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译文：
摘要
由于对采用超声波作为增强采油方法的机理的部分了解，使用超声波换能器对长的未固结砂层进行了直线（正常）和超声波刺激的水驱实验。 在系统中使用煤油，凡士林和SAE-10（发动机油）作为非湿润相。 此外，使用超声波浴进行一系列流体流动和升温实验，以增强对贡献机制的理解。 观察到水浸回收率增加了3-16％。 乳化，粘度降低和空化被鉴定为贡献机制。 这项研究的结果预计将增加对涉及机制的洞察力，这些机制导致通过应用超声波来改善油的回收。
关键词：
超声波、提高采油率、水淹、不整合沙包、乳化
1.简介
使用地震波作为增强采油方法从油藏回收石油的兴趣可追溯到20世纪50年代，因为人文噪音和地震造成石油生产增加。 由于超声波在水库中行进距离有限; 大多数现场应用仅限于近井眼区域的损坏去除。 多项作者研究了超声波在重力排水，吸水和水驱等不同过程中的应用[1-7]。 尽管有一定数量的出版物，专利以及有关这一问题的一些现场试验，但超声波的确切机制尚未完全了解。
在早期的工作中，Albert和Bodine [8]发明了一种通过应用声波增加恢复系统。 Duhon和Campbell [1]对长，短核心进行了全面的研究，以了解超声波在水驱中的可能利用。他们观察到由于超声处理造成更均匀位移而导致的位移效率有相当大的影响。 Simkin [9]在实验室实验中观察到激发开始后立即油滴的主要生长。他将生长归因于声波诱导的聚结。 Poesio等人[10]研究了声波对Berea砂岩液体流动的影响，发现磁芯内的压力梯度在声能下降。这种效应归因于流体粘度的降低。 Amro等人[4]将超声波刺激水驱恢复的增加归因于两相的相对渗透率的变化。 Guo [11]在中国讨论了超声波的现场应用。他们还进行实验以显示超声波对粘度的影响，并认识到由于暴露于超声波，粘度暂时降低。 Najafi [5]通过使用不同粘度的流体，分析和实验研究了超声波对重力引流和油渗透的影响。在他的实验中，在1000分钟内观察到温度上升了20℃。
关于超声波产生的理论由Nikolaevsky和Stepanova [12]开发。 他假设，由于在长时间短波共振的条件下，在流体饱和的多孔介质中与地震和低频声波相关的非线性效应的结果，可以通过地震波非线性地产生高超声波频率 。 基于这一理论，人造或自然地震活动后，超声能量（高频波）可能是提高采收率的主要原因。 因此，了解高频波对油回收的影响非常重要。 有一种方法是将高频波直接应用于砂包模型进行研究。
在这项研究中，使用超声波换能器对长长的非固结砂层进行了一系列直的（正常）和超声波刺激的水驱实验（也称为超声波水驱）。 本研究集中在引起超声波刺激的水驱恢复增加的相关机制。 因此，进行了动态实验，以了解超声波对油回收的影响。 此外，进行了一些补充测试（例如流体流动和升温实验）以更详细地研究超声波的机理。
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- 机制和实验室研究概述
基于Simkin [13]和Odeh [14]，两种主要机制影响了储层中流体的运动; 包括重力和毛细管力。 重力作用在饱和介质相的密度差异上[15]。 根据Beresnev和Johnson [15]，毛细管力通过细孔通道在液体渗透中起重要作用。 在渗滤过程中，液膜被吸附在孔壁上，通过减小孔喉的有效直径来减少渗透[15]。
Kuznetsov和Simkin [16]计算了孔喉中水表面膜的平均厚度。 盐浓度反而影响表面膜的平均厚度，范围为5至50微米，NaCl浓度分别为100至1克/升。
Duhon [17]通过多孔介质利用超声波对液体的影响进行了一个独立的实验室研究。 在超声波存在的情况下，由于超声超声，石油回收率从砂岩增加。 基于Duhon的研究，应用声音时，渗透性的属性降低。 另一方面，回收油的量随着油粘度的降低而增加[15]。
Duhon的实验表明，渗透率在存在超声波时增加。 这种变化发生在所有的温度下; 然而，渗透速率在100至110℃的温度下大大增加。
1.2.颗粒材料中的波传播和机械相互作用
粒子内颗粒的机械相互作用对波浪传播起着重要的作用。 赫兹[18]研究了在两个理想球体的接触点发生的力和变形
其中：Fn为接触力; E是杨氏模量; V是泊松比; R*有效半径;，R1和R2接触颗粒的半径为Un，接触点为正常位移。
赫兹方程表明与非线性弹簧相似的弯曲接触。 然而，其非线性对颗粒材料的机械性能有很多影响[19]。 赫兹的接触模型由Mindlin和Deresiewicz [20]，Hardy等人 [21]，Hutchings [22]，Johnson [23]和Kogut和Komvopoulos [24] 进行了扩展。 粒状材料的动力学行为受到非弹性，耗散形式的粒状相互作用的影响[24]。 据Michlmayr等人研究[19]，在碰撞和摩擦过程中弹性能的不完全恢复是减少运动中的颗粒动能的两种形式的能量耗散。
Levine [25]确定了颗粒物质内的颗粒的卡住或不粘附，即刚性的自发起始或丧失; 基于颗粒温度，密度和应力。 这表明在剪切应力下颗粒材料的屈服可以被看作是围绕着卡住 - 不粘附极限的连续波动。 这种局限性与颗粒温度的升高局部相关[19]。
粒状材料弹性波的传播主要受到晶粒弹性模量，孔隙度和能量耗散机理的影响[19]。 基于Somfai等人[26]发现，弹性波通过包括非同质或更高程度的均匀网络的粒状组合相对均匀地传播。 乔治等 [27] Lu和Sabatier [28]和Griffiths等人 [29]的研究已经表明，水的存在，颗粒之间的填充孔隙影响介质的波传播的性质。 另一方面，Michlmayr等 [19]表明，毛细管力提供额外的接触强度，以更好的波浪传播。 然而，接触线和调节粘性的运动可以增加弹性波的传播。
2.实验设置和程序
2.1设备
两种超声换能器用于实验。 对于动态实验，超声波换能器专门安装在柱测试部分周围。 使用频率为40 kHz，功率输出为100-500W的波峰超声波发生器。 图1示出了水驱（位移）实验的示意图。 离心泵用于注射流体。 在所有淹水试验中，注射速率固定为3ml / min。 同时对于批量实验，使用频率为40kHz，功率输出为110W的Branson超声波浴。
2.2流体性质
使用两种类型的盐水进行实验：正常和脱气3％NaCl盐水，密度为1.05 g / cm3，作为配置液。 在实验中使用煤油，凡士林和SAE-10（发动机油）作为非湿相流体系统。 表1总结了所用流体的性质。 在25和40℃下使用Cannon-Fenske常规粘度计-100测量流体的粘度。 选择流体以覆盖宽范围的粘度和界面张力（IFT）。 与凡士林（中等粘度，高IFT油）和煤油（非常低的粘度和中间IFT与水）相比，SAE-10用作较高的油。 发现煤油和SAE-10表现为牛顿流体。 同时，凡士林表现出明显的非牛顿剪切稀化流动行为，通过幂律方程很好地描述。
2.3多媒体
将标称106-225mu;m粒度的石英砂颗粒包装在102cm长和3.8cm直径的不锈钢样品保持器中，以在所有动态（位移）实验中代表多孔介质。 在使用之前，将颗粒小心地洗涤并在烘箱中干燥。 为了确保沙子的均匀包装，将保持器放置在以150rpm的恒定转速工作的电动搅拌器上。每个阶段将5毫米3厘米3的砂粒倒入保持器中并摇动。 所用谷物的形态从亚角到亚圆形。 圆形颗粒倾向于具有比均匀分级沉积物更大的孔隙率，因此具有更大的渗透性（例如在本研究中为4000mD），因为更少的更细的颗粒以填充较大颗粒之间的孔隙。 所有的颗粒迄今为止颗粒状，并且颗粒彼此不粘附。
砂包装架的示意图如图2所示。 砂层的孔隙度和渗透率分别为32plusmn;2％和4000mD。
孔隙率是多孔介质中孔体积与体积体积之比。 使用加重方法测量砂包的总孔隙率。 为了测量孔隙度X，通过测量全侧（Vb）计算芯架的体积。 然后对不含核心支架的砂包进行加权，以确定颗粒体积（Vg）。 通过从Vb中减去Vg计算孔体积（VP）。 使用以下等式（等式（2））来测量孔隙度：
渗透性表示多孔介质允许流体流过其的能力。 通过用不同流速的盐水将核心饱和并读取相应的压降来确定砂包的渗透性。 通过应用达西流动方程式计算渗透率的值：
其中：k为岩石渗透率（Darcy）; q为盐水流速（ml / s）; 我是盐水粘度（cp）; L是玻璃珠模型的长度（cm）; A是玻璃珠模型（cm）的横截面，是压差。
为了比较所报导的渗透率与油井砂岩样品的典型值，砂层的渗透率为4000mD。 然而，石油储层岩石的渗透率通常可以在0.1至1000或更多mD的范围内。 同时，石油储层岩石的典型孔隙度在5％〜30％之间，但最常见的在10％〜20％之间。
2.4位移测试
油饱和沙包被水淹直到获得残油饱和度。 此时超声波辐射（40 kHz和250 W）同时开始。 注入相同体积的水（如水驱），并计算每种情况的恢复。 绘制了恢复时间曲线，用于直线和超声波刺激的水驱。
2.5流体流动和升温实验
进行了两种补充实验，即：一相流实验和升温实验。 使用相同的位移测试设置进行单相流动实验。 在本实验中，核心用盐水（正常和去气）饱和，然后暴露于超声波; 记录了系统的压力变化。 使用超声波柱和超声波浴进行升温实验。 使用超声波柱，将饱和样品（含油和盐水）暴露于不同功率输出的超声波，并通过安装在沙包中的温度计测量系统的温升。 同时，对于在超声波浴中进行的温度升高实验，用煤油，凡士林和SAE-10填充饱和砂。 定期记录系统的温度上升
3. 结果与讨论
3.1流体的导热性
多孔介质的有效热导率（ETC）是热设计和数值模拟的突出特征之一[30]。 流体饱和多孔介质中ETC的研究可用于石油科学与工程。 温度，压力和颗粒形态是影响ETC的最重要因素[30]。
根据Abdulagatova [30]，岩石结构的形态复杂性是预测多孔介质中ETC的主要困难;然而，所研究样品的形态范围从亚角到亚圆形。 ETC值随着温度（0-250℃）而变化，而在低压（0.1MPa）下高达16％，在高压（400MPa）下可达10％）。基于ETC值，可以计算出热膨胀系数[30]。考虑到环境条件，热系数的值可以忽略不计。在100MPa的压力范围内的热系数急剧下降，而在高压下则非常轻微的降低。在低压下，对于热系数，温度的变化非常小。然而，在高压下，ETC的温度变化很大。如表1所示，煤油和凡士林的导热率分别为0.145和0.140（Watt / m 20℃）。然而，不锈钢和石英颗粒的这个值分别为6.15-11.3和14-14.3（Watt / m 20℃）。虽然在这项研究中我们没有正确测量热导率，但是我们从前期研究中减去了材料的数值或值的范围[31-34]。
3.2升温实验
一些作者报道了超声波刺激时的温度升高[1,3,5,36]。然而，他们使用的方法有时太简单，无法显示系统中真正的温度变化;因此，效果的大小没有充分讨论。对于100,250和400W的各自的功率输出，系统（正常盐水饱和砂堆）的温度升高为4,12和16℃（图3）。在实验的第二部分，在超声波浴中测量凡士林，角质层和SAE-10的温度升高。由于在三种情况下由于相同的导电系数（即分别为煤油，SAE-10和凡士林的0.145，0.146和0.140），温度升高几乎与预期相同。图。 4表示不同流体的温度升高。
温度升高可影响流体性质，即粘度和IFT。油和盐水之间的IFT是温度的函数。在升高的温度下，IFT较低，因为可以从Firoozabadi 和Ramey方程推导出（方程（4））。 Firoozabadi和Ramey [37]使用纯水和烃的密度，温度和临界温度之间的差异来相关表面张力。相关性包括来自甲烷，丙烷和苯水系统的测量数据。
其中：是水的密度（g / cm3）; 是烃的密度（g / cm3）; a1，b1为常数（dyne / cm或mN / m），Tr为临界温度（℃）。
表2显示了由Firoozabadi和Ramey方程计算的不同流体与时间的IFT减少。 虽然IFT在所有情况下都有所减少，但减少量不足以对毛细管数量产生显着影响; 因此，不能有助于降低残油饱和度。 应该指出的是，上述讨论只是由于温度上升而与减少IFT有关。 然而，本节中不包括超声波对减少IFT的直
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