本发明涉及油藏开采技术领域，特别是涉及一种注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔的形成装置和实验方法。
背景技术：
随着石油的不断开采，我国石油开采进入了中后期，主要面临着稠油和超稠油的开采。实践证明注蒸汽热力采油是行之有效的开采方式之一。注蒸汽热力采油主要包括：蒸汽驱、蒸汽吞吐、sagd等技术。在这些技术中蒸汽腔的发育好坏直接影响着采油效率的高低。因此，有必要研究在注蒸汽过程中蒸汽腔的发育情况。
在注蒸汽过程中，注过热蒸汽与注湿蒸汽相比有很大的优势。其主要表现在：相同条件下过热蒸汽能携带更高的热量，更大程度上加热原油，增强其流动性；注过热蒸汽，能保证蒸汽进入井底后有较高的干度，干度越高，蒸汽的比体积就越大，扩展空间就大；且蒸汽相对于液体有更好的渗透性，在相对低渗透的油藏内有更大的优势。
一些研究者围绕过热蒸汽对地面管线热损失、井筒散热、井筒隔热油管、注汽管柱的热应力及抬升量、储层的开发效果等一系列问题展开了讨论和研究。但这些技术绝大部分基于理论的模拟计算，并未进行实质的完整的物理模型实验。现有的物模实验主要是湿蒸汽驱替的单双管实验，实验过程中产生的过热蒸汽经管线达到模型后都变成了湿蒸汽，无法模拟过热蒸汽状态下的驱替过程，更无法形成注过热蒸汽状态下的蒸汽腔。
因此，如何提供一种注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔的形成装置和实验方法，以填补现有技术的空白，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔的形成装置和实验方法，以填补现有技术的空白。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔的形成装置，包括水池、平流泵、柱塞容器、蒸汽发生器、伴热装置、填砂模型、恒温箱、背压系统、采集装置和控制系统，所述水池与所述平流泵通过管路相连，平流泵的出液端通过管路分别与所述蒸汽发生器的进液端和所述柱塞容器的进液端相连，所述蒸汽发生器的出液端和所述柱塞容器的出液端均通过管路与所述填砂模型的进液端相连，所述伴热装置设置于所述蒸汽发生器和所述柱塞容器与所述填砂模型之间的所述管路上，所述填砂模型的出液端通过管路与所述采集装置相连，所述填砂模型的进液端和出液端处分别设置有压力传感器，所述填砂模型与所述采集装置之间的管路上设置有背压系统，所述柱塞容器和所述填砂模型设置于所述恒温箱内，所述恒温箱内设置有加热装置，所述控制系统分别与所述平流泵、所述加热装置和所述压力传感器电连接，所述蒸汽发生器和所述柱塞容器所在支路分别设置有阀门，所述填砂模型包括外箱体和内箱体，所述外箱体和所述内箱体均包括可拆卸连接的底座和箱盖，所述外箱体和所述内箱体均为隔热材料制成。
优选地，所述背压系统包括依次通过管路连接的背压装置、缓冲液罐、阀门、调压阀和氮气瓶，所述背压装置设置于所述填砂模型与所述采集装置之间的所述管路上。
优选地，所述加热装置为盘管加热装置，所述恒温箱内还设置有风扇。
优选地，所述蒸汽发生器内设置有加热控温系统和压力检测系统，所述加热控温系统和所述压力检测系统能够实现超温、超压断电保护。
优选地，所述填砂模型上设置有测温元件和测压元件，所述测温元件和所述测压元件与所述填砂模型密封连接，所述控制系统分别与所述测温元件和所述测压元件电连接。
优选地，所述外箱体的材料为耐热橡胶，所述内箱体的材料为隔热板。
优选地，所述柱塞容器为多个，多个所述柱塞容器间相互并联。
优选地，所述采集装置包括计量泵、两个采出液收集装置和两个三通阀，所述背压装置和两个所述采出液收集装置分别通过管路与一所述三通阀相连，所述计量泵和两个所述采出液收集装置分别通过管路与另一所述三通阀相连。
本发明还公开了一种注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔实验方法，包括依次进行的填砂过程、饱和水过程、饱和油过程、蒸汽产生过程和驱替过程；
其中，填砂过程包括：
1)根据所模拟的地层孔隙度、渗透率等参数，选取对应粒径的石英砂；
2)将所述石英砂在填砂模型内进行分层压实；
3)待填砂完毕后，盖上所述填砂模型的箱盖，进一步压实，完成填砂过程；
饱和水过程包括：
1)利用真空泵将填充好所述石英砂的所述填砂模型抽真空；
2)利用真空度将去离子水吸入所述填砂模型中，进行饱和水，计量吸入水的体积；
3)根据所述填砂模型的结构尺寸和饱和水的体积，计算所述填砂模型的孔隙度；
饱和油过程包括：
1)开启所述恒温箱，设置所述恒温箱的温度；
2)打开柱塞容器与所述填砂模型之间的伴热装置，设置所述伴热装置的温度；
3)开启所述平流泵，设置所述平流泵的流量，推动所述柱塞容器开始常压饱和油过程；
4)记录饱和油量，计算所述填砂模型的含油饱和度；
蒸汽产生过程包括：
1)打开蒸汽发生器，设置温度；
2)开启所述平流泵，设定流量，打开所述蒸汽发生器出口的放空阀；
3)打开所述蒸汽发生器与所述填砂模型之间的伴热装置，设置温度；
4)待加热至所需温度，关闭所述放空阀，打开所述填砂模型进液端处的阀门；
5)设置所述平流泵的流量，开始注汽；
驱替过程包括；
1)设置回压装置的回压；
2)待采集装置开始有油样流出时，收集记录采出液的量；
3)待采出液的含水率达到0.98以上，关闭所述填砂模型进液端的阀门，停止实验；
4)打开所述放空阀，关闭所述蒸汽发生器
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过多区域温控、强制对流换热来模拟地层温度，通过模型内部多点测温来实现对模型蒸汽腔扩展情况的检测，并能够探究驱替前后储层孔隙度、渗透率、含油饱和度的变化规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔的形成装置的示意图；
图2为填砂模型的结构示意图；
图3为本发明注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔实验方法的流程图；
附图标记说明：1—水池，2—平流泵，3—柱塞容器，4—蒸汽发生器，5—伴热装置，6—风扇，7—盘管加热装置，8—填砂模型，9—恒温箱，10—背压装置，11—氮气瓶，12—缓冲液罐，13—调压阀，14—采出液收集装置，15—计量泵，16—阀门，17—三通阀，18—控制系统，19—隔热板，20—密封件，21—耐热橡胶，22—热电偶。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔的形成装置和实验方法，以填补现有技术的空白。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-3所示，本实施例提供一种注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔的形成装置，包括水池1、平流泵2、柱塞容器3、蒸汽发生器4、伴热装置5、填砂模型8、恒温箱9、背压系统、采集装置和控制系统18。
水池1与平流泵2通过管路相连，平流泵2的出液端通过管路分别与蒸汽发生器4的进液端和柱塞容器3的进液端相连，蒸汽发生器4的出液端和柱塞容器3的出液端均通过管路与填砂模型8的进液端相连，填砂模型8的出液端通过管路与采集装置相连，背压装置10设置于填砂模型8与采集装置之间的管路上。蒸汽发生器4和柱塞容器3所在支路均设置有阀门16，通过控制该阀门16的开闭，可以使水池1中的水在平流泵2的驱动下从蒸汽发生器4支路流入填砂模型8；也可使供水系统提供的水流动至柱塞容器3支路，推动柱塞容器3内的油液流入填砂模型8。蒸汽发生器4的电源开启时，水以蒸汽形式输送至填砂模型8；蒸汽发生器4的电源关闭时，水直接输送至填砂模型8。采集装置用于对填砂模型8的出液端流出的液体进行采集，以便根据采集得到的数据对孔隙度、渗透率、含油饱和度等参数进行计算。
伴热装置5设置于蒸汽发生器4和柱塞容器3与填砂模型8之间的管路上，以防止蒸汽发生器4中产生的蒸汽在管路内向填砂模型8输送时凝结，或柱塞容器3中的油液在管路内向填砂模型8输送时冷却。本实施例中，柱塞容器3为多个，多个柱塞容器3间相互并联，从而通过一套实验设备进行多组实验，提高了实验效率。
填砂模型8的进液端和出液端处分别设置有压力传感器，填砂模型8与采集装置之间的管路上设置有背压系统。渗透率是指在一定压差下，岩石允许流体通过的能力。通过设置压力传感器，可根据压力数据将填砂单管两端的压差维持在一定范围内，以便于渗透率的测定。
柱塞容器3和填砂模型8设置于恒温箱9内，恒温箱9内设置有加热装置，控制系统18分别与平流泵2、加热装置和压力传感器电连接。由于稠油随着温度的升高其黏度显著降低，本实施例通过设置恒温箱9和伴热装置5模拟稠油热采过程，从而增大油藏驱油动力，降低油层流体的黏度，防止油层中的结蜡现象，减少油层渗流阻力。
加热装置优选为盘管加热装置7，控温范围0～150℃。恒温箱9内还设置有风扇6，通过风扇6驱动热空气循环流动来模拟地层温度，使恒温箱9内各处温度保持一致。
蒸汽发生器4同样采用盘管加热，其加热功率10kw，最高能产生400℃的高温蒸汽。蒸汽发生器4内设置有加热控温系统和压力检测系统，加热控温系统和压力检测系统能够在温度或压力达到设定值后自动断电，从而实现超温、超压断电保护。
填砂模型8包括外箱体和内箱体，外箱体和内箱体均包括可拆卸连接的底座和箱盖，外箱体和内箱体均为隔热材料制成。外箱体的材料为耐热橡胶21，内箱体的材料为隔热板19，优选为云母隔热板。
填砂模型8上设置有测温元件和测压元件，测温元件和测压元件与填砂模型8通过密封件20连接，控制系统18分别与测温元件和测压元件电连接。具体地，测温元件分三层布于模型内部，每层有49个热电偶22，有8个测压元件分布在模型当中。同时填砂模型8的两侧设计了高压可视窗，可观察填砂模型8内部的情况。填砂模型8内部可布置水平井和垂直井，水平井和竖直井一端固定在填砂模型8内壁，可与蒸汽进口端连接；另一端靠近填砂模型8另一侧内壁，悬空，不与填砂模型8连接，便于蒸汽腔的扩展，用以模拟油、气田开发过程中，油、气、注水井的分布方式。
背压系统包括依次通过管路连接的背压装置10、缓冲液罐12、阀门16、调压阀13和氮气瓶11，背压装置10用以模拟在原油开采过程中，原油在开采井外管路内输送过程中的背压。使用时可根据压力传感器采集的压力数据调整该阀门16的开闭和调压阀13的开启程度，从而控制背压大小。背压装置10带加热保温套，耐压15mpa，可控制工作温度，控温范围0～100℃，适用于稠油的产出。缓冲液罐12即放空装置，能够起到一定缓冲作用。
采集装置包括计量泵15、两个采出液收集装置14和两个三通阀17，背压装置10和两个采出液收集装置14分别通过管路与其中一个三通阀17相连，计量泵15和两个采出液收集装置14分别通过管路与另一个三通阀17相连。
由于蒸汽流量较大，因此末尾设置有两个采出液收集装置14，其中上面三通阀17控制使用哪一个采出液收集装置14进行收集；下面三通阀17则是将收集装置上部气体引出，经计量泵15(可改为流量计)进行计算产生气体量。
控制系统18包括计算机、采集控制板卡、采集控制电路以及数据采集处理软件，可实现压力、温度的实时监测。数据采集处理软件采用vb编程，将仪器的工作流程显示在界面上。
如图3所示，本实施例还提供一种注过热蒸汽采油模拟油藏蒸汽腔实验方法，通过上述实验装置进行实验。该实验方法包括依次进行的填砂过程、饱和水过程、饱和油过程、蒸汽产生过程和驱替过程。
其中，填砂过程的目的是形成模拟地层岩石的模型。填砂过程包括：
1)根据所模拟的地层孔隙度、渗透率等参数，选取对应粒径的石英砂20～60目；
2)将石英砂在填砂模型8内进行分层压实；
3)待填砂完毕后，盖上填砂模型8的箱盖，进一步压实，完成填砂过程。
孔隙度是指岩样中所有孔隙空间体积之和与该岩样体积的比值，称为该岩石的总孔隙度，以百分数表示。饱和水过程的目的是计算填砂模型的孔隙度，饱和水过程包括：
1)利用真空泵将填充好石英砂的填砂模型8抽真空，抽3～4h；
2)利用真空度将去离子水吸入填砂模型8中，进行饱和水，计量吸入水的体积；
3)根据填砂模型8的结构尺寸和饱和水的体积，计算填砂模型8的孔隙度。
流体饱和度，是用来描述储层岩石孔隙中流体充满的程度，该参数影响油气藏储量的大小。当储层岩石孔隙中同时存在多种流体时，某种流体所占的体积百分数称为该种流体的饱和度。从成藏的角度分析，岩石孔隙中最初饱和的是水，石油和天然气是后期运移到这些孔隙中的，并将孔隙中的大部分水驱替出来。饱和油过程的目的是模拟这一驱替过程，并计算填砂模型的含油饱和度。饱和油过程包括：
1)开启恒温箱9，将温度设置为0～120℃；
2)恒温箱9内空气在常压下被加热，直至0～120℃；
3)打开柱塞容器3与填砂模型8之间的伴热装置5，设置温度60～100℃；
4)开启平流泵2，设置流量为0～5ml/min，推动柱塞容器3开始常压饱和油过程；
5)记录饱和油量，计算填砂模型8的含油饱和度。
注过热蒸汽采油过程具体包括蒸汽产生过程和驱替过程。其中，蒸汽产生过程包括：
1)打开蒸汽发生器4，将控制温度设置为200～350℃；
2)开启平流泵2，设置流量为0～50ml/min，打开蒸汽发生器4出口的放空阀；
3)打开蒸汽发生器4与填砂模型8之间的伴热装置5，设置温度200～350℃；
4)待加热至所需温度，关闭放空阀，打开填砂模型8进液端处的阀门16；
5)设置平流泵2的流量为0～150ml，开始注汽。
驱替过程包括；
1)回压装置加1～5mpa回压；
2)待采集装置开始有油样流出时，收集记录采出液的量；
3)待采出液的含水率达到0.98以上，关闭填砂模型8进液端的阀门16，停止实验；
4)打开放空阀，关闭蒸汽发生器4。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。