋藏深度410~540m,油层厚度517~615m,含水90%,在两个试验区分别进行一个月和两周的的处理,并配合注气,第一试验区含水下降了25%~30%;第二试验区日产油增加了116倍,含水下降了20%~25%。

国内大港、辽河、新疆克拉玛依等油田20世纪90年代初也开始了人工震动采油研究和试验,取得较好的试验效果。

吉林油田1991年在扶余东十一站和新立油田进行振动采油试验,东十一区油层埋深379~470m,综合含水63%,平均日产油0137t 。

进行2个周期的振动处理,累计处理时间225h ,震动波及半径400m,覆盖17口油井,两个周期含水分别下降了1015%和712%。

新立油田9-18井区油藏埋深1110~1293m,油层厚度1715m,渗透率20@10-3L m 2,两个周期208h 的试验,共增产原油1207t 。

由于振动能量在地表层衰减损失太大,对地层的处理效果远没有达到预期的设想。

为了克服地表软土层的影响,使振动能尽可能多的传输到油层部位,前苏联技术人员提出了波导管振动采油技术,即在报废井或停产井下入波导管,波导管在井口与震源连接,在井底油层部位与换能器相连,使地面震源的能量通过波导管传输到井下油层部位的换能器。

由于波导管的能量传输效率远高于地层,解决了能量损失问题,大幅度提高了对地层的处理效果。

1988年俄罗斯在依格木尔塔什油田用电磁锤激励方法进行振动处理油层试验,增产效果显著,综合含水由5518%下降到4310%,日增油由2165t 上升到3172,t 有效期达2个月。

他们采用的波导管振动采油装置存在的主要问题是震源的振动方式是冲击式的,用脉冲波对地层进行处理,一方面能量损失大,另一方面瞬时激震力很大,对设备和邻近地带环境都有一定影响。

为了解决这一问题,这里提出采用连续振动震源的波导管震动处理油层的工艺原理,并根据波导管的物理机械性能提出振动频率的优选设计方法。

2 波导管振动问题的解析211 波动方程建立如图1所示,波导管振动采油工艺主要由震源、波导管和井口扶正器组成。

设波导管顶部振源位置为坐标原点,向下方向为坐标轴的正方向,用变量x 表示,考虑波导管的自重,则在上述坐标系下波导管的振动方程为52U 5t2-YS Q 52U5x 2=g (1)#59#第24卷第4期 大庆石油地质与开发 P 1G 1O 1D 1D 1 2005年8月式中U)))波导管任一点离开平衡位置的位移,m;Q)))波导管线密度,kg/m;g)))重力加速度,m/s2;S)))波导管截面积,m2;Y)))波导管扬氏模量,N/m2。

212边界条件的确定波导管上端x=0处受振源对波导管施加的周期外力YS5U5x x=0=F0sin X t(2)波导管下端x=L处被固定,由重力压缩引起偏离平衡位置,其大小为Ux=0=-12YSQ g L2(3)式中L)))波导管长度,m。

213初始条件的确定当t=0时,波导管上各点由于自重引起离开平衡位置的距离是Ut=0=-12YSQ g x2(4)214波动方程的求解首先令U(x,t)=V(x,t)+U(x)(5)其中U(x)=-12YSQ g x2(6)则波动方程、边界条件和初始条件化为52V 5t2-YSQ52V5x2=0(7)边界条件x=0处5V5x x=0=F0YSsi n X t(8)x=L处V|x=L=0(9)初始条件t=0时V|t=0=0(10)用分离变量法求解式(7),可得到解的形式是V(x,t)=(C(A sin K t+B co s K t)(11)式中,A、B为任意常数由初始条件当t=0时,由于V=0,所以必须有B=0,则方程解的形式变为V(x,t)=(M si nK QSYx+N co sK QSYx)si n K t式中,M和N也是任意常数,由边界条件确定。

当x=0时,由边界条件(8)得5V5x x=0=MK QSYcosK QSY@x sin K t x=0=F0YSsin X t如果等式成立必须有K=X,M=F0X SY Q当x=L时,由式(9)有V(x,t)=F0X SY Qsi n XQSYx+N cos X QSYxx=Lsin K t=0即F0X SY Qsin XQSYL+N co s XQSYL=0(12)由于正弦函数和余弦函数不能同时为0,所以式(12)成立有两种可能情况:第一种情况sin XQSYL=0,且N=0即X=n PLSYQ(13)式中,n为正整数(n=0,1,2,3,,,)。

式(13)是第一种振动情况下对振动频率的限制条件。

也就是说只有在这个频率范围的振动才有意义。

这时方程的解是U(x,t)=-Q g x22SY+F0X SY Qsin@n P xLsin X t(14)第二种情况N X0;cos XQSYL X0则必须有X15) #60#大庆石油地质与开发P1G1O1D1D1第24卷第4期由式(12)可得N=-F0X SY Qtg XQSYL式(15)是第二种振动情况下,对振动频率的限制条件。

这时方程的解为U(x,t)=-Q g x22SY+F0XSY Q@sin XQSYx-tg XQSYL cos XQSYx si n X t(16)3方程解的分析和应用311方程解的物理意义由式(16)可以看出方程解U(x,t)由两部分组成。

第一部分是由重力引起波导管各部分质点离开平衡位置的距离,与时间变量无关,与距原点距离的平方成正比,负号表示每一质点的位移与坐标轴的方向相反,反映由导管自重产生的压缩。

第二部分为弹性力引起质点离开平衡位置的距离,随时间按正弦规律变化,各质点的振幅与质点位置有关,由两部分组成,表示入射波和反射波的叠加的结果。

312振动频率对能量传输效率的影响一般情况下,波导管内即有入射波又有反射波,当震源振动频率趋近于X=n PLSYQ时,反射波逐渐减小,当振动频率和上述值相等时,反射波完全消失,震源的振动能全部耦和给换能器,所以说式(14)是式(16)的一种特殊情况,表示震源的最佳工作频率。

当振动频率为式(15)表示的频率时,本文所论述的振动问题无解,实质上这是处于共振状态,说明震源在这种振动频率下工作会破坏我们所要求的边界条件,其结果会对振动设备产生负作用,严重时会造成设备损坏。

所以,一定要避免震源在这种频率下工作。

由于式(14)中的n可取任意正整数,所以震源的最佳振动频率的取值不是唯一的,在已知油藏最佳振动频率时,应使震源的振动频率与其尽量保持一致。

前苏联的现场试验结果表明振动频率为10~20H z时,对油层的处理效果最好。

这里用278d厚壁钻杆作为波导管计算扶余油田和新木油田的振动工艺参数优选结果见表1、表2。

4几点认识(1)现场试验表明波导管振动采油技术是完全可表1扶余油田振动频率计算结果L=350m n=0n=1n=2n=3最佳频率/H z71431418622129禁止频率/H z317211115181582610表2新木油田振动频率计算结果L=800m n=0n=1n=2n=3n=4n=5n=6最佳频率/H z3125615091751310161251915禁止频率/H z11634188811311138141631718821113行的,既适于普通油藏,也适于稠油油藏。

对于低渗透、低丰度油田这是一个比较好的提高采收率的研究和发展方向。

在油藏埋深1200m,含水90%以内的油田应用效果比较理想。

(2)波导管作用范围大,振动时间可根据需要随意设置,可一井作用,多井受效。

设备可重复利用,产出投入比高,经济效益好。

(3)波导管对机械波的传输有一定的限制,当波导管的几何尺寸和物理机械性能一定时,它所能传输的机械波的频率是一定的。

其它频率波的传输效率都很低,大部分能量以热的形式消耗在波导管内。

所以必须根据换能器在井底的位置和所选波导管的材质确定地面振源的振动频率,或根据油藏工程需要确定振动频率后,再根据振动频率选择波导管的几何及物性参数。

(4)波导管振动问题的分析和求解,已经解决了波导管振动采油工艺的工作参数优化设计的问题,同时也找到了共振频率的范围,可以在实际工作中避免意外事故发生,实现防患于未然的安全设计。

(5)本文的计算过程没考虑井内液体摩阻的影响,一是为了计算简单,结果清晰,容易说明问题;二是据有关文献报道,震击式震源的波导管采油技术的能量损失不超过10%,采用连续振动振源要远比震击式震源的能量传输效率高。

参考文献:[1]刘兵1弹性波提高采收率方法综述[J]1世界石油工业,1995,2(2):35-401[2]王忠茂1振动采油技术[M]1北京:石油工业出版社,20001[3]梁昆淼1数学物理方法[M]1北京:人民教育出版社,19781编辑:何先华#61# 2005年8月马玉天等:波导管振动采油工艺参数优化设计研究w it h h i g h o i-l w ater v iscosity ratio,and it i s d ifficu lt to have stable pr oducti o n.In o r der to i m prove the deve lop-m ent results o f conven ti o na l w ater i n j e ction,profile con-tro lw ater shu-t off techno logy,wh ich is based on rebu i-l di n g o f geolog ic m odels and research on distri b ution r u les of re m ai n i n g o i,l has been developed to keep stab le pro-ducti o n for15years.This kind of techn i q ue,na m ely, w ater control and o il sti m u lation techn i q ue focusi n g on o-vera ll che m ical profile control i n sandstone,and lateral s w eeping overall profile contr o l techn i q ue i n layer con-glo m erate area,have played a key ro le in keeping relative stable production fro m lo w w ater cut stage to high w ater cut stage.K ey w ords:M enggu li n o ilfie l d;profile control and w ater shut-of;f overa ll pr o file con tro;l geo log ic m ode;l distribu-ti o n of re m ai n i n g o ilA rtic le ID:1000-3754(2005)04-0059-03R esearch on P aram eter Opti m ization Design f or W avegui d e V ibration Produc tion TechnologyMA Yu-tian,et al.(Ch i n a Geology U niversity,W u-han430074,China)Abst ract:Artificia l se is m ic production techn ique can e-f ficiently i m prove flo w i n g characteristics of for m ation fluids and t h en i m prove oil recovery factor.The energy trans m i-t ted to oil layers is re latively w eak due to t h e g reat attenua-ti o n of v i b rati o n energy caused by surface soft so i.l So, t h is techn i q ue is no t popu larized i n large scale.W ith the app lication o f w aveguide technique,the energy loss dur-i n g trans m issi o n can be effectively avo i d ed and the func-ti o na l i n tensity to o il layers can be streng thened.Based on calcu lation and analysis o f v i b rati o n w ave duri n g its trans m issi o n in w avegu i d e,th i s paper has stud i e d t h e re-lation bet w een op ti m al trans m ission frequency,sy m pathe-t ic v i b rati o n frequency,and w e ll dep t h and physica-l m e-chanical properties of w aveguide.H ence,the prob le m of opti m izati o n design fo r w aveguide v i b ration producti o n techno l o gy can be so lved.Th is paper can provide the de-ve lopm ent of I O R t h rough v ibration w ith technical gu i d e. K ey w ords:o il pr oducti o n;v i b ration;w avegu ide;w ave equationA rtic le ID:1000-3754(2005)04-0062-02F reeze P rotection and A nt-i clogging Techni q ue f or H ydrate in GasW ellsN I X ing-yu,et al.(N o11O il Production Co mpany of Daq i n g O ilfield Co m pany Ltd.,Daq i n g163111,Ch-i na)Abst ract:This paper established a kind o f techn i q ue to contro l hydrate i n gas w ells w ith t h e application of do w n-hole choke.Th is techn i q ue w as developed due to the proble m s ex isted i n Daqi n g p lacanticline,such as lo w producti o n of gas w e lls,diffi c u lty i n carrying w ater,li q-u i d storage in bo tto m ho le,and so on.The fie l d tests proved it w as effective.This m ethod can so l v e the prob-le m caused by wa ter storage,i m prove production e fficien-cy i n gas we lls,increase te m pera t u re atw ellhead and de-crease energy loss caused by gas storage.K ey words:choke applicati o n;hydrate;contro lA rticle I D:1000-3754(2005)04-0064-03A pplication ofM ultidisc i p li n aryM ethods in Opti m iza-tion of Geologic D esign for Horizont alW e lls i n Thin O il Layers and F ie l d GeosteeringJI Sheng-zhu,et al.(Geosc i e nce D epart m en t o f Zhe jiang University,H ang zhou310064,Ch i n a)A bstract:Accord i n g to current conditions and character-istics of re m ai n ed reserves in Putaohua o il layers,the b l o ck to be drilled for horizontalw ells has been selected. The reservo ir characteristics o f t h e b l o ck have been de-scribed through m u ltidisciplinary research m ethods,such as se is m ic i n ter pretati o n,geo log ic mode li n g,num erica l ana l o g,etc.During we ll dr illi n g,L WD m on itoring de-v ice,co mprehensi v e logg i n g dev ice,cutting logg i n g, se is m ic i n terpretati o n,geo log ic mode ls,and m any other techn ica lm easure m ents had been used f o r rea-l ti m e m on-i toring and co m prehensi v e analysis.W hat had been done helped geosteeri n g,and the putti n g for w ar d of drilling track.The horizontal w ells drilled i n u ltra thin si n g le sand layer w ith the t h ickness o f l e ss than2m,and t h e penetration rate for sandstone w as higher.A fter putti n g i n to production,the pr oduction o f horizontal w e ll w as3 ti m es that o f vertical w el.l The esti m ated i n dexes of t h e p lan w ere obta i n ed w ith good econo m ic benefits.The success o f drilli n g ho rizonta lw e lls can be a ne w w ay fo r the effective develop m ent in Pu taohua o il layers w ith l o w abundance.K ey words:ho rizon tal w el;l se is m ic interpretation;geo-log ic m ode li n g;L WD m on itoring device;geo l o g ic desi g n; geosteeringA rticle I D:1000-3754(2005)04-0067-02R esearch on Technology of Slidi n g Sleeve Ball Injec-tion D iverter P ipe Str i n g i n Horizont alW ells L I Sheng-li(O il Production Engineeri n g Research I nstitute of Daqing O ilfield Co m pany Ltd.,D aqing 163453,China)A bstract:Based on m atri x aci d izi n g i n long horizonta l section i n horizonta l w ells,th is paper established the pri n c i p les and app licab ility o f t h e d i v erter techno l o gy o f sliding sleeve ball injecti o n p i p e stri n g.The laboratory d-i verter ana l o g tests proved t h at the average throttli n g vo-l um e w as m ore than50%,and ac i d izi n g could be done w ith subsecti o n.The pulli n g and r unning of pipe string w as safe and there w as back wash i n g channe.l Duri n g one tri p operation the p i p e stri n g needn t'to be pu lled.The op-erati o n w as si m ilar to the recovery of coiled tub i n g,so, the surface equip m ent could be m ost used to i n crease the d ischarge capacity of ac i d izing operati o n.Co m paring w ith co iled tub i n g operation,t h is technology cou l d shorten the operati o n ti m e by2days and decli n e the operati o n cost by á6@104~12@104.K ey w ords:horizontal w ells;subsection ac i d izing;slid-ing sl e eve ball i n j e ction p i p e stri n gVo l124No14Petr o leum G eo l o gy&O ilfie l d Developm ent in Daqing Aug12005[5]。