CN114739769A - 模拟气藏型储气库交替注采的高温高压可视化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟气藏型储气库交替注采的高温高压可视化装置，包括水浴恒温反应釜1、微量注入泵2、水体循环泵3、回压泵4、回压阀14、试管15、气体流量计16、电子显微镜17、图像采集器18、电磁加热器19和中间容器，中间容器包括围压液中间容器21、氮气中间容器22和地层水中间容器23。利用该装置进行微观模拟驱替实验的方法，包括：制作真实微观孔隙模型；配置地层水样品；将微观模型恢复原始地层条件；模拟储气库高速注采运行过程；对实验结果进行处理分析。本发明原理可靠，操作简便，适用于模拟高温高压储气库多周期交替注采测试，为实际地下储气库在高速注采过程中气水两相饱和度测试、驱替前缘检测、不同气水位置分布研究，提供工具和手段。

Description

模拟气藏型储气库交替注采的高温高压可视化装置及方法

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发领域，尤其涉及一种模拟气藏型储气库交替注采的高温高压可视化实验装置及方法。

背景技术

地下储气库是二十世纪初期开始发展起来的。相比于成本较高的地面管线等设施而言，地下储气库具有安全高效、成本低、使用年限时间长等优点，是一种天然气储集行之有效的方法。目前，地下储气库已经在国内外应用越来越广泛，它不仅可以作为季节性和事故调峰的重要有效手段，而且具有天然气战略储备的作用，同时在我们的日常生活中扮演着愈来愈重要的角色。

目前关于模拟地下高温高压储气库多周期交替注采的实验装置及方法主要有以下特点，模拟储气库多周期交替注采的室内实验大多针对柱塞岩心开展（石磊,王皆明,朱华银,段宇.水侵气藏型储气库气水微观渗流规律[J].天然气勘探与开发,2020,43(01):58-63），由于岩心夹持器实验装置的限制，实验过程中无法直接观测研究交替注采过程中气水两相微观渗流机理。

发明专利“一种枯竭气藏储气库地面注采系统的能耗计算方法”（CN201710893777.9）提供气藏储气库地面注采系统的能耗计算方法，缺乏对气藏型储气库交替注采方法进行具体研究；发明专利“一种地下储气库模拟实验装置及实验方法”（CN201610162306.6），所述装置中玻璃夹砂模型并未建立环压且玻璃夹砂模型自身能承受的压力差并不高，使得该模型无法建立油藏实际压力的环境，即不能做高温高压相关实验，其次烘箱加温在实验过程中严重影响显微镜对玻璃薄片的观察，无法准确观测实验过程，而且该专利并未具体描述可视化装置及设备。

在高温高压驱替实验方面，发明专利“一种高温高压高精度微观驱替实验系统和实验方法”（CN202111393260.6）提供了一种模拟地层水驱油的实验方法；发明专利“一种模拟CO乳液对盲端油微观驱替过程的系统和方法”（CN201710327274.5 ）提供了一种模拟二氧化碳乳液驱油的实验方法。但上述两个专利均未针对模拟地下储气库多周期交替注采特殊工况，建立系统的描述模拟气藏型储气库交替注采的实验方法。因此，设计一种模拟地下高温高压储气库多周期交替注采的微观可视化实验装置及方法对解决该类问题具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供模拟气藏型储气库交替注采的高温高压可视化装置，该装置原理可靠，操作简便，适用于模拟高温高压储气库多周期交替注采实验测试，为实际地下储气库在高速注采过程中气水两相饱和度测试、驱替前缘检测、不同气水位置分布等机理研究，提供工具和手段。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行高温高压可视化模拟气藏型储气库交替注采的方法，为定量确定地下储气库在多周期交替注采过程中气水两相饱和度、束缚水下气相相对渗透率提供指导性意见，具有广阔的应用前景。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

模拟气藏型储气库交替注采的高温高压可视化装置，由微观模型夹持器、微量注入泵、水体循环泵、回压泵、中间容器、电子显微镜、气体流量计、电磁加热器、图像采集器和水浴恒温反应釜组成，所述微观模型夹持器的入口端通过六通阀连接中间容器和注入泵，出口端连接回压阀，中间容器包括围压液中间容器、地层水中间容器、气体中间容器，微观模型夹持器的入口端和出口端设有压力表，整个微观模型夹持器置于水浴恒温反应釜中，反应釜上端和下端各有一个蓝宝石视窗，在窗口上端连接电子显微镜，用以录制整个驱替过程。

利用上述装置进行高温高压可视化模拟气藏型储气库交替注采的方法，依次包括以下步骤：

（1）微观模型制作：根据从现场取回的铸体薄片资料，利用CAD软件对铸体薄片的孔隙网络结构进行抽提，再将这些孤立的孔隙相互连通起来，并利用先进的激光刻蚀工艺，在玻璃板上刻蚀出孔隙网络，然后上覆一玻璃，最终在高温炉中烧结在一起，制作出微观模型。同时测得微观模型的长度为L、宽度为W、厚度为H；

（2）根据现场生产资料所提供的地层水矿化度配制地层水，并用染色剂（甲基蓝）对地层水进行染色，以便于与无色的氮气区分开；

（3）将微观模型安装在微观模型夹持器中，并连接好出口、入口的管线；

（4）调节显微镜聚集位置及放大倍数，直至电子显微镜能够采集到清晰的微观模型内部的孔隙网络结构图；

（5）用恒速模式0.01ml/min的速度从微观模型入口端开始注水，进行饱和地层水过程，直至微观模型出口端开始连续出水，并测得出口端、入口端的流速一致时，结束饱和水过程，利用电子显微镜和图像采集器观察地层水在微观模型中的渗流情况；

（6）以恒定流量0.03ml/min向微观模型入口端进行注气，直至其出口端不出水，关闭出口端阀门，并继续注气至出口端压力表示数达到目标地层压力，计量模型出口端出水量和模型内部压力变化值，并利用电子显微镜和图像采集器观察气、水相渗流情况和分布状况；

（7）以恒定流量0.03ml/min由微观模型出口端进行采气，进行衰竭采气模拟实验，直至压力衰竭到出口端基本上没有气体流出为止，关闭微观模型出口端阀门，计量模型出口端出气量和模型内部压力变化值，并利用电子显微镜和图像采集器观察气、水相渗流情况和分布状况；

（8）继续向模型入口端注气，直至模型内部压力重新达到目标地层压力，计量模型出口端出水量及微观模型内部压力值，并利用电子显微镜和图像采集器观察注气过程中气水渗流情况和分布状况；

（9）从模型出口端开始进行采气，直至压力衰竭到出口端基本上没有气体流出为止，计量采气量、出水量及驱替压差，并利用电子显微镜和图像采集器观察采气过程中气水渗流情况和分布状况；

（10）重复（8）、（9），连续完成多个注采循环周期，记录每个周期气量、水量、压差的变化，并利用ImageJ软件计算含气、含水饱和度变化值，同时在每一次的注采过程结束后，计算气相相对渗透率的变化值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明为微观实验过程提供了一种能够模拟且稳定地层温度压力的实验装置，极大减少了实验环境对室内物理模拟的影响；本发明操作简单，为实现地层高温高压条件下模拟气藏型储气库交替注采提供可靠的实验过程，测试结果真实准确。

附图说明

图1为高温高压储气库多周期交替注采微观可视化装置结构示意图。

图中：1-水浴恒温反应釜；2-微量注入泵；3-水体循环泵；4-回压泵；5、6、7、8、9、10、11-阀门；12、13-压力表；14-回压阀；15-试管；16-气体流量计；17-电子显微镜；18-图像采集器；19-电磁加热器；20-六通阀；21、22、23-围压液、氮气、地层水中间容器。

图2为水浴恒温反应釜结构示意图。

图中：1-1-水浴加热入口；1-2-水浴加热出口；1-3-夹持器入口；1-4-夹持器出口；1-5-密封螺栓；1-6-围压连接口；1-7-夹持器入口固定螺栓；1-8-夹持器出口固定螺栓；1-9-反应釜主体；1-10-密封端盖；1-11-模型夹持器载体；1-12-水浴加热筒；1-13-微观模型夹持器；1-14-蓝宝石玻璃窗。

图3为一个周期注采中的气驱水实验结果。

图4为一个周期注采中的水驱气实验结果。

图5为3种微观模型残余气饱和度随注采周期变化曲线。

图6为3种微观模型气水两相区占比随注采周期变化曲线。

具体实施方式

下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参看图1、图2。

模拟气藏型储气库交替注采的高温高压可视化装置，包括水浴恒温反应釜1、微量注入泵2、水体循环泵3、回压泵4、回压阀14、试管15、气体流量计16、电子显微镜17、图像采集器18、电磁加热器19和中间容器，中间容器包括围压液中间容器21、氮气中间容器22和地层水中间容器23。

所述水浴恒温反应釜1包括反应釜主体1-9、密封端盖1-10、模型夹持器载体1-11、水浴加热筒1-12、微观模型夹持器1-13和蓝宝石玻璃窗1-14，反应釜主体1-9和密封端盖1-10通过密封螺栓1-5进行紧固，反应釜外有水浴加热筒1-12，水浴加热筒设置水浴加热入口1-1、水浴加热出口1-2，该反应釜通过水体循环泵3、电磁加热器19将水体持续从水浴加热入口1-1注入、水浴加热出口1-2流出，保持反应釜中温度稳定；反应釜设置围压连接口1-6连接围压液中间容器21；微观模型夹持器1-13位于模型夹持器载体1-11上，内有微观模型，两端为夹持器入口1-3、夹持器出口1-4，利用夹持器入口固定螺栓1-7和夹持器出口固定螺栓1-8对微观模型进行固定及密封，反应釜主体正对微观模型的位置安装蓝宝石玻璃窗1-14，蓝宝石玻璃窗处设置电子显微镜17，电子显微镜17连接图像采集器18。

所述微观模型夹持器1-13的入口端分别通过氮气中间容器22、地层水中间容器23连接微量注入泵2，出口端通过回压阀14分别连接回压泵4和试管15、气体流量计16，微观模型夹持器的两端设有压力表12、13。

利用该装置进行微观模拟驱替实验的方法，包括：制作真实微观孔隙模型；配置地层水样品；将微观模型恢复原始地层条件；模拟储气库高速注采运行过程；对实验结果进行处理分析。该方法具体包括以下步骤：

（1）根据现场提供的铸体薄片资料，利用先进的激光刻蚀工艺，制作出具有相同孔隙结构的微观模型，同时测得微观模型的长度L=6.33cm、宽度W=3.22cm、厚度H=0.33cm；

（2）现场生产资料所提供的地层水的矿化度为10423mg/L，按照该矿化度配制地层水，该枯竭油气藏型储气库温度为80℃、压力为30MPa；

（3）将模型放入微观模型夹持器1-13中，连接好出口、入口的管线，并将中间容器21装满蒸馏水（围压液）、中间容器22装满氮气、中间容器23装满地层水；利用微量注入泵2将中间容器21中的蒸馏水通过围压连接口1-6注入到水浴恒温反应釜1中，打开阀门8、10，用恒速模式0.01ml/min的速度从微观模型的入口端和围压连接口开始注地层水和蒸馏水，将模型的内压和围压同时提升到30MPa，围压和模型内压最大压差不可超过2MPa，否则容易压坏微观模型；通过水体循环泵3和电磁加热器19，将水体进行加热并通过水浴加热入口1-1加入到水浴恒温反应釜中，最终充满整个水浴恒温反应釜后，从水浴加热出口1-2流出，流出的水体接着进入到水体循环泵3中，并一直循环整个过程，保证水浴恒温反应釜中的整体温度一直保持在80℃，利用电子显微镜17和图像采集器18观察地层水在微观模型中的渗流情况，直至压力表12、13升高到地层压力30MPa时以及模型出口端1-4出水速度和入口端1-3注水速度保持一致时，饱和地层水结束；

（4）关闭阀门8、10，打开阀门9，将中间容器22中的氮气以0.03mL/min的速度注入到微观模型中进行建立束缚水过程。实验过程中，计量模型出口端出水量以及驱替压差的变化，直至模型出口端不再出水时关闭出口端，并继续注气至整个实验过程中入口端压力表12的示数显示为30MPa，整个驱替过程计量模型出口端出水量和模型内部压力变化值，并利用电子显微镜17和图像采集器18观察气水两相渗流情况和分布状况；

（5）关闭阀门9、微观模型入口端1-3，打开出口端阀门1-4，以0.03mL/min的速度进行采气至模型内部压力到达10MPa时，关闭出口端1-4，此过程为模拟衰竭采气阶段。实验过程中，计量采气量、出水量及驱替压差，利用电子显微镜17和图像采集器18观察采气过程中气水两相渗流情况；

（6）打开阀门9，以0.1mL/min的速度进行注气至30MPa，记录注气量以及驱替压差，直至出口端压力表13的示数为30MPa时停止注气，用以模拟高速注气过程。实验过程中，利用电子显微镜17和图像采集器18观察注气过程中气水两相渗流情况和分布状况；并在实验过程结束后利用ImageJ软件进行含水饱和度的计算，以及利用达西公式对气体相对渗透率进行计算；

（7）关闭阀门9、微观模型入口端1-3，打开出口端1-4，以0.1mL/min的速度进行采气直至模型内部压力到达10MPa时，关闭出口端1-4，用以模拟高速采气阶段。实验过程中，利用电子显微镜17和图像采集器18观察高速采气过程中气水两相渗流情况和分布状况；并利用ImageJ软件进行含水饱和度的计算，以及利用达西公式对气体相对渗透率进行计算；

（8）按（6）、（7）连续完成6个注采循环周期，对比每个周期结束后残余水、气分布位置的变化情况，以及气相相对渗透率的变化值，对流体流动特征进行深入的分析。

根据注采循环周期可视化实验具体实例，内压为30MPa的可视化气驱水结果如图3所示，内压为30MPa的可视化水驱气结果如图4所示。

根据注采循环周期可视化实验具体实例，利用ImageJ软件进行含水饱和度的计算，残余气饱和度随注采周期变化曲线，在不同驱替次数及不同孔道模型中的饱和度情况，如图5所示；同时在ImageJ软件的协助下计算30MPa压力下驱替次数，在不同孔隙模型中气水的占比情况，如图6所示。

Claims (3)

1.模拟气藏型储气库交替注采的高温高压可视化装置，包括水浴恒温反应釜（1）、微量注入泵（2）、水体循环泵（3）、回压泵（4）、回压阀（14）、试管（15）、气体流量计（16）、电子显微镜（17）、图像采集器（18）、电磁加热器（19）和中间容器，中间容器包括围压液中间容器（21）、氮气中间容器（22）和地层水中间容器（23），其特征在于，所述水浴恒温反应釜（1）包括反应釜主体（1-9）、密封端盖（1-10）、模型夹持器载体（1-11）、水浴加热筒（1-12）、微观模型夹持器（1-13）和蓝宝石玻璃窗（1-14），反应釜主体（1-9）和密封端盖（1-10）通过密封螺栓进行紧固，反应釜外有水浴加热筒（1-12），水浴加热筒设置水浴加热入口（1-1）、水浴加热出口（1-2），该反应釜通过水体循环泵（3）、电磁加热器（19）将水体持续从水浴加热入口注入、水浴加热出口流出，保持反应釜中温度稳定；反应釜设置围压连接口（1-6）连接围压液中间容器（21）；微观模型夹持器（1-13）位于模型夹持器载体（1-11）上，内有微观模型，两端为夹持器入口（1-3）、夹持器出口（1-4），利用夹持器入口固定螺栓和夹持器出口固定螺栓对微观模型进行固定及密封，反应釜主体正对微观模型的位置安装蓝宝石玻璃窗（1-14），蓝宝石玻璃窗处设置电子显微镜（17），电子显微镜连接图像采集器（18）；所述微观模型夹持器的入口端分别通过氮气中间容器（22）、地层水中间容器（23）连接微量注入泵（2），出口端通过回压阀（14）分别连接回压泵（4）和试管（15）、气体流量计（16），微观模型夹持器的两端设有压力表。

2.利用权利要求1所述的装置进行高温高压可视化模拟气藏型储气库交替注采的方法，依次包括以下步骤：

（1）制作微观模型，测得微观模型的长度为L、宽度为W、厚度为H；

（2）根据地层水矿化度配制地层水，并用染色剂对地层水进行染色；

（3）将微观模型安装在微观模型夹持器中，连接好出口、入口的管线；

（4）调节显微镜聚集位置及放大倍数，直至电子显微镜能够采集到清晰的微观模型内部的孔隙网络结构图；

（5）用恒速模式0.01ml/min的速度从微观模型入口端开始注水，直至微观模型出口端开始连续出水，测得出口端、入口端的流速一致时，结束饱和水过程，利用电子显微镜和图像采集器观察地层水在微观模型中的渗流情况；

（6）以恒定流量0.03ml/min向微观模型入口端进行注气，直至其出口端不出水，关闭出口端阀门，并继续注气至出口端压力表示数达到地层压力，计量模型出口端出水量和模型内部压力变化值，并利用电子显微镜和图像采集器观察气、水相渗流情况和分布状况；

（7）以恒定流量0.03ml/min由微观模型出口端进行采气，进行衰竭采气模拟实验，直至压力衰竭到出口端没有气体流出为止，关闭微观模型出口端阀门，计量模型出口端出气量和模型内部压力变化值，并利用电子显微镜和图像采集器观察气、水相渗流情况和分布状况；

（8）继续向模型入口端注气，直至模型内部压力重新达到地层压力，计量模型出口端出水量及微观模型内部压力值，并利用电子显微镜和图像采集器观察注气过程中气水渗流情况和分布状况；

（9）从模型出口端开始进行采气，直至压力衰竭到出口端没有气体流出为止，计量采气量、出水量及驱替压差，并利用电子显微镜和图像采集器观察采气过程中气水渗流情况和分布状况；

（10）重复（8）、（9），连续完成多个注采循环周期，记录每个周期气量、水量、压差的变化，并利用ImageJ软件计算含气、含水饱和度变化值，同时在每一次注采过程结束后，计算气相相对渗透率的变化值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）过程如下：根据从现场取回的铸体薄片资料，利用CAD软件对铸体薄片的孔隙网络结构进行抽提，再将这些孤立的孔隙相互连通起来，并利用激光在玻璃板上刻蚀出孔隙网络，然后上覆一玻璃，在高温炉中烧结在一起，制作出微观模型。

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