測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置及方法
2023-10-18 00:57:44
測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置及方法
【專利摘要】本發明屬於非常規油氣開採【技術領域】，具體地，涉及一種測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置及方法。測量裝置包括：超臨界二氧化碳增壓系統、增粘劑注入混合系統和超臨界二氧化碳壓裂液循環系統；臨界二氧化碳壓裂液循環系統為超臨界二氧化碳壓裂液提供高溫高壓下閉合的循環迴路，超臨界二氧化碳增壓系統為二氧化碳提供所需要的實驗壓力，增粘劑注入混合系統將增粘劑泵入到高溫高壓超臨界二氧化碳管路中。本發明能夠實現較大壓力和溫度範圍內超臨界二氧化碳壓裂液流變參數的測量，可得到不同溫度、壓力條件下超臨界二氧化碳壓裂液流變特性的本構關係；裝置操作簡單，方法易於實施，可行性高；測量方法科學，能夠實現較高精度的參數測量。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬於非常規油氣開採【技術領域】，具體地，涉及一種測量超臨界二氧化碳壓 裂液流變性的裝置及方法。 測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置及方法
【背景技術】
[0002] 非常規天然氣資源包括煤層氣、頁巖氣、緻密砂巖氣以及水溶氣等，目前非常規油 氣資源已經在全球能源結構中扮演著重要角色。非常規油氣資源的儲層物性一般較差，具 有低孔隙度、低滲透率、低孔喉半徑等物性特徵，油氣的流動阻力較常規油氣藏大的多，而 且隨著儲層埋藏的加深，儲層物性變差，使得常規開採技術不具備商業開採價值，決定了非 常規油氣資源需要採取壓裂改造技術提高單井產量。水力壓裂技術應用於頁巖氣和緻密氣 等非常規油氣藏的開採會產生水敏、儲層汙染等一系列問題，而且水資源匱乏也是制約水 力壓裂的重要因素。
[0003] 超臨界二氧化碳兼有氣體的低粘度和高擴散係數以及液體的高密度和良好的溶 解性。超臨界二氧化碳壓裂是一種新型的非常規天然氣藏儲層改造技術，與常規水力壓裂 相比，超臨界二氧化碳壓裂液具有低濾失、高返排、對儲層汙染小、防止黏土礦物水化膨脹 等諸多優點。因此，超臨界二氧化碳壓裂能夠提高非常規油氣儲層導流能力，實現商業高效 開採的有效手段之一。超臨界二氧化碳壓裂液為增粘劑溶於超臨界二氧化碳中的混合物 質。目前，受溫度、壓力影響，超臨界二氧化碳壓裂液的流變規律相當複雜，鮮有試驗數據， 對於流變性的機理也沒有一個系統的解釋，因而成為超臨界流體研究領域的一個難點。
【發明內容】
[0004] 為克服現有技術所存在的缺陷，本發明提供一種測量超臨界二氧化碳壓裂液流變 性的裝置及方法，用於快速的測量出不同溫壓條件下超臨界二氧化碳壓裂液的流變參數， 進而系統分析超臨界二氧化碳壓裂液的流變性，為超臨界二氧化碳壓裂設計和理論研究提 供實驗基礎。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案如下：
[0006] 測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，包括：超臨界二氧化碳增壓系統、增粘 劑注入混合系統和超臨界二氧化碳壓裂液循環系統；超臨界二氧化碳壓裂液循環系統為超 臨界二氧化碳壓裂液提供高溫高壓下閉合的循環迴路，超臨界二氧化碳增壓系統為二氧化 碳提供所需要的實驗壓力，增粘劑注入混合系統將增粘劑泵入到高溫高壓超臨界二氧化碳 管路中。
[0007] 測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的方法，採用上述實驗裝置，進行超臨界二氧 化碳壓裂液流變性測量實驗時，調整二氧化碳氣源入口旋擰閥、增粘劑入口旋擰閥、超臨界 二氧化碳壓裂液放空旋擰閥處於關閉狀態，利用真空泵排除實驗管路中的空氣；開啟二氧 化碳氣源入口旋擰閥、循環泵，使二氧化碳進入超臨界二氧化碳壓裂液循環系統，調節氣體 增壓泵、油浴加熱器，將實驗系統的溫度、壓力調節為實驗設定的溫度壓力；開啟增粘劑入 口旋擰閥、增粘劑計量泵、柱塞泵，將增粘劑儲罐內的增粘劑泵入超臨界二氧化碳壓裂液循 環系統，流體（增粘劑、二氧化碳）在循環泵作用下流動，增粘劑在淨混器內充分溶解於超 臨界二氧化碳中；待參數穩定後，進行超臨界二氧化碳壓裂液流變性的測定，差壓傳感器記 錄流體在測量管線段的流動差壓，質量流量計顯示超臨界二氧化碳壓裂液質量流量，計算 得到設定溫度、壓力下的超臨界二氧化碳壓裂液流變本構方程。
[0008] 相對於現有技術，本發明的有益效果如下：
[0009] (1)、能夠實現較大壓力和溫度範圍內超臨界二氧化碳壓裂液流變參數的測量，可 得到不同溫度、壓力條件下超臨界二氧化碳壓裂液流變特性的本構關係；
[0010] (2)、裝置操作簡單，方法易於實施，可行性高；
[0011] (3)、測量方法科學，能夠實現較高精度的參數測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1為用於測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置示意圖；
[0013] 圖中：11、二氧化碳氣源；12、氣體緩衝罐；13、氣體增壓泵；14、二氧化碳氣源入口 旋擰閥；21、增粘劑儲罐；22、增粘劑計量泵；23、柱塞泵；24、增粘劑入口旋擰閥；31、中間容 器；311、油浴加熱器；312、中間容器內溫度計；313、中間容器內壓力計；32、循環泵；33、靜 混器；34、測量管線段；341、二氧化碳壓裂液進口測量壓力計；342、二氧化碳壓裂液進口測 量溫度計；343、測量管線段差壓傳感器；344、二氧化碳壓裂液出口測量溫度計；345、二氧 化碳壓裂液出口測量壓力計；35、質量流量計；36、真空泵；37、超臨界二氧化碳壓裂液放空 旋擰閥。
【具體實施方式】
[0014] 如圖1所示，測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，包括：超臨界二氧化碳增 壓系統、增粘劑注入混合系統和超臨界二氧化碳壓裂液循環系統；超臨界二氧化碳壓裂液 循環系統為超臨界二氧化碳壓裂液提供高溫高壓下閉合的循環迴路，超臨界二氧化碳增壓 系統為二氧化碳提供所需要的實驗壓力，增粘劑注入混合系統將增粘劑泵入到高溫高壓超 臨界二氧化碳管路中。
[0015] 超臨界二氧化碳增壓系統，包括：二氧化碳氣源11、氣體緩衝罐12、氣體增壓泵 13、二氧化碳氣源入口旋擰閥14,二氧化碳氣源11、氣體緩衝罐12、氣體增壓泵13、二氧化 碳氣源入口旋擰閥14依次通過管線相連；二氧化碳氣源11提供實驗所需的二氧化碳，氣 體緩衝罐12用於儲存高壓的二氧化碳氣體，氣體緩衝罐12內的二氧化碳流向氣體增壓泵 13,氣體增壓泵13為二氧化碳增壓以滿足實驗壓力要求，二氧化碳氣體通過二氧化碳氣源 入口旋擰閥14進入超臨界二氧化碳壓裂液循環系統。
[0016] 增粘劑注入混合系統，包括：增粘劑儲罐21、增粘劑計量泵22、柱塞泵23、增粘劑 入口旋擰閥24 ;增粘劑儲罐21、增粘劑計量泵22、柱塞泵23、增粘劑入口旋擰閥24依次通 過管線連接；增粘劑儲罐21內裝有易溶於超臨界二氧化碳的溶劑，用於提高超臨界二氧化 碳的粘度，增粘劑計量泵22對加入增粘劑量進行精確計量，柱塞泵23經由增粘劑入口旋擰 閥24將增粘劑泵入超臨界二氧化碳壓裂液循環系統。
[0017] 超臨界二氧化碳壓裂液循環系統，包括：中間容器31、淨混器33、測量管線段34、 質量流量計35 ;中間容器31出口端與淨混器33進口端通過管線連接，淨混器33出口端與 質量流量計35進口端通過測量管線段34相連，質量流量計35出口端與中間容器31進口 端與相連，形成一個閉合的循環迴路。
[0018] 中間容器31與淨混器33的連接管線上設有循環泵32,循環泵32為超臨界二氧 化碳壓裂液提供閉合循環所需的動力，循環泵32使流體由中間容器31向淨混器33方向流 動；增粘劑入口旋擰閥24通過管線接入淨混器33與循環泵32之間的管線；中間容器31對 超臨界二氧化碳壓裂液進行緩衝儲存，淨混器33將增粘劑充分混合溶解於超臨界二氧化 碳中，形成超臨界二氧化碳壓裂液流體。
[0019] 中間容器31置於油浴加熱器311中，中間容器31設有中間容器內溫度計312、中 間容器內壓力計313 ;油浴加熱器311對超臨界二氧化碳壓裂液加熱以達到實驗溫度要求， 中間容器內溫度計312測量中間容器內的溫度，中間容器內壓力計313測量中間容器內的 壓力。
[0020] 測量管線34上，由淨混器33至質量流量計35方向，依次設有二氧化碳壓裂液進 口測量壓力計341、二氧化碳壓裂液進口測量溫度計342、測量管線段差壓傳感器343、二氧 化碳壓裂液出口測量溫度計344、二氧化碳壓裂液出口測量壓力計345 ;二氧化碳壓裂液進 口測量壓力計341、二氧化碳壓裂液出口測量壓力計345測量所處位置的管線內壓力；二氧 化碳壓裂液進口測量溫度計342、二氧化碳壓裂液出口測量溫度計344實時觀測所處位置 的管線內溫度；測量管線段差壓傳感器343用於測量超臨界二氧化碳壓裂液流經測量管線 段34產生的壓力差；測量段管線段24為內徑6mm、壁厚2mm、長度7. 5m外敷保溫層的銅製 管線。
[0021] 質量流量計35與中間容器31相連接的管路上設有真空泵36,二氧化碳氣源入口 旋擰閥14通過管線接入質量流量計35與中間容器31之間的管路中；質量流量計35用於 計量超臨界二氧化碳壓裂液的質量流量，真空泵36用於排除實驗管路中的空氣。超臨界二 氧化碳壓裂液放空旋擰閥38通過管線接入真空泵36與中間容器31連接管路上，超臨界二 氧化碳壓裂液放空旋擰閥38用於放空實驗管路中超臨界二氧化碳壓裂液。
[0022] 在密閉環路中，所有部件和管路均耐壓60MPa，溫度上限為500K，可實現超臨界二 氧化碳在高溫高壓下超臨界二氧化碳壓裂液流變性的實驗測量。
[0023] 測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的方法，利用上述裝置，步驟如下：
[0024] (1)、建立超臨界二氧化碳循環
[0025] 調整二氧化碳氣源入口旋擰閥14、增粘劑入口旋擰閥24、超臨界二氧化碳壓裂液 放空旋擰閥38處於關閉狀態，利用真空泵36排除實驗管路中的空氣；開啟二氧化碳氣源入 口旋擰閥14、循環泵32,使二氧化碳由二氧化碳氣源11流出，調節氣體增壓泵13、油浴加熱 器311，將實驗系統的溫度、壓力調節為實驗設定的溫度壓力。
[0026] (2)、加入增粘劑
[0027] 開啟增粘劑入口旋擰閥24、增粘劑計量泵22、柱塞泵23,將增粘劑儲罐21內的增 粘劑泵入超臨界二氧化碳壓裂液循環系統，流體（增粘劑、二氧化碳）在循環泵32作用下 流動，增粘劑在淨混器33內充分溶解於超臨界二氧化碳中；待參數穩定後，進行超臨界二 氧化碳壓裂液流變性的測量。
[0028] (3)、計算超臨界二氧化碳壓裂液在管線段內的平均溫度
[0029] 讀取超臨界二氧化碳壓裂液進口測量溫度計342的溫度?\，出口測量溫度計344 的溫度Τ 2，計算超臨界二氧化碳壓裂液在管線段內的平均溫度：
[0030]
【權利要求】
1. 一種測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，包括：超臨界二氧化碳增壓系統、 增粘劑注入混合系統和超臨界二氧化碳壓裂液循環系統；其特徵在於：超臨界二氧化碳壓 裂液循環系統為超臨界二氧化碳壓裂液提供高溫高壓下閉合的循環迴路，超臨界二氧化碳 增壓系統為二氧化碳提供所需要的實驗壓力，增粘劑注入混合系統將增粘劑泵入到高溫高 壓超臨界二氧化碳管路中。
2. 根據權利要求1所述的測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，其特徵在於，超 臨界二氧化碳增壓系統，包括：二氧化碳氣源、氣體緩衝罐、氣體增壓泵、二氧化碳氣源入口 旋擰閥，二氧化碳氣源、氣體緩衝罐、氣體增壓泵、二氧化碳氣源入口旋擰閥依次通過管線 相連；二氧化碳氣體通過二氧化碳氣源入口旋擰閥進入超臨界二氧化碳壓裂液循環系統。
3. 根據權利要求1所述的測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，其特徵在於，增 粘劑注入混合系統，包括：增粘劑儲罐、增粘劑計量泵、柱塞泵、增粘劑入口旋擰閥；增粘劑 儲罐、增粘劑計量泵、柱塞泵、增粘劑入口旋擰閥依次通過管線連接；增粘劑儲罐內裝有易 溶於超臨界二氧化碳的溶劑，柱塞泵經由增粘劑入口旋擰閥將增粘劑泵入超臨界二氧化碳 壓裂液循環系統。
4. 根據權利要求1-3所述的測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，其特徵在於， 超臨界二氧化碳壓裂液循環系統，包括：中間容器、淨混器、測量管線段、質量流量計；中間 容器出口端與淨混器進口端通過管線連接，淨混器出口端與質量流量計進口端通過測量管 線段相連，質量流量計出口端與中間容器進口端與相連，形成一個閉合的循環迴路。
5. 根據權利要求1-4所述的測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，其特徵在於， 中間容器與淨混器的連接管線上設有循環泵，增粘劑入口旋擰閥通過管線接入淨混器與循 環泵之間的管線；中間容器置於油浴加熱器中，中間容器設有中間容器內溫度計、中間容器 內壓力計；測量管線上，由淨混器至質量流量計方向，依次設有二氧化碳壓裂液進口測量壓 力計、二氧化碳壓裂液進口測量溫度計、測量管線段差壓傳感器、二氧化碳壓裂液出口測量 溫度計、二氧化碳壓裂液出口測量壓力計；質量流量計與中間容器相連接的管路上設有真 空泵，二氧化碳氣源入口旋擰閥通過管線接入中間容器與質量流量計之間的管路中。
6. 根據權利要求1-5所述的測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，其特徵在於， 超臨界二氧化碳壓裂液放空旋擰閥通過管線接入質量流量計與中間容器連接管路上。
7. 根據權利要求1-6所述的測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，其特徵在於， 在超臨界二氧化碳壓裂液循環系統密閉環路中，所有部件和管路均耐壓60MPa，溫度上限為 500K。
8. 根據權利要求1-7所述的測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置，其特徵在於， 測量段管線段為內徑6mm、壁厚2mm、長度7. 5m外敷保溫層的銅製管線。
9. 測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的方法，採用權利要求1-8所述的測量超臨界二 氧化碳壓裂液流變性的裝置，其特徵在於，具體步驟如下： (1)、建立超臨界二氧化碳循環 調整二氧化碳氣源入口旋擰閥、增粘劑入口旋擰閥、超臨界二氧化碳壓裂液放空旋擰 閥處於關閉狀態，利用真空泵排除實驗管路中的空氣；開啟二氧化碳氣源入口旋擰閥、循環 泵，使二氧化碳由二氧化碳氣源流出，調節氣體增壓泵、油浴加熱器，將實驗系統的溫度、壓 力調節為實驗設定的溫度壓力。 (2) 、加入增粘劑 開啟增粘劑入口旋擰閥、增粘劑計量泵、柱塞泵，將增粘劑儲罐內的增粘劑泵入超臨界 二氧化碳壓裂液循環系統，流體在循環泵作用下流動，增粘劑在淨混器內充分溶解於超臨 界二氧化碳中；待參數穩定後，進行超臨界二氧化碳壓裂液流變性的測量； (3) 、計算超臨界二氧化碳壓裂液在管線段內的平均溫度 讀取超臨界二氧化碳壓裂液進口測量溫度計的溫度?\，出口測量溫度計的溫度T2，計 算超臨界二氧化碳壓裂液在管線段內的平均溫度：
式中， Τ為超臨界二氧化碳在測量管線段管內的平均溫度，Κ ; ?\為超臨界二氧化碳壓裂液在測量管線段管內進口處的溫度，Κ ; Τ2為超臨界二氧化碳壓裂液在測量管線段管內出口處的溫度，Κ ; (4) 、計算超臨界二氧化碳壓裂液在管線段內的平均壓力 讀取超臨界二氧化碳壓裂液進口測量壓力計的壓力Ρ:，出口測量壓力計的壓力Ρ2，計 算超臨界二氧化碳壓裂液在管線段內的平均壓力：
式中， Ρ為超臨界二氧化碳在測量管線段管內的平均壓力，MPa ; Pi為超臨界二氧化碳壓裂液在測量管線段管內進口處的壓力，MPa ; P2為超臨界二氧化碳壓裂液在測量管線段管內出口處的壓力，MPa ; (5) 、計算超臨界二氧化碳壓裂液在測量管線段內的流速 讀取質量流量計的超臨界二氧化碳壓裂液質量流量Q，計算超臨界二氧化碳壓裂液在 測量管線段內的流速： Z3-(1-B)Z2+(A-3B2-2B)Z-(AB-B2-B 3) = 0
式中， Z為壓縮因子，無量綱； Pr為對比壓力，無量綱； ?；為對比溫度，無量綱； w為二氧化碳的偏心因子，無量綱； P CQ2為二氧化碳的密度，kg/m3 ; xra2為二氧化碳在超臨界二氧化碳壓裂液中的比例，無量綱； P t為增粘劑的密度，kg/m3 ; P為超臨界二氧化碳壓裂液的密度，kg/m3 ; xt為增粘劑在超臨界二氧化碳壓裂液中的比例，無量綱； P為絕對壓力，MPa ; T為絕對溫度，K ; Mg為二氧化碳的分子量，kg/m3 ; R 為通用氣體常數，〇. 008314 (MPa · m3/kmol · K); Q為超臨界二氧化碳壓裂液的質量流量，kg/s ; D為測量管線段直徑，m ; u為超臨界二氧化碳壓裂液在管線中的流速，m/s ; (6) 、計算壁面剪切應力 讀取測量管線段差壓傳感器的壓力差Λ p，計算得到壁面剪切應力：
式中， 為壁面剪切應力，Pa; Λ P為測量管線段差壓傳感器的壓力差，Pa ; L為測量管線段的長度，m。 (7) 、計算得到超臨界二氧化碳壓裂液流體流變參數的本構關係 在坐標上繪出對數曲線，得到對應不同τ w的曲線斜率n'，進而得到超臨界二 氧化碳壓裂液流體流變參數的本構關係：
式中， 戶為超臨界二氧化碳壓裂液流體剪切變形速率，; η'為不同\的對數坐標曲線斜率。
10.根據權利要求9所述的測量超臨界二氧化碳壓裂液流變性的裝置及方法，其特徵 在於，改變實驗系統的溫度、壓力，從而研究超臨界二氧化碳壓裂液流變性隨溫度、壓力的 變化規律。
【文檔編號】G01N11/08GK104101559SQ201410350749
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】王金堂, 孫寶江, 王志遠, 徐渴望, 李 昊, 孫文超 申請人:中國石油大學(華東)