評價聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的裝置及方法與流程
2023-05-28 07:49:21
本發明屬於非常規油氣增產技術領域，具體地，涉及一種評價聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的裝置及方法，用於研究添加了聚合物增粘劑的超臨界二氧化碳粘度特性。
背景技術：
超臨界二氧化碳(SC-CO2)壓裂是一種新型的非常規油氣藏儲層改造技術，具有常規水力壓裂技術不可比擬的一系列優勢，是提高非常規油氣儲層導流能力，實現非常規油氣資源商業開採的重要手段。
但是，SC-CO2具有粘度低、攜砂能力差的缺點。要實現SC-CO2的加砂壓裂，必須採取增粘措施來提高其攜砂能力。增粘的有效途徑是向SC-CO2中添加高分子增粘劑，將SC-CO2與高分子增粘劑混合用作壓裂液。
然而，隨著增粘劑濃度的不同，SC-CO2的粘度會發生顯著的改變。同時SC-CO2的粘度也與地層的溫度、壓力有關。因此，若想更加有效的提高SC-CO2壓裂液的粘度，須通過改變注入SC-CO2中的增粘劑的濃度以及溫度壓力等一系列因素，以得到更好的增加SC-CO2粘度的條件，為SC-CO2壓裂施工提供技術支撐。目前國內尚未有針對SC-CO2壓裂液粘度特性的實驗研究。
技術實現要素：
為了提高超臨界二氧化碳的粘度，本發明提供一種評價聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的裝置，用於研究超臨界二氧化碳粘度壓裂液增粘機理。
為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下：
評價聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的裝置，包括：耐高溫高壓的釜體、觀察窗、活塞、高速攝像機、磁力攪拌裝置、恆溫油浴系統、鋁球、投球裝置；其中：釜體用於放置超臨界二氧化碳和聚合物增粘劑；高速攝像機與觀察窗用於拍攝鋁球在釜體中的下落情況；活塞用於調節釜體內超臨界二氧化碳的壓力；磁力攪拌裝置用於將超臨界二氧化碳與聚合物增粘劑混合均勻；恆溫油浴系統用於控制釜體內超臨界二氧化碳的溫度；投球裝置用於投放鋁球。
釜體為長方體外殼，長方體外殼圍合成腔體，釜體兩側中部對稱設有一對觀察窗。
釜體上設有溫度傳感器和壓力傳感器，活塞位於腔體內，釜體中部設有試劑添加口，通過試劑添加口將聚合物增粘劑注入到釜體的內部。
釜體頂部設有磁力攪拌裝置、投球裝置，投球裝置裝配在磁力攪拌裝置的軸心處並與釜體通過管道相通，投球裝置與磁力攪拌裝置相互獨立，鋁球通過投球裝置與釜體之間相通的管道進行投放。投球裝置上設有投球裝置開關。
長方體外殼殼體本身內設有空腔，恆溫油浴系統通過管線與空腔相連，恆溫油浴系統通過管線將既定溫度的油注入到釜體外殼與內腔之間的空間中，以控制釜體整個內部空間的溫度。可用高速攝像機拍攝鋁球在釜體中的下落視頻。
評價聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的方法步驟如下：
(1)、向釜中加入二氧化碳氣體，拍攝鋁球在純二氧化碳氣體中的下落視頻
①先將鋁球放入投球裝置內，調節恆溫油浴系統，將實驗系統的溫度調節為實驗所需溫度T1；
②將二氧化碳通入釜體內，通過觀察壓力傳感器得到此時釜體內壓力為P11；轉動手柄控制活塞調整釜體的體積，將其調整為實驗所需的P1；
③打開高速攝像機的錄像功能，再打開投球裝置出口開關，使高速攝像機通過視窗拍攝記錄下鋁球在超臨界二氧化碳中的下落視頻；
④通過鋁球下落視頻得到鋁球經過觀察窗的時間t；
⑤將釜體內的CO2放空，以便進行後續實驗。
(2)、分析拍攝的視頻，得到粘度計算公式
①使用二次蒸餾水標定粘度計體積，所用計算方法如下：
V/ml＝A(T/K-E)+Bp/MPa+ch/cm+D
式中，h為活塞位置，D為釜體最小體積，A、B、C、E均為根據實驗數據回歸得到的參數。
②根據已知的純CO2的粘度得到所需計算常數A；
式中，η為純CO2的粘度，α、β分別為所用材料的線性熱膨脹係數和壓縮係數，Tr、pr為所選的參考溫度，ρl，ρs分別為純CO2和鋁球的密度，t為鋁球降落時間，A是計算常數。
(3)、添加聚合物增粘劑，配製超臨界CO2體系溶液
①根據實驗設計濃度，準確稱取一定質量的增粘劑，通過試劑添加口將增粘劑加入釜體。在投球裝置中加入鋁球，並將其密封。
②調節恆溫油浴系統，並觀察溫度傳感器，將釜體內的溫度調整到實驗所需溫度T1，使得T0＝T1。
③通過步驟(1)中的方法將一定量的二氧化碳氣體充入釜體中。向釜體內加入二氧化碳氣體，此時通過觀察壓力傳感器得到壓力為P01，轉動手柄控制活塞調整釜體的體積大小，通過觀察壓力傳感器將釜內壓力調整為實驗所需的P0，使得P0＝P01。打開磁力攪拌裝置進行攪拌，將釜體內的二氧化碳和增粘劑充分混合。
④靜置一段時間，使充分混合的二氧化碳氣體和增粘劑靜止。
(4)、進行投球實驗，並拍攝鋁球下落的過程
打開高速攝像機的錄像功能，打開投球裝置出口開關，使高速攝像機通過視窗拍攝記錄下鋁球在超臨界二氧化碳-增粘劑中的下落視頻，即鋁球經過觀察窗的時間t』。
(5)、處理鋁球下落視頻，計算超臨界CO2-增粘劑體系的粘度
根據已知計算常數A，根據下式計算超臨界CO2-增粘劑體系的粘度
式中，η0為超臨界CO2-增粘劑體系的粘度。
(6)、計算超臨界CO2-增粘劑體系的相對粘度
將利用上式得到的超臨界CO2-增粘劑體系的粘度值與相同溫度、壓力條件下純CO2粘度值進行比較，根據下式計算得到相對粘度ηR，用來評價聚合物增粘劑的增粘效果，ηR越大，表示增粘效果越好。
ηR＝η0/η
在實驗中改變活塞位置可以改變超臨界二氧化碳的壓力，研究不同壓力下的聚合物增粘效果；在實驗中改變恆溫油浴系統的溫度可以改變超臨界二氧化碳的溫度，研究不同溫度下的聚合物增粘效果.
在實驗中改變增粘劑的注入量以調節超臨界二氧化碳中增粘劑的濃度，研究不同增粘劑濃度對增粘效果的影響。
附圖說明
圖1是評價聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的裝置示意圖；
圖中，1、釜體，2、投球裝置，3、投球裝置開關，4、磁力攪拌裝置，5、恆溫油浴系統，6、溫度傳感器，7、壓力傳感器，8、手搖杆，9、活塞，10、觀察窗，11、試劑添加口，12、高速攝像機，13、鋁球。
具體實施方式
如圖1所示，測量超臨界二氧化碳壓裂液粘度的裝置，包括：釜體1，釜體1為長方體外殼，長方體外殼圍合成腔體，釜體1兩側中部對稱設有一對觀察窗10，設置觀察窗10的目的是讓光線通過並觀察釜體1中鋁球13的掉落情況；高速攝像機12與兩面觀察窗10在同一垂直平面上，用於通過高速攝像機12拍攝鋁球13在釜體1中的下落情況；釜體1上設有溫度傳感器6和壓力傳感器7，溫度傳感器6和壓力傳感器7連接釜體1的內部，分別用於測量實驗中釜體內部的溫度和壓力；活塞9位於腔體內，活塞9通過手搖杆8驅動向上運動則壓縮釜體1內空間，增加釜體1內的壓力；反之，活塞9向下運動則減小釜體1內的壓力；釜體1中部設有試劑添加口11，通過試劑添加口11將增粘劑注入到釜體1的內部。
釜體1頂部設有磁力攪拌裝置4，磁力攪拌裝置4攪拌釜體內的流體使其充分混合；釜體1頂部同時設有投球裝置2，投球裝置2裝配在磁力攪拌裝置4的軸心處並與釜體1通過管道想通，但投球裝置2與磁力攪拌裝置4相互獨立，鋁球13通過投球裝置2與釜體1之間相通的管道進行投放；投球裝置2上設有投球裝置出口開關3，實驗時先將鋁球13放入投球裝置2內，封閉投球裝置2，打開投球裝置出口開關3可以實現鋁球13在投球裝置2與釜體1相通的管道中自由落體。
長方體外殼殼體本身內設有空腔，該空腔用於恆溫油浴系統中油的循環：恆溫油浴系統5通過管線與空腔相連，恆溫油浴系統5通過管線將既定溫度的油注入到釜體1外殼與內腔之間的空間中，以控制釜體1整個內部空間的溫度。
評價聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的方法，利用上述裝置，步驟如下：
(1)、向釜中加入二氧化碳氣體，拍攝鋁球13在純二氧化碳中的下落視頻
①先將鋁球13放入投球裝置2內，調節恆溫油浴系統5，將實驗系統的溫度調節為實驗所需溫度T1；
②將二氧化碳通入釜體1內，通過觀察壓力傳感器7得到此時釜體1內壓力為P11；轉動手柄8控制活塞9調整釜體1的體積，將其調整為實驗所需的P1；
③打開高速攝像機12的錄像功能，再打開投球裝置出口開關3，使高速攝像機12通過視窗10拍攝記錄下鋁球13在超臨界二氧化碳中的下落視頻；
④通過鋁球13下落視頻得到鋁球13經過觀察窗10的時間t；
⑤將釜體1內的CO2放空，以便進行後續實驗。
(2)、分析拍攝的視頻，得到粘度計算公式
①使用二次蒸餾水標定粘度計體積；
②根據已知的純CO2的粘度得到所需計算常數A；
式中，η為純CO2的粘度，α、β分別為所用材料的線性熱膨脹係數和壓縮係數，Tr、pr為所選的參考溫度，ρl，ρs分別為純CO2和鋁球13的密度，t為鋁球13降落時間，A是計算常數，單位為mPa-1。
(3)、添加聚合物增粘劑，配製超臨界CO2體系
①根據實驗設計濃度，準確稱取一定質量的聚合物增粘劑，通過試劑添加口11將增粘劑加入釜體1。在投球裝置2中加入鋁球13，並將其密封。
②調節恆溫油浴系統5，並觀察溫度傳感器6，將釜體1內的溫度調整到實驗所需溫度T1，使得T0＝T1。
③過步驟(1)的方法將一定量的二氧化碳氣體充入釜體1中。向釜體1內加入二氧化碳氣體，此時通過觀察壓力傳感器7得到壓力為P01，轉動手柄8控制活塞9調整釜體1的體積大小，通過觀察壓力傳感器7將釜內壓力調整為實驗所需的P0，使得P0＝P01。打開磁力攪拌裝置4進行攪拌，將釜體1內的二氧化碳和增粘劑充分混合。
④置一段時間，使充分混合的二氧化碳氣體和增粘劑靜止。
(4)、進行投球實驗，並拍攝鋁球13下落的過程
打開高速攝像機12的錄像功能，打開投球裝置出口開關3，使高速攝像機12通過視窗10拍攝記錄下鋁球13在超臨界CO2-增粘劑中的下落視頻，即鋁球13經過觀察窗10的時間t』。
(5)、處理鋁球13下落視頻，計算超臨界CO2-增粘劑體系的粘度
根據已知計算常數A，根據下式計算超臨界CO2-增粘劑體系粘度
式中，η0為超臨界CO2-增粘劑體系的粘度
(6)、將得到的超臨界CO2-增粘劑體系的粘度值與相同溫度、壓力條件下純CO2粘度值進行比較，根據下式計算得到相對粘度ηR，用來評價聚合物增粘劑的增粘效果，ηR越大，表示增粘效果越好。
ηR＝η0/η
(7)、在實驗中改變活塞9的位置以改變超臨界二氧化碳的壓力，研究不同壓力下聚合物的增粘效果。
(8)、在實驗中改變恆溫油浴系統5的溫度可以改變超臨界二氧化碳的溫度，研究不同溫度下的聚合物增粘效果
(9)、在實驗中改變增粘劑的注入量以調節超臨界二氧化碳中增粘劑的濃度，研究不同增粘劑濃度對增粘效果的影響。