一种油田上阻垢剂性能评价的动态实验装置和方法

1.本发明涉及油田评价实验装置领域，具体涉及一种油田阻垢剂性能动态评价装置和方法。


背景技术：

2.国内大部分油田都已经进入中后期开采阶段，地层能量严重亏空，产量急剧下降。从技术完善程度和经济效益出发，国内普遍采用注水开发。由于水体不配伍和地下流体物理化学因素的变化，会造成地层和井筒以及地面管线上大量结垢，造成油田减产甚至关井。
3.目前采用投放阻垢剂的方式解决结垢问题，但往往现场使用效果不佳。主要原因是阻垢剂筛选和阻垢剂性能评价上存在如下问题：一是在实验室评价阻垢剂时主要方法都是以静态实验为主，不能反映阻垢剂在不同压力、流体流动等因素带来的影响；同时工程现场是一个动态的环境，结垢量比静态环境下更大；二是目前使用的动态评价仪器操作复杂，步骤繁琐，不能同时对多种不同材料的管道结垢情况进行模拟；三是在动态结垢实验中，一般是通过观察管道垢样的生长和分布情况与空白对照组管道结垢情况作直观对比得到阻垢剂性能，不能准确评价阻垢剂的阻垢性能，为解决上述问题，本发明提供了一种油田阻垢剂性能动态评价装置。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种油田阻垢剂性能动态评价装置。尤其具有以下的优点：能够模拟现场高温高压环境下管道的结垢和阻垢情况，能够反映在不同材质管道中的结垢和阻垢情况，能够体现在不同流体流型的情况下结垢和阻垢情况，通过动态实验，以电导率表征阻垢剂性能，更为准确。
5.本发明通过以下技术方案实现
6.一种油田阻垢剂性能动态评价装置包括以下部分：
7.两个带有刻度的原液箱，所述原液箱内部分为两部分，分别盛装阴离子水和阳离子水与出液管线相连，两根原液箱出液管线上分别安装了第一阀门和第二阀门；
8.一个混液箱，所述混液箱的入口管线与原液箱的出液管相连，混液箱底部装有螺旋结构的搅拌器，混液箱底部夹层有加热盘，加热盘与内部的热传感器相连；
9.注入泵为高压注入泵，所述高压注入泵入口与混液箱的出液口相连，高压注入泵出口端上安装了过滤器，过滤器后端与压力调节阀和压力表相连；
10.恒温测试装置，所述高压注入泵出液口一端和并联阀门控制装置、岩心驱替动态评价装置、高压并联管线测试装置、低压并联管线测试装置都置于整个恒温箱中。
11.进一步，所述高压注入泵出液口和并联阀门控制装置、岩心驱替动态评价装置、高压并联管线测试装置、低压并联管线测试装置之间一共设置三条进液管线，分别为第一进液管线，第二进液管线和第三进液管线。第一进液管线和第二进液管线的一端与高压注入泵的出液口连接，另一端与高压并联管道和低压并联管道测试装置连接，从管线入液端到
并联管线测试装置入液端上连接有流量调节阀、第四阀门、第五阀门、背压阀、手动阀、压力表、压力缓冲罐。第三进液管线一端与高压注入泵的出液口连接，另一端与岩心驱替动态评价装置连接，从入液端到岩心驱替动态评价装置入液端上连接有第三阀门；
12.进一步，所述高压并联管线测试装置入口端连接有两条进液管线，其中一条进液管线上安装有流量调节阀来控制进入管道内流体的流速和流型，高压并联管线测试装置上可以安装三种不同材料的管线，且接口可以拆卸，便于更换管材。高压并联管线测试装置出口端通过三条管线与三层反应液收集一号罐连接，反应液收集罐每一层都含有一个电导率传感器与终端信号采集装置相连，最终通过计算机自动记录电导率读数。高压并联管线测试装置在恒温箱内部，反应液收集罐置于恒温箱外部；
13.进一步，所述低压并联管线测试装置入口端连接有两条进液管线，其中一条进液管线上依次安装有第五阀门、背压阀、手动阀、压力缓冲罐、压力表，其中压力缓冲罐用于减小管线入口处压力波动，压力表用于检测入口端压力大小。低压并联管线测试装置上可以安装三种不同材质的管线，且接口可以拆卸。低压并联管线测试装置出口端通过三条管线与三层反应液收集二号罐连接，反应液收集罐每一层都含有一个电导率传感器与终端信号采集装置相连，最终通过计算机自动记录电导率读数。低压并联管线测试装置在恒温箱内部，反应液收集罐置于恒温箱外部；
14.进一步，所述岩心驱替动态评价装置包括有岩心夹持器、岩心，岩心夹持器的一端与第三进液管线连接，上面安装有第三阀门，后端与单层反应液收集罐连接。岩心驱替动态评价装置在恒温箱内部，反应液收集罐置于恒温箱外部；
15.进一步，所述反应液收集罐包括三层反应液收集一号罐、三层反应液收集二号罐、单层反应液收集罐，三层反应液收集一号罐、三层反应液收集二号罐进液端分别通过三条管线与管线并联测试装置相连，单层反应液收集罐进液端与岩心驱替动态评价装置出液端相连，进液口前端安装有第五阀门，三层反应液收集一号罐出液端与三层反应液收集二号罐相连，三层反应液收集二号罐出液端与单层反应液收集罐相连，单层反应液收集罐出液端与废液收集箱连接，整条管线上依次连接第六阀门、第七阀门、第八阀门；
16.进一步，所述三层反应液收集罐每一层都有一个控制开关，可以控制上层流体流入到下层中；
17.动态结垢阻垢评价方法，结合上述的油田动态结垢阻垢评价装置，作以下方法陈述。
18.进一步，所述通过电导率可以表征出反应液中游离的离子浓度大小，当管道中结垢严重时，所得反应液游离的离子浓度就越小，电导率拟合得到剩余离子浓度越低。
19.case001并联管线动态评价法：
20.并联管线中模拟的流态为层流和紊流时；
21.通过信号采集装置和计算机记录下未加入阻垢剂时反应液收集罐每一层的电导率的值为δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6，然后进行对照实验加入阻垢剂时反应液收集罐每一层电导率读数δ
′1、δ
′2、δ
′3、δ
′4、δ
′5、δ
′6；
22.进而可以计算分别计算出反应液收集罐每一层值，得到的值越大证明阻垢剂的阻垢效果越好
23.case002岩心驱替动态评价法：
24.通过岩心驱替动态实验可以评价注入水造成的储层损害情况以及加入阻垢剂对岩心伤害程度减少情况，评价阻垢剂体系在岩心中的吸附和解吸能力；
25.将人造岩心烘干称重并抽至真空后饱和模拟地层水，然后注入模拟地层水测试岩心的基准渗透率为k0，随后将配制的地层水和加入阻垢剂注入水以一定的流速注入到人造岩心中，自动记录下在不同pv数下岩心的渗透率为k，同时记录下岩心注入压力和注入液体累计体积pv数的变化，当岩心出口的返排质量浓度不再变化时，认为已经达到驱替稳定，进而计算储层渗透率损害程度；
26.由公式得到岩心渗透率的伤害率；
27.本发明具有的突出效果是：
28.与实验室现有设备相比，本发明能够更加接近阻垢剂使用的实际情况，能够模拟现场不同的温度、压力、流速、以及不同流态下，测试在不同材质管道中的结垢和阻垢情况，通过电导率特征定量描述阻垢剂的阻垢性能。能够为现场阻垢剂质量监测，筛选出效果优良的阻垢剂和阻垢剂最佳使用浓度，为新型阻垢剂的研发、机理研究提供最佳评价手段，而且本装置操作简单，自动化控住程度较高，便于维护。
附图说明
29.以下为结合附图和实施例对本发明做进一步说明:图1为本发明实施例提供的油田阻垢剂性能动态评价装置示意图；图2为本发明实施例提供的岩心动态驱替实验结果示意图。
30.图1中：1-模拟地层水原液箱、2-模拟注入水原液箱、3-第一控制阀门、4-第二控阀门、5-混液箱、6-热传感器及加热环、7-底部螺旋搅拌器、8-过滤器、9-注入泵、10-压力调节阀、11-压力表、12-第三控制阀门、13-岩心动态驱替实验装置、14-流量调节阀、15-第四控制阀门、16-第五控制阀门、28-第六控制阀门、30-第七控制阀门、32-第八控制阀门、17-压力缓冲罐、18-排气阀、19-背压阀、20-压力表、21-低压并联管线测试装置、22-高压并联管线测试装置、23-三层反应液收集一号罐、24、25、27、29-反应液收集罐控制开关、26-三层反应液收集二号罐、31-单层反应液收集罐、33-废液收集箱、34-计算机、35-终端信号采集装置、36-恒温箱；
31.图2为岩心动态驱替实验结果图。
具体实施方式
32.下面通过几个具体的实施例对本发明实施例提供的一种油田动态结垢阻垢评价装置和其方法进行详细的介绍和说明：
33.实施例1：
34.参照图1，一种油田动态结垢阻垢评价装置，包括；
35.模拟地层水原液箱1，所述模拟地层水原液箱1左边为阳离子水箱右边为阴离子水箱通过第一控制阀门3和第二控阀门4与模拟注入水原液箱2相连，模拟注入水原液箱2左边为阳离子水箱右边为阴离子水箱；
36.混液箱5，所述混液箱5上有热传感器及加热环6控制混合液体系达到预设温度，底部螺旋搅拌器7能够使液体充分混合，避免结晶，并与模拟地层水原液箱1和模拟注入水原液箱2相连；
37.终端信号采集装置35，所述终端信号采集装置35与计算机34共同构成信息检测和记录单元，读取反应液收集罐中液体的电导率值传递到计算机处自动记录下不同反应液收集罐不同单层之间的电导率的读数；
38.低压并联管线测试装置21、高压并联管线测试装置22；所述低压并联管线测试装置21、高压并联管线测试装置22共同构成管线测试装置，低压并联管线测试装置21上依次连接有压力缓冲罐17和背压阀19；
39.恒温箱36，所述混液箱的出液端与岩心动态实验装置13、低压并联管线测试装置21、高压并联管线测试装置22都处于恒温箱内部。
40.上述实施例中模拟地层水原液箱1和模拟注入水原液箱2用于储存实验流体，水箱上都设有刻度线，用于研究地层水和注入水不同注入比例下结垢和阻垢情况，通过混液箱5内的加热环和恒温箱36控制温度，模拟在不同温度条件下结垢和阻垢情况，两种液体通过混液箱5后，经过高压注入泵9，泵送到低压并联管线测试装置21、高压并联测试管线装置22，所示，并联管线测试装置可以安装玻璃管、铁管、钢管等不同材质的管线，便于同时测试不同管材对结垢和阻垢的影响，最后不同管线的反应液分层进入到三层反应液收集一号罐13、三层反应液收集二号罐26、采用电导率的方式表征出未结垢离子浓度，通过电导率分析后将数据传送到终端信号采集装置35后最终记录在计算机34上，通过加入阻垢剂和空白对照组的电导率大小计算出阻垢剂的阻垢性能。
41.实施例2：
42.参照图1，进一步的，所述的岩心驱替动态实验装置13，岩心驱替动态实验装置13通过进液管线与混液箱5和高压注入泵9出液端相连，另一端与单层反应液收集罐相连，进行岩心动态驱替评价，整个岩心动态驱替评价装置都置于恒温箱36内。
43.上述实施例中岩心动态驱替实验装置13通过驱替实验后，反应液进入到单层反应液收集罐31中，通过电导率分析后将数据传送到终端信号采集装置35后最终记录在计算机34上。
44.实施例3：
45.结合上述实施例，对油田动态结垢阻垢的方法做具体叙述：
46.上述实施例中一种油田动态结垢阻垢装置主要以并联管线结垢评价为主，当模拟流体为层流状态是，实验流程为打开第五控制阀门16，关闭第三控制阀门12、第四控制阀门15，将配置的地层水和注入水的阴阳离子水分别装入到模拟地层水原液箱1、模拟注入水原液箱2的阴阳离子罐中，打开第一控制阀门3、第二控阀门4按照实验设计比例注入到混液箱5中，通过热传感器及加热环6、恒温箱36预热到井筒模拟温度后，底部螺旋搅拌器7充分搅拌混合，通过高压注入泵9将混合液体按设定的流速注入到低压并联管线测试装置21、高压并联管线测试装置22当中，两种不配伍的水质在管线中充分混合结垢，将导致沉淀的产生并附着在管线内壁，从而使得混合液中离子的浓度下降，电导率下降。通过反应液收集罐23、26收集混合液并将每一根管线的反应液电导率传至终端信号采集装35后通过计算机34自动记录下读数；
47.得到电导率的值，拟合出结垢离子的浓度大小，由fousse-onsager方程，电解质溶液中极限摩尔电导率为：其中
48.δ是电解质溶液的极限摩尔电导率，δ0是无限稀溶液的摩尔电导率，z
+
和z-分别表示阳离子和阴离子电荷，e是电子电荷,kb是玻尔兹曼常数,q＝1/2，na是阿伏伽德罗常数,f是法拉第常数,ε表示溶液的介电常数,ηo表示溶液黏度，mpa
·
s，t是温度，℃。
49.从而得到结垢离子浓度，以caco3为例得到：其中溶液中na
+
和no
3-的浓度保持不变，其值可以从原料液的浓度得到。因此电导率ks和ca
2+
浓度之间遵循特定的函数关系，所以在结晶反应中ca
2+
的浓度变化可以通过测量电导率而得到，通过利用上式可以算钙离子浓度的变化，进而定量描述出管线内的结垢情况。
50.当模拟流体为紊流状态是，实验流程为打开第四控制阀门15，关闭第三控制阀门12、第五控制阀门16，将配置的地层水和注入水的阴阳离子水分别装入到模拟地层水原液箱1、模拟注入水原液箱2的阴阳离子罐中，打开第一控制阀门3、第二控阀门4按照实验设计比例注入到混液箱5中，通过热传感器及加热环6、恒温箱36预热到井筒模拟温度后，底部螺旋搅拌器7充分搅拌混合，通过高压注入泵9将混合液体按设定的流速经过流量调节阀14改变流径、流速、流态后注入到低压并联管线测试装置21、高压并联管线测试装置22当中，两种不配伍的水质在管线中充分混合结垢，将导致沉淀的产生并附着在管线内壁，从而使得混合液中离子的浓度下降，电导率下降。通过反应液收集罐23、26收集混合液并将每一根管线的反应液电导率传至终端信号采集装35后通过计算机34自动记录下读数；
51.重复上述0047、0048、0049得到管线的结垢情况。
52.具体评价方法如下：
53.一、模拟结垢情况为层流状态
54.第一步：配制结垢阴离子溶液、阳离子溶液，分别置于模拟地层水原液箱1、模拟注入水原液箱2的阴阳离子罐中，按照实验设计的不同配比加入到混液箱中，如注入水与地层水比例为8:2，则首先将注入水阴离子罐中40ml的溶液加入到混液箱5中，随后将地层水阴离子罐中10ml的溶液加入到混液箱5中，重复上述步骤加入50ml的阳离子水在混液箱中；
55.第二步：打开高压注入泵9原入模拟油井井筒压力、流量等参数、流体流量一般为0.2ml/min～25ml/min,此时流态均为层流态；
56.第三步：打开第五控制阀门16，关闭第三控制阀门12、第四控制阀门15。经混液箱5的热传感器及加热环6进行预热和设置恒温箱的温度为模拟井筒温度，混合液体经过第五控制阀门16到达高压并联管线测试装置22以及经过背压阀19到达低压并联管线测试装置21充分反应之后分别进入到三层反应液收集一号罐23、三层反应液收集二号罐26，测试完成之后打开反应液收集罐控制开关24、25、27、29，反应液通过第六控制阀门28、第七控制阀
门30后流进单层反应液收集罐31，经过第八控制阀门32最终到达废液收集箱33；
57.第四步：通过拟合公式得到结垢离子浓度与配制溶液浓度，将两者作对比，判断结垢的情况。
58.二、模拟结垢情况为紊流状态
59.第一步：配制结垢阴离子溶液、阳离子溶液，分别置于模拟地层水原液箱1、模拟注入水原液箱2的阴阳离子罐中，按照实验设-的不同配比加入到混液箱中；
60.第二步：根据雷洛数公式得到re＝ρvd/u,其中ρ为103kg/m3，当u为5
×
10-4
pa
·
s。计算得到re＝4000的临界流速v＝reu/ρd＝4000
×5×
10-4
/103×
10-3
＝2m/s。根据v＝q/a得到：q＝v
×
a＝2
×
3.14
×
(0.5
×
10-3
)2＝1.57
×
10-6
m3/s，根据计算的临界流量q进行流量调节阀的调节，调节流量大于临界流量1.57
×
10-6
m3/s，由于流量的迅速增大，流速也随之改变，改变了流体的流径，导致雷洛数迅速增大，流态发生变化，从而实现了流态从层流到紊流的转换；
61.第三步：调节流量调节阀14打开第四控制阀门15，关闭第三控制阀门12、第五控制阀门16。经混液箱5的热传感器及加热环6进行预热和设置恒温箱的温度为模拟井筒温度，混合液体经过第四控制阀门15到达高压并联管线测试装置22以及经过背压阀19到达低压并联管线测试装置21充分反应之后分别进入到三层反应液收集一号罐23、三层反应液收集二号罐26，测试完成之后打开反应液收集罐控制开关24、25、27、29，反应液通过第六控制阀门28、第七控制阀门30后流进单层反应液收集罐31，经过第八控制阀门32最终到达废液收集箱33；
62.第四步：通过拟合公式得到结垢离子浓度与配制溶液浓度，将两者作对比，判断结垢的情况。
63.三、对照实验组，对投放阻垢剂后阻垢剂性能的评价：
64.第一步：结合上述模拟层流和紊流的实施例，在配制不同比例注入水和地层水基础上，在阴离子混合液中加入阻垢剂后，然后将模拟地层水原液箱1、模拟注入水原液箱2的阳离子罐中阳离子水注入到混液箱5中；
65.第二步：模拟在层流和紊流不同流态下，未加入阻垢剂和加入阻垢电导率的变化情况；
66.第三步：重复步骤0055、0056、0060、0061；
67.第四步：在不同流态和温度情况下，通过信号采集装置和计算机记录下未加入阻垢剂时不同反应液收集罐的电导率的值为δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6，和加入阻垢剂时电导率读数δ
′1、δ
′2、δ
′3、δ
′4、δ
′5、δ
′6、；
68.进而可以计算得到δ值越大证明阻垢剂的阻垢效果越好。
69.岩心动态驱替评价法
70.第一步：准备好实验人造岩心放入提取器中，注入乙醇，甲苯等温和溶剂，然后通过蒸馏法提取，将洗净后的岩心烘干至重量达到恒重之后，保存在干净的器皿中；
71.第二步：将人造岩心抽真空然后用地层水饱和；
72.第三步：模拟地层温度条件，将混液箱5中配制的模拟地层水，通过高压注入泵9通过阀门12进入到岩心驱替动态评价装置13中，测量岩心的基准渗透率为k0；
73.第四步：将配置的注入水通过高压注入泵9，设置与上述地层水驱替同样的地层条件和流量参数，通过阀门12进入到岩心驱替动态评价装置13中，测得岩心的基准渗透率为k，同时记录下岩心注入压力和注入液体累计体积pv数的变化，当岩心出口的返排质量浓度不再变化时，认为已经达到驱替稳定，进而计算结垢对储层的损害程度，同时驱替后反应液进入到单层反应液收集罐31中，通过第八控制阀门32进入到废液收集箱33中；
74.第五步：通过公式得到岩心渗透率损害程度；
75.重复上述0070、0071步骤，设置同样的地层压力条件和温度条件以及驱替条件，在模拟地层水原液箱1、模拟注入水原液箱2中阴离子水到达混液箱5中混合后加入阻垢剂然后加入两个原水箱的阳离子水，随后重复步骤0073测得不同pv数渗透率k1，通过得到岩心渗透率损害程度，并与未加入阻垢剂的驱替实验结果进行对比，得出阻垢剂对岩心渗透率损害改善程度。
76.阻垢剂对岩心的损害程度是定性研究阻垢剂体系在岩心中的吸附和解吸能力，如实验室使用dtpmpa和pesa两种阻垢剂进行岩心动态驱替实验，图2是岩心驱替实验结果，可以看出在100℃注入70pv未加入阻垢剂的水样对岩心的伤害程度超过了50％,而加入pesa的注入水对岩心伤害程度在10％左右伤害率较低，相对pesa阻垢剂dptmpa伤害程度更大，达到了22％左右，所以推荐使用pesa阻垢剂。
77.综上所述本发明的评价方法实现了技术上模拟现场不同流态(层流、紊流)条件下的结垢状况,结构设计可实现高温、高压下的测试,可以检测不同阻垢剂的阻垢性能,同时可以考察不同阻垢剂在抑制成核或抑制垢晶生长效应方面的差异,为选择阻垢剂打基础,为新型阻垢剂研发、机理研究提供评价手段,同时本装置操作简单,自控化程度较高,便于维护保养。
78.需要说明,本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后...仅用于解释在某一-特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
79.各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。