模塊化設計的智能物模采集平臺研發與應用

(中石化西北油田分公司 石油工程技術研究院，烏魯木齊 830011)

0 引言

油藏巖石和流體的物性參數是采油工程、油藏工程等研究的重要數據，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主要來源于物理模擬實驗[1- 2]。為了更好的獲得這些巖石、流體的物性參數，分析測試和模擬實驗也逐步向油藏實際條件方向發展。在石油領域內，石油工程或油藏工程的物理模擬設備就是具備在室內條件下模擬油藏條件的溫度、壓力及流體流動規律來獲得物性參數、工藝評價等功能的裝置[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的推薦作法》、《SY /T6424-2014復合驅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》等國家標準、行業標準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、驅油效率等參數測定的實驗方法[7-8]。

早在20世紀80年代，國內石油行業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的物理模擬儀器或裝置開展巖心、滲透率、流動性等實驗分析。近50年來，工程實驗技術及儀器得到了不斷的發展、完善，隨著計算機技術的普及和發展，新的儀器或裝置也在不斷融入計算機技術，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，儀器的設計趨勢也逐步趨向標準化、系列化、自動化、模塊化發展。

中石化西北油田實驗室自2008年以來，根據科研生產需要，共引進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、提高采收率等科研實驗需求。

表1 實驗室引進物理模擬儀器或裝置

由于實驗條件中壓力、溫度、樣品類型、驅替模型不同，根據參數設計成多臺獨立的物理模擬儀器或裝置。但在儀器的結構原理方面，又不盡相似。基本包括流體注入系統、溫度控制系統、壓力控制系統、出口計量系統、巖心或物模單元等，結構示意圖見圖1。

圖1 常見物理模擬儀器結構示意圖

通過長時間使用與摸索，發現現有物模儀器有三個方面困擾：

1)物模數據采集的差異化設計限制儀器進一步升級。隨著數據采集卡的升級迭代速度加快，對現有儀器上采集儀表及數據卡升級后，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)功能單一的實驗流程設計制約物模儀器功能的深度開發。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實驗具有標準化流程優勢，但難以滿足不同油藏條件下的個性化流程設計需求。

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，根據現場定制的物理模型僅占儀器總價值的三分之一，注入泵、加溫加壓等模塊占比高，不同物模導致儀器的重復投入。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成本高。

這三項困擾將影響下步油田開發過程中的科研生產需求滿足以及實驗室下步設備的持續投入和規劃。因此自主研發設計一套功能通用性強、智能化采集程度高、模塊化設計的智能物理模擬采集平臺。

1 系統總體設計思路

模塊化設計主要是指具有獨立功能和輸入、輸出的標準部件，模塊化設計的原理主要是，在對一定范圍內的不同功能或相同功能、不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合，來完成不同需求，是一種實現標準化與多樣化的有機結合的有效統一的標準化方法。

將模塊化設計思路引入到物理模擬儀器設計中，用以對物理模擬部分的注入流量、圍壓、回壓、溫度、出口處電子天平數據等數據采集并控制，分別由硬件和軟件兩部分組成[10]。

硬件上，將注入系統、計量系統、加壓加溫系統等主體模塊設計成獨立運行的可移動式模塊單元，配備標準接口，可根據實驗需求來連接流程設計，實現實驗方案的個性化設計，不同物模裝置之間的串并聯組合需求。軟件上，設計獨立的采集模塊、數據處理模塊、數據分析模塊，不同模塊之間組合，滿足不同流程條件下的數據處理需求。設計思路[11-12]見圖2。

圖2 物模設備的模塊化設計思路

2 硬件模塊設計

系統的硬件包括工業控制器、采集單元和控制單元組成，如圖3所示。控制單元由電磁氣動閥、I/O板組成，能夠實現壓力變送器的測量范圍自動切換。采集單元由數據采集器、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；數據采集器采用國內虹潤數顯式控制儀表[13]。

圖3 智能采集平臺硬件示意圖

2.1 溫度、壓力模塊化單元設計

硬件設計上采用了8個“快速拆裝抽屜式模塊單元”。每個單元分別內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，可以根據壓力測壓點的壓力變化自動切換，防止壓力傳感器超量程損壞。當采集平臺上某一個采集單元受損時，可通過快速接頭拆卸更換新的模塊單元；也可根據實驗需求增加、減少、調整不同功能模塊化單元的配置。

2.2 接口設計

每個模塊化單元設計成可移動、標準化接口式獨立單元。每個獨立單元之間采用標準化的快速接頭，實現快速建立流程。其中低壓氣路管線由小型靜音空氣壓縮機提供，使用Φ6 mm管線連接；高壓液路系統由柱塞泵提供動力，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，實現不同獨立模塊單元之間快速、高效連接。

2.3 模塊化設計優勢

經過模塊化設計后的物模采集平臺具備以下三點優勢：

1)滿足科研實驗需求，加速實驗技術的創新發展。模塊功能的獨立性和接口的一致性，使各個模塊可以相對獨立的設計和研發，并且不同組合滿足不同條件下的實驗需求，實現功能豐富，推進技術創新。

2)互換性強，維護簡單，成本降低。經過重新設計的物模儀器是由一些具備互換特性的標準化模塊組成，可直接更換模塊，黨開展不同模擬條件下實驗時，只需重新購置新模型單元，大大降低成本，簡化流程設計，同時降低儀器維修維護成本，提高效率。

3)推進標準化操作。標準規范的模塊接口有利于形成產品的供應商規范，并進行單獨模塊的并行開發。

3 軟件設計

軟件由數據采集與自動控制部分、數據處理兩部分組成。

3.1 數據采集與自動控制部分

數據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驗流程。見圖4.具有建立實驗項目、設計實驗流程、壓力采集[14]、溫度采集[15]、壓力控制[16]、溫度控制[17-18]、數據采集設置等功能，可同時采集2個注入泵、5個壓力點、2個溫度場、8個巖心夾持器、2臺電子天平數據的采集。根據巖心夾持器的串并聯組合，可滿足488種的實驗流程。

圖4 實驗流程設計界面

數據采集與自動控制軟件還集成國外及國內常用的儀器儀表接口，新設備可直連。如注入系統可直接連接平流泵、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。

軟件設計數據采集和自動控制部分主要包含三個邏輯單元，如圖5分別是項目創建單元，自動控制單元，和數據采集單元。

圖5 程序流程控制圖

項目創建單元的設計主要考慮的因素是在創建項目的同時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。在選擇每一個儀器儀表的同時，程序會自動判別相應的儀器儀表是否選擇，如果沒有選擇則會讓重新選擇，同時程序會通過對比程序來判別這個儀器儀表在其他項目里面是否被占用，如果在其他程序中被占用，這提示“此儀器儀表已被占用”。

自控控制部分的設計可以分為手動和自動，選擇自動控制并合理設置控制參數才能實現自控控制，判別參數的選擇可以使泵的壓力，當泵的壓力高于某一壓力值的時候停止。還可以是滲透率，驅替壓力，溫度，等等。

自動采集部分主要是采集需要的實驗數據，并為前面自動控制提供控制數值和后期實驗數據處理提供數據來源。自動采集模塊中必須選取采集的目標對象，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據。

3.2 數據處理部分

數據處理部分集成了石油物理模擬的參數計算公式，如液測滲透率、封堵率、突破壓力、原油采收率等公式，可根據參數選擇直接計算出結果。同時也可直接導出原始數據進行計算或作圖。

滲透率的計算公式依據達西定律，達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，又稱為砂子或巖心的滲透系數或滲透率，D(法定計量單位為2)。

程序中嵌入的達西公式通過采集來的原始數據進行時時的計算，在實驗前輸入相應的實驗條件，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。在實驗的過程中，軟件進行時時的數據采集，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)進行計算，并通過繪圖程序繪制出滲透率K隨驅替過程的關系。

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

(2)

式中,Ew封堵率，%；K0封堵前滲透率，mD；K1封堵后滲透率，mD。

封堵率的計算是通過前后兩次記錄的滲透率變化來計算封堵率的，是評價入井藥劑的一個主要參數。

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行采集的，在驅替過程中，壓力隨著驅替的進行而慢慢升高，程序自動對比本次采集的壓力數據(Pn)和出口質量的變化，當出口質量開始增加的時刻記錄采集壓力數據(Pn)，則此時刻的(Pn)就是突破壓力P突。

原油采收率的計算，采收率的計算配合油水自動計量儀使用，通過油水自己計量儀記錄驅替過程中的出水量和出油量的關系，并通過最終出油量計算采收率，采收率計算公式見公式(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 實驗結果與分析

4.1 實驗原理

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完整的驅替過程，采集清水和不同粘度聚合物下數據，計算采收率結果。

4.2 實驗方案

本次實驗模型填砂采用極差相近的方式填砂。分層填砂，下層為水層，80目石英砂，上層為油層，120目石英砂。分別設計實驗方案，用清水驅替，驅替至出口不出油，計算采收率，分別注入粘度為21 mpa·s、42 mpa·s的聚合物0.4 pv，然后使用清水驅替至出口不出油，計算采收率，最后計算注入高粘聚合物后，采收率的提高量。

4.3 數據分析

驅替過程中，智能物模采集平臺根據數據，計算出采收率。將整個驅替過程進行還原。見圖6。

圖6 由智能物模采集平臺得到的數據曲線

由圖中可以看出，在清水驅替時的采收率只有6.45%，采用0.4 pv粘度為21 mpa·s的聚合物+清水驅替，采收率提高到了22.36%，采收率增加3倍多，繼續采用0.4 pv粘度為42 mpa·s的聚合物+清水驅替，采收率提高到了30.71%，比之前清水驅替時的采收率提高了5倍，具有很好的效果。實驗表明，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 結束語

基于模塊化設計的物理模擬智能采集平臺，在硬件上將每一個功能單元獨立模塊化設計，將注入系統、壓力控制、溫度控制、計量系統等功能單元進行模塊化設計，軟件上將數據采集過程、數據處理過程進行模塊化處理，這樣的模塊化設計滿足了更多油藏條件下石油工程的實驗流程設計。同時，模塊化的智能物模采集平臺設計，一方面利用這種模塊化設計，將流程標準化、通用化，進一步拓寬實驗功能，降低產品的成本。另一方面滿足自主靈活的實驗方案的模塊化采集平臺，可以加速技術人員對物模實驗的進一步探索，推動科學研究與技術創新。