CN114088919A - 一种高温高压高精度微观驱替实验系统和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的在高温高压条件下通过高精度控制采集开展微观驱替实验方法，其温度和压力可以真正实验地层温度和压力条件，通过该方法可以观察到更加清晰的实验现象，采集和记录实验中流速、压力、采收率、波及面积的对应关系，实验效果明显提高，实验结果更加真实可靠。岩心模具的孔隙度是模拟真实岩心孔隙度成型制作的。为了更好地模拟天然岩心，需要对获得的模型仿造天然岩心的成孔过程对其进行了溶蚀处理，使所制备得到的模型的性质更加接近天然岩心。通过调整溶蚀水的浓度和流动方式，对孔隙度失真进行补偿；通过提高溶蚀时的温度来加快溶蚀模拟的效率。

Description

一种高温高压高精度微观驱替实验系统和实验方法

技术领域

本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种高温高压高精度微观驱替实验系统和实验方法。

背景技术

石油作为一种能源主要储层在地下岩石孔隙中，在石油开采过程中要经历多次开采过程，目前国内很多油田已经发展到三次采油阶段，微观驱替实验是研究采油过程中各相流体的渗流规律及采油后剩余油在地层中赋存状态的一种非常直观、有效的实验方法，微观驱替实验即可以模拟驱油实验又可以通过图像处理计算采收率、表征剩余油形态和分别。

目前国内关于微观驱替实验开展已经较为广泛，一方面，现有技术模拟的温度、压力条件较低，不能真实反映高温高压地层条件；另一方面，岩石在形成过程中会受到地层压力压实作用、物料胶结作用和流体溶蚀作用等，单纯的进行压实制备的薄片模型必然会与实际地层环境中的岩石存在差异，无法真实模拟岩石，需要对薄片模型进行仿真处理，但是，微观驱替实验采用的模型孔隙体积非常小，实验采用回压阀控制精度低，使驱替过程时间短，无法清晰采集到驱替过程变化，上述问题导致现有技术中的微观驱替实验精度较低，无法获取准确的评价参数。

针对上面存在的至少一个问题，我们经过探索提出了一种高温高压高精度微观驱替实验系统和实验方法，可以弥补以上不足，提高了实验条件和实验精度。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种高温高压高精度微观驱替实验方法和实验系统，本发明可以更好的模拟真实岩心，获得高精度的评价参数。其采用的技术方案如下：

本发明通的实验系统包括高精度注入系统、高压流体储存系统、高温高压模型加载系统、高精度输出控制系统、图像采集和分析系统以及高压管线、阀门和连接装置等部分组成。

具体的，本发明提供一种高温高压高精度微观驱替实验系统，其特征在于，包括：

（1）可视化高压反应釜，具有流体入口、气体出口、反应釜盖，可视化高压反应釜放置于加热套中，其中设置有固定支架；

（2）真空泵，和可视化高压反应釜的气体出口连通；

（3）流体驱替系统；

（4）实验数据采集系统。

流体驱替系统包括精度注入泵、气体中间容器2、模拟水中间容器3、活油中间容器4、石油醚中间容器5和高精度控制泵13，高精度注入泵通过管线及阀门分别连接到气体中间容器2、模拟水中间容器3、活油中间容器4和石油醚中间容器5，各容器通过管线连接到阀门24，然后通过细管线连接到微观模型10，然后通过管线和阀门25连接到高精度控制泵13。实验中微观模型依靠模型固定支架11和12将模型固定在可视化高压反应釜9中；实验数据采集系统包括显微镜和电脑，通过显微镜8采集实验过程图像，整个实验过程中控制和采集通过电脑14控制完成。

为解决模拟地层高温高压条件，模型加载系统选用性能更好的材料加工反应釜，可视化视窗选用耐高压石英玻璃，密封采用金属密封和氟橡胶相结合，其他耐压部分均进行改进，对改进后的系统试验可以满足在150℃、70MPa下进行实验。

为了达到实验过程可以精确控制的目的，系统在注入端和模型出口端均采用高精度控制泵进行实验，两台泵型号、各类参数均相同，通过编制的软件控制，实验中两台泵同时开启和停止，位于前端的泵向系统注入流体，位于后端的泵从系统中抽出流体，两台泵的注入和吸入流体速度一致。

为了实现本发明目的，整个实验过程中，图像采集频率、压力采集频率一致，实现压力和驱替过程完全对应。

同时，本发明提供一种利用上述实验系统进行高温高压高精度微观驱替实验的方法，其特征在于，包括：

（1）根据地层岩石孔隙结构制作微观驱替模型；

（2）搭建实验系统，主要包括，高精度注入泵1通过管线及阀门分别连接到气体中间容器2、模拟水中间容器3、活油中间容器4和石油醚中间容器5，各容器通过管线连接到阀门24，然后通过细管线连接到微观模型10，然后通过管线和阀门25连接到高精度控制泵13。实验中微观模型依靠模型固定支架11和12将模型固定在可视化高压反应釜9中，然后通过显微镜8采集实验过程图像；整个实验过程中控制和采集通过电脑14控制完成；

（3）关闭阀门24打开阀门25，然后启动真空泵26，将模型气体抽出至真空状态；

（4）将其他管路中气体排除干净；

（5）向可视化反应釜9中注入纯净水，然后开启加热套6升温至实验温度；

（6）关闭阀门25，停止真空泵26，同时打开阀门16、17、18、19、20和24向模型中注入石油醚，然后通过高精度注入泵1提高模型中的压力，同时提高可视化反应釜9中的压力，直到压力达到实验压力并且稳定；

（7）启动高精度控制泵13将压力提高至实验压力，关闭阀门20，打开阀门21和25，使用活油将微观模型10中的石油醚替换掉；

（8）打开显微镜8开始采集图像，压力传感器27记录压力，关闭阀门21，打开阀门23，开始进行气驱油实验；

（9）关闭阀门23，打开阀门22，对气驱后模型采用水驱；

（10）水驱停止，系统降温、卸压后拆除，分析实验现象。

优选的，步骤（1）中制作微观驱替模型，包括以下步骤：

取河沙磨成粉，过筛，取不同粒径的沙样混合均匀，粒径大小和粒径分布与真实岩心相同；

配制粘结剂，搅拌均匀；

根据真实岩心地层水组成配制具有一定矿化度的溶蚀水；

在岩心模具中浇注上述河沙粉、粘结剂和一定量的水，通过三轴液压机压制成型，至于通风处自然干燥得到模型；

溶蚀：模拟地层温度和压力条件下，地层流体侵蚀模型内部孔隙

对模型进行切片处理，清洗、打磨岩心表面。

优选的，根据地层水类型不同调整溶蚀水的浓度对孔隙度进行失真补偿；具体的，当地层水为有大量的硫化氢、二氧化碳、乙酸等强溶蚀效果的溶液时，溶蚀水的浓度配制为低于地层水浓度；当地层水中强溶蚀效果组分含量较少时，溶蚀水的浓度配置为高于地层水浓度。

优选的，调整溶液浓度的同时，还可以同时通过调整溶蚀水流动方式，对孔隙度失真进行补偿。具体的，当地层水为有大量的硫化氢、二氧化碳、乙酸等强溶蚀效果的溶液，并且地层水浓度较大时，采用配置好的溶蚀水进行开放式循环；当地层水为溶蚀效果比较弱的溶液类型，或地层水浓度较低时，采用配置好的溶蚀水进行封闭不循环方式流动。

优选的，还可以通过提高溶蚀时的温度来加快溶蚀模拟的效率。

本发明的优点在于：

本发明提出的在高温高压条件下通过高精度控制采集开展微观驱替实验方法，其温度和压力可以真正实验地层温度和压力条件，通过该方法可以观察到更加清晰的实验现象，采集和记录实验中流速、压力、采收率、波及面积的对应关系，实验效果明显提高，实验结果更加真实可靠。

岩心模具的孔隙度是模拟真实岩心孔隙度成型制作的。为了更好地模拟天然岩心，需要对获得的模型仿造天然岩心的成孔过程对其进行了溶蚀处理，使所制备得到的模型的性质更加接近天然岩心。通过调整溶蚀水的浓度和流动方式，对孔隙度失真进行补偿；通过提高溶蚀时的温度来加快溶蚀模拟的效率。

附图说明

图1：高温高压高精度微观驱替实验装置示意图。

1.高精度注入泵；2.气体中间容器；3.模拟水中间容器；4.活油中间容器；5.石油醚中间容器；6.加热套；7.耐高温光源；8.显微镜；9.可视化高压釜；10.微观驱替模型；11、12.微观模型固定支架；13.高精度控制泵；14.电脑；15.显微镜支架；16、17、18、19、20、21、22、23、24、25.高压阀门；26.真空泵；27.压力传感器。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

本发明提供一种高温高压高精度微观驱替实验系统，其特征在于，包括：

（1）可视化高压反应釜，具有流体入口、气体出口、反应釜盖，可视化高压反应釜放置于加热套中，其中设置有固定支架；

（2）真空泵，和可视化高压反应釜的气体出口连通；

（3）流体驱替系统；

（4）实验数据采集系统。

流体驱替系统包括精度注入泵、气体中间容器2、模拟水中间容器3、活油中间容器4、石油醚中间容器5和高精度控制泵13，高精度注入泵通过管线及阀门分别连接到气体中间容器2、模拟水中间容器3、活油中间容器4和石油醚中间容器5，各容器通过管线连接到阀门24，然后通过细管线连接到微观模型10，然后通过管线和阀门25连接到高精度控制泵13。实验中微观模型依靠模型固定支架11和12将模型固定在可视化高压反应釜9中；实验数据采集系统包括显微镜和电脑，通过显微镜8采集实验过程图像，整个实验过程中控制和采集通过电脑14控制完成。

为解决模拟地层高温高压条件，模型加载系统选用性能更好的材料加工反应釜，可视化视窗选用耐高压石英玻璃，密封采用金属密封和氟橡胶相结合，其他耐压部分均进行改进，对改进后的系统试验可以满足在150℃、70MPa下进行实验。

为了达到实验过程可以精确控制的目的，系统在注入端和模型出口端均采用高精度控制泵进行实验，两台泵型号、各类参数均相同，通过编制的软件控制，实验中两台泵同时开启和停止，位于前端的泵向系统注入流体，位于后端的泵从系统中抽出流体，两台泵的注入和吸入流体速度一致。

为了实现本发明目的，整个实验过程中，图像采集频率、压力采集频率一致，实现压力和驱替过程完全对应。

本发明还提供一种利用上述实验系统进行高温高压高精度微观驱替实验的方法，其特征在于，包括：

（1）根据地层岩石孔隙结构制作微观驱替模型；

（2）搭建实验系统，主要包括，高精度注入泵1通过管线及阀门分别连接到气体中间容器2、模拟水中间容器3、活油中间容器4和石油醚中间容器5，各容器通过管线连接到阀门24，然后通过细管线连接到微观模型10，然后通过管线和阀门25连接到高精度控制泵13。实验中微观模型依靠模型固定支架11和12将模型固定在可视化高压反应釜9中，然后通过显微镜8采集实验过程图像；整个实验过程中控制和采集通过电脑14控制完成；

（3）关闭阀门24打开阀门25，然后启动真空泵26，将模型气体抽出至真空状态；

（4）将其他管路中气体排除干净；

（5）向可视化反应釜9中注入纯净水，然后开启加热套6升温至实验温度；

（6）关闭阀门25，停止真空泵26，同时打开阀门16、17、18、19、20和24向模型中注入石油醚，然后通过高精度注入泵1提高模型中的压力，同时提高可视化反应釜9中的压力，直到压力达到实验压力并且稳定；

（7）启动高精度控制泵13将压力提高至实验压力，关闭阀门20，打开阀门21和25，使用活油将微观模型10中的石油醚替换掉；

（8）打开显微镜8开始采集图像，压力传感器27记录压力，关闭阀门21，打开阀门23，开始进行气驱油实验；

（9）关闭阀门23，打开阀门22，对气驱后模型采用水驱；

（10）水驱停止，系统降温、卸压后拆除，分析实验现象。

优选的，步骤（1）中制作微观驱替模型，包括以下步骤：

取河沙磨成粉，过筛，取不同粒径的沙样混合均匀，粒径大小和粒径分布与真实岩心相同；

配制粘结剂，搅拌均匀；

根据真实岩心地层水组成配制具有一定矿化度的溶蚀水；

在岩心模具中浇注上述河沙粉、粘结剂和一定量的水，通过三轴液压机压制成型，至于通风处自然干燥得到模型；

溶蚀：模拟地层温度和压力条件下，地层流体侵蚀模型内部孔隙

对模型进行切片处理，清洗、打磨岩心表面。

优选的，根据地层水类型不同调整溶蚀水的浓度对孔隙度进行失真补偿；具体的，当地层水为有大量的硫化氢、二氧化碳、乙酸等强溶蚀效果的溶液时，溶蚀水的浓度配制为低于地层水浓度；当地层水中强溶蚀效果组分含量较少时，溶蚀水的浓度配置为高于地层水浓度。该步骤的有益效果是，通过调整溶蚀水的浓度，对孔隙度失真进行补偿。

岩心模具的孔隙度是模拟真实岩心孔隙度成型制作的。为了更好地模拟天然岩心，需要对获得的模型仿造天然岩心的成孔过程对其进行了溶蚀处理，使所制备得到的模型的性质更加接近天然岩心。

地层水对孔隙度的影响非常复杂，一方面，地层水中的钙、镁、硫、氯、微生物等会对岩石的孔洞形成溶蚀作用，使孔道结构变大，另一方面，岩石沙粒之间填充有粘土层，在水作用下，粘土质成分将发生体积膨胀，导致孔隙度变小。溶蚀一方面导致孔隙度增大,另一方面又会导致岩心膨胀,孔隙度减小,溶蚀方式不同，溶蚀流体不同(有机酸/硫化氢/碳酸)。产生的溶蚀效果不同，对孔隙度的影响程度也不同，溶蚀效果强的酸，孔隙度会有很大提升，导致岩心孔隙度变大失真，就需要配制低浓度的溶蚀水，使粘土质成分将发生体积膨胀，进行孔隙度减小补偿；反之，溶蚀效果弱的酸，溶蚀作用导致的岩心孔隙度失真变大较小，而粘土质成分将发生体积膨胀成为影响孔隙度失真的主要因素，在此条件下，使用高浓度的溶蚀水对岩心进行溶蚀，对岩心孔隙度失真进行补偿。

优选的，调整溶液浓度的同时，还可以同时通过调整溶蚀水流动方式，对孔隙度失真进行补偿。具体的，当地层水为有大量的硫化氢、二氧化碳、乙酸等强溶蚀效果的溶液，并且地层水浓度较大时，采用配置好的溶蚀水进行开放式循环；当地层水为溶蚀效果比较弱的溶液类型，或地层水浓度较低时，采用配置好的溶蚀水进行封闭不循环方式流动。该步骤的有益效果是，通过调整溶蚀水的浓度和流动方式，对孔隙度失真进行补偿。

当地层水类型溶蚀效果强，并且浓度较高时，如果只是通过降低溶蚀水浓度，为了补偿孔隙度变大失真，需要将溶蚀水浓度配制得较低，溶蚀水与地层水浓度差异过大，会带来更多的不确定因素，以硫化氢为例，当硫化氢浓度发生变化时，其对碳酸盐的饱和度会发明变化，随着溶蚀水与地层水浓度差异增大，对岩心的溶蚀效果差别也是相应增大，当浓度差达到一定程度时，溶蚀处理效果失真，获得的驱替薄片不再有仿真价值。此时，通过适当调低溶蚀水的浓度可以对孔隙度变大失真进行一定程度的补偿，同时，通过采用开放式循环流通，可以保证各处粘度质的都可以充分膨胀，对孔隙度失真进行更好补偿；还可以配合流速控制溶蚀效果。

优选的，还可以通过提高溶蚀时的温度来加快溶蚀模拟的效率。

自然环境中的真实岩心在成型的过程中，经历了漫长的溶蚀作用，这一阶段可能为几百甚至几千年，地层溶液与地下岩石不断发生相互作用，岩石的内表面被溶蚀形成微孔的同时由于吸水而发生膨胀。现有的模拟溶蚀作用，通常都是配置地层水溶液，然后注入岩心内，在一定温度和压力下模拟溶蚀对于岩心的影响。上述方法效率较低，难以模拟漫长时间段内地层水对岩心的溶蚀，通过提高溶蚀时的温度来加快溶蚀模拟的效率，例如真实岩心的地层温度为T，当地层水类型溶蚀效果强时，设置模拟温度为2T，当地层水类型溶蚀效果弱时，设置模拟温度为3T；这是因为温度的升高会加快分子间的热运动，从而加快地层水和岩心内表面之间的交互作用，从而在模拟溶蚀效应的时候提高效率。

Claims (11)

1.一种高温高压高精度微观驱替实验系统，其特征在于，包括：可视化高压反应釜，具有流体入口、气体出口、反应釜盖，可视化高压反应釜放置于加热套中，其中设置有固定支架；真空泵，和可视化高压反应釜的气体出口连通；流体驱替系统；实验数据采集系统；流体驱替系统包括精度注入泵、气体中间容器2、模拟水中间容器3、活油中间容器4、石油醚中间容器5和高精度控制泵13，高精度注入泵通过管线及阀门分别连接到气体中间容器2、模拟水中间容器3、活油中间容器4和石油醚中间容器5，各容器通过管线连接到阀门24，然后通过细管线连接到微观模型10，然后通过管线和阀门25连接到高精度控制泵13；实验中微观模型依靠模型固定支架11和12将模型固定在可视化高压反应釜9中；实验数据采集系统包括显微镜和电脑，通过显微镜8采集实验过程图像，整个实验过程中控制和采集通过电脑14控制完成。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压高精度微观驱替实验系统，其特征在于，模型加载系统选用耐高温高压的合金材料加工反应釜，可视化视窗选用耐高压石英玻璃，密封采用金属密封和氟橡胶相结合，试验系统可以满足在150℃、70MPa下进行实验。

3.根据权利要求1所述的一种高温高压高精度微观驱替实验系统，其特征在于，系统在注入端和模型出口端均采用高精度控制泵进行实验，两台泵型号、各类参数均相同，通过编制的软件控制，实验中两台泵同时开启和停止，位于前端的泵向系统注入流体，位于后端的泵从系统中抽出流体，两台泵的注入和吸入流体速度一致。

4.根据权利要求1所述的一种高温高压高精度微观驱替实验系统，其特征在于整个实验过程中，图像采集频率、压力采集频率一致，实现压力和驱替过程完全对应。

5.根据权利要求1-4任一项所述的实验系统进行高温高压高精度微观驱替实验的方法，其特征在于，包括：

（1）根据地层岩石孔隙结构制作微观驱替模型；

（2）搭建实验系统，主要包括，高精度注入泵1通过管线及阀门分别连接到气体中间容器2、模拟水中间容器3、活油中间容器4和石油醚中间容器5，各容器通过管线连接到阀门24，然后通过细管线连接到微观模型10，然后通过管线和阀门25连接到高精度控制泵13。

6.实验中微观模型依靠模型固定支架11和12将模型固定在可视化高压反应釜9中，然后通过显微镜8采集实验过程图像；整个实验过程中控制和采集通过电脑14控制完成；

（3）关闭阀门24打开阀门25，然后启动真空泵26，将模型气体抽出至真空状态；

（4）将其他管路中气体排除干净；

（5）向可视化反应釜9中注入纯净水，然后开启加热套6升温至实验温度；

（6）关闭阀门25，停止真空泵26，同时打开阀门16、17、18、19、20和24向模型中注入石油醚，然后通过高精度注入泵1提高模型中的压力，同时提高可视化反应釜9中的压力，直到压力达到实验压力并且稳定；

（7）启动高精度控制泵13将压力提高至实验压力，关闭阀门20，打开阀门21和25，使用活油将微观模型10中的石油醚替换掉；

（8）打开显微镜8开始采集图像，压力传感器27记录压力，关闭阀门21，打开阀门23，开始进行气驱油实验；

（9）关闭阀门23，打开阀门22，对气驱后模型采用水驱；

（10）水驱停止，系统降温、卸压后拆除，分析实验现象。

7.根据权利要求5所述的一种高温高压高精度微观驱替实验的方法，其特征在于，步骤（1）中制作微观驱替模型，包括以下步骤：

取河沙磨成粉，过筛，取不同粒径的沙样混合均匀，粒径大小和粒径分布与真实岩心相同；

配制粘结剂，搅拌均匀；

根据真实岩心地层水组成配制具有一定矿化度的溶蚀水；

在岩心模具中浇注上述河沙粉、粘结剂和一定量的水，通过三轴液压机压制成型，至于通风处自然干燥得到模型；

溶蚀：模拟地层温度和压力条件下，地层流体侵蚀模型内部孔隙

对模型进行切片处理，清洗、打磨岩心表面。

8.根据权利要求5所述的一种高温高压高精度微观驱替实验的方法，其特征在于，根据地层水类型不同调整溶蚀水的浓度对孔隙度进行失真补偿；具体的，当地层水为有大量的硫化氢、二氧化碳、乙酸等强溶蚀效果的溶液时，溶蚀水的浓度配制为低于地层水浓度；当地层水中强溶蚀效果组分含量较少时，溶蚀水的浓度配置为高于地层水浓度。

9.根据权利要求5所述的一种高温高压高精度微观驱替实验的方法，其特征在于，调整溶液浓度的同时，还可以同时通过调整溶蚀水流动方式，对孔隙度失真进行补偿。

10.具体的，当地层水为有大量的硫化氢、二氧化碳、乙酸等强溶蚀效果的溶液，并且地层水浓度较大时，采用配置好的溶蚀水进行开放式循环；当地层水为溶蚀效果比较弱的溶液类型，或地层水浓度较低时，采用配置好的溶蚀水进行封闭不循环方式流动。

11.根据权利要求5所述的一种高温高压高精度微观驱替实验的方法，其特征在于，针对不同的溶蚀水设置不同的溶蚀温度，当地层水类型溶蚀效果强时，设置模拟温度为地层温度的两倍，当地层水类型溶蚀效果弱时，设置模拟温度为地层温度的3倍；从而加快地层水和岩心内表面之间的交互作用，提高溶蚀效应模拟时的效率。

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