CN105353084B - 测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于非常规油气开采技术领域，具体地，涉及一种测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置。测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置，包括：超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***和超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置；超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***确定高温高压超临界二氧化碳压裂液的节流系数，超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置确定高温高压超临界二氧化碳压裂液的粘度。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节流系数的测量，可得到不同粘度下超临界二氧化碳压裂液的节流效应规律；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

测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置

技术领域

本发明属于非常规油气开采技术领域，具体地，涉及一种测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置。

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，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。我国的非常规油气资源储量丰富，分布广泛，发展前景广阔，仅非常规天然气的技术可采资源量就达3.4×10⁵亿立方米，是常规天然气技术可采储量的1.8倍。

然而非常规油气资源开发难度大，基本都有低孔、低渗、低压、岩层致密的特点。美国德克萨斯州福特沃斯盆地Barnett页岩通过融合水平钻井技术和水平压裂技术实现了页岩气开采技术历史性的突破，大大降低了单井开采成本。因此，对于非常规油气藏开发，主要采用压裂方式改造油气层，提高采油(气)指数，从而提高单井产量和稳产有效期。常规水基压裂对页岩油气藏的伤害比较大，措施二次污染严重，严重影响措施的增产改造效果，具体体现在以下几个方面：(1)压裂液聚合物对地层的伤害；(2)排液速度不合理对地层产生伤害；(3)易对水敏地层造成伤害。

超临界二氧化碳喷射压裂是通过喷射压裂装置，产生超临界二氧化碳射流，射穿套管和储层岩石，形成射孔孔眼，然后进行压裂。超临界二氧化碳喷射压裂特点有：无自由水、输送支撑剂形成支撑缝、支撑缝中无自由水和固体残渣，完全适合于水敏性储层，消除了储层伤害。因此，超临界二氧化碳喷射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；压裂液流经喷射压裂装置会产生节流效应，造成温度下降，影响压裂液的物性和喷射压裂效果。目前，受温度、压力和压裂液粘度影响，超临界二氧化碳压裂液的节流效应规律相当复杂，鲜有试验数据，而超临界二氧化碳压裂液粘度随温度压力的变化而变化，针对其节流过程的机理也没有一个***的解释，因而成为超临界二氧化碳喷射压裂开发非常规油气藏的一个难点。

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不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置，用于快速的测量出不同温度、压力和压裂液粘度下超临界二氧化碳压裂液的节流系数，进而***分析超临界二氧化碳压裂液的节流效应规律，为超临界二氧化碳喷射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：

测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置，包括：超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***和超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置；超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***确定高温高压超临界二氧化碳压裂液的节流系数，超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置确定高温高压超临界二氧化碳压裂液的粘度。

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节流系数的测量，可得到不同粘度下超临界二氧化碳压裂液的节流效应规律；

(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为测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置示意图；

图中：11、恒速恒压泵；12、静混器；13、质量流量计；14、中间容器；141、中间容器压力计；142、中间容器温度计；15、第一旋拧阀；16、绝热节流测量装置；161、多孔板；162、第一压力计；163、第一温度计；164、第二压力计；165、第二温度计；17、回压控制装置；18、第二旋拧阀；20、恒温水浴箱；21、第三旋拧阀；22、测量管线段；221、第一压差传感器；23、超临界二氧化碳增压装置；231、二氧化碳气源入口旋拧阀；24、增粘剂注入装置；241、增粘剂入口旋拧阀；25、超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀；G1、第一管线；G2、第二管线。

具体实施方式

如图1所示，测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置，包括：超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***和超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置；超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***确定高温高压超临界二氧化碳压裂液的节流系数，超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置确定高温高压超临界二氧化碳压裂液的粘度。

超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***，包括：恒速恒压泵11、静混器12、质量流量计13、中间容器14、第一旋拧阀15、绝热节流测量装置16、回压控制装置17、第二旋拧阀18，恒速恒压泵11、静混器12、质量流量计13、中间容器14、第一旋拧阀15、绝热节流测量装置16、第二旋拧阀18通过管线依次连接形成闭合的循环回路；回压控制装置17通过管线连接到绝热节流测量装置16和第二旋拧阀18之间的管线上，控制超临界二氧化碳压裂液通过节流测量装置时的回压；超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀25通过管线连接到质量流量计13和中间容器14之间的管线上，用于放空管路中的超临界二氧化碳压裂液。

恒速恒压泵11为超临界二氧化碳压裂液提供闭合循环所需的动力，使流体由静混器12经过质量流量计13向中间容器14方向流动；超临界二氧化碳压裂液经第一旋拧阀15、绝热节流测量装置16、第二旋拧阀18流入恒速恒压泵11；静混器12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；质量流量计13用于计量超临界二氧化碳压裂液的质量流量；中间容器14对超临界二氧化碳压裂液进行缓冲储存。

中间容器14置于恒温水浴箱20中，中间容器14上设有中间容器压力计141、中间容器温度计142；恒温水浴箱20对超临界二氧化碳压裂液加热以达到所需要的温度，中间容器压力计141测量中间容器内的压力，中间容器温度计142测量中间容器内的温度。

绝热节流测量装置16，包括：圆柱壳体、多孔板161、第一压力计162、第一温度计163、第二压力计164、第二温度计165；圆柱壳体长度为30cm、内径为5cm、壁厚为4mm，由奥体式不锈钢材料制成，外敷纳基隔热软毡；多孔板161为长度2cm、直径5.8cm的多孔圆柱壳空腔，多孔板内部填充40～60目的支撑剂颗粒，多孔板161外壁圆面均匀布置直径0.2mm、数量100个的孔道；多孔板161位于圆柱壳体中部且垂直于圆柱壳体的轴线设置，用于提供超临界二氧化碳压裂液通过绝热节流测量装置16的流动通道。

圆柱壳体内位于多孔板161的两侧分别设置第一压力计162、第一温度计163、第二压力计164、第二温度计165，第一压力计162测量超临界二氧化碳压裂液绝热节流前的压力，第一温度计163测量超临界二氧化碳压裂液绝热节流前的温度，第二压力计164测量超临界二氧化碳压裂液绝热节流后的压力，第二温度计165测量超临界二氧化碳压裂液绝热节流后的温度。

超临界二氧化碳压裂液由恒速恒压泵11泵入静混器12、质量流量计13、中间容器14，通过第一旋拧阀15流入绝热节流测量装置16，经第二旋拧阀18形成一个闭合循环回路，进行超临界二氧化碳压裂液节流系数的测量。

第二旋拧阀18与恒速恒压泵11之间的管线为第一管线G1。

超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置，包括：第三旋拧阀21、测量管线段22、超临界二氧化碳增压装置23、增粘剂注入装置24；第三旋拧阀21通过管线连接到中间容器14和测量管线段22之间的管线；测量管线段22通过第二管线G2接入第一管线G1。

测量段管线段22为内径4mm、壁厚2mm、长度8m铜制盘管，放置于恒温水浴箱20内；测量管线段22上设有测量管线段压差传感器221，用于测量超临界二氧化碳压裂液流经测量管线段22产生的压力差。

超临界二氧化碳增压装置23接入第二管线G2上，为二氧化碳提供所需要的实验压力，超临界二氧化碳增压装置23设有二氧化碳气源入口旋拧阀231，用于控制二氧化碳进入超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置；增粘剂注入装置24接入第二管线G2上，将增粘剂泵入到高温高压超临界二氧化碳管路中，增粘剂注入装置24设有增粘剂入口旋拧阀241，用于控制增粘剂进入超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置；第二管线G2上由测量管线段22至恒速恒压泵11方向依次连接超临界二氧化碳增压装置23、增粘剂注入装置24。

超临界二氧化碳经过超临界二氧化碳增压装置23达到实验所需的压力，增粘剂注入装置24通过第二管线G2向管内注入增粘剂，由恒速恒压泵11泵入静混器12混合形成超临界二氧化碳流体，经过质量流量计13、中间容器14、第三旋拧阀21、测量管线段22形成一个闭合的流动循环回路，进行超临界二氧化碳压裂液粘度的调节。

中间容器压力计141、中间容器温度计142、第一压力计162、第一温度计163、第二压力计164、第二温度计165、第一压差传感器221的测量数据通过数据处理终端实时采集。

在整个装置中，所有部件和管路均耐压60MPa，温度上限为500K，可实现高温高压下超临界二氧化碳压裂液节流系数的实验测量。

测量超临界二氧化碳压裂液节流系数的方法，利用上述装置，步骤如下：

(1)、建立超临界二氧化碳循环

调整增粘剂入口旋拧阀241、超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀25、第一旋拧阀15、第二旋拧阀18处于关闭状态；开启超临界二氧化碳增压装置23，调整二氧化碳气源入口旋拧阀231、第三旋拧阀21处于开启状态；设置恒温水浴箱20，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

开启增粘剂注入装置，打开增粘剂入口旋拧阀241，将增粘剂泵入超临界二氧化碳压裂液粘度测量***，增粘剂、二氧化碳在恒速恒压泵11作用下流动，增粘剂在静混器12内充分溶解于超临界二氧化碳中；待参数稳定后，测量超临界二氧化碳压裂液的粘度。

(3)、计算超临界二氧化碳压裂液粘度

从数据处理终端读取中间容器压力计141的压力P、中间容器温度计142的温度T、第一压差传感器221的差压Δp和质量流量计13的质量流量Q的读数，计算超临界二氧化碳压裂液粘度μ：

$\mathrm{\μ}=\frac{uD\mathrm{\ρ}}{\mathrm{Re}}---\left(1\right)$

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

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}{x}_{{\mathrm{CO}}_2}+{\mathrm{\ρ}}_t{x}_t---\left(3\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{{\mathrm{PM}}_g}{ZRT}---\left(4\right)$

Z³+(C-1)Z²+(A-2BC-B²-B-C)Z+(BC+C-A)B＝0 (5)

$A=\frac{aP}{R^2{T}^2}---\left(6\right)$

$B=\frac{bP}{RT}---\left(7\right)$

$C=\frac{cP}{RT}---\left(8\right)$

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\λ}}}=-2.34\×\lg \left(\frac{\mathrm{\ϵ}}{1.72d}-\frac{9.26}{\mathrm{Re}}\×\lg \left({\left(\frac{\mathrm{\ϵ}}{29.36D}\right)}^{0.95}+{\left(\frac{18.35}{\mathrm{Re}}\right)}^{1.108}\right)\right)---\left(9\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{2D\mathrm{\Δ}p}{{\mathrm{\ρu}}^{2}L}---\left(10\right)$

式中，μ为超临界二氧化碳压裂液的粘度，Pa·s；u为超临界二氧化碳压裂液流速，m/s；D为测量管线段22的直径，m；ρ为超临界二氧化碳压裂液的密度，kg/m³；Re为超临界二氧化碳压裂液的雷诺数，无量纲；Q为超临界二氧化碳压裂液的质量流量，kg/s；为超临界二氧化碳气体的密度，kg/m³；为压裂液中二氧化碳的体积分数，无量纲；ρ_t为增粘剂的密度，kg/m³；x_t为压裂液中增粘剂的体积分数，无量纲；P为超临界二氧化碳气体的压力，MPa；M_g为二氧化碳的分子量，kg/Kmol；Z为超临界二氧化碳气体的压缩因子，无量纲；R为通用气体常数0.008314MPa·m³/(Kmol·K)；T为超临界二氧化碳气体的温度，K；A、B、C为中间变量，表达式如式(6)、(7)、(8)所示，a＝318101.19，b＝26.82，c＝25.01；λ为超临界二氧化碳的摩阻系数，无量纲；ε为绝对粗糙度，m；ΔP为测量管线段压差传感器221测量的压差，Pa；L为测量管线段22的长度，m；

(4)、测量超临界二氧化碳压裂液的节流系数C_j

关闭第三旋拧阀21，打开第一旋拧阀15、第二旋拧阀18，通过恒压恒速泵11设置节流装置的入口压力，通过回压控制装置17设置出口处回压；待参数稳定后，从数据处理终端读取第一压力计162的压力p₁、第二压力计164的压力p₂、第一温度计163的温度T₁、第二温度计165的温度T₂，计算超临界二氧化碳压裂液的节流系数C_j：

ΔT'＝T₁-T₂ (11)

Δp'＝p₁-p₂ (12)

$C_j=\frac{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}{{\mathrm{\Δp}}^{\′}}---\left(13\right)$

式中，C_j为超临界二氧化碳压裂液的节流系数，K/Pa；T₁为第一温度计163的温度，K；T₂为第二温度计165的温度，K；p₁为第一压力计162的压力，Pa；p₂为第二压力计164的压力，Pa；ΔT’为节流前后的温度差，K；Δp’为节流前后的压力差，Pa。

改变实验***的超临界二氧化碳压裂液粘度，可以研究超临界二氧化碳压裂液节流系数随压裂液粘度的变化规律；从而研究不同粘度下超临界二氧化碳压裂液的节流机理，为超临界二氧化碳压裂设计和理论研究提供实验基础。

Claims (5)

1.一种测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置，包括：超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***和超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置；超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***确定高温高压超临界二氧化碳压裂液的节流系数，超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置确定高温高压超临界二氧化碳压裂液的粘度；其特征在于：

超临界二氧化碳压裂液节流系数测量***，包括：恒速恒压泵、静混器、质量流量计、中间容器、第一旋拧阀、绝热节流测量装置、回压控制装置、第二旋拧阀，恒速恒压泵、静混器、质量流量计、中间容器、第一旋拧阀、绝热节流测量装置、第二旋拧阀通过管线依次连接形成闭合的循环回路；

中间容器置于恒温水浴箱中，中间容器上设有中间容器压力计、中间容器温度计；

绝热节流测量装置，包括：圆柱壳体、多孔板、第一压力计、第一温度计、第二压力计、第二温度计；多孔板内部填充支撑剂颗粒，多孔板外壁圆面均匀布置孔道，多孔板位于圆柱壳体中部且垂直于圆柱壳体的轴线设置；

多孔板位于圆柱壳体中部且垂直于圆柱壳体的轴线设置，圆柱壳体内位于多孔板的两侧分别设置第一压力计、第一温度计、第二压力计、第二温度计；

超临界二氧化碳压裂液由恒速恒压泵泵入静混器、质量流量计、中间容器，通过第一旋拧阀流入绝热节流测量装置，经第二旋拧阀形成一个闭合循环回路，进行超临界二氧化碳压裂液节流系数的测量，第二旋拧阀与恒速恒压泵之间的管线为第一管线；

超临界二氧化碳压裂液粘度调节装置，包括：第三旋拧阀、测量管线段、超临界二氧化碳增压装置、增粘剂注入装置；第三旋拧阀设置于中间容器和测量管线段之间的管线上；测量管线段通过第二管线接入第一管线；

超临界二氧化碳增压装置接入第二管线上；增粘剂注入装置接入第二管线上；测量管线段上设有测量管线段压差传感器。

2.根据权利要求1所述的测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置，其特征在于，圆柱壳体长度为30cm、内径为5cm、壁厚为4mm，由奥体式不锈钢材料制成，外敷纳基隔热软毡；多孔板为长度2cm、直径5.8cm的多孔圆柱壳空腔，多孔板内部填充40～60目的支撑剂颗粒，多孔板外壁圆面均匀布置直径0.2mm、数量100个的孔道。

3.根据权利要求2所述的测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置，其特征在于，测量段管线段为内径4mm、壁厚2mm、长度8m铜制盘管，放置于恒温水浴箱内。

4.根据权利要求3所述的测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置，其特征在于，超临界二氧化碳增压装置设有二氧化碳气源入口旋拧阀；增粘剂注入装置设有增粘剂入口旋拧阀，第二管线上由测量管线段至恒速恒压泵方向依次连接超临界二氧化碳增压装置、增粘剂注入装置；中间容器压力计、中间容器温度计、第一压力计、第一温度计、第二压力计、第二温度计、第一压差传感器的测量数据通过数据处理终端实时采集，在整个装置中，所有部件和管路均耐压60MPa，温度上限为500K，可实现高温高压下超临界二氧化碳压裂液节流系数的实验测量。

5.一种测量超临界二氧化碳压裂液节流系数的方法，利用权利要求4所述的测量不同粘度下超临界二氧化碳压裂液节流系数的装置，其特征在于，步骤如下：

(1)、建立超临界二氧化碳循环

调整增粘剂入口旋拧阀、超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀、第一旋拧阀、第二旋拧阀处于关闭状态；开启超临界二氧化碳增压装置，调整二氧化碳气源入口旋拧阀、第三旋拧阀处于开启状态；设置恒温水浴箱，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

开启增粘剂注入装置，打开增粘剂入口旋拧阀，将增粘剂泵入超临界二氧化碳压裂液粘度测量***，增粘剂、二氧化碳在恒速恒压泵作用下流动，增粘剂在静混器内充分溶解于超临界二氧化碳中；待参数稳定后，测量超临界二氧化碳压裂液的粘度；

(3)、计算超临界二氧化碳压裂液粘度

从数据处理终端读取中间容器压力计的压力P、中间容器温度计的温度T、第一压差传感器的差压Δp和质量流量计的质量流量Q的读数，计算超临界二氧化碳压裂液粘度μ：

$\mathrm{\μ}=\frac{uD\mathrm{\ρ}}{\mathrm{Re}}---\left(1\right)$

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

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}{x}_{{\mathrm{CO}}_2}+{\mathrm{\ρ}}_t{x}_t---\left(3\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{{\mathrm{PM}}_g}{ZRT}---\left(4\right)$

Z³+(C-1)Z²+(A-2BC-B²-B-C)Z+(BC+C-A)B＝0 (5)

$A=\frac{aP}{R^2{T}^2}---\left(6\right)$

$B=\frac{bP}{RT}---\left(7\right)$

$C=\frac{cP}{RT}---\left(8\right)$

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\λ}}}=-2.34\×\lg (\frac{\mathrm{\ϵ}}{1.72d}-\frac{9.26}{\mathrm{Re}}\×\lg ({\left(\frac{\mathrm{\ϵ}}{29.36D}\right)}^{0.95}+{\left(\frac{18.35}{\mathrm{Re}}\right)}^{1.108}\left)\right)---\left(9\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{2D\mathrm{\Δ}p}{{\mathrm{\ρu}}^{2}L}---\left(10\right)$

式中，μ为超临界二氧化碳压裂液的粘度，Pa·s；u为超临界二氧化碳压裂液流速，m/s；D为测量管线段的直径，m；ρ为超临界二氧化碳压裂液的密度，kg/m³；Re为超临界二氧化碳压裂液的雷诺数，无量纲；Q为超临界二氧化碳压裂液的质量流量，kg/s；为超临界二氧化碳气体的密度，kg/m³；为压裂液中二氧化碳的体积分数，无量纲；ρ_t为增粘剂的密度，kg/m³；x_t为压裂液中增粘剂的体积分数，无量纲；P为超临界二氧化碳气体的压力，MPa；M_g为二氧化碳的分子量，kg/Kmol；Z为超临界二氧化碳气体的压缩因子，无量纲；R为通用气体常数0.008314MPa·m³/(Kmol·K)；T为超临界二氧化碳气体的温度，K；A、B、C为中间变量，表达式如式(6)、(7)、(8)所示，a＝318101.19，b＝26.82，c＝25.01；λ为超临界二氧化碳的摩阻系数，无量纲；ε为绝对粗糙度，m；ΔP为测量管线段压差传感器测量的压差，Pa；L为测量管线段的长度，m；

(4)、测量超临界二氧化碳压裂液的节流系数C_j

关闭第三旋拧阀，打开第一旋拧阀、第二旋拧阀，通过恒压恒速泵设置节流装置的入口压力，通过回压控制装置设置出口处回压；待参数稳定后，从数据处理终端读取第一压力计的压力p₁、第二压力计的压力p₂、第一温度计的温度T₁、第二温度计的温度T₂,计算超临界二氧化碳压裂液的节流系数C_j：

ΔT'＝T₁-T₂ (11)

Δp'＝p₁-p₂ (12)

$C_j=\frac{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}{{\mathrm{\Δp}}^{\′}}---\left(13\right)$

式中，C_j为超临界二氧化碳压裂液的节流系数，K/Pa；T₁为第一温度计的温度，K；T₂为第二温度计的温度，K；p₁为第一压力计的压力，Pa；p₂为第二压力计的压力，Pa；ΔT’为节流前后的温度差，K；Δp’为节流前后的压力差，Pa。