CN114814175B - 泡沫油三维模拟实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种泡沫油三维模拟实验装置及方法，该泡沫油三维模拟实验装置包括模型本体、注入系统和生产系统，模型本体的内部设有水平井筒，水平井筒上连接有多根分支井筒，分支井筒上开设有多个蚯蚓洞；注入系统包括注入泵和至少四个中间容器，中间容器的进口与注入泵相连通，中间容器的出口通过第一管路与模型本体的内部相连通；生产系统包括负压取样筒和气液分离器，负压取样筒包括筒体和设置于筒体内的取样活塞，取样活塞将筒体分隔形成工作腔和驱动腔，工作腔通过第一单向阀与水平井的一端相连通，气液分离器通过第二单向阀与工作腔相连通。本发明能够准确模拟油层内蚯蚓洞的产生以及油层流体从油层经蚯蚓洞流向井筒的流入动态。

Description

泡沫油三维模拟实验装置及方法
技术领域
本发明涉及石油开采技术领域，特别涉及一种泡沫油三维模拟实验装置及方法。
背景技术
泡沫油现象是指稠油油藏中天然含有溶解气，在天然衰竭冷采过程中，随着油层压力的下降，溶解气并不立即脱离原油，而是以分散气泡的形态存在于原油中并与原油一起流动的现象。泡沫油油藏在开采过程中，脱气特征存在泡点压力和拟泡点压力，其中在泡点和拟泡点之间，溶解气分散在原油中形成泡沫油，提高了弹性驱动能量、原油的流动能力和天然衰竭冷采的生产时间与产量。
泡沫油油藏衰竭开采一段时间后，地层压力下降，地层逐渐脱气，原油粘度升高，生产气油比上升，油井产量递减，开发效果变差。此时，向地层中依次注入轻烃溶剂、气体和泡沫油促发体系(超耐油发泡剂+稳泡剂+水)，激励二次形成泡沫油，有效起到保持地层压力、延缓脱气和降低原油粘度等作用，从而提高产量和采收率，即所谓的二次泡沫油开采技术。
泡沫油的生产主要依赖于泡沫油现象，因此，在室内准确的模拟生产过程中的泡沫油现象，是准确揭示泡沫油开采特征，揭示不同类型油藏泡沫油潜力的关键。同时，如何准确的模拟向泡沫油油藏中注入气体和起泡介质产生二次泡沫油，是评价气体和起泡介质性能，优选气体和起泡介质类型的关键。
现有使用的模拟设备均无法模拟上覆地层压力对油层的压实作用和对含气泡沫油的影响，且只能模拟普通的油气藏生产过程，对于特殊类型的泡沫油油藏天然开发和二次泡沫油开发，常规的生产采用出口背压的方式进行，难以模拟泡沫油在生产过程中形成的蚯蚓洞，无法模拟生产井筒内的泡沫油流，也无法模拟生产过程中由于抽油机的抽吸作用对含气泡沫油流的相变作用，以及对井筒附近油藏的压力波动和压力波动对应的泡沫油现象。基于上述局限，在普通三维比例物模过程中，得到的泡沫油天然衰竭开采的产油量与压力特征与现场实际生产差别较大，无法用于泡沫油模拟。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够模拟泡沫油在生产过程中形成的蚯蚓洞的泡沫油三维模拟实验装置。
本发明的另一个目的是提供一种采用该泡沫油三维模拟实验装置的泡沫油三维模拟实验方法。
为达到上述目的，本发明提供了一种泡沫油三维模拟实验装置，其包括：
模型本体，其内部设有水平井筒，所述水平井筒上连接有多根分支井筒，所述分支井筒沿所述水平井筒的径向延伸，所述分支井筒上开设有多个蚯蚓洞；
注入系统，其包括注入泵和至少四个中间容器，所述中间容器的进口与所述注入泵相连通，所述中间容器的出口通过第一管路与所述模型本体的内部相连通；
生产系统，其包括负压取样筒和气液分离器，所述负压取样筒包括筒体和设置于所述筒体内的取样活塞，所述取样活塞将所述筒体分隔形成工作腔和驱动腔，所述工作腔通过第一单向阀与所述水平井的一端相连通，所述气液分离器通过第二单向阀与所述工作腔相连通。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述模型本体包括箱体、上盖和保温套，所述箱体为上端敞开的壳体，所述上盖密封盖设于所述箱体的上端，所述保温套套设于所述箱体和所述上盖的外部，所述水平井筒和所述分支井筒设置于所述箱体内，所述上盖内连接有能模拟覆地层压力的施压机构。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述施压机构包括能移动的连接于所述上盖的内部的盖体活塞，所述盖体活塞的上表面与所述上盖的内表面围合形成的施压腔，所述施压腔内的压力能推动所述盖体活塞移动。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述施压机构还包括第一液压传动系统，所述第一液压传动系统通过驱动管道与所述施压腔相连通，所述第一液压传动系统能调节所述施压腔内的压力。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述泡沫油三维模拟实验装置还包括控制器，所述控制器与所述第一液压传动系统电连接，所述控制器能控制所述第一液压传动系统的动作。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述生产系统还包括第二液压传动系统，所述第二液压传动系统通过轴承与所述取样活塞相接，所述第二液压传动系统能驱动所述取样活塞在所述筒体内往复移动，所述控制器与所述第二液压传动系统电连接，所述控制器能控制所述第二液压传动系统的动作。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述箱体的内底面均布有多个测压点，所述箱体的外底面设有多个与各所述测压点一一对应连接的压力传感器，各所述压力传感器与所述控制器电连接。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述测压点的高度为所述箱体的厚度的1/2。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，相邻两所述测压点之间的距离为3cm～6cm。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述注入系统还包括气瓶，所述气瓶通过第二管路与所述第一管路相连通，所述第二管路上连接有气体质量流量控制器。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述气液分离器的气体出口连接有湿式气体流量计。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，邻近所述水平井筒的所述蚯蚓洞为第一蚯蚓洞，其余各所述蚯蚓洞为第二蚯蚓洞，所述第一蚯蚓洞至所述水平井筒的距离为所述水平井筒的直径的0.1～0.2倍。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，各所述第二蚯蚓洞至所述水平井筒的距离的计算公式为：
Rn/Rn-1＝Rn+1/Rn，
其中，R为蚯蚓洞的半径，单位：cm。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述分支井筒的长度为所述模型本体的沿垂直于所述水平井筒方向的长度的1/4～1/3。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述水平井筒与所述模型本体的内底面之间的距离为5mm～10mm。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述水平井筒的直径为6mm～10mm，所述分支井筒的直径为1mm～3mm。
如上所述的泡沫油三维模拟实验装置，其中，所述水平井筒上连接有14～20根所述分支井筒，各所述分支井筒均布于所述水平井筒的两侧。
本发明还提供了一种泡沫油三维模拟实验方法，其采用上述的泡沫油三维模拟实验装置，该泡沫油三维模拟实验方法包括：
向箱体内填充砂粒；
根据预设的覆地层压力，向施压腔增压，使盖体活塞移动挤压所述箱体内的砂粒；
对模型本体进行抽真空处理；
向所述模型本体内等压注入复配的油层油样并老化48小时；
通过负压取样筒进行往复抽吸生产，并间隔预设时间对气液分离器产出流体进行称重；
当重复抽吸0.5～1天的产油量小于20mL～50mL时，向所述模型本体部注入预设量的二次泡沫油促发体系，注入完毕后焖井0.5～5小时；
通过所述负压取样筒进行第二次往复抽吸生产；
当重复抽吸0.5～1小时的产油量小于10mL时，向所述模型本体部注入预设量的二次泡沫油促发体系，注入完毕后焖井0.5～5小时；
通过所述负压取样筒进行第三次往复抽吸生产，直至单轮次产油量小于20mL～50mL。
如上所述的泡沫油三维模拟实验方法，其中，所述泡沫油三维模拟实验装置的蚯蚓洞的直径为所述砂粒的最小粒径的1.05～1.2倍。
如上所述的泡沫油三维模拟实验方法，其中，所述施压腔内的最低压力为0.5Kpa。
如上所述的泡沫油三维模拟实验方法，其中，所述负压取样筒的频率为：
f＝0.4848Pav+0.1515，
其中，f为频率，单位：次/分钟，Pav为平均油层压力，单位：MPa。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
综上所述，本发明的泡沫油三维模拟实验装置及方法，利用水平井筒+分支井筒+蚯蚓洞的设计，能够准确表征填砂模型在实际生产过程中的有限出砂并在油层中形成的蚯蚓洞，模拟泡沫油流动过程中的多孔介质分布特征；
本发明的泡沫油三维模拟实验装置及方法，利用施压机构，对模型上盖的液压腔实时压力跟踪和压力补偿，实现了地层上覆压力的准确模拟，并为模型本体提供了与实际生产相等的地层弹性能量；
本发明的泡沫油三维模拟实验装置及方法，利用负压取样筒进行生产控制，替代传统的背压阀，可以实时根据油层压力来调节生产频率，既实现了室内实验生产与现场实际抽油机生产的相似性模拟，又能在抽吸过程中，使得形成的负压可以产出大量的滞留在油层中的原油，与抽油机的抽吸形成的负压机理高度一致，同时，采用快抽吸、快排液和停抽的组合式周期生产模式，有利于在油层中形成瞬时的压力下降，而快速的压降使得原油中的溶解气未能立刻脱离原油，从而产生过饱和即泡沫油现象，该方式有利于激发形成泡沫油，从而提高产量，而停抽则模拟抽油机在抽油杆下降阶段的时间，该段时间有利于油层内泡沫油流的流动和向井筒方向聚集，有利于抽吸瞬时负压产油，能够有效避免传统背压阀仅能控制压力而不能控制生产频率的难题，从而更接近泡沫油的实际生产模式。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明的泡沫油三维模拟实验装置的结构示意图；
图2是图1所示的泡沫油三维模拟实验装置中模型本体和控制器的结构示意图；
图3是水平井筒的截面结构示意图；
图4是本发明的泡沫油三维模拟实验方法的流程图。
附图标号说明：
10、模型本体；20、注入系统；30、生产系统；101、第一管路；102、第二管路；
11、保温套；12、箱体；13、注入孔；14、水平井筒；
15、分支井筒；151、蚯蚓洞；
16、上盖；161、密封圈；162、螺栓；163、盖体活塞；164、施压腔；165、第一液压缸；166、第一液压传动系统；
17、注入泵；180、中间容器；181、第一中间容器；182、第二中间容器；183、第三中间容器；184、第四中间容器；191、气瓶；192、气体质量流量控制器；
21、测压点；22、压力采集系统；23、控制器；
31、负压取样筒；311、第二单向阀；312、第一单向阀；313、取样活塞；314、筒体；315、工作腔；316、驱动腔；
32、第二液压缸；33、第二液压传动系统；34、轴承；
41、气液分离器；42、湿式气体流量计。
具体实施方式
为了对本发明的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施方式。其中，形容词性或副词性修饰语“水平”和“竖直”、“内”和“外”的使用仅是为了便于多组术语之间的相对参考，且并非描述对经修饰术语的任何特定的方向限制。另外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施方式一
如图1所示，本发明提供了一种泡沫油三维模拟实验装置，其包括模型本体10、注入系统20和生产系统30，其中：
模型本体10为中空的矩形壳体，模型本体10的内部设有水平井筒14，具体的，水平井筒14沿模型本体10的长度方向设置，水平井筒14的两端均设有外螺纹，模型本体10的两相对侧壁上设有内螺纹孔，通过外螺纹与内螺纹孔的螺纹配合，水平井筒14与模型本体10相接，水平井筒14上连接有多根分支井筒15，多根分支井筒15分布于水平井筒14的两侧，且各分支井筒15沿水平井筒14的径向延伸，如图3所示，分支井筒15上开设有多个蚯蚓洞151，位于同一分支井筒15上的各蚯蚓洞151不等间隔排布，较佳的，位于同一分支井筒15上的蚯蚓洞151的密度自水平井筒14向分支井筒15的自由端方向逐渐减小；
注入系统20包括注入泵17和至少四个中间容器180，具体的，四个中间容器180分别为用于储存地层水的第一中间容器181、用于储存含气原油的第二中间容器182、用于储存二次泡沫油促发液的第三中间容器183以及用于储存轻烃液体溶剂的第四中间容器184，中间容器180的进口与注入泵17相连通，储存地层水、含气原油、二次泡沫油促发液和轻烃液体溶剂能通过注入泵17注入各中间容器180内，中间容器180的出口通过第一管路101与模型本体10的内部相连通，且各中间容器180的进口和出口均设有针阀，以便于控制各中间容器180与注入泵17和模型本体10之间的通断；
生产系统30包括负压取样筒31和气液分离器41，负压取样筒31包括筒体314和设置于筒体314内的取样活塞313，取样活塞313能够沿筒体314往复移动，负压取样筒31的具体结构为现有技术，其工作原理类似于针筒的抽吸原理，在此不再赘述，取样活塞313将筒体314分隔形成工作腔315和驱动腔316，具体的，取样活塞313的相对两表面分别为第一表面和第二表面，第一表面与筒体314的内表面围合形成工作腔315，第二表面与筒体314的内表面围合形成驱动腔316，取样活塞313的第二表面可以连接活塞杆，活塞杆延伸出筒体314，以便于通过活塞杆驱动取样活塞313沿筒体314往复移动，实现模拟生产的抽吸，模拟抽油机工作原理，工作腔315通过第一单向阀312与水平井筒14的一端相连通，第一单向阀312能够避免流体回流至水平井筒14，气液分离器41通过第二单向阀311与工作腔315相连通，第二单向阀311能够避免流体回流至工作腔315，通过气液分离器41分离产出的流体中的油液与气体，以便于分别对产出油液和气体进行称重。
需要说明的是，上述连通可以是通过接管实现的连通，也可以通过管线实现的连通，在实际使用时，可以根据使用需要进行连接。
本发明的泡沫油三维模拟实验装置，通过设置水平井筒14、分支井筒15和蚯蚓洞151，能够准确表征填砂模型在实际生产过程中的有限出砂并在油层中形成的蚯蚓洞151，模拟泡沫油流动过程中的多孔介质分布特征，从而使得实验结果更接近实际生产；利用负压取样筒31进行生产控制，替代传统的背压阀，既实现了室内实验生产与现场实际抽油机生产的相似性模拟，又能够在抽吸过程中，使得形成的负压可以产出大量的滞留在油层中的原油，与抽油机的抽吸形成的负压机理高度一致，提高了实验的准确性。
进一步，如图1和图2所示，模型本体10包括箱体12、上盖16和保温套11，箱体12为上端敞开的矩形壳体，箱体12的长度为30cm～100cm、宽度为30cm～60cm、高度为20cm～50cm，箱体12上设有用于与第一管路101相连通的注入孔13；上盖16密封盖设于箱体12的上端，具体的，上盖16与箱体12通过螺栓162连接成一体结构，保温套11套设于箱体12和上盖16的外部，保温套11用于设置油藏温度，并能通过PID程序实现自动温控，其中PID程序控温为现有技术，在此不再赘述；水平井筒14和分支井筒15设置于箱体12内，水平井筒14沿箱体12的长度方向设置，分支井筒15沿箱体12的宽度方向设置，上盖16内连接有能模拟覆地层压力的施压机构，通过施压机构向箱体12内的填砂进行施压，以模拟覆地层压力，从而为模型本体10提供了与实际生产相等的地层弹性能量。
进一步，如图2所示，施压机构包括能移动的连接于上盖16的内部的盖体活塞163，盖体活塞163的外周面与上盖16的内表面之间设有密封圈161，盖体活塞163的上表面与上盖16的内表面围合形成的施压腔164，施压腔164内的压力能推动盖体活塞163移动，盖体活塞163的移动能对箱体12内的填砂施压以模拟覆地层压力。
再进一步，施压机构还包括第一液压传动系统166，第一液压传动系统166通过驱动管道与施压腔164相连通，第一液压传动系统166能调节施压腔164内的压力，第一液压传动系统166的具体结构及其工作原理为现有技术，在此不再赘述，具体的，第一液压传动系统166包括第一液压缸165，第一液压缸165具有第一工作腔315和第二工作腔315，第一工作腔315通过驱动管道与施压腔164相连通，第一液压缸165能向施压腔164内注入液压油，以改变施压腔164内的压力，从而使得模拟的覆地层压力与实际的模拟覆地层压力大致相同。
进一步，如图1和图2所示，泡沫油三维模拟实验装置还包括控制器23，控制器23与第一液压传动系统166电连接，控制器23能控制第一液压传动系统166的动作，具体的，第一液压传动系统166自带压力传感器，控制器23能够实时接受压力传感器的检测值，并根据接受到的检测值控制第一液压缸165动作，以调整第一液压缸165向施压腔164内注入液压油，从而使得施压腔164内的压力满足实验需求。
需要说明的是，施压腔164内的最低压力为0.5Kpa，当压力传感器的检测值低于0.5Kpa时，控制器23控制第一液压缸165向施压腔164内注入液压油，直至压力传感器反馈的检测值等于0.5Kpa；控制器23可以为PLC控制器，或者含有PLC控制器的计算机。
进一步，如图1所示，生产系统30还包括第二液压传动系统33，第二液压传动系统33通过轴承34与取样活塞313相接，第二液压传动系统33能驱动取样活塞313在筒体314内往复移动，具体的，第二液压传动系统33包括第二液压缸32，第二液压缸32的活塞杆通过轴承与取样活塞313相接，第二液压缸32的活塞杆的往复移动能通过轴承驱动取样活塞313在筒体314内往复移动，从而实现模拟生产的抽吸动作，其中，轴承连接的方式为现有技术，在此不再赘述；控制器23与第二液压传动系统33电连接，控制器23能控制第二液压传动系统33的动作，即控制器23能够通过控制第二液压缸32的活塞杆的移动，调节负压取样筒31的工作频率，以使得负压取样筒31的工作频率与实际泡沫油油藏现场抽油机的冲次大致相同。
其中，负压取样筒31的取样活塞313背向水平井筒14移动产生负压，水平井筒14内的油液经由第一单向阀312流入工作腔315，实现抽吸产油，取样活塞313朝向水平井筒14移动，使得工作腔315内的油液通过第二单向阀311排入油液分离器，实现排液，然后等待一定时间间隔进行下一次抽吸生产，负压取样筒31的每次“抽吸-排液-停止”为一工作频率，该工作频率的范围为0.2次/分钟～5次/分钟，压力越高，冲次越快。
进一步，如图1所示，箱体12的内底面均布有多个测压点21，多个测压点21均布能够更加准确的得到箱体12内的压力分布，箱体12的外底面设有多个与各测压点21一一对应连接的压力传感器，压力传感器的具体结构及连接方式为现有技术，在此不再赘述，压力传感器能够检测对应的测压点21的压力，各压力传感器与控制器23电连接，较佳的，各压力传感器通过压力采集系统22与控制器23电连接，控制器23能够实时接受各压力传感器的检测数值以实时监测各测压点21的压力变化，并根据接收到的检测数值实时调节箱体12内压力，以使得箱体12内的压力与实际地层压力大致相同，从而提高实验的准确性。
进一步，注入系统20还包括气瓶191，气瓶191通过第二管路102与第一管路101相连通，第二管路102上连接有气体质量流量控制器192，当箱体12内的压力低于实际地层压力时，可以通过气瓶191向箱体12内注气，以使得箱体12内的压力与实际地层压力大致相同，气体质量流量控制器192能够实时监测由气瓶191流入箱体12内的气体的量，以使得注入箱体12内的气体的量符合实验要求。
进一步，测压点21的高度为箱体12的厚度的1/2，这样的高度，使得采集的压力刚好处于箱体12的高度的中部位置，该位置最接近平均地层压力，从而能够提高实验的准确性。
再进一步，相邻两测压点21之间的距离为3cm～6cm，这样的距离，能够较全面的测得箱体12内的压力，以保证箱体12内的压力能够与实际地层压力大致相同。
进一步，如图1所示，气液分离器41的气体出口连接有湿式气体流量计42，湿式气体流量计42能够实时监测分离出的气体的速度。
在本实施方式的一种实施例中，邻近水平井筒14的蚯蚓洞151为第一蚯蚓洞，其余各蚯蚓洞151为第二蚯蚓洞，第一蚯蚓洞至水平井筒14的距离为水平井筒14的直径的0.1～0.2倍，以使得第一蚯蚓洞能尽量模拟近井地带的冷采形成的蚯蚓洞151。
进一步，各第二蚯蚓洞至水平井筒14的距离的计算公式为：
Rn/Rn-1＝Rn+1/Rn，
其中，R为蚯蚓洞151的半径，单位：cm。
具体的，各蚯蚓洞151的间距按照等径渗流模型进行设计，等径渗流模型为：
其中，Qn为每个蚯蚓洞151的输入流量，单位：立方厘米每秒(cm3/S)；
π为常数，3.14；K为渗透率，单位：um2；h为模型油层厚度，单位：cm；ΔP为压差，单位：Pa；μ为原油黏度，单位：mPa.s；R为蚯蚓洞151的半径，单位：cm；n为数据点编号；
为确保每个蚯蚓洞151流入流量相等，即Qn＝Qn+1，且ΔPn＝ΔPn+1，则得到计算公式：Rn/Rn-1＝Rn+1/Rn，各第二蚯蚓洞151至水平井筒14的距离可以由该计算公式得出，以在径向流过程中，尽量模拟近井地带出液量大，远井地带出液量少的储层流动特征。
进一步，分支井筒15的长度为模型本体10的沿垂直于水平井筒14方向的长度的1/4～1/3，以更好的模拟在油层流体从油层经蚯蚓洞151流向井筒的流入动态。
进一步，水平井筒14与模型本体10的内底面之间的距离为5mm～10mm，以使得上部原油依靠重力作用，向下流入水平井筒14内，尽量靠近底部可以克服重力对生产的不利影响。
进一步，水平井筒14的直径为6mm～10mm，分支井筒15的直径为1mm～3mm，以更好地模拟地层结构。
再进一步，水平井筒14上连接有14～20根分支井筒15，各分支井筒15均布于水平井筒14的两侧，以更好的模拟油层。
本发明的泡沫油三维模拟实验装置，可以准确模拟油层覆压、泡沫油抽吸生产、泡沫油生产过程中油层内蚯蚓洞151的产生以及在油层流体从油层经蚯蚓洞151流向井筒的流入动态，可以有效揭示不同油藏条件下泡沫油及二次泡沫油生产潜力。
实施方式二
如图4所示，本发明提供了一种泡沫油三维模拟实验方法，其采用上述的泡沫油三维模拟实验装置，该泡沫油三维模拟实验方法包括：
步骤210：向箱体12内填充砂粒，具体的，根据目标油层实际的砂粒粒径分析结果，进行填砂，并通过注入孔13对填砂进行压实；
步骤220：根据预设的覆地层压力，向施压腔164增压，使盖体活塞163移动挤压箱体12内的砂粒，具体的，利用螺栓162将模型上盖16与箱体12封装成一个整体，并根据上覆地层压力设置施压腔164的内压力，以通过盖体活塞163对模型砂体进行加压；
步骤230：对模型本体10进行抽真空处理，具体的，在抽真空管路上利用外接真空数显压力表进行适时监测，当模型本体10的内部的真空度达到10-2bar时，停止抽真空处理；
步骤240：向模型本体10内等压注入复配的油层油样并老化48小时，具体的，先向模型本体10内预先注入油层气体并达到油层初始压力，然后通过注入孔13向模型本体10内等压注入复配的油层油样，注入过程中控制出口压力为原始油层压力，饱和完毕后关闭入口并老化48小时，其中，油层油样的复配程序为常规程序，依据国家标准《油气藏流体物性分析方法GB/T 26981-2011》进行配样，油层初始压力和原始油层压力可以通过压力传感器的反馈数据来判定；
步骤250：通过负压取样筒31进行往复抽吸生产，并间隔预设时间对气液分离器41产出流体进行称重，具体的，负压取样筒31的往复抽吸的频率根据现场抽油机的冲程和冲次设定，预设时间为0.5～1小时；
步骤260：当重复抽吸0.5～1天的产油量持续小于20mL～50mL时，停止泡沫油生产，向模型本体10部注入预设量的二次泡沫油促发体系，注入完毕后焖井0.5～5小时，进行二次泡沫油吞吐生产，具体的，二次泡沫油促发体系是由水、发泡剂、稳泡剂和气体组成的促发体系，进入油层后与原油一起流动，形成二次泡沫油流，预设量为0.2PV～0.4PV；
步骤270：通过负压取样筒31进行第二次往复抽吸生产；
步骤280：当重复抽吸0.5～1小时的产油量小于10mL时，停止本轮次生产，并进行下一轮二次泡沫油吞吐生产，即向模型本体10部注入预设量的二次泡沫油促发体系，注入完毕后焖井0.5～5小时，其中，该预设量同样为0.2PV～0.4PV；
步骤290：通过负压取样筒31进行第三次往复抽吸生产，直至单轮次产油量小于20mL～50mL，结束二次泡沫油吞吐生产。
进一步，气液分离器41的气体出口连接有湿式气体流量计42，通过湿式气体流量计42计量分离出的气体。
本发明的泡沫油三维模拟实验方法，能够实现不同油藏条件下的泡沫油与二次泡沫油开采的物理模拟，优化开采关键参数。
进一步，泡沫油三维模拟实验装置的蚯蚓洞151的直径为砂粒的最小粒径的1.05～1.2倍，以更好的模拟油层中形成的蚯蚓洞151。
进一步，施压腔164内的最低压力为0.5Kpa，当第一液压传动系统166检测到施压腔164内的压力低于0.5Kpa时，控制器23控制第一液压缸165向施压腔164内注入液压油，以使施压腔164内的压力上升到原始预设压力，从而使得施压机构能够持续对箱体12内的砂粒进行加压。
进一步，负压取样筒31的频率为：
f＝0.4848Pav+0.1515，
其中，f为频率，单位：次/分钟，Pav为平均油层压力，单位：MPa。
具体的，该频率可以通过控制器23控制第二液压传动系统33的动作实现。
实施例1
采用箱体12的长宽高分别为40cm、30cm、20cm泡沫油三维模拟实验装置进行试验，在该箱体12的底部均匀分布沿水平井筒14方向十五个、垂直于水平井筒14方向八个测压点21，相邻两测压点21距离3.75cm，水平井筒14距离箱体12的内底面5mm，水平井筒14上均匀分布14根左右分支井筒15，水平井筒14直径为6mm，分支井筒15的直径为1mm；蚯蚓洞151为在分支井筒15上打孔，孔眼直径为填砂粒径最小值的1.05倍，第一个蚯蚓洞151与水平井筒14的距离为水平井筒14直径的0.15倍，计算得到第1～20个蚯蚓洞151与水平井筒14的距离分别为0.69cm、0.79cm、0.91cm、1.05cm、1.21cm、1.39cm、1.60cm、1.84cm、2.11cm、2.43cm、2.79cm、3.21cm、3.69cm、4.25cm、4.88cm、5.61cm、6.46cm、7.43cm、8.54cm、9.82cm。
具体试验过程为：
步骤210：向箱体12内填充砂粒，具体的，根据目标油层实际的砂粒粒径分析结果，进行填砂，并通过注入孔13对填砂进行压实；
步骤220：根据预设的覆地层压力，向施压腔164增压，使盖体活塞163移动挤压箱体12内的砂粒，同时，利用第一液压传动系统166对施压腔164内压力进行监测，当压力下降幅度达到0.5Kpa以上时，控制器23控制第一液压缸165自动补充液压油使得施压腔164内压力上升到原始预设压力；
步骤230：对模型本体10进行抽真空处理，以使模型本体10的内部的真空度达到10-2bar；
步骤240：向模型本体10内等压注入复配的油层油样并老化48小时，具体的，先向模型本体10内预先注入油层气体并达到油层初始压力，然后通过注入孔13向模型本体10内等压注入复配的油层油样，注入过程中控制出口压力为原始油层压力，饱和完毕后关闭入口并老化48小时；
步骤250：通过负压取样筒31进行往复抽吸生产，并间隔0.5～1小时对气液分离器41产出流体进行称重，通过湿式气体流量计42计量分离出的气体，具体的，负压取样筒31采用快速抽吸生产，油层平均压力从10MPa下降到0.101MPa过程中，抽吸频率从5次/分钟下降到0.2次/分钟；
步骤260：当重复抽吸0.5天的产油量持续小于20mL时，停止泡沫油生产，向模型本体10部注入0.2PV的二次泡沫油促发体系，注入完毕后焖井0.5小时，进行二次泡沫油吞吐生产；
步骤270：通过负压取样筒31进行第二次往复抽吸生产；
步骤280：当重复抽吸0.5小时的产油量小于10mL时，停止本轮次生产，并进行下一轮二次泡沫油吞吐生产；
步骤290：通过负压取样筒31进行第三次往复抽吸生产，直至单轮次产油量小于20mL，结束二次泡沫油吞吐生产。
与采用背压控制生产、模型无覆压系统的常规三维模型进行对比试验，在实验参数相同的情况下，采用本发明的泡沫油采收率为8％，与实际油田生产的采收率7.9％吻合率高；而对照组常规三维模型的实验结果为：泡沫油采收率为4％，与现场实验吻合率较差。此外，采用本发明进行的二次泡沫油开发实验模拟，揭示在泡沫油基础上提高采收率16.1％，表明采用本发明高精度的模拟了泡沫油的生产特征和二次泡沫油提高采收率开发潜力。
实施例2
采用箱体12的长宽高分别为60cm、40cm、30cm泡沫油三维模拟实验装置进行试验，在该箱体12的底部均匀分布沿水平井筒14方向十五个、垂直于水平井筒14方向八个测压点21，相邻两测压点21距离4cm，水平井筒14距离箱体12的内底面7mm，水平井筒14上均匀分布14根左右分支井筒15，水平井筒14直径为8mm，分支井筒15的直径为2mm；蚯蚓洞151为在分支井筒15上打孔，孔眼直径为填砂粒径最小值的1.1倍，第一个蚯蚓洞151与水平井筒14的距离为水平井筒14直径的0.15倍，计算得到第1～20个蚯蚓洞151与水平井筒14的距离分别为0.92cm、1.06cm、1.22cm、1.40cm、1.61cm、1.85cm、2.13cm、2.45cm、2.81cm、3.24cm、3.72cm、4.28cm、4.92cm、5.66cm、6.51cm、7.49cm、8.61cm、9.90cm、11.39cm、13.09cm。
具体试验过程为：
步骤210：向箱体12内填充砂粒，具体的，根据目标油层实际的砂粒粒径分析结果，进行填砂，并通过注入孔13对填砂进行压实；
步骤220：根据预设的覆地层压力，向施压腔164增压，使盖体活塞163移动挤压箱体12内的砂粒，同时，利用第一液压传动系统166对施压腔164内压力进行监测，当压力下降幅度达到0.5Kpa以上时，控制器23控制第一液压缸165自动补充液压油使得施压腔164内压力上升到原始预设压力；
步骤230：对模型本体10进行抽真空处理，以使模型本体10的内部的真空度达到10-2bar；
步骤240：向模型本体10内等压注入复配的油层油样并老化48小时，具体的，先向模型本体10内预先注入油层气体并达到油层初始压力，然后通过注入孔13向模型本体10内等压注入复配的油层油样，注入过程中控制出口压力为原始油层压力，饱和完毕后关闭入口并老化48小时；
步骤250：通过负压取样筒31进行往复抽吸生产，并间隔0.8小时对气液分离器41产出流体进行称重，通过湿式气体流量计42计量分离出的气体，具体的，负压取样筒31采用快速抽吸生产，油层平均压力从10MPa下降到0.101MPa过程中，抽吸频率从5次/分钟下降到0.2次/分钟；
步骤260：当重复抽吸0.5～1天的产油量持续小于30mL时，停止泡沫油生产，向模型本体10部注入0.3PV的二次泡沫油促发体系，注入完毕后焖井1小时，进行二次泡沫油吞吐生产；
步骤270：通过负压取样筒31进行第二次往复抽吸生产；
步骤280：当重复抽吸0.8小时的产油量小于10mL时，停止本轮次生产，并进行下一轮二次泡沫油吞吐生产；
步骤290：通过负压取样筒31进行第三次往复抽吸生产，直至单轮次产油量小于30mL，结束二次泡沫油吞吐生产。
与采用背压控制生产、模型无覆压系统的常规三维模型进行对比试验，在实验参数相同的情况下，采用本发明的泡沫油采收率为6.8％，与实际油田生产的采收率6.9％吻合率高；而对照组常规三维模型的实验结果为：泡沫油采收率为5.1％，与现场实验吻合率较差。此外，采用本发明进行的二次泡沫油开发实验模拟，揭示在泡沫油基础上提高采收率15.3％，表明采用本发明高精度的模拟了泡沫油的生产特征和二次泡沫油提高采收率开发潜力。
实施例3
采用箱体12的长宽高分别为100cm、60cm、50cm泡沫油三维模拟实验装置进行试验，在该箱体12的底部均匀分布沿水平井筒14方向十五个、垂直于水平井筒14方向八个测压点21，相邻两测压点21距离6cm，水平井筒14距离箱体12的内底面10mm，水平井筒14上均匀分布14根左右分支井筒15，水平井筒14直径为10mm，分支井筒15的直径为3mm；蚯蚓洞151为在分支井筒15上打孔，孔眼直径为填砂粒径最小值的1.2倍，第一个蚯蚓洞151与水平井筒14的距离为水平井筒14直径的0.15倍，计算得到第1～20个蚯蚓洞151与水平井筒14的距离分别为1.15cm、1.32cm、1.52cm、1.75cm、2.01cm、2.31cm、2.66cm、3.06cm、3.52cm、4.05cm、4.65cm、5.35cm、6.15cm、7.08cm、8.14cm、9.36cm、10.76cm、12.38cm、14.23cm、16.37cm。
具体试验过程为：
步骤210：向箱体12内填充砂粒，具体的，根据目标油层实际的砂粒粒径分析结果，进行填砂，并通过注入孔13对填砂进行压实；
步骤220：根据预设的覆地层压力，向施压腔164增压，使盖体活塞163移动挤压箱体12内的砂粒，同时，利用第一液压传动系统166对施压腔164内压力进行监测，当压力下降幅度达到0.5Kpa以上时，控制器23控制第一液压缸165自动补充液压油使得施压腔164内压力上升到原始预设压力；
步骤230：对模型本体10进行抽真空处理，以使模型本体10的内部的真空度达到10-2bar；
步骤240：向模型本体10内等压注入复配的油层油样并老化48小时，具体的，先向模型本体10内预先注入油层气体并达到油层初始压力，然后通过注入孔13向模型本体10内等压注入复配的油层油样，注入过程中控制出口压力为原始油层压力，饱和完毕后关闭入口并老化48小时；
步骤250：通过负压取样筒31进行往复抽吸生产，并间隔0.5～1小时对气液分离器41产出流体进行称重，通过湿式气体流量计42计量分离出的气体，具体的，负压取样筒31采用快速抽吸生产，油层平均压力从10MPa下降到0.101MPa过程中，抽吸频率从5次/分钟下降到0.2次/分钟；
步骤260：当重复抽吸0.5～1天的产油量持续小于50mL时，停止泡沫油生产，向模型本体10部注入0.4PV的二次泡沫油促发体系，注入完毕后焖井5小时，进行二次泡沫油吞吐生产；
步骤270：通过负压取样筒31进行第二次往复抽吸生产；
步骤280：当重复抽吸1小时的产油量小于10mL时，停止本轮次生产，并进行下一轮二次泡沫油吞吐生产；
步骤290：通过负压取样筒31进行第三次往复抽吸生产，直至单轮次产油量小于50mL，结束二次泡沫油吞吐生产。
与采用背压控制生产、模型无覆压系统的常规三维模型进行对比试验，在实验参数相同的情况下，采用本发明的泡沫油采收率为7％，与实际油田生产的采收率7.1％吻合率高；而对照组常规三维模型的实验结果为：泡沫油采收率为5.2％，与现场实验吻合率较差。此外，采用本发明进行的二次泡沫油开发实验模拟，揭示在泡沫油基础上提高采收率15.5％，表明采用本发明高精度的模拟了泡沫油的生产特征和二次泡沫油提高采收率开发潜力。
综上所述，本发明的泡沫油三维模拟实验装置及方法，利用水平井筒+分支井筒+蚯蚓洞的设计，能够准确表征填砂模型在实际生产过程中的有限出砂并在油层中形成的蚯蚓洞，模拟泡沫油流动过程中的多孔介质分布特征；
本发明的泡沫油三维模拟实验装置及方法，利用施压机构，对模型上盖的液压腔实时压力跟踪和压力补偿，实现了地层上覆压力的准确模拟，并为模型本体提供了与实际生产相等的地层弹性能量；
本发明的泡沫油三维模拟实验装置及方法，利用负压取样筒进行生产控制，替代传统的背压阀，可以实时根据油层压力来调节生产频率，既实现了室内实验生产与现场实际抽油机生产的相似性模拟，又能在抽吸过程中，使得形成的负压可以产出大量的滞留在油层中的原油，与抽油机的抽吸形成的负压机理高度一致，同时，采用快抽吸、快排液和停抽的组合式周期生产模式，有利于在油层中形成瞬时的压力下降，而快速的压降使得原油中的溶解气未能立刻脱离原油，从而产生过饱和即泡沫油现象，该方式有利于激发形成泡沫油，从而提高产量，而停抽则模拟抽油机在抽油杆下降阶段的时间，该段时间有利于油层内泡沫油流的流动和向井筒方向聚集，有利于抽吸瞬时负压产油，能够有效避免传统背压阀仅能控制压力而不能控制生产频率的难题，从而更接近泡沫油的实际生产模式。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (19)

1.一种泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，所述泡沫油三维模拟实验装置包括：
模型本体，其内部设有水平井筒，所述水平井筒上连接有多根分支井筒，所述分支井筒沿所述水平井筒的径向延伸，所述分支井筒上开设有多个蚯蚓洞；
注入系统，其包括注入泵和至少四个中间容器，所述中间容器的进口与所述注入泵相连通，所述中间容器的出口通过第一管路与所述模型本体的内部相连通；
生产系统，其包括负压取样筒和气液分离器，所述负压取样筒包括筒体和设置于所述筒体内的取样活塞，所述取样活塞将所述筒体分隔形成工作腔和驱动腔，所述工作腔通过第一单向阀与所述水平井的一端相连通，所述气液分离器通过第二单向阀与所述工作腔相连通；
邻近所述水平井筒的所述蚯蚓洞为第一蚯蚓洞，其余各所述蚯蚓洞为第二蚯蚓洞，所述第一蚯蚓洞至所述水平井筒的距离为所述水平井筒的直径的0.1～0.2倍；
各所述第二蚯蚓洞至所述水平井筒的距离的计算公式为：
Rn/Rn-1＝Rn+1/Rn，
其中，R为蚯蚓洞的半径，单位：cm；
位于同一分支井筒上的各蚯蚓洞不等间隔排布，位于同一分支井筒上的蚯蚓洞的密度自水平井筒向分支井筒的自由端方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述模型本体包括箱体、上盖和保温套，所述箱体为上端敞开的壳体，所述上盖密封盖设于所述箱体的上端，所述保温套套设于所述箱体和所述上盖的外部，所述水平井筒和所述分支井筒设置于所述箱体内，所述上盖内连接有能模拟覆地层压力的施压机构。
3.根据权利要求2所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述施压机构包括能移动的连接于所述上盖的内部的盖体活塞，所述盖体活塞的上表面与所述上盖的内表面围合形成的施压腔，所述施压腔内的压力能推动所述盖体活塞移动。
4.根据权利要求3所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述施压机构还包括第一液压传动系统，所述第一液压传动系统通过驱动管道与所述施压腔相连通，所述第一液压传动系统能调节所述施压腔内的压力。
5.根据权利要求4所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述泡沫油三维模拟实验装置还包括控制器，所述控制器与所述第一液压传动系统电连接，所述控制器能控制所述第一液压传动系统的动作。
6.根据权利要求5所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述生产系统还包括第二液压传动系统，所述第二液压传动系统通过轴承与所述取样活塞相接，所述第二液压传动系统能驱动所述取样活塞在所述筒体内往复移动，所述控制器与所述第二液压传动系统电连接，所述控制器能控制所述第二液压传动系统的动作。
7.根据权利要求5所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述箱体的内底面均布有多个测压点，所述箱体的外底面设有多个与各所述测压点一一对应连接的压力传感器，各所述压力传感器与所述控制器电连接。
8.根据权利要求7所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述测压点的高度为所述箱体的厚度的1/2。
9.根据权利要求7所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
相邻两所述测压点之间的距离为3cm～6cm。
10.根据权利要求7所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述注入系统还包括气瓶，所述气瓶通过第二管路与所述第一管路相连通，所述第二管路上连接有气体质量流量控制器。
11.根据权利要求1所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述气液分离器的气体出口连接有湿式气体流量计。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述分支井筒的长度为所述模型本体的沿垂直于所述水平井筒方向的长度的1/4～1/3。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述水平井筒与所述模型本体的内底面之间的距离为5mm～10mm。
14.根据权利要求1至9中任一项所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述水平井筒的直径为6mm～10mm，所述分支井筒的直径为1mm～3mm。
15.根据权利要求1至9中任一项所述的泡沫油三维模拟实验装置，其特征在于，
所述水平井筒上连接有14～20根所述分支井筒，各所述分支井筒均布于所述水平井筒的两侧。
16.一种泡沫油三维模拟实验方法，其特征在于，所述泡沫油三维模拟实验方法采用如权利要求7所述的泡沫油三维模拟实验装置，该泡沫油三维模拟实验方法包括：
向箱体内填充砂粒；
根据预设的覆地层压力，向施压腔增压，使盖体活塞移动挤压所述箱体内的砂粒；
对模型本体进行抽真空处理；
向所述模型本体内等压注入复配的油层油样并老化48小时；
通过负压取样筒进行往复抽吸生产，并间隔预设时间对气液分离器产出流体进行称重；
当重复抽吸0.5～1天的产油量小于20mL～50mL时，向所述模型本体部注入预设量的二次泡沫油促发体系，注入完毕后焖井0.5～5小时；
通过所述负压取样筒进行第二次往复抽吸生产；
当重复抽吸0.5～1小时的产油量小于10mL时，向所述模型本体部注入预设量的二次泡沫油促发体系，注入完毕后焖井0.5～5小时；
通过所述负压取样筒进行第三次往复抽吸生产，直至单轮次产油量小于20mL～50mL。
17.根据权利要求16所述的泡沫油三维模拟实验方法，其特征在于，
所述泡沫油三维模拟实验装置的蚯蚓洞的直径为所述砂粒的最小粒径的1.05～1.2倍。
18.根据权利要求16所述的泡沫油三维模拟实验方法，其特征在于，
所述施压腔内的最低压力为0.5Kpa。
19.根据权利要求16所述的泡沫油三维模拟实验方法，其特征在于，
所述负压取样筒的频率为：
f＝0.4848Pav+0.1515，
其中，f为频率，单位：次/分钟，Pav为平均油层压力，单位：MPa。
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