CN103983551A - 模拟层内均质性的二维可视渗流实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种模拟层内均质性的二维可视渗流实验装置及其实验方法，它由高清摄像头、二维可视填砂模型、驱替动力供应系统、驱替压力及图像采集处理系统和支架组成。二维可视填砂模型放置在支架底座(含透视光源)上并与压力传感器相连，其底部透明板和水晶板之间设有石英砂填充腔；底部透明板中部设有进、出口通道，进、出口导流槽位于进、出口通道及导流筛条之间；嵌有橡皮圈的上盖板放置在水晶板上，水晶板与上盖板之间形成密闭空腔，底部透明板与上盖板通过12颗螺丝固定压实。本发明专利能够模拟层内均质性的渗流条件进行可视填砂驱油实验，利用配套的物模参数和驱油效率评价方法实现对结果的定性、定量分析。

Description

模拟层内均质性的二维可视渗流实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及一种用于模拟流体在油藏中渗流的实验装置，具体涉及一种模拟层内均质性的二维可视渗流实验装置及其实验方法。 

背景技术

目前国内许多油田都已进入中-高含水期和降产期。化学驱作为提高采收率的主要方式之一，通过注入化学驱油剂，扩大波及体积和提高驱油效率，从而提高原油采收率。但是，已有的化学驱方法提高采收率的研究，并未给出成熟的残余油饱和度降低的机制，现有的研究成果不能够满足石油开采对于提高采收率机理的要求，尤其是对于化学驱过程中可视化定量分析的研究相对匮乏。 

现有的可视物模实验平台多以切裁玻璃为主，具体操作方法是：将玻璃清洗干净，用胶粘结模型，留一侧以备填砂之用；根据要求填充不同目数的石英砂组合；完全粘结打眼。由于该模型难以做到均质填砂，难以保证渗透率的重现性，故只能够进行定性研究，不能够做到定量研究。且该模型的非均质性严重，容易导致窜流。故亟需能够方便填充砂砾，能够模拟真实地下渗流环境和完全实现均质条件模拟，能够直接观察驱油过程，可以进行图像采集和图像分析，并且能够快速直观的对实验过程中出现的问题作出合理的判断与处理的实验模型。申请号为201120292091.2，授权公布号为CN202181891U，授权公布日为2012年04月04日，名称为可视化模拟驱油实验研究装置的专利，缺乏定量评价驱油过程的方法。 

申请号为201120069208.0，授权公布号为CN201991509U，授权公布日为2011年09月28日，名称为一种用于驱油实验的可视化平面填砂模型的专利，未能模拟驱替液在地下渗流条件均匀推进，实现渗透率的可重复性及缺乏定量评价驱油过程的方法。 

经文献调研，在严格按照实际油藏条件下模拟地下均匀渗流条件下实现驱替液均匀推进，且具有较好的渗透率重复性及定量评价驱油过程的相关思路、产品、工艺设计方法未见报道。 

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟层内均质性的二维可视渗流实验装置及其实验方法，这种实验装置可用于模拟层内均质状况，可以在一定温度和压强条件下研究不同性能驱替液对原油采收率影响。 

为了实现上述目的，本发明首先设计了一种模拟层内均质性的二维可视渗流实验装置，包括有：二维可视填砂模型、支架、驱替动力供应系统和驱替压力及图像采集处理系统。 

上述方案的二维可视填砂模型，由底部透明板、上盖板及水晶板组成，底部透明板材质为有 机玻璃，透明板中央设有3.4cm*4.5cm的石英砂填充腔，厚度约为0.11cm，石英砂填充腔两端设有导流筛条，紧挨导流筛条设置进出口导流槽，进出口导流槽分别与进出口通道相连接，形成进口通道—进口导流槽—进口导流筛条—石英砂填充腔—出口导流筛条—出口导流槽—出口通道，实现流体驱替过程，进口通道分别为原油进口通道、聚合物进口通道，水进口通道、出口通道。进、出口通道分别于阀门相连，可以控制流体进出，阀门与压力传感器相连，在计算机上可以直接读出驱替压力，进出口筛条由钢条切割成锯齿状，实现流体均匀推进，导流槽内放置导流支架，使流体可以连续不断的通过进出口通道流进或者流出，石英砂填充腔外围设置环形台阶，用于与上盖板橡皮圈接触；上盖板设有环压进口，橡皮圈位于上盖板中央，其大小位置与底部透明板环形台阶相对应，上盖板在相同位置设置12个螺丝口，与底部透明板相对应，底部透明板上方的水晶板、上盖板通过12颗螺丝固定，水晶板与上盖板橡皮圈形成空腔，有利于环压加入，将石英砂压实，实现均质。 

上述方案的支架设有可调节高度的可调式旋钮，可以对摄像头进行较为精确的调焦，支架底座设有底部光源，二维可视填砂模型放置于底部光源正上方，上方设有摄像头固定支架，摄像头与二维可视填砂模型、底部光源中心处于同一直线。支架上设有模型固定装置，二维可视填砂模型固定不发生移动。 

上述方案的驱替动力供应系统由无油空气压缩机、缓冲容器和稳压瓶组成，稳压瓶出口接有可调压阀门，阀门后有压力传感器，压力传感器与计算机相连，另一端连接至二维可视填砂模型，可从计算机上读出驱替压力值，此时模拟恒压模式，亦可将驱替动力供应系统换成恒流泵，此时在恒流泵与二维可视填砂模型之间接有压力传感器，连接方式与恒压模式相同。上述方案的驱替压力及图像采集处理系统由压力传感器与压力采集软件，高清摄像头与驱替自动识别分析软件组成，驱替自动识别分析软件可根据所选图像区域进行自动分析图像，经过灰度图的转换与统计，得出驱油效率的实时监测值。 

本发明具有以下有益效果： 

(1)本二维可视填砂模型，渗透率、孔隙度和饱和油的重现性好，误差范围在5％以内。 

(2)由于环压是均匀的，作用在具有特殊柔韧性的水晶板上，可以使填充的石英砂达到均质的状态，从而模拟均质的地下条件，可用于目前物模平台无法开展的基础实验研究。 

(3)利用导流筛条、导流槽等可以实现流体均匀推进的地下渗流环境。在一定温度和压强条件下，通过高清摄像头与配套的驱替自动识别分析软件，可以实时监控模型中驱替液的驱替效率以及实时观察驱替液的前缘状态，得出一些传统物模平台不能直观得出的结论与机理。 

(4)本实验装置可根据油藏条件选择不同的渗透率，不同的孔隙体积，可进行油藏条件匹配 性分析，操作简单方便，便于在可视条件下对比不同驱替液的驱油效果。 

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。 

图2为二维可视填砂模型底部透明板结构示意图。 

图3为二维可视填砂模型上盖板结构示意图。 

图4为导流支架结构示意图。 

图5为导流筛条结构示意图。 

图6为二维可视填砂模型底部透明板石英砂填充腔结构示意图。 

图7为水晶板结构示意图。 

图8为3250mg/L HPAM及1250mg/L HAWSP-2两种驱油体系在二维可视填砂模型中渗流不同时刻的现象图。 

图中：1-底座，2-支架，3-可调节式旋钮，4-高清摄像头，5-驱替压力及图像采集处理系统，6-驱替动力供应系统，7-二维可视填砂模型，8-透视光源，9-出口通道，10-底部透明板，11-螺丝口，12-出口通道，13-原油进口通道，14-水进口通道，15-聚合物进口通道，16-石英砂填充腔，17-环形台阶，18-导流筛条，19-出口导流槽，20-上盖板，21-橡皮圈，22-环压进口通道，23-导流支架，24-导流筛条，25-石英砂填充腔内的石英砂，26-水晶板。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。 

如图1所示，这种模拟层内均质性的二维可视渗流实验装置由高清摄像头4、二维可视填砂模型7、驱替动力供应系统6、驱替压力及图像采集处理系统5、支架2组成。支架的底座1上设置有透视光源8，二维可视填砂模型7放置于底部透视光源8正上方，上方设有摄像头固定支架，高清摄像头4与二维可视填砂模型7、底部透视光源8中心处于同一直线。支架2上设有模型固定装置，二维可视填砂模型7固定不发生移动，高清摄像头4可通过软件对其固定时间拍照或者录像，可以在计算机上观察到流体的具体流动情况并进行定量分析，二维可视填砂模型7与压力传感器相连；高清摄像头4与装有驱替自动识别分析软件的计算机相连，压力传感器位于稳压瓶阀门与二维可视填砂模型7之间，驱替自动识别分析软件可根据所选图像区域进行自动分析图像，经过灰度图的转换与统计，得出驱油效率的实时监测值。本实施方式中的压力传感器与高清摄像头4控制集中设计在一台控制器上。 

如图2和图3所示，二维可视填砂模型7由底部透明板10、上盖板20及水晶板26组成，底部透明板10材质为有机玻璃，底部透明板10中央设有3.4cm*4.5cm的石英砂填充腔16，厚度约为0.11cm，石英砂填充腔16两端设有导流筛条24，紧挨导流筛条设置进出口导流槽19，进出口导流槽分别与进出口通道相连接，形成进口通道—进口导流槽—进口导流筛条—石英 砂填充腔—出口导流筛条—出口导流槽—出口通道，实现流体驱替过程，进口通道分别为原油进口通道13、聚合物进口通道15，水进口通道、出口通道9。进出口通道分别于阀门相连，可以控制流体进出，阀门与压力传感器相连，在计算机上可以直接读出驱替压力，进出口筛条24由钢条切割成锯齿状，实现流体均匀推进，导流槽19内放置导流支架，使流体可以连续不断的通过进出口通道流进或者流出，石英砂填充腔16外围设置环形台阶17，用于与上盖板20橡皮圈21接触；上盖板设有环压进口通道22，橡胶圈21位于上盖板20中央，其大小位置与底部透明板10环形台阶17相对应，上盖板在相同位置设置12个螺丝口11，与底部透明板10相对应，底部透明板上方的水晶板26、上盖板20通过12颗螺丝固定，水晶板26与上盖板橡皮圈21形成空腔，有利于环压加入，将石英砂压实，实现均质。 

此外，驱替动力供应系统6由无油空气压缩机(图中未标)、缓冲容器(图中未标)和稳压瓶(图中未标)组成，稳压瓶出口接有可调压阀门，阀门后有压力传感器，压力传感器与计算机(图中未标)相连，另一端连接至二维可视填砂模型7，可从计算机上读出驱替压力值，此时模拟恒压模式，亦可将驱替动力供应系统换成恒流泵，此时在恒流泵与二维可视填砂模型7之间接有压力传感器，连接方式与恒压模式相同。 

本发明使用时，还需将二维可视填砂模型7进出口通道连接到注入泵注入管线和采出液收集管线，环压口接到空气压缩泵(图中未标)或者空气钢瓶(图中未标)，可通过压力传感器检测其压力。在进液口(原油进口通道13、聚合物进口通道15，水进口通道14)应连接中间容器及阀门，各种驱替液通过中间容器加压进入二维可视填砂模型7。 

用本发明二维可视渗流实验装置测试二维可视填砂模型渗透率时，可按照下述步骤进行： 

由于二维可视填砂模型是模拟地下渗流模式设计，所以从模型中注入的流体的流动符合水平线性稳定渗流达西公式。根据水平线性稳定渗流达西定律可得渗透率为： 

$K=\frac{\mathrm{QuL}}{\mathrm{A\ΔP}}$

式中： 

Q——在压差为ΔP时通过模型的总流量，cm³/s； 

μ——流体粘度，cp； 

A——模型岩心横截面积＝a·b(cm²),其中a为铺砂厚度，b为铺砂宽度； 

L——模型岩心长度，cm； 

ΔP——进出口压力差，atm； 

K——渗透率，μm²。 

在二维可视填砂模型7的石英砂填充腔16内分别填充不同粒径的石英砂：所用石英砂为 140～160目、180～200目和>220目的三种粒径石英砂。 

首先将导流筛条18清理干净后放入二维可视填砂模型内，在石英砂填充腔16内铺展石英砂，用平整的直尺将石英砂刮平整，使其与填充腔上表面齐平，将多余的石英砂用洗耳球清理干净，而后将导流支架23放入进出口导流槽19中，在其上覆盖一层水晶板26，将上盖板20连同橡胶圈21盖在水晶板上，小心拧紧12颗紧固螺栓，使水晶板26与上盖板橡胶圈21之间形成密闭空腔，将空气泵或者钢瓶接到环压进口通道22，缓慢打开阀门，使其充气到1MPa，模型装填完毕。 

打开计算机，将压力采集软件，设定端口，连接端口后可以在面板上读出压力值。将二维可视填砂模型铺好砂后，将其放置到支架底座上，将储油管接到进油端口13，调节注入压力为15kPa，储聚管接到进聚合物端口14，储水管接到进水端口15，按照图1连接好线路后，打开进水端口15，使模型饱和水并测渗透率，渗透率用达西公式进行实时计算(流量、天平实时监控)，当渗透率稳定时停止注水。 

通过三次重复性实验验证，二维可视填砂模型的渗透率具有良好的重现性和稳定性，渗透率误差小于5％，具体参数如表1中所示。 

表1不同目数石英砂渗透率测试结果(25℃) 

用本发明二维可视渗流实验装置进行层内均质性的二维可视渗流实验时，可按照下述步骤进行： 

1、实验条件 

(1)实验用驱油体系：实验选取具有粘弹性差异的两种驱油体系，分别为浓度为1250mg/L的HAWSP-2溶液(HAWSP-2疏水缔合聚合物干粉，固含量为90％，四川光亚提供)和3250mg/L的聚丙烯酰胺(HPAM，分子量2500万)。采用MCR301流变仪(德国Anton paar)对待测样品进行变形-恢复能力测试(测试温度为25℃，先施加应变1-200％之间，后将剪切应力设 为0Pa，重复10次，锥板转子系统CP75-1)。在剪切速率为25.2s^-1时，两种驱油体系的粘度近似相等，具体参数如表2中所示。 

表2HAWSP-2和HPAM的变形-恢复能力参数 

(2)实验模型：层内均质性的二维可视填砂模型，其渗透率为5.41μm2、5.45μm2。 

(3)实验用水：模拟地层矿化水，矿化度为5000mg/L。 

(4)实验用油：渤海SZ36-1原油与航空煤油按体积比7：1混合配制，粘度为150mPa.s。 

2、实验步骤 

(1)使用图1所示层内均质性的二维可视渗流实验装置，以15KPa的驱动压力饱和地层矿化水，然后以30KPa的驱动压力饱和粘度为150mPa.s的模拟油； 

(2)由于聚合物驱替原油的界面不是很清晰，不能非常准确的测算驱替的线速度。实验中采用饱和油来标定驱替的线速度，根据注入速度与出口流量的关系反算驱替线速度，公式如下： 

$\frac{A1}{B1}=\frac{A2}{B2}$

式中： 

A1——原油标定时的线速度； 

B1——驱油实验时的线速度； 

A2——原油标定时的流量； 

B2——驱油实验时的实际流量。 

(3)以计算出的注入速度3m/d进行1250mg/L的HAWSP-2溶液的渗流实验，同时利用驱替压力及图像采集处理系统5每隔60秒采集图片，并根据采集到的图片的像素点个数和对应色阶值的统计，计算填砂层各像素点的灰度值变化情况，得到石英砂填充腔16内的含油饱和度变化。模型中含油饱和度变化趋于稳定时结束实验。 

(4)改换3250mg/L的HPAM溶液进行渗流实验，重复实验步骤(1)、(2)、(3)。 

上述HAWSP-2及HPAM两种驱油体系在二维可视填砂模型渗流实验现象随时间变化如图8所示，驱油效率如表3所示。 

表3驱油效率结果 

由上述表2和表3中的数据可以得知，驱油体系的变形-恢复能力(粘弹性)影响驱油效率，表现为恢复率越大(粘弹性越强)，驱油体系对层内均质油藏驱油效率越高。 

Claims (6)

1.一种模拟层内均质性的二维可视渗流实验装置，包括有：二维可视填砂模型7、支架2、驱替动力供应系统6和驱替压力及图像采集处理系统5。

2.根据权利要求1中所述的二维可视渗流实验装置，其特征在于：所述的二维可视填砂模型由底部透明板10、上盖板20及水晶板26组成，底部透明板材质为有机玻璃，透明板中央设有3.4cm*4.5cm的石英砂填充腔16，厚度约为0.11cm，石英砂填充腔两端设有导流筛条18，紧挨导流筛条设置进出口导流槽19，进出口导流槽分别与进出口通道相连接，形成进口通道—进口导流槽—进口导流筛条—石英砂填充腔—出口导流筛条—出口导流槽—出口通道，实现流体驱替过程，进口通道分别为原油进口通道13、聚合物进口通道14，水进口通道15、出口通道9、12。进出口通道分别于阀门相连，可以控制流体进出，阀门与压力传感器相连，在计算机上可以直接读出驱替压力，进出口筛条由钢条切割成锯齿状24，实现流体均匀推进，导流槽内放置导流支架23，使流体可以连续不断的通过进出口通道流进或者流出，石英砂填充腔外围设置环形台阶17，用于与上盖板橡胶圈21接触；上盖板设有环压进口22，橡胶圈位于上盖板中央，其大小位置与底部透明板环形台阶相对应，上盖板在相同位置设置12个螺丝口11，与底部透明板相对应，底部透明板上方的水晶板、上盖板通过12颗螺丝固定，水晶板与上盖板橡皮圈形成空腔，有利于环压加入，将砂子压实，实现均质。

3.根据权利要求1中所述的驱替动力供应系统，其特征在于：所述的驱替动力供应系统由无油空气压缩机、缓冲容器和稳压瓶组成，稳压瓶出口接有可调压阀门，阀门后有压力传感器，压力传感器与计算机相连，另一端连接至平板夹砂可视化渗流模型装置，可从计算机上读出驱替压力值，此时模拟恒压模式，亦可将驱替动力供应系统换成恒流泵，此时在恒流泵与平板夹砂可视化渗流模型装置之间接有压力传感器，连接方式与恒压模式相同。

4.根据权利要求1中所述的驱替压力及图像采集处理系统，其特征在于：所述的驱替压力及图像采集处理系统由压力传感器与压力采集软件，高清摄像头4与驱替自动识别分析软件组成，驱替自动识别分析软件可根据所选图像区域进行自动分析图像，得出驱油效率的实时监测值。

5.根据权利要求1中所述的支架，其特征在于：所述的支架设有可调节高度的可调式旋钮3，可以对摄像头进行较为精确的调焦，支架底座1设有底部光源8，平板夹砂可视化渗流模型放置于底部光源正上方，上方设有摄像头固定支架2，摄像头与平板夹砂可视化渗流模型、底部光源中心处于同一直线。支架上设有模型固定装置，二维可视填砂模型固定不发生移动。

6.采用如权利要求1所述的二维可视渗流实验装置的实验方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、模型铺砂：先将导流筛条18清理干净后1放入模具内，在石英砂填充腔16内铺展石英砂，用平整的直尺将石英砂刮平整，使其与填充腔上表面齐平，将多余的石英砂用洗耳球清理干净，而后将导流支架23放入进出口导流槽19中，在其上覆盖一层水晶板26，将上盖板20连同橡胶圈21盖在水晶板上，小心拧紧12颗紧固螺栓，使水晶板26与上盖板橡胶圈21之间形成密闭空腔，将空气泵或者钢瓶接到环压进口通道22，缓慢打开阀门，使其充气到1MPa，模型装填完毕。

S2、压力软件设置：打开计算机，将压力采集软件，设定端口，连接端口后可以在面板上读出压力值。

S3、饱和水并测渗透率：将二维可视填砂模型铺好砂后，将其放置到支架底座上，将储油管接到进油端口13，调节注入压力，储聚管接到进聚合物端口14，储水管接到进水端口15，按照图2连接好线路后，打开进水端口15，使模型饱和水并测渗透率，渗透率用达西公式进行实时计算(流量、天平实时监控)，当渗透率稳定时停止注水；

S4、驱替自动分析识别软件设置：打开软件，按照标准设定曝光度与焦距值，使图像最为清晰，打开底部光源8，利用软件，选取驱替区域，新建实验项目后打开自动抓图。

S5、饱和油：关闭进水端口15，调节注入压力至25kPa，打开进油端口13，将模型中死体积水从排液端口12排出，然后将其关闭，进行饱和油操作。整个过程一直保持驱替自动分析识别软件自动抓图。

S6、驱替过程：饱和油结束后，调节驱替速度为3m/d，打开进聚合物端口14，将模型导流槽中的死体积油从排液端口12排出，然后将其关闭，进行驱替实验。整个过程一直保持驱替自动分析识别软件自动抓图。

S7、数据结果分析：将仪器清洗干净后备用，处理并分析数据。