一种针对高渗条带参数判断化学剂是否失效的装置与方法技术领域
本发明涉及一种应用于油气田开发领域中的针对高渗条带参数确定化学剂失效
下限参数的室内实验装置与方法。
背景技术
在油田的长期注水开发过程中，受非均质性和时变性等因素的影响，储层物性会
发生很大变化。油层非均质性等地质因素、注水冲刷等开发因素以及油层压力变化等因素
都会使储层孔喉半径增大，渗透率也随之增大，从而在储层中形成高渗条带。目前大部分水
驱油田已经进入三次调整后的降产阶段，采收率相对较低，进一步提高水驱采收率难度大，
无法实现长期稳产，因此在水驱的基础上又提出了化学驱这一概念。化学驱是通过在水溶
液中添加化学剂，改变注入流体的物理化学性质和流变学性质以及与储层岩石的相互作用
特征而提高采收率的一种强化措施。在我国，以大庆油田为代表，化学驱得到了快速发展，
现已进入矿场规模化应用。
但是，化学驱在大庆油田的矿场应用中存在一定的失效问题，这主要是由于大庆
油田属于内陆湖盆河流—三角洲沉积体系，储层非均质性严重，高渗条带等优势通道的存
在将造成大量注入化学剂的低效、失效循环。这一方面加剧了油层的非均质性，减小了注入
化学剂的波及系数，降低了注入化学剂的利用率；另一方面加剧了层内、层间矛盾，严重干
扰其他油层的吸水出油状况。
针对化学剂失效问题，现有的领域主要通过示踪剂、测井资料、试井资料等来判断
井间高渗条带的存在，但是缺乏有效的手段实现对注入化学剂在高渗条带参数影响下的失
效与否进行判定。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提出了一种装置及方法，从储层
高渗条带的高仿真模拟出发，制备二维平面物理模型，在注采井间使用填砂管作为高渗条
带模拟手段，在填砂管内压入石英砂、环氧树脂胶结的物料，确保孔隙度、渗透率与矿场的
高渗条带接近。然后利用制备好的二维平面物理模型进行恒速注入实验，通过计量采出井
及填砂管的采液速度来计算填砂管的阶段分流率，进而判断化学剂溶液是否在高渗条带存
在失效问题。
本发明的技术方案是：该种针对高渗条带参数判断化学剂是否失效的装置，包括
二维平面物理模型、恒速泵、第一六通阀、第二六通阀、装有化学剂的活塞容器、装有注入污水
的活塞容器、六通阀、填砂管采出端出液计量装置、基岩采出端出液计量装置以及恒温箱；
所述二维平面物理模型内置有由石英砂与环氧树脂混合物压制成的岩心作为基岩岩
心，其渗透率和孔隙度与具有高渗条带的矿场的渗透率和孔隙度相同，对应所述基岩岩心
部分开有基岩注入端和基岩采出端；
所述二维平面物理模型内嵌有一个模拟优势通道，所述模拟优势通道分布的形状及长
度按照高渗条带的形状及长度等比例缩小后得到；由若干组圆柱状分支填砂管构成，一根
分支填砂管代表一条高渗条带，所有分支填砂管注入端与注入端干路管焊接为一体，所有
分支填砂管采出端与采出端干路管焊接为一体；分支填砂管与干路管材质均为锰钢，外径
为9mm，管壁厚均为1mm，填砂管注入端干路管的注入端及采出端干路管的采出端均与外径
为3mm的管线丝扣连接,填砂管注入端及采出端干路管的丝扣连接处均为内径为8mm的母
扣，管线的端部套有外径为8mm的公扣头，公扣头中设有直径为3mm的通孔，外径为3mm的管
线在通孔中穿过；公扣头与母扣之间为紧密连接，具有良好的密封性；
所述恒速泵位于恒温箱上方，所述恒速泵的液流出口经管线与所述第一六通阀连接，
所述第一六通阀的两个出口端分别经管线与装有化学剂的活塞容器及装有注入污水的活
塞容器连接，装有化学剂的活塞容器及装有注入污水的活塞容器的液流出口端分别经管线
与第二六通阀的两个不同入口端相连接，第二六通阀的两个不同出口端经管线分别与所述
二维平面物理模型的基岩注入端及填砂管注入端连接，所述二维平面物理模型的基岩采出
端及填砂管采出端经管线分别与基岩采出端出液计量装置及填砂管采出端出液计量装置
连接；
所述二维平面物理模型、第一六通阀、第二六通阀、装有化学剂的活塞容器、装有注入
污水的活塞容器、六通阀、填砂管采出端出液计量装置以及基岩采出端出液计量装置连接
完毕后，位于所述恒温箱内。
该种针对高渗条带参数判断化学剂是否失效的方法，由如下步骤组成：
第一步，选取实际矿场区块的典型注采井单元，依据矿场资料获取基岩孔隙度、基岩渗
透率、高渗条带长度、高渗条带宽度、高渗条带孔隙度、高渗条带渗透率以及高渗条带分布
形状；
第二步，根据第一步中获得的高渗条带长度、高渗条带宽度以及高渗条带分布形状按
照比例制备对应长度、宽度及分布形状的圆柱状分支填砂管若干组，一根分支填砂管代表
一条高渗条带；将所有分支填砂管注入端与注入端干路管焊接为一体，将所有分支填砂管
采出端与采出端干路管焊接为一体，模拟高渗条带填砂管主体制备完成；
第三步，采用石英砂、环氧树脂胶结物料，按照第一步中获得的高渗条带孔隙度和高渗
条带渗透率，将填砂管完全填充；需要制备3个相同的填砂管以完成后续二维平面物理模型
的制作；
第四步，利用制备二维平面物理模型所需的压制模具，将第三步中制备好的模拟高渗
条带填砂管主体外表面均匀涂胶置于所述压制模具中，后填入模拟基岩所需的石英砂、环
氧树脂混合均匀过筛后的物料，对所述压制模具进行加压定型，当确保加压定型后填入物
料的孔隙度和渗透率与第一步中获得的基岩孔隙度、基岩渗透率相同后，将所述压制模具
内的二维平面物理模型取出；
第五步，将第四步中得到的二维平面物理模型取出，移至恒温箱中进行烘干固化处理，
最后将固化后的二维物理模型浇铸成型；
第六步，利用权利要求1中所述装置以及第五步中得到的3个二维物理模型，分别进行
抽真空、饱和水及饱和油处理；
第七步，在注入速度及化学剂浓度均恒定的情况下进行驱替实验，分别记录基岩采出
端与填砂管采出端采液速度随时间的变化，得到某一阶段内，填砂管采出端的平均采液速
度和基岩采出端的平均采液速度；
第八步，按照公式（1）求取填砂管的阶段分流率，以表示，以注入PV数来表示注入时
间，并对注入时间进行阶段划分，每隔0.1PV取一次数据，
公式（1）
其中，为某一阶段内，填砂管的阶段分流率，；为某一阶段内，填砂管采出端的
平均采液速度，；为某一阶段内，基岩采出端的平均采液速度，；
第九步，根据第八步中所获得的实验数据，按照公式（2）计算填砂管阶段分流率均值，
公式（2）
其中，为填砂管阶段分流率均值，；为不同时刻所对应的时间序号，
；为化学剂驱的开始时刻所对应的时间序号；为化学剂驱的结束时刻所对
应的时间序号；
第十步，根据第九步所取得的数据，按照如下标准判断化学剂是否失效，
如果填砂管的阶段分流率均值高于80%，即该浓度下的化学剂失效；
如果填砂管的阶段分流率均值在50%至80%之间，即该浓度下的化学剂接近失效；
如果填砂管的阶段分流率均值在40%至50%之间，即该浓度下的化学剂作用一般；
如果填砂管的阶段分流率均值低于40%，即该浓度下的化学剂发挥作用。
本发明具有如下有益效果：本发明所提供的一种针对高渗条带参数判断化学剂是
否失效的装置及方法。首先使用填砂管作为高渗条带的模拟手段，确保孔隙度、渗透率及分
布形状与矿场的高渗条带接近，通过制备含有填砂管的二维平面物理模型，实现了对含有
高渗条带储层的高仿真模拟。然后利用制备好的二维平面物理模型进行恒速注入实验，通
过计算填砂管的阶段分流率来定量判断化学剂溶液在该浓度下是否存在失效问题，明确给
出了注入化学剂在高渗条带参数影响下的失效范围。本发明对于有效指导储层非均质性严
重的矿场规模化化学驱油具有较强的实际作用。
附图说明：
图1是本发明具体实施时，用于压制二维平面物理模型的压制模具的结构示意图。
图2是本发明所述装置中构建的二维平面物理模型的俯视剖面图示例。
图3是本发明所述装置中构建的二维平面物理模型的立体图示例。
图4是本发明所述装置的组成示意图。
图5是本发明一个具体实施例下所获取的基岩采出端与填砂管采出端的阶段分流
率曲线图。
图中1-下压板；2-外挡板；3-螺栓通孔；4-下凹槽；5-采出端侧内挡板；6-注入端侧
内挡板；7-基岩注入端通孔；8-填砂管注入端通孔；9-基岩采出端通孔；10-填砂管采出端通
孔；11-上压板；12-紧固长螺栓；13-紧固螺母；14-长螺栓，15-基岩；16-模拟高渗条带填砂
管；17-基岩注入端；18-填砂管注入端；19-基岩采出端；20-填砂管采出端；21-二维平面物
理模型；22-恒速泵；23-第一六通阀；24-装有化学剂的活塞容器；25-装有注入污水的活塞
容器；26-第二六通阀；27-填砂管采出端出液计量装置；28-基岩采出端出液计量装置；29—
恒温箱。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图4所示，该种针对高渗条带参数判断化学剂是否失效的装置，包括二维平面物理模
型、恒速泵、第一六通阀、第二六通阀、装有化学剂的活塞容器、装有注入污水的活塞容器、
六通阀、填砂管采出端出液计量装置、基岩采出端出液计量装置以及恒温箱；
所述二维平面物理模型内置有由石英砂与环氧树脂混合物压制成的岩心作为基岩岩
心，其渗透率和孔隙度与具有高渗条带的矿场的渗透率和孔隙度相同，对应所述基岩岩心
部分开有基岩注入端和基岩采出端；
由图2结合图3所示，所述二维平面物理模型内嵌有一个模拟优势通道，所述模拟优势
通道分布的形状及长度按照高渗条带的形状及长度等比例缩小后得到；由若干组圆柱状分
支填砂管构成，一根分支填砂管代表一条高渗条带，所有分支填砂管注入端与注入端干路
管焊接为一体，所有分支填砂管采出端与采出端干路管焊接为一体；分支填砂管与干路管
材质均为锰钢，外径为9mm，管壁厚均为1mm，填砂管注入端干路管的注入端及采出端干路管
的采出端均与外径为3mm的管线丝扣连接,填砂管注入端及采出端干路管的丝扣连接处均
为内径为8mm的母扣，管线的端部套有外径为8mm的公扣头，公扣头中设有直径为3mm的通
孔，外径为3mm的管线在通孔中穿过；公扣头与母扣之间为紧密连接，具有良好的密封性；
所述恒速泵位于恒温箱上方，所述恒速泵的液流出口经管线与所述第一六通阀连接，
所述第一六通阀的两个出口端分别经管线与装有化学剂的活塞容器及装有注入污水的活
塞容器连接，装有化学剂的活塞容器及装有注入污水的活塞容器的液流出口端分别经管线
与第二六通阀的两个不同入口端相连接，第二六通阀的两个不同出口端经管线分别与所述
二维平面物理模型的基岩注入端及填砂管注入端连接，所述二维平面物理模型的基岩采出
端及填砂管采出端经管线分别与基岩采出端出液计量装置及填砂管采出端出液计量装置
连接；
所述二维平面物理模型、第一六通阀、第二六通阀、装有化学剂的活塞容器、装有注入
污水的活塞容器、六通阀、填砂管采出端出液计量装置以及基岩采出端出液计量装置连接
完毕后，位于所述恒温箱内。
一种针对高渗条带参数判断化学剂是否失效的方法，该方法由如下步骤组成：
第一步，选取实际矿场区块的典型注采井单元，依据矿场资料获取基岩孔隙度、基岩渗
透率、高渗条带长度、高渗条带宽度、高渗条带孔隙度、高渗条带渗透率以及高渗条带分布
形状；
第二步，根据第一步中获得的高渗条带长度、高渗条带宽度以及高渗条带分布形状按
照比例制备对应长度、宽度及分布形状的圆柱状分支填砂管若干组，一根分支填砂管代表
一条高渗条带；将所有分支填砂管注入端与注入端干路管焊接为一体，将所有分支填砂管
采出端与采出端干路管焊接为一体，模拟高渗条带填砂管主体制备完成；
第三步，采用石英砂、环氧树脂胶结物料，按照第一步中获得的高渗条带孔隙度和高渗
条带渗透率，将填砂管完全填充；需要制备3个相同的填砂管以完成后续二维平面物理模型
的制作；
第四步，利用制备二维平面物理模型所需的压制模具，将第三步中制备好的模拟高渗
条带填砂管主体外表面均匀涂胶置于所述压制模具中，后填入模拟基岩所需的石英砂、环
氧树脂混合均匀过筛后的物料，对所述压制模具进行加压定型，当确保加压定型后填入物
料的孔隙度和渗透率与第一步中获得的基岩孔隙度、基岩渗透率相同后，将所述压制模具
内的二维平面物理模型取出；本步骤中所需模具结构如图1所示。
第五步，将第四步中得到的二维平面物理模型取出，移至恒温箱中进行烘干固化
处理，最后将固化后的二维物理模型浇铸成型；
第六步，利用如图4所示的针对高渗条带参数判断化学剂是否失效的连接好的装置以
及第五步中得到的3个二维物理模型，分别进行抽真空、饱和水及饱和油处理；
第七步，在注入速度及化学剂浓度均恒定的情况下进行驱替实验，分别记录基岩采出
端与填砂管采出端采液速度随时间的变化，得到某一阶段内，填砂管采出端的平均采液速
度，和基岩采出端的平均采液速度；
第八步，按照公式（1）求取填砂管的阶段分流率，以表示，以注入PV数来表示注入时
间，并对注入时间进行阶段划分，每隔0.1PV取一次数据，
公式（1）
其中，为某一阶段内，填砂管的阶段分流率，；为某一阶段内，填砂管采出端的
平均采液速度，；为某一阶段内，基岩采出端的平均采液速度，；
第九步，根据第八步中所获得的实验数据，按照公式（2）计算填砂管阶段分流率均值，
公式（2）
其中，为填砂管阶段分流率均值，；为不同时刻所对应的时间序号，
；为化学剂驱的开始时刻所对应的时间序号；为化学剂驱的结束时刻所对
应的时间序号；
第十步，根据第九步所取得的数据，按照如下标准判断化学剂是否失效，
如果填砂管的阶段分流率均值高于80%，即该浓度下的化学剂失效；
如果填砂管的阶段分流率均值在50%至80%之间，即该浓度下的化学剂接近失效；
如果填砂管的阶段分流率均值在40%至50%之间，即该浓度下的化学剂作用一般；
如果填砂管的阶段分流率均值低于40%，即该浓度下的化学剂发挥作用。
下面，给出一个按照本发明所述方案实施的一个完整的实施例：
首先：矿场资料的获取。
选取大庆长垣油田A试验区块某典型注采井单元，注采井距为250m，则确定确定模
拟的注采单元平面规格为175m×175m。依据矿场资料获取相关资料：基岩资料及高渗条带
资料。其中，基岩资料包括：基岩孔隙度、渗透率；高渗条带资料包括：高渗条带长度、宽度、
孔隙度、渗透率及分布形状。具体相关资料情况见表1及表2。
表1 基岩资料
孔隙度（%）
渗透率（mD）
14.73
531
表2 高渗条带资料
条带序号
长度（m）
宽度（m）
孔隙度（%）
渗透率（mD）
分布形状
1
313
15
25.30
1568
凸型
2
306
18
27.38
1754
微凸型
3
275
11
25.83
2517
S型
4
319
20
22.19
2013
微凹形
5
315
17
28.13
2203
凹形
依据表2中高渗条带资料，计算得到高渗条带的平均孔隙度为25.63%，平均渗透率为
2011mD。
其次：模拟高渗条带填砂管的制备与参数测试。
根据前一步中的高渗条带资料，按照一定比例制备对应长度、宽度及分布形状的
圆柱状分支填砂管5组，一根分支填砂管代表一条高渗条带，将所有分支填砂管注入端与注
入端干路管焊接为一体，将所有分支填砂管采出端与采出端干路管焊接为一体，模拟高渗
条带填砂管主体制备完成。分支填砂管与干路管材质均为锰钢，外径为9mm，管壁厚均为
1mm，填砂管注入端干路管的注入端及采出端干路管的采出端均与外径为3mm的管线丝扣连
接。填砂管注入端及采出端干路管的丝扣连接处均为内径为8mm的母扣，管线的端部套有外
径为8mm的公扣头，公扣头中设有直径为3mm的通孔，外径为3mm的管线在通孔中穿过。公扣
头与母扣之间为紧密连接，具有良好的密封性。填砂管内部采用石英砂、环氧树脂胶结物
料，即将模拟高渗条带所需的石英砂、环氧树脂混合均匀过筛后的物料充分搅拌，将填砂管
完全填充。制备完成后，对制备好的模拟高渗条带填砂管进行孔隙度及渗透率测试，测试结
果见表3。
表3 填砂管测试结果
孔隙度（%）
渗透率（mD）
25.13
2000
孔隙度参数及渗透率参数与矿场资料接近，认为模拟高渗条带填砂管制备完成，并采
用相同方法，共制备3个相同的填砂管来完成后续二维平面物理模型的制作。
再次：二维平面物理模型的制备。
制备二维平面物理模型需特殊的压制模具，如图1所示，压制模具由下压板1、一对
外挡板2、采出端侧内挡板5、注入端侧内挡板6、上压板11、紧固长螺栓12及紧固螺母13构
成。在下压板1上，设有供外挡板2、采出端侧内挡板5和注入端侧内挡板6嵌入的下凹槽4。外
挡板2两端设有供采出端侧内挡板5和注入端侧内挡板6嵌入的侧凹槽及螺栓通孔，采出端
侧内挡板5和注入端侧内挡板6上均设有直径为8mm的两个等径通孔。
将一对外挡板2嵌入下压板1的对应下凹槽4内，采出端侧内挡板5和注入端侧内挡
板6嵌入下压板1的对应下凹槽4内，同时将采出端侧内挡板5和注入端侧内挡板6对应嵌入
外挡板2的侧凹槽内，通过紧固长螺栓12及紧固螺母13将内挡板及外挡板紧固，与下压板1
形成模具内腔。在步骤二中制备好的模拟高渗条带填砂管16外表面均匀涂胶，使其与基岩
在后续制作中形成整体。将涂胶后的填砂管16置于模具内腔中，将填砂管注入端及采出端
分别与一对内挡板的对应通孔所对应，将4个相同的长螺栓14穿过一对内挡板的4个通孔，
利用长螺栓14的丝扣连接将填砂管位置固定。
将模拟基岩所需的石英砂、环氧树脂及过筛后混合均匀的物料充分搅拌后，放入
固定填砂管后的压制模具中，并填满模具内腔，放入上压板11。使用压力试验机对其加压初
步定型。定型完成后，卸去长螺栓及所有挡板，将二维物理模型整体移至恒温箱中进行烘干
固化处理，固化时间2h，最后将固化后的二维物理模型浇铸成型。利用步骤二中的3个填砂
管来制备3个相同的二维平面物理模型，模型尺寸为300×300×45mm。
而后：利用二维平面物理模型进行化学剂失效测试。
取前一步中的物理模型3块，分别进行抽真空、饱和水及饱和油处理，并按照图4对
进行化学剂失效测试的装置进行连接，各部分组成部件的连接方式如下：
恒速泵22位于恒温箱29上方，其经管线与第一六通阀23连接，第一六通阀23经管线分
别与装有化学剂（即聚表剂溶液）的活塞容器24及装有注入污水的活塞容器25连接，装有化
学剂的活塞容器24及装有注入污水的活塞容器25经管线与第二六通阀26连接，第二六通阀
26经管线分别与二维平面物理模型的基岩注入端17及填砂管注入端18连接，二维平面物理
模型的基岩采出端19及填砂管采出端20经管线分别与基岩采出端出液计量装置28及填砂
管采出端出液计量装置27连接。各部分组成部件连接完毕后，将除恒速泵22外的整个装置
放入恒温箱29内，设定温度为地层温度45℃，对整个装置预热处理2h，准备开始实验。
按照所设计的注入方案，利用连接好的化学剂失效测试装置进行实验。注入方案
如下：先水驱油至采出液含水率为98%，再向二维平面物理模型注入0.78 PV相对分子质量
为1.2×107、质量浓度为1000mg/L的聚表剂溶液，最后进行后续水驱至采出液含水率98%。
在实验过程中，设定注入速度恒定为1.0ml/min及聚表剂溶液浓度恒定，并分别记录基岩采
出端与填砂管采出端采液速度随时间的变化。对3块物理模型所得到的实验数据即采液速
度求取平均值，作好记录。
最后：化学剂失效测试结果分析。
根据前一步中所获得的实验数据，对注入时间进行阶段划分，以注入PV数来表示
注入时间，并对注入时间进行阶段划分，每隔0.1PV取一次数据，依据公式（1）计算填砂管的
阶段分流率情况，计算结果如图5所示：
依据公式（2）计算填砂管在聚表剂驱阶段的阶段分流率均值，得到填砂管的阶段分流
率均值。
按照表4，结合所获的填砂管的阶段分流率均值来确定化学剂效果。
表4 化学剂效果标准表
填砂管分流率
<40%
40%~50%
50%~80%
>80%
化学剂发挥作用
√
化学剂作用一般
√
化学剂接近失效
√
化学剂失效
√
对照表4及图5进行分析对比，填砂管的阶段分流率均值为67.45%，其值在50%与80%之
间，可以认为模拟高渗条带填砂管即将成为绝对的主流通道，基岩只有少部分聚表剂溶液
流入，说明聚表剂溶液对基岩即将失去作用，即该浓度下的聚表剂溶液接近失效。
本发明提供了一种针对高渗条带参数判断化学剂是否失效的装置及方法。使用填
砂管作为高渗条带的模拟手段，确保孔隙度、渗透率及分布形状与矿场的高渗条带接近，并
通过制备含有填砂管的二维平面物理模型，实现了对含有高渗条带储层的高仿真模拟；利
用制备好的二维平面物理模型进行恒速注入实验，通过计算填砂管的阶段分流率，实现了
对化学剂溶液在该浓度下是否存在失效问题的定量判断，明确给出了所注入化学剂在高渗
条带参数影响下的失效范围。