CN107831052A - 一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置及方法，装置，包括模型管体，所述模型管体包括主管体，所述主管体为一贯通式管体，在主管体的左、右两端分别封堵有左管端密封盖、右管端密封盖，所述左管端密封盖内端面安装左筛网压制板，在左管端密封盖内端面和左筛网压制板之间分别安装有粗、细筛网，所述右管端密封盖内端面安装右筛网压制板，在右管端密封盖内端面和右筛网压制板之间也分别安装有粗、细筛网；所述主管体上开设模拟注采井孔或测压孔。本发明既能模拟实际油藏的边底水特点，又能模拟矿场人工气顶驱特征。

Description

一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置及方法

技术领域

本发明涉及填砂模型，具体地说是一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置及方法。

背景技术

在油气田开发过程中，油藏物理模拟实验始终是石油科技人员认识和掌握油藏中油水渗流规律的重要手段，而如何提高室内实验和矿场实际的模拟相似程度一直是科研人员寻求突破的难题。处于安全和成本考虑，相关技术应用首先通过填砂模型进行实验得到所需数据，尤其是对于复杂的断块油藏，需要多种手段或技术相结合提高采收率，比如注采耦合、边水驱、气水双驱等等，对实验提出更高要求。

在目前石油行业涉及的物理模拟实验中，常常采用填砂模型装置模拟地层岩心流动实验。比如，一种平板填砂模型渗流实验系统，专利申请号：CN201610311337.3；一种新型填砂装置，专利申请号：CN201620340410.5；一种可视化填砂模型管，专利申请号：CN201620032502.7；一种填砂模型管自动压实装置，专利申请号：CN201510913908.6；一种填砂模型管，专利申请号：CN201510726409.6。取得了一些成果，但仍存在一些问题：水驱实验方面，平板填砂模型一方面存在压实不够，“水窜”严重问题，另一方面耐压强度不高，也不能很好的模拟边底水，这都限制了对现场条件的模拟，实验方案调整面较窄；气驱实验方面，最主要的特点就是耐压要求高，具有一定的倾角，因此模型一般都是小尺寸的。国内外开展的此类物理模拟实验类型较为单一，人工完成填砂力量小，用力不均匀，压实效果差，要么不考虑承压问题，要么忽略模拟井位因素，要么选用模型太小，误差极大，难以提高实验与现场的相似程度反映驱油规律的认识，尤其针对当前现场实施的“气水双驱”难以模拟。

有鉴于此，提出一种设计合理且有效改善上述问题，特别是适合于“气水双驱”的大直径填砂模型装置，结构简单，省时省力，实用性强。

经过检索，没有发现跟本申请结构相同的公开文献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置及方法，针对目前断块油藏复杂条件丰富手段开展模拟实验，模拟条件更接近于实际油藏，可调整模型倾角大小，既能模拟实际油藏的边底水特点，又能模拟矿场人工气顶驱特征。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，包括模型管体，所述模型管体包括主管体，所述主管体为一贯通式管体，在主管体的左、右两端分别封堵有左管端密封盖、右管端密封盖，所述左管端密封盖内端面安装左筛网压制板，在左管端密封盖内端面和左筛网压制板之间分别安装有粗、细筛网，所述右管端密封盖内端面安装右筛网压制板，在右管端密封盖内端面和右筛网压制板之间也分别安装有粗、细筛网；所述主管体上开设模拟注采井孔或测压孔。

所述模拟注采井孔安装模拟注采井，所述测压孔安装测压装置。

还包括模型制作底座，所述模型制作底座呈圆筒状，模型制作底座内部为容纳模型管体的中心腔。

所述模型制作底座内部底面中心开设直径小于主管体内径的防变形孔。

所述模型制作底座中心腔内壁与主管体外壁为间隙配合。

所述模型制作底座外壁上设置有抓手。

还包括模型制作压制工具，所述模型制作压制工具包括压实板，所述压实板为一圆形板，压实板的直径与主管体的内径相一致，压实板上表面设置提手。

所述模型制作压制工具还包括加压支撑环，所述加压支撑环位于压实板上方，且两者外径相同。

还包括模型固定架，所述模型固定架包括支架、主管体夹具，所述支架上端左、右两侧设置内齿圈，所述主管体夹具左、右两端连接转轴，转轴连接滚动齿轮，主动齿轮和内齿圈进行啮合。

所述主管体夹具包括上半圆卡具和下半圆卡具，上半圆卡具和下半圆卡具用螺栓连接固定后卡住夹紧主管体。

所述支架底部设置有滚轮。

还包括模型倾角调节把手，所述模型倾角调节把手包括把手、转轴夹具，所述转轴夹具包括夹体和锁定螺栓，转轴被夹体夹在夹体中间，夹体上安装用来夹紧转轴的锁定螺栓，锁定螺栓的上端设置把手。

所述夹体呈匚字形。

为了达成上述另一目的，本发明采用了如下技术方案，一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置的使用方法，包括以下步骤：

在主管体其中一端安装管端密封盖的步骤，在此步骤中管端密封盖内端面安装筛网压制板，在管端密封盖内端面和筛网压制板之间分别安装有粗、细筛网；

将上一步的主管体竖直后放入模型制作底座中进行填砂的步骤，在此步骤中，一边填砂，一边采用模型制作压制工具夯实填砂；

主管体在填砂完毕后安装另一端管端密封盖的步骤，在此步骤中管端密封盖内端面安装筛网压制板，在管端密封盖内端面和筛网压制板之间分别安装有粗、细筛网；

将上一步的主管体安置到模型固定架上进行实验的步骤，在此步骤中，通过模型倾角调节把手、转轴夹具调整主管体的旋转角度，在此步骤中，还在模拟注采井孔安装模拟注采井，测压孔安装测压装置，模拟水驱、气驱在不同储层温度、压力、倾角条件下的驱油效果与流动规律，研究边底水、气顶驱提高石油采出程度的机理。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

该模型装置耐压强度高、容积大，内径表面经过磨砂处理，表面与填砂之间结合紧密，能防止窜流，能够模拟渗透率大于100mD的油藏环境，并可方便与室内物理模拟实验流程相连接。其中mD(毫达西)实际上就是渗透系数乘以含水层的厚度,它实际上只是一个一维流或平面二维流的指标。

不需高温烧结，微细孔隙得到完整保留，可充分考虑模型中的粘土含量与性质，保持实际油藏岩石一致性。

通过润湿性控制技术，可获得不同润湿类型的实验模型，亦可实现混合润湿状态。

模型制作压制工具包括压实板和加压支撑环，压实时通过加压支撑环手提压实板反复夯实，加压支撑环有高度150mm和350mm两种，内径200mm，环壁厚20mm；如若对压实程度要求高，还可将该装置加至机械锻压机上加压压实。填砂模型压实程度更大，密度更高，特有的防砂方法降低了模型在驱替实验过程中的出砂概率。

模型制作底座一是起到固定管体作用，二是底座中间留有直径为100mm的圆孔，用以保护管端盖出口闸门，防止受力变形。

模型管体用螺栓固定在模型固定架上，模型固定架两侧装备滚动齿轮，模型可360°旋转，用模型倾角调节把手调整模型转轴可控制模型的倾斜角度大小。

该大直径填砂模型装置能够用来模拟实际油藏地层条件下，注水井、注气井和采出井井位情况；边、底水来水方向与能量情况；实验条件下提高石油采收率情况；整个注采过程中压力变化情况。

该装置结构简单，操作方便，省时省力，实用性强，同样适用于一般油藏注采过程的常规模拟。

附图说明

图1为本发明一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置的结构示意图；

图2为模型制作底座示意图；

图3为模型制作压制工具示意图；

图4为模型固定架示意图；

图5为模型倾角调节把手示意图。

图中：1-主管体；2-左筛网压制板；3-左管端盖；4-模拟注采井或测压点；5-左筛网压制板；6-左管端盖；7、加压支撑环；8、压实板；

11、半圆形钢板；12、倾角调节把手；13、转轴；14、滚动齿轮；15、支架。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅为参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

如图1至图5所示，一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，包括模型管体、模型制作底座、模型制作压制工具、模型固定架和模型倾角调节把手。模型管体由主管体1、左筛网压制板2、左管端密封盖3、模拟注采井或测压点4、右筛网压制板5、右管端密封盖6组成，主管体长度为500mm，内径为200mm，管壁厚度20mm；注采井位置分别位于距两端面150mm处。最大承压25MPa。

所述主管体1首先安装一端的管端盖，将安装好管端盖的主管体一端直立于模型制作底座上，以保护管端盖出口闸门，防止受力变形；把拌好的砂分次装入主管体1内，并用手提模型制作压制工具反复夯实，当砂面至模拟注采井孔或测压孔处，小心安装模拟注采井或测压装置并固定，装入砂至主管体1端部螺纹处压实后安装另一端管端盖。

上述方案中的管端盖即左管端密封盖3、右管端密封盖6用环状螺纹直接密闭连接在主管体1两端；用螺栓将5mm厚的筛网压制板固定在左管端密封盖3、右管端密封盖6内侧，筛网压制板和管端盖内侧面中间分别安装粗、细筛网；筛网的主要作用用来防止实验过程出砂堵塞出口，压制板表面呈“蜘蛛网”形状，节点处均有小孔作为渗流通道保证实验流体驱替均匀，将筛网用压制板固定更利于保障模型制作的成功率，防止在密封盖在旋紧过程中筛网侵入砂体和褶皱变形的情况；从模拟注采井孔中向主管体内安装模拟注采井4，模拟注采井长度可根据实验设计需要改变，井筒经过防砂处理；模拟注采井位置还可作为测压点；主管体长度为500毫米，内径为200mm，管壁厚度20mm；注采井位置分别位于距两端面150mm处,注采井亦可通过调整井筒弯折控制井距。

所述模型制作底座一是起到固定管体作用，二是底座中间留有直径为100mm的圆孔，用以保护管端盖出口闸门受力变形；模型制作压制工具包括压实板8和加压支撑环7，压实时通过加压支撑环然后手提压实板的手柄反复夯实，加压支撑环有高度150mm和350mm两种，管径200mm，环壁厚20mm；如若对压实程度要求高，还可将该装置加至机械锻压机上加压压实。

所述模型固定架，包括半圆形钢板11、倾角调节把手12、转轴13、滚动齿轮14和支架15。模型管体用螺栓固定在模型固定架上，模型固定主要由两个半圆形钢板11环绕完成，钢板内径与模型管体外径一致，宽80mm，厚30mm；将固定架上的钢板凹面向上固定，将填砂后的模型管体水平置于其上加上钢板固定，旋紧固定架左右两端的四个螺帽，然后再垂直方向上下两端再旋紧两个螺帽使其更加固定。

上述模型固定架两侧装备滚动齿轮14，模型可360°旋转，用旋紧模型倾角调节把手12可固定转轴13，通过调整转轴13控制模型的倾斜角度大小；支架15可以采用三角支架，结构稳定可保证模型固定过程中操作安全，底部安装滚轮可推动，亦可锁住滚轮固定位置。

所述模型倾角调节把手包括把手1203、转轴夹具，所述转轴夹具包括夹体1201和锁定螺栓1202，转轴被夹体夹在夹体中间，夹体上安装用来夹紧转轴的锁定螺栓，锁定螺栓的上端设置把手。所述夹体呈匚字形。

该大直径填砂模型装置将传统的人造填砂模型的内径改进为200mm的截面圆，能够通过调整注采井的长度及弯折程度控制注采井距，可控制模型的倾斜角度，可以有效的模拟常规水驱、化学驱、气驱的开发过程，有效解决了不能同时模拟油藏顶部气驱、底部注水的“气水双驱”提高采收率技术。

该大直径填砂模型装置通过室内物理模拟驱油实验进行了验证，可以满足多种条件下油藏储层的开发情况，从而大大提高了与矿场实际的相似度与适应性，具有很好的现场指导意义。

一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置的使用方法，包括以下步骤：

在主管体其中一端安装管端密封盖的步骤，在此步骤中管端密封盖内端面安装筛网压制板，在管端密封盖内端面和筛网压制板之间分别安装有粗、细筛网；

将上一步的主管体竖直后放入模型制作底座中进行填砂的步骤，在此步骤中，一边填砂，一边采用模型制作压制工具夯实填砂；

主管体在填砂完毕后安装另一端管端密封盖的步骤，在此步骤中管端密封盖内端面安装筛网压制板，在管端密封盖内端面和筛网压制板之间分别安装有粗、细筛网；

将上一步的主管体安置到模型固定架上进行实验的步骤，在此步骤中，通过模型倾角调节把手、转轴夹具调整主管体的旋转角度，在此步骤中，还在模拟注采井孔安装模拟注采井，测压孔安装测压装置，模拟水驱、气驱、化学驱等在不同储层压力、倾角条件下的驱油效果与流动规律，研究边底水、气顶驱提高石油采出程度的机理。例如，在复杂断块油藏物理模拟实验中，图1模型倾斜12°模拟油藏的倾角，左管端密封盖3在下部，模拟注采井孔4作为油藏的简单注采单元，靠近左管端密封盖3的井孔(下部位)作为注水井，靠近右管端密封盖6的井孔(上部位)作为采出井，模型左右两端可作为压力监测点。注入端采用高精度的ISCO泵提供驱替压力，中间容器用来盛放实验流体；采出端用并联油水分离器实现油水自动计量，全过程实现监控拍照，数字天平可实现自动采集，对出液量准确计量，详细介绍见实用新型专利——多功能高精度油水自动计量装置(ZL201520020307.8)。后期根据油藏调整开发策略调整实验方案，左管端密封盖3的孔位作为注水井，模拟油藏的边底水，采出井位置不变，通过分析实验结果获得相应的开采效果及驱油规律认识，从而得到复杂断块油藏提高采收率机理。

实施例1：

以下表1所列配方为例，按比例称取不同粒组的石英砂和粘土，并根据需要将部分石英砂表面进行润湿性处理，可达到混合润湿效果。按照上述方案制作了填砂模型开展了常规水驱+注采耦合+气水双驱实验，左管端密封盖3在下部，注采井孔4模拟油藏的简单注采单元，靠近左管端密封盖3的井孔(下部位)作为注水井，靠近右管端密封盖6的井孔(上部位)作为采出井，模型左右两端可作为压力监测点。水驱至含水95％，根据计量油水的数值计算采出程度，得到相应的实验曲线；根据油藏开发策略调整实验方案，左管端密封盖3的孔位作为注水井，模拟油藏的边底水，采出井位置不变，关闭出口，继续注水，当模型内部压力达到10MPa，停泵关闭进口，缓慢打开出口，计量油水的数值，重复以上步骤模拟注采耦合过程，依据实验结果获得开发效果；将右管端密封盖6的井孔作为注气井，根据实验条件缓慢注入氮气，实现顶部注气、底部注水，评价不同措施的开发效果。填砂干重84.55公斤，孔隙体积5090.4ml，饱和模拟油4364.2ml，初始含油饱和度85.47％，模拟倾角12.5°，左管端密封盖3的孔位作为注水井用以模拟油藏的边底水。实验结果：无水期采出程度28.06％，常规水驱含水到95％采出程度55.16％；憋压10MPa，经22次憋压-泄压循环后提高采收程度0.1％；顶部注气、底部注水，提高采收程度7.8％。对大幅度提高断块油藏采收率机理研究提供了可靠的实验数据与理论依据。

下表1为填砂模型配方设计：

实施例2：

以下表2所列配方为例，按比例称取不同粒组的石英砂和粘土，根据研究需要将石英砂表面进行润湿性处理，可达到亲油润湿效果。按照上述方案制作了填砂模型开展化学药剂评价实验，模型倾角＜10°，左管端密封盖3在下部，注采井孔4模拟油藏的简单注采单元，靠近左管端密封盖3的井孔(下部位)作为注水井，靠近右管端密封盖6的井孔(上部位)作为采出井，模型左右两端可作为压力监测点。注入端采用高精度的ISCO泵提供驱替压力，中间容器用来盛放实验流体；采出端用并联油水分离器实现油水自动计量，全过程实现监控拍照，数字天平可实现自动采集，对出液量准确计量。含水95％时，注入某化学药剂段塞，继续水驱，评价化学驱效果。实验结果表明，常规水驱无水期采出程度较小，仅为23.17％，水驱含水到95％采出程度33.36％，注入化学药剂段塞后，含水发生明显下降，含水至99％时实验结束，最终采出程度达到68.52％，提高采收率35.26％。未对比其他开发措施和评价相应的化学试剂提供了可靠的实验数据和实验方法。

下表2为填砂模型配方设计：

实施例3：

以下表3所列配方为例，按比例称取不同粒组的石英砂和粘土，不考虑岩石表面润湿情况。由于石英砂的特性，模型的润湿性应为强亲水。按照上述方案制作了填砂模型开展边水驱实验，模型倾角＜5°，左管端密封盖3在下部，左管端密封盖3的井孔作为注水井，靠近右管端密封盖6的井孔(上部位)作为采出井，模型右端与靠近左管端密封盖3的井孔(下部位)作为压力监测点。考察纯边水驱开发策略的开采效果，填砂干重102.4公斤，孔隙体积4219.6ml，饱和模拟油3567.7ml，初始含油饱和度84.55％，模拟倾角3.5°，实验结果：无水期采出程度33.74％，水驱含水到95％采出程度57.73％，含水至99％时采出程度66.87％。为对比其他开发措施和数值模拟提供了可靠的实验数据。

下表3为填砂模型配方设计：

以上所述是本发明优选实施方式，不能以此来限定本发明之权利范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，包括模型管体，其特征在于，所述模型管体包括主管体，所述主管体为一贯通式管体，在主管体的左、右两端分别封堵有左管端密封盖、右管端密封盖，所述左管端密封盖内端面安装左筛网压制板，在左管端密封盖内端面和左筛网压制板之间分别安装有粗、细筛网，所述右管端密封盖内端面安装右筛网压制板，在右管端密封盖内端面和右筛网压制板之间也分别安装有粗、细筛网；所述主管体上开设模拟注采井孔或测压孔。

2.根据权利要求1所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，所述模拟注采井孔安装模拟注采井，所述测压孔安装测压装置。

3.根据权利要求1所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，还包括模型制作底座，所述模型制作底座呈圆筒状，模型制作底座内部为容纳模型管体的中心腔。

4.根据权利要求3所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，所述模型制作底座内部底面中心开设直径小于主管体内径的防变形孔。

5.根据权利要求3所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，所述模型制作底座中心腔内壁与主管体外壁为间隙配合。

6.根据权利要求3所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，所述模型制作底座外壁上设置有抓手。

7.根据权利要求1所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，还包括模型制作压制工具，所述模型制作压制工具包括压实板，所述压实板为一圆形板，压实板的直径与主管体的内径相一致，压实板上表面设置提手。

8.根据权利要求7所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，所述模型制作压制工具还包括加压支撑环，所述加压支撑环位于压实板上方，且两者外径相同。

9.根据权利要求1所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，还包括模型固定架，所述模型固定架包括支架、主管体夹具，所述支架上端左、右两侧设置内齿圈，所述主管体夹具左、右两端连接转轴，转轴连接滚动齿轮，主动齿轮和内齿圈进行啮合。

10.根据权利要求9所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，所述主管体夹具包括上半圆卡具和下半圆卡具，上半圆卡具和下半圆卡具用螺栓连接固定后卡住夹紧主管体。

11.根据权利要求9所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，所述支架底部设置有滚轮。

12.根据权利要求1所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，还包括模型倾角调节把手，所述模型倾角调节把手包括把手、转轴夹具，所述转轴夹具包括夹体和锁定螺栓，转轴被夹体夹在夹体中间，夹体上安装用来夹紧转轴的锁定螺栓，锁定螺栓的上端设置把手。

13.根据权利要求12所述的一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置，其特征在于，所述夹体呈匚字形。

14.一种物理模拟实验用的特制大直径填砂模型装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

在主管体其中一端安装管端密封盖的步骤，在此步骤中管端密封盖内端面安装筛网压制板，在管端密封盖内端面和筛网压制板之间分别安装有粗、细筛网；

将上一步的主管体竖直后放入模型制作底座中进行填砂的步骤，在此步骤中，一边填砂，一边采用模型制作压制工具夯实填砂；

主管体在填砂完毕后安装另一端管端密封盖的步骤，在此步骤中管端密封盖内端面安装筛网压制板，在管端密封盖内端面和筛网压制板之间分别安装有粗、细筛网；

将上一步的主管体安置到模型固定架上进行实验的步骤，在此步骤中，通过模型倾角调节把手、转轴夹具调整主管体的旋转角度，在此步骤中，还在模拟注采井孔安装模拟注采井，测压孔安装测压装置，模拟水驱、气驱在不同储层温度、压力、倾角条件下的驱油效果与流动规律，研究边底水、气顶驱提高石油采出程度的机理。