CN106442257A - 基于离子液体的新型复杂结构井渗流电模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于离子液体的新型复杂结构井渗流电模拟系统。它由电源、电流表、电流表、大型数采仪、探针、电解质槽组成，可以模拟出三维渗流规律。首次使用离子液体替代传统电解液，离子液体电化学窗口宽，粘度较大，基本消除了电解液电解反应对电场稳定性的影响；离子液体相比传统盐溶液而言对电压变化更为敏感，可以进行快速机械化自动测量而不失其精确性；改善了溶液导电性随电压的变化率，使测量的ΔU‑I曲线更接近于理想的直线，大大减小了实验误差；离子液体电导率更加不易受温度变化而改变；该技术方案还实现了水电模拟实验数据测量和采集的自动化，提升了实验精度，减少了测量时间；还给出了几种新型复杂结构井的模拟结构图。

Description

基于离子液体的新型复杂结构井渗流电模拟系统

技术领域

本发明关于油气渗流技术，属于油气田开发领域，特别涉及一种适用于复杂结构井渗流规律研究的电模拟系统。

背景技术

目前，油藏渗流机理实验研究方法主要分为岩心实验和水电模拟实验两类。岩心实验可采用实际油藏岩心进行，与实际地质情况较为接近，可直接测得较准确的产量、压力、含水等变化规律，但是岩心、复杂结构井井筒、裂缝模型等制作难度大，实验周期一般较长，费用较高。水电模拟实验是根据水电相似原理而研制的一种模拟实验装置，可任意加工制作各种复杂井筒和裂缝模型，实验周期短，费用低。随着油田开发的难度越来越大，水平井、分支井、多底井、鱼骨刺井等复杂结构井应用越来越广泛，并常常与大型压裂等增产措施配合使用，对相关油藏渗流机理研究的要求越来越高。鉴于电模拟实验相对于岩心实验在模拟复杂渗流规律方面的优势，近年来电模拟实验日益受到人们的重视。

电模拟实验是利用电的某些物理现象来重演所要研究的对象，即利用相同的数学微分方程所表示的物理现象来互相模拟。电模拟实验中用导电介质模拟地层，在介质上施加一定电势差产生电场模拟地层中的稳定渗流场，是基于水电相似理论，即不可压缩的地下流体通过多孔介质的稳定渗流符合达西定律及拉普拉斯方程：

电流在导电介质中的流动及电势分布满足欧姆定律及拉普拉斯方程：

依据水电相似理论，渗流场和电场的形状与分布相似，两者在相似的边界条件下可得到相似的解。因此，用导电介质模拟地层，在介质上施加一定的电势差产生的电场来模拟地层中的稳定渗流场是研究油井稳态产能问题的一种简便而有效地方法。根据欧姆定律，电场中任一流动单元内电流为：

根据达西定律，地层中沿压力梯度方向单元块中的流体流量为：

电场中的电流、电压及其分布与稳定渗流场中的流量、压力及其分布具有下列相对应的比例关系(模型数据下标为m，地层数据下标为r)：

压力相似系数：

流量相似系数：

电导率相似系数：

阻力相似系数：

根据公式(3)、(4)，各相似系数之间应满足条件：

满足上述条件的稳定渗流场和电场间存在类比关系，可以用电场模拟稳定渗流场,研究渗流规律。由于实验中电流可以在瞬间达到稳定，因而电模拟的过程是地层中的单相稳定流动过程。测得电场中的电流、电压数据，利用相似比例关系即可换算成渗流场中的产量和压力数据。

式中，模型数据下标为m，地层数据下标为r。

L——几何尺寸

ρ——溶液电导率

k——渗透率

μ——原油粘度

I——电流

Q——井产量(或注入量)

R_m——电解质溶液的电阻

R_r——地层流体的渗流阻力

ΔU——电位差

ΔP——压力差

式(11)为模型必须满足的相似准则，其中有两个参数可以自由确定，第三个参数必须由相似准则导出。由于电流可以瞬间达到稳定，因而本实验中的电模拟过程为实际地层的单相稳定渗流过程。

现有电模拟系统组成如图1所示，主要包括：稳压电源1、电流表2、电压表3、电解质槽4、井模型5、和铜板6等，其中该电解质槽4是由4个侧板和1个底板所组成，侧板或者底板的材质可以是金属，如图中所示的铜板6。该电模拟实验装置是一种手动装置，测量时需要手动丝杠定位，需要手工记录电压电电流等数据,工作量非常大，并且精度低、测量周期较长，容易造成比较大的实验误差。此外，随着测量时间的推移，模拟复杂结构井的电极与电解质水溶液接触面积较大，电解质水溶液的电化学反应越来越强烈，甚至在电极附近出现大量气泡或沉淀，导致模拟电极附近电场极度不稳定，测量数据误差较大。在目前的实验中，盐溶液的导电性对电压并不敏感，I随着ΔU变化具有很大的滞后性，如图2所示的1mol/L的氯化钠水溶液循环伏安特性曲线所示，绘制出的ΔU-I曲线与直线偏离程度很大，拟合参数的求取不准确。

现有电模拟数据测量采集方面，采用一种手动式装置，依靠手摇式丝杠来定位取点。现有装置测量时间长，实验误差大。

离子液体(ionic liquids,简称ILs)又称室温熔盐，是一类新型的熔融盐物质，完全由阴、阳离子组成，没有中性分子，在室温下呈液态。大部分离子液体的密度在1.1～1.6g/cm³之间，通常阴离子越大，离子液体的密度越大。离子液体的黏度通常要比水高几倍到几十倍，电导率一般在10^-3S/cm数量级，这与现有电模拟实验用盐水溶液电导率近似。离子液体通常没有可测量的蒸气压，不可燃、热容大、热稳定性好、电化学窗口宽(一般为5.8V以上)。电化学窗口是指电解质能够稳定存在的电压范围即在充放电过程中，要求电解质在正负极材料发生的氧化还原反应电位之间保持稳定，超出这个电位范围，电解质就会发生电化学反应而分解。离子液体基本无毒性、便于保存，近年来在环境、化工、生物等领域应用越来越广泛，尤其是在锂电池、太阳能电池中的应用。更可贵的是离子液体可通过选择适当的阴离子或微调阳离子的烷基链，改善离子液体的物理性质和化学性质。与盐溶液的导电性不同的是，离子液体的电流随电压变化较为灵敏，不存在测量的滞后性问题，如图3所示的纯度为99％的咪唑类四氟硼酸盐这种离子液体的循环伏安特性曲线。基于以上离子液体的特性，将其应用于电模拟系统可望获得更好模拟效果。

发明内容

本发明是首次将离子液体作为电解质引入水电相似模拟实验中来代替传统的盐水溶液以改进传统水电模拟实验中电解反应、ΔU-I直线拟合偏差较大、温度升高对盐溶液电导率的影响以及盐溶液电流滞后于电压变化的影响。本发明的目的在于，提供一种新的复杂结构井渗流规律的电模拟系统，以解决现有技术的如下问题：第一，现有的电模拟装置主要以NaCl等水溶液为电解质，电化学窗口一般为1～2V，使用这种电解质在模拟复杂结构井时，由于测量电压较高、测量时间较长(一般为两个小时)、模拟多段复杂裂缝的铜网电极与电解质溶液接触面积较大，铜网电极与电解质溶液不断进行电化学反应从而导致整个模拟电场非常不稳定，电流和电压测量精度较差，这样对测得的等压线分布规律性影响非常大，不能满足渗流机理研究的需要。第二，现有的电模拟实验装置多为手动或半自动装置，测量时需要手动移动探针，需要手工记录电压数据，测量时间较长，并且精度较低。第三，当改变电压ΔU值时，由于电压增大，盐溶液导电性存在滞后性，电流变化情况缓慢，测得的电流比理想模拟值有较大偏差，绘制出的ΔU-I曲线与直线偏离程度很大，严重影响了水电模拟实验的准确性，导致拟合参数的求取极为不准确。第四，由于测量时间较长，溶液不断进行电解反应，电能不断转化为热能与化学能，溶液温度缓慢上升，溶液电导率受温度变化而改变，盐溶液电场的不稳定性加剧，模拟误差增大。第五，提供一种可以有效研究复杂结构井渗流规律的实验方法。

本发明所提供的复杂结构井渗流规律的电模拟系统包括：

塑料电解质槽，用于盛放电解质溶液；

大型数采仪，包括控制终端电脑用于实验中自动取点和记录数据；

铜电极，连接在位置传感器下方；

位置传感器，固定在大型取点采样仪的运动臂上；

多种复杂结构井铜制模型；

该电模拟系统还包括：电压表和电流表(可以接计算机USB端口的多功能电压表、电流表)，一端连接于大型取点采样仪的探针，另一端连接于所述的模拟复杂结构井，以获取电压值，电流表，测量井筒电流，并将所述的电压值传输给控制终端电脑，可调压的直流电源。

大型数采仪探针可以在电解质槽中进行三维方向自由移动和进行测量。

离子液体导电能力与金属铜电极相容性最佳，因此选用金属铜来做探针、模拟井材料。

附图说明

图1所示为现有技术所提供的电模拟实验装置示意图；

图2所示为1mol/L氯化钠溶液循环伏安特性曲线图；

图3所示为纯度99％的咪唑类四氟硼酸盐离子液体的循环伏安特性曲线图；

图4所示为本发明所提供的复杂结构井渗流规律的电模拟系统的结构示意图；

图5所示为大型数采仪及其控制终端电脑示意图；

图6所示为水平井多段压裂结构示意图；

图7所示为分支井结构示意图；

图8所示为水平井体积压裂结构示意图；

图9所示为二级裂缝U型井结构示意图；

图10所示为复杂结构井渗流规律的电模拟方法流程图。

具体实施方式

结合说明书附图来详细讲述本发明实施方式：

如图4所示，为本发明实施所提供的复杂结构井渗流规律电模拟系统结构示意图。该电模拟系统包括：终端控制电脑201、位置传感器202、电解质槽203、铜棒探针204、模拟复杂结构井205、电压表206、电流表207、调压直流电源208。离子液体导电能力与金属铜电极相容性最佳，因此选用金属铜来做探针、模拟井材料。

本发明装置工作流程：正常工作时，将电解质槽置于工作台上,将复杂结构井模型置于电解质槽中，将导线接在数采仪探针上，另一条导线接在所模拟的复杂结构井端口上，旋转调零旋钮，校准数采仪原点位置以及实际所需的Z轴高度,水平井端口处坐标设为(0,0,0)，在控制终端电脑导入复杂结构井形状、长宽高等相关参数信息，随即自动生成待测各点坐标，在控制终端电脑选择需要测量的点并确认，开启直流电源开关并调好直流电源电压，数采仪即可自动工作，每当铜探针到达一个待测坐标时，铜探针立即停止运动，位置传感器同时向控制终端电脑发送一个信号，控制终端电脑收到这个信号后，立即接收电压表和电流表所发来的数据信息，控制终端电脑记录该点的位置坐标和电压电流数据，接收完毕后，控制终端电脑发送给位置传感器下一个待测位置信息，以此类推，测量结束之后，控制终端电脑对所得数据进行分析作图。

如图6所示，为水平井多段压裂结构示意图，模拟在水平井上压裂出多条裂缝，可以从空间上更直观的了解水平井周围的压力分布情况，从而可以对多段压裂水平井压力分布有更深入的研究。

如图7所示，为分支井结构示意图，可以从空间上更直观的了解分支井周围的压力分布情况，从而可以对分支井压力分布有更深入的研究。

如图8所示，为水平井体积压裂结构示意图，可以研究复杂缝网条件下的渗流规律，对实际现场有较大的指导意义。

如图9所示，为二级裂缝U型井结构示意图，可以从实验的角度具体研究复杂U型井的渗流规律。

对比图6、图7、图8、图9三种复杂结构井可以研究不同因素对地层压力分布、产量等的影响。

本发明的有益效果在于，第一，本发明首次使用了一种新的电解质咪唑类四氟硼酸盐离子液体来替代原有NaCl等水溶液电解质，离子液体电化学窗口相比传统盐水溶液更宽，电导率极为接近，只要保持测量电压在0～5V内，就完全不会发生电化学反应而分解；电压在5～10V时，由于离子液体粘度较大电解反应非常缓慢，可忽略不计，基本消除了电解反应对电场稳定性的影响。第二，本发明使用的新型电解质还明显改善了溶液导电性随电压的变化率，使测量的ΔU-I曲线更接近于理想的直线，大大减小了实验误差，使得求取出的拟合参数更加精准，模拟结果更加真实可信。第三，由循环伏安特性曲线可以看出咪唑类四氟硼酸盐离子液体相比传统盐溶液而言对电压变化极为敏感，因此可以进行快速机械化全自动测量而不失其精确性。第四，该技术方案还实现了电模拟实验数据测量和采集的全自动化，测试时间由原来的3-4小时减少为目前的45分钟左右，大幅提高了实验效率。大型取点采样仪的定位精度可精确至±0.01毫米，使得测量结果更加精确。第五，离子液体稳定性极好，防止了长时间通电导致温度升高改变了电解质电导率的问题。第六，这种装置提供了一种可以较为精确模拟研究多种复杂结构井的方法，可以研究不同形状复杂结构井、不同裂缝参数以及不同井网形式等对地层压力分布、产量等的影响，为复杂结构井渗流规律的研究提供了一种可靠的实验手段。

以上对本发明的原理及实施方式进行了阐述，并提供了使用案例，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.基于离子液体的新型复杂结构井渗流电模拟系统，其特征在于所述的电模拟系统包括：

塑料电解质槽、大型数采仪(包括控制终端电脑)、位置传感器、铜制探针、多种复杂结构水平井铜制模型。

2.如权利要求1所述的新型复杂结构井渗流规律电模拟系统，其特征在于，所述的电模拟系统采用了全新的离子液体(如纯度为99％的咪唑类四氟硼酸盐)来替代传统电解质溶液。

3.如权利要求1所述的大型数采仪(包括终端控制电脑)，其特征在于可以进行三维移动、准确取点并测量三维电压分布、记录数据。

4.如权利要求1所述的多种复杂结构井铜制模型，其特征在于模拟了水平井多段压裂、分支井、水平井体积压裂、二级裂缝U型井的铜制模型。

5.如权利要求1所述的铜制探针、多种复杂结构井铜制模型，其特征在于铜制模型和探针在离子液体中有良好的导电适应性。

6.如权利要求2所述的离子液体，其特征在于电导率接近传统盐溶液电导率，电化学窗口较宽，在测量电压范围内不易发生电解反应，电场更加稳定，离子液体热稳定性极好，对电压变化更加敏感。

7.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于可以快速准确的找到目标坐标并传输给控制终端电脑，并接收控制终端电脑指令。