CN103541730A - 大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置及其驱替实验*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置及其驱替实验***，该流体排驱饱和装置包括壳体（1）和被壳体（1）密封包裹的岩心模型（2），岩心模型（2）的两侧分别设置有能够向岩心模型（2）内注入流体的排驱装置（3），排驱装置（3）含有与岩心模型（2）的表面相接触的多个注入口（31）。含有流体排驱饱和装置的大尺寸物理模型的驱替实验***与常规流体饱和方法相比采用了流体前缘以稳定的排状均匀推进，波及体积提高，饱和效果明显提升，提高了大尺寸物理模型对油藏条件下流体分布的模拟程度。

Description

大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置及其驱替实验***

技术领域

本发明涉及油气田实验技术领域，特别是一种大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，还是一种大尺寸物理模型的驱替实验***。

背景技术

大尺寸物理模型的驱替实验是模拟真实油藏开发特征的有效手段，而其中的流体饱和过程是进行实验的首要环节，实现物理模型有效模拟油藏初始流体饱和状态是驱替实验的基础。

目前，一维物理模型的流体饱和方法已属于成熟技术，在岩心分析标准中有明确的步骤，而二维/三维物理模型却没有标准可循。原因是一维模型的截面积较小，饱和流体在慢速流动的条件下近似于活塞状，指进现象及重力干扰作用可忽略。在岩心抽真空及饱和水操作后，水几乎占据整个孔隙空间，通常认为饱和水体积即是模型的孔隙体积。大尺寸二维/三维物理模型在流体饱和过程中面临较为严重的平面流体指进和纵向流体分布不均等问题。现有方法是首先将模型抽真空，然后在模型的不同位置逐步注入流体，通过大孔隙体积倍数的驱替量减少未波及区域。在实验要求简单及模型空间允许的条件下，可以对模型进行角度调整，利用重力作用进一步提高饱和效果。即便如此，大尺寸二维、三维物理模型的饱和程度通常也难以达到孔隙体积的70%，与真实油藏的流体饱和状态具有一定差距。对大多数物理模拟实验而言，都要求在高温高压条件下饱和流体，岩石模型必然固定在高温高压容器釜/舱内，对模型进行倾斜的方式无法使用。

现有方法在大尺寸二维、三维物理模型的饱和操作时存在两个突出问题：1.饱和水时，点状注入使水以扇形向前推进，在岩心模型均质性稍差时，容易产生指进现象，即使多次调整注入点位置，也不能使水波及到整个模型。2.饱和油时，油通常会沿着已经被水占据的孔道渗流，即初始含油饱和度更低，无法模拟真实油藏的流体饱和状态。

发明内容

为了解决现有的大尺寸物理模型饱和度低的技术问题，本发明提供了一种大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置及其驱替实验***。该大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置及其驱替实验***可有效提高流体在大尺寸物理模型中的饱和程度，提高了大尺寸物理模型对油藏条件下流体分布的模拟程度。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：一种大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，包括壳体和被壳体密封包裹的岩心模型，岩心模型的两侧分别设置有能够向岩心模型内注入流体的排驱装置，排驱装置含有与岩心模型的表面相接触的多个注入口。

排驱装置的主体内含有封闭的空腔，多个注入口设置在排驱装置的主体与岩心模型相接触的侧壁上，注入口能够与空腔连通，活塞的一端密封插接于注入口，侧壁上设有与空腔连通的流入口。

活塞的另一端固定连接有受力板，受力板能够将空腔分为第一半空腔和第二半空腔，第一半空腔能够与注入口连通。

第一半空腔内设有第一弹性膜，排驱装置的主体的侧壁上设有与第一弹性膜连通的第一膜端口，当从第一膜端口向第一弹性膜内注入流体时，受力板和活塞能够移动，第一半空腔能够与注入口连通。

第二半空腔内设有第二弹性膜，排驱装置的主体的侧壁上设有与第二弹性膜连通的第二膜端口，当从第二膜端口向第二弹性膜内注入流体时，受力板和活塞能够移动。

受力板由多个受力片组成，相邻的两个受力片之间铰接，活塞的另一端与受力片固定连接。

设置在岩心模型一侧的排驱装置的注入口的高度低于设置在岩心模型另一侧的排驱装置的注入口的高度。

排驱装置为多个密封短节，每个密封短节的一端均含有一个注入口，该密封短节的一端与岩心模型连接，密封短节的另一端与壳体的外部连通。

一种大尺寸物理模型的驱替实验***，含有上述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，岩心模型一侧的排驱装置的注入口通过管线连接有流体注入装置，岩心模型另一侧的排驱装置的注入口通过管线连接有流体收集装置。

该大尺寸物理模型的驱替实验***还含有高压釜，该大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置设置在高压釜中。

本发明的有益效果是：

1.常规流体饱和方法通常为点状注入，无法确保注入的流体在模型中以排状向前推进，岩石孔隙的波及效率低，饱和程度差。而采用本方法饱和流体时，流体前缘以稳定的排状均匀推进，波及体积提高，饱和效果明显提升。

2.尽管本发明中的排驱装置与岩心具有较大的接触面，但是良好的密封性，使饱和后的流体渗流不受接触面的影响，即保证了驱替规律的真实反映。

3.常规饱和方法饱和效率低，且可控性差。而本方法可控性强，适用于不同类型（高渗、低渗、均质、非均质）的岩心。在饱和程度大幅提高的同时，提高了大尺寸物理模型对油藏条件下流体分布的模拟程度。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置及其驱替实验***作进一步详细的描述。

图1是实施例1中所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置的立体示意图。

图2是实施例1中排驱装置的第一状态示意图。

图3是实施例1中排驱装置的第二状态示意图。

图4是实施例1中受力板及受力片的结构示意图。

图5是实施例1中所述的大尺寸物理模型的驱替实验***的工作状态示意图。

图6是实施例2中的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置的立体示意图。

图7是实施例2中密封短节的剖视图。

图8是实施例2中所述的大尺寸物理模型的驱替实验***的工作状态示意图。

图9是实施例2中所述的排阀的结构示意图。

图10是流体在岩心模型中流通的示意图。

图11是现有技术与本发明所述方法的实验结果对比图。

其中1.壳体，2.岩心模型，3.排驱装置，31.注入口，32.排驱装置的主体，33.空腔，331.第一半空腔，332.第一弹性膜，333.第一膜端口，334.第二半空腔，335.第二弹性膜，336.第二膜端口，34.侧壁，35.活塞，36.受力板，361.受力片，37.密封短节，38.流入口，4.管线，51.第一注入泵，52.第二注入泵，53.第三注入泵，6.高压釜，71.第一阀，72.第二阀，73.第三阀，74.第四阀，75.第五阀，76.第六阀，77.第七阀，78.第八阀，79.第九阀，710.第十阀，8.收集罐，9.中间容器，91.排阀，911.单阀出口，912.阀杆，913.单阀，914.通道，915.入口。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图对本发明所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置及其驱替实验***进行详细说明。一种大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，包括壳体1和被壳体1密封包裹的岩心模型2，岩心模型2的两侧分别设置有能够向岩心模型2内注入流体的排驱装置3，排驱装置3含有与岩心模型2的表面相接触的多个注入口31，如图1所示，如图1中箭头A表示液体流入，箭头B表示液体流出。

具体的在本实施例中，排驱装置的主体32内含有封闭的空腔33，多个注入口31设置在排驱装置的主体32与岩心模型2相接触的侧壁34上，注入口31能够与空腔33连通，活塞35的一端密封插接于注入口31，侧壁34上设有与空腔33连通的流入口38，如图2、图3所示。大尺寸物理模型即为岩心模型2，在工作时，岩心模型2与排驱装置3设有活塞35的一侧相接触，活塞35能够沿着靠近岩心模型2和远离岩心模型2的方向移动，当需要向岩心模型2内饱和液体时，首先活塞35向远离岩心模型2的方向移动，如图3所示，当注入口31与空腔33连通时，液体会进入活塞3离开后的注入口31，然后活塞35再向靠近岩心模型2的方向移动，活塞35能够将注入口31内的液体压入到岩心模型2中，如图2所示，从而饱和岩心模型2。排驱装置的主体32近似盒状结构，顶部有一定数量的注入口31，是活塞35运动的空间。排驱装置的主体32与压盖、端面之间通过螺栓紧密连接。该大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置中的排驱装置3为一体式的主要适用于均质岩心模型。

活塞35的另一端固定连接有受力板36，受力板36能够将空腔33分为第一半空腔331和第二半空腔334，第一半空腔331能够与注入口31连通。

第一半空腔331内设有第一弹性膜332，排驱装置的主体32的侧壁34上设有与第一弹性膜332连通的第一膜端口333，当从第一膜端口333向第一弹性膜332内注入流体时，受力板36和活塞35能够移动，第一半空腔331能够与注入口31连通。第二半空腔334内设有第二弹性膜335，排驱装置的主体32的侧壁34上设有与第二弹性膜335连通的第二膜端口336，当从第二膜端口336向第二弹性膜335内注入流体时，受力板36和活塞35能够移动。第一弹性膜332和第二弹性膜335是两个弹性囊，主要起推动受力板36移动的作用，当第一弹性膜332内充满流体膨胀时，受力板36向第二半空腔334方向移动同时挤出第二弹性膜335内的流体；同理，第二弹性膜335充满流体膨胀时，受力板36向第一半空腔331的方向移动同时挤出第一弹性膜332内的流体。排驱装置的上分布有流入口38、第一膜端口333、第二膜端口336和螺栓口。其中流入口38为饱和流体的入或出的口，在活塞35在图2中下移后，通过该流入口38的流体充入第一弹性膜332***空间最终可进入到大尺寸岩心模型2中。第一膜端口333和第二膜端口336分别为第一弹性膜332和第二弹性膜335填充流体的入或出的口，通过这两个口的流体进入第一弹性膜332或第二弹性膜335中，进而推动受力板36和活塞35移动。

受力板36由多个受力片361组成，相邻的两个受力片361之间铰接，活塞35的另一端与受力片361固定连接，如图4所示。每个受力片361的中心位置设有一个有内丝扣的圆形槽，该圆形槽与活塞35的另一端相匹配，活塞35的另一端通过螺纹连接与圆形槽固定。铰接可以允许活塞35有一个小的偏移量，使得所有活塞35与受力板36协调作用，保证了单个活塞35运动时的垂直性，从而便于提高活塞的密封性。

活塞35与排驱装置的主体32上的注入口31由O型圈密封，当受力板36拖拽活塞35向图2中的下移动到特定位置时，排驱装置的主体32与岩心模型2之间形成通道，饱和流体注入岩心模型2中；饱和结束后，受力板36推动活塞35向图2中的上移动，活塞35与岩心模型2紧密贴近形成密封，密封后活塞面上的流体仍旧保持孔隙渗流状态，不改变岩心模型2边界的流动性质。

考虑到重力的作用，设置在岩心模型2一侧的排驱装置3的注入口31的高度低于设置在岩心模型2另一侧的排驱装置3的注入口31的高度，如图10所示，左侧高度较低的注入口31为饱和水入口或饱和油的出口，右侧高度较高的注入口31为饱和水出口或饱和油的入口，箭头C表示饱和水流动的方向及流线初始位置，箭头D表示饱和油流动的方向及流线初始位置。

一种大尺寸物理模型的驱替实验***，该大尺寸物理模型的驱替实验***含有上述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，岩心模型2一侧的排驱装置3的注入口31通过管线4连接有流体注入装置，岩心模型2另一侧的排驱装置3的注入口31通过管线4连接有流体收集装置，如图5所示，该流体注入装置包括第一注入泵51、第二注入泵52、第三注入泵53，中间容器9、第一阀71、第二阀72、第三阀73、第四阀74.、第五阀75。该流体收集装置包括收集罐8、第六阀76、第七阀77、第八阀78、第九阀79、第十阀710，如图5所示。该大尺寸物理模型的驱替实验***还含有高压釜6，该大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置设置在高压釜6中。

以饱和地层水及饱和油为例，说明下面结合图1和图5对本发明所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置及其驱替实验***的工作过程，岩心模型2的尺寸为50cmX50cmX10cm。

1、实验准备

按照图10所示，用密封胶将两个本所述的排驱装置3分别粘贴在岩心模型2的一个的端面的底部和另一个端面的顶部。模型饱和水时从底部入口进入，饱和油时则从顶部入口进入，这样可以利用重力作用尽量扩大波及体积，流线位置如图10所示，箭头C表示饱和水流动的方向及流线初始位置，箭头D表示饱和油流动的方向及流线初始位置。

在岩心模型2的表面逐层涂匀固化胶进行密封处理，排驱装置3密封在内，即壳体1固化胶，为放置24小时待固化稳定后将其放置在高压釜6内。按照图5连接管线4和各器件，中间容器9内装满地层水，所有阀门处于关闭状态。

2、岩心模型2内饱和地层水过程

首先对岩心模型2抽真空，并将高压釜6内围压流体的温度压力调节为实验设计值，稳定24h以上。

其次，排驱装置3与岩心模型2形成通道的操作。第一阀71为双向阀，第一阀71指向第三阀73且开启第三阀73，开启第四阀74、第五阀75。同时，流程右侧部分，第六阀76为双向阀，第六阀76指向第八阀78且开启第八阀78，开启第九阀73、第十阀710。开第二注入泵52，使蒸馏水分别通过两侧排驱装置3的第一膜端口333进入的第一弹性膜332，第一弹性膜332膨胀后推动受力板36及活塞35下移（第二注入泵52压力达到0.5MPa时，停泵），则两侧排驱装置3与岩心模型2形成通道；

再次，岩石饱和过程。开第一注入泵51，将地层水（饱和溶液）通过流入口38以设计速度注入到岩心模型2中，图1中左侧排驱装置3为注入端，右侧的排驱装置3为产出端。饱和水时，应根据岩心渗透性而采用相应饱和速度。渗透率低，饱和速度低，防止指进现象，使流体前缘成排状推进。饱和水流动过程的分布如图10所示，先沿岩石底部渗流，均匀向上部推进。

以30%的孔隙度计算，饱和液量要不少于3倍孔隙体积。饱和后期，定时计量产出量与注入量，当两者相等时，说明岩心模型已饱和好，关闭第一注入泵51。

3、岩心模型2内饱和油过程

饱和油时，饱和液的中间容器9与右侧的排驱装置3相连，容器内为实验用油，左侧排驱装置3为产出端。开启第一注入泵51，以设计速度注入即可。饱和油流动过程的分布如图10所示，先沿岩心模型2顶部渗流，均匀向下部将水推出。当产出端不再产出水时，说明岩心饱和油完毕。

4、准备下阶段驱替实验。

关闭排驱装置3。第一阀71指向第五阀75且开启第五阀75，开启第二阀72、第三阀12。同时，流程右侧部分，第六阀76指向第十阀710且开启第十阀710，开启第六阀76、第七阀77。开第二注入泵52，使蒸馏水分别通过两侧排驱装置3的第二膜端口336进入的第二弹性膜335，第二弹性膜335膨胀后推动受力板36及活塞35上移（第二注入泵52压力达到0.5MPa时，停泵），则两侧排驱装置3的活塞35与岩心模型2紧密接触，形成排驱装置3与岩心模型2密封。

之后，即可进行驱替实验。

采用常规饱和方法和本方法进行同一组实验，对比两种方法的饱和效果。

实验内容：温度50℃、压力10MPa；岩心模型2的尺寸50cm×50cm×10cm；饱和地层水。孔隙度、渗透率、总孔隙体积如表1，孔隙度和渗透率以相同岩石的取样测试得到。地层水来源于国内某油田。

实验操作过程如前述，表1、图11列出了两种方法饱和地层水的饱和效果对比。表1给出了不同岩心模型的基础数据和对应不同方法的地层水饱和体积以及饱和程度；图10中两条曲线分别代表不同孔隙度岩心模型采用常规方法和发明方法饱和地层水的饱和程度。

表1岩心基础数据及实验结果对比

实施例2

在本实施例中，该大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置中的排驱装置3为多管式的主要适用于非均质岩心模型。

本实施例与实施例1的区别是：在本实施例中，排驱装置3为多个密封短节37，每个密封短节37的一端均含有一个注入口31，该密封短节37的一端与岩心模型2连接，密封短节37的另一端与壳体1的外部连通，如图6、图7所示，即该密封短节37的一端的注入口31与岩心模型2相接触，密封短节37的另一端与管线4连通，图6中A、B的含义与图1中相同。

在本实施例中，一种大尺寸物理模型的驱替实验***，含有本实施例中所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，岩心模型2一侧的排驱装置3的注入口31通过管线4连接有流体注入装置，岩心模型2另一侧的排驱装置3的注入口31通过管线4连接有流体收集装置，如图8所示。该大尺寸物理模型的驱替实验***与实施例1的区别是含有排阀91，用排阀91来控制密封短节37上的注入口31。排阀91的结构如图9所示，排阀91含有单阀出口911、阀杆912、单阀913、通道914、入口915。另外，该大尺寸物理模型的驱替实验***还含有高压釜6，该大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置设置在高压釜6中。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。

Claims (10)

1.一种大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，其特征在于，所述大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置包括壳体（1）和被壳体（1）密封包裹的岩心模型（2），岩心模型（2）的两侧分别设置有能够向岩心模型（2）内注入流体的排驱装置（3），排驱装置（3）含有与岩心模型（2）的表面相接触的多个注入口（31）。

2.根据权利要求1所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，其特征在于：排驱装置的主体（32）内含有封闭的空腔（33），多个注入口（31）设置在排驱装置的主体（32）与岩心模型（2）相接触的侧壁（34）上，注入口（31）能够与空腔（33）连通，活塞（35）的一端密封插接于注入口（31），侧壁（34）上设有与空腔（33）连通的流入口（38）。

3.根据权利要求2所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，其特征在于：活塞（35）的另一端固定连接有受力板（36），受力板（36）能够将空腔（33）分为第一半空腔（331）和第二半空腔（334），第一半空腔（331）能够与注入口（31）连通。

4.根据权利要求3所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，其特征在于：第一半空腔（331）内设有第一弹性膜（332），排驱装置的主体（32）的侧壁（34）上设有与第一弹性膜（332）连通的第一膜端口（333），当从第一膜端口（333）向第一弹性膜（332）内注入流体时，受力板（36）和活塞（35）能够移动，第一半空腔（331）能够与注入口（31）连通。

5.根据权利要求3所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，其特征在于：第二半空腔（334）内设有第二弹性膜（335），排驱装置的主体（32）的侧壁（34）上设有与第二弹性膜（335）连通的第二膜端口（336），当从第二膜端口（336）向第二弹性膜（335）内注入流体时，受力板（36）和活塞（35）能够移动。

6.根据权利要求3所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，其特征在于：受力板（36）由多个受力片（361）组成，相邻的两个受力片（361）之间铰接，活塞（35）的另一端与受力片（361）固定连接。

7.根据权利要求1所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，其特征在于：设置在岩心模型（2）一侧的排驱装置（3）的注入口（31）的高度低于设置在岩心模型（2）另一侧的排驱装置（3）的注入口（31）的高度。

8.根据权利要求1所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，其特征在于：排驱装置（3）为多个密封短节（37），每个密封短节（37）的一端均含有一个注入口（31），该密封短节（37）的一端与岩心模型（2）连接，密封短节（37）的另一端与壳体（1）的外部连通。

9.一种大尺寸物理模型的驱替实验***，其特征在于：该大尺寸物理模型的驱替实验***含有权利要求1～8中任何一项所述的大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置，岩心模型（2）一侧的排驱装置（3）的注入口（31）通过管线（4）连接有流体注入装置，岩心模型（2）另一侧的排驱装置（3）的注入口（31）通过管线（4）连接有流体收集装置。

10.根据权利要求9所述的大尺寸物理模型的驱替实验***，其特征在于：该大尺寸物理模型的驱替实验***还含有高压釜（6），该大尺寸物理模型的流体排驱饱和装置设置在高压釜（6）中。

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