一种带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验方法及装置与流程

本发明涉及一种实验方法和装置，尤其涉及一种带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验方法及装置，属于油藏开采技术领域。

背景技术：

在过去的几十年内，用比例缩小的物理模型研究注蒸汽稠油开发物模技术取得了巨大的成功，为理论研究和机理认识奠定了重要的基础，并且形成了一些重要的研究手段和方法。

因为物理模拟实验是使用系统B来模拟真实油藏系统A，两套系统的尺寸不是一个数量级，但为了使得两套系统内部的主要物理过程完全相同，需要有一套约束条件，以保证在系统B中观察到的现象能直接放大到系统A中，从而指导系统A的运作。主要包括初始条件，边界条件。其中，初始条件是指系统A中油藏未动用之前的状态或参数，如油藏初始温度、初始压力、初始含油饱和度、初始地应力等在系统B中也要完全一致。边界条件是指系统A油藏的边界，一般为非流动边界、绝热边界，这些在系统B中也应该完整的体现出来。

对于室内物理模拟实验而言，要根据研究对象的不同，在一系列无因次项中做取舍。但最基本的原则是：重要的物理过程相似、初始条件相似、边界条件相似。以最常用的PB准则为例，它通过几何相似、传热过程相似、驱动力和阻力比相似等，提出了一套比例模化方法，根据这套模化方法，可以设计实验参数并将实验结果放大到现场级别，从而进行生产预测及对现场调控指导，该方法得到了广泛应用。常规的模型装置有两种做法：

一、采取长方体硬壁模型，约束位移边界，内部填砂压实。该方法简单易行，但热损失大，无法测量、控制应力应变等参数；

二、采取薄壁模型放入高压舱内并施加围压，实际上形成静水压力环境，模型可在任何方向上变形。该方法相对复杂，优势是热损失相对较小。同样不具备测量、控制应力应变等参数的能力。

近年来，微压裂储层改造、剪涨扩容提高产油速率等新的技术用于降本增效，逐渐得到重视。而这些技术的核心是对地应力的改造，从而实现局部孔渗条件的改善。

地应力是存在于地壳中的应力。即由于岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力。它一般包括两部分：(1)由覆盖岩石的重量引起的应力，它是由引力和地球自转惯性离心力引起的；(2)由邻近地块或底部传递过来的构造应力。这种应力是指与标准状态差异的部分，它除包括由邻近地块或底部传来的现代构造应力外，还包括过去构造运动残留下来而尚未完全松弛掉的残留应力，以及附近人为工程(如隧洞、开采面)引起的应力变化。构造应力直接反映地壳运动的动力源，它是造成地震的一个重要因素。在构造应力强烈的地区开挖隧洞，由于洞壁成为自由表面容易变形，使洞体逐渐缩小或造成坍塌，因此研究地应力具有重要的意义。

地应力是客观存在并影响采油过程的重要因素，因而真实反应地应力环境是完善室内模拟的基础，包括初始条件和边界条件，对于在室内研究油砂剪涨、微裂纹扩容、局部起裂等现象至关重要。但是，常规物理模型中，没有偏应力存在，无法产生剪胀现象；也无法反映抬升、裂缝等重要热采现象。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可以在地应力条件下反应重要的物理过程，完善初始条件和边界条件的注蒸汽稠油开采实验方法及装置。

为了实现上述技术目的，本发明首先提供了一种带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置，该带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置包括高压舱和模型本体；

其中，模型本体设置于高压舱内；

模型本体为长方体，长方体包括前表面、后表面、左表面、右表面、上表面和下表面；

前表面和所述右表面设置有油囊；

上表面与前表面、后表面、左表面、右表面间为活塞式连接结构；

下表面与前表面、后表面、左表面、右表面间设置为刚性连接。

根据本发明的具体实施方式，下表面与前表面、后表面、左表面、右表面间设置为刚性连接的目的是为防止结构变形。

在本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置中，优选地，油囊的展开面积与右表面的面积相匹配。

在本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置中，油囊的展开面积与右表面的面积相匹配，面积大小相近，使得油囊内部的压力更容易与右表面所受的压力及模型在该方向的压力大小相等。

在本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置中，优选地，模型本体为金属材料制成的模型本体。

在本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置中，优选地，模型本体的壁厚为4cm-8cm。

在本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置中，优选地，前表面和右表面分别设置有管线孔。

根据本发明的具体实施方式，设置管线孔用于穿过油囊和外部柱塞泵的连接管线。

在本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置中，优选地，模型本体的尺寸根据目标油藏的尺寸，通过相似处理确定。

相似处理是指几何相似，比如，目标油藏大小为400×100×25米，选择相似比例为100倍，则物理模型尺寸为400×100×25厘米，比例相似是是油藏尺寸与室内模型尺寸之间的桥梁。

本发明还提供了一种带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验方法，该带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验方法是通过上述带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置完成的，该带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验方法包括以下步骤：

向模型本体内，进行预充压液和填砂；

根据目标油藏的水平最大主应力和水平最小主应力对所述模型本体进行充压，作为水平最大主应力和水平最小主应力；

根据目标油藏的垂向主应力向所述高压舱内充压，作为垂向主应力，并保持恒定；

进行注蒸汽开采，并记录所述模型本体内的压力变化，观察地应力的动态变化，完成带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验。

在本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验方法中，优选地，进行预充压液和填砂的步骤时，先进行预充液的步骤再进行填砂的步骤。

根据本发明的具体实施方式，本发明的方法中的注蒸汽开采与常规的注蒸汽开采的步骤基本一致，通常包括：抽真空饱和水、带压饱和油、降温老化、注蒸汽注采等步骤。

在本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验方法中，优选地，确定水平最大主应力和水平最小主应力的方向时，以水平方向中的任选一个方向作为水平最小主应力的方向，水平最大主应力的方向与水平最小主应力的方向正交。

在本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验方法中，优选地，根据现场微压裂测试，获得水平最小主应力σh；根据测井曲线对密度积分，获得垂向主应力σV；根据Kaiser效应实验，获得水平最大主应力σH。

根据本发明的具体实施方式，水平最大最大主应力σH可以通过经验关系获得。其中，微压裂测最小主应力、kaiser实验测水平最大主应力，可以获得水平最大主应力与水平最小主应力的比值。如某区块的比值为1.5，当我们在相邻的区块测出水平最小主应力时，可以参考该比值来推算水平最大主应力。

本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置可以真实模拟与地应力相关的物理过程，施加独立的应力应变边界：垂向上的恒定应力、周壁上的恒定应变条件、同时施加初始应力条件。

本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置和方法通过以下几个方面实现模拟：

完善初始条件-地应力初始条件

油藏在初始状态有一个地应力环境，它是由沉积过程及构造等因素形成。初始地应力状态很大程度上决定了注采活动形成的裂缝的延展方向，同时也影响注汽过程中的剪胀程度。可通过现场微压裂测试，获得水平最小主应力σh；根据测井曲线对密度积分获得垂向主应力σV；根据经验关系或者Kaiser效应实验计算水平最大主应力σH；物理模型在填砂饱和水、填砂饱和油并建立初始空隙压力、油藏温度后，应该选择相应的面施加相应的正应力。

选择相应界面施加相应的正压力具体根据以下步骤进行：

首先根据上文描述的地应力测试方法，获得三向主应力。以σH>σV>σh为例，应该选择模型的任一水平方向作为水平最大主应力方向σH，并在与此方向垂直的面上施加相应的水平最大主应力σH(在该面接触的油囊内充液)；接着在水平面内的另一方向上施加水平最小主应力σh，方法与σH相同。σH与σh都在水平面内且正交；最后在高压舱内部充气，产生垂向主应力σV的压力，该压力作用在活塞上，产生垂向位移，并形成垂向主应力σV。

完善边界条件-应力应变边界条件

在注蒸汽稠油开发过程中，蒸汽从井筒注入油层，并慢慢扩展形成汽腔。汽腔内及附近的受热储层将受到膨胀、剪胀等作用，但无法向水平方向及油藏底部进行变形，而是通过泊松效益向垂向向上发生抬升释放，这也是大量热采井会发生一定程度的地面抬升的原因。在相应的动态物理模型中就涉及到了边界应力问题，本发明的注蒸汽稠油开采实验装置中，将上表面的边界设置有可移动的自由边界，可以在受热膨胀、剪胀等作用下自由抬升；其它5个面是固定边界，约束岩石的变形。而常规模型中仅仅用上、底面、四个侧面作为非流动边界，没有合理的应力应变边界。

反映重要物理过程；

常规物理模型中，没有偏应力存在，无法产生剪胀现象；也无法反映抬升、裂缝等重要热采现象以及不同埋深油藏的地应力特征；一般的井下压裂都遵循如下的规律：

浅层σV<σh<σH，最小主应力在垂向上，提压注汽容易形成水平裂缝；

中浅层σh<σV<σH，最小主应力在水平向上，提压注汽容易形成垂直裂缝；

深层σh<σH<σV，最小主应力在水平向上，提压注汽容易形成垂直裂缝；

而本申请的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置和方法可以反映重要的物理过程，如产生抬升、裂缝等与地应力变化密切相关的物理现象。

本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置和方法和现有技术相比，具有以下有益效果：

可以模拟注蒸汽导致的热抬升过程，直接测量抬升量与相关操作参数如温度、压力、注采速率等的关系；

可以模拟目标油藏提压注流体起裂的过程；

可以直接测量热采过程中的地应力变化过程；

本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置的模型本体的上表面为活塞结构，填砂孔隙度可以接近地层条件，这是常规装置依靠人工压实是很难做到的；

本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置的高压舱内填充气体大大降低了热损失。

附图说明

图1为实施例1的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置的结构示意图。

图2为实施例1的油囊充液加载和测量水平应力示意图。

图3为实施例1的地应力加载效果示意图。

图4为实施例1的主应力变化曲线。

图5为实施例1的抬升量曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

本实施例提供了一种带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置，其结构如图1所示，该带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置包括高压舱和模型本体；

其中，模型本体设置于高压舱内；

模型本体为长方体，长方体包括前表面、后表面、左表面、右表面、上表面和下表面；前表面和所述右表面设置有油囊(如图2所示)，油囊的展开面积与右表面的面积相近，连接油囊与外部柱塞泵的管线穿过前表面和右表面；上表面为活塞式结构，可以上下移动；

下表面与前表面、后表面、左表面、右表面间设置为刚性连接，阻止模型本体变形。

模型本体为金属材料制成的模型本体，壁厚为4cm-8cm。

本实施例还提供了一种利用带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置完成的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验方法，具体包括如下步骤：

在模型本体内部布置油囊(任选正交的两垂直侧面上)，填140目的石英砂；

根据测试获得的目标油藏地应力数据，获得三向主应力，如图3所示，图3为目标油藏的地应力状态示意图。以σH>σV>σh为例，应该选择模型的任一水平方向作为水平最大主应力方向σH，并在与此方向垂直的面上施加相应的应力σH(在该面接粗的油囊内充液)；接着在水平面内的另一方向上施加应力σh，方法与σH相同。σH与σh都在水平面内且正交；最后在高压舱内部充气，产生σV的压力，该压力作用在活塞上，产生垂向位移，并形成垂向主应力σV。

模型抽真空，排出模型砂内部的气体；

模型饱和水，将模型砂内部孔隙空间充满水；

模型饱和油，提高模型温度到80°左右，缓慢注入原油驱替孔隙水，形成初始含油饱和度和束缚水饱和度；

冷却降温老化。

以埋深为400米的某稠油油藏为例，介绍注蒸汽注采实验步骤：

蒸汽发生器提供250℃、4MPa、10mL/min的高温饱和蒸汽，蒸汽经输汽管线注入模型内的注汽井，受热原油及冷凝液流入生产井并被产出。随着注采过程的进行，模型内部的蒸汽腔不断扩大。同时由于蒸汽腔内部流体及岩石颗粒受热膨胀，模型上方的活塞将向上部移动，通过测量活塞的相对位移即可获得抬升量，实验结果见图5，使用实验数据可以预测热采项目中地表的抬升量；

实验过程中油囊不注油也不外排，当水平方向应力发生变化时，油囊内部压力随着变化，通过与之相连的压力传感器等设备可以直接测量在注采过程中的水平方向地应力变化过程，实验结果见图4，反应在受约束的边界条件下，水平向主应力发生了变化，即地应力状态随着开发过程的进行而动态变化。

以上实施例说明，本发明的带地应力条件的注蒸汽稠油开采实验装置和方法可以模拟目标油藏提压注流体起裂的过程，直接测量热采过程中的地应力变化过程，大大降低了热损失。