水力振动采油技术.docx
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水力振动采油技术
水力振动采油技术
一、高压水旋转射流采油技术
高压水旋转射流采油技术是近年来发展起来的具有工艺简单、效率高、成本低、无污染、能量集中、处理深度大、可选择处理地层等优点，是用于高含水期油田和低渗油田油水井解堵、增产、增注的一项高新技术。
（一）结构和工艺过程
井下采油装置是由过滤器、单向阀、扶正器、旋转控制器和自振空化射流喷嘴组成，其中关键部件是控制器和自振空化喷嘴。
该装置用油管连接，并送到井下射孔段，用地面水泥车开泵打压。
清水或加有防膨剂、防蜡剂、粘土稳定剂的处理液通过油管、单向间、过滤器后进入旋转射流发生器，产生多股径向高压水射流，其中两倾斜的侧向射流产生旋转力矩，驱动喷头旋转，旋转速度由旋转控制器控制。
同时，地面作业车缓慢升降油管，使工具在射孔段上下移动。
喷头旋转一周有多股水力射流直接冲入炮眼，对炮眼产生直接的和间接的强大水力脉冲压力，清除炮眼堵塞。
高压水从两个与井壁成①角的斜喷嘴喷出，同时产生一定的反作用力，对轴线产生一个反扭矩并产生反向转动。
在相同压力和排量下，改变咳嘴的角度，可得到不同的转速，但转速高，水射流的冲击压力小。
根据下式可确定偏心角①：
T=cpQRsin①（1-13）
式中T扭矩，N・m;
c系数；p压力，MPa;
Q流量，L/s;
R偏心距，mm;
1偏心角，（°。
高压水射流发生器每转一周，通过套管上的炮眼对地层产生四个脉动冲击，其中两个较大的脉动冲击是由两个与井壁垂直的喷嘴产生的。
此脉冲产生的冲击压力较大，而两个较小的脉动冲击是由另两个斜喷嘴产生的。
它既产生一定的冲击压力，又能使高压水射流发生器整体转动。
为了将高压水射流发生器的旋转速度控制在一定范围内，在其上面连接一个能自动调整速度的旋转控制器。
转速高时，产生的阻力大，转速低时，产生的阻力小。
这样可以把高压水射流发生器的转速控制在一定的范围内，使其既能产生较大的冲击力，又能多次覆盖整个地层。
石油大学马加骥等人对高压水射流穿透能力和泵压与转速的关系进行了试验研究，测岀单个炮眼在不同深度的地层所受到的冲击压力。
他们认为，高压水射流在旋转时产生的脉冲频率一般为800〜1400Hz
这时冲击压力最合理，既有较大的冲击力，又有较多的机会冲击炮眼。
测试结果表明，测试点离井壁越近，冲击压力越大。
当喷距达到一定距离时，冲击压力不是随泵压增加而增加，而是随着脉冲频率减小，冲击压力衰减也小。
喷距较大时，高泵压冲击压力反而比低泵压衰减大。
脉冲频率高，衰减快，作用深度小。
反过来，泵压低，射流转速馒，脉冲频率低，衰减慢，作用深度大。
（二）解堵原理
高压水旋转射流解堵技术，是利用井下可控转速的旋转自振空化财流解堵装置，产生高压水射流直接冲洗炮眼解堵和高频振荡水力波、空化噪声（超声波）物理解堵。
自振空化射流是一种新型高效射流。
这种射流具有强烈的压力振荡作用和冲蚀岩石效果，其射流振动频率达几千至上万赫兹，压力脉动幅度达24%〜37%;在相同泵压下，破碎岩石效果
为普通射流的2~4倍。
这种高频自振射流可直接冲入炮眼，对炮眼和近井地带深穿透冲击解堵，射流冲击力可达250N以上，射流水功率可达130kW以上，冲击破碎地层岩石，产生新的微裂缝，从而提高地层的渗透率。
射流伴生高频、强辐射、深穿透空化噪声，频率可高达10kHz。
空
化噪声在0100kHz上均有分布。
并且存在一个极值。
改变压力、速度或物体形状，可在较大程度上改变空化噪声的频谱分布和强度。
空化噪声作用能产生比射流冲击压力高6〜124倍的瞬时
空化冲击压力和高达摄氏上千度的瞬时高温。
这种高频率超声波一方面有助于解堵，另一方面可以改变原油分子结构，降低原油粘度，减少岩石和油水界面上的表面张力，从而改善原油的流动性，提高原油的采岀程度。
当工具在井下旋转时，在井筒内会产生旋转水力扰动波，旋转速度在100〜0r/min范围内。
这种低频旋转水力波作用在地层近井地带，再加上自振空化射流水力脉冲
冲击作用，以及高频水力振荡和空化噪声的物理作用，使沉积在地层孔隙内的机械杂质和堵塞物逐渐松动脱落，离开油层孔隙通道，分散在液体中被旋流带走，达到疏通孔道、解除堵塞的目的。
同时，地层岩石在这种低频旋转水力波的反复作用下，产生疲劳微裂缝网，并随着水力波的深入，
裂缝不断扩大和延伸，从而提高地层的渗透率。
因为射流直接冲击炮眼，因此，能量集中，对炮眼处理深度增大，最深可达0.1m左右，可以对整个射孔段炮眼和近井地层全方位处理和冲击、振荡及空化等综合处理，有效地解除近井地层堵塞。
（三）参数的确定
解堵工具的旋转特性和压力脉冲特性是在石油大学（华东）高压水射流研究室进行的，实验得岀以下结论。
1.旋转喷头的旋转特性
喷头的旋转是实现射流对射孔段所有炮眼直接冲洗的关键之一。
采用阻尼式旋转控制技术，喷头的旋转速度由射流的旋转动力矩和喷头的旋转阻力平衡关系确定。
旋转阻力由密封摩阻、阻尼液粘滞阻力等组成。
在喷嘴岀口直径不变的条件下，改变泵压和阻尼液，通过测量孔的压力脉冲数可测得喷头的旋转速度。
采用8种泵压，3种阻尼液测得的喷头的旋转速度与泵压的关系曲线。
2.泵压对套管壁面冲击压力的影响
不同泵压下套管壁面冲击压力的测试结果。
可以看岀，随泵压的增加，射流对套管壁面处的冲击压力呈线性增加，壁面冲击压力为泵压的80%〜90%。
3.射流冲击压力与径向距离的关系
为了试验射流冲击压力对地层的处理深度，在泵压一定时试验了不同径向距离（喷距）处的射流冲击压力。
可以看岀，在泵压一定的条件下，随着径向深度（喷距）的增加，射流冲击压力逐渐减小。
在所试验的13.0MPa和20.0MPa泵压下，距管壁径向距离增至600mm时，射流冲
击压力仍达2.2MPa和3.0MPa，说明射流作用距离可达600mm以上。
4.泵压计算
（1）作用于喷嘴上的压力计算
（2）喷嘴岀流对炮眼冲击力的计算
（四）应用技术
1.适用范围和选井条件
（1）油井：
1地层渗透率较高，具有一定产能，近井带堵塞引起产量下降或停产。
2地层堵塞又具有酸敏、水取特性，不易实施酸化等措施。
3油层薄、层段小，不易进行其他分层改造措施。
4地层能量低，酸化后无法排液。
5油层近井地带存在液阻效应，渗流阻力大。
6原油粘度大，流动性差。
7地层表层损害，近井地带压力损失大。
8不易进行其他化学法处理油层的井。
9可作为酸化、压裂、注蒸汽、注聚合物、防砂等措施前的预处理，以下环境。
10因套变不能进行其他措施，但不影响工具下入的井。
（2）水井：
1需调整油水井产出剖面及吸水剖面。
2地层渗透性较好，由于各种原因二次污染造成井壁附近后期堵塞。
3地层泥质含量较低。
4转注初期吸水能力强，但注水过程中，由于水质不合格造成后期堵塞
5转注后不吸水或吸水较差。
6在酸化或压裂过程中，由于排液不及时造成近井地带堵塞。
7酸敏、水敏、欠注。
（3）水力振动处理地层，应避免在下列情况下使用：
1套管受到损害，影响工具下入的井。
2地层压力低的注水井。
3地层漏失严重的注水井。
2.施工设备及要求
（1）作业机一台，400型水泥车一辆，15m3水罐车两辆。
（2）施工井井口自封装置，并有回水管线。
（3）地面管汇中需要与400型水泥车配套的高压弯头、高压水龙带、三通等，并清洗干净,连接密封良好。
（4）地面泵工作压力为15〜30MPa，流量为400L/min左右。
（5）工作介质为清水，根据地层物性和堵塞情况可加入适量的防膨剂、解堵剂、粘土稳定剂等添加剂，以保证工作液与地层岩石及流体配伍，并保证解堵效果。
（6）采用返出液外排的方法，以保护油层及减少过滤器堵塞。
不能外排井采用冲砂罐作为循环装置时，要将泵车吸入口放在罐上部，以防止堵塞过滤器及减少污染。
（7）用磁定位技术确定施工井段。
3.施工工艺和方法
（1）严把施工准备关，不符合施工条件，不允许施工。
特别是解堵工具，要严格检查。
对于结垢严重的井，采用盐酸预处理。
（2）用清水或活性水洗井，防膨液压井，起出井内管柱，探明砂面。
（3）按射孔段深度和长度配好油管柱并清洗干净。
从上到下按-级过滤器+单向阀+二级过
滤器+扶正器+阻尼控制器+旋转喷头的顺序连接好施工管柱，用油管送至射孔段顶部约1m处。
（4）用清水正洗井，洗净油管内的污垢和杂物。
（5）按上述要求配好处理液后，打开井口，自井口投球，打开单向阀，两台车并联，一挡调压至15〜30MPa，正循环打处理液。
同时，用作业机缓慢下放管柱（越慢越好），使解堵工具从上到下连续清洗射孔段炮眼，直至射孔段底部约1m处，然后缓慢提升油管，从下到上连续清
洗炮眼直至射孔段顶部约1m处，反复清洗4~5次。
（6）处理完后，将工具下至油层段下部，打开井口流程闸门，用清水大排量反循环洗井2〜
3周，排岀炮眼内清洗掉的杂物。
（7）起岀全部管柱及清洗工具，按常规下泵或下注水管柱，开井生产。
4.应用效果
自1995年初至1997年5月，高压水旋转射流解堵技术已在辽河、胜利、中原等油田现
场试验和应用，效果显著。
辽河油田锦州采油厂1995年应用旋转射流解培技术施工23口油井，其中21口井有效，有效率为91%，平均单井增油幅度为20%〜50%，有效期90天以上，当年累计净增油8892t，创经济效益410.5万元。
胜利油田胜利采油厂1996年2—10月，应用高压水旋转射流解堵技术在43口注水井上进行了现场试验，其中38口井有效，有效率为88%，平均单井日增注30%~90%，有效期的天以上，累计增注30多万立方米。
大庆油田选择了具有代表性的南6-30-632井和南6-40-643井进行了现场试验。
试验过
程中对洗井冲岀的污物进行了现场记录。
振动前已洗井见清水，振动处理后洗井时，均有块状污油间歇排岀，且水流混浊与清澈交替，10分钟后开始排清水。
实际这两口井振动处理后动液面和流压上升，增油幅度为22.2%，有效率达100%。
大庆油田在其他油井的试验也都取得较好效果，未发生水敏及粘土膨胀产生的负效应。
试验结果表明，
通过振动处理，改善了油层的孔隙结构，恢复和提高了近井地带油层的渗透率。
由于振动后孔隙结构的改善，使井底附近油层内流体流动能力增加，收到了明显的增油效果。
中原油田自1996
年9月至1997年4月底，应用高压水旋转射流解堵油水井共36口，有效34口，有效率为
94.4%，其中油井24口，有效24口，有效率为100%，累计增液5270t，累计增油2377.
7t，其中增产幅度较大的有P5-112和P7-3井。
P5-112井措施前日产液11.0t，日产油6.4t，含水41.8%，于1997年4月21日—28日实施射流解堵后，日产液28.3t，日产油15.8t，含水44.1%，日增液17.3t，日增油9.4t，至1997年7月继续有效。
P7-3井在实施射流解堵后，日增液28.5t，日增油13t，累计增油803t，有效期64天。
中原油田在1996年下半年至1997年上半年对水井实施射流解堵18口，其中有效16
口，有效率88.9%，累计增注62564m3，平均有效期157天，解堵效果十分显著。
如中原油田采油三厂的W2-56井，该井实施射流解堵后，注水压力由16.5MPa下降到15MPa，启动
压力由9.2MPa下降到8.4MPa，视吸水指数由45.0m3/（d-MPa）增大到50.6m3/（d-MP
a）o从吸水剖面资料对比看，原本不吸水的井段2767.5〜2796.5m，解堵后，相对吸水增大
到5.4%，新增吸水厚度4.6m，新增吸水层3层，对应油井2口，见效率100%，截止1997年4月累计增油468t，有效期237天。
再如中原油田采油二厂1997年2月27和28日分别对P7-9和P7-581井进行射流解堵。
P7-9解堵后，注水压力由24MPa下降到20MPa，注水量由41m3/d增加到92m3/d，截止1997年4月底累增注4892m3，有效期62天。
P7-581井解堵前在23MPa的注水压力下日注44m3，解堵后在25MPa下日注100m3，满足配注要求。
该工艺技术成本低，施工简单，投入产出比高，在中原油田的应用效果十分显著，具有良好的推广应用前景。
二、水力振动采油技术
水力振动采油技术在吉林、大庆、大港、玉门等油田应用，效果非常显著。
由于这项技术的不断完善，已经成为重要的振动采油技术之一。
（一）水力振动采油设备及工作原理
1.振动器的结构及技术指标
2.振动器的工作原理
当振动器内部受高压时，由于柱塞左端受压面积大于右端受压面积，导致活塞受到自左向右的推力，此推力F的大小为活塞面积A与压强⑽p的乘积，即F=⑽p-A。
此推力推动活塞向右移动，井压缩强簧。
当管压力达到工作压力时，活塞向右移动，内泄孔从衬套中漏岀，这时高压水瞬间大量外泄，并作用在活塞面上，使活塞在端受力面积大幅度增加，其作用力也大幅度增加，并使活塞瞬间向右运动并达到下死点。
同时，内泄孔与外泄孔全部相通，管内的高压水瞬间排出，并作用于油层段。
这时，由于管内的高压水已瞬间排出，压力大幅度下降，致使管内外压力平衡，活塞在高压弹簧压缩力的作用下被推复原位，待振动器内部压力又升至工作压力时，活塞又重复上述动作。
这样，振动器在井下周而复始地工作，就产生了一种具有低频、高幅的水力冲击波。
（二）水力振动采油机理
水力振动采油是以水力振动器作为井下振源，将其下入至处理井段，地面供液源接一定排量将工作液注入振动器内，振动器依靠流经它的流体来激励，产生水力脉冲波，对油层施加作用，实现振动处理地层。
水力脉冲波携带能量在油层中传播，以振动和冲击作用激发振动场内的介质，
使介质质点的某些物理量（如位移、速度、压力等）发生反复变化。
这样，沉积在油层孔隙内的固体附着物逐渐松动剥落，分散在液体中，然后被工作液带走，达到疏通孔道的目的。
振动波以强烈的交变压力作用于地层，在地层内产生周期性的张压应力。
当振动幅度和振动频率达到一定值时，地层会产生裂缝网，从而提高油层的渗透率。
呈塑性液体特性的原油，在超过其极限切应力的弹性波场内，原油的结构被破坏，使原油粘度降低。
振动效应还表现为降低岩层中的表面张力，破坏毛管力平衡，加快地层流体的渗流速度等。
（三）现场施工工艺
1.施工流程施工流程
由地面设备和振动管柱两部分组成。
其中地面设备为一台300型泵车、一台储液罐车、一
部修井机。
振动管柱由井口、油管、扶正器、振动器组成。
2.施工步骤
（1）起岀井内生产管柱，通井，探砂面。
若砂埋油层，贝U冲砂。
（2）彻底清蜡，保持油管内清洁。
（3）配振动管柱，振动器下至处理层位。
（4）连接地面施工设备及仪器仪表，做好施工准备。
（5）启动泵车开始施工，先以0.2〜0.3m3/min的较低排量启动振动器，待振动器工作正
常后，增加泵排量至设计排量。
（6）施工结束后，即可起岀振动管柱，下生产管柱投产。
3.施工要求
（1）泵车性能良好，在6.0〜8.0MPa泵压下，能以0.4〜0.6m3/min的排量持续工作。
（2）单井振动处理时间为1~2小时，工作液用量在30~50m3之间。
对于油层漏失的井,原则上应增加工作液用量，直至井口返液，再按设计用量施工。
（3）若进行多层处理，应自下而上换层振动。
4.工作液的选择
工作液对振动效果起着举足轻重的作用，它应具有以下性能。
（1）低密度、低粘度。
（2）不与地层及地层流体反应生成沉淀物。
（3）不与地层流体发生乳化。
（4）降低界面张力。
（5）不使地层粘土膨胀。
目前，现场使用的工作液有清水、地层水、活性水、原油、活性原油、复配工作液等。
应根据油层性质及油层流体的性质来选择工作液的类型。
5.选井原则
（1）油层近井地带存在污染、堵塞的井。
（2）原油粘度高，流动性差。
（3）油层近井地带存在液阻效应，渗流阻力大。
（4）严重漏失井、水淹井、套外窜槽井不易进行振动处理。
（5）地层泥质含量较低的井。
（6）地层岀砂较轻的井。
（7）油井生产正常，转注后不吸水或吸水较差的井。
（8）不适于套管直径较大的井。
（9）不适于高压低渗透油藏。
（4）应用效果
1.水力振动解堵增油效果
（1）吉林油田红岗来油厂红20-02井该井位于红岗油田V号区块，属开发老井，注水无效。
曾采取过压裂、酸化等措施，但增产效果不理想。
该井油层及开采情况见表9-1-22。
层位
层号
油层井段m
有效厚度m
电测
油水井连
备注
解释
通俗况
Es
1-2
1196.4~1206.8
5.6
油层
好
单层
开采
自1989年1月至1991年3月，该井日产液从17.5t降至10.2t，日产油从7.8t降至3.7
t，动液面从950m降至988m，含水率从55.4%升至63.7%，油井供液不足。
1989年3月地层压力为12.69MPa，1991年1月为13.19MPa，呈上升趋势，而其周围井地层压力下
降。
综合该井的动态资料、静态资料、压力资料，结合开发现状分析、认为油层存在堵塞。
199
1年4月4日对该井进行了水力振动处理。
现场施工参数为：
工作排量：
0.4〜0.5m3/min；
工作泵压：
7.5~10.0MPa;振动幅度：
1.6~2.5MPa;振动频率：
270〜300Hz;振动时间：
96min。
（2）大港油田第一采油厂浅3-6井
该井位于港东区块，属开发老井，井深1810.49m。
振动处理前间抽生产，每10天开井
一次，生产一天液面就被抽到井底，只得关井恢复液面。
资料反映岀，产量递减超常，动液面与静液面差值大。
综合分析认为，油层存在堵塞。
199
2年8月24日对该井进行了振动处理。
现场施工参数为：
工作排量：
0.45〜0.52m3/min;
工作泵压：
4.0~20.0MPa;振动幅度：
1.8~2.8MPa;振动频率：
280~320Hz;振动时间：
8
0min。
该井振动处理后增产效果非常明显，最高日产液28.7t，日产油23.8t，平均日产液15.
5t，日产油11.7t，统计至1992年10月末，仅两个月累计增油605.5t，而且继续有效。
振
动处理后油井连续生产，产量稳定，动液面稳定，示功图正常。
结果表明，水力振动采油技术的有效率高于压裂和酸化，增产幅度居中，而且水力振动采油技术施工简便，费用低廉。
与压裂、酸化相比，在具有同等增产量的条件下，费用低得多，其经济效益显著。
到1994年12月底，胜利油田东辛采油厂共施工油水井209口，其中有效井1
53口，无效井43口，不对比井13口，施工有效率为78%，累计增注水685501m3，累计增油69059to特别是油井的增油效果相当明显。
如辛17-23井，层位为东二，井段为1579.
4〜1604.0m，有效厚度为10.9m。
1994年3月16日水力振动施工，振动点11个，施
工泵压为12MPa，施工一切正常，下44mm泵，生产制度为2.5X7X①44，开井后生产情况良好。
2.水力振动使原油含水大幅度下降
随着油田的注水开发，抽井含水逐年上升，降水增油是提高高含水油井采收率的重要方向。
吉林油田应用水力振动采油技术在高含水油井中进行了尝试，取得了比较乐观的效果。
吉林油田统计的1996年以前105口油井中，有65.71%油井经振动处理后含水降低，平均下降10.27%，最大下降幅度为25.2%。
这一作用对于注水开发的中晚期油田具有重要意义。
3.水力振动解堵增注
（1）胜利水63井
胜利石油管理局永63井注水层位为砂二1—砂三2层，井段为1976.4~2792.0m，有
效厚度为37.1mo1994年3月19—23日进行作业，采用下二级振动器施工，共选振动点26个，施工泵压为10.5MPa，振动完后注水，3月26日注水量由施工前的（油压15MPa）4
2m3上升到施工后的（油压13.9MPa）163m3。
截止1994年12月底，有效期长达280
天，累计增注水27364m3。
（2）大港油田
1990年5月，石油大学与大港油田合作在现场进行了水力振动器地面试验，从模拟井筒中
通过压力传感器测岀的压力脉动，可以从示波器上直接观察到，并以此验证水力振动器在现场工作的可靠性。
在此基础上，从1990年6月至1991年5月依靠大港油田第三采油厂与石油大学水力解堵科研组的合作，在枣园油田枣南区块共进行了6口注水井的水力振动解堵试验，成功
率为100%，增大了这些注水井的吸水能力，取得了显著的经济效益。
11273井位于枣南断块，1985年4月投注，注水层位为枣V3-9，注水井段为1871.4
〜1982.2m，厚度为47m，日配注量为100m3。
当时基本能满足这一要求1985年6月23
—27日，用活性水增注，无明显效果。
1986年5月11—13日进行了补孔，使注水井段变为1871.4〜2035.6m，共21层，厚度为64.8m，日配注量为150m3。
截止1990年5月3
1日，累计注水83611m3。
该井自1989年底以后，日注水量逐渐下降，1990年5月的平
均日注量只有35m3，达不到配注要求。
分析该井注水历史，认为长期注入水质不合格的水，可能使近井地带地层孔隙堵塞。
因此，决定应用水力振动解堵工艺对1273井进行施工。
在注水井
段从油层部位顶部开始每隔1m振荡10分钟，泵压保持在10MPa左右。
该井子1990年7
月19日开井进入正常注水，至1991年7月已有一年的增注有效期，累计增加注水量达367
05m3。
表9-1-28为1273井施工前后的注水情况。
21279井于1985年4月投注，注水层位为枣V,注水井段为1845.0~1993.1m，厚
度为65.3m，日配注量为100m3，当时基本能满足配水要求。
从1988年注水量开始下降，
1988年5月11日进行了酸化防膨处理，无明显效果。
截止1990年10月，累计注水576
67m3。
自1989年底以后，注水量明显下降，注不进水的情况常常发生，1990年9月的平均日注量只有5.27m3，远远达不到此时配注30m3的要求。
水力振动试验于1990年11月6日—21日进行，作业井段为1845~1993m，泵压为10MPa。
该井于1990年11月24
日开井，至1991年7月已有7个月的增注有效期，累计增水7317m3。
（3）大庆油田
近年来，大庆萨南油田和葡萄花油田进行了部分注水井水力振动解堵试验。
两个油田应用该技术共处理注水井23口，均不同程度地见到了增注效果。
从振动前后的对比情况看，萨南油田水力振动处理15口井24个层，实现平均日增注13.3m3。
葡萄花油田注水井水力振动解堵8
口井，振动处理50个层，累计增注3429m3。
由此可见，这项技术用于大庆油田注水井解堵不仅是适用的，而且是比较成功的。
三、多级同步振动采油
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