CN114183135B - 一种二维可视化热采物理实验模拟装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维可视化热采物理实验模拟装置及其使用方法，模拟装置包括模型底板、模型主体和模型上盖板，模型主体内部具有矩形空腔，矩形空腔内可调连接有可移动挡板，可移动挡板将矩形空腔分隔为填充腔和调整腔，通过可调撑杆可调整填充腔的大小，从而控制实验区域的尺寸使得在选择实验区域大小更加灵活方便，简化了实验前的准备工作，通过改变模型内部的油藏厚度，模拟真实的油层情况。

Description

一种二维可视化热采物理实验模拟装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及石油开发技术领域，尤其涉及一种二维可视化热采物理实验模拟装置及其使用方法。

背景技术

目前，在油气田开发技术领域针对非常规油气田的开发越来越受到重视。稠油黏度大、密度大、沥青质胶质含量高、流动性差，开采难度大，用常规的采油方法很难采出，然而稠油的黏度对温度十分敏感，随着温度的上升其黏度随之下降，故针对稠油的热采形成了一些不同的开采方式。目前，注入流体热采方法主要有蒸汽驱，蒸汽吞吐，火驱等。近年来，出现了几种较为新颖，开发效果显著的开采方法。目前较为高效的油砂开发技术之一为蒸汽辅助重力泄油技术(Steam Assisted Gravity Drainage，简称SAGD)，此外还有直井与水平井的驱泄复合技术(Vertical Horizontal Steam Drive，简称VHSD)；在进行这些技术之前往往需要通过二维可视化物理模拟设备对实际油藏进行物理模拟，以此来指导实际开发。

当前的二维可视化实验装置仍具有一定的缺陷，模型内部腔体的大小无法直接改变，需要实验前在腔内设置耐高温的硅胶带，布置超细黏土颗粒的蒙脱石，才能改变实验模型内腔体的尺寸，这使得实验前期的准备工作更加繁琐。

中国专利申请(CN202010861674.6)公开了一种模拟水平井开采的二维可视化填砂实验模型，该模拟装置针对水平井开采规律等特点，可以模拟不同井网井距的水平井开采，但其不能任意改变实验区的大小，无法改变模型内部的油藏厚度。

中国专利申请(CN201120352240.X)公开了一种用于蒸汽驱模拟实验的高温高压二维填砂模型，该装置可以耐受高温高压，可以模拟蒸汽驱油过程中蒸汽在层内和层间的窜流，用于蒸汽驱机理的研究和效果评价，但其模型并不包含温度监测点，不能实时监测模型内的蒸汽腔温度；此外其填砂腔的尺寸，固定并不能根据需求改变。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种可根据模拟需求，调整内部油藏尺寸大小，按需选择注入采出位置，在模拟过程中可实时对内部油藏进行探测的一种二维可视化热采物理实验模拟装置及其使用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二维可视化热采物理实验模拟装置，包括模型底板、模型主体和模型上盖板，所述的模型上盖板外罩固定在模型主体上端面上，模型上盖板对应模型主体上端面处具有透明面板；所述的模型主体内部具有矩形空腔，所述的矩形空腔内可调连接有可移动挡板，所述可移动挡板将矩形空腔分隔为填充腔和调整腔，所述的可移动挡板对应调整腔室的一侧端面与矩形空腔内壁之间支撑设有调整填充腔体积的可调撑杆；所述的模型底板上端面开设有若干安装通道，所述安装通道内配合设有传感器。

在上述方案中，可移动挡板将矩形空腔分隔为填充腔和调整腔，通过可调撑杆可调整填充腔的大小，便于在实验中按照油藏模拟需求调整模型大小。而安装通道的设计，一方面可便于按需装入传感器，用于在实验中获取数据，一方面还可作为注入和采出的通道，用于模拟不同的开采方法。

优选的，为了便于观察，同时合理设置透明面板，在保证模型内部压力的同时提高模型强度，减少透明面板受压损坏的可能性，所述的透明面板夹设在模型上盖板与模型主体上端面之间，所述的模型上盖板与透明面板之间还夹设有石棉垫。

进一步的，所述的模型上盖板对应透明面板处镂空具有若干可视化窗口，所述的石棉垫也对应镂空具有若干可视化窗口。

优选的，为了便于传感器和注采井的位置选择，所述的模型底板上端面的安装通道成矩阵型阵列分布。

优选的，可移动挡板的位置调节，通过螺纹转动实现。所述的模型主体对应可移动挡板设置可调撑杆的对应侧侧壁开有螺纹孔，所述的可调撑杆为可旋转移动螺杆，所述的可旋转移动螺杆一端与可移动挡板转动配合，另一端与螺纹孔螺纹配合并伸出模型主体外。

进一步的，为了更好的保证填砂腔的大小精准，防止实验开始后由于温度压力等的变化而导致可移动挡板位置发生偏移，所述的可旋转移动螺杆对应转动配合在可移动挡板的中心位置，所述的调整腔室内对应模型主体内壁与可移动挡板之间分别弹性支撑有若干强力弹簧，所述的强力弹簧轴向中心线与可旋转移动螺杆轴向中心线平行、并以可旋转移动螺杆为中心均匀分布。

进一步的，所述的可移动挡板对应填充腔侧的端面、填充腔的内壁上均设有硅橡胶带。硅橡胶带可有效对填充腔进行密封，在实验温度和实验气压下实现对油、气、水的隔绝和密封。

一种可视化热采物理实验的实验方法，采用上述一种二维可视化热采物理实验模拟装置，具有如下实验步骤：

步骤1、在实验前确定本次实验所需填砂腔尺寸和布井方案；

步骤2、将模型主体腔体平放，调整可调撑杆，将可调撑杆向模型主体内部移动从而推动可移动挡板，直到将可移动挡板移动至填砂腔所需尺寸的对应位置；

步骤3、根据布井方案在模型底板的安装通道中选择位置布置生产井和注入井；

步骤4、对填砂腔进行填砂；

步骤5、填完砂后依次将模型上盖板、模型主体和模型底板按顺序从上至下连接；

步骤6、加压，测试填砂腔防漏性能；

步骤7、抽真空对模型内部进行饱和水；

步骤8、对模型内部进行饱和油；

步骤9、进行实验，在实验过程中，通过数据和图像采集系统分别采集传感器信号，通过可视化窗口记录并观察蒸汽腔的扩展变化，同时对采出的油、水进行收集和记录。

进一步的，所述的模型主体对应可移动挡板移动方向的两侧外壁上分别固定有旋转支撑杆，在步骤8饱和油完成后，通过旋转支撑杆将模拟装置旋转至可调撑杆垂直于地面，而后开始进行实验。

本发明的有益效果是，本发明提供的一种二维可视化热采物理实验模拟装置及其使用方法，可清晰直观地模拟开发过程；通过安装通道的设计，一方面可便于检测各点位的具体数据，另一方面还可模拟多种直井-水平井搭配、可模拟多种开采方法；通过可移动挡板和可调撑杆的设计，便于根据需求控制实验区域的大小，改变模型内部的油藏厚度，便于模拟真实的油层情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明模拟装置的结构示意图。

图2为本发明模拟装置的剖面图。

图3为本发明模拟装置中模型主体的俯视图。

图4为模型主体侧视图。

图5为SAGD实验中模型腔体内部井位示意图。

图6a为SAGD实验中透明面板处的蒸汽腔20min时的发育情况图像。

图6b为SAGD实验中透明面板处的蒸汽腔60min时的发育情况图像。

图6c为SAGD实验中透明面板处的蒸汽腔120min时的发育情况图像。

图6d为SAGD实验中透明面板处的蒸汽腔200min时的发育情况图像。

图7a为SAGD实验中产油速度曲线图。

图7b为SAGD实验中采收率曲线图。

图8为使用硅胶带蒙脱石划分实验区域的方法图。

图中 1、模型上盖板 2、石棉垫 3、透明面板 4、可移动挡板 5、旋转支撑杆 6、强力弹簧 7、硅橡胶带 8、可调撑杆 9、模型主体 10、安装通道 11、模型底板 a、油层 b、注入井 c、生产井。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

如图1至图4所示一种二维可视化热采物理实验模拟装置，包括模型底板11、模型主体9和模型上盖板1。模型主体9、模型上盖板1和模型底板11周向外缘上均开有安装螺孔，通过安装螺钉紧固固定。

模型上盖板1外罩固定在模型主体9上端面上，模型上盖板1对应模型主体9上端面处具有透明面板3。透明面板3夹设在模型上盖板1与模型主体9上端面之间，模型上盖板1与透明面板3之间还夹设有石棉垫2。模型上盖板1对应透明面板3处镂空具有4*4个正方形的可视化窗口，石棉垫2也对应镂空具有4*4个正方形的可视化窗口。模型底板11上端面开设有9*9矩阵型阵列分布的安装通道10，安装通道10内配合设有温度传感器。如此有规律地分布温度传感器，可以准确地检测实验过程中多块不同位置的温度变化，避免由于测温点少而导致部分区域温度值无法检测。

各部件通常尺寸选型如下：模型主体9长600mm、宽600mm、高180mm，材质优选为316不锈钢，可耐高温1300℃。模型主体9内壁周向设有硅橡胶带7，硅橡胶带7厚度为10mm，防止实验过程中温度、压力等外泄，从而保证实验的密闭性。模型上盖板1长600mm、宽600mm、高40mm，每个可视化窗口长114mm、宽114mm。石棉垫2长500mm、宽500mm、厚20mm，石棉垫2的可视化窗口长114mm、宽114mm，石棉垫2使用石棉、玻璃纤维、陶土等材料组成，其抗拉强度高、可耐高温1400℃以下，同时还具有缓冲、保温的特点。透明面板3采用双层高硼硅玻璃，长500mm、宽500mm、厚40mm，耐压3MPa，耐温350℃，透光性达90％以上，双层高硼硅玻璃选用时需避免厚度过大，影响实验现象及结果的观察；厚度过小，耐压性和耐温性不稳定。模型底板11长600mm、宽600mm、高40mm。在实际设计中，为了便于观察，可在可视窗侧设置光源，在正对可视窗处利用高清摄像机获取实验图像。

模型主体9内部具有矩形空腔，矩形空腔长500mm、宽500mm、高60mm。矩形空腔内可调连接有可移动挡板4，所述可移动挡板4将矩形空腔分隔为填充腔和调整腔，可移动挡板4对应调整腔室的一侧端面与矩形空腔内壁之间支撑设有调整填充腔体积的可调撑杆8。模型主体9对应可移动挡板4设置可调撑杆8的对应侧侧壁开有螺纹孔，可调撑杆8为可旋转移动螺杆。可旋转移动螺杆长500mm，直径为25mm，一端与可移动挡板4转动配合，另一端则螺纹孔螺纹配合并伸出模型主体9外并固定有螺帽。通过螺帽的设计，在需要调整可旋转移动螺杆的位置时，通过扳手旋转螺帽以达到旋转螺杆移动的作用。

可移动挡板4对应填充腔侧的端面、填充腔的内壁上均设有硅橡胶带7。硅橡胶带7可有效对填充腔进行密封，在实验温度和实验气压下实现对油、气、水的隔绝和密封。

同时，为了更好的保证填砂腔的大小精准，防止实验开始后由于温度压力等的变化而导致可移动挡板4位置发生偏移，可旋转移动螺杆对应转动配合在可移动挡板4的中心位置，调整腔室内对应模型主体9内壁与可移动挡板4之间分别弹性支撑有两个强力弹簧6，强力弹簧6对称设置在可旋转移动螺杆两侧，强力弹簧6两端设有软胶垫，以增大摩擦力，防止实验开始后由于温度压力等的变化导致挡板位置发生偏移，起到固定及平衡两端的作用。

一种可视化热采物理实验的实验方法，采用上述一种二维可视化热采物理实验模拟装置，具有如下实验步骤：

步骤1、在实验前确定本次实验所需填砂腔尺寸和布井方案；

步骤2、将模型主体9腔体平放，调整可旋转移动螺杆，将可旋转移动螺杆向模型主体9内部移动从而推动可移动挡板4，直到将可以动挡板移动至填砂腔所需尺寸的对应位置；

步骤3、利用强力弹簧6将可移动挡板4固定，同时保证挡板两端的平衡；

步骤4、根据布井方案在模型底板11的安装通道10中选择位置布置生产井和注入井；

步骤5、对填砂腔进行填砂；

步骤6、填完砂后依次将模型上盖板1、模型主体9和模型底板11按顺序从上至下连接；

步骤7、加压，测试填砂腔防漏性能；

步骤8、抽真空对模型内部进行饱和水；

步骤9、对模型内部进行饱和油；

步骤10、通过旋转支撑杆5将模拟装置旋转至可调撑杆8垂直于地面，而后开始进行实验；

步骤11、在实验过程中，数据和图像采集系统分别采集了81个温度传感器的温度变化，通过可视化窗口记录并观察蒸汽腔的扩展变化，同时对采出油、水进行收集和记录。

如此设计的一种二维可视化热采物理实验模拟装置及其使用方法，可清晰直观地模拟开发过程；通过安装通道10的设计，以方便可便于检测各点位的具体数据，另一方面还可模拟多种直井-水平井搭配、可模拟多种开采方法；通过可移动挡板4和可调撑杆8的设计，便于根据需求控制实验区域的大小，改变模型内部的油藏厚度，便于模拟真实的油层情况。

下面结合SAGD实验具体说明：

由油藏实际模型的相关参数，根据相似准则得出实验模型中几何尺寸为0.5×0.15m500×150mm以及孔隙度、渗透率等参数，具体参数如下表1所示。

表1油藏及模型地质流体参数

主要实验步骤：

①根据实验前确定的模型尺寸，将腔体平放，转动可旋转移动螺杆将可移动挡板4移动至距离另一端150mm处，然后利用强力弹簧6固定住可移动挡板4。

②根据试验方案在指定位置布置生产井和注入井如图5所示。在出口和入口处安装压力传感器，监测压力的变化，并在出口处设置回压阀。

③准备60～80目的石英砂。填砂时，先用少量水湿润砂子，减少砂子中的空气，以避免饱和油时气液界面张过大无法压实油水界面张力远低于气液界面张力；使用工具对表层进行平整压实处理，尽量避免砂层表面凹凸不平。

④填完砂后，盖上双层高压玻璃，依次连接模型装置。

⑤然后加压，测试其防漏性能。

⑥抽真空6h后用蒸馏水对模型内部进行饱和，计算孔隙度和渗透率。

⑦将模型内部加热至50℃进行饱和油，并打开回压阀，设置压力值为1MPa；记录注入油的总体积，计算含油饱和度。

⑧饱和油完成后，将模型腔体旋转至垂直于地面，开始进行SAGD开采模拟。设定蒸汽注入速度为10mL/min。

⑨在实验过程中，数据和图像采集系统分别采集了81个温度传感器的温度变化和蒸汽腔的扩展动态图像，同时通过相机拍摄记录蒸汽腔的变化过程如下图6所示，并对采出油水进行收集和记录。

⑩生产完成后，关闭所有阀门。

本次实验模拟油藏储量为1096ml，注入蒸汽温度为350℃，注汽速度为10ml/min，开采时间为200min，将整个开采过程分为开采前期、开采中期和开采末期。相对应地，蒸汽腔的发育过程也可以分为早期快速发育、中期横向扩展以及后期发育停滞。

图6a～图6d展示了实验中不同时刻的蒸汽波及区域和对应的温度场图。从温度场图中，可以清楚的看到，同一时刻下蒸汽波及区域和温度场图在形状上基本吻合，因此可以认为蒸汽波及区域是蒸汽腔；同时，观察到的蒸汽腔与测量的温度场基本吻合。此外，整个实验阶段累计产油量为379ml，最终采收率为34.6％，如图7a、图7b所示，产油速度与采收率变化曲线与蒸汽腔发育情况相对应，说明本发明实验装置可靠且实验方法及步骤可行，实验结果准确可信。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种二维可视化热采物理实验模拟装置，其特征在于：包括模型底板（11）、模型主体（9）和模型上盖板（1），所述的模型上盖板（1）外罩固定在模型主体（9）上端面上，模型上盖板（1）对应模型主体（9）上端面处具有透明面板（3）；

所述的模型主体（9）内部具有矩形空腔，所述的矩形空腔内可调连接有可移动挡板（4），所述可移动挡板（4）将矩形空腔分隔为填充腔和调整腔，所述的可移动挡板（4）对应调整腔的一侧端面与矩形空腔内壁之间支撑设有调整填充腔体积的可调撑杆（8）；

所述的模型底板（11）上端面开设有若干安装通道（10），所述安装通道（10）内配合设有传感器；

所述的模型主体（9）对应可移动挡板（4）设置可调撑杆（8）的对应侧侧壁开有螺纹孔，所述的可调撑杆（8）为可旋转移动螺杆，所述的可旋转移动螺杆一端与可移动挡板（4）转动配合，另一端与螺纹孔螺纹配合并伸出模型主体（9）外；

所述的可旋转移动螺杆对应转动配合在可移动挡板（4）的中心位置，所述的调整腔内对应模型主体（9）内壁与可移动挡板（4）之间分别弹性支撑有若干强力弹簧（6），所述的强力弹簧（6）轴向中心线与可旋转移动螺杆轴向中心线平行、并以可旋转移动螺杆为中心均匀分布。

2.如权利要求1所述的一种二维可视化热采物理实验模拟装置，其特征在于：所述的透明面板（3）夹设在模型上盖板（1）与模型主体（9）上端面之间，所述的模型上盖板（1）与透明面板（3）之间还夹设有石棉垫（2）。

3.如权利要求2所述的一种二维可视化热采物理实验模拟装置，其特征在于：所述的模型上盖板（1）对应透明面板（3）处镂空具有若干可视化窗口，所述的石棉垫（2）也对应镂空具有若干可视化窗口。

4.如权利要求1所述的一种二维可视化热采物理实验模拟装置，其特征在于：所述的模型底板（11）上端面的安装通道（10）成矩阵型阵列分布。

5.如权利要求1所述的一种二维可视化热采物理实验模拟装置，其特征在于：所述的可移动挡板（4）对应填充腔侧的端面、填充腔的内壁上均设有硅橡胶带（7）。

6.一种可视化热采物理实验的实验方法，其特征在于：采用如权利要求1至5中任意一项所述的一种二维可视化热采物理实验模拟装置，具有如下实验步骤：

步骤1、在实验前确定本次实验所需填充腔尺寸和布井方案；

步骤2、将模型主体（9）腔体平放，调整可调撑杆（8），将可调撑杆（8）向模型主体（9）内部移动从而推动可移动挡板（4），直到将可移动挡板（4）移动至填充腔所需尺寸的对应位置；

步骤3、根据布井方案在模型底板（11）的安装通道（10）中选择位置布置生产井和注入井；

步骤4、对填充腔进行填砂；

步骤5、填完砂后依次将模型上盖板（1）、模型主体（9）和模型底板（11）按顺序从上至下连接；

步骤6、加压，测试填充腔防漏性能；

步骤7、抽真空对模型内部进行饱和水；

步骤8、对模型内部进行饱和油；

步骤9、进行实验，在实验过程中，通过数据和图像采集系统分别采集传感器信号，通过可视化窗口记录并观察蒸汽腔的扩展变化，同时对采出的油、水进行收集和记录。

7.如权利要求6所述的一种可视化热采物理实验的实验方法，其特征在于：所述的模型主体（9）对应可移动挡板（4）移动方向的两侧外壁上分别固定有旋转支撑杆（5），在步骤8饱和油完成后，通过旋转支撑杆（5）将模拟装置旋转至可调撑杆（8）垂直于地面，而后开始进行实验。