基于吞吐补偿系统的注气吞吐物理模拟装置及方法与流程

1.本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种基于吞吐补偿系统的注气吞吐物理模拟装置及方法。


背景技术：

2.随着稠油油田开发进入中后期，部分区块受埋深、渗透率低、高温高盐等因素影响，无法转热采和化学驱，开发经济性较差，只能采用小规模的注气吞吐方式生产。因此，需要通过室内物理模拟的方法，研究注气吞吐机理和进行相关工艺参数的优化。国内外学者在注气吞吐物理模拟装置和方法上进行了大量研究，但仍存在着一些问题：一是目前大部分物模装置以驱替为主，进行吞吐实验无法模拟气体的弹性变化，导致产出较低。二是进行多次吞吐后，无物质和能量补充，模拟效果变差。三是部分实验仅仅通过回压阀逐渐降压模拟焖井的压降过程，造成了能量损失，使得回吐过程中能量不足，产量较低，同时无法模拟气体与原油在压降下的相互作用过程。有的虽然采用中间容器作为压力补偿，但是无法精确控制和模拟焖井过程中的压力变化，与实际焖井过程差异较大，且仅仅进行了压力补偿，未进行物质补偿，多轮次吞吐后，模拟效果明显变差。
3.如何有效的模拟地层吞吐过程中的焖井过程、强化气体与原油间的相互作用、精确控制注入采出过程和有效的进行物质及能量补充是目前需要迫切解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明主要目的是提供一种能够更真实模拟油藏注气吞吐开采过程，特别是模拟吞吐焖井时的压降变化和注入气体与原油相互作用过程的基于吞吐补偿系统的注气吞吐物理模拟装置及方法。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明提供一种基于吞吐补偿系统的注气吞吐物理模拟装置，所述装置包括注入系统、岩心吞吐系统、采出系统、数据采集系统、吞吐补偿系统；
7.岩心吞吐系统前端通过六通阀分别连接注入系统和采出系统，岩心吞吐系统后端连接吞吐补偿系统；注入系统、岩心吞吐系统、采出系统和吞吐补偿系统分别与数据采集系统连接。
8.优选地，吞吐补偿系统由补偿主体模块、电动控制模块、液动控制模块和数据处理模块组成；补偿主体模块包括主筒体、加样器和活塞；电动控制模块包括丝杠、指针、带标尺支架和电动机；液动控制模块包括供液口和恒压恒速泵；数据处理模块包括压力采集口、数字显示屏和数据处理器；
9.所述主筒体前端上部连接加样器，前端下部连接压力采集口，压力采集口数据实时传输到数据处理器，数据处理器和数字显示屏集成安装，主筒体内有可前后移动的密封活塞，活塞连接丝杠，丝杠与主筒体后端密封连接，丝杠后端固定在带标尺的支架上，支架上安装电动机，通过数据处理器控制丝杠前后运动。主筒体后端有供液口与恒压恒速泵连
接，通过数据处理器控制主筒体后端腔体内的液体压力及容量。吞吐补偿系统的数据处理模块可以精确控制筒体前后端压力及体积。
10.吞吐补偿系统系统具有恒容模式、恒压模式和降压模式。
11.恒容模式下，丝杠位置锁死，丝杠与活塞连接，因此活塞在主筒体内的位置不发生移动，此时体积保持不变，维持恒容状态。
12.恒压模式下，数据处理器根据系统设置的压力值与当前测量的实际压力值进行比对，若压力一致，则保持丝杠位置不变，若不相等，则根据压力的差值大小，控制丝杠前后运动，运动速度与压力的差值呈正比，差值越大，则丝杠运动越快，随着丝杠带动活塞移动，则实际测量的压力值逐渐趋近并达到设置的压力值；通过控制主筒体内活塞位置的移动，可以实现主筒体内压力发生变化后系统自动迅速恢复到设置的恒压状态。
13.降压模式下，通过丝杠控制主筒体内活塞位置的移动实现压力下降，数据处理器可以设置以恒定压力梯度的速度降低压力，也可以设置总的降低压力时间，系统自动在规定时间内以特定的速度降低压力到设定值，实现精确控制的降压状态。
14.恒容模式模拟气体注入阶段压力升高，但气体并未进入地层深部阶段，此时压力升高体积不变；降压模式可以根据实验需求，连续精确的控制压力降低过程，模拟地层焖井过程；恒压模式模拟吐出阶段，地层以恒定压力生产。吞吐补偿系统主筒体内体积可以充填油样、地层水和气体。充填油样时可以模拟岩心与地层深部沟通，地层可以进行物质和能量补充；充填水样时可以模拟岩心与地层水体沟通，可以进行能量补充且模拟地层出水带来的产量影响；充填气样时可以模拟岩心与地层气连通，对地层进行能量补充的同时模拟大规模注气后，强化气体对原油的作用影响。选择不同补偿物质，可以模拟注气吞吐过程中的不同工况。
15.优选地，注入系统包括三个驱替泵、气瓶、地层水中间容器、原油中间容器、注入气体中间容器、两个注气阀门、流量计、单流阀、六通阀组成；三个驱替泵分别与地层水中间容器、原油中间容器、注入气体中间容器连接；注入气体中间容器分别与气瓶、六通阀连接，在与气瓶连接的管线上设置注气阀门；注入气体中间容器在与六通阀连接的管线上，自靠近注入气体中间容器端依次设置主汽阀、流量计和单流阀；地层水中间容器、原油中间容器分别与六通阀连接。
16.优选地，岩心吞吐系统包括两个注入阀门、两个回压阀、两个手摇泵、高渗岩心、低渗岩心，其中高渗岩心、低渗岩心并联，两岩心入口端分别设置回压阀，各回压阀分别连接一个手摇泵；两回压阀共同连接在六通阀，两回压阀与六通阀连接的管线上分别设置注入阀。
17.优选地，高渗岩心、低渗岩心渗透率极差为2:1～10:1，每个岩心上分布3-5个测压点。
18.优选地，采出系统包括两个产出阀门、两个气液分离器，两个电子天平，两个流量计；
19.所述采出系统设置两个并列管线，各管线上依次设置产出阀门、气液分离器和气体流量计；两个产出阀门分别与岩心吞吐系统中注入阀、回压阀连接；气液分离器置于天平上；两气体流量计分别与数据采集系统连接。
20.优选地，数据采集系统由压力数据采集器和计算机组成。
21.本发明还提供一种基于吞吐补偿系统的注气吞吐物理模拟实验方法，利用以上任一项所述装置进行，所述方法包括以下步骤：
22.步骤1.准备阶段：注入系统中间容器内充填好一定的油样、注入水及注入气体，回压阀设置好初始压力，模拟地层的压力情况；岩心吞吐系统分别装填一定渗透率极差的岩心并饱和原油，进行一定程度的水驱过程，模拟注气吞吐前的地层油藏情况；吞吐补偿系统主筒体内充满油样，指针处于初始位置，设置为恒容模式；采出系统及数据采集系统调试正常；
23.步骤2.注入阶段：打开注入系统注入阀门，高压气体通过气体流量计、单流阀和回压阀后注入岩心系统，岩心吞吐系统压力逐渐升高，达到注入量后，关闭阀门，停止注入；
24.步骤3.焖井阶段：根据现场压降数据，吞吐补偿系统设置为降压模式，通过数据处理器精确控制，模拟焖井阶段的压力变化过程，当压力降低到设置压力后，调整吞吐补偿系统为恒压模式；
25.步骤4.产出阶段：打开采出系统产出阀门，产出物通过气水分离器分离，气体进入气体流量计，液体在分离器内分层，通过天平称量质量，根据实验要求，恒压模式吐出生产，直到吞吐补偿系统至初始位置后调整为恒容模式，继续生产，直到不再产出为止；
26.步骤5.多轮次吞吐阶段：重复步骤2～步骤4，进行多轮次吞吐实验，直到达到设计吞吐轮次。
27.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
28.本发明装置利用吞吐补偿系统，有效的模拟了地层吞吐过程中的焖井过程，实现了注入过程和采出过程中的压力补偿和物质补偿，强化模拟了注气吞吐过程中气体与原油的相互作用。同时该方法操作简单，效果好，可以模拟不同油藏条件下的注气吞吐实验，进而获得不同注入条件下的注气吞吐实验效果，为油田注气吞吐开发提供可靠地评价方法。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1为本发明一具体实施例所述基于吞吐补偿系统的注气吞吐物理模拟装置示意图；
31.图2为本发明一具体实施例所述吞吐补偿系统示意图。
32.其中，1-驱替泵；2-气瓶；3-地层水中间容器；4-原油中间容器；5-注入气体中间容器；6-注气阀门
①
；7-注气阀门
②
；8-气体质量流量计；9-单流阀；10-六通阀；11-注入压力；12-注入阀门
①
；13-注入阀门
②
；14-产出阀门
①
；15-产出阀门
②
；16-回压阀
①
；17-手摇泵
①
；18-回压阀
②
；19-手摇泵
②
；20-高渗岩心；21-低渗岩心；22-气液分离器
①
；23-电子天平
①
；24-气体流量计
①
；25-气液分离器
②
；26-电子天平
②
；27-气体流量计
②
；28-压力数据采集器；29-吞吐补偿系统；30-计算机；101-主筒体；102-加样器；103-压力采集口；104-活塞；105-丝杠；106-电动机；107-指针；108-供液口；109-恒压恒速泵；110-数据处理器；111-数字显示屏；112-带标尺支架112。
具体实施方式
33.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
35.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
36.实施例1
37.如图1所示，本发明提供了一种注气吞吐物理模拟实验装置，所述包括注入系统、岩心吞吐系统，采出系统、数据采集系统、吞吐补偿系统。岩心吞吐系统前端通过六通阀连接注入系统和采出系统，岩心吞吐系统后端连接吞吐补偿系统，各系统所需采集的压力、流量、质量等数据分别连接数据采集系统。
38.注入系统由三个并联的驱替泵1、气瓶2、地层水中间容器3、原油中间容器4、注入气体中间容器5、注气阀门
①
6、注气阀门
②
7、气体质量流量计8、单流阀9、10-六通阀10组成。
39.岩心吞吐系统由注入阀门
①
12、注入阀门
②
13、回压阀
①
16、手摇泵
①
17、回压阀
②
18、手摇泵
②
19、高渗岩心20、低渗岩心21组成，其中高渗岩心20、低渗岩心21并联，渗透率极差为2:1～10:1之间，模拟地层的非均质性。每个岩心上分布3-5个测压点，全程测量压力变化情况。
40.采出系统由产出阀门
①
14、产出阀门
②
15、气液分离器
①
22、电子天平
①
23、气体流量计
①
24、气液分离器
②
25、电子天平
②
26、气体流量计
②
27组成。产出物通过气水分离器分离，气体进入气体流量计，油水混合物通过电子天平称重，气水分离器筒体为透明的带刻度材质，油水静置分层后分别读取油水液量。
41.数据采集系统由压力数据采集器28和计算机30组成，压力数据采集器28采集注入压力、产出压力、高渗岩心20和低渗岩心21各测压点压力和吞吐补偿系统29压力。
42.如图2所示，吞吐补偿系统29由主筒体101、加样器102、压力采集口103、活塞104、丝杠105、电动机106、指针107、供液口108、恒压恒速泵109、数据处理器110、数字显示屏111、带标尺支架112组成。所述主筒体101前端上部连接加样器102，前端下部连接压力采集口103，压力采集口3数据实时传输到数据处理器110，数据处理器110和数字显示屏111集成安装，主筒体101内有可前后移动的密封活塞104，活塞104连接丝杠105，丝杠105与主筒体101后端密封连接，丝杠105后端固定在带标尺支架112上，支架112上安装电动机106，通过数据处理器110控制丝杠105前后运动。主筒体101后端有供液口108与恒压恒速泵109连接，通过数据处理器110控制主筒体101后端腔体内的液体压力及容量。吞吐补偿系统的数据处理模块可以精确控制筒体前后端压力及体积。
43.吞吐补偿系统具有恒容模式、恒压模式和降压模式。
44.恒容模式下，丝杠位置锁死，丝杠与活塞连接，因此活塞在主筒体内的位置不发生
移动，此时体积保持不变，维持恒容状态。
45.恒压模式下，数据处理器根据系统设置的压力值与当前测量的实际压力值进行比对，若压力一致，则保持丝杠位置不变，若不相等，则根据压力的差值大小，控制丝杠前后运动，运动速度与压力的差值呈正比，差值越大，则丝杠运动越快，随着丝杠带动活塞移动，则实际测量的压力值逐渐趋近并达到设置的压力值；通过控制主筒体内活塞位置的移动，可以实现主筒体内压力发生变化后系统自动迅速恢复到设置的恒压状态。
46.降压模式下，同样通过丝杠控制主筒体内活塞位置的移动实现压力下降，数据处理器可以设置以恒定压力梯度的速度降低压力，也可以设置总的降低压力时间，系统自动在规定时间内以特定的速度降低压力到设定值，实现精确控制的降压状态。
47.利用所述吞吐补充系统，模拟不同吞吐补偿介质的吞吐实验方法：
48.正常模拟吞吐过程：在实验准备阶段，主筒体101内充填一定体积的原油；注入阶段，吞吐补偿系统29设置为恒容模式，模拟气体注入阶段压力升高，但气体并未进入地层深部阶段，此时压力升高体积不变；焖井阶段，吞吐补偿系统29设置为降压模式，可以根据实验需求连续精确的控制压力降低过程，模拟地层焖井过程，气体可进入主筒体101与原油进行物质和能量交换；产出阶段，吞吐补偿系统29设置为恒压模式，模拟吐出阶段地层以恒定压力生产，直到吞吐补偿系统29的指针107恢复至初始位置，此时能量和物质补偿完成，设置吞吐补偿系统29为恒容模式，在压差驱动下继续生产直至结束。
49.模拟地层弱边水层或夹层水：在实验准备阶段，主筒体101内充填一定体积的地层水；注入阶段，吞吐补偿系统29设置为恒容模式，模拟气体注入阶段压力升高，但气体并未进入地层深部阶段，此时压力升高体积不变；焖井阶段，吞吐补偿系统29设置为降压模式，可以根据实验需求连续精确的控制压力降低过程，模拟地层焖井过程，气体可进入主筒体101与地层水进行物质和能量交换；产出阶段，吞吐补偿系统29设置为恒压模式，模拟吐出阶段地层以恒定压力生产，直到吞吐补偿系统29的指针107恢复至初始位置，此时能量和物质补偿完成，设置吞吐补偿系统29设置为恒容模式，在压差驱动下继续生产直至结束，通过对比分析产出液含水情况，可模拟少量夹层水对原油采出的影响。
50.模拟地层强边底水层：在实验准备阶段，主筒体101内充填一定体积的地层水；注入阶段，吞吐补偿系统29设置为恒容模式，模拟气体注入阶段压力升高，但气体并未进入地层深部阶段，此时压力升高体积不变；焖井阶段，吞吐补偿系统29设置为降压模式，可以根据实验需求连续精确的控制压力降低过程，模拟地层焖井过程，气体可进入主筒体101与地层水进行物质和能量交换；产出阶段，吞吐补偿系统29设置为恒压模式，压力设置为强边底水层的压力，模拟吐出阶段地层水进入储层补充物质和能量生产，吞吐补偿系统29的指针107恢复至初始位置，记录产出情况，继续以水层压力恒压模式生产，根据产出含水情况，判断实验是否结束，记录产出情况，对比分析强边底水对吞吐实验的影响。
51.模拟地层气层或夹层气：在实验准备阶段，主筒体101内充填一定体积压力的地层气体；注入阶段，吞吐补偿系统29设置为恒容模式，模拟气体注入阶段压力升高，但气体并未进入地层深部阶段，此时压力升高体积不变；焖井阶段，吞吐补偿系统29设置为降压模式，可以根据实验需求连续精确的控制压力降低过程，模拟地层焖井过程，气体此时进入主筒体101与地层气体进行物质和能量交换，直到压力降低到初始主筒体101内气体的压力停止降压；产出阶段，吞吐补偿系统29设置为恒压模式，压力设置为初始主筒体101内气体的
压力，模拟吐出阶段地层气体持续进入储层补充物质和能量生产，吞吐补偿系统29的指针107恢复至初始位置，记录产出情况，继续以气层压力恒压模式生产，根据产出液情况，判断实验是否结束，记录产出情况，对比分析强气层或夹层气对吞吐实验的影响。
52.实施例2
53.一种基于吞吐补偿系统的注气吞吐物理模拟实验方法，所述方法包括以下步骤：
54.步骤1.准备阶段：注入系统地层水中间容器3和原油中间容器4内充填好一定的注入水和油样；打开气瓶2和注气阀门
①
6，关闭注气阀门
②
7，向注入气体中间容器5内充填一定压力的气体(氮气、二氧化碳等)，关闭注气阀门
①
6，打开注气阀门
②
7待用；回压阀
①
16、回压阀
②
18设置好相同的初始压力为0.5～2mpa之间，模拟地层的压力情况；高渗岩心20和低渗岩心21内分别装填一定渗透率极差的岩心并饱和原油，进行一定程度的水驱过程，模拟注气吞吐前的地层油藏情况；吞吐补偿系统29主筒体101内充满油样(水样或气体)，指针107处于初始位置，设置为恒容模式；采出系统及数据采集系统调试正常。
55.步骤2.注入阶段：打开注入阀门
①
12和注入阀门
②
13，关闭产出阀门
①
14和产出阀门
②
15，高压气体通过气体流量计8、单流阀9、回压阀
①
16和回压阀
②
18分别注入高渗岩心20和低渗岩心21，岩心吞吐系统压力逐渐升高到5～20mpa，达到注入量后，关闭注入阀门
①
12和注入阀门
②
13，停止注入。
56.步骤3.焖井阶段：根据现场压降数据，吞吐补偿系统29设置为降压模式，通过数据处理器110精确控制模拟焖井阶段的压力变化过程，设置压力下降速率为0.1～0.5mpa/h匀速下降或者降速下降，当压力降低到设置压力2～5mpa后，调整吞吐补偿系统为恒容模式，继续焖井等待一段时间。
57.步骤4.产出阶段：打开产出阀门
①
14和产出阀门
②
15，关闭注入阀门
①
12和注入阀门
②
13，产出物依次通过气液分离器
①
22、气液分离器
②
25分离，气体进入气体流量计
①
24、气体流量计
②
27，液体在气液分离器内分层，通过电子天平
①
23、电子天平
②
26称量质量，同时读取气水分离器筒体内静置分层后的油水液量。根据实验要求，恒压模式设置为2～5mpa吐出生产，直到吞吐补偿系统29的指针107恢复至初始位置，调整为恒容模式，在压差驱动下继续生产，直到压力降低到与回压阀
①
16、回压阀
②
18设置好初始压力相同时，不再产出为止。
58.步骤5.多轮次吞吐阶段：重复步骤2～步骤4，进行多轮次吞吐实验，直到达到设计吞吐轮次。
59.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。