一种填砂管组合装置及其边界温度控制方法与流程

本发明属于能源与环境领域，涉及一种填砂管组合装置及其边界温度控制方法。

背景技术：

目前，全球常规石油资源储量约为3×10¹²～4×10¹²桶，非常规石油资源储量(稠油和油砂沥青)的储量接近8×10¹²桶，是常规石油资源的两倍。就可采储量而言，稠油和沥青合计约5.6万亿桶，是常规油的五倍以上。随着常规石油储量的急剧减少和石油需求量的持续增加，稠油和沥青的开发势在必行。稠油和沥青粘度高、流动性差，其粘度随温度升高呈指数规律减小，因此注入热流体加热降黏的方法成为了主要的开发方式。

油田现场进行注热流体热力开发前，需要对开发过程的机理和主要特征等规律进行模拟和实验研究，室内热采实验研究是探究开发机理，为矿场先导试验提供指导的最主要手段之一。目前在热采驱油模拟中，填砂管放置在与注入热流体相同温度的恒温装置中，这与原始油藏温度较低的特点不符；且填砂管模型一般不具备多维度的温度压力数据监测采集功能。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供一种填砂管组合装置及其边界温度控制方法，能够提高模拟的准确性。

本发明填砂管组合装置的技术方案是：

包括中空圆筒状的填砂管本体，填砂管本体的两端连接堵头密封形成腔体，填砂管本体的外侧套接加热套，堵头轴向中心处均开设有与腔体相连通的第一通孔；填砂管本体上装有若干个第一测量接头，加热套上装有第二测量接头，第二测量接头内安装有用于测量填砂管本体外壁温度的温度测量装置，其中与第二测量接头对称设置的第一测量接头内安装有用于测量填砂管本体内壁温度的温度测量装置；测量填砂管本体内壁温度和外壁温度的温度测量装置、温控器、功率调节装置以及加热套依次连接，共同组成温度控制系统。

进一步地，加热套为分段式可拆卸结构，且每段均包括加热电阻和保温基质；在堵头端部设置有保温基质，且该保温基质上开设有与第一通孔相连通的第二通孔。

进一步地，与第二测量接头非对称设置的第一测量接头内安装有压力传感器、温度传感器或取样装置，温度传感器和压力传感器均与数据采集控制系统相连。

进一步地，填砂管本体和加热套上沿轴向等间距设置若干个测量截面，每个测量截面上都设置有若干个第一测量通孔和一个第二测量通孔，第一测量通孔和第二测量通孔在测量截面上均匀分布；其中，第一测量通孔开设在加热套和填砂管本体上，第一测量接头安装在第一测量通孔内；第二测量通孔开设在加热套上，第二测量接头安装在第二测量通孔内。

进一步地，堵头由一体同轴的第一圆柱和第二圆柱组成，其中，第一圆柱的外径与填砂管本体的外径相等，填砂管本体的端面上设置凸环，第一圆柱的内端面上设有凹环，凹环的底部均安装有密封圈，凸环穿入相对的凹环中且与密封圈相接；第二圆柱上设置外螺纹且与填砂管本体相连。

进一步地，堵头的内端面上开设凹台，凹台内安装有能够拆卸的过滤装置。

本发明边界温度控制方法的技术方案是：

在向充填好岩心砂的腔体中注入地层水形成饱和水环境以及注入原油形成饱和油环境的过程中，使用温度控制系统的温度控制模式，温度控制系统获取填砂管本体的内壁温度T₁或外壁温度T₂，通过功率调节装置调节加热套加热功率，来控制T₁或T₂与目标温度相等，目标温度设置为原始油藏温度，形成恒温边界；

在向腔体中注入驱替介质的过程中使用温度控制系统的温差控制模式，温度控制系统获取填砂管本体的内壁温度T₁和外壁温度T₂，通过功率调节装置调节加热套加热功率，来控制T₁与T₂的温差为零，形成绝热边界。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过测量模型管本体内壁温度和外壁温度的温度测量装置、温控器、功率调节装置和加热套构成的一套温度控制系统，能够根据不同过程需求，对加热套的加热功率进行调节，形成对填砂管本体进行的温度控制模式或温差控制模式，在向模拟岩心中注地层水形成饱和水环境以及注油形成饱和油环境的过程中，使用温度控制系统的温度控制模式，温度控制系统将控制填砂管本体内壁温度T₁或外壁温度T₂为原始油藏温度，形成恒温边界；在向模拟岩心中注入热流体等驱替介质驱油的过程中，使用温差控制模式，控制填砂管本体的内壁和外壁温差为0，使得填砂管本体内壁面形成了绝热边界。这与原始油藏温度较低、在注入热流体等驱替介质后油藏温度逐步升高的特点相符，提高了模拟的精确性。

进一步地，本发明通过将加热套设置为分段式可拆卸结构，每一段的组成和工作原理相同，便于分段加热精确控温和拆卸维护。

进一步地，本发明通过在轴向设置若干个测量截面和同一截面内设置若干个第一测量接头，在第一测量接头内安装用于测量腔体内压力的压力传感器、测量腔体内温度的温度传感器或取样装置，能够实现对腔体中温度场和压力场等多维度的监测采集或者取样分析；并且温度传感器的探头位置、压力传感器的探头位置以及取样装置的取样位置可以在径向上调节。

【附图说明】

图1是本发明的组合装置结构示意图。

图2是图1中A-A剖视图，与B-B剖视图、C-C剖视图、D-D剖视图、E-E剖视图、F-F剖视图、G-G剖视图相同。

图中：1-加热套，11-保温基质，12-加热电阻，2-填砂管本体，21-凸环，3-密封圈，4-堵头，41-凹台，42-凹环，5-过滤装置，6-第一测量接头，7-第二测量接头，8-腔体，a、b、c、d、e、f、g、h为同一截面上等夹角设置的第一测量接头和第二测量接头的位置。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明包括填砂管本体2，填砂管本体2的两端通过螺纹连接堵头4密封形成腔体8，填砂管本体2为中空圆筒，圆筒内壁经过毛化处理。填砂管本体2和两端堵头4的外侧套接加热套1，堵头4轴向中心处均开设有与腔体8相连通的第一通孔；加热套1上装有第二测量接头7，第二测量接头7内安装有用于测量填砂管本体2外壁温度的温度测量装置；填砂管本体2上装有若干个第一测量接头6，其中与第二测量接头7对称设置的第一测量接头6内安装有用于测量填砂管本体2内壁温度的温度测量装置。

加热套1为分段式可拆卸结构，本发明中以7段为例，可以根据需要增减分段数量，每一段的组成和工作原理都相同，每段均包含加热电阻12和保温基质11；在堵头4端部设置有保温基质，且该保温基质上开设有与第一通孔相连通的第二通孔。

填砂管本体2和加热套1上沿轴向等间距设置若干个测量截面，数量与加热套分段数一致，其位置分布如图1所示，分别为A-A测量截面，B-B测量截面、C-C测量截面、D-D测量截面、E-E测量截面、F-F测量截面和G-G测量截面。每个测量截面上都设置有若干个第一测量通孔和一个第二测量通孔，第一测量通孔和第二测量通孔在测量截面上均匀分布；其中，第一测量通孔开设在加热套1和填砂管本体2上，第一测量接头6安装在第一测量通孔内；第二测量通孔开设在加热套1上，第二测量接头7安装在第二测量通孔内。

本发明的第一测量接头6和第二测量接头7的数量由填砂管本体2轴向选取的测量截面数量和同一横截面上的数量共同决定，可以根据实际需要增加或减少，未安装传感器或取样装置的第一测量接头6也可以通过死堵密封。本发明中以夹角45°为例，可以根据需要改变夹角度数，位置分布如图2所示，分别为a位置、b位置、c位置、d位置、e位置、f位置、g位置和h位置。

第一测量接头6中d位置均安装测量填砂管本体2内壁温度T₁的温度测量装置，温度测量装置的探头伸入到与填砂管本体2的内壁紧密接触处，a、b、c、e、f、g位置可安装温度传感器、压力传感器或取样装置，且温度传感器、压力传感器或取样装置的探头位置可根据研究需要进行径向距离调节。第二测量接头7位于h位置处，其内均安装温度测量装置，温度测量装置的探头伸入到与填砂管本体2的外壁紧密接触处。

以图2所示为例说明传感器探头位置，腔体8内直径为D，其中A-A测量截面上a位置、b位置、c位置、e位置和g位置处的第一测量接头6内安装温度传感器，a位置、c位置、e位置和g位置处温度传感器探头伸入腔体8内1/4D长度处，b位置处探头位于1/2D长度，即圆心处，f位置处的第一测量接头6内安装压力传感器，压力传感器探头位于圆心处。C-C测量截面、E-E测量截面和G-G测量截面上的所有位置测点的布置情况与A-A测量截面相同。B-B测量截面上a位置、c位置、e位置和g位置处的第一测量接头6内压力传感器，a位置、c位置、e位置和g位置处压力传感器探头伸入腔体8内1/4D长度处，f位置处压力传感器探头位于1/2D长度，即圆心处，b位置处的第一测量接头6内安装温度传感器，b位置处温度传感器探头位于圆心处。D-D测量截面和F-F测量截面上的所有位置测点的布置情况与B-B测量截面相同。

温度传感器通过外接数据采集控制系统后可获得填砂管本体内的温度场分布，压力传感器通过外接压力或压差变送器后再经过数据采集控制系统后可获得填砂管本体内的压力场分布。

堵头4由一体同轴的第一圆柱和第二圆柱组成，其中，第一圆柱的外径与填砂管本体2的外径相等，第一圆柱的内端面上均设有凹环42，填砂管本体2的两端面上均设置凸环21，与两端堵头4上的凹环42相匹配，凹环42的底部均安装有密封圈3，凸环21分别穿入相对的凹环42中且与密封圈3相接；堵头4的内端面即第二圆柱端面上开设凹台41，凹台41内安装有能够拆卸的过滤装置5；堵头4与填砂管本体2之间通过设置在堵头4的第二圆柱上的外螺纹与设置在填砂管本体2内壁的两端的内螺纹进行装配，通过密封圈3实现对腔体8的密封。

本发明的温度控制系统由测量模型管本体2内壁温度和外壁温度的温度测量装置、温控器、功率调节装置和加热套1共同组成，每一段温度控制是相互独立的，内壁温度T₁和外壁温度T₂信号送入温控器中，温控器通过功率调节装置控制加热套1中加热电阻12的功率实现温度控制。该系统具有温度和温差控制模式两种控制模式，在温度控制模式下，给定目标温度，通过控制加热功率将T₁或者T₂控制到目标温度；在温差控制模式下，给定目标温差，通过控制加热功率将ΔT＝T₂-T₁控制到目标温差。本发明的边界温度控制方法具体如下：

在向充填好岩心砂的腔体8中依次注入地层水形成饱和水环境、注入原油形成饱和油环境的过程中使用温度控制系统的温度控制模式，设置原始油藏温度作为目标温度，控制填砂管本体2的内壁温度T₁与目标温度相等，形成恒温边界；

在向模拟岩心中注入热流体等驱替介质驱油的过程中使用温度控制系统的温差控制模式，设置0作为目标温差，控制填砂管本体2的外壁温度T₂和内壁温度T₁的温差ΔT等于0，填砂管本体2内壁温度与外壁温度相同，形成了绝热边界。