CN105952438B - 一种稠油热采可视化二维物理模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，包括顺次连接的注入系统、模型系统、数据采集处理系统，所述模型系统包括安装架和安装在安装架上的模型本体，所述注入系统包括分别与所述模拟液注入单元和多元热流体注入单元，所述数据采集处理系统包括数据采集板、气体质量流量控制器、温度传感器和压力传感器、和高压可视视窗相对应的摄像装置、和模型本体相连通的产出液自动计量天平；所述多元热流体注入单元包括顺次连接的多元热流体气源、气体增压装置、高压贮罐、气体流量控制器，最后连通到所述模拟竖直井中。该实验装置能够模拟开展对于特定油藏采用上述开发方式的室内模拟与优化研究对开采效果影响的研究。

Description

一种稠油热采可视化二维物理模拟实验装置

技术领域

本发明属于石油开发领域中的一种实验设备，尤其涉及一种稠油热采可视化二维物理模拟实验装置。

背景技术

随着油田储量的递减，稠油逐渐成为一种未来重要的能量补充。世界上稠油资源极其丰富，约占石油资源的60%，稠油具有粘度高、密度大、流动难等特点，稠油油藏开采过程中大多石油热采降粘以增加流动性的方法。SAGD技术是开采稠油的一种有效开发方式，其机理是在注汽井中注入高干度蒸汽，蒸汽向上超覆在地层中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及侧面扩展与油层中的原油发生热交换，被加热的原油降低粘度和蒸汽冷凝水在重力作用下向下流动从模拟水平井中流出。

为了使得在更好的辅助稠油的采集工作，需要采用实验设备对不同地区的稠油采集进行模拟。由于二维模型比一维模型驱替可获得更多实验信息，更加接近油田真实过程，操作又比三维模型省时，研究周期较短，所以目前在国内外应用很广泛。常规的二维平面物理模型用来模拟流体的平面流动状态及流体压力的分布，不能直观的对驱油过程进行动态观察，如 Vapex 技术中蒸汽及溶剂扩散、高温泡沫驱过程中泡沫的形成、运移及扩散等现象，很难对模型内流体状态和分布进行描述，因而无法为数值模拟及现场试验提供依据，不能对各种驱替过程的机理进行研究。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明提出了一种稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，该实验装置结构简单，能够模拟开展对于特定油藏采用上述开发方式的室内模拟与优化研究、可开展在上述不同开发方式下油藏地质参数（包括油层渗透率、含油饱和度、孔隙度、油粘度、油层非均质性等）对开采效果影响的研究。

本发明的技术方案是这样实现的：一种稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，其特征在于：包括顺次连接的注入系统、模型系统、数据采集处理系统，所述模型系统包括安装架和安装在安装架上的模型本体，所述注入系统包括分别与所述模型本体相连接的模拟液注入单元和多元热流体注入单元，所述模拟液注入单元包括恒温恒压泵，所述恒温恒压泵分别通过稠油活塞容器、地层水活塞容器、化学剂活塞容器、蒸汽发生器连接到模型本体中，所述模型本体可转动的设置在安装架上，所述模型本体包括模型承压上盖和模型承压下盖，所述模型承压上盖和模型承压下盖围合成模拟水平井，所述模型承压上盖和模型承压下盖之间还设置有模型外框体，所述模型外框体上设置有模型内框体，所述模型内框体上设置有下衬板，所述模型本体上还设置有多个模拟竖直井，所述模拟竖直井和模拟水平井相连通，所述模拟水平井上密封连接有内视窗，所述内视窗通过内视窗压板进行固定，所述内视窗压板还设置有模腔上堵头，所述模型承压上盖和模腔上堵头贯通设有若干连通孔，所述连通孔中设置有高压可视视窗，所述模型本体外部包覆设置有伴热保温套，所述伴热保温套上还设置有电热管；所述数据采集处理系统包括数据采集板、气体质量流量控制器、设置于模拟内框体中的温度传感器和压力传感器、和高压可视视窗相对应的摄像装置、和模型本体相连通的产出液自动计量天平；所述多元热流体注入单元包括顺次连接的多元热流体气源、气体增压装置、高压贮罐、气体流量控制器，最后连通到所述模拟竖直井中。

进一步的，所述模型系统连接在支撑架上，所述支撑架底部设置有万向轮。

进一步的，所述模型本体两侧设置有旋转轴，所述旋转轴转动连接在所述安装架之间。

进一步的，所述支撑架两侧设置有支撑座，所述安装架为弧形架体，所述安装架为固定连接的两弧形环，所述两弧形环通过若干连接杆进行连接，所述架体连接在一支撑架上，所述支撑架底部设置有万向轮，所述弧形环其中一侧还设置有齿轮段，所述支撑架上还设置有和齿轮段相匹配的驱动电机，所述支撑座上设置有用以支撑弧形环的支撑轴承，所述支撑架上还设置有限位弧形环的限位板，所述限位板顶部连接有一辊轮，所述辊轮和弧形环上表面相接触。

进一步的，所述弧形架体和模型本体的旋转轴相连的其中一侧设置有传动箱，所述和传动箱相连接的旋转轴上设置有蜗轮，所述蜗轮和一转动盘相连接。

进一步的，还包括和模型系统相连接的回压控制装置，所述回压控制装置包括回压阀，所述回压阀和一回压泵相连接，所述回压控制装置上还连接有压力传感器。

本发明的有益效果如下：该实验装置结构简单，能够模拟开展对于特定油藏采用上述开发方式的室内模拟与优化研究、可开展在上述不同开发方式下油藏地质参数（包括油层渗透率、含油饱和度、孔隙度、油粘度、油层非均质性等）对开采效果影响的研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图（其中模型系统只绘制了模型本体）；

图2为模型本体的剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1到图2所示的一种稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，包括顺次连接的注入系统、模型系统、数据采集处理系统，所述模型系统包括安装架1和安装在安装架1上的模型本体2，所述注入系统包括分别与所述模型本体2相连接的模拟液注入单元和多元热流体注入单元，所述模拟液注入单元包括恒温恒压泵17，所述恒温恒压泵17分别通过稠油活塞容器18，地层水活塞容器19，化学剂活塞容器20，蒸汽发生器21连接到模型本体中，所述模型本体2可转动的设置在安装架1上，所述模型本体2包括模型承压上盖3和模型承压下盖4，所述模型承压上盖3和模型承压下盖4围合成模拟水平井5，所述模型承压上盖3和模型承压下盖4之间还设置有模型外框体6，所述模型外框体6上设置有模型内框体7，所述模型内框体7上设置有下衬板8，所述模型本体2上还设置有多个模拟竖直井9，所述模拟竖直井9和模拟水平井5相连通，所述模拟水平井5上密封连接有内视窗10，所述内视窗10通过内视窗压板11进行固定，所述内视窗压板11上还设置有模腔上堵头12，所述内视窗10和所述模腔上堵头12之间具有一空间，所述模型承压上盖3和模腔上堵头12贯通设有若干连通孔13，所述连通孔13中设置有高压可视视窗14，所述模型本体2外部包覆设置有伴热保温套15，所述伴热保温套15上还设置有电热管16；所述数据采集处理系统包括数据采集板（未图示，和计算机相连接）、设置于模拟内框体中的温度传感器和压力传感器、和高压可视视窗相对应的摄像装置21，和模型本体相连通的多组产出液自动计量天平22；所述多元热流体注入单元包括顺次连接的多元热流体气源23、气体增压装置24、高压贮罐25、气体流量控制器26，最后连通到所述模拟竖直井9中。

本发明在模型模拟水平井和模拟竖直井上布置多只温度传感器和压力传感器，可以实时采集模型的压力及温度；所有温度传感器及压力传感器均通过数字采集板实现与计算机通信；模型的内视窗上方的空间填充有高压气体（该空间可以充入高压气体，高压气体可以在实验结束的时候卸掉，实验开始的时候再进行填充），使得在实验的时候内视窗两侧的压力保持平衡，内视窗不会出现破碎，内视窗10通过内视窗密封圈密封27在模拟水平井上方；同时，本发明的模型承压上盖设计有多组高压视窗14，通过这种配合解决了二维可视模型不耐高压的难题；本发明通过模拟高温高压条件，同时通过外置高清摄像头记录并观察模型内部实验全过程，所述产出液自动计量天平分别有气液分离计量以及油水收集计量装置，所以该实验装置能够模拟垂直井和水平井井网下蒸汽驱二维蒸汽腔的发育过程，模拟井底压力变化过程以及产量动态过程，且模拟结果能够很好的反映实际生产过程，同时由于设置有高压视窗和内视窗，所以能够直观的观察油液流动状态，同时摄像头的时候，可以将实验过程记录下来，方便后期进行分析，对各种驱替过程的机理进行研究。

本发明的模拟液注入单元包括恒温恒压泵17，所述恒温恒压泵17分别通过稠油活塞容器18、地层水活塞容器19、化学剂活塞容器20、蒸汽发生器21连接到模型本体上的的模拟竖直井9以及模拟水平井5之中，用于模型现场的注入井和产出井；所述恒速恒压泵17可以有多个，所述恒速恒压泵分别连接有注水罐28，所述稠油活塞容器18设计有加热及保温装置，确保加热至一定温度，从而降低稠油粘度；所述活塞容器均设计为两两配合使用，且每套活塞容器均设计有补液容器，可通过自动控制切换,实现一只工作的同时，另一只进行补液，从而实现无间断注入，所述多元热流体注入单元包括气体增压装置24、高压贮罐25、气体流量控制器26，所述气体增压装置24用于将多元热流体增压至实验所需压力，气体增压装置24的出口端接有气体调压装置29，可将气体控制在一定压力范围内输出，气体调压装置后端接有气体流量控制器26，可以控制在气体在一定流量输出，该流量控制器可通过计算机软件进行远程控制。

本发明在具体进行模拟的时候，具体的实验步骤如下(在本实施例中，活塞容器加热温度为50℃，蒸汽注入流量为水最高当量5ml/min。)：

一、饱和地层水过程：

1.将实验所需的地层水分别加入地层水活塞容器19中，并将该活塞容器装配好，并检查前管路连接情况；

2.启动计算机，打开数据采集系统软件，新建操作界面；

3.在操作软件上点击打开地层水活塞容器，接好自动计量天平，启动恒速恒压泵，设定为恒速工作模式，流量为5ml/min，使预装有地层水的高压活塞容器3中的地层水以定流量5ml/min注入到模型本体中，模型伴热保温套的加热温度恒定在80℃，根据温度数据采集单元、压力数据采集单元、计算机保持开启记录状态，直到饱和地层水过程结束；

4.关闭恒速恒压泵，关闭地层水活塞容器进出口端阀门、注入端阀门以及产出端，关闭温度数据采集单元、压力数据采集单元；整理产出计量装置产液数据，计算饱和水体积、模型孔隙度。

二、饱和稠油过程：

1.启动稠油活塞容器的加热，并设定加热温度恒定在50℃；

2. 启动计算机，打开数据采集系统软件，新建操作界面；

3.在操作软件上点击打开稠油活塞容器，接好自动计量天平，启动恒速恒压泵，设定为恒速工作模式，流量为1ml/min，使预装有稠油的高压活塞容器中的加热后的稠油，以定流量1ml/min注入到模型本体中，模型伴热保温套的加热温度恒定在80℃，根据温度数据采集单元、压力数据采集单元、计算机保持开启记录状态，直到饱和稠油过程结束；

4. 关闭恒速恒压泵，关闭稠油活塞容器进出口端阀门、注入端阀门以及产出端，关闭温度数据采集单元、压力数据采集单元；整理产出计量装置产液数据，计算饱和油体积、含油饱和度。

三、蒸汽驱替过程：

1.启动蒸汽发生器电源，设定增压发生器加热温度425℃，并恒温控制。

2. 启动计算机，打开数据采集系统软件，新建操作界面；

3. 在操作软件上点击打开蒸汽发生器，接好自动计量天平，启动恒速恒压泵，设定为恒速工作模式，流量为2ml/min，使蒸馏水进入蒸汽发生装置3产生425℃的蒸汽并以当量水流量2ml/min注入到模型本体中，模型伴热保温套的加热温度恒定在80℃，根据温度数据采集单元、压力数据采集单元、计算机保持开启记录状态，直到蒸汽驱替过程结束；

4. 关闭恒速恒压泵，关闭地层水活塞容器进出口端阀门、注入端阀门以及产出端，关闭温度数据采集单元、压力数据采集单元；整理产出计量装置产液数据，整理产出计量装置产液数据，计算产油量、产水量。

进一步的，所述模型系统连接在支撑架30上，所述支撑架底部设置有万向轮。由于模型系统是连接在支撑架30上的，也就是说，模型系统可以进行移动，使用更加方便。

进一步的，所述模型本体两侧设置有旋转轴32，所述旋转轴转动连接在所述安装架之间。也就是说，模型本体是通过旋转轴转动连接在安装架之间的，所以模型本体是可以转动的，这种方式可以模拟不同的地层情况。

进一步的，所述支撑架两侧设置有支撑座32，所述安装架为弧形架体，所述安装架为固定连接的两弧形环33，所述两弧形环33通过若干连接杆34进行连接，所述弧形环33其中一侧还设置有齿轮段，所述支撑架上还设置有和齿轮段相匹配的驱动电机，所述支撑座32上设置有用以支撑弧形环的支撑轴承33，所述支撑架上还设置有限位弧形环的限位板34，所述限位板34顶部连接有一辊轮35，所述辊轮35和弧形环上表面相接触。通过该结构，在驱动电机进行转动的时候，驱动电机上的驱动齿轮35将通过齿轮段驱动弧形环进行转动，最终带动模型本体发生角度的偏转，所以在模型本体可以转动和偏转的情况下，可以模拟各种各样的环境。

进一步的，所述弧形架体和模型本体的旋转轴相连的其中一侧设置有传动箱36，所述和传动箱相连接的旋转轴上设置有蜗轮37，所述传动箱中还设置有电机相连接的蜗杆38。通过蜗轮蜗杆，当电机驱动蜗杆38进行转动的时候，可以带动模型本体进行转动，当转动到合适的角度的时候，停止转动蜗杆。当然，由于蜗轮蜗杆具有自锁性，当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，所以可以在蜗杆上连接一转动盘，通过操作者手动控制。

进一步的，还包括和模型系统相连接的回压控制装置，所述回压控制装置包括回压阀39，所述回压阀和一回压泵40相连接，所述回压控制装置上还连接有压力传感器41。该回压控制装置连接在产出液自动计量天平22和模型本体2之间，在为了进一步增加本发明的稳定性，模型系统上还连接有回压控制系统，当模型系统的压力超过一定限度后，回压阀开启，将压力进行卸载，保持该实验装置的稳定运行。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、通过恒速恒压泵，以定流量、定压向模型本体中注入地层水、稠油、高温蒸汽，能够很好的模拟油层原始状态和现场注入过程；

2、模拟井可同时模拟水平井以及模拟垂直井，并模拟不同蒸汽温度、蒸汽干度、不同蒸汽注入速度、不同蒸汽注入压力下的蒸汽驱替实验，同时也可进行蒸汽吞吐实验、多元热流体吞吐实验；

3、压力传感器采集到压力数据后，实时地在计算机上绘制注汽注采井的压力曲线；温度传感器采集到温度数据后，实时地在计算机上通过软件插值绘制出模型本体内的二维温度场图；

4、通过量产出计量装置的产出液量，结合生产时间，可计算累计产油量、累计产水量、采出程度、产油速度、产液速度、含水率等动态生产过程；

5、整个实验装置结构紧凑，自动记录温度和压力数据，操作简便，实验结果与现场生产过程具有很高的相似性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，其特征在于：包括顺次连接的注入系统、模型系统、数据采集处理系统，所述模型系统包括安装架和安装在安装架上的模型本体，所述注入系统包括分别与所述模型本体相连接的模拟液注入单元和多元热流体注入单元，所述模拟液注入单元包括恒温恒压泵，所述恒温恒压泵分别通过稠油活塞容器、地层水活塞容器、化学剂活塞容器、蒸汽发生器连接到模型本体中，所述模型本体可转动的设置在安装架上，所述模型本体包括模型承压上盖和模型承压下盖，所述模型承压上盖和模型承压下盖围合成模拟水平井，所述模型承压上盖和模型承压下盖之间还设置有模型外框体，所述模型外框体上设置有模型内框体，所述模型内框体上设置有下衬板，所述模型本体上还设置有多个模拟竖直井，所述模拟竖直井和模拟水平井相连通，所述模拟水平井上密封连接有内视窗，所述内视窗通过内视窗压板进行固定，所述内视窗压板还设置有模腔上堵头，所述内视窗和所述模腔上堵头之间具有一空间，所述模型承压上盖和模腔上堵头贯通设有若干连通孔，所述连通孔中设置有高压可视视窗，所述模型本体外部包覆设置有伴热保温套，所述伴热保温套上还设置有电热管；所述数据采集处理系统包括数据采集板、气体质量流量控制器、设置于模拟内框体中的温度传感器和压力传感器、和高压可视视窗相对应的摄像装置、和模型本体相连通的产出液自动计量天平；所述多元热流体注入单元包括顺次连接的多元热流体气源、气体增压装置、高压贮罐、气体流量控制器，最后连通到所述模拟竖直井中。

2.根据权利要求1所述的稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，其特征在于：所述模型系统连接在支撑架上，所述支撑架底部设置有万向轮。

3.根据权利要求2所述的稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，其特征在于：所述模型本体两侧设置有旋转轴，所述旋转轴转动连接在所述安装架之间。

4.根据权利要求2所述的稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，其特征在于：所述支撑架两侧设置有支撑座，所述安装架为弧形架体，所述安装架为固定连接的两弧形环，所述两弧形环通过若干连接杆进行连接，所述架体连接在一支撑架上，所述支撑架底部设置有万向轮，所述弧形环其中一侧还设置有齿轮段，所述支撑架上还设置有和齿轮段相匹配的驱动电机，所述支撑座上设置有用以支撑弧形环的支撑轴承，所述支撑架上还设置有限位弧形环的限位板，所述限位板顶部连接有一辊轮，所述辊轮和弧形环上表面相接触。

5.根据权利要求4所述的稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，其特征在于：所述弧形架体和模型本体的旋转轴相连的其中一侧设置有传动箱，所述和传动箱相连接的旋转轴上设置有蜗轮，所述传动箱中还设置有电机相连接的蜗杆。

6.根据权利要求5所述的稠油热采可视化二维物理模拟实验装置，还包括和模型系统相连接的回压控制装置，所述回压控制装置包括回压阀，所述回压阀和一回压泵相连接，所述回压控制装置上还连接有压力传感器。