CN114352248B - 一种稠油热采二维物理模拟实验装置及其使用方法 - Google Patents

一种稠油热采二维物理模拟实验装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种稠油热采二维物理模拟实验装置及其使用方法，实验装置包括前板、模拟腔体、压实盖板和背板，油砂层的压实通过压实盖板结合液压系统实现，背板上对应开设有通孔，通孔内设计套管，套管可用作传感器的固定外套，也可作为注采井模拟实验。本发明可按需设置不同的传感器或者设置注采井管道，且传感器插入深浅可控，便于针对不同厚度油藏进行实验模拟，且该实验装置可满足不同开发位置和开发方式的模拟，便于找到最优开发间距，对于了解蒸汽辅助重力泄油机理提供帮助，并且对于实际油田的开发更具指导意义。

Description

一种稠油热采二维物理模拟实验装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及石油开发技术领域，特别是油藏模拟开发模型领域，尤其涉及一种稠油热采二维物理模拟实验装置及其使用方法。
背景技术
目前，中国国内原油供给难以满足需求，原油进口依存度高达70％以上，国内常规油藏储量少，主要是非常规油藏。稠油作为重要的非常规油气资源，约占石油总资源量的20％以上，油砂作为稠油的一种，其储量丰富在各含油气盆地中均有分布，由于其黏度较普通稠油更大、流动效果更差，导致常规开发效果不佳。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(SteamAssistedGravityDrainage，简称SAGD)。在利用SAGD技术之前往往需要通过二维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。
当前用于稠油热采的二维物理模拟实验装置尺寸有限，这就导致在进行相似化模拟时存在较大误差；受纵向尺寸小的影响，注采井距也会较小，实际模拟开发时，往往是驱替作用大于重力泄油作用，难以直观反映重力辅助泄油这一重要因素。常规实验装置模拟的开发方式较为单一，当开发方案变化时需要采用不同的装置进行模拟，实验经济和时间成本较高。
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。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种稠油热采二维物理模拟实验装置，包括前板、模拟腔体、压实盖板和背板，所述的前板外罩在模拟腔体前侧端面外，且前板与模拟腔体之间夹设有透明面板，所述的背板设置在模拟腔体后侧端面外，所述的模拟腔体内对应透明板面后端面设有油砂填充层，所述的压实盖板则压接在油砂填充层后端面上，所述压实盖板后端面与背板前端面之间形成液压腔室，所述的背板上则具有液压腔室连通的液压注入口；所述的背板上开有若干通孔，所述的压实盖板上对应背板也开有若干通孔，每个对应背板通孔与压实盖板通孔之间则连接并活动内套有套管，所述的套管两端内部贯通、套管一端与外部连通、另一端则固定于压实盖板上，所述的套管内配合设有传感器；所述的模拟腔体周向端面上则开有若干直井井位。
在上述方案中，压实盖板的压实通过液压供给进行加压，相对于普通的单点压实或者其他压实方式，通过对液压腔室通入液压，压力可均匀分布至压实盖板表面，保证平面均匀压实油砂，同时压力精准可控。背板和压实盖板上设计的通孔及套管，一方面可按需装入各类传感器，实现对油砂层的探测，且传感器的插接深度可通过与套管的配合进行调整便于实现对不同深度油砂层的探测，另一方面，套管可作为注入井和采出井使用，由于套管分布位置较多，可按需选用，便于不同井位、不同注采方式的模拟。
优选的，套管与传感器、套管与背板之间，需定位密封。所述的套管与背板之间为活动连接，所述的套管与传感器周向之间通过压环压帽密封，所述的传感器与套管轴向之间通过固定螺帽固定密封，所述的套管与背板的通孔之间通过密封胶圈密封。
进一步的，前板、模拟腔体、背板三者之间通过螺纹紧固的方式进行固定。所述的前板前端面周向、模拟腔体前端面周向和背板周向均对应开有安装螺孔，所述安装螺孔内配合设有将前板、模拟腔体和背板固定的安装螺钉。
为了便于观察，同时有效避免压实油砂时造成透明面板破裂，所述的透明面板为有机玻璃，有机玻璃与前板前端面接触位置垫有石棉垫。
进一步的，为了有效保持实验中的模拟温度，所述的油砂填充层与压实盖板之间具有保温密封层。
所述的背板上的通孔呈等间距矩阵型阵列分布，所述的压实盖板上的通孔也对应呈等间距矩阵型阵列分布。等间距分布的通孔，可便于在模拟实验中按需选用位置进行注入井和采出井的分布，同时也便于在传感器设置时更加便于按需配置。
优选的，所述的套管内配合设有传感器，即套管作为传感器通道使用，或者套管内配合设置为注采井通道，即套管作为注采通道使用。
一种稠油热采二维物理模拟实验的实验方法，采用上述的一种稠油热采二维物理模拟实验装置，具有如下实验步骤：
步骤1：根据实际油藏，结合实验装置尺寸，通过相似准则计算出所需实验模型的尺寸、物性参数；
步骤2：将前板、透明面板及模拟腔体通过安装螺钉连接，形成下底密闭的腔体，根据计算后的实验模型尺寸，填入60～80目的石英砂至该腔体内；若计算后的实验模型尺寸小于该腔体尺寸，则用耐高温的硅胶条粘合进行区域划分，形成实验模型区域和多余的空腔，石英砂填入实验模型区域，多余的空腔则填入高岭石土；
步骤3：夯实充填好的石英砂或石英砂与高岭石土，并将压实盖板嵌入腔体，在模拟腔体后端面盖上背板，并利用安装螺钉将背板与模拟腔体紧固，套管与背板的通孔连接处用密封胶圈密封，然后利用液压装置按照1MPa的压力通过液压注入口加压以推动压实盖板对油砂填充层进行压实操作；
步骤4：将压实好的油砂层进行加压，测试其防漏性能，然后抽真空6h，6h后用蒸馏水对模型内部进行饱和，根据蒸馏水的注入量与流出量通过达西公式计算其渗透率，式中：Q——单位时间内流体通过岩石的流量，cm3/s；A——液体通过岩石的截面积，cm2；μ——液体粘度，10Pa·s；L——岩石的长度，cm；ΔP——液体通过岩石前后的压差，MPa；
步骤5：对比步骤1相似准则计算的渗透率与步骤4计算的渗透率，不断重复步骤3的压实操作和步骤4，直至油砂填充层满足实验模型的渗透率；
步骤6：渗透率满足条件后，再进行饱和原油，记录注入原油的总体积，计算孔隙度和含油饱和度等物性参数；
步骤7：饱和原油完成后，选取注入井和采出井，进行SAGD模拟开采；
步骤8：开发过程中通过前板设置透明面板直观的看到蒸汽辅助重力泄油效果，根据温度传感器实时监测的温度信号，经采集系统连接至电脑实时温度场，可以直观地展现蒸汽腔发育情况、蒸汽腔扩展情况；
步骤9：记录、整理、分析数据，评价开发效果，对实际油藏的开发做出指导。
优选的，步骤7中，当需要实现正对井、错位井开发时，在背板的若干套管中选取套管作为注入井和采出井；所述的步骤7中，需要实现直井-水平井开发时，在背板的若干套管中选取套管作为注入井，在模拟腔体周向端面的若干直井井位中选取直井井位作为采出井。通过注采井的不同相对位置的选用，可实现不同注采开发距离，不同注采开发方式的模拟实验。
本发明的有益效果是，本发明提供的一种稠油热采二维物理模拟实验装置及其使用方法，通过套管的设置，套管内可按需设置不同的传感器或者更换为注采井管道，便于针对不同厚度油藏进行实验模拟，且该实验装置可满足不同开发位置和开发方式的模拟，便于找到最优开发间距，对于了解蒸汽辅助重力泄油机理提供帮助，并且对于实际油田的开发更具指导意义。
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是本发明实验装置的结构示意图。
图2是本发明实验装置的正视图。
图3是本发明实验装置的侧视剖面图。
图4是本发明实验装置的俯视剖面图。
图5是本发明实验装置的后视图。
图6是本发明用于正对井的开发示例图(图中三角形为注入井、圆形为采出井)。
图7是本发明用于错位井的开发示例图(图中三角形为注入井、圆形为采出井)。
图8是本发明用于加密井的开发示例图(图中三角形为注入井、圆形为采出井)。
图9是本发明用于直井-水平井的开发示例图(图中虚线框中为注入井、圆形为采出井)。
图中1、温度传感器 2、套管 3、背板 4、压实盖板 5、保温密封层 6、直井井位 7、模拟腔体 8、透明面板 9、前板 10、安装螺孔 11、液压注入口 12、石棉垫。
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所示一种稠油热采二维物理模拟实验装置，包括前板9、模拟腔体7、压实盖板4和背板3。前板9尺寸为：长600mm，宽600mm，高40mm。压实盖板4的尺寸为：长500mm，宽500mm，厚10mm。模拟腔体7的内腔尺寸为：长500mm，宽500mm，高60mm。前板9、背板3、压实盖板4和模拟腔体7的材质为优选的316不锈钢，耐腐蚀、高温强度好。
前板9外罩在模拟腔体7前侧端面外，且前板9与模拟腔体7之间夹设有透明面板8。透明面板8为有机玻璃，有机玻璃与前板9前端面接触位置垫有石棉垫12。石棉垫12尺寸略大于透明面板8尺寸，用于保温、隔热、缓冲。
前板9、模拟腔体7、背板3三者之间通过螺纹紧固的方式进行固定。前板9前端面周向、模拟腔体7前端面周向和背板3周向均对应开有安装螺孔10，所述安装螺孔10内配合设有将前板9、模拟腔体7和背板3固定的安装螺钉。背板3的尺寸为：长600mm，宽600mm，高40mm。
背板3设置在模拟腔体7后侧端面外，模拟腔体7内对应透明板面后端面设有油砂填充层，油砂填充层后端面具有保温密封层5。压实盖板4则压接在保温密封层5后端面上。所述压实盖板4后端面与背板3前端面之间形成液压腔室，背板3上则具有液压腔室连通的液压注入口11。压实盖板4与保温密封层5，二者叠合，在液压加压作用下，起到液压中的活塞的作用。压实盖板4的压实通过液压供给进行加压，相对于普通的单点压实或者其他压实方式，通过对液压腔室通入液压，压力可均匀分布至压实盖板4表面，保证平面均匀压实油砂，同时压力精准可控。
背板3上呈等间距矩阵型阵列分布开有通孔，通常为9行9列矩阵孔洞，孔洞数量为81个，孔洞间距为50mm。等间距分布的通孔，可便于在模拟实验中按需选用位置进行注入井和采出井的分布，同时也便于在传感器设置时更加便于按需配置。液压注入口11则开设矩阵孔洞的四个顶角附近。
套管2两端内部贯通、套管2与背板3的连接处与外部连通并为活动连接、另一端则固定于压实盖板4上，套管2内配合设置的传感器为型号为PT100的温度传感器1。模拟腔体7周向端面上则开有若干直井井位6。直井井位6水平间距10mm，采出井采出口即传感器套管2通道的水平间距50mm，可根据实验需要，优选注采位置和注采关系，用于模拟不同的开发方式。套管2与温度传感器1、套管2与背板3之间，需定位密封。套管2与温度传感器1周向之间通过压环压帽密封，套管2与背板3的通孔之间通过密封胶圈密封。温度传感器1与套管2轴向之间通过固定螺帽固定密封，该固定螺帽可便于温度传感器1与套管2之间的轴向位置调整，便于调整温度传感器1插入油砂填充层的实际深度，以适应不同厚度油藏的模拟，传感器设置更为精确可控。
在实际实验装置选型时，孔洞数量优选为81，孔洞数量太少，直接影响温度传感器1的数量，间距还需扩大，会导致传感器的采集温度覆盖面小，温度场不连续；孔洞数量过多，会使得孔洞间距缩小，作为注采通道时，注采间距过小，影响开发效果。
背板3和压实盖板4上设计的套管2，一方面可按需装入各类传感器，实现对油砂层的探测，且传感器的插接深度可通过与套管2的配合进行调整便于实现对不同深度油砂层的探测，另一方面，套管2可作为注入井和采出井使用，由于套管2分布位置较多，可按需选用，便于不同井位、不同注采方式的模拟。
采用上述的一种稠油热采二维物理模拟实验装置，具有如下实验步骤：
步骤1：准备阶段：根据实际油藏，结合本实验装置尺寸，通过相似准则计算出所需实验模型的尺寸、物性参数；
步骤2：将前板9、石棉垫12、透明面板8以及模拟腔体7通过安装螺钉连接，形成下底密闭的腔体，根据计算后的实验模型尺寸，填入60～80目的石英砂至该腔体内；若计算后的实验模型尺寸小于该腔体尺寸，则用耐高温的硅胶条粘合进行区域划分，形成实验模型区域和多余的空腔，石英砂填入实验模型区域，多余的空腔则填入高岭石土；
步骤3：夯实充填好的石英砂或石英砂与高岭石土，并将压实盖板4和保温密封层5叠合成的压实活塞嵌入腔体，盖上背板3，并将套管2与背板3连接处用密封胶圈密封，四周通过安装螺钉固定好，然后利用液压装置按照1MPa的压力通过液压注入口11加压以推动压实活塞对砂体进行压实操作；
步骤4：将压实好的油砂层进行加压，测试其防漏性能，然后抽真空6h，6h后用蒸馏水对模型内部进行饱和，根据蒸馏水的注入量与流出量通过达西公式计算其渗透率，式中：Q——单位时间内流体通过岩石的流量，cm3/s；A——液体通过岩石的截面积，cm2；μ——液体粘度，10Pa·s；L——岩石的长度，cm；ΔP——液体通过岩石前后的压差，MPa；
步骤5：对比步骤1相似准则计算的渗透率与步骤4计算的渗透率，不断重复步骤3)的压实操作和步骤4)，直至实验砂体满足实验模型的渗透率；
步骤6：渗透率满足条件后，再进行饱和原油，记录注入原油的总体积，计算孔隙度和含油饱和度等物性参数；
步骤7：饱和原油完成后进行SAGD模拟开采，采出井为一端焊有滤网的管道进行防砂，根据实验所需，选取注入井和采出井；
步骤8：开发过程中可以通过前板9设置的透明面板8直观的看到蒸汽辅助重力泄油效果，同时，根据温度传感器1实时监测的温度信号，经采集系统连接至电脑实时温度场，可以直观地展现蒸汽腔发育情况、蒸汽腔扩展情况；
步骤9：记录、整理、分析数据，评价开发效果，对实际油藏的开发做出指导。
采用本发明提供的实验装置，可对多种开发方式进行模拟。
实施例一：
以图6为例，当使用本发明进行正对井开发时，需要根据相似准则对实际油藏模型化，根据油藏模型的厚度，通过更换温度传感器1为注采井管道，选择合理的注采间距。本示例a的注采间距为50mm，本示例b的注采间距为100mm，本示例c的注采间距为150mm，本示例d的注采间距为400mm，根据主力含油区，选择合理的注采位置，如图6的四种示例。实际应用时，注采间距的范围可从50mm到400mm，合理的注采井位可实现在油藏模型的边部、中部开发。
实施例二：
以图7为例，为本发明应用在错位井开发的示例图，注采位置和注采距离可根据实际变化，不局限于本图。
当使用本发明进行错位井开发时，需要根据相似准则对实际油藏模型化，根据油藏模型的厚度，通过更换温度传感器1为注采井管道，选择合理的注采间距。本示例a的注采井水平错位间距为50mm，垂直间距50mm，可实现在油藏边部的模拟开发；本示例b的水平错位间距为100mm，注采井垂直间距为100mm，可实现在油藏中部注入，错位开采，可以利用蒸汽腔的横向扩展；本示例c的水平错位间距为150mm，注采井垂直间距100mm，配合b可实现水平错位间距的变化，在模拟开发是可以找到最优错位间距；本示例d是极限水平错位间距400mm，当然也可实现注采井垂直极限间距400mm的模拟。实际应用时，注采井水平错位间距的范围可从50mm到400mm，注采井垂直距离的间距的范围也可从50mm到400mm变化，合理的注采井位可实现在油藏模型的边部、中部开发。
实施例三：
以图8为例，为本发明应用在加密井开发的示例图，注采位置和注采距离可根据实际变化，不局限于本图。
当使用本发明进行加密井开发时，需要根据相似准则对实际油藏模型化，根据油藏模型的厚度，通过更换温度传感器1为注采井管道，选择合理的注采间距。本示例a每隔100mm设置加密井，可实现在油藏中下部分的模拟开发；本示例b每隔100mm设置加密井，可实现对油藏底部整体的模拟开发；本示例c每隔50mm设置加密井；本示例d是极限垂直注采间距400mm，每隔100mm设置加密井模拟开发示意。实际应用时，注采井垂直间距的范围可从50mm到400mm，加密井可实现每隔50mm加密、每隔100mm加密、每隔150mm加密等，合理的注采井位可实现在油藏模型的边部、中部开发。
实施例四：
以图9为例，为本发明应用在直井-水平井开发的示例图，注采位置和注采距离可根据实际变化，不局限于本图。
当使用本发明进行直井-水平井开发时，需要根据相似准则对实际油藏模型化，根据油藏模型的厚度，通过更换温度传感器1为采出井管道，在模型侧壁选择合适的直井通道，实现直井-水平井的开发。本示例a是直井-水平井正对式开发，图中注入井是直井，采出井是水平井，注采井的垂直间距可根据直井的长短控制；本示例b是直井-水平井正交式开发，可实现对油藏整体的动用；本示例c为注采井水平错位开发；本示例d可实现直井-水平井的加密开发。实际应用时，根据需要选择合理垂直间距、水平错位间距、正对/正交注采，可实现不同的模拟开发。
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 (8)

1.一种稠油热采二维物理模拟实验的实验方法，采用一种稠油热采二维物理模拟实验装置进行实验，所述的一种稠油热采二维物理模拟实验装置包括前板(9)、模拟腔体(7)、压实盖板(4)和背板(3)，所述的前板(9)外罩在模拟腔体(7)前侧端面外，且前板(9)与模拟腔体(7)之间夹设有透明面板(8)，所述的背板(3)设置在模拟腔体(7)后侧端面外，所述的模拟腔体(7)内对应透明板面后端面设有油砂填充层，所述的压实盖板(4)则压接在油砂填充层后端面上，所述压实盖板(4)后端面与背板(3)前端面之间形成液压腔室，所述的背板(3)上则具有液压腔室连通的液压注入口(11)；所述的背板(3)上开有若干通孔，所述的压实盖板(4)上对应背板(3)也开有若干通孔，每个对应背板(3)通孔与压实盖板(4)通孔之间则连接并活动内套有套管(2)，所述的套管(2)两端内部贯通、套管(2)一端与外部连通、另一端则固定于压实盖板(4)上；所述的模拟腔体(7)周向端面上则开有若干直井井位(6)；其特征在于：具有如下实验步骤：
步骤1：根据实际油藏，结合实验装置尺寸，通过相似准则计算出所需实验模型的尺寸、物性参数；
步骤2：将前板(9)、透明面板(8)及模拟腔体(7)通过安装螺钉连接，形成下底密闭的腔体，根据计算后的实验模型尺寸，填入60～80目的石英砂至该腔体内；若计算后的实验模型尺寸小于该腔体尺寸，则用耐高温的硅胶条粘合进行区域划分，形成实验模型区域和多余的空腔，石英砂填入实验模型区域，多余的空腔则填入高岭石土；
步骤3：夯实充填好的石英砂或石英砂与高岭石土，并将压实盖板(4)嵌入腔体，在模拟腔体(7)后端面盖上背板(3)，并利用安装螺钉将背板(3)与模拟腔体(7)紧固，套管(2)与背板(3)的通孔连接处用密封胶圈密封，然后利用液压装置按照1MPa的压力通过液压注入口(11)加压以推动压实盖板(4)对油砂填充层进行压实操作；
步骤4：将压实好的油砂层进行加压，测试其防漏性能，然后抽真空6h，6h后用蒸馏水对模型内部进行饱和，根据蒸馏水的注入量与流出量通过达西公式计算其渗透率，式中：Q——单位时间内流体通过岩石的流量，cm3/s；A——液体通过岩石的截面积，cm2；μ——液体粘度，10Pa·s；L——岩石的长度，cm；ΔP——液体通过岩石前后的压差，MPa；
步骤5：对比步骤1相似准则计算的渗透率与步骤4计算的渗透率，不断重复步骤3的压实操作和步骤4，直至油砂填充层满足实验模型的渗透率；
步骤6：渗透率满足条件后，再进行饱和原油，记录注入原油的总体积，计算孔隙度和含油饱和度等物性参数；
步骤7：饱和原油完成后，选取注入井和采出井，进行SAGD模拟开采；
步骤8：开发过程中通过前板(9)设置透明面板(8)直观的看到蒸汽辅助重力泄油效果，根据温度传感器实时监测的温度信号，经采集系统连接至电脑实时温度场，可以直观地展现蒸汽腔发育情况、蒸汽腔扩展情况；
步骤9：记录、整理、分析数据，评价开发效果，对实际油藏的开发做出指导。
2.如权利要求1提供的一种稠油热采二维物理模拟实验的实验方法，其特征在于：所述的步骤7中，当需要实现正对井、错位井开发时，在背板(3)的若干套管(2)中选取套管(2)作为注入井和采出井；所述的步骤7中，需要实现直井-水平井开发时，在背板(3)的若干套管(2)中选取套管(2)作为注入井，在模拟腔体(7)周向端面的若干直井井位(6)中选取直井井位(6)作为采出井。
3.如权利要求1提供的一种稠油热采二维物理模拟实验的实验方法，其特征在于：所述的套管与背板(3)之间为活动连接，所述的套管(2)与传感器周向之间通过压环压帽密封，所述的传感器与套管(2)轴向之间通过固定螺帽固定密封，所述的套管(2)与背板(3)的通孔之间通过密封胶圈密封。
4.如权利要求1提供的一种稠油热采二维物理模拟实验的实验方法，其特征在于：所述的前板(9)前端面周向、模拟腔体(7)前端面周向和背板(3)周向均对应开有安装螺孔(10)，所述安装螺孔(10)内配合设有将前板(9)、模拟腔体(7)和背板(3)固定的安装螺钉。
5.如权利要求1提供的一种稠油热采二维物理模拟实验的实验方法，其特征在于：所述的透明面板(8)为有机玻璃，有机玻璃与前板(9)前端面接触位置垫有石棉垫(12)。
6.如权利要求1所述的一种稠油热采二维物理模拟实验的实验方法，其特征在于：所述的油砂填充层与压实盖板(4)之间具有保温密封层(5)。
7.如权利要求1所述的一种稠油热采二维物理模拟实验的实验方法，其特征在于：所述的背板(3)上的通孔呈等间距矩阵型阵列分布，所述的压实盖板(4)上的通孔也对应呈等间距矩阵型阵列分布。
8.如权利要求1所述的一种稠油热采二维物理模拟实验的实验方法，其特征在于：所述的套管(2)内配合设有传感器或设置为注采井通道。
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