非烃类气体与蒸汽井筒状态的模拟实验装置及实验方法技术领域
本发明是关于一种稠油油藏蒸汽驱开发方法的模拟实验，尤其涉及一种非烃
类气体与蒸汽井筒状态的模拟实验装置及实验方法。
背景技术
由于稠油油藏储层中的原油具有粘度高、难流动等特点，蒸汽驱热采仍然是
开发稠油油藏的有效手段，但随着近年来蒸汽驱生产不断深入，大多数主力稠油
区块产量的上升势头逐渐缓慢并开始阶段性递减。为尽可能降低蒸汽驱开发的成
本，探索使用非烃类替代部分蒸汽并辅助蒸汽驱进行热采试验。非烃类气体主要
是指CO2、N2等气体(可以采用空气)，非烃类气体和蒸汽混合注入油井中进行
蒸汽驱开采。
在常规稠油油藏蒸汽驱实验室模拟领域中，多数实验是针对井筒内仅有水蒸
汽的情况，对蒸汽驱井筒内的状态分析只是对单相水的物理状态进行分析，还没
有井筒内采用多介质、多相流体混合后的状态模拟实验的报道。目前的蒸汽地面
模拟装置以向反应釜内直接充填所有腐蚀介质或反应物质为主，实质上就是一个
满足高温高压的静态空间，并没有考虑实际动态条件下，由于反应的消耗，系统
热量散失等条件引发的反应釜内客观条件发生的变化。若采用常规井筒参数模拟
实验来模拟非烃类气体和蒸汽混合的井筒状态会面临以下两个问题：
1、常规的蒸汽地面模拟装置仅能模拟静态物理环境，若同时注入空气与水，
无法掌握容器内汽、气、水的三相比例，难以模拟井下动态环境；
2、由于注入介质增加了空气等非烃类气体，井筒内的环境发生改变，原有
蒸汽干度测量装置无法精确模拟及控制井筒内干度等参数。所谓干度，是指每千
克湿蒸汽中含有干蒸汽的质量百分数。热力学中干度的定义为汽液共存物中，汽
相的质量分数或摩尔分数。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种非烃类气体
与蒸汽井筒状态的模拟实验装置及实验方法，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非烃类气体与蒸汽井筒状态的模拟实验装置及
实验方法，能精确调整密封釜内气/汽的混合情况，准确模拟井下任意深度的温
度、压力状态参数。
本发明的另一目的在于提供一种非烃类气体与蒸汽井筒状态的模拟实验装
置及实验方法，能够校核井筒干度测试仪的精度。
本发明的目的是这样实现的，一种非烃类气体与蒸汽井筒状态的模拟实验装
置，所述模拟实验装置包括：
密封釜，所述密封釜内具有用于模拟井筒的腔室，所述密封釜上设有与所述
腔室连通的第一注入口、第二注入口、第一排出口和第二排出口；所述密封釜设
有对所述腔室加热的加热装置；所述腔室内设有温度探头和压力探头；
非烃类气体注入系统，所述非烃类气体注入系统通过管路与所述第一注入口
连接，用于向所述腔室内注入非烃类气体；
蒸汽注入系统，所述蒸汽注入系统通过管路与所述第二注入口连接，用于向
所述腔室内注入蒸汽；
排水接收器，所述排水接收器通过管路与所述第一排出口连接，用于接收并
测量所述密封釜排出的液态水；
排气接收器，所述排气接收器通过管路与所述第二排出口连接，用于接收并
测量所述密封釜排出的混合气体。
在本发明的一较佳实施方式中，所述密封釜为封闭的罐体，所述罐体具有三
层结构的壁，从内向外依次为第一层壁、第二层壁和第三层壁；所述第一层壁采
用耐腐蚀材料制成，所述第二层壁采用保温材料制成，所述第三层壁采用防爆金
属外壳；所述第一层壁与所述第二层壁之间设有加热电阻丝，所述加热电阻丝构
成所述加热装置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述密封釜为圆柱形罐体，所述第一层壁、
第二层壁和第三层壁的厚度均为5cm；所述第一层壁采用镍铬合金制成；所述第
二层壁采用石棉制成。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第二层壁与所述第三层壁之间还设有水
冷盘管，所述水冷盘管用于对所述第三层壁进行降温。
在本发明的一较佳实施方式中，所述密封釜还设有安全阀，所述安全阀与所
述腔室连通，用于限制所述腔室内的压力。
在本发明的一较佳实施方式中，所述密封釜内设有用于放置被测定仪器的盛
放台，所述温度探头、所述压力探头均通过线路连接设在所述密封釜外部的数据
显示仪。
在本发明的一较佳实施方式中，所述非烃类气体注入系统包括通过管路依次
连接的气体压缩机、低压气罐、增压泵、高压气罐及第一流量控制器；所述第一
流量控制器通过管路连接所述第一注入口；所述第一流量控制器与所述第一注入
口连接的管路上设有第一止回阀；所述第一止回阀从所述第一流量控制器向所述
第一注入口方向导通。
在本发明的一较佳实施方式中，所述气体压缩机与所述低压气罐之间通过耐
压塑胶管连接；所述低压气罐、所述增压泵、所述高压气罐之间以及所述第一流
量控制器、所述第一止回阀之间的连接管路上均设有用于控制开闭的控制阀。
在本发明的一较佳实施方式中，所述蒸汽注入系统包括通过管路依次连接的
水罐、平流泵、蒸汽发生器及第二流量控制器；所述第二流量控制器通过管路连
接所述第二注入口；所述第二流量控制器与所述第二注入口连接的管路上设有第
二止回阀；所述第二止回阀从所述第二流量控制器向所述第二注入口方向导通。
在本发明的一较佳实施方式中，所述蒸汽发生器、所述第二流量控制器以及
所述第二注入口之间采用保温管路连接；所述水罐、所述平流泵、所述蒸汽发生
器之间以及所述第二流量控制器、所述第二止回阀之间的连接管路上均设有用于
控制开闭的控制阀。
在本发明的一较佳实施方式中，所述排水接收器采用储水罐，所述储水罐与
所述第一排出口之间的管路上设有控制阀。
在本发明的一较佳实施方式中，所述排气接收器采用储气罐，所述储气罐与
所述第二排出口之间的管路上设有控制阀。
本发明的目的还可以这样实现，一种采用所述模拟实验装置的实验方法，所
述实验方法包括如下步骤：
S11、启动所述非烃类气体注入系统及所述蒸汽注入系统，向所述腔室内注
入非烃类气体和蒸汽；控制非烃类气体和蒸汽的注入量使所述腔室内达到设定的
压力，通过所述加热装置使所述腔室内达到设定的温度；
S22、通过所述排水接收器计量从所述密封釜排出的液态水的量；
S33、通过所述排气接收器计量从所述密封釜排出的混合气体中蒸汽的量以
及非烃类气体的量；
S44、通过所述控制阀控制从所述密封釜排出的混合气体的量以及从所述密
封釜排出的液态水的量。
在本发明的一较佳实施方式中，步骤S11中注入所述腔室的非烃类气体的量
通过所述第一流量控制器来控制；注入所述腔室的蒸汽的量通过所述第二流量控
制器来控制；通过所述温度探头和所述压力探头读取所述腔室内的温度值和压力
值。
在本发明的一较佳实施方式中，步骤S22中通过称量所述储水罐的质量变化
计量得到排出的液态水的量；
步骤S33中，所述储气罐冷却后混合气体中的蒸汽冷凝为液态水并排出进行
称量，计量得到排出的混合气体中蒸汽的量；然后通过称量所述储气罐的质量变
化计量排出的混合气体中非烃类气体的量。
在本发明的一较佳实施方式中，所述实验方法还包括如下步骤：
S10、在步骤S11之前，向所述密封釜内的盛放台上放置待校核的干度测试
仪；
S34、在步骤S33之后，计算得到所述密封釜内剩余的液态水与蒸汽的总量
为：WS＝W1-W2-W3，其中
WS为密封釜内剩余的液态水与蒸汽的总量；
W1为注入到密封釜内的蒸汽量；
W2为由储水罐计量得到的排出的液态水的量；
W3为由储气罐计量得到的排出的蒸汽的量；
计算得到所述密封釜内剩余的非烃类气体的量为：AS＝A1-A2，其中
AS为密封釜内剩余的非烃类气体的量；
A1为注入到密封釜内的非烃类气体的量；
A2为由储气罐计量得到的排出的非烃类气体的量；
S35、由方程![]()
计算得到所述密封釜内的蒸汽分压力；其
中PX为密封釜内的蒸汽分压力；
T1为温度探头测得的温度值；
计算得到所述密封釜内蒸汽所占混合气体的百分比SW＝PX/P1，同时得到密封
釜内非烃类气体所占混合气体的百分比SA＝1-SW，其中
SW为密封釜内蒸汽所占混合气体的百分比；
P1为压力探头测得的压力值；
SA为密封釜内非烃类气体所占混合气体的百分比；
然后计算得到密封釜内蒸汽的干度![]()
其中
X为计算得到的密封釜内蒸汽的干度值；
S36、读取待校核的干度测试仪所测得的干度值X测试，与计算得到的干度值X
进行比较。
在本发明的一较佳实施方式中，所述非烃类气体采用空气、氮气或二氧化碳
气体。
由上所述，本发明的模拟实验装置及实验方法能动态模拟井筒中注入非烃类
气体和蒸汽的动态条件，模拟实际动态条件下，由于反应的消耗，系统热量散失
等条件引发的密封釜内客观条件发生的变化。将密封釜的排水和排气系统设计成
可监测，可计量的处理系统，通过相应的监测与计算模拟，准确模拟井筒内任意
一点的温度、压力、气体组成、干度这些状态参数。尽可能还原井下流动状态下
的真实反应情况，干度可测，系统注排量可控，更真实模拟井下环境，并可以校
核用于井下的干度测试仪，为井筒内的干度测试仪设计提供支持。
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的结构示意图。
附图标记说明：
1-气体压缩机；
2-低压气罐；
3-控制阀；
4-增压泵；
5-高压气罐；
6-水罐；
7-平流泵；
8-蒸汽发生器；
9-密封釜；91-腔室；92-盛放台；93-三层结构的壁
10-干度测试仪；
11-安全阀；
12-储水罐；
13-储气罐；
141-第一止回阀；142-第二止回阀；
151-第一流量控制器；152-第二流量控制器；
16-压力探头；
17-温度探头；
a-第一注入口；b-第二注入口；c-第一排出口；d-第二排出口。
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。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种非烃类气体与蒸汽井筒状态的模拟实验装置，
所述模拟实验装置包括：
密封釜9，所述密封釜9内具有用于模拟井筒的腔室91，所述密封釜9上设
有与所述腔室91连通的第一注入口a、第二注入口b、第一排出口c和第二排出
口d；所述密封釜9设有对所述腔室91加热的加热装置；所述腔室91内设有温
度探头17和压力探头16；
非烃类气体注入系统，所述非烃类气体注入系统通过管路与所述第一注入口
a连接，用于向所述腔室91内注入非烃类气体；
蒸汽注入系统，所述蒸汽注入系统通过管路与所述第二注入口b连接，用于
向所述腔室91内注入蒸汽；
排水接收器，所述排水接收器通过管路与所述第一排出口c连接，用于接收
并测量所述密封釜9排出的液态水；
排气接收器，所述排气接收器通过管路与所述第二排出口d连接，用于接收
并测量所述密封釜9排出的混合气体。
该模拟实验装置能动态模拟井筒中注入非烃类气体和蒸汽的动态条件，模拟
实际动态条件下，由于反应的消耗，系统热量散失等条件引发的密封釜9内客观
条件发生的变化。将密封釜9的排水和排气系统设计成可监测，可计量的处理系
统，通过控制系统的注排量，精确调整密封釜9内气/汽的混合情况，准确模拟
井下任意深度的温度、压力状态参数。
作为本实施例的一种具体实施方式，所述密封釜9为封闭的圆柱形罐体，罐
体内的腔室91也为圆柱形，腔室91的内径为30cm，腔室91的高度为60cm。所
述罐体具有三层结构的壁93，即从罐体的内部向外部依次为第一层壁、第二层壁
和第三层壁。所述第一层壁采用耐腐蚀材料制成，所述第二层壁采用保温材料制
成，所述第三层壁采用防爆金属外壳，防爆金属外壳为现有技术。所述第一层壁
与所述第二层壁之间设有加热电阻丝，所述加热电阻丝构成所述加热装置。具体
的，所述第一层壁、第二层壁和第三层壁的厚度均为5cm；所述第一层壁采用镍
铬合金制成；所述第二层壁采用隔热保温的石棉材料制成。所述第二层壁与所述
第三层壁之间还设有水冷盘管，所述水冷盘管用于对所述第三层壁进行降温，避
免烫伤工作人员。水冷盘管可以与采用的防爆金属外壳固定结合为一体，这种结
构的水冷壁也为现有技术。第三层壁同时具有降温与防爆的功能。
为了防止腔室91内经过加热后，注入的混合气体的压力过大而造成危险，
所述密封釜9还设有安全阀11，所述安全阀11与所述腔室91连通，用于限制所
述腔室91内的压力。具体实施时，罐体上设有一个开口，通过该开口连接一个
管路，该管路上设置所述安全阀11。该安全阀11是一个压力控制阀，当压力达
到设定值时就会自动打开泄压。
所述密封釜9内设有用于放置被测定仪器的盛放台92，在需要校核干度测试
仪10的精度时，将被校核的干度测试仪10放置在该盛放台92上，所述温度探
头17、所述压力探头16均通过线路连接设在所述密封釜9外部的数据显示仪。
放在盛放台92上的干度测试仪10也连接位于密封釜9外部的数据显示装置，以
便进行读数。
圆柱形密封釜9竖直设置，实验时液态水聚集在圆柱形腔室91的底部，因
此，所述第一排出口c位于圆柱形腔室91的底部，以便于向下排出液态水。所
述第二排出口d位于圆柱形腔室91的中上部一侧，便于排出混合气体。所述第
一注入口a和所述第二注入口b设置在圆柱形腔室91的上部一侧。
所述非烃类气体注入系统包括通过管路依次连接的气体压缩机1、低压气罐
2、增压泵4、高压气罐5及第一流量控制器151；这些部件均为现有技术。所述
第一流量控制器151通过管路连接所述第一注入口a；所述第一流量控制器151
与所述第一注入口a连接的管路上设有第一止回阀141；所述第一止回阀141从
所述第一流量控制器151向所述第一注入口a方向导通。所述气体压缩机1与所
述低压气罐2之间通过耐压塑胶管连接；所述低压气罐2、所述增压泵4、所述
高压气罐5之间以及所述第一流量控制器151、所述第一止回阀141之间的连接
管路上均设有用于控制开闭的控制阀3。各个部件与管路连接的地方均采用快速
接头，便于拆卸。由气体压缩机1收集的低压非烃类气体存储于低压气罐2中，
再经由增压泵4加压至给定模拟压力存储到高压气罐5中，由第一流量控制器151
将定量的非烃类气体注入密封釜9。
所述蒸汽注入系统包括通过管路依次连接的水罐6、平流泵7、蒸汽发生器8
及第二流量控制器152；这些部件均为现有技术。所述第二流量控制器152通过
管路连接所述第二注入口b；所述第二流量控制器152与所述第二注入口b连接
的管路上设有第二止回阀142；所述第二止回阀142从所述第二流量控制器152
向所述第二注入口b方向导通。所述蒸汽发生器8、所述第二流量控制器152以
及所述第二注入口b之间采用保温管路连接，以保证蒸汽的温度在输送中不降低，
可以在普通耐压硬质管路的外部包裹石棉进行保温处理。所述水罐6、所述平流
泵7、所述蒸汽发生器8之间以及所述第二流量控制器152、所述第二止回阀142
之间的连接管路上均设有用于控制开闭的控制阀3。各个部件与管路连接的地方
均采用快速接头，便于拆卸。由平流泵7将水罐6中的水输送至蒸汽发生器8，
由蒸汽发生器8将水处理为给定模拟温度、压力、干度的饱和蒸汽，再由第二流
量控制器152将给定量的水蒸汽注入密封釜9。
所述排水接收器采用储水罐12，所述储水罐12与所述第一排出口c之间的
管路上设有控制阀3。通过测量储水罐12的质量变化来计量其中的液态水的量。
所述排气接收器采用储气罐13，所述储气罐13与所述第二排出口d之间的
管路上设有控制阀3。通过对储气罐13进行降温，排出到该储气罐13中的混合
气体中的蒸汽就会冷凝形成液态水，然后通过储气罐13底部的导出管将液态水
导出进行计量，同时根据储气罐13的质量变化来计量排出的混合气中非烃类气
体的量。
实施例二
为了精确调整密封釜9内气/汽的混合情况，准确模拟井下任意深度的温度、
压力状态参数，本发明还提供了一种采用所述模拟实验装置的实验方法，所述实
验方法包括如下步骤：
S11、启动所述非烃类气体注入系统及所述蒸汽注入系统，向所述腔室91内
注入非烃类气体和蒸汽；控制非烃类气体和蒸汽的注入量使所述腔室91内达到
设定的压力，通过所述加热装置使所述腔室91内达到设定的温度；
S22、通过所述排水接收器计量从所述密封釜9排出的液态水的量；
S33、通过所述排气接收器计量从所述密封釜9排出的混合气体中蒸汽的量
以及非烃类气体的量；
S44、通过所述控制阀3控制从所述密封釜9排出的混合气体的量以及从所
述密封釜9排出的液态水的量。
该实验方法能动态模拟井筒中注入非烃类气体和蒸汽的动态条件，模拟实际
动态条件下，由于反应的消耗，系统热量散失等条件引发的密封釜9内客观条件
发生的变化。准确模拟井筒内任意一点的温度、压力、气体组成、干度这些状态
参数。尽可能还原井下流动状态下的真实反应情况，干度可测，系统注排量可控，
更真实模拟井下环境。
作为本实施例的一种具体实施方式，步骤S11中注入所述腔室91的非烃类
气体的量通过所述第一流量控制器151来控制；注入所述腔室91的蒸汽的量通
过所述第二流量控制器152来控制；通过所述温度探头17和所述压力探头16读
取所述腔室91内的温度值和压力值。步骤S22中通过称量所述储水罐12的质量
变化计量得到排出的液态水的量；步骤S33中，所述储气罐13冷却后混合气体
中的蒸汽冷凝为液态水并排出进行称量，计量得到排出的混合气体中蒸汽的量；
然后通过称量所述储气罐13的质量变化计量排出的混合气体中非烃类气体的量。
实施例三
为了校核井筒干度测试仪10的精度，本发明还提供了一种实验方法，在实
施例二的实验方法基础上，本实施例的实验方法还包括如下步骤：
S10、在步骤S11之前，向所述密封釜9内的盛放台92上放置待校核的干度
测试仪10；并将该干度测试仪10与外部的数据显示装置连接，以便进行读数。
S34、在步骤S33之后，计算得到所述密封釜9内剩余的液态水与蒸汽的总
量为：WS＝W1-W2-W3，其中
WS为密封釜9内剩余的液态水与蒸汽的总量，单位为摩尔(通过物质质量与
摩尔质量之比即可确定摩尔量，以下同)；
W1为注入到密封釜9内的蒸汽量，单位为摩尔；
W2为由储水罐12计量得到的排出的液态水的量，单位为摩尔；
W3为由储气罐13计量得到的排出的蒸汽的量，单位为摩尔；
计算得到所述密封釜9内剩余的非烃类气体的量为：AS＝A1-A2，其中
AS为密封釜9内剩余的非烃类气体的量，单位为摩尔；
A1为注入到密封釜9内的非烃类气体的量，单位为摩尔；
A2为由储气罐13计量得到的排出的非烃类气体的量，单位为摩尔；
S35、由方程![]()
计算得到所述密封釜9内的蒸汽分压力；
该公式是经典的饱和蒸汽压力与对应温度的关系方程，所谓蒸汽分压力是蒸汽在
整个气相系统(即混合气)中所占的分压力，是密封釜9内剩余的蒸汽压力。
其中PX为密封釜9内的蒸汽分压力，单位为Pa；
T1为温度探头17测得的温度值，单位为℃；
计算得到所述密封釜9内蒸汽所占混合气体的百分比SW＝PX/P1，同时得到密
封釜9内非烃类气体所占混合气体的百分比SA＝1-SW，其中
SW为密封釜9内蒸汽所占混合气体的百分比；
P1为压力探头16测得的压力值，单位为Pa；
SA为密封釜9内非烃类气体所占混合气体的百分比；
然后计算得到密封釜9内蒸汽的干度![]()
其中
X为计算得到的密封釜9内蒸汽的干度值；
S36、读取待校核的干度测试仪10所测得的干度值X测试，与计算得到的干度
值X进行比较，以校核该干度测试仪10的精度。
本发明的实验方法在实施时，所述非烃类气体可以采用空气、氮气或二氧化
碳气体。
由上所述，本发明的模拟实验装置及实验方法能动态模拟井筒中注入非烃类
气体和蒸汽的动态条件，模拟实际动态条件下，由于反应的消耗，系统热量散失
等条件引发的密封釜9内客观条件发生的变化。将密封釜9的排水和排气系统设
计成可监测，可计量的处理系统，通过相应的监测与计算模拟，准确模拟井筒内
任意一点的温度、压力、气体组成、干度这些状态参数。尽可能还原井下流动状
态下的真实反应情况，干度可测，系统注排量可控，更真实模拟井下环境，并可
以校核用于井下的干度测试仪10，为井筒内的干度测试仪设计提供支持。
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。