模塊化設(shè)計(jì)的智能物模采集平臺研發(fā)與應(yīng)用

(中石化西北油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011)

0 引言

油藏巖石和流體的物性參數(shù)是采油工程、油藏工程等研究的重要數(shù)據(jù)，而獲取這些巖石、流體以及巖石與流體之間的共同作用物性參數(shù)主要來源于物理模擬實(shí)驗(yàn)[1- 2]。為了更好的獲得這些巖石、流體的物性參數(shù)，分析測試和模擬實(shí)驗(yàn)也逐步向油藏實(shí)際條件方向發(fā)展。在石油領(lǐng)域內(nèi)，石油工程或油藏工程的物理模擬設(shè)備就是具備在室內(nèi)條件下模擬油藏條件的溫度、壓力及流體流動規(guī)律來獲得物性參數(shù)、工藝評價(jià)等功能的裝置[3-6]。在《GB/T 29172-2012 巖心分析方法(API RP 40:1998)》、《SY/T 6576-2003用于提高石油采收率的聚合物評價(jià)的推薦作法》、《SY /T6424-2014復(fù)合驅(qū)油體系性能測試方法》、《SY/T 6315-2006稠油油藏高溫相對滲透率及驅(qū)油效率測定方法》、《SY/T5345-2007巖石中兩相相對滲透率測定方法》等國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均有提到使用物理模擬儀器或裝置開展巖心滲透率、提高采收率、驅(qū)油效率等參數(shù)測定的實(shí)驗(yàn)方法[7-8]。

早在20世紀(jì)80年代，國內(nèi)石油行業(yè)的科研院所就使用過美國巖心公司(Core Lab)、海安縣石油科研儀器有限公司等生產(chǎn)的物理模擬儀器或裝置開展巖心、滲透率、流動性等實(shí)驗(yàn)分析。近50年來，工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)及儀器得到了不斷的發(fā)展、完善，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展，新的儀器或裝置也在不斷融入計(jì)算機(jī)技術(shù)，物理模擬儀器的自動化程度、測試速度以及測試精度也越來越高，儀器的設(shè)計(jì)趨勢也逐步趨向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、自動化、模塊化發(fā)展。

中石化西北油田實(shí)驗(yàn)室自2008年以來，根據(jù)科研生產(chǎn)需要，共引進(jìn)過多臺針對不同油藏條件的物理模擬儀器[9]，見下表1。用以滿足碎屑巖油藏、碳酸鹽巖油藏、凝析油藏及稠油開發(fā)、提高采收率等科研實(shí)驗(yàn)需求。

表1 實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)物理模擬儀器或裝置

由于實(shí)驗(yàn)條件中壓力、溫度、樣品類型、驅(qū)替模型不同，根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)成多臺獨(dú)立的物理模擬儀器或裝置。但在儀器的結(jié)構(gòu)原理方面，又不盡相似?；景黧w注入系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、出口計(jì)量系統(tǒng)、巖心或物模單元等，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 常見物理模擬儀器結(jié)構(gòu)示意圖

通過長時(shí)間使用與摸索，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有物模儀器有三個(gè)方面困擾：

1)物模數(shù)據(jù)采集的差異化設(shè)計(jì)限制儀器進(jìn)一步升級。隨著數(shù)據(jù)采集卡的升級迭代速度加快，對現(xiàn)有儀器上采集儀表及數(shù)據(jù)卡升級后，軟硬件之間需要重新測試、匹配，不同儀器之間品牌、型號差異比較大，難以對采集軟件整體升級。

2)功能單一的實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)制約物模儀器功能的深度開發(fā)。每臺物理模擬儀器或裝置的功能相對單一、完整，比如滲透率測定等單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)具有標(biāo)準(zhǔn)化流程優(yōu)勢，但難以滿足不同油藏條件下的個(gè)性化流程設(shè)計(jì)需求。

3)儀器成本影響物模儀器硬件的換代升級。在物理模擬儀器中，根據(jù)現(xiàn)場定制的物理模型僅占儀器總價(jià)值的三分之一，注入泵、加溫加壓等模塊占比高，不同物模導(dǎo)致儀器的重復(fù)投入。不同儀器之間的接口、配件類型也不相同，儀器的后期維修維護(hù)成本高。

這三項(xiàng)困擾將影響下步油田開發(fā)過程中的科研生產(chǎn)需求滿足以及實(shí)驗(yàn)室下步設(shè)備的持續(xù)投入和規(guī)劃。因此自主研發(fā)設(shè)計(jì)一套功能通用性強(qiáng)、智能化采集程度高、模塊化設(shè)計(jì)的智能物理模擬采集平臺。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

模塊化設(shè)計(jì)主要是指具有獨(dú)立功能和輸入、輸出的標(biāo)準(zhǔn)部件，模塊化設(shè)計(jì)的原理主要是，在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能、不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合，來完成不同需求，是一種實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化與多樣化的有機(jī)結(jié)合的有效統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化方法。

將模塊化設(shè)計(jì)思路引入到物理模擬儀器設(shè)計(jì)中，用以對物理模擬部分的注入流量、圍壓、回壓、溫度、出口處電子天平數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)采集并控制，分別由硬件和軟件兩部分組成[10]。

硬件上，將注入系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、加壓加溫系統(tǒng)等主體模塊設(shè)計(jì)成獨(dú)立運(yùn)行的可移動式模塊單元，配備標(biāo)準(zhǔn)接口，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求來連接流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案的個(gè)性化設(shè)計(jì)，不同物模裝置之間的串并聯(lián)組合需求。軟件上，設(shè)計(jì)獨(dú)立的采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊，不同模塊之間組合，滿足不同流程條件下的數(shù)據(jù)處理需求。設(shè)計(jì)思路[11-12]見圖2。

圖2 物模設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)思路

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件包括工業(yè)控制器、采集單元和控制單元組成，如圖3所示?？刂茊卧呻姶艢鈩娱y、I/O板組成，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力變送器的測量范圍自動切換。采集單元由數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、壓力傳感器組成。溫度傳感器采用丹佛斯熱電偶，測量精度為0.1℃；壓力傳感器由虹潤精密儀器有限公司的高、中、低3種量程的壓力傳感器組成，量程分別為(0～0.7 MPa、0～7 MPa、0～70 MPa)測量精度為0.25級；數(shù)據(jù)采集器采用國內(nèi)虹潤數(shù)顯式控制儀表[13]。

圖3 智能采集平臺硬件示意圖

2.1 溫度、壓力模塊化單元設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)上采用了8個(gè)“快速拆裝抽屜式模塊單元”。每個(gè)單元分別內(nèi)置壓力傳感器或溫度傳感器，壓力單元量程分別為0.7 MPa、7 MPa、70 MPa，可以根據(jù)壓力測壓點(diǎn)的壓力變化自動切換，防止壓力傳感器超量程損壞。當(dāng)采集平臺上某一個(gè)采集單元受損時(shí)，可通過快速接頭拆卸更換新的模塊單元；也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求增加、減少、調(diào)整不同功能模塊化單元的配置。

2.2 接口設(shè)計(jì)

每個(gè)模塊化單元設(shè)計(jì)成可移動、標(biāo)準(zhǔn)化接口式獨(dú)立單元。每個(gè)獨(dú)立單元之間采用標(biāo)準(zhǔn)化的快速接頭，實(shí)現(xiàn)快速建立流程。其中低壓氣路管線由小型靜音空氣壓縮機(jī)提供，使用Φ6 mm管線連接；高壓液路系統(tǒng)由柱塞泵提供動力，并由中間容器傳遞，使用Φ3 mm的316不銹鋼管線連接。全部接頭采用快速接頭式，實(shí)現(xiàn)不同獨(dú)立模塊單元之間快速、高效連接。

2.3 模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)勢

經(jīng)過模塊化設(shè)計(jì)后的物模采集平臺具備以下三點(diǎn)優(yōu)勢：

1)滿足科研實(shí)驗(yàn)需求，加速實(shí)驗(yàn)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。模塊功能的獨(dú)立性和接口的一致性，使各個(gè)模塊可以相對獨(dú)立的設(shè)計(jì)和研發(fā)，并且不同組合滿足不同條件下的實(shí)驗(yàn)需求，實(shí)現(xiàn)功能豐富，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。

2)互換性強(qiáng)，維護(hù)簡單，成本降低。經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的物模儀器是由一些具備互換特性的標(biāo)準(zhǔn)化模塊組成，可直接更換模塊，黨開展不同模擬條件下實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需重新購置新模型單元，大大降低成本，簡化流程設(shè)計(jì)，同時(shí)降低儀器維修維護(hù)成本，提高效率。

3)推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化操作。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的模塊接口有利于形成產(chǎn)品的供應(yīng)商規(guī)范，并進(jìn)行單獨(dú)模塊的并行開發(fā)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件由數(shù)據(jù)采集與自動控制部分、數(shù)據(jù)處理兩部分組成。

3.1 數(shù)據(jù)采集與自動控制部分

數(shù)據(jù)采集與自動控制軟件具備可視化的界面，以圖形拖動的形式建立實(shí)驗(yàn)流程。見圖4.具有建立實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程、壓力采集[14]、溫度采集[15]、壓力控制[16]、溫度控制[17-18]、數(shù)據(jù)采集設(shè)置等功能，可同時(shí)采集2個(gè)注入泵、5個(gè)壓力點(diǎn)、2個(gè)溫度場、8個(gè)巖心夾持器、2臺電子天平數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)巖心夾持器的串并聯(lián)組合，可滿足488種的實(shí)驗(yàn)流程。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)界面

數(shù)據(jù)采集與自動控制軟件還集成國外及國內(nèi)常用的儀器儀表接口，新設(shè)備可直連。如注入系統(tǒng)可直接連接平流泵、ISCO型號的柱塞泵、溫度采集模塊可直接連接虹潤、OMRON等型號傳感器；壓力采集模塊可直接連接壓力切換模塊、虹潤傳感器等。

軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集和自動控制部分主要包含三個(gè)邏輯單元，如圖5分別是項(xiàng)目創(chuàng)建單元，自動控制單元，和數(shù)據(jù)采集單元。

圖5 程序流程控制圖

項(xiàng)目創(chuàng)建單元的設(shè)計(jì)主要考慮的因素是在創(chuàng)建項(xiàng)目的同時(shí)確定所使用的工作單元，其中包含泵(B)，壓力表(P)，和溫度表(T)。先確定使用的工作單元，在確定使用的具體儀器儀表，如B1，P3，T2等等。在選擇每一個(gè)儀器儀表的同時(shí)，程序會自動判別相應(yīng)的儀器儀表是否選擇，如果沒有選擇則會讓重新選擇，同時(shí)程序會通過對比程序來判別這個(gè)儀器儀表在其他項(xiàng)目里面是否被占用，如果在其他程序中被占用，這提示“此儀器儀表已被占用”。

自控控制部分的設(shè)計(jì)可以分為手動和自動，選擇自動控制并合理設(shè)置控制參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)自控控制，判別參數(shù)的選擇可以使泵的壓力，當(dāng)泵的壓力高于某一壓力值的時(shí)候停止。還可以是滲透率，驅(qū)替壓力，溫度，等等。

自動采集部分主要是采集需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為前面自動控制提供控制數(shù)值和后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)來源。自動采集模塊中必須選取采集的目標(biāo)對象，如B1，P2，T2等等，如果控制部分采用自動控制，采集部分也會隨之自動控制的停止而停止，從而避免了多余的無用數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分集成了石油物理模擬的參數(shù)計(jì)算公式，如液測滲透率、封堵率、突破壓力、原油采收率等公式，可根據(jù)參數(shù)選擇直接計(jì)算出結(jié)果。同時(shí)也可直接導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算或作圖。

滲透率的計(jì)算公式依據(jù)達(dá)西定律，達(dá)西定律可以下式來描述：

(1)

式中,Q為在壓差 下，通過巖心的流量，cm3/s；A為巖心截面積，cm2；L為巖心長度，cm；μ為通過巖心的流體粘度，mPa·s；ΔP為流體通過巖心前后的壓力差，MPa；K為比例系數(shù)，又稱為砂子或巖心的滲透系數(shù)或滲透率，D(法定計(jì)量單位為2)。

程序中嵌入的達(dá)西公式通過采集來的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)時(shí)的計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)前輸入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，比如巖心的截面積A，巖心的長度L和通過巖心流體的粘度μ。在實(shí)驗(yàn)的過程中，軟件進(jìn)行時(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，并對采集過來的泵的流量Q，流體通過巖心前后的壓力差ΔP，自動帶入公式(1)進(jìn)行計(jì)算，并通過繪圖程序繪制出滲透率K隨驅(qū)替過程的關(guān)系。

封堵率也是巖心驅(qū)替試驗(yàn)的主要參數(shù)，因此在程序中嵌入了封堵率的計(jì)算公式，見計(jì)算公式(2)。

(2)

式中,Ew封堵率，%；K0封堵前滲透率，mD；K1封堵后滲透率，mD。

封堵率的計(jì)算是通過前后兩次記錄的滲透率變化來計(jì)算封堵率的，是評價(jià)入井藥劑的一個(gè)主要參數(shù)。

突破壓力的采集，采集突破壓力主要是通過程序的邏輯對比來進(jìn)行采集的，在驅(qū)替過程中，壓力隨著驅(qū)替的進(jìn)行而慢慢升高，程序自動對比本次采集的壓力數(shù)據(jù)(Pn)和出口質(zhì)量的變化，當(dāng)出口質(zhì)量開始增加的時(shí)刻記錄采集壓力數(shù)據(jù)(Pn)，則此時(shí)刻的(Pn)就是突破壓力P突。

原油采收率的計(jì)算，采收率的計(jì)算配合油水自動計(jì)量儀使用，通過油水自己計(jì)量儀記錄驅(qū)替過程中的出水量和出油量的關(guān)系，并通過最終出油量計(jì)算采收率，采收率計(jì)算公式見公式(3)。

(3)

式中,η為采收率，%；Nb為采出油量，mL；N為巖心飽和油量，mL。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)原理

采用圓筒自制填砂模型，模型直徑比原有填砂管和巖心夾持器大，模擬條件更接近油藏條件。采用物理模擬智能采集平臺可以連接夾持器建立一個(gè)完整的驅(qū)替過程，采集清水和不同粘度聚合物下數(shù)據(jù)，計(jì)算采收率結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞钌安捎脴O差相近的方式填砂。分層填砂，下層為水層，80目石英砂，上層為油層，120目石英砂。分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，用清水驅(qū)替，驅(qū)替至出口不出油，計(jì)算采收率，分別注入粘度為21 mpa·s、42 mpa·s的聚合物0.4 pv，然后使用清水驅(qū)替至出口不出油，計(jì)算采收率，最后計(jì)算注入高粘聚合物后，采收率的提高量。

4.3 數(shù)據(jù)分析

驅(qū)替過程中，智能物模采集平臺根據(jù)數(shù)據(jù)，計(jì)算出采收率。將整個(gè)驅(qū)替過程進(jìn)行還原。見圖6。

圖6 由智能物模采集平臺得到的數(shù)據(jù)曲線

由圖中可以看出，在清水驅(qū)替時(shí)的采收率只有6.45%，采用0.4 pv粘度為21 mpa·s的聚合物+清水驅(qū)替，采收率提高到了22.36%，采收率增加3倍多，繼續(xù)采用0.4 pv粘度為42 mpa·s的聚合物+清水驅(qū)替，采收率提高到了30.71%，比之前清水驅(qū)替時(shí)的采收率提高了5倍，具有很好的效果。實(shí)驗(yàn)表明，高粘聚合物具有提高的采收率的作用，粘度越高效果越好。

5 結(jié)束語

基于模塊化設(shè)計(jì)的物理模擬智能采集平臺，在硬件上將每一個(gè)功能單元獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì)，將注入系統(tǒng)、壓力控制、溫度控制、計(jì)量系統(tǒng)等功能單元進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，軟件上將數(shù)據(jù)采集過程、數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行模塊化處理，這樣的模塊化設(shè)計(jì)滿足了更多油藏條件下石油工程的實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)。同時(shí)，模塊化的智能物模采集平臺設(shè)計(jì)，一方面利用這種模塊化設(shè)計(jì)，將流程標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，進(jìn)一步拓寬實(shí)驗(yàn)功能，降低產(chǎn)品的成本。另一方面滿足自主靈活的實(shí)驗(yàn)方案的模塊化采集平臺，可以加速技術(shù)人員對物模實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步探索，推動科學(xué)研究與技術(shù)創(chuàng)新。