本發(fā)明涉及一種實(shí)驗方法和裝置，尤其涉及一種帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗方法及裝置，屬于油藏開采技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在過去的幾十年內(nèi)，用比例縮小的物理模型研究注蒸汽稠油開發(fā)物模技術(shù)取得了巨大的成功，為理論研究和機(jī)理認(rèn)識奠定了重要的基礎(chǔ)，并且形成了一些重要的研究手段和方法。

因為物理模擬實(shí)驗是使用系統(tǒng)B來模擬真實(shí)油藏系統(tǒng)A，兩套系統(tǒng)的尺寸不是一個數(shù)量級，但為了使得兩套系統(tǒng)內(nèi)部的主要物理過程完全相同，需要有一套約束條件，以保證在系統(tǒng)B中觀察到的現(xiàn)象能直接放大到系統(tǒng)A中，從而指導(dǎo)系統(tǒng)A的運(yùn)作。主要包括初始條件，邊界條件。其中，初始條件是指系統(tǒng)A中油藏未動用之前的狀態(tài)或參數(shù)，如油藏初始溫度、初始壓力、初始含油飽和度、初始地應(yīng)力等在系統(tǒng)B中也要完全一致。邊界條件是指系統(tǒng)A油藏的邊界，一般為非流動邊界、絕熱邊界，這些在系統(tǒng)B中也應(yīng)該完整的體現(xiàn)出來。

對于室內(nèi)物理模擬實(shí)驗而言，要根據(jù)研究對象的不同，在一系列無因次項中做取舍。但最基本的原則是：重要的物理過程相似、初始條件相似、邊界條件相似。以最常用的PB準(zhǔn)則為例，它通過幾何相似、傳熱過程相似、驅(qū)動力和阻力比相似等，提出了一套比例?；椒?，根據(jù)這套?；椒?，可以設(shè)計實(shí)驗參數(shù)并將實(shí)驗結(jié)果放大到現(xiàn)場級別，從而進(jìn)行生產(chǎn)預(yù)測及對現(xiàn)場調(diào)控指導(dǎo)，該方法得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)的模型裝置有兩種做法：

一、采取長方體硬壁模型，約束位移邊界，內(nèi)部填砂壓實(shí)。該方法簡單易行，但熱損失大，無法測量、控制應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)；

二、采取薄壁模型放入高壓艙內(nèi)并施加圍壓，實(shí)際上形成靜水壓力環(huán)境，模型可在任何方向上變形。該方法相對復(fù)雜，優(yōu)勢是熱損失相對較小。同樣不具備測量、控制應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)的能力。

近年來，微壓裂儲層改造、剪漲擴(kuò)容提高產(chǎn)油速率等新的技術(shù)用于降本增效，逐漸得到重視。而這些技術(shù)的核心是對地應(yīng)力的改造，從而實(shí)現(xiàn)局部孔滲條件的改善。

地應(yīng)力是存在于地殼中的應(yīng)力。即由于巖石形變而引起的介質(zhì)內(nèi)部單位面積上的作用力。它一般包括兩部分：(1)由覆蓋巖石的重量引起的應(yīng)力，它是由引力和地球自轉(zhuǎn)慣性離心力引起的；(2)由鄰近地塊或底部傳遞過來的構(gòu)造應(yīng)力。這種應(yīng)力是指與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)差異的部分，它除包括由鄰近地塊或底部傳來的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力外，還包括過去構(gòu)造運(yùn)動殘留下來而尚未完全松弛掉的殘留應(yīng)力，以及附近人為工程(如隧洞、開采面)引起的應(yīng)力變化。構(gòu)造應(yīng)力直接反映地殼運(yùn)動的動力源，它是造成地震的一個重要因素。在構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈的地區(qū)開挖隧洞，由于洞壁成為自由表面容易變形，使洞體逐漸縮小或造成坍塌，因此研究地應(yīng)力具有重要的意義。

地應(yīng)力是客觀存在并影響采油過程的重要因素，因而真實(shí)反應(yīng)地應(yīng)力環(huán)境是完善室內(nèi)模擬的基礎(chǔ)，包括初始條件和邊界條件，對于在室內(nèi)研究油砂剪漲、微裂紋擴(kuò)容、局部起裂等現(xiàn)象至關(guān)重要。但是，常規(guī)物理模型中，沒有偏應(yīng)力存在，無法產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象；也無法反映抬升、裂縫等重要熱采現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可以在地應(yīng)力條件下反應(yīng)重要的物理過程，完善初始條件和邊界條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗方法及裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明首先提供了一種帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置，該帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置包括高壓艙和模型本體；

其中，模型本體設(shè)置于高壓艙內(nèi)；

模型本體為長方體，長方體包括前表面、后表面、左表面、右表面、上表面和下表面；

前表面和所述右表面設(shè)置有油囊；

上表面與前表面、后表面、左表面、右表面間為活塞式連接結(jié)構(gòu)；

下表面與前表面、后表面、左表面、右表面間設(shè)置為剛性連接。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，下表面與前表面、后表面、左表面、右表面間設(shè)置為剛性連接的目的是為防止結(jié)構(gòu)變形。

在本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置中，優(yōu)選地，油囊的展開面積與右表面的面積相匹配。

在本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置中，油囊的展開面積與右表面的面積相匹配，面積大小相近，使得油囊內(nèi)部的壓力更容易與右表面所受的壓力及模型在該方向的壓力大小相等。

在本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置中，優(yōu)選地，模型本體為金屬材料制成的模型本體。

在本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置中，優(yōu)選地，模型本體的壁厚為4cm-8cm。

在本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置中，優(yōu)選地，前表面和右表面分別設(shè)置有管線孔。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，設(shè)置管線孔用于穿過油囊和外部柱塞泵的連接管線。

在本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置中，優(yōu)選地，模型本體的尺寸根據(jù)目標(biāo)油藏的尺寸，通過相似處理確定。

相似處理是指幾何相似，比如，目標(biāo)油藏大小為400×100×25米，選擇相似比例為100倍，則物理模型尺寸為400×100×25厘米，比例相似是是油藏尺寸與室內(nèi)模型尺寸之間的橋梁。

本發(fā)明還提供了一種帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗方法，該帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗方法是通過上述帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置完成的，該帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗方法包括以下步驟：

向模型本體內(nèi)，進(jìn)行預(yù)充壓液和填砂；

根據(jù)目標(biāo)油藏的水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力對所述模型本體進(jìn)行充壓，作為水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力；

根據(jù)目標(biāo)油藏的垂向主應(yīng)力向所述高壓艙內(nèi)充壓，作為垂向主應(yīng)力，并保持恒定；

進(jìn)行注蒸汽開采，并記錄所述模型本體內(nèi)的壓力變化，觀察地應(yīng)力的動態(tài)變化，完成帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗。

在本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗方法中，優(yōu)選地，進(jìn)行預(yù)充壓液和填砂的步驟時，先進(jìn)行預(yù)充液的步驟再進(jìn)行填砂的步驟。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的方法中的注蒸汽開采與常規(guī)的注蒸汽開采的步驟基本一致，通常包括：抽真空飽和水、帶壓飽和油、降溫老化、注蒸汽注采等步驟。

在本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗方法中，優(yōu)選地，確定水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力的方向時，以水平方向中的任選一個方向作為水平最小主應(yīng)力的方向，水平最大主應(yīng)力的方向與水平最小主應(yīng)力的方向正交。

在本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗方法中，優(yōu)選地，根據(jù)現(xiàn)場微壓裂測試，獲得水平最小主應(yīng)力σh；根據(jù)測井曲線對密度積分，獲得垂向主應(yīng)力σV；根據(jù)Kaiser效應(yīng)實(shí)驗，獲得水平最大主應(yīng)力σH。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，水平最大最大主應(yīng)力σH可以通過經(jīng)驗關(guān)系獲得。其中，微壓裂測最小主應(yīng)力、kaiser實(shí)驗測水平最大主應(yīng)力，可以獲得水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力的比值。如某區(qū)塊的比值為1.5，當(dāng)我們在相鄰的區(qū)塊測出水平最小主應(yīng)力時，可以參考該比值來推算水平最大主應(yīng)力。

本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置可以真實(shí)模擬與地應(yīng)力相關(guān)的物理過程，施加獨(dú)立的應(yīng)力應(yīng)變邊界：垂向上的恒定應(yīng)力、周壁上的恒定應(yīng)變條件、同時施加初始應(yīng)力條件。

本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置和方法通過以下幾個方面實(shí)現(xiàn)模擬：

完善初始條件-地應(yīng)力初始條件

油藏在初始狀態(tài)有一個地應(yīng)力環(huán)境，它是由沉積過程及構(gòu)造等因素形成。初始地應(yīng)力狀態(tài)很大程度上決定了注采活動形成的裂縫的延展方向，同時也影響注汽過程中的剪脹程度。可通過現(xiàn)場微壓裂測試，獲得水平最小主應(yīng)力σh；根據(jù)測井曲線對密度積分獲得垂向主應(yīng)力σV；根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系或者Kaiser效應(yīng)實(shí)驗計算水平最大主應(yīng)力σH；物理模型在填砂飽和水、填砂飽和油并建立初始空隙壓力、油藏溫度后，應(yīng)該選擇相應(yīng)的面施加相應(yīng)的正應(yīng)力。

選擇相應(yīng)界面施加相應(yīng)的正壓力具體根據(jù)以下步驟進(jìn)行：

首先根據(jù)上文描述的地應(yīng)力測試方法，獲得三向主應(yīng)力。以σH>σV>σh為例，應(yīng)該選擇模型的任一水平方向作為水平最大主應(yīng)力方向σH，并在與此方向垂直的面上施加相應(yīng)的水平最大主應(yīng)力σH(在該面接觸的油囊內(nèi)充液)；接著在水平面內(nèi)的另一方向上施加水平最小主應(yīng)力σh，方法與σH相同。σH與σh都在水平面內(nèi)且正交；最后在高壓艙內(nèi)部充氣，產(chǎn)生垂向主應(yīng)力σV的壓力，該壓力作用在活塞上，產(chǎn)生垂向位移，并形成垂向主應(yīng)力σV。

完善邊界條件-應(yīng)力應(yīng)變邊界條件

在注蒸汽稠油開發(fā)過程中，蒸汽從井筒注入油層，并慢慢擴(kuò)展形成汽腔。汽腔內(nèi)及附近的受熱儲層將受到膨脹、剪脹等作用，但無法向水平方向及油藏底部進(jìn)行變形，而是通過泊松效益向垂向向上發(fā)生抬升釋放，這也是大量熱采井會發(fā)生一定程度的地面抬升的原因。在相應(yīng)的動態(tài)物理模型中就涉及到了邊界應(yīng)力問題，本發(fā)明的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置中，將上表面的邊界設(shè)置有可移動的自由邊界，可以在受熱膨脹、剪脹等作用下自由抬升；其它5個面是固定邊界，約束巖石的變形。而常規(guī)模型中僅僅用上、底面、四個側(cè)面作為非流動邊界，沒有合理的應(yīng)力應(yīng)變邊界。

反映重要物理過程；

常規(guī)物理模型中，沒有偏應(yīng)力存在，無法產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象；也無法反映抬升、裂縫等重要熱采現(xiàn)象以及不同埋深油藏的地應(yīng)力特征；一般的井下壓裂都遵循如下的規(guī)律：

淺層σV<σh<σH，最小主應(yīng)力在垂向上，提壓注汽容易形成水平裂縫；

中淺層σh<σV<σH，最小主應(yīng)力在水平向上，提壓注汽容易形成垂直裂縫；

深層σh<σH<σV，最小主應(yīng)力在水平向上，提壓注汽容易形成垂直裂縫；

而本申請的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置和方法可以反映重要的物理過程，如產(chǎn)生抬升、裂縫等與地應(yīng)力變化密切相關(guān)的物理現(xiàn)象。

本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置和方法和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

可以模擬注蒸汽導(dǎo)致的熱抬升過程，直接測量抬升量與相關(guān)操作參數(shù)如溫度、壓力、注采速率等的關(guān)系；

可以模擬目標(biāo)油藏提壓注流體起裂的過程；

可以直接測量熱采過程中的地應(yīng)力變化過程；

本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置的模型本體的上表面為活塞結(jié)構(gòu)，填砂孔隙度可以接近地層條件，這是常規(guī)裝置依靠人工壓實(shí)是很難做到的；

本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置的高壓艙內(nèi)填充氣體大大降低了熱損失。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例1的油囊充液加載和測量水平應(yīng)力示意圖。

圖3為實(shí)施例1的地應(yīng)力加載效果示意圖。

圖4為實(shí)施例1的主應(yīng)力變化曲線。

圖5為實(shí)施例1的抬升量曲線。

具體實(shí)施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。

本實(shí)施例提供了一種帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置包括高壓艙和模型本體；

其中，模型本體設(shè)置于高壓艙內(nèi)；

模型本體為長方體，長方體包括前表面、后表面、左表面、右表面、上表面和下表面；前表面和所述右表面設(shè)置有油囊(如圖2所示)，油囊的展開面積與右表面的面積相近，連接油囊與外部柱塞泵的管線穿過前表面和右表面；上表面為活塞式結(jié)構(gòu)，可以上下移動；

下表面與前表面、后表面、左表面、右表面間設(shè)置為剛性連接，阻止模型本體變形。

模型本體為金屬材料制成的模型本體，壁厚為4cm-8cm。

本實(shí)施例還提供了一種利用帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置完成的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗方法，具體包括如下步驟：

在模型本體內(nèi)部布置油囊(任選正交的兩垂直側(cè)面上)，填140目的石英砂；

根據(jù)測試獲得的目標(biāo)油藏地應(yīng)力數(shù)據(jù)，獲得三向主應(yīng)力，如圖3所示，圖3為目標(biāo)油藏的地應(yīng)力狀態(tài)示意圖。以σH>σV>σh為例，應(yīng)該選擇模型的任一水平方向作為水平最大主應(yīng)力方向σH，并在與此方向垂直的面上施加相應(yīng)的應(yīng)力σH(在該面接粗的油囊內(nèi)充液)；接著在水平面內(nèi)的另一方向上施加應(yīng)力σh，方法與σH相同。σH與σh都在水平面內(nèi)且正交；最后在高壓艙內(nèi)部充氣，產(chǎn)生σV的壓力，該壓力作用在活塞上，產(chǎn)生垂向位移，并形成垂向主應(yīng)力σV。

模型抽真空，排出模型砂內(nèi)部的氣體；

模型飽和水，將模型砂內(nèi)部孔隙空間充滿水；

模型飽和油，提高模型溫度到80°左右，緩慢注入原油驅(qū)替孔隙水，形成初始含油飽和度和束縛水飽和度；

冷卻降溫老化。

以埋深為400米的某稠油油藏為例，介紹注蒸汽注采實(shí)驗步驟：

蒸汽發(fā)生器提供250℃、4MPa、10mL/min的高溫飽和蒸汽，蒸汽經(jīng)輸汽管線注入模型內(nèi)的注汽井，受熱原油及冷凝液流入生產(chǎn)井并被產(chǎn)出。隨著注采過程的進(jìn)行，模型內(nèi)部的蒸汽腔不斷擴(kuò)大。同時由于蒸汽腔內(nèi)部流體及巖石顆粒受熱膨脹，模型上方的活塞將向上部移動，通過測量活塞的相對位移即可獲得抬升量，實(shí)驗結(jié)果見圖5，使用實(shí)驗數(shù)據(jù)可以預(yù)測熱采項目中地表的抬升量；

實(shí)驗過程中油囊不注油也不外排，當(dāng)水平方向應(yīng)力發(fā)生變化時，油囊內(nèi)部壓力隨著變化，通過與之相連的壓力傳感器等設(shè)備可以直接測量在注采過程中的水平方向地應(yīng)力變化過程，實(shí)驗結(jié)果見圖4，反應(yīng)在受約束的邊界條件下，水平向主應(yīng)力發(fā)生了變化，即地應(yīng)力狀態(tài)隨著開發(fā)過程的進(jìn)行而動態(tài)變化。

以上實(shí)施例說明，本發(fā)明的帶地應(yīng)力條件的注蒸汽稠油開采實(shí)驗裝置和方法可以模擬目標(biāo)油藏提壓注流體起裂的過程，直接測量熱采過程中的地應(yīng)力變化過程，大大降低了熱損失。