一种高温高压平板模型油气水三相饱和度测试装置及方法

摘要

本发明涉及一种高温高压平板模型油气水三相饱和度测试装置，包括驱替泵1、围压泵2、回压泵3、中间容器、平板模型系统21、数据采集系统22、回压阀23和油气分离器24，平板模型系统包括平板模型27、高温高压釜体31、加热温控系统34、Y轴方向步进电机35、X轴方向步进电机36和声电检测器41。利用该装置测试油气水三相饱和度的方法，包括：对岩心进行油气水三相饱和度标定处理；配制原油样品、地层水样品；将平板模型恢复原始地层条件；模拟油藏衰竭或驱替过程，对平板模型进行超声波和电阻率线性扫描测试；确定平板模型油气水三相饱和度分布。本发明操作简便，测量直观，为油气藏衰竭或驱替开发过程油气水三相饱和度测试，提供工具和手段。

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发领域，特别是涉及一种高温高压平板模型声电扫描油气水三相饱和度测试装置及方法。

背景技术

油气藏开发过程中的井网、井型、层间干扰、重力驱、开发技术政策是影响油气藏开发效果的重要因素，常规岩心(如小柱塞岩心、全直径岩心、长岩心)和低压物理模型(如玻璃刻蚀模型)已无法满足真实油气藏模拟要求，尤其是采用注气开发方式的油气藏，必须在高压下才能实现驱替效果。虽然近年来X-CT和NMR在线测试饱和度技术有所发展，但测试对象多为标准岩心，针对大尺度岩心无法进行测试。

目前大尺度三维物理模型饱和度测试装置主要有以下特点：第一，绝大部分大尺度三维物理模型为低压物理模型，模型承压一般不超过25MPa，模型尺寸越大承压越低(彭彩珍,孟立新,郭平,等.三维物理模型驱油实验模拟装置研制与应用[J].石油实验地质,2013,35(5):570-573)，尤其是通过高温烧结而成的胶结模型或有机玻璃刻蚀模型实验条件仅为常温常压，所用原油为模拟油，无法采用真实地层流体样品(武云云.薄互层层间干扰三维物理模拟实验研究[J].实验室研究与探索,2017,36(1):25-29)。第二，通常的大尺度三维物理模型饱和度测试实验，饱和度检测器一般以探针的形式埋于物理模型，或电极以阵列的形式贴于岩板两侧进行点对点测试，由于饱和度探针本身具有一定尺寸，探针数量过多会对流体渗流造成影响，电极采用的检测器由于本身体积所限，无法布置过多检测器，导致测试精度受限(阳建平.高温高压凝析气藏注干气纵向波及效率测试装置及方法:中国,104563982[P].2017.02.01)；第三，由于现有大尺度物理模型饱和度测试原理多为直流电法测井，探针或电极必须与岩板直接接触才能进行信号采集，导致岩板密封程度降低，而且点对点会产生大量的信号引线，这些引线必须在高温高压条件下从外模型引出，大大增加泄漏风险(杨胜来.气藏水侵物理模拟实验装置:中国,206038586[P].2017.03.22)。第四，现有大尺度物理模型一般仅能进行电阻率测试并不具备声波、电阻率同时测试的功能，只能模拟水驱油或聚合物驱油过程，无法模拟油气藏的注气开发过程(如气驱油、气驱气)(郭肖.非均质底水油气藏三维物理模拟实验装置及饱和度确定方法:中国,104675394[P].2018.01.12)。因此，设计一种克服上述缺点的高温高压大尺度三维物理模型和油气水三相饱和度在线测试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一种高温高压平板模型油气水三相饱和度测试装置，该装置原理可靠、操作简便，测量结果直观，适用于高温高压三维物理模型声电扫描油气水三相饱和度测试，为油气藏衰竭或驱替开发过程中油气水三相饱和度测试、驱替前缘监测、不同注采井网部署、储层非均质性、重力驱以及各种井型驱替机理研究，提供了工具和手段。

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平板模型油气水三相饱和度测试的方法，为定量确定油气藏衰竭或驱替开发过程中油气水三相饱和度提供指导性意见，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。

一种高温高压平板模型油气水三相饱和度测试装置，主要由驱替泵、围压泵、回压泵、地层水中间容器、原油中间容器、干气中间容器、高温高压平板模型系统、声电测试定位控制与数据采集系统、回压阀、油气分离器、气量计和油气色谱仪组成。

所述高温高压平板模型系统主要由平板模型、高温高压釜体、釜体机架、紧固系统、加热温控系统、Y轴方向步进电机、X轴方向步进电机、Y轴方向滑轨、X轴方向滑轨、Y轴方向滑块、X轴方向滑块、声电检测器、釜体盖板组成。平板模型固定于釜体盖板内侧端面，内嵌于高温高压釜体，釜体盖板上有过线器、釜体入口、围压液注入口、釜体出口，釜体盖板与高温高压釜体通过紧固系统进行紧固，并整体悬挂于釜体机架上。平板模型正反两面均装配有Y轴方向步进电机、X轴方向步进电机、Y轴方向滑轨、X轴方向滑轨、Y轴方向滑块、X轴方向滑块，Y轴方向步进电机固定于X轴方向滑块一端并与Y轴方向滑轨结合为一体，整体安装于X轴方向滑轨上，声电检测器固定于Y轴方向滑块上，由Y轴方向步进电机带动并沿Y轴方向滑轨线性滑动进行声电扫描测试，X轴方向步进电机带动X轴方向滑块沿X轴方向滑轨线性滑动，整个测试过程中声电检测器沿X/Y方向运动，呈“之”字型走位，从而完成声电检测器对整个平板模型的声电扫描测试。平板模型通过紧固螺栓进行紧固，模型左侧有注入口，右侧有采出口，釜体入口与平板模型注入口通过管线相连，釜体出口与平板模型采出口通过管线相连，液压油通过围压液注入口进入高温高压釜体与平板模型的环形空间，平板模型正反两面均装配有加热温控系统进行探温和控温，实现高温高压釜体内部油浴加热，釜体内部所有电线、信号线均由过线器引出。

驱替泵分别通过地层水中间容器、原油中间容器、干气中间容器连接于高温高压釜体入口，围压泵连接于围压液注入口，内部电线、信号线由过线器连接于声电测试定位控制与数据采集系统，釜体出口通过回压阀依次连接油气分离器、气量计、油气色谱仪，回压阀顶部连接于回压泵。

所述加热温控系统、压力传感器、声电检测器、步进电机系统均与声电测试定位控制与数据采集系统相连，实现温度数据、压力数据、超声波数据、电阻率数据的采集，以及步进电机位移的控制。

所述平板模型主要由模型盖板，填砂模型、平板承压腔体组成，模型盖板与填砂模型之间覆盖一层胶皮套通过紧固螺栓进行紧固，达到完全密封。

所述声电检测器主要由声电发射探头、声电接收探头组成，声电发射探头内部有超声波发射晶片1块和感应发射线圈1个，声电接收探头内部有超声波接收晶片1块和感应接收线圈1个。根据超声波原理，当声电发射探头产生超声波(纵波)时，超声波穿过平板模型到达声电接收探头，示波器获取首波位置，数据处理后可得到声电检测器当前位置处的声波时差，根据感应测井原理，当声电发射探头中感应发射线圈通以交流电时，线圈周围形成交变磁场，在岩板中产生感应电流(涡流)，涡流引起的二次磁场在感应接收线圈中引起二次感应电流，数据处理后可得到声电检测器当前位置处的电阻率，声波信号线和电阻信号线彼此分开，互不干扰。

所述高温高压釜体通过釜体旋转机构实现0～180°旋转，釜体旋转机构主要由电机、双级减速器、转轴组成，通过调节变频器实现电机正反转，以达到调节釜体倾斜角度的目的，模拟不同倾角的油气藏重力驱。

本发明所用关键部件说明如下：

(1)平板模型：实验所用的平板承压腔体，驱替压力最大承压70MPa，围压最大承压80MPa，最高工作温度150℃，工作室面积：长1000mm、宽300mm、深10mm。材质为高碳钢，内外表面均作防锈处理。包括模型底板、模型盖板、上覆胶皮套、紧固螺栓等。

(2)高温高压釜体：该密封模型为圆柱状釜体，法兰直径900mm，长1750mm，高2.3m，采用柱状双级密封、法兰连接方式，釜体通过两级减速机由电机带动旋转，可停留在任意位置。

(3)釜体机架：采用矩形钢管焊接而成，长2000mm，宽1500mm，高1600mm，带两只6″定向轮及两只6″带刹车的万向轮，便于移动、安装。

(4)釜体旋转机构：主要由变频器、电机、双级减速机、转轴等组成。通过调节变频器实现电机正反转，达到调节设备倾斜角度的目的。

(5)紧固系统：由M64机械强度8.8级以上外六角紧固螺栓组成，用于釜体与法兰的安装紧固。

(6)加热温控系统：平板模型底板和盖板上均装有加热管，其功率为3.5Kw×4，AC380V供电，通过温控系统进行探温和控温。

(7)围压系统：通过电动涡轮增压泵为釜体注入液压油加压，压力范围0～90MPa，精度0.1MPa。

(8)步进电机系统：步进电机可实现0.01-1000mm/min调速，步进误差＜±0.1％，最高工作温度150℃，电机无密封环境，可承受高压，耐油，实现机械回零。

(9)声电检测器：声电检测器包括声电发射探头、声电接收探头，声电发射探头内装有超声波发射晶片1块和感应发射线圈1个，声电接收探头内装有超声波接收晶片1块和感应接收线圈1个，超声波信号线和电阻信号线，彼此分开，绝缘性能良好，超声波测试与电阻率测试可同步进行，探头无密封环境，耐高温，耐高压，耐油，最高工作温度150℃。

(10)压力传感器：平板模型注入口、采出口、围压液注入口、回压阀顶部均安装有压力传感器，工作范围0～100MPa。

(11)声电测试定位控制与数据采集系统：主要包括温度数据、压力数据、超声波数据、电阻率数据的采集。

利用上述装置进行高温高压平板模型油气水三相饱和度测试的方法，依次包括以下步骤：

(1)对代表性岩心进行油气水三相饱和度标定处理，得到标定公式

采用一套小岩心夹持器，将代表性岩心完全饱和地层水，测出此时岩心的电阻率R

(2)配制地层流体样品

取得油田现场生产条件下分离器气样和分离器油样，在原始地层温度和压力下配制原油样品，保证气油比、泡点压力与该地层原油PVT报告接近，然后根据油田现场提供的地层水分析报告配制地层水样品。

(3)将平板模型饱和地层流体并恢复原始地层条件

将高温高压釜体调节至实验所需角度，提高回压至原始地层压力，将地层水样品注入平板模型并使其完全饱和，然后用地层水加压使平板模型孔隙压力提高至原始地层压力，建压过程中围压始终高于平板模型孔隙压力5MPa，将高温高压釜体内部温度升至原始地层温度并保持稳定；然后将原油样品注入平板模型置换地层水，直至油气分离器中地层水不再增加，平板模型原始地层条件建立完毕。

(4)模拟油藏衰竭或驱替过程，对平板模型进行超声波和电阻率线性扫描测试

若装配单个声电检测器，测试过程中声电检测器沿X/Y方向做“之”字形滑动扫描，直至完成整个平板模型的声电扫描任务，过程中可同时测试声电检测器位置处的声波时差和电阻率；若装配并排声电检测器，测试过程中声电检测器沿X方向线性滑动，直至完成整个平板模型的声电扫描任务，过程中可同时测试声电检测器位置处的声波时差和电阻率。

若需要测试油藏衰竭开发过程油气水三相饱和度，将平板模型孔隙压力衰竭至泡点压力，待孔隙压力稳定后继续降压，直至将平板模型孔隙压力降低至废弃压力，各级压力下通过声电检测器测试整个平板模型的声波时差和电阻率，并将信息反馈给数据采集系统，同时收集衰竭过程各级压力下气量计中分离器气和油气分离器中分离器油，通过油气色谱仪做油气色谱分析。

若需要测试油藏注气开发过程油气水三相饱和度，将干气样品定量注入平板模型，待平板模型孔隙压力稳定后，通过声电检测器对整个平板模型进行声波时差、电阻率测试，并将信息反馈给数据采集系统，同时收集衰竭过程各级压力下气量计中分离器气和油气分离器中分离器油，通过油气色谱仪做油气色谱分析。

(5)数据处理，定量确定平板模型油气水三相饱和度分布

根据步骤(1)中建立的含水饱和度S

本发明原理可靠，操作简便，适用性强，将声电检测器与步进电机系统结合对平板模型进行滑动扫描测试，大大降低声电检测器所需数量，且声电检测器与平板模型均内嵌于高温高压釜体内部，解决了高温高压条件下密封问题，为油气藏衰竭或驱替开发过程中的油气水三相饱和度测试、驱替前缘监测、不同注采井网部署、储层非均质性、重力驱以及各种井型驱替机理研究提供了一种新的高分辨率高温高压大尺度三维物理模型和油气水三相饱和度在线测试方法，具有广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)研制的平板模型驱替压力最大承压70MPa，围压最大承压80MPa，最高工作温度150℃，模型体积1000mm×300mm×10mm，可进行0～180°旋转，实现带倾角油气藏的重力驱研究。

(2)声电检测器内置超声波晶片和感应线圈，可同时进行超声波、电阻率测试，功能强大，现有饱和度检测器大多为电阻检测器，不具备超声波测试功能。

(3)采用步进电机系统带动声电检测器对平板模型进行滑动扫描测试的方法，大大降低检测器所需个数，减少引线数量，可根据测试精度装配多个或并排的声电检测器，减少测试时间。

(4)采用感应测井的测试方法，声电检测器内置发射线圈和接收线圈，检测器无需直接接触岩板就可测出岩板电阻率，模型密封性能大大提高。传统饱和度测试方法为直流电测法，需将探针埋于模型中或将电极贴合岩板两侧，容易造成模型泄露。

附图说明

图1为一种高温高压平板模型油气水三相饱和度测试装置结构示意图。

图2、图3、图4分别为高温高压平板模型系统的主视图、俯视图、左视图。

图中：1—驱替泵，2—围压泵，3—回压泵，4、5、6、7、8、9、10、11、12、13—阀门，14—地层水中间容器，15—原油中间容器，16—干气中间容器，17、18、19、20—压力传感器，21—高温高压平板模型系统，22—声电测试定位控制与数据采集系统，23—回压阀，24—油气分离器，25—气量计，26—油气色谱仪，27—平板模型，28—平板模型注入口，29—平板模型采出口，30—紧固螺栓，31—高温高压釜体，32—釜体机架，33—紧固螺栓，34—加热温控系统，35—Y轴方向步进电机，36—X轴方向步进电机，37—Y轴方向滑轨，38—X轴方向滑轨，39—Y轴方向滑块，40—X轴方向滑块，41—声电检测器，42—釜体盖板，43—过线器，44—釜体入口，45—围压液注入口，46—釜体出口，47—平板模型盖板，48—填砂模型，49—平板承压腔体，50—声电发射探头，51—声电接收探头，52—釜体旋转机构。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，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、图3、图4。

一种高温高压平板模型油气水三相饱和度测试装置，包括驱替泵1、围压泵2、回压泵3、地层水中间容器14、原油中间容器15、干气中间容器16、高温高压平板模型系统21、声电测试定位控制与数据采集系统22、回压阀23、油气分离器24、气量计25和油气色谱仪26。

所述高温高压平板模型系统21包括平板模型27、高温高压釜体31、釜体机架32、加热温控系统34、Y轴方向步进电机35、X轴方向步进电机36、Y轴方向滑轨37、X轴方向滑轨38、Y轴方向滑块39、X轴方向滑块40、声电检测器41和釜体盖板42，所述高温高压釜体31置于釜体机架32上，两侧有釜体盖板42(高温高压釜体与釜体盖板42之间通过紧固螺栓33进行紧固)，釜体盖板42上有釜体入口44、围压液注入口45、釜体出口46；所述平板模型27内嵌于高温高压釜体，固定于釜体盖板内侧，平板模型左侧有注入口28，右侧有采出口29，釜体入口44与平板模型注入口28通过管线相连，釜体出口46与平板模型采出口29通过管线相连，围压液注入口45与高温高压釜体与平板模型的环形空间连通，液压油通过围压液注入口进入环形空间，平板模型设置加热温控系统34进行探温和控温，实现高温高压釜体内部油浴加热。

所述平板模型包括模型盖板47、填砂模型48和平板承压腔体49；平板模型正反两面均设置Y轴方向步进电机35、X轴方向步进电机36、Y轴方向滑轨37、X轴方向滑轨38、Y轴方向滑块39、X轴方向滑块40，所述Y轴方向步进电机固定于X轴方向滑块一端并与Y轴方向滑轨结合为一体，整体安装于X轴方向滑轨上，所述声电检测器41固定于Y轴方向滑块上，由Y轴方向步进电机带动并沿Y轴方向滑轨线性滑动进行声电扫描测试，X轴方向步进电机带动X轴方向滑块沿X轴方向滑轨线性滑动。

所述驱替泵1分别通过地层水中间容器14、原油中间容器15、干气中间容器16连接高温高压釜体入口44，围压泵2连接围压液注入口45，釜体出口46通过回压阀23依次连接油气分离器24、气量计25、油气色谱仪26，回压阀23顶部连接回压泵3，所述釜体入口、围压液注入口、釜体出口、回压阀分别设置压力传感器(17、18、19、20)，所述加热温控系统、压力传感器、声电检测器、Y轴方向步进电机和X轴方向步进电机均连接声电测试定位控制与数据采集系统22，实现温度、压力、超声波、电阻率数据的采集以及步进电机位移的控制。

所述平板模型包括模型盖板47、填砂模型48和平板承压腔体49，模型盖板与填砂模型之间设置胶皮套并通过紧固螺栓30进行紧固，达到完全密封，填砂模型位于平板承压腔体内。

所述釜体盖板上有过线器43，釜体内所有电线、信号线均经由过线器43连接声电测试定位控制与数据采集系统。

所述声电检测器包括声电发射探头50和声电接收探头51。

所述声电检测器在测试过程中，沿X/Y方向运动，呈“之”字型走位，完成声电检测器对整个平板模型的声电扫描测试。

所述高温高压釜体通过釜体旋转机构52实现0～180°旋转。

利用上述装置进行高温高压平板模型油气水三相饱和度测试的方法，具体过程如下：

(1)加工平板模型

加工平板模型27，其中包括平板模型盖板47、平板承压腔体49，根据实际井位在平板承压腔体49端面自定义打孔，钻取平板模型注入口28、平板模型采出口29。根据不同井型和井轨迹设计布井管线，如直井，斜井，水平井等，布井管线穿过孔眼埋于平板承压腔体49凹槽。可根据实际储层中隔夹层的位置(隔夹层是指在储层剖面中，在横向上连续或不连续呈现低渗透或不渗透的岩层)，在平板承压腔体49凹槽对应位置填入泥岩或放置不渗透胶条以充当隔夹层。

(2)制作填砂模型并完成模型装配

根据油田现场提供的岩心资料确定填砂方案，将水泥、石英砂、水按一定的比例进行混合，充分搅拌使三者均匀融合，待样品晾干后钻取小柱塞岩心测试其渗透率、孔隙度等物性参数，若符合实验要求，则选取上述配方制作填砂模型48。将配制好的填砂样品倒入平板承压腔体49凹槽，使其填充均匀，并在外力条件下进行胶结，晾干后固化。将胶皮套覆盖于填砂模型48表面，盖上平板模型盖板47，通过紧固螺栓30进行固定和密封。将制作好的平板模型27固定于釜体盖板42内侧端面，在平板模型27正、反两面均安装Y轴方向步进电机35、X轴方向步进电机36、Y轴方向滑轨37、X轴方向滑轨38、Y轴方向滑块39、X轴方向滑块40，并将声电检测器41固定于Y轴方向滑块39上，平板模型27正、反两面均安装加热温控系统34，进行探温和控温。用管线将平板模型注入口28与釜体入口44相连，同时也用管线将平板模型采出口29与釜体出口46相连，超声波信号线、电阻信号线、步进电机控制线、加热电线均从过线器43引出。采用起重设备将平板模型27吊装到与高温高压釜体31齐平位置后缓慢推入，并通过紧固系统33将高温高压釜体31与釜体盖板42进行紧固。按图1连接所有实验装置，并关闭所有阀门，驱替泵1分别通过地层水中间容器14、原油中间容器15、干气中间容器16连接于高温高压釜体入口44，围压泵2连接于围压液注入口45，由过线器43引出的釜体内部线缆连接于声电测试定位控制与数据采集系统22，釜体出口46通过回压阀23依次连接油气分离器24、气量计25、油气色谱仪26，回压阀23顶部连接于回压泵3。

(3)对代表性岩样进行油气水三相饱和度标定处理

由于高温高压大尺度三维物理模型系统21每次装配工作量较大，为保证实验成功率，油气水三相饱和度标定工作将采用步骤2中钻取的代表性小柱塞岩心在小岩心夹持器中单独进行。第一，进行含水饱和度S

(4)配制地层流体样品

取得油田现场生产条件下分离器气样和分离器油样，根据GB/T 26981-2011在原始地层温度T和压力P

(5)将平板模型饱和地层流体并恢复原始地层条件

通过釜体旋转机构52将围压液注入口45置于垂直向上的位置，打开阀门11，通过围压泵2以恒速模式将液压油注入高温高压釜体31，当釜体排空阀有液压油溢出后停止注液，关闭排空阀。通过釜体旋转机构52将高温高压釜体31调节至实验所需角度，打开阀门13，通过回压泵3以恒压模式将回压阀23的回压提升至原始地层压力P

(6)模拟油藏衰竭或驱替过程，对平板模型进行超声波和电阻率线性扫描测试

通过声电测试定位控制与数据采集系统22设置步进电机转速、单次步进距离，电机转速将直接影响声电检测器41的扫描速度，单次步进距离可根据所需测试精度来决定，单次步进距离越小，声电检测器采样点越密集，饱和度测试结果越精确，但实验时间和成本将有所增加。若Y轴方向滑块39仅装配单个声电检测器，则通过声电测试定位控制系统22控制Y轴方向步进电机35带动声电检测器沿Y轴方向滑轨37线性运动，X轴方向步进电机36带动声电检测器沿X轴方向滑轨38线性运动，测试过程中声电检测器沿X/Y方向做“之”字形滑动扫描，直至完成整个平板模型的声电扫描任务，过程中可同时测试声电检测器位置处的声波时差和电阻率；若Y轴方向滑块39装配一排声电检测器，则通过声电测试定位控制系统22控制X轴方向步进电机36带动一排声电检测器沿X轴方向滑轨38线性运动，测试过程中声电检测器仅沿X方向线性滑动，直至完成整个平板模型的声电扫描任务。

若需要测试油藏衰竭开发过程油气水三相饱和度，则通过回压泵3以恒压模式先将平板模型27孔隙压力衰竭至泡点压力P

若需要测试油藏注气开发过程油气水三相饱和度，则打开阀门6、9、10，通过驱替泵1以恒速模式将干气中间容器16的分离器气样以0.1PV为梯度注入平板模型27直至2.0PV(共20次)，每注入0.1PV分离器气，待孔隙压力稳定后，按照上面介绍通过声电检测器41对平板模型27进行声波时差、电阻率测试，并将信息反馈给数据采集系统22，同时收集衰竭过程各级压力下气量计25中分离器气和油气分离器24中分离器油，通过油气藏色谱26做油气色谱分析。

(7)数据处理，定量确定平板模型油气水三相饱和度分布

根据步骤(3)中建立的含水饱和度S