CN101458218B - 二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置 - Google Patents

二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置 Download PDF

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Abstract

一种二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置，属于石油工程和工艺技术领域。该检测装置把模拟岩心装置设置在核磁共振成像装置中，注入系统向模拟岩心装置依次注入地层水、原油和超临界二氧化碳，并采用测控系统控制整个系统的压力和温度，再用核磁共振成像装置进行检测，并对测试图像进行定量分析获取多孔介质的空隙度、渗透率及超临界二氧化碳、地层水、原油的饱和度渗流参数，最后用出口计量系统测量二氧化碳气体、地层水、原油的体积。该检测装置设计压力为0～40MPa，设计温度为0～180℃，能模拟复杂油藏条件下超临界CO2不同驱替方案的实验研究；模拟岩心装置采用黄铜材料，既无磁又满足高压强度要求，设计结构紧凑，能重复使用，实验过程操作方便、简单适用。

Description

二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置，其属于石油工程和工艺技术领域。
背景技术
关于CO2驱提高石油采收率(EOR)的渗流机理研究方法主要有：物理模拟、数值模拟和矿场试验。矿场试验是最能反映方案实际生产效果的手段，但是不足之处在于不能解决一些机理问题和工程中的普遍性问题，且需要大量财力物力支持。因而，更倾向于先进行模拟研究。
模拟研究包括数值模拟和物理模拟，数值模拟主要依赖于在渗流力学方面的理论和经验公式基础上建立数学模型，由于实际问题的复杂性，许多机理不清楚，建立的模型不完善，模拟结果并不能全面反映多相流体的真实流动状态，因而，为了能使模拟结果尽可能的接近实际现象，需要通过物理模拟得到一些基础数据对经验公式等进行修正。
物理模拟是指用物理(而非数值)的方法，即相对于原型按一定比例做成模型在实验室中再现某种现象变化过程的技术。目前大致可以分为宏观和细观两个研究方向，传统的渗流是研究宏观特性，即统计平均特性，不能确切了解多孔介质内部的物理化学过程及渗流机理。细观渗流是指研究在微细尺度上(目前二维像素(pixel)和三维像素(voxel)的线尺度均在100μm以下)渗流的性状。细观与宏观研究相互补充可使对渗流的认识更加透彻。细观渗流研究的内容包括：多孔介质本身的特性如介质的拓扑结构、孔隙和裂缝的分布情况、孔隙表面的粗糙度、空隙度和渗透率的分布情况等；多孔介质与流体之间的关系，如表面润湿性、吸附和解吸特性、饱和度分布和各相之间的分布细节等。
目前常用的细观研究手段包括：层析成像仪(CT)、核磁共振成像仪(NMRI或MRI)和显微物理模拟等。其中，常用的显微物理模拟装置是采用激光刻蚀技术，将真实孔隙结构在光学玻璃板上刻蚀出来，制作成可供观察用的透明微观模型，用显微技术和扫描通过屏幕观察二维模型内的渗流机理和规律，这种研究手段只能大致观察到驱替效果，不能为研究多相流体渗流机理进行量化分析提供精确数据帮助。核磁共振成像与X射线CT一样，能够显示多孔物质的内部结构，并且都可以用于岩石样品的分析中。但是，两者亦有显著的差别。CT是通过多个发射源和多个接收源的组合来实现阵列扫描；核磁共振成像则利用磁场梯度来完成空间定位。CT只能对电子密度和原子序数成像，核磁共振则可以对核自旋密度、弛豫时间(纵向及横向)、流体流动速度、自扩散系数，以及基于化学位移或弛豫时间的选择性成像，并且可以对多种核素，如IH，13c，19F，31P，23Na等进行成像。CT在显示岩石孔隙结构与渗流过程方面受渗流过程方面受到固体骨架的严重不利影响，而核磁共振成像则主要反映岩石孔隙中流体的各种性质，固体骨架几乎不产生信号。
发明内容
为了解决上述物理模拟研究中存在的问题，本发明提供一种二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置，其目的在于利用核磁共振成像(MRI)技术对CO2驱油三维可视化物理模拟研究，对测试图像进行定量分析获取多孔介质的空隙度、渗透率及超临界CO2、水、原油等的饱和度等多项渗流参数。
本发明采用的技术方案是：一种二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置主要包括一个注入系统、模拟岩心装置、核磁共振成像装置、温度压力测控系统和出口计量系统；所述模拟岩心装置设置在核磁共振成像装置中，所述注入系统向模拟岩心装置依次注入地层水、原油和超临界二氧化碳，并采用所述温度压力测控系统控制整个系统的压力和温度为要求的设定值，再用核磁共振成像装置进行检测，并对测试图像进行定量分析获取多孔介质的空隙度、渗透率及超临界二氧化碳、地层水、原油的饱和度渗流参数，最后用出口计量系统测量通过模拟岩心装置的二氧化碳气体、地层水、原油的体积。
所述注入系统主要包含设置在空气恒温箱中的三个中间容器，由一台高压计量泵向这三个中间容器中的驱活塞的一侧提供高压水产生驱动力，让第三中间容器、第二中间容器和第一中间容器依次向模拟岩心装置驱地层水、原油和超临界二氧化碳。
所述第一中间容器中的超临界二氧化碳由一台二氧化碳泵从储罐中抽取液态二氧化碳供给；储存在二氧化碳瓶中的二氧化碳气体进入设置在冷浴中的储罐，经冷却后转变为液态二氧化碳。
所述模拟岩心装置采用一个内体和二个封头组合成中空结构，其中填满填料；二个端盖和一个外套与内体之间构成加热流体腔，采用二个隔板把加热流体腔在纵向分成二部分；二个隔板的一端离第二端盖有一定距离，另一端紧贴第一端盖，在第一端盖上设有连通加热流体腔的循环流体进口和循环流体出口；采用一个向加热流体腔提供循环热流体的热流体浴槽连接循环流体进口和循环流体出口。
所述出口计量系统主要包含一个连接稳压阀的油水计量器，第一气体计量器和第二气体计量器并联连接到油水计量器上；它还包含一个连接稳压阀的稳压罐，采用一个手动泵连接稳压罐。
本发明的有益效果是：这种二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置把模拟岩心装置设置在核磁共振成像装置中，注入系统向模拟岩心装置依次注入地层水、原油和超临界二氧化碳，并采用测控系统控制整个系统的压力和温度，再用核磁共振成像装置对测试图像进行定量分析获取多孔介质的空隙度、渗透率及超临界二氧化碳、地层水、原油的饱和度渗流参数，最后用出口计量系统测量二氧化碳气体、地层水、原油的体积。该检测装置设计压力为0～40Mpa，设计温度为0～180℃，能充分模拟多种复杂油藏条件下超临界CO2不同驱替方案的室内实验研究；模拟岩心装置采用黄铜材料，既无磁又容易满足高压强度要求，设计结构紧凑，能多次填充，重复使用，实验过程操作方便、简单适用。
附图说明
图1是一种二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置系统图。
图2是模拟岩心装置结构图。
图3是图4中的B-B剖视结构图。
图4是图2中的A-A剖视结构图。
图中：1、二氧化碳瓶，1a、针阀，2、储罐，3、冷浴，4、二氧化碳泵，4a、针阀，4b、止回阀，5、蒸馏水箱，6、高压计量泵，6a、过滤器，7、空气恒温箱，8、第一中间容器，8a、针阀，8b、转换阀，9、第二中间容器，9a、9b、针阀，10、第三中间容器，10a、10b、针阀，11、热流体浴槽，12、模拟岩心装置，12a、循环流体进口，12b、内体，12c、外套，12d、填料，12e、封头，12f、第一端盖，12g、循环流体出口，12h、隔板，12i、第二端盖，13、核磁共振成像装置，14、稳压阀，15、油水计量器，15a、15b、针阀，16、第一气体计量器，16a、16b、16c、针阀，17、第二气体计量器，17a、17b、17c、针阀，18、稳压罐，19、手动泵，19a针阀，20、差压变送器，21、22、针阀；P、压力表，T、热电偶。
具体实施方式
图1示出了一种二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置系统图。它包括一个注入系统、模拟岩心装置12、核磁共振成像装置13、温度压力测控系统和出口计量系统。
注入系统主要包含设置在空气恒温箱7中的三个中间容器，由一台高压计量泵6经过滤器6a吸取蒸馏水箱5中的蒸馏水，向这三个中间容器中的驱活塞的左侧提供高压水产生驱动力，让第三中间容器10、第二中间容器9和第一中间容器8依次向模拟岩心装置12驱地层水、原油和超临界二氧化碳。第一中间容器8中的超临界二氧化碳由一台二氧化碳泵4从储罐2中抽取液态二氧化碳经止回阀4b和转换阀8b供给；液态二氧化碳是让储存在二氧化碳瓶1中的二氧化碳气体进入设置在冷浴3中的储罐2经冷却后生成的。关闭针阀21和开启针阀6b和22后，只要开启针阀10a、10b，就可以向第三中间容器10的右侧加注地层水，同理只要开启针阀9a、9b，就可以向第二中间容器9的右侧加注原油。
模拟岩心装置12设置在核磁共振成像装置13中，采用一个热流体浴槽11向模拟岩心装置12供给循环热流体。
出口计量系统用来测量从模拟岩心装置12中驱出的地层水、原油和二氧化碳气体的量，它包含一个连接稳压阀14的油水计量器15，两端设有针阀15a、15b；第一气体计量器16(两端设有针阀16a、16b)和第二气体计量器17(两端设有针阀17a、17b)通过针阀16c、17c并联连接到油水计量器15上。稳压阀14还连接一个稳压罐18，采用一个手动泵19经针阀19a对稳压罐18的压力进行调节，以满足系统的工作压力。
温度压力测控系统用来测控整个系统的温度和压力，正如图1中所示设置了热电偶T和压力表P，在模拟岩心装置12的进出口管道上设置了差压变送器20。
图1、2、3示出了模拟岩心装置结构。一个内体12b和二个封头12e采用螺纹连接加密封组合成中空结构，其中填满采用石英砂的填料12d，两端均设有滤网。二个端盖和一个外套12c与内体12b之间构成加热流体腔，采用二个隔12i有一定距离，使二个加热流体腔相通，另一端紧贴第一端盖12f，在第一端盖12f上设有连通加热流体腔的循环流体进口12a和循环流体出口12g。采用一个热流体浴槽11连接循环流体进口12a和循环流体出口12g，以便向加热流体腔提供加热流体。
利用上述二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置的试验步骤如下：
第一步，完成准备工作。根据模拟油藏致密度要求选用合适粒径石英砂填充入模拟岩心装置12中，压实封盖，完成模拟岩心的制备，同时完成实验介质模拟原油、地层水、CO2气体的准备工作，完成实验流程各部连接、试压等系列工作。
第二步，将实验流体介质注入中间容器。首先，让二氧化碳瓶中的二氧化碳气体进入设置在冷浴3中的储罐2，经冷却后转变为液态二氧化碳，由一台二氧化碳泵4将储罐中抽取的液态二氧化碳打入第一中间容器8中，通过加热加压达到实验要求的超临界状态；通过针阀22分别将模拟原油和地层水注入第二中间容器9和第三中间容器10中。
第三步，进行驱替实验。通过高压计量泵6向中间容器一端注高压水驱动活塞产生连续稳定驱动力，先将第三中间容器10中地层水注入抽真空后的模拟岩心装置12中建立饱和水；浸泡一段时间后，将第二中间容器9中的模拟原油注入驱替地层水建立饱和油；达到模拟油层要求后，再次将第三中间容器10中地层水注入含饱和油的模拟岩心装置12中进行水驱油实验过程；水驱油过程达到预定效果后，将第一中间容器8中超临界二氧化碳注入水驱后的模拟岩心装置12中进行气驱实验，达到预定效果后，停止实验。
驱替实验过程中模拟岩心出口压力采用稳压阀14及其配套系统(包括手动泵19、稳压罐18)来实现；通过油水计量器15、第一气体计量器16、第二气体计量器17分别计量出口各相体积流量；温控部分分别采用恒温冷浴槽3控制二氧化碳液化温度，空气恒温箱7控制中间容器中实验流体温度，置于核磁共振成像磁体探头内的模拟岩心装置温度，通过与其加热流体腔连接成循环回路的一个提供循环热流体的热流体浴槽11来控制；温度、压力、差压分别采用热电偶、压力表、差压变送器来实时采集。
利用核磁共振成像仪13，对实验过程进行同步、三维可视化定量检测，用核磁共振自旋密度成像，给出岩心中孔隙的二维或三维分布以及驱替过程中驱替前沿的推进过程；用核磁共振化学位移选择成像，分别给出岩心孔隙中油与水的赋存状态；用核磁共振驰豫时间加权成像，分别给出CO2驱油后油与水及CO2在岩石孔隙中的滞流位置。对测试图像进行定量分析获取多孔介质的空隙度、渗透率及超临界CO2、水、原油等的饱和度等多项渗流参数。

Claims (1)

1.一种二氧化碳驱油核磁共振成像检测装置，它主要包括一个注入系统、模拟岩心装置(12)、核磁共振成像装置(13)、温度压力测控系统和出口计量系统；所述模拟岩心装置(12)设置在核磁共振成像装置(13)中，所述注入系统向模拟岩心装置(12)依次注入地层水、原油和超临界二氧化碳，并采用所述温度压力测控系统控制整个系统的压力和温度为要求的设定值，再用核磁共振成像装置(13)进行检测，并对测试图像进行定量分析获取多孔介质的空隙度、渗透率及超临界二氧化碳、地层水、原油的饱和度渗流参数，最后用出口计量系统测量通过模拟岩心装置(12)的二氧化碳气体、地层水、原油的体积；所述注入系统主要包含设置在空气恒温箱(7)中的三个中间容器，由一台高压计量泵(6)向这三个中间容器中的驱活塞的一侧提供高压水产生驱动力，让第三中间容器(10)、第二中间容器(9)和第一中间容器(8)依次向模拟岩心装置(12)驱地层水、原油和超临界二氧化碳；所述第一中间容器(8)中的超临界二氧化碳由一台二氧化碳泵(4)从储罐(2)中抽取液态二氧化碳供给；储存在二氧化碳瓶(1)中的二氧化碳气体进入设置在冷浴(3)中的储罐(2)，经冷却后转变为液态二氧化碳；所述出口计量系统主要包含一个连接稳压阀(14)的油水计量器(15)，第一气体计量器(16)和第二气体计量器(17)并联连接到油水计量器(15)上；出口计量系统还包含一个连接稳压阀(14)的稳压罐(18)，采用一个手动泵(19)连接稳压罐(18)；其特征是：所述模拟岩心装置(12)采用一个内体(12b)和二个封头(12e)组合成中空结构，其中填满填料(12d)；二个端盖和一个外套(12c)与内体(12b)之间构成加热流体腔，采用二个隔板(12h)把加热流体腔在纵向分成二部分；二个隔板(12h)的一端离第二端盖(12i)有一定距离，另一端紧贴第一端盖(12f)，在第一端盖(12f)上设有连通加热流体腔的循环流体进口(12a)和循环流体出口(12g)；采用一个向加热流体腔提供循环热流体的热流体浴槽(11)连接循环流体进口(12a)和循环流体出口(12g)。
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