CN110658121A - 一种全光谱可视化地层渗流的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全光谱可视化地层渗流的模拟装置及方法。该装置包括：动力设备、回压设备、环压设备、可视化地层模型、温控设备、压力监测设备、观测及采集设备、全光谱光源；动力设备用于为可视化地层模型提供驱动力；回压设备用于调节可视化地层模型的内部压力；环压设备用于维持可视化地层模型的内部压力；温控设备用于模拟储层温度；压力监测设备用于实时监测模拟实验及可视化地层模型的压力；全光谱光源用于提供光源；观测及采集设备用于显示和记录可视化地层模型的各种研究对象在模拟实验过程中全光谱光源下的变化。本发明还提供了利用上述装置完成的地层渗透模拟。本发明的装置和方法可以实现地层渗流模拟实验过程真正意义的可视化。

Description

一种全光谱可视化地层渗流的模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可视化模拟装置，尤其涉及一种全光谱可视化地层渗流的模拟装置，属于油气田开发技术领域。

背景技术

在油气田开发过程的研究中，已有很多地层渗流模拟系统，研究驱替或者吞吐过程中的地层动态变化、驱替介质变化、驱油机理、储层伤害机理、剩余油分布情况及评价开发效果。在此过程中寻求的宏观或者微观的可视化是进一步探索发现的有效手段。

现有的可视化模型有光刻蚀孔隙玻璃模型、带有可视窗的填砂管模型、不同透明材质(有机玻璃、石英玻璃、蓝宝石等)的填砂管模型、不同透明材质进行加工模拟不同储层形态的模型，然后利用高分辨观测和图像采集系统记录实验进程。但在此过程中由于原油品质差别，深色的稠油、超稠油可能会在透明材质上吸附，阻碍光的通过，对可视化造成障碍，无法实现真正意义上的可视化；对于原油品质好颜色浅的轻质油、凝析油可能在与驱替相(表面活性剂、微生物菌液、聚合物等)混合后较难清楚分辨。无论是驱替介质不同、开发方式不同还是储层种类不同的可视化模拟实验都会遇到上述问题。

如申请号为201320222249.9的中国专利申请《二维可视化学泡沫评价物理模拟系统》、申请号为201410244772.X的中国专利申请《高温高压微观可视化地层渗流模拟实验装置及方法》、申请号为201310665277.1的中国专利申请《缝洞型油藏全三维仿真可视化驱替模拟实验系统》、申请号为201420584427.6的中国专利申请《裂缝性油藏弱凝胶调剖性能评价可视化实验装置》、申请号为201410500078.X的中国专利申请《一种稠油二维微观可视化驱替模拟实验系统及其使用方法》、申请号为201420612093.9的中国专利申请《一种可拆卸循环利用的三维可视化物理驱替模型》、申请号为201520151270.2的中国专利申请《一种可视化物理驱油实验装置》、申请号为201310157009.9的中国专利申请《一种模拟微生物驱油的高温高压可视化装置以及模拟方法》、申请号为201410468666.X的中国专利申请《一种水平井热采可视化实验装置》、申请号为201610953214.X的中国专利申请《一种微观可视化驱替模拟系统及其使用方法》、专利号为201510887476.6的中国专利申请《用于驱替实验的动态可视化观测方法》，上述现有技术均存在的共同问题是：由于深色原油容易造成观测障碍，浅色原油容易与驱替相相混而难以分辨，而导致基于可见光谱的可视化不能真正实现。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可以实现地层渗流模拟实验过程真正意义的可视化的模拟装置。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种全光谱可视化地层渗流的模拟装置，该模拟装置包括：动力设备、回压设备、环压设备、可视化地层模型、温控设备、压力监测设备、观测及采集设备、全光谱光源；

动力设备包括驱替泵、驱替泵储液罐和活塞容器，其中，驱替泵与活塞容器的一端相连，活塞容器的另一端与可视化地层模型相连；

回压设备与可视化地层模型的出口相连；

环压设备与可视化地层模型相连；

温控设备包括温箱和温度控制器，其中，可视化地层模型设置在温箱的内部，温度控制器与温箱相连；

压力监测设备用于实时监测模拟实验及可视化地层模型的压力；

全光谱光源包括光源和滤光板，其中，光源包括透射光位全光谱光源和反射光位全光谱光源。

在本发明的模拟装置中，全光谱光源用于提供波长10nm-300000nm的从紫外到远红外的，波长和光强能够调节的平行光源。

在本发明的模拟装置中，动力设备用于为可视化地层模型提供驱动力。

在本发明的模拟装置中，动力设备中的活塞容器的数量和类型根据具体需要而定。优选地，活塞容器包括模拟地层水活塞容器、原油活塞容器、微生物培养液活塞容器、聚合物活塞容器。

在本发明的模拟装置中，优选地，活塞容器与可视化地层模型的每一条连接管线上均设置有压力表。

根据本发明的具体实施方式，压力表与活塞容器的连接管线上设置有调节阀，用于调节管线的压力。

在本发明的模拟装置中，回压设备用于调节可视化地层模型的内部压力。优选地，回压设备包括回压泵、回压阀、流量计和回压泵储液罐；

更优选地，回压泵与可视化地层模型相连，在回压泵与可视化地层模型的连接管线上设置有回压阀，回压阀与流量计相连，回压泵与回压泵储液罐相连。

根据本发明的具体实施方式，回压阀与可视化地层模型的连接管线上设置有压力表和调节阀；回压泵与回压阀的连接管线上设置有压力表和调节阀。

在本发明的模拟装置中，环压设备用于保持可视化地层模型的内部压力。优选地，环压设备包括环压泵和环压泵储液罐；

更优选地，环压泵与可视化地层模型相连，环压泵与环压泵储液罐相连。

根据本发明的具体实施方式，环压泵与可视化地层模型的连接管线上设置有压力表和调节阀。

在本发明的模拟装置中，温控设备用于模拟储层温度。

在本发明的模拟装置中，优选地，驱替泵与驱替泵储液罐相连。更优选地，驱替泵与活塞容器的连接管线上设置有调节阀。

根据本发明的具体实施方式，压力监测设备用于实时监测模拟实验过程以及可视化地层模型各测点的压力情况，包括若干压力表(测压探头)。

在本发明的模拟装置中，观测及采集设备用于显示和记录可视化地层模型中的各种研究对象在模拟实验过程中全光谱光源下的变化。优选地，观测及采集设备包括显微镜、全光谱检测器、摄像头、全光谱检测器信息处理器、图像采集和数据处理计算机。更进一步地，显微镜可以为高分辨显微镜，全光谱检测器可以为高灵敏度全光谱检测器，摄像头可以为高分辨摄像头。

在本发明的模拟装置中，只要是透光材质制成或者拥有透明材质可视窗的地层模型均可用作为可视化地层模型；优选地，可视化地层模型包括带有不同透光材质可视窗的岩心夹持器和填砂管、不同透光材质填砂管模型、不同透明材质的光刻蚀微观模型、不同透明材质的裂缝型/溶洞型储层模型、不同透明材质微管模型、不同透明材质三维渗流模型。

需要注意的是，不同透明材质允许通过的光波长范围在使用全光谱检测器模式下的限制。

在本发明的模拟装置中，可视化地层模型的各个测点上均设置有压力表(测压探头)；在高压流体流经的各个节点均设置有压力表(测压探头)和调节阀，用以监测、调控管线的内部压力。

本发明的模拟装置中的全光谱光源独立可移动，可以进行两种光位的设置：透射光位和反射光位。透射光位下光源平行光穿过可视化地层模型到达观测端，其观测位置与光源位置不在同一侧；反射光位下光源平行光射向可视化地层模型并经过其反射到达观测端，其观测位置与光源位置在同一侧。

本发明还提供了一种全光谱可视化地层渗流的模拟方法，该模拟方法是通过本发明的全光谱可视化地层渗流的模拟装置完成的。

本发明的全光谱可视化地层渗流的模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：调节温度控制器使温箱保持地层温度T℃；

步骤二：打开环压泵及其管线阀门缓慢提供环压至P1MPa，关闭阀门维持环压；

步骤三：将可视化地层模型饱和模拟地层水，打开驱替泵并连通模拟地层水活塞容器，关闭其它通道；同时开启回压泵，使驱替泵的压力P2与回压泵的压力P3同步增长至模拟地层压力P，最终使P2＝P3＝P，待到驱替泵储液罐的体积减少值与流量计收集体积之差为1PV时完成模拟地层水的饱和；

步骤四：将可视化地层模型饱和原油，关闭模拟地层水活塞容器的阀门，接通原油活塞容器，待流量计收集不到水相为止；

步骤五：关闭原油活塞容器的阀门，接通微生物培养液活塞容器，泵入微生物培养液，收集并计量出口液体；

步骤六：进行观测，实现全光谱可视化地层渗流的模拟。

本发明的全光谱可视化地层渗流的模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤一：按照国家标准进行管线压力安全测试，将驱动液(多数情况下以水为驱动液)分别加入驱替泵储液管、回压泵储液罐和环压泵储液罐，配制好模拟地层水、微生物培养液连同原油样品一同加入对应的模拟地层水活塞容器、原油活塞容器和微生物培养液活塞容器中，调节温度控制器使温箱保持地层温度T℃；

步骤二：打开环压泵及其管线阀门缓慢提供环压至P₁MPa，然后关闭阀门维持环压(对于无法施加环压的可视化地层模型该步骤可以省略)；

步骤三：将可视化地层模型饱和模拟地层水，打开驱替泵并连通模拟地层水活塞容器，关闭其它通道；同时开启回压泵，使驱替泵的压力P₂与回压泵的压力P₃同步增长至模拟地层压力P，最终使P₂＝P₃＝P，待到驱替泵储液罐的体积减少值与流量计收集体积之差为1PV(孔隙体积)时完成模拟地层水的饱和；

步骤四：将可视化地层模型饱和原油，关闭模拟地层水活塞容器的阀门，接通原油活塞容器，待流量计收集不到水相为止；

步骤五：微生物驱替：关闭原油活塞容器的阀门，接通微生物培养液活塞容器，泵入微生物培养液，收集并计量出口液体；

步骤六：透射光位可见光观测，应用透射光位全光谱光源、高分辨摄像头和高分辨显微镜，可以实现对步骤三、步骤四和步骤五全过程的可见光范围内的宏、微观观测和高分辨图像采集；调节滤光板可以实现全光谱范围内不同波长对可视化地层模型的照射，从而在另一侧观测透射光线在可见光范围内的现象；

步骤七：透射光位非可见光检测，应用透射光位全光谱光源和高灵敏度全光谱检测器，实现对步骤三、步骤四和步骤五的透射光在可见光外的光线检测；同样的，通过调节滤光板能实现对光源波长的控制；

步骤八：反射光位可见光观测，应用反射光位全光谱光源、高分辨摄像头和高分辨显微镜可以实现步骤三、步骤四和步骤五的反射光在可见光范围的观测，结合显微镜和摄像头可以实现宏、微观观测和高分辨图像采集；使用滤光板可实现波长控制；

步骤九：反射光位非可见光检测，应用反射光位全光谱光源和高灵敏度全光谱检测器，实现对步骤三、步骤四和步骤五的反射光在可见光外的光线检测；同样的，通过调节滤光板能实现对光源波长的控制；

在上述步骤六、步骤七、步骤八和步骤九中涉及到的两种光源位置下对两类波长的观测，为了使观测效果最优化，需要同时调节驱替泵、调节阀、回压泵、回压阀、环压泵，使之在保持地层压力P的前提下使通过可视化地层模型的流量控制在利于观测的范围。

本发明的模拟装置可以实现不同方式的观测：一种是观测对象受到全光谱光源照射，在可见光波长范围发生的变化，这种变化能够被肉眼直接观测。另一种是观测对象受到全光谱光源照射，在不可见光波长范围发生的变化，这种变化不能够被肉眼直接观测，只能通过高灵敏度全光谱检测器检测。在这两种观测方式下还可以根据可视化地层模型的具体情况和实验具体要求选择是否使用高分辨显微镜来切换微观观测。

具体地，本发明的全光谱可视化地层渗流的模拟装置可以实现以下不同观测方式：

透射光位可见光观测，应用透射光位全光谱光源、高分辨摄像头和高分辨显微镜，实现对渗流过程可见光范围内的宏、微观观测和高分辨图像采集；调节滤光板，可以实现全光谱范围内不同波长对可视化地层模型的照射，从而在另一侧观测透射光线在可见光范围内的现象；

透射光位非可见光检测，应用透射光位全光谱光源和高灵敏度全光谱检测器，实现对渗流过程透射光在可见光范围外的光线检测；同样的，通过调节滤光板，可以实现对光源波长的控制；

反射光位可见光观测，应用反射光位全光谱光源、高分辨摄像头和高分辨显微镜可以实现对渗流过程反射光在可见光范围内的观测，结合显微镜和摄像头可以实现宏、微观观测和高分辨图像采集；使用滤光板可实现波长控制；

反射光位非可见光检测，应用反射光位全光谱光源和高灵敏度全光谱检测器，实现对渗流过程反射光在可见光范围外的光线检测；同样的，通过调节滤光板，可以实现对光源波长的控制。

本发明的全光谱可视化地层渗流的模拟装置可以实现二维、三维、宏观、微观、高渗、低渗、裂缝、溶洞、高压、低压、高温、低温、驱替、吞吐、热采、泡沫、酸、碱、聚合物、微生物、表面活性剂、油气储层、页岩油气储层、煤层等诸多模拟条件下渗流过程全光谱可视化渗流的研究。

本发明的全光谱可视化地层渗流的模拟装置和方法，利用不同物质在全光谱光源下的不同的光学现象，解决了不同驱替介质、开发方式、储层类型的地层渗流模拟装置可视化过程中由于原油品质和驱替介质光学性质引起的在可见光波长范围内无法真正可视化的问题，使渗流过程中的研究对象能够被更加清楚的观测和记录，并能够及时和准确的发现该过程可能产生的新物质。

附图说明

图1为实施例1的全光谱可视化地层渗流的模拟装置的结构示意图。

主要附图符号说明

1驱替泵 2驱替泵储液罐 3模拟地层水活塞容器 4原油活塞容器 5微生物培养液活塞容器 6聚合物活塞容器 7调节阀 8回压泵 9回压泵储液罐 10回压阀 11流量计 12环压泵 13环压泵储液罐 14可视化地层模型 15温度控制器 16温箱 17压力表(测压探头)18透射光位全光谱光源 181滤光板 182光源 183反射光位全光谱光源 19高灵敏度全光谱检测器 20高分辨摄像头 21高分辨显微镜 22全光谱检测器信号处理器 23图像采集和数据处理计算机

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种全光谱可视化地层渗流的模拟装置，其结构如图1所示，具体包括：

动力设备、回压设备、环压设备、可视化地层模型、温控设备、压力监测设备、观测及采集设备、全光谱光源；

动力设备用于为可视化地层模型14提供驱动力，动力设备包括驱替泵1、驱替泵储液罐2和模拟地层水活塞容器3、原油活塞容器4、微生物培养液活塞容器5、聚合物活塞容器6，其中，驱替泵1分别与模拟地层水活塞容器3、原油活塞容器4、微生物培养液活塞容器5、聚合物活塞容器6的一端相连，模拟地层水活塞容器3、原油活塞容器4、微生物培养液活塞容器5、聚合物活塞容器6的另一端与可视化地层模型14相连，模拟地层水活塞容器3与可视化地层模型14的连接管线上均设置有压力表17，其他活塞容器与可视化地层模型14的连接管线上也均设置有压力表，压力表与聚合物活塞容器6的连接管线上设置有调节阀7，其他活塞容器与压力表的连接管线上也均设置有调节阀；驱替泵1与驱替泵储液罐2相连，驱替泵1与所有活塞容器的连接管线上设置有调节阀；

回压设备用于调节可视化地层模型14的内部压力，回压设备包括回压泵8、回压阀10、流量计11和回压泵储液罐9，回压泵8与可视化地层模型14的出口相连，在回压泵8与可视化地层模型14的连接管线上设置有回压阀10，回压阀10与流量计11相连，回压泵8与回压泵储液罐9相连，回压阀10与可视化地层模型14的连接管线上设置有压力表和调节阀，回压泵8与回压阀10的连接管线上设置有压力表和调节阀；

环压设备用于保持可视化地层模型14的内部压力，环压设备包括环压泵12和环压泵储液罐13，环压泵12与可视化地层模型14相连，环压泵12与环压泵储液罐13相连，环压泵12与可视化地层模型14的连接管线上设置有压力表和调节阀；

温控设备用于模拟储层温度，温控设备包括温箱16和温度控制器15，其中，可视化地层模型14设置在温箱16的内部，温度控制器15与温箱16相连；温箱16与调节阀7的每一条连接管线上设置有压力表(测压探头)17；

压力监测设备用于实时监测模拟实验过程以及可视化地层模型14各测点的压力情况，包括若干压力表(测压探头)；

全光谱光源包括光源182和滤光板181，其中，光源包括透射光位全光谱光源18和反射光位全光谱光源183，全光谱光源用于提供波长10nm-300000nm的从紫外到远红外的，波长和光强能够调节的平行光源；

观测及采集设备用于显示和记录可视化地层模型中的各种研究对象在模拟实验过程中全光谱光源下的变化，观测及采集设备包括高分辨显微镜21、高灵敏度全光谱检测器19、高分辨摄像头20、全光谱检测器信息处理器22、图像采集和数据处理计算机23。

本实施例的上述全光谱可视化地层渗流的模拟装置具体用于模拟地层渗流时，包括以下步骤：

步骤一：按照国家标准进行管线压力安全测试，将驱动液(蒸馏水)分别加入驱替泵储液管、回压泵储液罐和环压泵储液罐，配制好模拟地层水、微生物培养液连同原油样品一同加入对应的模拟地层水活塞容器、原油活塞容器和微生物培养液活塞容器中，调节温度控制器使温箱保持地层温度65℃；

步骤二：打开环压泵及其管线阀门缓慢提供环压至15MPa，然后关闭阀门维持环压；

步骤三：将可视化地层模型饱和模拟地层水，打开驱替泵并连通模拟地层水活塞容器，关闭其它通道；同时开启回压泵，使驱替泵的压力与回压泵的压力同步增长至模拟地层压力17MPa，待到驱替泵储液罐的体积减少值与流量计收集体积之差为1PV(孔隙体积)时完成模拟地层水的饱和；

步骤四：将可视化地层模型饱和原油，关闭模拟地层水活塞容器的阀门，接通原油活塞容器，待流量计收集不到水相为止；

步骤五：微生物驱替：关闭原油活塞容器的阀门，接通微生物培养液活塞容器，泵入微生物培养液，收集并计量出口液体；

步骤六：透射光位可见光观测，应用透射光位全光谱光源、高分辨摄像头和高分辨显微镜，可以实现对步骤三、步骤四和步骤五全过程的可见光范围内的宏、微观观测和高分辨图像采集；调节滤光板可以实现全光谱范围内不同波长对可视化地层模型的照射，从而在另一侧观测透射光线在可见光范围内的现象；

步骤七：透射光位非可见光检测，应用透射光位全光谱光源和高灵敏度全光谱检测器，实现对步骤三、步骤四和步骤五的透射光在可见光外的光线检测；同样的，通过调节滤光板能实现对光源波长的控制；

步骤八：反射光位可见光观测，应用反射光位全光谱光源、高分辨摄像头和高分辨显微镜可以实现步骤三、步骤四和步骤五的反射光在可见光范围的观测，结合显微镜和摄像头可以实现宏、微观观测和高分辨图像采集；使用滤光板可实现波长控制；

步骤九：反射光位非可见光检测，应用反射光位全光谱光源和高灵敏度全光谱检测器，实现对步骤三、步骤四和步骤五的反射光在可见光外的光线检测；同样的，通过调节滤光板能实现对光源波长的控制；

在上述步骤六、步骤七、步骤八和步骤九中涉及到的两种光源位置下对两类波长的观测，为了使观测效果最优化，需要同时调节驱替泵、调节阀、回压泵、回压阀、环压泵，使之在保持地层压力P的前提下使通过可视化地层模型的流量控制在利于观测的范围。

以上实施例说明，本发明的全光谱可视化地层渗流模拟装置利用不同物质在全光谱光源下的不同的光学现象，通过两种光源位置(透射光、反射光)和两种观测方式(可见光、非可见光)实现了对渗流过程的宏、微观观测和图像采集，解决了不同驱替介质、开发方式、储层类型的地层渗流模拟系统可视化过程中由于原油品质和驱替介质光学性质引起的在可见光波长范围内无法真正可视化的问题。

Claims (10)

1.一种全光谱可视化地层渗流的模拟装置，其特征在于，该模拟装置包括：动力设备、回压设备、环压设备、可视化地层模型、温控设备、压力监测设备、观测及采集设备、全光谱光源；

所述动力设备包括驱替泵、驱替泵储液罐和活塞容器，其中，所述驱替泵与所述活塞容器的一端相连，所述活塞容器的另一端与所述可视化地层模型相连；

所述回压设备与所述可视化地层模型的出口相连；

所述环压设备与所述可视化地层模型相连；

所述温控设备包括温箱和温度控制器，其中，所述可视化地层模型设置在所述温箱的内部，所述温度控制器与所述温箱相连；

所述压力监测设备用于实时监测模拟实验及可视化地层模型的压力；

所述全光谱光源包括光源和滤光板，其中，所述光源包括透射光位全光谱光源和反射光位全光谱光源。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述活塞容器包括模拟地层水活塞容器、原油活塞容器、微生物培养液活塞容器、聚合物活塞容器。

3.根据权利要求1或2所述的模拟装置，其特征在于，所述活塞容器与可视化地层模型的每一条连接管线上均设置有压力表。

4.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述回压设备包括回压泵、回压阀、流量计和回压泵储液罐。

5.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于，所述回压泵与所述可视化地层模型相连；优选地，在回压泵与可视化地层模型的连接管线上设置有回压阀，所述回压阀与流量计相连，所述回压泵与所述回压泵储液罐相连。

6.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述环压设备包括环压泵和环压泵储液罐。

7.根据权利要求6所述的模拟装置，其特征在于，所述环压泵与所述可视化地层模型相连；优选地，所述环压泵与所述环压泵储液罐相连；更优选地，所述驱替泵与所述驱替泵储液罐相连。

8.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述观测及采集设备包括显微镜、全光谱检测器、摄像头、全光谱检测器信息处理器、图像采集和数据处理计算机。

9.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述可视化地层模型包括带有不同透光材质可视窗的岩心夹持器和填砂管、不同透光材质填砂管模型、不同透明材质的光刻蚀微观模型、不同透明材质的裂缝型/溶洞型储层模型、不同透明材质微管模型、不同透明材质三维渗流模型。

10.一种全光谱可视化地层渗流的模拟方法，其特征在于，该模拟方法是通过权利要求1-9任一项所述的模拟装置完成的。

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