CN102230940A - 轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，该实验装置由注入系统、模型系统、数据采集及控制系统、第一产出系统、第二产出系统、第一分析系统和第二分析系统组成；该模型系统的一侧导通连接于注入系统，该模型系统的上端连接于并联设置的收集游离气体的第一产出系统和收集活油的第二产出系统，第一产出系统的输出端连通于第一分析系统，第二产出系统分离出的溶解气体取样端连通于第一分析系统，第二产出系统分离出的液体取样端连通于第二分析系统；模型系统还连接于数据采集及控制系统。由于设有两个产出系统分别取游离气样和实验压力下活油，再将活油中溶解气分离出来进行气体组分和原油性质分析，由此保证分析结果的准确性。
Description
技术领域
本发明是关于石油开发领域中的一种实验方法及装置，尤其涉及一种用于轻质油藏注空气采油原油低温氧化速率和原油性质变化的实验方法及装置。
背景技术
20世纪60年代以来，世界上许多国家都开展过轻质油藏注空气采油技术研究，许多深层轻质油藏开展了注空气矿场试验，均取得了技术上和经济上的成功；所述注空气采油是利用注气井把空气注入油层，以补充和保持油层压力，利用氧化产物烟道气驱效应、氧化生热效应采油的一种措施。所述低温氧化是指在油藏条件下地层原油与注入空气中的氧气发生的氧化反应，反应消耗掉大部分氧气生成醛、酮、酸和少量CO、CO2和CH4等气体以及热，反应温度和累计温度不超过350度。
轻质油藏注空气低温氧化开采在我国虽然起步较晚，但由于空气来源广，成本低廉，近几年来受到广泛关注，几个油田还进行了小规模的空气泡沫驱(调驱)现场试验，并取得了很好的效果，但整体上注空气低温氧化相关机理研究不够系统和完善。
轻质油藏注空气开采的缺点是存在不安全因素，即注入空气中的氧气与原油未完全发生低温氧化反应时，产出气中烃类气体与氧气混合容易发生爆炸；低渗透油藏注空气另外一个特点就是低温氧化后原油性质会发生变化，比如粘度变化、组分变化等，这些原油性质的变化有可能对低渗透油藏的孔隙结构造成伤害，这就严格要求前期做好低温氧化的相关实验研究，在此基础上合理优化注采参数。
目前，虽然国内外在轻质油藏注空气开发低温氧化实验模拟方法和装置的研究方面开展了大量的工作，但是，对于开展原油低温氧化研究现有实验方法和装置仍存在以下不足：1)未考虑油气密度差造成的重力分异作用，原油发生低温氧化仍然是在油气界面和溶解在原油里的氧气参与反应，实验结果可信度较差；2)动态驱替过程装置考虑不周容易造成气体窜流，造成样品低温氧化反应不均，实验结果可信度较差；3)不具备压力、温度和体积数据多通道采集系统；4)实验流程自动化程度不高；5)不具备产出气体在线实时监测功能；6)数据采集多为人工读数，这会造成很多人为误差。
有鉴于此，本发明人凭借多年的相关设计和制造经验，提出一种轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验方法及装置，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验方法及装置，能够同时采集分析游离空气和溶解空气组分，以保证分析结果的准确性；并能够提高实验研究自动化和可靠性程度。
本发明的另一目的在于提供一种轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验方法及装置，能够提高反应器内样品受热均匀性和原油低温氧化整体同步性。
本发明的目的是这样实现的，一种轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，所述实验装置由注入系统、模型系统、数据采集及控制系统、第一产出系统、第二产出系统、第一分析系统和第二分析系统组成；该模型系统能围绕其上一转动中心上下摆动，该模型系统的一侧导通连接于注入系统，该模型系统的上端连接于并联设置的收集游离气体的第一产出系统和收集活油的第二产出系统，所述第一产出系统的输出端连通于第一分析系统，所述第二产出系统分离出的溶解气体取样端连通于第一分析系统，第二产出系统分离出的原油取样端连通于第二分析系统；所述模型系统还连接于数据采集及控制系统。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一产出系统由第一阀门和第一气体计量计顺序连接构成，该第一气体计量计的出口连通于第一分析系统；所述第二产出系统由第二阀门、气液分离器和第二气体计量计顺序连接构成，该第二气体计量计的出口连通于第一分析系统，所述气液分离器的底部设有液体取样阀门，该液体取样阀门连通于第二分析系统；所述第一分析系统由一气相色谱分析仪构成；所述第二分析系统由一液相色谱分析仪和一落球粘度计构成。
在本发明的一较佳实施方式中，所述模型系统包括一筒形反应器，反应器固定设置在一加热器内，反应器和加热器之间充填有惰性气体，加热器外部设有保温装置；所述反应器内密封设有一活塞，在反应器内且位于所述活塞上侧横向设有一能沿反应器内壁上下滑动的筛状搅拌器。
在本发明的一较佳实施方式中，所述反应器由耐腐蚀材料制成，反应器的工作压力为0～70MPa；所述反应器内位于其上、中、下部位分别设有一温度传感器，反应器内还设有一压力传感器；所述活塞上连接一位移传感器；所述模型系统由一反应器摆动电机驱动围绕转动中心上下摆动。
在本发明的一较佳实施方式中，所述数据采集及控制系统包括一PC控制装置，所述反应器上的压力传感器、温度传感器和位移传感器通过数据线连接于PC控制装置，所述反应器摆动电机通过一时间继电器和一电机反向控制器连接于PC控制装置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述活塞底部固定设有一推杆，该推杆上设有齿条，齿条与一齿轮机构啮合，该齿轮机构由一伺服电机驱动，该伺服电机通过一伺服电机反向控制器连接于PC控制装置；所述位移传感器设置在所述推杆上。
在本发明的一较佳实施方式中，所述注入系统包括并联设置的气体注入装置和液体注入装置，所述两个注入装置前端通过一进样阀门连通于反应器内部。
在本发明的一较佳实施方式中，所述气体注入装置由手动泵、泵出口阀门、中间活塞容器和活塞容器出口阀门顺序连接构成；所述液体注入装置由高压空气瓶和气样出口调压阀门顺序连接构成。
本发明的目的还可以这样实现，一种轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验方法，由注入系统将原油和空气注入到模型系统中，由控制系统将模型系统的温度和压力调节到油藏条件；设置模型系统摆动频率，使得原油样品和空气在模型系统中混合搅拌并进行低温氧化反应；在反应过程中由数据采集系统连续监测模型系统中的温度、压力变化，并由控制系统作出相应调整；根据取样时间由第一产出系统收集游离气样并输送至第一分析系统，由第二产出系统收集活油并分离出溶解气和原油，将溶解气输送至第一分析系统，将原油输送至第二分析系统；由上述两个分析系统取样分析后得出低温氧化耗氧速率和原油性质变化情况。
在本发明的一较佳实施方式中，所述原油样品和空气在模型系统中的低温氧化反应可采取定压反应模式或定容反应模式。
由上所述，本发明中设置有两个产出系统分别取游离气样和实验压力下活油样品，再将活油样品中溶解气分离出来进行分析，最后综合两个分析结果才得出低温氧化耗氧速率和原油性质变化情况，由此能够保证分析结果的准确性。再者，本发明具备压力、温度和体积数据多通道采集系统，温度、压力、体积随时间变化可按照指定方式自动记录保存；温度、压力、体积，摆动频率和活塞进退速度完全自动化控制；具备多点温度监测辅助；设置摆动电机及筛网状搅拌器能够保证样品低温氧化均匀性，提高反应器内样品受热均匀性和原油低温氧化整体同步性。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1：为本发明轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置的结构示意图。
图2：为本发明轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置的结构框图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2所示，本发明提出一种轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置100，所述实验装置100由注入系统1、模型系统2、数据采集及控制系统3、第一产出系统4、第二产出系统5、第一分析系统6和第二分析系统7组成；该模型系统2能围绕其上一转动中心上下摆动，该模型系统2的一侧导通连接于注入系统1，该模型系统2的上端连接于并联设置的收集游离气体的第一产出系统4和收集活油的第二产出系统5，所述第一产出系统4的输出端连通于第一分析系统6，所述第二产出系统5分离出的溶解气体取样端连通于第一分析系统6，第二产出系统5分离出的原油取样端连通于第二分析系统7；所述模型系统2还连接于数据采集及控制系统3。
由上述轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置进行实验的方法是，如图1、图2所示，由注入系统1将原油和空气注入到模型系统2中，由控制系统将模型系统2的温度和压力调节到油藏条件；设置模型系统2的摆动频率，使得原油样品和空气在模型系统2中混合搅拌并进行低温氧化反应；在反应过程中由数据采集系统连续监测模型系统2中的温度、压力变化，并由控制系统作出相应调整；根据取样时间由第一产出系统4收集游离气样并输送至第一分析系统6中，由第二产出系统5收集活油并分离出溶解气和原油，将溶解气输送至第一分析系统6中，将原油输送至第二分析系统7中；由上述两个分析系统取样分析后得出低温氧化耗氧速率和原油性质变化情况。
取样分析时，当模型系统2的上端朝上时(即如图1所示，A端朝上时)，靠油气重力分异作用，利用第一产出系统进行游离气样取样分析；当模型系统2的下端朝上时(即如图1所示，B端朝上时)，靠油气重力分异作用，利用第二产出系统进行实验条件下活油取样分析。
由于在模型系统2内，存在游离气和活油中溶解气，实验时产生的CO2在原油中的溶解度比较大，而且空气中的O2、N2在原油中的溶解度也不同，因此，单纯取任何单一相态下的气体样品对实验最终结果都会造成很大误差。而本发明中设置有两个产出系统分别取游离气样和实验压力下液体样品，再将液体样品中溶解气分离出来进行分析，最后综合两个分析结果才得出低温氧化耗氧速率和原油性质变化情况，由此，以保证分析结果的准确性。
在本实施方式中，所述原油样品和空气在模型系统中的低温氧化反应可采取定压反应模式，也可采用定容反应模式。
进一步，如图1所示，在本实施方式中，所述第一产出系统4由第一阀门41和第一气体计量计42顺序连接构成，该第一气体计量计42的出口连通于第一分析系统6；所述第二产出系统5由第二阀门51、气液分离器52和第二气体计量计53顺序连接构成，该第二气体计量计53的出口连通于第一分析系统6，所述气液分离器52的底部设有液体取样阀门521，该液体取样阀门521连通于第二分析系统7；所述第一分析系统6由一气相色谱分析仪61构成；所述第二分析系统7由一液相色谱分析仪71和一落球粘度计72构成；所述落球粘度计72的工作压力为0-70MPa；温度精度为±0.1℃；温度分辨率为0.05℃；粘度测量范围为0-5000mp.s；时间测量范围为0.01秒-9999.99秒。
在本实施方式中，所述模型系统2包括一个筒形反应器21，反应器21固定设置在一加热器22内，反应器21和加热器22之间充填有惰性气体，避免电热器22全功率加热时，局部温度过高过快传递到反应器21，造成氧化速率局部过快；加热器22外部设有保温装置(图中未示出)；所述反应器21内密封设有一活塞23，该活塞23可在驱动装置作用下沿着反应器上下移动，以改变反应器21的内部有效容积以达到实验所需压力；在反应器21内且位于所述活塞23上侧横向设有一能沿反应器21内壁上下滑动的筛状搅拌器24，该筛状搅拌器24与反应器内壁为间隙配合，当模型系统2围绕其转动中心上下摆动时，筛状搅拌器24依靠其自身重力作用，在反应器内壁上进行上下滑动；所述筛状搅拌器24具有一定厚度，因此在沿着反应器内壁滑动时其自身不会翻转；所述筛状搅拌器24采用筛网状设计，可防止反应器摆动时反应器内气体窜流，使得样品池内原油和空气充分均匀地混合，也可提高反应器内样品受热均匀性和原油低温氧化整体同步性。
进一步，在本实施方式中，所述反应器21由耐腐蚀材料制成，反应器的工作压力为0～70MPa，反应器容积为300ml，体积分辨率0.01mm；如图1所示，所述反应器21内位于其上、中、下部位分别设有一温度传感器25，以监测反应器内加热样品是否均匀，保持反应条件统一性，温度传感器采用Pt100铂电阻，精度±0.5℃，分辨率0.1℃；反应器内还设有一压力传感器26，压力传感器精度0.1级；所述活塞23上连接一位移传感器27，所述反应器21上端通过一反应器出口阀门28与所述两个产出系统导通连接；
所述模型系统2由一反应器摆动电机29驱动围绕转动中心上下摆动；所述反应器摆动电机29摆动搅拌角度为180°，摆动频率为0.5～10次/分并可调，噪音≤55dB。
在本发明的一较佳实施方式中，所述数据采集及控制系统3包括一PC控制装置31，所述反应器21上的压力传感器26、温度传感器25和位移传感器27通过数据线连接于PC控制装置31，所述反应器摆动电机29通过一时间继电器32和一电机反向控制器33连接于PC控制装置31。
在本实施方式中，所述活塞23底部固定设有一推杆231，该推杆231上设有齿条，齿条与一齿轮机构232啮合，该齿轮机构232由一伺服电机(图中未示出)驱动，该伺服电机通过一伺服电机反向控制器34连接于PC控制装置31；所述位移传感器27可设置在所述推杆231上。所述伺服电机可无级调速控制，操作设有快动、微动和停动等功能。
所述数据采集及控制系统3可分别设置和控制压力、体积、温度(极限值、设定值)，设有压力保护，上下限位保护，并实时显示测量值；根据设定的压力、体积、泵速，实现自动操作控制，数据(压力、温度、体积、时间等)按指定方式保存记录；压力、温度、体积可进行修正校准；
如图1所示，在本实施方式中，所述注入系统1包括并联设置的气体注入装置和液体注入装置，所述两个注入装置前端通过一进样阀门17连通于反应器21内部。所述气体注入装置由手动泵11、泵出口阀门12、中间活塞容器13和活塞容器出口阀门14顺序连接构成；所述液体注入装置由高压空气瓶15和气样出口调压阀门16顺序连接构成。
下面举一个具体实施例，以描述本实验方法的实验过程。
关闭气样出口调压阀门16，打开进样阀门17、泵出口阀门12、活塞容器出口阀门14，通过手动泵11将中间活塞容器13中的原油转样到反应器21中，记录转样体积150ml；关闭活塞容器出口阀门14，打开气样出口调压阀门16，经由高压空气瓶15通过进样阀门17向反应器21注入12MPa空气样品100ml；关闭进样阀门17，转样完毕。
通过PC控制装置31设置加热温度82℃，控制加热器22加热反应器21，通过反应器上部温度传感器、中部温度传感器和下部温度传感器25监测温度，三个温度传感器25监测温度为82℃停止加热，当监测到温度小于82℃时自动开始加热，保持反应器内恒温为82℃；同时，PC控制装置31设置压力为油藏压力25MPa，通过伺服电机反向控制器34及齿轮齿条传动机构控制活塞23上下移动，保持反应器21内压力传感器26监测压力为油藏压力25MPa；通过时间继电器32、电机反向控制器33设置摆动转速，以控制反应器摆动电机29摆动，使得样品在反应器21内温度更均匀，并自动记录反应器位移传感器27监测到样品总体积。
反应48小时取样分析，当反应器21的上端朝上时(即：A端朝上时)，通过伺服电机反向控制器34及齿轮齿条机构控制活塞23进退，保持反应器内压力传感器26监测的压力为油藏压力条件(25MPa)，由第一产出系统4进行游离气样取样分析；利用第一产出系统收集样品时，首先将反应器出口阀门28打开，再将第一阀门41打开，同时关闭第二阀门51，此时游离气样通过第一气体计量计后，输送至第一分析系统6的气相色谱分析仪61中进行分析，同时，记录产出气量及反应器位移传感器27监测到样品总体积。
当反应器21的下端朝上时(即：B端朝上时)，通过伺服电机反向控制器34及齿轮齿条机构控制活塞23进退，保持反应器内压力传感器26监测的压力为油藏压力条件(25MPa)，由第二产出系统5进行实验条件下液体取样分析；利用第二产出系统收集样品时，首先将反应器出口阀门28打开，再将第一阀门41关闭，同时打开第二阀门51，此时活油经由气液分离器52进行气液分离，记录产出气量及反应器位移传感器27监测到样品总体积，分离出的原油通过计量可得出气油比、体积系数，根据体积系数可计算得出反应器内游离气相总体积和溶解有空气的液相总体积，分离后的气体直接通过第二气体计量计53输送至第一分析系统6的气相色谱分析仪61，液体直接通过气液分离器52底部的液体取样阀门521取样输送至第二分析系统7的落球粘度计72测原油粘度变化，对于沥青质含量高的原油，应通过落球粘度计72取样后，用溶剂稀释处理去除沥青质后进入液相色谱分析仪71中分析原油组分变化。
通过计算可知游离气相中氧气含量和产生的二氧化碳、一氧化碳含量，以及溶解于液相中的氧气含量和产生的二氧化碳、一氧化碳含量，最终可得出整个反应器内耗氧速率；通过落球粘度计、液相色谱分析仪监测到原油粘度变化和组分变化结果。
取样时间可根据实验要求或需要来设定。如下列：
反应96小时取样分析，得出耗氧速率、原油粘度和组分结果。
反应144小时取样分析，得出耗氧速率、原油粘度和组分结果。
反应192小时取样分析，得出耗氧速率、原油粘度和组分结果。
反应240小时取样分析，得出耗氧速率、原油粘度和组分结果。
反应288小时取样分析，得出耗氧速率、原油粘度和组分结果。
反应336小时取样分析，得出耗氧速率、原油粘度和组分结果。
最终可得出14天内耗氧速率、原油粘度和组分随时间变化结果。
本发明具有如下有益的技术效果：
(1)设置两套产出系统分别取游离气样和溶解气样，保证实验结果的准确性。
(2)具备产出系统样品在线实时监测功能；
(3)具备压力、温度和体积数据多通道采集系统，温度、压力、体积随时间变化可按照指定方式自动记录保存；
(4)温度、压力、体积，摆动频率和活塞进退速度完全自动化控制；
(5)工作方式可以选择定压、定容两种方式；
(6)设有温度、压力和活塞位置上下限位保护，保证实验安全平稳运行；
(7)多点温度监测辅助摆动电机及筛网状搅拌器搅拌保证样品低温氧化均匀性；
(8)模拟最高油藏压力70MPa；
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，其特征在于：所述实验装置由注入系统、模型系统、数据采集及控制系统、第一产出系统、第二产出系统、第一分析系统和第二分析系统组成；该模型系统能围绕其上一转动中心上下摆动，该模型系统的一侧导通连接于注入系统，该模型系统的上端连接于并联设置的收集游离气体的第一产出系统和收集活油的第二产出系统，所述第一产出系统的输出端连通于第一分析系统，所述第二产出系统分离出的溶解气体取样端连通于第一分析系统，第二产出系统分离出的原油取样端连通于第二分析系统；所述模型系统还连接于数据采集及控制系统。
2.如权利要求1所述的轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，其特征在于：所述第一产出系统由第一阀门和第一气体计量计顺序连接构成，该第一气体计量计的出口连通于第一分析系统；所述第二产出系统由第二阀门、气液分离器和第二气体计量计顺序连接构成，该第二气体计量计的出口连通于第一分析系统，所述气液分离器的底部设有液体取样阀门，该液体取样阀门连通于第二分析系统；所述第一分析系统由一气相色谱分析仪构成；所述第二分析系统由一液相色谱分析仪和一落球粘度计构成。
3.如权利要求1所述的轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，其特征在于：所述模型系统包括一筒形反应器，反应器固定设置在一加热器内，反应器和加热器之间充填有惰性气体，加热器外部设有保温装置；所述反应器内密封设有一活塞，在反应器内且位于所述活塞上侧横向设有一能沿反应器内壁上下滑动的筛状搅拌器。
4.如权利要求3所述的轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，其特征在于：所述反应器由耐腐蚀材料制成，反应器的工作压力为0～70MPa；所述反应器内位于其上、中、下部位分别设有一温度传感器，反应器内还设有一压力传感器；所述活塞上连接一位移传感器；所述模型系统由一反应器摆动电机驱动围绕转动中心上下摆动。
5.如权利要求4所述的轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，其特征在于：所述数据采集及控制系统包括一PC控制装置，所述反应器上的压力传感器、温度传感器和位移传感器通过数据线连接于PC控制装置，所述反应器摆动电机通过一时间继电器和一电机反向控制器连接于PC控制装置。
6.如权利要求5所述的轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，其特征在于：所述活塞底部固定设有一推杆，该推杆上设有齿条，齿条与一齿轮机构啮合，该齿轮机构由一伺服电机驱动，该伺服电机通过一伺服电机反向控制器连接于PC控制装置；所述位移传感器设置在所述推杆上。
7.如权利要求3所述的轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，其特征在于：所述注入系统包括并联设置的气体注入装置和液体注入装置，所述两个注入装置前端通过一进样阀门连通于反应器内部。
8.如权利要求7所述的轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验装置，其特征在于：所述气体注入装置由手动泵、泵出口阀门、中间活塞容器和活塞容器出口阀门顺序连接构成；所述液体注入装置由高压空气瓶和气样出口调压阀门顺序连接构成。
9.一种轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验方法，由注入系统将原油和空气注入到模型系统中，由控制系统将模型系统的温度和压力调节到油藏条件；设置模型系统摆动频率，使得原油样品和空气在模型系统中混合搅拌并进行低温氧化反应；在反应过程中由数据采集系统连续监测模型系统中的温度、压力变化，并由控制系统作出相应调整；根据取样时间由第一产出系统收集游离气样并输送至第一分析系统，由第二产出系统收集活油并分离出溶解气和原油，将溶解气输送至第一分析系统，将原油输送至第二分析系统；由上述两个分析系统取样分析后得出低温氧化耗氧速率和原油性质变化情况。
10.如权利要求9所述的轻质油藏注空气采油原油低温氧化实验方法，其特征在于：所述原油样品和空气在模型系统中的低温氧化反应可采取定压反应模式或定容反应模式。
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