低渗储层增注井下低频水力脉动耦合水力超声发生系统的制作方法

本发明涉及低渗、特低渗油气田储层注水作业井下工具类，特别涉及一种低渗储层增注井下低频水力脉动耦合水力超声发生系统。

背景技术：

油气田开发中，注水开发是油气田保持地层压力、增产稳产的重要技术措施，尤其是对于溶解气驱的低渗特低渗油气储层，要求通过注水补充地层能量、达到注采平衡，否则油井几乎没有产能。合理配注是稳产、提高采收率的重要途径。

目前，在典型的溶解气驱低渗特低渗储层注水开发中，由于地层渗透率偏低，加之污水回注中不可避免的注入水质问题，可能因为储层近井壁结垢、机械杂质堵塞等导致渗透率进一步降低，很多注水井难以达到要求的配注量，甚至于个别井严重欠注。

通常油气储层注入压力不能高于地层破裂压力，也就是说为保证配注量不能一味增大注入压力；并且通常是一个注水泵站对应多口注水井，配注中单井注入压力调配难度大，并且高注入压力耗能大，工程实践中也是不现实的。

为增加注水井注入量、达到配注要求，目前针对性采取了各种可能的措施。如高能气体压裂、酸化、酸洗等，也有一些井尝试采取物理处理措施-如水力震荡洗井、超声波处理等。但从整体上，这些措施有效期短，很难从根本上解决注入难的问题。

注水井达到合理配注量已经成为目前制约低渗、特低渗储层生产的亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供低渗储层增注井下低频水力脉动耦合水力超声发生系统，基于注入水液流作用，产生井下低频水力脉动，同时在储层部位井筒中产生水力超声。

超声能产生机械振动作用、空化效应、热作用等作用于储层近井壁解堵，低频脉动有效作用距离大，实现较大范围处理。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

低渗储层增注井下低频水力脉动耦合水力超声发生系统，包括上下两个部分，上部为低频脉动发生装置，下部为水力超声发生装置；

所述的低频脉动发生装置包括复合锥台缸体总成2，以及设置于复合锥台缸体总成2上端的加工有api标准油管连接螺纹的上接头1和设置于复合锥台缸体总成2下端的加工有api标准油管连接螺纹下接头8，锥台缸体总成2内设置有与其配套的锥台活塞3，锥台活塞3下部设置有中心孔3-2，锥台活塞3外周均布有螺旋防砂卡半圆槽3-1，锥台活塞3下部中心孔3-2上部设置有2个径向泄压孔4，位于锥台活塞3下部且在径向泄压孔4下方还设置有4个径向泄流孔5，锥台活塞3底部设置有复位弹簧6，在复位弹簧6的下端设置有承托座7。

所述的水力超声发生装置包括外筒10，外筒10上部加工有api标准油管螺纹的上接头9与上部低频脉动发生装置的api标准油管连接螺纹下接头8连接，外筒10下部加工有api标准油管螺纹的下接头15，外筒10内设置有导流作用、能产生射流液片的流道喷嘴11；在外筒10下部线切割加工有对称的4个注入水出口13；下端接头17上端加工有api标准油管螺纹的接头16，外筒10的下接头15和下端接头17的螺纹16连接到一起，在下端接头17的上端用螺栓14固定有共振簧片12。

所述锥台活塞3与锥台缸体总成2的配合锥度在1：(12-16)，锥台活塞3外周上设置有半径为1.5mm的6个螺旋角为30度的防砂卡螺旋槽3-1；距离锥台活塞3上截面50mm的下部中心孔3-2的上部设置有2个径向泄压孔4，孔径为6mm～8mm，锥台活塞3外周的周向上设置有导流槽4-1；间隔距离30mm～40mm再向下设置的4个径向泄流孔5的孔径为10mm～12mm，同样，在锥台活塞3外周的周向上设置有导流槽5-1。在锥台活塞3径向泄压孔4和泄流孔5外周的周向上的导流槽4-1、5-1分别与泄压、泄流孔垂直，宽度和孔径相同，为平铣深度在8mm～10mm的导流槽,活塞下行时导流大部分注入水到中心孔3-2。

所述的流道喷嘴11选用材质为sus304，其中心流道11-1的出口为能产生片状射流的长方形喷嘴，尺寸与振动簧片12配套，流道喷嘴出口尺寸为长(24mm～26mm)×宽(2mm～4mm)，并且装配时定位为片状射流和共振片12平行且位于同一平面，片状射流直射于共振片12的顶部，喷距为2mm；外筒上加工有注入水出口13，其宽度为40mm、高度为80mm；共振簧片12选用材质为sus304，其尺寸为其尺寸为高(22mm～24mm)×宽(20mm～22mm)×厚(2mm～3mm)；喷嘴出口距离簧片顶端的喷距为2mm～3mm。

所述的水力超声装置在注水过程中能产生一定频谱范围内的“水力超声”，并由此产生一系列的效应。

机械振动作用：超声波作用于近井壁储层，在传播、辐射过程中，振幅、速度发生显著变化，从而产生搅拌、松动、边界摩擦、分散、疲劳损坏、微裂隙、去气、声流成雾、解聚、冲击破碎及热作用等，由此降低堵塞颗粒与储层岩石之间的凝聚力、破坏堵塞物，起到解堵作用；使毛细管孔径发生变化，降低孔隙内表面张力，导致毛细管的胀缩；另外，振动产生的冲击压力使地层岩石产生微裂隙；边界磨擦对流体产生局部加热作用，孔隙流体粘度降低，提高了渗流速度。

空化作用：流体中超声波所产生的声波张力在流体中形成充气或充气空穴的过程。也就是在超声波作用下，液体中空泡成长和崩溃的过程，以及伴随发生的一系列声压变化现象。空化作用引起声压变化，消除气阻，在气核崩溃时形成大振幅振动的锯齿形周期性激波，在波面处造成很大的压强梯度，因而能产生局部高压等一系列特殊效应。激波的产生能扩大岩石的孔隙半径，增强微裂隙作用，崩溃间产生的局部高温是由声能转化而来的，对于提高储层温度，增加流动性具有明显的效果。另外空化作用也可以破坏有机堵塞物，并能产生一系列次级效应。

热作用：超声波的热作用是一种综合效应，有吸引收起的整体加热、边界处的局部加热和形成激波时的波前处的局部加热等。主要表现在以下三个方面：(1)超声波在传播介质内部的吸收，使得声能转化为热能；(2)在不同介质的界面处，边界磨擦使流体温度升高；(3)空化作用在气泡崩溃瞬间释放出热能，局部温度可达上千摄氏度，频率越高，则边界摩擦越激烈，空化作用越强，热效应越显著。超声波热效应产生的高温作用下，能有效解除油田常见的硫酸盐还原菌、嗜铁菌等形成的垢类，并有效杀菌；分解、降解注入水导致的有机堵塞物(通常油田采出污水处理后回注，常出现注入水质不达标，为含机械杂质的含油污水)。

从整体上，超声作用能有效解除近井壁无机垢类、有机垢类堵塞，增大储层渗透率。

而井下低频脉动，因为频率较低，能有较大的有效作用距离，通常可以达到数十米。低频脉动能促使水流在储层孔隙吼道中有效流动，储层孔隙吼道中吸附水水膜厚度减小，有效渗透率增大；同时，低频脉动作用下，原来不可动流体开始流动，注水体积效率增加，同样注入水压力下，注入量增加。

与现有技术相比，本发明的现场应用有益效果在于：

1、本发明注水井注入水液作用，实现注水作业中井下低频脉动，同时在储层井筒部位产生水力超声。

基于水力超声的机械振动作用、空化效应、热作用，在近井壁能解除机械杂质、有机与无机垢物堵塞，提高注入量，延长注水井修井周期。

通常，储层孔隙吼道亲水，在低频脉动作用下，注水过程中能有效减少储层孔隙吼道的吸附水膜，提高注水有效渗透率，起到增注作用。同时，由于常规注水时储层非均质性导致的渗透率偏低区域通常会出现绕流现象，存在注水开发的“死油区”，而理论计算得到低频脉动作用有效作用距离可达50米以上，这样低频脉动注水能有助于注入水均匀推进，有效提高体积注水效率，在提高注入量的同时，获得更好的水驱油效果，对于油田提高采收率具有显著作用。

简单地说，使用本发明在注水井增注的同时，还能有效提高水驱油效果，提高采收率。

2、本发明适应常规注水工艺，能适应常规注水管柱强度设计、结构设计和低渗特低渗储层配注设计；使用本发明后，因为该工具在设计中特别考虑了施工安全性，即使工具失效也不会影响注水作业，能在修井周期内可靠工作。

3、本发明结构简单，实现方便，成本低廉，适用范围广，具有大规模推广应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明低频脉动发生装置部分的结构示意图。

图3为锥台活塞3结构示意图，其中图3a为主视图，图3b为俯视图。

图4为本发明水力超声发生装置部分的结构示意图。

图5为本发明使用时与其余设备的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

参照图1，注水井低渗储层增注井下水力超声耦合低频水力脉动发生装置，包括上下两个部分，上部为低频脉动发生装置，下部为水力超声发生装置；

如图1、图2，所述的低频脉动发生装置包括复合锥台缸体总成2，以及设置于复合锥台缸体总成2上端的加工有api标准油管连接螺纹的上接头1和设置于复合锥台缸体总成2下端的加工有api标准油管连接螺纹下接头8，锥台缸体总成2内设置有与其配套的锥台活塞3，锥台活塞3下部设置有一定长度的中心孔3-2，锥台活塞3外周均布有螺旋防砂卡半圆槽3-1，锥台活塞3下部中心孔3-2上部设置有2个径向泄压孔4，位于锥台活塞3下部且在径向泄压孔4下方还设置有4个径向泄流孔5，锥台活塞3底部设置有复位弹簧6，在复位弹簧6的下端设置有承托座7。

其中，在注入水流作用下，锥台活塞3、复位弹簧6和承托座7构成一个往复式振动系统，产生注入水的低频水力脉动。

如图1、图4，所述的水力超声发生装置，包括外筒10，外筒10上部加工有api标准油管螺纹的上接头9，与低频脉动发生装置的api标准油管连接螺纹下接头8连接，外筒10下部加工有api标准油管螺纹的下接头15，外筒10内设置有导流作用流道喷嘴11；在外筒10下部线切割加工有对称的4个如图所示的注入水出口13；下端接头17上端加工有api标准油管的接头16的，外筒10的下接头15和下端接头17的螺纹16连接到一起，在下端接头17的上端用螺栓14固定有共振簧片12。

如图3，所述锥台活塞3与锥台缸体的配合锥度在1：(12-16)，锥台活塞外周上设置有半径为1.5mm的6个螺旋角为30度的防砂卡螺旋槽3-1；距离锥台活塞3上端面50mm的下部中心孔3-2上部设置的2个径向泄压孔4的孔径为6mm～8mm；间隔距离30mm～40mm再向下设置的4个径向泄流孔5的孔径为10mm～12mm。在活塞3径向泄压孔和泄流孔外周的周向上加工有与孔垂直的、宽度和孔径相同的、平铣深度8mm～10mm的导流槽4-1、5-1,活塞下行时导流注入水到中心孔3-2。

该设计是基于低渗特低渗储层注水排量，经过系统优化计算，保证在小排量注入水前提下能产生低频水力脉动，同时结构设计中考虑到了装置能在井下能长期稳定的工作。

其中，在水力超声发生部分，流道喷嘴11产生注入水射流作用于振动簧片12，产生水力超声。流道喷嘴11选用材质为sus304，其中心流道11-1的底部出口是与振动簧片12外形配套的长方形出口，长(24～26)mm×宽(2～4)mm，流体流过产生片状液流(液片)作用于簧片12；共振簧片12选用材质为sus304，其尺寸为高(22～24)mm×宽(20～22)mm×厚(2～3)mm，其尺寸优化计算后确定为：高24mm×宽20mm×厚2.5mm。喷嘴出口底部与簧片的距离为喷距，喷距为2mm～3mm，测试后优化确定为2mm。注入水出口13；外筒上加工有注入水出口13，其宽度为40mm、高度为80mm。

该设计同样是基于低渗特低渗储层注水排量，经过系统优化计算，保证在小排注入水量前提下能一定频率范围内的水力超声，同时结构设计中考虑到了装置能在井下长期稳定的工作。

本发明应用于油气田开发中的注水井增注，设计中低频脉动的作用旨在让注入水在脉动作用下，在储层孔隙介质中流过时，能提高储层的渗透率、增大注入水波及体积。因此，应该有足够大的有效作用距离，考虑频率对于脉动衰减的重大影响，设计中考虑发生频率相对较低，针对典型低渗特低渗储层注水，设计输出频率为3hz～5hz。

锥台活塞3、复位弹簧6和承托座7构成一个往复式振动系统，并由此产生注入水的低频水力脉动。为适应低渗特低渗储层注入水量较少的特点，靠注入水驱动的低频机械振动系统设计中，锥台活塞3与锥台缸体的配合锥度设计为在1：(12-16)范围。假定现场配注管网井口来水压力一定(配注站压力减去配注管线压力损耗)，对于需要增注的注水井，初始注入量较小，锥台活塞上下压差较小，较大锥台活塞质量和计算选配的弹簧刚度系数下，系统振动频率在3hz～5hz以下；本发明工作一段时间后，水力超声逐步解除近井壁堵塞，低频脉动注入水条件下，增大了脉动液流作用范围内储层的渗透率并增大了注入水波及体积，注入量逐步增大到一定值，为维持系统的低频振动，配合锥度设计为1：(12-16)范围的锥台活塞3与锥台缸体的在活塞下行程中，流道截面逐渐变大，而特殊设计的活塞下部中心泄流为主的方式实现了注入水流量在一定范围内增大后，活塞上下截面压差基本恒定，也就是说保证了注入水排量增大后系统基本维持在振动频率在3hz～5hz左右。

锥台活塞外周上设置有半径为1.5mm的6个螺旋角为30度的防砂卡螺旋槽3-1，用于保证系统正常工作；距离锥台活塞3上截面50mm的下部中心孔3-2上部设置的2个孔径为6mm～8mm的径向泄压孔4，该“泄压”设计实现了活塞下行程中维持活塞上下压差相对恒定；从泄压孔向下、间隔距离30mm～40mm设置有4个孔径为10mm～12mm的径向泄流孔5，该“泄流”设计实现了活塞下行程末段实现泄流降低活塞上下压差，促使复位弹簧推动活塞上行，实现往复振动；而在活塞3外周径向泄压孔4和泄流孔5出口位置的周向上加工有与孔垂直的、宽度和孔径相同的、平铣深度8mm～10mm的导流槽,是为了增大导流能力，活塞下行时导流注入水到中心孔3-2。

系统设计尺寸的确定上，首先是根据流体力学原理，计算出活塞上行程和下行程的活塞上下截面的压差，建立往复式振动系统的力学方程，综合考虑活塞质量、流体密度、流道阻力系数、弹簧刚度等，基于低渗特低渗储层注水井注入排量、配套外径为76mmapi油管，以实现机械往复式振动系统低频振动3hz～5hz为目标合理匹配个参数。通常，由于系统的复杂性，计算结果仅为参考值，需要结合模拟测试确定最终的结构尺寸。

本发明水力超声发生部分设计上，主要在共振簧片设计、流道喷嘴设计。

悬臂式簧片哨的簧片固有基频计算公式为：

式中：ρ为簧片的密度，kg/m³；e为杨氏模量，tpa；t为簧片厚度，mm；l为簧片长度，mm。

簧片不仅存在基频，同时也存在谐频，谐频与基频存在倍数关系。首先从上公式求出基频，再根据梁结构的振动求出簧片的多阶谐频与基频的倍数，进而得到在固井下簧片的频率范围。

共振簧片12选用材质为sus304，其尺寸为长24mm×宽20mm×厚2.5mm。则其前十阶谐振频率(单位为hz)分别为72.53、454.55、1272.75、2494.12、4122.92、6158.8、8212.04、11453.21、14710.12、18374.98。

考虑簧片在注入水流经过流道喷嘴11后产生片状水射流(液片)，则：

射流液片的本征频率:

式中n＝1,2,3,……,u是液片流速，h为液片长度即喷口到簧片的距离，简称喷距。

如确定喷距为2mm，按照设计的喷嘴出口尺寸、注入水排量，相应地可计算出液的前十阶谐振频率。

射流液片任一次谐频与簧片的任一次谐频相吻合时，将会发生共振，亦即在水力射流作用下产生高频的振动—输出水力超声。

可以看出，由此产生的水力超声并不同于电致超声，将随注入排量不同，输出频率在一定范围变化。需要指出的是，产生超声波的目的是处理井筒近井壁储层，需要的是超声场强，不同于信号源，不苛求发生频谱范围。

根据模拟现场测试，基于上述原理，流道喷嘴11选用材质为sus304，其中心流道11-1的出口是与振动簧片12配套的长方形出口，尺寸为长24mm×宽3mm，喷距确定为2mm，即可实现水力超声的发生。

在这里，本发明结构尺寸确定后，水力超声的频率是随注入水排量的增大而增大。设计中通常初始“水力超声”频率设计为2khz以上，水力超声最高频率可达到20khz左右，输出频率随注水排量变化而变化。

本发明的工作过程如下：

如图5所示，本发明连接于注水管柱19之下的封隔器18下部，正对注水目标储层，封隔器上部接注水管柱。

本发明的上部为低频水力脉动发生系统，注入水流作用下，流量达到本发明的工作排量后，复合锥台活塞3上下压差达到一定值后下行，压缩复位弹簧6，复合锥台活塞3下行则其外周流道面积逐渐增大，加之泄压孔4导流泄压、泄流孔5泄流，复合锥台活塞下行到下行程止点在活塞3上下截面压差降低到一定值，复位弹簧6开始推动复合锥台活塞上行，直到活塞上行程止点，由此产生往复式振动，输出的注入水流产生低频水力脉动。通常，根据现场的注水井配注量，系统设计中考虑输出的脉动输出频率为3hz～5hz，输出压力波幅为1.5mpa左右。

本发明的下部为水力超声发生系统。外筒10上加工有api标准油管螺纹上接头9和下接头15，在外筒10内设置有导流作用流道喷嘴11；在外筒10下部线切割加工有对称的4个如图所示的注入水出口13；在下接头17上加工有api标准油管链接螺纹16和外筒10连接，其上端用螺栓14固定有共振簧片12。

其中，流道喷嘴11产生注入水射流作用于振动簧片12，产生水力超声。水力超声的频率是随注入水排量的增大而增大。设计中通常初始水力“超声”频率设计为2khz以上，水力超声最高频率达到20khz左右，随注水排量变化而变化。