CN112858628B - 一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，包括储层温压协调控制系统、驱替反应系统、数据采集处理系统和辅助系统。本发明采用可视化微纳米尺度孔喉模型即玻璃刻蚀模型来模拟实际岩石内部孔喉特征，通过储层温压协调控制系统及驱替反应系统，实现高温高压条件下流体在微纳米通道中的流动行为，结合数据采集处理系统观察多孔介质内微观流体运移特征，真正实现了微观模型驱替实验过程中微观孔隙结构中的剩余油水饱和度的定量化，对于油田储层开发过程中的油水饱和度分布及大小的判断具有重要的指导意义。

Description

一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置

技术领域

本发明涉及微观驱替技术领域，具体地说是涉及一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置。

背景技术

随着世界范围内更深更复杂地层的勘探开发活动越来越多，深层高温高压条件下的剩余油挖潜难度越来越大。尤其是油田进入高含水开发阶段产量递减期，开采挖潜对象由大片连通的剩余油，逐渐转向高度分散而局部又相对富集的区域，由于剩余油的微观赋存状态、分布规律认识不清，严重阻碍了下一步的剩余油挖潜。因此，探明高温高压条件下不同性质流体在微纳米尺度通道中的运移特征及剩余油富集规律对油藏生产开发尤为重要。

现有的微观驱替实验方法是利用真实岩石打磨过后放入匹配的凹槽中，同时将岩石四周密封，由一侧注入流体，研究流体在岩石中的流动特性。但该技术有很大的局限性，一方面，岩石在使用过程中会受到磨损，岩石基本参数会随着实验过程发生改变，而且用过的岩石不易冲洗，重复性低；此外，常规微观驱替实验装置存在最主要的两个问题，一是由于复杂油藏埋藏较深，温度高压力大(70MPa、150℃)，常规实验装置难以复现真实储层的高温高压条件；另一方面，由于孔隙尺度较小，常规的实验装置也难以直观呈现不同性质流体在微纳米尺度通道内的运移规律，对剩余油分布规律进行定性定量的分析。

因此，要全面深入了解不同性质流体在微通道中的流动规律，同时还要定量化描述微观孔隙结构驱替过程中油水饱和度分布，这就需要实验装置在尽可能的还原复杂地层条件基础上，还对能否呈现孔喉内流体流动行为实况、实验操作的灵活性、实验数据的精确性等提出了新的要求。

发明内容

针对现有技术的上述缺点，本发明提供一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，包括储层温压协调控制系统、驱替反应系统、数据采集处理系统和辅助系统；

所述储层温压协调控制系统包括高压密封夹持器，在高压密封夹持器上设置有方便观察的蓝宝石视窗，在高压密封夹持器的内部形成有储层围压环腔；所述储层围压环腔通过流体加热输出管道与高温加热容器的壳层进口相连，高温加热容器的壳层出口通过流体加热输入管道与储层围压环腔相连通，在流体加热输入管道上设置有高压磁力循环泵；所述储层围压环腔与围压监测管道相连接，在围压监测管道上设置有围压跟踪泵；

所述驱替反应系统包括高压注入泵、加热恒温活塞容器、玻璃刻蚀模型和回压单元，玻璃刻蚀模型放置在高压密封夹持器的内部，在玻璃刻蚀模型的一端设置有注入端，且注入端与模型流体注入管道的一端相连接，模型流体注入管道的另一端与高温加热容器的管层出口相连接，高温加热容器的管层进口与流体输送主管道相连接，流体输送主管道与加热恒温活塞容器的出口端相连接，加热恒温活塞容器的进口端通过泵送管道连接高压注入泵；在玻璃刻蚀模型的另一端设置有采出端，采出端通过模型流体采出管道连接回压单元，在模型流体采出管道上设置有冷凝器；

所述数据采集处理系统包括温度传感器、压力传感器、显微镜、数码监测摄像系统和计算机，所述温度传感器分别设置在加热恒温活塞容器和高温加热容器上，压力传感器分别设置在流体输送主管道、围压监测管道和模型流体采出管道上；显微镜设置在正对蓝宝石视窗的位置处，数码监测摄像系统设置在显微镜的目镜观察端；

所述辅助系统包括抽真空系统和气体增压系统，抽真空系统通过模型抽真空管道与流体输送主管道相连接，抽真空系统还通过环腔抽真空管道与储层围压环腔相连通；气体增压系统与流体输送主管道相连接；

所述温度传感器、压力传感器、数码监测摄像系统、围压跟踪泵、气体增压系统和抽真空系统均与计算机相连接。

优选的，所述加热恒温活塞容器设置多个，且呈并联布置。

优选的，所述压力传感器在流体输送主管道上布置多个，分别为低量程压力传感器、中量程压力传感器和高量程压力传感器，布置在围压监测管道和模型流体采出管道上的压力传感器均为高量程压力传感器。

优选的，所述回压单元包括高精度回压阀、缓冲罐和回压泵。

优选的，所述环腔抽真空管道上连接有第一放空管道，在第一放空管道上设置有第一放空阀；所述泵送管道上连接有第二放空管道，在第二放空管道上设置有第二放空阀。

优选的，在围压监测管道上设置有第一阀门，在模型流体注入管道上设置有第二阀门，在连入流体输送主管道的低量程压力传感器管道上设置有第三阀门，在连入流体输送主管道的中量程压力传感器管道上设置有第四阀门；在泵送管道连接加热恒温活塞容器进口端的支管路上分别设置有第五阀门、第六阀门和第七阀门。

优选的，在高压密封夹持器的底部设置有手动斜角调节支架。

本发明的有益技术效果是：

本发明采用可视化微纳米尺度孔喉模型即玻璃刻蚀模型来模拟实际岩石内部孔喉特征，通过储层温压协调控制系统及驱替反应系统，实现高温高压条件下流体在微纳米通道中的流动行为，结合数据采集处理系统观察多孔介质内微观流体运移特征，真正实现了微观模型驱替实验过程中微观孔隙结构中的剩余油水饱和度的定量化，对于油田储层开发过程中的油水饱和度分布及大小的判断具有重要的指导意义。

本发明可用于模拟微纳米级孔隙结构中油水气分布状态与流体运移特征，定量表征高温高压水驱、气驱、化学驱微观剩余油启动机理。

另外，本发明实验装置还具有以下两个关键设计点：

(1)传统加热模式多采用加热盘管安装在加热套外壁上的间接加热方式，缺点是流体升温速度缓慢，热量散发快，温度提供不稳定等，同时也无法保证环腔与驱替介质温度的一致，可能会由于内外温度差造成流体介质的体积压缩或膨胀，无法有效控制驱替介质的注入速度和压力；本发明将传统加热模式改为釜内流体直接加热方式，采用的是高温加热容器中的加热管置入加热套中，与流经加热套的流体直接接触加热；高压磁力循环泵作为动力源，实现流体在储层围压环腔与高温加热容器之间循环流动，保证了围压环腔内流体的温度压力能够达到平衡；同时总驱替进口管线经过高压热交换容器预热进入玻璃刻蚀模型，从而使得模型的整个加热系统同属一个加热体系，保证了进入玻璃刻蚀芯片的流体与围压环腔没有温度差，使得加热平衡时间更短、可视化模型受热更加均衡，提高了实验的准确性。

(2)本发明采用围压跟踪泵持续监测循环管路中的压力状况，对循环管路中的流体进行补压与泄压；采用回压单元抬升整个驱替系统的压力，控制地层驱替介质的压力状况，采用高精度回压阀可以准确保证驱替压力梯度，更加灵活地控制驱替过程中出口端压力；同时在出口处增设了冷凝器，可有效降低驱替介质的温度，保证高精度回压阀的使用寿命。通过回压单元等的设置可实现驱替压差梯度控制。

本发明综合考虑了传统微观驱替实验装置的局限性，在利用玻璃刻蚀模型模拟地层岩石孔喉特征的基础上，构建了一种适用于高温高压流体驱替微观可视化实验研究的物理模拟装置。本装置采用“围压环腔直接加热”的方式模拟储层实际温度，通过高压跟踪泵持续监测循环管路中的压力状况，对循环管路中的流体压力进行及时补充；将所需研究的一种或多种流体注入玻璃刻蚀模型中，通过数字传感器测量，实现流体在微纳尺度通道中流动时温压数据的实时获取；通过显微镜观测，实现不同流体通过微观可视化模型的图像观察及采集；进而通过显微观察和定量分析相结合的方法，从本质上认识机理，实现不同流体流经微纳通道流动特征的研究。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明微观可视化实验装置的结构原理示意图；

图中：1-高压注入泵；2-加热恒温活塞容器；3-气体增压系统；4-温度传感器；5-低量程压力传感器；6-中量程压力传感器；7-高量程压力传感器；8-抽真空系统；9-第一阀门；10-显微镜；11-数码监测摄像系统；12-计算机；13-高温加热容器；14-高压磁力循环泵；15-储层围压环腔；16-高压密封夹持器；17-围压跟踪泵；18-回压单元；19-冷凝器；20-手动斜角调节支架；21-夹具；22-玻璃刻蚀模型；23-蓝宝石视窗；24-流体加热输出管道；25-流体加热输入管道；26-环腔抽真空管道；27-围压监测管道；28-模型流体注入管道；29-流体输送主管道；30-泵送管道；31-模型流体采出管道，32-模型抽真空管道，33-第二阀门，34-第三阀门，35-第四阀门，36-第五阀门，37-第六阀门，38-第七阀门，39-第一放空阀门，40-第二放空阀门。

具体实施方式

结合附图，一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，包括储层温压协调控制系统、驱替反应系统、数据采集处理系统和辅助系统。所述储层温压协调控制系统主要功能是模拟真实储层环境中岩层所在的地层压力与温度情况。储层温压协调控制系统包括高压密封夹持器16，在高压密封夹持器16上设置有方便观察的蓝宝石视窗23，在高压密封夹持器16的内部形成有储层围压环腔15。所述储层围压环腔15通过流体加热输出管道24与高温加热容器13的壳层进口相连，高温加热容器13的壳层出口通过流体加热输入管道25与储层围压环腔15相连通，在流体加热输入管道25上设置有高压磁力循环泵14。所述储层围压环腔15与围压监测管道27相连接，在围压监测管道27上设置有围压跟踪泵17。围压跟踪泵17由围压泵和自动跟踪仪组成。

所述驱替反应系统主要作为储层流体微观驱替场所，表征水驱、气驱、化学驱后剩余油渗流特征及分布情况。驱替反应系统包括高压注入泵1、加热恒温活塞容器2、玻璃刻蚀模型22和回压单元18，玻璃刻蚀模型22放置在高压密封夹持器16的内部，即处于储层围压环腔15的空间中，玻璃刻蚀模型22的两端通过夹具21夹持固定。在玻璃刻蚀模型22的一端设置有注入端，且注入端与模型流体注入管道28的一端相连接，模型流体注入管道28的另一端与高温加热容器的管层出口相连接，高温加热容器的管层进口与流体输送主管道29相连接。流体输送主管道29与加热恒温活塞容器2的出口端相连接，加热恒温活塞容器2的进口端通过泵送管道30连接高压注入泵1。在玻璃刻蚀模型22的另一端设置有采出端，采出端通过模型流体采出管道31连接回压单元18，在模型流体采出管道上设置有冷凝器19。通过连接回压单元18和冷凝器19可控制模型两端驱替压力梯度、自动记录并收集产出流体。

所述数据采集处理系统主要功能为实时记录驱替流体流动状态、采集储层温压协调控制系统和驱替反应系统的温度压力数据。数据采集处理系统包括温度传感器4、压力传感器、显微镜10、数码监测摄像系统11和计算机12，所述温度传感器4分别设置在加热恒温活塞容器2和高温加热容器13上，压力传感器分别设置在流体输送主管道、围压监测管道和模型流体采出管道上。显微镜10设置在正对蓝宝石视窗的位置处，处于玻璃模型刻蚀片正上方。显微镜目镜装有数码监测摄像系统11。

所述辅助系统包括抽真空系统8和气体增压系统3，抽真空系统8通过模型抽真空管道32与流体输送主管道29相连接，抽真空系统还通过环腔抽真空管道26与储层围压环腔相连通。抽真空系统8用于对驱替反应系统进行抽真空，具体地，抽真空系统通过环腔抽真空管道对储层围压环腔15抽真空，抽真空系统通过模型抽真空管道32对模型的内部孔隙进行抽真空。气体增压系统3与流体输送主管道29相连接。气体增压系统包括空气压缩机、气体增压泵、气体单向阀和微量阀。

所述温度传感器、压力传感器、数码监测摄像系统11、围压跟踪泵17、气体增压系统3和抽真空系统8均与计算机12相连接。通过数据采集处理系统可获取通道中流体流动的图像及视频以及实时温度、压力数据等，可实现操作、控制、采集自动一体化，达到对实验进程和效果实时动态检测的目的。

在围压监测管道27、模型流体注入管道28、流体输送主管道29和泵送管道30等上均设置有阀门。具体地，环腔抽真空管道上连接有第一放空管道，在第一放空管道上设置有第一放空阀门39，通过第一放空阀门39可在实验完成后将储层围压环腔15中的围压液放空。所述泵送管道上连接有第二放空管道，在第二放空管道上设置有第二放空阀40，通过第二放空阀40可在实验完成后将加热恒温活塞容器中的流体介质放空。

在围压监测管道上设置有第一阀门9，在模型流体注入管道上设置有第二阀门33，第二阀门33可设置成三通阀。在连入流体输送主管道的低量程压力传感器管道上设置有第三阀门34，在连入流体输送主管道的中量程压力传感器管道上设置有第四阀门35。在泵送管道连接加热恒温活塞容器进口端的支管路上分别设置有第五阀门36、第六阀门37和第七阀门38。在加热恒温活塞容器出口端也均设置有控制阀门。通过相关位置阀门的开启闭合可控制驱替流体介质的切换。当需要将原油与驱替流体介质进行切换时，或将驱替流体介质相互之间进行切换时，需先关闭第一阀门，保证围压值不发生变化，然后通过第二阀门将流体输送主管道和模型流体注入管道中的流体排出。

上述控制阀门也可进一步与计算机相连接。

本发明综合考虑了传统微观驱替实验装置的局限性，在利用微观可视化模型模拟地层岩石孔喉特征的基础上，本装置采用“围压环腔直接加热”的方式模拟储层实际温度，通过高压跟踪泵持续监测循环管路中的压力状况，对循环管路中的流体压力进行及时补充；将所需研究的一种或多种流体注入玻璃刻蚀模型中，通过数字传感器测量，实现流体在微纳尺度通道中流动时温压数据的实时获取；通过显微镜观测，实现不同流体通过微观可视化模型的图像观察及采集；通过显微观察和定量分析相结合的方法，从本质上认识机理，实现不同流体流经微纳通道流动特征的研究。

作为对本发明的进一步设计，所述加热恒温活塞容器2设置多个，且呈并联布置，分别用于存放模拟地层温度条件下的地层油、水、聚合物等多重介质流体。

更进一步的，所述压力传感器在流体输送主管道上布置多个，分别为低量程压力传感器5、中量程压力传感器6和高量程压力传感器7，用于监测不同注入条件下的模拟驱替压力值。布置在围压监测循环管道和模型流体采出管道上的压力传感器均为高量程压力传感器。

进一步的，所述回压单元包括高精度回压阀、缓冲罐和回压泵；高精度回压阀的一端通过管道连接玻璃刻蚀模型，高精度回压阀的另一端通过管道连接缓冲罐，所述回压泵通过管道连接在缓冲罐上。高精度回压阀是采用薄片式结构，具有调节灵敏度高、耐压高(最大压力70MPa)、控制精度高、重量轻等优点；缓冲罐在实验驱替过程中起稳定压力、收集产出流体的作用，耐压70MPa。

更进一步的，在高压密封夹持器的底部设置有手动斜角调节支架20，该支架为带有手动斜角调节功能的专用支架，调节范围0-45°，可实现对地层倾斜角度的物理实验模拟，提高整个实验装置的可操作性和灵活性。

上述高温加热容器13包括密封壳体，在密封壳体内可布置有加热装置等，以对壳体内部空间即壳层中的流体进行加热。在密封壳体的内部还穿过有换热管，换热管的管程两端分别连接模型流体注入管道28和流体输送主管道29，通过换热管的流体可与壳层中的流体进行热交换。

本发明的工作过程大致如下：

(1)将微观孔隙刻蚀模型即模型22安装在高压密封夹持器16中，通过夹具21夹持固定。先通过抽真空系统对储层围压环腔15抽真空，然后通过围压监测管道向储层围压环腔中加入围压液(水)，再通过高温加热容器将围压液加热至地层温度；并由围压跟踪泵17控制围压。将连接好的玻璃刻蚀模型置于显微镜10下，调节显微镜聚集位置及放大倍数，至数码监测摄像系统11可采集到清晰的微纳米尺度通道图像。

(2)通过抽真空系统8将玻璃刻蚀模型及实验流程管路抽真空后，关闭注入和出口阀门，确保玻璃刻蚀模型22的孔隙中没有空气存在。

(3)将回压单元18调节至地层模拟压力，通过高压注入泵1进行原油注入，使玻璃刻蚀模型中孔隙充满原油。

(4)在高温高压条件下进行水驱油驱替实验。在切换驱替流体介质时，先关闭第一阀门9，确保围压环腔恒定在地层温度压力条件下，打开模型流体注入管道上的第二阀门33直至地层水缓慢连续流出后，关闭第二阀门、打开第一阀门；高压注入泵进行注水驱替，驱替过程注意及时采集图像，当模型孔隙及孔道中的剩余油不再发生变化时，停止驱替。

(5)注气驱替；将气体增压系统3接入驱替管路中，与水驱油过程切换驱替介质，确保围压环腔内流体与驱替介质的温度和压力分别稳定在实际储层条件下，进行驱替，利用显微镜配套的数码监测摄像系统记录通道中流体流动的图像及视频，在计算机上实时观察模型中流体的流动行为。

(6)实验结束；将驱替介质换为石油醚冲刷清洗可视化模型及驱替管路，调节驱替反应系统停止注入，打开实时数据记录文件并结合对应时刻的通道内流体流动特征进行分析。

若需要向模型中交替注入多种流体时，可将装有所需流体的加热恒温活塞容器打开，与步骤(4)切换流体方式相同，关闭第一阀门，打开流体注入管道上的第二阀门，待驱替介质连续稳定的流出后再次打开第一阀门，并通过显微镜观察微纳米通道中流体流动规律。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，其特征在于：包括储层温压协调控制系统、驱替反应系统、数据采集处理系统和辅助系统；

所述储层温压协调控制系统包括高压密封夹持器，在高压密封夹持器上设置有方便观察的蓝宝石视窗，在高压密封夹持器的内部形成有储层围压环腔；所述储层围压环腔通过流体加热输出管道与高温加热容器的壳层进口相连，高温加热容器的壳层出口通过流体加热输入管道与储层围压环腔相连通，在流体加热输入管道上设置有高压磁力循环泵；所述储层围压环腔与围压监测管道相连接，在围压监测管道上设置有围压跟踪泵；

所述驱替反应系统包括高压注入泵、加热恒温活塞容器、玻璃刻蚀模型和回压单元，玻璃刻蚀模型放置在高压密封夹持器的内部，在玻璃刻蚀模型的一端设置有注入端，且注入端与模型流体注入管道的一端相连接，模型流体注入管道的另一端与高温加热容器的管层出口相连接，高温加热容器的管层进口与流体输送主管道相连接，流体输送主管道与加热恒温活塞容器的出口端相连接，加热恒温活塞容器的进口端通过泵送管道连接高压注入泵；在玻璃刻蚀模型的另一端设置有采出端，采出端通过模型流体采出管道连接回压单元，在模型流体采出管道上设置有冷凝器；

所述数据采集处理系统包括温度传感器、压力传感器、显微镜、数码监测摄像系统和计算机，所述温度传感器分别设置在加热恒温活塞容器和高温加热容器上，压力传感器分别设置在流体输送主管道、围压监测管道和模型流体采出管道上；显微镜设置在正对蓝宝石视窗的位置处，数码监测摄像系统设置在显微镜的目镜观察端；

所述辅助系统包括抽真空系统和气体增压系统，抽真空系统通过模型抽真空管道与流体输送主管道相连接，抽真空系统还通过环腔抽真空管道与储层围压环腔相连通；气体增压系统与流体输送主管道相连接；

所述温度传感器、压力传感器、数码监测摄像系统、围压跟踪泵、气体增压系统和抽真空系统均与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，其特征在于：所述加热恒温活塞容器设置多个，且呈并联布置。

3.根据权利要求1所述的一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，其特征在于：所述压力传感器在流体输送主管道上布置多个，分别为低量程压力传感器、中量程压力传感器和高量程压力传感器，布置在围压监测管道和模型流体采出管道上的压力传感器均为高量程压力传感器。

4.根据权利要求1所述的一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，其特征在于：所述回压单元包括高精度回压阀、缓冲罐和回压泵。

5.根据权利要求1所述的一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，其特征在于：所述环腔抽真空管道上连接有第一放空管道，在第一放空管道上设置有第一放空阀；所述泵送管道上连接有第二放空管道，在第二放空管道上设置有第二放空阀。

6.根据权利要求1所述的一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，其特征在于：在围压监测管道上设置有第一阀门，在模型流体注入管道上设置有第二阀门，在连入流体输送主管道的低量程压力传感器管道上设置有第三阀门，在连入流体输送主管道的中量程压力传感器管道上设置有第四阀门；在泵送管道连接加热恒温活塞容器进口端的支管路上分别设置有第五阀门、第六阀门和第七阀门。

7.根据权利要求1所述的一种模拟高温高压条件下流体驱替的微观可视化实验装置，其特征在于：在高压密封夹持器的底部设置有手动斜角调节支架。

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