一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置的制作方法

本发明属于火驱开采法模拟技术领域，尤其设置一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置。

背景技术：

稠油在世界的油气资源中占据很大的比例，据统计，世界上证实的常规原油地质储量大约为4200×10⁸m³，而稠油(包括高凝油)油藏地质储量高达15500×10⁸m³；我国目前已在松辽盆地、准葛尔盆地、二连盆地渤海湾盆地等15个大中型含油盆地和地区发现了数量众多的稠油油藏，预测数据显示我国稠油油藏储量高达80×10⁸m³以上。但是，由于稠油具有高粘度和高凝固点的特性，油层渗流阻力过大，使得原油不能从地层流入井筒；即使原油能够流到井底，在从井底向井口流动过程中，由于降压脱气和散热降温而使原油粘度进一步增加，都严重地影响原油的正常进行，使得稠油流动性差，开采难度大。

原油粘度随温度变化而变化的曲线，称为粘温曲线。对于常规原油而言，由于粘温曲线作用不大，往往被人忽视。但对于稠油来说，稠油的粘度随温度变化十分敏感，温度升高，粘度急剧下降。这是稠油热采的最主要的原理——加热降粘机理，也是决定是否进行热力采油的基础。

热力采油主要是针对稠油油藏提高采收率的开采技术，它包括注热水驱、蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层等技术。火烧油层又称为地下燃烧或层内燃烧，亦称火驱开采法，是将空气注入到油层里，经过人工将空气在井下加热到可以点燃原油的温度，或者将空气与原油在油层中自然氧化生热使油层达到燃烧温度的点火过程，使油层实现地下燃烧，地下燃烧过程燃烧掉一部分原油，产生热量形成降粘、蒸馏等一系列效应来帮助采收未燃烧的原油。

油田矿场实际火烧油层是一个大范围的向前燃烧过程，在所燃烧的油层中，热量主要沿着驱油前沿传递，垂直驱油前沿散失的热量很少。实验室物理模拟装置模拟的火烧油层过程与油田矿场实际火烧油层过程最明显区别在于：实验室物理模拟装置模拟的填砂岩心仅仅为油田矿场实际火烧油层过程其中的一部分，通俗地说，实验室模拟的仅仅为真实火烧过程当中的一个子区域。这意味着，在实验室利用物理模拟装置进行火烧油层过程模拟时，需要对物理模拟装置的边界进行温度控制，在垂直驱油前沿方向对填砂岩心进行热量补偿以减少热量损失，模拟油田矿场实际火烧油层过程中热量大部分向前传递，而垂直于驱油前沿方向散失的热量较少的过程，减少热量散失到周围环境中，使热量持续向前聚集，火烧前沿不断向前推进。基于该思路，目前火烧油层实验室物理模拟装置一般采用绝热或热补偿来保证热量沿着驱油前沿传递。为了对实验模式进行绝热处理，减少热量快速传递到周围环境中，对实验装置使用保温材料进行整体保温，是目前该类实验装置的主要绝热手段；在热补偿方面，使用发热带对填砂岩心进行加热，使补充的热量与散失的热量相等，从而补充散失掉的热量。

但是当前的模拟装置有着以下的缺陷及不足：

(1)热量传递的方式包括热传导、热对流、热辐射三种，因此绝热也必然从这三方面入手；但是实际的物理模拟装置是模拟地层的真实火烧油层状态，仅仅使用保温材料进行整体保温的方式在对热量散失量计算不精确的前提下是可行的，但是如果对热量要求做到散失量极小，那么该种绝热方式就不现实了，因为从填砂岩心发热到热量传递到保温材料，再达到热量平衡散失不开，该过程热量就已从填砂岩心散失了部分热量；

(2)部分热补偿装置使用的是加热带，对填砂岩心进行统一加热，但是真实火烧油层是一个向前燃烧的过程，若在未燃烧处进行加热显然是不正确的；

(3)填砂岩心只有上部热跟踪系统，底部没有热跟踪，实际燃烧过程中，上下温差很大；

(4)真实油层是一个高压高温的环境，在模拟高压环境时一般采用注氮气进行围压模拟，从而实现高压的环境。在高压状态下，氮气的密度将大幅增加，此时在物理模拟装置中将会出现重力分异的现象，该现象会导致热量发生热对流，引起不同位置的热量交换，实验模拟真实性不高；

(5)人工点火方式单一，容易导致熄火；

(6)温度、压力测试数据不足，传感器间隔过大，当驱油前沿正好处于两个传感器之间时，就不能准确定位驱油前沿位置及形态。在这种情况下就不能研究火驱驱油前沿前后的宏观热力学特征，也无法研究“油墙”是否存在及存在的形态。

因此，针对以上不足，本发明急需提供一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，以解决现有技术中绝热模拟装置热量计算不精确以及热量补偿装置的热量补偿方式误差较大的问题。

本发明提供了下述方案：

一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，包括反应装置和围压装置，其中所述反应装置包括长条状的密封反应腔构件、填充于所述反应腔构件中的填砂岩心和沿所述反应腔构件轴向方向布置的多组跟踪热补偿装置，所述反应装置用于模拟火烧驱油反应并进行前沿跟踪热补偿；所述围压装置包括长条状的密封围压腔构件和卡装于所述围压腔构件中的定位装置，所述围压腔构件的外壁上设有围压注入口，所述围压注入口用于注入围压介质；所述反应腔构件套装于所述围压腔构件内部并通过所述定位装置与所述围压腔构件固定；在所述围压腔构件的两端还分别安装有注入接头和产出接头，所述注入接头和所述产出接头分别与所述反应腔构件的两端对应连接，所述注入接头用于注入稠油和点火驱油，所述产出接头用于产出稠油。

如上所述的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，进一步优选为，所述跟踪热补偿装置包括岩心热电偶、壁面热电偶和加热瓦，所述岩心热电偶、壁面热电偶和加热瓦分别设置在所述反应腔构件上，所述加热瓦分别与所述岩心热电偶、壁面热电偶信号连接；所述岩心热电偶用于检测岩心温度，所述壁面热电偶用于检测所述加热瓦温度，所述加热瓦用于根据岩心温度和所述加热瓦温度之间的差值进行加热补偿。

如上所述的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，进一步优选为，所述跟踪热补偿装置还包括压力传感器，用于检测岩心压力，进而辅助所述围压装置进行围压控制；所述加热瓦呈三瓣式设置。

如上所述的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，进一步优选为，还包括冷却盘管，所述冷却盘管盘绕在所述反应腔构件外侧的围压腔构件中，并与安装在所述围压腔构件上的冷却液进口和冷却液出口连接，所述冷却盘管用于冷却。

如上所述的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，进一步优选为，所述定位装置包括第一连接箍和第二连接箍，所述第一连接箍和所述第二连接箍分别卡装在所述围压腔构件的两端，并与反应腔构件的两端对应连接。

如上所述的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，进一步优选为，所述第一连接箍和所述第二连接箍中还填充有隔热层，用于隔热。

如上所述的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，进一步优选为，所述反应腔构件包括内套筒、第一定位夹紧堵头和第二定位夹紧堵头，所述第一定位夹紧堵头和所述第二定位夹紧堵头封堵在所述内套筒的两端，所述第一定位夹紧堵头和所述第二定位夹紧堵头分别与所述定位装置对应连接。

如上所述的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，进一步优选为，所述围压腔构件包括外套筒、第一端盖、第二端盖、第一抱箍和第二抱箍，所述第一端盖、所述第二端盖分别封堵在所述外套筒的两端，并分别通过所述第一抱箍和所述第二抱箍紧固连接；所述注入接头、所述产出接头分别与所述第一端盖、所述第二端盖一一对应安装。

如上所述的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，进一步优选为，还包括安装底座，所述安装底座包括钢架和转动架，所述转动架安装在所述钢架上，所述围压腔构件通过管箍对应安装在所述转动架上。

如上所述的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，进一步优选为，所述钢架上还安装有多个载重脚轮，用于移动；所述载重脚轮与所述钢架的连接处还设置有弹簧垫圈，用于减小震动。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

本发明公开了一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，包括反应装置和围压装置，其中反应装置包括长条状的密封反应腔构件、填充于反应腔构件中的填砂岩心和沿反应腔构件轴向方向布置的多组跟踪热补偿装置，用于模拟火烧驱油反应并进行前沿跟踪热补偿；围压装置包括长条状的密封围压腔构件和卡装在围压腔构件中的定位装置，围压腔构件的外壁上设有围压注入口；反应腔构件套装于围压腔构件内部并通过定位装置与围压腔构件固定；在围压腔构件的两端还分别设置有注入接头和产出接头，注入接头和产出接头分别与反应腔构件的两端对应连接，注入接头用于注入稠油和点火驱油，产出接头用于产出稠油。上述装置通过跟踪火烧驱油前沿进行热补偿的方式减少热量的散失，同时降低跟踪热补偿装置对火烧驱油模拟中热量的干扰，使得热量沿着驱油前沿持续传递，燃烧不断进行下去，模拟精度高、误差小。

附图说明

图1为本发明一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置的结构示意图；

图2为本发明一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置的反应装置的主视图；

图3为本发明一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置的反应装置的左、右视图，其中图3a为左视图，图3b为右视图；

图4为本发明一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置的围压装置的主视图；

图5为本发明一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置的围压装置的左端连接结构图；

图6为本发明一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置的围压装置的左视图；

图7为本发明一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置的安装结构的主视图；

图8为本发明一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置的安装结构的左视图。

附图标记说明：

1-内套筒，2-第二定位夹紧堵头，3-第一定位夹紧堵头，4-岩心热电偶，5-压力传感器，6-壁面热电偶，7-加热瓦，8-填砂岩心，9-外套筒，10-第一端盖，11-第二端盖，12-第一抱箍，13-第二抱箍，14-第一连接箍，15-第二连接箍，16-注入接头，17-产出接头，18-冷却盘管，19-冷却液出口，20-冷却液进口，21-第一隔热层，22-第二隔热层，23-原油注入口，24-锁紧螺母，25-点火器，26-围压注入口，27-航空插头，28-密封圈，29-螺栓，30-第一管箍，31-第二管箍，32-转动架，33-钢架，34-弹簧垫圈，35-减速机构，36-载重脚轮，37-支撑座，38-锁紧销组件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-8所示，本实施例公开了一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，包括反应装置和围压装置。反应装置包括密封长条状的反应腔构件、填充于反应腔构件中的填砂岩心8和沿反应腔构件轴向方向布置的多组跟踪热补偿装置，其中反应腔构件用于形成反应腔，填砂岩心8的设置用于模拟油藏中的多孔介质，多个跟踪热补偿装置的设置用于分区段跟踪反应腔构件中模拟的火烧驱油反应的驱油前沿并进行热补偿，一方面降低火烧驱油热量的散失，使其沿着驱油前沿持续传递，燃烧不断进行下去，避免火烧前沿热量降低，提高模拟实验的精度，另一方面，模拟真实的火烧驱油反应，即顺着燃烧的方向进行热量补偿加热，模拟的还原度高。围压装置包括密封长条状的围压腔构件和卡装在围压腔构件中的定位装置，围压腔构件的外壁上设有围压注入口26，其中围压腔构件用于形成围压腔，围压注入口26用于向围压腔构件中注入氮气进行围压模拟，卡装的定位装置相对围压腔构件固定；反应装置套装于围压腔构件内部并通过定位装置与围压腔构件固定；在围压腔构件的两端还分别设置有注入接头16和产出接头17，注入接头16和产出接头17分别与反应腔构件的两端对应连接，其中注入接头16用于向反应腔构件中注入稠油并点火驱油，产出接头17用于产出稠油。进一步的，注入接头16通过设置原油注入通道和点火器分别注入稠油和点火驱油，产出接头通过设置产出通道产出稠油。上述装置是一套适用于实验室科研流程的一种围压火烧油层模拟装置，其主要通过跟踪热补偿的方式减少热量的损失，同时降低跟踪热补偿装置对火烧驱油模拟中热量的干扰，使得热量沿着驱油前沿持续传递，燃烧不断进行下去，模拟精度高、误差小。

如图1-8所示，在本实施例所公开的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置中，跟踪热补偿装置包括岩心热电偶4、壁面热电偶6和加热瓦7，岩心热电偶4、壁面热电偶6和加热瓦7分别设置在反应腔构件上，加热瓦7分别与岩心热电偶4、壁面热电偶6信号连接；壁面热电偶6用于检测加热瓦7温度，即检测反应腔构件的外壁面温度，岩心热电偶4用于检测岩心温度，加热瓦7用于根据岩心温度和外壁面温度的差值进行加热补偿。进一步的，跟踪热补偿装置还包括压力传感器5，用于检测岩心压力，进而辅助围压装置进行围压控制，辅助围压装置采用跟踪填砂岩心8内压的方式进行加压，防止围压过大导致反应腔构件变形。加热瓦7呈三瓣式安装在反应腔构件上，如图3a、图3b所示，用于方便安装并为岩心热电偶4、壁面热电偶6和压力传感器5的安装预留出位置。优选的，跟踪热补偿装置包括两个岩心热电偶4、一个壁面热电偶6、一个压力传感器5和一个加热瓦7，其中多个跟踪热补偿装置的多个岩心热电偶4在反应腔构件上等间距设置，一个壁面热电偶6和一个压力传感器5分别与两个岩心热电偶4位于同一截面上，且壁面热电偶6和与其位于同一截面的岩心热电偶4插装在加热瓦7上，压力传感器5和另一个岩心热电偶4位于相邻两个跟踪热补偿装置的间隙中。上述跟踪热补偿装置的设置，利用具有高灵敏性的温度传感器(即岩心热电偶4和壁面热电偶6)检测火烧前沿和加热瓦7的温度，当驱油前沿不断向前燃烧传播时，通过对比同一截面上岩心热电偶4检测的温度和加热瓦7的温度，控制加热瓦7加热，利用加热瓦7具有功率高、尺寸薄、热容小的特点，快速地升温控温和减少热量损失，从而实现热补偿的自动跟踪功能。且岩心温度的跟踪检测用于避免实际燃烧过程中填砂岩心8表面与中心部分温差大，热量跟踪补偿不准确的问题。三瓣式加热瓦7中每一个加热瓦7的加热功率均经过严格测试，使得三个加热瓦7单位时间内产生的热量近似相等。优选的，加热瓦7加热控制方式采用脉冲式加热，即间歇性地使加热瓦7产生热量，该种加热方式可以防止加热瓦加热功率过大导致热惯性大而引起的超温现象。进一步的，多个跟踪补偿装置中的岩心热电偶4、压力传感器5、壁面热电偶6和加热瓦7均与外接系统软件连接，通过外接系统软件精确控制热量的跟踪补偿。

如图1-8所示，在本实施例所公开的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置中，还包括冷却盘管18，冷却盘管18盘绕在反应腔构件外侧的围压腔中，并与安装在围压腔构件上的冷却液进口20和冷却液出口19连接，用于冷却。真实油层是一个高温高压的环境，在模拟高压环境中一般采用注氮气进行围压模拟，从而实现高压的环境。在高压状态下，氮气的密度将大幅增加，此时在物理模拟装置中将会出现重力分异的现象，该现象会导致热量发生对流，引起不同位置的热量交换，实验模拟真实性不高。为解决这一问题，减少高压围压流体因自身因重力分异产生的热对流，减少热量的径向传递，本实施例在围压腔内设置有冷却盘管18，且冷却盘管18采用下进上出的出水方式，使围压腔内的流体与冷却水充分对流，达到最佳的冷却效果。

如图1-6所示，在本实施例所公开的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置中，定位装置包括第一连接箍14和第二连接箍15，第一连接箍14和第二连接箍15分别卡装在围压腔构件的两端，并与反应腔构件的两端对应连接。进一步的，第一连接箍14和第二连接箍15中还填充有隔热层，即图中与第一连接箍14、第二连接箍一一对应设置的第一隔热层21、第二隔热层22，用于隔热。本实施例中第一连接箍14和第二连接箍15有二个作用：一是用于与反应腔构件的两端对应连接，使填砂岩心8在围压腔中平行放置，二是用于填充隔热层，防止实验过程中产出接头17、注入接头16的温度过高而对实验人员造成危险。

如图1-8所示，在本实施例所公开的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置中，反应腔构件包括内套筒1、第一定位夹紧堵头3和第二定位夹紧堵头2，第一定位夹紧堵头3和第二定位夹紧堵头2封堵在内套筒1的两端，并与定位装置对应连接。对应的第一定位夹紧堵头3、第二定位夹紧堵头2与第一连接箍14、第二连接箍15一一对应设置，用于反应装置的定位；填砂岩心8填充在内套筒1的封闭内腔中，优选的，填砂岩心8使用石英砂，整段内套筒1顶置安装，质量过高将会导致内套筒1弯曲变形；而且火烧过程中燃烧区段的温度极高，同时可能产生co2、h2s等腐蚀性气体；考虑到壁厚越大散热量越大，内套筒1需要使用壁厚小而强度高的材料。优选的，内套筒1使用哈氏合金材料制成，哈氏合金材料属于超低碳型，具有高强度、抗氧化性、耐高温、质量轻等优点，运用于本实施例中，哈氏合金的优点将会得到充分利用。

如图1-8所示，在本实施例所公开的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置中，围压腔构件包括外套筒9、第一端盖10、第二端盖11、第一抱箍12和第二抱箍13，第一端盖10、第二端盖11分别封堵在外套筒9的两端，并通过第一抱箍12和第二抱箍13紧固连接；注入接头16、产出接头17与第一端盖10、第二端盖11一一对应安装。且由于反应装置中使用了大量的热电偶，本装置借用航空插头27具有耐高压耐高温的特性，采用航空插头27的方式将围压腔内的导线引出，即在第二端盖11上预留出航空插头27位置；由于采用航通插头的方式引出导线，为避免过度挤压航空插头27，围压腔构件体采用外套筒9与端盖密封合围、抱箍通过螺栓29夹紧的方式形成。第一端盖10和第二端盖11分别与注入接头16、产出接头17连接，第一端盖10上设置有围压注入口26(即氮气注入口)，用于填充介质并加压。进一步，产出接头17的一端呈倒三角形，卡装在第二端盖11上，注入接头16通过锁紧螺母24安装在第一端盖10的台阶孔中，鉴于注入接头16和产出接头17均与反应装置连接，则调节锁紧螺母24不仅可对整体进行锁紧，还可对填砂岩心8进一步地压实。此外，第一端盖10、第二端盖11与外套筒9之间、第一端盖10、第二端盖11与注入接头16/产出接头17之间均采用耐高温高压的新型o型密封圈28进行密封，可以有效地保护实验的进行。

如图7-8所示，在本实施例所公开的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置中，还包括安装底座，安装底座包括钢架33和转动架32，转动架32安装在钢架33上，围压腔构件通过管箍对应安装在转动架32上，其中管箍包括第一管箍30和第二管箍31，分别从两端固定安装围压腔构件。进一步的，钢架33上还安装有多个载重脚轮36，用于移动；载重脚轮36与钢架33的连接处还设置有弹簧垫圈34，用于减小震动。底座的设置用于放置反应装置和围压装置，通过管箍和支撑座37将实验主体(即反应装置和围压装置)和转动架32进行联接，管箍通过螺栓29进行夹紧。转动架32通过减速机构35可将实验主体进行360°旋转，转动架32上设计有锁紧销组件38，可将实验主体在任意角度锁紧限位，从而模拟任意地层倾角。钢架33连接弹簧垫圈34和载重脚轮36，可自由推动装置并减少装置的震动。

本实施例中，设置与注入接头16上的点火器25有多点，具体的在原油注入口23的周围均匀布置4个点火器25，该种点火方式可以同时进行人工点火，有效地放置出现洗或或者横截面上只燃烧一半的现象。

本实施例中，同一跟踪热补偿装置、相邻两跟踪热补偿装置中岩心热电偶4相隔距离很小，具体因实验装置尺寸而变化，可以可以灵敏地感应到驱油前沿的位置。

与现有技术相比，本发明所公开的一种火烧驱油前沿热补偿跟踪实验装置，具有以下有益效果:

1、本发明反应腔构件上设置的多个跟踪热补偿装置通过跟踪火烧驱油前沿进行热补偿的方式减少热量的散失，同时降低跟踪热补偿装置对火烧驱油模拟中热量的干扰，模拟精度高、误差小；

2、本发明中通过岩心热电偶4、壁面热电偶6和加热瓦7的设置，同时兼顾火烧驱油的岩心温度和外层温度，配合加热瓦7功率高、尺寸薄小、热容小的特点，能够快速地升温控温以减少热量散失，灵敏性高、控温精度高；

3、本发明中通过设置压力传感器5，辅助围压装置采用跟踪填砂岩心8内压的方式进行加压，防止围压过大导致内套筒1变形无法使用；

4、本发明中，加热瓦7采用圆周三瓣式安装，一方面方便安装，另一方面，为热电偶预留安装位置；此外采用脉冲式加热控制方式进行加热瓦7加热，防止加热瓦7加热功率过大导致热惯性大而引起超温现象；

5、本发明中，通过设置冷却盘管18并采用下进上出的方式，使围压腔内的流体与冷却水充分对流，达到最佳的冷却效果，减少了高压围压流体因自身重力分异产生的热对流，减少热量的径向传递；

6、本发明中，转动架32通过减速机构35可将实验主体进行360度旋转，转动架32上设置有锁紧销组件38，可将实验主体在任意角度锁紧，从而模拟任意地层倾角；

7、本发明中，通过设置外接系统软件，并通过系统关键对比同一截面上岩心热电偶4检测的温度，进而控制加热瓦7加热，实现热补偿的自动跟踪功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。