CN107060713B - 一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置和方法，所述装置包括容器、恒速恒压泵、蒸汽发生器、恒温箱、模拟直井和填砂模型；模拟直井包括金属帽、实心条状石蜡和中空金属管；选用石蜡来模拟径向孔，将其制成条状插入金属帽射孔中，采用有机溶剂将石蜡溶解后留下的缝隙能使径向孔区域孔隙度明显大于周围油砂的孔隙度，同时保证后续的模拟热采注入的蒸汽能经由径向孔顺畅地进入油砂。

Description

一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置和方法。

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地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，能够模拟的地层和储层环境也很丰富。但现有的模拟装置和模拟方法都缺乏对储层中预置径向孔的研究，本发明通过在模拟直井一端加设带孔金属帽，再配上用石蜡条模拟的径向孔，整套装置能够合理有效地模拟油藏储层中预置径向孔后注蒸汽热采的过程。

发明内容

为了解决现有物理模拟装置和方法不能够有效研究预置径向孔注蒸汽热采问题，本发明提供一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置和方法，其是在三维情况下模拟油藏储层中预置径向孔注蒸汽热采过程的方法，该模拟方法借助多功能注蒸汽热采三维物理模拟实验装置。

本发明的技术方案是：一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，所述预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置包括容器、恒速恒压泵、蒸汽发生器、恒温箱、模拟直井和填砂模型；

其中，所述恒速恒压泵通过管路一端与所述容器连接，另一端通过管路与所述蒸汽发生器连接；

所述模拟直井设置在所述填砂模型的底部，所述填砂模型设置在所述恒温箱内，所述蒸汽发生器通过管路与所述模拟直井连接。

进一步，所述预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置还包括用于计量产出的油量的油水计量装置，所述油水计量装置通过管路与填砂模型的底部的井眼连接。

进一步，所述预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置还包括数据采集器，所述数据采集器与所述填砂模型和恒温箱的对应底部上的多个插设温度和/或压力传感器的测量孔眼内的温度和/或压力传感器数据连接。

进一步，所述填砂模型为长度为30cm、宽度为30cm,高度为10cm，所述填砂模型内部设有油砂，所述油砂为原油与石英砂的质量比为0.5-0.7混合制成。

进一步，所述模拟直井包括A型金属帽、实心条状石蜡和中空金属管；所述A型金属帽的底部的中心位置设有一盲孔，侧部设置有一个射孔，且所述射孔一端与所述盲孔连通；所述中空金属管的出口端插入所述盲孔的另一端，所述实心条状石蜡从所述射孔的另一端插入所述射孔的内部；中空金属管的入口端插入填砂模型的井眼上。

进一步，所述A型金属帽还可为多射孔金属帽，所述多射孔金属帽包括B型金属帽、C型金属帽、D型金属帽

其中，所述B型金属帽具有两个射孔，两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行排布；所述C型金属帽具有五个射孔，其中两个射孔在金属帽轴向上位于上部层，位于上部层的两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行排布；另外三个射孔在金属帽轴向上位于下部层，位于下部层的三个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行均匀排布；所述D型金属帽具有四个射孔，其中两个射孔在金属帽轴向上位于上部层，位于上部层的两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔180度进行排布；另外两个射孔在金属帽轴向上位于下部层，位于下部层的两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔180度进行均匀排布或四个射孔在周向上的投影点以90度间隔均布排布。

进一步，所有射孔直径为2-5mm，长度为3-5mm。

本发明还涉及一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验方法，其采用上述模拟实验装置来实现，包括以下步骤：

第一步：制作金属帽，金属帽的底部设置有盲孔，金属帽的侧部设置有射孔，射孔与盲孔连通；

第二步：中空金属管的出口端首先插入金属帽的盲孔中，将实心条状石蜡插入金属帽的射孔中，以用来模拟径向孔，金属帽、实心条状石蜡和中空金属管组成模拟直井；最后将中空金属管的入口端插入模拟实验装置的填砂模型的井眼上；

第三步：将原油与石英砂按照一定比例，优选原油与石英砂的质量比为0.5-0.7，混合制成油砂，并将油砂填装到填砂模型中；

第四步：将填砂模型安装于模拟实验装置的恒温箱中，并且设定为100-150℃，

第五步：对模拟实验装置进行密封，用高压氮气向填砂模型加压，加压至一定压力，并且检测填砂模型是否漏气；

第六步：采用蠕动泵向中空金属管入口端注入有机溶剂，将射孔中实心条状石蜡溶解，这样就使得射孔前端区域孔隙度明显大于周围油砂的孔隙度，有效模拟出径向孔；

第七步：启动恒速恒压泵将容器中水泵入到蒸汽发生器，运行蒸汽发生器，待蒸汽发生器产生稳定的蒸汽后向填砂模型内注入高温蒸汽，进行蒸汽驱，蒸汽是经由中空金属管的入口端注入到填砂模型内的；模拟过程中通过数据采集器不断监测温度、压力的变化，并通过油水计量装置不断计量产出的油量；

第八步：实验停止后，结合实验数据绘制温度场云图、压力变化曲线，并进行数据分析。

进一步，所述方法还包括第九步：实验停止后，打开模拟实验装置，清理油砂，取出模拟直井，更换不同的金属帽重复实验。

进一步，填砂模型和恒温箱的对应底部上分别相对设有多个插设温度和/或压力传感器的测量孔眼，插设在测量孔眼的温度和/或压力传感器与数据采集器连接。

进一步，所述步骤5中压力为1-5 MPa。

本发明的有益效果如下：由于采用上述技术方案，本发明具有以下特点：

1.选用石蜡来模拟径向孔，将其制成条状插入金属帽射孔中，采用有机溶剂将石蜡溶解后留下的缝隙能使径向孔区域孔隙度明显大于周围油砂的孔隙度，同时保证后续的模拟热采注入的蒸汽能经由径向孔顺畅地进入油砂。

2.设计多种金属帽，不同的金属帽四周有不同的射孔排布，可以有效地研究不同数目和方向的径向孔对注蒸汽热采的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置示意图。

图2为本发明中的模拟直井的结构示意图。

图3为本发明中的A型金属帽示意图；

图4为本发明中的B型金属帽示意图；

图5为本发明中的C型金属帽示意图；

图6为本发明中的D型金属帽示意图；

图7为本发明中的E型金属帽示意图。

图中：

1.容器、2.恒速恒压泵、3.蒸汽发生器、4.数据采集器、5.恒温箱、6.模拟直井、7.填砂模型、8.油水计量装置、9. 实心条状石蜡、10.金属帽、10-1.盲孔、10-2.射孔、11.中空金属管。

具体实施方式

如图1-图2所示，本发明一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，所述装置包括容器1、恒速恒压泵2、蒸汽发生器3、数据采集器4、恒温箱5、模拟直井6、填砂模型7和油水计量装置8。如图2所示，模拟直井6包括金属帽10、实心条状石蜡9和中空金属管11；金属帽10的底部设置有盲孔，金属帽10的侧部设置有射孔，射孔与盲孔连通；中空金属管11的出口端插入金属帽10的盲孔中，实心条状石蜡9插入金属帽10的射孔中，以用来模拟径向孔。图1所示，组装完模拟直井6后，将模拟直井6的中空金属管11的入口端插入填砂模型7的井眼上，填砂模型7安装于恒温箱5中，泵2的入口端与容器1连接，蒸汽发生器3与泵2的出口端连接，泵2将容器1中水泵入到蒸汽发生器3，蒸汽发生器3向填砂模型7内注入高温蒸汽，进行蒸汽驱，蒸汽经由中空金属管11的入口端注入到填砂模型7内。填砂模型7和恒温箱5的对应底部上分别相对设有多个插设温度和/或压力传感器的测量孔眼，插设在测量孔眼的温度和/或压力传感器与数据采集器4连接。实验过程中通过数据采集器4不断监测温度、压力的变化，并油水计量装置8通过不断计量产出的油量。油水计量装置8优选与填砂模型7的井眼连接，用于计量产出的油量。数据采集器4主要采集温度和压力这两个参数，温度和压力传感器位于填砂模型底部，它们呈点阵排布，它们都通过数据线与数据采集器4相连。油水计量装置8优选包括烧杯容器和电子天平，主要计量采出油的重量。其中，将原油与石英砂按照一定比例，优选原油与石英砂的质量比为0.5-0.7，混合制成油砂，并将油砂填装到填砂模型7中。实验过程中，向中空金属管11入口端注入有机溶剂，优选通过蠕动泵向中空金属管11入口端注入有机溶剂，将实心条状石蜡9溶解，这样就使得射孔前端区域孔隙度明显大于周围油砂的孔隙度，有效模拟出径向孔。中空金属管11未装金属帽一端为入口端，插入填砂模型7过程为从里向外，让入口端露出腔体。

在实验过程中，优选通过氮气瓶，向填砂模型7内注入高压氮气来加压；填砂模型7底部的井眼口既可以做注入井又可以做采出井，每个井口都配有阀门。选择一个来注入高压氮气（不要选择带金属帽的），同时关闭其它井眼口， 加压至1-5 MPa ，优选为3MPa，通过压

力表来判断是否停止注入，注入结束，关紧阀门。优选用肥皂水检测实验系统是否漏气。

有机溶剂为石油醚、丙酮或氯仿。还可以采用汽油、柴油、液体石蜡等有机溶液剂都能溶解石蜡。

实验过程中，采用蠕动泵向中空金属管11入口端注入有机溶剂，将实心条状石蜡9溶解，这样就使得射孔前端区域孔隙度明显大于周围油砂的孔隙度，明显大于即通过肉眼观察该区域有明显缝隙。溶解前石蜡条被包在油砂中，为一个整体，有机溶剂将实心条状石蜡9溶解后就形成了孔隙，有效模拟出径向孔。径向水平井是利用高压水喷射破岩，在一口井的同一油层或不同油层内沿径向钻出一个水平井眼，以增加油层的泄油面积来提高油井采收率。在本实验模拟中径向孔就是模拟实际作业中的径向水平井，根本目的就是要在直井出口的水平区域内造成一段空隙；实心条状石蜡9被溶解后留下的空间即是预置径向孔。

图3是A型金属帽示意图，A型为单孔，即在金属帽的圆周侧壁上只有一个射孔。图4是B型金属帽示意图，B型金属帽具有两个射孔，两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行排布。图5是C型金属帽示意图，C型金属帽具有五个射孔，其中两个射孔在金属帽轴向上位于上部层，这两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行排布；另外三个射孔在金属帽轴向上位于下部层，这三个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行均匀排布。图6是D型金属帽示意图，D型金属帽具有四个射孔，其中两个射孔在金属帽轴向上位于上部层，这两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔180度进行排布；另外两个射孔在金属帽轴向上位于下部层，这两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔180度进行均匀排布，在俯视图上，这四个射孔在周向上的投影点以90度间隔均布排布。图7是E型金属帽示意图，E型金属帽具有三个射孔，其中一个射孔在金属帽轴向上位于上部层；另外两个射孔在金属帽轴向上位于下部层，这两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行均匀排布，在俯视图上，这三个射孔在周向上的投影点以120度间隔均布排布。所有射孔直径均为优选为2-5mm，长度为3-5mm，再次优选为3mm。当然，本领域技术人员可以根据需要设置出不同的射孔排布。

采用上述模拟实验装置进行注蒸汽热采三维物理模拟实验方法，包括以下步骤：

第一步：制作金属帽10，金属帽10的底部设置有盲孔，金属帽10的侧部设置有射孔，射孔与盲孔连通；

第二步：中空金属管11的出口端首先插入金属帽10的盲孔中，将实心条状石蜡9插入金属帽10的射孔中，以用来模拟径向孔，金属帽10、实心条状石蜡9和中空金属管11组成模拟直井6；最后将中空金属管11的入口端插入模拟实验装置的填砂模型7的井眼上；

第三步：将原油与石英砂按照一定比例，优选原油与石英砂的质量比为0.5-0.7，混合制成油砂，并将油砂填装到填砂模型7中；

第四步：将填砂模型7安装于模拟实验装置的恒温箱5中，并且设定温度为120℃；

第五步：对模拟实验装置进行密封，用高压氮气向填砂模型7加压，加压至3Mpa,并且检测模拟实验装置是否漏气；

第六步：采用蠕动泵向中空金属管11入口端注入有机溶剂，将实心条状石蜡9溶解，这样就使得射孔前端区域孔隙度明显大于周围油砂的孔隙度，有效模拟出径向孔；

第七步：恒速恒压泵2将容器1中水泵入到蒸汽发生器3，运行蒸汽发生器3，待蒸汽发生器3产生稳定的蒸汽后向填砂模型7内注入高温蒸汽，进行蒸汽驱，蒸汽是经由中空金属管11的入口端注入到填砂模型7内的；模拟过程中通过数据采集器4不断监测温度、压力的变化，并通过油水计量装置8不断计量产出的油量。

第八步：实验停止后，结合实验数据绘制温度场云图、压力变化曲线，并进行数据分析；

第九步：实验停止后，打开模拟实验装置，清理油砂，取出模拟直井6，更换不同的金属帽重复实验。

其中，填砂模型7和恒温箱5的对应底部上分别相对设有多个插设温度和/或压力传感器的测量孔眼，插设在测量孔眼的温度和/或压力传感器与数据采集器4连接。

Claims (7)

1.一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于，所述预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置包括容器（1）、恒速恒压泵（2）、蒸汽发生器（3）、恒温箱（5）、模拟直井（6）和填砂模型（7）；其中，所述恒速恒压泵（2）通过管路一端与所述容器（1）连接，另一端通过管路与所述蒸汽发生器（3）连接；所述模拟直井（6）设置在所述填砂模型（7）的底部，所述填砂模型（7）设置在所述恒温箱（5）内，所述蒸汽发生器（3）通过管路与所述模拟直井（6）连接；所述预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置还包括用于计量产出的油量的油水计量装置（8），所述油水计量装置（8）通过管路与填砂模型（7）的底部的井眼连接；所述预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置还包括数据采集器（4），所述填砂模型（7）和恒温箱（5）的对应底部上分别相对设有多个插设温度和/或压力传感器的测量孔眼，插设在测量孔眼内的温度和/或压力传感器与数据采集器（4）通过数据线连接；

所述模拟直井（6）包括金属帽（10）、实心条状石蜡（9）和中空金属管（11）；所述金属帽（10）为A型金属帽，

所述A型金属帽（10）的底部的中心位置设有一盲孔（10-1），侧部设置有一个射孔（10-2），且所述射孔（10-2）一端与所述盲孔（10-1）连通；所述中空金属管（11）的出口端插入所述盲孔（10-1）的另一端，所述实心条状石蜡（9）从所述射孔的另一端插入所述射孔（10-2）的内部；中空金属管（11）的入口端插入填砂模型（7）的井眼上。

2.根据权利要求1所述的预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于，所述填砂模型（7）长度为30cm、宽度为30cm、高度为10cm，所述填砂模型（7）内部设有油砂，所述油砂为原油与石英砂的质量比为0.5-0.7混合制成。

3.根据权利要求1所述的预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于，所述金属帽（10）还可为多射孔金属帽，所述多射孔金属帽包括B型金属帽、C型金属帽、D型金属帽：其中，所述B型金属帽具有两个射孔，两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行排布；所述C型金属帽具有五个射孔，其中两个射孔在金属帽轴向上位于上部层，位于上部层的两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行排布，另外三个射孔在金属帽轴向上位于下部层，位于下部层的三个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔120度进行均匀排布；所述D型金属帽具有四个射孔，其中两个射孔在金属帽轴向上位于上部层，位于上部层的两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔180度进行排布，另外两个射孔在金属帽轴向上位于下部层，位于下部层的两个射孔在金属帽的圆周侧壁上以周向间隔180度进行均匀排布，或四个射孔在周向上的投影点以90度间隔均布排布。

4.根据权利要求3所述的预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置，其特征在于，所有射孔直径为2-5mm，长度为3-5mm。

5.一种预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验方法，其采用如权利要求1所述的预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验装置进行，其特征在于，包括以下步骤：第一步：制作A型金属帽（10），A型金属帽（10）的底部设置有盲孔，A型金属帽（10）的侧部设置有射孔，射孔与盲孔连通；第二步：中空金属管（11）的出口端首先插入A型金属帽（10）的盲孔中，将实心条状石蜡（9）插入A型金属帽（10）的射孔（10-2）中，以用来模拟径向孔，A型金属帽（10）、实心条状石蜡（9）和中空金属管（11）组成模拟直井（6）；最后将中空金属管（11）的入口端插入模拟实验装置的填砂模型（7）的井眼上；第三步：将原油与石英砂按照质量比为0.5-0.7混合制成油砂，并将油砂填装到填砂模型（7）中；第四步：将填砂模型（7）安装于模拟实验装置的恒温箱（5）中，并且设定为100-150℃；第五步：对模拟实验装置进行密封，用高压氮气向填砂模型（7）加压，加压至一定压力，并且检测填砂模型（7）是否漏气；第六步：采用蠕动泵向中空金属管（11）入口端注入有机溶剂，将射孔（10-2）中实心条状石蜡（9）溶解，这样就使得射孔前端区域孔隙度明显大于周围油砂的孔隙度，有效模拟出径向孔；第七步：启动恒速恒压泵（2）将容器（1）中水泵入到蒸汽发生器（3），运行蒸汽发生器（3），待蒸汽发生器（3）产生稳定的蒸汽后向填砂模型（7）内注入高温蒸汽，进行蒸汽驱，蒸汽是经由中空金属管（11）的入口端注入到填砂模型（7）内的；模拟过程中通过数据采集器（4）通过插设在测量孔眼的温度和/或压力传感器不断监测温度、压力的变化，并通过油水计量装置（8）不断计量产出的油量；第八步：实验停止后，结合实验数据绘制温度场云图、压力变化曲线，并进行数据分析。

6.根据权利要求5所述的预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验方法，其特征在于，所述方法还包括第九步：实验停止后，打开模拟实验装置，清理油砂，取出模拟直井（6），更换不同的金属帽重复实验。

7.根据权利要求5所述的预置径向孔注蒸汽热采三维物理模拟实验方法，其特征在于，所述第五步中压力为1-5MPa。

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