一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统与方法

1.本发明涉及油气开采、储气库及地下储能技术领域，具体涉及一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统。


背景技术：

2.在石油与天然气开采、储气库及地下储能作业中，储层注采是其核心工艺，如何去模拟实际工况，揭示储层注采过程中出砂的变化规律，对上述作业的安全保障至关重要。以地下储气库为例，其是城市天然气输配系统工程中的重要组成部分。随着天然气在能源结构中所占比例的不断增大，供气区与用户区的年峰谷差、季峰谷差、管线更换、意外事故等原因出现的供需不平衡现象越来越明显。地下储气库是安全平稳供气和天然气输配系统高效运行的重要保证。由于生产需求和井数限制，储气库气井的注采气速度和强度均远高于传统气藏气井，可达到后者的数倍甚至数十倍；在长周期交变注采工况下，储气库砂岩储层的出砂风险大大加剧，造成一系列危害和问题，并对出砂防控带来新的挑战。因此，对于以砂岩为主的枯竭油气藏型储气库，高效长期的出砂防控对保障储气库长期安全运行具有重要意义。然而目前储气库出砂程度评价还面临以下难题。
3.一方面是储气库的运行方式较为复杂，分为大排量注气和采气的工作方式。注气时，地层有被砂子堵塞的可能，地层的渗透率可能随砂子堵塞逐渐降低；采气时，地层内部砂子有被气流冲刷带出的可能，地层的渗透率可能随砂子流出逐渐增大；长期交替注气采气可能造成地层通道的不确定性变化，影响注采能力，此外变化的注气与采气速率会导致岩心腔体出现损伤，造成井壁不稳定。
4.另一方面是储气库的环境及工况大多恶劣，存在高温高压特点。此外生产压力差、环境温度、注气量、采气量、液流量等参数长时间处于波动状态。造成了出砂情况的不确定性。同时缺乏准确记录出砂情况的试验装置，进一步的阻碍了出砂临界参数的得出，因此在运行过程中不能有效及时的出砂防控措施。
5.因此，石油与天然气开采、储气库及地下储能等作业方案设计过程中需要有完井统筹考虑的思想，为了实现注采工程设计优化合理，按照疏松砂岩储层裸眼完井方式的增产优势显而易见，但前提是结合油田实际情况，评价裸露的井眼在油气生产条件下是否能保持稳定。但现阶段缺乏对裸眼井壁的稳定性评价。因而，亟需一套用于模拟储气库高温高压储气层在多次注采天然气时出砂的实验装置来进行室内实验，保障石油与天然气开采、储气库及地下储能作业的安全、平稳运行,彻底消除安全隐患。
6.为了更好的对储气库出砂预测防控，高效地促进储气库的蓬勃发展，有必要发明一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，除了解决现有技术存在的问题，同时能满足以下要求：
7.1、能模拟注气和采气两种交变工况对出砂的影响；
8.2、能模拟不同生产压差、不同温度等参数对出砂的影响；
9.3、能模拟出不同注采气速率，实时检测裸眼井壁的稳定性
10.4、在不同工况下，能有效除去气体中的泥砂；
11.5、能模拟地层温度和压力，可给独立加载岩心加围压、轴压。


技术实现要素：

12.本发明通过发明一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统与方法，利用正反驱动的工作模式，达到模拟注气和采气两种工况的目的；采用加热器与增压泵的联合使用，创造出高温高压的实验环境；通过在实验系统中设置出砂监测视窗摄像头装置，准确记录出砂状况，得出出砂时的临界参数；通过设置的多组气体加速仪，模拟出出不同注采气速率；利用位移传感器，监测岩心腔体的井壁的蠕动位移，进一步对岩心腔体的裸眼井壁的稳定性进行评价；在模拟地层温度和压力的情况下，利用增压器增大岩心处压力。
13.本发明通过以下技术方案来实现：
14.所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，包括岩心模拟模块、井壁稳定性监测模块、出砂监测模块、速度控制模块、正反驱控制模块、气体增压模块、气体升温模块以及数据处理模块八部分，岩心模拟模块右端连接井壁稳定性监测模块，井壁稳定性监测模块右端连接出砂监测模块，出砂监测模块右端连接速度控制模块，速度控制模块右端与正反驱控制模块的正驱部分连接，正反驱控制模块的正驱部分与反驱部分之间设置有气体增压模块、气体升温模块，且气体增压模块与气体升温模块并联，岩心模拟模块、井壁稳定性监测模块、出砂监测模块、速度控制模块、正反驱控制模块、气体增压模块以及气体升温模块均通过管线连接，系统外接数据处理模块。
15.所述的岩心模拟模块包括压力调节阀ⅰ、增压器ⅰ、压力传感器ⅰ、温度传感器ⅰ、压力调节阀ⅰ、增压器ⅱ、压力传感器ⅱ以及温度传感器ⅱ。
16.所述的井壁稳定性监测模块包括数据处理仪、位移传感器、电磁调节阀、接触器以及岩心腔体。
17.所述的出砂监测模块包括过滤器、固液分离器、阀门ⅰ、集砂器、气液分离器、阀门ⅱ、液体收集器干燥管以及出砂监测视窗摄像头。
18.所述的速度控制模块包速度调节阀ⅰ、速度传感器ⅰ、气体加速仪ⅰ、速度调节阀ⅱ、速度传感器ⅱ、气体加速仪ⅱ、速度调节阀ⅲ、速度传感器ⅲ、气体加速仪ⅲ以及稳速器。
19.所述的正反驱控制模块包括电子流量计ⅰ、阀门ⅲ、正向驱动器(503)、电子流量计ⅱ、阀门ⅳ、反向驱动器以及储气罐。
20.所述的气体增压模块包括阀门
ⅴ
、压力调节阀ⅲ、压力传感器ⅲ、增压泵ⅰ、回压阀ⅰ、回压容器ⅰ、压力调节阀ⅳ、压力传感器ⅳ、增压泵ⅱ、回压阀ⅱ、回压容器ⅱ、压力调节阀
ⅴ
、压力传感器
ⅴ
、增压泵ⅲ、回压阀ⅲ、回压容器ⅲ以及稳压器。
21.所述的气体升温模块包括阀门ⅵ、温度调节阀ⅰ、温度传感器ⅳ(703)、加热器ⅰ、温度调节阀ⅱ、温度传感器
ⅴ
、加热器ⅱ、温度调节阀ⅲ、温度传感器ⅵ、加热器ⅲ、温度保持器。
22.所述的数据处理模块包括图像处理器、数据存储器、中央处理器以及控制器。
23.进一步地，所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于：所述的岩心模拟模块模拟了地层的温度与压力，所述增压器ⅰ实现了给岩心加载轴压，增压器ⅱ给岩心加围压，压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ分别实时显示轴压、围压参数，同时将数据输出到
中央处理器；岩心模拟模块中的两条支路并联，通过设置的压力调节阀ⅰ与压力调节阀ⅱ控制支路的开闭，因此轴压、围压可独立加载；温度传感器ⅰ与温度传感器ⅱ分别监测轴压增压回路与围压增压回路的温度参数。
24.进一步地，所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，所述的井壁稳定性监测模块设置有位移传感器，对岩心腔体的井壁的蠕动位移进行检测，所检测到的数据反馈至数据处理仪，数据处理仪将接收到的数据与岩心腔体位移临界参数对比，实时评价岩心腔体井壁的稳定性；在位移传感器与电磁调节阀之间设置接触器，当数据处理仪检测到岩心腔体位移达到临界参数时，接触器控制电磁调节阀断开，对系统起到了安全保护的作用。
25.进一步地，所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，所述的出砂监测模块设置有过滤器，能过滤掉气体中的大颗粒泥砂，过滤器与干燥管之间还设置有固液分离器与气液分离器，固液分离器进一步的除掉气体中的小微粒粉砂，气液分离器将气体中的多余水气分离，干燥管将气体干燥除湿，末端设置的出砂监测摄像头进行视觉图像检测。
26.进一步地，所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，所述的速度控制模块设置的气体加速仪ⅰ、气体加速仪ⅱ、气体加速仪ⅲ可分别改变三个回路的注采气速率，速度调节阀ⅰ、速度调节阀ⅱ、速度调节阀ⅲ独立控制三个加速回路，速度传感器ⅰ、速度传感器ⅱ、速度传感器ⅲ分别监测三个回路的注采气速度，同时将数据反馈至中央控制器，设置于加速回路的末端稳速器用于缓解气体加速时的产生的脉冲。
27.一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，所述的正反驱控制模块模拟出注气与采气两种工况，所述的电子流量计ⅰ、阀门ⅲ以及正向驱动器构成正驱部分，电子流量计ⅰ实时监测气体增压模块与气体升温模块入口端的气体流量，所述的电子流量计ⅱ、阀门ⅳ、反向驱动器构成反驱部分，当系统需要正向驱动采气时，阀门ⅲ闭合，正向驱动器工作，阀门ⅳ断开，反向驱动器不接入实验系统，当系统需要反向驱动注气时，阀门ⅲ断开，正向驱动器不接入实验系统，阀门ⅳ闭合，反向驱动器工作。
28.进一步地，所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，所述的气体增压模块通过设置的增压泵ⅰ、增压泵ⅱ、增压泵ⅲ模拟出多级压力，此外中央控制器能对压力传感器ⅲ、压力传感器ⅳ、压力传感器
ⅴ
等数据实时采集，当回路中气体压力过载时回压阀ⅰ、回压阀ⅱ、回压阀ⅲ用于安全释放，回压容器ⅰ、回压容器ⅱ、回压容器ⅲ用于缓冲过载的气体，以实现按地层条件实验和安全控制，所述的气体增压模块末端设置的稳压器用于降低气体压力突然改变时对实验的不良影响。
29.进一步地，所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，所述的气体升温模块通过设置的加热器ⅰ加热器ⅱ、加热器ⅲ模拟多级温度，此外中央控制器能对温度传感器ⅲ、温度传感器ⅳ、温度传感器
ⅴ
等数据实时采集，所述的气体升温模块末端设置的温度保持器用于降低气体温度突然改变时对实验的不良影响。
30.进一步地，所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，所述的数据处理模块中的图像处理器通过管线与出砂监测摄像头直接连接。
31.进一步地，所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统的实验方法，其特征在于，它包括以下实施步骤：
32.s1：岩心驱动过程，具体包括以下步骤：
33.s11：正向驱动注气时，阀门ⅲ闭合，正向驱动器工作，阀门ⅳ断开，反向驱动器不接入实验系统，模拟出储气库采气工况，电子流量计ⅰ实时监测此时系统中的采气量，最终岩心腔体中的气体流入储气罐；
34.s12：反向驱动采气时，阀门ⅲ断开，正向驱动器不接入实验系统，阀门ⅳ闭合，反向驱动器工作，模拟出储气库注气工况，电子流量计ⅱ实时监测此时系统中的注气量，最终储气罐中的气体注入岩心腔体；
35.s2：岩心模拟过程，具体包括以下步骤：
36.s21：岩心模拟模块中的压力调节阀ⅰ闭合，增压器ⅰ接入实验系统，给岩心腔体轴向增压，通过调节增压器ⅰ的工作值，来改变轴向压力参数，压力传感器ⅰ实时检测轴向增压参数，中央处理器收集轴向增压过程数据，并得出临界数值；
37.s22：岩心模拟模块中的压力调节阀ⅱ闭合，增压器ⅱ接入实验系统，给岩心腔体周向增压，通过调节增压器ⅱ的工作值，来改变周向压力参数，压力传感器ⅱ实时检测周向增压参数，中央处理器收集周向增压过程数据，并得出临界数值；
38.s3：井壁稳定性监测过程，井壁稳定性监测模块中的位移传感器对岩心腔体的井壁的蠕动位移进行检测，所检测到的数据反馈至数据处理仪，数据处理仪将接收到的数据与岩心腔体位移临界参数对比，实时评价岩心腔体井壁的稳定性；当数据处理仪检测到岩心腔体位移达到临界参数时，接触器控制电磁调节阀断开，整个系统不进行注采气实验；
39.s4：出砂实时检测过程，出砂监测模块中过滤器初步过滤气体中的大颗粒固体，固液分离器进一步分离气体中的泥砂，阀门ⅰ闭合，集砂器收集分离出的泥砂，气液分离器将气体多余的水分除去，当有液体存在时阀门ⅱ闭合，液体收集器收集分离出的液体，干燥管运行，将分离出的气体进行干燥处理，出砂监测视窗摄像头运行，对除砂、除湿后的气体进行视觉图像检测，并将检测到的图像传输给图像处理器；
40.s5：速度控制过程，根据所需的注采气速率来控制并联的三条加速实验系统中速度调节阀ⅰ、速度调节阀ⅱ、速度调节阀ⅲ的开闭，进一步决定是否将气体加速仪ⅰ、气体加速仪ⅱ、气体加速仪ⅲ连接入实验系统，速度传感器ⅰ、速度传感器ⅱ、速度传感器ⅲ分别监测三个实验系统的注采气速度，同时将数据反馈至中央控制器，稳速器用于缓解气体加速时的产生的脉冲；
41.s6：气体压力控制过程，具体包括以下步骤：
42.s61：根据所需的注采气压力来控制并联的三条增压实验系统中压力调节阀ⅲ、压力调节阀ⅳ、压力调节阀
ⅴ
的开闭，从而使增压泵ⅰ、增压泵ⅱ、增压泵ⅲ接入系统，模拟出多级压力，接入稳压器使此时系统处于恒高压状态，压力传感器ⅲ、压力传感器ⅳ、压力传感器
ⅴ
将系统中的压力参数实时反馈到中央处理器；
43.s62：当系统压力过高时，气体增压模块中的回压阀ⅰ、回压阀ⅱ(610)、回压阀ⅲ断开，阀门
ⅴ
断开，双重阀门，保证实验的安全性，此时气体增压模块不工作：
44.s7：气体升温控制过程，具体包括以下步骤：
45.s71：根据所需的注采气温度来控制并联的三条升温实验系统中温度调节阀ⅰ、温度调节阀ⅱ、温度调节阀ⅲ的开闭，从而使加热器ⅰ加热器ⅱ(707)、加热器ⅲ接入系统，模拟多级温度，接入温度保持器使此时系统处于恒高温状态，温度传感器ⅲ、温度传感器ⅳ、
温度传感器
ⅴ
将系统中的温度参数实时反馈到中央处理器；
46.s72：当系统温度过高时，气体升温模块中的阀门ⅵ断开，此时气体升温模块不工作；
47.s8：数据处理过程，具体包括以下步骤：
48.s81：中央处理器分别对注采气速度、压力、温度等数据进行处理计算，将数据存储到数据存储器；
49.s82：在模拟不同注采气速度、压力、温度的工况的实验时，图像处理器将出砂监测视窗摄像头传输来的图像处理分析，得出每次模拟实验的出砂的临界点，并将出砂临界数据传输到数据存储器；
50.s83：数据存储器将接收到的数据对比分析，得出高温高压下的出砂临界点；
51.s9：模拟储气库注气及采气过程结束。
52.采用上述技术方案后，本发明的有益效果为：
53.(1)在正反驱控制的过程中利用正驱动器与反驱动器用，达到了可以独立正向驱动与反向驱动的目的，准确高效的模拟出注气与采气的工况。
54.(2)在岩心模拟过程中，轴向增压回路与环向增压回路并联，使得他们可以独立验证在岩心增压的工况下对出砂的影响。
55.(3)在出砂监测过程中，综合出砂监测视窗摄像头实时监测实验过程中出砂情况，同时得出临界参数，并且能可视化的观测出砂状况；此外固液分离器、集砂器、气液分离器的使用，持续稳定的将管道中的泥砂与液体排除，避免了交替注气采气时因地层的渗透率的改变造成管道坍塌的现象。
56.(4)通过设置的多组气体加速仪，模拟出出不同注采气速率。同时利用位移传感器，监测岩心腔体的井壁的蠕动位移。
57.(5)在气体升温与体增压过程中，通过设置的多组加热器模拟不同的温度，通过设置的多组增压泵模拟出不同的压力，验证了不同生产压差、不同气量等参数对出砂的影响。
附图说明
58.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
59.图1是本发明流程示意图；
60.图2是本发明的系统原理图；
61.图3是本发明的系统流程图；
62.0-1-岩心模拟模块、0-2-井壁稳定性监测模块、0-3-出砂监测模块、0-4-速度控制模块、0-5-正反驱控制模块、0-6-气体增压模块、0-7-气体升温模块、0-8-数据处理模块、101-压力调节阀ⅰ、102-增压器ⅰ、103-压力传感器ⅰ、104-温度传感器ⅰ、105-压力调节阀ⅱ、106-增压器ⅱ、107-压力传感器ⅱ、108-温度传感器ⅱ、201、数据处理仪、202-位移传感器、203-电磁调节阀、204-接触器、205-岩心腔体、301-过滤器、302-固液分离器、303-阀门ⅰ、304-集砂器、305-气液分离器、306-阀门ⅱ、307-液体收集器、308-干燥管、309-出砂监测视
窗摄像头、401-速度调节阀ⅰ、402-速度传感器ⅰ、403-气体加速仪ⅰ、404-速度调节阀ⅱ、405-速度传感器ⅱ、406-气体加速仪ⅱ、407-速度调节阀ⅲ、408-速度传感器ⅲ、409-气体加速仪ⅲ、410-稳速器、501-电子流量计ⅱ、502-阀门ⅲ、503-正向驱动器、504-电子流量计ⅱ、505-阀门ⅳ、506-反向驱动器、507-储气罐、601-阀门
ⅴ
、602-压力调节阀ⅲ、603-压力传感器ⅲ、604-增压泵ⅰ、605-回压阀ⅰ、606-回压容器ⅰ、607-压力调节阀ⅳ、608-压力传感器ⅳ、609-增压泵ⅱ、610-回压阀ⅱ、611-回压容器ⅱ、612-压力调节阀
ⅴ
、613-压力传感器
ⅴ
、614-增压泵ⅲ、615-回压阀ⅲ、616-回压容器ⅲ、617-稳压器、701-阀门ⅵ、702-温度调节阀ⅰ、703-温度传感器ⅲ、704-加热器ⅰ、705-温度调节阀ⅱ、706-温度传感器ⅵ、707-加热器ⅱ、708-温度调节阀ⅲ、709-温度传感器
ⅴ
、710-加热器ⅲ、711-温度保持器、802-中央处理器。具体实施方式
63.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
64.如图1所示，一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，包括岩心模拟模块(0-1)、井壁稳定性监测模块(0-2)、出砂监测模块(0-3)、速度控制模块(0-4)、正反驱控制模块(0-5)、气体增压模块(0-6)、气体升温模块(0-7)以及数据处理模块(0-8)八部分，岩心模拟模块(0-1)右端连接井壁稳定性监测模块(0-2)，井壁稳定性监测模块(0-2)右端连接出砂监测模块(0-3)，出砂监测模块(0-3)右端连接速度控制模块(0-4)，速度控制模块(0-4)右端与正反驱控制模块(0-5)的正驱部分连接，正反驱控制模块(0-5)的正驱部分与反驱部分之间设置有气体增压模块(0-6)、气体升温模块(0-7)，且气体增压模块(0-6)与气体升温模块(0-7)并联，岩心模拟模块(0-1)、井壁稳定性监测模块(0-2)、出砂监测模块(0-3)、速度控制模块(0-4)、正反驱控制模块(0-5)、气体增压模块(0-6)以及气体升温模块(0-7)均通过管线连接，系统外接数据处理模块(0-8)；所述的岩心模拟模块(0-1)包括压力调节阀ⅰ(101)、增压器ⅰ(102)、压力传感器ⅰ(103)、温度传感器ⅰ(104)、压力调节阀ⅰ(105)、增压器ⅱ(106)、压力传感器ⅱ(107)以及温度传感器ⅱ(108)；所述的井壁稳定性监测模块(0-2)包括数据处理仪(201)、位移传感器(202)、电磁调节阀(203)、接触器(204)以及岩心腔体(205)；所述的出砂监测模块(0-3)包括过滤器(301)、固液分离器(302)、阀门ⅰ(303)、集砂器(304)、气液分离器(305)、阀门ⅱ(306)、液体收集器(307)、干燥管(308)、以及出砂监测视窗摄像头(309)；所述的速度控制模块(0-4)包速度调节阀ⅰ(401)、速度传感器ⅰ(402)、气体加速仪ⅰ(403)、速度调节阀ⅱ(404)、速度传感器ⅱ(405)、气体加速仪ⅱ(406)、速度调节阀ⅲ(407)、速度传感器ⅲ(408)、气体加速仪ⅲ(409)以及稳速器(410)；所述的正反驱控制模块(0-5)包括电子流量计ⅰ(501)、阀门ⅲ(502)、正向驱动器(503)、电子流量计ⅱ(504)、阀门ⅳ(505)、反向驱动器(506)以及储气罐(507)；所述的气体增压模块(0-6)包括阀门
ⅴ
(601)、压力调节阀ⅲ(602)、压力传感器ⅲ(603)、增压泵ⅰ(604)、回压阀ⅰ(605)、回压容器ⅰ(606)、压力调节阀ⅳ(607)、压力传感器ⅳ(608)、增压泵ⅱ(609)、回压阀ⅱ(610)、回压容器ⅱ(611)、压力调节阀
ⅴ
(612)、压力传感器
ⅴ
(613)、增压泵ⅲ(614)、回压阀ⅲ(615)、回压容器ⅲ(615)以及稳压器(617)；所述的气体升温模块(0-7)包括阀门ⅵ(701)、温度调节阀ⅰ(702)、温度传感器ⅳ(703)、加热器ⅰ(704)、温度调节阀ⅱ(705)、温度
传感器
ⅴ
(706)、加热器ⅱ(707)、温度调节阀ⅲ(708)、温度传感器ⅵ(709)、加热器ⅲ(710)、温度保持器(711)；所述的数据处理模块(0-8)包括中央处理器(802)。
65.所述的岩心模拟模块(0-1)模拟了地层的温度与压力，所述增压器ⅰ(102)实现了给岩心加载轴压，增压器ⅱ(106)给岩心加围压，压力传感器ⅰ(103)、压力传感器ⅱ(107)分别实时显示轴压、围压参数，同时将数据输出到中央处理器(802)；岩心模拟模块(0-1)中的两条支路并联，通过设置的压力调节阀ⅰ(101)与压力调节阀ⅱ(105)控制支路的开闭，因此轴压、围压可独立加载；温度传感器ⅰ(105)与温度传感器ⅱ(108)分别监测轴压增压回路与围压增压回路的温度参数。
66.所述的井壁稳定性监测模块(0-2)设置有位移传感器(202)，对岩心腔体的井壁的蠕动位移进行检测，所检测到的数据反馈至数据处理仪(201)，数据处理仪(201)将接收到的数据与岩心腔体位移临界参数对比，实时评价岩心腔体井壁的稳定性；在位移传感器(202)与电磁调节阀(203)之间设置接触器(204)，当数据处理仪(201)检测到岩心腔体位移达到临界参数时，接触器(204)控制电磁调节阀(203)断开，对系统起到了安全保护的作用。
67.所述的出砂监测模块(0-3)设置有过滤器(301)，能过滤掉气体中的大颗粒泥砂，过滤器(301)与干燥管(308)之间还设置有固液分离器(302)与气液分离器(305)，固液分离器(302)进一步的除掉气体中的小微粒粉砂，气液分离器(305)将气体中的多余水气分离，干燥管(308)将气体干燥除湿，末端设置的出砂监测摄像头(309)进行视觉图像检测。
68.所述的速度控制模块(0-4)设置的气体加速仪ⅰ(403)、气体加速仪ⅱ(406)、气体加速仪ⅲ(409)可分别改变三个回路的注采气速率，速度调节阀ⅰ(401)、速度调节阀ⅱ(404)、速度调节阀ⅲ(407)独立控制三个加速回路，速度传感器ⅰ(402)、速度传感器ⅱ(405)、速度传感器ⅲ(408)分别监测三个回路的注采气速度，同时将数据反馈至中央控制器(802)，设置于加速回路的末端稳速器(410)用于缓解气体加速时的产生的脉冲。
69.所述的正反驱控制模块(0-5)模拟出注气与采气两种工况，所述的电子流量计ⅰ(501)、阀门ⅲ(502)以及正向驱动器(503)构成正驱部分，电子流量计ⅰ(501)实时监测气体增压模块(0-6)与气体升温模块(0-7)入口端的气体流量，所述的电子流量计ⅱ(504)、阀门ⅳ(505)、反向驱动器(506)构成反驱部分，当系统需要正向驱动采气时，阀门ⅲ(502)闭合，正向驱动器(503)工作，阀门ⅳ(505)断开，反向驱动器(506)不接入实验系统，当系统需要反向驱动注气时，阀门ⅲ(502)断开，正向驱动器(503)不接入实验系统，阀门ⅳ(505)闭合，反向驱动器(506)工作。
70.所述的气体增压模块(0-6)通过设置的增压泵ⅰ(604)、增压泵ⅱ(609)、增压泵ⅲ(614)模拟出多级压力，此外中央控制器(802)能对压力传感器ⅲ(603)、压力传感器ⅳ(608)、压力传感器
ⅴ
(613)等数据实时采集，当回路中气体压力过载时回压阀ⅰ(605)、回压阀ⅱ(610)、回压阀ⅲ(615)用于安全释放，回压容器ⅰ(606)、回压容器ⅱ(611)、回压容器ⅲ(616)用于缓冲过载的气体，以实现按地层条件实验和安全控制，所述的气体增压模块(0-6)末端设置的稳压器(617)用于降低气体压力突然改变时对实验的不良影响。
71.所述的气体升温模块(0-7)通过设置的加热器ⅰ(704)加热器ⅱ(707)、加热器ⅲ(710)模拟多级温度，此外中央控制器(802)能对温度传感器ⅲ(603)、温度传感器ⅳ(608)、温度传感器
ⅴ
(613)等数据实时采集，所述的气体升温模块(0-7)末端设置的温度保持器(711)用于降低气体温度突然改变时对实验的不良影响。
(602)、压力调节阀ⅳ(607)、压力调节阀
ⅴ
(612)的开闭，从而使增压泵ⅰ(604)、增压泵ⅱ(609)、增压泵ⅲ(614)接入系统，模拟出多级压力，接入稳压器(617)使此时系统处于恒高压状态，压力传感器ⅲ(603)、压力传感器ⅳ(608)、压力传感器
ⅴ
(613)将系统中的压力参数实时反馈到中央处理器(802)；
85.s62：当系统压力过高时，气体增压模块(0-6)中的回压阀ⅰ(605)、回压阀ⅱ(610)、回压阀ⅲ(615)断开，阀门
ⅴ
(601)断开，双重阀门，保证实验的安全性，此时气体增压模块(0-6)不工作；
86.s7：气体升温控制过程，具体包括以下步骤：
87.s71：根据所需的注采气温度来控制并联的三条升温实验系统中温度调节阀ⅰ(702)、温度调节阀ⅱ(705)、温度调节阀ⅲ(708)的开闭，从而使加热器ⅰ(704)加热器ⅱ(707)、加热器ⅲ(710)接入系统，模拟多级温度，接入温度保持器(711)使此时系统处于恒高温状态，温度传感器ⅲ(603)、温度传感器ⅳ(608)、温度传感器
ⅴ
(613)将系统中的温度参数实时反馈到中央处理器(802)；
88.s72：当系统温度过高时，气体升温模块(0-7)中的阀门ⅵ(701)断开，此时气体升温模块(0-7)不工作；
89.s8：数据处理过程，具体包括以下步骤：
90.s81：中央处理器(803)分别对注采气速度、压力、温度等数据进行处理计算，将数据存储到数据存储器(802)；
91.s82：在模拟不同注采气速度、压力、温度的工况的实验时，图像处理器(801)将出砂监测视窗摄像头(309)传输来的图像处理分析，得出每次模拟实验的出砂的临界点，并将出砂临界数据传输到数据存储器(802)；
92.s83：数据存储器(802)将接收到的数据对比分析，得出高温高压下的出砂临界点；
93.s9：模拟储气库注气及采气过程结束。

技术特征：
1.一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于，包括岩心模拟模块(0-1)、井壁稳定性监测模块(0-2)、出砂监测模块(0-3)、速度控制模块(0-4)、正反驱控制模块(0-5)、气体增压模块(0-6)、气体升温模块(0-7)以及数据处理模块(0-8)八部分，岩心模拟模块(0-1)右端连接井壁稳定性监测模块(0-2)，井壁稳定性监测模块(0-2)右端连接出砂监测模块(0-3)，出砂监测模块(0-3)右端连接速度控制模块(0-4)，速度控制模块(0-4)右端与正反驱控制模块(0-5)的正驱部分连接，正反驱控制模块(0-5)的正驱部分与反驱部分之间设置有气体增压模块(0-6)、气体升温模块(0-7)，且气体增压模块(0-6)与气体升温模块(0-7)并联，岩心模拟模块(0-1)、井壁稳定性监测模块(0-2)、出砂监测模块(0-3)、速度控制模块(0-4)、正反驱控制模块(0-5)、气体增压模块(0-6)以及气体升温模块(0-7)均通过管线连接，系统外接数据处理模块(0-8)；所述的岩心模拟模块(0-1)包括压力调节阀ⅰ(101)、增压器ⅰ(102)、压力传感器ⅰ(103)、温度传感器ⅰ(104)、压力调节阀ⅰ(105)、增压器ⅱ(106)、压力传感器ⅱ(107)以及温度传感器ⅱ(108)；所述的井壁稳定性监测模块(0-2)包括数据处理仪(201)、位移传感器(202)、电磁调节阀(203)、接触器(204)以及岩心腔体(205)；所述的出砂监测模块(0-3)包括出砂过滤器(301)、固液分离器(302)、阀门ⅰ(303)、集砂器(304)、气液分离器(305)、阀门ⅱ(306)、液体收集器(307)、干燥管(308)以及出砂监测视窗摄像头(309)；所述的速度控制模块(0-4)包速度调节阀ⅰ(401)、速度传感器ⅰ(402)、气体加速仪ⅰ(403)、速度调节阀ⅱ(404)、速度传感器ⅱ(405)、气体加速仪ⅱ(406)、速度调节阀ⅲ(407)、速度传感器ⅲ(408)、气体加速仪ⅲ(409)以及稳速器(410)；所述的正反驱控制模块(0-5)包括电子流量计ⅰ(501)、阀门ⅲ(502)、正向驱动器(503)、电子流量计ⅱ(504)、阀门ⅳ(505)、反向驱动器(506)以及储气罐(507)；所述的气体增压模块(0-6)包括阀门
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(601)、压力调节阀ⅲ(602)、压力传感器ⅲ(603)、增压泵ⅰ(604)、回压阀ⅰ(605)、回压容器ⅰ(606)、压力调节阀ⅳ(607)、压力传感器ⅳ(608)、增压泵ⅱ(609)、回压阀ⅱ(610)、回压容器ⅱ(611)、压力调节阀
ⅴ
(612)、压力传感器
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(613)、增压泵ⅲ(614)、回压阀ⅲ(615)、回压容器ⅲ(615)以及稳压器(617)；所述的气体升温模块(0-7)包括阀门ⅵ(701)、温度调节阀ⅰ(702)、温度传感器ⅳ(703)、加热器ⅰ(704)、温度调节阀ⅱ(705)、温度传感器
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(706)、加热器ⅱ(707)、温度调节阀ⅲ(708)、温度传感器ⅵ(709)、加热器ⅲ(710)、温度保持器(711)；所述的数据处理模块(0-8)包括图像处理器(801)、数据存储器(802)、中央处理器(803)以及控制器(804)。2.根据权利要求1所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于：所述的岩心模拟模块(0-1)模拟了地层的温度与压力，所述增压器ⅰ(102)实现了给岩心加载轴压，增压器ⅱ(106)给岩心加围压，压力传感器ⅰ(103)、压力传感器ⅱ(107)分别实时显示轴压、围压参数，同时将数据输出到中央处理器(802)；岩心模拟模块(0-1)中的两条支路并联，通过设置的压力调节阀ⅰ(101)与压力调节阀ⅱ(105)控制支路的开闭，因此轴压、围压可独立加载；温度传感器ⅰ(105)与温度传感器ⅱ(108)分别监测轴压增压回路与围压增压回路的温度参数。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于：所述的井壁稳定性监测模块(0-2)设置有位移传感器(202)，对岩心腔体的井壁的蠕动位移进行检测，所检测到的数据反馈至数据处理仪(201)，数据处理仪(201)将接收到的数据与岩心腔体位移临界参数对比，实时评价岩心腔体井壁的稳定性；在位移传感器(202)与电磁调节阀(203)之间设置接触器(204)，当数据处理仪(201)检测到岩心腔体位移达到临界参数时，接触器(204)控制电磁调节阀(203)断开，对系统起到了安全保护的作用。4.根据权利要求1所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于：所述的出砂监测模块(0-3)设置有过滤器(301)，能过滤掉气体中的大颗粒泥砂，过滤器(301)与干燥管(308)之间还设置有固液分离器(302)与气液分离器(305)，固液分离器(302)进一步的除掉气体中的小微粒粉砂，气液分离器(305)将气体中的多余水气分离，干燥管(308)将气体干燥除湿，末端设置的出砂监测摄像头(309)进行视觉图像检测。5.根据权利要求1所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于：所述的速度控制模块(0-4)设置的气体加速仪ⅰ(403)、气体加速仪ⅱ(406)、气体加速仪ⅲ(409)可分别改变三个回路的注采气速率，速度调节阀ⅰ(401)、速度调节阀ⅱ(404)、速度调节阀ⅲ(407)独立控制三个加速回路，速度传感器ⅰ(402)、速度传感器ⅱ(405)、速度传感器ⅲ(408)分别监测三个回路的注采气速度，同时将数据反馈至中央控制器(802)，设置于加速回路的末端稳速器(410)用于缓解气体加速时的产生的脉冲。6.根据权利要求1所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于：所述的正反驱控制模块(0-5)模拟出注气与采气两种工况，所述的电子流量计ⅰ(501)、阀门ⅲ(502)以及正向驱动器(503)构成正驱部分，电子流量计ⅰ(501)实时监测气体增压模块(0-6)与气体升温模块(0-7)入口端的气体流量，所述的电子流量计ⅱ(504)、阀门ⅳ(505)、反向驱动器(506)构成反驱部分，当系统需要正向驱动采气时，阀门ⅲ(502)闭合，正向驱动器(503)工作，阀门ⅳ(505)断开，反向驱动器(506)不接入实验系统，当系统需要反向驱动注气时，阀门ⅲ(502)断开，正向驱动器(503)不接入实验系统，阀门ⅳ(505)闭合，反向驱动器(506)工作。7.根据权利要求1所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于：所述的气体增压模块(0-6)通过设置的增压泵ⅰ(604)、增压泵ⅱ(609)、增压泵ⅲ(614)模拟出多级压力，此外中央控制器(802)能对压力传感器ⅲ(603)、压力传感器ⅳ(608)、压力传感器
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(613)等数据实时采集，当回路中气体压力过载时回压阀ⅰ(605)、回压阀ⅱ(610)、回压阀ⅲ(615)用于安全释放，回压容器ⅰ(606)、回压容器ⅱ(611)、回压容器ⅲ(616)用于缓冲过载的气体，以实现按地层条件实验和安全控制，所述的气体增压模块(0-6)末端设置的稳压器(617)用于降低气体压力突然改变时对实验的不良影响。8.根据权利要求1所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于：所述的气体升温模块(0-7)通过设置的加热器ⅰ(704)加热器ⅱ(707)、加热器ⅲ(710)模拟多级温度，此外中央控制器(802)能对温度传感器ⅲ(603)、温度传感器ⅳ(608)、温度传感器
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(613)等数据实时采集，所述的气体升温模块(0-7)末端设置的温度保持器(711)用于降低气体温度突然改变时对实验的不良影响。9.根据权利要求1所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统，其特征在于：所述的数据处理模块(0-8)中的图像处理器(801)通过管线与出砂监测摄像头(309)直接连接。
10.根据权利要求1～9中任意一项所述的一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统的实验方法，其特征在于：它包括以下实施步骤：s1：岩心驱动过程，具体包括以下步骤：s11：正向驱动注气时，阀门ⅲ(502)闭合，正向驱动器(503)工作，阀门ⅳ(505)断开，反向驱动器(506)不接入实验系统，模拟出储气库采气工况，电子流量计ⅰ(501)实时监测此时系统中的采气量，最终岩心腔体(205)中的气体流入储气罐(507)；s12：反向驱动采气时，阀门ⅲ(502)断开，正向驱动器(503)不接入实验系统，阀门ⅳ(505)闭合，反向驱动器(506)工作，模拟出储气库注气工况，电子流量计ⅱ(504)实时监测此时系统中的注气量，最终储气罐(507)中的气体注入岩心腔体(205)；s2：岩心模拟过程，具体包括以下步骤：s21：岩心模拟模块(0-1)中的压力调节阀ⅰ(101)闭合，增压器ⅰ(102)接入实验系统，给岩心腔体(205)轴向增压，通过调节增压器ⅰ(106)的工作值，来改变轴向压力参数，压力传感器ⅰ(103)实时检测轴向增压参数，中央处理器(802)收集轴向增压过程数据，并得出临界数值；s22：岩心模拟模块(0-1)中的压力调节阀ⅱ(105)闭合，增压器ⅱ(106)接入实验系统，给岩心腔体(205)周向增压，通过调节增压器ⅱ(106)的工作值，来改变周向压力参数，压力传感器ⅱ(107)实时检测周向增压参数，中央处理器(802)收集周向增压过程数据，并得出临界数值；s3：井壁稳定性监测过程，井壁稳定性监测模块(0-2)中的位移传感器(202)对岩心腔体的井壁的蠕动位移进行检测，所检测到的数据反馈至数据处理仪(201)，数据处理仪(201)将接收到的数据与岩心腔体位移临界参数对比，实时评价岩心腔体井壁的稳定性；当数据处理仪(201)检测到岩心腔体位移达到临界参数时，接触器(204)控制电磁调节阀(203)断开，整个系统不进行注采气实验；s4：出砂实时检测过程，出砂监测模块(0-3)中过滤器(301)初步过滤气体中的大颗粒固体，固液分离器(302)进一步分离气体中的泥砂，阀门ⅰ(303)闭合，集砂器(304)收集分离出的泥砂，气液分离器(305)将气体多余的水分除去，当有液体存在时阀门ⅱ(306)闭合，液体收集器(307)收集分离出的液体，干燥管(308)运行，将分离出的气体进行干燥处理，出砂监测视窗摄像头(309)运行，对除砂、除湿后的气体进行视觉图像检测，并将检测到的图像传输给图像处理器(801)；s5：速度控制过程，根据所需的注采气速率来控制并联的三条加速实验系统中速度调节阀ⅰ(401)、速度调节阀ⅱ(404)、速度调节阀ⅲ(407)的开闭，进一步决定是否将气体加速仪ⅰ(403)、气体加速仪ⅱ(406)、气体加速仪ⅲ(409)连接入实验系统，速度传感器ⅰ(402)、速度传感器ⅱ(405)、速度传感器ⅲ(408)分别监测三个实验系统的注采气速度，同时将数据反馈至中央控制器(802)，稳速器(410)用于缓解气体加速时的产生的脉冲；s6：气体压力控制过程，具体包括以下步骤：s61：根据所需的注采气压力来控制并联的三条增压实验系统中压力调节阀ⅲ(602)、压力调节阀ⅳ(607)、压力调节阀
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(612)的开闭，从而使增压泵ⅰ(604)、增压泵ⅱ(609)、增压泵ⅲ(614)接入系统，模拟出多级压力，接入稳压器(617)使此时系统处于恒高压状态，压力传感器ⅲ(603)、压力传感器ⅳ(608)、压力传感器
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(613)将系统中的压力参数实时反馈
到中央处理器(802)；s62：当系统压力过高时，气体增压模块(0-6)中的回压阀ⅰ(605)、回压阀ⅱ(610)、回压阀ⅲ(615)断开，阀门
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(601)断开，双重阀门，保证实验的安全性，此时气体增压模块(0-6)不工作：s7：气体升温控制过程，具体包括以下步骤：s71：根据所需的注采气温度来控制并联的三条升温实验系统中温度调节阀ⅰ(702)、温度调节阀ⅱ(705)、温度调节阀ⅲ(708)的开闭，从而使加热器ⅰ(704)加热器ⅱ(707)、加热器ⅲ(710)接入系统，模拟多级温度，接入温度保持器(711)使此时系统处于恒高温状态，温度传感器ⅲ(603)、温度传感器ⅳ(608)、温度传感器
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(613)将系统中的温度参数实时反馈到中央处理器(802)；s72：当系统温度过高时，气体升温模块(0-7)中的阀门ⅵ(701)断开，此时气体升温模块(0-7)不工作；s8：数据处理过程，具体包括以下步骤：s81：中央处理器(803)分别对注采气速度、压力、温度等数据进行处理计算，将数据存储到数据存储器(802)；s82：在模拟不同注采气速度、压力、温度的工况的实验时，图像处理器(801)将出砂监测视窗摄像头(309)传输来的图像处理分析，得出每次模拟实验的出砂的临界点，并将出砂临界数据传输到数据存储器(802)；s83：数据存储器(802)将接收到的数据对比分析，得出高温高压下的出砂临界点；s9：模拟储气库注气及采气过程结束。

技术总结
本发明公开了一种高温高压储层注采出砂模拟实验系统与方法，包括：岩心模拟模块、井壁稳定性监测模块、出砂监测模块、速度控制模块、正反驱控制模块、气体增压模块、气体升温模块与数据处理模块。本发明实现了储气库全作业与环境工况的模拟，检测了注采气交变工况，以及不同生产压差、不同温度等参数对出砂的影响；其次实现了对岩心腔体独立加载围压、轴压；此外还能评价注采气速率、气体压力、气体温度的改变对岩心腔体井壁的稳定性的影响。本发明可用于研究不同压力、温度条件下油气开采、储气库及地下储能等作业的运行状态，可满足大排量注采工作方式，以及不同工况地层参数的实时模拟，为油气开采、储气库及地下储能等作业安全保障提供支撑。保障提供支撑。保障提供支撑。


技术研发人员：唐洋 谢娜 刘伟 王金忠 赵金海 王杰 王国荣 高翔 张吴镝 袁国海 马汝涛 王永红
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/7