CN101858211B - 注多元热流体采油三维模拟试验地层压力模拟方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种注多元热流体采油三维模拟试验地层压力模拟方法和装置；分为升压过程和泄压过程，升压过程模型本体压力不断升高，充气增加高压舱的压力；泄压过程中模型本体压力不断降低，排气减小高压舱的压力；当压差小于10KPa，程序将自动给高压舱充气；压差设定值40-100KPa；试验压力在0-5MPa时，滞洄量设定值10KPa-15KPa，试验压力在5-10MPa时，滞洄量设定值5KPa-10KPa，试验压力在10-20MPa时，滞洄量设定值1KPa-5KPa；气体围压均匀、稳定，能有效防止驱替介质窜流；压力控制精度高；自动化程度高，操作简便；设置滞洄量，防止阀门频繁动作，延长设备寿命。

Description

注多元热流体采油三维模拟试验地层压力模拟方法与装置

技术领域：

本发明涉及一种注多元热流体采油高温(温度350℃)高压(压力20MPa)三维模拟试验地层压力模拟方法与装置。

背景技术

注多元热流体采油高温高压三维模拟试验装置可以开展油藏压力20MPa、温度350℃条件下利用注蒸汽、注气、注热溶剂等多种方式提高石油采收率技术的研究，可以最大限度再现真实油藏开发状况，是室内解决油藏开采机理、优化油藏开发方案的重要也是最有力的研究手段。物理模拟试验中，需要给模型本体提供一定的压力环境，且高压舱压力应始终略高于模型本体压力，其作用有两点：一是使模型本体达到实际的地层压力，二是防止模型本体内驱替介质窜流，这种地层压力的模拟技术一直是三维物理模拟试验中需要解决的技术难题。

现有的地层压力模拟技术一般采用上覆压力或者液体围压的方式来实现。对于上覆压力，通常采用的是液压缸和活塞总成相配合的方式，从顶部给模型一个向下的压力，这种方式属于刚性压力，无法保证模型本体内各部分受压均匀，容易形成通道或缝隙，试验过程中驱替介质会沿这些通道或缝隙窜流，从而导致整个试验失败。

液体围压是指在模型与高压舱之间填充液体介质。相比上覆压力而言，液体(水、油等)围压克服了上述缺点，由于液体具有流动性，传压能力强，能为模型本体创造一个均匀的压力环境。但是液体围压仍然存在以下不足：1)由于液体的可压缩性小，微小的体积变化就可能带来很大的压力变化(这种变化可能是由于温度的变化、承压容器的形变或者泄露引起，大多属于不可控因素)，从而压力控制精度低、稳定性差，这种现象在高压下尤为严重，达不到高温高压三维模拟试验的要求；2)液体的导热系数较大，给模型本体的保温带来极大困难，有时甚至需要增加真空隔热层，这会使得系统结构更加复杂。

通过对国内外相关专利及文献进行检索，结果表明：国内通常采用的是上覆压力和液体围压的方式，而国外已有采用气体围压的方式，1.论文：T.N.Nasr K.D.KimberK.N.Jha，A novel scaled physical simulator for horizontal well enhanced oil recovery，1992。采用气体作为围压可以有效的解决以上问题，但是目前国外采用的气体围压通常压力较低(2MPa左右)。对于气体围压的控制方法在国内外都未见报道。

现有技术一的技术方案

上覆压力，专利：200820016376.1，包括上盖、固定架、活塞总成、活塞盖、活塞套和加强层。所述活塞总成为上下体结构，上端为柱塞，其上顺次连接有固定架、加强层和试验模型上盖，下端为活塞，柱塞与活塞相接触，活塞安装与活塞套内，活塞套上部安装有活塞盖，外围下半部在隔环内。

该技术具有保持模拟油藏的压力低于等于上下盖层的压力和试验油藏中的原油不致上下左右窜流的特点，主要在石油开采中火烧驱油三维物理模拟及类似场合中应用。

现有技术一的缺点

对于上覆压力，通常采用的是液压缸和活塞总成相配合的方式，从顶部给模型一个向下的压力，这种方式属于刚性压力，无法保证模型本体内各部分受压均匀，容易形成通道或缝隙，试验过程中驱替介质会沿这些通道或缝隙窜流，从而导致整个试验失败。

现有技术二的技术方案

液体围压，专利：200810180256.X，包括球形压力罐、球形压力罐支撑、排料管线、电加热系统、模拟水平井穿管接头和引压管线穿管接头、模拟直井穿管接头、油藏模型本体模型支架、热电偶贯穿件、封头、法兰和密封垫、主螺栓、主螺母、螺栓张拉机、进料管线、压力表接口和安全阀接口等。

在球形压力罐压力表接管上安装一个双电接点压力表，在球形压力罐进料管上连接补液泵。补液泵电源串连一个继电器，双接点压力表测量球形压力罐内压力。当球形压力罐内压力高于设定值时，双接点压力表控制继电器断开，补液泵重新工作，直至球形压力罐内压力达到设定值。

现有技术二的缺点

1)压力控制精度低、稳定性差：由于液体的可压缩性小，微小的体积变化就可能带来很大的压力变化(这种变化可能是由于温度的变化、承压容器的形变或者泄露引起，大多属于不可控因素)，从而压力控制精度低、稳定性差，这种现象在高压下尤为严重，达不到高温高压三维模拟试验的要求；

2)液体的导热系数较大，给模型本体的保温带来极大困难，有时甚至需要增加真空隔热层，这会使得系统结构更加复杂；

3)压力控制方式不灵活：该技术中围压无法灵活根据模型压力自动调整，只能通过人工设定的单一压力值进行控制。但是试验过程中必须保证液体围压高于模型压力，否则驱替介质会在模型中发生窜流。试验过程中，模型压力升高时，若此设定值未及时调整，则会有窜流的危险。

4)只将围压设定在某一个值上，容易导致液压泵的进泵、退泵频繁动作。

现有技术三的技术方案

气体围压，该技术采用的氮气围压，具体的控制方法未见提及。

现有技术三的缺点

压力较低，只能达到2MPa，

多元热流体：是指在油藏条件下可用于进行原油驱替且被油藏自身或人为加热的介质，包括热水、驱替介质、热溶剂及被加热的非凝析气体等单质及其混合物。

发明内容

本发明的目的是提供一种注多元热流体采油高温(温度350℃)高压(压力20MPa)三维模拟试验地层压力模拟方法与装置。

本发明所述的注多元热流体采油高温高压三维模拟试验地层压力模拟装置：

由进气阀一、进气阀二、排气阀一、排气阀二、高压舱、压差传感器、计算机、一级气瓶组、气体压缩机、二级气瓶组和模型本体组成。系统最高运行压力能达到20MPa，且整个控制过程全自动化。

一级气瓶组、气体压缩机、二级气瓶组按顺序串联；一级气瓶组放置在室外，可随时更换和补充，二级气瓶组固定在室内，气体可由一级气瓶组经气体压缩机增压储存在二级气瓶组内。该部分为试验系统的气源部分，其功能为保证试验过程中充气压力的连续与稳定。

进气阀一和进气阀二并联与二级气瓶组和高压舱连接；排气阀一和排气阀二并联与高压舱和大气连接；该部分为系统气动阀门组，其功能是控制高压舱的充气和排气。

压差传感器两端分别与高压舱和模型本体连接，其功能为测量高压舱与模型本体压差(高压舱压力减去模型本体压力)。

所述的模型本体置于高压舱内。

计算机通过数据线分别与气阀一、进气阀二、排气阀一、排气阀二和压差传感器连接。其功能为采集压差传感器数据，并通过远程控制气动电磁阀的开关来进行高压舱充气或排气，从而自动控制高压舱压力。

本发明所述的注多元热流体采油高温高压三维模拟试验地层压力模拟方法：

所述的注多元热流体采油三维模拟试验地层压力模拟方法分为升压过程和泄压过程两套控制方法。

升压过程中模型本体压力不断升高，需要充气以增加高压舱的压力，此过程中排气阀组始终都是关闭的，而进气阀组的开启数目随着压差的变化而变化。泄压过程中模型本体压力不断降低，需要排气以减小高压舱的压力，此过程中进气阀组始终都是关闭的，而排气阀组的开启数目随着压差的变化而变化。

设高压舱与模型本体压差设定值为P(高压舱压力减去模型本体压力)，滞洄量设定值为Pd，由于试验中需保证高压舱压力始终略高于模型本体压力，压差控制范围下限为10KPa，无论什么情况下，一旦压差小于10KPa，程序将自动给高压舱充气。

1)压差及滞洄量设置：(该设置能够将压差控制在一定的范围之内，并能根据压力的变化情况通过控制气动电磁阀的开关数目来控制高压舱5压力变化的快慢)本发明适用于薄壁模型(0.5-2mm厚)，为保护模型，压差设定值应在40-100KPa；试验压力在0-5MPa时，滞洄量可设定在10KPa-15KPa，试验压力在5-10MPa时，滞洄量设定值5KPa-10KPa，试验压力在10-20MPa时，滞洄量设定值1KPa-5KPa

(由于低压下充气压力升高快、排气压力降低也快，而高压下则相反，滞洄量的设置需根据试验压力的不同而有所限制，滞洄量的设置可以防止气动电磁阀的频繁操作造成的使用寿命损失，节约成本，提高试验的稳定性及安全性)；

2)程序开始运行时，进气阀组和排气阀组都是关闭的。程序检测舱模压差与设定值的差进行比较，如果二者的差在10KPa～(P+2Pd+10)KPa区间内，则阀门无动作都保持关闭状态。

3)首轮控制过程

3.1第一步：过程判断

(1)如果舱模压差小于10kPa(运行程序的头一个控制过程用10kPa作为下限值来判断升压过程，从第二个控制过程开始，以P-2Pd作为下限值来判断)，则判断为升压过程；跳至3.2(1)；

(2)如果舱模压差大于P+2Pd+10kPa(运行程序的头一个控制过程用P+2Pd+10kPa作为上限值来判断泄压过程，从第二个控制过程开始，以P+2Pd作为上限值来判断)，则判断此刻为泄压过程；跳至3.2(2)；

3.2第二步：

(1)升压过程：高压舱两个进气阀打开，高压舱压力随之升高，压差逐渐增大；跳至3.3(1)；

(2)泄压过程：高压舱两个排气阀打开，高压舱压力随之减小，压差逐渐减小；跳至3.3(2)；

3.3第三步：

(1)升压过程：压差大于P-Pd时，关闭其中一个进气阀，而另一个进气阀继续保持打开状态。高压舱压力进一步升高，压差继续增大；跳至3.4(1)；

(2)泄压过程：压差小于P+Pd时，关闭其中一个排气阀，而另一个排气阀继续保持打开状态；高压舱5压力进一步下降，压差继续减小；跳至3.4(2)；

3.4第四步：

(1)升压过程：压差大于P+2Pd时，所有进气阀关闭，升压过程结束；

(2)泄压过程：压差小于P-2Pd时，所有泄压阀关闭，泄压过程结束。

4)次轮及次轮以后控制过程

4.1第一步：过程判断

(1)压差逐渐减小，小于P-2Pd，则判断为升压过程；

(2)压差逐渐增大，大于P+2Pd，则判断为泄压过程；

4.2第二步至第四步：

若为升压过程，重复3.2(1)-3.4(1)；若为泄压过程，重复3.2(2)-3.4(2)。

发明效果

1)气体围压均匀、稳定，能有效防止驱替介质窜流；

2)气体可压缩性好，压力控制精度高；

3)气体导热系数小，模型保温可采用传统保温棉等方式，避免复杂保温结构；

4)系统运行压力高，能达到20MPa；

5)二级气源供给，保证充气压力充足、稳定；

6)系统自动化程度高，操作简便；

7)设置滞洄量，防止阀门频繁动作，延长设备寿命。

滞洄量：为防止控制过程中阀门的频繁动作而设置的一个压差缓冲量，能够允许压差在某一范围内波动，从而过滤掉一些不必要的阀门动作。

附图说明：

图1注多元热流体采油三维模拟试验地层压力模拟装置图。

其中：1进气阀一、2进气阀二、3排气阀一、4排气阀二、5高压舱、6压差传感器、7计算机、8一级气瓶组、9气体压缩机、10二级气瓶组、11模型本体。

图2注多元热流体采油三维模拟试验地层压力模拟装置控制方法流程图

具体实施方式

本发明所述的注多元热流体采油高温高压三维模拟试验地层压力模拟装置：

由进气阀一1、进气阀二2、排气阀一3、排气阀二4、高压舱5、压差传感器6、计算机7、一级气瓶组8、气体压缩机9、二级气瓶组10和模型本体11组成；一级气瓶组8、气体压缩机9、二级气瓶组10按顺序串联；一级气瓶组8放置在室外，二级气瓶组10固定在室内，气阀一1和进气阀二2并联与二级气瓶组10和高压舱5连接；排气阀一3和排气阀二4并联与高压舱5和大气连接；压差传感器6两端分别与高压舱5和模型本体11连接，所述的模型本体11置于高压舱5内，计算机7通过数据线分别与气阀一1、进气阀二2、排气阀一3、排气阀二4和压差传感器6连接。

实施例1：

1.压差及滞洄量设置：试验运行压力为2MPa，模型本体11为0.5mm壁厚的薄壁模型，承压能力为50-80KPa，故高压舱5与模型本体11压差设定值为50KPa；滞洄量根据试验压力设定为12KPa；

2.程序检测初始舱模压差为45KPa，在10-84KPa(50+2×12+10KPa)区间内，阀门无动作都保持关闭状态。

3.饱和油首轮控制过程

模型本体11压力在进行加压饱和油试验时不断升高

3.1舱模压差不断减小，当舱模压差低于10KPa时，判断为升压过程；

3.2进气阀一1、进气阀二2均打开，高压舱5压力随着升高，压差逐渐增大；

3.3压差大于38KPa(50-12KPa)时，关闭进气阀一1，进气阀二2继续保持开启状态充气；

3.4高压舱5压力继续升高，压差继续增大，压差大于74KPa(50+2×12KPa)时关闭进气阀二2。

4.饱和油次轮及次轮以后控制过程

4.1压差随着模型本体11压力的升高而继续减小，阀门都保持关闭状态不变，当压差小于26KPa(50-2×12KPa)时，判断仍为升压过程；

4.2重复过程3.2-3.4；

加压饱和油结束前，一直是升压过程，直至模型达到2MPa试验压力。

5.试验过程

试验过程中，经过若干升压和泄压过程，使得舱模压差一直维持在26-74KPa(50±2×12KPa)区间内。

6.试验后模型降压

试验后，模型本体11需要泄压，压力开始不断降低，舱模压差开始升高。

6.1当舱模压差超过了74KPa(50+2×12KPa)，判断为泄压过程；

6.2泄压阀一3、泄压阀二4均打开，高压舱5压力随着减小，压差逐渐减小；

6.3压差小于62KPa(50+12KPa)时，关闭泄压阀一3，泄压阀二4继续保持打开状态泄压，高压舱5压力进一步下降；

6.4当压差小于26KPa(50-2×12KPa)时，关闭泄压阀二4。

模型降压过程中一直是泄压过程，直到模型压力恢复到常压。

实施例2：

1.压差及滞洄量设置：试验运行压力为8MPa，模型本体11为0.5mm壁厚的薄壁模型，承压能力为50-80KPa，故高压舱5与模型本体11压差设定值为50KPa；滞洄量根据试验压力设定为8KPa；

2.程序检测初始舱模压差为45KPa，在10-76KPa(50+2×8+10KPa)区间内，阀门无动作都保持关闭状态。

3.饱和油首轮控制过程

模型本体11压力在进行加压饱和油试验时不断升高

3.1舱模压差不断减小，当舱模压差低于10KPa时，判断为升压过程；

3.2进气阀一1、进气阀二2均打开，高压舱5压力随着升高，压差逐渐增大；

3.3压差大于42KPa(50-8KPa)时，关闭进气阀一1，进气阀二2继续保持打开状态充气；

3.4高压舱5压力继续升高，压差继续增大，压差大于66KPa(50+2×8KPa)时关闭进气阀二2。

4.饱和油次轮及次轮以后控制过程

4.1压差随着模型本体11压力的升高而继续减小，阀门都保持关闭状态不变，当压差小于34KPa(50-2×8KPa)时，判断仍为升压过程；

4.2重复过程3.2-3.4；

加压饱和油结束前，一直是升压过程，直至模型达到8MPa试验压力。

5.试验过程

试验过程中，经过若干升压和泄压过程，使得舱模压差一直维持在34-66KPa(50±2×8KPa)区间内。

6.试验后模型降压

试验后，模型本体11需要泄压，压力开始不断降低，舱模压差开始升高。

6.1当舱模压差超过了66KPa(50+2×8KPa)，判断为泄压过程；

6.2泄压阀一3、泄压阀二4均打开，高压舱5压力随着减小，压差逐渐减小；

6.3压差小于58KPa(50+8KPa)时，关闭泄压阀一3，泄压阀二4继续保持打开状态泄压，高压舱5压力进一步下降；

6.4当压差小于34KPa(50-2×8KPa)时，关闭泄压阀二4。

模型降压过程中一直是泄压过程，直到模型压力恢复到常压。

实施例3：

1.压差及滞洄量设置：试验运行压力为12MPa，模型本体11为0.5mm壁厚的薄壁模型，承压能力为50-80KPa，故高压舱5与模型本体11压差设定值为50KPa；滞洄量根据试验压力设定为3KPa；

2.程序检测初始舱模压差为45KPa，在10-66KPa(50+2×3K+10Pa)区间内，阀门不动作都保持关闭状态。

3.饱和油首轮控制过程

模型本体11压力在进行加压饱和油试验时不断升高

3.1舱模压差不断减小，当舱模压差低于10KPa时，判断为升压过程；

3.2进气阀一1、进气阀二2均打开，高压舱5压力随着升高，压差逐渐增大；

3.3压差大于47KPa(50-3KPa)时，关闭进气阀一1，进气阀二2继续保持打开状态充气；

3.4高压舱5压力继续升高，压差继续增大，压差大于56KPa(50+2×3KPa)时关闭进气阀二2。

4.饱和油次轮及次轮以后控制过程

4.1压差随着模型本体11压力的升高而继续减小，阀门都保持关闭状态不变，当压差小于44KPa(50-2×3KPa)时，判断仍为升压过程；

4.2重复过程3.2-3.4；

加压饱和油结束前，一直是升压过程，直至模型达到12MPa试验压力。

5.试验过程

试验过程中，经过若干升压和泄压过程，使得舱模压差一直维持在44-56KPa(50±2×3KPa)区间内。

6.试验后模型降压

试验后，模型本体11需要泄压，压力开始不断降低，舱模压差开始升高。

6.1当舱模压差超过了56KPa(50+2×3KPa)，判断为泄压过程；

6.2泄压阀一3、泄压阀二4均打开，高压舱5压力随着减小，压差逐渐减小；

6.3压差小于53KPa(50+3KPa)时，关闭泄压阀一3，泄压阀二4继续保持打开状态泄压，高压舱5压力进一步下降；

6.4当压差小于44KPa(50-2×3KPa)时，关闭泄压阀二4。

模型降压过程中一直是泄压过程，直到模型压力恢复到常压。

实施例4：

1.压差及滞洄量设置：试验运行压力为8MPa，模型本体11为2mm壁厚的薄壁模型，承压能力为80-120KPa，故高压舱5与模型本体11压差设定值为80KPa；滞洄量根据试验压力设定为8KPa；

2.程序检测初始舱模压差为75KPa，在10-106KPa(80+2×8+10KPa)区间内，阀门无动作都保持关闭状态。

3.饱和油首轮控制过程

模型本体11压力在进行加压饱和油试验时不断升高

3.1舱模压差不断减小，当舱模压差低于10KPa时，判断为升压过程；

3.2进气阀一1、进气阀二2均打开，高压舱5压力随着升高，压差逐渐增大；

3.3压差大于72KPa(80-8KPa)时，关闭进气阀一1，进气阀二2继续保持打开状态充气；

3.4高压舱5压力继续升高，压差继续增大，压差大于96KPa(80+2×8KPa)时关闭进气阀二2。

4.饱和油次轮及次轮以后控制过程

4.1压差随着模型本体11压力的升高而继续减小，阀门都保持关闭状态不变，当压差小于64KPa(80-2×8KPa)时，判断仍为升压过程；

4.2重复过程3.2-3.4；

加压饱和油结束前，一直是升压过程，直至模型达到8MPa试验压力。

5.试验过程

试验过程中，经过若干升压和泄压过程，使得舱模压差一直维持在64-96KPa(80±2×8KPa)区间内。

6.试验后模型降压

试验后，模型本体11需要泄压，压力开始不断降低，舱模压差开始升高。

6.1当舱模压差超过了96KPa(80+2×8KPa)，判断为泄压过程；

6.2泄压阀一3、泄压阀二4均打开，高压舱5压力随着减小，压差逐渐减小；

6.3压差小于88KPa(80+8KPa)时，关闭泄压阀一3，泄压阀二4继续保持打开状态泄压，高压舱5压力进一步下降；

6.4当压差小于64KPa(80-2×8KPa)时，关闭泄压阀二4。

模型降压过程中一直是泄压过程，直到模型压力恢复到常压。

Claims (2)

1.一种注多元热流体采油三维模拟试验地层压力模拟方法，其特征在于：

本方法分为升压过程和泄压过程，升压过程中模型本体压力不断升高，需要充气增加高压舱的压力，此过程中排气阀组关闭，进气阀组打开的数目随着压差的变化而变化；泄压过程中模型本体压力不断降低，排气减小高压舱的压力，此过程中进气阀组关闭，排气阀组打开的数目随着压差的变化而变化；

设高压舱与模型本体压差设定值为P，滞洄量设定值为Pd，压差控制范围下限为10KPa，当压差小于10KPa，程序将自动给高压舱充气；

压差及滞洄量设置：模型壁厚0.5-2mm，压差设定值40-100KPa；试验压力在0-5MPa时，滞洄量设定值10KPa-15KPa，试验压力在5-10MPa时，滞洄量设定值5KPa-10KPa，试验压力在10-20MPa时，滞洄量设定值1KPa-5Kpa；

程序开始运行时，进气阀组和排气阀组都是关闭的；程序检测舱模压差与设定值的差进行比较，如果二者的差在10kPa～(P+2Pd+10)KPa区间内，则阀门不动作保持关闭状态；

首轮控制过程

1)第一步：过程判断

(1)运行程序的头一个控制过程用10kPa作为下限值来判断升压过程，从第二个控制过程开始，以P-2Pd作为下限值来判断，当舱模压差小于10kPa或P-2Pd则判断为升压过程；

(2)运行程序的头一个控制过程用P+2Pd+10kPa作为上限值来判断泄压过程，从第二个控制过程开始以P+2Pd作为上限值来判断，当舱模压差大于P+2Pd+10kPa或P+2Pd则判断此刻应该为泄压过程；

2)第二步：

(1)升压过程：高压舱两个进气阀打开，高压舱压力随之升高，压差逐渐增大；

(2)泄压过程：高压舱两个排气阀打开，高压舱压力随之减小，压差逐渐减小；

3)第三步：

(1)升压过程：压差大于P-Pd时，关闭部分进气阀，而另部分进气阀继续保持打开状态，高压压力升高，压差继续增大；

(2)泄压过程：当压差小于P+Pd时，关闭部分排气阀，而另部分泄压阀继续保持打开状态；高压舱压力下降，压差继续减小；

4)第四步：

(1)升压过程：压差大于P+2Pd时，所有进气阀关闭，升压过程结束；

(2)泄压过程：当压差小于P-2Pd时，所有泄压阀关闭，泄压过程结束；次轮及次轮以后控制过程

1)第一步：过程判断

(1)压差逐渐减小，小于P-2Pd，则判断为升压过程；

(2)压差逐渐增大，超过了P+2Pd，则判断为泄压过程；

2)第二步至第四步：

若为升压过程，重复首轮控制过程2)(1)-4)(1)；

若为泄压过程，重复首轮控制过程2)(2)-4)(2)。

2.一种权利要求1所述的注多元热流体采油三维模拟试验地层压力模拟方法用装置，由进气阀一、进气阀二、排气阀一、排气阀二、高压舱、压差传感器、计算机、一级气瓶组、气体压缩机、二级气瓶组和模型本体组成；其特征在于：一级气瓶组、气体压缩机、二级气瓶组按顺序串联；一级气瓶组放置在室外，二级气瓶组固定在室内，进气阀一和进气阀二并联与二级气瓶组和高压舱连接；排气阀一和排气阀二并联与高压舱和大气连接；压差传感器两端分别与高压舱和模型本体连接，模型本体置于高压舱内，计算机通过数据线分别与进气阀一、进气阀二、排气阀一、排气阀二和压差传感器连接。

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