一种储气库周期注采三维物理模拟系统的制作方法

1.本发明属于油气资源开发技术领域，具体涉及一种储气库周期注采三维物理模拟系统。


背景技术：

2.地下储气库是用于储存天然气的地质构造和配套设施，主要功能是用气调峰和安全供气、战略储备、提高管线利用系数节省投资、降低输气成本等。按建设储气库的不同地质构造通常分为枯竭油气藏储气库、含水层储气库、盐穴储气库和废弃矿穴储气库等。
3.在建设地下储气库之前，需要对其进行试验模拟，进而得到准确的注采气运行压力范围、注采气井的井网部署与运行过程中的变形等相关参数，为后续储气库建设与注采气压力参数优化等起到指导作用。同时现有的储气库模拟系统结构复杂，不易操作，对不同井组布置方案时的注采气压力、孔隙度与渗透率和变形等参数，收集不够准确全面，影响储气库的建设质量，因此需要一套完整的设备来实现此项要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决上述问题，提供一种操作方便，测量数据精准，应用范围广的储气库周期注采三维物理模拟系统。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种储气库周期注采三维物理模拟系统，包括注入恒温系统、模型系统、采出计量系统、温控系统和数据采集处理系统，注入恒温系统与模型系统相连，并提供动力源，用于实验流体的注入与输送；温控系统保持模型系统和注入恒温系统保持温度恒定，模型系统用于实验模拟，采出计量系统用于对油和水进行计量，数据采集处理系统将测量得到的数据进行处理。
6.优选地，所述注入恒温系统包括注入泵、中间活塞容器、储液容器和气路系统，注入泵通过管道与储液容器相连，储液容器通过管道与中间活塞容器相连，储液容器和中间活塞容器分别通过管道与模型系统相连，气路系统包括压缩机和涡轮分子泵，压缩机和涡轮分子泵分别通过管道与模型系统相连。
7.优选地，所述中间活塞容器包括筒体、活塞杆、固接板、位移传感器和传感器支撑圈，筒体上设有筒体进液口和筒体出液口，通过活塞杆的运动驱动筒体内部的液体流动；传感器支撑圈的端部与筒体相连，另一端与位移传感器相连，位移传感器的端部通过固接板与活塞杆的端部相连，活塞杆在筒体内往返运动的过程中，位移传感器通过固接板的运动检测活塞杆的运动距离。
8.优选地，所述模型系统包括模型系统空间、二维模型和三维模型，二维模型和三维模型位于模型系统空间内，模型系统空间包括二维模型空间和三维模型空间，二维模型位于二维模型空间内，三维模型位于三维模型空间内。
9.优选地，所述二维模型包括二维模型主体和二维模型支架，二维模型主体包括二维模型上盖、二维模型上压板、二维模型本体、二维模型测点支承板、二维模型下盖、二维模
型测点和二维模型井网，二维模型上盖位于二维模型本体的顶部，二维模型下盖位于二维模型本体的底部，二维模型上压板位于二维模型本体内部并通过螺钉与二维模型上盖相连，二维模型测点穿过二维模型下盖和二维模型测点支撑板伸入二维模型本体内部，二维模型本体的两边与二维模型支架转动连接，二维模型井网位于二维模型本体内。
10.优选地，所述三维模型包括三维模型支架、三维模型上盖、三维模型主体、三维模型底板、三维模型连接件、三维模型活塞、水平井、测压井筒和三维模型饱和度测点，三维模型上盖位于三维模型主体的顶部，三维模型底板位于三维模型主体的底部，三维模型连接件和三维模型活塞位于三维模型主体内，水平井位于三维模型主体内部，测压井筒和三维模型饱和度测点位于三维模型上盖上。
11.优选地，所述采出计量系统包括回压系统和油水两相计量装置，回压系统包括回压泵、回压阀和回压缓冲罐；回压泵通过管道与回压阀相连，回压阀通过管道与模型系统相连，油水计量装置通过管道与回压阀相连，回压缓冲罐通过管道与回压泵相连。
12.优选地，所述温控系统包括活塞容器恒温箱、二维模型半开式加热保温套、三维模型半开式恒温箱和计量系统恒温箱，活塞容器恒温箱用于中间活塞容器的温度恒定，二维模型半开式加热保温套用于二维模型的保温，三维模型半开式恒温箱用于三维模型的保温，计量系统恒温箱用于采出计量系统的保温。
13.优选地，所述数据采集处理系统包括饱和度传感器、压力传感器、温度传感器、压实位移监测传感器、数据采集板和工控机，数据采集板、饱和度传感器、压力传感器、温度传感器和压实位移监测所监测得到的数据传递给工控机对数据进行处理。
14.本发明的有益效果是：
15.1、本发明所提供的一种储气库周期注采三维物理模拟系统，将三维平面模型模拟试验和计算机技术、传感器技术、自动控制技术相结合，用于研究储气库建设与支行过程中。
16.2、本发明能在线检测二维及三维模型内压力场、渗流场与表面位移的分布情况。
17.3、本发明通过模块化设计，便于功能模块的扩充，外型美观，噪音低，操作方便。
18.4、本发明能实现操作、控制、采集自动化。
19.5、二维模型主体能实现前后180
°
翻转，这样既可模拟从垂直到水平的各种情况，充分考虑了重力对三采模拟试验的影响，大大扩展了研究范围。三维模型可实现前后转动180
°
，便于安装及检查。
20.6、本发明能实现平面、纵向层间、内非均质性。
附图说明
21.图1是本发明一种储气库周期注采三维物理模拟系统的原理图；
22.图2是本发明中间活塞容器的结构示意图；
23.图3是本发明二维模型结构示意图；
24.图4是本发明二维模型主体结构示意图；
25.图5是本发明三维模型结构示意图。
26.附图标记说明：1、注入恒温系统；2、模型系统；3、采出计量系统；11、注入泵；12、中间活塞容器；13、储液容器；14、气路系统；21、模型系统空间；22、二维模型；23、三维模型；
30、回压系统；31、油水两相计量装置；32、回压泵；33、回压阀；34、回压缓冲罐；120、筒体；121、活塞杆；122、固接板；123、位移传感器；124、传感器支撑圈；220、二维模型主体；221、二维模型支架；222、二维模型上盖；223、二维模型上压板；224、二维模型本体；225、二维模型测点支承板；226、二维模型下盖；227、二维模型测点；230、三维模型支架；231、三维模型上盖；232、三维模型主体；233、三维模型底板；234、三维模型连接件；235、三维模型活塞；236、水平井；237、测压井筒；238、三维模型饱和度测点；2211、二维模型支架杆；2212、二维模型支架底座；2213、二维模型支架第一手轮；2214、二维模型支架第二手轮。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
28.如图1到图5所示，本发明提供的一种储气库周期注采三维物理模拟系统，包括注入恒温系统1、模型系统2、采出计量系统3、温控系统和数据采集处理系统，注入恒温系统1与模型系统2相连，并提供动力源，用于实验流体的注入与输送。温控系统保持模型系统和注入恒温系统1保持温度恒定，模型系统2用于实验模拟，采出计量系统3用于对油和水进行计量，数据采集处理系统将测量得到的数据进行处理。
29.注入恒温系统1包括注入泵11、中间活塞容器12、储液容器13和气路系统14，注入泵11通过管道与储液容器13相连，储液容器13通过管道与中间活塞容器12相连，储液容器13和中间活塞容器12分别通过管道与模型系统2相连。气路系统14包括压缩机141和涡轮分子泵142，压缩机141和涡轮分子泵142分别通过管道与模型系统2相连。
30.在本实施例中，涡轮分子泵142与模型系统2之间还设有缓冲罐，涡轮分子泵142通过管道与缓冲罐相连，缓冲罐通过管道与模型系统2相连。压缩机141为静音空压机，压缩机141与模型系统2相连的管道上设有调压器，用于调节压力。注入泵11为由气动阀控制的双缸泵，工作压力：0-7500psi，流量：单泵流速范围：0.001～107ml/min，双泵连续流动流速范围：0.001～80ml/min；流速准确度0.5％设定值。该泵计量准确、精度高，具有压力保护及位置上下限保护，润湿材料316l，耐腐蚀，具有抽吸、排液、预增压功能，换向采用电磁阀控制气动阀。该泵配备通讯口，可由计算机进行操作，也可人工操作。储液容器13采用耐腐蚀的合金材质，密封性好，耐温耐腐蚀性能好。
31.中间活塞容器12包括筒体120、活塞杆121、固接板122、位移传感器123和传感器支撑圈124，筒体120上设有筒体进液口和筒体出液口，通过活塞杆121的运动驱动筒体120内部的液体流。传感器支撑圈124的端部与筒体120相连，另一端与位移传感器123相连，位移传感器123的端部通过固接板122与活塞杆121的端部相连，活塞杆121在筒体120内往返运动的过程中，位移传感器123通过固接板122的运动检测活塞杆121的运动距离。
32.中间活塞容器12用来为模型系统2内部试验提供循环流体或驱替流体，型号为zr-iii型，润湿材料为316l。通过位移传感器123测量活塞杆121的位移，来自动计量、检测活塞位置及变化量，容器内液面还可以根据恒速泵的累积流量、容器内装介质的多少、容积尺寸等参数,由数据采集处理系统形象的表示出来。为保证试验的温度条件，将中间活塞容器12置于温控系统内。
33.在本实施例中，压缩机141为现有成熟技术设备，输出压力满足相关气动阀控制要求，且其输出压力不低于1mpa，流量不低于30l/min。涡轮分子泵142用于模型系统2抽真空、
油水饱和，同时在与模型系统2相连的管道上预留管线接口。压缩机141为模型系统2提供空气压力，涡轮分子泵142为真空泵，通过管道与缓冲罐相连，缓冲罐与模型系统2相连的管道上设有阀门，用于调节模型2内部的压力。
34.模型系统2包括模型系统空间21、二维模型22和三维模型23，二维模型22和三维模型23位于模型系统空间21内，模型系统空间21包括二维模型空间和三维模型空间，二维模型22位于二维模型空间内，三维模型23位于三维模型空间内。
35.二维模型22包括二维模型主体220和二维模型支架221，二维模型主体220包括二维模型上盖222、二维模型上压板223、二维模型本体224、二维模型测点支承板225、二维模型下盖226、二维模型测点227和二维模型井网，二维模型上盖222位于二维模型本体224的顶部，二维模型下盖226位于二维模型本体224的底部，二维模型上压板223位于二维模型本体224内部并通过螺钉与二维模型上盖222相连，二维模型测点227穿过二维模型下盖226和二维模型测点支撑板225伸入二维模型本体224内部，二维模型本体224的两边与二维模型支架221转动连接，二维模型井网位于二维模型本体224内。
36.在本实施例中，模型系统空间21的有效空间为500
×
500
×
40～80(mm)；耐压1mpa。模型最高温度：150℃；模型主体主要金属材料为316l材料制作，密封件采用氟橡胶压制而成，耐温耐腐蚀。模型系统空间21分别通过管道与注入恒温系统1相连，具体地，中间活塞容器12和储液容器13通过管道与模型系统空间21相连，压缩机141和缓冲罐通过管道与模型系统空间21相连。模型系统空间21内部通过管路分别与二维模型空间和三维模型空间相连，用于对二维模型22和三维模型23提供空气压力以及流体压力，从而得到实验模拟数据。模型系统空间21内部的管道布置根据实际使用需要进行有针对性的设计和变更，以便适应不同实验的使用需求。
37.二维模型井网布置可根据实验研究需要选择不同的井网以及对井网调整。使用时，二维模型本体224内可以布置5点、9点井网、水平井等不同井网，模拟水平井和模拟竖井均为φ6
×
1mm的不锈钢管，其上可布置多孔或狭缝，以模拟实际注采井的射孔及防砂。
38.二维模型主体220能在二维模型支架221的支撑下周向180
°
旋转，并任意角度锁紧固定二维模型主体220，固定方法为本领域常规技术手段。二维模型主体220可以前后180
°
翻转，可实现平面、纵向层间、内非均质性。二维模型主体220内布置有64对压力测点和饱和度场测量电极，能够进行有效的监测，满足试验要求，放置位置根据实际使用需求而定。二维模型下盖226上设有注入、采出、压力、温度、饱和度等相关传感器接口。
39.二维模型支架221包括二维模型支架杆2211、二维模型支架底座2212、二维模型支架第一手轮2213和二维模型支架第二手轮2214，二维模型支架杆2211呈半圆形结构，二维模型主体220位于二维模型支架杆2211之间，并通过转动二维模型支架第一手轮2213和二维模型支架第二手轮2214驱动二维模型主体220转动。在本实施例中，二维模型支架第一手轮2213和二维模型支架第二手轮2214分别驱动二维模型主体220运动为现有技术，中间传动方式为现有设备。
40.二维模型支架杆上还设有二维模型液压缸，当二维模型主体220内部填砂并装上二维模型上盖222后，模型翻转180
°
，使二维模型上盖222对准二维模型液压缸，利用二维模型液压缸对砂层压实。
41.如图5所示，三维模型23包括三维模型支架230、三维模型上盖231、三维模型主体
232、三维模型底板233、三维模型连接件234、三维模型活塞235、水平井236、测压井筒237和三维模型饱和度测点238，三维模型上盖231位于三维模型主体232的顶部，三维模型底板233位于三维模型主体232的底部，三维模型连接件234和三维模型活塞235位于三维模型主体232内，水平井236位于三维模型主体232内部，测压井筒237和三维模型饱和度测点238位于三维模型上盖231上。
42.在本实施例中，三维模型主体232的内腔填砂尺寸：φ500
×
400mm；模型材料为316l，具有耐腐蚀的特点。工作温度：室温～150℃；工作压力：40mpa。三维模型主体232可加隔板或隔层，可模拟层间非均质性。
43.模型加压时，直接将流体注入到模型内，通过维模型上盖231、三维模型主体232、和三维模型底板233之间连接的螺钉来承担内压产生的力，螺钉的型号m18(8.8级)内六角螺钉，数量为30个。
44.在本实施例中，三维模型主体232的内壁及上下接触砂体部分均采用了防砂措施来解决边界效应，防流体沿模型内腔与砂层间串流。其中三维模型上盖231和三维模型底板233上的所有进出口均设计有200目以上的过滤网，可防止细沙进入管道堵塞。
45.三维模型主体232的四周可分布横向、纵向井眼压力、饱和度测点等，横向井眼及水平井，纵向井眼即垂直井，模型可前后转动180
°
，便于安装及检查。
46.三维模型主体232内部布设五点和九点模拟竖井和模拟水平井，采用不锈钢管制成。其上有狭缝以模拟实际注采气井的注采及防砂。模型侧面布置有水平井，水平井设计有割缝水平井和射孔水平井，水平井分三层布置。在割缝工艺允许的情况下，模拟井的割缝宽度应尽可能窄。模拟井的割缝宽度能够阻止模拟砂进入井筒，也可在模拟井筒外部包裹一定目数的金属筛网；保证模拟井割缝后井筒结构的完整性，不应产生变形；模拟井的割缝方向与流体渗流方向一致，不会使流体流向模型的边界。三维模型主体232内布置的压力、饱和度、温度测点、井均可互相转换。三维模型主体232内要布置足够的测点，保证在试验过程中能对饱和度场进行有效的监测，一个连接头上可分别安装不同模拟层的传感器。
47.采出计量系统3包括回压系统30和油水两相计量装置31，回压系统30包括回压泵32、回压阀33和回压缓冲罐34；回压泵32通过管道与回压阀33相连，回压阀33通过管道与模型系统2相连，油水计量装置31通过管道与回压阀33相连，回压缓冲罐34通过管道与回压泵32相连。回压阀33与模型系统2相连的设备为模型系统空间21，通过回压泵32调节模型系统空间21内部的压力。
48.在本实施例中，回压系统30的数量为四个，根据实际使用需要与模型系统2的不同位置相连，可模拟一注四采、两注两采、四注四采的情况，制作材料为316l，其中一注四采、两注两采、四注四采为本领域专有名词。油水两相计量装置31为现有测量设备，采用称重法控制计量法进行计算测量，可解决岩心中携带出的微粒造成的误差。一注四采、两注两采、四注四采中，注指的是注入压缩空气和流体，采指的是采集数据信息。
49.温控系统包括活塞容器恒温箱、二维模型半开式加热保温套、三维模型半开式恒温箱和计量系统恒温箱，活塞容器恒温箱用于中间活塞容器12的温度恒定，二维模型半开式加热保温套用于二维模型22的保温，三维模型半开式恒温箱用于三维模型23的保温，计量系统恒温箱用于采出计量系统3的保温。
50.活塞容器恒温箱采用空气浴加热，恒温箱工作室尺寸为1060
×
800
×
700，温度范
围：室温～150℃，数显自动控温，精度
±
0.5℃，采用进口控温仪，带pid调节，热风对流循环，内表采用δ＝1.2mm，外表喷塑。
51.二维模型半开式加热保温套主要用于对二维模型的加温，将二维模型的外面套上两半开式保温套，保温套内安装有加热板加热、并在半开式保温套上设计有热风机，是内部产生热风对流循环，使模型能加热均匀。温度范围：室温～150℃，数显自动控温，精度
±
0.5℃，采用进口控温仪，带pid调节。
52.三维模型半开式恒温箱主要用来对三维模型进行加温，分为前后两半头恒温箱，可将三维模型推入到恒温箱后体内，后再合上恒温箱的前半部分。同样拆卸时只需拆去恒温箱前半部分，推出三维模型即可。避免了因为模型体积大而笨重，不方便拆装等问题。
53.数据采集处理系统包括饱和度传感器、压力传感器、温度传感器、压实位移监测传感器、数据采集板和工控机，数据采集板、饱和度传感器、压力传感器、温度传感器和压实位移监测所监测得到的数据传递给工控机对数据进行处理。
54.将饱和度传感器、压力传感器、温度传感器和压实位移监测传感器根据需要，放置在模型系统2的不同零部件上，进而获得相关的测量数据。
55.在二维模型内设有饱和度电性传感器并埋入油藏砂层中，其位置分布、层位可根据实验安装。压力传感器采集模型各点的压力，传感器精度0.1级，量程为40mpa。压力检测科采用压力巡检仪检测，压力巡检仪带rs232接口，型号xsl，数量为2台，分辨率0.001mpa。
56.压实位移检测传感器用于检测因挤压力(骨架压力)的变化砂子压实、孔隙变化量。采用精密光栅，分辨率0.005mm。
57.温度传感器采集驱替过程中模型的温度、油水自动计量装置的温度、中间容器的温度。温度主要通过采集这三部分恒温箱的温度来实现。数据采集处理系统所采用的设备，均为现有成熟技术设备。
58.本发明通过将“三维平面模型模拟试验”和“计算机技术、先进传感器技术、控制技术”相结合，用于研究储气库建设与运行过程中，注采气过程中气水互驱过程中气水运移与分布特征的技术。能在线检测二维及三维模型内压力场、渗流场的分布情况。油、水两相计量方法采用激光测量与液面液位控制相结合的方法，实现了实时自动采集，并克服了油水乳化和注采气压力改变所带来的影响，装置考虑了二维出口计量与三维出口计量的通用性。采用模块化设计，便于功能模块的扩充，外型美观，噪音低，操作方便。同时可实现操作、控制、采集自动化。二维模型主体能实现前后180
°
翻转，这样既可模拟从垂直到水平的各种情况，充分考虑了重力对三采模拟试验的影响，大大扩展了研究范围。三维模型可实现前后转动180
°
，便于安装及检查。能实现平面、纵向层间、内非均质性。
59.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。