技术领域
[0001] 本
发明涉及稠油开采实验技术领域，具体的是一种用结焦带的形貌研究火驱效果的方法。
背景技术
[0002] 随着全球稠油资源开发
力度加大，越来越多的相对优质储量已被动用，而如何开发特稠油、超稠油油藏，以及寻找一种
蒸汽吞吐、蒸汽驱之后的接替技术将会成为今后研究的重要课题。
[0003] 火烧油层(In-Situ Combustion，或ISC)是一种重要的稠油热采方法，又称为就地燃烧法或火驱采油法。火驱采油法的基本原理是通过电加热或者化学反应加热的方法点燃油层后，将压缩空气从点火井不断地注入到油层中，形成径向移动的燃烧前缘，
烟道气与蒸馏出来的轻质油在一定的注采压差作用下被驱替至
生产井采出，较重的组分难以被驱替，进而在高温条件下发生裂解，产生的
焦炭作为
燃料，与
氧气发生反应放出大量的热；
原油受热降粘，同时稠油在高温下裂解改质。油层中的
水(包括油层束缚水、注入水及燃烧产生的水)在高温下以蒸汽或热水的形式向前方传递大量的热量，多种驱替过程结合将原油驱向生产井。
[0004] 结焦带作为火驱实验的一种最终结果呈现在我们面前，它与
温度、气体浓度、产油量等有着同等重要的作用。Greaves、关文龙等国内外研究人员利用实验过程中的温度场变化及最终的火腔大致形状对火驱效果进行了相关分析，得出了一些重要结论，而和火驱效果密切相关的结焦带形状的定量展布特征研究却是空白。
发明内容
[0005] 为了定量的研究火驱效果，本发明提供了一种用结焦带的形貌研究火驱效果的方法，该用结焦带的形貌研究火驱效果的方法为稠油火驱开发注采井距的选择提供重要的理论指导。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用结焦带的形貌研究火驱效果的方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1、利用三维火烧驱油物理实验装置模拟火驱采油过程，在该三维火烧驱油物理实验装置中形成依次排列的火腔区、结焦带和低温油砂区；
[0008] 步骤2、采集该三维火烧驱油物理实验装置中结焦带的外形数据信息并根据该外形数据信息绘制出结焦带的结构图。
[0009] 本发明的有益效果是：该用结焦带的形貌研究火驱效果的方法通过研究结焦带并结合相似准则将小尺寸的物理模型放大到实际油藏条件，为稠油火驱开发注采井距的选择提供重要的理论指导。
附图说明
[0010] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0011] 图1是所述模拟火驱采油过程完成后反应釜体的剖视图。
[0012] 图2是反应釜体的立体示意图。
[0013] 图3是断面描绘工具的结构示意图。
[0014] 图4是第一次向反应釜体中插入断面描绘工具时的示意图。
[0015] 图5是第一次在断面描绘工具上描绘结焦带二维图形的示意图。
[0016] 图6是第二次向反应釜体中插入断面描绘工具时的示意图。
[0017] 图7是第二次在断面描绘工具上描绘结焦带二维图形的示意图。
[0018] 图8是第三次向反应釜体中插入断面描绘工具时的示意图。
[0019] 图9是第三次在断面描绘工具上描绘结焦带二维图形的示意图。
[0020] 图10是第四次向反应釜体中插入断面描绘工具时的示意图。
[0021] 图11是第四次在断面描绘工具上描绘结焦带二维图形的示意图。
[0022] 图12是第五次向反应釜体中插入断面描绘工具时的示意图。
[0023] 图13是第五次在断面描绘工具上描绘结焦带二维图形的示意图。
[0024] 图14是第六次向反应釜体中插入断面描绘工具时的示意图。
[0025] 图15是第六次在断面描绘工具上描绘结焦带二维图形的示意图。
[0026] 图16是第七次向反应釜体中插入断面描绘工具时的示意图。
[0027] 图17是第七次在断面描绘工具上描绘结焦带二维图形的示意图。
[0028] 图18是绘制出的结焦带外轮廓线的示意图。
[0029] 图19是绘制出的结焦带内轮廓线的示意图。
[0030] 图20是绘制出的结焦带的二维断面结构图。
[0031] 图21是在AutoCAD
软件中绘制出的结焦带的断面形貌图。
[0032] 图22是3DsMAX软件绘制出的结焦带的三维外形结构图。
[0033] 图23是3DsMAX软件绘制出的三维火烧驱油物理实验装置和结焦带的三维外形结构图。
[0034] 图24是3DsMAX软件绘制出的三维火烧驱油物理实验装置和结焦带的三维外形结构图的一半。
[0035] 图25是实验1中绘制出的结焦带的二维断面结构图。
[0036] 图26是实验2中绘制出的结焦带的二维断面结构图。
[0037] 图27是实验3中绘制出的结焦带的二维断面结构图。
[0038] 图28是实验4中绘制出的结焦带的二维断面结构图。
[0039] 1、反应釜体；2、端盖；3、模拟注气井；4、模拟采油井；5、夹层；
[0040] 11、火腔区；12、结焦带；13、低温油砂区；14、结焦带外轮廓线；15、结焦带内轮廓线；16、结焦带的断面轮廓线；
[0041] 21、断面描绘工具。
具体实施方式
[0042] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0043] 一种用结焦带的形貌研究火驱效果的方法，包括以下步骤：
[0044] 步骤1、利用三维火烧驱油物理实验装置模拟火驱采油过程，该模拟火驱采油过程完成后，在该三维火烧驱油物理实验装置的反应釜体1中将形成依次排列的火腔区11、结焦带12和低温油砂区13，如1所示；
[0045] 步骤2、采集该三维火烧驱油物理实验装置中结焦带12的外形数据信息并根据该外形数据信息绘制出结焦带12的结构图。
[0046] 在步骤1中，该三维火烧驱油物理实验装置为可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置，该三维火烧驱油物理实验装置的具体构造如中国
专利CN 105806992A，公开日期2016年7月27日，公开的《可重复使用的三维大尺寸火烧实验装置》完全相同，该三维火烧驱油物理实验装置含有反应釜体1，反应釜体1的内径为366mm，反应釜体1的开放端设有端盖2，反应釜体1内设有模拟注气井3和模拟采油井4。上述火腔区11的
颜色为白色至浅黄色，火腔区11中的
石英砂较为松散。结焦带12的颜色为黑褐色，结焦带12中的石英砂较为紧实，结焦带
12为一整
块。低温油砂区13的颜色为黑色，低温油砂区13中的油砂也较为松散。
[0047] 在步骤2中，在采集结焦带12的外形数据信息时使用了断面描绘工具21，断面描绘工具21为圆片状结构，断面描绘工具21为透明材质制成，断面描绘工具21为透明有机玻璃板，断面描绘工具21的厚度为10mm，断面描绘工具21的直径等于反应釜体1的内径，断面描绘工具21的端面上设有两条相互垂直的主坐标轴，该主坐标轴分别为X轴和Y轴，断面描绘工具21的所述X轴和Y轴的交点为原点，断面描绘工具21的端面上还设有与该两条主坐标轴分别平行的多条辅助坐标线，相邻的两条辅助坐标线之间的距离相等(可以为10mm)，如图3所示。断面描绘工具21的直径与反应釜体1的内径一致，即断面描绘工具21的直径可以为366mm，反应釜体1的长度大约为500mm。
[0048] 同时，还需要设定反应釜体1所在的
坐标系，反应釜体1所在的坐标系为以X、Y、Z轴为坐标轴的空间直
角坐标系，该空间直角坐标系简称反应釜体坐标系。在利用所述三维火烧驱油物理实验装置模拟火驱采油过程中，反应釜体1采用卧式，即反应釜体1的中心线呈水平状态。在该反应釜体坐标系中，Z轴呈水平状态，Z轴与反应釜体1的中心线重合，X轴呈水平状态，Y轴呈竖直状态，X轴、Y轴和Z轴的交点位于反应釜体1的开口端的端面中心，如图2所示。模拟火驱采油过程结束后，结焦带12关于Y轴和Z轴所在的平面对称设置，即图1中位于纸面外侧的结焦带12和位于纸面外侧的结焦带12关于图1所在的纸面互为镜像。
[0049] 在步骤2中，采集该三维火烧驱油物理实验装置中结焦带12的外形数据信息包括以下步骤：
[0050] 步骤2.1a、卸下端盖2，取出反应釜体1中低温油砂区13内的全部油砂，低温油砂区13位于反应釜体1的开放端与结焦带12的外轮廓面之间；
[0051] 步骤2.2a、向反应釜体1中插入断面描绘工具21，使断面描绘工具21的中心线与反应釜体1的中心线重合，使断面描绘工具21的内端面与结焦带12抵接，如使断面描绘工具21的内端面与结焦带12的A-A剖面抵接，如图4所示，测量并记录断面描绘工具21进入反应釜体1内的深度，在断面描绘工具21的外端面上按照结焦带12的形状描绘出结焦带12的二维图形，如图5所示；
[0052] 步骤2.3a、取出断面描绘工具21，采集并记录该二维图形与每条所述主坐标轴和辅助坐标线的交点坐标数据；
[0053] 步骤2.4a、沿反应釜体1的中心线方向，从反应釜体1中切取出一段结焦带12，如将图4中结焦带12的B-B剖面右侧的部分全部取出；
[0054] 步骤2.5a、向反应釜体1中插入断面描绘工具21，使断面描绘工具21的中心线与反应釜体1的中心线重合，断面描绘工具21的内端面与结焦带12抵接，如使断面描绘工具21的内端面与结焦带12的B-B剖面抵接，如图6所示，采集并记录断面描绘工具21进入反应釜体1内的深度，在断面描绘工具21的外端面上按照结焦带12的外形描绘出结焦带12的二维图形，如图7所示；断面描绘工具21进入反应釜体1内的深度加上断面描绘工具21的厚度为结焦带12的B-B剖面的实际深度，即结焦带12的B-B剖面的Z坐标值。
[0055] 步骤2.6a、取出断面描绘工具21，采集并记录该二维图形与每条所述主坐标轴和辅助坐标线的交点坐标数据；
[0056] 步骤2.7a、依次重复步骤2.4a至步骤2.6a，直至达到预定的采集次数，即依次采集并记录断面描绘工具21进入反应釜体1后分别与结焦带12的C-C剖面、D-D剖面、E-E剖面、F-F剖面、G-G剖面抵接时的深度，依次在断面描绘工具21的外端面上按照结焦带12的外形描绘出结焦带12的C-C剖面、D-D剖面、E-E剖面、F-F剖面、G-G剖面的二维图形，采集并记录该C-C剖面、D-D剖面、E-E剖面、F-F剖面、G-G剖面的二维图形与断面描绘工具21的每条所述主坐标轴和辅助坐标线的交点坐标数据，如图8至图17所示。在本实施例中，上述剖面的
位置可以根据需要提前设定，相邻的两个所述剖面之间的距离可以相同或不同。
[0057] 在步骤2中，每次向反应釜体1中插入断面描绘工具21时，应保证断面描绘工具21的X轴与反应釜体坐标系的X轴重合，断面描绘工具21的Y轴与反应釜体坐标系的Y轴重合，断面描绘工具21的所述X轴和Y轴的交点为原点，该原点位于断面描绘工具21的中心线上，同时断面描绘工具21的原点位于反应釜体坐标系的Z轴上。为了方便实现断面描绘工具21的坐标轴与反应釜体坐标系的坐标轴实现上述的对应关系，可以在断面描绘工具21的边缘设有缺口，在反应釜体1的内表面设有与该缺口相匹配的条形凸棱，该条形凸棱平行于反应釜体1的中心线。
[0058] 另外，为了方便断面描绘工具21的进出，断面描绘工具21的外端面可以用透明
胶带粘接出把手。在断面描绘工具21的外端面上按照结焦带12的外形描绘出结焦带12的二维图形时，可以采用铅笔，每次在断面描绘工具21的外端面上描绘出结焦带12的二维图形并记录完该交点坐标数据后，可以将该二维图形用橡皮擦擦掉，以重复使用该断面描绘工具21。
[0059] 在本发明中，绘制出结焦带12的结构图可以是结焦带12的断面二维结构图，也可以是结焦带12的三维整体结构，所述绘制出结焦带12的结构图为绘制出结焦带12的整体三维外形结构图。下面将分别介绍绘制该二维结构图和三维外形结构图的具体方法。
[0060] 该二维断面结构图为结焦带12被反应釜体1的中心线所在的竖直平面所截得到的剖面图，即该二维断面结构图为结焦带12被图2中Y轴和Z轴所在的平面所截得到的剖面图，绘制所述二维断面结构图包括以下步骤：
[0061] 步骤2.1b、在一个平面直角坐标系中，根据每次采集到的结焦带12的外轮廓在断面描绘工具21的所述Y轴上的交点坐标和断面描绘工具21进入反应釜体1内的深度画出结焦带12的外轮廓点；
[0062] 步骤2.2b、用线条连接相邻的两个所述外轮廓点，形成结焦带外轮廓线14，如图18所示；
[0063] 步骤2.3b、在该平面直角坐标系中，根据每次采集到的结焦带12的内轮廓在断面描绘工具21的所述Y轴上的交点坐标和断面描绘工具21进入反应釜体1内的深度画出结焦带12的内轮廓点；
[0064] 步骤2.4b、用线条连接相邻的两个所述内轮廓点，形成结焦带内轮廓线15，如图19所示。
[0065] 绘制所述二维断面结构图，可以在计算机中采用
绘图软件的方式实现，该软件可以为AutoCAD或CAXA等。另外，在绘制所述二维断面结构图之前或之后还可以在该平面直角坐标系中根据该三维火烧驱油物理实验装置的实际测量尺寸绘制出反应釜体1、端盖2、模拟注气井3、模拟采油井4和夹层5，如图20所示。
[0066] 所述绘制出结焦带12的结构图为绘制结焦带12的三维外形结构图，该三维外形结构图采用AutoCAD和3DsMAX软件在计算机中绘制，绘制所述三维外形结构图包括以下步骤：
[0067] 步骤2.1c、在AutoCAD软件中，绘制结焦带12的断面形貌图；
[0068] 具体是，根据一次采集到的所述交点坐标数据在一个平面直角坐标系中画出结焦带12对应的断面轮廓点，用线条连接相邻的两个所述断面轮廓点，形成结焦带的断面轮廓线16，如图21所示；
[0069] 步骤2.2c、根据采集的次数重复步骤2.1c，直至绘制出结焦带12的全部断面形貌图，即在AutoCAD软件中出大致如图5、图7、图9、图11、图13、图15、图17所示的断面形貌图；
[0070] 步骤2.3c、将AutoCAD软件绘制的所述全部断面形貌图导入3DsMAX软件中，将所述全部断面形貌图按照采集所述交点坐标数据时的深度对应排列；
[0071] 步骤2.4c、在3DsMAX软件中，根据所述全部断面形貌图中结焦带的断面轮廓线16的生成结焦带12的三维外形结构图；具体的步骤如下：
[0072] 步骤2.4.1、对上述断面轮廓线16作“挤出”操作，形成空间几何体，设置该空间几何体的长度略大于模型的内径，本实施例中模型的内径为366mm，故将此几何体的长度设置为400mm。
[0073] 步骤2.4.2、将“挤出”的空间几何体与上述断面轮廓线16组合成一个组，对其进行“移动”和“旋转”，至上述断面轮廓线16与剖面图的对称轴重合，然后“解组”。
[0074] 步骤2.4.3、将该“空间几何体”转化为“可编辑多边形”，对处在剖面上的点“移动”，使内外壁上的点与剖面上结焦带的内外轮廓线重合。
[0075] 步骤2.4.4、依次对几何体在图1中的对应的A-A剖面、B-B剖面、C-C剖面、D-D剖面、E-E剖面、F-F剖面、G-G剖面处的剖面做“移动”处理，得出结焦带的整体形状，如图22所示。
[0076] 步骤2.5c、在3DsMAX软件中，根据实物绘制出反应釜体1、模拟注气井3、
热电偶和模拟采油井4的三维外形结构图，如图23所示；
[0077] 步骤2.6c、在3DsMAX软件中，沿反应釜体1的中心线所在的竖直平面，剖切掉反应釜体1和结焦带12的三维外形结构图的一半，如图24所示。
[0078] 在本发明中，绘制出结焦带12的所述二维结构图和三维外形结构图时，采用的比例为1：1，这样采集到的所述交点坐标数据和反应釜体1、模拟注气井3、热电偶、模拟采油井4等外形尺寸数据均可以在制图软件中直接输入使用。
[0079] 在本发明中，所述用结焦带的形貌研究火驱效果的方法还包括以下步骤：
[0080] 步骤3、根据结焦带12的结构图(如上述二维结构图)计算火腔的面积和测量结焦带的倾角，根据模拟注气井3和模拟采油井4之间的距离、所述火腔的面积和倾角分析火驱效果。其中，计算火腔的面积和测量结焦带的倾角均为
现有技术，具体方法可以如下：
[0081] 计算火腔的面积可以采用的操作软件为AutoCAD，所述计算火腔的面积包括以下步骤：
[0082] 步骤3.1a、在绘图工具条上选择“面域”；
[0083] 步骤3.2a、选中要计算面积的图形的所有边(包括圆弧、样条曲线和直线)，按Enter键，这时候可以看到要计算面积图形是一个整体；
[0084] 步骤3.3a、输入“area”命令,按Enter键；
[0085] 步骤3.4a、输入“o”命令,按Enter键；
[0086] 步骤3.5a、选中要计算面积的图形，按Enter键。
[0087] 所述测量火腔的倾角包括以下步骤：
[0088] 步骤3.1b、在物理模型中可以用角度仪测量。
[0089] 步骤3.2b、在AutoCAD软件已绘制出的结焦带图形中作出结焦带倾角，然后标出角度的大小。
[0090] 在稠油就地燃烧过程中、巨大的温度场存在下，使得不同区域发生不同的物理化学反应：火线前缘驱扫过的地方，只存在白色至浅黄色的石英砂，残存的有机固体颗粒含量很低。而火线前缘的前方(驱替方向)是发生裂解反应生成焦炭的区域，由于焦炭再生成过程中放出大量的热量，同时燃烧前缘产生的高温烟道气将热量携带至此，导致该区域温度达到280℃以上，并将石英砂颗粒进行一定程度的固结而形成结焦带。结焦带的生成是一个动态的过程，该区域发生原油裂解—生成焦炭—焦炭沉积及运移—焦炭高温氧化燃烧等复杂的过程。点火后，加热棒附近的温度较高，随着注气速度的增加，燃烧面及燃烧腔缓慢增大。由于燃烧产生的高温烟道气与原油
密度的差异，产生超覆燃烧，使得火腔逐渐向前、向上发展。前方的焦炭浓度过低或气体向下沿水平井气窜，则可能导致火线停止向前推进，结焦带的最终形状形成。高温燃烧前缘扫过的空间中，含油
饱和度几乎为零。因此，结焦带的动态形成过程可以反映火腔的动态扩展情况，认识结焦带的演变过程及形状，对于研究火线的扩展规律具有重要意义。
[0091] 下面分别以模拟注气井3与模拟采油井4之间的距离为-30mm、20mm、50mm、80mm为例，介绍本发明用结焦带的形貌研究火驱效果的方法的具体使用情况。
[0092] 实验1、
[0093] 模拟注气井3与模拟采油井4之间的距离为-30mm，即模拟采油井4的指端的Z坐标大于模拟注气井3的Z坐标。依次采用本发明所述的步骤1和2后，得到此时燃烧腔的内表面积为759.36cm2，结焦带12的倾角为69°，如图25所示。
[0094] 实验2、
[0095] 模拟注气井3与模拟采油井4之间的距离为20mm，即模拟采油井4的指端的Z坐标小于模拟注气井3的Z坐标。依次采用本发明所述的步骤1和2后，得到此时燃烧腔的内表面积为784.20cm2，结焦带12的倾角为60°，如图26所示。
[0096] 实验3、
[0097] 模拟注气井3与模拟采油井4之间的距离为50mm，即模拟采油井4的指端的Z坐标小于模拟注气井3的Z坐标。依次采用本发明所述的步骤1和2后，得到此时燃烧腔的内表面积为854.10cm2，结焦带12的倾角为54°，如图27所示。
[0098] 实验4、
[0099] 模拟注气井3与模拟采油井4之间的距离为80mm，即模拟采油井4的指端的Z坐标小于模拟注气井3的Z坐标。依次采用本发明所述的步骤1和2后，得到此时燃烧腔的内表面积为779.21cm2，结焦带12的倾角为49°，如图28所示。
[0100] 在本发明中步骤1和步骤2单独的也作为一种绘制结焦带12的结构图的方法。即绘制结焦带12的结构图的方法包括步骤1和步骤2。绘制出结焦带12的结构图可以是上述结焦带12的断面二维结构图，也可以是上述结焦带12的三维整体结构。
[0101] 上述四个实验得到的结焦带倾角与火腔的面积统计如表1所示。
[0102] 表1
[0103]
[0104] 火腔的面积即为储层原油燃烧的面积，火腔面积的大小可以反映火驱效果。火腔的面积越大，燃烧效果越好，产生的热量越多，模型或油层中温度越高。这样，原油受热
粘度下降的幅度越大，重力泄油效应越强，形成的油墙越容易被推到生产井产出。
[0105] 结焦带的倾角大小与气体在封闭环境中依靠密度差而产生超覆作用的能力强弱及重力作用有密切关系。结焦带的倾角越小，高温气体的超覆使得高温区域在油层上部，导致垂向温度上升速度慢，重力泄油效果变差，原油采出程度低。相反，结焦带倾角越大，表明火腔向下扩展速度较快，而火线向前推进的难度愈大。在水平段与倾斜段的拐点处容易发生气窜，导致生产井见氧时间提前，火烧过程持续时间缩短，原油采收率降低，燃烧及驱油效果都差。但是，结焦带的倾角对火驱效果的影响并非越小越好，愈大愈差。在结焦带与生产井之间由于温度场存在，导
致冷油区的原油难以形成可动油墙，并阻碍高部位(即高温区)的原油向低部位运移，从而导致原油的采收率降低。
[0106] 实验结果表明，火腔的面积与结焦带倾角之间存在一个最佳的耦合关系，通过优化井网，可以获得一个最佳的结焦带分布，也即温度场分布，进而获得最大原油采收率。因此，结合火腔的面积与结焦带的倾角可以评价火驱效果，结合相似准则将小尺寸的物理模型放大到实际油藏条件，为稠油火驱开发注采井距的选择提供重要的理论指导。
[0107] 以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
