一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置及应用

摘要

一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置，该装置可以模拟油藏中高温、高压、高矿化度等苛刻条件下的泡沫压锥堵水行为，同时实现了流体在多孔介质中动态稳定性的可视化评价，并可以模拟地层中的各类压力波动的环境，实现了直井井网及水平井井网的快速配置，进而达到了准确、高效评定各类油藏条件下泡沫压锥堵水性能的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置及应用，属于利用泡沫流体提高石油、天然气采收率的技术领域。

背景技术

底水油藏在我油气资源储量中占有较高比例，底水锥进是底水油藏开发面临的严峻问题，生产井一旦被底水突破，产水比例将大幅度升高，同时产油量则大幅度降低，严重影响生产作业效率。

泡沫作为一种智能流体已广泛应用于国内外油气田开发领域中，涵盖了钻完井、压裂酸化、提高采收率、油气井作业等一系列生产工艺。大量油气田开发实践表明，运用泡沫流体是保护油气层、提高油气产量、降低生产成本的有效手段。近年来，泡沫压锥堵水工艺在我国底水油藏提高采收率作业中不断推广。化工进展2014年第33卷中，记载了石海磊等人发表的《海上油田氮气泡沫压锥堵水技术应用》一文，文章中采用BHT泡沫体系对油井进行改造。现场试验结果表明，通过向海上油田的高含水井注入氮气泡沫，可以有效起到降水增油目的，改善油井生产效果。中国海上油气2012年第24卷中，记载了马跃等人发表的《海上底水稠油油藏氮气泡沫压锥技术研究与应用》一文，文章中采用氮气泡沫对QHD32-6油田西区底水稠油油藏进行改造，氮气泡沫压锥液能有效地抑制底水沿高渗透部位的锥进，试验井含水率由92.8％下降到62.5％，日产液量降低60m³，日产油量增加22m³，累积增油3500m³，综合效益显著。中外能源2015年第20卷中，记载了赵普春等人发表的《氮气泡沫在塔河强底水砂岩油藏的应用》一文，其针对塔河油田砂岩油藏具有强底水、埋藏深、温度高、矿化度高等特点，通过注入氮气泡沫进行改造，试验结果表明：TK907H井组驱替效果优于单井吞吐效果，TK923H井单井吞吐效果不明显，这俩井组累计产生费用273.5万元，增油4942.7t，折算吨油成本553.3元/t，经济效益显著。

泡沫压锥堵水主要工艺是在底水锥进严重的生产井中，采用地面泡沫发生工艺以高压注强化泡沫流体，造成近井地带压力上升，将水锥压至合适位置，同时强化泡沫在井筒周围的高含水区域内形成一定范围的富集带，进而抑制水锥并使原油富集，达到提高原油采收率的目的。然而，强化泡沫的性能会受到油藏温度、压力、孔隙结构、地层水矿化度、原油性质等地层条件以及泡沫自身性质等多重因素的影响，这些因素的综合作用直接影响泡沫压锥堵水工艺的成败。因此，模拟油藏中复杂、苛刻的条件，评价强化泡沫的压锥堵水性能，对于工艺的选择和优化是十分必要的。传统的压锥堵水可视化模型设计较为简单，可实现的模拟条件相对较少，难以实现复杂的油藏评价条件。以工程热物理学报2012年第33卷中王太等人发表的《缝洞型油藏溶洞内底水锥进现象的可视化研究》为例，其建立了二维底水锥进的可视化实验模型，属于典型的压锥堵水可视化模型。模型的实验段为“宽T型”结构，实验段底部是2个水路进口，上部是2个油路进口，实验装置的其他附件可记录温度、流量、压力。实验分析了部分对水锥的变化形状及流量对水锥高度与油层厚度的影响。此类装置模拟地层中压锥堵水的局限性主要体现在以下几点：

一是未考虑地层流体的动态流动，压锥堵水用流体在地层多孔介质中会发生剪切作用，多孔介质的孔吼结构以及液体的流动距离、流速等参数都会对流体性能的产生作用，尤其对泡沫类多相流体的微观结构产生较强影响，这不仅会改变局部压锥堵水的效果，也会影响液体的作用范围。

二是未考虑压力的波动，由于受到施工及生产作业等因素影响，地层压力是不稳定的，压力的波动会照成作业流体及地层油、气、水间接触形态的变化，这些局部的微观变化通过叠加作用会影响压锥堵水的整体作用效果；

三是未实现地层的高压环境，可视化模型的简单结构无法模拟地层中高达上百倍大气压的苛刻环境，而这一参数的变化对可压缩流体，尤其是泡沫类流体的性能影响很大。

四是对布井方式的选择比较简单，未考虑复杂的直井井网及水平井井网间的作用，这些复杂井间作用无疑会影响作业流体的效果。

因此，针对传统压锥堵水可视化模型不足，有必要研发一种新型的可以模拟油藏条件下压锥堵水可视化评价装置，且能实现泡沫这类特殊多相流体的性能评价。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置。

本发明还提供一种上述装置的工作方法。

本发明概述：

一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置，该装置可以模拟油藏中高温、高压、高矿化度等苛刻条件下的泡沫压锥堵水行为，同时实现了流体在多孔介质中动态稳定性的可视化评价，并可以模拟地层中的各类压力波动的环境，实现了直井井网及水平井井网的快速配置，进而达到了准确、高效评定各类油藏条件下泡沫压锥堵水性能的目的。

本发明技术方案如下：

一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置，包括泡沫动态循环老化部和泡沫压锥堵水监控部；

泡沫动态循环老化部和泡沫压锥堵水监控部之间通过泡沫注入管路连接；

所述泡沫注入管路为四通管路：第一管路、第二管路、第三管路和第四管路；所述第一管路通过第一阀门与外部泡沫发生器相连；所述第二管路通过第二阀门与所述泡沫压锥堵水监控部相连；所述第三管路、第四管路与所述泡沫动态循环老化部串联为循环回路。

根据本发明优选的，所述泡沫动态循环老化部，包括高压变体积腔、填充有模拟地层物质的多孔介质模拟腔和循环管路；

所述高压变体积腔由上而下依次包括由柱塞部分隔的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体与第三高精度柱塞泵相连；所述第二腔体的上部与所述第四管路相连，所述第二腔体的下部依次连接所述多孔介质模拟腔、循环管路、循环泵和第三管路相连；在所述第二腔体上设置有第一高温高压可视化窗；在所述多孔介质模拟腔上设置有第二高温高压可视化窗。

所述第二腔体内通过第四管路流入泡沫，通过第一高温高压可视窗实现泡沫结构的实时监控，所述第一腔体内充满蒸馏水与第三高精度柱塞泵相连接，通过第三高精度柱塞泵的规律性的顶替作用实现第一腔体内压力波动的控制，再通过柱塞部对压力的传导，实现第二腔体内针对泡沫液体的压力波动条件的控制。

所述多孔介质模拟腔内可填充各类粒径的石英砂或方形岩心用以模拟地层，多孔介质模拟腔与高压变体积腔直接相连，并通过循环管路实现泡沫的流动环路，环路内的流动由循环泵提供动力。此处设计的优势在于实现了泡沫在多孔介质中动态老化，动态测试环境可包含压力波动、循环速度、循环时间、多孔介质类型等条件的任意组合。使泡沫测试的实验条件更加接近于真实的油藏环境，为压锥堵水测试提供油藏条件下老化后的泡沫液体，对于泡沫长效压锥堵水能力的评价具有重要意义。

根据本发明优选的，所述柱塞部包括在第一腔体内设置的第一柱塞和在第二腔体内设置的第二柱塞，所述第一柱塞通过连接部与所述第二柱塞同轴设置，所述连接部的直径小于高压变体积腔。此处设计的优点在于，保证高压下两柱塞运移的稳定性，同时降低柱塞与腔体内部的磨损，延长整个设备的使用寿命。

根据本发明优选的，所述泡沫压锥堵水监控部，包括由内而外依次轴向套设的压锥堵水测试腔、第一可视化隔离壁、压力平衡腔和第二可视化隔离壁，光源照射第二可视化隔离壁后被摄像机采集影像；在所述泡沫压锥堵水监控部的轴向两端设置有不锈钢上盖体和不锈钢下盖体；

在所述压锥堵水测试腔内由上而下依次设置有多排模拟直井、多个水平井插孔和模拟底水；

第一高精度柱塞泵与多排模拟底水孔相连；第二高精度柱塞泵与压力平衡腔相连；所述第二高精度柱塞泵受控于步进电机；所述模拟直井与第二管路相连。

本发明中，不锈钢上盖体侧开有3排针对模拟直井的插孔，可根据测试设计要求插入不同相对位置和数量的模拟直井；所述模拟水平井插孔可根据测试设计要求插入不同相对位置和数量的模拟水平井。此处设计的优势在于可以实现泡沫压锥堵水过程中，复杂的直井井网及水平井井网间的作用关系研究，进而使所得到的实验结果更适用与油气田开发的现场。

第一高精度柱塞泵与模拟底水相连，此处设计的优势在于采用多排底水孔可以保证模拟底水的均匀推进，更符合油藏底水环境。

根据本发明优选的，所述压锥堵水测试腔内填充有微米级粒度的玻璃砂、石英砂或粉碎处理后的天然岩心用于模拟地层多孔介质；所述光源为透射光源或反射光源。当填充玻璃砂时，采用透射光源进行测试，即摄像机及光源分别放置在第二可视化隔离壁的两侧，此处设计的优势为可实现所述压锥堵水测试腔内液体流动性为的整体观察；当填充石英砂或天然岩心粉粒时，采用反射光源进行测试，即摄像机及光源放置在第二可视化隔离壁同一侧。

根据本发明优选的，所述第二可视化隔离壁的材质为耐高压蓝宝石玻璃材质，且厚度大于4cm；所述压力平衡腔内充满透明硅油。

根据本发明优选的，步进电机监控压锥堵水测试腔的压力P_测，且步进电机实时控制压力平衡腔的压力P_衡，使P_测-P_衡<0.5MPa。此处设计的优势在于：

第一，提升了压锥堵水测试腔内的压力控制范围，可以将测试腔的最大承受压力升到50MPa以上，可以更好的模拟高压油藏环境；

第二，降低了第一可视化隔离壁的耐压性要求，所述第一可视化隔离壁可选取价格相对较低的透明玻璃。各类填充物对第一可视化隔离壁的磨损会导致其频繁更换，该设计降低了因此产生的高昂实验成本。

一种上述装置的工作方法，包括步骤如下：

(1)填充多孔介质：

根据需要模拟的油藏特点，分别向所述多孔介质模拟腔和所述压锥堵水测试腔内填充模拟地层颗粒；可以选择对应渗透率、孔隙度的天然岩心、人工岩心进行上述填充；

(2)布井：

根据油藏压锥堵水及生产作业的井网要求，分别布置直井井网和水平井井网的数量；

(3)布置原油、底水：

将原油注入到压锥堵水测试腔内；通过底水孔注入模拟底水；实验过程中可通过选定的水平井插孔及底水孔分别向压锥堵水测试腔内补充原油和底水；

(4)设备连接：

连接所述泡沫动态循环老化部及所述泡沫压锥堵水监控部；如需模拟多井组的油藏压锥堵水行为，可同时设置相应组数的泡沫动态循环老化部，并连接至泡沫压锥堵水监控部的模拟井上；

(5)模拟地层中泡沫老化：

打开第一阀门，向第二腔体注入压锥堵水用泡沫，关闭第一阀门，设置第二阀门和第三阀门，使泡沫在多孔介质模拟腔中动态老化；实验规程中，通过高压变体积腔控制泡沫所处的压力波动环境，通过循环泵控制泡沫流体的循环速度、循环时间；实验过程中，通过第一高温高压可视化窗观察泡沫的形态衍变，通过第二高温高压可视化窗观察泡沫在多孔介质中的流动状态；

(6)泡沫注入：

打开第三阀门，打开第三高精度柱塞泵，压缩第二腔体的体积，将泡沫推入所述压锥堵水测试腔内；

(7)油井生产及数据记录：

恢复模拟直井和模拟水平井的生产，记录生产数据，同时利用光源和摄像机记录压锥堵水过程中，所述泡沫形态变化参数。

本发明的有益效果：

一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置，该装置可以模拟油藏中高温、高压、高矿化度等苛刻条件下的泡沫压锥堵水行为，同时可以添加流体在多孔介质中的动态流动条件，并可以模拟地层中的各类压力波动的环境，实现了的直井井网及水平井井网的快速配置，最终可以达到准确、高效评定各类油藏条件下泡沫压锥堵水性能的作用。

(1)本发明所述装置可以模拟油藏中高温、高压、高矿化度等苛刻条件下的泡沫压锥堵水可视化行为，通过该装置在实验室内即可获得一系列泡沫压锥堵水的参数，进而优化现场施工数据。

(2)本发明实现了模拟流体的在地层中动态可视化流动，可以根据现场需要，设置模拟地层的多孔介质的孔吼结构以及液体的流动距离、流速等参数，评价流体在地层多孔介质中发生的剪切老化作用，这有利于研究泡沫类多相流体在地层中微观结构的变化，判断泡沫压锥堵水作用范围。

(3)本发明实现了压锥堵水过程中流体压力的波动，可以根据地层参数及施工、生产作业等要求，设置压锥堵水过程中流体的压力波动范围，这有利于研究压力的波动照成的作业流体及地层油、气、水间接触形态的变化，有利于判断泡沫压锥堵水的界面衍变规律。

(4)本发明实现了地层的高压环境，可模拟模拟地层中高压的苛刻环境，同时通过结构的优选设计，降低了实验过程中的可视化耗材所产生的成本。

(5)本发明可布置复杂的直井井网及水平井井网间的作用，可以实现泡沫压锥堵水过程中，复杂的直井井网及水平井井网间的作用关系研究，进而使所得到的实验结果更适用与油气田开发的现场。

附图说明

图1为本发明所述装置的整体结构示意图；

在图1中，1、泡沫压锥堵水监控部；2、泡沫动态循环老化部；3、泡沫注入管路；4、第一阀门；5、第二阀门；6、第三阀门；7、第一腔体；8、第一柱塞；9、连接部；10、高压变体积腔；11、第二柱塞；12、第二腔体；13、第一高温高压可视化窗；14、第二高温高压可视化窗；15、多孔介质模拟腔；16、循环管路；17、循环泵；18、上密封塞；19、不锈钢上盖体；20、模拟直井；21、水平井插孔；22、模拟底水；23、不锈钢下盖体；24、下密封塞；25、压锥堵水测试腔；26、第一可视化隔离壁；27、压力平衡腔；28、第二可视化隔离壁；29、光源；30、摄像机、31、第一高精度柱塞泵；32、第二高精度柱塞泵；33、第三高精度柱塞泵；34、步进系统。

图2为透过第一高温高压可视窗监测到应用例中所述两种泡沫体系微观结构的衍变图，图中标尺为300μm。

图3为透过第二高温高压可视窗，监测到应用例中所述两种泡沫体系在多孔介质中微观结构的衍变图，图中标尺为100μm。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1所示。

实施例1、

一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置，包括泡沫动态循环老化部2和泡沫压锥堵水监控部1；

泡沫动态循环老化部2和泡沫压锥堵水监控部1之间通过泡沫注入管路3连接；

所述泡沫注入管路3为四通管路：第一管路、第二管路、第三管路和第四管路；所述第一管路通过第一阀门4与外部泡沫发生器相连；所述第二管路通过第二阀门5与所述泡沫压锥堵水监控部1相连；所述第三管路、第四管路与所述泡沫动态循环老化部2串联为循环回路。

所述泡沫动态循环老化部2，包括高压变体积腔10、填充有模拟地层物质的多孔介质模拟腔15和循环管路16；

所述高压变体积腔10由上而下依次包括由柱塞部分隔的第一腔体7和第二腔体12，所述第一腔体7与第三高精度柱塞泵33相连；所述第二腔体12的上部与所述第四管路相连，所述第二腔体12的下部依次连接所述多孔介质模拟腔15、循环管路16、循环泵17和第三管路相连；在所述第二腔体12上设置有第一高温高压可视化窗13；在所述多孔介质模拟腔15上设置有第二高温高压可视化窗14。

实施例2、

如实施例1所述的一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置，其区别在于，所述柱塞部包括在第一腔体内7设置的第一柱塞8和在第二腔体12内设置的第二柱塞11，所述第一柱塞8通过连接部9与所述第二柱塞11同轴设置，所述连接部9的直径小于高压变体积腔10。

实施例3、

如实施例1、2所述的一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置，其区别在于，所述泡沫压锥堵水监控部1，包括由内而外依次轴向套设的压锥堵水测试腔25、第一可视化隔离壁26、压力平衡腔27和第二可视化隔离壁28，光源29照射第二可视化隔离壁28后被摄像机30采集影像；在所述泡沫压锥堵水监控部1的轴向两端设置有不锈钢上盖体19和不锈钢下盖体23；

在所述压锥堵水测试腔25内由上而下依次设置有多排模拟直井20、多个水平井插孔21和模拟底水22；

第一高精度柱塞泵31与多排模拟底水孔相连；第二高精度柱塞泵32与压力平衡腔27相连；所述第二高精度柱塞泵32受控于步进电机34；所述模拟直井20与第二管路相连。

所述压锥堵水测试腔25内填充有微米级粒度的玻璃砂、石英砂或粉碎处理后的天然岩心用于模拟地层多孔介质；所述光源29为透射光源或反射光源。

实施例4、

如实施例1-3所述的一种模拟油藏条件下泡沫压锥堵水可视化评价装置，其区别在于，所述第二可视化隔离壁28的材质为耐高压蓝宝石玻璃材质，且厚度大于4cm；所述压力平衡腔27内充满透明硅油。

步进电机34监控压锥堵水测试腔25的压力P_测，且步进电机34实时控制压力平衡腔27的压力P_衡，使P_测-P_衡<0.5MPa。

实施例5、

如实施例1-4所述装置的工作方法，包括步骤如下：

(1)填充多孔介质：

根据需要模拟的油藏特点，分别向所述多孔介质模拟腔15和所述压锥堵水测试腔25内填充模拟地层颗粒；可以选择对应渗透率、孔隙度的天然岩心、人工岩心进行上述填充；可以选择对应渗透率、孔隙度的天然岩心、人工岩心进行上述填充；选取体积占比30％的80～100目石英砂及体积占比70％的300目～350目的混合石英砂，填充至所述泡沫动态循环老化部2的多孔介质模拟腔15和所述泡沫压锥堵水监控部1的压锥堵水测试腔25；

(2)布井：

根据油藏压锥堵水及生产作业的井网要求，分别布置直井井网和水平井井网的数量；此实施例插入一口模拟直井20；

(3)布置原油、底水：

将原油注入到压锥堵水测试腔内25；通过底水孔注入模拟底水22；实验过程中可通过选定的水平井插孔21及底水孔分别向压锥堵水测试腔25内补充原油和底水；

(4)设备连接：

连接所述泡沫动态循环老化部2及所述泡沫压锥堵水监控部1；如需模拟多井组的油藏压锥堵水行为，可同时设置相应组数的泡沫动态循环老化部2，并连接至泡沫压锥堵水监控部1的模拟井上；

(5)模拟地层中泡沫老化：

打开第一阀门4，向第二腔体12注入压锥堵水用泡沫，关闭第一阀门4，设置第二阀门5和第三阀门6，使泡沫在多孔介质模拟腔15中动态老化；实验规程中，通过高压变体积腔控制泡沫所处的压力波动环境，通过循环泵17控制泡沫流体的循环速度、循环时间；实验过程中，通过第一高温高压可视化窗13观察泡沫的形态衍变，通过第二高温高压可视化窗14观察泡沫在多孔介质中的流动状态；

(6)泡沫注入：

打开第三阀门6，打开第三高精度柱塞泵33，压缩第二腔体12的体积，将泡沫推入所述压锥堵水测试腔25内；

(7)油井生产及数据记录：

恢复模拟直井20和模拟水平井的生产，记录生产数据，同时利用光源29和摄像机30记录压锥堵水过程中，所述泡沫形态变化参数。

应用例：

利用如实施例1-4所述装置、且按照如实施例5所述工作方法进行评价压锥堵水用泡沫的性能：

其中所述待评价的泡沫液包括以下两种体系：

体系一：质量分数为0.35％的SDBS(十二烷基苯磺酸钠)水溶液与二氧化碳所产生的泡沫压裂液；

体系二：质量分数为0.45％交联胍胶水溶液与质量分数为0.35％的SDBS(十二烷基苯磺酸钠)水溶液形成混合液，混合液与二氧化碳产生的泡沫压裂液。

其中，泡沫中气体的占比为60％，注入压力为5Mpa，循环泵设定的循环速度为10mL/min，泡沫循环24h后注入压锥堵水测试腔内。

图2为透过第一高温高压可视窗监测到的两种泡沫体系微观结构的衍变，图中标尺为300μm。从图2可以观测到，体系一经过24h后，气泡粒度增大明显，且气泡的变得不均匀，泡沫变得不稳定。相比之下，体系二中的气泡微观结构24h后变化不大，泡沫保持非常稳定。

图3为透过第二高温高压可视窗，监测到的两种泡沫体系在多孔介质中微观结构的衍变，图中标尺为100μm。从图2可以观测到，体系一和体系二两种泡沫在初始时刻在多孔介质中的微观结构差别不大，24h后，体系一中气泡聚并明显，甚至形成了气窜带，相比之下，体系二中泡沫在多孔介质中的微观形态经过24h后变化不大，这说明体系二中泡沫在多孔介质中更加稳定，泡沫的在多孔介质中稳定是确保其压锥堵水的基础，因此通过评价实验可初步优选体系二。

表1为通过本发明测得的泡沫压锥堵水后提高原油采收率的参数表。可以看到体系二泡沫相对体系一增油效果明显。

结论：

利用本发明所述的装置评价体系一泡沫相对体系二泡沫稳定性更强，提高原油采收率更明显，因此体系二泡沫相对体系一更适合作为压锥堵水流体。

表1