稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置.pdf

本发明为一种稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，包括模型筒体，模型筒体内部形成一封闭空间；模拟井筒从模型筒体的一端水平穿设在封闭空间；模拟井筒的第一端伸出到模型筒体外部，模拟井筒上设有射孔或割缝；模拟井筒与模型筒体之间填充有充填砂；转换接头内形成有通道，转换接头密封设置在模拟井筒的第一端，且通道与模拟井筒内部连通；注入管道包括第一注入端和第二注入端，且第一注入端和第二注入端均设有开关阀；通道通过密封接头连接注入管道；第一注入端伸入到通道内，第二注入端伸入到模拟井筒中。本发明可以模拟不同油藏条件、不同管柱形式、不同出气点位置、不同注入流体下的水平段沿程变质量流动特征。

1.  一种稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，所述模拟实验装置包括：
模型筒体，所述模型筒体内部形成一封闭空间；
模拟井筒，所述模拟井筒从所述模型筒体的一端水平穿设在所述封闭空间；模拟井筒的第一端伸出到所述模型筒体外部，所述模拟井筒上设有射孔或割缝；所述模拟井筒与所述模型筒体之间填充有充填砂；
转换接头，所述转换接头内形成有通道，所述转换接头密封设置在所述模拟井筒的第一端，且所述通道与所述模拟井筒内部连通；
注入管道，所述注入管道包括第一注入端和第二注入端，且所述第一注入端和第二注入端均设有开关阀；所述通道通过密封接头连接所述注入管道；所述第一注入端伸入到所述通道内，所述第二注入端伸入到所述模拟井筒中。

2.  如权利要求1所述的稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，模拟井筒的第二端伸出到所述模型筒体外部；所述转换接头包括第一转换接头和第二转换接头，所述第一转换接头和第二转换接头分别密封设置在所述模拟井筒的第一端和第二端；所述第二转换接头的通道与所述模拟井筒内部连通；
所述注入管道还包括第三注入端和第四注入端，所述第三注入端和第四注入端均设有开关阀；第一注入端伸入到所述第一转换接头的通道内，第三注入端伸入到所述第二转换接头的通道内，第二注入端和第四注入端均伸入到所述模拟井筒中。

3.  如权利要求1或2所述的稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，所述转换接头内形成有第一通道和第二通道，所述第一通道和所述第二通道相互连通，且所述第一通道和所述第二通道与所述模拟井筒内部连通；所述第一通道和所述第二通道分别通过密封接头连接所述注入管道。

4.  如权利要求1或2所述的稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，沿所述模拟井筒的水平延伸方向依次间隔设置多个温度传感器和多个压力传感器，所述温度传感器和压力传感器均与数据采集装置相连；所述 温度传感器设置于充填砂中来测量沿水平延伸方向充填砂的温度，所述压力传感器连接到所述模拟井筒上来测量沿水平延伸方向模拟井筒中流体的压力。

5.  如权利要求4所述的稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，所述模型筒体上设有温度传感器螺纹孔、压力传感器螺纹孔、排液螺纹孔；所述温度传感器穿过所述温度传感器螺纹孔置于充填砂的不同位置；所述压力传感器穿过所述压力传感器螺纹孔与所述模拟井筒相连；所述排液螺纹孔通过管线与回压阀相连。

6.  如权利要求5所述的稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，所述模型筒体的四周均匀设置有四列所述排液螺纹孔，且每列所述排液螺纹孔沿着所述模拟井筒的水平延伸方向设置，所述排液螺纹孔通过管线连接一回压阀。

7.  如权利要求6所述的稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，所述模型筒体为圆柱筒形，所述模型筒体水平放置，其两端均通过可拆卸连接的法兰盘封闭。

8.  如权利要求3所述的稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，沿所述模拟井筒的水平延伸方向依次间隔设置多个温度传感器和多个压力传感器，所述温度传感器和压力传感器均与数据采集装置相连；所述温度传感器设置于充填砂中来测量沿水平延伸方向充填砂的温度，所述压力传感器连接到所述模拟井筒上来测量沿水平延伸方向模拟井筒中流体的压力。

9.  如权利要求8所述的稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，所述模型筒体上设有温度传感器螺纹孔、压力传感器螺纹孔、排液螺纹孔；所述温度传感器穿过所述温度传感器螺纹孔置于充填砂的不同位置；所述压力传感器穿过所述压力传感器螺纹孔与所述模拟井筒相连；所述排液螺纹孔通过管线与回压阀相连。

10.  如权利要求9所述的稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，其特征在于，所述模型筒体的四周均匀设置有四列所述排液螺纹孔，且每列所述排液螺纹孔沿着所述模拟井筒的水平延伸方向设置，所述排液螺纹孔通过管线连接一回压阀；所述模型筒体为圆柱筒形，所述模型筒体水平放置，其两端均通过可拆卸连接的法兰盘封闭。

稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置
技术领域
本发明涉及石油和地质油气田工程研究领域，尤其涉及一种稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置。
背景技术
物理模拟是认识油藏开发过程和研究流体流动规律的重要途径。在油藏中，将流体注入水平井存在沿程变质量流动的特征。稠油油藏不同于常规油藏，由于稠油具有较高的粘度，主要采取热采开发，注蒸汽开发是其主要的开发方式。对于稠油油藏热采水平井来说，无论是注饱和蒸汽或是多元热流体，水平井段沿程的变质量流动特征一直是水平井热采过程所面临的关键问题，这种流动特征主要是由水平段地层的沿程非均质特征、孔眼的流动特征以及井筒沿程的压力损失特征等所引起的。水平井沿程变质量流动特征对水平井的动态分析与产能评价具有较大影响，对探索改善水平井开发效果的有效措施具有重要的指导作用。
目前对于水平井沿程变质量流动特征的研究多集中于轻质油藏水驱开发过程的研究，其中，井筒变质量流动规律的数值计算或运用商业软件的数值模拟较多。也有相关的井筒物理模型，但其不能考虑蒸汽与油藏对于井筒变质量流动特征的综合影响，不适用于稠油热采水平井水平段沿程变质量流动特征的物理模拟研究。对于稠油热采水平井水平段变质量流动特征研究，目前的研究尚不够全面，特别是考虑到注入流体、管柱形式、出气点位置以及水平段地层非均质程度等对于水平段吸汽特征、变质量流动特征的影响。可用的物理模拟实验装置更是未见报道。
为了更真实的模拟稠油油藏热采水平井水平段沿程变质量流动特征，单纯的数值计算和商业软件模拟研究不能真实的表征其变质量流动特征。因此，迫切需要一种能够在满足几何相似性条件的基础上，功能多样、性能满足、实施性强的物理模型。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，可以模拟不同油藏条件、不同管柱形式、不同出气点位置、不同注入流体下的水平段沿程变质量流动特征。
本发明的目的是这样实现的，一种稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，所述模拟实验装置包括：
模型筒体，所述模型筒体内部形成一封闭空间；
模拟井筒，所述模拟井筒从所述模型筒体的一端水平穿设在所述封闭空间；模拟井筒的第一端伸出到所述模型筒体外部，所述模拟井筒上设有射孔或割缝；所述模拟井筒与所述模型筒体之间填充有充填砂；
转换接头，所述转换接头内形成有通道，所述转换接头密封设置在所述模拟井筒的第一端，且所述通道与所述模拟井筒内部连通；
注入管道，所述注入管道包括第一注入端和第二注入端，且所述第一注入端和第二注入端均设有开关阀；所述通道通过密封接头连接所述注入管道；所述第一注入端伸入到所述通道内，所述第二注入端伸入到所述模拟井筒中。
在本发明的一较佳实施方式中，模拟井筒的第二端伸出到所述模型筒体外部；所述转换接头包括第一转换接头和第二转换接头，所述第一转换接头和第二转换接头分别密封设置在所述模拟井筒的第一端和第二端；所述第二转换接头的通道与所述模拟井筒内部连通；
所述注入管道还包括第三注入端和第四注入端，所述第三注入端和第四注入端均设有开关阀；第一注入端伸入到所述第一转换接头的通道内，第三注入端伸入到所述第二转换接头的通道内，第二注入端和第四注入端均伸入到所述模拟井筒中。
在本发明的一较佳实施方式中，所述转换接头内形成有第一通道和第二通道，所述第一通道和所述第二通道相互连通，且所述第一通道和所述第二通道与所述模拟井筒内部连通；所述第一通道和所述第二通道分别通过密封接头连接所 述注入管道。
在本发明的一较佳实施方式中，沿所述模拟井筒的水平延伸方向依次间隔设置多个温度传感器和多个压力传感器，所述温度传感器和压力传感器均与数据采集装置相连；所述温度传感器设置于充填砂中来测量沿水平延伸方向充填砂的温度，所述压力传感器连接到所述模拟井筒上来测量沿水平延伸方向模拟井筒中流体的压力。
在本发明的一较佳实施方式中，所述模型筒体上设有温度传感器螺纹孔、压力传感器螺纹孔、排液螺纹孔；所述温度传感器穿过所述温度传感器螺纹孔置于充填砂的不同位置；所述压力传感器穿过所述压力传感器螺纹孔与所述模拟井筒相连；所述排液螺纹孔通过管线与回压阀相连。
在本发明的一较佳实施方式中，所述模型筒体的四周均匀设置有四列所述排液螺纹孔，且每列所述排液螺纹孔沿着所述模拟井筒的水平延伸方向设置，所述排液螺纹孔通过管线连接一回压阀。
在本发明的一较佳实施方式中，所述模型筒体为圆柱筒形，所述模型筒体水平放置，其两端均通过可拆卸连接的法兰盘封闭。
在本发明的一较佳实施方式中，沿所述模拟井筒的水平延伸方向依次间隔设置多个温度传感器和多个压力传感器，所述温度传感器和压力传感器均与数据采集装置相连；所述温度传感器设置于充填砂中来测量沿水平延伸方向充填砂的温度，所述压力传感器连接到所述模拟井筒上来测量沿水平延伸方向模拟井筒中流体的压力。
在本发明的一较佳实施方式中，所述模型筒体上设有温度传感器螺纹孔、压力传感器螺纹孔、排液螺纹孔；所述温度传感器穿过所述温度传感器螺纹孔置于充填砂的不同位置；所述压力传感器穿过所述压力传感器螺纹孔与所述模拟井筒相连；所述排液螺纹孔通过管线与回压阀相连。
在本发明的一较佳实施方式中，所述模型筒体的四周均匀设置有四列所述排液螺纹孔，且每列所述排液螺纹孔沿着所述模拟井筒的水平延伸方向设置，所述排液螺纹孔通过管线连接一回压阀；所述模型筒体为圆柱筒形，所述模型筒体水平放置，其两端均通过可拆卸连接的法兰盘封闭。
由上所述，本发明解决了现有物理模型无法模拟稠油热采水平井的不同管柱 完井形式中水平段沿程流动特征的缺点，可以通过选择性填装充填砂、改变注入管道注入端伸入模拟井筒内的位置、改变模拟井筒的形式及改变注入流体来实现模拟不同油藏条件、不同管柱形式、不同出气点位置、不同注入流体下的水平段沿程变质量流动特征。且制作工艺简单、可重复利用，大大降低了实验成本。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1：为本发明模拟实验装置一个具体实施方式的结构示意图。
图2：为本发明第一种模拟实验过程的示意图。
图3：为本发明第二种和第四种模拟实验过程的示意图。
图4：为本发明第三种模拟实验过程的示意图。
图5：为本发明采用割缝型模拟井筒的示意图。
图6：为本发明采用不同种类充填砂的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种稠油热采水平井段沿程变质量流动模拟实验装置，用于稠油油藏水平井不同油藏条件、不同管柱形式下的水平段沿程变质量流动特征模拟实验。该模拟实验装置包括模型筒体、模拟井筒、转换接头和注入管道。模型筒体内部形成一封闭空间；模拟井筒从模型筒体的一端水平穿设在封闭空间；模拟井筒的第一端伸出到模型筒体外部，模拟井筒的另一端可以伸出到模型筒体外部，也可以不伸出模型筒体外部而位于封闭空间内，模拟井筒的另一端在实验过程中根据需要可以进行封堵或打开。模拟井筒上设有射孔或割缝；模拟井筒与模型筒体之间填充有充填砂。转换接头内形成有通道，转换接头密封设置在模拟井筒的第一端，且通道与模拟井筒内部连通。注入管道包括第一注入端和第二注入端，且第一注入端和第二注入端均设有开关阀；通道通过密封接头连接注入管道； 第一注入端伸入到通道内，第二注入端伸入到模拟井筒中。
本发明通过选择不同石英砂粒径及不同类型稠油组成的充填砂可以实现均质(或非均质)稠油油藏；通过使用不同的注入管线与模拟井筒的组合实现不同管柱结构形式；通过选择不同形式的模拟井筒可以实现不同的完井方式(射孔或割缝)；通过将注入管线伸入到模拟井筒内不同位置来实现不同注气点位置(跟端、趾端、中部)的模拟；通过选择注入不同的热流体来实现不同注入流体(蒸汽、复合热流体)的模拟。使模型具有功能多样性及灵活性，且模拟井筒制作工艺简单、可重复利用，大大降低了实验成本。
作为其中一种实施方式，模拟井筒的第一端和第二端均伸出到模型筒体外部，转换接头包括第一转换接头和第二转换接头，第一转换接头和第二转换接头分别密封设置在模拟井筒的第一端和第二端；第二转换接头的通道也与模拟井筒内部连通；注入管道还包括第三注入端和第四注入端，第三注入端和第四注入端均设有开关阀；第一注入端伸入到第一转换接头的通道内，第三注入端伸入到第二转换接头的通道内，第二注入端和第四注入端均伸入到模拟井筒中。
这种实施方式是为了使用方便，模拟井筒的两端形成对称结构，使用其中任一侧均可进行实验，实验操作时只需要用到一端，与另一端转换接头连接的注入端的开关阀关闭即可。
以上所说的转换接头内的通道可以只有一个，也可以设置成两个即第一通道和第二通道，第一通道和第二通道相互连通，且第一通道和第二通道与模拟井筒内部连通；第一通道和第二通道分别通过密封接头连接注入管道。当只有模拟井筒的第一端设置转换接头时，注入管道的第一注入端伸入到第二通道内，第二注入端经过第一通道伸入到模拟井筒中。当模拟井筒的第一端和第二端均设置转换接头时，第一注入端伸入到第一转换接头的第二通道内，第三注入端伸入到第二转换接头的第二通道内，第二注入端和第四注入端分别经过第一转换接头和第二转换接头的第一通道伸入到模拟井筒中。
以下结合附图1说明本发明的一个具体实施方式，模拟实验装置包括模型筒体1、法兰盘2、模拟井筒3、充填砂4、转换接头5、回压阀6、温度传感器7、压力传感器8、数据采集装置9、高压管线10、油管注入阀门11(相当于开关阀)、套管注入阀门12(相当于开关阀)。模型筒体1为圆筒形，其筒壁等距分布70 个温度传感器螺纹孔、10个压力传感器螺纹孔、36个排液螺纹孔，温度传感器螺纹孔、压力传感器螺纹孔、排液螺纹孔均沿模拟井筒的水平延伸方向依次间隔设置，形成沿模型筒体1圆周均匀分布的四列。法兰盘2中部有一个耳孔，法兰盘2可拆卸的安装于模型筒体1两端进行封闭。模拟井筒3水平穿过模型筒体1内的封闭空间，模拟井筒3两端分别穿过两端法兰盘中部的耳孔并与耳孔之间形成密封。充填砂4填装于模型筒体1与模拟井筒3之间。转换接头5密封安装于模拟井筒3的两端；采用高压管线10来模拟注入管道并形成各个注入端，回压阀6通过管线与模型筒体1上的排液螺纹孔相连，使模型筒体1内的液体可以经过回压阀6向外排出，回压阀6的压力可以调整，通过调整回压阀6的压力控制排液压力。温度传感器7穿过温度传感器螺纹孔置于充填砂4不同位置，来测量沿水平延伸方向充填砂的温度；压力传感器8穿过压力传感器螺纹孔与模拟井筒3相连，来测量沿水平延伸方向模拟井筒中流体的压力。温度传感器7、压力传感器8均与数据采集装置9相连，实现实时数据自动采集。
可以根据实验需要，模拟井筒3采用射孔或割缝的形式来模拟不同的完井方式，如图5所示为割缝形式的模拟井筒3。用于模拟油管(即伸入到模拟井筒中注入管道的注入端)的高压管线10可以伸入到模拟井筒3内不同位置，来模拟不同的注气点位置。相当于第二注入端和第四注入端分别经过第一转换接头和第二转换接头的第一通道伸入到模拟井筒中。
如图6所示，充填砂4可以根据实验需要调整充填方式、充填物类型和充填程度模拟均质或非均质油藏。具体的，模型筒体1长度为780mm，内径为Φ150mm；模拟井筒3长960mm，内径为Φ6.0mm；如果采用射孔形的模拟井筒3，射孔孔径为Φ0.5mm，如果采用割缝形的模拟井筒3，割缝缝长70mm，缝宽1.5mm；采用的高压管线内径为Φ2.0mm。
油管注入阀门11和套管注入阀门12上游均与蒸汽发生器和气体注入泵相连；即注入管道与蒸汽发生器和气体注入泵相连，分别通过各个注入端进行注入流体的操作。回压阀6下游通过管线与油气水计量系统相连。
参见图2至图4来说明使用本发明实验装置的四种实验过程。
实施例一
如图2所示，用于模拟油管的高压管线10(第二注入端或第四注入端)伸入 到模拟井筒3跟端(图2的左端)，打开油管注入阀门11，关闭套管注入阀门12，注入的流体从第二注入端或第四注入端进入模拟井筒3跟端。该实施例用于模拟均质(或非均质)稠油油藏热采水平井单一管柱-射孔(或割缝)完井-跟端注蒸汽(或复合热流体)水平段沿程变质量流动过程。
其实验流程：首先组装实验模型，并在模型筒体1内填装充填砂4，设定回压阀6压力为实验需要压力，将原油饱和至模型筒体1内。其次将高压管线10模拟的油管(第二注入端或第四注入端)伸至模拟井筒3跟端，打开油管注入阀门11，关闭套管注入阀门12，将高温蒸汽从模拟井筒3跟端注入，同时流体从排液管线流出。至完全汽窜后停止实验，拆解并清洗模型，更换不同的充填砂、模拟井筒和注入流体，重复以上实验步骤。在实验过程中，通过数据采集装置9自动记录模型内部实时温度和压力数据，并通过油气水计量系统记录水平段沿程排液量。
实施例二
如图3所示，用于模拟油管的高压管线10(第二注入端或第四注入端)伸入到模拟井筒3趾端(图3的右端)，打开油管注入阀门11，关闭套管注入阀门12。该实施例用于模拟均质(或非均质)稠油油藏热采水平井单一管柱-射孔(或割缝)完井-趾端注蒸汽(或复合热流体)水平段沿程变质量流动过程。
其实验流程：首先组装实验模型，并在模型筒体1内填装充填砂4，设定回压阀6压力为实验需要压力，将原油饱和至模型筒体1内。其次将高压管线10模拟的油管伸至模拟井筒3趾端，打开油管注入阀门11，关闭套管注入阀门12，将高温蒸汽从模拟井筒3趾端注入，同时流体从排液管线流出。至完全汽窜后停止实验，拆解并清洗模型，更换不同的充填砂、模拟井筒和注入流体，重复以上实验步骤。在实验过程中，通过数据采集装置9自动记录模型内部实时温压数据，并通过油气水计量系统记录水平段沿程排液量。
实施例三
如图4所示，用于模拟油管的高压管线10(第二注入端或第四注入端)伸入到模拟井筒3中部，打开油管注入阀门11，关闭套管注入阀门12。该实例用于模拟均质(或非均质)稠油油藏热采水平井单一管柱-射孔(或割缝)完井-中部注蒸汽(或复合热流体)水平段沿程变质量流动过程。
其实验流程：首先组装实验模型，并在模型筒体1内填装充填砂4，设定回压阀6压力为实验需要压力，将原油饱和至模型筒体1内。其次将高压管线10模拟的油管伸至模拟井筒3中部，打开油管注入阀门11，关闭套管注入阀门12，将高温蒸汽从模拟井筒3中部注入，同时流体从排液管线流出。至完全汽窜后停止实验，拆解并清洗模型，更换不同的充填砂、模拟井筒和注入流体，重复以上实验步骤。在实验过程中，通过数据采集装置9自动记录模型内部实时温压数据，并通过油气水计量系统记录水平段沿程排液量。
实施例四
如图3所示，用于模拟油管的高压管线10(第二注入端或第四注入端)伸入到模拟井筒3趾端，打开油管注入阀门11和套管注入阀门12。该实施例用于模拟均质(或非均质)稠油油藏热采水平井同心双管-射孔(或割缝)完井-两端注蒸汽(或复合热流体)水平段沿程变质量流动过程。
其实验流程：首先组装实验模型，并在模型筒体1内填装充填砂4，设定回压阀6压力为实验需要压力，将原油饱和至模型筒体1内。其次将高压管线10模拟的油管伸至模拟井筒3趾端，打开油管注入阀门11，将高温蒸汽从模拟井筒3趾端注入，打开套管注入阀门12，将高温蒸汽从模拟井筒3跟端注入，同时流体从排液管线流出。至完全汽窜后停止实验，拆解并清洗模型，更换不同的充填砂、模拟井筒和注入流体，重复以上实验步骤。在实验过程中，通过数据采集装置9自动记录模型内部实时温压数据，并通过油气水计量系统记录水平段沿程排液量。
由上所述，本发明通过选择不同石英砂粒径及不同类型稠油组成的充填砂可以实现均质(或非均质)稠油油藏的模拟；通过选择性组合模拟井筒及高压管线来组成不同模拟管柱可以实现不同管柱结构(单一管柱、同心双管)的模拟；通过选择不同形式的模拟井筒可以实现不同的完井方式(射孔、割缝)的模拟；通过选择将高压管线伸入到模拟井筒内不同位置来实现不同出气点位置(跟端、趾端、中部)的模拟；通过选择注入不同的热流体来实现不同注入流体(蒸汽、复合热流体)的模拟。实验模型功能多样性、灵活性好，且模拟井筒制作工艺简单、可重复利用，大大降低了实验成本。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。 任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。