用于监测人工气顶形成的实验方法技术领域
本发明属于油气藏开发技术领域，具体涉及一种用于监测人工气顶形成的实验方法。
背景技术
断块油藏特高含水期剩余油的分布越来越复杂，规模也越来越小，断层控制剩余油（阁楼油、构造高位部、边角剩余油等）难以有效开发。目前，人们提出采用注气形成人工气顶的方式有效挖掘剩余油，以缓解油藏开发矛盾和稳定油藏生产，然而由于缺少能够有效监测人工气顶形成的物理模拟方法和装置，使得国内外还没有开展针对人工气顶形成情况的实验研究。因此，急需开发一种用于监测人工气顶形成的实验方法，以定量分析和定量监测人工气顶的形成情况。
申请公布号为CN102720479A的发明专利公开了一种用于气顶油藏的物理模拟装置，该模拟装置由一立方体容器构成；立方体容器包括一本体和一设置于本体顶部的压盖，本体内设有容置腔，压盖下部设有与容置腔开口形状相同的活塞；本体的一侧壁设有视窗，本体的其它侧壁或底面设有多个孔状的功能测量点，功能测量点与容置腔导通；容置腔内充满粒状多孔介质，活塞由容置腔开口处伸入容置腔内并压设于粒状多孔介质上；立方体容器上设有与容置腔导通的注气孔；容置腔内的粒状多孔介质中设有多个用于模拟井筒的管柱。该模拟装置能够模拟不同驱动方式和不同开发方式下的气顶油藏，但是只能测量采油井生产出的油量与气量，而无法测量形成的人工气顶在不同位置的油量、气量及气油比，因此该模拟装置无法定量分析和定量监测人工气顶的形成情况；此外该模拟装置是基于常压环境下对气顶油藏进行模拟的，然而油藏中人工气顶形成的真实条件是高温高压的环境，因此使用该模拟装置得到的模拟结果和测量结果均不符合实际情况，缺乏真实性和可靠性。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于监测人工气顶形成的实验方法，其目的在于：通过该实验方法实现定量分析反应釜内不同位置流体的气油比和气体组成，对人工气顶的形成过程和规模形态进行监测，进而实现有关人工气顶的各种开发方式的模拟实验和效果评价。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于监测人工气顶形成的实验方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：在反应釜内预先填充玻璃微珠并抽真空，同时检查实验装置的密封性并设定实验温度；
步骤二：打开装有水的中间容器的阀门和反应釜顶部注入口的阀门，通过驱替泵向反应釜内注入水，直至饱和，然后关闭该中间容器的阀门和注入口的阀门；
步骤三：打开装有地层油的中间容器的阀门、反应釜顶部注入口的阀门和反应釜底部采出口的阀门，将采出口的回压阀与注入系统的回压阀的回压数值调整为相近，通过驱替泵向反应釜内注入模拟地层油，直至采出口流出模拟地层油的含水率降至1%以下，然后关闭该中间容器的阀门、注入口的阀门和采出口的阀门；
步骤四：打开装有氮气的中间容器的阀门、反应釜顶部注入口的阀门和反应釜底部采出口的阀门，将采出口的回压阀与注入系统的回压阀的回压数值调整为相近，通过驱替泵以一定流量和恒定压力向反应釜内注入氮气，控制流速稳定油气界面防止向下气窜，直至形成初步人工气顶，关闭采出口的阀门；同时继续向反应釜内注入氮气至一定体积或压力，氮气在重力差异作用下与初步人工气顶汇合形成最终的人工气顶，关闭该中间容器的阀门和注入口的阀门；
步骤五：通过反应釜前、后两侧的可视窗观测人工气顶形成的局部过程和规模形态，同时通过反应釜左、右两侧的取样管柱提取相应位置的流体，并利用与取样管柱连接的取样分析系统测量相应位置流体的气油比和气体组分；
步骤六：通过可视窗观测得到的图像和反应釜不同位置流体的定量分析结果共同评价人工气顶的形成情况。
优选的是，所述步骤一中，设定的实验温度为80-100℃，为实验提供高温环境。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，测量压差与流量的关系获得其渗透率，在饱和水结束后通过水的体积与总体积的比值得到其孔隙度。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，向反应釜内注入地层油的过程结束后，关闭各阀门，静置24h，使注入反应釜内的地层油与玻璃微珠形成稳定状态，部分气相、油相组分会吸附在玻璃微珠表面，通过静置过程使模拟系统更接近于真实油藏状态。在步骤三中，将采出口的回压阀与注入系统的回压阀的回压数值调整为相近或相等，以确保饱和油过程更均匀。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤四中，向反应釜内注入氮气的过程结束后，关闭各阀门，焖井2-3h。在步骤四中，将采出口的回压阀与注入系统的回压阀的回压数值调整为相近，其中注入系统的回压阀的回压数值略高，以确保流体向反应釜底部的采出口流动。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤五中，可同时获取每一个取样管柱相应位置的流体，并同时利用与每一个取样管柱连接的取样分析系统进行气油比测量和气体组成分析，也可只利用一个取样分析系统按照先后顺序对不同取样管柱相应位置的流体进行测量，最终获得的不同位置的气油比和气体的组成成分均有所不同，从而确定不同的取样管柱所在位置是否有气相，同时确定该气相是溶解气还是注入气。综合不同位置所得到的相关结论，确定人工气顶的分布位置，并与所观测的图像共同确定人工气顶的形成情况，并对所形成的人工气顶的规模和形态进行描述。
在上述任一方案中优选的是，所述实验方法中使用的实验装置为用于监测人工气顶形成的实验装置。
在上述任一方案中优选的是，所述用于监测人工气顶形成的实验装置包括旋转装置、反应釜、注入系统、取样分析系统和恒温加热装置，所述反应釜安装在所述旋转装置上，所述注入系统和所述取样分析系统与所述反应釜连接，所述旋转装置和所述反应釜放置在所述恒温加热装置内。
恒温加热装置用于为实验提供高温环境；旋转装置能够使反应釜旋转不同的角度，进而为实验提供不同的地层倾角。
在上述任一方案中优选的是，所述旋转装置与所述反应釜接触的部位设置紧固装置。紧固装置用于固定反应釜，为实验提供稳定的测量条件。
在上述任一方案中优选的是，所述反应釜内部填充并压实玻璃微珠。反应釜由耐高温、耐高压的不锈钢材料制成，反应釜的内壁表面需要打毛处理，其内壁表面的不平度分布根据玻璃微珠的粒径大小计算而得。反应釜内部预先填充并压实大量玻璃微珠用于模拟多孔介质。
在上述任一方案中优选的是，所述反应釜的顶部设置注入口，所述反应釜的底部设置采出口。
在上述任一方案中优选的是，所述反应釜上半部分的前、后两侧分别开设长条形可视窗，所述可视窗的顶部靠近所述反应釜的顶部。可视窗采用蓝宝石材料制成，该材料耐高温、耐高压，能够保证整个实验在高温高压的环境下进行，确保实验条件更符合实际情况，所得实验结果更真实可靠。同时为保证实验安全和节省成本，将蓝宝石制成的可视窗设计为长条形。可视窗的尺寸设计应在确保其顶部尽量靠近反应釜顶部的前提下根据反应釜的尺寸而定。前、后两个长条形可视窗应对称设置，光源借助后方的可视窗照射进反应釜，利用前方的可视窗观测人工气顶的形成情况和规模形态。
在上述任一方案中优选的是，所述反应釜上半部分的左、右两侧分别开设至少六个等距离排列的取样口。
在上述任一方案中优选的是，所述反应釜上半部分的左侧取样口与右侧取样口交错排列。
在上述任一方案中优选的是，所述反应釜内部设置注入管柱，所述注入管柱的顶端与注入口连接，所述注入管柱的底端位于反应釜的中心位置。设置注入管柱用于模拟注入井筒。注入管柱由耐高温、耐高压的不锈钢管制成。
在上述任一方案中优选的是，所述左侧取样口和所述右侧取样口分别插入取样管柱，所述取样管柱的一端位于反应釜内部，另一端位于反应釜外部。取样管柱由耐高温、耐高压的不锈钢管制成。相邻取样口之间的距离和取样管柱插入反应釜内部的深度由所需要的测量精度、测量范围和反应釜的尺寸而定。
取样管柱位于反应釜外部的一端与取样分析系统连接。每一个取样管柱可分别与一个取样分析系统连接，也可共用一个取样分析系统。若共用一个取样分析系统，则需要测量某个取样管柱位置处流体的气油比和气体组成时，就将取样分析系统的连接管线与开放端连接即可。
在上述任一方案中优选的是，所述取样管柱位于反应釜内部的一端开设流体进入孔，所述流体进入孔处设置滤网。设置滤网用于防止玻璃微珠流入流体进入孔内，避免造成流体进入孔发生堵塞现象，确保实验顺利进行和所得实验结果更准确。
在上述任一方案中优选的是，所述注入系统与所述反应釜顶部的注入口通过阀门Ⅳ连接。
在上述任一方案中优选的是，所述注入系统包括驱替泵、中间容器Ⅰ、中间容器Ⅱ、中间容器Ⅲ、压力表Ⅰ和回压阀Ⅰ。驱替泵为注入系统提供动力，同时为实验提供高压环境；中间容器Ⅰ、中间容器Ⅱ和中间容器Ⅲ内分别装有地层油、水和氮气；压力表Ⅰ和回压阀Ⅰ用于控制注入系统的注入压力。
在上述任一方案中优选的是，所述中间容器Ⅰ、中间容器Ⅱ和中间容器Ⅲ并联在所述驱替泵与所述压力表Ⅰ和回压阀Ⅰ之间。
在上述任一方案中优选的是，所述中间容器Ⅰ、中间容器Ⅱ和中间容器Ⅲ的底部分别设置阀门Ⅰ、阀门Ⅱ和阀门Ⅲ。
在上述任一方案中优选的是，所述取样分析系统与所述反应釜左、右两侧的取样管柱位于反应釜外部的一端通过阀门Ⅴ连接。
在上述任一方案中优选的是，所述取样分析系统与所述反应釜底部的采出口通过阀门Ⅴ连接。
在上述任一方案中优选的是，所述取样分析系统包括气液分离器、电子天平、气体流量计和色谱分析仪。利用气体流量计、气液分离器和电子天平定量分析所测取样管柱位置处流体的气油比；利用色谱分析仪分析气体组成，确定所获得气体的来源。
在上述任一方案中优选的是，所述气液分离器、气体流量计和色谱分析仪依次连接，所述气液分离器放置在所述电子天平上。
在上述任一方案中优选的是，所述气液分离器与所述阀门Ⅴ之间设置压力表Ⅱ和回压阀Ⅱ，所述气体流量计与所述色谱分析仪之间设置压力表Ⅲ。压力表Ⅱ和回压阀Ⅱ用于控制流体流入取样分析系统的压力。
本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法具有如下有益效果：（1）能够提供人工气顶形成的实际环境，即高温高压环境；（2）能够通过可视窗观测高温高压环境下人工气顶形成的大致过程和规模形态，同时能够定量分析反应釜内不同位置的取样管柱处流体的气油比和气体组成，以确定所获得气体的来源；（3）通过该实验方法能够对有关人工气顶的各种开发方式进行模拟实验和效果评价；（4）该实验方法工艺简单，操作方便，具有完全的可操作性和普及性，最终解决了断块油藏特高含水期剩余油难以动用的难题，获得了极大的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为按照本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法的一优选实施例的工艺流程图；
图2为按照本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法的图1所示实施例的用于监测人工气顶形成的实验装置的结构示意图；
图3为按照本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法的图1所示实施例的实验装置中取样管柱的结构示意图；
图4为按照本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法的图1所示实施例的实验装置中注入系统的结构示意图；
图5为按照本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法的图1所示实施例的实验装置中取样分析系统的结构示意图。
图中标注说明：
1-旋转装置，2-注入系统，3-取样分析系统，4-反应釜，5-恒温加热装置，6-紧固装置，7-玻璃微珠，8-注入口，9-采出口，10-可视窗，11-取样口，12-注入管柱，13-取样管柱，14-流体进入孔，15-滤网，16-阀门Ⅳ；
21-驱替泵，22-中间容器Ⅰ，23-中间容器Ⅱ，24-中间容器Ⅲ，25-压力表Ⅰ，26-回压阀Ⅰ，27-阀门Ⅰ，28-阀门Ⅱ，29-阀门Ⅲ；
31-阀门Ⅴ，32-气液分离器，33-电子天平，34-气体流量计，35-色谱分析仪，36-压力表Ⅱ，37-回压阀Ⅱ，38-压力表Ⅲ。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例一：
如图1所示，按照本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：在反应釜内预先填充玻璃微珠并抽真空，同时检查实验装置的密封性并设定实验温度；
步骤二：打开装有水的中间容器的阀门和反应釜顶部注入口的阀门，通过驱替泵向反应釜内注入水，直至饱和，然后关闭该中间容器的阀门和注入口的阀门；
步骤三：打开装有地层油的中间容器的阀门、反应釜顶部注入口的阀门和反应釜底部采出口的阀门，将采出口的回压阀与注入系统的回压阀的回压数值调整为相近，通过驱替泵向反应釜内注入模拟地层油，直至采出口流出模拟地层油的含水率降至1%以下，然后关闭该中间容器的阀门、注入口的阀门和采出口的阀门；
步骤四：打开装有氮气的中间容器的阀门、反应釜顶部注入口的阀门和反应釜底部采出口的阀门，将采出口的回压阀与注入系统的回压阀的回压数值调整为相近，通过驱替泵以一定流量和恒定压力向反应釜内注入氮气，控制流速稳定油气界面防止向下气窜，直至形成初步人工气顶，关闭采出口的阀门；同时继续向反应釜内注入氮气至一定体积或压力，氮气在重力差异作用下与初步人工气顶汇合形成最终的人工气顶，关闭该中间容器的阀门和注入口的阀门；
步骤五：通过反应釜前、后两侧的可视窗观测人工气顶形成的局部过程和规模形态，同时通过反应釜左、右两侧的取样管柱提取相应位置的流体，并利用与取样管柱连接的取样分析系统测量相应位置流体的气油比和气体组分；
步骤六：通过可视窗观测得到的图像和反应釜不同位置流体的定量分析结果共同评价人工气顶的形成情况。
所述步骤一中，设定的实验温度至少为80℃，为实验提供高温环境。
所述步骤二中，测量压差与流量的关系获得其渗透率，在饱和水结束后通过水的体积与总体积的比值得到其孔隙度。
所述步骤三中，向反应釜内注入地层油的过程结束后，关闭各阀门，静置24h，使注入反应釜内的地层油与玻璃微珠形成稳定状态，部分气相、油相组分会吸附在玻璃微珠表面，通过静置过程使模拟系统更接近于真实油藏状态。
所述步骤四中，向反应釜内注入氮气的过程结束后，关闭各阀门，焖井2-3h。
所述步骤五中，同时获取每一个取样管柱相应位置的流体，并同时利用与每一个取样管柱连接的取样分析系统进行气油比测量和气体组成分析，最终获得的不同位置的气油比和气体的组成成分均有所不同，从而确定不同的取样管柱所在位置是否有气相，同时确定该气相是溶解气还是注入气。综合不同位置所得到的相关结论，确定人工气顶的分布位置，并与所观测的图像共同确定人工气顶的形成情况，并对所形成的人工气顶的规模和形态进行描述。
如图2所示，本实施例的实验方法使用下述用于监测人工气顶形成的实验装置，其包括旋转装置1、反应釜4、注入系统2和取样分析系统3，所述反应釜4安装在所述旋转装置1上，所述注入系统2和所述取样分析系统3与所述反应釜4连接，还包括恒温加热装置5，所述旋转装置1和所述反应釜4放置在所述恒温加热装置5内。
恒温加热装置用于为实验提供高温环境。所述旋转装置1与所述反应釜4接触的部位设置紧固装置6，紧固装置用于固定反应釜，为实验提供稳定的测量条件。所述反应釜4内部填充并压实玻璃微珠7。反应釜由耐高温、耐高压的不锈钢材料制成，反应釜的内壁表面经过打毛处理。反应釜内部预先填充并压实大量玻璃微珠用于模拟多孔介质。
所述反应釜4的顶部设置注入口8，底部设置采出口9。所述反应釜4上半部分的前、后两侧分别开设长条形可视窗10，可视窗10的顶部靠近反应釜4的顶部。可视窗采用蓝宝石材料制成，该材料耐高温、耐高压，能够保证整个实验在高温高压的环境下进行，确保实验条件更符合实际情况，所得实验结果更真实可靠。可视窗的尺寸设计应在确保其顶部尽量靠近反应釜顶部的前提下根据反应釜的尺寸而定。前、后两个长条形可视窗应对称设置，光源借助后方的可视窗照射进反应釜，利用前方的可视窗观测人工气顶的形成情况和规模形态。所述反应釜4上半部分的左、右两侧分别开设六个等距离排列的取样口11，左侧取样口11与右侧取样口11交错排列。所述反应釜4内部设置注入管柱12，注入管柱12的顶端与注入口8连接，底端位于反应釜4的中心位置。设置注入管柱用于模拟注入井筒，由耐高温、耐高压的不锈钢管制成。
所述左侧取样口11和所述右侧取样口11分别插入取样管柱13，取样管柱13的一端位于反应釜4内部，另一端位于反应釜4外部。取样管柱由耐高温、耐高压的不锈钢管制成。相邻取样口之间的距离和取样管柱插入反应釜内部的深度由所需要的测量精度、测量范围和反应釜的尺寸而定。取样管柱13位于反应釜4外部的一端与取样分析系统3连接。本实施例的每一个取样管柱13分别与一个取样分析系统3连接。
如图3所示，所述取样管柱13位于反应釜4内部的一端开设流体进入孔14，流体进入孔14处设置滤网15。设置滤网用于防止玻璃微珠流入流体进入孔内，避免造成流体进入孔发生堵塞现象。
所述注入系统2与所述反应釜4顶部的注入口8通过阀门Ⅳ16连接。如图4所示，所述注入系统2包括驱替泵21、中间容器Ⅰ22、中间容器Ⅱ23、中间容器Ⅲ24、压力表Ⅰ25和回压阀Ⅰ26。驱替泵为注入系统提供动力，同时为实验提供高压环境；中间容器Ⅰ、中间容器Ⅱ和中间容器Ⅲ内分别装有地层油、水和氮气；压力表Ⅰ和回压阀Ⅰ用于控制注入系统的注入压力。
所述中间容器Ⅰ22、中间容器Ⅱ23和中间容器Ⅲ24并联在所述驱替泵21与所述压力表Ⅰ25和回压阀Ⅰ26之间。所述中间容器Ⅰ22、中间容器Ⅱ23和中间容器Ⅲ24的底部分别设置阀门Ⅰ27、阀门Ⅱ28和阀门Ⅲ29。
所述取样分析系统3与所述反应釜4左、右两侧的取样管柱13位于反应釜4外部的一端通过阀门Ⅴ31连接。所述取样分析系统3与所述反应釜4底部的采出口9通过阀门Ⅴ31连接。如图5所示，所述取样分析系统3包括气液分离器32、电子天平33、气体流量计34和色谱分析仪35。利用气体流量计、气液分离器和电子天平定量分析所测取样管柱位置处流体的气油比；利用色谱分析仪分析气体组成，确定所获得气体的来源。
所述气液分离器32、气体流量计34和色谱分析仪35依次连接，所述气液分离器32放置在所述电子天平33上。所述气液分离器32与所述阀门Ⅴ31之间设置压力表Ⅱ36和回压阀Ⅱ37，所述气体流量计34与所述色谱分析仪35之间设置压力表Ⅲ38。压力表Ⅱ和回压阀Ⅱ用于控制流体流入取样分析系统的压力。
本实施例的用于监测人工气顶形成的实验方法和装置具有如下有益效果：（1）能够提供人工气顶形成的实际环境，即高温高压环境；（2）能够通过可视窗观测高温高压环境下人工气顶形成的大致过程和规模形态，同时能够定量分析反应釜内不同位置的取样管柱处流体的气油比和气体组成，以确定所获得气体的来源；（3）通过该实验装置和方法能够对有关人工气顶的各种开发方式进行模拟实验和效果评价；（4）该实验装置和方法简单方便，具有完全的可操作性和普及性，最终解决了断块油藏特高含水期剩余油难以动用的难题，获得了极大的社会效益和经济效益。
实施例二：
按照本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法的另一实施例，其工艺流程、原理和有益效果等均与实施例一基本相同，不同的是：在反应釜内预先填充玻璃微珠并抽真空后，需通过调整旋转装置将反应釜旋转至与垂直方向成30o夹角的位置。
本实施例的实验方法使用的用于监测人工气顶形成的实验装置，其原理、结构、各部件之间的连接关系和有益效果等均与实施例一基本相同，不同的是：通过调整旋转装置使反应釜旋转，与垂直方向成30o夹角。
实施例三：
按照本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法的另一实施例，其工艺流程、原理和有益效果等均与实施例一基本相同，不同的是：所述步骤五中，只利用一个取样分析系统按照先后顺序对不同取样管柱相应位置的流体进行气油比测量和气体组成分析。
本实施例的实验方法使用的用于监测人工气顶形成的实验装置，其原理、结构、各部件之间的连接关系和有益效果等均与实施例一基本相同，不同的是：每一个取样管柱共用一个取样分析系统，当需要测量某个取样管柱位置处流体的气油比和气体组成时，将取样分析系统的连接管线与开放端连接即可。
实施例四：
按照本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法的另一实施例，其工艺流程、原理和有益效果等均与实施例二基本相同，不同的是：所述步骤五中，只利用一个取样分析系统按照先后顺序对不同取样管柱相应位置的流体进行气油比测量和气体组成分析。
本实施例的实验方法使用的用于监测人工气顶形成的实验装置，其原理、结构、各部件之间的连接关系和有益效果等均与实施例二基本相同，不同的是：每一个取样管柱共用一个取样分析系统，当需要测量某个取样管柱位置处流体的气油比和气体组成时，将取样分析系统的连接管线与开放端连接即可。
本领域技术人员不难理解，本发明的用于监测人工气顶形成的实验方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。