稠油热采微观驱替实验系统技术领域
本发明涉及稠油油田开发技术领域，特别是涉及到一种稠油热采微观驱替实验系统。
背景技术
稠油粘度高，密度大，开采流动阻力大，热采是目前最为有效的开采方式。现场稠
油热采高温高压的条件使得目前常用的玻璃微观模型二维可视化模拟实验装置面临新的
问题：1)高温要求从整个实验装置和实验方法上系统的考虑如何保证整个实验体系的温
度，从而保证稠油的流动性在实验装置的各个部分及整个实验过程中一致；2)高压要求
整个实验装置的密封性，在实验平衡时能够保持压力体系恒定，在实验过程中能够防止
不同流体间切换注入时的压力体系波动，从而避免了压力波动对实验效果造成影响；3)
尚无考虑进行回压控制，同时不引起整个实验体系的压力波动。
专利申请号为200610165013.X，200820123024.6，201310280351.8的三件中国专利
申请均是单纯的提出了玻璃微观模型夹持器，但是它们均是针对常规原油进行的高温高
压可视化实验，仅仅对微观模型夹持器这一装置进行了设计，夹持器的设计无法适应稠
油热采实验对高温高压的新需要，更没有从整个实验系统的角度对稠油热采实验进行设
计。为此我们发明了一种新的稠油热采微观驱替实验系统，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可完成稠油热采微观驱替实验并可对实验结果进行理论分
析的稠油热采微观驱替实验系统。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：稠油热采微观驱替实验系统，该稠油热
采微观驱替实验系统包括注入系统、模型系统、输出系统和图像采集与分析系统，该注
入系统具有动力源以提供驱替热流体，该模型系统连接于该注入系统，接收该注入系统
提供的躯体热流体，并采用惰性气体进行微观模型周围环压的施加与控制以进行热流体
对稠油的驱替实验，该输出系统连接于该模型系统，接收驱替实验后的输出液，并保持
一定的回压，该图像采集与分析系统连接于该模型系统，对微观驱替过程进行动态观察
与拍摄，并进行微观渗流特征和驱替机理的研究。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
该注入系统包括注入泵和恒温箱，多只具有氟胶内胆的高温高压中间容器和第一温
度控制器置于该恒温箱中，该注入泵连接于该多只高温高压中间容器，并提供动力源，
将动力液注入该多只高温高压中间容器中挤压氟胶内胆以排出氟胶内胆中的驱替液，从
该多只高温高压中间容器中排出的驱替液被传送给加热保温带包裹的输出管线，该第一
温度控制器检测驱替液的温度。
该多只高温高压中间容器包括第一高温高压中间容器，第二高温高压中间容器和第
三高温高压中间容器，该第一高温高压中间容器中的氟胶内胆中盛满稠油，该第二高温
高压中间容器中的氟胶内胆中盛满地层水，该第三高温高压中间容器中的氟胶内胆中盛
一定浓度的化学剂溶液。
该模型系统包括氦气瓶，高温高压可视釜、微观模型支架和玻璃微观模型，该高温
高压可视釜腔体内该微观模型支架密封固定该玻璃微观模型，该玻璃微观模型对角线设
有入口和出口与该微观模型支架的入口和出口形成密封通道，驱替液经该微观模型支架
进入到置于该高温高压可视釜内腔的该玻璃微观模型中，该氦气瓶连接于该高温高压可
视釜，为该玻璃微观模型周围提供环压。
该微观模型支架呈抽屉式插入该高温高压可视釜内，并用螺栓紧固在该高温高压可
视釜的侧面。
该模型系统还包括第一恒温加热器，第二温度控制器，第二恒温加热器和第三温度
控制器，该第一恒温加热器连接于该微观模型支架，并对该微观模型支架进行加热，第
二温度控制器连接于该微观模型支架，并监测该微观支架模型的温度，该第二恒温加热
器连接于该高温高压可视釜，并对该高温高压可视釜内惰性气体加进行加热，第三温度
控制器连接于该高温高压可视釜，并监测该高温高压可视釜内的温度，
该模型系统还包括第一放空阀和第一气体调节阀，该第一放空阀靠近该玻璃微观模
型的入口处，以便将管线及该微观模型支架之间端板内的死体积排空，该第一气体调节
阀连接在该氦气瓶与该高温高压可视釜之间，调节该高温高压可视釜内环压的大小。
该输出系统包括接收容器，第三放空阀，氮气瓶，第二气体调节阀、加热保温带和
单向阀，该单向阀连接在该玻璃微观模型的出口与该接收容器之间，驱替实验后的输出
液通过该单向阀进入到该接收容器中，该氮气瓶为该接收容器提供一定的回压，该第二
气体调节阀连接在该氮气瓶与该接收容器之间，调节该接收容器中回压的大小，该第三
放空阀连接于该接收容器，以在实验完毕后将该接收容器内的回压进行泄压，该加热保
温带包裹该稠油热采微观驱替实验系统中的多条需要保温的管线。
该图像采集与分析系统包括显微镜、摄像头、底光源、可移动底座、显微镜立柱和
电脑，该显微镜立柱的基座内部装有该底光源，基座上放置该可移动底座，该可移动底
座可前后左右的微移放置于其上的该高温高压可视釜，在该底光源打开的情况下，通过
该高温高压可视釜可视窗的上方的该显微镜对该高温高压可视釜内部的该玻璃微观模型
内的热流体驱替稠油的过程进行观察，位于该显微镜上方的该摄像头将观察到的图像先
转换为数据传输到该电脑，该电脑将该数据再转换为图像，以对实验进行动态观察与拍
摄，并由该电脑对热流体驱替稠油的渗流特征和微观机理进行研究。
该稠油热采微观驱替实验系统在运行时，包括以下步骤：
将该玻璃微观模型采用抽真空法饱和地层水，然后安装到抽屉式的该微观模型支架
上插入该高温高压可视釜内密封好；
向该注入系统中的多个高温高压中间容器内分别盛满稠油，地层水，和一定浓度的
化学剂溶液；
设置该注入系统中的恒温箱、该输出系统中包裹管线的加热保温带、该高温高压可
视釜的温度为实验所需温度，保持至少2h；
建立该玻璃微观模型的环压和出口回压；
利用该注入系统中的注入泵将装有稠油的高温高压中间容器中的稠油输出，将管线
及该微观模型支架端板内的死体积排空后，将稠油经过该微观模型支架进入该玻璃微观
模型中，直至该玻璃微观模型出口端不再含水时，停止注入，建立起该玻璃微观模型中
的束缚水饱和度；
当进行稠油热化学驱时，利用该注入泵将装有热水或蒸汽的高温高压中间容器中的
热水或蒸汽和装有化学剂溶液的高温高压中间容器中的化学剂溶液通过共用的管线混合
输出，将管线及该微观模型支架端板内的死体积内稠油排放完毕后，此时热水或蒸汽开
始经过该微观模型支架进入到该玻璃微观模型中，以进行热流体对稠油的驱替实验；
采用该图像采集与分析系统对微观驱替过程进行动态观察与拍摄，并进行微观渗流
特征和驱替机理的研究。
本发明中的稠油热采微观驱替实验系统，涉及稠油热采过程中热水驱或蒸汽驱驱油
效果评价及驱油机理研究的微观驱替实验系统及其使用方法。具体包括稠油的热水驱、
蒸汽驱及热化学驱过程中流体的渗流规律，驱油效果及作用机制。本发明的玻璃微观模
型夹持器构造不同于以往专利，更能适应高温高压稠油热采时对装置加热保温性和密封
性的要求，进行回压控制的同时不引起整个实验体系的压力波动，整个实验系统的合理
设计满足了稠油热采微观物理模拟实验的条件。本发明从整个实验装置和方法上系统的
考虑稠油热采微观物理模拟实验在高温高压条件下的加热保温性和密封性，以及保持某
一温度下的过热水驱或蒸汽驱而进行的回压控制，本发明从流体注入到输出全过程进行
加热保温性控制，“抽屉式”玻璃微观模型支架避免了反复拆卸可视窗造成的装置密封不
可靠，在输出部分回压控制基础上加装单向阀有效避免了实验过程中各操作造成系统的
压力波动引起微观模型中流体的回流波动。本发明通过提高实验系统的加热保温性和密
封性，进行回压控制设计，使得实验流程和实验方法更可靠，可进行稠油热采微观驱替
实验，进行驱油效果分析和驱油机理研究。
附图说明
图1为本发明的稠油热采微观驱替实验系统的一具体实施例的流程图；
图2为本发明的稠油热采微观驱替实验方法的一具体实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，
并配合所附图式，作详细说明如下。
如图1所示，图1为本发明的稠油热采微观驱替实验系统的结构图。该稠油热采微观
驱替实验系统由注入系统、模型系统、输出系统和图像采集与分析系统组成。
注入系统，其中注入泵提供动力源，三只具有氟胶内胆的可拆式活塞的高温高压中
间容器置于恒温箱中为实验提供驱替热流体，在恒温箱外的连接管线上包裹有加热保温
带保持输出液的温度。
注入系统包括：注入泵3和台式恒温箱10，内含氟胶内胆15的可拆式活塞的第一高温
高压中间容器7、第二高温高压中间容器8、第三高温高压中间容器9、第一阀门4、第二
阀门5、第三阀门6、第四阀门11、第五阀门12、第六阀门13和第一温度控制器14均位于
恒温箱10内。第四阀门11连接在第一高温高压中间容器7与注入泵3之间，为控制阀门。
第五阀门12连接在第二高温高压中间容器8与注入泵3之间，为控制阀门。第六阀门13连
接在第三高温高压中间容器9与注入泵3之间，为控制阀门。第一阀门4连接在第一高温高
压中间容器7与加热保温带22包裹的输出管线之间，为控制阀门。第二阀门5连接在第二
高温高压中间容器8与加热保温带22包裹的输出管线之间，为控制阀门。第三阀门6连接
在第三高温高压中间容器9与加热保温带22包裹的输出管线之间，为控制阀门。注入泵3
连接于第一高温高压中间容器7、第二高温高压中间容器8、第三高温高压中间容器9，并
将动力液注入置于台式恒温箱10中的第一高温高压中间容器7、第二高温高压中间容器8、
第三高温高压中间容器9中挤压氟胶内胆15以排出氟胶内胆15中的驱替液。从三个中间容
器中排出的驱替液被传送给加热保温带22包裹的输出管线。驱替液的温度可由第一温度
控制器14进行监测。在一实施例中，注入泵3为ISCO-65D注入泵。
模型系统，高温高压可视釜腔体内微观模型支架密封固定玻璃微观模型，该模型对
角线设有入口和出口与微观模型支架的入口和出口形成密封通道，模型周围采用惰性气
体进行环压的施加与控制。
模型系统包括：高压氦气瓶1、第一气体调节阀2、低压传感器16、高压传感器17、
第七阀门18、第八阀门19、第十阀门20、第十一阀门21、第一放空阀23、第二温度控制
器30、第一恒温加热器31、高温高压可视釜35、微观模型支架36、第二放空阀37、第二
恒温加热器38、第三温度控制器39、玻璃微观模型40，第一压力传感器42。驱替液经过
加热保温带22包裹的输出管线，通过控制阀门19-21，经微观模型支架36进入到置于高温
高压可视釜35内腔的玻璃微观模型40中。高温高压可视釜35内的温度由恒第二恒温加热
器38和第三温度控制器39进行调节控制。微观模型支架36的温度由恒温加热器31和温度
控制器30进行调节控制。
在一实施例中，微观模型支架36呈“抽屉式”插入高温高压可视釜35内，并用螺栓
紧固在高温高压可视釜35的侧面。这一设计实现了不拆卸可视窗即可取出模型，保证了
夹持器高温高压密封可靠性。
第八阀门19与注油管线连接。第十阀门20与注驱替液的管线相连。在微观模型支架
36的体结构内部采用激光刻有内径1mm的流体通道，油和驱替液可分别通过控制第八阀门
19和第十阀门20进入到该流体通道内。在靠近微观模型的入口处的第十一阀门21只起到
开关作用，控制流体进入微观模型：当微观模型饱和稠油完毕转换为驱替液驱油时，通
过低压传感器16(低压下使用)或高压传感器17(高压下使用)测定此时的入口处压力
并记录下来记为P1，然后暂时关闭第十一阀门21；打开第十阀门20将驱替液注入到流体通
道内，同时打开第一放空阀23；注入驱替液将第八阀门19至第十一阀门21这一段流体通
道内的稠油通过第一放空阀23顶替干净；再关闭第一放空阀23，继续注入驱替液直至驱
替液的压力升至饱和稠油完毕时的压力值P1，打开第十一阀门21，驱替液才进入微观模型
内驱替稠油。
低压传感器16与高压传感器17通过三通与注入管线相连。当高温烘箱上压力显示面
板显示压力小于2MPa时采用低压传感器16测量驱替液压力；超过2MPa时，可通过关闭低
压传感器16与三通间的阀门，切换到采用高压传感器17来进行驱替液压力测量。
第二恒温加热器38为一加热探头，一端连着高温高压可视釜35釜体腔体内部，对釜
内惰性气体加热，另一端连着温控箱；第三温度控制器39是通过插入到高温高压可视釜
35釜体内部的测温探头、传感器与温控箱相连。温控箱具有加热和温控功能，温度数据
显示在台式恒温箱10的温度显示面板上。
第二温度控制器30的一端为嵌入在微观模型支架26端板上的测温探头，另一端连接
温控箱；第一恒温加热器31的一端为嵌入在微观模型支架26的端板上加热探头，另一端
连接着温控箱。通过恒温箱控制第二恒温控制器30和第一恒温加热器31为模型支架26进
行加热和控温。温度显示在温控箱面板上。
氦气瓶1连接于高温高压可视釜35，为高温高压可视釜35提供环压，第一气体调节阀
2连接在氦气瓶1与高温高压可视釜35之间，调节高温高压可视釜35内环压的大小。环压
大小由第一气体调节阀2进行调节控制并由第一压力传感器42进行监测。实验完毕，环压
可通过第二放空阀37进行泄压。
第一压力传感器42连接在一个三通上，三通的另外两个接口，一个接口通过管线经
由调压阀2连接到氦气瓶1上，另一个口通过管线经由第二放空阀37连接到高温高压可视
釜35侧面的通孔上。第二放空阀37是通过三通连接到管线釜体上游管线上的，且实验完
毕后可缓慢释放釜体内的压力。
第一放空阀23的位置位于第十一阀门21的正下方，为了说明问题表示为附图所示的
连接。具体用途为：当微观模型饱和稠油完毕转换为驱替液驱油时，通过低压传感器16
(低压下使用)或高压传感器17(高压下使用)测定此时的入口处压力并记录下来记为
P1，然后暂时关闭第十一阀门21；打开第十阀门20将驱替液注入到流体通道内，同时打开
第一放空阀23；注入驱替液将第八阀门19至第十一阀门21这一段流体通道内的稠油通过
第一放空阀23顶替干净；再关闭第一放空阀23，继续注入驱替液直至驱替液的压力升至
饱和稠油完毕时的压力值P1，打开第十一阀门21，驱替液才进入微观模型内驱替稠油。
输出系统，输出液经过单向阀进入到密闭的接收容器中，通过向接收容器内注入气
体保持一定的回压，并可通过放空阀进行回压的调节与控制，具体的回压值可通过压力
传感器进行监测。
输出系统包括：加热保温带22、单向阀24、第三放空阀25、第二压力传感器26、接
收容器27、第二气体调节阀43、高压氮气瓶44。高压氮气瓶44连接于接收容器27，为接
收容器27中提供一定的回压，第二气体调节阀43连接在高压氮气瓶44与接收容器27之间，
调节接收容器27中回压的大小。第二压力传感器26连接于接收容器27，监测接收容器27
中回压的大小。单向阀24连接在玻璃微观模型40出口与接收容器27之间，玻璃微观模型
40出口流出的热流体经裹有加热保温带22的管线和单向阀24进入到接收容器27中。第三
放空阀25连接于接收容器27，实验完毕后，接收容器27内的回压可由放空阀25进行泄压。
在一实施例中，接收容器27的液体入口上方的单向阀24可将回压与玻璃微观模型40
出口压力隔离开，实验过程中可防止液体倒流导致玻璃微观模型40内的流体失衡对驱替
过程造成影响。另外，当调节回压时不会造成整个实验系统的压力波动，保证了实验过
程中压力的平稳和连续性。
图像采集与分析系统，彩色数字摄像头对体视显微镜(提供透射光便于观察微观模
型的内部流动现象)下的微观驱替过程进行动态观察与拍摄，通过专业的图像分析软件
进行微观渗流特征和驱替机理的研究。
图像采集与分析系统：莱卡显微镜28、专业彩色摄像头29、底光源32、可移动底座
33、显微镜立柱34、电脑41。显微镜立柱34的基座内部装有底光源32，基座上放置可移
动底座33，可移动底座33可前后左右的微移放置于其上的高温高压可视釜35。在底光源
32打开的情况下，通过反应釜可视窗的上方的显微镜28可对高温高压可视釜35内部的玻
璃微观模型40内的热流体驱替稠油的过程进行观察。位于显微镜28上方的彩色专业摄像
头29将观察到的图像先转换为数据传输到电脑41中的图像软件中，再转换为图像，从而
实现了对实验过程的拍摄或录像。进一步的，通过图像软件中自带的分析模块对热流体
驱替稠油的渗流特征和微观机理进行研究。
本发明实施例还提供了一种上述稠油热采微观驱替实验系统的使用方法，包括：
将玻璃微观模型40采用抽真空法饱和地层水，然后安装到“抽屉式”微观模型支架
36上插入高温高压可视釜35内密封好；
向第一高温高压中间容器7中的氟胶内胆15内盛满稠油，第二高温高压中间容器8中
的氟胶内胆15内盛满地层水，第三高温高压中间容器9中的氟胶内胆15盛一定浓度的化学
剂溶液；
设置台式恒温箱10、加热保温带22、高温高压可视釜35的温度为实验所需温度，保
持至少2h；
建立玻璃微观模型40的环压和出口回压；
利用注入泵3将第一高温高压中间容器7中的稠油输出，关闭第十一阀门21，打开第
八阀门19和第一放空阀23，当管线及微观模型支架36之间端板内的死体积排空后，再关
闭第一放空阀23并打开第十一阀门21，此时稠油经过微观模型支架36进入玻璃微观模型
40中，直至玻璃微观模型40出口端不再含水时，停止注入，建立起玻璃微观模型40中的
束缚水饱和度；
当进行稠油热化学驱时，开启第二阀门5和第三阀门6，利用注入泵3将第二高温高压
中间容器8中的热水或蒸汽和第三高温高压中间容器9中的化学剂溶液通过共用的管线混
合输出，关闭第十一阀门21，打开第八阀门19注入驱替液，同时打开第一放空阀23，待
第第八阀门19至第十一阀门21这一段流体通道内的稠油被顶替干净后，关闭第一放空阀
23，压力升至饱和完稠油时模型入口的压力值时，打开第十一阀门21，此时热水或蒸汽
开始经过微观模型支架36进入到玻璃微观模型40中驱替稠油，既避免了驱替时死体积内
的稠油干扰实验又有利于保持了压力的连续性和稳定性；
显微镜立柱34的基座内部装有底光源32，基座上放置可移动底座33，可移动底座33
可前后左右的微移放置于其上的高温高压可视釜35。在底光源32打开的情况下，通过反
应釜可视窗的上方的显微镜28可对高温高压可视釜35内部的玻璃微观模型40内的热流体
驱替稠油的过程进行观察。位于显微镜28上方的彩色专业摄像头29将观察到的图像先转
换为数据传输到电脑41中的图像软件中，再转换为图像，从而实现了对实验过程的拍摄
或录像。进一步的，通过图像软件中自带的分析模块对热流体驱替稠油的渗流特征和微
观机理进行研究。
一个实施例中，建立玻璃微观模型的环压包括：
打开高压氦气瓶1的阀门，通过第一气体调节阀2调节输出压力大小，并用第一压力
传感器42对高温高压可视釜35内的压力监测，待压力稳定后环压施加完毕。
一个实施例中，为了获得过热流体和蒸汽，必须施加一定的回压，包括：
打开高温高压氮气瓶44的阀门，通过第二气体调节阀43对接收容器27内的回压进行
调节，具体回压大小可由第二压力传感器26进行监测。由于接收容器27的入口上方安装
有单向阀24可将接收容器27内的回压与玻璃微观模型40出口的压力隔离开，防止回压与
出口处压力不一致造成玻璃微观模型40内的流体分布发生变化甚至回流，保证了实验过
程中压力的平稳和连续性。实验完毕时，接收容器27内的回压可通过第三放空阀25进行
泄压。
如图2所示，图2为本发明的稠油热采微观驱替实验方法的一具体实施例的流程图。
该流程包括：
1、预处理
实验前的预处理包括稠油脱水除气、地层水过滤并除气和微观模型的饱和。
稠油脱水除气：取现场稠油进行高温下脱水，同时进行过滤除去地层砂。然后在高
温下对稠油进行抽真空处理，除去稠油中的气体。除气完毕后立刻将高温稠油倒入台式
恒温箱中相应的中间容器里密封好。实验温度根据稠油的流变性以保证稠油的流动性和
实验的可操作性为标准进行确定。
地层水过滤并除气：根据现场资料配制地层水，然后用半透膜对地层水进行过滤，
将过滤后的地层水抽真空除气。将地层水和地层水配置的表活剂溶液倒入台式恒温箱中
相应的中间容器里密封好。
微观模型的饱和：首先将微观模型放入烧杯中抽真空2h，在真空条件下吸入经过过
滤并除气的地层水。模型的一个入口和刻蚀图案浸入水面下，另一入口位于液面上方时，
停止饱和水继续抽真空0.5h，然后继续饱和水至另一入口也位于液面下方。肉眼观察模
型中无气泡时，模型饱和地层水完毕。
2、实验系统的安装
连接管线，将所有阀门置于关闭状态。将微观模型安装至“抽屉式”微观模型支架
上，插入高温高压可视釜内。
3、实验系统温度调节及控制
根据现场地层温度和热采实验温度并结合稠油的流变性对台式恒温箱和加热带的温
度进行设置，设置完毕后恒温2h。温度选择的标准是在地层温度与热采实验温度之间，
在保证稠油流动性的条件下选择较低温度，便于保证下一步的稠油饱和效果。
4、模型环压的调节与控制
稠油热采过程中要求微观模型的环压比注入压力高2MPa，随着热采实验的进行注入
压力逐渐升高，所以环压需要根据注入压力的升高逐步相应的变大。另外需要注意实验
温度的增高也会导致环压增加，需要根据实验注入压力调节环压大小。
5、模型饱和稠油
微观模型饱和稠油造束缚水时，温度在保证稠油流变性基础上尽可能低些，稠油呈
活塞式驱替模型中的地层水。为了保证注入效果，注入速度逐步增大，模型饱和平衡，
束缚水分布合理。饱和稠油时，随着注入压力升高需要调节模型的环压大小，保证环压
比注入压力大2MPa。
6、回压的建立
稠油热采过程中，过热水驱时，形成过热水需要施加的回压比实验温度下水的饱和
蒸汽压大0.5MPa；蒸汽驱时，形成蒸汽需要施加的回压比实验温度下水的饱和蒸汽压小
0.5MPa。因此，根据实验温度确定水在该温度下对应的饱和蒸汽压，过热水驱时回压设
定为大于饱和蒸汽压0.5MPa，蒸汽驱时回压设定为小于饱和蒸汽压0.5MPa。
7、稠油热水/蒸汽(化学)驱
稠油热水/蒸汽(化学)驱之前，先将台式恒温箱、加热带以及高温高压可视釜的温
度均调节为实验温度并恒温2h，然后进行驱替。随着驱替的进行，注入压力升高，调节
环压大小始终大于注入压力2MPa。
8、图像采集及分析
调节显微镜的底光源、底座和焦距，使得微观模型图像清晰完整的传输到电脑。随
着实验的进行实时对实验过程的进行观察摄像。实验进行完毕后，采用动态图像分析软
件对微观模型中流体的渗流规律和驱替机制进行理论分析。
本发明实施例的稠油热采微观驱替实验系统能够完成模型稠油热采过程中微观模型
内热流体对稠油的驱替实验，既包括热水驱又包括热化学驱；可用于稠油热采微观渗流
机理研究及稠油热采驱油效果评价。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方
案进行了进一步的详细说明。经过多次验证和改进，本套稠油热采微观驱替实验系统可
进行稠油热采微观驱替实验，进行驱油效果分析和驱油机理研究。