稠油油藏立体开发三维实验装置

摘要

本发明涉及的是稠油油藏立体开发三维实验装置，这种稠油油藏立体开发三维实验装置包括三维岩心模型、恒温箱、蒸汽发生器、温度压力监测系统、平流泵、中间容器；三维岩心模型的上盖板上布置直井接口，三维岩心模型的侧面上布置水平井接口；三维岩心模型的内腔填装高铝水泥和石英砂的混合物，三维岩心模型还分别设置了温度监测接口、压力监测接口和饱和油孔；第一平流泵连接蒸汽发生器，蒸汽发生器连接至第一活塞容器下端的入口处，蒸汽发生器上端出口与三维岩心模型的一个水平井接口连接；第二活塞容器的上部出口连接中间容器，中间容器连接至三维岩心模型上盖板处的饱和油孔处。本发明集SAGD、驱泄复合和重力泄水辅助蒸汽驱三种井网结构室内实验于一体，可转换实验井网结构，为稠油立体开发室内物理模拟提供方便。

说明书

一、     技术领域：

本发明涉及的是用于稠油油藏立体开发机理研究的室内模拟稠油热采的实验装置，具体涉及的是稠油油藏立体开发三维实验装置。

二、背景技术：  

油藏立体开发是以流体三维运移和驱动规律为基础，同时考虑水平及垂直作用力对流体渗流影响而建立起来的一种开发模式。目前在稠油油藏立体开发实践中SAGD、驱泄复合及重力泄水辅助蒸汽驱最为典型，已取得显著开发效果。然而，稠油立体开发方式机理研究甚少，利用实验手段进行研究未见报道。主要原因是：（1）难以设计简便精确反应油藏、蒸汽腔前缘、蒸汽腔温度的测温系统；（2）稠油油藏立体开发室内物理模拟岩心必须具备耐高温高压的特点。

三、发明内容：

本发明的目的是提供稠油油藏立体开发三维实验装置，它用于研究SAGD、驱泄复合及重力泄水辅助蒸汽驱生产规律及渗流机理，分析井网井距、注汽速率（注汽压力）等参数对稠油立体开发效果影响规律。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种稠油油藏立体开发三维实验装置包括三维岩心模型、恒温箱、蒸汽发生器、温度压力监测系统、平流泵、中间容器；三维岩心模型是由不锈钢材质焊接而成的具有上盖板和下盖板的圆柱体，上盖板上布置直井接口，三维岩心模型的侧面上布置水平井接口；三维岩心模型的内腔填装高铝水泥和石英砂的混合物，三维岩心模型的上盖板和下盖板上还分别设置了温度监测接口、压力监测接口和饱和油孔；

温度压力监测系统包括温度监测极子、压力监测极子、温度传感器、压力传感器、温度数字显示仪表、压力数字显示仪表，温度监测极子分别与三维岩心模型的温度监测接口连接，压力监测极子分别与三维岩心模型的压力监测接口连接；

第一平流泵连接蒸汽发生器，蒸汽发生器连接至第一活塞容器下端的入口处，蒸汽发生器上端出口连接三通阀，该三通阀其中一个出口与三维岩心模型的一个水平井接口连接，该三通阀的最后一个出口连接压力传感器，用于监测注汽压力；第一活塞容器设置在恒温箱的高温区，岩心模型、回压阀设置在恒温箱的低温区；回压阀连接压力容器，压力容器设置的压力即为岩心模型的出口压力；

第二活塞容器的上部出口连接中间容器，中间容器连接至三维岩心模型上盖板处的饱和油孔处，第二活塞容器的下部出口连接第二平流泵；中间容器设置在恒温箱的高温区，第二活塞容器设置在恒温箱的低温区。

上述方案中三维岩心模型的侧面上布置4个水平井接口；上盖板上布置8个直井接口、9个温度监测接口、4个饱和油孔，4个饱和油孔均布在同一圆周线上；下盖板上布置10个温度监测接口、4个饱和油孔，4个饱和油孔均布在同一圆周线上。

上述方案中三维岩心模型内部有效空间是一个直径375mm、高380mm的圆柱体，能够承受25MPa高压和300℃高温。 

上述方案中三维岩心模型上盖板的9个温度监测接口并排设置，并且与两个饱和油孔位于同一直线上，每个温度监测接口安装一个温度监测极子，饱和油孔与温度监测极子之间设置两组直井接口，一组有4个直井接口，其中一组有直井1#、直井2#、直井3#、直井4#，该组中直井1#、直井2#、直井3#并排设置，直井4#与温度监测极子同一直线排列；另一组有直井5#、直井6#、直井7#、直井8#，该组中直井5#、直井6#、直井7#并排设置，直井8#与所述的温度监测极子同一直线排列。

上述方案中三维岩心模型下盖板的10个温度监测接口并排设置，并且与两个饱和油孔位于同一直线上，每个温度监测接口安装一个温度监测极子。

上述方案中上盖板上的9个温度监测极子安装方式为：以中间的一个温度监测极子为对称轴对称排列，最外侧的两个温度监测极子下插长度为60mm，中间的温度监测极子下插长度为110mm，中间轴两侧的温度极子向下插入深度为80mm，中间的温度监测极子与边缘的温度监测极子之间的3个温度监测极子向下插入的长度以20mm的级差递减；下盖板上的10个温度监测极子安装方式为：以三维岩心模型的中心轴为对称轴对称排列，中心轴一侧的温度监测极子向下插入的长度从内向外按照20mm的级差递增，最边缘的温度监测极子向下插入的长度为200mm。

有益效果：

1、本发明三维实验装置中岩心模型内部填料为高铝水泥石英砂混合物，耐高温可更换，结构更接近实际岩心；主体为圆柱体，能够承受25MPa的高压，可重复使用，节省实验耗费，方便填料填充，能有效地节省实验时间。

2、本发明集SAGD、驱泄复合和重力泄水辅助蒸汽驱三种井网结构室内实验于一体，可根据研究需要转换实验井网结构，为稠油立体开发室内物理模拟提供方便。

3、本发明在模拟重力泄水辅助蒸汽驱实验时可设计两种井组单元：（1）选取两个竖直生产井（2#、6#），一个水平注汽井（9#），一个水平泄水井（10#、11#、12#任选一个）；（2）选取四个竖直生产井（1#、3#、5#、7#），一个水平注汽井（9#），一个水平泄水井（10#、11#、12#任选一个）。其特点：其一可以分析泄水井与注汽井的距离对开发效果的影响，其二第二种井组单元考虑到了井间的相互干扰和影响。

4、本发明是按照井网实际尺寸缩小一定比例设计的，模拟结果的准确性高。在模拟SAGD时，选择如图5所示的4#和8#作为竖直注蒸汽井，水平生产井的选择有四种（9#、10#、11#、12#可任选一个），可以分析水平生产井与竖直注汽井射孔段距离对开发效果的影响。

5、本发明在模拟驱泄复合时，选择如图5所示的4#为注蒸汽井，8#作为竖直生产井，水平生产井的选择有四种（9#、10#、11#、12#可任选一个），可以分析水平生产井与竖直生产井射孔段距离对驱泄复合开发效果的影响。

6、本发明通过对油藏内温度及压力的精确监测，可实验分析重力泄水水平井（重力泄水）的作用机理，重力泄水水平井有利于蒸汽腔的扩展，降低地层压力，提高注入蒸汽的干度。其中图5所示中的4#和8#既可以在模拟SAGD中作为竖直注蒸汽井，也可以在模拟驱泄复合过程中作为竖直注蒸汽井及竖直生产井。

7、本发明充分考虑蒸汽腔随时间的变化规律，基于蒸汽超覆特点对蒸汽腔形状的影响，设计一套精确反应油藏、蒸汽腔前缘、蒸汽腔温度的测温系统，该测温系统克服常规测温过程中测温点分布过于密集、测温点利用率低、测温过程繁琐的缺点，具有测温过程简便、测温点利用率高的优点。

四、附图说明：

图1是本发明的结构示意图； 

图2为本发明中饱和油实验装置的结构示意图；

图3是三维岩心模型透视图； 

图4是三维岩心模型主体图；

图5为三维岩心模型上盖板图；

图6为三维岩心模型下盖板图；

图7为温度极子长度及布局设计图；

图8为竖直井长度及射孔段设计图；

图9为水平井长度及射孔段设计图。

1-三维岩心模型   2-蒸汽发生器   3-第一平流泵   4-第一活塞容器   5-上盖板   6-下盖板   7-直井接口  8-水平井接口   9-温度监测极子  10-饱和油孔  11-温度、压力传感器   12-恒温箱  13-回压阀   14-压力容器   15-活塞容器   16-中间容器   17-第二平流泵。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种稠油油藏立体开发三维实验装置包括三维岩心模型1、蒸汽发生器2、温度压力监测系统、恒温箱12、平流泵、中间容器16；三维岩心模型1是由不锈钢材质焊接而成的具有上盖板5和下盖板6的圆柱体，圆柱体下底面具有四个支腿，四个支腿用于支撑圆柱体；上盖板5上布置8个直井接口7、9个温度监测接口、4个饱和油孔10；下盖板6上布置10个温度监测接口、4个饱和油孔；如图4所示，三维岩心模型1的侧面上布置4个水平井接口8（这4个水平井接口分别为9#水平井接口、10#水平井接口、11#水平井接口、12#水平井接口）。三维岩心模型1的内腔填装高铝水泥和石英砂的混合物。模型上的这些接口在实验中用于安装连接注入及采出端、温度监测极子9、压力监测极子8及饱和油管线，以螺纹方式连接，不用时可用死堵封堵。

本发明中温度压力监测系统包括温度、压力传感器11、温度、压力传感器11是将温度传感器和压力传感器集合到一个壳体内、温度监测极子9、压力监测极子8、温度数字显示仪表、压力数字显示仪表，温度监测极子9分别与三维岩心模型1的温度监测接口连接，压力监测极子8分别与三维岩心模型的压力监测接口连接；本发明设有20个温度数字显示仪表及10个压力数字显示仪表，可实时观察监测三维岩心模型内、管线内的温度及压力变化情况。

第一平流泵3连接蒸汽发生器2，蒸汽发生器2连接至第一活塞容器4下端的入口处，蒸汽发生器2上端出口连接三通阀，该三通阀其中一个出口与三维岩心模型1的一个水平井接口8连接，该三通阀的最后一个出口连接压力传感器，用于监测注汽压力；第一活塞容器4设置在恒温箱12的高温区，三维岩心模型1、回压阀13设置在恒温箱12的低温区；回压阀13连接压力容器14，压力容器14设置的压力即为岩心模型的出口压力。回压阀13与压力容器14相连接，压力容器14内存储一定的压力，可为回压阀13设置一定的回压压力。根据水蒸气临界温度-压力曲线及回压阀装置，可实现地层下的温度及压力条件。该实验装置可为稠油油藏立体开发室内物理模拟提供研究思路，为稠油立体开发注采关系设计及评价提供理论基础。

蒸汽发生器2采用ZQ-I型蒸汽发生器，ZQ-I型蒸汽发生器生成的蒸汽温度最高可设置300℃，需考虑蒸汽在传输过程中的保温（热量散失）问题，需将蒸汽发生器2与高温恒温箱12联合使用。

参阅图2所示，第二活塞容器15的上部出口连接中间容器16，中间容器16连接至三维岩心模型上盖板5处的饱和油孔10处，第二活塞容器15的下部出口连接第二平流泵17；中间容器16设置在恒温箱12的高温区，第二活塞容器15设置在恒温箱12的低温区。第二活塞容器15、中间容器16、三维岩心模型1、第二平流泵17、恒温箱12构成了本发明装置中的饱和油实验装置，由高温及低温区两部分组成，其高温区最高可设置300℃，低温区的温度设置为0-150℃，为三维岩心模型饱和油及汽驱模拟提供保障。恒温箱22包括高温区（高温区温度可达300℃）和低温区（低温区的温度为0-150℃），平流泵均采用2PB00C系列平流泵。

如图3所示，三维岩心模型1内部有效空间是一个直径375mm、高380mm的圆柱体，主体采用不锈钢材质焊接而成，能够承受25MPa高压和300℃高温。三维岩心模型上下盖板可以打开，用螺栓组装。该三维岩心模型1的特点在于其填装材质为高铝水泥与石英砂混合物，按照渗透率和孔隙度的要求，选用不同目数的材质和压实程度进行填装，可以耐受高温和高压，孔渗精确度高，且水泥与石英砂的混合物孔、渗精确度高，制作方便；三维岩心模型的内表面需进行粗糙化处理，避免实验过程中流体沿表面发生窜流。通过简便精确的温度和压力的监测系统，可用于对SAGD、驱泄复合、重力泄水辅助蒸汽驱进行生产动态研究，能够变换多种井组排列方式，有效地预测开发结果。

如图5所示，三维岩心模型上盖板的9个温度监测接口并排设置，并且与两个饱和油孔10位于同一直线上，每个温度监测接口安装一个温度监测极子9，饱和油孔10与温度监测极子9之间设置两组直井接口，一组有4个直井接口，其中一组有直井1#、直井2#、直井3#、直井4#，该组中直井1#、直井2#、直井3#并排设置，直井4#与温度监测极子9同一直线排列；另一组有直井5#、直井6#、直井7#、直井8#，该组中直井5#、直井6#、直井7#并排设置，直井8#与所述的温度监测极子9同一直线排列。

参阅图5、图6，三维岩心模型下盖板6的10个温度监测接口并排设置，并且与两个饱和油孔10位于同一直线上，每个温度监测接口安装一个温度监测极子9。

如图7所示，上盖板5上的9个温度监测极子9安装方式为：以中间的一个温度监测极子为对称轴对称排列，最外边缘的两个温度监测极子下插长度为60mm，中间的温度监测极子下插长度为110mm，中间轴两侧的温度极子向下插入深度为80mm，中间的温度监测极子与边缘的温度监测极子之间的3个温度监测极子向下插入的长度以20mm的级差递减；下盖板上的10个温度监测极子安装方式为：以三维岩心模型的中心轴为对称轴对称排列，中心轴一侧的温度监测极子向下插入的长度从内向外按照20mm的级差递增，最边缘的温度监测极子向下插入的长度为200mm。 

图8为竖直井长度及射孔段设计图，提供了竖直井射孔段的位置及长度。图9为水平井长度及射孔段设计图，提供了水平井射孔段的位置及长度。岩心模型内的直井及水平井的射孔段位置及长度是将油田实际直井和水平井的射孔段位置及长度按照一定比例缩小所得。

本发明稠油油藏立体开发三维模拟实验如下：

（1）三维岩心模型的制备

将水泥与石英砂的混合物，参考油藏实际情况即渗透率与孔隙度，选择油藏横向和纵向渗透率级差以及填装用混合物粒径，按照纵向渗透率低，横向渗透率高的韵律填装模型。填好高铝水泥和石英砂混合物之后晾干3-5天，用螺栓将主体以及盖板进行组装，组装好的三维填水泥模型如图3所示。

（2）抽真空饱和水

将组装好的三维模型应用真空泵将其抽真空3-5个小时，然后将配置好的地层水饱和至岩心模型中，根据三维岩心模型的体积和饱和至岩心内水的体积，计算岩心孔隙度。

（3）饱和油

将饱和完水的三维岩心模型1放置在恒温箱12的高温区内并设置260℃，恒温箱12低温区设置为90℃，为使岩心模型饱和油充分，需将上下盖板上的饱和油孔逐次进行饱和。饱和油实验流程如图2所示。

（4）汽驱实验

之后按照图1所示连接蒸汽发生器2、温度压力监测系统及回压阀装置，进行稠油立体开发三维实验，包括重力泄水辅助蒸汽驱实验、SAGD及驱泄复合实验研究。实验过程中根据相似原理合理设定注汽速度、注汽压力及生产时间。实时记录各生产井的产油、产液数据、温度监测点及压力监测点的压力值。

（5）实验规律分析

根据实时记录的生产数据（瞬时产油、瞬时产液）分析重力泄水辅助蒸汽驱实验、SAGD及驱泄复合的生产规律，进行阶段划分。根据记录的温度及压力监测数据，应用suffer软件实时绘制蒸汽腔前缘的变化情况。调整井距、选择不同井组可实验分析井距对开发效果的影响，实验分析井间干扰对发效果的影响。

本发明集SAGD、驱泄复合及重力泄水辅助蒸汽驱井网于一体的三维立体开发岩心模型，辅助蒸汽发生系统及温度压力监测系统，根据研究需要可进行不同情况实验研究，为稠油油藏立体开发物理模拟提供研究基础。采用该实验装置，可对稠油立体开发的生产规律及渗流机理进行研究，分析井网井距、注汽速率（注汽压力）等参数对稠油立体开发效果影响规律，有助于总结稠油油藏立体开发渗流机理。