CN105806992A - 可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，包括反应釜体，反应釜体为下端封闭且上端开放的筒形，反应釜体的上端设有端盖，端盖与反应釜体可拆卸密封连接；反应釜体内设有模拟套管井、模拟烟囱井、模拟空气注入井、模拟测温井和用于对反应釜体内加热的加热装置，模拟套管井和模拟烟囱井均固定于端盖。本发明能够模拟大尺度三维火烧驱替及动态采油过程，实时探测在三维空间中从点火到平稳燃烧的不同阶段的动态变化，用于研究THAI火驱及其它垂向火驱机理。

Description

可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置

技术领域

本发明涉及一种适用于稠油开发技术领域的石油开采实验设备，具体的是一种可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置。

背景技术

在稠油开采方法中，火烧油层是一种很重要的热力采油方法，与其他采油方法相比，它具有以下优点：

1、注入介质为空气，来源广泛；

2、原油中约10％的重组分在火烧过程中被烧掉，而剩余的部分经过燃烧之后可以得到改质；

3、适用范围广，目前的文献报导表明，原油粘度大于50毫帕·秒的稠油均可以利用注空气进行火烧开发；

4、热量就地产生，热能利用率高。与地面产生高温蒸汽相比，由于冷空气在地下被加热直接与原油反应，避免了注入过程中产生的大量热损失。

然而，空气与原油燃烧的反应机理非常复杂，从目前的室内及现场实际效果看，它综合了蒸汽驱、混相驱、二氧化碳驱等多种驱油机理。同时，反应后产生高温(600℃以上)、生产过程中伴随着多相流动、多温度场等极其复杂的现象，也给相关机理研究带来了许多挑战，目前的室内实验很难为现场的应用提供有效的参考。因此，为了充分发挥火烧油层如此明显的技术优势和巨大潜力，如何提供一种有效的物理模型开展相应的物理模拟和数值实验意义重大。

就我国现阶段而言，新疆克拉玛依油田、胜利油田、辽河油田正在开展或开展过火烧矿场实验，总体上说目前仍处于先导实验阶段，对火烧机理的认识还有待于进一步深化。尤其是我国的油藏条件复杂，储层非均质性强，原油性质差异大，是火烧开发的不利因素。另外，现场应用的关键控制参数(如点火温度、空气注入速度等)及火烧效果评价等方面急需通过室内实验的研究进行获取，以便为油田现场应用及措施调整提供指导。

从火烧实验装置来看，30年前一维燃烧管就已经作为一种重要的火烧实验装置被设计出来，目前研究机构拥有燃烧管实验装置的情况是：斯坦福大学(StanfordUniversity)拥有1米及1.5米的燃烧管，卡尔加里大学(CalgaryUniversity)拥有1米及2米的燃烧管，巴斯大学(BathUniversity)拥有1米的燃烧管。火烧油层室内实验普遍采用的一维火烧单管模型，在确定火烧点火温度、注气量及驱油效率等参数方面可以开展一些非常有效的工作。

但油藏三维空间条件下火驱过程中温度场分布的影响因素非常复杂，火驱效果的影响因素增加，因此，一维模型中的通过温度探测及产出气体浓度变化这两个关键指标已不能对三维油藏火烧效果进行准确的预测。比如，一维模型无法揭示火烧前缘在平面和纵向上的展布规律，蒸汽腔的扩展情况、三维温度场、饱和度场分布等；也无法通过室内实验模拟注采井的生产动态对火烧效果的影响，不同井网、井距、射孔位置、不同注气方案等参数对采收率的影响。因此研制、开发三维火烧物理模型装置来开展相应的室内模拟实验研究迫在眉睫。

与此同时，为了进一步提高火烧开发效果，一些新的井型、井网被利用到稠油开发中，如THAI(ToetoHeelAirInjection)火烧技术。THAI火烧技术结合了水平井工艺和常规火烧油层技术，是一种非常有潜力的火烧油层接替技术。该技术是在稠油油层底部钻一组水平生产井，并在距离水平井趾部一定位置处设计一口垂直注气井。这种布井方式能很好的发挥重力泄油作用以及短距离驱替的特点。被加热的原油和燃烧生成气可以直接流入到下部的水平生产井，克服了传统火烧蒸汽超覆及长距离驱替的缺陷，有效的提高了原油采收率。THAI火烧过程的驱油机理为在注入井注入空气，通过加热装置点火进行生产。由于燃烧产生的蒸汽向上扩展，燃烧前缘与水平井呈一定角度向前推进，燃烧带前缘的重质原油裂解产生的焦炭沉积下来，为后续燃烧提供燃料。受热的原油粘度急剧降低，流动阻力减小，在重力的作用下随产出气体一起流入下部的水平生产井。而位于移动油带前面的冷油区，由于粘度较大，对可流动油产生较大的阻碍作用，在一定程度上可以很好的避免气窜的影响。而现有的火烧实验装置对这些新的井型、井网就更加无法进行有效地模拟。

目前，国内外THAI火烧室内实验刚处于起步状态，国内文献报导过中石油研究院提出了长方体三维物理模型，但由于承压低，且实验模型是一次性使用，无法做到重复利用；国外德克萨斯农工大学(TexasA&MUniversity)报导过火烧三维模型，但没有具体的尺寸及承压等参数的信息。考虑到THAI火烧实验过程中局部超过600℃的高温以及整体不低于3MPa的油藏压力，国内外尚无大尺寸的实验装置投入使用。

国内外也有人利用相似准则对三维模型的设计参数进行过推导，但由于缺乏其他手段的支持，设计出的模型其耐压性能难以满足现场要求，其点火方式也与实际应用的相似性也相差较大。

发明内容

为了解决现有的火烧实验装置无法有效模拟三维火烧采油的问题，本发明提供了一种可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，能够模拟大尺度三维火烧采油过程，并可以实时探测在三维空间中从点火到平稳燃烧的不同阶段的动态变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，包括反应釜体，反应釜体为下端封闭且上端开放的筒形，反应釜体的上端设有端盖，端盖与反应釜体可拆卸密封连接；反应釜体内设有模拟套管井、模拟烟囱井、模拟空气注入井、模拟测温井和用于对反应釜体内加热的加热装置，模拟套管井和模拟烟囱井均固定于端盖。

所述可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置还包括产气收集装置、产油收集装置、温控模块和温度监测模块，产气收集装置用于收集模拟烟囱井的产出气，产油收集装置用于收集模拟套管井的产出液，温控模块用于控制加热装置的加热温度，温度监测模块用于采集和监测模拟测温井测量的温度。

反应釜体的容积为45升至80升，反应釜体的上端设有法兰，法兰的材质为耐高温不锈钢310S，反应釜体的材质为耐高温哈氏合金N10276，反应釜体与端盖之间通过法兰连接，反应釜体与端盖连接固定后的额定耐压值为3.5MPa。

反应釜体的内表面涂有耐火水泥涂层，反应釜体外设有保温套，反应釜体内设有隔板，隔板沿竖直方向设置，隔板能够抽离该反应釜体，隔板能将反应釜体内分为一个大空腔和一个小空腔，该大空腔的容积大于该小空腔的容积，模拟套管井、模拟烟囱井、模拟空气注入井、模拟测温井和用于对反应釜体内加热的加热装置均设置在该大空腔中。

模拟套管井含有内层出油管和外层切缝套管，内层出油管和外层切缝套管均沿竖直方向设置，外层切缝套管套设于内层出油管外，外层切缝套管设置于反应釜体内，外层切缝套管与端盖固定连接，外层切缝套管的侧壁设有多个采用激光切缝的方法加工出的通透性切缝，内层出油管的下端设置于反应釜体内，内层出油管的上端设置于端盖外，内层出油管能够上下移动。

内层出油管的上端外套设有填料密封外套，填料密封外套与端盖的上端固定密封连接，内层出油管和填料密封外套之间套设有多层石墨填料环，内层出油管的上端外套还设有螺纹压帽，螺纹压帽能够压紧石墨填料环使内层出油管和填料密封外套之间密封，外层切缝套管的上端固接有筒形的固定接头，固定接头套设在内层出油管外，固定接头的上端与端盖螺纹连接。

反应釜体内含有18个模拟测温井，18个模拟测温井中的2个模拟测温井位于反应釜体的底部，18个模拟测温井中的另外16个模拟测温井位于反应釜体的中部，16个模拟测温井等分为两组，第一组模拟测温井分为3列，第一组模拟测温井中每个模拟测温井均相互平行，第二组模拟测温井也分为3列，第二组模拟测温井中每个模拟测温井也相互平行，该第一组模拟测温井中的模拟测温井的位置与该第二组模拟测温井中的模拟测温井的位置错开。

模拟测温井含有盲管、螺纹密封套、螺纹压帽和锥形密封压帽，盲管为一端封闭的管形，盲管的封闭端设置于反应釜体内，盲管的开放端设置于反应釜体外，螺纹密封套套设于盲管的开放端外，螺纹密封套与反应釜体的侧壁固定密封连接，螺纹密封套设置于反应釜体外，螺纹密封套和盲管之间套设有螺纹压帽和锥形密封压帽，螺纹压帽能够压紧锥形密封压帽使螺纹密封套和盲管之间密封，盲管内设有温度传感器。

模拟空气注入井固定于反应釜体的下部，模拟空气注入井含有进气管、锥形密封压帽、螺纹压帽和螺纹密封套，进气管呈倒L形，进气管的上端设置于反应釜体内，进气管的下端设置于反应釜体外，螺纹密封套套设于进气管的下端外，螺纹密封套与反应釜体的侧壁固定密封连接，螺纹密封套设置于反应釜体外，螺纹密封套和进气管之间套设有螺纹压帽和锥形密封压帽，螺纹压帽能够压紧锥形密封压帽使螺纹密封套和进气管之间密封。

模拟烟囱井含有出气管、螺纹密封套、螺纹压帽和锥形密封压帽，出气管的下端设置于反应釜体内，出气管的上端设置于端盖外，螺纹密封套套设于出气管的上端外，螺纹密封套与端盖固定密封连接，螺纹密封套设置于端盖外，螺纹密封套和出气管之间套设有螺纹压帽和锥形密封压帽，螺纹压帽能够压紧锥形密封压帽使螺纹密封套和出气管之间密封。

本发明的有益效果是能够模拟大尺度三维火烧采油过程，并通过实时监测实验中的温度变化及产出气液流量、气体浓度，来探测在三维空间中从点火到平稳燃烧的不同阶段的动态变化，用于研究THAI火驱及其它垂向火驱机理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的结构示意图；

图2是本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的反应釜体的结构示意图；

图3是本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的模拟套管井的结构示意图；

图4是图3中A区的局部放大图；

图5是本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的模拟测温井的结构示意图；

图6是图5中B区的局部放大图；

图7是本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的主视示意图；

图8是本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的后视示意图；

图9是本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的加热装置的结构示意图；

图10是本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的模拟空气注入井的结构示意图；

图11是本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的模拟烟囱井的结构示意图；

图12是图11中C区的局部放大图。

附图标记说明：

1、产气收集装置；2、产油收集装置；3、反应釜体；4、温控模块；5、电源；6、气源；7、控制阀门；8、温度监测模块；11、端盖；12、紧固螺栓；13、吊耳；14、法兰；15、保温套；16、模拟套管井；17、侧向支腿；18、耐火水泥涂层；19、油砂；20、加热装置；22、下支腿；23、滑轮；24、支座；25、模拟空气注入井；26、模拟测温井；27、隔板；28、干砂；29、模拟烟囱井；30、石墨密封垫片；31、超压保护装置；41、内层出油管；42、填料密封外套；43、固定接头；44、外层切缝套管；45、石墨填料环；46、螺纹压帽；51、盲管；52、螺纹密封套；53、螺纹压帽；54、锥形密封压帽；61、电加热棒；62、加热装置外壁；63、固定螺帽；71、进气管；72、锥形密封压帽；73、螺纹压帽；74、螺纹密封套；81、出气管；82、螺纹密封套；83、螺纹压帽；84、锥形密封压帽。

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和图2所示，本发明提供了一种可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，包括反应釜体3，反应釜体3为下端封闭且上端开放的筒形，反应釜体3的上端设有端盖11，端盖11与反应釜体3可拆卸密封连接；反应釜体3内设有的模拟套管井16、模拟烟囱井29、模拟空气注入井25、模拟测温井26和用于对反应釜体3内加热的加热装置20，模拟套管井16和模拟烟囱井29均固定于端盖11。

本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，采用反应釜体3与端盖11的密封连接的结构，可以根据实验需要设计反应釜体3的体积，从而能够模拟在较大的三维空间中，模拟稠油与空气在孔隙介质中的反应行为以及火烧采油的动态过程。通过对温度及产出气液流量、气体浓度的测定，得到油水采出动态、气体浓度随时间的变化过程，为稠油油藏火烧机理的研究、火烧效果的评价提供重要的研究手段。本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，适用于模拟THAI火烧过程、常规直井火烧过程及SAGD火烧过程。

如图1所示，所述可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置还包括产气收集装置1(例如，气体分析仪)、产油收集装置2(例如，三相分离器)、温控模块4和温度监测模块8，产气收集装置1用于收集模拟烟囱井29的产出气，产油收集装置2用于收集模拟套管井16的产出液，温控模块4用于控制加热装置20的加热温度，温度监测模块8用于采集和监测模拟测温井26测量的温度。

如图2所示，反应釜体3的具体结构为圆筒形，从端盖11的顶面到反应釜体3的底面的总长度为650mm-700mm；反应釜体3的内径为360mm-400mm，壁厚为15mm-18mm，容积为45升至80升。在如图2所示的一个具体的实施例中，反应釜体3的容积为54.5L，是真正意义上的大尺寸三维火烧实验装置。在反应釜体3的上端设有法兰14，根据高温压力容器设计标准设计，反应釜体3的材质为耐高温哈氏合金N10276，该法兰的材质为耐高温不锈钢310S，该法兰的厚度为92mm，以使反应釜体3在进行600℃高温火烧实验时，不会由于温度过高发生屈服或者变形引起密封失效，同时也克服了目前国内同类实验装置只能使用一次就会由于高温而报废的弊端；设置于端盖11下端的法兰以10根紧固螺栓12与反应釜体3的法兰14连接，该紧固螺栓12是材料为30CrMo的M39螺栓，并以厚度为4mm的石墨密封垫片30密封；反应釜体3与端盖11连接固定后的额定耐压值为3.5MPa。

另外，在反应釜体3的内表面涂有耐火水泥涂层18，反应釜体3外设有保温套15，反应釜体3内设有隔板27，隔板27沿竖直方向设置，隔板27能够抽离该反应釜体3，隔板27能将反应釜体3内分为一个大空腔和一个小空腔，该大空腔的容积大于该小空腔的容积，模拟套管井16、模拟烟囱井29、模拟空气注入井25、模拟测温井26和用于对反应釜体3内加热的加热装置20均设置在该大空腔中。在实验初始阶段装料时，如图2所示，将反应釜体3竖直放置，通过下支腿22与滑轮23能实现移动，也可调节支座24将反应釜体3固定于地面上，装料时将隔板27放入反应釜体3内并形成该大空腔和该小空腔，该大空腔内放入按照实验需要制备好的油砂19，该小空腔内放入干砂28以模拟相邻地层，在装料结束后将隔板27抽出；端盖11上还设置有超压保护装置31；实验时通过吊耳13将反应釜体3放倒，并通过侧向支腿17将反应釜体3横向放置在地面上。

如图3及图4所示，为了能够实时调整模拟套管井16与反应釜体3内的火烧采油火线的相对位置，模拟套管井16设有内层出油管41和外层切缝套管44，内层出油管41和外层切缝套管44均沿竖直方向设置，外层切缝套管44套设于内层出油管41外；外层切缝套管44设置于反应釜体3内，以螺纹连接的方式固定与端盖11的内侧；内层出油管41的下端设置于反应釜体3内，内层出油管41的上端密封固定设置于端盖11外，并且能够实现在保障密封的情况下，内层出油管41能够上下移动，并抽出一定长度。

如图3所示，进行实验时，首先通过焊接的方式将外层切缝套管44焊接在固定接头43上，然后通过固定接头43的螺纹将固定接头43与外层切缝套管44固定在端盖11的内侧螺纹孔上，将石墨填料环45放入填料密封外套42的内部，将内层出油管41塞入石墨填料环45的内孔，最后将螺纹压帽46与填料密封外套42连接拧紧，通过螺纹压帽46压紧石墨填料环45实现密封；需要调整内层出油管41的位置时，将螺纹压帽46松开，将内层出油管41往外侧提拉一定距离，再拧紧螺纹压帽46即可。其中，外层切缝套管44为外径8mm、壁厚1mm的316L不锈钢管，为了防止沙粒进入内层出油管41，外层切缝套管44用激光切缝的方法加工了8列共72条通透性切缝，缝宽是0.1mm，缝长是30mm；内层出油管41为外径4mm、壁厚1mm的316L不锈钢管，固定接头43通过M12螺纹与端盖11连接；石墨填料环45的外径是8mm，内径是4mm，厚度是2mm，每次密封需要3-4个石墨填料环45形成一组填料密封；螺纹压帽46具有直径为4.5mm的通孔，通过M14×1的螺纹与填料密封外套42连接并实现压紧石墨填料环45形成密封。

如图5至图8所示，反应釜体3内含有18个模拟测温井26，其中，反应釜体3的中部侧壁上根据实验的需要分布有16个模拟测温井26，其余的2个模拟测温井26设于反应釜体3的底部。如图7及图8所示，16个模拟测温井26等分为两组，第一组模拟测温井分为3列，第一组模拟测温井中每个模拟测温井26均相互平行，第二组模拟测温井也分为3列，第二组模拟测温井中每个模拟测温井26也相互平行，该第一组模拟测温井中的模拟测温井26的位置与该第二组模拟测温井中的模拟测温井26的位置错开。

如图5及图6所示，模拟测温井26含有盲管51、螺纹密封套52、螺纹压帽53和锥形密封压帽54，盲管51为一端封闭的管形，盲管51的封闭端设置于反应釜体3内，盲管51的开放端设置于反应釜体3外，螺纹密封套52套设于盲管51的开放端外，螺纹密封套52与反应釜体3的侧壁固定密封连接，螺纹密封套52设置于反应釜体3外，螺纹密封套52和盲管51之间套设有螺纹压帽53和锥形密封压帽54，螺纹压帽53能够压紧锥形密封压帽54使螺纹密封套52和盲管51之间密封，盲管51内设有温度传感器。操作时首先将锥形密封压帽54串在盲管51上，将二者放入焊接在反应釜体3壁面的螺纹密封套52的内部，安装螺纹压帽53并拧紧。盲管51的外径直径为3mm，壁厚为1mm，长度根据实验需要设定；螺纹压帽53内孔的直径为3.5mm，通过M14×1螺纹与螺纹密封套52连接并压紧锥形密封压帽54实现线密封。

反应釜体3的底部设置有两个内径为12mm的加热装置20，加热装置20的一端为盲端，且该盲端插入反应釜体3内的长度为90mm-100mm，加热装置20的材料为耐高温哈氏合金N10276，实验时使用温控模块4设定加热的温度、时间以及升温曲线等，在每个加热装置20的附近各设置有1个模拟测温井26，用于检测加热装置20的加热效果。加热装置20的结构如图9所示，是以焊接方式将加热装置外壁62固定在反应釜体3的底部，加热装置外壁62的结构的一端为盲管，实验时通过将加电热棒61放入加热装置外壁62的内部以实现加热，并通过固定螺帽63固定电加热棒61。电加热棒61的外径为10mm，长度为100mm；加热装置外壁62的外径为16mm，内径12mm，长度为120mm。

如图1所示及图2所示，模拟空气注入井25固定于反应釜体3的下部，并通过与外部气源6以及控制阀门7来控制进气种类、进气量以及压力等。如图10所示，模拟空气注入井25含有进气管71、锥形密封压帽72、螺纹压帽73和螺纹密封套74，进气管71呈倒L形，进气管71的上端设置于反应釜体3内，进气管71的下端设置于反应釜体3外，螺纹密封套74套设于进气管71的下端外，螺纹密封套74与反应釜体3的侧壁固定密封连接，螺纹密封套74设置于反应釜体3外，螺纹密封套74和进气管71之间套设有螺纹压帽73和锥形密封压帽72，螺纹压帽73能够压紧锥形密封压帽72使螺纹密封套74和进气管71之间密封。细长的直角进气管71通过螺纹压帽73固定在反应釜体3侧壁上的螺纹密封套72上，并通过螺纹密封套72和螺纹压帽73的拧紧过程压紧锥形密封压帽74以实现密封。操作时首先将锥形密封压帽74串在进气管71上，将二者放入焊接在反应釜体3底部的螺纹密封套72内，安装螺纹压帽73并拧紧。进气管71的外径为3mm，壁厚为1mm，长度根据实验需要设定，螺纹压帽73的内孔直径为3.5mm，通过M14×1螺纹与螺纹密封套72连接并压紧锥形密封压帽74以实现线密封。

如图11及图12所示，模拟烟囱井29含有出气管81、螺纹密封套82、螺纹压帽83和锥形密封压帽84，出气管81的下端设置于反应釜体3内，出气管81的上端设置于端盖11外，螺纹密封套82套设于出气管81的上端外，螺纹密封套82与端盖11固定密封连接，螺纹密封套82设置于端盖11外，螺纹密封套82和出气管81之间套设有螺纹压帽83和锥形密封压帽84，螺纹压帽83能够压紧锥形密封压帽84使螺纹密封套82和出气管81之间密封。出气管81通过螺纹压帽83固定于端盖11上的螺纹密封套82，并通过螺纹密封套82与螺纹压帽83的拧紧过程压紧锥形密封压帽84以实现密封。操作时首先将锥形密封压帽84串在出气管81上，将二者放入焊接在反应釜体3底部的螺纹密封套82的内部，安装螺纹压帽83并拧紧。出气管81的外径为3mm，壁厚1mm，长度根据实验需要设定；螺纹压帽83的内孔直径为3.5mm，通过M14×1螺纹与螺纹密封套82连接并压紧锥形密封压帽84实现线密封。

下面模拟THAI火烧实验为例，来说明使用本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的实验过程。

步骤1、制备实验样品

THAI火烧实验要求模拟地层内稠油在与空气接触燃烧过程中的动态变化及采油效果，实验样品(油砂19)要求最大程度模拟稠油在实际地层中的存在状态，因而实验样品含稠油的比例需要根据实际情况进行配比。

步骤2、将实验样品放入反应釜体3，组装实验装置，检查密封性能

如图2所示，先在反应釜体3的内壁刷涂耐火水泥涂层18，再安装模拟空气注入井25，将制备好的实验样品放入反应釜内，将模拟测温井26根据实验需要依次安装在反应釜体3的侧壁上，将超压保护装置31、模拟烟囱井29以及模拟套管井16连接在端盖11上，清理反应釜体3的密封接触面，放入石墨密封垫片30，将用紧固螺栓12将安装有模拟套管井16的端盖11与反应釜体3连接并紧固，安装保温套15，安装两个加热装置20，将各组件按照图1所示与外部装置连接，关闭产气收集装置1与产油收集装置2中的阀门，气源6接氮气，打开控制阀门7，通入0.3MPa压力并保持12小时，检查气密性。将压力传感器通过三通连接到模拟套管井16和模拟烟囱井29上，以实时监控模拟套管井16的生产压差及模拟烟囱井29的驱替压差，从而对生产过程中的重力泄油效应进行评价。

步骤3、设定加热装置20的加热温度和加热时间，设定气源6的供气流量

打开电源5以及温控模块4，第一段为线性升温，将加热温度设置为20℃-600℃；第二段为恒温段，即达到最高温度600℃后，保温4小时至5小时。温度设定完成后，进行加热，待保温阶段结束后，关闭氮气瓶，通入氧气，开始点火。将气体流量设置为1000mL/min，调节背压阀，使反应釜体3内压力保持0.7MPa。

步骤4打开加热装置20、产气收集装置1与产油收集装置2

使加热装置20开始加热，实验开始后，每隔一个固定时间，温度监测模块8会采集各个模拟测温井26的测量数据并进行记录，从而得出温度变化率并分析变化趋势；根据产油量、产气量及高温区的变化，适当调节模拟套管井16的内层出油管41的位置，保证出油顺利。持续不间断地测温，并收集产出油气，直到实验结束，保存数据。

步骤5、实验结束后拆分装置并进行数据分析

实验结束后，从模拟空气注入井25通入氮气，直到冷却至温度较低时，将反应釜体3与产油收集装置2、产气收集装置1分离，关闭并取出加热装置20，打开端盖11，观察燃烧后的剩余物的形态，根据产出物质量和成分，并与原制备样品比较后，分析THAI火烧采油的采收率。

通过以上结构可知，本发明的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，具有以下有益效果：

1、所述可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置的内部容积较大，能够更好地模拟地下油藏在火烧实验时的变化过程，减少外部环境对实验数据的影响，同时也方便在更大空间范围内安装更多的模拟测温井26以对火烧过程进行实时监控；解决了现有技术的实验装置由于尺寸过小而无法准确获得获取采油动态及采收率数据的问题，攻克了人们一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题；

2、根据高温压力容器设计标准设计，反应釜体3采用耐高温材料哈氏合金N10276制作，反应釜体3上所设置的法兰的材料为耐高温不锈钢310S，使反应釜体3在进行600℃高温火烧实验时，不会由于温度过高发生屈服或者变形引起密封失效，同时也克服了目前国内同类实验装置只能使用一次就会由于高温而报废的弊端，可重复利用，耐高温高压，操作方便，安全可靠，可针对不同特性的油砂作对比实验；

3、为了能够实时调整模拟套管井16与反应釜体3内的火烧采油火线的相对位置，在端盖11上设置了可调节的模拟套管井16，模拟套管井16由填料密封结构以及两根同心管道组成，通过调节填料密封装置与内层出油管41的相对位置来实现对模拟套管井的调节；同时外层切缝套管44上均匀分布的切缝使通过火烧采油法得到的产出物顺利进入内层出油管41，同时也隔绝了大部分产出物携带的沙粒，降低了内层出油管41堵塞的风险；

4、在反应釜体3的四周合理分布了18个模拟测温井26，通过温度监测模块8将测得的温度数据传输给电脑，用来对反应釜3的内腔进行实时温度监控；

5、反应釜体3的底部可以根据实验需要在不同的位置设置加热装置20，从而模拟在加热点与模拟套管井16在不同相对位置下的实验过程，从而增加了该实验装置的适用范围；

6、在端盖11上设置的模拟烟囱井29，能有效防止实验过程中火烧产生的水蒸气以及二氧化碳等气体产生气窜的现象，同时，通过合理调节模拟烟囱井29的开闭，能够实时调整实验进程，以防止气窜现象的产生。

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的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所应当地涵盖了与本案创新点有关的其他组合及具体应用。

Claims (10)

1.一种可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，所述可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置包括反应釜体(3)，反应釜体(3)为下端封闭且上端开放的筒形，反应釜体(3)的上端设有端盖(11)，端盖(11)与反应釜体(3)可拆卸密封连接；反应釜体(3)内设有模拟套管井(16)、模拟烟囱井(29)、模拟空气注入井(25)、模拟测温井(26)和用于对反应釜体(3)内加热的加热装置(20)，且模拟套管井(16)和模拟烟囱井(29)均固定于端盖(11)。

2.根据权利要求1所述的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，所述可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置还包括产气收集装置(1)、产油收集装置(2)、温控模块(4)和温度监测模块(8)，产气收集装置(1)用于收集模拟烟囱井(29)的产出气，产油收集装置(2)用于收集模拟套管井(16)的产出液，温控模块(4)用于控制加热装置(20)的加热温度，温度监测模块(8)用于采集和监测模拟测温井(26)测量的温度。

3.根据权利要求1所述的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，反应釜体(3)的容积为45升至80升，反应釜体(3)的上端设有法兰(14)，法兰(14)的材质为耐高温不锈钢310S，反应釜体(3)的材质为耐高温哈氏合金N10276，反应釜体(3)与端盖(11)之间通过法兰连接，反应釜体(3)与端盖(11)连接固定后的额定耐压值为3.5MPa。

4.根据权利要求3所述的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，反应釜体(3)的内表面涂有耐火水泥涂层，反应釜体(3)外设有保温套(15)，反应釜体(3)内设有隔板(27)，隔板(27)沿竖直方向设置，隔板(27)能够抽离该反应釜体(3)，隔板(27)能将反应釜体(3)内分为一个大空腔和一个小空腔，该大空腔的容积大于该小空腔的容积，模拟套管井(16)、模拟烟囱井(29)、模拟空气注入井(25)、模拟测温井(26)和用于对反应釜体(3)内加热的加热装置(20)均设置在该大空腔中。

5.根据权利要求1所述的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，模拟套管井(16)含有内层出油管(41)和外层切缝套管(44)，内层出油管(41)和外层切缝套管(44)均沿竖直方向设置，外层切缝套管(44)套设于内层出油管(41)外，外层切缝套管(44)设置于反应釜体(3)内，外层切缝套管(44)与端盖(11)固定连接，外层切缝套管(44)的侧壁设有多个采用激光切缝的方法加工出的通透性切缝，内层出油管(41)的下端设置于反应釜体(3)内，内层出油管(41)的上端设置于端盖(11)外，内层出油管(41)能够上下移动。

6.根据权利要求5所述的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，内层出油管(41)的上端外套设有填料密封外套(42)，填料密封外套(42)与端盖(11)的上端固定密封连接，内层出油管(41)和填料密封外套(42)之间套设有多层石墨填料环(45)，内层出油管(41)的上端外套还设有螺纹压帽(46)，螺纹压帽(46)能够压紧石墨填料环(45)使内层出油管(41)和填料密封外套(42)之间密封，外层切缝套管(44)的上端固接有筒形的固定接头(43)，固定接头(43)套设在内层出油管(41)外，固定接头(43)的上端与端盖(11)螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，反应釜体(3)内含有18个模拟测温井(26)，18个模拟测温井(26)中的2个模拟测温井(26)位于反应釜体(3)的底部，18个模拟测温井(26)中的另外16个模拟测温井(26)位于反应釜体(3)的中部，16个模拟测温井(26)等分为两组，第一组模拟测温井分为3列，第一组模拟测温井中每个模拟测温井(26)均相互平行，第二组模拟测温井也分为3列，第二组模拟测温井中每个模拟测温井(26)也相互平行，该第一组模拟测温井中的模拟测温井(26)的位置与该第二组模拟测温井中的模拟测温井(26)的位置错开。

8.根据权利要求7所述的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，模拟测温井(26)含有盲管(51)、螺纹密封套(52)、螺纹压帽(53)和锥形密封压帽(54)，盲管(51)为一端封闭的管形，盲管(51)的封闭端设置于反应釜体(3)内，盲管(51)的开放端设置于反应釜体(3)外，螺纹密封套(52)套设于盲管(51)的开放端外，螺纹密封套(52)与反应釜体(3)的侧壁固定密封连接，螺纹密封套(52)设置于反应釜体(3)外，螺纹密封套(52)和盲管(51)之间套设有螺纹压帽(53)和锥形密封压帽(54)，螺纹压帽(53)能够压紧锥形密封压帽(54)使螺纹密封套(52)和盲管(51)之间密封，盲管(51)内设有温度传感器。

9.根据权利要求1所述的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，模拟空气注入井(25)固定于反应釜体(3)的下部，模拟空气注入井(25)含有进气管(71)、锥形密封压帽(72)、螺纹压帽(73)和螺纹密封套(74)，进气管(71)呈倒L形，进气管(71)的上端设置于反应釜体(3)内，进气管(71)的下端设置于反应釜体(3)外，螺纹密封套(74)套设于进气管(71)的下端外，螺纹密封套(74)与反应釜体(3)的侧壁固定密封连接，螺纹密封套(74)设置于反应釜体(3)外，螺纹密封套(74)和进气管(71)之间套设有螺纹压帽(73)和锥形密封压帽(72)，螺纹压帽(73)能够压紧锥形密封压帽(72)使螺纹密封套(74)和进气管(71)之间密封。

10.根据权利要求1所述的可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，其特征在于，模拟烟囱井(29)含有出气管(81)、螺纹密封套(82)、螺纹压帽(83)和锥形密封压帽(84)，出气管(81)的下端设置于反应釜体(3)内，出气管(81)的上端设置于端盖(11)外，螺纹密封套(82)套设于出气管(81)的上端外，螺纹密封套(82)与端盖(11)固定密封连接，螺纹密封套(82)设置于端盖(11)外，螺纹密封套(82)和出气管(81)之间套设有螺纹压帽(83)和锥形密封压帽(84)，螺纹压帽(83)能够压紧锥形密封压帽(84)使螺纹密封套(82)和出气管(81)之间密封。