CN204694867U - 实时在线定量物理模拟油气运移路径装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于油气运移技术领域，解决现有油气运移只能定性测量的问题，提供一种实时在线定量物理模拟油气运移路径装置。本实用新型中心控制平台分别与控制系统和检测系统连接，数据处理分析系统与检测系统连接，还包括模拟箱体，控制系统包括压力控制系统、温度控制系统和电极控制系统，模拟箱体分别与压力控制系统、温度控制系统和电极控制系统连接；检测系统包括压力检测系统、电极检测记录系统和油水计量系统，模拟箱体分别与压力检测系统、电极检测记录系统和油水计量系统连接；数据处理分析系统分别与电极检测记录系统和油水计量系统连接。本实用新型的实验装置一改以往的定性测量方式，精度高、实验效果好、更具有说服力。

Description

实时在线定量物理模拟油气运移路径装置

技术领域

本实用新型涉及油气运移技术领域，尤其涉及定量物理模拟油气运移路径领域，具体的说是实时在线定量物理模拟油气运移路径装置。

背景技术

油气运移一直是油气勘探工业急需解决的难点问题。20世纪90年代以前,油气运移研究的焦点是初次运移的动力、相态、过程及其地球化学效应。20世纪90年代以来,油气在输导层中的运移行为得到更广泛的关注,这是因为烃类流体在湖盆内的二次运移是一个极不均一的过程，即便是在均匀的孔隙介质内，烃类流体的运移也只沿着通道范围内有限的路径发生(Schowalter，1979；Demibicki et al.,1989；Catalan et al.,1992)。从已观察到的运移现象可以推断，不同尺度上烃类流体运移的路径和过程可能很类似，但仍存在一定的差异，某些宏观上可视为均质的过程在更小的尺度上往往是非均质的(罗晓容，2003)。

油气运移路径预测是油气藏定位和油气勘探部署的基础。物理模拟实验是研究烃类油气运移路径的有效方法之一。

目前的物理模拟研究主要针对两个方向开展，一是针对砂岩透镜体如何成藏，另一是针对断层如何控藏。

关于砂岩透镜体成藏问题，有下列一些研究。R.J.Cordell(1976)通过对美国德克萨斯州北部和中部砂岩透镜体中油气运移富集过程的模拟，认为生油岩中的油气是从砂岩透镜体的底部进入透镜体的，而透镜体内原有的水从上部排出。陈章明等(1998)进行了一系列砂岩透镜体油的运移和聚集模拟实验研究，分别对源岩层内、之上、之下的砂岩油水交替演变进行实验。模拟实验结果说明，源岩层内的凸镜状砂岩油藏形成机理，是毛细管作用和源岩排烃压力促使油水交替成藏；源岩外凸镜体砂岩在有缝隙沟通源岩与砂体时也可由上述机理形成油藏；以断层为主要通道，石油可跨越泥岩层而向下伏砂岩等孔隙岩体运移成藏；源岩外泥岩层无缝隙沟通源岩中的凸镜体砂岩能否形成油气藏，尚须进一步实验探讨。曾溅辉等(2000)对由低渗透砂岩包围的砂岩透镜体石油聚集进行模拟实验，认为油在砂岩透镜体中的充注受注入压力、毛管压力差和浮力影响。张云峰等(2002)通过模拟认为烃源岩之下岩性油藏的形成必须满足以下两个必要的地质条件，即烃源岩层的超压和连通烃源岩层与下伏砂体的断层，其中足够大的超压提供了油气向下运移的动力，而断层则是油气向下运移的通道。姜振学等(2003，2004)应用核磁共振技术对砂岩透镜体油藏成藏过程进行实验模拟，重点强调围岩条件对岩性油藏的控制作用，认为只有围岩含油饱和度达到一定门限后(烃浓 度)，油气形成的渗透力、扩散力和毛细管力才能突破油气运移的阻力进入岩心成藏。王黔驹等(2004)利用高温高压岩性油气藏成藏模拟实验装置，探讨砂岩透镜体的油气成藏特征(成藏过程和成藏机理)，认为砂岩透镜体成藏是一个过程复杂、动力类型多样、相互作用、复合动力下完成的动态力平衡成藏，同时烃源岩供油量越大越有利于成藏。王永卓等(2006)针对围岩含油饱和度对岩性油藏成藏的控制进行物理模拟，实验结果表明在一定压力条件下，围岩含油饱和度越大，供烃能力就越强，砂体中含油饱和度就越大，越有利于砂体的成藏。李元昊等(2009)针对鄂尔多斯盆地上三叠统延长组低渗透岩性油藏成藏开展了物理模拟，实验结果表明,无论烃源岩向上还是向下排烃,异常压力越大越有利于低渗透储层成藏,成藏效率越高,含油饱和度越高。

关于断层成藏问题，有下列一些研究。张善文和曾溅辉(2003)针对断层对沾化凹陷馆陶组石油运移和聚集影响进行了物理模拟实验研究。尚尔杰(2005)以准噶尔盆地西北缘红车断裂带为地质模型，开展了断裂控油的物理模拟实验研究。宫秀梅(2005)借助物理模拟实验对油在渤南洼陷深层沙四段两种成藏模式中的充注、运聚过程进行了研究。郭凯(2010)针对断层纵向输导与储层非均质性耦合控运进行了模拟实验研究。林晓英等(2014)对低渗透砂岩天然气运移和聚集进行了物理模拟实验。丁文龙(2014)对准噶尔盆地腹部断裂控油进行了物理模拟实验。上述研究表明，断层输导体的时空展布控制着含油气流体运动的方向、路径和分布。

上述成果均是定性模拟，主要是模拟前的产物和模拟后的产物展开计量和测试，以及对模拟过程中的现象进行图像追踪，以分析可能的油气运移路径和运聚过程，均未实现本实用新型中提到的在线定量模拟，以及进口压力和出口压力可调控的特点。

上述油气运聚模拟都是依赖于模拟实验装置和方法。目前的物理模拟技术和方法没有同时解决模拟过程中实时在线定量检测含油饱和度，和调控进、出口压力以真正实现压控物理模拟特点，也就无法真正实现油气运移定量物理模拟和压控物理模拟。

现有的油气运移路径模拟方法虽实现了从二维到三维的可视化特点，但仍存在一下缺陷：

1)现有的油气运移路径物理模拟都是通过对模拟过程中的图像追踪或对模拟前后产物检测分析，均属于定性物理模拟为主，没有实现对模拟过程中实时在线定量检测功能，因此未达到现代科学技术对实验定量技术的要求；

2)现有的油气运移路径物理模拟方法或未考虑充注压力对模拟路径的影响，或仅仅考虑了进口压力对模拟实验的影响，由于实际地下油气运移受运移动力的支配，而地层压力是重要的运移动力之一，并且油气运移过程同时受到进口压力和出口压力影响，即实际地质过程中的围压和泄压条件影响，因此，现有技术未真正解决压控下的模拟实验技术；

3)目前现有的技术没有同时解决上述两个问题。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术的缺陷，提供一种精度高、实验效果好、更具有说服力的实时在线定量物理模拟油气运移路径装置。

为了达到上述目的，本实用新型包括控制系统、检测系统、数据处理分析系统和中心控制平台，中心控制平台分别与控制系统和检测系统连接，数据处理分析系统与检测系统连接，还包括模拟箱体，控制系统包括压力控制系统、温度控制系统和电极控制系统，模拟箱体分别与压力控制系统、温度控制系统和电极控制系统连接；检测系统包括压力检测系统、电极检测记录系统和油水计量系统，模拟箱体分别与压力检测系统、电极检测记录系统和油水计量系统连接；数据处理分析系统分别与电极检测记录系统和油水计量系统连接；模拟箱体包括箱体主体和压紧装置，箱体主体包括箱体外壳和箱体盖，其上侧为箱体盖，箱体盖的四周设有密封圈，压紧装置穿过箱体盖设置在箱体主体的四边角上，箱体主体上下两侧贯穿箱体外壳均布有电阻探针、压力探针和温度探针，箱体主体的四侧面设有进/出气口，压力控制系统的调压阀与模拟箱体的进/出气口分别连接。

本实用新型的实验装置一改以往的定性测量方式，摒弃了以往采用测量进入量和测量出口量，进而通过中间的损失来得到相关实验数据，这种实验数据极其不准确，不能够排出实验中的干扰因素，而本实用新型完全改变了这一现状。

进一步地，所述的模拟箱体的上侧设有可视透明盖，其下侧设有可活动滚轴，其外侧设有箱体外框架，箱体外框架外侧设有支架连接，箱体外框架与支架之间为可活动连接，支架底部设有带刹车自动脚轮。

本实用新型的模拟箱体上侧为可视透明盖，能够通过肉眼看到油气的运移路径，在此基础上，结合后期的数据处理，可以更加精准的演算实验过程中的数据是否正确，模拟箱体与支架之间为可活动连接，包括活动铰接，轴承连接，这些连接方式实现了模拟箱体的360度旋转，可以进行不同角度的观测和检测，实现了三维的观测和检测。

进一步地，箱体主体上的电阻探针、压力探针和温度探针与箱体主体为密封连接。

本实用新型所研究的实验，由于油气运移是在有压力和压强的环境中，所以模拟箱体上的设备均为密封连接。

进一步地，压力控制系统与水箱和高压水泵连接，高压水泵分别与压力表、高压阀和稳压阀连接后与调压阀连接。

进一步地，所述的电阻探针为50-100只，压力探针为32-64只，温度探针为1-2只。

本实用新型的探针个数可以根据实验的不同需要进行调整，这里的探针数量仅为本实用 新型实验对象最优选的数量。

进一步地，电阻探针为双压模微型探针，探针体为ABS塑料双模压制而成，电极采用2.0mm宽的银环，在探针上设有n个测量电极En及供电极Pn，供电电极Pn与电源连接，测量电极En与电阻测量仪连接。

本实用新型的电阻探针用于测量电位差其测量原理为如图7中所示，在探针上有n个电极，通过供电极P1和P2供给电流I，在地层中建立电场后，用测量电极E1、E2进行电位差测量。这个电位差反映了电场分布特性，从而反映电阻率变化。电阻率测量供给低频(频率分档可调)矩形波交流电，测量E1和E2之间的电位差ΔU_E，按下式计算电阻率

R＝KΔU_E/I

式中，K为电极系系数，它与探针的尺寸和类型有关；ΔU_MN为电位差，V；I为电流值，A。

进一步地，压紧装置包括手摇泵和液压缸，手摇泵和液压缸与模拟箱体连接处为密封连接。

进一步地，所述的温度控制系统包括预热装置和热水循环泵，预热装置与热水循环泵连接，热水循环泵设置在模拟箱体的外侧。

这里的热水循环系统在各种实验中的要求是不同的，可以根据实验的不同进行微调。

一种利用上述装置进行实时在线定量物理模拟油气运移路径的方法，包括以下步骤：

①准备相关模拟材料，检测模拟系统设备；

②根据实验内容和实验目的构造实验模型，将不同粒度的亲水石英砂放置于箱体内，根据模拟实验目的的需要构成不同形态物理模型，以模拟断层为例，由于断层的孔隙性和渗透性高，因此选用粒度相对高的石英砂模拟成断层形状；

③根据研究目的布置好实验模型后，检查各仪表、部件、流程管路无误后，转动手摇泵利用四个小液缸推动箱体盖，将实验模型进行机械压实，最大压力可达1MPa，达到实验要求后停止压实，然后紧固压紧装置；

④设定温度控制系统的预热温度，启动预热装置和热水循环泵，使实验模型达到预定温度；

⑤根据模拟实验要求，调节进口压力系统和出口压力系统，使进出口压力达到实验目的要求；

⑥选择注入口和输出口，连接恒流恒压泵，设定注入速率开始驱替步骤，打开中心控制平台进入数据采集窗口；

⑦实验过程中采集和保存各测点压力数据和含油饱和度变化数据，并实时照相或录像，达到实验要求后，停止实验，进行实验数据处理；

⑧实验数据处理以下小步：

1)照相或录像和数据处理分析系统的采集到的数据；

2)根据实验模拟的底层不同，阻率测量供给不同频率的矩形波交流电，测量En之间的电位差ΔU_E，按下式计算电阻率

R＝KΔU_E/I

式中，K为电极系系数，它与探针的尺寸和类型有关；ΔU_MN为电位差，V；I为电流值，A；

根据测量出的地层电阻率，由阿尔奇公式计算出含水饱和度Sw：

$I_R=\frac{Rt}{Rw}=\frac{b}{S_w^n}$

式中，Rt为地层岩石含油电阻率即实测电阻率，Ω·m；I_R为电阻率比值；Rw为岩石完全含水电阻率，Ω·m；Sw为含水饱和度，％；b为系数；n为饱和度指数；其中用岩心驱替实验确定式中系数b和系数n的值，应用已知电阻率的均匀介质标定电极系数；

3)物理模拟过程中砂体被地层水饱和，在压实一定条件下，根据骨架(即孔隙)不变原理，含水饱和度为Sw，则含油饱和度值为

So＝1－Sw

4)根据步骤2)和3)中的处理方式，将公式及处理过程录入中心控制平台中，中心控制平台将直接呈现含油饱和度数据；

5)根据步骤4)中的数据绘制趋势图或者其他与实验有关的数据。

本实用新型的有益效果有：

(1)本实用新型的模拟箱体可以360度旋转，真正实现三维可视化特点，完全实现模拟过程中的图像三维追踪；

(2)本实用新型模拟实验过程中实时在线电脑定量检测含油饱和度功能，以及实时在线自动采集模拟箱体中压力数据功能，运移过程中的数据由电脑直接输出，真正实现实时在线定量化检测和数据处理自动化功能，集定量化检测和电脑自动处理功能于一体；可以精确得到的不同时间不同位置含油饱和度的变化可很好实现追踪油气运移路径；可以精确得到的不同时间不同位置压力的变化可很好实现追踪油气运移路径上压力变化目的。

(3)本实用新型较以前的单一进口压力控制系统而言，本方法发明了模拟实验过程中进口压力控制系统和出口压力控制系统，同时可以模拟地质体中围压和泄压条件变化对运移路径的影响。

(4)本实用新型的技术方案在对于研究油气运移路径技术领域具有很强的指导意义，其 能够将以往的技术方案的缺陷加以改观，具有很好的实用性和推广价值。

附图说明

图1本实用新型装置整体结构示意图；

图2为图1中模拟箱体立体结构示意图；

图3为图2中模拟箱体俯视结构示意图；

图4为模拟箱体某实际实验中数据处理示意图；

图5本实用新型实现的相同出口压力0.1MPa即同泄压条件下，不同充注压力下某电极位置检测到的含油饱和度随时间变化曲线示意图；

图6本实用新型实现的相同注入压力20MPa即同围压条件下，不同出口压力下某电极位置检测到的含油饱和度随时间变化曲线示意图；

图7本实用新型测量电位差测量原理示意图。

图中：1支架；2箱体外框架；3模拟箱体；4可视透明盖；5可活动滚轴；6电阻探针；7压力探针；8调压阀；9稳压阀；10高压阀；11压力表；12供电电源；13电阻测量仪；14电极系；15实验介质；301压紧装置；302进/出气口；303箱体盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

如图1所示，实时在线定量物理模拟油气运移路径装置包括控制系统、检测系统、数据处理分析系统和中心控制平台，中心控制平台分别与控制系统和检测系统连接，数据处理分析系统与检测系统连接，还包括模拟箱体3，控制系统包括压力控制系统、温度控制系统和电极控制系统，模拟箱体3分别与压力控制系统、温度控制系统和电极控制系统连接；检测系统包括压力检测系统、电极检测记录系统和油水计量系统，模拟箱体3分别与压力检测系统、电极检测记录系统和油水计量系统连接；数据处理分析系统分别与电极检测记录系统和油水计量系统连接；模拟箱体3包括箱体主体和压紧装置301，箱体主体包括箱体外壳和箱体盖303，其上侧为箱体盖303，箱体盖303的四周设有密封圈，压紧装置301穿过箱体盖303设置在箱体主体的四边角上，箱体主体上下两侧贯穿箱体外壳均布有电阻探针6、压力探针7和温度探针，箱体主体的四侧面设有进/出气口302，压力控制系统的调压阀8与模拟箱体的进/出气口302分别连接。

如图2所示，所述的模拟箱体3的上侧设有可视透明盖4，其下侧设有可活动滚轴5，其外侧设有箱体外框架2，箱体外框架2外侧设有支架1连接，箱体外框架2与支架1之间为可活动连接，支架1底部设有带刹车自动脚轮。

箱体主体上的电阻探针6、压力探针7和温度探针与箱体主体为密封连接。

压力控制系统与水箱和高压水泵连接，高压水泵分别与压力表11、高压阀10和稳压阀9连接后与调压阀8连接。

所述的电阻探针6为50-100只，压力探针7为32-64只，温度探针为1-2只。

电阻探针6为双压模微型探针，探针体为ABS塑料双模压制而成，电极采用2.0mm宽的银环，在探针上设有n个测量电极En及供电极Pn，供电电极Pn与电源连接，测量电极En与电阻测量仪连接。

压紧装置301包括手摇泵和液压缸，手摇泵和液压缸与模拟箱体3连接处为密封连接。

所述的温度控制系统包括预热装置和热水循环泵，预热装置与热水循环泵连接，热水循环泵设置在模拟箱体3的外侧。

本实用新型的电阻探针用于测量电位差其测量原理为如图7中所示，在探针上有n个电极组成电极系14，供电电源12通过供电极P1和P2供给电流I，在实验介质15地层中建立电场后，电阻测量仪13用测量电极E1、E2进行电位差测量。这个电位差反映了电场分布特性，从而反映电阻率变化。

一种利用所述的装置进行实时在线定量物理模拟油气运移路径的方法，包括以下步骤：

①准备相关模拟材料，检测模拟系统设备；

②根据实验内容和实验目的构造实验模型，将不同粒度的亲水石英砂放置于箱体内，根据模拟实验目的的需要构成不同形态物理模型，以模拟断层为例，由于断层的孔隙性和渗透性高，因此选用粒度相对高的石英砂模拟成断层形状；

③根据研究目的布置好实验模型后，检查各仪表、部件、流程管路无误后，转动手摇泵利用四个小液缸推动箱体盖，将实验模型进行机械压实，最大压力可达1MPa，达到实验要求后停止压实，然后紧固压紧装置；

④设定温度控制系统的预热温度，启动预热装置和热水循环泵，使实验模型达到预定温度；

⑤根据模拟实验要求，调节进口压力系统和出口压力系统，使进出口压力达到实验目的要求；

⑥选择注入口和输出口，连接恒流恒压泵，设定注入速率开始驱替步骤，打开中心控制平台进入数据采集窗口；

⑦实验过程中采集和保存各测点压力数据和含油饱和度变化数据，并实时照相或录像，达到实验要求后，停止实验，进行实验数据处理；

⑧实验数据处理以下小步：

1)照相或录像和数据处理分析系统的采集到的数据；

2)根据实验模拟的底层不同，阻率测量供给不同频率的矩形波交流电，测量En之间的电位差ΔU_E，按下式计算电阻率

R＝KΔU_E/I

式中，K为电极系系数，它与探针的尺寸和类型有关；ΔU_MN为电位差，V；I为电流值，A；

3)根据测量出的地层电阻率，由阿尔奇公式计算出含水饱和度Sw：

$I_R=\frac{Rt}{Rw}=\frac{b}{S_w^n}$

式中，Rt为地层岩石含油电阻率即实测电阻率，Ω·m；I_R为电阻率比值；Rw为岩石完全含水电阻率，Ω·m；Sw为含水饱和度，％；b为系数；n为饱和度指数；其中用岩心驱替实验确定式中系数b和系数n的值，应用已知电阻率的均匀介质标定电极系数；

物理模拟过程中砂体被地层水饱和，在压实一定条件下，根据骨架(即孔隙)不变原理，含水饱和度为Sw，则含油饱和度值So为

So＝1－Sw

4)根据步骤2)和3)中的处理方式，将公式及处理过程录入中心控制平台中，中心控制平台将直接呈现含油饱和度数据；

5)根据步骤4)中的数据绘制趋势图或者其他与实验有关的数据。

实施例1

如图4所示，本实用新型通过模拟实验中实时在线检测含油饱和度功能，实现在某时间含油饱和度的空间变化，实现了追踪油气运移路径的功能，图上的等值线为含油饱和度等值线，箭头指示的是原油运移途径，沿断层向上运移。

实施例2

将下表1中的数据进行处理以后可以绘制如图5和图6所示的示意图，可以清楚的看出不同条件下含油饱和度的变化，实现了实验数据的实时在线检测。

表1

Claims (8)

1.一种实时在线定量物理模拟油气运移路径装置，包括控制系统、检测系统、数据处理分析系统和中心控制平台，中心控制平台分别与控制系统和检测系统连接，数据处理分析系统与检测系统连接，其特征在于：还包括模拟箱体(3)，控制系统包括压力控制系统、温度控制系统和电极控制系统，模拟箱体(3)分别与压力控制系统、温度控制系统和电极控制系统连接；检测系统包括压力检测系统、电极检测记录系统和油水计量系统，模拟箱体(3)分别与压力检测系统、电极检测记录系统和油水计量系统连接；数据处理分析系统分别与电极检测记录系统和油水计量系统连接；模拟箱体(3)包括箱体主体和压紧装置(301)，箱体主体包括箱体外壳和箱体盖(303)，其上侧为箱体盖(303)，箱体盖(303)的四周设有密封圈，压紧装置(301)穿过箱体盖(303)设置在箱体主体的四边角上，箱体主体上下两侧贯穿箱体外壳均布有电阻探针(6)、压力探针(7)和温度探针，箱体主体的四侧面设有进/出气口(302)，压力控制系统的调压阀(8)与模拟箱体的进/出气口(302)分别连接。

2.根据权利要求1所述的实时在线定量物理模拟油气运移路径装置，其特征在于：所述的模拟箱体(3)的上侧设有可视透明盖(4)，其下侧设有可活动滚轴(5)，其外侧设有箱体外框架(2)，箱体外框架(2)外侧设有支架(1)连接，箱体外框架(2)与支架(1)之间为可活动连接，支架(1)底部设有带刹车自动脚轮。

3.根据权利要求1所述的实时在线定量物理模拟油气运移路径装置，其特征在于：箱体主体上的电阻探针(6)、压力探针(7)和温度探针与箱体主体为密封连接。

4.根据权利要求1所述的实时在线定量物理模拟油气运移路径装置，其特征在于：压力控制系统与水箱和高压水泵连接，高压水泵分别与压力表(11)、高压阀(10)和稳压阀(9)连接后与调压阀(8)连接。

5.根据权利要求1所述的实时在线定量物理模拟油气运移路径装置，其特征在于：所述的电阻探针(6)为50-100只，压力探针(7)为32-64只，温度探针为1-2只。

6.根据权利要求1所述的实时在线定量物理模拟油气运移路径装置，其特征在于：电阻探针(6)为双压模微型探针，探针体为ABS塑料双模压制而成，电极采用2.0mm宽的银环，在探针上设有n个测量电极En及供电极Pn，供电电极Pn与电源连接，测量电极En与电阻测量仪连接。

7.根据权利要求1所述的实时在线定量物理模拟油气运移路径装置，其特征在于：压紧装置(301)包括手摇泵和液压缸，手摇泵和液压缸与模拟箱体(3)连接处为密封连接。

8.根据权利要求1所述的实时在线定量物理模拟油气运移路径装置，其特征在于：所述的温度控制系统包括预热装置和热水循环泵，预热装置与热水循环泵连接，热水循环泵设置在模拟箱体(3)的外侧。