CN111879666B - 一种高温超高压油气藏流体界面张力和接触角测试装置 - Google Patents

一种高温超高压油气藏流体界面张力和接触角测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高温超高压油气藏流体界面张力和接触角测试装置，包括高压腔体1、左/右端面封盖6、蓝宝石玻璃柱2、下端面封盖9、密封活塞8、岩片平台11、高压毛细管10、冷光源31、摄像机35，高压腔体在左右两端、下端均有开口，开口处设置端面封盖；高压腔体内左右两端有蓝宝石玻璃柱，腔体内下端有密封活塞，密封活塞中心有流体通道；腔体上部连有流体注入管线，进入腔内的管线末端设置高压毛细管；密封活塞通过支撑杆固定岩片平台，该岩片平台与高压毛细管正对；左/右端面封盖中心圆孔处分别安置冷光源和摄像机；密封活塞的流体通道、腔体上部的流体注入管线分别连接配样器。本发明密封能力强，灵活性高，为油气田开发提供重要技术支持。

Description

一种高温超高压油气藏流体界面张力和接触角测试装置
技术领域
本发明属于油气田开发领域和机械领域，具体涉及一种高温超高压油气藏中液-液界面张力、液-气表面张力和气-液-固接触角的测试装置。
背景技术
在油气藏开发过程中，天然气-地层水之间表面张力、注入流体-原油之间界面张力的大小，与天然气、原油采收率密切相关。目前已知的接触角测量仪器如：“一种接触角测试装置”(专利号：201921228095.7)和“一种用于固体表面润湿接触角测量的实验装置”(专利号：201910268375.9)都是在常温低压条件下进行测量的，相关操作条件无法与实际油气藏储层条件匹配。“超高压、高温下测试接触角和界面张力的测试装置”(专利号：201320792134.2)虽然涉及高温超高压测试装置，但存在着以下缺陷：(1)该装置最高工作压力只能达到100MPa，无法适用于储层压力更高的油气藏；(2)该装置每做一次实验都需要拆卸蓝宝石观察窗，频繁的拆卸容易损坏蓝宝石玻璃。
随着勘探开发技术的不断进步，越来越多的高温-超高压油气藏被发现和开采，如克拉玛依油田发现了一批储层温度超过130℃、储层压力超过130MPa的油藏，塔里木油田发现了一批储层压力超过150MPa、最高储层温度达到180℃的气藏。因此研发新的高温超高压油气藏流体界面张力、接触角的测试装置具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温超高压油气藏流体界面张力和接触角测试装置，该装置结构合理，密封能力强，操作灵活性高，能同时满足高温超高压(200℃、200MPa)条件下油-水界面张力，油-气、水-气表面张力和气-油-岩石接触角的测定，为油气田开发提供重要技术支持。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种高温超高压界面张力和接触角测试装置，包括高压腔体、恒温箱、支架、左右端面封盖(带圆孔)、蓝宝石玻璃柱、铜片(带圆孔)、组合密封圈、外力环、腔体中部侧面流体进出口位置封盖(带圆孔)、密封活塞(带圆孔)、岩片固定平台、高压毛细管、高压管线、阀门、冷光源、摄像及数据采集和处理***。其中高压腔体安置在可旋转支架上，腔体上有三个封盖(左、右和侧面)；左右端面封盖和侧面流体进出口位置封盖与腔体之间通过螺栓固定；密封圈套在蓝宝石玻璃柱和密封活塞上，密封圈采用耐高温高分子材料圈和氟氧圈组合；外力环为带帽檐的空心圆柱，分别套在蓝宝石和密封活塞上，其帽檐端置于高压腔体与封盖(左、右、侧面)之间，将端盖的反作用力传递给组合密封圈，外力环能提高密封圈的稳定性和耐压能力，使得整个装置在200MPa、200℃下能实现稳定密封；为了防止端面封盖将蓝宝石压碎，在其中间放置有一带圆孔铜片；腔体上部连有高压流体注入管线，管线穿过腔壁稍许进入腔内，在管线顶端焊接了一高压毛细管，毛细管出口位于左右视窗范围之内；腔体侧面流体进出口内密封活塞上除了有一流体通道，还安置了一个岩片固定平台，岩片固定平台中心与上部的毛细管出口正对，平台的高度位于左右视窗的中部，平台支撑杆通过旋拧方式固定在密封活塞端面上，岩片固定平台直径要小于腔体侧面开口直径；腔体一端蓝宝石窗口安置冷光源1台，另一端蓝宝石窗口对准摄像***。
优选地，所述高压腔体采用630钢材或C-276(哈氏合金)钢材制造，优选哈氏合金，腔体壁厚不小于8cm；外力环、密封活塞和端盖与腔体材质一致。
优选地，蓝宝石玻璃柱厚度不小于7cm，优选8cm。
优选地，密封圈不小于4个，优选6个。
优选的，岩片的厚度不超过0.5cm，优选0.3cm；岩片的直径不超过1cm，优选0.5cm。
优选地，考虑到腔体内部的清洗问题，将腔体内部靠近装有密封活塞的流体进出口一侧设计为凹槽状，在进行装置清洗时可以让油污和清洗剂一起有效聚集和排出。
利用上述装置进行高温超高压油气藏流体界面张力、接触角测试时，不同类型体系遵循不同步骤：
1)气-油表面张力
(1)在高温超高压配样器中配制好地层原油；(2)不安装岩片固定平台，让装有毛细管的一侧在上部，装有密封活塞的一侧在下部；(3)给测定仪内部抽真空，再通过驱替泵从下部往高压腔中注入实验用气体至所需压力；(4)开启恒温箱，设置实验温度为储层温度，给高压腔体升温24h，升温过程保持高压腔与外部注气***连通，确保高压腔中气体压力稳定；(5)当高压腔中温度、压力稳定后，参考现有标准方法表面及界面张力测定方法(SY/T5370-2018)，从高压腔上部毛细管缓慢注入原油至油滴形状规则悬挂在毛细管出口；(6)调整并保持摄像***与液滴中心持平，拍下油滴形状图片；(7)对图片中油滴参数进行标定，再基于Bashfbrth-Adams方程，计算表面或界面张力γ：
Figure BDA0002611907120000021
Figure BDA0002611907120000031
式中：
H—为液滴的形状因子；b—悬滴底端的曲率半径；α—体系的毛细管常数；γ—表面或界面张力，单位为毫牛每秒(mN/m)；g—重力加速度，单位为米每二次方秒(m/s2)；De—液滴最宽处的直径，单位米(m)；Δρ—两相密度差，单位为千克每立方米(kg/m3)。
当进行气-水表面张力测试时，先在高温高压配样器中让水在储层条件下饱和天然气，再按照步骤(2)-(7)进行测试。
2)水-油界面张力
(1)在高温超高压配样器中配制好地层原油；(2)不安装岩片固定平台，让装有毛细管的一侧在下部；(3)给测定仪内部抽真空，再通过驱替泵从上部往高压腔中注入地层水；(4)开启恒温箱，设置实验温度为油藏储层温度，给高压腔体升温24h，升温过程保持高压腔与外部注水***连通，确保高压腔中地层水压力稳定；(5)当高压腔中温度、压力稳定后，参考现有标准方法表面及界面张力测定方法(SY/T 5370-2018)，从高压腔下部毛细管缓慢注入原油至油滴形状规则悬浮在毛细管出口；(6)调整保持摄像***与油滴中心持平，拍下油滴形状图片；再按照第1)部分的步骤(7)进行数据处理和界面张力的计算。
3)气-油-岩石三相体系接触角测定
(1)在高温超高压配样器中配制好地层原油，配样器温度设定为实验温度，从现场取得岩心端面切下薄岩片1块；(2)将岩片固定在平台并安装在密封活塞上，再依次将密封活塞、外力环和封盖安装好，保持装有毛细管的一侧在上部；(3)给高压腔内部抽真空，再从下部注入实验用气体至所需实验压力；(4)开启恒温箱，设置实验温度为油藏储层温度，给高压腔体升温24h，升温过程保持高压腔与外部注气***连通，确保高压腔中气体压力稳定；(5)当高压腔中温度、压力稳定后，参考油藏岩石润湿性测定方法(SY/T 5153-2007)，从毛细管一端缓慢注入原油，直至第一油从毛细管出口滴下落在下方正对的岩片上，让***温度、压力稳定至少半小时后从侧面拍摄油滴和岩片照片，测量出气-油-岩石三相体系接触角。
当进行气-水-岩石接触角测定时，先在高温超高压配样器中让水在储层条件下饱和天然气和准备好岩片，然后按照(2)-(5)进行实验。
4)油-水-岩石三相体系接触角测试
(1)在高温超高压配样器中分别配制好地层原油和地层水，配样器温度设定为实验温度，从现场取得岩心端面切下薄岩片1块；(2)将岩片固定在平台上，将岩片固定平台旋紧在密封活塞上，再依次将密封活塞、外力环和封盖安装好，旋转高压腔，保持装有毛细管的一侧在下部，安装有岩片固定平台密封活塞一侧在上部；(3)给高压腔内部抽真空，再从上部注入实验用地层水至所需实验压力；(4)开启恒温箱，设置实验温度为油藏储层温度，给高压腔体升温24h，升温过程保持高压腔与外部注水***连通，确保高压腔中地层水压力稳定；(5)当高压腔中温度、压力稳定后，参考油藏岩石润湿性测定方法(SY/T 5153-2007)，从毛细管一端缓慢注入原油，直至第一滴油从毛细管出口脱离漂浮至岩片下表面稳定，让***温度、压力稳定至少半小时后从侧面拍摄油滴和岩片照片，测量油-水-岩石三相体系接触角。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
能同时满足200MPa、200℃范围内油气藏流体的界面张力、接触角测试；实验过程无需反复拆卸蓝宝石玻璃柱，防止了对后者的损伤。
附图说明
图1是高温超高压界面张力和接触角测试装置结构示意图。
图2是高压腔体的结构示意图。
图中：1-高压腔体；2-蓝宝石玻璃柱；3-组合密封圈；4-铜片；5-外力环；6-左/右端面封盖；7-六角螺栓；8-密封活塞；9-下端面封盖；10-高压毛细管；11-岩片平台；12、13、14、25、28、29、32、33-高压阀门；15、16、26、27-高压三通阀；17、38、18、39-高温超高压配样器；19-水；20-液压油；21-油；22、30-气瓶；23、24-驱替泵；31-冷光源；34-旋转支架；35-摄像机；36-数据采集和处理***；37-恒温箱。
图1只是固-液接触角测试的示意图；17、18、38、39四个超高压中间容器中的样品视界面张力实验方案更换；图中各个部件之间用高压管线连接。
具体实施方式
下面根据附图进一步说明本发明的内容、特点及功效。
参见图1、图2。
一种高温超高压油气藏流体界面张力和接触角测试装置，包括高压腔体1、旋转支架34、恒温箱37、左/右端面封盖6、蓝宝石玻璃柱2、组合密封圈3、下端面封盖9、密封活塞8、岩片平台11、高压毛细管10、冷光源31、摄像机35、数据采集和处理***36、高温超高压配样器(17、38、18、39)、气瓶(22、30)、驱替泵(23、24)。
所述高压腔体1位于旋转支架34上，高压腔体和旋转支架置于恒温箱37中，高压腔体在左右两端、下端均有开口，左右两端开口处设置左/右端面封盖6，下端开口处设置下端面封盖9，每个端面封盖都有中心圆孔，高压腔体与每个端面封盖通过螺栓7固定；高压腔体内左右两端有蓝宝石玻璃柱2，蓝宝石玻璃柱与腔体内壁之间设置组合密封圈3，腔体内下端有密封活塞8，密封活塞与腔体内壁之间也设置组合密封圈，密封活塞中心有流体通道；腔体上部连有流体注入管线，该管线穿过腔壁少许进入腔内，进入腔内的管线末端设置高压毛细管10；所述密封活塞通过支撑杆固定岩片平台11，所述岩片平台与高压毛细管正对；所述腔体左右两端端面封盖的中心圆孔处分别安置冷光源31和摄像机35，摄像机连接数据采集和处理***36；所述密封活塞的流体通道通过管线分别连接高温超高压配样器17、18，腔体上部的流体注入管线也分别连接高温超高压配样器38、39；高温超高压配样器(17、38、18、39)均连接气瓶(22、30)和驱替泵(23、24)。
所述蓝宝石玻璃柱与左/右端面封盖之间设置铜片4，铜片有中心圆孔，其内径与左/右端面封盖中心圆孔的内径相同，可以防止端面封盖将蓝宝石玻璃柱压碎。
所述组合密封圈采用耐高温高分子材料圈和氟氧圈组合而成，优选6个一组合。
所述组合密封圈连接外力环5，所述外力环为中空的带帽沿圆环，圆环压紧密封圈，帽沿位于高压腔体与端面封盖的空隙间，通过给蓝宝石玻璃柱、密封活塞与腔体内壁之间的密封圈施加外力，使得单级软密封达到200MPa甚至更高。
所述密封活塞流体通道通过管线分别连接高温超高压配样器17、18以及气瓶22、驱替泵23。高温超高压配样器17装有水19、液压油20，高温超高压配样器18装有油21。
所述腔体上部的流体注入管线分别连接高温超高压配样器38、39以及气瓶30、驱替泵24。
驱替泵23、24，配样器17、18、38、39，气瓶22、30与高压腔体1之间分别装有高压阀门12、13、14、25、28、29、32、33和高压三通阀15、16、26、27。
利用上述装置测试高温超高压油气藏流体界面张力和接触角，过程如下：
1)气-油表面张力
(1)在高温超高压配样器38中配制好地层原油，配样器温度设定为实验温度；
(2)清洗并安装好测定仪，不安装岩片平台11，让装有高压毛细管10的一侧在上部；
(3)给测定仪内部抽真空，打开气瓶22、高压三通阀15的下端阀门、高压阀门14，给高温超高压配样器18注满气体后关闭气瓶22，打开驱替泵23、高压三通阀15上端阀门、高压三通阀16左端阀门和高压阀门33，将气体转入高压腔内1，驱替泵23持续加压直至储层压力后恒压；
(4)开启恒温箱37，设置实验温度为储层温度，给高压腔体1升温24h，升温过程保持高压腔与外部注气***连通，确保高压腔中气体压力稳定；
(5)打开驱替泵24开关、高压阀门29，给高温超高压配样器38加压，驱替泵24设定压力稍微大于第(3)步中的储层压力，然后打开高压阀门28，高压三通阀27右端阀门，高压阀门32参考现有标准方法表面及界面张力测定方法(SY/T 5370-2018)使得液体依靠重力的作用，在高压毛细管10口处悬挂一滴静止形状规则的油滴，待适应高压腔体1内部温度，油滴稳定后；
(6)调整保持冷光源31摄像机35与油滴中心持平，拍下油滴形状图片；
(7)对图片中油滴参数进行标定，再基于Bashfbrth-Adams方程，计算表面或界面张力；
(8)测试结束后，将高压腔内气体排出，往高压腔体中注入石油醚进行清洗作用，最后注氮气吹干高压腔，待用。
当进行气-水表面张力测试时，先在高温超高压配样器38中让水在储层条件下饱和天然气，再按照步骤(2)-(8)进行测试。
2)水-油界面张力
(1)在高温超高压配样器38中配制好地层原油，在高温超高压配样器17中配制好地层水，配样器温度设定为实验温度；
(2)清洗并安装测定仪，不安装岩片固定平台11，让装有高压毛细管10的一侧在下部；
(3)给测定仪内部进行抽真空，打开驱替泵23、高压阀门12、13、33，高压三通阀16的右端阀门，将高温超高压中间容器17内的地层水转入高压腔内，驱替泵23持续加压直至储层压力后恒压；
(4)开启恒温箱37，设置实验温度为储层温度，给高压腔体1升温24h，升温过程保持高压腔与外部注气***连通，确保高压腔中地层水压力稳定；
(5)打开驱替泵24开关、高压阀门29，给装有原油的高温超高压配样器38加压，驱替泵24设定压力稍微大于第(3)步中的储层压力，然后打开高压阀门28，高压三通阀27右端阀门，高压阀门32参考现有标准方法表面及界面张力测定方法(SY/T 5370-2018)使得油滴依靠浮力的作用，在高压毛细管10口处悬浮一滴静止形状规则的油滴，待适应高压腔体1内部温度，油滴稳定后；
(6)调整保持冷光源31、摄像机35与油滴中心持平，拍下油滴形状图片；进行数据处理和界面张力的计算。
3)气-油-岩石三相体系接触角测定
(1)在高温超高压配样器38中配制好地层原油，配样器温度设定为实验温度，从现场取得岩心端面切下薄岩片1块；
(2)将岩片固定在平台11上，将岩片固定平台安装在密封活塞8上，再依次将密封活塞8、外力环5和下部流体出口端封盖9安装好，保持装有高压毛细管10的一侧在上部；
(3)给高压腔1内部进行抽真空，打开气瓶22、高压三通阀15的下端阀门、高压阀门14，给高温超高压配样器18注满气体后关闭气瓶22，打开驱替泵23、高压三通阀15上端阀门、高压三通阀16左端阀门和高压阀门33，将气体转入高压腔内1，驱替泵23持续加压直至储层压力后恒压；
(4)开启恒温箱37，设置实验温度为储层温度，给高压腔体1升温24h，升温过程保持高压腔与外部注气***连通，确保高压腔中气体压力稳定；
(5)打开驱替泵24开关、高压阀门29，给装有原油的高温超高压配样器38加压，驱替泵24设定压力稍微大于第(3)步中的储层压力，然后打开高压阀门28，高压三通阀27右端阀门，高压阀门32参考现有标准方法油藏岩石润湿性测定方法(SY/T 5153-2007)，从高压毛细管10一端缓慢注入原油，直至第一油从毛细管出口滴下落在下方正对的岩片上，让***温度、压力稳定至少半小时后调整保持冷光源31、摄像机35与油滴中心持平，测量出气-油-岩石三相体系接触角；
(6)测试结束后，将腔内气体排出，注石油醚清洗高压腔，并注氮气吹干高压腔，待用。
当进行气-水-岩石接触角测定时，先在高温超高压配样器38中让水在储层条件下饱和天然气和准备好岩片，然后按照(2)-(6)进行实验。
4)油-水-岩石三相体系接触角测试
(1)将高压腔体1旋转180°，使得带有高压毛细管10的一侧置于下方；
(2)在高温超高压配样器38中配制好地层水，在高温超高压配样器17中配制好地层原油，配样器温度设定为实验温度，从现场取得岩心端面切下薄岩片1块；
(2)将岩片固定在平台11上，将岩片固定平台11安装在密封活塞8上，再依次将密封活塞8、外力环5和流体出口端封盖9安装好；
(3)给高压腔内部进行抽真空，打开和驱替泵24、高压阀门29、28、32，高压三通阀27的右端阀门，将高温超高压中间容器38内的地层水转入高压腔内，驱替泵持续加压直至储层压力后恒压；
(4)开启恒温箱37，设置实验温度为储层温度，给高压腔体1升温24h，升温过程保持高压腔与外部注气***连通，确保高压腔中地层水压力稳定；
(5)打开驱替泵23开关、高压阀门13，给装有原油的高温超高压配样器17加压，驱替泵23设定压力稍微大于第(3)步中的储层压力，然后打开高压阀门12，高压三通阀16右端阀门，高压阀门33参考现有标准方法油藏岩石润湿性测定方法(SY/T 5153-2007)，从高压毛细管10一端缓慢注入原油，直至第一油从高压毛细管10出口滴下落在下方正对的岩片上，让***温度、压力稳定至少半小时后调整保持冷光源31、摄像机35与油滴中心持平，测量出油-水-岩石三相体系接触角；
(6)测试结束后，将腔内液体排出，注石油醚清洗高压腔，并注氮气吹干高压腔，待用。

Claims (3)

1.一种高温超高压油气藏流体界面张力和接触角测试装置，包括高压腔体（1）、旋转支架（34）、恒温箱（37）、左/右端面封盖（6）、蓝宝石玻璃柱（2）、组合密封圈（3）、下端面封盖（9）、密封活塞（8）、岩片平台（11）、高压毛细管（10）、冷光源（31）、摄像机（35）、数据采集和处理***（36）、高温超高压配样器（17、38、18、39），其特征在于，所述高压腔体（1）位于旋转支架（34）上，高压腔体和旋转支架置于恒温箱（37）中，高压腔体在左右两端、下端均有开口，左右两端开口处设置左/右端面封盖（6），下端开口处设置下端面封盖（9），每个端面封盖都有中心圆孔，高压腔体与每个端面封盖通过螺栓（7）固定；高压腔体内左右两端有蓝宝石玻璃柱（2），蓝宝石玻璃柱与腔体内壁之间设置组合密封圈（3），腔体内下端有密封活塞（8），密封活塞与腔体内壁之间也设置组合密封圈，密封活塞中心有流体通道；腔体上部连有流体注入管线，该管线穿过腔壁少许进入腔内，进入腔内的管线末端设置高压毛细管（10）；所述密封活塞通过支撑杆固定岩片平台（11），所述岩片平台与高压毛细管正对；所述腔体左右两端端面封盖的中心圆孔处分别安置冷光源（31）和摄像机（35），摄像机连接数据采集和处理***（36）；所述密封活塞的流体通道通过管线分别连接高温超高压配样器（17、18），腔体上部的流体注入管线也分别连接高温超高压配样器（38、39）；高温超高压配样器均连有气瓶和驱替泵；所述组合密封圈连接外力环（5），所述外力环为中空的带帽沿圆环，圆环压紧密封圈，帽沿位于高压腔体与端面封盖的空隙间，通过给密封圈施加外力，使得单级软密封达到200MPa甚至更高。
2.如权利要求1所述的一种高温超高压油气藏流体界面张力和接触角测试装置，其特征在于，所述蓝宝石玻璃柱与左/右端面封盖之间设置铜片（4），铜片有中心圆孔，其内径与左/右端面封盖中心圆孔的内径相同。
3.如权利要求1所述的一种高温超高压油气藏流体界面张力和接触角测试装置，其特征在于，所述组合密封圈采用耐高温高分子材料圈和氟氧圈组合而成。
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