基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置

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1.本发明涉及的是石油工程领域中提高采收率的技术，具体涉及的是基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置。


背景技术：

2.我国有93％以上的油田都是采用注水开发的，而水驱采收率只能达到40％左右。而且，长期的大量注水，使我国的主要老油田普遍进入了高含水阶段，因此必须配合其它提高采收率方法。
3.我国许多油田处于高含水期阶段，采用一般的化学驱，所产生的效果不是很理想。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置，这种基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置能够实现磁性纳米液在多孔介质中复杂的环境下能够全方位对岩心中的原油进行驱替。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置包括盛液筒、储水中间容器、储油中间容器、储纳米磁性液体中间容器、平流泵，真空柱塞泵、岩心夹持器、实验岩心、三维旋转磁场发生器、采出液磁式分离罐、磁性纳米液计量器、油水计量器和计算机，并联的储水中间容器、储油中间容器、储纳米磁性液体中间容器构成容器组，盛液筒、平流泵、容器组、真空柱塞泵依次通过导管连接，真空柱塞泵连接实验岩心的注入端，实验岩心的流出端连接采出液磁式分离罐，采出液磁式分离罐分别连接磁性纳米液计量器、油水计量器；实验岩心设置于岩心夹持器内，三维旋转磁场发生器设置在岩心夹持器四周，三维旋转磁场发生器由三相正弦交流电源和三组亥姆霍兹线圈组成，三组亥姆霍兹线圈在空间上是正交嵌套的三轴线圈，三组亥姆霍兹线圈在同一谐波电流驱动时的各自的组合感抗相等和各自产生的谐波磁场磁感应强度的幅值相同，三轴磁场分量叠加后的磁场是均匀的空间旋转磁场，磁场强度是四周高，中间低，三维旋转磁场发生器与计算机连接，控制电流的输入信号，实时监测磁场的参数，通过计算机调整旋转磁场的输入信号的相位角改变磁场的方向，达到任意方向的驱替效果；实验岩心的注入端设置注入端压力阀和注入端压力表，实验岩心的流出端设置流出端压力阀和流出端压力表，流入端压力表、流出端压力表、磁性纳米液计量器、油水计量器均连接计算机构成信号检测系统，信号检测系统用于观察和研究磁性纳米液体渗流机理。
6.上述方案中采出液磁式分离罐采用磁选法对采出液进行筛选，磁性纳米液含有磁性纳米粒子，与表面活性剂和基载液形成稳定的分散系，在磁场作用下利用磁场力对采出液进行筛选，当磁场力大于磁性纳米液和油水之间的粘性力时，磁性纳米液和油水分离开来。
7.上述方案中储水中间容器的出口设置控水阀，储油中间容器的出口设置控油阀，储纳米磁性液体中间容器的出口设置电磁阀，岩心夹持器设置环压阀。
8.上述方案中基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置还包括恒温装置，盛液筒、储水中间容器、储油中间容器、储纳米磁性液体中间容器、平流泵，真空柱塞泵、岩心夹持器、实验岩心、三维旋转磁场发生器、采出液磁式分离罐、磁性纳米液计量器、油水计量器均设置于恒温装置中。
9.上述方案中基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置的实验方法：
10.步骤一：抽真空；打开恒温箱，设置试验要求的温度，预热设备，把导管和岩心夹持器中空气排尽，然后关闭所有阀门；
11.步骤二：岩心饱和油；首先打开环压阀，模拟地层压力，给岩心夹持器打环压，设置实验要求的压力，先打开控油阀，再打开平流泵，给岩心注油，当岩心充分饱和后，关闭平流泵，关闭控油阀，注入端压力阀和输出端压力阀一直是关闭状态；然后在恒温箱中按照设置的时间进行老化原油；
12.步骤三：旋转磁场作用下磁性纳米液驱油；先打开三维旋转磁场发生器，控制三维旋转磁场发生器的输入信号来设置磁场的磁感应强度大小和方向，用计算机调整输入信号传送至磁场发生器，磁场随之变化；打开平流泵、电磁阀注入端压力阀和流出端压力阀，开始驱替，流出端的采出液先流入采出液磁式分离罐，在采出液磁式分离罐中在磁场的作用下把磁性纳米液和油分离开来，然后分别注入油水计量器和纳米磁性液体计量器，当实验岩心流出端的采出液中不含油时，关闭平流泵、电磁阀和压力阀，结束本次实验；
13.步骤四：调整旋转磁场的参数；产生旋转轴的向量是(cosα,cosβ,cosγ)，改变旋转磁场的方向，即改变旋转磁场的旋转轴向，通过改变输入电流的方位角α，β，γ来实现，加反向磁场时，旋转轴向量为(-cosα,-cosβ,-cosγ)；改变输入电流信号的频率w,控制旋转磁场的转速，同理，改变输入电流信号的幅值i0改变旋转磁场的大小；
14.步骤六：在不同参数下进行驱替实验；通过计算机调整输入电流信号的方向，幅值，频率和方位角来改变磁场的变化，更换尺寸相同的实验岩心，重复步骤二至步骤三，完成不同参数下的驱替实验；
15.步骤七:用水驱替；更换尺寸相同的岩心，进行类比实验，在保持其他条件不变的情况下，把纳米磁性液体驱替改成水驱，重复步骤二至步骤三；
16.步骤八：对数据进行采集和分析；计算机采集流入端压力表、流出端压力表的参数，根据达西定律，在流体粘度不变的条件下，流量和压力成正比，根据压力表的示数，分析纳米磁性液体在多孔介质中的渗流阻力及粘度变化；通过油水计量器得到纳米磁性液体的驱替采收率；通过计算机实时采集三维旋转磁场的实时参数，研究三维旋转磁场对驱替效果的影响。
17.本发明具有以下有益效果：
18.1、本发明能够建立不同磁场强度的三维立体旋转磁场，通过调整磁场发生器的信号波模拟不同大小方向的磁场，可以实现正向反向以及空间任意方向的磁场进行驱替，而且本磁场的建立不局限于此，此旋转磁场旨在模拟地层中油藏处于复杂磁场的环境。
19.2、本发明中磁性纳米液在三维旋转磁场作用下能够在多孔介质中定向移动，到达多孔介质中的任意位置。
20.3、本发明中驱替速度恒定的情况下，磁性纳米液在多孔介质中可全方位与油滴接触，增大磁性纳米液与油滴的接触机会，提高采收率。
21.4、通过自动计量产出油量、水量，得出采收率；通过回收纳米磁性纳米液，实现磁性纳米液的重复利用。
22.5、本发明利用磁性纳米液在三维旋转磁场作用下对岩心中的原油进行驱替，通过控制亥姆霍兹线圈组之间相关幅值与相位的电流信号，能够产生旋转轴线可调的旋转磁场，实现磁性纳米液在多孔介质中复杂的环境下能够全方位的驱替，通过控制旋转磁场的方向来控制磁性纳米液体的流动方向，能够使纳米颗粒智能地吸附油滴并使其定向移动。
附图说明：
23.图1为本发明的驱替实验装置总体示意图；
24.图2为三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈；
25.图3为三维旋转磁场的磁矢量图；
26.图4为旋转磁场的xoz面磁感应强度大小分布图；
27.图5为磁性纳米液微元在竖直方向上的受力示意图。
28.图中1-盛液筒、2-平流泵、3-储水中间容器、4-储油中间容器、5-储纳米磁性液中间容器、6-控水阀、7-控油阀、8-电磁阀、9-真空柱塞泵、10-注入端压力阀、11-注入端压力表、12-岩心夹持器、13-实验岩心、14-三维旋转磁场发生器、15-环压阀、16-流出端压力表、17-流出端压力阀、18-采出液磁式分离罐、19-油水计量器、20-磁性纳米液计量器、21-计算机。
具体实施方式：
29.下面结合附图对本发明做进一步的说明：
30.如图1所示，这种基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置包括盛液筒1、储水中间容器3、储油中间容器4、储纳米磁性液体中间容器5、平流泵2，真空柱塞泵9、岩心夹持器12、实验岩心13、三维旋转磁场发生器14、采出液磁式分离罐18、磁性纳米液计量器20、油水计量器19和计算机21，并联的储水中间容器3、储油中间容器4、储纳米磁性液体中间容器5构成容器组，盛液筒1、平流泵2、容器组、真空柱塞泵9依次通过导管连接，真空柱塞泵9连接实验岩心13的注入端，实验岩心13的流出端连接采出液磁式分离罐18，采出液磁式分离罐18分别连接磁性纳米液计量器20、油水计量器19；实验岩心13设置于岩心夹持器12内，三维旋转磁场发生器14设置在岩心夹持12器四周，三维旋转磁场发生器14由三相正弦交流电源和三组亥姆霍兹线圈组成，三组亥姆霍兹线圈在空间上是正交嵌套的三轴线圈，三组亥姆霍兹线圈在同一谐波电流驱动时的各自的组合感抗相等和各自产生的谐波磁场磁感应强度的幅值相同，三轴磁场分量叠加后的磁场是均匀的空间旋转磁场，磁场强度是四周高，中间低，三维旋转磁场发生器14与计算机21连接，控制电流的输入信号，实时监测磁场的参数，通过计算机调整旋转磁场的输入信号的相位角改变磁场的方向，达到任意方向的驱替效果；实验岩心13的注入端设置注入端压力阀10和注入端压力表11，实验岩心13的流出端设置流出端压力阀17和流出端压力表16，注入端压力表11、流出端压力表16、磁性纳米液计量器20、油水计量器19均连接计算机21构成信号检测系统，信号检测系统用于观察和研究磁性纳米液体渗流机理。
31.盛液筒1、平流泵2、储水中间容器3、储油中间容器4、储磁性纳米液体中间容器5和
岩心夹持器12形成驱油发生系统；压力表、油水计量器19、磁性纳米液计量器20和计算机21组成信号检测系统用于观察和研究磁性纳米液体渗流机理；磁场发生器由亥姆霍兹线圈和三相正弦交流电源组成，产生旋转磁场；采出液磁式分离罐18、磁性纳米液计量器20，油水计量器19组成储存计量回收系统，对采出液经进行过滤分离，然后分别计量产出油，产出水和磁性纳米液。
32.采出液磁式分离罐采用磁选法分离纳米磁性液和油的混合物。在磁场作用下利用磁场力对混合物进行筛选，磁性纳米液含有丰富的磁性纳米粒子，与表面活性剂和基载液形成稳定的分散系，由于纳米液中有表面活性剂存在亲油的基团，所以分离时需要克服磁性纳米液和油水之间的粘性力，即当磁场力大于粘性力时两种液体便可以分离开来。
33.三维旋转磁场发生器14与计算机21相连，三维旋转磁场发生器14是将三组轴线相互正交的亥姆霍兹线圈嵌套在一起，构成三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置，如图2；三维旋转磁场发生器由三组正交亥姆霍兹线圈相互叠加，线圈中通入方位角相关幅值和相位的同频率正弦信号电流，可以形成叠加的空间任意方向的磁场，如图3；三维旋转磁场发生器14设置在岩心夹持器12四周，如图1；三轴亥姆霍兹线圈通入电流强度为i0的正弦三相交流电源，可以形成三维旋转磁场，磁场强度是四周高，中间低，旋转磁场的磁感应强度分布如图4。可以通过计算机调整输入电流信号，电流信号发生改变，即磁场的改变，通过三维旋转磁场轴线的方向调整，使纳米磁性液体中的纳米磁性颗粒沿着磁感线方向运动，智能的驱动磁性纳米液驱油。
34.当外加三维旋转磁场时，磁性纳米液受到磁场作用，在磁场作用下的多孔介质中的动力学分析。磁性纳米液在空隙中受到的力比较复杂，流体一般受到2种力，一是质量力，二为表面力。质量力是流体不是与其他物体直接接触而产生的力，磁性纳米液受到的质量力有磁场力，重力；二为表面力，它受到的表面力有压力和粘性力。假设把一部分磁性纳米液简化成微元模型，不考虑形状和大小，则其竖直方向的受力示意如图五，在竖直方向上的磁场力与重力方向相同合力为f,粘性力和压力的合力为p。质量力与表面力的合力为f,根据牛顿第二定律，f＝ma,在竖直方向会产生一个加速度a,而且运动方向沿着合力方向f，与水平方向夹角为θ，所以磁性纳米液会以加速度a沿着合力方向进行旋转。
35.纳米磁性流体中含大量纳米级固相磁性颗粒，当存在外加磁场时，会影响磁性纳米流体的流动、控制磁性纳米流体的运动路线，克服由于非均质性而造成的低波及范围的问题，达到提高采收率的目的。磁性颗粒受到分子间的引力和斥力、热运动和布朗运动的影响，在不存在外加的磁场的情况下，磁性颗粒会随机分布在载液中，体系也能相应的保持稳定的状态。当处在外加的磁场中，磁性颗粒被磁化就会在磁场作用下克服束缚沿着磁感线方向运动。磁性纳米液在多孔介质中的运动在不外加磁场的时是比较复杂的，多孔介质内壁组织复杂，曲折和凹凸不平，空间比较狭小，但是通过外加三维旋转磁场通过改变磁场的磁感应强度可以控制磁性纳米液的运动，使其全方位到达多孔介质的复杂位置，可以达到多方向定位驱替的效果。
36.磁性纳米液由磁性纳米粒子、表明活性剂和基载液组成的胶体分散系，兼具固体的磁性和液体的流动性，磁性纳米液在磁场中受到力的作用，实质是磁性纳米粒子在旋转磁场中受到力的作用,由于每个纳米粒子形成一个磁偶极子进行自我旋转,三维旋转磁场中在中心点磁场强度低于周边各点的磁场强度,形成的磁场梯度,使得磁偶极子向中心点
运动，纳米粒子(磁偶极子)会沿磁场变化的方向运动,其路径也成螺旋状，当运动到达孔隙的内壁时,磁性纳米粒子可能发生碰撞反射改变方向继续运动,也可能自旋的速度变慢甚至停留下来,当旋转磁场变化方向时,纳米粒子(磁偶极子)离开内壁,恢复自旋的速度和它向新磁场中心运动,所以每个纳米粒子(磁偶极子)的运动的轨迹要受到磁场旋转方向不同的影响。
37.旋转磁场发生装置采用三轴亥姆霍兹线圈，三轴亥姆霍兹线圈可以形成三维旋转磁场，三轴亥姆霍兹线圈通入电流强度相同的三相正弦谐波交流电，亥姆霍兹线圈也采取三轴正交嵌套的方式，在亥姆霍兹线圈三轴分别独立施加相应电流，空间上可以形成均匀的叠加磁场图三是空间旋转磁场磁场矢量示意图，在平面xoy内找到单位矢量b,在平面noz内找到单位矢量a,它们分别垂直向量n,单位向量a和b相互垂直,单位向量a和b的方向余弦可以分别表示为(-ctgγ
·
cosα,-ctgγ
·
cosβ,sinγ)，三轴亥姆霍兹线圈中向量a和向量b在x,y,z三轴上的投影向量分别叠加,得到三轴上的和向量分别为：
[0038][0039]
上式中的三个向量即为x,y,z三条轴线上各组亥姆霍兹线圈所产生的磁场在各自轴线上的磁感应强度矢量,根据毕奥萨伐尔定律，磁场的场强与电流成正比，磁感应强度与电流的关系式：b＝ki，其中，k是与线圈各结构参数相关的常数，所以只需给三轴线圈分别加载如下电流,即可产生以向量n所在直线为轴的旋转磁场:
[0040][0041]
对上式进行变换得:
[0042][0043]
其中，α,β,γ分别为向量n与x,y,z的夹角，即方向角，则三维旋转磁场的轴线方向为向量(cosα,cosβ,cosγ)，i0为加载电流的幅值，每组线圈中电流正方向与相应的坐标轴之间满足右手定则，ω为施加正弦电流的角速度，即叠加旋转磁场的角速度，施加正弦信号电流的频率为
[0044]
本发明模拟实验需要在恒温箱中进行，实验开始前把恒温箱设置到试验温度下进行驱替。把导管按照图一所示连接好，平流泵2一端与盛液筒1相连，另一端与储水中间容器
3、储油和储磁性纳米液中间容器5相连接，通过平流泵泵2入岩心夹持器中的实验岩心13，岩心夹持器12和实验岩心13在三维旋转磁场内部，采出液磁式分离罐18与油水计量器19和磁性纳米液体计量器20相连，注入端压力表11、磁场发生器、流出端压力表16、油水计量器19和磁性纳米液体计量器20与计算机21相连，以便实时采集驱替过程中的数据。
[0045]
这种基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置的实验方法：
[0046]
步骤一：抽真空。打开恒温箱，设置试验要求的温度，直到把设备预热完成，然后再用真空泵排尽装置内的空气，先关闭控水阀6，控油阀7，电磁阀8，环压阀15，打开注入端压力阀10，流出端压力阀17，再打开真空泵把导管和岩心夹持器中空气排尽，然后关闭所有阀门。
[0047]
步骤二：岩心饱和油。首先打开环压阀15，模拟地层压力，给岩心夹持器打环压，设置实验要求的压力，平流泵2的一端插入盛液筒1中，另一端连接中间容器，先打开控油阀7，再打开平流泵2，给岩心注油，当岩心充分饱和后，关闭平流泵2，关闭控油阀7，注入端压力阀10和流出端压力阀17一直是关闭状态。然后在恒温箱中按照设置的时间进行老化原油。
[0048]
步骤三：三维旋转磁场亥姆霍兹线圈安装。设计三轴为正交嵌套的亥姆霍兹线圈组围成的空间磁场，先完成轴向为x轴的亥姆霍兹线圈组的设计，再完成轴向为y轴的亥姆霍兹线圈组的设计，最后完成轴向为z轴的亥姆霍兹线圈组的设计，然后把三轴正交线圈与三相正弦交流电源连接，同时要使三组亥姆霍兹线圈在同一谐波电流驱动时的各自的组合感抗相等和各自产生的谐波磁场磁感应强度的幅值相同，保证三轴磁场分量叠加后的磁场是均匀的空间旋转磁场，按三组亥姆霍兹线圈组的尺寸从大到小嵌套安装。
[0049]
步骤四：旋转磁场作用下磁性纳米液驱油。先打开三维旋转磁场发生器14，控制磁场发生器的输入信号来设置磁场的磁感应强度大小和方向，用计算机调整输入信号传送至磁场发生器，磁场随之变化。打开平流泵2、电磁阀8和压力阀，平流泵设置实验时的流速开始驱替，流出端的采出液先流入磁式采出液分离罐，在磁式采出液分离罐中在磁场的作用下把磁性纳米液和油分离开来，然后分别注入油水计量器和纳米磁性液体计量器，当流出端的采出液中不含油时关闭平流泵，电磁阀和压力阀，结束本次实验。
[0050]
步骤五：调整旋转磁场的参数。产生旋转轴的向量是(cosα,cosβ,cosγ)，改变旋转磁场的方向，即改变旋转磁场的旋转轴向，可以通过改变输入电流的方位角α，β，γ来实现，加反向磁场时，旋转轴向量为(-cosα,-cosβ,-cosγ)；改变输入电流信号的频率w,控制旋转磁场的转速，同理改变输入电流信号的幅值i0改变旋转磁场的大小。
[0051]
步骤六：在不同参数下进行驱替实验。通过计算机调整输入电流信号的方向，幅值，频率和方位角来改变磁场的变化。更换尺寸相同的实验岩心，先饱和油，然后再老化油，实验步骤如上述实验步骤二，在其他条件不变的情况下，打开平流泵2，电磁阀8，压力阀和三维旋转磁场发生器14开始驱替，设置和步骤四不同的三维旋转磁场参数进行驱替，当流出端的采出液不含饱和油时关闭电源，平流泵2，电磁阀8和压力阀，结束本次试验。
[0052]
步骤七:用水驱替。更换尺寸相同的岩心，进行类比实验，在保持其他条件不变的情况下，把纳米磁性流体驱替改成水驱。重复上述步骤二。之后先打开平流泵2，控水阀6，压力阀开始驱替，当采出液中不含油时关闭平流泵2，控水阀6和压力阀，结束本次试验。
[0053]
步骤八：对数据进行采集和分析。计算机21采集流入端流出端压力表的参数，根据达西定律，在流体粘度不变的条件下，流量和压力成正比，根据压力表的示数，可以分析磁
性纳米液在多孔介质中的渗流阻力及粘度变化；通过油水计量器19可以得到磁性纳米液的驱替采收率；通过计算机21实时采集三维旋转磁场的实时参数，研究三维旋转磁场对驱替效果的影响。
[0054]
步骤九：磁性纳米液的回收利用。磁性纳米液是包含磁性纳米粒子，表明活性剂和机载液稳定的胶体分散系，采出液注入磁性采出液分离罐中在磁场的作用下克服流体之间的粘性力从而分离出磁性纳米液和原油，然后分别流入磁性纳米液计量器和油水计量器，磁性纳米液可以直接进行回收和利用。
[0055]
通过本发明装置驱替，实验结果表明基于旋转磁场的驱替效率比一般的水驱效率要提高20％-30％左右，通过对比试验发现磁性纳米液在本发明的实验装置下驱替效果比较明显。