本發(fā)明涉及一種預置徑向孔注蒸汽熱采三維物理模擬實驗裝置和方法。

背景技術：

三維物理模擬系統(tǒng)能夠在油藏條件下進行三維物理模擬，研究不同類型油藏開發(fā)方式、滲流規(guī)律、生產動態(tài)等與生產技術相關的物理現(xiàn)象，為數(shù)值描述和數(shù)值模擬提供實驗依據(jù)。因此，三維物理模擬裝置被廣泛地應用于油氣田開發(fā)領域，是提高原油開采效率的重要研究手段。

目前，稠油室內三維物理模擬裝置有很多，能夠模擬的地層和儲層環(huán)境也很豐富。但現(xiàn)有的模擬裝置和模擬方法都缺乏對儲層中預置徑向孔的研究，本發(fā)明通過在模擬直井一端加設帶孔金屬帽，再配上用石蠟條模擬的徑向孔，整套裝置能夠合理有效地模擬油藏儲層中預置徑向孔后注蒸汽熱采的過程。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有物理模擬裝置和方法不能夠有效研究預置徑向孔注蒸汽熱采問題，本發(fā)明提供一種預置徑向孔注蒸汽熱采三維物理模擬實驗裝置和方法，其是在三維情況下模擬油藏儲層中預置徑向孔注蒸汽熱采過程的方法，該模擬方法借助多功能注蒸汽熱采三維物理模擬實驗裝置。

本發(fā)明的技術方案是：一種預置徑向孔注蒸汽熱采三維物理模擬實驗裝置，所述預置徑向孔注蒸汽熱采三維物理模擬實驗裝置包括容器、恒速恒壓泵、蒸汽發(fā)生器、恒溫箱、模擬直井和填砂模型；

其中，所述恒速恒壓泵通過管路一端與所述容器連接，另一端通過管路與所述蒸汽發(fā)生器連接；

所述模擬直井設置在所述填砂模型的底部，所述填砂模型設置在所述恒溫箱內，所述蒸汽發(fā)生器通過管路與所述模擬直井連接。

進一步，所述預置徑向孔注蒸汽熱采三維物理模擬實驗裝置還包括用于計量產出的油量的油水計量裝置，所述油水計量裝置通過管路與填砂模型的底部的井眼連接。

進一步，所述預置徑向孔注蒸汽熱采三維物理模擬實驗裝置還包括數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器與所述填砂模型和恒溫箱的對應底部上的多個插設溫度和/或壓力傳感器的測量孔眼內的溫度和/或壓力傳感器數(shù)據(jù)連接。

進一步，所述填砂模型為長度為30cm、寬度為30cm,高度為10cm，所述填砂模型內部設有油砂，所述油砂為原油與石英砂的質量比為0.5-0.7混合制成。

進一步，所述模擬直井包括a型金屬帽、實心條狀石蠟和中空金屬管；所述a型金屬帽的底部的中心位置設有一盲孔，側部設置有一個射孔，且所述射孔一端與所述盲孔連通；所述中空金屬管的出口端插入所述盲孔的另一端，所述實心條狀石蠟從所述射孔的另一端插入所述射孔的內部；中空金屬管的入口端插入填砂模型的井眼上。

進一步，所述a型金屬帽還可為多射孔金屬帽，所述多射孔金屬帽包括b型金屬帽、c型金屬帽、d型金屬帽

其中，所述b型金屬帽具有兩個射孔，兩個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔120度進行排布；所述c型金屬帽具有五個射孔，其中兩個射孔在金屬帽軸向上位于上部層，位于上部層的兩個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔120度進行排布；另外三個射孔在金屬帽軸向上位于下部層，位于下部層的三個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔120度進行均勻排布；所述d型金屬帽具有四個射孔，其中兩個射孔在金屬帽軸向上位于上部層，位于上部層的兩個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔180度進行排布；另外兩個射孔在金屬帽軸向上位于下部層，位于下部層的兩個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔180度進行均勻排布或四個射孔在周向上的投影點以90度間隔均布排布。

進一步，所有射孔直徑為2-5mm，長度為3-5mm。

本發(fā)明還涉及一種預置徑向孔注蒸汽熱采三維物理模擬實驗方法，其采用上述模擬實驗裝置來實現(xiàn)，包括以下步驟：

第一步：制作金屬帽，金屬帽的底部設置有盲孔，金屬帽的側部設置有射孔，射孔與盲孔連通；

第二步：中空金屬管的出口端首先插入金屬帽的盲孔中，將實心條狀石蠟插入金屬帽的射孔中，以用來模擬徑向孔，金屬帽、實心條狀石蠟和中空金屬管組成模擬直井；最后將中空金屬管的入口端插入模擬實驗裝置的填砂模型的井眼上；

第三步：將原油與石英砂按照一定比例，優(yōu)選原油與石英砂的質量比為0.5-0.7，混合制成油砂，并將油砂填裝到填砂模型中；

第四步：將填砂模型安裝于模擬實驗裝置的恒溫箱中，并且設定為100-150℃，

第五步：對模擬實驗裝置進行密封，用高壓氮氣向填砂模型加壓，加壓至一定壓力，并且檢測填砂模型是否漏氣；

第六步：采用蠕動泵向中空金屬管入口端注入有機溶劑，將射孔中實心條狀石蠟溶解，這樣就使得射孔前端區(qū)域孔隙度明顯大于周圍油砂的孔隙度，有效模擬出徑向孔；

第七步：啟動恒速恒壓泵將容器中水泵入到蒸汽發(fā)生器，運行蒸汽發(fā)生器，待蒸汽發(fā)生器產生穩(wěn)定的蒸汽后向填砂模型內注入高溫蒸汽，進行蒸汽驅，蒸汽是經由中空金屬管的入口端注入到填砂模型內的；模擬過程中通過數(shù)據(jù)采集器不斷監(jiān)測溫度、壓力的變化，并通過油水計量裝置不斷計量產出的油量；

第八步：實驗停止后，結合實驗數(shù)據(jù)繪制溫度場云圖、壓力變化曲線，并進行數(shù)據(jù)分析。

進一步，所述方法還包括第九步：實驗停止后，打開模擬實驗裝置，清理油砂，取出模擬直井，更換不同的金屬帽重復實驗。

進一步，填砂模型和恒溫箱的對應底部上分別相對設有多個插設溫度和/或壓力傳感器的測量孔眼，插設在測量孔眼的溫度和/或壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接。

進一步，所述步驟5中壓力為1-5mpa。

本發(fā)明的有益效果如下：由于采用上述技術方案，本發(fā)明具有以下特點：

1.選用石蠟來模擬徑向孔，將其制成條狀插入金屬帽射孔中，采用有機溶劑將石蠟溶解后留下的縫隙能使徑向孔區(qū)域孔隙度明顯大于周圍油砂的孔隙度，同時保證后續(xù)的模擬熱采注入的蒸汽能經由徑向孔順暢地進入油砂。

2.設計多種金屬帽，不同的金屬帽四周有不同的射孔排布，可以有效地研究不同數(shù)目和方向的徑向孔對注蒸汽熱采的影響。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1為本發(fā)明一種預置徑向孔注蒸汽熱采三維物理模擬實驗裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明中的模擬直井的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明中的a型金屬帽示意圖；

圖4為本發(fā)明中的b型金屬帽示意圖；

圖5為本發(fā)明中的c型金屬帽示意圖；

圖6為本發(fā)明中的d型金屬帽示意圖；

圖7為本發(fā)明中的e型金屬帽示意圖。

圖中：

1.容器、2.恒速恒壓泵、3.蒸汽發(fā)生器、4.數(shù)據(jù)采集器、5.恒溫箱、6.模擬直井、7.填砂模型、8.油水計量裝置、9.實心條狀石蠟、10.金屬帽、10-1.盲孔、10-2.射孔、11.中空金屬管。

具體實施方式

如圖1-圖2所示，本發(fā)明一種預置徑向孔注蒸汽熱采三維物理模擬實驗裝置，所述裝置包括容器1、恒速恒壓泵2、蒸汽發(fā)生器3、數(shù)據(jù)采集器4、恒溫箱5、模擬直井6、填砂模型7和油水計量裝置8。如圖2所示，模擬直井6包括金屬帽10、實心條狀石蠟9和中空金屬管11；金屬帽10的底部設置有盲孔，金屬帽10的側部設置有射孔，射孔與盲孔連通；中空金屬管11的出口端插入金屬帽10的盲孔中，實心條狀石蠟9插入金屬帽10的射孔中，以用來模擬徑向孔。圖1所示，組裝完模擬直井6后，將模擬直井6的中空金屬管11的入口端插入填砂模型7的井眼上，填砂模型7安裝于恒溫箱5中，泵2的入口端與容器1連接，蒸汽發(fā)生器3與泵2的出口端連接，泵2將容器1中水泵入到蒸汽發(fā)生器3，蒸汽發(fā)生器3向填砂模型7內注入高溫蒸汽，進行蒸汽驅，蒸汽經由中空金屬管11的入口端注入到填砂模型7內。填砂模型7和恒溫箱5的對應底部上分別相對設有多個插設溫度和/或壓力傳感器的測量孔眼，插設在測量孔眼的溫度和/或壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集器4連接。實驗過程中通過數(shù)據(jù)采集器4不斷監(jiān)測溫度、壓力的變化，并油水計量裝置8通過不斷計量產出的油量。油水計量裝置8優(yōu)選與填砂模型7的井眼連接，用于計量產出的油量。數(shù)據(jù)采集器4主要采集溫度和壓力這兩個參數(shù)，溫度和壓力傳感器位于填砂模型底部，它們呈點陣排布，它們都通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器4相連。油水計量裝置8優(yōu)選包括燒杯容器和電子天平，主要計量采出油的重量。其中，將原油與石英砂按照一定比例，優(yōu)選原油與石英砂的質量比為0.5-0.7，混合制成油砂，并將油砂填裝到填砂模型7中。實驗過程中，向中空金屬管11入口端注入有機溶劑，優(yōu)選通過蠕動泵向中空金屬管11入口端注入有機溶劑，將實心條狀石蠟9溶解，這樣就使得射孔前端區(qū)域孔隙度明顯大于周圍油砂的孔隙度，有效模擬出徑向孔。中空金屬管11未裝金屬帽一端為入口端，插入填砂模型7過程為從里向外，讓入口端露出腔體。

在實驗過程中，優(yōu)選通過氮氣瓶，向填砂模型7內注入高壓氮氣來加壓；填砂模型7底部的井眼口既可以做注入井又可以做采出井，每個井口都配有閥門。選擇一個來注入高壓氮氣（不要選擇帶金屬帽的），同時關閉其它井眼口，加壓至1-5mpa，優(yōu)選為3mpa，通過壓

力表來判斷是否停止注入，注入結束，關緊閥門。優(yōu)選用肥皂水檢測實驗系統(tǒng)是否漏氣。

有機溶劑為石油醚、丙酮或氯仿。還可以采用汽油、柴油、液體石蠟等有機溶液劑都能溶解石蠟。

實驗過程中，采用蠕動泵向中空金屬管11入口端注入有機溶劑，將實心條狀石蠟9溶解，這樣就使得射孔前端區(qū)域孔隙度明顯大于周圍油砂的孔隙度，明顯大于即通過肉眼觀察該區(qū)域有明顯縫隙。溶解前石蠟條被包在油砂中，為一個整體，有機溶劑將實心條狀石蠟9溶解后就形成了孔隙，有效模擬出徑向孔。徑向水平井是利用高壓水噴射破巖，在一口井的同一油層或不同油層內沿徑向鉆出一個水平井眼，以增加油層的泄油面積來提高油井采收率。在本實驗模擬中徑向孔就是模擬實際作業(yè)中的徑向水平井，根本目的就是要在直井出口的水平區(qū)域內造成一段空隙；實心條狀石蠟9被溶解后留下的空間即是預置徑向孔。

圖3是a型金屬帽示意圖，a型為單孔，即在金屬帽的圓周側壁上只有一個射孔。圖4是b型金屬帽示意圖，b型金屬帽具有兩個射孔，兩個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔120度進行排布。圖5是c型金屬帽示意圖，c型金屬帽具有五個射孔，其中兩個射孔在金屬帽軸向上位于上部層，這兩個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔120度進行排布；另外三個射孔在金屬帽軸向上位于下部層，這三個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔120度進行均勻排布。圖6是d型金屬帽示意圖，d型金屬帽具有四個射孔，其中兩個射孔在金屬帽軸向上位于上部層，這兩個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔180度進行排布；另外兩個射孔在金屬帽軸向上位于下部層，這兩個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔180度進行均勻排布，在俯視圖上，這四個射孔在周向上的投影點以90度間隔均布排布。圖7是e型金屬帽示意圖，e型金屬帽具有三個射孔，其中一個射孔在金屬帽軸向上位于上部層；另外兩個射孔在金屬帽軸向上位于下部層，這兩個射孔在金屬帽的圓周側壁上以周向間隔120度進行均勻排布，在俯視圖上，這三個射孔在周向上的投影點以120度間隔均布排布。所有射孔直徑均為優(yōu)選為2-5mm，長度為3-5mm，再次優(yōu)選為3mm。當然，本領域技術人員可以根據(jù)需要設置出不同的射孔排布。

采用上述模擬實驗裝置進行注蒸汽熱采三維物理模擬實驗方法，包括以下步驟：

第一步：制作金屬帽10，金屬帽10的底部設置有盲孔，金屬帽10的側部設置有射孔，射孔與盲孔連通；

第二步：中空金屬管11的出口端首先插入金屬帽10的盲孔中，將實心條狀石蠟9插入金屬帽10的射孔中，以用來模擬徑向孔，金屬帽10、實心條狀石蠟9和中空金屬管11組成模擬直井6；最后將中空金屬管11的入口端插入模擬實驗裝置的填砂模型7的井眼上；

第三步：將原油與石英砂按照一定比例，優(yōu)選原油與石英砂的質量比為0.5-0.7，混合制成油砂，并將油砂填裝到填砂模型7中；

第四步：將填砂模型7安裝于模擬實驗裝置的恒溫箱5中，并且設定溫度為120℃；

第五步：對模擬實驗裝置進行密封，用高壓氮氣向填砂模型7加壓，加壓至3mpa,并且檢測模擬實驗裝置是否漏氣；

第六步：采用蠕動泵向中空金屬管11入口端注入有機溶劑，將實心條狀石蠟9溶解，這樣就使得射孔前端區(qū)域孔隙度明顯大于周圍油砂的孔隙度，有效模擬出徑向孔；

第七步：恒速恒壓泵2將容器1中水泵入到蒸汽發(fā)生器3，運行蒸汽發(fā)生器3，待蒸汽發(fā)生器3產生穩(wěn)定的蒸汽后向填砂模型7內注入高溫蒸汽，進行蒸汽驅，蒸汽是經由中空金屬管11的入口端注入到填砂模型7內的；模擬過程中通過數(shù)據(jù)采集器4不斷監(jiān)測溫度、壓力的變化，并通過油水計量裝置8不斷計量產出的油量。

第八步：實驗停止后，結合實驗數(shù)據(jù)繪制溫度場云圖、壓力變化曲線，并進行數(shù)據(jù)分析；

第九步：實驗停止后，打開模擬實驗裝置，清理油砂，取出模擬直井6，更換不同的金屬帽重復實驗。

其中，填砂模型7和恒溫箱5的對應底部上分別相對設有多個插設溫度和/或壓力傳感器的測量孔眼，插設在測量孔眼的溫度和/或壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集器4連接。