本发明属于石油工程和工艺技术领域，涉及采油技术中驱油研究的物理模拟装置及方法，具体涉及一种适用于三次采油室内物理模拟评价实验用的泡沫驱油物理模拟装置及方法。
背景技术：
石油是不可再生的能源，经济有效地开发现有油田是永恒(重要)的课题。水驱可以提高采收率1/3-1/5，我国各大油田均已处于水驱后期，但有半数以上的石油地质储量仍残留在地下，需要开展有效的三次采油技术，泡沫驱具有调剖和驱油作用的主要原因在于泡沫在多孔介质内的渗流特性，即泡沫堵大不堵小及堵水不堵油的作用，导致泡沫在高、低渗透层内均匀推进。同时，泡沫还具有一定的降低界面张力的作用，因而泡沫具有提高采收率的作用。
授权公告号为CN202202851U的实用新型专利提供一种驱油物理模拟实验装置，该装置包括用于模拟油藏的模型部分、向模型部分提供多种高压驱替介质的注入部分、对模型部分的流出液进行采集并检测的流出液采集检测部分和对模型部分的温度及压力进行检测的检测部分，其中，注入部分包括用于对相应驱替介质提供输送压力的高压驱替泵、分别容纳相应的驱替介质的第一～第三中间容器、与所述高压驱替泵配合产生蒸气的蒸气生成装置、与所述高压驱替泵及相应中间容器配合产生泡沫的泡沫生成装置。该装置可以进行多种模拟实验，但其进行泡沫驱物理模拟实验存在以下不足：注入到泡沫生成装置中的高压气体没有进行注入量和注入压力的精确控制，精度较差；该装置无法实现驱替介质(发泡剂)溶液本身实时搅拌，不能保证液体的均匀性；回压控制精度较差，且自动化程度低。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种能够精确控制气体压力和注入量、实现发泡剂均匀搅拌、提高回压控制精度的泡沫驱油物理模拟装置。
本发明的上述目的是由以下技术方案来实现的：
一种泡沫驱油物理模拟装置，包括用于模拟油藏的模型部分、向模型部分注入原油或者高压驱替介质的注入部分以及对模型部分的流出液进行采集的流出液采集部分，其特征在于，所述注入部分包括：
用于储存气体介质的气体活塞容器(J1或/和J2)、
用于对相应气体介质提供输送动力的恒压恒速泵(K2，K3)、
用于储存发泡剂溶液的液体活塞容器(H)、
用于分别储存实验用原油和实验用水的活塞容器(G1，G2)、
用于对相应液体介质提供输送动力的恒压恒速泵(K1)以及
产生泡沫的泡沫生成装置，
其中，所述泡沫生成装置与气体活塞容器、液体活塞容器和恒压恒速泵相配合，其第一输入管道连接气体活塞容器(J1或/和J2)，第二输入管道连接液体活塞容器(H)，输出管道连接所述模型部分；活塞容器(G1，G2)连接所述模型部分。
上述泡沫驱油物理模拟装置中，所述液体活塞容器(H)的底部装有磁力搅拌装置(M1)和磁力棒(M2)，底部还通过一电动阀门(T18)与进液口(B4)相连；液体活塞容器(H)的下部侧面设有与所述泡沫生成装置相连的出口；液体活塞容器(H)的顶部装有电机(B1)，电机(B1)通过传动轴(B2)与位于液体活塞容器(H)中的活塞(B3)相连。
上述泡沫驱油物理模拟装置中，所述泡沫生成装置包括用于汇合发泡剂溶液和高压气体以生成泡沫的泡沫发生器(D)，其中：
泡沫发生器(D)的第一输入管道通过一单向阀(E1)与气体活塞容器(J1，J2)的顶部出口相连，气体活塞容器(J1)的顶部出口与单向阀(E1)之间依次连接有压力传感器(F2)和电动阀门(T16)；气体活塞容器(J2)的顶部出口与单向阀(E1)之间依次连接有压力传感器(F3)和电动阀门(T19)；气体活塞容器(J1)的底部通过电动阀门(T9)与恒压恒速泵(K2)相连，气体活塞容器(J2)的底部通过电动阀门(T10)与恒压恒速泵(K3)相连；
泡沫发生器(D)的第二输入管道通过一单向阀(E2)与液体活塞容器(H)的下部侧面出口相连；
泡沫发生器(D)的输出管道经电动阀门(T4，T3，T1)连接到所述岩心夹置器(A)的进口，在两电动阀门(T3，T1)之间连接有一压力传感器(F1)。
上述泡沫驱油物理模拟装置中，所述模型部分包括岩心夹置器(A)，岩心夹置器(A)具有与所述注入部分相连的进口和与流出液采集部分相连的出口，岩心夹置器(A)的进口和出口处分别连接有电动阀门(T1，T2)。
上述泡沫驱油物理模拟装置中，所述流出液采集部分包括连接于岩心夹置器(A)出口的恒压泵(K4，K5)和计量装置(C)，恒压泵(K4)与计量装置(C)之间连接有电动阀门(T8)，恒压泵(K5)与计量装置(C)之间连接有电动阀门(T7)，电动阀门(T5，T6)分别连接在恒压泵(K5，K4)与岩心夹置器(A)出口的通道上。
上述泡沫驱油物理模拟装置中，模型部分和注入部分分别置于一恒温箱(Q)中；流出液采集部分放置于恒温箱(S)中。
上述泡沫驱油物理模拟装置还包括一计算机(P)，所述恒压恒速泵(K1，K2，K3)、恒压泵(K4，K5)、压力传感器(F1，F2，F3)、磁力搅拌装置(M1)、电机(B1)、计量装置(C)、恒温箱(Q，S)以及各电动阀门均电连接至计算机(P)。
本发明还提供一种泡沫驱油物理模拟方法，该方法采用上述泡沫驱油物理模拟装置，包括以下步骤：
步骤一：气体活塞容器(J1，J2)的上部装满实验用气体，液体活塞容器(H)底部装发泡剂溶液，活塞容器(G1)上部装入实验用原油，活塞容器(G2)上部装入实验用水；岩心夹置器A中放入实验需要的岩心；所有电动阀门均关闭；
步骤二：计算机(P)分别设定恒温箱(Q，S)的温度、恒压恒速泵(K1)的流速及恒压泵(K5，K4)的恒定压力，控制电动阀门(T1，T2，T3，T5，T11，T14，T15)开启，控制恒压恒速泵(K1)对岩心夹置器(A)中的岩心注入水，制作岩心样品；计算机(P)控制恒压恒速泵(K1)停止运行，关闭电动阀门(T14，T15)并计算饱和水体积；
步骤三：计算机(P)控制电动阀门(T12，T13)开启，控制恒压恒速泵(K1)对岩心夹置器(A)中的岩心注入原油，制作含原油的岩心样品并计算饱和原油体积；
步骤四：当岩心样品制作完成时，计算机(P)控制恒压恒速泵(K1)停止运行，关闭电动阀门(T1，T2，T3，T5，T11，T12，T13)，并老化24小时以上；
步骤五：计算机(P)设置恒压恒速泵(K1，K2)流速、恒压泵(K5，K4)的恒定压力、电机(B1)转速、计量时间、气体活塞容器(J1，J2)的交替压力差限值，并控制电动阀门(T1，T2，T3，T4，T5，T9，T11，T16，T17)开启；
步骤六：气体活塞容器(J1)中的气体通过电动阀门(T16)、单向阀(E1)进入泡沫发生器(D)，发泡剂溶液通过电动阀门(T17)、单向阀(E2)进入泡沫发生器(D)，气体和发泡剂溶液混合，形成均匀泡沫，泡沫通过电动阀门(T4，T3，T1)进入岩心夹置器(A)中，从岩心夹置器(A)中出来的油气水混合物通过电动阀门(T2，T5)进入恒压泵(K5)中；
步骤七：计算机(P)控制恒压泵(K4，K5)交替工作；
步骤八：计算机(P)实时对比压力传感器(F1，F2，F3)的压力值，当压力传感器(F2)或(F3)的压力值与压力传感器(F1)的压力值之差大于设定的交替压力差限值时，控制气体活塞容器(J1，J2)交替工作；
步骤九：当气体与发泡剂溶液注入量达到实验需求量时，计算机(P)控制各部件停止工作，并关闭各电动阀门，直接结束实验或控制电动阀门(T1，T2，T3，T5，T11，T14，T15)开启，设置恒压泵(K5)为设定的恒定压力，换后续水驱，直到实验结束。
上述泡沫驱油物理模拟方法中，在所述步骤七中，计算机(P)控制恒压泵(K4，K5)交替工作包括以下步骤：
(1)通过计算机(P)将恒压泵(K4)与恒压泵(K5)设定为相同的恒定压力，并设定计量时间，开启电动阀门(T5)；
(2)计量时间到，关闭电动阀门(T5)、开启电动阀门(T6，T7)，计量时间重新开始计量，恒压泵(K4)保持在设定的恒定压力并接收油气水混合溶液；
(3)计算机(P)控制恒压泵(K5)的压力，使恒压泵(K5)中的所有油气水混合溶液流进计量装置(C)中，用以计量油气水产出量；
(4)计量时间到，关闭电动阀门(T6)，开启电动阀门(T5，T8)，计量时间重新开始计量，计算机(P)控制恒压泵(K5)保持恒定压力并接收油气水混合溶液，恒压泵(K4)排出油气水混合溶液到计量装置(C)中；
(5)返回步骤(2)，重复上述步骤，直到实验结束。
上述泡沫驱油物理模拟方法中，在所述步骤八中，计算机(P)控制气体活塞容器(J1，J2)交替工作包括以下步骤：
1)计算机(P)设定气体活塞容器(J1，J2)的交替压力差限值；
2)计算机(P)实时对比压力传感器(F1，F2，F3)的压力值，当压力传感器(F3)的压力低于压力传感器(F1)的压力时，计算机(P)通过恒速恒压泵(K3)使气体活塞容器(J2)中的气体增压，并保持压力传感器(F3)的压力与压力传感器(F1)的压力相同；
3)当压力传感器(F1)与压力传感器(F2)的压力差值大于交替压力差限值时，交换气体活塞容器(J1，J2)，计算机(P)控制恒压恒速泵(K2)停止，关闭电动阀门(T9，T16)，同时按照设定的流速开启恒压恒速泵(K3)和电动阀门(T10，T19)；
4)计算机(P)实时对比压力传感器(F1，F2，F3)的压力值，当压力传感器(F2)的压力低于压力传感器(F1)的压力时，计算机(P)通过恒速恒压泵(K2)使气体活塞容器(J1)中的气体增压，并保持压力传感器(F2)的压力与压力传感器(F1)的压力相同；
5)当压力传感器(F1)与压力传感器(F3)的压力差值大于交替压力差限值时，交换气体活塞容器(J1，J2)，计算机(P)控制恒压恒速泵(K3)停止，关闭电动阀门(T10，T19)，同时按照设定的流速开启恒压恒速泵(K2)和电动阀门(T19，T16)；
6)返回步骤2)，重复上述步骤，直到实验结束。
采用上述技术方案，本发明的技术效果是：本发明采用恒压恒速泵对高压气体进行注入量和注入压力的精确控制，精度高，装置工作平稳；在液体活塞容器下部配备磁力搅拌装置，且下部侧面流出液体，保证了注入液体的均匀，同时可防止沉淀进入岩心夹置器；采用两套恒压泵与计量装置配合交替工作，保证该装置工作的连续性和平稳性，提高了回压控制精度；本发明采用计算机控制装置中各部件的运行，控制精度和自动化程度高。
附图说明
图1是本发明的泡沫驱油物理模拟装置的实施例的结构示意图。
图中附图标记表示为：
A：岩心夹置器，B1：电机，B2：传动轴，B3：活塞，B4：进液口，C：计量装置，D：泡沫发生器，E1、E2：单向阀，F1、F2、F3：压力传感器，G1、G2：活塞容器，H：液体活塞容器，J1、J2：气体活塞容器，K1、K2、K3：恒压恒速泵，K4、K5：恒压泵，M1：磁力搅拌装置，M2：磁力棒，T1、T2～T19：电动阀门，Q、S：恒温箱，P：计算机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明的泡沫驱油物理模拟装置及方法进行详细说明。
如图1所示，本发明的泡沫驱油物理模拟装置的实施例是一种用于实验室环境的泡沫驱油物理模拟装置(粗线表示物理管道连接，细线表示电连接)，包括用于模拟油藏的模型部分、向模型部分注入原油或者高压驱替介质(泡沫或水)的注入部分以及对模型部分的流出液进行采集的流出液采集部分。
本实施例中的模型部分为岩心夹置器A，属于现有技术，它用于制作不同含油级别的岩心样品以及作为放置样品的容器，它具有与注入部分相连的进口、与流出液采集部分相连的出口，岩心夹置器A的进口和出口处分别连接有电动阀门T1和T2用以控制岩心夹置器A的工作流程。
岩心夹置器A可以为圆柱形或方形，例如，圆柱形岩心夹置器可以夹置直径2.5cm、长度为5～50cm的圆柱形岩心，用于测量流体在岩心中的流动性能以及提高采收率的效果；方形岩心夹置器可以夹置端面为4.5cm×4.5cm、长度为30～60cm的方形岩心，可用于测量流体在岩心中的流动性能以及提高采收率的效果。因此，采用本发明的装置通过选择不同类型的夹置器，可完成不同的实验目的。
本实施例中的流出液采集部分包括连接于岩心夹置器A出口的恒压泵K4、K5和计量装置C，其中，恒压泵K4与计量装置C之间连接有电动阀门T8，恒压泵K5与计量装置C之间连接有电动阀门T7，电动阀门T5和T6分别连接在恒压泵K5和K4与岩心夹置器A出口的通道上。通过控制电动阀门T5～T8，可以使恒压泵K4和K5的交替工作，以实现流出液采集部分连续不断的持续工作。
本实施例中的注入部分包括用于储存气体介质的气体活塞容器J1和J2、用于对相应气体介质提供输送动力的恒压恒速泵K2和K3、用于储存发泡剂溶液的液体活塞容器H、用于搅拌液体活塞容器H中的液体的磁力搅拌装置M1和磁力棒M2、用于对液体活塞容器中溶液提供输送动力的电机B1、用于分别储存实验用原油和实验用水的活塞容器G1和G2、用于对相应液体介质提供输送动力的恒压恒速泵K1以及与相应的气体活塞容器、液体活塞容器和恒压恒速泵相配合产生泡沫的泡沫生成装置，其中：
上述泡沫生成装置包括用于汇合发泡剂溶液和高压气体以生成泡沫的泡沫发生器D，泡沫发生器D的第一输入管道通过一单向阀E1与气体活塞容器J1和J2的顶部出口相连，气体活塞容器J1的顶部出口与单向阀E1之间依次连接有压力传感器F2和电动阀门T16，同样气体活塞容器J2的顶部出口与单向阀E1之间依次连接有压力传感器F3和电动阀门T19，气体活塞容器J1的底部通过电动阀门T9与恒压恒速泵K2相连，气体活塞容器J2的底部通过电动阀门T10与恒压恒速泵K3相连；泡沫发生器D的第二输入管道通过一单向阀E2与液体活塞容器H的下部侧面出口相连，液体活塞容器H的底部装有磁力搅拌装置M1和磁力棒M2，同时底部通过电动阀门T18与进液口B4相连，液体活塞容器H的顶部装有用于对液体活塞容器中溶液提供输送动力的电机B1，电机B1通过传动轴B2与活塞容器中的活塞B3相连(如果不安装电机B1，通过人力作用于传动轴B2，也可以实现本发明的目的，但人工劳动量大，成本高)；泡沫发生器D的输出管道经电动阀门T4、T3和T1连接到岩心夹置器A的进口，在电动阀门T3和T1之间连接有一压力传感器F1。
在本实施例中，液体活塞容器H底部配备的磁力搅拌装置M1和磁力棒M2用于搅拌液体活塞容器H中的液体，在实验过程中可以保证液体活塞容器H中的液体均匀不出现沉淀；液体活塞容器H的出口在下部侧面，这样不影响磁力搅拌装置M1和磁力棒M2正常工作，保证了注入液体的均匀性能，同时可以防止底部沉淀物进入岩心夹置器A中。单向阀E1、E2可以防止气体或液体回流进气体活塞容器J1、J2或液体活塞容器H。
液体活塞容器H通过电机B1和传动轴B2控制活塞B3上下移动，吸入或排出发泡剂溶液。
为了保持装置的工作温度恒定，模型部分和注入部分放置于恒温箱Q中，其中，恒压恒速泵K1、K2、K3置于恒温箱Q外；流出液收集部分放置于恒温箱S中；该装置的各部件及管线耐压均大于50MPa，并且耐酸碱腐蚀；恒温箱Q、S加热温度一般25℃～120℃，由于恒压恒速泵K1、K2、K3没有放置于恒温箱Q中，恒温箱Q可以设置更高的温度。
本实施例中的各电动阀门、恒压恒速泵K1～K3、恒压泵K4和K5、压力传感器F1～F3、磁力搅拌装置M1、电机B1、计量装置C以及恒温箱Q、S均电连接到计算机P，由计算机P设置各部件的工作参数并控制各部件按照设定的程序进行工作。
恒压泵K4、K5容器体积为恒压恒速泵K1、K2、K3的1/5～1/2，恒压泵K4、K5容器内径为恒压恒速泵K1、K2、K3的1/5～1/2，用于提高回压控制精度，保证岩心夹置器A在设定的压力下稳定工作，为注入部分提供稳定的基础压力。恒压泵K4和K5还可以用于接收油气水混合溶液，根据实验中油气水体积计量体积及计量时间间隔的需要，可以通过计算机P设定恒压泵K4、K5按照计量时间间隔交替恒压接收油气水混合溶液和排除油气水混合溶液。
恒压泵K4和恒压泵K5可只保留一路，也能实现本发明的目的，但很难保证接收油气水混合溶液的连续性；优选地方案是如图1所示的实施例中，恒压泵K4和恒压泵K5同时存在进行交替工作，其交替工作过程如下：
(1)通过计算机P将恒压泵K4与恒压泵K5设定为相同的恒定压力，并设定计量时间，开启电动阀门T5；
(2)计量时间到，关闭电动阀门T5、开启电动阀门T6、T7，计量时间重新开始计量，恒压泵K4保持在设定的恒定压力并接收油气水混合溶液；
(3)计算机P控制恒压泵K5的压力，使恒压泵K5中的所有油气水混合溶液流进计量装置C中，用以计量油气水产出量；
(4)计量时间到，关闭电动阀门T6，开启电动阀门T5、T8，计量时间重新开始计量，计算机P控制恒压泵K5保持恒定压力并接收油气水混合溶液，恒压泵K4排出油气水混合溶液到计量装置C中；
(5)返回步骤(2)，重复上述步骤，直到实验结束。
实验过程中，随着岩心夹置器A入口端的压力不断增加，而气体压缩系数大，在保持恒定注入速度过程中，气体注入量折算到入口压力条件下的注入量低于实验要求的注入量。必须保证气体注入量时刻保持实验需要的注入量，通过压力跟踪和调整气体活塞容器中的压力，并按照一定条件交换气体活塞容器J1和J2，保证气体持续不断的注入。
气体活塞容器J1和气体活塞容器J2可只保留一路，也能实现本发明的目的，但很难保证气体注入的连续性；优选地方案是如图1所示的实施例中，气体活塞容器J1和气体活塞容器J2同时存在进行交替工作，交替工作的过程如下：
1)计算机P设定气体活塞容器J1、J2的交替压力差限值，因压力传感器的精度为0.002MPa，交替压力差限值可设定为大于0.002MPa的压力值；
2)计算机P实时对比压力传感器F1、F2、F3的压力值，当压力传感器F3压力低于压力传感器F1压力时，计算机P通过恒速恒压泵K3使气体活塞容器J2中的气体增压，并保持压力传感器F3压力与压力传感器F1相同；
3)当压力传感器F1与压力传感器F2大于交替压力差限值时，交换气体活塞容器J1和J2，计算机P控制恒压恒速泵K2停止，关闭电动阀门T9、T16，同时按照设定的流速开启恒压恒速泵K3和电动阀门T10、T19；
4)计算机P实时对比压力传感器F1、F2、F3的压力值，当压力传感器F2压力低于压力传感器F1压力时，计算机P通过恒速恒压泵K2使气体活塞容器J1中的气体增压，并保持压力传感器F2压力与压力传感器F1相同；
5)当压力传感器F1与压力传感器F3大于交替压力差限值时，交换气体活塞容器J1和J2，计算机P控制恒压恒速泵K3停止，关闭电动阀门T10、T19，同时按照设定的流速开启恒压恒速泵K2和电动阀门T19、T16；
6)返回步骤2)，重复上述步骤，直到实验结束。
本发明的泡沫驱油物理模拟方法采用上述装置进行，包括以下步骤：
步骤一：气体活塞容器J1、J2的上部装满实验用气体，液体活塞容器H底部装发泡剂溶液，活塞容器G1上部装入实验用原油，活塞容器G2上部装入实验用水；岩心夹置器A中放入实验需要的岩心；所有电动阀门均关闭；
步骤二：计算机P分别设定恒温箱Q、S的温度、恒压恒速泵K1的流速及恒压泵K5、K4的恒定压力，控制电动阀门T1、T2、T3、T5、T11、T14、T15开启，控制恒压恒速泵K1对岩心夹置器A中的岩心注入水，制作岩心样品；计算机P控制恒压恒速泵K1停止运行，关闭电动阀门T14、T15并计算饱和水体积；
步骤三：计算机P控制电动阀门T12、T13开启，控制恒压恒速泵K1对岩心夹置器A中的岩心注入原油，制作含原油的岩心样品并计算饱和原油体积；
步骤四：当岩心饱和原油制作完成时，计算机P控制恒压恒速泵K1停止运行，关闭电动阀门T1、T2、T3、T5、T11、T12、T13，并老化24小时以上；
步骤五：计算机P设置恒压恒速泵K1、K2流速、恒压泵K5、K4的恒定压力、电机B1转速、计量时间、气体活塞容器J1、J2的交替压力差限值，并控制电动阀门T1、T2、T3、T4、T5、T9、T11、T16、T17开启；
步骤六：气体活塞容器J1中的气体通过电动阀门T16、单向阀E1进入泡沫发生器D，发泡剂溶液通过电动阀门T17、单向阀E2进入泡沫发生器D，气体和发泡剂溶液混合，形成均匀泡沫，泡沫通过电动阀门T4、T3、T1进入岩心夹置器A中，从岩心夹置器A中出来的油气水混合物通过电动阀门T2、T5进入恒压泵K5中；
步骤七：计算机P控制恒压泵K4、K5交替工作，具体的工作过程参考上文；
步骤八：计算机P实时对比压力传感器F1、F2、F3的压力值，当压力传感器F2或F3的压力值与压力传感器F1的压力值之差大于设定的交替压力差限值时，控制气体活塞容器J1、J2交替工作，具体的工作过程参考上文；
步骤九：当气体与发泡剂溶液注入量达到实验需求量时，计算机P控制各部件停止工作，并关闭各阀门，直接结束实验或控制电动阀门T1、T2、T3、T5、T11、T14、T15开启，设置恒压泵K5为设定的恒定压力，换后续水驱，直到实验结束。
本领域技术人员应当理解，这些实施例或实施方式仅用于说明本发明而不限制本发明的范围，对本发明所做的各种等价变型和修改均属于本发明公开内容。