一種評價泡沫油油氣表面穩定性的實驗裝置及使用方法與流程

2023-06-01 06:12:06

本發明涉及一種評價泡沫油油氣表面穩定性的實驗裝置及使用方法，屬於石油化工的技術領域。

背景技術：

稠油在石油資源中所佔的比例較大，約佔世界探明石油剩餘可採儲量的50％。如何有效地開採稠油資源，一直是石油界探索的熱點問題。近年來，在中國、加拿大、委內瑞拉等幾個地區的稠油油藏溶解氣驅開採過程中，出現了異常的開發動態：高的採油速度、低的生產氣油比、高的一次採收率等，引起了廣泛的重視。國內外專家認為泡沫油的出現是上述異常開發動態產生的原因。泡沫油是一種油相連續的含有大量分散氣泡的原油，氣相呈許多小氣泡的形式滯留在油相中。它出現的原因在於特殊稠油獨特的化學性質使得油氣表面具有較高穩定性，進而使得溶解氣能夠以微氣泡形態分散在原油中。因此，深入了解泡沫油油氣表面性質以及形成、破裂過程，明確影響泡沫油油氣表面穩定性的參數影響規律，對於提高該類特殊稠油油藏採收率具有重要意義。

技術實現要素：

本發明提出了一種評價泡沫油油氣表面穩定性的實驗裝置。

本發明還提供一種上述實驗裝置的使用方法。

本發明的技術方案如下：

一種評價泡沫油油氣表面穩定性的實驗裝置，包括可視實驗腔、與所述可視實驗腔相連的氣體管路、設置在所述可視實驗腔內的用於液膜形成的圓環、在所述可視實驗腔內還設置有加熱器、圖像採集部和用於控制、監測可視實驗腔內溫度、壓力及圓環運動速度的控制器。

根據本發明優選的，所述氣體管路包括依次用管路與所述可視實驗腔連接的柱塞泵、閥門Ⅰ、中間容器、閥門Ⅱ和精密壓力表。

根據本發明優選的，在所述可視實驗腔內設置有油樣杯，用於所述圓環垂直上下移動浸入所述油樣杯盛裝的油樣中。

根據本發明優選的，所述可視實驗腔的側壁上設置有圖像採集窗，該圖像採集窗的底邊高度高於所述油樣杯的杯口高度。

根據本發明優選的，在所述可視實驗腔的側壁上徑向對稱設置有2個圖像採集窗，在其中一個圖像採集窗外設置有向可視實驗腔照射的可變光源，在另一個圖像採集窗外設置有圖像採集部。

根據本發明優選的，在所述可視實驗腔的外部設置有驅動所述圓環垂直運動的減速機，所述控制器控制異步電機驅動減速機運轉，進而控制所述圓環垂直上下運動。

根據本發明優選的，所述減速機包括輸出軸和輸入軸，所述輸出軸與所述可視實驗腔側壁密封傳動，實現外部驅動所述圓環在可視實驗腔內垂直運動。

根據本發明優選的，所述可視實驗腔包括側壁、在側壁的頂端密封設置有上堵頭、在側壁的底端密封設置有下堵頭，在上堵頭上設置有與所述氣體管路相連的氣體注入口，在下堵頭上設置有出氣口。

根據本發明優選的，所述圖像採集部包括攝像機和與所述攝像機相連的計算機。在所述計算機內裝載有圖像採集及實驗數據採集、分析類的軟體，用於實時對實驗數據、圖像進行採集並分析。

一種上述實驗裝置的使用方法，包括：

1)選擇油樣：在油樣杯中加入待實驗的油樣；

2)選擇圓環及移動速度：根據實驗需要，選擇直徑大小合適的圓環安裝至輸出軸；利用控制器設定所述圓環的移動速度；

3)調節可變光源，打開計算機和攝像機；

4)裝入油樣杯：用下堵頭將油樣杯裝入可視實驗腔，並擰緊；

5)選擇實驗用氣體排出可視實驗腔中的空氣，然後通過下螺母將下堵頭密封；

6)預設並調整實驗壓力，觀察精密壓力表數值，到達實驗壓力後關閉閥門Ⅰ和閥門Ⅱ，關閉柱塞泵，停止注實驗氣體，

7)預設並調整實驗溫度，使用控制器的溫度控制面板，調節溫度至實驗溫度，打開溫度開關，使油樣杯中的油樣的溫度穩定；

8)液膜形成：通過控制器的速度控制面板以設定好的速度使圓環下降浸入油樣杯中，然後移出油樣杯，所述圓環形成液膜後再將圓環恆速升至圖像採集窗進行圖像採集，並記錄液膜隨時間變化過程。

根據本發明優選的，在步驟1)之前，在所述圖像採集部中的計算機中同時輸入待實驗油樣參數、選擇實驗用氣體的參數、壓力值、溫度值、圓環的直徑。

根據本發明優選的，在步驟8)中，記錄液膜從產生到破裂的時間得到單次實驗液膜存在時間t1。

根據本發明優選的，在所述步驟8)之後，重複步驟8)，並n次形成液膜，計算n次實驗所得液膜生存時間的平均值，得到該實驗條件下的液膜存在時間t。

根據本發明優選的，分別改變待實驗油樣參數、選擇實驗用氣體的參數、壓力值、溫度值、圓環的直徑，重複步驟1)-8)。分別改變實驗參數，並研究上述參數對液膜存在時間t的影響，從而確定所述實驗參數對泡沫油油氣表面穩定性的影響規律。

本發明的優勢在於：

1、本發明能夠可視化液膜的產生、破裂變化過程，滿足研究溫度、壓力、氣體種類等多種因素對泡沫油油氣表面穩定性影響的需要，有效避免了人為操作所產生的實驗誤差，實現計算機的自動測量記錄，操作方便、省時。

2、本發明所述的實驗裝置可在高溫高壓的環境內產生液膜，並實現實驗溫度和壓力可控化，通過注入不同的實驗氣體、調整溫度和壓力值，分別實驗後用於研究各環境因素對泡沫油油氣表面穩定性的影響規律。

3、本發明中還設計了一種恆速受控的用於形成液膜的圓環，實現圓環恆速下移與上提，避免了人為手動操作誤差，提高實驗的精確性。同時，在工作過程中；本發明還通過控制器和圖像採集部自動進行實驗操作和觀測記錄實驗數據，操作方便，省時。因此，本發明提出的裝置和方法，可以全面評價泡沫油油氣表面的穩定性，對於深入了解泡沫油油氣表面性質以及形成、破裂過程，明確影響泡沫油油氣表面穩定性的參數影響規律，提高該類特殊稠油油藏採收率具有重要意義。

附圖說明

圖1：本發明所述實驗裝置的總體結構圖；

圖2：本發明所述可視實驗腔的軸向剖視圖；

圖3：本發明所述可視實驗腔的橫截面剖視圖；

圖4：本發明所述控制器示意圖；

圖5：為本發明實施例中，不同時間點所採集到的液膜成像圖；

圖6：利用本發明研究溫度和稠油類型對油氣表面穩定性影響的結果圖；

圖7：利用本發明研究壓力和溫度對油氣表面穩定性影響的結果圖；

在圖1-7中，1.柱塞泵，2.閥門Ⅰ，3.中間容器，4.閥門Ⅱ，5.精密壓力表，6.可視實驗腔，7.輸出軸，8.減速機，9.輸入軸，10.異步電機，11.控制器，12.計算機，13.攝像機(微距攝像機)，14.圖像採集窗，15.實驗臺，16.可變光源，17.出氣口，18.下螺母，19.壓帽，20.上堵頭，21.氣體注入口，22.圓環，23.油樣杯，24.下堵頭，25.加熱器，26.控溫探頭，27.速度控制線，28.溫度控制線，29.電源線，30.控制器的總開關，31.溫度開關，32.溫度控制面板，33.速度控制面板。

具體實施方式

下面結合實施例和說明書對本發明做詳細的說明，但不限於此。

以下實施例中所涉及的1號常規稠油、2號常規稠油和泡沫油均指的是不同的實驗用油樣，只是用於區別不同類的油樣，但無具體指代，真正實驗時可以具體選擇不同類型的油樣。

實施例1、

一種評價泡沫油油氣表面穩定性的實驗裝置，包括可視實驗腔6、與所述可視實驗腔6相連的氣體管路、設置在所述可視實驗腔6內的用於液膜形成的圓環22、在所述可視實驗腔6內還設置有加熱器25、圖像採集部和用於控制、監測可視實驗腔內溫度、壓力及圓環運動速度的控制器11。

所述氣體管路包括依次用管路與所述可視實驗腔6連接的柱塞泵1、閥門Ⅰ2、中間容器3、閥門Ⅱ4和精密壓力表5。

在所述可視實驗腔6內設置有油樣杯23，用於所述圓環22垂直上下移動浸入所述油樣杯23盛裝的油樣中。

所述可視實驗腔6的側壁上設置有圖像採集窗14，該圖像採集窗14的底邊高度高於所述油樣杯23的杯口高度。

在所述可視實驗腔6的側壁上徑向對稱設置有2個圖像採集窗14，在其中一個圖像採集窗14外設置有向可視實驗腔照射的可變光源16，在另一個圖像採集窗14外設置有圖像採集部。

在所述可視實驗腔6的外部設置有驅動所述圓環22垂直運動的減速機8，所述控制器11控制異步電機10驅動減速機8運轉，進而控制所述圓環22垂直上下運動。

所述減速機8包括輸出軸7和輸入軸9，所述輸出軸7與所述可視實驗腔6側壁密封傳動，實現外部驅動所述圓環22在可視實驗腔6內垂直運動。

實施例2、

如實施例1所述的一種評價泡沫油油氣表面穩定性的實驗裝置，其區別在於，所述可視實驗腔6包括側壁、在側壁的頂端密封設置有上堵頭20、在側壁的底端密封設置有下堵頭24，在上堵頭20上設置有與所述氣體管路相連的氣體注入口21，在下堵頭24上設置有出氣口17。下堵頭24上部用於放置油樣杯23，下堵頭上部為圓形，直徑為4cm，油樣杯直徑為3cm，可以防止實驗過程中油樣杯移動，保證圓環22可以進入油樣杯，之後形成液膜。下堵頭24下部開有出氣口17，用於排出可視實驗腔6內氣體，下螺母18用於密封出氣口17。下堵頭24與可視實驗腔6之間用絲扣連接，便於拆卸放置油樣杯，從而可以減少重複實驗的時間。

其中，恆速控制圓環是利用異步電機10、輸入軸9、減速機8、輸出軸7、圓環22依次連接，組成動力傳遞部分，可以使圓環22以較低的穩定速度向下移動浸入油樣杯23，之後向上移動至圖像採集窗的高度形成液膜；氣體管路和動力傳遞部分與可視實驗腔通過上堵頭20連接。上堵頭20側面開有氣體注入口21，與氣體管路相連；上堵頭20在中間開孔與動力傳遞部分的輸入軸9連接，兩者之間用壓帽19密封；上堵頭20與可視實驗腔6之間用螺栓連接；

其中，所述控制器11由速度控制面板33、溫度控制面板32、溫度開關31、溫度速度控制箱總開關30、電源線29、溫度控制線28、速度控制線27組成；

其中，可視實驗腔6中分布有四個加熱器25，一個控溫探頭26，兩者都通過溫度控制線28與控制器11相連，用於控制可視實驗腔6中的溫度；速度控制線28一端與動力傳遞部分的異步電機10連接，另一端與控制器速度控制面板33連接。

在本實施例中，所述可視實驗腔的最高耐壓為15MPa，最高耐溫為150℃,可以覆蓋油田開發過程中的溫度和壓力範圍，從而可以研究溫度和壓力對泡沫油油氣表面穩定性的研究需要。同時，為了避免試樣的浪費，又滿足實驗形成液膜的需要，設計可視實驗腔6容積為80ml。

可視實驗腔6的圖像採集窗14為圓形，直徑應大於圓環22直徑，保證可以清楚觀察液膜形態，記錄液膜形成到破裂的時間。

所述圓環垂直移動的速度為：0.1cm/s-0.18cm/s。

所述輸出軸7與圓環22通過絲扣連接，可以更換不同直徑的圓環22，用於研究液膜面積對泡沫油油氣表面穩定性的影響。圓環22有三種直徑分別為：0.7cm、1.2cm、1.7cm。

實施例3、

如實施例1、2所述的一種評價泡沫油油氣表面穩定性的實驗裝置，其區別在於，所述圖像採集部包括攝像機13和與所述攝像機相連的計算機12。在所述計算機12內裝載有圖像採集及實驗數據採集、分析類的軟體，用於實時對實驗數據、圖像進行採集並分析。

實施例4、

一種如實施例1-3所述實驗裝置的使用方法，包括：

1)選擇油樣：在油樣杯23中加入待實驗的油樣；選擇油樣為2號常規稠油；

2)選擇圓環22及移動速度：根據實驗需要，選擇直徑大小合適的圓環22安裝至輸出軸7；利用控制器11設定所述圓環22的移動速度；本發明實施例中,設定的輸出軸7移動速度為0.17cm/s，使用的是直徑為1.2cm的圓環22；

3)調節可變光源16，打開計算機12和攝像機13；

4)裝入油樣杯23：用下堵頭24將油樣杯23裝入可視實驗腔6，並擰緊；

5)選擇實驗用氣體排出可視實驗腔6中的空氣，然後通過下螺母將下堵頭24密封；打開閥門Ⅰ和閥門Ⅱ，用柱塞泵將中間容器中的實驗氣體以較小的流量注入可視實驗腔1～2小時，之後，通過下螺母將下堵頭密封，本發明實施例中,使用的中間容器內的實驗氣體為氮氣；

6)預設並調整實驗壓力，觀察精密壓力表數值，到達實驗壓力後關閉閥門Ⅰ2和閥門Ⅱ4，關閉柱塞泵3，停止注實驗氣體，本發明實施例中,試驗壓力為大氣壓；

7)預設並調整實驗溫度，使用控制器11的溫度控制面板32，調節溫度至實驗溫度，打開溫度開關，使油樣杯中的油樣的溫度穩定；本發明實施例中,實驗溫度為30℃；

8)液膜形成：通過控制器11的速度控制面板33以設定好的速度使圓環下降浸入油樣杯23中，然後移出油樣杯23，所述圓環22形成液膜後再將圓環22恆速升至圖像採集窗14進行圖像採集，並記錄液膜隨時間變化過程。

實施例5、

如實施例4所述的實驗裝置的使用方法，其區別在於，在步驟1)之前，在所述圖像採集部中的計算機12中同時輸入待實驗油樣參數、選擇實驗用氣體的參數、壓力值、溫度值、圓環的直徑。

實施例6、

如實施例5所述的實驗裝置的使用方法，其區別在於，在步驟8)中，記錄液膜從產生到破裂的時間得到單次實驗液膜存在時間t1，本發明實施例中記錄單次實驗液膜存在時間t1＝1.42min；此外，由圖5可以觀察、記錄液膜隨隨時間的變化過程，由圖5可知，隨著時間的進行，由於重力排液作用的影響，液膜面積逐漸減小，直至完全破裂。

在所述步驟8)之後，重複步驟8)，並n次形成液膜，計算n次實驗所得液膜生存時間的平均值，得到該實驗條件下的液膜存在時間t。

本發明實施例中；t＝2.68min。

分別改變待實驗油樣參數、選擇實驗用氣體的參數、壓力值、溫度值、圓環的直徑，重複步驟1)-8)。分別改變實驗參數，並研究上述參數對液膜存在時間t的影響，從而確定所述實驗參數對泡沫油油氣表面穩定性的影響規律。

本發明實施例改變油樣類型(分別改為1號常規稠油和泡沫油)、溫度(35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃)和壓力(4MPa和10MPa)進行重複實驗，記錄不同實驗條件下的液膜存在時間，從而研究原油類型、溫度和壓力對油氣表面穩定性的影響。由圖6可知，通過本發明所述的裝置觀測到，所述泡沫油的液膜存在時間大於1號常規稠油和2號常規稠油，由此可知，泡沫油油氣表面穩定性要強於常規稠油，這是其能夠形成穩定小氣泡的主要原因。此外，隨著溫度的升高，無論是泡沫油還是常規稠油，其液膜存在時間均降低，因此，較高的油藏溫度不利於油氣表面穩定，從而不易形成泡沫油現象，具有較好的開發效果。由圖7可知，針對同一種油樣，隨著壓力的增加，液膜存在時間增加，即較高的壓力有利於形成泡沫油，對泡沫油油藏溶解氣驅開發過程有利。此外，無論何種壓力下，隨著溫度的增加，液膜存在時間減小，油氣表面越不穩定，與圖6的實驗結果一致。