一种可模拟不同倾角油层驱油效果的装置以及方法与流程

本发明涉及一种应用于采油领域,用于模拟不同倾角油层驱油效果的实验装置和方法。

背景技术：

油气藏是油气在单一圈闭中的聚集，具有统一的压力系统和油水界面，是油气在地壳中聚集的基本单位。构成地壳的各种岩层和岩体，在漫长的地质历史过程中受到地壳运动所引起的地应力的作用，发生变形和变位，从而形成了地壳上各式各样的地质构造。由于地壳运动的影响，自然界中大多数岩层都是倾斜的，岩层层面与大地水准面呈一定的角度相交，因此在油气田开发过程中要考虑到倾角对油气运移产生的影响。在进行室内实验时，也要考虑倾角对水和CO₂等不同驱替剂的对驱油效果的影响。但是现有技术中却没有这样的实验装置。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种可模拟不同倾角油层驱油效果的装置以及方法，利用该种装置和方法可模拟不同倾角的油层驱油效果，能模拟出有倾角的地层在水驱或气驱过程中地层原油的流动规律，以便优选出合适的驱替剂。

本发明的技术方案是：该装置包括恒速驱替泵、环压泵、第一中间容器、第二中间容器、第三中间容器、第一压力表、第二压力表、第三压力表、图像分析仪，第一中间容器进口阀、第二中间容器进口阀、第三中间容器进口阀、第一中间容器出口阀、第二中间容器出口阀、第三中间容器出口阀、中间容器总控制阀、岩心夹持器出口阀、变倾角岩心夹持器底板、变倾角岩心夹持器旋转板、岩心前端固定挡板、岩心后端固定挡板、半圆形岩心夹持器托槽、双头螺栓、岩心前端螺纹密封塞与岩心后端螺纹密封塞、岩心夹持器、一对弧形支架片、量筒、第一不锈钢管线、第二不锈钢管线、第三不锈钢管线、第四不锈钢管线、第五不锈钢管线、第六不锈钢管线、第七不锈钢管线以及第八不锈钢管线；

其中，恒速驱替泵通过第一不锈钢管线与第一压力表相连，第一压力表用于测量恒速驱替泵所施加的压力信号；环压泵通过围压接口与所述岩心夹持器相连，第三压力表通过导线与所述岩心夹持器相连，用于测量环压泵施加在岩心夹持器上的压力；第二压力表的压力测试信号输入端连接第五不锈钢管线上，用于测量试剂通过第五不锈钢管线时的流压；

第一中间容器的进口端通过第二不锈钢管线与第一中间容器进口阀相连接，第一中间容器的出口端通过不锈钢管线与第一中间容器出口阀相连接，第一中间容器中分为两个腔室，通过活塞分隔开，通过恒速驱替泵向第一中间容器的入口端腔室泵入压力，使得出口端腔室的溶剂流出第一中间容器；第二中间容器的进口端通过第三不锈钢管线与第二中间容器进口阀相连接，第二中间容器的出口端通过不锈钢管线与第二中间容器出口阀相连接；第三中间容器的进口端通过第四不锈钢管线与第三中间容器进口阀相连接，出口端通过不锈钢管线与第三中间容器出口阀相连接；第一中间容器、第二中间容器、第三中间容器的结构相同；第一中间容器中出口端腔室中放置地层水，第二中间容器出口端腔室中放置地层原油，第三中间容器出口端腔室中放置驱替剂，驱替剂内混合有示踪剂；

变倾角岩心夹持器底板、变倾角岩心夹持器旋转板通过合页铰接在一起；变倾角岩心夹持器旋转板上开有一条凹槽，所述凹槽中放置有弹簧，弹簧左端连接上弹簧凸销，弹簧的右端连接下弹簧凸销；一对弧形支架片的底端作为固定端分别通过螺钉连接在变倾角岩心夹持器底板的左右两侧；弧形支架片上开有若干间隔分布的销孔，销孔与上弹簧凸销和下弹簧凸销相配合，可实现所述弹簧凸销的插入；弧形支架片上与所述底端相对的支撑端通过上弹簧凸销和下弹簧凸销实现与变倾角岩心夹持器旋转板之间的连接；变倾角岩心夹持器旋转板与变倾角岩心夹持器底板之间形成第一倾角；

所述岩心夹持器的岩心前端螺纹密封塞与岩心后端螺纹密封塞通过螺纹连接后顶在所述岩心夹持器的两端，使岩心固定在所述岩心夹持器中；前端固定挡板与后端固定挡板为结构和尺寸均相同的两块矩形板，前端固定挡板与后端固定挡板垂直固定在变倾角岩心夹持器旋转板上，所述两块挡板之间的距离大于半圆形岩心夹持器托槽的长度；所述两块挡板的面板上沿垂向对称开有两列插孔，用于插入双头螺栓；半圆形岩心夹持器托槽的底部开有两个贯穿的螺栓孔，双头螺栓位于螺栓孔中，以实现将固定有岩心夹持器的半圆形岩心夹持器托槽固定在两块挡板中间；双头螺栓的左右两端位于两块挡板上高度不相同的插孔中时，半圆形岩心夹持器托槽与变倾角岩心夹持器旋转板之间形成第二倾角；

中间容器总控制阀通过第七不锈钢管线与岩心夹持器相连，即管路分别穿过前端固定挡板和岩心前端螺纹密封塞，连通至所述岩心夹持器内腔，岩心位于所述岩心夹持器内腔中；第八不锈钢管线分别穿过岩心后端螺纹密封塞和后端固定挡板，并与岩心夹持器出口阀相连；岩心夹持器出口阀外连接管线，向量筒内输入输出物；

图像分析仪的液体输入端通过导引管路连接至所述岩心夹持器的内腔中，可获取从岩心上取得的驱替剂，图像分析仪上装有核磁共振成像系统。

利用前述装置进行模拟的方法，该方法由如下步骤构成：

第一步，设置装置的第一、二倾角均为0度，打开第一中间容器进口阀、第一中间容器出口阀和中间容器总控制阀，使用恒速驱替泵将第一中间容器中的地层水泵入岩心，打开岩心夹持器出口阀，观察量筒中的出液量，直到岩心完全饱和水，即中间容器的泵入量等于量筒中出液量，关闭第一中间容器进口阀和第一中间容器出口阀；此时记录进入岩心的地层水的体积为V_W1，量筒出液量V_W2；

第二步，打开第二中间容器进口阀、第二中间容器出口阀，使用恒速驱替泵将第二中间容器中的地层原油泵入到待测岩心，观察量筒中的出液量，直到岩心完全饱和油，即中间容器的泵入量等于量筒中的出液量，关闭第二中间容器进口阀和第二中间容器出口阀；此时，进入岩心的原油体积为V_O1，量筒中的出液量为V_L1，进行油水分离处理后，得到原油体积为V_O2，地层水的体积为V_W3；

第三步，将所有待测岩心依次按照上述第一步和第二步的方法先饱和地层水，再饱和地层油，做出对应处理；

第四步，保持变倾角岩心夹持器的倾角旋转板和底板的第一倾角α₁为0，双头螺钉放置在岩心前端固定板与第岩心后端固定板相同的孔眼处(i＝j)，此时该装置使得岩心夹持器的倾角θ₁＝0；打开第三中间容器进口阀和第三中间容器出口阀，用加有示踪剂的驱替水进行水驱油实验，在图像分析仪装置上观察倾角为θ₁时的水驱油效果；进行实验至出口端含水率为98％时，记录此时进入岩心的水的体积V_W4和出液体积V_L2，进行油水分离处理，得出累积产油量V_O3和V_W5；

第五步，使得变倾角岩心夹持器的底板和旋转板之间存在的第一倾角角度变为α₂，改变i、j的位置，使得岩心加持器的第二倾角为β₂，此时岩心夹持器处在倾角为θ₂(α₂+β₂)的位置上；打开第三中间容器进口阀和第三中间容器出口阀，用加有示踪剂的驱替水进行水驱油实验，在图像分析仪装置上观察倾角为θ₂水驱油效果；

第六步，进行若干次重复第五步的操作，使得变倾角岩心夹持器的底板和旋转板之间存在倾角α_n，改变i、j的位置，使得岩心前后端固定挡板处岩心夹 持器的倾角为β_n，此时，岩心夹持器的夹角为θ_n(α_n+β_n)；打开第三中间容器进口阀(5)和第三中间容器出口阀(11)，用加有示踪剂的驱替水进行水驱油实验，在图像分析仪装置上倾角为θ_n时的水驱油效果；

第七步，针对上述每次实验，分别记录出口端含水率98％时，进入岩心的水的体积、驱替出来的液体的体积，进行油水分离处理后的油的体积和水的体积；

第八步：进行数据整理，对产量和倾角的关系进行拟合，得出下面的回归公式：

其中：

$m=e^{\frac{\sin \mathrm{\θ}}{3}}$

式中：Q——产液量，m³/s；

K——渗透率，μm²；

A——岩心横截面积，m²；

△P——压差，MPa；

μ_O——油相的粘度，mPa·S；

μ_W——水相的粘度，mPa·S；

θ——岩心倾角，°；

ρ_O——油相的密度，g/cm³：

ρ_w——水相的密度，g/cm³；

第九步，按照第八步回归出来的公式模拟不同倾角下油层驱油效果。

本发明具有如下有益效果：本种实验装置能够模拟不同倾角的油层驱油效果，其结构科学合理，可以实现的模拟倾角范围大，使用方便。此外，在驱替过程中，图像分析仪利用核磁共振原理，对放有示踪剂的驱替剂在岩心中的驱替规律进行分析并成像，底板、旋转板与岩心前端固定板和岩心后端固定板的组合，使得变倾角岩心夹持器具有更大的角度变化空间，能够更加真实的还原地层情况，利用本装置，能够实现改变岩心的倾角，从而研究不同倾角对驱油效果的影响，并回归出产液量和倾角之间的关系式。利用本装置和方法能模拟 出有倾角的地层在水驱或气驱过程中地层原油的流动规律，以便优选出合适的驱替剂。

附图说明

图1为本实验装置整体结构示意图；

图2为变倾角岩心夹持器在夹角为θ时的示意图；

图3为变倾角夹持器旋转板剖面图；

图4为变倾角夹持器支架片的示意图；

图5为半圆形岩心夹持器托槽的示意图；

图6为岩心前端固定板与岩心后端固定板位置及开孔示意图；

图7为双头螺栓的结构示意图

图中1-恒速驱替泵、2-第一压力表、3-第一中间容器进口阀、4-第二中间容器进口阀、5-第三中间容器进口阀、6-第一中间容器、7-第二中间容器、8-第三中间容器、9-第一中间容器出口阀、10-第二中间容器出口阀、11-第三中间容器出口阀、12-第二压力表、13-中间容器总控制阀、14-岩心前端固定挡板、15-岩心前端螺纹密封塞、16-变倾角岩心夹持器底板、17-环压泵、18-岩心夹持器、19-变倾角岩心夹持器旋转板、20-岩心、21-岩心后端螺纹密封塞、22-岩心后端固定挡板、23-变倾角岩心夹持器支架片开孔、24-变倾角岩心夹持器支架片、25-第六不锈钢管线、26-图像分析仪、27-岩心夹持器出口阀、28-量筒、29-第七不锈钢管线、30-第一中间容器活塞、31-第二中间容器活塞、32-第三中间容器活塞、33-第八不锈钢管线、34-第三压力表、35-第一不锈钢管线、36-第二不锈钢管线、37-第三不锈钢管线、38-第四不锈钢管线、39-第五不锈钢管线、40-旋转板上弹簧凸起、41-旋转板下弹簧凸起、42-第一弹簧、43-合页、44-支架片底端螺钉、45-插孔、46-双头螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图7所示，该种可模拟不同倾角油层驱油效果的装置，该装置包括恒速驱替泵1、环压泵17、第一中间容器6、第二中间容器7、第三中间容器8、第一压力表2、第二压力表12、第三压力表34、图像分析仪26，第一中间容器进口阀3、第二中间容器进口阀4、第三中间容器进口阀5、第一中间容器 出口阀9、第二中间容器出口阀10、第三中间容器出口阀11、中间容器总控制阀13、岩心夹持器出口阀27、变倾角岩心夹持器底板16、变倾角岩心夹持器旋转板19、岩心前端固定挡板14、岩心后端固定挡板22、半圆形岩心夹持器托槽47、双头螺栓46、岩心前端螺纹密封塞15与岩心后端螺纹密封塞21、岩心夹持器18、一对弧形支架片24、量筒28、第一不锈钢管线35、第二不锈钢管线36、第三不锈钢管线37、第四不锈钢管线38、第五不锈钢管线39、第六不锈钢管线25、第七不锈钢管线29以及第八不锈钢管线33。

其中，恒速驱替泵1通过第一不锈钢管线35与第一压力表2相连，第一压力表2用于测量恒速驱替泵1所施加的压力信号；环压泵17通过围压接口与所述岩心夹持器相连，第三压力表34通过导线与所述岩心夹持器相连，用于测量环压泵17施加在岩心夹持器上的压力；第二压力表12的压力测试信号输入端连接第五不锈钢管线39上，用于测量试剂通过第五不锈钢管线39时的流压。

第一中间容器6的进口端通过第二不锈钢管线36与第一中间容器进口阀3相连接，第一中间容器6的出口端通过不锈钢管线与第一中间容器出口阀9相连接，第一中间容器中分为两个腔室，通过活塞30分隔开，通过恒速驱替泵1向第一中间容器6的入口端腔室泵入压力，使得出口端腔室的溶剂流出第一中间容器6；第二中间容器7的进口端通过第三不锈钢管线37与第二中间容器进口阀4相连接，第二中间容器7的出口端通过不锈钢管线与第二中间容器出口阀10相连接；第三中间容器8的进口端通过第四不锈钢管线38与第三中间容器进口阀5相连接，出口端通过不锈钢管线与第三中间容器出口阀11相连接；第一中间容器6、第二中间容器7、第三中间容器8的结构相同；第一中间容器6中出口端腔室中放置地层水，第二中间容器7出口端腔室中放置地层原油，第三中间容器8出口端腔室中放置驱替剂，驱替剂内混合有示踪剂。

变倾角岩心夹持器底板16、变倾角岩心夹持器旋转板19通过合页43铰接在一起；变倾角岩心夹持器旋转板19上开有一条凹槽，所述凹槽中放置有弹簧42，弹簧42左端连接上弹簧凸销40，弹簧的右端连接下弹簧凸销41；一对弧形支架片24的底端作为固定端分别通过螺钉44连接在变倾角岩心夹持器底板16的左右两侧；弧形支架片上开有若干间隔分布的销孔23，销孔23与上弹簧凸销和下弹簧凸销相配合，可实现所述弹簧凸销的插入；弧形支架片上与所述底端相对的支撑端通过上弹簧凸销和下弹簧凸销实现与变倾角岩心夹持器旋转板19之间的连接；变倾角岩心夹持器旋转板19与变倾角岩心夹持器底板16之间形成第一倾角。

所述岩心夹持器的岩心前端螺纹密封塞15与岩心后端螺纹密封塞21通过螺纹连接后顶在所述岩心夹持器的两端，使岩心固定在所述岩心夹持器中；前端固定挡板14与后端固定挡板22为结构和尺寸均相同的两块矩形板，前端固定挡板与后端固定挡板垂直固定在变倾角岩心夹持器旋转板上，所述两块挡板之间的距离大于半圆形岩心夹持器托槽47的长度；所述两块挡板的面板上沿垂向对称开有两列插孔45，用于插入双头螺栓46；半圆形岩心夹持器托槽的底部开有两个贯穿的螺栓孔48，双头螺栓位于螺栓孔中；双头螺栓的左右两端位于两块挡板上高度不相同的插孔中时，半圆形岩心夹持器托槽与变倾角岩心夹持器旋转板之间形成第二倾角。

中间容器总控制阀13通过第七不锈钢管线29与岩心夹持器相连，即管路分别穿过前端固定挡板14和岩心前端螺纹密封塞，连通至所述岩心夹持器内腔，岩心20位于所述岩心夹持器内腔中；第八不锈钢管线33分别穿过岩心后端螺纹密封塞21和后端固定挡板22，并与岩心夹持器出口阀27相连；岩心夹持器出口阀27外连接管线，向量筒28内输入输出物。

图像分析仪26的液体输入端通过导引管路29连接至所述岩心夹持器的内腔中，可获取从岩心20上取得的驱替剂，图像分析仪26上装有核磁共振成像系统。

下面给出利用本装置进行实验的具体步骤：

第一步：设置变倾角岩心夹持器的倾角为0°即变倾角岩心夹持器的旋转板的凸起并未卡在支架片的任何卡槽内，双头螺钉放在前端固定挡板与后端固定挡板的相同的位置上。打开第一中间容器进口阀3、第一中间容器出口阀9和中间容器总控制阀13，使用恒速驱替泵将第一中间容器中的地层水泵入岩心，打开岩心夹持器出口阀27，观察量筒中的出液量，直到岩心完全饱和水，即中间容器的泵入量等于量筒28中出液量，关闭第一中间容器进口阀3和第一中间容器出口阀9。此时记录进入岩心的地层水的体积为V_W1为20ml，量筒出液量V_W2为8.42ml。

第二步；打开第二中间容器进口阀4、第二中间容器出口阀10，使用恒速驱替泵将第二中间容器中的地层原油泵入到待测岩心，观察量筒中的出液量，直到岩心完全饱和油，即中间容器的泵入量等于量筒28中的出液量，关闭第二中间容器进口阀4和第二中间容器出口阀10。此时，进入岩心的原油体积为V_O1为15ml，量筒中的出液量为V_L1为15ml，进行油水分离处理后，得到原油体积V_O2为4.68ml，地层水的体积V_W3为10.32ml。

第三步：将所有待测岩心依次按照上述第一步和第二步的方法先饱和地层水，再饱和地层油，做出对应处理。

第四步（1）：保持变倾角岩心夹持器的倾角旋转板和底板的夹角α₁为0，双头螺钉放置在岩心前端固定板与第岩心后端固定板相同的孔眼处（i=j），此时该装置使得岩心夹持器的倾角=0。打开第三中间容器进口阀5和第三中间容器出口阀11，用加有示踪剂的驱替水进行水驱油实验，在图像分析仪装置上观察倾角为时的水驱油效果。进行实验至出口端含水率为98%时，记录此时进入岩心的水的体积V_W4和出液体积V_L2，进行油水分离处理，得出累积产油量V_O3和 V_W5。

第四步（2）：将变倾角岩心夹持器旋转板的上弹簧凸起和下弹簧凸起放置在支架片较下端开孔里，使得变倾角岩心夹持器的底板和旋转板之间存在倾角α₂，改变i、j的位置，使得岩心前后端固定挡板处处岩心加持器的倾角为β₂，此时岩心夹持器处在倾角为θ₂（α₂+β₂）的位置上。打开第三中间容器进口阀5和第三中间容器出口阀11，用加有示踪剂的驱替水进行水驱油实验，在图像分析仪装置上观察倾角为水驱油效果。

第四步（n）：将变倾角岩心夹持器旋转板的上弹簧凸起和下弹簧凸起放置在支架片的开孔m里，使得变倾角岩心夹持器的底板和旋转板之间存在倾角α_n，改变i、j的位置，使得岩心前后端固定挡板处岩心夹持器的倾角为β_n，此时，岩心夹持器的夹角为θ_n（α_n+β_n）。，打开第三中间容器进口阀5和第三中间容器出口阀11，用加有示踪剂的驱替水进行水驱油实验，在图像分析仪装置上倾角为时的水驱油效果。

上述（1-n）每次实验，分别记录出口端含水率98%时，进入岩心的水的体积、驱替出来的液体的体积，进行油水分离处理后的油的体积和水的体积。

第五步：进行数据整理，得出如表1所示数据。

表1

(注：实验中，岩心渗透率均为0.25μm²，岩心横截面积A为0.000491m²，岩心长度L为0.1m，油相粘度μ_O为2014mPa·S，水相粘度μ_W为0.65mPa·S。)

根据实验结果，对产量和倾角的关系进行拟合，得出回归公式：

其中：

式中：Q——产液量，m³/s；

K——渗透率，μm²；

A——岩心横截面积，m²；

△P——压差，MPa；

μ_O——油相的粘度，mPa·S；

μ_W——水相的粘度，mPa·S；

θ——岩心倾角，°；

ρ_O——油相的密度，g/cm³：

ρ_w——水相的密度，g/cm³；

以上回归出来的公式适用于带倾角的岩心驱替实验中在某一压差下计算产液量，相关系数值为0.83046，表明自变量与因变量之间有良好的相关性，该回归公式的F显著性统计量的P值为0.005831259，小于显著性水平0.05，所以该回 归方程的回归效果显著，因此该公式可以很好的反映产液量和倾角之间的关系，能极大的提高计算速度和精度，具有较强的实际意义。