一种评价化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的物理模拟实验方法及实验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种评价化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的物理模拟实验方法及串联微孔滤膜流动实验装置，包括：压差控制及测量组件、模块组合式串联滤膜单元组件、数据实时采集、处理组件；压差控制及测量组件包括无油空气压缩机、稳压泵和压力感应器；模块组合式串联滤膜单元组件包括储液装置和微孔滤膜安装装置；数据实时采集、处理组件包括与计算机相连接的天平和重量压力测量软件系统；重量压力测量软件系统记录压力大小和流出液质量并进行数据采集；微孔滤膜安装装置用来安装直径为47mm的微孔滤膜；压差控制及测量组件、模块组合式串联滤膜单元组件、数据实时采集、处理组件通过软管连接起来，并用阀门来控制串联实验。
【专利说明】一种评价化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的物理模拟实验方法及实验装置
【技术领域】
[0001]本发明属于化学驱提高采收率【技术领域】，涉及一种评价化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的物理模拟实验方法及配套的串联微孔滤膜流动实验装置。
技术背景
[0002]化学驱驱油技术是提高石油采收率的一种重要方法，包括聚合物驱和复合化学驱。注入能力是化学驱油剂的主要性能指标之一，良好的注入性能可以使化学驱油剂在同一层系内储层条件差异较大的各层段均匀推进，提高波及效率，从而提高原油采收率。储层的岩石孔隙空间主要由孔隙和喉道构成，喉道的大小控制着储层岩石的渗透能力，只有与储层喉道匹配的化学驱油剂才能在实际应用中表现出较好的注入性。由于不同油藏的储层条件差异性很大，因此开发出适合特定储层条件的驱油剂配方具有重大意义。
[0003]化学驱油剂中所使用的增稠剂主要是水溶性高分子。高分子在溶液中的分子形态和分子间相互作用决定了驱油剂的流体力学尺寸，也决定了驱油剂在特定渗透率储层中的注入性能。随着化学驱技术的发展，驱油剂的种类越来越丰富，既包括传统的依赖分子量实现高效增粘的超高分子量部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)类聚合物，也包括依赖分子间相互作用，形成超分子聚集体来提高工作液有效粘度的各种新型聚合物产品，比如疏水缔合聚合物驱油剂。在研究化学驱油剂注入性能的影响因素时，一方面考察聚合物分子量、聚合物溶液浓度、注入速度以及注入方式等因素对聚合物的注入能力的影响，另一方面考察聚合物分子之间、聚合物分子与表面活性剂分子之间通过分子间相互作用所形成的聚集体对注入性能的影响，其中聚合物分子/聚集体尺寸与孔喉尺寸匹配关系是影响化学驱油剂注入性的最重要的控制因素。聚合物分子/聚集体尺寸过大，化学驱油剂可能会堵塞储层，造成伤害；聚合物分子/聚集体尺寸太小，则增粘性较差，会大幅度增加聚合物的用量，影响化学驱的技术经济效果，因此研究聚合物/聚集体尺寸与储层孔喉的匹配关系对于化学驱技术的发展具有重要意义。
[0004]在实际注入过程中，超分子聚集体的尺寸始终处于动态变化过程中，不仅与聚合物的基本参数密切相关，而且受到水动力学条件的重要影响。因此评价这类新型驱油剂的注入性需要建立新的评价实验方法。传统的聚合物注入性评价方法是使用岩心驱替装置，天然岩心与实际油层的情况最为接近，实验结果最能反映在油藏中的实际。但是这种驱油剂注入性实验的操作复杂，耗时长，岩心选取难度较大，很难进行重复试验和对比性实验，无法进行大量的实验规律研究。
[0005]近几年来，有人采用微孔滤膜法对聚合物水化分子尺寸进行研究。微孔滤膜法是将微孔滤膜模拟为某个直径孔喉，不同分子量的聚合物用不同孔径的微孔滤膜进行过滤，找到聚合物分子与岩石孔喉大小的匹配关系。微孔滤膜的孔径和孔分布比较均匀，其数据具有重复性和可靠性。中国石油大学的林梅钦等人用核孔膜过滤实验研究了聚合物与核孔膜孔隙间的匹配关系，在一定压力下记录一定质量的聚合物溶液通过不同孔径核孔膜的时间，根据过滤体积与过滤时间的曲线判断聚合物分子大小与核孔膜孔径的匹配关系，测定聚合物溶液在不同孔径核孔膜流出前后的粘度，浓度来判断聚合物溶液在核孔膜的滞留情况，用核孔滤膜法测得的聚合物分子尺寸与动态光散射法测得的聚合物分子线团大小基本相一致(林梅钦，左清泉等人，部分水解聚丙烯酰胺与核孔膜孔隙的匹配关系，石油化工高等学校学报，2012，25 (2))。这种实验方法可以初步快速判断一种聚合物的流体力学尺寸，但是存在如下缺点:1、由于聚合物水化分子具有粘弹性，在压力作用下会产生形变，因此采用流量作为主要技术指标判别聚合物能否通过特定孔喉不准确、不全面，更为重要的是，由于没有建立微孔滤膜孔径与储层渗透率的关系，因此实验结果对驱油剂在实际储层的应用缺乏指导意义；2、采用氮气瓶来提供压力，用减压阀来调节所需压力，使用秒表记录流出液流出时间，实验精确度不高，数据量较小，难以分析驱油剂的动态流动实验特征；3、该实验装置只能实现单级过滤，不能实现多级过滤，因此可以初步判断聚合物溶液与微孔滤膜的匹配性，不能通过动态分析来判断注入流体的传导性，无法确定驱油剂能否在地层中均匀向前推进；4、该实验方法没有考虑分子间相互作用，因此只适用于研究没有分子间相互作用的聚丙烯酰胺，不适合研究具有超分子结构的新型驱油剂。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种评价化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的实验方法，并设计配套的评价实验装置。
[0007]本发明的目的之一是根据小分子粘性流体(甘油)、超高分子量聚合物(HPAM)和新型超分子驱油剂(疏水缔合聚合物)在串联微孔滤膜流动实验中的动态特征和流经多孔滤膜前后溶液性质的变化，确定化学驱油剂通过不同孔径微孔滤膜的实验判定标准，建立化学驱油剂与储层渗透率是否匹配的实验判定标准:1、驱油剂在过滤前后的剪切粘度粘度变化< 10% ;2、驱油剂流经不同级别微孔滤膜时能够快速((400秒)、稳定地建立均匀压力差；3、各级微孔滤膜压力稳定后，驱油剂的流出速度在整个实验过程中基本保持不变(波动幅度< 10% )0
[0008]本发明目的之二是根据对理想均质多孔介质物理模型的理论分析和理想物理模型渗透率的实验结果回归计算，建立了储层渗透率与孔喉的对应关系。采用一系列不同直径单分散玻璃微珠填充获得理想均质多孔介质物理模型，通过对玻璃微珠不同排列方式对孔隙度、孔隙体积等参数的影响分析和不同直径玻璃微珠填充物理模型水测渗透率结果的数学分析，建立了单分散玻璃微珠填充均质物理模型渗透率与储层孔喉直径的对应关系，并以此作为选取储层渗透率所对应的滤膜孔径的依据。
[0009]本发明目的之三提供一种多级微孔滤膜串联实验装置，通过多级滤膜之间压差的均匀性和建立稳定压差所需要的时间来准确评价驱油剂的注入动态特征，建立了一种评价不同性质化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的实验方法。由于许多新型驱油剂在溶液中以聚集体的形式存在，在一定压差(剪切速率)条件下聚集体可以拆散，从而顺利通过微孔滤膜，但是这种聚集体结构能否有效恢复对于驱油剂的驱油能力至关重要。采用单级滤膜无法判断驱油剂注入过程中聚集体尺寸的变化，因此需要测量驱油剂在通过多级滤膜时压差的均匀性和建立压差的时间来判断该驱油剂是否与储层孔隙匹配，是否能在地层中均匀向前推进。该实验装置的核心部分包括多个串联的微孔滤膜单元，在每两个微孔滤膜单元之间安装压力传感器，每个串联的微孔滤膜单元流出液的实时质量数据可以通过带有实时数据传输功能的电子天平进行监测。对化学驱油剂通过微孔滤膜单元前后剪切粘度分析和化学驱油剂在不同直径微孔滤膜单元串联组合实验装置中的流动动态特征分析，实现对化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的快速、准确判断。该实验装置可以用来快速评价化学驱油剂与特定渗透率储层的匹配关系，也可以用来研究驱油剂分子结构、组成与注入性的关系，还可以用来研究驱油剂在储层中的传播特性和动态特征。
[0010]本发明中串联微孔滤膜流动实验装置主要由四个部分组成，包括:(1)恒压或恒速驱动装置及压差测量、控制组件；(2)模块组合式串联滤膜单元组件；(3)滤膜单元压力和流出液质量测量组件；(4)压力、质量数据实时采集和处理平台。实验中的动力源可以为精密恒流泵(流速范围0.001 - 12.0mL/min)或者恒压驱动装置。其中恒压驱动装置包括气体压力源(压力输出≤ 0.8MPa)，带有压力调节功能(调节精度≤IOkPa)的稳压缓冲容器及配套的快速连接接头和阀门，其中气体压力源可以是无油空气压缩机或带有减压阀的气体钢瓶。模块组合式串联滤膜单元组件包括一个或多个可更换不同孔径、不同种类滤膜的、接口处有密封圈、由金属或工程塑料加工制作的夹持单元，驱油剂储液容器及配套的快速连接接头和阀门。滤膜单元压力和流出液质量测量组件包括一个或多个用于测定滤膜单元前后压差的压力传感器(量程0.6MPa，精度±0.1% )，一个或多个用于测定单个滤膜单元或串联滤膜单元组流出液质量的、带有实时数据传输功能的电子天平(精度0.01g)。压力、质量数据实时采集和处理平台包括多路数据采集集成接口、具有压力和质量实时采集、显示、存储功能的软件以及配套的数据连接接口和数据线。
[0011]本发明中采用串联微孔滤膜流动实验装置进行化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的评价实验的步骤如下:
[0012](I)根据实验设计选择合适孔径微孔滤膜、确定滤膜单元、压力传感器、天平和储液容器的数量及连接方式，采用PVC管和配套的快速连接接头、阀门组装串联微孔滤膜流动实验装置(如图4所示)；
[0013] (2)打开气体压力源，调节稳压缓冲容器中的压力至所需要的数值或者启动精密恒流泵，设定所需要的流速，打开各个微孔滤膜单元的控制阀，关闭出口末端控制阀，测试系统封性能；
[0014](3)在储液容器中装入待测驱油剂，通过阀门控制驱油剂的流出，对压力和流出液质量进行实时数据采集；
[0015](4)实验完成后拆卸串联微孔滤膜流动实验装置，对与驱油剂直接接触的各个组件进行清洗、烘干；对实验数据进行处理、分析，判别化学驱油剂与储层渗透率是否匹配。
[0016]本发明的功能:
[0017]1、快速筛选适合特定渗透率储层的驱油剂并研究驱油剂在多孔介质中的传导特性和动态传播特征。通过测定驱油剂通过微孔滤膜前后剪切粘度的变化、多级微孔滤膜之间建立平衡压力所需的时间和比较驱油剂通过多级微孔滤膜的压差可以判别驱油剂是否能通过微孔滤膜，并评价驱油剂在与此孔径微孔滤膜相匹配的特定渗透率储层中的传导性和动态传播特征。
[0018]2、快速筛选适合特定驱油剂的储层，在串联滤膜单元组件中安装不同孔径的微孔滤膜，按照孔径由大到小的顺序排列，这样就可以快速找到驱油剂所匹配的储层渗透率条件。
[0019]3、不同材质的微孔滤膜具有不同的润湿性，因此可以采用不同润湿性的滤膜来模拟储层条件，研究不同储层条件下驱油剂的注入性与润湿性的关系；
[0020]4、可以通过驱油剂在多级串联滤膜流动实验中压力变化的动态特征研究驱油剂的形变-回复特征、分子间的相互作用。
[0021]有益效果
[0022]本发明的目的是建立一种评价化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的评价方法，并设计配套的实验装置。
[0023]1、本发明设计原理更科学，对化学驱油剂在储层中的渗流条件的模拟更精确。本发明根据理想均质多孔介质物理模型中渗透率与孔喉直径的关系选用不同孔径的微孔滤膜模拟储层的孔喉特征，实验原理更为科学，适用于驱油剂与储层渗透率匹配关系的基础研究工作；本发明实现了对压力和流速精确控制，使实验条件能够更好地模拟储层渗流条件，实验结果对于驱油剂在实际储层的应用具有更好的指导意义。
[0024]2、本发明适用于多种不同类型(润湿性)、不同尺寸的微孔滤膜材料，可以模拟多种不同储层渗透率和润湿性条件。
[0025]3、本发明建立的评价化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的方法不仅适用于常规的聚丙烯酰胺溶液，也适用于分子结构结构更为复杂、具有超分子作用的各种新型驱油剂，使用范围更广泛。
[0026]4、本发明中滤膜单元、压力传感器及不同功能组件之间采用快速连接接头进行连接，可以根据设计要求快速、灵活地组装用于的不同研究目标的多级微孔滤膜串联流动实验装置。
[0027]5、本发明实现了对流动压力、流出液质量数据的实时采集和分析，对比采用岩心或填砂管进行的驱油剂注入性评价实验，本发明的实验方法和配套实验装置所需要的实验时间可以减少90%以上，实验成本也大幅度减低；同时，由于实验中的微孔滤膜为工业化批量产品，产品质量稳定，对实验条件的控制也更为精确，所以实验结果的准确性和重复性显著提高，能够适用于不同驱油剂在不同储层条件下注入性特征的定量评价研究，对与该领域的相关基础研究就有重要意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1微孔滤膜的微观结构。
[0029]图2微孔滤膜的微观结构。
[0030]图3微孔滤膜夹持单元结构图。
[0031 ]图4本发明的装置流程示意图。
[0032]图5聚丙烯酰胺(2000万)在孔径为8.0 μ m，压力为IOOkPa的测试结果。
[0033]图6聚丙烯酰胺(2000万)在孔径为10.0 μ m，压力为IOOkPa的测试结果。
[0034]图7疏水缔合聚合物X102在孔径为3.0 μ m，压力为50kPa的测试结果。
[0035]图8疏水缔合聚合物X102在孔径为3.0 μ m，压力为180kPa的测试结果。
[0036]图9聚丙烯酰胺(900万)在孔径为3.0 μ m，压力为87kPa的测试结果。
[0037]图10聚丙烯酰胺(900万)在孔径为3.0 μ m，压力为87kPa的重复性测试结果。【具体实施方式】
[0038]本发明涉及一种评价化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的物理模拟实验方法及配套的串联微孔滤膜流动实验装置。以下结合装置流程示意图，说明本发明微孔滤膜流动实验装置的实施例。
[0039]实施例1微孔滤膜孔喉直径与渗透率关系
[0040]设单分散玻璃微珠的粒径为D，通过单分散玻璃微珠填充得到的多孔介质的孔喉直径为dm，首先用不同目数的玻璃微珠填充得出不同填充目数与渗透率、孔隙度、粒径的关系，玻璃微珠不同的堆积方式对应不同的孔喉直径。找到粒径与孔喉直径最大最小值的关系，进而找到渗透率与孔喉直径的关系，以渗透率为纵坐标，孔喉直径为横坐标作图，对线性增加阶段进行线性拟合，获得两个参数之间的关系式，从而外推得到更低渗透率下的孔喉直径。玻璃微珠填充物理模型参数实测数据见表1，目数与粒径转换结果见表2。
[0041]表1.玻璃微珠填充物理模型参数实测数据
[0042]
【权利要求】
1.一种评价化学驱油剂与储层渗透率匹配关系的物理模拟实验装置，包括:压差控制及测量组件、模块组合式串联滤膜单元组件、数据实时采集、处理组件；压差控制及测量组件包括无油空气压缩机(100)、稳压泵(101)和压力感应器(110，111，112);无油空气压缩机(100)提供压力，稳压泵(101)来用调节所需压力，并保持压力稳定；模块组合式串联滤膜单元组件包括储液装置(108，109)和微孔滤膜安装装置(113，114，115);微孔滤膜安装装置(113，114，115)串联；数据实时采集、处理组件包括与计算机相连接的天平(116)和重量压力测量软件系统(117);把液体装入储液罐中，用阀门控制溶液的流出，当有液体通过连接管流经压力感应器(110，111，112)时，计算机重量压力测量软件系统(117)记录压力大小和流出液质量并进行数据采集；微孔滤膜安装装置用来安装直径为47_的微孔滤膜；压差控制及测量组件、模块组合式串联滤膜单元组件、数据实时采集、处理组件通过软管连接起来，并用阀门来控制串联实验。
2.根据权利要求1所述的设备，储液罐底部有控制阀，可以控制溶液流速，防止溶液流速过快冲破微孔滤膜。
3.根据权利要求1所述的设备，阀门(103,104)为进气阀，阀门(105)用来排出储液罐中的气体，阀门(106，107)用来控制液体的流出。
4.根据权利要求1所述的设备，微孔滤膜安装装置用于固定微孔滤膜。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微孔滤膜其材质可为亲水性膜如混合纤维素膜(MCE)、尼龙膜(Nylon)、聚醚砜膜(PES)、硝酸纤维素膜(CN)、醋酸纤维素膜(CA)、玻璃纤维膜(BF)等，也可为疏水性膜如聚偏二氟乙烯膜(PVDF)、聚四氟乙烯膜(PTFE)等，孔径范围为0.1-20 μ m，可模拟多种不同储层渗透率和润湿性条件。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，可以进行多级串联。
【文档编号】E21B43/22GK104005744SQ201410271642
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】冯茹森, 郭拥军, 胡俊, 嵇薇, 唐昊, 高飞龙, 张新民 申请人:西南石油大学