CN112267873A - 一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置及方法，属于采油模拟实验技术领域。本发明包括单裂缝调驱可视化模型、驱替泵、真空泵、输水中间容器、输凝胶中间容器、液体容器和影像记录***，所述单裂缝调驱可视化模型上设置有窗口，影像记录***对准该窗口，用于采集各类流体在单裂缝调驱可视化模型中的运移过程与分布形态，其实验方法包括：凝胶注入性能评价实验、多段塞凝胶封堵裂缝实验以及封堵后水驱规律实验研究、数据处理。本发明设计合理，可以模拟地层条件下的凝胶调驱过程，并且兼备可视化的功能，可以测试并记录多段塞凝胶驱替过程中凝胶及水驱运移形态和规律，为裂缝调驱研究提供可靠的理论依据。

Description

一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置及方法，属于采油模拟实验技术领域。

背景技术

对于裂缝性致密油藏，体积压裂已经成为重要的增产手段；由于体积压裂裂缝与致密油藏天然裂缝沟通形成复杂缝网，水窜水淹治理也已成为该类油藏注水开发中面临的最大难题。凝胶调驱是目前裂缝性致密油藏治理水窜水淹的重要措施，因此针对凝胶调驱的室内模拟实验研究尤为重要。单一裂缝作为缝网窜流的基本单元，目前存在的单裂缝凝胶调驱室内实验物理模型在拟地层压力环境的同时不能够实现可视化，在实现可视化条件下不能够模拟地层压力环境，也就是模拟地层条件与可视化不可兼得，尤其缺少一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置及方法。

发明内容

针对现有技术室内单裂缝调驱物理模型的不完善，本发明提供一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置及方法，可以模拟地层条件下的凝胶调驱过程，并且兼备可视化的功能，可以测试并记录多段塞凝胶驱替过程中凝胶及水驱运移形态和规律，为裂缝调驱研究提供可靠的理论依据。

本发明采用以下技术方案：

一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，包括单裂缝调驱可视化模型、驱替泵、真空泵、输水中间容器、输凝胶中间容器、液体容器和影像记录***；

所述单裂缝调驱可视化模型用于可视化裂缝模型中的运移过程与分布形态，所述驱替泵分别连接输水中间容器和输凝胶中间容器的一端，输水中间容器和输凝胶中间容器的另一端均通过一六通阀与单裂缝调驱可视化模型的注入口连接，所述单裂缝调驱可视化模型的出口连接所述液体容器，用于盛接出口端流出实验用液体，所述单裂缝调驱可视化模型出口与液体容器之间设置有回压泵和出液口控制阀，回压泵用于控制单裂缝调驱可视化模型出口端允许通过的最小压力；所述真空泵与所述六通阀连接，用于对单裂缝调驱可视化模型的裂缝抽真空；

所述单裂缝调驱可视化模型上设置有窗口，影像记录***对准该窗口，用于采集各类流体在单裂缝调驱可视化模型中的运移过程与分布形态，影像记录***为高清或显微影像记录***，如高清摄像机等。

所述实验装置还包括外部加热装置，为实验装置提供模拟地层的温度并保温。

优选的，所述单裂缝调驱可视化模型包括带有裂缝的底板、钢化玻璃和含窗口的盖板，所述底板上设置有一凹槽区，在凹槽区上刻槽形成裂缝，裂缝内填充石英砂，所述裂缝四周设置有密封圈，所述钢化玻璃尺寸与凹槽区尺寸相适应并覆盖在凹槽区上部，所述含窗口的盖板覆盖在底板和钢化玻璃上，并采用螺栓固定连接，钢化玻璃盖于底板裂缝之上，借助密封圈对裂缝形成密封；本发明的石英砂不需要额外固定，底板与钢化玻璃及盖板三者结合通过螺栓上紧会对石英砂形成固定；

所述底板背面两端分别钻孔作为单裂缝调驱可视化模型注入口与出口，注入口和出口均与裂纹相通，所述底板背面通过钻孔设置有多个测压点。

优选的，多个测压点通过多通道压力采集***配备的压力传感器进行压力测量，每一个测压点对应一个压力采集通道和与该压力采集通道连接的压力传感器，所述压力采集通道通过底板钻孔与裂缝相通。

所述底板上的裂缝通过在其上刻槽形成，所述裂缝尺寸为614*108，单位mm，即裂缝长614mm，宽108mm，本发明的人工裂缝即为刻槽整体，刻槽整体仅为一个单一裂缝，无分支，裂缝开度范围为300～2000μm，由底板刻槽深度控制；

所述底板材料为耐压不渗透材料，本发明采用不锈钢材料作为底板。

所述单裂缝调驱可视化模型的长轴两端通过轴承安装于支撑架上，通过轴承转动可实现单裂缝调驱可视化模型任意角度的固定，模拟不同单裂缝倾角的情况。

本发明的单裂缝调驱可视化模型尺寸较大，耐压可超过2MPa，驱替压力梯度可达4MPa/m以上，使得本发明能更接近模拟流体在油藏中的驱替压力梯度，实验结果更具有参考性；

本发明的单裂缝调驱可视化模型尺寸较大，方便记录和观察多段塞弱凝胶、注入水等流体在单裂缝内的运移特征；结合多个压力测点的测压结果，可以分析弱凝胶与注入水等流体在裂缝内的运移特征与压力分布之间的联系，为弱凝胶多段塞封堵及调驱机理研究提供有力的证据支撑。

优选的，所述输水中间容器中装有的水为配置的模拟地层水；所述输凝胶中间容器中装有的凝胶为配置的新凝胶或配制完仍处于成胶诱导期的凝胶或可混合形成凝胶的药剂。

优选的，所述驱替泵与输水中间容器、输凝胶中间容器连接的管路上分别安装有水路控制阀、凝胶路控制阀。

优选的，所述六通阀与单裂缝调驱可视化模型连接的管路上安装有第一压力监测单元和进液口控制阀。

优选的，所述液体容器上标有对其内部所存储液体体积进行测量的刻度。

优选的，外部加热装置为恒温箱，除多通道压力采集***的数据处理及显示部分，本发明的其余结构均位于恒温箱内。

优选的，所述真空泵与六通阀之间设置有缓冲容器。

一种上述模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置的实验方法，包括：

步骤一：单裂缝调驱可视化实验装置凝胶注入性能评价实验，其过程如下：

101、安装单裂缝调驱可视化模型：选择开度合适的裂缝底板，根据实验要求的填砂密度填充配套粒径的石英砂，模拟单裂缝的复杂内部结构，检查密封圈的牢固性，钢化玻璃压在密封圈上，与底板形成固定开度裂缝，含窗口的盖板通过螺栓与底板固定，压紧钢化玻璃，保证裂缝的密封性；

102、实验装置检测：连接好实验装置，检查各管线和阀门的气密性、各个装置是否运行正常、是否漏水；

103、单裂缝调驱可视化模型预处理：按照常规水测渗透率测试方法，将单裂缝调驱可视化模型抽真空，饱和模拟地层水；再按照需模拟地层的环境温度条件，通过外部加热装置将所述单裂缝调驱可视化模型加热至需模拟地层的环境温度；打开输水中间容器管路，进行单裂缝调驱可视化模型渗透率测试；

104、水测渗透率实验：通过开启水路控制阀、关闭凝胶路控制阀、调节回压泵设置一定的出口端压力、启动驱替泵，实现通过自输水中间容器输至所述单裂缝调驱可视化模型，进行单裂缝调驱可视化模型的水驱动态模拟实验；水驱过程中，设置一定的出口端压力，设定一水驱速度，第一压力监测单元实时对单裂缝调驱可视化模型入口压力进行连续监测记录，当第一压力监测单元所监测的压力数值保持稳定时(压力变化范围在±2％以内视为稳定)，则水驱动态模拟实验结束，此时便可计算得到裂缝的水测渗透率，为保证水测渗透率结果的准确性，改变水驱速度重复上述实验过程，得到不同水驱速度条件下的单裂缝调驱可视化模型水驱渗透率，取数学平均作为单裂缝调驱可视化模型在实验条件下单的水驱渗透率；

105、弱凝胶在裂缝内的注入实验：调节回压泵设置一定的出口端压力，通过关闭水路控制阀、开启凝胶路控制阀、启动驱替泵，实现通过自输凝胶中间容器输至所述单裂缝调驱可视化模型，进行凝胶对饱和模拟地层水的单裂缝调驱可视化模型的凝胶注入实验；凝胶注入过程中对相关参数及影像资料进行记录，所述相关参数包括凝胶注入速度、裂缝模型入口压力的稳定值，所述影像资料是指凝胶在可视化裂缝模型内部的运移及分布形态；结束一组凝胶注入实验后，关闭驱替泵及凝胶路控制阀，将管线及裂缝模型内凝胶冲洗干净备用；变换凝胶性质重复上述实验过程，所述凝胶性质包括凝胶粘度、凝胶注入速度、凝胶注入体积及成胶时间；

步骤二：凝胶多段塞注入对单裂缝封堵性能评价实验，其过程如下：

201、实验装置检测：按照步骤101检测设备的完好性与密封性；

202、单裂缝调驱可视化模型预处理：对输水中间容器内的地层水和输凝胶中间容器内的凝胶溶液进行染色处理，要求染色剂不影响两种液体性质，特别是不能影响凝胶性质；将整个实验装置放置于恒温箱内，模拟地层温度保温，按照步骤102对裂缝进行饱和地层水；

203、水测渗透率实验：按照步骤104完成对裂缝模型渗透率的测试；

204、弱凝胶在裂缝内的封堵实验：通过关闭水路控制阀、开启凝胶路控制阀、调节回压泵设置一定出口端压力、启动驱替泵，实现通过自输凝胶中间容器输至所述单裂缝调驱可视化模型内的凝胶对饱和模拟地层水的单裂缝调驱可视化模型进行凝胶注入实验；且凝胶注入过程中，分多个时间点对凝胶注入封堵实验过程中的相关参数及凝胶在裂缝内的运移状态进行监测记录，所述相关参数包括与各时间点相对应的记录时间、驱出水量、凝胶注入量、裂缝模型入口端第一压力单元记录的压力值，所述凝胶注入量为输凝胶中间容器内所消耗的模拟凝胶数量；凝胶注入完毕后，回压泵持续维持出口端压力，关闭驱替泵、关闭凝胶路控制阀，关闭单裂缝调驱可视化模型入口端控制阀(即进液口控制阀)，进行裂缝模型中的凝胶候凝，候凝时间为凝胶的成胶时间，清洗管线中的残留凝胶，防止在管线成胶后堵塞，影响实验结果；待第一段塞候凝结束后，重复以上步骤进行凝胶第二段塞注入，直至达到实验要求的段塞数，每段凝胶注入结束后都需要清洗管线中的残留凝胶；

205、多段塞凝胶封堵裂缝后水驱动态模拟实验：通过关闭凝胶路控制阀、开启水路控制阀、调节回压泵设置一定出口端压力、启动驱替泵，实现通过自输水中间容器输至所述单裂缝调驱可视化模型内的模拟地层水对多段塞凝胶封堵后的单裂缝调驱可视化模型进行水驱动态模拟实验；且凝胶封堵后水驱动态模拟实验过程中，水驱速度的设置为由小到大，再由大到小的过程，测试不同水驱速度下的凝胶封堵裂缝后水驱动态模拟实验，每一水驱速度下，分多个时间点对凝胶封堵后水驱动态模拟实验过程中的相关参数及染色的地层水在含凝胶的裂缝内的运移状态分别进行记录，所述相关参数包括与各时间点相对应的记录时间、水驱速度、驱出水量、裂缝模型入口水压值；待水驱突破后的压力值稳定后，关闭驱替泵，结束水驱实验，拆解并清洗单裂缝调驱可视化模型及管线；

步骤三：数据处理：按照裂缝渗透率的常规计算方法，根据步骤103中所记录的实验数据，即可计算得出裂缝渗透率及裂缝缝宽，基质致密的裂缝岩心裂缝渗透率以及裂缝宽度计算方法已经在相关文献中有详细介绍，基本计算方法为立方定律公式及其修正公式，属于现有技术，此处不再赘述。

根据步骤204、步骤205、步骤206中所记录的实验数据，即可计算得出凝胶封堵前后裂缝渗透性变化和凝胶封堵后的凝胶封堵效率、水驱突破压力、残余阻力系数、不同凝胶性质对凝胶封堵裂缝性能的影响规律；

凝胶封堵前后裂缝渗透性变化是由每轮次凝胶封堵率、水驱突破压力、残余阻力系数来体现的；

每轮次凝胶封堵率是指每轮次凝胶封堵后裂缝岩心的渗透率的减小程度，由凝胶封堵前后的水测渗透率差值除以封堵前的水测渗透率得到的百分数来表示；

水驱突破压力是指凝胶封堵后的水驱实验中，设置的第一组水驱流速下，入口端压力稳定前的最高压力，该数据是由第一组水驱流速下记录的入口端的压力曲线峰值得到的；

残余阻力系数是指凝胶封堵后降低裂缝岩心渗透率的能力，其数值等于裂缝岩心在弱凝胶封堵前、后裂缝岩心的水测渗透率的比值。

通过实验过程中影像记录***记录的图像资料进行各段塞凝胶分布形态及水驱对凝胶形态的作用对多段塞凝胶封堵单裂缝规律的研究。

本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

本发明的有益效果为：

1)本发明实验装置结构简单、设计合理且安装、操作方便，投入成本低，工作性能可靠且模拟效果好，适用面广。

2)本发明实验装置及方法，具体是模拟地层温度及压力条件下的多段塞凝胶封堵单裂缝规律的可视化研究，为多段塞凝胶封堵单裂缝规律与机理研究及现场多段塞调驱工艺参数优化提供理论依据，实用价值高，具有较为广泛的推广应用前景。

3)本发明实验装置及方法，是对裂缝性致密油藏调驱研究的进一步发展，特别是针对老油田体积压裂裂缝凝胶调堵技术的合理应用提供可靠地室内模拟手段和基础的理论依据。

4)利用本发明实验装置及方法，试验测试结果获取简单，试验测量数据准确，能反映试验过程中的客观事实，能对裂缝性油藏地层条件下单裂缝多段塞凝胶调驱进行有效的模拟，并可对调驱过程中各主控因素对凝胶在裂缝内的运移规律及弱凝胶封堵能力的影响规律进行直观可视化的研究。

综上，本发明实现了地层条件下单裂缝调驱的可视化模拟研究，实现室内模拟地层条件下弱凝胶封堵单裂缝及封堵后水驱形态的可视化研究，使得凝胶调驱中各控因素对凝胶在单裂缝内的封堵机理以及水驱凝胶的形态得到最直观的体现；同时通过每次实验过程中对于时间、驱替速度、压力值的记录分析可以得到凝胶在裂缝内的流速与压力关系，即流动特征、弱凝胶封堵后的裂缝封堵率及等效渗透率变化、缝宽和弱凝胶封堵性能及封堵规律。本发明使用范围广，具有较高的研究与应用价值，为凝胶封堵、调驱技术的应用与推广提供可靠的基础理论支撑。

附图说明

图1为本发明模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置整体结构示意图；

图2a为单裂缝调驱可视化模型的底板侧面结构示意图；

图2b为单裂缝调驱可视化模型的底板俯视示意图；

图3a为含窗口的盖板侧面结构示意图；

图3b为含窗口的盖板俯视示意图；

图4a为多段塞凝胶注入时第一段塞凝胶运移状态及多段塞封堵后水驱状态图；

图4b为多段塞凝胶注入时第二段塞凝胶运移状态及多段塞封堵后水驱状态图；

图4c为多段塞凝胶注入时第三段塞凝胶运移状态及多段塞封堵后水驱状态图；

图4d为多段塞凝胶注入时第四段塞凝胶运移状态及多段塞封堵后水驱状态图；

图5为多段塞凝胶封堵后水驱压力变化特征图；

图中，1-单裂缝调驱可视化模型，101-底板，102-窗口，103-盖板，104-螺栓，105-密封圈，106-注入口，107-出口，108-测压点，2-驱替泵，3-输水中间容器，4-输凝胶中间容器，5-六通阀，6-真空泵，7-缓冲容器，8-液体容器，9-压力表，10-回压泵，11-出液口控制阀，12-第一压力监测单元，13-进液口控制阀，14-凝胶路控制阀，15-水路控制阀，16-影像记录***。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，如图1所示，包括单裂缝调驱可视化模型1、驱替泵2、真空泵6、输水中间容器3、输凝胶中间容器4、液体容器8和影像记录***16；

单裂缝调驱可视化模型1用于可视化裂缝模型中的运移过程与分布形态，驱替泵2分别连接输水中间容器3和输凝胶中间容器4的一端，输水中间容器3和输凝胶中间容器4的另一端均通过一六通阀5与单裂缝调驱可视化模型1的注入口106连接，单裂缝调驱可视化模型1的出口107连接液体容器8，用于盛接出口端流出实验用液体，单裂缝调驱可视化模型出口107与液体容器8之间设置有回压泵10和出液口控制阀11，回压泵10用于控制单裂缝调驱可视化模型1出口端允许通过的最小压力；真空泵6与六通阀5连接，用于对单裂缝调驱可视化模型1的裂缝抽真空；

单裂缝调驱可视化模型上设置有窗口102，影像记录***16对准该窗口102，用于采集各类流体在单裂缝调驱可视化模型中的运移过程与分布形态，影像记录***高清摄像机。

实验装置还包括外部加热装置，为实验装置提供模拟地层的温度并保温。

实施例2：

一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，结构如实施例1所示，所不同的是，如图2a、2b、3a、3b所示，单裂缝调驱可视化模型1包括带有裂缝的底板101、钢化玻璃和含窗口102的盖板103，底板101上设置有一凹槽区，在凹槽区上刻槽形成裂缝，裂缝内填充石英砂，裂缝四周设置有密封圈105，钢化玻璃尺寸与凹槽区尺寸相适应并覆盖在凹槽区上部，含窗口的盖板103覆盖在底板和钢化玻璃上，并采用螺栓104固定连接，钢化玻璃盖于底板101裂缝之上，借助密封圈105对裂缝形成密封；本发明的石英砂不需要额外固定，底板101与钢化玻璃及盖板103三者结合通过螺栓上紧会对石英砂形成固定；

底板101背面两端分别钻孔作为单裂缝调驱可视化模型注入口106与出口107，注入口106和出口107均与裂纹相通，底板101背面通过钻孔设置有多个测压点108。

实施例3：

一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，结构如实施例2所示，所不同的是，多个测压点通过多通道压力采集***配备的压力传感器进行压力测量，每一个测压点对应一个压力采集通道和与该压力采集通道连接的压力传感器，压力采集通道通过底板钻孔与裂缝相通；

本实施例中，单裂缝调驱可视化模型1尺寸为680*180，单位mm，底板101上钻孔数量为5排3列，共计15个孔，均匀分布，第一排选取其中一个作为注入口106，最后一排选取一个作为出口107，如图2a所示，其余孔均可作为测压点，用不到的孔，可用丝堵封闭。

实施例4：

一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，结构如实施例3所示，所不同的是，底板101上的裂缝通过在其上刻槽形成，裂缝尺寸为614*108，单位mm，即裂缝长614mm，宽108mm，本发明的人工裂缝即为刻槽整体，刻槽整体仅为一个单一裂缝，无分支，裂缝开度范围为300～2000μm，由底板刻槽深度控制；

底板101材料为不锈钢；

单裂缝调驱可视化模型1的长轴两端通过轴承安装于支撑架上，通过轴承转动可实现单裂缝调驱可视化模型任意角度的固定，模拟不同单裂缝倾角的情况。

本实施例的单裂缝调驱可视化模型尺寸较大，耐压可超过2MPa，使得本发明能更接近模拟流体在油藏中的驱替压力梯度，实验结果更具有参考性；

本发明的单裂缝调驱可视化模型尺寸较大，方便记录和观察多段塞弱凝胶、注入水等流体在单裂缝内的运移特征；结合多个压力测点的测压结果，可以分析弱凝胶与注入水等流体在裂缝内的运移特征与压力分布之间的联系，为弱凝胶多段塞封堵及调驱机理研究提供有力的证据支撑。

实施例5：

一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，结构如实施例1所示，所不同的是，输水中间容器3中装有的水为配置的模拟地层水；输凝胶中间容器4中装有的凝胶为配置的新凝胶或配制完仍处于成胶诱导期的凝胶或可混合形成凝胶的药剂；

驱替泵2与输水中间容器3、输凝胶中间容器4连接的管路上分别安装有水路控制阀15、凝胶路控制阀14。

实施例6：

一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，结构如实施例1所示，所不同的是，六通阀5与单裂缝调驱可视化模型1连接的管路上安装有第一压力监测单元12和进液口控制阀13。

液体容器8上标有对其内部所存储液体体积进行测量的刻度；

外部加热装置为恒温箱，除多通道压力采集***的数据处理及显示部分，本发明的其余结构均位于恒温箱内。

真空泵6与六通阀5之间设置有缓冲容器7和压力表9。

实施例7：

一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置的实验方法，包括：

步骤一：单裂缝调驱可视化实验装置凝胶注入性能评价实验，其过程如下：

101、安装单裂缝调驱可视化模型1：选择开度合适裂缝的底板101，根据实验要求的填砂密度填充配套粒径的石英砂，模拟单裂缝的复杂内部结构，检查密封圈的牢固性，钢化玻璃压在密封圈105上，与底板形成固定开度裂缝，含窗口的盖板103通过螺栓104与底板101固定，压紧钢化玻璃，保证裂缝的密封性；

102、实验装置检测：连接好实验装置，检查各管线和阀门的气密性、各个装置是否运行正常、是否漏水；

103、单裂缝调驱可视化模型预处理：按照常规水测渗透率测试方法，将单裂缝调驱可视化模型抽真空，饱和模拟地层水；再按照需模拟地层的环境温度条件，通过外部加热装置将单裂缝调驱可视化模型1加热至需模拟地层的环境温度；打开输水中间容器管路，进行单裂缝调驱可视化模型渗透率测试；

104、水测渗透率实验：通过开启水路控制阀15、关闭凝胶路控制阀14、调节回压泵10设置一定的出口端压力、启动驱替泵2，实现通过自输水中间容器3输至单裂缝调驱可视化模型1，进行单裂缝调驱可视化模型的水驱动态模拟实验；水驱过程中，设置一定的出口端压力，设定一水驱速度，第一压力监测单元12实时对单裂缝调驱可视化模型入口压力进行连续监测记录，当第一压力监测单元12所监测的压力数值保持稳定时(压力变化范围在±2％以内视为稳定)，则水驱动态模拟实验结束，此时便可计算得到裂缝的水测渗透率，为保证水测渗透率结果的准确性，改变水驱速度重复上述实验过程，得到不同水驱速度条件下的单裂缝调驱可视化模型水驱渗透率，取数学平均作为单裂缝调驱可视化模型在实验条件下单的水驱渗透率；

105、弱凝胶在裂缝内的注入实验：调节回压泵10设置一定的出口端压力，通过关闭水路控制阀15、开启凝胶路控制阀14、启动驱替泵2，实现通过自输凝胶中间容14器输至单裂缝调驱可视化模型1，进行凝胶对饱和模拟地层水的单裂缝调驱可视化模型的凝胶注入实验；凝胶注入过程中对相关参数及影像资料进行记录，相关参数包括凝胶注入速度、裂缝模型入口压力的稳定值，影像资料是指凝胶在可视化裂缝模型内部的运移及分布形态；结束一组凝胶注入实验后，关闭驱替泵及凝胶路控制阀，将管线及裂缝模型内凝胶冲洗干净备用；变换凝胶性质重复上述实验过程，凝胶性质包括凝胶粘度、凝胶注入速度、凝胶注入体积及成胶时间；

步骤二：凝胶多段塞注入对单裂缝封堵性能评价实验，其过程如下：

201、实验装置检测：按照步骤101检测设备的完好性与密封性；

202、单裂缝调驱可视化模型预处理：对输水中间容器3内的地层水和输凝胶中间容器4内的凝胶溶液进行染色处理，要求染色剂不影响两种液体性质，特别是不能影响凝胶性质；将整个实验装置放置于恒温箱内，模拟地层温度保温，按照步骤102对裂缝进行饱和地层水；

203、水测渗透率实验：按照步骤104完成对裂缝模型渗透率的测试；

204、弱凝胶在裂缝内的封堵实验：通过关闭水路控制阀15、开启凝胶路控制阀14、调节回压泵10设置一定出口端压力、启动驱替泵2，实现通过自输凝胶中间容器14输至单裂缝调驱可视化模型1内的凝胶对饱和模拟地层水的单裂缝调驱可视化模型进行凝胶注入实验；且凝胶注入过程中，分多个时间点对凝胶注入封堵实验过程中的相关参数及凝胶在裂缝内的运移状态进行监测记录，相关参数包括与各时间点相对应的记录时间、驱出水量、凝胶注入量、裂缝模型入口端第一压力单元记录的压力值，所述凝胶注入量为输凝胶中间容器内所消耗的模拟凝胶数量；凝胶注入完毕后，回压泵10持续维持出口端压力，关闭驱替泵2、关闭凝胶路控制阀14，关闭单裂缝调驱可视化模型入口端控制阀(即进液口控制阀13)，进行裂缝模型中的凝胶候凝，候凝时间为凝胶的成胶时间，清洗管线中的残留凝胶，防止在管线成胶后堵塞，影响实验结果；待第一段塞候凝结束后，重复以上步骤进行凝胶第二段塞注入，直至达到实验要求的段塞数，每段凝胶注入结束后都需要清洗管线中的残留凝胶；

205、多段塞凝胶封堵裂缝后水驱动态模拟实验：通过关闭凝胶路控制阀14、开启水路控制阀15、调节回压泵10设置一定出口端压力、启动驱替泵2，实现通过自输水中间容器3输至单裂缝调驱可视化模型内的模拟地层水对多段塞凝胶封堵后的单裂缝调驱可视化模型进行水驱动态模拟实验；且凝胶封堵后水驱动态模拟实验过程中，水驱速度的设置为由小到大，再由大到小的过程，测试不同水驱速度下的凝胶封堵裂缝后水驱动态模拟实验，每一水驱速度下，分多个时间点对凝胶封堵后水驱动态模拟实验过程中的相关参数及染色的地层水在含凝胶的裂缝内的运移状态分别进行记录，相关参数包括与各时间点相对应的记录时间、水驱速度、驱出水量、裂缝模型入口水压值；待水驱突破后的压力值稳定后，关闭驱替泵，结束水驱实验，拆解并清洗单裂缝调驱可视化模型及管线；

步骤三：数据处理：按照裂缝渗透率的常规计算方法，根据步骤103中所记录的实验数据，即可计算得出裂缝渗透率及裂缝缝宽，基质致密的裂缝岩心裂缝渗透率以及裂缝宽度计算方法已经在相关文献中有详细介绍，基本计算方法为立方定律公式及其修正公式，属于现有技术，此处不再赘述。

根据步骤204、步骤205、步骤206中所记录的实验数据，即可计算得出凝胶封堵前后裂缝渗透性变化和凝胶封堵后的凝胶封堵效率、水驱突破压力、残余阻力系数、不同凝胶性质对凝胶封堵裂缝性能的影响规律；

凝胶封堵前后裂缝渗透性变化是由每轮次凝胶封堵率、水驱突破压力、残余阻力系数来体现的；

每轮次凝胶封堵率是指每轮次凝胶封堵后裂缝岩心的渗透率的减小程度，由凝胶封堵前后的水测渗透率差值除以封堵前的水测渗透率得到的百分数来表示；

水驱突破压力是指凝胶封堵后的水驱实验中，设置的第一组水驱流速下，入口端压力稳定前的最高压力，该数据是由第一组水驱流速下记录的入口端的压力曲线峰值得到的；

残余阻力系数是指凝胶封堵后降低裂缝岩心渗透率的能力，其数值等于裂缝岩心在弱凝胶封堵前、后裂缝岩心的水测渗透率的比值。

通过实验过程中影像记录***记录的图像资料进行各段塞凝胶分布形态及水驱对凝胶形态的作用对多段塞凝胶封堵单裂缝规律的研究。

采用上述模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置考察了地层条件下多段塞凝胶对单裂缝封堵性能、各级凝胶封堵裂缝后水驱规律研究。多段塞凝胶在裂缝内的运移规律如图4a-4d所示，凝胶各段塞在裂缝模型中的流动通道不是呈宏观条带状，而是形成网状流动通道；后级凝胶总是钻过前级凝胶段塞，并在前级凝胶段塞中形成虫洞状的运移路径，并在向前级凝胶还未控制的裂缝更远端进行填充，过程中还会压实前期段塞，经过各段塞逐级配合填充后，最终控制整个裂缝模型。水驱过程中注入水与各段塞凝胶的运移特征相似但路径不同。

多段塞凝胶封堵后水驱压力变化规律为：水驱过程注入压力变化图如图5所示，可以看到，水驱过程中单裂缝调驱可视化模型1入口端第一压力监测单元记录的压力随注入速度的增大呈阶梯式上升趋势，但在局部地方出现突降，比如水驱速度为4mL/min、8mL/min时，这是由于多凝胶封堵后的单裂缝调驱可视化模型1中出现了新的流动通道导致的。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，其特征在于，包括单裂缝调驱可视化模型、驱替泵、真空泵、输水中间容器、输凝胶中间容器、液体容器和影像记录***；

所述单裂缝调驱可视化模型用于可视化裂缝模型中的运移过程与分布形态，所述驱替泵分别连接输水中间容器和输凝胶中间容器的一端，输水中间容器和输凝胶中间容器的另一端均通过一六通阀与单裂缝调驱可视化模型的注入口连接，所述单裂缝调驱可视化模型的出口连接所述液体容器，用于盛接出口端流出实验用液体，所述单裂缝调驱可视化模型出口与液体容器之间设置有回压泵和出液口控制阀，回压泵用于控制单裂缝调驱可视化模型出口端允许通过的最小压力；所述真空泵与所述六通阀连接，用于对单裂缝调驱可视化模型的裂缝抽真空；

所述单裂缝调驱可视化模型上设置有窗口，影像记录***对准该窗口，用于采集各类流体在单裂缝调驱可视化模型中的运移过程与分布形态；

所述实验装置还包括外部加热装置，为实验装置提供模拟地层的温度并保温。

2.根据权利要求1所述的模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，其特征在于，所述单裂缝调驱可视化模型包括带有裂缝的底板、钢化玻璃和含窗口的盖板，所述底板上设置有一凹槽区，在凹槽区上刻槽形成裂缝，裂缝内填充石英砂，所述裂缝四周设置有密封圈，所述钢化玻璃尺寸与凹槽区尺寸相适应并覆盖在凹槽区上部，所述含窗口的盖板覆盖在底板和钢化玻璃上，并采用螺栓固定连接；

所述底板背面两端分别钻孔作为单裂缝调驱可视化模型注入口与出口，注入口和出口均与裂纹相通，所述底板背面通过钻孔设置有多个测压点。

3.根据权利要求2所述的模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，其特征在于，多个测压点通过多通道压力采集***配备的压力传感器进行压力测量，每一个测压点对应一个压力采集通道和与该压力采集通道连接的压力传感器，所述压力采集通道通过底板钻孔与裂缝相通；

所述底板上的裂缝通过在其上刻槽形成，所述裂缝尺寸为614*108，单位mm，裂缝开度范围为300～2000μm，由底板刻槽深度控制。

4.根据权利要求3所述的模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，其特征在于，所述底板材料为耐压不渗透材料，优选为不锈钢材料；

优选的，所述单裂缝调驱可视化模型的长轴两端通过轴承安装于支撑架上，通过轴承转动可实现单裂缝调驱可视化模型任意角度的固定，模拟不同单裂缝倾角的情况。

5.根据权利要求1所述的模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，其特征在于，所述输水中间容器中装有的水为配置的模拟地层水；所述输凝胶中间容器中装有的凝胶为配置的新凝胶或配制完仍处于成胶诱导期的凝胶或可混合形成凝胶的药剂。

6.根据权利要求1所述的模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，其特征在于，所述驱替泵与输水中间容器、输凝胶中间容器连接的管路上分别安装有水路控制阀、凝胶路控制阀。

7.根据权利要求1所述的模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，其特征在于，所述六通阀与单裂缝调驱可视化模型连接的管路上安装有第一压力监测单元和进液口控制阀；

优选的，所述液体容器上标有对其内部所存储液体体积进行测量的刻度。

8.根据权利要求1所述的模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，其特征在于，外部加热装置为恒温箱。

9.根据权利要求1所述的模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置，其特征在于，所述真空泵与六通阀之间设置有缓冲容器。

10.一种权利要求1所述的模拟地层条件的单裂缝调驱可视化实验装置的实验方法，其特征在于，包括：

步骤一：单裂缝调驱可视化实验装置凝胶注入性能评价实验，其过程如下：

101、安装单裂缝调驱可视化模型：选择开度合适的裂缝底板，填充配套粒径的石英砂，模拟单裂缝的复杂内部结构，检查密封圈的牢固性，钢化玻璃压在密封圈上，与底板形成固定开度裂缝，含窗口的盖板通过螺栓与底板固定，压紧钢化玻璃，保证裂缝的密封性；

102、实验装置检测：连接好实验装置，检查各管线和阀门的气密性、各个装置是否运行正常、是否漏水；

103、单裂缝调驱可视化模型预处理：按照常规水测渗透率测试方法，将单裂缝调驱可视化模型抽真空，饱和模拟地层水；再按照需模拟地层的环境温度条件，通过外部加热装置将所述单裂缝调驱可视化模型加热至需模拟地层的环境温度；打开输水中间容器管路，进行单裂缝调驱可视化模型渗透率测试；

104、水测渗透率实验：通过开启水路控制阀、关闭凝胶路控制阀、调节回压泵设置一定的出口端压力、启动驱替泵，实现通过自输水中间容器输至所述单裂缝调驱可视化模型，进行单裂缝调驱可视化模型的水驱动态模拟实验；水驱过程中，设置一定的出口端压力，设定一水驱速度，第一压力监测单元实时对单裂缝调驱可视化模型入口压力进行连续监测记录，当第一压力监测单元所监测的压力数值保持稳定时，则水驱动态模拟实验结束，此时便可计算得到裂缝的水测渗透率，为保证水测渗透率结果的准确性，改变水驱速度重复上述实验过程，得到不同水驱速度条件下的单裂缝调驱可视化模型水驱渗透率，取数学平均作为单裂缝调驱可视化模型在实验条件下单的水驱渗透率；

105、弱凝胶在裂缝内的注入实验：调节回压泵设置一定的出口端压力，通过关闭水路控制阀、开启凝胶路控制阀、启动驱替泵，实现通过自输凝胶中间容器输至所述单裂缝调驱可视化模型，进行凝胶对饱和模拟地层水的单裂缝调驱可视化模型的凝胶注入实验；凝胶注入过程中对相关参数及影像资料进行记录，所述相关参数包括凝胶注入速度、裂缝模型入口压力的稳定值，所述影像资料是指凝胶在可视化裂缝模型内部的运移及分布形态；结束一组凝胶注入实验后，关闭驱替泵及凝胶路控制阀，将管线及裂缝模型内凝胶冲洗干净备用；变换凝胶性质重复上述实验过程，所述凝胶性质包括凝胶粘度、凝胶注入速度、凝胶注入体积及成胶时间；

步骤二：凝胶多段塞注入对单裂缝封堵性能评价实验，其过程如下：

201、实验装置检测：按照步骤101检测设备的完好性与密封性；

202、单裂缝调驱可视化模型预处理：对输水中间容器内的地层水和输凝胶中间容器内的凝胶溶液进行染色处理，要求染色剂不影响两种液体性质；将整个实验装置放置于恒温箱内，模拟地层温度保温，按照步骤102对裂缝进行饱和地层水；

203、水测渗透率实验：按照步骤104完成对裂缝模型渗透率的测试；

204、弱凝胶在裂缝内的封堵实验：通过关闭水路控制阀、开启凝胶路控制阀、调节回压泵设置一定出口端压力、启动驱替泵，实现通过自输凝胶中间容器输至所述单裂缝调驱可视化模型内的凝胶对饱和模拟地层水的单裂缝调驱可视化模型进行凝胶注入实验；且凝胶注入过程中，分多个时间点对凝胶注入封堵实验过程中的相关参数及凝胶在裂缝内的运移状态进行监测记录，所述相关参数包括与各时间点相对应的记录时间、驱出水量、凝胶注入量、裂缝模型入口端第一压力单元记录的压力值，所述凝胶注入量为输凝胶中间容器内所消耗的模拟凝胶数量；凝胶注入完毕后，回压泵持续维持出口端压力，关闭驱替泵、关闭凝胶路控制阀，关闭单裂缝调驱可视化模型的进液口控制阀，进行裂缝模型中的凝胶候凝，候凝时间为凝胶的成胶时间，清洗管线中的残留凝胶，防止在管线成胶后堵塞，影响实验结果；待第一段塞候凝结束后，重复以上步骤进行凝胶第二段塞注入，直至达到实验要求的段塞数，每段凝胶注入结束后都需要清洗管线中的残留凝胶；

205、多段塞凝胶封堵裂缝后水驱动态模拟实验：通过关闭凝胶路控制阀、开启水路控制阀、调节回压泵设置一定出口端压力、启动驱替泵，实现通过自输水中间容器输至所述单裂缝调驱可视化模型内的模拟地层水对多段塞凝胶封堵后的单裂缝调驱可视化模型进行水驱动态模拟实验；且凝胶封堵后水驱动态模拟实验过程中，水驱速度的设置为由小到大，再由大到小的过程，测试不同水驱速度下的凝胶封堵裂缝后水驱动态模拟实验，每一水驱速度下，分多个时间点对凝胶封堵后水驱动态模拟实验过程中的相关参数及染色的地层水在含凝胶的裂缝内的运移状态分别进行记录，所述相关参数包括与各时间点相对应的记录时间、水驱速度、驱出水量、裂缝模型入口水压值；待水驱突破后的压力值稳定后，关闭驱替泵，结束水驱实验，拆解并清洗单裂缝调驱可视化模型及管线；

步骤三：数据处理：按照裂缝渗透率的常规计算方法，根据步骤103中所记录的实验数据，即可计算得出裂缝渗透率及裂缝缝宽；

根据步骤204、步骤205、步骤206中所记录的实验数据，计算得出凝胶封堵前后裂缝渗透性变化和凝胶封堵后的凝胶封堵效率、水驱突破压力、残余阻力系数、不同凝胶性质对凝胶封堵裂缝性能的影响规律；

通过实验过程中影像记录***记录的图像资料进行各段塞凝胶分布形态及水驱对凝胶形态的作用对多段塞凝胶封堵单裂缝规律的研究。

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