水力空化儲層改造物模實驗裝置研制與實驗探索

劉 佳，敬佳佳，鄒信波，劉 帥，屈學鋒，卞 濤，李 軍，劉顯鋒

1中海石油(中國)有限公司深圳分公司 2西南石油大學能源裝備研究院 3中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司 4中國石油塔里木油田分公司應急中心

0 引言

儲層改造技術是進行低滲油氣開采的有效手段[1- 2]。近年來工程界提出了空化儲層改造技術，該技術以其所需設備少、工藝簡單、清潔環保、可改善儲層非均質性，具有精細化改造能力等特點受到了行業關注?？栈侵府斠后w內局部壓力降低時，液體內部或液固交界面上蒸汽或氣體的空穴(空泡)的形成、發展和潰滅的過程，該過程會產生劇烈的振動、局部高壓等空化效應[3]?？栈夹g目前已在船舶[4- 6]、金屬加工[7- 9]、石油[10- 13]等領域得到了廣泛應用。但在儲層改造領域，雖然空化儲層改造技術在延長、大港、華北等油田開展了初步應用，表現出顯著的增產、增注效果，但由于沒有能夠模擬儲層改造工況的大型空化實驗臺架和測試手段，導致對水力空化儲層改造技術機理及規律的認識尚不完善，制約了其研究與推廣。

鑒于此，本文根據空化儲層改造的原理及現場應用情況，自主設計、研制了大型空化儲層改造物模實驗裝置，開展了實驗研究，監測了實驗全過程中模擬井筒及近井壁區域的壓力、振動等空化特性參數，通過參數的處理與分析，揭示了流場壓力場分布、振動傳遞等基本規律，獲得了泵壓、排量等工藝條件對空化特性參數的影響規律，并在此基礎上提出了空化儲層改造技術作業壓力、作業點位等參數選擇的工程建議，為該技術的研究提供了關鍵技術支撐。

1 水力空化儲層改造基本原理及特點

空化儲層改造是指利用空化效應改善儲層滲透率的一種新型儲層改造技術，其基本原理是(如圖1)：利用安裝在作業管柱(油管)底端的空化器，使得泵出的高壓高速流體不斷在空化器出口處產生空化效應，當潰滅區的空泡發生潰滅時將會釋放巨大的能量，產生140～180 MPa的點高壓[14- 16]，使得井下空化部位形成局部低壓，可抽吸出近井地帶的堵塞物排入井筒并使其隨液流循環排出；頻率400～600 Hz的強烈激波，可起到使界面松動、疏通孔喉通道、制造微裂縫的作用，并能引發搖溶現象，有效打斷原油大分子鏈。通過以上作用，將有助于提高低滲油氣井的開采能力。

圖1 水力空化儲層改造原理

與傳統的儲層改造技術比較，空化儲層改造技術具有以下特點：適用于直井、大斜度井、水平井等各類井型；僅需配置空化器、注水泵、管線、油管柱等設備，地面設備少、工藝簡單、安全性高、成本低；屬純物理儲層改造技術，使用水作為工作介質，清潔環保；具有準確定位、精細改造的獨特優勢，能夠進行可控造縫。

2 水力空化儲層改造物模實驗裝置設計方案

2.1 實驗原理

為了模擬井下空化改造過程，探究壓力、排量等工藝參數對空化效應的影響及空化效應在井筒內壓力分布及振動在近井壁附近傳遞規律，開展大型物模實驗。本實驗制備了與南海某區塊巖性相近的大型致密砂巖巖樣，并在巖樣上開設模擬井筒。實驗時，將空化器安裝在模擬井筒中部，使用往復泵組提供高壓、高排量清水作為空化介質，對巖樣進行空化改造。為測取空化特性參數，在巖樣上安裝振動及壓力傳感器組，監測振動及壓力數據，進而揭示空化儲層改造的機理與規律。

2.2 實驗裝置設計方案

根據上述實驗原理，對本文研制的大型物模實驗裝置制定以下技術要求：

(1)為形成空化水力擴展區，整套實驗臺架需要浸置于大型水域中。

(2)實驗臺架須同時固定空化器與大型巖樣，并保證空化器在井筒內保持居中，避免空化器因流致振動而與井壁發生碰撞，影響實驗效果。

(3)由某油田提供南海某區塊采集原料，并加工制備大型砂巖巖樣，在巖樣中加工模擬井筒。

(4)需要在巖樣井筒及近井壁處安裝壓力和振動傳感器系統，監測空化特性參數，且具有良好的防水性能。

(5)需要配備大型泵組及管匯系統，模擬現場高壓高排量工藝條件。

為了滿足以上實驗與技術需求，設計了水力空化儲層改造物模實驗驗裝置方案見圖2，該裝置由大型實驗水池、實驗臺架、大型巖樣、傳感監測系統、泵組、管匯及空化器等組成，關鍵參數見表1，但受實驗條件限制，本文實驗僅針對常溫常壓下的致密砂巖儲層的改造模擬。

圖2 水力空化儲層改造物模實驗測試系統圖

表1 水力空化儲層改造物模實驗測試關鍵參數

本實驗主要目的是為了揭示施工參數對空化效應的影響以及空化效應在井筒內壓力分布、振動在近井壁附近的傳遞規律。因此，本文僅將空化器作為實驗裝置的一部分，對其結構原理及設計方法不做研究討論。

3 水力空化儲層改造物模實驗裝置研制

3.1 實驗臺架研制

實驗臺架由桁架、巖石緊固螺栓組、空化器緊固調節機構、吊鉤等部分組成，用于固定巖樣及空化器(見圖3)?？栈骶o固調節機構通過安裝臺及2個U型卡箍實現對油管短節的鎖緊，確?？栈髟趯嶒炦^程中保持良好的穩定性，承受強大的反沖力和流致振動；在活動外板上開設“腰形孔”與支座通過螺栓連接，在保證連接強度及可靠性的前提下，提供垂向位移調節功能，以此適應不同巖樣上模擬井筒的加工誤差及實驗裝置裝配時的裝配誤差，保證空化器在模擬井筒內的處于居中位置(見圖4)。

圖3 實驗臺架實物圖

圖4 空化器緊固調節機構示意圖

3.2 巖樣制備

根據南海區塊基本參數(儲層為致密砂巖，地層壓力20～25 MPa，儲層溫度120～125 ℃，孔隙度5%～10%，滲透率<10%)，制備了1#、2#、3#三塊大型砂巖巖樣(1 000 mm×500 mm×500 mm)，在長度方向上鉆取?100 mm的通孔作為模擬井筒。雖然巖樣尺寸大，仍難以模擬地應力、溫度等地層條件，但壓力分布及振動傳遞特性參數受地應力、溫度等因素的影響較小，因此本文實驗暫未考慮地應力、溫度等條件。

空化器出口位于模擬井筒的中部，同時根據與空化器距離，將井筒內分為空化器出口段、模擬井筒中段、模擬井筒出口段(見圖5)。為獲取空化過程中各段井筒內壓力以及近井壁區域振動特性的參數，需在巖樣上加工傳感器安裝孔，把傳感器放入指定監測區域。傳感器安裝參數見表2，表中0°方向為巖樣上表面。根據表2參數加工成型的巖樣結構如圖6所示。

圖5 空化器位置及模擬井筒分段

圖6 加工完成的巖樣結構圖

3.3 測試系統研制

測試系統由傳感器、信號采集儀、路由器、上位機等組成。為滿足實驗及安裝需求，該系統的傳感器總成具有小型化、大量程、防水、在巖樣上拆裝便捷的特點。傳感器總成由傳感器、空心支撐桿、緊固法蘭盤等組成(圖7)，將傳感器用激光焊接在空心支撐桿一端，信號線從空心桿中穿過，并在空心支撐桿中填充防水樹脂，進而獲得良好的防水性能。緊固法蘭盤通過絲杠螺栓方式與支撐桿配合，便于調節傳感器安裝松緊程度。緊固法蘭盤上開設4個螺栓孔與膨脹螺栓配合，從而實現傳感器在巖樣上的安裝。

圖7 傳感器總成實物圖

4 實驗過程及結果分析

4.1 實驗過程

利用研制的水力空化儲層改造物模實驗裝置，開展了大型空化實驗。為了保證實驗數據的準確性和統計性，本文共開展了3組巖樣實驗。根據油田現場常用柱塞泵最大工作壓力、排量，以及在大港等油田的實驗性應用情況，進行了實驗參數設置(見表3)。為了滿足實驗條件，實驗采用最大泵壓40 MPa、最大排量2 m3/min的往復泵組。

表3 實驗參數表

實驗過程如下：

(1)安裝1#巖樣、噴嘴液力管線，以及振動、壓力測試系統。

(2)將實驗裝置吊裝入水池中(如圖8)。

圖8 大型空氣實驗

(3)啟動往復泵在低排量(0.1 m3/min)的工況下調試實驗裝置。

(4)每間隔2～3 min，往復泵排量增加0.1 m3/min的梯度增壓方法，提高往復泵輸入排量及壓力，在達到最大排量與壓力后維持10 min，并記錄整個過程中的振動及壓力參數。

(5)將實驗裝置整體吊出，觀察記錄巖樣狀況。

(6)重復步驟(1)到(5)，完成2#、3#巖樣的實驗。

(7)對傳感器數據進行處理分析，研究空化儲層改造過程中的壓力場分布及振動傳遞規律。

4.2 實驗現象分析

通過現場觀測，實驗過程有以下現象：

(1)實驗后巖樣結構完好，未發生炸裂、松動等現象。

(2)空化效應在水下產生劇烈振動及噪聲。

(3)實驗后空化器固定良好，并未因流致振動而與模擬井筒內壁發生碰撞，井筒內壁光滑、無機械損傷。

(4)所有巖樣模擬井筒的出口處均出現了明顯的巖石沖蝕及剝落現象，且最大工作壓力較高的3#巖樣出現了貫穿性宏觀裂紋，見圖9。

圖9 巖樣沖蝕與剝落

由此說明空化效應將產生劇烈的振動效果，并對近井壁段產生解堵、疏通孔喉通道、制造微裂縫等效果。

4.3 壓力測試數據分析

井筒內壓力分布是反映空化效應的重要特性參數，對儲層改造的軸向作用范圍及施工點位研究具有重要意義。經過實驗采集到的壓力數據如圖10所示。

圖10 壓力實驗數據

圖10可以發現：由于水池內沒有設置圍壓，壓力傳感器測量的是井筒內不同區域的流場壓力分布而非空泡潰滅瞬間的“點高壓”，因而所測量的絕對壓力較小，但會呈現出劇烈的壓力脈沖特征，并且隨著泵輸入壓力的增加，空化效應所產生的壓力脈沖波頻率和幅值增大。當泵輸入壓力達到最大值以后，模擬井筒內中段(以空化器出口為起點，15～25倍空化器出口直徑的距離)壓力最高，最大幅值約1.3 MPa；而模擬井筒出口處(以空化器出口為起點，35～45倍空化器出口直徑的距離)壓力次之，最大幅值約0.4 MPa；空化器出口處壓力最小，最大幅值僅約0.3 MPa。

根據李根生等[17]所提出的空化效應可在周圍液體產生局部高壓的理論，上述監測數據說明進行空化儲層改造作業時井筒中段是空泡潰滅的主要部位，該區域內空化效應最為強烈，流場壓力最高，因此該區域周圍的井筒壁所受沖擊最為強烈。故實際施工過程中，應將改造作業點位設置在15～25倍空化器出口直徑的區域，以達到良好的改造效果。同時，由于井筒中段區域的流場壓力遠高于空化器出口區域的流場壓力，因此可在空化器出口附近產生“負壓效應”，有利于抽汲近井筒區域的污染物，達到解堵的作用。

4.4 振動測試數據分析

振動信號是反映空化效應的另一重要特性參數，在改造過程中，由空化效應所產生的流體振動會傳遞至儲層中，起到使界面松動、疏通孔喉通道、制造微裂縫的作用。通過對空化儲層改造過程中振動信號的分析，將能揭示振動在近井壁徑向傳遞規律，進而確定空化儲層改造技術有效作用范圍，并為設定作業泵壓提供理論依據。

4.4.1 振動傳遞特性分析

對實驗過程中每塊巖樣的9個振動監測點所測數據的平均值(如表5)，其中編號為T的傳感器用于測量流體的振動，編號為S或Q的傳感器測量巖樣中的振動。通過數據可以發現：泵壓30 MPa條件下，流體的振動幅值為50～54 m/s2；泵壓38 MPa條件下，流體的振動幅值為55～58 m/s2；說明由空化效應產生的流體振動幅值隨泵壓增加而增加，這是由于泵壓的升高會導致空化器內流體速度升高，從而加劇空化效應強度。

當振動在巖樣中傳遞時具有以下特征：徑向上，隨著與井筒距離的增加振動幅值有所下降，3塊巖樣的平均振動強度在100 mm內衰減10%～15%，按此衰減速率進行估計，衰減至50%大約在1 m。同時，由于實際振動峰值遠大于表5中的平均值，具有更高的能量，因此振動有效能量可以傳遞得更遠，大約可對距井壁2～3 m的區域產生改造作用。軸向上振動幅值變化不明顯。

表5 振動平均值統計表

4.4.2 泵壓對振動影響規律分析

由于3塊巖樣實驗中所采集的振動信號變化規律相似，所以以3#巖樣上T- 2振動傳感器采集數據為例，分析了增壓過程中的振動變化規律，實驗過程中不同階段的振動時域和頻域圖見圖11～圖13所示。

圖11 增壓過程中的頻譜圖

圖12 壓力達到17 MPa時的頻譜圖

圖13 壓力為38 MPa時的頻譜圖

由上述頻譜圖可以發現：在增壓過程中，當泵壓較低時，振動的幅值較小，時域波形呈現平穩隨機振動特性，振動頻率呈現寬頻帶特性；當輸入壓力達到17 MPa時，時域波形逐漸出現隨機沖擊脈沖波，頻域圖中振動頻率呈現窄頻帶特性，集中于100 Hz內的低頻波段；對比38 MPa時域波形可發現，隨著輸入壓力的增加，脈沖波形產生的頻率提高，且最大振動幅值也有所增加。

由此說明，當泵的輸入壓力小于17 MPa時井筒中空化效應強度較小，監測到的振動信號主要為流體所產生的隨機振動信號；當輸入壓力達到17 MPa時開始出現明顯的空化效應，傳感器開始監測到脈沖波，振動頻率集中于100 Hz以內的低頻段；隨著泵壓的提高脈沖波出現頻率與幅值升高，結合前文實驗中工作泵壓最高3#巖樣出現宏觀貫穿性裂紋的現象，說明低頻的脈沖振動沖擊是空化效應進行儲層改造的主要方式。

綜上，為產生并保持良好的空化效應，應使空化器入口壓力大于17 MPa。因此，在實際施工時，為了保證改造效果，最低的空化器壓力應高于17 MPa，根據工程中取整的習慣建議將空化器入口最低壓力設定為20 MPa。

5 結論

(1)為探究壓力、排量等工藝參數對空化效應的影響及空化效應在井筒內壓力分布及振動在近井壁附近傳遞規律，進而認識空化儲層改造作用機理。本文自主研制了一套大型空化儲層改造物模實驗裝置，該裝置可在常溫常壓條件下，支持最大40 MPa泵壓及2 m3/min排量工況下的儲層改造作業模擬，并測量全過程的近井壁區域振動傳遞與井筒內壓力分布參數。

(2)實驗后模擬井筒內壁出現沖蝕、脫落及貫穿性裂紋，說明空化效應具有疏通孔喉通道、制造微裂縫等效果；空化器出口區域存在“負壓效應”，有助于抽吸近井壁地層污染物，達到儲層解堵作用。

(3)根據壓力監測數據，距空化器出口15～25倍出口直徑的區域存在局部高壓，因此，推薦在此區域內設置儲層改造作業點位。

(4)根據泵壓對振動特性影響規律，在實際施工時，建議將空化器入口最低壓力設定為20 MPa。