CN104500013A - 多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，该模拟实验装置包括有三维模型本体、温控箱体、注采装置、能量存储及缓冲装置和数据采集装置；三维模型本体包括相互套设的内腔体和外腔体，所述内、外腔体之间具有环形空间；利用环形空间作为能量缓冲的一部分来更好的进行蒸汽吞吐过程的能量储集和释放过程；模型本体上的孔眼组合可以模拟不同井型、油藏类型以及注入流体组合；将模型本体移入温控箱体内，通过改变箱体内温度，进行不同油藏温度条件下开发方式和开发机理的模拟研究；该实验装置可进行底水稠油油藏注热开发过程物理模拟，为研究不同注入流体、井网类型及开发方式提供了实验条件。

Description

多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置

技术领域

本发明是关于一种油气田开发领域的室内实验装置，尤其涉及一种多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置。

背景技术

三维物理模拟系统能够在油藏条件下进行三维物理模拟，研究不同类型油藏开发方式、渗流规律、生产动态等与生产技术相关的物理现象，为数值描述和数值模拟提供实验依据。因此，三维物理模拟装置被广泛的应用于油气田开发领域，是提高原油开采效率的重要研究手段。

目前，稠油室内三维物理模拟装置有很多，但通过调研发现这些模型主要存在有以下几个方面的缺陷：(1)模型功能单一；稠油油藏类型的多样性决定了稠油油藏有多种开发方式，现有稠油热采三维物理模拟装置普遍存在模拟油藏类型单一、模拟开发方式单一的问题；例如，目前尚未见到有关稠油底水油藏注蒸汽热采开发方式物理模拟装置的报道。(2)针对稠油油藏蒸汽吞吐开发过程的物理模拟，现有稠油热采三维物理模拟装置不能有效模拟蒸汽吞吐过程能量的储集与释放；由于稠油油藏蒸汽吞吐过程主要依靠地层弹性能量，这要求对应的物理模拟装置能够有效的储集蒸汽注入过程增加的弹性能量，以便在生产过程予以释放，从而完整表征蒸汽吞吐过程的能量转换及传递；目前，部分三维物理模拟装置利用橡胶等弹性材料作为能量缓冲材料，但由于耐温差、能量损耗大等缺点，致使实验过程不能对能量缓冲过程进行有效表征。(3)不能进行较高温度及变温条件下的物理模拟；由于受到能量缓冲模拟材料等因素的限制，不能进行较高油藏温度的模拟。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，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多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，以模拟不同类型稠油油藏多种开发方式、流体注入种类等条件下的宏观开发效果。

本发明的另一目的在于提供一种多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，通过内、外腔之间环形空间的设置，更好的模拟蒸汽吞吐过程的能量储集及释放过程(即能量缓冲过程)。

本发明的又一目的在于提供一种多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，通过改变环形空间流体的设置，改变内腔充填砂体内饱和的流体，实现底水稠油油藏的物理模拟。

本发明的目的是这样实现的，一种多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，所述模拟实验装置包括有三维模型本体、温控箱体、注采装置、能量存储及缓冲装置和数据采集装置；所述三维模型本体包括相互套设的内腔体和外腔体，所述内、外腔体之间具有环形空间；所述外腔体由外筒体和外筒盖密封连接构成；所述内腔体由内筒体和内筒盖密封连接构成；所述内、外筒体的对应侧壁上分别相对设有多个插设温度或压力传感器的第一测量孔眼，以及多个设置模拟水平井的第一井筒孔眼；所述内、外筒体的底面上分别相对设有多个插设温度或压力传感器的第二测量孔眼，以及多个设置模拟直井的第二井筒孔眼；所述外筒体上的第一测量孔眼、第二测量孔眼、第一井筒孔眼和第二井筒孔眼上分别设有密封连接接头；所述注采装置与模拟水平井或模拟直井连接；温度传感器和压力传感器与数据采集装置连接；所述能量存储及缓冲装置通过外筒体上的第一井筒孔眼与环形空间连通；所述三维模型本体放置在温控箱体内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述内腔体中由下向上依次设置模拟底水砂层的石英砂、模拟油层的油砂和模拟油层顶部盖层的陶泥；所述环形空间内倒入水和稠油，水的高度与模拟底水砂层的石英砂的高度一致。

在本发明的一较佳实施方式中，所述油砂是由石英砂与稠油按照一定比例混合制成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述模拟水平井或模拟直井由中空金属管线构成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述中空金属管线的管壁四周设有多个射孔，所述射孔为四点垂直交叉式射孔；所述中空金属管线的管壁外侧包裹有防砂网。

在本发明的一较佳实施方式中，所述能量存储及缓冲装置包括有第一能量存储及缓冲装置和第二能量存储及缓冲装置；该第一能量存储及缓冲装置通过外筒体上的对应第一井筒孔眼与环形空间内的水连通；该第二能量存储及缓冲装置通过外筒体上的对应第一井筒孔眼与环形空间内的稠油连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述三维模型本体为六面体结构；所述多个第一测量孔眼设置在一对相对的侧壁上；所述多个第一井筒孔眼设置在另一对相对的侧壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，在外筒体的一对相对侧壁上设有转轴支座；所述三维模型本体通过转轴支座设置在三维旋转装置上。

由上所述，本发明的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，采用套设的金属内、外腔体，其耐温耐压能力强，能够同时承受20MPa压力和300℃温度，能够满足稠油油藏注蒸汽热采开发方式的模拟；本发明通过设置内、外腔体，并将内、外腔体与外部能量缓冲装置相连，将模型内腔压力的变化转为环形空间内流体的弹性能，进而传递至外部能量缓冲装置，从而实现能量的储存及释放过程。通过设置不同相对位置的模拟直井和模拟水平井，可以模拟直井(单井模拟和井网模拟)、水平井(单井模拟和井网模拟)以及多种直井与水平井组合井网开发方式和效果。

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：为本发明多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置的剖视结构示意图。

图2：为本发明多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置的侧视结构示意图。

图3：为本发明中三维模型本体的俯视结构示意图。

图4：为本发明中外筒体的俯视结构示意图。

图5：为本发明中外筒体的侧视结构示意图。

图6：为本发明中外筒体的主视结构示意图。

图7：为本发明中内筒体的侧视结构示意图。

图8：为本发明中内筒体的主视结构示意图。

图9：为本发明中三维模型本体连接能量存储及缓冲装置的结构示意图。

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9所示，本发明提出一种多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置100，所述模拟实验装置100包括有三维模型本体1、温控箱体、注采装置、能量存储及缓冲装置7和数据采集装置；所述三维模型本体1包括相互套设的金属内腔体11和金属外腔体12，内腔体11通过螺栓与内腔体11相连，并可自由拆卸；所述内、外腔体之间具有环形空间3；所述外腔体12由外筒体121和外筒盖122密封连接构成，可由多个螺栓连接，封口处设有密封圈；所述内腔体11由内筒体111和内筒盖112密封连接构成；所述内、外筒体的对应侧壁上分别相对设有多个插设温度传感器或压力传感器的第一测量孔眼41，以及多个设置模拟水平井61的第一井筒孔眼51；所述内、外筒体的底面上分别相对设有多个插设温度传感器或压力传感器的第二测量孔眼42，以及多个设置模拟直井62的第二井筒孔眼52；如图2、图5和图6所示，在本实施方式中，所述三维模型本体1为六面体结构；所述多个第一测量孔眼41设置在一对相对的侧壁上；所述多个第一井筒孔眼51设置在另一对相对的侧壁上(即：内筒体上的第一测量孔眼41、第二测量孔眼42、第一井筒孔眼51和第二井筒孔眼52与外筒体上的第一测量孔眼41、第二测量孔眼42、第一井筒孔眼51和第二井筒孔眼52相应同轴设置)；所述外筒体121上的第一测量孔眼41、第二测量孔眼42、第一井筒孔眼51和第二井筒孔眼52上分别设有密封连接接头，以便于密封连接相应的传感器或模拟井筒；在实验时，外筒体121上没有使用的第一测量孔眼41、第二测量孔眼42、第一井筒孔眼51和第二井筒孔眼52均由密封连接接头封堵；所述注采装置(图中未示出)与模拟水平井61或模拟直井62连接；温度传感器和压力传感器与数据采集装置(图中未示出)连接；所述能量存储及缓冲装置7通过外筒体上的第一井筒孔眼51与环形空间3连通；在外筒体121的一对相对侧壁上设有转轴支座8；所述三维模型本体1通过转轴支座8设置在三维旋转装置9上，以实现三维模拟装置任意角度的旋转；所述三维模型本体1放置在温控箱体(图中未示出)内。

由上所述，本发明的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，采用套设的金属内、外腔体，其耐温耐压能力强，能够同时承受20MPa压力和300℃温度，能够满足稠油油藏注蒸汽热采开发方式的模拟；本发明通过设置内、外腔体，并将内、外腔体与外部能量缓冲装置相连，将模型内腔压力的变化转为环形空间内流体的弹性能，进而传递至外部能量缓冲装置，从而实现能量的储存及释放过程。通过设置不同相对位置的模拟直井和模拟水平井，可以模拟直井(单井模拟和井网模拟)、水平井(单井模拟和井网模拟)以及多种直井与水平井组合井网开发方式和效果。

进一步，在本实施方式中，所述内腔体11中由下向上依次设置模拟底水砂层的石英砂、模拟油层的油砂和模拟油层顶部盖层的陶泥；所述环形空间3内倒入水和稠油(水在下，稠油在上)，水的高度与模拟底水砂层的石英砂的高度一致。在模拟过程中，通过改变砂体厚度、环形空间内的流体组成、顶底高度补偿充填介质，可以模拟实际油藏不同油层厚度、有无底水影响以及顶底盖层不同传热能力条件下的热采开发过程。在本实施方式中，所述油砂是由石英砂与稠油按照一定比例混合制成。

进一步，在本实施方式中，所述模拟水平井61或模拟直井62由中空金属管线构成。所述中空金属管线的管壁四周设有多个射孔，所述射孔为四点垂直交叉式射孔(即：在中空金属管线上多个位置处周向均设有四个射孔)；所述中空金属管线的管壁外侧包裹有防砂网。

如图9所示，在本实施方式中，所述能量存储及缓冲装置7包括有第一能量存储及缓冲装置(水相流体缓冲装置)71和第二能量存储及缓冲装置(油相流体缓冲装置)72；该第一能量存储及缓冲装置71一端通过外筒体121上的对应第一井筒孔眼51与环形空间3内的水连通，第一能量存储及缓冲装置71另一端连接水相供给装置711；该第二能量存储及缓冲装置72一端通过外筒体121上的对应第一井筒孔眼51与环形空间3内的稠油连通，第二能量存储及缓冲装置72另一端连接油相供给装置721。

本发明的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，可以模拟不同类型稠油油藏多种开发方式、流体注入种类等条件下的宏观开发效果。

(1)模拟不同类型稠油油藏热采开发方式。通过改变充填砂体和模型环空中的流体种类，可以模拟封闭稠油油藏以及带底水稠油油藏注蒸汽热采开发过程。

(2)模拟不同油藏地层参数对稠油热采开发效果的影响，如油层渗透率、非均质性(包括平面非均质性和纵向非均质性)、原油粘度等。

(3)模拟稠油油藏不同开发方式，包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、热水驱、蒸汽辅助重力泄油以及多种添加剂辅助热采过程。

(4)模拟稠油油藏开发过程中不同井型和井网类型组合形式。通过改变三维物理模型中模拟井的尺寸和位置，可模拟多种直井井网(五点井网、九点井网等)、多种水平井井网(正对式水平井井网、交错式水平井井网等)，以及直井水平井组合井网热采开发过程。

(5)模拟稠油油藏多种注采工艺参数。通过改变注汽温度、注汽干度、注汽速度、射孔井段距底水砂体高度等参数，模拟不同注采参数对稠油油藏热采开发效果的影响。

下面以底水稠油油藏双水平井注蒸汽热采物理模拟为例，描述本发明的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置的使用过程；此实施例为平面上正对式双水平井开采底水稠油油藏注蒸汽物理模拟；

(1)根据实验设计要求，选取设定的安置水平井的井眼位置，将直径6mm的中空金属管线(即模拟水平井)利用螺纹与模型内腔连接；模拟水平井的中空金属管线外壁包裹防砂网，完成水平井注汽管柱的物理模拟；对于两个水平井均进行同样的操作。

(2)在模型底部充填一定厚度的石英砂来模拟底水砂层；之后再模拟底水砂层之上充填石英砂与稠油按照一定比例混合好的油砂，作为模拟油层；在进行油砂充填过程中，按照设定的方案布置不同的温度测点(温度传感器)和压力测点(压力传感器)；在油砂层充填完毕后，利用陶泥来模拟油层顶部盖层。

(3)在模型内部砂体充填完毕后，在环空(环形空间)中倒入一定水和稠油，倒入的水体高度与模型内部模拟底水砂层的高度一致；之后，将模型上盖盖上，利用螺栓进行紧固，即完成模型内部的砂体和流体充填。

(4)将模型推入温控箱体内，连接流体注采装置以及能量缓冲装置，即完成平面正对式双水平井开采底水稠油油藏注蒸汽物理模拟系统。

本发明的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置具有以下优点：

1、耐温耐压能力强。本实验装置能够同时承受20MPa压力和300℃温度，能够满足稠油油藏注蒸汽热采开发方式的模拟；

2、由于流体的压缩系数较大，弹性能力较强，本发明通过设置内外腔体，并将内外腔体与外部能量缓冲装置相连，将模型内腔压力的变化转为环形空间内流体的弹性能，进而传递至外部能量缓冲装置，从而实现能量的储存及释放过程。在模拟过程中，通过改变砂体厚度、环形空间内的流体组成、顶底高度补偿充填介质，可以模拟实际油藏不同油层厚度、有无底水影响以及顶底盖层不同传热能力条件下的热采开发过程；

3、可模拟不同井型和井网组合。通过设置不同的直井和水平井相对位置，可以模拟直井(单井模拟和井网模拟)、水平井(单井模拟和井网模拟)以及多种直井与水平井组合井网开发方式和效果；

4、可模拟不同注入流体。通过改变注入流体的类型，可以模拟多种添加剂辅助热采开发模式。

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 (8)

1.一种多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，所述模拟实验装置包括有三维模型本体、温控箱体、注采装置、能量存储及缓冲装置和数据采集装置；其特征在于：所述三维模型本体包括相互套设的内腔体和外腔体，所述内、外腔体之间具有环形空间；所述外腔体由外筒体和外筒盖密封连接构成；所述内腔体由内筒体和内筒盖密封连接构成；所述内、外筒体的对应侧壁上分别相对设有多个插设温度或压力传感器的第一测量孔眼，以及多个设置模拟水平井的第一井筒孔眼；所述内、外筒体的底面上分别相对设有多个插设温度或压力传感器的第二测量孔眼，以及多个设置模拟直井的第二井筒孔眼；所述外筒体上的第一测量孔眼、第二测量孔眼、第一井筒孔眼和第二井筒孔眼上分别设有密封连接接头；所述注采装置与模拟水平井或模拟直井连接；温度传感器和压力传感器与数据采集装置连接；所述能量存储及缓冲装置通过外筒体上的第一井筒孔眼与环形空间连通；所述三维模型本体放置在温控箱体内。

2.如权利要求1所述的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述内腔体中由下向上依次设置模拟底水砂层的石英砂、模拟油层的油砂和模拟油层顶部盖层的陶泥；所述环形空间内倒入水和稠油，水的高度与模拟底水砂层的石英砂的高度一致。

3.如权利要求2所述的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述油砂是由石英砂与稠油按照一定比例混合制成。

4.如权利要求1所述的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述模拟水平井或模拟直井由中空金属管线构成。

5.如权利要求4所述的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述中空金属管线的管壁四周设有多个射孔，所述射孔为四点垂直交叉式射孔；所述中空金属管线的管壁外侧包裹有防砂网。

6.如权利要求2所述的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述能量存储及缓冲装置包括有第一能量存储及缓冲装置和第二能量存储及缓冲装置；该第一能量存储及缓冲装置通过外筒体上的对应第一井筒孔眼与环形空间内的水连通；该第二能量存储及缓冲装置通过外筒体上的对应第一井筒孔眼与环形空间内的稠油连通。

7.如权利要求1所述的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述三维模型本体为六面体结构；所述多个第一测量孔眼设置在一对相对的侧壁上；所述多个第一井筒孔眼设置在另一对相对的侧壁上。

8.如权利要求1所述的多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于：在外筒体的一对相对侧壁上设有转轴支座；所述三维模型本体通过转轴支座设置在三维旋转装置上。