CN109827884A - 一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置方法，包括放置在高温高压釜内的真实砂岩高温高压微观可视化模型，高温高压釜连接有用于对真实砂岩高温高压微观可视化模型进行加压的压力系统，高温高压釜上部设置有显微镜；真实砂岩高温高压微观可视化模型包括岩片，岩片下表面设置有第一玻璃，并且第一玻璃与岩片通过粘接剂连接在一起，第一玻璃上开有两个孔，模型流体入口与模型流体出口之间的距离大于岩片的长度，岩片上表面设置有第二玻璃，岩片的侧壁上沿宽度方向设置带有入口引槽和出口引槽的围坝。由于岩片为真实的储层样品，具有真实反应性能的特点，同时可以在高温高压下进行相应可视化渗流实验。并且具有结构简单、操作灵便、效率高的特点。

Description

一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种渗流实验方法，具体涉及一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置方法。

背景技术

为贯彻落实中央关于加大国内油气勘探开发力度，保障国家能源安全的指示精神，更好地服务于油气企业开发生产决策部署，打好油气开发进攻战，为国添油增气，西北大学地质学系朱玉双教授团队在长期扎根实验室教学研究的基础上，独创性地设计并掌握了真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置。该技术成功实现了在油藏条件(高温、高压)下利用真实砂岩模型研究油藏流体微观渗流机理的目的，为开展多相流体渗流规律研究提供了良好的技术手段。真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置具有直观、真实的特点，且可以在油藏温压下进行实验，研究成果说服力强，将国内外有关微观渗流机理可视化研究的层次提高到了一个新的高度。可为目的油藏增储上产、调整开发方案和优选三次采油技术提供建设性的指导意见。

目前可视化渗流实验技术的缺陷和不足：

1、可视化渗流实验装置中常使用的真实砂岩模型虽然真实，但无法承受高压，且驱替压力低，实验类别受限。

过去20多年开展可视化渗流实验研究中，使用的真实砂岩模型为西北大学曲志浩教授等人研制，该模型外围尺寸规模通常为5.0cm×3.5cm×0.5cm(长×宽×厚)，模型内岩片大小为3.0cm×2.5cm×0.065cm(长×宽×厚)，模型是由取自研究区的岩心制作而成，反映了储层真实的孔喉结构。制作精细，基本能够保留储层原始颗粒之间分布的胶结物和杂基，使实验模型真实性大大增强，进而也提高了实验结果的可信度。该模型为研究储层流体渗流特征做出了卓越的贡献，研究用途广，可以用于油气田开发中的一系列渗流实验，如水驱油、三次采油、油层保护、油层酸化、油层结垢及油气二次运移等多方面研究。但因该模型制作工艺、模型样式和使用材质，造成该模型的缺点体现在：1)不能在高压(油藏压力下)条件下开展渗流实验，仅能在常压环境下进行相应实验，这也是该模型最大的不足；2)驱替压力较低，最大驱替压力仅为0.20MPa；3)实验温度受限，可承受最高温度为80℃左右，无法在更高的油藏温度环境下进行各类渗流实验；4)该模型长度较短，不利于开展高压下的气驱(CO₂驱、N₂驱和空气驱等)以及聚合物驱等渗流机理研究。

2、可视化渗流实验装置中常使用的其他模型可承高压，驱替压力较高，但不真实

目前能够用于开展高温高压微观可视化渗流机理研究的模型主要包括平板玻璃光刻模型和石英砂粘接模型，两种模型为开展油藏微观渗流机理研究提供了较好的技术手段。平板玻璃光刻模型是将储层孔喉结构按照一定的比例刻蚀在平板玻璃上，而石英砂粘接模型是将石英颗粒粘接在固定的玻璃片上，进而开展微观渗流可视化实验。而对于部分研究者提出的所谓“真实岩片”模型，其实是将目的层位的地层砂粒通过筛选制作而成，类似于石英砂粘接模型。上述模型虽然都能够在高温高压条件下开展油藏微观可视化渗流机理研究，但模型的孔喉结构及表面物理性质仍与实际储集岩有较大差距，导致其真实性大打折扣，研究成果说服力不强。特低、超低渗以及致密油气藏目前已经成为我国油气勘探开发的重点领域，在保障我国能源安全方面占有举足轻重的地位。在研究特低、超低渗以及致密油气藏微观渗流机理时，由于储层的孔喉结构已变得十分复杂，平板玻璃光刻模型和石英砂或地层砂粒粘接模型已不能满足现有研究需求，进而无法准确认识各种驱替剂在驱替原油过程中的赋存状态和渗流规律。

3、可视化渗流实验装置中偶见使用的“岩心夹片”，只是将岩心片夹于2块蓝宝石之间，不但价格昂贵，且容易在岩心夹片和玻璃之间产生面流，虽为真实的“岩心夹片”，但无法反映真实孔隙空间的渗流特征。

可视化渗流实验装置中偶见使用的“岩心夹片”，该“岩心夹片”是将岩心薄片夹于2块蓝宝石之间，玻璃与岩石薄片之间无任何密封材料。因此也造成了该“岩心夹片”的缺点表现在：1)工艺复杂。蓝宝石可抗高压(进口耐压35MPa，国产耐压15MPa)，但需贴上抗高温薄膜方可达到抗高温的效果，工艺复杂；2)价格昂贵。蓝宝石价格昂贵，目前市场报价直径80mm大小的蓝宝石玻璃，进口每块4.8万左右(耐压35MPa)，国产每块1.2万左右(耐压15MPa)，岩心夹片需要2块蓝宝石，暂且不计算其他成本，一个岩心夹片仅蓝宝石费用需2.4万-9.6万；3)真“心”假渗流。这是最大的缺陷。岩心夹片中间的岩心薄片是真实的，其仅简单地夹在两片蓝宝石玻璃之间，蓝宝石玻璃与岩石薄片之间直接接触，无任何密封材料，仅在岩心薄片四周利用密封橡胶密封，在渗流实验中，虽然在岩心薄片四周利用密封橡胶密封的作用下，流体不会从岩心夹片中外泄，但在岩心夹片内部很容易造成流体在岩心薄片和蓝宝石玻璃之间产生面流，因此，该“岩心夹片”虽然“心”——岩心薄片是真实的，但在其内部的渗流并不能真实地反应高温高压下孔隙中的渗流。

4、可视化渗流实验装置中偶见使用载玻片刻槽承载岩心，高温烧制成渗流模型。工艺复杂，易面流。

可视化渗流实验装置中偶见使用载玻片刻槽承载岩心，高温烧制成渗流模型。该模型的缺点是：1)制作复杂。需要将盛放岩心的载玻片用玻璃刀切割一个方框(盛放岩心的凹槽)及若干细长凹槽后，用胶水粘贴到一片玻璃上，制作复杂；2)容易产生面流。由于模型制作过程中采用烧结工艺，也会造成真“心”假渗流，这也是该技术的最大的缺陷。具体是：将岩心磨成规则大小岩心薄片后放入盛放岩心的凹槽内，用胶水固定岩心薄片和载玻片一起打磨、抛光至一定厚度，然后与另一片平板玻璃在高温(580℃)烘烤粘和在一起就制得该模型。可以看出，载玻片与另一片平板玻璃可能可以成功粘合，而岩心薄片与另一片平板玻璃往往不能够成功粘合，原因玻璃的熔点与岩石的熔点(铅玻璃的软化点为500℃，平板玻璃也称白片玻璃软化温度650～700℃，石英玻璃的软化点为1600℃；而对于岩石来讲，不是所有岩石在高温下都可以熔化，有的在高温下会发生成分的变化，如石灰石。对于能熔化的石头，多数会在1000℃以上开始熔化，如长石的熔化温度在1215℃-1715℃，石英的熔化温度为1750℃)和膨胀系数的差异，造成岩石薄片往往不能够与平板玻璃粘和，也就形成了可视化渗流实验中致命的缺陷——真“心”假渗流。3)利用这种高温烧制成渗流模型会造成孔隙结构的变化。文献报道矿石在400-600℃的高温条件下可以产生结构热应力，使矿石原来的微结构受损，微裂缝增长和发展，如磁铁矿及石英岩在高温(400℃以上)加热时，热破碎效率更高，这一特性对于采矿时使用火力钻孔有利采矿，但对于高温烧制成渗流模型时孔隙结构的保持不利。

5、可视化渗流实验装置中采取3D打印技术制作孔隙渗流薄片，无法完全复制，使渗流特征可信度下降。

可视化渗流实验装置中利用3D打印技术制作孔隙渗流薄片，虽然孔隙结构可以根据实际孔隙结构复制，但仍无法完全复制岩石表面的性质，更无法复制储层填隙物等特征，使渗流特征可信度下降。

综上，现有可视化渗流实验装置中使用的渗流模型均有很大的缺陷。目前的真实砂岩微观模型无法进行高温高压条件下的渗流实验研究(模型真实，但无法承受高温高压)，而使用的平板玻璃光刻模型和石英砂或地层砂粒粘接模型，虽然耐高压、高温，但受其实验模型自身材质原因，造成孔喉结构和表面物理性质等特征与真实储层相差太远(可以承受高压，但模型不真实)，使研究成果可信度大大较低，同时也无法满足低渗特别是致密储层微观渗流机理研究需求。其他“真心或似真心”的各类模型，都无法真实反映真实孔隙结构和其内部的渗流。

目前，真实砂岩高温高压微观可视化渗流实验装置的渗流模型匮乏，相应的配套实验技术也无从谈起，无疑制约了常规碎屑岩储层在油藏条件的渗流机理研究，同时更加制约了特低、超低渗以及致密油气藏相应的勘探开发研究工作。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，包括放置在高温高压釜内的真实砂岩高温高压微观可视化模型，高温高压釜连接有用于对真实砂岩高温高压微观可视化模型进行加压的压力系统，高温高压釜上部设置有用于观察对真实砂岩高温高压微观可视化模型的显微镜；其中，真实砂岩高温高压微观可视化模型包括岩片，岩片下表面设置有第一玻璃，并且第一玻璃与岩片通过粘接剂连接在一起，第一玻璃上开有两个孔，一个孔作为模型流体入口，一个孔作为模型流体出口，岩片上表面设置有第二玻璃，岩片的侧壁上沿宽度方向设置带有入口引槽和出口引槽的围坝。

本发明进一步的改进在于，高温高压釜包括上盘、中盘和下盘，上盘设置在中盘上，中盘设置在下盘上，上盘、中盘和下盘形成圆柱状密封腔体，中盘上设置有放置真实砂岩高温高压微观可视化模型的环形台阶，环形台阶上开设有驱替流体入口和驱替流体出口，驱替流体入口与模型流体入口相对并连通，驱替流体出口与模型流体出口相对并连通，驱替流体入口与釜外驱替管线入口相连通，流体出口与釜外驱替管线出口相连通。

本发明进一步的改进在于，中盘上部开设有围压流体入口和围压流体出口。

本发明进一步的改进在于，驱替流体入口与釜外驱替管线入口相连，驱替流体出口与釜外驱替管线出口相连。

本发明进一步的改进在于，上盘中部和下盘中部均设置有观察窗。

本发明进一步的改进在于，高温高压釜外侧设置有环形加热套。

本发明进一步的改进在于，高温高压釜设置在移动装置上。

本发明进一步的改进在于，模型流体入口与模型流体出口之间的距离大于岩片的长度；岩片的长58～62mm，宽23～27mm，厚度为0.35～0.75mm。

本发明进一步的改进在于，模型流体入口与模型流体出口之间的距离为75mm。

一种基于上述的装置的方法，将真实砂岩高温高压微观可视化模型放入到高温高压釜内，首先对真实砂岩模型抽真空，然后依次饱和地层水、再饱和原油，最后进行CO₂驱油，利用显微镜观察模型内油、水和气三者相态的变化及三者之间的渗流规律以及残余油的赋存状态，并采用图像法统计残余油饱和度，计算微观驱油效率。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

a.该可视化渗流实验装置具有“真实且可承高压”的优点，填补了国内外该领域技术的空白。

由于采用实验岩片为真实的储层样品，同时可以在高温高压下进行相应可视化渗流实验。因此该可视化渗流实验装置的最大优点是：“真实且可承高压及较高温度”，该技术填补了国内外该领域的技术空白。该实验技术围压最大可达25MPa，驱替压力最大可达20MPa，实验温度最高可达150℃，可满足绝大多数微观流体渗流实验所需的条件。

b.真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置可进行更广泛的实验研究。

本发明应用范围广，不但可用于油气二次运移、水驱渗流规律、三次采油技术优选等一系列涉及储层内流体微观渗流机理方面的研究内容，同时还可以用来开展特殊的可视化渗流实验(如气驱(CO₂驱、N₂驱和空气驱等)以及聚合物驱等)，可以观察复杂驱替过程中相态的变化等微观渗流现象。

c.具有结构简单、操作灵便、安全环保和效率高的特点。

本发明将真实砂岩高温高压模型、高温高压釜、荷载高温高压釜的移动装置及体视显微镜部件有机结合，连接相应加压系统后便可开展高温高压下微观可视化渗流实验，具有结构简单、经济适用、操作灵便、安全环保和效率高的特点。

进一步的，岩片的厚度为0.35～0.75mm区间，因为颗粒大小不同，岩片厚度也不同，否则影响渗流实验过程的可视化效果；本发明采用抗高压耐高温、高透光率的光学玻璃，否则影响可视化效果，且实验无法达到承受高压耐高温，模型容易破碎；粘夹岩片的上下两块玻璃等大，且粘好的真实砂岩高温高压可视化模型也应保证上下两块玻璃对齐，否则实验过程中在高压作用下，模型容易炸裂；如果岩片具有水敏，则在岩片磨制过程中需要用配置的模拟地层水进行磨制。

真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置主要是通过将真实砂岩高温高压微观可视化模型置于高温高压釜中，连接好实验仪器，借助于移动平台和观察装置，便可开展各类微观可视化渗流机理研究。本发明的真实砂岩高温高压可视化渗流实验方法不但可以承受高压(油藏压力)，而且岩石介质也是真实的，成功实现对真实孔隙结构下渗流现象的观察，还可以开展特殊的可视化渗流机理实验，如气驱(CO₂驱、N₂驱和空气驱等)以及聚合物驱等。本发明利用真实砂岩高温高压可视化渗流方法开展各类微观渗流实验具有实验原理简单、实验步骤易掌握、用途广、操作方便的特点。

附图说明

图1是本发明真实砂岩高温高压模型的俯视图，展示的是岩片B面。

图2是本发明真实砂岩高温高压模型实物的俯视图，展示的是岩片B面。

图3是本发明真实砂岩高温高压模型的仰视图，展示的是岩片A面。

图4是本发明真实砂岩高温高压模型实物的仰视图，展示的是岩片A面。

图5是本发明真实砂岩高温高压模型的主视图。

图6是本发明高温高压釜的俯视图。

图7是本发明高温高压釜剖面图。

图8是图7中圆形区域放大图。

图9是真实砂岩高温高压可视化CO₂驱油渗流实验仪器简图。

图中：1—入口引槽，2—出口引槽，3—岩片，4—玻璃，5—围坝，6—模型流体入口，7—模型流体出口，8—万能胶，9—第一螺丝，10—第二螺丝，11—真实砂岩模型，12—围压管线入口，13—围压管线出口，14—上盘，15—中盘，16—下盘，17—蓝宝石玻璃，18—驱替管线入口，19—驱替管线出口，20—驱替流体入口，21—驱替流体出口，22—围压流体入口，23—围压流体出口，24—O形密封圈，25—环形台阶，26—螺丝孔，27—CO₂气瓶，28—气体增压泵，29—驱替泵，30—中间容器，31—真空泵，32—回压手摇泵，33—回压阀，34—烧杯，35—移动平台，36—高温高压釜，37—显微镜，38—摄像机，39—图像处理系统，40—围压手摇泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明中的真实砂岩高温高压微观可视化模型也称为真实砂岩模型。

本发明包括以下步骤：

1.制作真实砂岩高温高压微观可视化模型，步骤如下：

1)准备岩片

首先，选取实验所用取自地下目的层位的岩心样品，将样品切割成近长方体形状，岩片长度应大于70mm，宽度大于30mm，厚度在3mm以上即可。将样品放入抽提器中，使岩心孔喉中的原油被有机溶剂抽提出来。抽提结束后，将岩心样品放入干燥箱进行烘干备用。

2)准备玻璃

真实砂岩高温高压微观可视化模型制作时需要粘夹岩片的玻璃，要求其具有极高的光洁度和平整度，还应具有较高的耐温和抗机械冲击性能。

本发明在模型制作中，经过多方调研对比，最终选择一款德国进口的平板玻璃，该款玻璃拥有出众的质量和完美的平整度，同时还具有卓越的耐热性能、光学性能、化学稳定性以及机械强度，其化学成分和物理特性满足DINISO3585和EN1748T1国际标准要求。

该玻璃具有如下特性：

a.玻璃表面需达到镜面级别。

b.具有优异的温度稳定性、卓越的耐热冲击性、可以热钢化等特点。最高工作温度：短期使用工作时间＜10小时，最高工作温度可达500℃；长期使用工作时间≥10小时，最高工作温度可达450℃。

c.具有卓越的高透光率。可见光、近红外及紫外波段的高透光率，无色和优异的视觉质量，阿贝值为65.41，折射率(nd(λ587.6nm))为1.47140，色散(nF—nC)为71.4x 10^-4，应力光弹系数为(K)4.0x 10^-6mm²·N^-1。

d.超高的化学稳定性。具有高耐水性能、卓越的耐酸性、超强的耐碱性、极低的碱扩散性。

e.优异的机械强度。密度ρ(25℃)为2.23g/cm³，弹性系数为E(DIN 13316)64kN/mm²，泊松比μ(DIN 13316)为0.2，努氏硬度0.1/20(ISO 9385)为480，弯曲强度σ(DIN52292T1)为25MPa。玻璃抗冲击性主要取决于其安装方式、板材尺寸及厚度、加工工艺等。利用该玻璃制作的模型总体承压能力可达20-25MPa。

每个真实砂岩高温高压微观可视化模型需要利用该特性的玻璃制作成等大小的2块玻璃片(即第一玻璃与第二玻璃，两块玻璃的尺寸相同，其中，一块玻璃的长×宽×厚＝90mm×35mm×2.5mm)，其中一块玻璃(粘岩片的A面)在长度方向居中对称位置钻两个圆孔，圆孔直径为1.5mm，两个圆孔间距为75mm，另一块玻璃不钻孔(粘岩片的B面)。

3)制作真实砂岩高温高压可视化模型。

首先，参见图1、图2、图3、图4与图5，将抽提烘干的岩片3下表面(即A面)磨平，使其规格为：长58-62mm，宽23-27mm，烘干后将岩片A面利用万能胶均匀粘至有2个钻孔的第一玻璃的中央(上下左右居中)，此面万能胶涂抹较厚，确保岩片A面能够非常牢固地与玻璃粘接。待岩片A面与第一玻璃粘接牢固后，利用配制好的万能胶8在岩片短边周围垒出带有入口引槽1和出口引槽2的围坝5，两侧的围坝5应将模型流体入口6和模型流体出口7包围。注意围坝要一层一层的垒制，一层万能胶干了之后再在其上垒制第二次，以此类推，直至引槽围坝的垒制高度和岩片的厚度基本一样。将岩片的上表面(即B面)和引槽围坝5一起精心打磨，直至岩片厚度分布在0.35～0.75mm区间(岩石3颗粒大小不同，岩片3厚度也不同)。随后将残留在孔隙中的研磨粉末冲洗干净并烘干。将岩片另一面(B面)粘至另一片无圆孔的第二玻璃中央，该面在保证岩片被固定的情况下尽量少用胶，防止堵塞孔隙，岩片B面是实验中所观察的那一面；最后，将2片玻璃4(即第一玻璃与第二玻璃)之间、岩片周围(围坝与岩片外边所围成的区域除外)利用万能胶8填满，使其完全粘接牢固。围坝与岩片和第一玻璃以及第二玻璃之间形成的空隙即为模型入口引槽1和出口引槽2。

第一玻璃与第二玻璃的长度、宽度均大于岩片3的长度、宽度。

真实砂岩高温高压可视化模型制作成功与否，需要注意的几点：①岩片的厚度保持在0.35～0.75mm区间(颗粒大小不同，岩片厚度也不同)，否则影响渗流实验过程的可视化效果；②应使用抗高压耐高温、高透光率的光学玻璃，否则影响可视化效果，且实验无法达到承受高压耐高温，模型容易破碎；③粘夹岩片的上下两块玻璃要等大，且粘好的真实砂岩高温高压可视化模型也应保证上下两块玻璃对齐，否则实验过程中在高压作用下，模型容易炸裂；④如果岩片具有水敏，则在岩片磨制过程中需要用配置的模拟地层水进行磨制。

2.高温高压釜

利用316L不锈钢(或用双向合金)完成了高温高压釜的制作。高温高压釜具体规格要求如下：

a.高温高压釜的内径能够容纳真实砂岩高温高压可视化模型(长×宽×厚＝90mm×35mm×2.5mm)。本发明中的高温高压釜内仓直径为106.7mm；

b.高温高压釜上部应具有直径为65mm或更大的透明观察窗，达到实验过程对模型进行观察的目的。本发明的高温高压釜观察窗直径为66mm，材质为进口人造蓝宝石玻璃17；

c.高温高压釜腔体内的台阶上开设有与真实砂岩模型流体入口6和模型流体出口7相对应的驱替流体入口20和驱替流体出口21，该驱替流体入口20、驱替流体出口21与高温高压釜外驱替管线入口18和出口19相连通，为驱替流体提供渗流通道。本发明的高温高压釜使用的密封胶圈有2种，模型流体入口6和模型流体出口7与台阶上相应开设的驱替流体入口20和驱替流体出口21处密封垫圈为四氟材质，高温高压釜的上盘14与中盘15之间，中盘15与下盘16之间的O形密封圈24为进口氟胶。

d.可以满足给真实砂岩高温高压可视化模型加围压的实验环境。可以给高压仓内加入流体，并可以通过对高压仓内流体实施加压，以此达到给真实砂岩高温高压可视化模型渗流实验加围压(油藏的上覆地层压力)的目的。本发明使用无色去离子水对真实砂岩高温高压可视化模型施加围压，围压最高可达25MPa。

e.可以满足给真实砂岩高温高压可视化模型加油层温度的实验环境。可以通过对高温高压釜外置一环形加热套，达到调节实验温度的目的；可以利用其它内置加温系统进行加温，同样达到调节实验温度的目的。本发明使用外置环形加热套加温，受密封条件的限制，实验环境温度上限为150℃。

f.高温高压釜满足可与回压手摇泵32、围压手摇泵40、驱替泵29、回压阀33等渗流实验室常规仪器通过管线相连，并结合光源及显微镜进行现象观察，即可进行各类真实砂岩高温高压可视化渗流实验。本发明使用的连接管线规格为材质为316L，最大耐压达70MPa，可防一般性腐蚀和二氧化碳腐蚀；显微镜采用的是体视显微镜进行现象观察。

参见图6、图7与图8，高温高压釜由上盘14、中盘15和下盘16三部分组成，各盘之间用多个第一螺丝9组装，并用密封圈密封形成圆柱状密封腔体。上盘中部和下盘中部各含一块蓝宝石玻璃17，形成上下观察窗。腔体中下部设有一环形台阶25，作为真实砂岩模型11放置平台，平台上开设有驱替流体入口20和驱替流体出口21，驱替流体入口20与驱替流体入口21分别与模型流体入口6和模型流体出口7相对应并连通，驱替流体入口20与驱替流体出口21之间的间距为75mm，与带孔的第一玻璃上的两个圆孔间距一致。在每个驱替流体入口20与驱替流体出口21的两侧(顺模型短边)，各分布有两个螺丝孔26，螺丝孔之间的间距为45mm，共计四个螺丝孔26，用于固定真实砂岩模型11。环形台阶25上开设的驱替流体入口20和流体出口21分别与釜外驱替管线入口18和驱替管线出口19相连。通过四个第二螺丝10将实验模型固定在环形台阶25(即渗流模型放置平台)上，模型流体出口6和模型流体入口7与高温高压釜台阶25之间用O形密封圈24密封。密封腔体中上部开设有两口，分别为围压流体入口22和围压流体出口23，两口与釜外围压管线入口12和围压管线出口13相连通，为围压流体进入和排出高压釜提供通道。在高温高压釜外放置一环形加热套，用于给整个系统加热。本发明中的高温高压釜具有操作简便、安全环保的特点。

3.压力系统

压力系统包括驱替压力系统和围压系统。驱替压力系统负责将油、气、水以及聚合物等流体注入实验模型，而围压系统负责模拟地层上覆压力，并保护实验模型。驱替压力系统主要包括驱替泵20、中间容器30、回压阀33和回压手摇泵32。驱替泵29为整个驱替系统提供动力，中间容器30用以存放实验所用流体(一般有2个，分别盛放水和油)，回压手摇泵32经回压阀33通过管线与实验模型出口相接，控制模型出口端压力。围压系统主要为一回压手摇泵32，通过与高温高压釜36的内腔相连，进而控制实验模型外围压力。回压阀33下方设置有烧杯34，用于盛放驱替流体。实验中，为了更好地控制实验压力和实验流体，需在实验管线间根据需要安装若干压力表、水平阀、三通阀和六通阀。

本发明中实验选用的驱替泵29为美国进口Teledyne ISCO泵，最高驱替压力可达70MPa；中间容器30容积为200mL，材质为哈氏合金，最高耐压为80MPa；回压阀33最高可耐压力为50MPa；手摇泵最高压力达50MPa。

4.移动装置

实验过程中由于照相和摄像系统是固定的，若要实时记录模型不同区域的渗流动态现象，需要移动高温高压釜36，由于高温高压釜比较重(本发明高温高压釜重达21Kg)，人工挪动不方便，因此采取荷载高温高压釜的移动装置来完成。该装置的要求：

a.载荷重力达25Kg，且长期载荷不变形；

b.可前后、左右水平移动，稳定性好。

本发明中真实砂岩高温高压可视化渗流实验技术中使用的荷载高温高压釜的移动平台35为X-Y双轨水平移动台。

5.观察及图像处理系统

实验中，为了能够观察细小孔喉中不同流体的渗流特征，同时便于对实验过程进行记录和分析，将体视显微镜放置在高温高压釜36的观察窗之上，该体视显微镜应具有拍照和录像功能，可实时对模型中的现象进行拍照、录像。将拍摄的图像导入相应软件中进行处理，对实验进行定量分析。

本发明在实验中，使用的体视显微镜型号为Laika S9D(变倍比为9:1，工作距离122mm，视野直径37.7mm，最大分辨率500lp/mm)。使用的图像处理软件主要包括Leica LAS图像处理软件、Leica Image Analysis Module分析软件、Leica MultiTime Module分析软件和Image-Pro Plus 6.0四种。

通过将上述五个部分结合，用管线相连接，便成功地实现了真实砂岩高温高压可视化渗流实验方法。

真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置应用范围广，此处以真实砂岩高温高压可视化微观水驱油渗流实验为例，介绍本发明的具体操作实施流程，与其相关的其它微观渗流研究实验，实验步骤或操作实施流程基本相同，只是选用的驱替剂不同而已。不同的渗流实验其研究目的和研究内容不尽相同，实验人员在掌握基本的操作技能后，可对实验步骤进行相应地设计。实验中可实时通过体视显微镜观察模型任意时刻、任意区域孔喉中油、水的赋存状态和渗流规律，并拍照、录像进行下一步处理。

下面以真实砂岩高温高压可视化CO₂驱渗流实验为例进行说明。CO₂驱油效果受驱替压力、地层温度的影响很大。目前，对CO₂不同相态在低渗、特低渗储层中的渗流机理缺乏系统全面的认识，直接制约了CO₂驱在低渗、特低渗油藏中的应用。此处以真实岩石高温高压可视化模型为载体，开展CO₂驱油可视化实验，为系统直观认识CO₂在不同温压下的相态及其在储层中的渗流规律提供手段，对于推广CO₂驱油、CO₂地质封存等具有重要意义。

本发明采用的实验仪器，参见图9，实验操作步骤依次包括抽真空—饱和地层水—饱和原油—CO₂驱油—结束实验，即将真实砂岩高温高压微观可视化模型放入到高温高压釜36内，首先对真实砂岩模型11抽真空，然后依次饱和地层水、饱和原油最后进行CO₂驱油，利用显微镜观察模型内油、水和气三者之间的渗流规律以及残余油的赋存状态，并采用图像法统计残余油饱和度，计算微观驱油效率。

具体介绍如下：

(1)抽真空。实验仪器组装调试完毕后，用CO₂气体排出管线内的空气，将真实岩石模型11放入高温高压釜中，并用第二螺丝10和垫片将模型固定在腔内的环形台阶25上。注意，岩片B面朝上。随后启动围压手摇泵40，并打开高温高压釜围压管线入口12、围压管线出口13阀门，排出内腔中的空气。随后关闭围压管线出口13阀门，利用围压手摇泵40向高温高压釜的内腔中注入无色去离子水，压力保持在1.0MPa左右。将真空泵31与高温高压釜驱替管线入口18相连，关闭高温高压釜驱替管线出口19阀门，使模型孔喉中的空气被抽出。对于常规储层，抽真空时间需要4小时以上；而对于低渗透及致密储层，抽真空需要6小时以上。相对真空度达到-80KPa。

(2)饱和地层水。研究表明，油气在进入储层之前，储层孔喉空间中分布着大量地层水。实验中为更好观察油、水和气在岩片孔喉中的赋存状态和分布规律，将少量甲基蓝加入配置好的模拟地层水中，使地层水呈蓝色。模拟地层水是根据目的油藏地层水的矿化度和离子组成配制而成。将配置好的地层水放入中间容器30。抽真空结束后，关闭真空泵31，打开高温高压釜加热套开关，设置温度，对高温高压釜内的围压流体进行加热，通过热传导，使得驱替流体温度随之上升。同时，打开驱替泵29，缓慢加压向模型中注入模拟地层水。待模型出口引槽2被地层水充填后，再打开高温高压釜驱替管线出口19阀门。整个实验中应使围压大于驱替压力，压差保持在1.5～2.5MPa区间。通过显微镜37进行观察，若模型孔喉基本全部被地层水充填或出口引槽2均为水时，该步骤结束。

(3)饱和原油。实验原油利用相应研究区地面脱气原油与煤油按照一定的比值配制而成。将配置制的实验原油放入中间容器30。向已经充分饱和地层水的模型中缓慢加压注入原油，进行油排驱水，模拟原油充注储层的过程。实验中，可通过显微镜37实时观察油、水、气之间的渗流规律和束缚水的赋存状态，利用显微镜37和摄像机38对模型进行拍照、摄像，利用图像处理系统39，采用图像分析方法，可获得真实岩石模型11实时的含油饱和度。待模型含油饱和度达到预定值后，统计模型原始含油饱和度，该步骤结束。

(4)进行CO₂驱油。打开CO₂气瓶27的阀，启动气体增压泵28，调节压力，对饱和油结束后的模型加压注入CO₂。同时，启用高温高压釜出口端的回压手摇泵32，向真实岩石模型11出口段施加压力。气体增压泵28及回压手摇泵32施加压力的大小，根据CO₂驱油相态而定。待驱替压力达到15MPa后，需采用缓慢加压的方式继续增加驱替压力。利用显微镜37、摄像机38和移动平台35实时观察模型任意区域内油、水和气三者的相态变化及三者之间的渗流规律以及残余油的赋存状态。达到指定驱替压力后，待真实砂岩模型11的出口引槽2不再有原油流出，该步骤结束。利用图像法统计残余油饱和度，计算微观驱油效率。

(5)结束实验。待CO₂驱油结束后，缓慢减小驱替压力和驱替出口端回压手摇泵32压力，同时减小围压，且应始终保持围压大于驱替压力2MPa。待驱替压力降至常压后，静置半小时后，再将围压降至常压。打开高温高压釜36，取出真实砂岩模型11，整理实验仪器，结束实验。

此处以CO₂驱为例，介绍利用真实岩石模型进行可视化微观渗流实验的详细步骤。其它与此相关的研究实验，如N₂驱、空气驱、聚合物驱、化学驱以及气水交替驱等，实验步骤相似。利用该真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置开展各类微观渗流实验具有实验原理简单、实验步骤易掌握、用途广、操作方便的特点。

本发明由于对真实储层岩片进行处理后作为模型，并且放置在采用高温高压釜内，进行可视化渗流实验，能够达到既“真实”又可“承受高压”的可视化微观渗流实验研究需求，填补了该领域在国内外的空白。

本发明的真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置与以往的可视化渗流实验装置相比，具有以下优点：①可视化渗流实验的模型样品为真实的储层岩心样品；②实验条件可达到油藏所处的温度和压力；③可以开展特殊的渗流可视化渗流机理实验，如气驱(CO₂驱、N₂驱和空气驱等)、聚合物驱等。本发明克服了以往的可视化渗流实验装置要么岩石介质真实但承受不了高压(油藏压力)、要么承受得了高压(油藏压力)但岩石介质不真实、要么岩石介质真实或似真实，但无法真正实现真实孔隙结构下的渗流特征的缺点。

Claims (10)

1.一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，其特征在于，包括放置在高温高压釜内的真实砂岩高温高压微观可视化模型，高温高压釜连接有用于对真实砂岩高温高压微观可视化模型进行加压的压力系统，高温高压釜上部设置有用于观察对真实砂岩高温高压微观可视化模型的显微镜；其中，真实砂岩高温高压微观可视化模型包括岩片(3)，岩片(3)下表面设置有第一玻璃，并且第一玻璃与岩片(3)通过粘接剂连接在一起，第一玻璃上开有两个孔，一个孔作为模型流体入口(6)，一个孔作为模型流体出口(7)，岩片(3)上表面设置有第二玻璃，岩片(3)的侧壁上沿宽度方向设置带有入口引槽(1)和出口引槽(2)的围坝(5)。

2.根据权利要求1所述的一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，其特征在于，高温高压釜包括上盘(14)、中盘(15)和下盘(16)，上盘(14)设置在中盘(15)上，中盘(15)设置在下盘(16)上，上盘(14)、中盘(15)和下盘(16)形成圆柱状密封腔体，中盘(15)上设置有放置真实砂岩高温高压微观可视化模型的环形台阶(25)，环形台阶(25)上开设有驱替流体入口(20)和驱替流体出口(21)，驱替流体入口(20)与模型流体入口(6)相对并连通，驱替流体出口(21)与模型流体出口(7)相对并连通，驱替流体入口(20)与釜外驱替管线入口(18)相连通，流体出口(21)与釜外驱替管线出口(19)相连通。

3.根据权利要求2所述的一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，其特征在于，中盘(15)上部开设有围压流体入口(22)和围压流体出口(23)。

4.根据权利要求2所述的一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，其特征在于，驱替流体入口(20)与釜外驱替管线入口(18)相连，驱替流体出口(21)与釜外驱替管线出口(19)相连。

5.根据权利要求2所述的一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，其特征在于，上盘(14)中部和下盘(16)中部均设置有观察窗。

6.根据权利要求1所述的一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，其特征在于，高温高压釜外侧设置有环形加热套。

7.根据权利要求1所述的一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，其特征在于，高温高压釜设置在移动装置上。

8.根据权利要求1所述的一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，其特征在于，模型流体入口(6)与模型流体出口(7)之间的距离大于岩片的长度；岩片(3)的长58～62mm，宽23～27mm，厚度为0.35～0.75mm。

9.根据权利要求1所述的一种真实砂岩高温高压可视化渗流实验装置，其特征在于，模型流体入口(6)与模型流体出口(7)之间的距离为75mm。

10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述的装置的方法，其特征在于，将真实砂岩高温高压微观可视化模型放入到高温高压釜内，首先对真实砂岩模型(11)抽真空，然后依次饱和地层水、再饱和原油，最后进行CO₂驱油，利用显微镜观察模型内油、水和气三者相态的变化及三者之间的渗流规律以及残余油的赋存状态，并采用图像法统计残余油饱和度，计算微观驱油效率。