CN114382452B - 模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置。实验装置包括：反应釜，反应釜具有反应腔、第一进出口和第二进出口，第一进出口和第二进出口均与反应腔连通；蒸汽发生器，经第一进出口与反应腔连通，以将蒸汽注入反应腔内；氮气存储器，经第一进出口与反应腔连通，以将氮气注入反应腔内；组分分析装置，经第二进出口与反应腔连通，组分分析装置用于测试和分析反应腔内的气体和/或液体的组分。本发明的技术方案提供了一种模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置，该实验装置中的组分分析装置能够对反应腔内的气体和液体的组分进行测试和分析，以便研究氮气和蒸汽注入油层后对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及采油技术领域，具体而言，涉及一种模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置。
背景技术
在石油开采领域，注氮气技术是油层开采过程中常用的采油方法之一，最早于20世纪70年代在美国和加拿大发展起来，成为一种有效的原油开采技术，我国于1989年开展了应用氮气提高稠油油藏开采效果的试验研究。在典型稠油油田进行了注氮气改善蒸汽吞吐效果的现场试验，取得了很好的效果。目前，注氮采油技术在我国油藏开采中发挥着越来越重要的作用，具有广泛的应用和推广价值。
在氮气辅助蒸汽吞吐开采稠油的过程中，由于复杂的地层条件以及其与原油的作用机理，可能在油井内发生物理爆炸或者化学爆炸事故，造成巨大的经济损失。其中发生化学爆炸的可燃气体混合物主要来自于两种途径，一是由于在氮气注入的过程中，存在抽提效应，使得原油内轻质组分析出；二是高温蒸汽注入油层后，与原油发生水裂解反应，从而产生可燃气体。随着可燃气体在井筒内积聚，可能导致井筒内的可燃气体浓度处于爆炸极限范围之内。因此，需要一种装置来模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐过程，以便研究氮气和蒸汽注入油层后对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响，从而为注氮气辅助蒸汽吞吐开采工艺过程的安全控制提供一定的技术依据。
以上也就是说，亟待研发一种模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置，以便研究氮气和蒸汽注入油层后对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置，该实验装置中的组分分析装置能够对反应腔内的气体和液体的组分进行测试和分析，以便研究氮气和蒸汽注入油层后对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响。
为了实现上述目的，本发明提供了一种模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置，实验装置包括：反应釜，反应釜具有反应腔、第一进出口和第二进出口，第一进出口和第二进出口均与反应腔连通；蒸汽发生器，经第一进出口与反应腔连通，以将蒸汽注入反应腔内；氮气存储器，经第一进出口与反应腔连通，以将氮气注入反应腔内；组分分析装置，经第二进出口与反应腔连通，组分分析装置用于测试和分析反应腔内的气体和/或液体的组分。
进一步地，实验装置还包括第一管线，组分分析装置包括气相色谱仪，第一管线的第一端与气相色谱仪连接，第一管线的第二端与第二进出口连接。
进一步地，实验装置还包括：气体取样控制阀；取样袋，自第一管线的第一端至第二端，沿气体流动方向，气体取样控制阀和取样袋依次设置在第一管线上，其中，气体取样控制阀用于控制第一管线的通断。
进一步地，实验装置还包括设置在第一管线外周的冷却盘管，其中，冷却盘管位于气体取样控制阀和取样袋之间。
进一步地，实验装置还包括第二管线，第二进出口的数量为两个，第一管线与两个第二进出口中的一个连接，第二管线与两个第二进出口中的另一个连接，组分分析装置还包括：组分分析仪；流变仪，组分分析仪和流变仪均通过第二管线与反应腔连通。
进一步地，实验装置还包括：原油取样控制阀，设置在第二管线上以控制第二管线的通断；原油取样瓶，设置在第二管线上，其中，原油取样控制阀相对于原油取样瓶更靠近第二进出口。
进一步地，实验装置还包括第三管线，第三管线的第一端经第一进出口与反应腔连通，第三管线的第二端分别与蒸汽发生器和氮气存储器连接。
进一步地，实验装置还包括：压力传感器，设置在第三管线上，压力传感器用于检测反应腔内的气体压力；安全阀，设置在第三管线上，压力传感器位于第一进出口和安全阀之间。
进一步地，实验装置还包括：第一分支管路；第二分支管路，氮气存储器经第一分支管路与第三管线连通；蒸汽发生器经第二分支管路与第三管线连通。
进一步地，实验装置还包括：气源控制阀，设置在第一分支管路以控制第一分支管路的通断；调压压力表，设置在第一分支管路上，其中，气源控制阀相对于调压压力表更靠近氮气存储器；调压阀，设置在第一分支管路上，且位于气源控制阀与调压压力表之间。
进一步地，实验装置还包括设置在第一分支管路上的第一流量计，第一流量计位于第一分支管路和第三管线相连接的节点与调压压力表之间；或者，实验装置还包括设置在第一分支管路上的氮气注入阀，氮气注入阀位于第一分支管路和第三管线相连接的节点与调压压力表之间；或者，实验装置还包括设置在第一分支管路上的第一流量计和氮气注入阀，其中，第一流量计位于第一分支管路和第三管线相连接的节点与氮气注入阀之间，且氮气注入阀位于第一流量计和调压压力表之间。
进一步地，实验装置还包括：蒸汽控制阀；第二流量计，蒸汽控制阀和第二流量计均设置在第二分支管路上，第二流量计位于第二分支管路和第三管线相连接的节点与蒸汽控制阀之间。
进一步地，实验装置还包括：注入泵；控制阀，注入泵和控制阀均设置在第二分支管路上，控制阀位于蒸汽发生器和注入泵之间。
进一步地，实验装置还包括加热部，加热部包括设在反应釜外周的保温套和插设在保温套内的加热棒。
进一步地，实验装置还包括控制器和插入反应釜内的第一温度传感器，其中，第一温度传感器用于检测反应釜内的温度，加热棒和第一温度传感器均与控制器连接，控制器根据第一温度传感器发出的信号控制加热棒是否加热。
进一步地，实验装置还包括控制器和插入保温套内的第二温度传感器，其中，第二温度传感器用于检测保温套内的温度，加热棒和第二温度传感器均与控制器连接，控制器根据第二温度传感器发出的信号控制加热棒是否加热。
进一步地，实验装置还包括设置在反应釜的反应腔内的油气分离装置，油气分离装置靠近第二进出口设置，其中，油气分离装置具有分离腔，分离腔与反应腔连通。
应用本发明的技术方案，组分分析装置能够对反应腔内的气体和液体的组分进行测试和分析，这样便于研究氮气和蒸汽在注入的过程中对反应腔内的气体的组分分布和液体的性质的影响，由于本申请中的实验装置是利用反应釜模拟油井的井筒，这样便于研究氮气和蒸汽注入油层后对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响(本申请中研究对反应腔内的气体组分分布和液体的性质的影响，即是研究对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响)，从而为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供了理论和技术依据。另外，在本申请中的实验装置中，利用反应釜模拟油井中的油管，通过氮气存储器和蒸汽发生器向反应釜注入氮气和蒸汽，使得氮气和蒸汽与反应釜内的原油混合反应，同时氮气和蒸汽又驱动原油流动，这样真实地还原和模拟了稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的工艺过程，使得反应腔内的气体和液体的组分更加接近于现场井筒内的气体和液体的组分，从而确保组分分析装置测试和分析得到的数据真实可靠，进而确保为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供正确的理论和技术依据。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置的结构示意图；以及
图2示出了图1中的实验装置的反应釜的左端的局部放大视图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、反应釜；2、气体取样控制阀；3、冷却盘管；4、取样袋；5、气相色谱仪；6、分离腔；7、保温套；8、第二温度传感器；9、加热棒；10、第一温度传感器；11、压力传感器；12、安全阀；13、调压压力表；14、氮气注入阀；15、调压阀；16、气源控制阀；17、氮气存储器；18、第一流量计；19、第二流量计；20、蒸汽控制阀；21、蒸汽发生器；22、控制阀；23、注入泵；24、组分分析仪；25、流变仪；26、原油取样瓶；27、原油取样控制阀；31、第一管线；32、第二管线；33、第三管线；34、第一分支管路；35、第二分支管路；41、第一进出口；42、第二进出口。
具体实施方式
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组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要说明的是，本申请的液体指的是稠油，即沥青质和胶质含量较高且粘度较大的原油。通常情况下，把20℃时密度大于0.92g/cm3，粘度大于50厘泊的原油称为稠油。本申请中的液体的组分指的是反应釜1内的稠油的各个组成成分，本申请中气体的组分指的是反应釜1内的混合气体的各个组成成分。
需要说明的是，发明人知道一种模拟稠油油藏氮气辅助蒸汽驱油的实验装置。该实验装置包括氮气储瓶、球阀、气体流量计、蒸汽生成器、支撑柱、箱体、稠油储罐、小型气液分离器和稠油收集桶。蒸汽生成器依次与气体流量计、球阀相连后，与氮气储瓶、球阀、气体流量计连接。稠油储罐依次与水泵、液体流量计、球阀和进口相连，混合物出口与球阀、小型气液分离器和稠油收集桶相连。其中，箱体为正方形箱体，边长1m，采用透明PC材料制成，承压2MPa。箱体内设有两根支撑柱，两根支撑柱与箱体的中心线对称设置。该实验装置中的箱体采用透明的PC材料制成，承压只有2MPa，因此，无法满足地层高压的实验条件要求。而本申请中的反应釜1的工作压力可以达到30MPa，能够满足大部分注氮气辅助蒸汽吞吐的工艺条件要求，尤其能够满足地层高压的实验条件要求。
该实验装置中没有设置温度传感器，因此，无法模拟地层的温度条件，也无法监测蒸汽注入箱体后的温度变化情况。而本申请中的反应釜1的工作温度可以达到300℃，在反应釜1的外壁上设置有温度传感器，能够实时监控反应釜1内的温度。
该实验装置中氮气注入系统中未设置氮气加热系统，因此，其注入氮气均为冷氮，无法模拟实际工况中注入热氮的情况。而本申请中，可根据实际情况，设置氮气加热系统，如果需要模拟注入热氮的工艺情况，则可以打开氮气加热系统，当氮气通过氮气加热系统的时候对其进行加热，从而满足工艺需求。
该实验装置主要涉及油气采收率的分析，不涉及可燃气体和助燃气体的分析，因此，无法评估不同工艺条件下的安全性。而本申请中的组分分析装置可以直接从反应釜1收集气样进行检测分析，从而明确可燃气体浓度和助燃气体浓度的变化情况，从而分析不同工艺条件下的安全性。
发明人所知道的另一种用于改善稠油蒸汽驱后期驱油效果的蒸汽复合驱实验系统中，主要用于深入研究蒸汽/空气多介质蒸汽驱室内物理模拟实验对蒸汽驱油效果的影响。该实验系统主要包括计算机、电气控制器、蒸汽发生器、氮气缓冲罐和高压氮气瓶；汇管通过安装有控制阀的导管与岩芯物理模型的一端连接，岩芯物理模型的另一端通过排液管与接收容器连接，排液管通过安装有控制阀的连接管与回压泵连接；电气控制器通过电缆与回压泵连接；计算机分别通过电缆与气体流量传感器和液体流量传感器连接；汇管、岩芯物理模型、回流泵和接收容器位于恒温箱。该实验系统无法模拟高压条件，也未设置压力传感器对实验系统的压力进行监测，其主要用于驱油效率的研究。
该实验系统没有设置温度传感器和压力传感器，无法对实验过程中的温度和压力进行有效地监测，因此，无法实现特定温度和压力条件下的实验研究。而本申请中的反应釜1的工作温度可以达到300℃，在反应釜1的外壁上设置有温度传感器，在第三管线33设置有压力传感器，能够实时监控反应釜1内的温度和压力。
该实验系统中不涉及气体以及油样的分析系统，因此，无法研究气体的组分变化。而本申请中的组分分析装置可以直接从反应釜1收集气样进行检测分析，从而明确可燃气体浓度和助燃气体浓度的变化情况，进而分析不同工艺条件下的安全性。
该实验系统中氮气注入系统中未设置氮气加热装置，因此，其注入氮气均为冷氮，无法模拟实际工况中注入热氮的情况。而本申请中，可根据实际情况，设置氮气加热系统，如果需要模拟注入热氮的工艺情况，则可以打开氮气加热系统，当氮气通过氮气加热系统的时候对其进行加热，从而满足工艺需求。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置，该实验装置包括反应釜1、蒸汽发生器21、氮气存储器17和组分分析装置。其中，反应釜1具有反应腔、第一进出口41和第二进出口42，第一进出口41和第二进出口42均与反应腔连通；蒸汽发生器21经第一进出口41与反应腔连通，以将蒸汽注入反应腔内；氮气存储器17经第一进出口41与反应腔连通，以将氮气注入反应腔内；组分分析装置，经第二进出口42与反应腔连通，组分分析装置用于测试和分析反应腔内的气体和液体的组分。
根据上述设置，组分分析装置能够对反应腔内的气体和液体的组分进行测试和分析，这样便于研究氮气和蒸汽在注入的过程中对反应腔内的气体组分分布和液体的性质的影响，由于本申请中的实验装置是利用反应釜1模拟油井的井筒，这样便于研究氮气和蒸汽注入油层后对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响(本申请中研究对反应腔内的气体组分分布和液体的性质的影响即是研究对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响)，从而为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供了理论和技术依据。另外，在本申请中的实验装置中，利用反应釜1模拟油井中的油管，通过氮气存储器17和蒸汽发生器21向反应釜1注入氮气和蒸汽，使得氮气和蒸汽与反应釜1内的原油混合反应，同时氮气和蒸汽又驱动原油流动，这样真实地还原和模拟了稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的工艺过程，使得反应腔内的气体和液体的组分更加接近于现场井筒内的气体和液体的组分，从而确保组分分析装置测试和分析得到的数据真实可靠，进而确保为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供正确的理论和技术依据。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括第一管线31，组分分析装置包括气相色谱仪5，第一管线31的第一端与气相色谱仪5连接，第一管线31的第二端与第二进出口42连接。
上述设置中，反应釜1内的气体经过第二进出口42和第一管线31流入到气相色谱仪5内，这样方便利用气相色谱仪5测试气体样品的组分，检测出气体样品的各个组成成分以及各个组成成分在气体样品中所占的比重，从而便于研究氮气和蒸汽在注入的过程中对反应腔内的气体组分分布和液体的性质的影响，进而为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供了理论和技术依据。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括气体取样控制阀2和取样袋4，其中，取样袋4，自第一管线31的第一端至第二端，沿气体流动方向，气体取样控制阀2和取样袋4依次设置在第一管线31上，其中，气体取样控制阀2用于控制第一管线31的通断。
上述设置中，利用取样袋4方便间断地从反应釜1内采集气体样品，即间隔一定的时间，从反应釜1内采集气体样品，这样使得气体能够间断性的进入到气相色谱仪5内进行测试，为气相色谱仪5提供了足够的测试时间，从而确保气相色谱仪5能够准确的测试出气体样品的组分，进而确保组分分析装置测试和分析得到的数据真实可靠，为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供正确的理论和技术依据。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括设置在第一管线31外周的冷却盘管3，其中，冷却盘管3位于气体取样控制阀2和取样袋4之间。
当反应釜1内气体的温度较高时，通过冷却盘管3能够对从反应釜1内输出的气体进行冷却，这样能够确保进入到气相色谱仪5的气体的温度满足测试的要求，从而确保气相色谱仪5能够准确的测试出气体样品的组分。需要说明的是，冷却盘管3为螺旋形盘管，螺旋形盘管串联设置在第一管线31上，冷却盘管3的螺旋形结构增加了冷却盘管3内流动的气体与外界的换热面积，能够快速地降低气体的温度。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括第二管线32，第二进出口42的数量为两个，第一管线31与两个第二进出口42中的一个连接，第二管线32与两个第二进出口42中的另一个连接，组分分析装置还包括组分分析仪24和流变仪25，其中，组分分析仪24和流变仪25均通过第二管线32与反应腔连通。
上述设置中，反应釜1内的液体经过第二进出口42和第二管线32分别流入组分分析仪24和流变仪25，组分分析仪24能够测试和分析液体(稠油)的各个组成成分以及各个组成成分在液体中所占的比重，流变仪25能够测试液体(稠油)的黏度，这样便于研究氮气和蒸汽在注入的过程中对反应腔内的液体(稠油)的性质的影响，为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供正确的理论和技术依据。
具体地，与第二管线32连通的第二进出口42位于图1的下方，而与第一管线31连通的第二进出口42位于上方。由于气体和液体的密度不同，气体总是聚集在反应釜1的上部，液体总是汇集在反应釜1的下部，因此将第二进出口42按照上述的方式布置，便于将气体输送到第一管线31，将液体排放到第二管线32，从而确保实验装置能够正常的工作。
需要说明的是，本申请的实验装置还包括第三分支管路和第四分支管路，其中，流变仪25设置在第三分支管路上，经过第三分支管路与第二管线32连通，组分分析仪24设置在第四分支管路上，经过第四分支管路与第二管线32连通。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括原油取样控制阀27和原油取样瓶26，其中，原油取样控制阀27设置在第二管线32上以控制第二管线32的通断；原油取样瓶26，设置在第二管线32上，其中，原油取样控制阀27相对于原油取样瓶26更靠近第二进出口42。
上述设置中，原油取样瓶26能够间断地从反应釜1内采集液体样品，即间隔一定的时间，从反应釜1内采集液体样品，这样使得液体能够间断性的进入到组分分析仪24和流变仪25内进行测试，为组分分析仪24和流变仪25提供了足够的测试时间，从而确保组分分析仪24能够准确地测试出液体样品的组分，流变仪25能够准确地测试出液体的黏度，进而确保组分分析装置测试和分析得到的数据真实可靠，为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供正确的理论和技术依据。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括第三管线33，第三管线33的第一端经第一进出口41与反应腔连通，第三管线33的第二端分别与蒸汽发生器21和氮气存储器17连接。
上述设置中，蒸汽发生器21能够通过第三管线33向反应釜1内注入蒸汽，氮气存储器17能够通过第三管线33向反应釜1内注入氮气，使得氮气和蒸汽与反应釜1内的稠油混合反应，同时氮气和蒸汽又驱动原油流动，这样真实地还原和模拟了稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的工艺过程，使得反应腔内的气体和液体的组分更加接近于现场井筒内的气体和液体的组分，从而确保组分分析装置测试和分析得到的数据真实可靠，进而确保为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供正确的理论和技术依据。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括压力传感器11和安全阀12，其中，压力传感器11设置在第三管线33上，压力传感器11用于检测反应腔内的气体压力；安全阀12设置在第三管线33上，压力传感器11位于第一进出口41和安全阀12之间。
上述设置中，压力传感器11能够实时监测反应腔内的气体压力，当反应釜1内的压力超过安全阀12的设定压力时，安全阀12会自动打开泄掉反应釜1内的压力，从而起到保护反应釜1的作用，这样避免了因反应釜1内的压力过高而导致反应釜1损坏的问题，从而确保反应釜1能够正常的工作，进而确保模拟实验能够顺畅地完成。另外，设置安全阀12也提高了实验的安全性，避免了因反应釜1损坏而引发的安全问题，从而提高了本申请中实验装置的可靠性和稳定性。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括第一分支管路34和第二分支管路35，其中，氮气存储器17经第一分支管路34与第三管线33连通；蒸汽发生器21经第二分支管路35与第三管线33连通。
上述设置中，通过第二分支管路35能够确保蒸汽发生器21通过第三管线33向反应釜1内注入蒸汽，氮气存储器17依次通过第一分支管路34和第三管线33向反应釜1内注入氮气，方便后续还原和模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的工艺过程，从而使得反应腔内的气体和液体的组分更加接近于现场井筒内的气体和液体的组分，进而确保组分分析装置测试和分析得到的数据真实可靠。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括气源控制阀16、调压压力表13和调压阀15，其中，气源控制阀16设置在第一分支管路34以控制第一分支管路34的通断；调压压力表13设置在第一分支管路34上，其中，气源控制阀16相对于调压压力表13更靠近氮气存储器17；调压阀15设置在第一分支管路34上，且位于气源控制阀16与调压压力表13之间。
上述设置中，调压阀15能够调节氮气注入反应釜1内的注入压力，从而满足模拟实验中对氮气注入的压力的要求，进而确保模拟实验的真实性和可靠性。需要说明的是，调压压力表13能够显示氮气注入压力值，操作人员可以根据调压压力表13上显示的压力值准确地调节氮气的注入压力。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括设置在第一分支管路34上的第一流量计18和氮气注入阀14，其中，第一流量计18位于第一分支管路34和第三管线33相连接的节点与氮气注入阀14之间，且氮气注入阀14位于第一流量计18和调压压力表13之间。
上述设置中，氮气注入阀14能够控制氮气的注入，第一流量计18能够监测和控制氮气注入的速率，从而满足模拟实验中对氮气注入的时机和注入速率的要求，进而确保模拟实验具有更高的真实性和可靠性。
当然在本发明附图中未示出的替代实施例中，可根据实际情况，实验装置仅包括设置在第一分支管路34上的第一流量计18，且第一流量计18位于第一分支管路34和第三管线33相连接的节点与调压压力表13之间。或者，实验装置仅包括设置在第一分支管路34上的氮气注入阀14，氮气注入阀14位于第一分支管路34和第三管线33相连接的节点与调压压力表13之间。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括蒸汽控制阀20和第二流量计19，其中，蒸汽控制阀20和第二流量计19均设置在第二分支管路35上，第二流量计19位于第二分支管路35和第三管线33相连接的节点与蒸汽控制阀20之间。
上述设置中，蒸汽控制阀20能够控制蒸汽的注入，第二流量计19能够监测和控制蒸汽注入的速率，从而满足模拟实验中对蒸汽注入的时机和注入速率的要求，进而确保模拟实验具有更高的真实性和可靠性。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括注入泵23和控制阀22，其中，注入泵23和控制阀22均设置在第二分支管路35上，控制阀22位于蒸汽发生器21和注入泵23之间。
上述设置中，控制阀22用于控制注入泵23向蒸汽发生器21内注水，即当蒸汽发生器21中制造水蒸气的水不够时，控制注入泵23打开，注入泵23将其内部的水加压注入到蒸汽发生器21内，以供制备实验用的水蒸气。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括加热部，加热部包括设在反应釜1外周的保温套7和插设在保温套7内的加热棒9。
上述设置中，加热棒9能够对反应釜1进行加热，使得反应釜1内的温度升高，保温套7能够保持住加热后的温度，这样能够满足模拟实验对反应釜1内温度的要求，进而确保模拟实验具有更高的真实性和可靠性。
需要说明的是，如图1和图2所示，本发明的实施例中，反应釜1包括筒体和设置在筒体两端的盖板，其中，盖板与筒体通过螺栓连接固定，盖板与筒体之间还设置有密封圈，用于密封盖板与筒体的连接处，防止反应釜1内部的油气外泄。位于左侧的盖板上设置有两个第二进出口42，两个第二进出口42沿盖板的周向设置，位于右侧的盖板上设置有一个位于盖板中心位置的第一进出口41，同时位于右侧的盖板上还设置有两个沿盖板的周向分布的通孔，各通孔内分别插设有第一温度传感器10。
具体地，本发明的实施例中，反应釜1采用P110钢加工而成，具有良好的耐腐蚀、耐高温和耐高压性能。比如，可设置规格为(直径)×1000mm(长度)的反应釜1，工作温度为25℃～300℃，工作压力为0.1MPa～30MPa，反应釜1采用石墨圈密封。上述设置中，反应釜1能够耐高温和高压，以满足模拟实验对高温和高压的要求，进而能够真实地还原和模拟高温高压下稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的工艺过程，使得反应腔内的气体和液体的组分接近于现场井筒内的气体和液体的组分，从而确保组分分析装置测试和分析得到的数据真实可靠。
具体地，如图1所示，本发明的实施例中，保温套7套设在反应釜1的外周，保温套7的内部设置有三个轴向通孔，三个轴向通孔沿保温套7的周向间隔设置，每个轴向通孔内设置有三根加热棒9，三根加热棒9串联连接而形成加热棒组件，另外，设置在三个轴向孔内的三个加热棒组件之间采用并联的方式连接。
需要说明的是，如图1和图2所示，本发明的实施例中，保温套7的两端设置有两个卡头，两个卡头分别与保温套7的两端固定连接，两个卡头与保温套7形成了一个容置腔，反应釜1设置在容置腔内。
上述设置中，通过设置多个加热棒9并将多个加热棒9按照上述方式连接，使得加热棒9能够更加准确地升高反应釜1内的温度，这样能够更好地满足模拟实验对反应釜1内温度的要求，进而确保模拟实验具有更高的真实性和可靠性。
具体地，本发明的实施例中，加热棒规格为Φ16×1000mm，有效加热区域950mm，每根加热棒9的功率为1KW。加热棒9外部填充保温材料，并配置不锈钢外壳。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括控制器和插入反应釜1内的第一温度传感器10，其中，第一温度传感器10用于检测反应釜1内的温度，加热棒9和第一温度传感器10均与控制器连接，控制器根据第一温度传感器10发出的信号控制加热棒9。
上述设置中，第一温度传感器10能够将反应釜1内的实际温度值信号(第一温度传感器10发出的信号)反馈到控制器内，控制器能够根据上述温度值信号，参照模拟实验预设的反应釜1内的温度值，控制加热棒9是否加热。即当反应釜1内的实际温度低于模拟实验预设的温度值时，控制器控制加热棒9加热，使加热棒9对反应釜1加热，直到达到模拟实验预设的温度值，从而满足模拟实验的温度要求。
需要说明的是，控制器包括远程设置的计算机控制系统和与计算机控制系统连接的温度控制模块，计算机控制系统向温度控制模块发送加热指令，温度控制模块接受指令后，使得加热棒9加热，当反应釜1内的温度达到模拟实验预设的温度值时，计算机控制系统向温度控制模块发送保温指令，温度控制模块接受指令后，使得加热棒9保持恒定的温度。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括控制器和插入保温套7内的第二温度传感器8，其中，第二温度传感器8用于检测保温套7内的温度，加热棒9和第二温度传感器8均与控制器连接，控制器根据第二温度传感器8发出的信号控制加热棒9是否加热。
上述设置中，第二温度传感器8能够将反应釜1内的实际温度值信号(第二温度传感器8发出的信号)反馈到控制器内，控制器能够根据上述温度值信号，参照模拟实验预设的反应釜1内的温度值，控制加热棒9是否加热。即当反应釜1内的实际温度低于模拟实验预设的温度值时，控制器控制加热棒9，使加热棒9对反应釜1加热，直到达到模拟实验预设的温度值，从而满足模拟实验的温度要求。
具体地，如图1所示，本发明的实施例中，第一温度传感器10数量为两个，均设置在第一进出口41附近，且沿反应釜1的轴向方向插设，其中位于上方的第一温度传感器10的探针的长度短于位于下方的第一温度传感器10的探针的长度。上述设置中，上方的第一温度传感器10能够监测反应釜1右端的温度，位于下方的第一温度传感器10既能监测反应釜1左端的温度，又能监测反应釜1中部的温度，这样布置使得第一温度传感器10能够准确地监测到反应釜1内的温度，从而为控制器提供了真实可靠的温度数据，进而确保控制器能够正确地的工作。
如图1所示，本发明的实施例中，实验装置还包括设置在反应釜1的反应腔内的油气分离装置，油气分离装置靠近第二进出口42设置，其中，油气分离装置具有分离腔6，分离腔6与反应腔连通。
上述设置中，反应釜1内的液体和气体在油气分离装置内的分离腔6进行气液分离，即气体聚集在分离腔6的上部，经过设置在反应釜1上方的第二进出口42流出，液体聚集在分离腔6的下部，经过设置在反应釜1下方的第二进出口42流出，这样实现了反应釜1内的气液分离。另外，将油气分离装置设置在反应釜1内，这样使得油气分离装置设置处于一个封闭的空间，即使油气分离装置由于受到高温高压气液的冲击而破坏，也不会让油气直接泄漏到大气中与实验人员接触，这样确保了模拟实验的安全性和可靠性。
具体地，如图1所示，本发明的实施例中，油气分离装置设置在反应釜1的左端(靠近第二进出口42)。这样使得反应釜1内的油气能够充分的混合反应，并且确保气体驱动油液流动足够的距离，从而能够更好地还原和模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的工艺过程，进而使得反应腔内的气体和液体的组分更加接近于现场井筒内的气体和液体的组分，进而确保了组分分析装置测试和分析得到的数据真实可靠。
本发明的实施例提供了一种稠油注氮气辅助蒸汽吞吐过程安全性研究的模拟实验装置，其克服了现有实验装置中存在的测试压力小、测试温度低等不足，本申请中的实验装置可以测试的压力高达30MPa，温度可到300℃。此外，还可以在实验过程中定时收集气体样品，以分析氮气和蒸汽注入对气体组分的影响。
本申请中的实验装置主要包括反应釜1、加热系统、蒸汽注入系统、氮气注入系统、数据采集系统以及组分分析系统。其中，加热系统包括加热棒9和保温套7，加热棒9分九点布置，每根加热棒功率为1KW，每3根串联后并联使用。加热棒9外部填充保温材料，并配置不锈钢外壳。当反应釜1温度达到预期温度值时，通过温度控制模块使得温度保持恒定。蒸汽注入系统包括蒸汽发生器21、注入泵23、蒸汽控制阀20、控制阀22、第二流量计19。蒸汽发生器21采用双加热管道、蒸汽管道双螺旋缠绕结构，使用高导热系数的金属材料进行导热，其外侧采用陶瓷纤维毯保温材料保温，其产生的最大蒸汽温度可达375℃。注入泵23最大注入流量为8kg/h，最大注入压力50MPa，泵头采用SS316L锈钢材质，控制部分采用单片机与外围接口芯片组成一个微机处理系统，利用高速数据处理和定时/计数功能，通过程序控制，实现对电机的调速和运行状态的控制。该注入泵23可与计算机通讯接口，可多机通讯。蒸汽发生器21内安装有温度传感器、压力传感器，PLC屏(实时显示蒸汽温度和压力)，同时为了保证安全，蒸汽发生器21内部还安装有安全阀防护装置。
氮气注入系统包括高压氮气瓶(氮气存储器17)、调压阀15、氮气注入阀14和第一流量计18。利用高压氮气瓶和调压阀15提供不同压力的氮气源，通过氮气注入阀14和第一流量计18来控制氮气注入速率。
数据采集系统包括压力传感器11、温度传感器、控制器(包括系统控制软件以及计算机)。压力传感器11采用瑞士senex品牌的高精度压力传感器，量程为0-32MPa，接口大小为M20×1.5。采用高精度温度传感器，测量范围为0～1000℃，精度等级为I级，长度为900mm，外径为Φ3mm，引接线长度为500mm，配N型热电偶连接器。所有的自动控制和数据采集通过系统控制软件来实现，并在计算机上显示和存储数据。
组分分析系统包括气样分析和油样分析。由于反应釜1内的气体温度比较高，因此需要通过冷却盘管3对气体进行冷却，通过设置冷却盘管3，可以直接从反应釜1内收集气样进行检测分析，从而明确可燃气体浓度和助燃气体浓度的变化情况，从而分析不同工艺条件下的安全性。再使用取样袋4在一定时间间隔从反应釜1中采集气样，并利用气相色谱仪5测试气体样品的组分。使用原油取样瓶26从反应釜1采集油样，并利用组分分析仪24和流变仪25测试原油样品的组分和黏度。
当然在本发明附图中未示出的替代实施例中实验装置还可设置氮气加热系统，如果需要模拟注入热氮的工艺情况，则可以打开此加热系统，当氮气通过加热系统的时候对其进行加热，从而满足工艺需求。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：组分分析装置能够对反应腔内的气体和液体的组分进行测试和分析，这样便于研究氮气和蒸汽在注入的过程中对反应腔内的气体组分分布和液体的性质的影响，由于本申请中的实验装置是利用反应釜模拟油井的井筒，这样便于研究氮气和蒸汽注入油层后对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响(本申请中研究对反应腔内的气体组分分布和液体的性质的影响即是研究对井筒内气体组分分布以及原油特性的影响)，从而为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供了理论和技术依据。另外，在本申请中的实验装置中，利用反应釜模拟油井中的油管，通过氮气存储器和蒸汽发生器向反应釜注入氮气和蒸汽，使得氮气和蒸汽与反应釜内的原油混合反应，同时氮气和蒸汽又驱动原油流动，利用加热棒、保温套和控制器控制反应釜内的温度，这样真实地还原和模拟了高温高压下稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的工艺过程，使得反应腔内的气体和液体的组分更加接近于现场井筒内的气体和液体的组分，从而确保组分分析装置测试和分析得到的数据真实可靠，进而确保为后续开展现场注氮气辅助蒸汽吞吐工艺提供正确的理论和技术依据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种模拟稠油注氮气辅助蒸汽吞吐的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：
反应釜(1)，所述反应釜(1)具有反应腔、第一进出口(41)和第二进出口(42)，所述第一进出口(41)和所述第二进出口(42)均与所述反应腔连通；
蒸汽发生器(21)，经所述第一进出口(41)与所述反应腔连通，以将蒸汽注入所述反应腔内；
氮气存储器(17)，经所述第一进出口(41)与所述反应腔连通，以将氮气注入所述反应腔内；
组分分析装置，经所述第二进出口(42)与所述反应腔连通，所述组分分析装置用于测试和分析所述反应腔内的气体和/或液体的组分；
第一管线(31)，所述组分分析装置包括气相色谱仪(5)，所述第一管线(31)的第一端与所述气相色谱仪(5)连接，所述第一管线(31)的第二端与所述第二进出口(42)连接；
气体取样控制阀(2)；
取样袋(4)，自所述第一管线(31)的第一端至第二端，沿气体流动方向，所述气体取样控制阀(2)和所述取样袋(4)依次设置在所述第一管线(31)上，其中，所述气体取样控制阀(2)用于控制所述第一管线(31)的通断；
所述实验装置还包括设置在所述第一管线(31)外周的冷却盘管(3)，其中，所述冷却盘管(3)位于所述气体取样控制阀(2)和所述取样袋(4)之间，通过设置冷却盘管，直接从所述反应釜(1)内收集气样进行检测分析，从而明确可燃气体浓度和助燃气体浓度的变化情况，从而分析不同工艺条件下的安全性；
所述实验装置还包括第二管线(32)，所述第二进出口(42)的数量为两个，所述第一管线(31)与两个所述第二进出口(42)中的一个连接，所述第二管线(32)与两个所述第二进出口(42)中的另一个连接，所述组分分析装置还包括：
组分分析仪(24)；
流变仪(25)，所述组分分析仪(24)和所述流变仪(25)均通过所述第二管线(32)与所述反应腔连通。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：
原油取样控制阀(27)，设置在所述第二管线(32)上以控制所述第二管线(32)的通断；
原油取样瓶(26)，设置在所述第二管线(32)上，其中，所述原油取样控制阀(27)相对于所述原油取样瓶(26)更靠近所述第二进出口(42)。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括第三管线(33)，所述第三管线(33)的第一端经所述第一进出口(41)与所述反应腔连通，所述第三管线(33)的第二端分别与所述蒸汽发生器(21)和所述氮气存储器(17)连接。
4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：
压力传感器(11)，设置在所述第三管线(33)上，所述压力传感器(11)用于检测所述反应腔内的气体压力；
安全阀(12)，设置在所述第三管线(33)上，所述压力传感器(11)位于所述第一进出口(41)和所述安全阀(12)之间。
5.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：
第一分支管路(34)；
第二分支管路(35)，所述氮气存储器(17)经所述第一分支管路(34)与所述第三管线(33)连通；所述蒸汽发生器(21)经所述第二分支管路(35)与所述第三管线(33)连通。
6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：
气源控制阀(16)，设置在所述第一分支管路(34)以控制所述第一分支管路(34)的通断；
调压压力表(13)，设置在所述第一分支管路(34)上，其中，所述气源控制阀(16)相对于所述调压压力表(13)更靠近所述氮气存储器(17)；
调压阀(15)，设置在所述第一分支管路(34)上，且位于所述气源控制阀(16)与所述调压压力表(13)之间。
7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，
所述实验装置还包括设置在所述第一分支管路(34)上的第一流量计(18)，所述第一流量计(18)位于所述第一分支管路(34)和所述第三管线(33)相连接的节点与所述调压压力表(13)之间；或者，
所述实验装置还包括设置在所述第一分支管路(34)上的氮气注入阀(14)，所述氮气注入阀(14)位于所述第一分支管路(34)和所述第三管线(33)相连接的节点与所述调压压力表(13)之间；
或者，所述实验装置还包括设置在所述第一分支管路(34)上的第一流量计(18)和氮气注入阀(14)，其中，所述第一流量计(18)位于所述第一分支管路(34)和所述第三管线(33)相连接的节点与所述氮气注入阀(14)之间，且所述氮气注入阀(14)位于所述第一流量计(18)和所述调压压力表(13)之间。
8.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：
蒸汽控制阀(20)；
第二流量计(19)，所述蒸汽控制阀(20)和所述第二流量计(19)均设置在所述第二分支管路(35)上，所述第二流量计(19)位于所述第二分支管路(35)和所述第三管线(33)相连接的节点与所述蒸汽控制阀(20)之间。
9.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：
注入泵(23)；
控制阀(22)，所述注入泵(23)和所述控制阀(22)均设置在所述第二分支管路(35)上，所述控制阀(22)位于所述蒸汽发生器(21)和所述注入泵(23)之间。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括加热部，所述加热部包括设在所述反应釜(1)外周的保温套(7)和插设在所述保温套(7)内的加热棒(9)。
11.根据权利要求10所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括控制器和插入所述反应釜(1)内的第一温度传感器(10)，其中，所述第一温度传感器(10)用于检测所述反应釜(1)内的温度，所述加热棒(9)和所述第一温度传感器(10)均与所述控制器连接，所述控制器根据所述第一温度传感器(10)发出的信号控制所述加热棒(9)是否加热。
12.根据权利要求10所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括控制器和插入所述保温套(7)内的第二温度传感器(8)，其中，所述第二温度传感器(8)用于检测所述保温套(7)内的温度，所述加热棒(9)和所述第二温度传感器(8)均与所述控制器连接，所述控制器根据所述第二温度传感器(8)发出的信号控制所述加热棒(9)是否加热。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括设置在所述反应釜(1)的反应腔内的油气分离装置，所述油气分离装置靠近所述第二进出口(42)设置，其中，所述油气分离装置具有分离腔(6)，所述分离腔(6)与所述反应腔连通。
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2020
- 2020-10-21 CN CN202011132908.XA patent/CN114382452B/zh active Active
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