基於離子液體的新型複雜結構井滲流電模擬系統的製作方法
2023-09-16 07:54:00
本發明關於油氣滲流技術，屬於油氣田開發領域，特別涉及一種適用於複雜結構井滲流規律研究的電模擬系統。
背景技術：
目前，油藏滲流機理實驗研究方法主要分為巖心實驗和水電模擬實驗兩類。巖心實驗可採用實際油藏巖心進行，與實際地質情況較為接近，可直接測得較準確的產量、壓力、含水等變化規律，但是巖心、複雜結構井井筒、裂縫模型等製作難度大，實驗周期一般較長，費用較高。水電模擬實驗是根據水電相似原理而研製的一種模擬實驗裝置，可任意加工製作各種複雜井筒和裂縫模型，實驗周期短，費用低。隨著油田開發的難度越來越大，水平井、分支井、多底井、魚骨刺井等複雜結構井應用越來越廣泛，並常常與大型壓裂等增產措施配合使用，對相關油藏滲流機理研究的要求越來越高。鑑於電模擬實驗相對於巖心實驗在模擬複雜滲流規律方面的優勢，近年來電模擬實驗日益受到人們的重視。
電模擬實驗是利用電的某些物理現象來重演所要研究的對象，即利用相同的數學微分方程所表示的物理現象來互相模擬。電模擬實驗中用導電介質模擬地層，在介質上施加一定電勢差產生電場模擬地層中的穩定滲流場，是基於水電相似理論，即不可壓縮的地下流體通過多孔介質的穩定滲流符合達西定律及拉普拉斯方程：
電流在導電介質中的流動及電勢分布滿足歐姆定律及拉普拉斯方程：
依據水電相似理論，滲流場和電場的形狀與分布相似，兩者在相似的邊界條件下可得到相似的解。因此，用導電介質模擬地層，在介質上施加一定的電勢差產生的電場來模擬地層中的穩定滲流場是研究油井穩態產能問題的一種簡便而有效地方法。根據歐姆定律，電場中任一流動單元內電流為：
根據達西定律，地層中沿壓力梯度方向單元塊中的流體流量為：
電場中的電流、電壓及其分布與穩定滲流場中的流量、壓力及其分布具有下列相對應的比例關係(模型數據下標為m，地層數據下標為r)：
壓力相似係數：
流量相似係數：
電導率相似係數：
阻力相似係數：
根據公式(3)、(4)，各相似係數之間應滿足條件：
滿足上述條件的穩定滲流場和電場間存在類比關係，可以用電場模擬穩定滲流場,研究滲流規律。由於實驗中電流可以在瞬間達到穩定，因而電模擬的過程是地層中的單相穩定流動過程。測得電場中的電流、電壓數據，利用相似比例關係即可換算成滲流場中的產量和壓力數據。
式中，模型數據下標為m，地層數據下標為r。
L——幾何尺寸
ρ——溶液電導率
k——滲透率
μ——原油粘度
I——電流
Q——井產量(或注入量)
Rm——電解質溶液的電阻
Rr——地層流體的滲流阻力
ΔU——電位差
ΔP——壓力差
式(11)為模型必須滿足的相似準則，其中有兩個參數可以自由確定，第三個參數必須由相似準則導出。由於電流可以瞬間達到穩定，因而本實驗中的電模擬過程為實際地層的單相穩定滲流過程。
現有電模擬系統組成如圖1所示，主要包括：穩壓電源1、電流表2、電壓表3、電解質槽4、井模型5、和銅板6等，其中該電解質槽4是由4個側板和1個底板所組成，側板或者底板的材質可以是金屬，如圖中所示的銅板6。該電模擬實驗裝置是一種手動裝置，測量時需要手動絲槓定位，需要手工記錄電壓電電流等數據,工作量非常大，並且精度低、測量周期較長，容易造成比較大的實驗誤差。此外，隨著測量時間的推移，模擬複雜結構井的電極與電解質水溶液接觸面積較大，電解質水溶液的電化學反應越來越強烈，甚至在電極附近出現大量氣泡或沉澱，導致模擬電極附近電場極度不穩定，測量數據誤差較大。在目前的實驗中，鹽溶液的導電性對電壓並不敏感，I隨著ΔU變化具有很大的滯後性，如圖2所示的1mol/L的氯化鈉水溶液循環伏安特性曲線所示，繪製出的ΔU-I曲線與直線偏離程度很大，擬合參數的求取不準確。
現有電模擬數據測量採集方面，採用一種手動式裝置，依靠手搖式絲槓來定位取點。現有裝置測量時間長，實驗誤差大。
離子液體(ionic liquids,簡稱ILs)又稱室溫熔鹽，是一類新型的熔融鹽物質，完全由陰、陽離子組成，沒有中性分子，在室溫下呈液態。大部分離子液體的密度在1.1～1.6g/cm3之間，通常陰離子越大，離子液體的密度越大。離子液體的黏度通常要比水高几倍到幾十倍，電導率一般在10-3S/cm數量級，這與現有電模擬實驗用鹽水溶液電導率近似。離子液體通常沒有可測量的蒸氣壓，不可燃、熱容大、熱穩定性好、電化學窗口寬(一般為5.8V以上)。電化學窗口是指電解質能夠穩定存在的電壓範圍即在充放電過程中，要求電解質在正負極材料發生的氧化還原反應電位之間保持穩定，超出這個電位範圍，電解質就會發生電化學反應而分解。離子液體基本無毒性、便於保存，近年來在環境、化工、生物等領域應用越來越廣泛，尤其是在鋰電池、太陽能電池中的應用。更可貴的是離子液體可通過選擇適當的陰離子或微調陽離子的烷基鏈，改善離子液體的物理性質和化學性質。與鹽溶液的導電性不同的是，離子液體的電流隨電壓變化較為靈敏，不存在測量的滯後性問題，如圖3所示的純度為99％的咪唑類四氟硼酸鹽這種離子液體的循環伏安特性曲線。基於以上離子液體的特性，將其應用於電模擬系統可望獲得更好模擬效果。
技術實現要素：
本發明是首次將離子液體作為電解質引入水電相似模擬實驗中來代替傳統的鹽水溶液以改進傳統水電模擬實驗中電解反應、ΔU-I直線擬合偏差較大、溫度升高對鹽溶液電導率的影響以及鹽溶液電流滯後於電壓變化的影響。本發明的目的在於，提供一種新的複雜結構井滲流規律的電模擬系統，以解決現有技術的如下問題：第一，現有的電模擬裝置主要以NaCl等水溶液為電解質，電化學窗口一般為1～2V，使用這種電解質在模擬複雜結構井時，由於測量電壓較高、測量時間較長(一般為兩個小時)、模擬多段複雜裂縫的銅網電極與電解質溶液接觸面積較大，銅網電極與電解質溶液不斷進行電化學反應從而導致整個模擬電場非常不穩定，電流和電壓測量精度較差，這樣對測得的等壓線分布規律性影響非常大，不能滿足滲流機理研究的需要。第二，現有的電模擬實驗裝置多為手動或半自動裝置，測量時需要手動移動探針，需要手工記錄電壓數據，測量時間較長，並且精度較低。第三，當改變電壓ΔU值時，由於電壓增大，鹽溶液導電性存在滯後性，電流變化情況緩慢，測得的電流比理想模擬值有較大偏差，繪製出的ΔU-I曲線與直線偏離程度很大，嚴重影響了水電模擬實驗的準確性，導致擬合參數的求取極為不準確。第四，由於測量時間較長，溶液不斷進行電解反應，電能不斷轉化為熱能與化學能，溶液溫度緩慢上升，溶液電導率受溫度變化而改變，鹽溶液電場的不穩定性加劇，模擬誤差增大。第五，提供一種可以有效研究複雜結構井滲流規律的實驗方法。
本發明所提供的複雜結構井滲流規律的電模擬系統包括：
塑料電解質槽，用於盛放電解質溶液；
大型數採儀，包括控制終端電腦用於實驗中自動取點和記錄數據；
銅電極，連接在位置傳感器下方；
位置傳感器，固定在大型取點採樣儀的運動臂上；
多種複雜結構井銅製模型；
該電模擬系統還包括：電壓表和電流表(可以接計算機USB埠的多功能電壓表、電流表)，一端連接於大型取點採樣儀的探針，另一端連接於所述的模擬複雜結構井，以獲取電壓值，電流表，測量井筒電流，並將所述的電壓值傳輸給控制終端電腦，可調壓的直流電源。
大型數採儀探針可以在電解質槽中進行三維方向自由移動和進行測量。
離子液體導電能力與金屬銅電極相容性最佳，因此選用金屬銅來做探針、模擬井材料。
附圖說明
圖1所示為現有技術所提供的電模擬實驗裝置示意圖；
圖2所示為1mol/L氯化鈉溶液循環伏安特性曲線圖；
圖3所示為純度99％的咪唑類四氟硼酸鹽離子液體的循環伏安特性曲線圖；
圖4所示為本發明所提供的複雜結構井滲流規律的電模擬系統的結構示意圖；
圖5所示為大型數採儀及其控制終端電腦示意圖；
圖6所示為水平井多段壓裂結構示意圖；
圖7所示為分支井結構示意圖；
圖8所示為水平井體積壓裂結構示意圖；
圖9所示為二級裂縫U型井結構示意圖；
圖10所示為複雜結構井滲流規律的電模擬方法流程圖。
具體實施方式
結合說明書附圖來詳細講述本發明實施方式：
如圖4所示，為本發明實施所提供的複雜結構井滲流規律電模擬系統結構示意圖。該電模擬系統包括：終端控制電腦201、位置傳感器202、電解質槽203、銅棒探針204、模擬複雜結構井205、電壓表206、電流表207、調壓直流電源208。離子液體導電能力與金屬銅電極相容性最佳，因此選用金屬銅來做探針、模擬井材料。
本發明裝置工作流程：正常工作時，將電解質槽置於工作檯上,將複雜結構井模型置於電解質槽中，將導線接在數採儀探針上，另一條導線接在所模擬的複雜結構井埠上，旋轉調零旋鈕，校準數採儀原點位置以及實際所需的Z軸高度,水平井埠處坐標設為(0,0,0)，在控制終端電腦導入複雜結構井形狀、長寬高等相關參數信息，隨即自動生成待測各點坐標，在控制終端電腦選擇需要測量的點並確認，開啟直流電源開關並調好直流電源電壓，數採儀即可自動工作，每當銅探針到達一個待測坐標時，銅探針立即停止運動，位置傳感器同時向控制終端電腦發送一個信號，控制終端電腦收到這個信號後，立即接收電壓表和電流表所發來的數據信息，控制終端電腦記錄該點的位置坐標和電壓電流數據，接收完畢後，控制終端電腦發送給位置傳感器下一個待測位置信息，以此類推，測量結束之後，控制終端電腦對所得數據進行分析作圖。
如圖6所示，為水平井多段壓裂結構示意圖，模擬在水平井上壓裂出多條裂縫，可以從空間上更直觀的了解水平井周圍的壓力分布情況，從而可以對多段壓裂水平井壓力分布有更深入的研究。
如圖7所示，為分支井結構示意圖，可以從空間上更直觀的了解分支井周圍的壓力分布情況，從而可以對分支井壓力分布有更深入的研究。
如圖8所示，為水平井體積壓裂結構示意圖，可以研究複雜縫網條件下的滲流規律，對實際現場有較大的指導意義。
如圖9所示，為二級裂縫U型井結構示意圖，可以從實驗的角度具體研究複雜U型井的滲流規律。
對比圖6、圖7、圖8、圖9三種複雜結構井可以研究不同因素對地層壓力分布、產量等的影響。
本發明的有益效果在於，第一，本發明首次使用了一種新的電解質咪唑類四氟硼酸鹽離子液體來替代原有NaCl等水溶液電解質，離子液體電化學窗口相比傳統鹽水溶液更寬，電導率極為接近，只要保持測量電壓在0～5V內，就完全不會發生電化學反應而分解；電壓在5～10V時，由於離子液體粘度較大電解反應非常緩慢，可忽略不計，基本消除了電解反應對電場穩定性的影響。第二，本發明使用的新型電解質還明顯改善了溶液導電性隨電壓的變化率，使測量的ΔU-I曲線更接近於理想的直線，大大減小了實驗誤差，使得求取出的擬合參數更加精準，模擬結果更加真實可信。第三，由循環伏安特性曲線可以看出咪唑類四氟硼酸鹽離子液體相比傳統鹽溶液而言對電壓變化極為敏感，因此可以進行快速機械化全自動測量而不失其精確性。第四，該技術方案還實現了電模擬實驗數據測量和採集的全自動化，測試時間由原來的3-4小時減少為目前的45分鐘左右，大幅提高了實驗效率。大型取點採樣儀的定位精度可精確至±0.01毫米，使得測量結果更加精確。第五，離子液體穩定性極好，防止了長時間通電導致溫度升高改變了電解質電導率的問題。第六，這種裝置提供了一種可以較為精確模擬研究多種複雜結構井的方法，可以研究不同形狀複雜結構井、不同裂縫參數以及不同井網形式等對地層壓力分布、產量等的影響，為複雜結構井滲流規律的研究提供了一種可靠的實驗手段。
以上對本發明的原理及實施方式進行了闡述，並提供了使用案例，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。