CN112610195A - 一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验装置和方法。所述物理模拟稠油热采中能量补充的实验方法采用本申请的实验装置进行，包括：1)注入阶段：将流体通过注入系统注入模型系统；2)采集阶段：流体由模型系统流入回注系统，并通过数据采集与控制设备记录流量检测设备和压力检测设备采集的流量数据和压力数据；3)回注阶段：数据采集与控制设备按照采集的流量数据和压力数据，控制回注泵送设备将流体由回注系统回注至模型系统中。本申请的实验装置能够在稠油热采的吞吐过程中暂储并及时释放能量，保障压力、温度、质量高效传递，保障能量补充，使得本申请的实验方法有效模拟地层能量的变化。

Description

一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验装置和方法
技术领域
本申请涉及稠油热采技术，尤指一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验装置和方法。
背景技术
稠油在石油资源中所占比例较大，其粘度高，流动性差，凝固点高，突出特征是对温度非常敏感。蒸汽吞吐技术是目前一种主流的热采技术，操作流程简单，生产周期较短，其主要机理是加热降黏作用。向油层注入250～350℃的高温高压蒸汽和热水后，近井地带相当距离内的油层和原油被加热，形成的加热带中的原油黏度由几千甚至几万mPa·s降低到几mPa·s，原油流向井底的阻力大大减小，流动系数成几十倍地增加，油井产量大增。
在蒸汽吞吐的基础上，近年来又先后出现了化学吞吐、CO2吞吐以及复合气体吞吐等技术。国内的中科院渗流力学研究所自1991年开始从事稠油化学吞吐研究，并于1992年在大港油田进行了国内第一口单井化学吞吐试验，随后在官109-1稠油断块规模推广应用获得成功，有效解除了井筒近井地带堵塞，达到了启动油层、提高油井产能的目的。国外学者Patton等人对CO2吞吐的注采工艺参数进行了详细研究，印证该技术对重油油藏较为适合。郝宏达等开展了不同比例的复合气体吞吐物理模拟实验，论证了冀东油田CO2/N2复合气体吞吐提高采收率的可行性。
在实验模拟技术方面，我国自80年代初开始设计和筹建吞吐模拟三维模型，其中有代表性的是清华大学核能技术研究院的真空模型、北京石油勘探开发研究院热采所的高压模型和辽河石油勘探开发研究院的低压模型，三者各有侧重，互相补充。稠油热采的关键在于使热量有效地被地层吸收，胡绍彬等自主研制了一种稠油高压吞吐室内模拟实验装置，该装置采用流体暂存储能器和加热恒温层及保温管线，解决了稠油吞吐模拟实验中填砂模型的“吞”与“吐”的能力和热量保持问题。霍进等开展了三维物理模拟吞吐实验：多元介质高温下分解的非凝析气体能够迅速提升油藏压力，达到补充地层能量的目的。
以上实例在一定程度上解决了吞吐的热量利用问题，但均能量损耗较大且无法有效模拟地层能量的变化。
发明内容
本申请提供了一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验装置和方法，该实验装置能够在稠油热采的吞吐过程中暂储并及时释放能量，保障压力、温度、质量高效传递，保障能量补充，实现有效模拟地层能量的变化。
本申请提供了一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验装置，所述实验装置包括：注入系统、模型系统、回注系统、数据采集与控制系统以及采出系统；
所述注入系统包括水蒸汽发生设备、流体组分容器、任选地流体组分发生设备，所述水蒸汽发生设备、所述流体组分容器、所述流体组分发生设备分别与流体组分泵送设备相连接；
所述模型系统包括井模型，所述井模型具有四个出口A、B、C、D，所述井模型的入口与所述注入系统的注入管路相连接；
所述回注系统包括油砂模型、第一中间容器和回注泵送设备；所述油砂模型的一端分别与所述井模型的四个出口A、B、C、D相连接，所述油砂模型的另一端与所述第一中间容器相连接；所述第一中间容器中设置有活塞，活塞上方设置为允许来自于所述油砂模型的流体暂存，活塞下方为氮气或惰性气体，所述第一中间容器的远离所述油砂模型的一端与所述回注泵送设备相连接；
所述数据采集与控制系统包括流量检测设备、压力检测设备和数据采集与控制设备；所述流量检测设备和所述压力检测设备设置在所述井模型的四个出口A、B、C、D与所述油砂模型之间的管路上；所述数据采集与控制设备的一端与所述回注泵送设备相连接，另一端分别与所述流量检测设备和所述压力检测设备相连接，所述数据采集与控制设备设置为采集注入过程中所述流量检测设备检测到的流体流量数据和所述压力检测设备检测到的压力数据，以及在回注过程中控制所述回注泵送设备将所述第一中间容器活塞上方暂存的流体回注到所述井模型中并通过所述回注泵送设备根据采集的流体流量数据和压力数据控制回注的流体量；
所述采出系统包括回压控制器和计量泵，所述回压控制器和所述计量泵分别与所述井模型的生产管线相连接。
在本申请的实施例中，所述油砂模型可以为与所述井模型的地层孔渗关系相同的地层模型。
在本申请的实施例中，所述回注系统可以放置在恒温箱中。
在本申请的实施例中，所述模型系统的管路、所述回注系统的管路、所述数据采集与控制系统的管路、以及所述模型系统、所述回注系统、所述数据采集与控制系统之间的管路可以均为保温管路。
在本申请的实施例中，所述注入系统的注入管路与所述井模型的入口之间可以设置有第二中间容器。
本申请还提供了一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验方法，所述实验方法采用如上所述的实验装置进行，包括：
1)注入阶段：将流体通过注入系统注入模型系统；
2)采集阶段：流体由模型系统流入回注系统，并通过数据采集与控制设备记录流量检测设备和压力检测设备采集的流量数据和压力数据；
3)回注阶段：数据采集与控制设备按照采集的流量数据和压力数据，控制回注泵送设备将流体由回注系统回注至模型系统中。
在本申请的实施例中，
步骤2)还可以包括：根据流量检测设备采集的流量数据，得出所述第一中间容器中暂存的流体的流量Q；
步骤3)还可以包括：数据采集与控制设备控制回注泵送设备将流量为Q的流体由回注系统回注至模型系统中。
在本申请的实施例中，
步骤1)还可以包括：设置井模型21的温度T0；
步骤2)还可以包括：检测回注系统的温度T0’，使T0’＝T0数据采集与控制系统。
在本申请的实施例中，步骤1)还可以包括：设置井模型内部的压力P0，通过压力检测设备检测井模型出口的压力P0’，并保持P0’＝P0。
在本申请的实施例中，
步骤2)还可以包括：数据采集与控制设备根据流量检测设备采集的流量数据生成注入曲线；
步骤3)还可以包括：数据采集与控制设备在回注过程中生成回采曲线，并通过控制回注泵送设备使生成的回采曲线尽量与步骤2)生成的注入曲线呈对称。
利用本申请的实验装置和实验方法，可以准确和有效地反映矿场试验中稠油热采中地层能量的变化，是对大型物理模拟实验方法的补充，对稠油热采工艺具有重要的指导意义。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的实验装置的结构示意图；
图2为本申请实施例的实验装置的另一结构示意图；
图3为本申请实施例的实验方法的作用机理示意图；
图4为采用本申请实施例的实验装置得出的吞吐瞬时产油量和含水率变化图；
图5为采用本申请实施例的实验装置得出的吞吐某轮次温度场图变化图；
图6为采用本申请实施例的实验装置得出的油水分布对比图；
附图中各标记符号的含义为：
S10-注入系统；S20-模型系统；S30-回注系统；S40-数据采集与控制系统；S50采出系统；S100-A-A系统；11-水蒸汽发生设备；12-流体组分容器；13-流体组分泵送设备；14-回压阀；21-井模型；31-油砂模型；32-第一中间容器；33-回注泵送设备；41-流量检测设备；42-压力检测设备；43-数据采集与控制设备；51-回压控制器；52-计量泵。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请实施例提供了一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验装置，如图1-2所示，所述实验装置包括：注入系统S10、模型系统S20、回注系统S30、数据采集与控制系统S40以及采出系统S50，所述回注系统S30以及所述数据采集与控制系统S40组成A-A系统S100。
所述注入系统S10包括水蒸汽发生设备11、流体组分容器12、任选地流体组分发生设备(图中未示)，所述水蒸汽发生设备11、所述流体组分容器12、所述流体组分发生设备分别与流体组分泵送设备13相连接。所述注入系统S10的注入管路上可以设置有回压阀14，确保流体只能单向流动。
所述流体组分容器12可以包括二氧化碳容器、氮气容器、水容器、化学剂容器、油容器。所述流体组分发生设备可以包括二氧化碳发生器、氮气发生器。
当所述流体组分包括气体时，例如，二氧化碳、氮气，可以采用二氧化碳容器(例如，二氧化碳气瓶)、氮气容器(例如，氮气气瓶)提供二氧化碳、氮气，或者采用二氧化碳发生器、氮气发生器生成二氧化碳、氮气。
所述流体组分泵送设备13可以为计量泵，通过计量泵可以控制流体组分的流量并进行泵送。
所述模型系统S20包括井模型21，所述井模型21具有四个出口A、B、C、D，所述井模型21的入口与所述注入系统S10的注入管路相连接。
在本申请的实施例中，所述模型系统S20和所述井模型21可以采用本领域中常用的模型系统S20和井模型21，例如，所述井模型21可以采用常用的填砂模型；在本申请的一个实施例中，所述模型系统S20和所述井模型21可以采用中国专利CN103867176A中的模型系统和井模型。
所述回注系统S30包括油砂模型31、第一中间容器32和回注泵送设备33；所述油砂模型31的一端分别与所述井模型21的四个出口A、B、C、D相连接，所述油砂模型31的另一端与所述第一中间容器32相连接；所述第一中间容器32中设置有活塞，活塞上方设置为允许来自于所述油砂模型31的流体暂存，活塞下方为氮气或惰性气体，所述第一中间容器32的远离所述油砂模型31的一端与所述回注泵送设备33相连接。
所述回注系统S30可以根据注入过程中的能量变化，模拟地层弹性能量变化。其中，所述油砂模型31用于收集来自所述井模型21的流体，并将能量传递给所述第一中间容器32；所述第一中间容器32的活塞下方为氮气或惰性气体，在注入过程中，流体流入第一中间容器32的活塞上方，使活塞向下移动，活塞下方的气体受到压缩而吸收能量，在回注过程中，活塞下方的气体膨胀而释放能量，因此可以模拟地层能量变化。
所述数据采集与控制系统S40包括流量检测设备41、压力检测设备42和数据采集与控制设备43；所述流量检测设备41和所述压力检测设备42设置在所述井模型21的四个出口A、B、C、D与所述油砂模型31之间的管路上；所述数据采集与控制设备43的一端与所述回注泵送设备33相连接，另一端分别与所述流量检测设备41和所述压力检测设备42相连接，所述数据采集与控制设备43设置为采集注入过程中所述流量检测设备41检测到的流体流量数据和所述压力检测设备42检测到的压力数据，以及在回注过程中控制所述回注泵送设备33将所述第一中间容器32活塞上方暂存的流体回注到所述井模型21中并通过所述回注泵送设备33根据采集的流体流量数据和压力数据控制回注的流体量。
注入过程中所述流量检测设备41检测到的流体流量数据表示所述井模型的出口的流体流量，该流量等于进入所述回注系统S30的流体流量，在注入过程中需保持该流量恒定。
注入过程中所述压力检测设备检测到的压力数据表示所述井模型的出口压力，该压力等于所述回注系统S30的压力，在注入过程中需保持该压力恒定。
所述数据采集与控制设备43还可以设置为根据采集的流体流量数据生成生产曲线(流体流量随时间变化曲线)，如图3所示。
所述采出系统S50包括回压控制器51和计量泵52，所述回压控制器51和所述计量泵52分别与所述井模型21的生产管线相连接。在流体采出阶段，通过采出系统S50中的回压控制器51控制流体流量大小，通过计量泵进行计量52。
在本申请的实施例中，所述油砂模型31可以为与所述井模型21的地层孔渗关系相同的地层模型。此时，可以将所述油砂模型31看作是所述井模型21的延伸部分。
在本申请的实施例中，所述回注系统S30可以放置在恒温箱中，以此避免热量损失对能量变化的影响。
在本申请的实施例中，所述模型系统S20的管路、所述回注系统S30的管路、所述数据采集与控制系统S40的管路、以及所述模型系统S20、所述回注系统S30、所述数据采集与控制系统S40之间的管路均为保温管路，以此避免热量损失对能量变化的影响。可以对管路做保温处理使其成为保温管路，例如，可以在管路外设置保温层。
在本申请的实施例中，所述注入系统S10的注入管路与所述井模型21的入口之间可以设置有第二中间容器。当所述注入系统S10产生的流体为多组分流体时，可以设置所述第二中间容器，用于对进入其中的多组分流体进行混合。当所述注入系统S10产生的流体为饱和油时，则无需设置所述第二中间容器。
本申请实施例还提供了一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验方法，在进行该能量补充的实验方法之前先进行准备工作，包括对井模型21饱和水和油等。
本申请实施例提供的物理模拟稠油热采中能量补充的实验方法采用根据如上所述的实验装置进行，包括：
1)注入阶段：将流体通过注入系统S10注入模型系统S20，等待能量积累；
在注入阶段，通过注入系统S10设置井模型21内部的压力P0，通过压力检测设备42检测井模型21出口的压力P0’，并通过设置在井模型21出口处的回压阀14调节P0’，保持P0’＝P0；通过模型系统S20的加热装置设置井模型21的温度T0；
2)采集阶段：待多余的能量释放，流体由模型系统S20流入回注系统S30，并通过数据采集与控制设备43记录流量检测设备41和压力检测设备42采集的流量数据和压力数据；
在采集阶段，检测回注系统S30的温度T0’，使T0’＝T0，以避免热量损失；通过流量检测设备41检测井模型21的四个出口A、B、C、D的流量数据，得出第一中间容器32中暂存的流体的流量Q；数据采集与控制设备43还可以根据流量检测设备41检测到的流体流量数据生成注入曲线；
3)回注阶段：数据采集与控制设备43按照采集的流量数据和压力数据，控制回注泵送设备33将流体由回注系统S30回注至模型系统S20中；
在采集阶段，流量为Q的流体暂存在回注系统S30中，在回注阶段，将流量为Q的流体重新注入模型系统S20中，从而保持质量守恒；在回注阶段，数据采集与控制设备43可以根据回注的流体流量生成回采曲线(如图3所示)，并通过控制回注泵送设备33使生成的回采曲线尽量与采集阶段生成的注入曲线呈对称。本阶段以恒定速度进行回采，以模拟弹性能量驱动。
在图3中，A、B、C、D四点的能量、压力传递是不规律的。为实现对“吞”、“吐”过程的模拟，需要综合考虑压力、温度与质量的传递过程，使整个过程遵循质量守恒定律、能量守恒定律及传热定律，此时模型系统S20内的温度场、压力场和流场更接近实际油藏。本申请的实验装置和实验方法通过数据采集与控制系统S40记录采集阶段回注系统S30暂存的流体流量，并在回注阶段以相同的流体流量将流体回注至模型系统S20中，同时保持采集和回注阶段的压力恒定(井模型21内部的压力P0＝井模型21出口的压力＝回注系统S30的压力)，以及尽量避免采集和回注阶段的热量损失，实现了能量守恒。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：注入系统、模型系统、回注系统、数据采集与控制系统以及采出系统；
所述注入系统包括水蒸汽发生设备、流体组分容器、任选地流体组分发生设备，所述水蒸汽发生设备、所述流体组分容器、所述流体组分发生设备分别与流体组分泵送设备相连接；
所述模型系统包括井模型，所述井模型具有四个出口A、B、C、D，所述井模型的入口与所述注入系统的注入管路相连接；
所述回注系统包括油砂模型、第一中间容器和回注泵送设备；所述油砂模型的一端分别与所述井模型的四个出口A、B、C、D相连接，所述油砂模型的另一端与所述第一中间容器相连接；所述第一中间容器中设置有活塞，活塞上方设置为允许来自于所述油砂模型的流体暂存，活塞下方为氮气或惰性气体，所述第一中间容器的远离所述油砂模型的一端与所述回注泵送设备相连接；
所述数据采集与控制系统包括流量检测设备、压力检测设备和数据采集与控制设备；所述流量检测设备和所述压力检测设备设置在所述井模型的四个出口A、B、C、D与所述油砂模型之间的管路上；所述数据采集与控制设备的一端与所述回注泵送设备相连接，另一端分别与所述流量检测设备和所述压力检测设备相连接，所述数据采集与控制设备设置为采集注入过程中所述流量检测设备检测到的流体流量数据和所述压力检测设备检测到的压力数据，以及在回注过程中控制所述回注泵送设备将所述第一中间容器活塞上方暂存的流体回注到所述井模型中并通过所述回注泵送设备根据采集的流体流量数据和压力数据控制回注的流体量；
所述采出系统包括回压控制器和计量泵，所述回压控制器和所述计量泵分别与所述井模型的生产管线相连接。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其中，所述油砂模型为与所述井模型的地层孔渗关系相同的地层模型。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其中，所述回注系统放置在恒温箱中。
4.根据权利要求1所述的实验装置，其中，所述模型系统的管路、所述回注系统的管路、所述数据采集与控制系统的管路、以及所述模型系统、所述回注系统、所述数据采集与控制系统之间的管路均为保温管路。
5.根据权利要求1所述的实验装置，其中，所述注入系统的注入管路与所述井模型的入口之间设置有第二中间容器。
6.一种物理模拟稠油热采中能量补充的实验方法，其特征在于，所述实验方法采用根据权利要求1-5中任一项所述的实验装置进行，包括：
1)注入阶段：将流体通过注入系统注入模型系统；
2)采集阶段：流体由模型系统流入回注系统，并通过数据采集与控制设备记录流量检测设备和压力检测设备采集的流量数据和压力数据；
3)回注阶段：数据采集与控制设备按照采集的流量数据和压力数据，控制回注泵送设备将流体由回注系统回注至模型系统中。
7.根据权利要求6所述的实验方法，其中，
步骤2)还包括：根据流量检测设备采集的流量数据，得出所述第一中间容器中暂存的流体的流量Q；
步骤3)还包括：数据采集与控制设备控制回注泵送设备将流量为Q的流体由回注系统回注至模型系统中。
8.根据权利要求6或7所述的实验方法，其中，
步骤1)还包括：设置井模型21的温度T0；
步骤2)还包括：检测回注系统的温度T0’，使T0’＝T0数据采集与控制系统。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的实验方法，其中，步骤1)还包括：设置井模型内部的压力P0，通过压力检测设备检测井模型出口的压力P0’，并保持P0’＝P0。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的实验方法，其中，
步骤2)还包括：数据采集与控制设备根据流量检测设备采集的流量数据生成注入曲线；
步骤3)还包括：数据采集与控制设备在回注过程中生成回采曲线，并通过控制回注泵送设备使生成的回采曲线尽量与步骤2)生成的注入曲线呈对称。
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