水电模拟渗流实验7#.doc

中国石油大学渗流力学实验报告实验日期： 2013/5/24 成绩： 班级：学号： 姓名： 教师： 同组者： -实验三 水电模拟渗流实验水电模拟实验是根据水-电相似原理而研制的一种模拟实验装置。它最早应用于油气藏渗流力学问题的实验研究是1933年。二十世纪三十年代至五十年代，数值模拟还没有发展起来，研究油气藏渗流力学问题主要采用数学方法和物理模拟方法。由于水电模拟实验仪器结构简单、操作方便、价格便宜，而且能够直观真实的反映地下流体渗流规律，因此，当时应用得非常广泛。后来由于计算机的出现和迅速发展，数值模拟方法快速发展起来，电模拟实验开展得越来越少。近几年，出现了水平井、分枝井、多底井、鱼骨刺井等复杂结构井，以及多种三次采油技术，这些新的技术和方法的渗流机理十分复杂，仅仅依靠数学解析的方法和数值模拟方法很难准确描述地下流体的渗流规律。另外，目前已有的复杂结构井等渗流问题的研究结果也都是在对地层条件进行了一定程度的简化后得到的，跟实际渗流规律存在一定偏差，甚至与实际情况偏差较大。因此，水电模拟实验重新受到人们的重视。采用水电模拟实验可以很容易地模拟各种复杂的边界条件，可以直接观察流体的流动情况，并且很容易测试油水井产量（注入量）、等势线分布、流线分布等。实验结果还可用来检验数值模拟和解析解的准确性。因此，水电模拟实验再次得到发展和利用。由于水电模拟实验所用的电解质溶液是均匀稳定的，因此它可用来研究均质地层刚性流体的稳定渗流问题。本实验在介绍水电模拟原理、实验装置、测试原理的基础上，介绍平面径向渗流模拟实验、直井五点法井网渗流模拟实验。该类实验具有很大的灵活性和延展性，通过本实验学生可以扩展思路、发挥想象力及创造能力，并能设计出更多、更好的模拟装置，发展扩充完善渗流实验。（本部分内容参考了石油大学北京的渗流力学实验内容）一、水电模拟原理1、水电相似原理利用电场模拟地层流体的渗流规律，机理在于流体通过多孔介质流动的微分方程与电荷通过导体材料流动的微分方程之间的相似性，即水-电相似原理。多孔介质中流体的流动遵守达西定律： (3-1)式中，v流速，m/s；q流量，cm3/s；A渗流截面积，cm2；K渗透率，； 流体粘度，；P压力，0.1MPa。通过导体的电流遵守欧姆定律： (3-2)式中，为电导率，是电阻率的倒数，西门子/cm；U电压，伏；-电流密度，安培/cm2；I-电流，安培，S-导体截面积，cm2。均质地层不可压缩流体通过多孔介质稳定渗流连续性方程： (3-3)均匀导体中电压分布方程： (3-4)对比方程上述方程可以看出：电场与渗流场可用相同的微分方程进行描述，因此，不可压缩流体的稳定渗流问题可用稳定电场进行模拟。于是可以用电位分布来描述渗流场的压力分布，用电流来描述流量或流速，电阻描述渗流阻力。2、水电相似准则物理模拟模型各参数与油层原型相应参数之间存在比例关系，称为相似系数。各相似系数之间满足一定的约束条件，称为相似准则。水电模拟各相似系数定义如下：1）几何相似系数模型的几何参数与油层的相应几何参数的比值。即： (3-5)任意点的几何相似系数必须相同。2）压力相似系数模型中两点之间的电位差与地层中两相应点之间的压差的比值。即： (3-6)3）阻力相似系数模型中的电阻与油层中相应位置渗流阻力的比值。即： (3-7)4）流动相似系数模型中电解质溶液的电导率与地层流体流度的比值。即： (3-8)5）流量相似系数电流与井产量（或注入量）的比值。即： (3-9)式中，下标m表示模型中的参数，o表示地层中的参数； L地层（模型）或井的几何尺寸；I模型中的电流； Q井产量（或注入量）；电解质溶液的电阻；地层流体的渗流阻力；模型中的电位差；油层中的压力差；压力相似系数；流量相似系数；阻力相似系数；几何相似系数；C流动相似系数。6）相似准则各相似系数之间满足一定的约束条件，下面从基本的欧姆定律和达西定律出发，推导出它们之间的关系。欧姆定律： (3-10)达西定律： (3-11)式(3-10)除以式(3-11)并引入相似系数得： (3-12)(3-12)式为模型必须满足的相似准则。公式(3-12)中有两个参数可以自由确定，第三个参数必须由相似准则导出。3、相似系数的确定1）的确定实验操作过程中，人体不可避免地与裸露的电解质溶液、电极直接接触，因此，保证人体安全是最关键的因素。人体安全电压为36伏，因此实验电压必须低于36伏。另一方面，电压太大，通电后电解质溶液产生较多的热量，溶液温度升高，造成溶液电导率发生变化，从而影响实验精度；若电压或电流过小，读数误差增大，也会降低实验精度。综合考虑各方面因素，实验电压一般取2030伏。实验电压确定后，便可计算出压力相似系数。2）的确定一维渗流达西公式中的渗流阻力公式为： (3-13)一维导体的电阻计算公式为： (3-14)（3-14）式除以（3-13）式得： (3-15)根据公式（3-15），由流动相似系数和几何相似系数，可计算出阻力相似系数。（1）几何相似系数的确定几何相似系数根据油层的几何尺寸和模型的几何尺寸很容易确定。（2）流动相似系数的确定变化范围较大的参数为电导率，电导率的确定也要考虑到电流和电压的变化。若电导率太大，在一定的压差下就会产生很大的电流，从而产生较多热量。电导率太小，在一定电压下产生的电流太小，增加人为读数误差。一般要求电流不大于0.1安培。电压低于36伏。根据上述要求配制电解质溶液，可测出溶液电导率。实际地层的流度可以确定，因此，可计算出流动相似系数，从而可计算出阻力相似系数。3）的确定、 确定以后，根据相似准则(3-12)式，就可以计算出值。二、水电模拟实验装置及测试原理水电模拟实验装置如图3-1所示。主要由三部分组成：油藏模拟系统、低压电路系统和测量系统（图3-2）。变压器测量系统CuSO4溶液铜带油藏系统图3-1 水电模拟实验装置（整套装置）1、油藏模拟系统材料油藏模拟系统包括油层、边界和井。1）油层模拟系统材料的要求及配制模拟油层的溶液要求具有下列特性：a. 通电后性质不发生变化；b. 液体电阻率均匀；c. 与电极不起化学反应；d. 在空气中蒸发速度小；e. 价格便宜。根据要求，选择溶液模拟油层。溶液的配制：首先作出不同温度下溶液浓度与电导率的关系曲线（如图3-2），横坐标为溶液浓度，纵坐标为电导率。根据所需溶液电导率值，从图3-2查出对应的溶液浓度，进行溶液的配制。图3-2 溶液浓度与电导率的关系曲线2）模拟井及油藏边界材料的选择模拟井（电极）和供给边界的选择要求具有下列特性：a. 电阻率很小（电极电阻率与电解液电阻率相比，可忽略不计）；b. 不与电解质溶液发生化学反应；c. 在电解质溶液中不溶解，表面光滑。油藏模拟系统为一盛有溶液的有机玻璃槽。配制适当浓度的溶液，用于模拟油层，溶液电导率的高低代表油藏流体流动系数的大小。边界条件可用有机玻璃模拟封闭边界，紫铜带模拟供给边界，可以根据需要作成各种形状的边界。如图3-3所示，玻璃缸容器内充满一定高度的溶液，用紧贴玻璃缸环状紫铜带模拟供给边界，接电源正极；用插于玻璃缸中心的与电源负极、电流表相连的铜丝模拟井筒。用加于供给边界及井筒之间的电压（Ve-Vw）模拟压差，图中电流表的电流模拟井的产量。因此可以模拟不同压差下井的产量的变化。VwAVe图3-3 水电模拟实验流程图2、模拟装置控制面板水电模拟装置（图3-1）电路控制面板如图3-4所示。220伏的交流电通过变压器将电压降到人体安全电压以下（36伏），电压的大小由面板上的电源电压表显示。再经过调压器调节到所需要的电压（一般小于10伏），用面板上的测量电压表表示。电压大小根据模拟注入井（或供给边界）所需的电位大小调节。生产井接低电位，注入井接高电位。+可变电阻R1可变电阻R2图3-4水电模拟装置控制面板3、测量系统电路及测试原理水电模拟装置电路原理图如图3-5所示。220伏的交流电通过变压器压降36伏以下，再经过调压器调节到所需要的电压（5伏以下），油藏的供给边界a（或注入井）接电源正极，生产井b接电源负极。通过水平方向移动丝杠控制测试探针C的位置（玻璃缸水槽上有滑轨，通过手柄手动控制探针C沿滑轨方向的移动，通过电动控制探针C沿垂直滑轨方向的移动。）通过移动探针C的位置，是电流表A的电流为零，即可找到渗流场中的等势点。通过调整可变电阻R1、R2，用同样方法可以测出不同的等势点，绘出渗流场中的等势线。图3-5 水电模拟电路图（R1、R2为可调电阻）当图3-5中电流表的电流为零时，可变电阻R1、R2与渗流场ac、bc间的电阻形成如图3-6所示的电桥，因此，C点电压电阻R1上的压降： （3-16）式中，为经过调压器后的测量电压，渗流场中C点的电压。改变R1、R2的相对值，就可以改变测试点C的电压值。图3-6 水电模拟电路原理图三、平面径向稳定渗流模拟实验以圆形供给边界中心一口直井为例，详细介绍平面径向稳定渗流问题的实验研究方法。包括实验原理、方法、步骤以及注意事项。1、实验目的（1）掌握水电模拟的实验原理、实验方法，学会计算相似系数；（2）测定圆形定压边界中心一口直井生产时产量与压差的关系，并与理论曲线进行对比，加深对达西定律的理解；（3）测定生产井周围的压降漏斗曲线，加深对压力场的分布的认识。2、实验流程及原理实验电路如图3-7所示。图3-4中拔下电流表与可变电阻相连的一端，使其与测量电源的低压端连接，连接电流表另一端带铜丝的导线2连接，如图3-7所示。改变调压器，由测量电压表读出供给边缘与生产井2之间的电压值，由电流表读出电流值。图3-7 圆形恒压边界中心一口直井电路图1 - 电解槽 2 - 铜丝（模拟井） 3 - 供给边界3、计算原理圆形恒压边界中心一口直井（完善井）稳定生产时产量计算公式： (3-17)地层中任一点压力分布公式： (3-18)由相似原理可知，模拟模型中电压与电流同样满足上述关系式：完善“井”“产量”公式： (3-19)改变电压值，并测得相应的电流值I。由此可得到-I关系曲线（理论上应为直线）。任一点电压分布公式： (3-20)固定值,测得不同处的电位值U，由此可得“压降”漏斗曲线。由“完善井” 电压与电流的关系及及相似系数Cp、Cq，可以求出完善井压差（Pe-Pw）与流量的关系：流量： ； 压差： (3-21)由模拟条件下任意半径处的电位值U，可求得实际地层中任意半径r出的压力P，即可求得地层中的压力分布：压力：； 对应半径： (3-22)式(5-3-18)的压力及半径均用式（3-22）处理，可求得实际地层中任意点的压力分布。4、实验步骤（1）首先确定模拟油藏的参数的大小：渗透率k、供给半径re、井半径rw、油层厚度h、流体粘度、生产压差（Pe-Pw），计算油井产量Q；确定模拟系统的有关参数的大小：模拟油藏供给半径rem、最大电流I、最大电压。（2）计算相似系数：，计算，（3）由，计算CuSO4溶液的电导率，溶液厚度，具体方法见示例。（2）根据电导率值，从CuSO4溶液浓度与电导率关系曲线（图3-2）中查出CuSO4与蒸馏水配制比例，然后进行配制。（3）配制完毕，测定溶液实际电导率值，计算相似系数。（4）将调压器旋钮旋至“0”位置，按图3-7所示连接好电路。（5）打开电源，顺时针旋转变压器旋钮，将电源电压调到所需值（注意：不要高于36伏）。（6）顺时针慢慢旋动调压器的旋钮，使电压值从低到高变化（最高测量电压10伏），并测定各个电压值下生产井的电流值，由(3-21)计算相应的压差及流量。 （7）压降漏斗曲线的测定（测电流法）：连接好图3-5所示电路，旋动调压器的旋钮，使测量电压0为一固定值（如5伏），通过滑轨记录生产井的坐标（x0，y0），改变电流表测针的位置（x，y），调整可变电阻R1或R2，使电流表读数为零，记录此时R1、R2读数。计算不同位置的电压，由式(3-22)计算相应的位置及压力（将所测数据记录到表3-3中）。压降漏斗曲线的测定（测电压法）：将一外接电压表一端与测针相连，另一端接零线。从生产井位置（x0，y0)开始，沿某一半径方向移动测针，隔一定距离记录一个电压值和相应点坐标值(x,y)，式(3-22)转换，就可测出压降漏斗曲线。注意：井附近数据点密一些，往外疏一些（将所测数据记录到表3-2中）。5、数据记录及数据处理1）产量与压差关系数据表模型参数：rem= 35cm ；rwm =0.0875cm ；hm = 5.83cm ；=848s/cm地层参数：re =60m ；rw=0.15m ；h=10m ；K= 0.1m2 ；=5mPas表3-1 产量与压差关系数据表序号1234567U(V)3.04.05.06.07.08.09.0I(mA)10.812.917.423.027.232.236.4()3.04.05.06.07.08.09.0Q()3.784.516.098.059.5111.2612.735.437.249.0610.8712.6814.4916.30e(%)30.3937.7132.7825.9425.0022.2921.90，由此可得，hm=hCl=10005.8310-3=5.83cm，同理可得rwm =0.0875cm U=3V,由，可求得DP=0.3MPa将表3-1中各组的值代入上式，可以求得各组值，如表3-1所示。，由和联立可得，=5.8310-310.0424=2.4710-4，将表3-1中各组I值代入上式，可以求得各组Q值，如表3-1所示。由公式和表3-1中相关数据，可以求得各组的值，如表3-1所示。由公式，计算可得各组e值，如表3-1所示。以第一组数据计算为例：，。由表3-1相关数据，绘制压差与产量关系曲线图，如图3-8所示。红色点的为理论曲线，蓝色的为实际曲线2）压降漏斗曲线数据记录表 井的位置：x0=44.90cm， y0=56.10cm表3-2压降漏斗曲线数据记录表（电压法）序号12345678位置(x,y)(cm)（44.9056.00）（44.9055.80）（44.9055.30）（44.9055.10）(44.90，48.10)(44.90，41.10)(44.90，30.10)(44.90，22.10）离生产井距离rm(cm)0.100.300.801.008.0015.0026.0034.00与生产井间的电压U(V)1.982.202.562.653.774.124.424.55油藏中距井半径r（m）0.1720.5151.3721.71513.72225.72944.59758.319与井底压力间的差值P（atm）1.982.202.562.653.774.124.424.55以第一组数据为例，对应半径，同理可得其余各组数据，如表3-2所示。由表3-2相关数据，做出压降漏斗关系曲线图，如图3-9所示。6.实验总结这个实验我们7个人一组，分工比较明确。这个实验是利用水电来模拟真实的油藏。通过实验，我掌握了水电模拟的实验原理、实验方法，学会了计算相似系数。加深了对达西定律的理解和对压力场的分布的认识。在此，老师的悉心指导！