專利名稱：地層溫度及壓力一維分布的物理模擬方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及地層環境模擬技術，是ー種地層溫度及壓カー維分布的物理模擬方法以及專用的裝置。
背景技術：
地層環境模擬是描述分析地層特性的重要手段，比如，在石油領域，油藏環境模擬可為后續油藏開發提供指導性建議，有利于提高采收率，其中溫度及壓カ的模擬是地層環境模擬中的重要方面，目前以數值模擬方法為主，物理模擬方法雖有，但目前的方法技術及相關設備都存在一定的不足，只能模擬某一深度，確切的說是某一點的溫度及壓力，無法做到同時模擬不同位置處的溫度及壓力，這樣所模擬出的地層環境與實際地層環境相差甚大，通過這樣的模擬而描述出的地層也就不精確，所得到的指導性建議難免有偏差，對地層開發利用的指導作用有限。 目前，石油行業所用可模擬地層溫度及壓カ的巖心夾持器，以TY系列巖心夾持器為代表，它主要有套筒、膠套、上堵頭、下堵頭及支架組成。其中套筒中間有一空腔，所述空腔被ー膠套分隔成內腔以及ー圍腔，內腔內放置待測巖心，通過往圍腔內打入不同壓カ的流體對巖心施加不同的環壓，從而模擬不同的地層壓力。加溫裝置一般為恒溫箱，巖心夾持器位于恒溫箱內，通過調節恒溫箱的溫度來模擬地層溫度。該系列巖心夾持器雖能模擬地層溫度及壓力，但任ー時刻，整個巖心所模擬的環壓及溫度是處處相同的，實際地層中不同位置處的壓力和溫度是不同的，因此該系列巖心夾持器不能很好的模擬真實地層環境情況。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可模擬地層溫度及壓カー維分布的物理模擬方法，以及能使用該方法開展物理模擬實驗所需的裝置，并且裝置結構的設計使得裝卸巖心非常方便。本發明的目的是通過如下技術方案實現的一種地層溫度及壓カー維分布的物理模擬方法，其特征在于，包括如下步驟I)確定地層溫度及壓カ沿某一方向變化的曲線，該曲線一般為平滑連續曲線，根據模擬精度要求，將地層細分為多個子層，各子層相互平行，每一子層的溫度和壓カ都賦ー定值，從而將溫度及壓カ沿某一方向連續變化的平滑曲線轉變為隨層數而不連續變化的分段直線；各子層賦予的溫度值和壓力值分別通過各子層對應的溫度和壓カ的變化曲線求得。2)根據步驟I中地層細分的層數設計一中空夾持裝置，裝置的圍腔分層，圍腔的層數與步驟I中細分后的地層層數相等，各子圍腔厚度比與步驟I中各子層厚度比相同；3)將從所模擬地層取得的巖心包于一保護套內，然后將其放置于步驟2中所設計裝置的中空室內，并通過關閉上下堵頭來密封裝置，所取巖心的形狀與中空室形狀相同，幾何尺寸比中空室尺寸稍小；4)往步驟2中所設計裝置的各子圍腔內注入流體，各子圍腔內流體的溫度及壓力與步驟I中各子層的溫度及壓カ相同，在流體壓カ作用下，各子圍腔膨脹促使各子圍腔內壁與保護套，保護套與巖心兩兩貼合，這樣液體的壓カ經過各子圍腔內壁和保護套作用到巖心上，在熱傳遞作用下，經過一定時間后，巖心各層的溫度與各子圍腔內流體的溫度相等，從而實現在巖心中模擬地層溫度及壓カ的ー維分布。往各子圍腔內注入的流體可以是同一種流體，或多種流體；流體是氣體，或液體，以比熱容大的液體最佳。往各子圍腔內注入的流體的壓カ通過調節注入量的大小實現與地層壓カ相等；
一種地層溫度及壓カー維分布的物理模擬裝置，裝置為中空夾持裝置，裝置的圍腔分層，圍腔的層數與地層層數相等，各子圍腔厚度比與各子層厚度比相同，其中套筒分為外套筒和內套筒，膠套分為外膠套和內膠套，并且外套筒的內測、內套筒的外側、外膠套的內測及內膠套的內外兩側均為平滑面。裝置包括套筒、膠套、上堵頭I和下堵頭15,膠套置于套筒的內腔內，套筒分為外套筒2和內套筒19，外套筒內側和內套筒外側均為平滑面，外套筒和內套筒上有同數量且多于ー個的進液孔5、8、11、14和24、25、26、27，外套筒和內套筒組裝后，兩兩相應進液孔彼此連通，內套筒內側有彼此相隔一定距離的ー組突起28、29、30 ;膠套分為外膠套16和內膠套17，外膠套內側和內膠套內外兩側均為平滑面，外膠套外側有彼此相隔一定距離的ー組突起31、32、33，內套筒和外膠套組裝后，內套筒上的突起28、29、30分別和外膠套上的突起31、32、33兩兩耦合，從而把圍腔分割成多個子圍腔20、21、22、23 ;內膠套內腔即為包裝巖心的中空室18。所述各子圍腔20、21、22、23內可置入加熱棒3、6、9、12，加熱棒上帶有連接電源的導線 4、7、10、13。所述進液孔(5、8、11、14內側壁車有螺紋。加熱棒3、6、9、12分別通過所述進液孔5、8、11、14置入子圍腔20、21、22、23，并通過螺母固定于所述進液孔5、8、11、14上。外套筒2、內套筒19、外膠套16、內膠套17按照由外向內的順序組合；外套筒2和內套筒19采用不銹鋼制品，外膠套16和內膠套17采用橡膠制品。更換巖心時，只需將內膠套從中空室取出，更換巖心后再放入即可，不需要拆卸內套筒和外膠套。
圖I是本發明巖心夾持器總體結構示意圖；圖2是巖心夾持器橫剖面圖；圖3是經過進液孔的外套筒縱剖視圖；圖4是經過進液孔的內套筒縱剖視圖；圖5是外膠套縱剖視圖。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進ー步詳細描述以模擬地層溫度及壓カ隨深度變化(即縱向ー維分布)為具體實施方式
進行詳細描述。首先通過地質勘探開發等手段獲得所要模擬地層的溫度及壓カ隨深度變化的曲線，根據模擬精度要求，將地層細分為多個水平子層，比如將某段4米厚的地層細分為4個水平子層，分別用L1、L2、L3和L4表示，且4個水平子層厚度相同，都為I米，各水平子層的溫度和壓カ均賦一定值，分別為V T2、T3、T4和P1' P2、P3、P4,在這里，溫度V T2, T3> T4和壓カP1^ P2、P3、P4通過對水平子層L1. L2, L3和L4相應的溫度和壓カ曲線求算數平均得到；然后根據地層細分后的子層數(這里為4)，設計一中空夾持裝置(如圖I所示)，該裝置為帶有圍腔34和中空室18的巖心夾持器，裝置的圍腔分層，圍腔的層數與水平子層數相等，各子圍 腔分別為20、21、22和23，且各子圍腔厚度相同，其中套筒分為外套筒2和內套筒19，膠套分為外膠套16和內膠套17，外套筒2、內套筒19、外膠套16和內膠套17的整體形狀為圓柱形(如圖2所示)，外套筒2的內測、內套筒19的外側、外膠套16的內測及內膠套17的內外兩側均為平滑圓柱面，外套筒上有四個進液孔5、8、11和14，且進液孔5、8、11和14內側壁車有螺紋，內套筒上有四個進液孔24、25、26和27，外套筒和內套筒組裝后，進液孔5和24，8和25，11和26，14和27兩兩進液孔彼此連通(如圖I所示)，內套筒19內側有三個等間距的類“V”形突起28、29和30，且自上向下，類“V”形突起28、29和30的高度逐漸減小，外膠套16外側有三個等間距的類“Μ”形突起31、32和33，且自上向下，類“Μ”形突起31、32和33的高度逐漸増大，類“V”形突起和類“Μ”形突起高度的漸變設計，使得外膠套16自下向上插入內套筒19時比較容易，即便于內套筒19和外膠套16耦合，通過內套筒19和外膠套16的耦合即可將圍腔34分割成四個子圍腔20、21、22和23，其中外套筒2和內套筒19均為不銹鋼制品，外膠套16和內膠套17均為橡膠制品；接著將從所模擬地層取得的圓柱形巖心包于內膠套17內，并將其放置于外膠套16的內腔里，然后關閉上堵頭I和下堵頭15以密封巖心夾持器，將加熱棒3、6、9和12分別放入子圍腔20、21、22和23內，并用螺母分別固定在外套筒上的四個進液孔5、8、11、14的側壁上；將巖心密封于巖心夾持器后，接著往各子圍腔內注入流體，這里選擇比熱容大的液體，注入方式為通過平流泵慢速注入，往四個子圍腔內注入液體的溫度分別為V T2, T3和T4，注入過程中，加熱棒3、6、9和12分別通過導線4、7、10和13與可調電源相連，通過調節電源控制加熱棒3、6、9和12的溫度分別保持為1\、T2、T3和T4,隨著注入量的増加，液體壓カ不斷増加，直到四個子圍腔20、21、22和23內液體的壓カ分別達到Pi、P2、P3、P4時停止注入液體，在液體壓カ作用下，各子圍腔膨脹，主要是外膠套16膨脹，外膠套16的膨脹促使外膠套16與內膠套17，內膠套17與巖心兩兩貼合，這樣液體的壓カ經過外膠套16和內膠套17作用到巖心上，在熱傳遞作用下，經過一定時間后，巖心各層的溫度與各子圍腔內液體的溫度相等，從而實現在巖心中模擬地層溫度及壓カ隨深度的分布。與現有技術相比，本發明的有益效果是，可以實現模擬地層溫度及壓カ的ー維分布，并且所設計的中空夾持裝置結構簡單，便于加工，尤其是其雙套筒雙膠套結構使得裝卸巖心非常方便。
權利要求
1.一種地層溫度及壓力一維分布的物理模擬方法，其特征在于，包括如下步驟 1)確定地層溫度及壓力沿某一方向變化的曲線，該曲線為平滑連續曲線，根據模擬精度要求，將地層細分為多個子層，各子層相互平行，每一子層的溫度和壓力都賦值，從而將溫度及壓力沿某一方向連續變化的平滑曲線轉變為隨層數而不連續變化的分段直線； 2)根據步驟I)中地層細分的層數設計中空夾持裝置，裝置的圍腔分層，圍腔的層數與步驟I)中細分后的地層層數相等，各子圍腔厚度比與步驟I)中各子層厚度比相同； 3)將從所模擬地層取得的巖心包于保護套內，然后將其放置于步驟2)中裝置的中空室內，并通過關閉上下堵頭來密封，所取巖心的形狀與中空室形狀相同，幾何尺寸比中空室尺寸小； 4)往步驟2中所設計裝置的各子圍腔內注入流體，各子圍腔內流體的溫度及壓力與步驟I)中各子層的溫度及壓力相同，在流體壓力作用下，各子圍腔膨脹促使各子圍腔內壁與保護套，保護套與巖心兩兩貼合，液體壓力經過各子圍腔內壁和保護套作用到巖心上，在熱 傳遞作用下，巖心各層的溫度與各子圍腔內流體的溫度相等，從而實現在巖心中模擬地層溫度及壓力的一維分布。
2.根據權利要求I所述的地層溫度及壓力一維分布的物理模擬方法，其特征在于各子層賦予的溫度值和壓力值分別通過各子層對應的溫度和壓力的變化曲線求得。
3.根據權利要求I所述的地層溫度及壓力一維分布的物理模擬方法，其特征在于往各子圍腔內注入的流體可以是同一種流體。
4.根據權利要求3所述的地層溫度及壓力一維分布的物理模擬方法，其特征在于流體是氣體或液體，以比熱容大的液體最佳。
5.根據權利要求I所述的地層溫度及壓力一維分布的物理模擬方法，其特征在于往各子圍腔內注入的流體的壓力通過調節注入量的大小實現與地層壓力相等；所述的各子層賦予的溫度值和壓力值，是通過對相應子層的溫度和壓力變化曲線求平均得到，或通過其它算法求解。
6.一種物理模擬地層溫度及壓力一維分布的裝置，該裝置包括套筒、膠套、上堵頭(I)和下堵頭(15)，膠套置于套筒的內腔內，其特征在于套筒分為外套筒(2)和內套筒(19)，夕卜套筒內側和內套筒外側均為平滑面，外套筒和內套筒上有同數量且多于一個的進液孔，夕卜套筒和內套筒組裝后，兩兩相應進液孔彼此連通，內套筒內側有彼此相隔一定距離的一組突起；膠套分為外膠套(16)和內膠套(17)，外膠套內側和內膠套內外兩側均為平滑面，夕卜膠套外側有彼此相隔一定距離的一組突起，內套筒和外膠套組裝后，內套筒上的突起分別和外膠套上的突起兩兩耦合，從而把圍腔分割成多個子圍腔；內膠套內腔即為包裝巖心的中空室(18)。
7.根據權利要求6所述的物理模擬地層溫度及壓力一維分布的裝置，其特征在于各子圍腔內可置入加熱棒，加熱棒上帶有連接電源的導線。
8.根據權利要求6所述的物理模擬地層溫度及壓力一維分布的裝置，其特征在于所述進液孔內側壁車有螺紋。
9.根據權利要求6所述的物理模擬地層溫度及壓力一維分布的裝置，其特征在于加熱棒分別通過所述進液孔置入子圍腔，并通過螺母固定于所述進液孔上。
10.根據權利要求6所述的物理模擬地層溫度及壓力一維分布的裝置，其特征在于外套筒(2)、內套筒(19)、外膠套(16)、內膠套(17)按照由外向內 。
全文摘要
本發明公開了一種可模擬地層溫度及壓力一維分布的物理模擬方法，以及能使用該方法開展物理模擬實驗所需的裝置。該方法的模擬過程分為四步，首先根據模擬精度要求，將地層溫度及壓力沿某一方向變化的平滑曲線轉變為隨層數而變化的分段直線；然后設計一帶有圍腔的中空夾持裝置；接著將從地層取得的巖心密封于中空室內；最后往各子圍腔內注入一定溫度和壓力的流體，進而模擬地層溫度及壓力沿某一方向的變化。巖心夾持裝置的圍腔分層，且層數與地層子層數相等，各子圍腔厚度比與各子層厚度比相同，其雙套筒雙膠套結構及其平滑側壁設計使得裝卸巖心非常方便。
文檔編號E21B49/00GK102852517SQ20121032971
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者劉金玉, 王殿生, 高建申, 隋宏光, 閆國亮, 呂守鵬, 王偉麗, 周鵬威 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油大學(華東)