CN112284982B - 堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的评价装置 - Google Patents
堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的评价装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的评价装置，包括透明圆柱形模型箱1、半圆弧面导轨2、半圆弧面光源3、CCD工业相机组、暗箱7、中间容器A8、中间容器B9、驱替泵10和计算机11，模型箱1内装有透明土试样15，上端盖和下端盖中心开有通孔，有管线通过两个通孔分别与中间容器A8、中间容器B9连接；模型箱左侧设置半圆弧面导轨2，右侧设置半圆弧面光源3；CCD工业相机组连接计算机11。评价方法包括：制备具有气水界面的透明土；调节相机焦距至清晰看到气水界面及其水平剖面；铺展性能评价；堵水性能评价。本发明能够观测不同堵水剂体系在多孔介质气水界面的铺展和封堵过程，为定量评价堵水剂性能提供基础参数和理论依据。
Description
技术领域
本发明属于油田调剖堵水领域，尤其是涉及一种基于图像分析技术的评价堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的透明土实验装置。
背景技术
在油气藏流体渗流可视化物理模拟技术方面，典型技术包括：基于射线照相的真实岩心三维可视化技术、基于酸或激光雕刻的二维玻璃岩板光学可视化技术，其优缺点如下：
（1）基于射线照相的真实岩心三维可视化技术，先通过人工岩心造缝造洞，再利用核磁共振成像、CT扫描、超声波成像等测量手段来研究流体在多孔介质中的渗流过程，得到数字可视化图像。虽然可以实现真实岩心的三维渗流观测，但测试设备比较昂贵，因此无法用于一些小型测试实验中。
（2）基于酸或激光雕刻的二维玻璃岩板光学可视化技术，先通过CT扫描得到真实岩心孔隙结构，再将得到的真实岩心孔隙结构通过酸或激光精确刻蚀在玻璃板上，得到具有真实岩心孔隙结构的透明玻璃岩板，最后用该透明玻璃岩板模拟流体在二维渗流介质中的渗流过程。虽然该技术在微观驱替实验中得到广泛应用，由于只能通过模型表面进行显微观测，目前基于酸或激光雕刻的三维玻璃光学可视化技术还没有得到广泛应用。
为了更好地利用光学技术对多孔介质内部三维渗流过程进行观测，科研工作者发现透明土与天然岩石具有相似的力学性能和渗透性质，因此提出了用“透明土”来替代不透明多孔介质。透明土实验技术是一种以折射率匹配、光学成像为基础的光学可视化渗流物理模拟技术。“透明土”由透明颗粒和与透明颗粒具有相同折射率的孔隙流体组成，由于透明颗粒与孔隙流体具有相同的折射率，光线可以直接穿透“透明土”，而不经过折射，故而呈现透明特性。其中，透明颗粒包括：无定形硅粉、无定形硅胶、熔融石英、萤石等；孔隙流体包括：长链烷烃、矿物油、溴化钙水溶液、氯化钠水溶液、蔗糖溶液、碘化硫代硫酸钠溶液等。透明土实验成本低、操作简便、运行容易，并可在其中建立气水界面，可用于连续观测堵水剂在多孔介质气水界面的铺展和封堵过程，评价堵水剂的铺展和封堵性能，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的评价装置，该装置结构简单、设计合理、可视程度高，能够观测不同温度、压力下，不同堵水剂体系在多孔介质气水界面的铺展和封堵过程，为定量评价堵水剂的铺展和封堵性能提供了基础参数和理论依据。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的评价装置，包括透明圆柱形模型箱、半圆弧面导轨、半圆弧面光源、CCD工业相机组、暗箱、中间容器A、中间容器B、驱替泵和计算机。
所述透明圆柱形模型箱由透明上端盖、导管、透明下端盖、透明圆柱形筒体组成。
所述透明上端盖和透明下端盖与透明筒体通过螺纹连接；上端盖和下端盖中心开有通孔可通过管线与中间容器A、中间容器B连接。
所述中间容器A、中间容器B与驱替泵连接。
所述透明圆柱形模型箱内部装有透明土试样。
所述透明圆柱形模型箱置于暗箱中。
所述CCD工业相机组包括：CCD工业相机A、CCD工业相机B、CCD工业相机C。CCD工业相机A置于透明圆柱形模型箱正上方，CCD工业相机B安装于半圆弧面导轨上并可在半圆弧面导轨上滑动，CCD工业相机C置于透明圆柱形模型箱正下方。
所述计算机与CCD工业相机相连，并控制CCD工业相机的拍照速度和频率。
所述CCD工业相机A、CCD工业相机B、CCD工业相机C可在计算机软件的驱动下，通过图像预处理、图像分割、图像特征提取、构建图像识别的特征参数，从而实时获取铺展速度和铺展面积。
所述半圆弧面导轨置于透明圆柱形模型箱左侧。
所述半圆弧面光源与计算机连接，并置于透明圆柱形模型箱右侧，为成像提供光源。
所述暗箱为长方体，实验时将半圆弧面导轨、CCD工业相机A、CCD工业相机B、CCD工业相机C、半圆弧面光源置于其中，为成像提供暗室条件。
利用上述装置评价堵水剂在多孔介质气水界面铺展及封堵性能的方法，依次包括以下步骤：
（1）制备具有气水界面的透明土
首先测定透明颗粒的粒度分布、密度、折射率；再将透明颗粒填满透明圆柱形模型箱，用压缩仪从模型箱的上端分级加上荷载，每隔30min记录百分表读数一次，当两次读数小于0.01mm时透明土被压实；然后分别测定透明颗粒的孔隙度和渗透率；最后用驱替泵将中间容器A中、与透明颗粒折射率相同的孔隙流体从底部注入透明圆柱形模型箱，直到气水界面到达透明圆柱形模型箱中部，并用真空泵对模型箱抽真空，直到被孔隙流体饱和的透明颗粒呈现透明状态为止，固结12小时，即可得到下半部透明、上半部呈白色且具有气水界面的圆柱形透明土。所述透明颗粒为：无定形硅粉、无定形硅胶、熔融石英砂、高吸水聚合物(Aquabeads)。所述孔隙流体为：白油和石蜡混合物、溴化钙溶液、蔗糖溶液、水。
（2）打开半圆弧面光源，调节CCD工业相机B焦距至清晰看到气水界面，再调节CCD工业相机C的焦距至能清晰看到气水界面的水平剖面。
（3）铺展性能评价。所用堵水剂分为前置液和封堵液；所述前置液为参与界面聚合反应的水相单体溶液；所述封堵液为参与界面聚合反应的油相单体溶液，主要含有油相单体和铺展剂。先往中间容器A中装入前置液，用驱替泵将其通过导管注入到气液界面，等待前置液在水层中充分溶解扩散。再往中间容器A中装入封堵液，用驱替泵将封堵液通过导管注入到气液界面。由于封堵液由铺展剂、油相单体溶液构成，因此封堵液会沿着气水界面铺展，并与前置液中的水相单体发生界面聚合反应生成白色不透明聚合物微孔隔层。进而往中间容器B中装入与透明土颗粒折射率相同的孔隙流体，用孔隙流体驱替原有流体，使之充满整个透明圆柱形模型箱。最后通过CCD工业相机A、B、C对透明土模型中的聚合隔层进行图像识别，以聚合物隔层水平横截面为中心建立空间直角坐标系，确定聚合物隔层像素点坐标，构建聚合物隔层三维形状，从而得到聚合物隔层的铺展厚度和铺展面积。
（4）堵水性能评价。在压差的驱动下，含有大量易结垢离子（如Ca2+、CO3 2-、SO4 2-）的地层水向微孔聚合物隔层渗透，尽管地层水中的溶解性成垢离子浓度保持在不饱和状态，但由于浓差极化效应，这些成垢离子在靠近聚合物隔层表面的浓度很容易变成过饱和态，进而发生结晶现象，产生无机垢，堵塞聚合物隔层的微孔，从而形成不渗透聚合物隔层。当形成部分封堵的聚合物隔层时，通过测定不同封堵面积下，透明圆柱形模型箱顶端出水口的见水时间，来评价其堵水性能。当形成全封堵聚合物隔层时，通过测定聚合物隔层被突破压力，来评价其堵水性能。
所述浓差极化是指：含有一定成垢离子浓度的水溶液在压差的驱动下渗透通过聚合物隔层时，矿物离子被截留，使得聚合物隔层与本体溶液界面或临近多孔介质界面区域浓度越来越高，成垢离子在靠近聚合物隔层表面的浓度很容易变成过饱和态，进而发生结晶现象，产生无机结垢。同时在浓度梯度作用下，溶质又会由多孔介质表面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过通量下降。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明结构简单，操作方便，设计合理，且可视化程度高；
（2）本发明能连续监测堵水剂的铺展过程和封堵过程，从而评价堵水剂的铺展性能和封堵性能，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1 为堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的评价装置的结构示意图。
图中：1—透明圆柱形模型箱；2—半圆弧面导轨；3—半圆弧面光源；4—CCD工业相机A；5—CCD工业相机B；6—CCD工业相机C、7—暗箱；8—中间容器A；9—中间容器B；10—驱替泵；11—计算机。
图2 为透明圆柱形模型箱的结构示意图。
图中：12—上端盖；13—下端盖；14—圆柱形筒体；15—透明土试样。
具体实施方式
下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
参见图1、图2。
堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的评价装置，包括透明圆柱形模型箱1、半圆弧面导轨2、半圆弧面光源3、CCD工业相机组、暗箱7、中间容器A8、中间容器B9、驱替泵10和计算机11。
所述透明圆柱形模型箱1由上端盖12、下端盖13和圆柱形筒体14组成，所述上端盖、下端盖分别与圆柱形筒体通过螺纹连接，所述筒体内部装有透明土试样15，所述上端盖和下端盖的中心开有通孔，有管线通过两个通孔分别与中间容器A8、中间容器B9连接，所述中间容器A、中间容器B与驱替泵10连接；所述透明圆柱形模型箱左侧设置半圆弧面导轨2，右侧设置半圆弧面光源3；所述CCD工业相机组包括CCD工业相机A4、CCD工业相机B5和CCD工业相机C6，所述CCD工业相机A置于透明圆柱形模型箱正上方，CCD工业相机B安装于半圆弧面导轨上并可在导轨上滑动，CCD工业相机C置于透明圆柱形模型箱正下方；所述CCD工业相机组连接计算机11，通过计算机控制拍照速度和频率；所述透明圆柱形模型箱、半圆弧面导轨、半圆弧面光源、CCD工业相机组均置于暗箱7中。
所述半圆弧面光源与计算机连接，为成像提供光源。
所述CCD工业相机A、CCD工业相机B、CCD工业相机C在计算机软件的驱动下，通过图像预处理、图像分割、图像特征提取、构建图像识别的特征参数，实时获取铺展速度和铺展面积。
所述暗箱为长方体，为成像提供暗室条件。
实施例
利用上述装置评价堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的方法，依次包括以下步骤：
（1）制备具有气水界面的透明土：
将透明颗粒填满透明圆柱形模型箱，用压缩仪从模型箱上端分级加上荷载，被压实后用驱替泵将中间容器A中、与透明颗粒折射率相同的孔隙流体从底部注入模型箱，直到气水界面到达模型箱中部，用真空泵对模型箱抽真空，直到被孔隙流体饱和的透明颗粒呈现透明状态为止，固结12小时，得到下半部透明、上半部呈白色且具有气水界面的圆柱形透明土；
（2）打开半圆弧面光源，调节CCD工业相机B焦距至清晰看到气水界面，再调节CCD工业相机C焦距至清晰看到气水界面的水平剖面；
（3）铺展性能评价：
往中间容器A中装入前置液，用驱替泵将其通过管线注入到气水界面，待前置液在水层中充分溶解扩散，再往中间容器A中装入封堵液，用驱替泵将封堵液通过管线注入到气水界面，封堵液沿着气水界面铺展，并与前置液中的水相单体发生界面聚合反应生成白色不透明的聚合物隔层，再往中间容器B中装入与透明颗粒折射率相同的孔隙流体，使之充满整个模型箱，最后通过CCD工业相机A、B、C对透明土中的聚合物隔层进行图像识别，以聚合物隔层水平横截面为中心建立空间直角坐标系，确定聚合物隔层像素点坐标，构建聚合物隔层三维形状，从而得到聚合物隔层的铺展厚度和铺展面积；
（4）堵水性能评价：
在压差的驱动下，将配制好的CaCl2水型的地层水向聚合物隔层渗透，在靠近聚合物隔层发生结晶现象，产生无机垢，堵塞聚合物隔层的微孔，形成不渗透聚合物隔层；当形成部分封堵的聚合物隔层时，通过测定不同封堵面积下，透明圆柱形模型箱顶端出水口的见水时间，评价其堵水性能；当形成全封堵的聚合物隔层时，通过测定聚合物隔层被突破压力，评价其堵水性能。
Claims (4)
1.利用装置评价堵水剂在多孔介质气水界面铺展和封堵性能的方法，该装置包括透明圆柱形模型箱（1）、半圆弧面导轨（2）、半圆弧面光源（3）、CCD工业相机组、暗箱（7）、中间容器A（8）、中间容器B（9）、驱替泵（10）和计算机（11），所述透明圆柱形模型箱（1）由上端盖（12）、下端盖（13）和圆柱形筒体（14）组成，所述上端盖、下端盖分别与圆柱形筒体通过螺纹连接，所述筒体内部装有透明土试样（15），所述上端盖和下端盖的中心开有通孔，有管线通过两个通孔分别与中间容器A（8）、中间容器B（9）连接，所述中间容器A、中间容器B与驱替泵（10）连接；所述透明圆柱形模型箱左侧设置半圆弧面导轨（2），右侧设置半圆弧面光源（3）；所述CCD工业相机组包括CCD工业相机A（4）、CCD工业相机B（5）和CCD工业相机C（6），所述CCD工业相机A置于透明圆柱形模型箱正上方，CCD工业相机B安装于半圆弧面导轨上并可在导轨上滑动，CCD工业相机C置于透明圆柱形模型箱正下方；所述CCD工业相机组连接计算机（11），通过计算机控制拍照速度和频率；所述透明圆柱形模型箱、半圆弧面导轨、半圆弧面光源、CCD工业相机组均置于暗箱（7）中，该方法依次包括以下步骤：
（1）制备具有气水界面的透明土：
将透明颗粒填满透明圆柱形模型箱，用压缩仪从模型箱上端分级加上荷载，被压实后用驱替泵将中间容器A中、与透明颗粒折射率相同的孔隙流体从底部注入模型箱，直到气水界面到达模型箱中部，用真空泵对模型箱抽真空，直到被孔隙流体饱和的透明颗粒呈现透明状态为止，固结12小时，得到下半部透明、上半部呈白色且具有气水界面的圆柱形透明土；
（2）打开半圆弧面光源，调节CCD工业相机B焦距至清晰看到气水界面，再调节CCD工业相机C焦距至清晰看到气水界面的水平剖面；
（3）铺展性能评价：
往中间容器A中装入前置液，用驱替泵将其通过管线注入到气水界面，待前置液在水层中充分溶解扩散，再往中间容器A中装入封堵液，用驱替泵将封堵液通过管线注入到气水界面，封堵液沿着气水界面铺展，并与前置液中的水相单体发生界面聚合反应生成白色不透明的聚合物隔层，再往中间容器B中装入与透明颗粒折射率相同的孔隙流体，使之充满整个模型箱，最后通过CCD工业相机A、B、C对透明土中的聚合物隔层进行图像识别，以聚合物隔层水平横截面为中心建立空间直角坐标系，确定聚合物隔层像素点坐标，构建聚合物隔层三维形状，从而得到聚合物隔层的铺展厚度和铺展面积；
（4）堵水性能评价：
在压差的驱动下，将配制好的CaCl2水型的地层水向聚合物隔层渗透，在靠近聚合物隔层发生结晶现象，产生无机垢，堵塞聚合物隔层的微孔，形成不渗透聚合物隔层；当形成部分封堵的聚合物隔层时，通过测定不同封堵面积下，透明圆柱形模型箱顶端出水口的见水时间，评价其堵水性能；当形成全封堵的聚合物隔层时，通过测定聚合物隔层被突破压力，评价其堵水性能。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半圆弧面光源与计算机连接，为成像提供光源。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CCD工业相机A、CCD工业相机B、CCD工业相机C在计算机软件的驱动下，通过图像预处理、图像分割、图像特征提取、构建图像识别的特征参数，实时获取铺展速度和铺展面积。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述暗箱为长方体，为成像提供暗室条件。
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