一种用于稠油雾化掺稀降粘的模拟系统及模拟方法
技术领域
本发明属于采油工程技术领域，具体地涉及一种用于稠油雾化掺稀降粘的模拟系统。本发明还涉及一种用于稠油雾化掺稀降粘的模拟方法。
背景技术
随着国民经济的发展，我国对石油的需求也飞速增加。我国原油进口量居全球第二，且对外依赖度超过了60％。石油产量已经成为影响国家安全的重要因素。然而，我国稠油份额占石油剩余可采储量的40％，因此，研发高效、环保、低成本的稠油开采新技术显得尤为重要。稠油中轻质组分含量低，而胶质、沥青质含量高。此外，稠油粘度对温度敏感，随着稠油温度的升高其粘度显著降低，稠油热采的主要机理主要基于这一特点。然而，与常规轻质原油相比，稠油的粘度高、密度大、流动性差。这不仅增加了稠油的开采难度和成本，而且降低了油田的最终采收率。由此，改善稠油流动性成为解决稠油开采问题的关键。
现有技术中有一种稠油开采技术，以塔河油田采取的掺稀降粘的方法为例，即以稀油作为动力液的水力喷射泵，向井筒内注入稀油，同时入口注入气体，在压力的作用下稀油及气体与井筒底部的稠油进行掺混。在稠油中掺入适量稀油后其黏度将明显降低，混合液密度下降，能够改善井筒的流通环境。
然而，稀油与稠油在井底仅仅依靠泵的抽吸作用来混合。不注气时，稠油黏聚成一团，稠油与稀油的混合过程不明显，其混合均匀程度低。注入气体时，气体对稠油和稀油产生了明显的搅拌作用，但是当天然气进入油管内，未与稠油均匀掺混时，会形成气窜，使得稠油产液量小于注入的稀油量，从而导致气举效率大幅降低。在实际生产中，利用注入稀油降粘的经济效益较差。该技术对稀油的需求量大，稠油掺稀生产时常面临着稀油资源供应不足的问题，且把稀油掺入稠油，对稠油和稀油的品质都有较大影响。此外，采用掺稀混合方法虽然降低了稠油混合液的粘度，但是稀油在掺入前须经过预处理，这在一定程度上增加了能源消耗。稀油和稠油混合共管外输时，增加了输送量。在价格上，稀油也高于稠油。这些都严重影响了稠油开采的经济效益。
目前，随着掺稀降粘工艺的推广应用，上述中的各问题显得越来越明显。为了缓解这些问题，急需对目前的掺稀工艺进行合理优化，并且掺稀混合的流动流态变化也亟待观察记录以进行分析。然而，现有井筒模拟实验装置均无法模拟雾化后的稀油和天然气混合流体与稠油掺混井筒流动过程。因此，亟需一种可视化的稠油雾化掺稀降粘模拟实验系统，以便指导稠油油田雾化掺稀降粘开采。
发明内容
针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于稠油雾化掺稀降粘的模拟系统，其能够将可调式油气雾化装置与井筒流动模拟相结合，并通过油气雾化装置形成雾化液滴，且能够模拟稀油液滴和天然气混合物与稠油在井筒内的掺混及流动过程，从而模拟稠油雾化气举开采的过程。
本发明还提供了一种用于稠油雾化掺稀降粘的模拟方法。
为此，根据本发明提出了一种用于稠油雾化掺稀降粘的模拟系统，包括：竖直布置的主管，所述主管包括外筒和同心设置在所述外筒内的内筒，在所述外筒和所述内筒之间形成有环空部分；设置在所述主管的侧壁上端的油气雾化装置，其包括设置在所述外筒侧壁上且与所述环空部分连通的喷嘴；与所述主管连通的油罐，所述油罐通过连接管道分别与所述主管的上端和下端连通而形成闭合的循环系统；其中，在所述主管的下端入口与所述油罐之间设有管道泵，注入所述油气雾化装置的气体和稀油形成雾化液滴并从所述喷嘴喷出，以进入所述环空部分并下行，且在气体的压力作用下与所述主管底部的来自所述油罐的稠油及气体掺混而形成混合液，形成的混合液能够在所述管道泵和气体压力的作用下沿着所述内筒向上举升以进行气举开采，从而模拟稠油雾化气举开采的过程。
在一个优选的实施例中，在所述连接管道的靠近所述主管的连通口处分别设有第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀和所述第二单向阀分别用于控制所述混合液和所述油罐内的稠油的流向。
在一个优选的实施例中，所述油气雾化装置包括进液口和进气口，且所述油气雾化装置构造成能够调节所述喷嘴的喷射角度和喷射压力，以形成不同粒径的雾化液滴。
在一个优选的实施例中，在所述喷嘴和所述外筒的内壁上设有若干压力传感器，用于测量所述环空部分的压降。
在一个优选的实施例中，所述外筒采用透明材料制成，且在所述主管侧部架设有摄像机，所述摄像机能够透过所述外筒拍摄雾化液滴下行以及与稠油掺混的过程和形态。
在一个优选的实施例中，所述连接管道之间采用法兰连接，所述连接管道与所述主管之间采用变径法兰连接。
在一个优选的实施例中，还包括测量系统，所述测量系统用于测量并分析所述油气雾化装置形成的雾化液滴的粒径分布。
在一个优选的实施例中，在所述油罐的上方设有注液口，在所述油罐的下方设有出液口，且所述注液口和所述出液口均安装有变径接口。
一种用于稠油雾化掺稀降粘的模拟方法，使用上述的模拟系统，包括以下步骤：
打开所述第一单向阀和所述第二单向阀以使所述油罐内的稠油注入到所述主管的底部，直至所述主管的底部的稠油液面与所述油罐内的稠油液面等高关闭所述第一单向阀；
启动所述油气雾化装置并分别向所述油气雾化装置注入气体和稀油，以形成雾化液滴并从所述喷嘴喷出进入所述环空部分；
形成的雾化液滴在所述环空部分下行，并在气体压力作用下与所述主管底部的来自所述油罐的稠油以及气体掺混而形成混合液；
开启所述管道泵，使形成的混合液在所述管道泵和气体压力的作用下沿着所述内筒向上举升，以进行气举开采，从而模拟稠油雾化气举开采的过程。
在一个优选的实施例中，所述气体为天然气，且天然气和稀油等体积等流量地注入所述油气雾化装置。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1示意性地显示了根据本发明的用于稠油雾化掺稀降粘的模拟系统的结构。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
需要说明的是，本申请中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”、“左”、“右”等均是针对所参照的附图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。
图1示意性地显示了根据本发明的用于稠油雾化掺稀降粘的模拟系统100的结构。如图1所示，模拟系统100包括主管110，主管110作为模拟系统100的主体。主管110垂直于水平面竖直布置，主管110包括若干节固定连接的外筒111和若干节固定连接内筒112，内筒112同心布置在外筒111的内部。在一个实施例中，相邻的外筒111之间及相邻的内筒112之间均通过法兰形成固定连接。内筒112的直径小于外筒111的直径，从而在内筒112和外筒111之间形成了环空部分113。
在本实施例中，内筒112采用不锈钢材料制成的套管。外筒111采用透明材料制成，优选地，外筒111采用透明的PVC材料制成的套管。
如图1所示，在主管110的侧壁上端设有油气雾化装置120。油气雾化装置120固定连接在外筒111的侧壁上，且与环空部分113连通。油气雾化装置120包括主体部分以及与主体部分的一端(图1中的左端)相连的喷嘴122，喷嘴122与环空部分连通。由此，喷嘴122与环空部分113形成了用于稀油与气体混合雾化的雾化段。而主管110的环空部分的下端为用于稀油、气体以及稠油进行混合的掺混段。内筒112作为稀油、气体以及稠油三相充分掺混后形成的混合液进行举升的举升段。主体部分设有分别用于注入稀油和气体的进液口123和进气口124。在一个实施例中，气体为天然气。在主体部分的另一端(图1中的右端)连接有用于控制喷嘴流量的旋转阀门。调节旋转阀门能够控制喷嘴122的喷射角度和喷射压力，从而实现对稀油形成不同程度的雾化。
根据本发明，该油气雾化装置120的一个具体实施例，例如可参见同一申请人同日提交的发明名称为“一种可调式油气雾化装置”的专利申请，该申请通过引用全文结合到本文中。
根据本发明，在主管110内和喷嘴122内设有若干压力传感器126。如图1所示，压力传感器126设置在喷嘴122的内壁上，以及间隔开设置在外筒111的内壁上，用于测量雾化段内不同位置的压力。在一个实施例中，在外筒111的壁面上多处开孔，用于放置压力传感器126。为了防止压力传感器126安装后出现滑脱的现象，压力传感器126在安装前，在其螺纹部分上涂抹防脱化合物。压力传感器126通过与之相配套的控制采集系统(未示出)进行数据采集。在工作过程中，压力传感器126将压力信号转为电信号，再转换显示出测量点的压力，从而测量出整个主管110的压降。有利于控制稀油在雾化段的雾化效果，从而有利于提高模拟实验的效果。
如图1所示，模拟系统100还包括用于存放稠油的油罐130，油罐130水平布置。油罐130的一端(图1中的右端)的下部通过一段连接管道与主管110的下端连通，油罐130的另一端(图1中的左端)上部通过若干段连接管道与主管110的上端连通，从而形成了能够闭合的循环通道。图1中的内筒112和连接管道内的箭头的指示方向为雾化液滴在内筒112和连接管道内的流动方向。在图1所示实施例中，油罐130与主管110上端之间的若干段连接管连接设置成与主管110平行的竖直段和与油罐平行的水平段。
在本实施例中，相邻的连接管道之间通过法兰形成固定连接，连接管道与主管110之间采用变径法兰形成固定连接。连接管道与主管110之间的这种连接方式不仅能够保证连接的稳定性，而且能够有效保证连接处的密封性，从而保证模拟系统100的密封性能。
在一个实施例中，在油罐130的上方设有注液口131，而在油罐130的下方设有两个对称设置的出液口132。注液口131和出液口132均安装有变径接口，注液口131通过变径接口连接注油管以向油罐130注入稠油，出液口132通过变径接口连接排油管用于排出油罐130内的液体。
根据本发明，在主管110的下端与油罐130之间的连接管道上设有管道泵140，管道泵140用于将油罐130中的稠油泵入主管110的下端的渗混段内，从而启动循环通道。同时，在连接管道的靠近主管110的上端和下端的连通口处分别设有第一单向阀142和第二单向阀144，第一单向阀142和第二单向阀144在循环通道内的方向设置成相同。第一单向阀142用于控制掺混段内的稀油、气体以及稠油三相充分掺混后形成的混合液的流向，第二单向阀144用于控制所述油罐内的稠油的流向，从而控制混合液的举升方向与稠油的流向保持一致。
在模拟实验过程中，注入油气雾化装置120的天然气和稀油形成雾化液滴后通过喷嘴122进入环空部分113并沿环空部分113下行，雾化液滴在气体压力作用下与天然气及主管110底部的来自油罐130的稠油充分掺混而形成混合液，形成的混合液在管道泵140和气体压力的作用下沿着内筒112向上举升以进行气举开采，从而模拟稠油雾化气举开采的过程。
如图1所示，在主管110的侧部对应雾化段架设有摄像机150，摄像机150用于拍摄捕捉雾化液滴下行以及与稠油掺混的过程和形态。优选地，摄像机150采用高速摄像机。由于外筒111采用透明的套管，由此，摄像机150能够透过外筒111清晰地拍摄捕捉到雾化液滴下行聚并进而形成液膜的过程和形态，以及与稠油掺混的过程和形态，有利于提高实验数据的准确性，提高实验效果。
根据本发明，通过油气雾化装置120形成的雾化液滴在环空部分113内的运动满足控制方程：
其中，τr为液滴或者颗粒的松弛时间，
液滴破碎满足的控制方程：
其中，F是雾化液滴所受的外力，x0是单个液滴即将破碎成两个液滴的位移，mp是液滴的质量，式中k是液滴的刚度系数，dp是液滴直径。
根据本发明，模拟系统100还包括测量系统160，测量系统160用于测量分析通过油气雾化装置120的喷嘴122喷出的雾化液滴的粒径分布。优选地，测量系统160采用Malvern测量系统。测量系统160工作时，先将可拆卸的油气雾化装置120从主管110上拆下。之后，将喷嘴122的出口放置在测量系统120的测量段内。之后，通过进气口124和进液口123分别注入天然气和稀油，由此，在压力作用下形成雾化液滴。雾化液滴通过测量系统160的测量段，可在与仪器相连接的电脑上，实时在线测量显示出喷嘴122喷射出的雾化液滴的粒径分布。调节不同的气液比和压力，能够通过测量系统160测量出不同工况下的雾化液滴的粒径分布情况。由此，能够根据测量的结果分析得到最佳雾化效果的雾化液滴，并调节油气雾化装置120以得到理想的雾化液滴，从而提高实验的精度和效果。
下面简述根据本发明的用于稠油雾化掺稀降粘的模拟方法。该模拟方法包括以下步骤。
首先，打开第一单向阀142和第二单向阀144，并通过油罐130上方的注液口131向油罐130内注入稠油。此时，基于连通器的原理，主管110的底部的掺混段内的稠油与油罐130内的稠油的压力相同，液面等高。
之后，关闭第一单向阀142而保持第二单向阀144打开，并启动油气雾化装置120，分别向进气口124和进液口123注入天然气和稀油。在一个实施例中，天然气和稀油通过科氏流量计测量后等体积等流量地注入油气雾化装置120。然后调节油气雾化装置120的尾部的旋转阀门，来控制喷嘴122的喷射角度和压力，从而使稀油形成不同程度的雾化液滴。油气雾化装置120根据实际需求得到理想的雾化液滴，并从喷嘴122喷出后进入环空部分113。
之后，经油气雾化装置120形成的雾化液滴在高压的天然气的作用下，沿环空部分113向下运动。同时高压的天然气体作用于主管110的底部的与油罐130连通的稠油上，由此，使天然气气体搅动稠油，稠油的液面翻腾滚动，并且裹挟着沿环空部分113向下运动的雾化液滴，从而使得天然气、稀油、稠油在主管110的底部的掺混段内充分掺混而形成混合液。由于液态碳氢化合物相似相容，因此，雾化液滴和天然气有效地降低了混合液的粘度，从而提高了混合液的流动性。
之后，保持第一单向阀142关闭，且保持第二单向阀144打开，并开启管道泵140。由此，使得渗混段内形成的混合液在管道泵140和高压的天然气的压力作用下，沿着内筒112顺流而上，以进行气举开采，从而模拟稠油雾化气举开采的过程。
根据本发明，在雾化液滴下行过程以及天然气、稀油与稠油掺混的过程中，架设在主管110旁边的高速摄像机拍摄捕捉雾化液滴下行以及与稠油掺混的过程和形态，以用于后期图像的处理。
在模拟实验结束时，通过油气雾化装置120的进液口123和进气口124分别注入水和空气，使得水充盈环空部分113内，之后，打开油罐130的排液口132和管道泵140，从而循环排出模拟系统100内的液体，有利于整个模拟系统100的清洗，从而便于下一次重复实验。由此，根据本发明的用于稠油雾化掺稀降粘的模拟系统100能够重复使用。
此外，由于主管110较高，模拟系统100还包括可移动的固定架(未示出)，用于操作人员进行实验操作。在具体实验操作过程中，操作人员需攀爬至可移动的固定架上，以对油气雾化装置120的旋转阀门进行调节，以及对进液口123、进气口124与进液管道、进气管道进行固定连接。同时，通过可移动的固定架能够有效保证主管110在整个模拟实验中的稳定性。
根据本发明的用于稠油雾化掺稀降粘的模拟系统100，通过将可调式油气雾化装置与井筒流动模拟相结合，使其能够模拟天然气和稀油液滴均匀混合后与稠油三相掺混及流动过程，同时能够获得内部雾化粒子运动分布和稀油液滴的流动形态，从而能够对雾化液滴进行定性定量的测量分析以得到注天然气稠油雾化掺稀降粘的效果。由此，模拟稠油雾化气举开采的过程。模拟系统100通过油气雾化装置将稀油打散并与气相均匀混合形成雾化液滴后与稠油掺混，由此，降低了稠油粘度，提高了稠油混合液的流动性，从而提高了稠油的气举开采效率。模拟系统100通过摄像机能够实时观测稀油液滴和天然气均匀混合后下行过程以及与稠油掺混的过程，从而模拟出大型稠油油田现场注气掺稀降粘开采过程中，环空井筒的内部流场的情况，能够为油田现场开采提供有效的指导。此外，模拟系统100体积小、操作简单、便于清洗，可重复使用，并且其可视化精度高，能够广泛应用于稠油井注天然气掺稀雾化开采研究。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
