CN104101559B - 测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非常规油气开采技术领域，具体地，涉及一种测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置及方法。测量装置包括：超临界二氧化碳增压***、增粘剂注入混合***和超临界二氧化碳压裂液循环***；临界二氧化碳压裂液循环***为超临界二氧化碳压裂液提供高温高压下闭合的循环回路，超临界二氧化碳增压***为二氧化碳提供所需要的实验压力，增粘剂注入混合***将增粘剂泵入到高温高压超临界二氧化碳管路中。本发明能够实现较大压力和温度范围内超临界二氧化碳压裂液流变参数的测量，可得到不同温度、压力条件下超临界二氧化碳压裂液流变特性的本构关系；装置操作简单，方法易于实施，可行性高；测量方法科学，能够实现较高精度的参数测量。

Description

测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置及方法

技术领域

本发明属于非常规油气开采技术领域，具体地，涉及一种测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置及方法。

背景技术

非常规天然气资源包括煤层气、页岩气、致密砂岩气以及水溶气等，目前非常规油气资源已经在全球能源结构中扮演着重要角色。非常规油气资源的储层物性一般较差，具有低孔隙度、低渗透率、低孔喉半径等物性特征，油气的流动阻力较常规油气藏大的多，而且随着储层埋藏的加深，储层物性变差，使得常规开采技术不具备商业开采价值，决定了非常规油气资源需要采取压裂改造技术提高单井产量。水力压裂技术应用于页岩气和致密气等非常规油气藏的开采会产生水敏、储层污染等一系列问题，而且水资源匮乏也是制约水力压裂的重要因素。

超临界二氧化碳兼有气体的低粘度和高扩散系数以及液体的高密度和良好的溶解性。超临界二氧化碳压裂是一种新型的非常规天然气藏储层改造技术，与常规水力压裂相比，超临界二氧化碳压裂液具有低滤失、高返排、对储层污染小、防止黏土矿物水化膨胀等诸多优点。因此，超临界二氧化碳压裂能够提高非常规油气储层导流能力，实现商业高效开采的有效手段之一。超临界二氧化碳压裂液为增粘剂溶于超临界二氧化碳中的混合物质。目前，受温度、压力影响，超临界二氧化碳压裂液的流变规律相当复杂，鲜有试验数据，对于流变性的机理也没有一个***的解释，因而成为超临界流体研究领域的一个难点。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置及方法，用于快速的测量出不同温压条件下超临界二氧化碳压裂液的流变参数，进而***分析超临界二氧化碳压裂液的流变性，为超临界二氧化碳压裂设计和理论研究提供实验基础。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置，包括：超临界二氧化碳增压***、增粘剂注入混合***和超临界二氧化碳压裂液循环***；超临界二氧化碳压裂液循环***为超临界二氧化碳压裂液提供高温高压下闭合的循环回路，超临界二氧化碳增压***为二氧化碳提供所需要的实验压力，增粘剂注入混合***将增粘剂泵入到高温高压超临界二氧化碳管路中。

测量超临界二氧化碳压裂液流变性的方法，采用上述实验装置，进行超临界二氧化碳压裂液流变性测量实验时，调整二氧化碳气源入口旋拧阀、增粘剂入口旋拧阀、超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀处于关闭状态，利用真空泵排除实验管路中的空气；开启二氧化碳气源入口旋拧阀、循环泵，使二氧化碳进入超临界二氧化碳压裂液循环***，调节气体增压泵、油浴加热器，将实验***的温度、压力调节为实验设定的温度压力；开启增粘剂入口旋拧阀、增粘剂计量泵、柱塞泵，将增粘剂储罐内的增粘剂泵入超临界二氧化碳压裂液循环***，流体(增粘剂、二氧化碳)在循环泵作用下流动，增粘剂在净混器内充分溶解于超临界二氧化碳中；待参数稳定后，进行超临界二氧化碳压裂液流变性的测定，差压传感器记录流体在测量管线段的流动差压，质量流量计显示超临界二氧化碳压裂液质量流量，计算得到设定温度、压力下的超临界二氧化碳压裂液流变本构方程。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)、能够实现较大压力和温度范围内超临界二氧化碳压裂液流变参数的测量，可得到不同温度、压力条件下超临界二氧化碳压裂液流变特性的本构关系；

(2)、装置操作简单，方法易于实施，可行性高；

(3)、测量方法科学，能够实现较高精度的参数测量。

附图说明

图1为用于测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置示意图；

图中：11、二氧化碳气源；12、气体缓冲罐；13、气体增压泵；14、二氧化碳气源入口旋拧阀；21、增粘剂储罐；22、增粘剂计量泵；23、柱塞泵；24、增粘剂入口旋拧阀；31、中间容器；311、油浴加热器；312、中间容器内温度计；313、中间容器内压力计；32、循环泵；33、净混器；34、测量管线段；341、二氧化碳压裂液进口测量压力计；342、二氧化碳压裂液进口测量温度计；343、测量管线段差压传感器；344、二氧化碳压裂液出口测量温度计；345、二氧化碳压裂液出口测量压力计；35、质量流量计；36、真空泵；37、超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀。

具体实施方式

如图1所示，测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置，包括：超临界二氧化碳增压***、增粘剂注入混合***和超临界二氧化碳压裂液循环***；超临界二氧化碳压裂液循环***为超临界二氧化碳压裂液提供高温高压下闭合的循环回路，超临界二氧化碳增压***为二氧化碳提供所需要的实验压力，增粘剂注入混合***将增粘剂泵入到高温高压超临界二氧化碳管路中。

超临界二氧化碳增压***，包括：二氧化碳气源11、气体缓冲罐12、气体增压泵13、二氧化碳气源入口旋拧阀14，二氧化碳气源11、气体缓冲罐12、气体增压泵13、二氧化碳气源入口旋拧阀14依次通过管线相连；二氧化碳气源11提供实验所需的二氧化碳，气体缓冲罐12用于储存高压的二氧化碳气体，气体缓冲罐12内的二氧化碳流向气体增压泵13，气体增压泵13为二氧化碳增压以满足实验压力要求，二氧化碳气体通过二氧化碳气源入口旋拧阀14进入超临界二氧化碳压裂液循环***。

增粘剂注入混合***，包括：增粘剂储罐21、增粘剂计量泵22、柱塞泵23、增粘剂入口旋拧阀24；增粘剂储罐21、增粘剂计量泵22、柱塞泵23、增粘剂入口旋拧阀24依次通过管线连接；增粘剂储罐21内装有易溶于超临界二氧化碳的溶剂，用于提高超临界二氧化碳的粘度，增粘剂计量泵22对加入增粘剂量进行精确计量，柱塞泵23经由增粘剂入口旋拧阀24将增粘剂泵入超临界二氧化碳压裂液循环***。

超临界二氧化碳压裂液循环***，包括：中间容器31、净混器33、测量管线段34、质量流量计35；中间容器31出口端与净混器33进口端通过管线连接，净混器33出口端与质量流量计35进口端通过测量管线段34相连，质量流量计35出口端与中间容器31进口端与相连，形成一个闭合的循环回路。

中间容器31与净混器33的连接管线上设有循环泵32，循环泵32为超临界二氧化碳压裂液提供闭合循环所需的动力，循环泵32使流体由中间容器31向净混器33方向流动；增粘剂入口旋拧阀24通过管线接入净混器33与循环泵32之间的管线；中间容器31对超临界二氧化碳压裂液进行缓冲储存，净混器33将增粘剂充分混合溶解于超临界二氧化碳中，形成超临界二氧化碳压裂液流体。

中间容器31置于油浴加热器311中，中间容器31设有中间容器内温度计312、中间容器内压力计313；油浴加热器311对超临界二氧化碳压裂液加热以达到实验温度要求，中间容器内温度计312测量中间容器内的温度，中间容器内压力计313测量中间容器内的压力。

测量管线34上，由净混器33至质量流量计35方向，依次设有二氧化碳压裂液进口测量压力计341、二氧化碳压裂液进口测量温度计342、测量管线段差压传感器343、二氧化碳压裂液出口测量温度计344、二氧化碳压裂液出口测量压力计345；二氧化碳压裂液进口测量压力计341、二氧化碳压裂液出口测量压力计345测量所处位置的管线内压力；二氧化碳压裂液进口测量温度计342、二氧化碳压裂液出口测量温度计344实时观测所处位置的管线内温度；测量管线段差压传感器343用于测量超临界二氧化碳压裂液流经测量管线段34产生的压力差；测量段管线段24为内径6mm、壁厚2mm、长度7.5m外敷保温层的铜制管线。

质量流量计35与中间容器31相连接的管路上设有真空泵36，二氧化碳气源入口旋拧阀14通过管线接入质量流量计35与中间容器31之间的管路中；质量流量计35用于计量超临界二氧化碳压裂液的质量流量，真空泵36用于排除实验管路中的空气。超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀38通过管线接入真空泵36与中间容器31连接管路上，超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀38用于放空实验管路中超临界二氧化碳压裂液。

在密闭环路中，所有部件和管路均耐压60MPa，温度上限为500K，可实现超临界二氧化碳在高温高压下超临界二氧化碳压裂液流变性的实验测量。

测量超临界二氧化碳压裂液流变性的方法，利用上述装置，步骤如下：

(1)、建立超临界二氧化碳循环

调整二氧化碳气源入口旋拧阀14、增粘剂入口旋拧阀24、超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀38处于关闭状态，利用真空泵36排除实验管路中的空气；开启二氧化碳气源入口旋拧阀14、循环泵32，使二氧化碳由二氧化碳气源11流出，调节气体增压泵13、油浴加热器311，将实验***的温度、压力调节为实验设定的温度压力。

(2)、加入增粘剂

开启增粘剂入口旋拧阀24、增粘剂计量泵22、柱塞泵23，将增粘剂储罐21内的增粘剂泵入超临界二氧化碳压裂液循环***，流体(增粘剂、二氧化碳)在循环泵32作用下流动，增粘剂在净混器33内充分溶解于超临界二氧化碳中；待参数稳定后，进行超临界二氧化碳压裂液流变性的测量。

(3)、计算超临界二氧化碳压裂液在管线段内的平均温度

读取超临界二氧化碳压裂液进口测量温度计342的温度T₁，出口测量温度计344的温度T₂，计算超临界二氧化碳压裂液在管线段内的平均温度：

$T=\frac{T_1+T_2}{2}---\left(1\right)$

式中，T为超临界二氧化碳在测量管线段管内的平均温度，K；T₁为超临界二氧化碳压裂液在测量管线段管内进口处的温度，K；T₂为超临界二氧化碳压裂液在测量管线段管内出口处的温度，K。

(4)、计算超临界二氧化碳压裂液在管线段内的平均压力

读取超临界二氧化碳压裂液进口测量压力计341的压力P₁，出口测量压力计345的压力P₂，计算超临界二氧化碳压裂液在管线段内的平均压力：

$P=\frac{P_1+P_2}{2}---\left(2\right)$

式中，P为超临界二氧化碳在测量管线段管内的平均压力，MPa；P₁为超临界二氧化碳压裂液在测量管线段管内进口处的压力，MPa；P₂为超临界二氧化碳压裂液在测量管线段管内出口处的压力，MPa。

(5)、计算超临界二氧化碳压裂液在测量管线段内的流速

读取质量流量计35的超临界二氧化碳压裂液质量流量Q，计算超临界二氧化碳压裂液在测量管线段34内的流速：

Z³-(1-B)Z²+(A-3B²-2B)Z-(AB-B²-B³)＝0 (3)

$A=0.45724\left(\frac{{\[1+(0.37464+1.5226w-0.26992w^2)(1-T_r^{0.5})\]}^2{p}_r}{T_r^2}\right)---\left(4\right)$

$B=0.077796\left(\frac{p_r}{T_r}\right)---\left(5\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{{\mathrm{PM}}_g}{ZRT}---\left(6\right)$

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}{x}_{{\mathrm{CO}}_2}+{\mathrm{\ρ}}_t{x}_t---\left(7\right)$

$u=\frac{4Q}{{\mathrm{\ρ\πD}}^2}---\left(8\right)$

式中，Z为压缩因子，无量纲；A、B为中间变量，表达式如式(4)、(5)所示；p_r为对比压力，无量纲；T_r为对比温度，无量纲；w为二氧化碳的偏心因子，无量纲；ρ_CO2为二氧化碳的密度，kg/m³；x_CO2为二氧化碳在超临界二氧化碳压裂液中的比例，无量纲；ρ_t为增粘剂的密度，kg/m³；ρ为超临界二氧化碳压裂液的密度，kg/m³；x_t为增粘剂在超临界二氧化碳压裂液中的比例，无量纲；P为绝对压力，MPa；T为绝对温度，K；M_g为二氧化碳的分子量，kg/m³；R为通用气体常数，0.008314MPa·m³/(kmol·K)；Q为超临界二氧化碳压裂液的质量流量，kg/s；D为测量管线段34直径，m；u为超临界二氧化碳压裂液在管线中的流速，m/s。

(6)、计算壁面剪切应力

读取测量管线段差压传感器343的压力差Δp，计算得到壁面剪切应力：

${\mathrm{\τ}}_w=\frac{D\mathrm{\Δ}p}{4L}---\left(9\right)$

式中，τ_w为壁面剪切应力，Pa；Δp为测量管线段差压传感器21的压力差，Pa；L为测量管线段34的长度，m。

(7)、计算得到超临界二氧化碳压裂液流体流变参数的本构关系

在τ_w—坐标上绘出对数曲线，得到对应不同τ_w的曲线斜率n'，进而得到超临界二氧化碳压裂液流体流变参数的本构关系：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=(\frac{3}{4}+\frac{1}{4n^{\′}})\frac{8u}{D}---\left(10\right)$

$n^{\′}=\frac{dln\left(\frac{D\mathrm{\Δ}p}{4L}\right)}{dln\left(\frac{8u}{D}\right)}---\left(11\right)$

式中，为超临界二氧化碳压裂液流体剪切变形速率，s^-1；n'为不同τ_w的对数坐标曲线斜率。

改变实验***的温度、压力，可以研究超临界二氧化碳压裂液流变性随温度、压力的变化规律；从而研究超临界二氧化碳压裂液的流动机理，为超临界二氧化碳压裂设计和理论研究提供实验基础。

Claims (7)

1.一种测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置，包括：超临界二氧化碳增压***、增粘剂注入混合***和超临界二氧化碳压裂液循环***；其特征在于：超临界二氧化碳压裂液循环***为超临界二氧化碳压裂液提供高温高压下闭合的循环回路，超临界二氧化碳增压***为二氧化碳提供所需要的实验压力，增粘剂注入混合***将增粘剂泵入到高温高压超临界二氧化碳管路中；

超临界二氧化碳增压***，包括：二氧化碳气源、气体缓冲罐、气体增压泵、二氧化碳气源入口旋拧阀，二氧化碳气源、气体缓冲罐、气体增压泵、二氧化碳气源入口旋拧阀依次通过管线相连；二氧化碳气体通过二氧化碳气源入口旋拧阀进入超临界二氧化碳压裂液循环***；

增粘剂注入混合***，包括：增粘剂储罐、增粘剂计量泵、柱塞泵、增粘剂入口旋拧阀；增粘剂储罐、增粘剂计量泵、柱塞泵、增粘剂入口旋拧阀依次通过管线连接；增粘剂储罐内装有易溶于超临界二氧化碳的溶剂，柱塞泵经由增粘剂入口旋拧阀将增粘剂泵入超临界二氧化碳压裂液循环***；

超临界二氧化碳压裂液循环***，包括：中间容器、净混器、测量管线段、质量流量计；中间容器出口端与净混器进口端通过管线连接，净混器出口端与质量流量计进口端通过测量管线段相连，质量流量计出口端与中间容器进口端与相连，形成一个闭合的循环回路。

2.根据权利要求1所述的测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置，其特征在于，中间容器与净混器的连接管线上设有循环泵，增粘剂入口旋拧阀通过管线接入净混器与循环泵之间的管线；中间容器置于油浴加热器中，中间容器设有中间容器内温度计、中间容器内压力计；测量管线上，由净混器至质量流量计方向，依次设有二氧化碳压裂液进口测量压力计、二氧化碳压裂液进口测量温度计、测量管线段差压传感器、二氧化碳压裂液出口测量温度计、二氧化碳压裂液出口测量压力计；质量流量计与中间容器相连接的管路上设有真空泵，二氧化碳气源入口旋拧阀通过管线接入中间容器与质量流量计之间的管路中。

3.根据权利要求2所述的测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置，其特征在于，超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀通过管线接入质量流量计与中间容器连接管路上。

4.根据权利要求3所述的测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置，其特征在于，在超临界二氧化碳压裂液循环***密闭环路中，所有部件和管路均耐压60MPa，温度上限为500K。

5.根据权利要求4所述的测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置，其特征在于，测量段管线段为内径6mm、壁厚2mm、长度7.5m外敷保温层的铜制管线。

6.测量超临界二氧化碳压裂液流变性的方法，采用权利要求1-5之一所述的测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、建立超临界二氧化碳循环

调整二氧化碳气源入口旋拧阀、增粘剂入口旋拧阀、超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀处于关闭状态，利用真空泵排除实验管路中的空气；开启二氧化碳气源入口旋拧阀、循环泵，使二氧化碳由二氧化碳气源流出，调节气体增压泵、油浴加热器，将实验***的温度、压力调节为实验设定的温度压力。

(2)、加入增粘剂

开启增粘剂入口旋拧阀、增粘剂计量泵、柱塞泵，将增粘剂储罐内的增粘剂泵入超临界二氧化碳压裂液循环***，流体在循环泵作用下流动，增粘剂在净混器内充分溶解于超临界二氧化碳中；待参数稳定后，进行超临界二氧化碳压裂液流变性的测量；

(3)、计算超临界二氧化碳压裂液在管线段内的平均温度

读取超临界二氧化碳压裂液进口测量温度计的温度T₁，出口测量温度计的温度T₂，计算超临界二氧化碳压裂液在管线段内的平均温度：

$T=\frac{T_1+T_2}{2}$

式中，

T为超临界二氧化碳在测量管线段管内的平均温度，K；

T₁为超临界二氧化碳压裂液在测量管线段管内进口处的温度，K；

T₂为超临界二氧化碳压裂液在测量管线段管内出口处的温度，K；

(4)、计算超临界二氧化碳压裂液在管线段内的平均压力

读取超临界二氧化碳压裂液进口测量压力计的压力P₁，出口测量压力计的压力P₂，计算超临界二氧化碳压裂液在管线段内的平均压力：

$P=\frac{P_1+P_2}{2}$

式中，

P为超临界二氧化碳在测量管线段管内的平均压力，MPa；

P₁为超临界二氧化碳压裂液在测量管线段管内进口处的压力，MPa；

P₂为超临界二氧化碳压裂液在测量管线段管内出口处的压力，MPa；

(5)、计算超临界二氧化碳压裂液在测量管线段内的流速

读取质量流量计的超临界二氧化碳压裂液质量流量Q，计算超临界二氧化碳压裂液在测量管线段内的流速：

Z³-(1-B)Z²+(A-3B²-2B)Z-(AB-B²-B³)＝0

$A=0.45724\left(\frac{{\[1+(0.37464+1.5226w-0.26992w^2)\left(1-T_r^{0.5}\right)\]}^2{p}_r}{T_r^2}\right)$

$B=0.077796\left(\frac{p_r}{T_r}\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{{\mathrm{PM}}_g}{ZRT}$

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}{x}_{{\mathrm{CO}}_2}+{\mathrm{\ρ}}_t{x}_t$

$u=\frac{4Q}{{\mathrm{\ρ\πD}}^2}$

式中，

Z为压缩因子，无量纲；

p_r为对比压力，无量纲；

T_r为对比温度，无量纲；

w为二氧化碳的偏心因子，无量纲；

ρ_CO2为二氧化碳的密度，kg/m³；

x_CO2为二氧化碳在超临界二氧化碳压裂液中的比例，无量纲；

ρ_t为增粘剂的密度，kg/m³；

ρ为超临界二氧化碳压裂液的密度，kg/m³；

x_t为增粘剂在超临界二氧化碳压裂液中的比例，无量纲；

P为绝对压力，MPa；

T为绝对温度，K；

M_g为二氧化碳的分子量，kg/m³；

R为通用气体常数，0.008314MPa·m³/(kmol·K)；

Q为超临界二氧化碳压裂液的质量流量，kg/s；

D为测量管线段直径，m；

u为超临界二氧化碳压裂液在管线中的流速，m/s；

(6)、计算壁面剪切应力

读取测量管线段差压传感器的压力差Δp，计算得到壁面剪切应力：

${\mathrm{\τ}}_w=\frac{D\mathrm{\Δ}p}{4L}$

式中，

τ_w为壁面剪切应力，Pa；

Δp为测量管线段差压传感器的压力差，Pa；

L为测量管线段的长度，m。

(7)、计算得到超临界二氧化碳压裂液流体流变参数的本构关系

在τ_w—坐标上绘出对数曲线，得到对应不同τ_w的曲线斜率n'，进而得到超临界二氧化碳压裂液流体流变参数的本构关系：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=(\frac{3}{4}+\frac{1}{4n^{\′}})\frac{8u}{D}$

$n^{\′}=\frac{dln\left(\frac{D\mathrm{\Δ}p}{4L}\right)}{dln\left(\frac{8u}{D}\right)}$

式中，

为超临界二氧化碳压裂液流体剪切变形速率，s^-1；

n'为不同τ_w的对数坐标曲线斜率。

7.根据权利要求6所述的测量超临界二氧化碳压裂液流变性的方法，其特征在于，改变实验***的温度、压力，从而研究超临界二氧化碳压裂液流变性随温度、压力的变化规律。