一种微观可视化驱替模拟系统及其使用方法与流程

本发明涉及一种微观可视化驱替模拟系统及其使用方法，属于油气田开发技术领域。

背景技术：

目前，在油气田开发过程的研究中，从宏观到微观的发展已经成为不可抗拒的趋势。微观模型现已大量出现，并用于油气开采的微观模拟实验中。微观模型种类繁多，玻璃微观模型在众多微观模型的应用中脱颖而出。制作玻璃模型离不开光刻技术的发展，光刻技术中的精华为光刻胶技术。微观驱油系统是近几年油气田开发实验中研究较多的科研项目，通过高倍显微镜观察可视化的微观驱油模型，可直观的观察到油水在模型中的渗流情况及残余油在刻蚀模型内分布情况。同时通过显微镜实时把驱油时流体每一步流动情况传输至电脑，为研究驱油过程提供直观的数据。

微观物理模拟就是借助显微镜的放大、录像以及图像处理技术研究储层流体的微观渗流过程，从而揭示多孔介质中流体的微观分布特征。申请号为201510236593.6的中国专利《一种基于CT数字岩心的微观驱替实验系统及微观驱替实验方法》，其所采用的方式是用CT扫描技术再现孔隙中流体分布的变化，其成本高、速度慢、再生图像过程中容易出现二次偏差；申请号为201410642984.3的中国专利《稠油热采微观驱替实验系统》，其在驱替时不能达到实验所需的连续、恒定压力；申请号为201410500078.X的中国专利《一种稠油二维微观可视化驱替模拟实验系统及其使用方法》，其所采用的观察系统为高清摄像机，而摄像机系统的分辨率在实验环境下，常常不能清晰地观察到微观模型的情况；申请号为200820123024.6的中国专利《高温高压微观实验夹持器》，其所采用的模型只有一个中间容器，无法实现多种驱替，且中间容器，不具有保温作用，影响实验测试结果；目前的微观物理驱替模型虽然能够模拟驱替过程中油水的分布情况，但由于装置的局限并不能较好的还原驱替的条件，达不到实验模拟的本质而且，现有技术，大都是通过多个中间容器连接到六通阀上，通过变换六通阀的通道实现与不同中间容器的联通，由于六通阀倒换开关存在人为的时间间隔，会存在进入岩心的流体在已有注入压力下回流至六通阀，产生实验误差；而用气动控制组件控制，在瞬间倒换开关，可以减少回流的影响，实验更加精准。

技术实现要素：

针对上述问题，为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够提供恒定压力、图像识别度高的驱替观测装置。其目的在于：

(1)通过高分辨观测及采集系统的试制加工后，图像识别率高，能清晰的观测到流体的流动特征，能很好的描述和计算大小孔隙结构中油水分布状态和不同状态下孔隙中的油水饱和度值。

(2)通过驱替系统的试制加工后，能形成稳定的驱替压力，在水驱及其他驱替过程中观察到流体的渗流特征，并能很好的描述驱替过程中各种流体的驱替动态，对驱油机理进行深层次的探讨。

本发明的技术方案如下：

一种微观可视化驱替模拟系统，包括高分辨观测及采集系统、驱动系统；

其特征在于，所述高分辨观测及采集系统包括显微镜放大系统、动态捕捉系统、照明系统、载物台系统和图像采集处理系统；所述显微镜放大系统包括显微镜和变焦控制面板；所述动态捕捉系统是一台高速摄像机；所述照明系统包括冷光源，色温滤色，卤素灯炮，单支光纤，透射光附件；所述载物台系统包括手动调焦机构、大型底座、LED灯源，所述LED灯源可以随着载物台进行升降，同时对光源进行调节；

所述驱动系统包括抽真空饱和系统、调压系统、数据采集分析系统、注水泵、储油中间容器和储水中间容器；所述抽真空饱和系统；所述抽真空饱和系统设有真空泵和管线；

所述注水泵连接通过气动控制组件连接储油中间容器、储水中间容器和聚合物中间容器，储油中间容器、储水中间容器和聚合物中间容器出口端均设有单向阀，通过单向阀后管道汇聚到一起并连接到模型夹持器的入口端，避免自身液体或其他液体回流，模型夹持器的出口端连接量筒；

所述模型夹持器放置于载物台系统上，载物台系统上表面为透明玻璃，模型夹持器放置于玻璃上，玻璃下方设有照明系统，对准模型夹持器中心的透光孔；

所述动态捕捉系统和显微镜放大系统安装在一起，高速摄像机连接在显微镜后，并将数据传输到图像采集处理系统，通过变焦控制面板对焦距进行控制。

进一步的，所述气动控制组件包括气动阀、电磁阀、空压机，型号为华宝CV310型。

进一步的，所述储油中间容器和储水中间容器上包裹有通过伴热带连接的电单晶硅片，构成加热系统，伴热带安装有开关，加热系统的温度可通过开关调节。

进一步的，所述调压系统采用恒速驱替，配合动态捕捉系统，采用恒压驱替的方式在压力区间值为0.001—0.8MPa进行调压。

进一步的，所述数据采集分析系统及辅助系统对压力的变化进行监测和控制，采用电脑对其进行数据采集和分析操作。

进一步的，所述微观夹持模型的入口端有两个接头，出口端连接一个接头，方便转注流体在进入模型前对流体进行循环，确保流体能较快的进入模型的孔隙空间。

进一步的，所述照明系统采用冷光源1500LCD的透射光、鹅颈式双向光导管和LED光源。

微观可视化刻蚀模型制作完成后，放入特制的模型夹持器中，利用显微镜放大系统、动态捕捉系统、高速录像系统、照明系统、载物台系统和图像采集处理系统的相互结合就可以观测流体在多孔介质中的流动特征。

本发明的有益之处在于：

本发明通过简化现有驱替模拟系统，减少了中间容器数量，通过控制器控制气动控制组件，避免了六通阀操作的繁复性，操作更为简单，节省了人力和时间；因为六通阀倒换开关存在人为的时间间隔，会存在进入岩心的流体在已有注入压力下回流至六通阀，产生实验误差；而用气动控制组件控制，在瞬间倒换开关，可以减少回流的影响，实验更加精准；同时，通过控制器控制气动控制组件来控制油水聚中间容器的开关，可以更加精准地控制注入量，达到自动转换的目的；本发明的中间容器，均设有伴热带，具有加热保温的作用，能极好的模拟地层温度，实现保温效果，进一步提高测试的准确性。

附图说明

图1为实验步骤流程图；

图2为实验结果及相关过程中截取的图片；

图3为LED照明系统改造前真实岩心可视化模型改造前观测效果；

图4为LED照明系统改造前真实岩心可视化模型改造后观测效果；

图5为中间容器剖面图；

图6为活塞内部结构示意图。

图中：1、注水泵；2、气动控制组件；21、气动开关；3、聚合物中间容器；4、储油中间容器；5、储水中间容器；6、单晶硅片；7、量筒；8、压力传感器；9、载物台系统；10、夹持器模型；11、显微镜放大系统；12、电脑。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施对本发明进行详细描述。

本发明主要包括高分辨观测及采集系统、驱动系统；

高分辨观测及采集系统包括显微镜放大系统11、动态捕捉系统、照明系统、载物台系统9和图像采集处理系统：

(1)显微镜放大系统

显微镜放大系统11包括显微镜和变焦控制面板。在实验观测采集过程中，需要应用显微镜的放大采集功能对微小流体的特征进行观测，本发明采用230倍的显微镜，再添置100倍的镜头进行观测，增加了视野范围，而且工作范围变大，两种镜头可以互相扬长补短，各自发挥作用。

(2)动态捕捉系统

通用的摄像系统1s才能拍摄一张动态图片，这样就导致流体的快速突破很难被捕捉，从而，本发明添置高度摄像机对微观流体的动态特征进行捕捉，拍摄速率能达到1630帧/秒。

(3)照明系统

照明系统包括冷光源，色温滤色，卤素灯泡，单支光纤，透射光附件等。本发明的照明系统采用冷光源1500LCD的透射光、鹅颈式双向光导管和LED光源，反射光与透射光相互协调配合，改进后能清楚的观察到模型中的岩石的孔喉结构以及油水的流动特征，改进效果如图三所示。

(4)载物台系统9

载物台系统9包括手动调焦机构、大型底座等，LED灯源可以随着载物台进行升降，同时对光源进行调节，可以满足不同实验的需求。

(5)图像采集处理系统

动态捕捉过程中，把摄像机采集到的图片和动画传输到电脑12软件中，通过传输的动画，可以直观的观察油驱水、水驱油，聚合物驱及其它化学驱的流体流动过程，以及残余油分布情况，残余油的启动等一系列微观渗流特征；同时通过分析软件可以分析出不同色相的灰度值，算出不同的油水比分布。

驱动系统包括抽真空饱和系统、调压系统、储液系统和数据采集分析系统。制作的微观可视化刻蚀模型能利用夹持器模型10制作成重复使用的微观可视化模型，同时能保证在一定驱替压力下流体能流动，配合图像捕捉系统也能准确的捕捉到流体的流动细节。

(1)抽真空饱和系统

随着饱和油的不断进行，饱和油过程中会产生很多气泡，气阻效应阻碍了油水的进入，不仅会使得进入的压力增加，而且影响流体的实际流动过程。所以在注水或者注油前增加了抽真空饱和系统。储油中间容器4或储水中间容器3，其内部剖面图如图5所示，当P1>P2时，A腔中的水会挤压活塞E，进而推动B腔中流体的驱动，目前的活塞E多为实体，P1、P2压力相差较大且直接作用于活塞E，容易造成活塞的波动，导致驱替压力不能恒压驱替，本发明改进活塞内部结构，如图6所示，将原本实心活塞内部改装成上、下两个空腔，且活塞顶部、底部各开有一孔，中间容器工作时，流体首先经由底部小孔进入空腔D中，此时P1>P1’，且整个活塞E向上驱动B中的流体，B中的流体受到挤压经由顶部小孔流入空腔C中，此时空腔C中的压力为P2’，P1’推动中间小活塞F向上驱动，最终P1’>P2’，此时P1’、P2’共同作用于小活塞E上，因为P1’、P2’的压差小于P1、P2的压差，此时活塞受到压力的作用较小，能够减缓波动，最终基本保持恒压驱动。

(2)加热系统

储水中间容器5、储油中间容器4、聚合物中间容器3分别包裹有通过伴热带连接的电单晶硅片，构成加热系统，通过伴热带上的开关控制进行加热和保温，能极好的模拟地层温度，实现保温效果，进一步提高测试的准确性。

(3)调压系统

采用恒速驱替，模型中的流体会出现突破，跳跃等现象，为了配合动态捕捉系统，本发明采用恒压驱替的方式，并通过不断的试验，找到一个稳定的压力区间值为0.001—0.8MPa。在这个压力区间上，不仅可以保证流体流动，同时保证流体在多孔介质中流动状态能够被采集。

(4)储液系统

储液系统不仅仅是包括模型流出端液体的收集，而是包括整个驱替流程中液体量的控制。由于微观驱替过程比较缓慢，微观可视化刻蚀模型的孔隙体积比较小，所以前面的管线以及很小的孔隙的残余液体都会影响后续液体分布动态特征以及最终的计算，所以油、水、其他化学驱液体都由确定直径的管线进行连接，由于可视化模型是配合夹持器模型10使用，为避免夹持器模型10前端缝隙里的液体影响后续驱替，所以驱替前对夹持器模型10入口端进行注入液体的循环。

(5)数据采集分析系统及辅助系统

在驱替过程中，采用数据采集系统对压力的变化进行监测和控制。在驱替系统中最大的辅助系统是微观夹持模型的改进，原始的微观可视化模型是需要通过两块玻璃烧结而成，但是烧结难度高，成功率低，而且烧结后的模型图形可能出现凹凸不平的现象，所以对此我们组装了夹持器模型10，夹持器模型10不仅能使两块玻片能够仅仅的结合在一起形成微观流道，而且密封性很好。夹持器模型10入口端有两个接头，出口端连接一个接头，方便转注流体在进入模型前对流体进行循环，确保流体能较快的进入模型的孔隙空间。

微观可视化刻蚀模型制作完成后，放入特制的夹持器模型10中，利用显微镜放大系统11、动态捕捉系统、高速录像系统、照明系统、载物台系统9和图像采集处理系统的相互结合就可以观测流体在多孔介质中的流动特征。

一种微观可视化驱替模拟系统的使用方法，其具体实验步骤如下：

①将常温下原油进行抽真空，除去其中的气泡；

②配制溶液；

③安装模型：将微观可视化刻蚀模型放置在模型夹持器10中，安装后试气，看其密封性与连通性；若不漏气且出口端气流流出连续稳定开始进行下一步实验；

④连接流程，将注水泵1与气动控制组件2连接，将储水中间容器5、储油中间容器4、聚合物中间容器3外部包裹单晶硅片6，单晶硅片6连接有，将储水中间容器5、储油中间容器4、聚合物中间容器3出口管线汇聚后与模型夹持器10相连，将压力传感器8接在模型夹持器10两端，测量模型夹持器10入口端与出口端的压差；

⑤打开电脑12及相关软件界面，设好相关录像参数；通过气动开关21操作气动控制组件2，来掌控储水中间容器5、储油中间容器4、聚合物中间容器3的工作情况；

⑥将微观可视化刻蚀模型抽真空，然后饱和水，水的颜色为紫色或蓝色，设定好饱和水压力；

⑦饱和油，恒压饱和油，油的颜色为红色，油驱水至模型中完全充满油为止；

⑧水驱油，用恒定压力驱替油，用计算机和摄像机录取实验过程的图像，计算采收率；

⑨聚合物溶液或者其他流体恒压注入驱油，观察驱油后的残余油状况，并录取驱替过程中的动态图像；

⑩分析图像，计算不同驱替阶段的采收率；清洗微观可视化刻蚀模型，结束实验。

图2、3、4为实验结果及相关过程的图片，分别为放大到10μm、100μm、500μm的图形，通过抽真空系统的试制后，原油饱和度很高；经过改制加工后，高分辨观测及采集系统能清楚的捕捉到流体的流动，各种颜色的流体辨识度很高，能方便图像采集系统很好的进行识别，放大的倍数能看到孔喉细节的变化，满足实验要求，经过改进后的光源系统能很好清晰的看到孔喉结构关系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不局限于上述方式，在不脱离本发明原理的前提下，还能进一步改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。