+++水電模擬滲流實驗

1、中國石油大學(xué)滲流力學(xué)實驗報告實驗日期： 成績： 班級： 學(xué)號： 姓名： 教師： 同組者： -水電模擬滲流實驗一、水電模擬原理1、水電相似原理利用電場模擬地層流體的滲流規(guī)律，機(jī)理在于流體通過多孔介質(zhì)流動的微分方程與電荷通過導(dǎo)體材料流動的微分方程之間的相似性，即水-電相似原理。多孔介質(zhì)中流體的流動遵守達(dá)西定律： (3-1)式中，v流速，m/s；q流量，cm3/s；A滲流截面積，cm2；K滲透率，； 流體粘度，；P壓力，0.1MPa。通過導(dǎo)體的電流遵守歐姆定律： (3-2)式中，為電導(dǎo)率，是電阻率的倒數(shù)，西門子/cm；U電壓，伏；-電流密度，安培/cm2；I-電流，安培，S-導(dǎo)體截面積，cm2。均質(zhì)

2、地層不可壓縮流體通過多孔介質(zhì)穩(wěn)定滲流連續(xù)性方程： (3-3)均勻?qū)w中電壓分布方程： (3-4)對比方程上述方程可以看出：電場與滲流場可用相同的微分方程進(jìn)行描述，因此，不可壓縮流體的穩(wěn)定滲流問題可用穩(wěn)定電場進(jìn)行模擬。于是可以用電位分布來描述滲流場的壓力分布，用電流來描述流量或流速，電阻描述滲流阻力。2、水電相似準(zhǔn)則物理模擬模型各參數(shù)與油層原型相應(yīng)參數(shù)之間存在比例關(guān)系，稱為相似系數(shù)。各相似系數(shù)之間滿足一定的約束條件，稱為相似準(zhǔn)則。水電模擬各相似系數(shù)定義如下：1）幾何相似系數(shù)模型的幾何參數(shù)與油層的相應(yīng)幾何參數(shù)的比值。即： (3-5)任意點(diǎn)的幾何相似系數(shù)必須相同。2）壓力相似系數(shù)模型中兩點(diǎn)之間的電位

3、差與地層中兩相應(yīng)點(diǎn)之間的壓差的比值。即： (3-6)3）阻力相似系數(shù)模型中的電阻與油層中相應(yīng)位置滲流阻力的比值。即： (3-7)4）流動相似系數(shù)模型中電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與地層流體流度的比值。即： (3-8)5）流量相似系數(shù)電流與井產(chǎn)量（或注入量）的比值。即： (3-9)式中，下標(biāo)m表示模型中的參數(shù)，o表示地層中的參數(shù)； L地層（模型）或井的幾何尺寸；I模型中的電流； Q井產(chǎn)量（或注入量）；電解質(zhì)溶液的電阻；地層流體的滲流阻力；模型中的電位差；油層中的壓力差；壓力相似系數(shù)；流量相似系數(shù)；阻力相似系數(shù)；幾何相似系數(shù)；C流動相似系數(shù)。6）相似準(zhǔn)則各相似系數(shù)之間滿足一定的約束條件，下面從基本的歐姆定律

4、和達(dá)西定律出發(fā)，推導(dǎo)出它們之間的關(guān)系。歐姆定律： (3-10)達(dá)西定律： (3-11)式(3-10)除以式(3-11)并引入相似系數(shù)得： (3-12)(3-12)式為模型必須滿足的相似準(zhǔn)則。公式(3-12)中有兩個參數(shù)可以自由確定，第三個參數(shù)必須由相似準(zhǔn)則導(dǎo)出。3、相似系數(shù)的確定1）的確定實驗操作過程中，人體不可避免地與裸露的電解質(zhì)溶液、電極直接接觸，因此，保證人體安全是最關(guān)鍵的因素。人體安全電壓為36伏，因此實驗電壓必須低于36伏。另一方面，電壓太大，通電后電解質(zhì)溶液產(chǎn)生較多的熱量，溶液溫度升高，造成溶液電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而影響實驗精度；若電壓或電流過小，讀數(shù)誤差增大，也會降低實驗精度。綜合

5、考慮各方面因素，實驗電壓一般取2030伏。實驗電壓確定后，便可計算出壓力相似系數(shù)。2）的確定一維滲流達(dá)西公式中的滲流阻力公式為： (3-13)一維導(dǎo)體的電阻計算公式為： (3-14)（3-14）式除以（3-13）式得： (3-15)根據(jù)公式（3-15），由流動相似系數(shù)和幾何相似系數(shù)，可計算出阻力相似系數(shù)。（1）幾何相似系數(shù)的確定幾何相似系數(shù)根據(jù)油層的幾何尺寸和模型的幾何尺寸很容易確定。（2）流動相似系數(shù)的確定變化范圍較大的參數(shù)為電導(dǎo)率，電導(dǎo)率的確定也要考慮到電流和電壓的變化。若電導(dǎo)率太大，在一定的壓差下就會產(chǎn)生很大的電流，從而產(chǎn)生較多熱量。電導(dǎo)率太小，在一定電壓下產(chǎn)生的電流太小，增加人為讀數(shù)誤

6、差。一般要求電流不大于0.1安培。電壓低于36伏。根據(jù)上述要求配制電解質(zhì)溶液，可測出溶液電導(dǎo)率。實際地層的流度可以確定，因此，可計算出流動相似系數(shù)，從而可計算出阻力相似系數(shù)。3）的確定、 確定以后，根據(jù)相似準(zhǔn)則(3-12)式，就可以計算出值。二、水電模擬實驗裝置及測試原理水電模擬實驗裝置如圖3-1所示。主要由三部分組成：油藏模擬系統(tǒng)、低壓電路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)（圖3-2）。變壓器測量系統(tǒng)CuSO4溶液銅帶油藏系統(tǒng)圖3-1 水電模擬實驗裝置（整套裝置）1、油藏模擬系統(tǒng)材料油藏模擬系統(tǒng)包括油層、邊界和井。1）油層模擬系統(tǒng)材料的要求及配制模擬油層的溶液要求具有下列特性：a. 通電后性質(zhì)不發(fā)生變化；b.

7、液體電阻率均勻；c. 與電極不起化學(xué)反應(yīng)；d. 在空氣中蒸發(fā)速度小；e. 價格便宜。根據(jù)要求，選擇溶液模擬油層。溶液的配制：首先作出不同溫度下溶液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系曲線（如圖3-2），橫坐標(biāo)為溶液濃度，縱坐標(biāo)為電導(dǎo)率。根據(jù)所需溶液電導(dǎo)率值，從圖3-2查出對應(yīng)的溶液濃度，進(jìn)行溶液的配制。圖3-2 溶液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系曲線2）模擬井及油藏邊界材料的選擇模擬井（電極）和供給邊界的選擇要求具有下列特性：a. 電阻率很?。姌O電阻率與電解液電阻率相比，可忽略不計）；b. 不與電解質(zhì)溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；c. 在電解質(zhì)溶液中不溶解，表面光滑。油藏模擬系統(tǒng)為一盛有溶液的有機(jī)玻璃槽。配制適當(dāng)濃度的溶液，用于模擬

8、油層，溶液電導(dǎo)率的高低代表油藏流體流動系數(shù)的大小。邊界條件可用有機(jī)玻璃模擬封閉邊界，紫銅帶模擬供給邊界，可以根據(jù)需要作成各種形狀的邊界。如圖3-3所示，玻璃缸容器內(nèi)充滿一定高度的溶液，用緊貼玻璃缸環(huán)狀紫銅帶模擬供給邊界，接電源正極；用插于玻璃缸中心的與電源負(fù)極、電流表相連的銅絲模擬井筒。用加于供給邊界及井筒之間的電壓（Ve-Vw）模擬壓差，圖中電流表的電流模擬井的產(chǎn)量。因此可以模擬不同壓差下井的產(chǎn)量的變化。VwAVe圖3-3 水電模擬實驗流程圖2、模擬裝置控制面板水電模擬裝置（圖3-1）電路控制面板如圖3-4所示。220伏的交流電通過變壓器將電壓降到人體安全電壓以下（36伏），電壓的大小由面板

9、上的電源電壓表顯示。再經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)節(jié)到所需要的電壓（一般小于10伏），用面板上的測量電壓表表示。電壓大小根據(jù)模擬注入井（或供給邊界）所需的電位大小調(diào)節(jié)。生產(chǎn)井接低電位，注入井接高電位。+可變電阻R1可變電阻R2圖3-4水電模擬裝置控制面板3、測量系統(tǒng)電路及測試原理水電模擬裝置電路原理圖如圖3-5所示。220伏的交流電通過變壓器壓降36伏以下，再經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)節(jié)到所需要的電壓（5伏以下），油藏的供給邊界a（或注入井）接電源正極，生產(chǎn)井b接電源負(fù)極。通過水平方向移動絲杠控制測試探針C的位置（玻璃缸水槽上有滑軌，通過手柄手動控制探針C沿滑軌方向的移動，通過電動控制探針C沿垂直滑軌方向的移動。）通過移動

10、探針C的位置，是電流表A的電流為零，即可找到滲流場中的等勢點(diǎn)。通過調(diào)整可變電阻R1、R2，用同樣方法可以測出不同的等勢點(diǎn)，繪出滲流場中的等勢線。圖3-5 水電模擬電路圖（R1、R2為可調(diào)電阻）當(dāng)圖3-5中電流表的電流為零時，可變電阻R1、R2與滲流場ac、bc間的電阻形成如圖3-6所示的電橋，因此，C點(diǎn)電壓電阻R1上的壓降： （3-16）式中，為經(jīng)過調(diào)壓器后的測量電壓，滲流場中C點(diǎn)的電壓。改變R1、R2的相對值，就可以改變測試點(diǎn)C的電壓值。圖3-6 水電模擬電路原理圖三、平面徑向穩(wěn)定滲流模擬實驗以圓形供給邊界中心一口直井為例，詳細(xì)介紹平面徑向穩(wěn)定滲流問題的實驗研究方法。包括實驗原理、方法、步驟

11、以及注意事項。1、實驗?zāi)康模?）掌握水電模擬的實驗原理、實驗方法，學(xué)會計算相似系數(shù)；（2）測定圓形定壓邊界中心一口直井生產(chǎn)時產(chǎn)量與壓差的關(guān)系，并與理論曲線進(jìn)行對比，加深對達(dá)西定律的理解；（3）測定生產(chǎn)井周圍的壓降漏斗曲線，加深對壓力場的分布的認(rèn)識。2、實驗流程及原理實驗電路如圖3-7所示。圖3-4中拔下電流表與可變電阻相連的一端，使其與測量電源的低壓端連接，連接電流表另一端帶銅絲的導(dǎo)線2連接，如圖3-7所示。改變調(diào)壓器，由測量電壓表讀出供給邊緣與生產(chǎn)井2之間的電壓值，由電流表讀出電流值。圖3-7 圓形恒壓邊界中心一口直井電路圖1 - 電解槽 2 - 銅絲（模擬井） 3 - 供給邊界3、計算原理

12、圓形恒壓邊界中心一口直井（完善井）穩(wěn)定生產(chǎn)時產(chǎn)量計算公式： (3-17)地層中任一點(diǎn)壓力分布公式： (3-18)由相似原理可知，模擬模型中電壓與電流同樣滿足上述關(guān)系式：完善“井”“產(chǎn)量”公式： (3-19)改變電壓值，并測得相應(yīng)的電流值I。由此可得到-I關(guān)系曲線（理論上應(yīng)為直線）。任一點(diǎn)電壓分布公式： (3-20)固定值,測得不同處的電位值U，由此可得“壓降”漏斗曲線。由“完善井” 電壓與電流的關(guān)系及及相似系數(shù)Cp、Cq，可以求出完善井壓差（Pe-Pw）與流量的關(guān)系：流量： ； 壓差： (3-21)由模擬條件下任意半徑處的電位值U，可求得實際地層中任意半徑r出的壓力P，即可求得地層中的壓力分布

13、：壓力：； 對應(yīng)半徑： (3-22)式(5-3-18)的壓力及半徑均用式（3-22）處理，可求得實際地層中任意點(diǎn)的壓力分布。4、實驗步驟（1）首先確定模擬油藏的參數(shù)的大?。簼B透率k、供給半徑re、井半徑rw、油層厚度h、流體粘度、生產(chǎn)壓差（Pe-Pw），計算油井產(chǎn)量Q；確定模擬系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)的大?。耗M油藏供給半徑rem、最大電流I、最大電壓。（2）計算相似系數(shù)：，計算，（3）由，計算CuSO4溶液的電導(dǎo)率，溶液厚度，具體方法見示例。（2）根據(jù)電導(dǎo)率值，從CuSO4溶液濃度與電導(dǎo)率關(guān)系曲線（圖3-2）中查出CuSO4與蒸餾水配制比例，然后進(jìn)行配制。（3）配制完畢，測定溶液實際電導(dǎo)率值，計算相似

14、系數(shù)。（4）將調(diào)壓器旋鈕旋至“0”位置，按圖3-7所示連接好電路。（5）打開電源，順時針旋轉(zhuǎn)變壓器旋鈕，將電源電壓調(diào)到所需值（注意：不要高于36伏）。（6）順時針慢慢旋動調(diào)壓器的旋鈕，使電壓值從低到高變化（最高測量電壓<10伏），并測定各個電壓值下生產(chǎn)井的電流值，由(3-21)計算相應(yīng)的壓差及流量。 （7）壓降漏斗曲線的測定（測電流法）：連接好圖3-5所示電路，旋動調(diào)壓器的旋鈕，使測量電壓0為一固定值（如5伏），通過滑軌記錄生產(chǎn)井的坐標(biāo)（x0，y0），改變電流表測針的位置（x，y），調(diào)整可變電阻R1或R2，使電流表讀數(shù)為零，記錄此時R1、R2讀數(shù)。計算不同位置的電壓，由式(3-22)計算

15、相應(yīng)的位置及壓力（將所測數(shù)據(jù)記錄到表3-3中）。壓降漏斗曲線的測定（測電壓法）：將一外接電壓表一端與測針相連，另一端接零線。從生產(chǎn)井位置（x0，y0)開始，沿某一半徑方向移動測針，隔一定距離記錄一個電壓值和相應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)值(x,y)，式(3-22)轉(zhuǎn)換，就可測出壓降漏斗曲線。注意：井附近數(shù)據(jù)點(diǎn)密一些，往外疏一些（將所測數(shù)據(jù)記錄到表3-2中）。四、數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理1）產(chǎn)量與壓差關(guān)系數(shù)據(jù)表儀器編號：5模型參數(shù)：rem= 35cm ；rwm =0.8mm ；hm = 5.33 cm ；=1089s/cm地層參數(shù)：re =65.625m ；rw=0.15m ；h=10m ；K= 0.1m2 ；=5mPa

16、s表1 產(chǎn)量與壓差關(guān)系數(shù)據(jù)表序號12345678U(V)3.04.05.06.07.08.09.010.0I(mA)11.7014.5019.9024.8029.7035.6040.5046.00()3.04.05.06.07.08.09.010.0Q()3.494.325.937.398.8510.6112.0713.705.367.148.9310.7112.5014.2816.0717.85e(%)34.8939.5033.5931.0029.2025.7024.8923.25由此可得，hm=hCl=1000×5.33×10-3=5.33cm，將表1中各組的值代入上式

17、，可以求得各組值，如表1所示。，由和聯(lián)立可得，=××=5.33×10-3×1×0.05445=2.9×10-4，將表1中各組I值代入上式，可以求得各組Q值，如表1所示。由公式和表1中相關(guān)數(shù)據(jù)，可以求得各組的值，如表1所示。由公式，計算可得各組e值，如表1所示。由表1相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制壓差與產(chǎn)量關(guān)系曲線圖，如圖1所示。圖12）壓降漏斗曲線數(shù)據(jù)記錄表（電壓法） 井的位置：x0=46.70cm， y0=44.00cm表2 壓降漏斗曲線數(shù)據(jù)記錄表序號1234567位置(x,y)(cm)（46.80,44.00）（47.20,44.00）（47.70,44.00）（51.70,44.00）(56.70,44.00)(66.70,44.00)(76.70,44.00)離生產(chǎn)井距離rm(cm)0.10.51.05.010.020.030.