CN103821487B - 一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，属于稠油热采开发领域。该模拟实验装置可为稠油热采开发方案的理论研究和工程设计优化提供实验基础。该装置包括实验岩样、真三轴应力加载装置、温度加载控制装置和声发射监测装置，实验岩样呈立方体状，其包括实际油藏取芯和水泥砂浆包裹层，本发明实验岩样更为真实的反映了实际油藏的岩石力学性质。温度加载控制装置通过加热管进行局部加热，通过传热介质将热量传输给实验岩样，模拟实际注高温热力过程，温度采集控制仪采集并控制实验岩样温度。本发明模拟稠油热采过程中不同温度、地应力条件下复合受力状态，可对实际稠油热采储层的破裂情况进行真实有效的评价。

Description

一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置

技术领域

本发明属于稠油热采开发领域，具体涉及一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置。

背景技术

我国具有丰富的稠油资源，热力采油是当前稠油资源开发的重要方式，它通过将热能载体注入油藏来加热稠油，降低原油粘度，提高原油流动能力，从而提高原油产量和采收率。稠油热采过程中，高温热能注入引起储层内温度、压力大幅度增加，原油粘度降低；孔隙流体和岩层骨架受热发生非均匀膨胀，导致储层产生变形及破裂。研究稠油热采过程中储层破裂机理及裂缝扩展过程，对于真实描述稠油热采储层开发动态，优化参数工艺具有重要的指导意义。

目前研究地下高温条件下岩样物性参数变化及破裂过程的实验装置及方法主要以一定围压条件下，岩样试件高温整体加热分析为主。而稠油热采储层破裂则是受到井筒局部高温载荷与三向非均匀地应力两方面耦合因素共同控制，目前研究主要以油藏数值模拟方法为主，缺乏相关稠油热采储层破裂的模拟实验装置及方法，无法对实际稠油热采储层破裂情况进行真实有效的评价，因而成为当前稠油热采开发领域的难点问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，该实验装置可以对实验岩样加载三个方向的地应力，在实验岩样井筒内加载高温条件，真实模拟稠油热采过程中不同温度、地应力条件下复合受力状态，采集储层破裂信息并***分析稠油热采储层破裂机制，为稠油热采注采方案理论研究和工程设计优化提供实验基础。

本发明技术方案包括：

一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，包括实验岩样、真三轴应力加载装置、温度加载控制装置和声发射监测装置，

所述实验岩样包括油藏取芯，油藏取芯外周设置有水泥砂浆包裹层，所述油藏取芯居于中心位置，实验岩样呈立方体状，所述实验岩样顶面中心向下设置有裸眼井筒；在实验过程时，实验岩样安放在真三轴应力加载装置的高压承压缸内，通过真三轴应力加载装置对实验岩样的外壁面在三个方向施加压力；

上述温度加载控制装置包括加热管、热电偶温度传感器和温度采集控制仪，所述温度采集控制仪分别与加热管、热电偶温度传感器连接，加热管安装在裸眼井筒内，在裸眼井筒的井壁与加热管之间填有传热介质层，热电偶温度传感器埋设在水泥砂浆包裹层预设位置上；

上述声发射监测装置包括声发射仪和多个声发射探头，所述声发射仪与所述多个声发射探头连接，所有声发射探头布置在水泥砂浆包裹层的外周上。

上述传热介质层为氯化钠。

上述高压承压缸分别设有液压底顶板、液压侧顶板、刚性侧垫板和刚性上垫板；上述实验岩样固定安设在液压底顶板的中心处，液压侧顶板与刚性侧垫板分别抵在实验岩样的两个相对侧面上，刚性上垫板压在实验岩样的顶部，刚性上垫板与位于其上方的高压承压缸顶盖接合。

上述实验岩样的外形尺寸为100mm×100mm×100mm；裸眼井筒的直径为10mm，深度为90mm。

本发明实验岩样是由真实稠油油藏取芯与水泥砂浆包裹层混合浇筑而成，而现有技术中常用的储层破裂模拟实验岩样主要是采用人工浇注水泥砂浆试件的方式，本发明实验岩样在混合浇筑过程中，真实稠油油藏取芯置于实验岩样立方体中心位置，热电偶温度传感器预埋入实验岩样内设计位置，引出热电偶温度传感器探头数据线，待实验岩样在水泥养护箱内养护达到强度要求，采用金刚石钻头在实验岩样顶面钻取裸眼井筒；本发明采用真实油藏取芯进行模拟，更接近实际稠油热采储层实际情况，可以对实际稠油热采储层的破裂情况进行真实有效的评价。

目前岩土工程领域中针对高温条件下岩样破裂的实验装置及方法主要是针对一定围压条件下，岩样试件整体加热进行破裂事件分析；而本发明稠油热采储层破裂是研究井筒局部高温载荷与空间三向非均匀地应力两方面因素耦合作用导致的破裂事件分析。

本发明真三轴应力加载装置用于向实验岩样外侧空间的三个方向分别施加不同压力，现有技术中大多采用的是向岩样施加围压，也就是施加的为均匀压力，而稠油热采裂则是受到井筒局部高温载荷与三向非均匀地应力两方面耦合因素共同控制，本发明向实验岩样外侧空间的三个方向施加压力，其形成的是非均匀压力，通过非均匀压力对实际稠油热采储层的破裂情况进行真实有效的评价。

本发明提出了一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，与现有技术相比，其采用了真实稠油稠油油藏取芯与水泥砂浆包裹层混合浇筑作为实验岩样，该实验岩样为立方体，与现有技术中的实验岩样相比较，其更为真实的反映了实际油藏的岩石力学性质；

采用真三轴应力加载装置真实的模拟实际稠油油藏的地应力状态，通过向实验岩样外侧空间的三个方向分别施加压力，其形成的是非均匀压力，通过非均匀压力对实际稠油热采储层的破裂情况进行真实有效的评价；

采用温度加载控制装置模拟实际注高温热力过程；通过加热管进行对实验岩样井筒局部加热，通过传热介质将热量传输给实验岩样，通过设置于实验岩样井筒内壁热电偶温度传感器探头探测近井筒壁处温度，通过温度采集控制仪显示温度变化，并根据测试温度控制加热管电源开关，达到控制温度的作用；

采用声发射仪监测分析稠油油藏温热条件与地应力复合作用下的储层破裂及裂缝扩展特征；

本发明模拟实验装置操作方便、实用性强，为稠油热采导致的储层破裂及裂缝扩展机理研究提供了可靠的研究手段。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明稠油热采储层破裂的模拟实验装置的纵向剖面图；

图2为本发明稠油热采储层破裂的模拟实验装置部分结构示意图；

图中，1、顶盖；2、刚性上垫板；3、高压承压缸；4、液压侧顶板；5、声发射探头；6、水泥砂浆包裹层；7、稠油油藏取芯；8、传热介质；9、加热管；10，液压底顶板；11、液压注入管线；12、声发射信号线；13、绝缘电线；14、热电偶数据线路；15、温度采集控制仪；16、声发射仪；17、热电偶温度传感器；18、刚性侧垫板；19、多通道液压伺服控制器。

具体实施方式

本发明提出了一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步清楚、完整的说明。

如图1所示，本发明提出了一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，包括实验岩样、真三轴应力加载装置、温度加载控制装置和声发射监测装置。

结合图2所示，本发明实验岩样由水泥砂浆包裹层6与稠油油藏取芯7混合浇筑而成，其外形呈立方体状，本发明优选其外形尺寸为100mm×100mm×100mm，本发明优选稠油油藏取芯7为真实稠油油藏取芯，实验岩样顶面中心处开有一直径10mm、长90mm的竖向中心孔，用作模拟裸眼井筒；稠油油藏取芯7外表形状不规则且尺寸较小，将其加工成实验要求的标准尺寸的立方体难度较大，因此，本发明采用稠油油藏取芯外部浇注水泥砂浆包裹层6包方法去除取芯表面形状不规则的影响，使整个实验岩样外形尺寸满足实验要求；水泥砂浆包裹层6为适当配比的水泥砂浆；

在混合浇筑过程中，真实稠油油藏取芯置于实验岩样的中心位置，热电偶温度传感器17探头预埋入实验岩样内设计位置，引出热电偶数据线路14，实验岩样表面平整度≤0.1mm/100mm，实验岩样在水泥养护箱内养护达到强度要求，采用金刚石钻头钻取裸眼井筒。

本发明，一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，包括实验岩样、高压承压缸3、真三轴应力加载装置、温度加载控制装置和声发射监测装置；

上述高压承压缸3与现有技术高压承压缸的结构类似，包括顶盖1、液压侧顶板4、液压底顶板10、刚性上垫板2和刚性侧垫板18构成；

上述，真三轴应力加载装置包括多通道液压伺服控制器19和与其连接的液压注入管线11，多通道液压伺服控制器19压力控制范围0～30MPa，多通道液压伺服控制器19通过液压注入管线11分别与上述液压底顶板10、两侧液压侧顶板4连接，分别对实验岩样外侧的空间三个方向分别施加压力，可模拟稠油油藏井深1500m之内的三向地应力状态；

温度加载控制装置包括加热管9、热电偶温度传感器17和温度采集控制仪15，加热管9直径8mm，长度60～90mm，功率150W～400W，置于实验岩样裸眼井筒内，通过绝缘电线13与温度采集控制仪15相连，用于加热实验岩样裸眼井筒内的温度；热电偶温度传感器17，温度测量范围为-50℃-500℃，布置于实验岩样近井筒壁处，通过热电偶数据线路14与温度采集控制仪15相连，用于测量实验岩样近井筒处的温度；加热管9通过绝缘电线13与温度采集控制仪15连接，温度采集控制仪15用于显示并控制裸眼井筒内温度；在实验岩样裸眼井筒壁与加热管中间的环空区域压入氯化钠作为环空处传热介质8；

声发射监测装置由声发射探头5、声发射信号线12和声发射仪16组成，声发射探头5设有四个，分别设置在实验岩样两个相对水平侧面，用于监测记录裸眼井筒内不同温度范围对应的声发射振铃率和能量率，并定位破裂点的空间位置，分析实验岩样破裂事件及裂缝扩展规律。

下面对上述模拟实验装置的使用方法作如下说明：

上述模拟实验装置的使用方法，其具体包括以下步骤：

步骤1、将上述制作好的实验岩样放入工业层析扫描成像装置中，采集该实验岩样的内部裂缝分布图，作为图像一；

步骤2、将实验岩样安放在上述真三轴应力加载装置的高压承压缸内，将上述声发射仪连接多个声发射探头，所有声发射探头布置在水泥砂浆包裹层的外周上；将上述加热管***所述裸眼井筒内，在裸眼井筒与加热管之间的环空处压入传热介质；将上述温度采集控制仪连接上述加热管及热电偶温度传感器；接着进入步骤3；

步骤3、启动真三轴应力加载装置，向实验岩样外侧空间的三个不同方向分别施加不同压力；接着进入步骤4；

步骤4、通过上述加热管对实验岩样裸眼井筒进行加热，与此同时打开声发射仪，加热管通过温度采集控制仪进行控制，温度采集控制仪设定温度每升高50℃，则保温1小时，如此缓慢升高直至加热温度为350℃；声发射仪利用声发射探头采集、存储当前的信号，作为信号一；

步骤5、当裸眼井筒温度达到350℃，保温2小时后，停止加热，此时声发射仪通过声发射探头采集、存储当前的信号，作为信号二，直到采集到井筒温度恢复到室温，停止实验；

步骤6、取出实验岩样，放置于工业层析扫描成像仪中，采集实验岩样经过高温加载后的内部裂缝分布图，作为图像二；

步骤7、利用上述声波信号一、声波信号二、图像一与图像二，开展进一步的稠油热采储层破裂的研究分析。

上述实验岩样、裸眼井筒的尺寸并非是对本发明的限制，本领域技术人员在本专利的启示下做出的替换、简单组合等多种变形，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，包括实验岩样、真三轴应力加载装置、温度加载控制装置和声发射监测装置，其特征在于：

所述实验岩样包括油藏取芯，油藏取芯外周设置有水泥砂浆包裹层，所述油藏取芯居于中心位置，实验岩样呈立方体状，所述实验岩样顶面中心向下设置有裸眼井筒；在实验过程时，实验岩样安放在真三轴应力加载装置的高压承压缸内，通过真三轴应力加载装置对实验岩样的外壁面在三个方向施加压力；

上述温度加载控制装置包括加热管、热电偶温度传感器和温度采集控制仪，所述温度采集控制仪分别与加热管、热电偶温度传感器连接，加热管安装在裸眼井筒内，在裸眼井筒的井壁与加热管之间填有传热介质层，热电偶温度传感器埋设在水泥砂浆包裹层预设位置上；

上述声发射监测装置包括声发射仪和多个声发射探头，所述声发射仪与所述多个声发射探头连接，所有声发射探头布置在水泥砂浆包裹层的外周上。

2.根据权利要求1所述的一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，其特征在于：所述传热介质层为氯化钠。

3.根据权利要求1所述的一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，其特征在于：所述高压承压缸分别设有液压底顶板、液压侧顶板、刚性侧垫板和刚性上垫板；所述实验岩样固定安设在液压底顶板的中心处，液压侧顶板与刚性侧垫板分别抵在实验岩样的两个相对侧面上，刚性上垫板压在实验岩样的顶部，刚性上垫板与位于其上方的高压承压缸顶盖接合。

4.根据权利要求1所述的一种用于稠油热采储层破裂的模拟实验装置，其特征在于：所述实验岩样的外形尺寸为100mm×100mm×100mm；裸眼井筒的直径为10mm，深度为90mm。