本發(fā)明涉及一種微觀可視化驅(qū)替模擬系統(tǒng)及其使用方法，屬于油氣田開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，在油氣田開發(fā)過程的研究中，從宏觀到微觀的發(fā)展已經(jīng)成為不可抗拒的趨勢。微觀模型現(xiàn)已大量出現(xiàn)，并用于油氣開采的微觀模擬實(shí)驗(yàn)中。微觀模型種類繁多，玻璃微觀模型在眾多微觀模型的應(yīng)用中脫穎而出。制作玻璃模型離不開光刻技術(shù)的發(fā)展，光刻技術(shù)中的精華為光刻膠技術(shù)。微觀驅(qū)油系統(tǒng)是近幾年油氣田開發(fā)實(shí)驗(yàn)中研究較多的科研項(xiàng)目，通過高倍顯微鏡觀察可視化的微觀驅(qū)油模型，可直觀的觀察到油水在模型中的滲流情況及殘余油在刻蝕模型內(nèi)分布情況。同時(shí)通過顯微鏡實(shí)時(shí)把驅(qū)油時(shí)流體每一步流動(dòng)情況傳輸至電腦，為研究驅(qū)油過程提供直觀的數(shù)據(jù)。

微觀物理模擬就是借助顯微鏡的放大、錄像以及圖像處理技術(shù)研究儲(chǔ)層流體的微觀滲流過程，從而揭示多孔介質(zhì)中流體的微觀分布特征。申請?zhí)枮?01510236593.6的中國專利《一種基于CT數(shù)字巖心的微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法》，其所采用的方式是用CT掃描技術(shù)再現(xiàn)孔隙中流體分布的變化，其成本高、速度慢、再生圖像過程中容易出現(xiàn)二次偏差；申請?zhí)枮?01410642984.3的中國專利《稠油熱采微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)》，其在驅(qū)替時(shí)不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的連續(xù)、恒定壓力；申請?zhí)枮?01410500078.X的中國專利《一種稠油二維微觀可視化驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其使用方法》，其所采用的觀察系統(tǒng)為高清攝像機(jī)，而攝像機(jī)系統(tǒng)的分辨率在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，常常不能清晰地觀察到微觀模型的情況；申請?zhí)枮?00820123024.6的中國專利《高溫高壓微觀實(shí)驗(yàn)夾持器》，其所采用的模型只有一個(gè)中間容器，無法實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)替，且中間容器，不具有保溫作用，影響實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果；目前的微觀物理驅(qū)替模型雖然能夠模擬驅(qū)替過程中油水的分布情況，但由于裝置的局限并不能較好的還原驅(qū)替的條件，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)M的本質(zhì)而且，現(xiàn)有技術(shù)，大都是通過多個(gè)中間容器連接到六通閥上，通過變換六通閥的通道實(shí)現(xiàn)與不同中間容器的聯(lián)通，由于六通閥倒換開關(guān)存在人為的時(shí)間間隔，會(huì)存在進(jìn)入巖心的流體在已有注入壓力下回流至六通閥，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差；而用氣動(dòng)控制組件控制，在瞬間倒換開關(guān)，可以減少回流的影響，實(shí)驗(yàn)更加精準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠提供恒定壓力、圖像識別度高的驅(qū)替觀測裝置。其目的在于：

(1)通過高分辨觀測及采集系統(tǒng)的試制加工后，圖像識別率高，能清晰的觀測到流體的流動(dòng)特征，能很好的描述和計(jì)算大小孔隙結(jié)構(gòu)中油水分布狀態(tài)和不同狀態(tài)下孔隙中的油水飽和度值。

(2)通過驅(qū)替系統(tǒng)的試制加工后，能形成穩(wěn)定的驅(qū)替壓力，在水驅(qū)及其他驅(qū)替過程中觀察到流體的滲流特征，并能很好的描述驅(qū)替過程中各種流體的驅(qū)替動(dòng)態(tài)，對驅(qū)油機(jī)理進(jìn)行深層次的探討。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種微觀可視化驅(qū)替模擬系統(tǒng)，包括高分辨觀測及采集系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；

其特征在于，所述高分辨觀測及采集系統(tǒng)包括顯微鏡放大系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、載物臺(tái)系統(tǒng)和圖像采集處理系統(tǒng)；所述顯微鏡放大系統(tǒng)包括顯微鏡和變焦控制面板；所述動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)是一臺(tái)高速攝像機(jī)；所述照明系統(tǒng)包括冷光源，色溫濾色，鹵素?zé)襞冢瑔沃Ч饫w，透射光附件；所述載物臺(tái)系統(tǒng)包括手動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、大型底座、LED燈源，所述LED燈源可以隨著載物臺(tái)進(jìn)行升降，同時(shí)對光源進(jìn)行調(diào)節(jié)；

所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括抽真空飽和系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、注水泵、儲(chǔ)油中間容器和儲(chǔ)水中間容器；所述抽真空飽和系統(tǒng)；所述抽真空飽和系統(tǒng)設(shè)有真空泵和管線；

所述注水泵連接通過氣動(dòng)控制組件連接儲(chǔ)油中間容器、儲(chǔ)水中間容器和聚合物中間容器，儲(chǔ)油中間容器、儲(chǔ)水中間容器和聚合物中間容器出口端均設(shè)有單向閥，通過單向閥后管道匯聚到一起并連接到模型夾持器的入口端，避免自身液體或其他液體回流，模型夾持器的出口端連接量筒；

所述模型夾持器放置于載物臺(tái)系統(tǒng)上，載物臺(tái)系統(tǒng)上表面為透明玻璃，模型夾持器放置于玻璃上，玻璃下方設(shè)有照明系統(tǒng)，對準(zhǔn)模型夾持器中心的透光孔；

所述動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)和顯微鏡放大系統(tǒng)安裝在一起，高速攝像機(jī)連接在顯微鏡后，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像采集處理系統(tǒng)，通過變焦控制面板對焦距進(jìn)行控制。

進(jìn)一步的，所述氣動(dòng)控制組件包括氣動(dòng)閥、電磁閥、空壓機(jī)，型號為華寶CV310型。

進(jìn)一步的，所述儲(chǔ)油中間容器和儲(chǔ)水中間容器上包裹有通過伴熱帶連接的電單晶硅片，構(gòu)成加熱系統(tǒng)，伴熱帶安裝有開關(guān)，加熱系統(tǒng)的溫度可通過開關(guān)調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步的，所述調(diào)壓系統(tǒng)采用恒速驅(qū)替，配合動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)，采用恒壓驅(qū)替的方式在壓力區(qū)間值為0.001—0.8MPa進(jìn)行調(diào)壓。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)對壓力的變化進(jìn)行監(jiān)測和控制，采用電腦對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析操作。

進(jìn)一步的，所述微觀夾持模型的入口端有兩個(gè)接頭，出口端連接一個(gè)接頭，方便轉(zhuǎn)注流體在進(jìn)入模型前對流體進(jìn)行循環(huán)，確保流體能較快的進(jìn)入模型的孔隙空間。

進(jìn)一步的，所述照明系統(tǒng)采用冷光源1500LCD的透射光、鵝頸式雙向光導(dǎo)管和LED光源。

微觀可視化刻蝕模型制作完成后，放入特制的模型夾持器中，利用顯微鏡放大系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、高速錄像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、載物臺(tái)系統(tǒng)和圖像采集處理系統(tǒng)的相互結(jié)合就可以觀測流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)特征。

本發(fā)明的有益之處在于：

本發(fā)明通過簡化現(xiàn)有驅(qū)替模擬系統(tǒng)，減少了中間容器數(shù)量，通過控制器控制氣動(dòng)控制組件，避免了六通閥操作的繁復(fù)性，操作更為簡單，節(jié)省了人力和時(shí)間；因?yàn)榱ㄩy倒換開關(guān)存在人為的時(shí)間間隔，會(huì)存在進(jìn)入巖心的流體在已有注入壓力下回流至六通閥，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差；而用氣動(dòng)控制組件控制，在瞬間倒換開關(guān)，可以減少回流的影響，實(shí)驗(yàn)更加精準(zhǔn)；同時(shí)，通過控制器控制氣動(dòng)控制組件來控制油水聚中間容器的開關(guān)，可以更加精準(zhǔn)地控制注入量，達(dá)到自動(dòng)轉(zhuǎn)換的目的；本發(fā)明的中間容器，均設(shè)有伴熱帶，具有加熱保溫的作用，能極好的模擬地層溫度，實(shí)現(xiàn)保溫效果，進(jìn)一步提高測試的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為實(shí)驗(yàn)步驟流程圖；

圖2為實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)過程中截取的圖片；

圖3為LED照明系統(tǒng)改造前真實(shí)巖心可視化模型改造前觀測效果；

圖4為LED照明系統(tǒng)改造前真實(shí)巖心可視化模型改造后觀測效果；

圖5為中間容器剖面圖；

圖6為活塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、注水泵；2、氣動(dòng)控制組件；21、氣動(dòng)開關(guān)；3、聚合物中間容器；4、儲(chǔ)油中間容器；5、儲(chǔ)水中間容器；6、單晶硅片；7、量筒；8、壓力傳感器；9、載物臺(tái)系統(tǒng)；10、夾持器模型；11、顯微鏡放大系統(tǒng)；12、電腦。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明主要包括高分辨觀測及采集系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；

高分辨觀測及采集系統(tǒng)包括顯微鏡放大系統(tǒng)11、動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、載物臺(tái)系統(tǒng)9和圖像采集處理系統(tǒng)：

(1)顯微鏡放大系統(tǒng)

顯微鏡放大系統(tǒng)11包括顯微鏡和變焦控制面板。在實(shí)驗(yàn)觀測采集過程中，需要應(yīng)用顯微鏡的放大采集功能對微小流體的特征進(jìn)行觀測，本發(fā)明采用230倍的顯微鏡，再添置100倍的鏡頭進(jìn)行觀測，增加了視野范圍，而且工作范圍變大，兩種鏡頭可以互相揚(yáng)長補(bǔ)短，各自發(fā)揮作用。

(2)動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)

通用的攝像系統(tǒng)1s才能拍攝一張動(dòng)態(tài)圖片，這樣就導(dǎo)致流體的快速突破很難被捕捉，從而，本發(fā)明添置高度攝像機(jī)對微觀流體的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行捕捉，拍攝速率能達(dá)到1630幀/秒。

(3)照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)包括冷光源，色溫濾色，鹵素?zé)襞?，單支光纖，透射光附件等。本發(fā)明的照明系統(tǒng)采用冷光源1500LCD的透射光、鵝頸式雙向光導(dǎo)管和LED光源，反射光與透射光相互協(xié)調(diào)配合，改進(jìn)后能清楚的觀察到模型中的巖石的孔喉結(jié)構(gòu)以及油水的流動(dòng)特征，改進(jìn)效果如圖三所示。

(4)載物臺(tái)系統(tǒng)9

載物臺(tái)系統(tǒng)9包括手動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、大型底座等，LED燈源可以隨著載物臺(tái)進(jìn)行升降，同時(shí)對光源進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以滿足不同實(shí)驗(yàn)的需求。

(5)圖像采集處理系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)捕捉過程中，把攝像機(jī)采集到的圖片和動(dòng)畫傳輸?shù)诫娔X12軟件中，通過傳輸?shù)膭?dòng)畫，可以直觀的觀察油驅(qū)水、水驅(qū)油，聚合物驅(qū)及其它化學(xué)驅(qū)的流體流動(dòng)過程，以及殘余油分布情況，殘余油的啟動(dòng)等一系列微觀滲流特征；同時(shí)通過分析軟件可以分析出不同色相的灰度值，算出不同的油水比分布。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括抽真空飽和系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)、儲(chǔ)液系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。制作的微觀可視化刻蝕模型能利用夾持器模型10制作成重復(fù)使用的微觀可視化模型，同時(shí)能保證在一定驅(qū)替壓力下流體能流動(dòng)，配合圖像捕捉系統(tǒng)也能準(zhǔn)確的捕捉到流體的流動(dòng)細(xì)節(jié)。

(1)抽真空飽和系統(tǒng)

隨著飽和油的不斷進(jìn)行，飽和油過程中會(huì)產(chǎn)生很多氣泡，氣阻效應(yīng)阻礙了油水的進(jìn)入，不僅會(huì)使得進(jìn)入的壓力增加，而且影響流體的實(shí)際流動(dòng)過程。所以在注水或者注油前增加了抽真空飽和系統(tǒng)。儲(chǔ)油中間容器4或儲(chǔ)水中間容器3，其內(nèi)部剖面圖如圖5所示，當(dāng)P1>P2時(shí)，A腔中的水會(huì)擠壓活塞E，進(jìn)而推動(dòng)B腔中流體的驅(qū)動(dòng)，目前的活塞E多為實(shí)體，P1、P2壓力相差較大且直接作用于活塞E，容易造成活塞的波動(dòng)，導(dǎo)致驅(qū)替壓力不能恒壓驅(qū)替，本發(fā)明改進(jìn)活塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖6所示，將原本實(shí)心活塞內(nèi)部改裝成上、下兩個(gè)空腔，且活塞頂部、底部各開有一孔，中間容器工作時(shí)，流體首先經(jīng)由底部小孔進(jìn)入空腔D中，此時(shí)P1>P1’，且整個(gè)活塞E向上驅(qū)動(dòng)B中的流體，B中的流體受到擠壓經(jīng)由頂部小孔流入空腔C中，此時(shí)空腔C中的壓力為P2’，P1’推動(dòng)中間小活塞F向上驅(qū)動(dòng)，最終P1’>P2’，此時(shí)P1’、P2’共同作用于小活塞E上，因?yàn)镻1’、P2’的壓差小于P1、P2的壓差，此時(shí)活塞受到壓力的作用較小，能夠減緩波動(dòng)，最終基本保持恒壓驅(qū)動(dòng)。

(2)加熱系統(tǒng)

儲(chǔ)水中間容器5、儲(chǔ)油中間容器4、聚合物中間容器3分別包裹有通過伴熱帶連接的電單晶硅片，構(gòu)成加熱系統(tǒng)，通過伴熱帶上的開關(guān)控制進(jìn)行加熱和保溫，能極好的模擬地層溫度，實(shí)現(xiàn)保溫效果，進(jìn)一步提高測試的準(zhǔn)確性。

(3)調(diào)壓系統(tǒng)

采用恒速驅(qū)替，模型中的流體會(huì)出現(xiàn)突破，跳躍等現(xiàn)象，為了配合動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)，本發(fā)明采用恒壓驅(qū)替的方式，并通過不斷的試驗(yàn)，找到一個(gè)穩(wěn)定的壓力區(qū)間值為0.001—0.8MPa。在這個(gè)壓力區(qū)間上，不僅可以保證流體流動(dòng)，同時(shí)保證流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)狀態(tài)能夠被采集。

(4)儲(chǔ)液系統(tǒng)

儲(chǔ)液系統(tǒng)不僅僅是包括模型流出端液體的收集，而是包括整個(gè)驅(qū)替流程中液體量的控制。由于微觀驅(qū)替過程比較緩慢，微觀可視化刻蝕模型的孔隙體積比較小，所以前面的管線以及很小的孔隙的殘余液體都會(huì)影響后續(xù)液體分布動(dòng)態(tài)特征以及最終的計(jì)算，所以油、水、其他化學(xué)驅(qū)液體都由確定直徑的管線進(jìn)行連接，由于可視化模型是配合夾持器模型10使用，為避免夾持器模型10前端縫隙里的液體影響后續(xù)驅(qū)替，所以驅(qū)替前對夾持器模型10入口端進(jìn)行注入液體的循環(huán)。

(5)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)

在驅(qū)替過程中，采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對壓力的變化進(jìn)行監(jiān)測和控制。在驅(qū)替系統(tǒng)中最大的輔助系統(tǒng)是微觀夾持模型的改進(jìn)，原始的微觀可視化模型是需要通過兩塊玻璃燒結(jié)而成，但是燒結(jié)難度高，成功率低，而且燒結(jié)后的模型圖形可能出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，所以對此我們組裝了夾持器模型10，夾持器模型10不僅能使兩塊玻片能夠僅僅的結(jié)合在一起形成微觀流道，而且密封性很好。夾持器模型10入口端有兩個(gè)接頭，出口端連接一個(gè)接頭，方便轉(zhuǎn)注流體在進(jìn)入模型前對流體進(jìn)行循環(huán)，確保流體能較快的進(jìn)入模型的孔隙空間。

微觀可視化刻蝕模型制作完成后，放入特制的夾持器模型10中，利用顯微鏡放大系統(tǒng)11、動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、高速錄像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、載物臺(tái)系統(tǒng)9和圖像采集處理系統(tǒng)的相互結(jié)合就可以觀測流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)特征。

一種微觀可視化驅(qū)替模擬系統(tǒng)的使用方法，其具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①將常溫下原油進(jìn)行抽真空，除去其中的氣泡；

②配制溶液；

③安裝模型：將微觀可視化刻蝕模型放置在模型夾持器10中，安裝后試氣，看其密封性與連通性；若不漏氣且出口端氣流流出連續(xù)穩(wěn)定開始進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)；

④連接流程，將注水泵1與氣動(dòng)控制組件2連接，將儲(chǔ)水中間容器5、儲(chǔ)油中間容器4、聚合物中間容器3外部包裹單晶硅片6，單晶硅片6連接有，將儲(chǔ)水中間容器5、儲(chǔ)油中間容器4、聚合物中間容器3出口管線匯聚后與模型夾持器10相連，將壓力傳感器8接在模型夾持器10兩端，測量模型夾持器10入口端與出口端的壓差；

⑤打開電腦12及相關(guān)軟件界面，設(shè)好相關(guān)錄像參數(shù)；通過氣動(dòng)開關(guān)21操作氣動(dòng)控制組件2，來掌控儲(chǔ)水中間容器5、儲(chǔ)油中間容器4、聚合物中間容器3的工作情況；

⑥將微觀可視化刻蝕模型抽真空，然后飽和水，水的顏色為紫色或藍(lán)色，設(shè)定好飽和水壓力；

⑦飽和油，恒壓飽和油，油的顏色為紅色，油驅(qū)水至模型中完全充滿油為止；

⑧水驅(qū)油，用恒定壓力驅(qū)替油，用計(jì)算機(jī)和攝像機(jī)錄取實(shí)驗(yàn)過程的圖像，計(jì)算采收率；

⑨聚合物溶液或者其他流體恒壓注入驅(qū)油，觀察驅(qū)油后的殘余油狀況，并錄取驅(qū)替過程中的動(dòng)態(tài)圖像；

⑩分析圖像，計(jì)算不同驅(qū)替階段的采收率；清洗微觀可視化刻蝕模型，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

圖2、3、4為實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)過程的圖片，分別為放大到10μm、100μm、500μm的圖形，通過抽真空系統(tǒng)的試制后，原油飽和度很高；經(jīng)過改制加工后，高分辨觀測及采集系統(tǒng)能清楚的捕捉到流體的流動(dòng)，各種顏色的流體辨識度很高，能方便圖像采集系統(tǒng)很好的進(jìn)行識別，放大的倍數(shù)能看到孔喉細(xì)節(jié)的變化，滿足實(shí)驗(yàn)要求，經(jīng)過改進(jìn)后的光源系統(tǒng)能很好清晰的看到孔喉結(jié)構(gòu)關(guān)系。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明并不局限于上述方式，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還能進(jìn)一步改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。