CN102704922A - 超临界二氧化碳携砂流动机理研究实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界二氧化碳携砂流动机理研究实验装置，主要由液态二氧化碳储罐1、高压泵2、加热系统3、稳压罐4、流量计5、裂缝模拟系统10、过滤分离器11、卸压器12、背压阀13和冷却系统14依次用管线连接构成密闭的高压环路。在裂缝模拟系统内设置的模拟裂缝流道为长1000mm、高50mm和宽5mm的耐压30Mpa的空间，在模拟裂缝流道两侧有对开可视耐压石英观察窗，窗前放置摄像记录系统，在裂缝模拟系统的进口端安装螺杆加砂器8。通过高压泵2、加热系统3和螺杆加砂器8可实现超临界二氧化碳在实际地层高温、高压下的携砂流动实验模拟，再结合摄像记录系统9进行最直接准确的记录和分析，对超临界二氧化碳携砂流动机理进行研究。

Description

超临界二氧化碳携砂流动机理研究实验装置

技术领域：

本发明涉及一种耐高温高压的携砂流动实验装置，通过对温度、压力的控制，可模拟实际地层条件下的超临界二氧化碳携砂流动，经可视化设计，拍摄记录流动形态，研究超临界二氧化碳携砂流动机理。

利用超临界二氧化碳压裂液对非常规油气藏改造时，支撑剂的有效输送研究很重要，本发明涉及裂缝内的携砂流动机理研究装置，本实验装置流道设计按照相似准则，与实际工况下的流道相似，一组对开的耐压观察窗，首次实现对超临界二氧化碳携砂流动形态的直接观察和记录，结合高速摄像技术和图像处理技术，对实验结果进行准确的分析和研究。

背景技术：

随着美国率先取得页岩气商业化开发成功，针对非常规油气藏的研究日渐成为国内外研究热门，与常规油气藏相比，非常规油气资源的渗透率极低，开发难度大，开采时通常采用水平井钻井技术和特殊的完井技术，加拿大在页岩气等非常规油气藏的开采上，率先尝试使用液态二氧化碳作为压裂液，并取得了成功。在完井技术上，采用常规压裂液压裂非常规油气藏，往往会造成渗透率本来就极低的地层严重污染，而超临界二氧化碳作为新型清洁压裂液，有广阔的应用前景。

超临界二氧化碳压裂液由于其本身特性，与传统压裂液相比有着独特优势。首先，超临界二氧化碳对储层伤害最小，由于不含水，完全消除了对裂缝面周围相对渗透率或毛管压力的损害，应用于水敏性储层、含原油较稠的储层、低压储层更为合适；其次，压裂后洗井排液更加迅速彻底，可完全不依靠地层压力在1-4天内实现迅速彻底的洗井排液，及时评价地层产能；最后，超临界二氧化碳压裂所用的压裂液几乎全部都是二氧化碳，对胶凝剂等添加剂的需要是各种压裂液中最少的，使用的设备只有混砂机是专用的，此外都与常规压裂相同，压裂处理后不用再抽汲洗井，对回收的压裂液也无需做任何处理。

尽管如此，超临界二氧化碳压裂液的缺点也十分明显，处于超临界态的二氧化碳其密度接近液态，而粘度接近气态，因此，携砂能力差是制约超临界二氧化碳压裂技术最重要的技术瓶颈之一。目前，美国和加拿大在二氧化碳压裂技术的现场应用中，一般通过提高泵速，控制混砂浓度来提高二氧化碳的携砂能力。国内外针对其携砂机理的研究也仅仅停留在模型计算水平上，不同学者各执一词，M.A.Biot和W.L.Medlin以清水为研究对象，针对低粘压裂液携砂的理论和实验研究表明，粘滞力携砂是唯一重要的携砂机理；A.Settari和D.C.Morrison等人针对液态二氧化碳的携砂流动模型研究中，将湍流对携砂的影响作为研究重点，所得结果与现场数据吻合。传统的压裂携砂实验设备简单粗糙，一般主要由螺杆泵、浮子流量计、两块有机玻璃板组成的窄槽流道、混砂罐等组成循环系统，结构简易，功能单一，仅适用于常规压裂液的携砂研究，实验条件均为常温、常压，实验数据的采集方法一般为称重和测量高度等，所得数据不够精准，无法进行机理性研究。目前国内外还未见针对超临界二氧化碳压裂携砂的实验研究。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种超临界二氧化碳携砂流动机理研究的实验装置，它能模拟高温、高压条件，通过观察窗，实现对超临界二氧化碳的携砂流动形态进行直接观察，并结合理论计算分析，研究其携砂性能，建立裂缝内携砂流动计算模型，对缝内支撑剂分布进行预测，为超临界流体应用于压裂技术奠定基础。

本发明为实现其目的所提出的技术方案是：超临界二氧化碳携砂流动机理研究实验装置由液态二氧化碳储罐、高压泵、加热系统、稳压罐、流量计、裂缝模拟系统、过滤分离器、卸压器、背压阀、冷却系统依次用管线连接组成密闭的高压环路。

所述的裂缝模拟系统，进口采用模拟井筒设计，保证流道的真实性，同时起到一定的稳压作用，设置在内部的裂缝模型为长1000mm、高50mm和宽5mm的耐压30Mpa的空间，可模拟现场条件下长300m、高50m和宽10mm的裂缝，在裂缝模型段两侧有对开可视耐压为30MPa的石英观察窗，用于观察混砂液在其中的运动形态，结合摄像记录系统，记录实验现象。出口采用渐变收口设计，模拟真实裂缝形态，同时消除流道突变带来的端面效应，防止砂堵。在裂缝模拟系统的进出口两端装有压力表和温度表，在裂缝模拟系统的进口端安装螺杆加砂器，在对开的石英观察窗前放置摄像记录系统。

螺杆加砂器安装在裂缝模拟系统的进口端，内有可耐压30MPa的加砂储罐，通过螺杆向裂缝模拟系统进行加砂，加砂浓度可根据螺杆的转速进行调节，通过步进电机或人工进行微细注入量调节，用于模拟实验研究。

过滤分离器是在耐压为30MPa的容器内部设置100目的双层金属滤网，并有加强筋增强滤网的强度，容器的底部设有集砂罐，集砂罐容量与加砂储罐相当，过滤分离器同时能为实验压力控制系统提供一定的稳压作用。

摄像记录系统由光源、摄像机、工作站等组成，在对开的石英观察窗一端设置光源，另一端的窗口放置摄像机，工作站用于存储和处理数据，并配套图形分析软件，通过高速摄像技术，可实现对超临界二氧化碳的携砂流动特性进行直接观察、记录和分析，为携砂流动机理研究提供最真实准确的实验数据。

卸压器和背压阀组成实验压力控制系统，卸压器由耐压30MPa的卸压腔内装喷嘴组成，通过喷嘴消耗高压，使卸压器之后的系统压力降至10MPa以内，提高系统安全性，根据实验需求可更换不同直径的喷嘴，背压阀安装在卸压器的出口，卸压器与背压阀协同作用保证实验段的高压，背压阀压力小范围可调，保证系统压力稳定。

在本实验装置所述的密闭环路中，从高压泵增压后，到卸压器之前的所有部件和管路均耐压30MPa，可实现超临界二氧化碳在实际地层高温高压下的携砂流动实验模拟。

本发明的有益效果是：以超临界二氧化碳携砂液作为研究对象，用高压泵和加热系统模拟地层高温、高压条件，裂缝采用耐高压设计，与实际流道更吻合，采用组合设计控制系统压力，通过观察窗直观有效地观察实验现象，采用高速摄像技术对携砂机理进行最直接准确的记录和分析，在前人的研究基础上，结合理论分析，揭示了超临界二氧化碳的携砂流动机理。

附图说明：

图1是依据本发明提出的超临界二氧化碳携砂流动机理研究实验装置组成示意图。

图2是本发明所述的裂缝模拟系统的正视图。

图3是本发明所述的裂缝模拟系统的俯视图。

图4是本发明所述的实验压力控制系统结构示意图。

图中：1-液态二氧化碳储罐；2-高压泵；3-加热系统；4-稳压罐；5-流量计；6-压力表；7-温度表；8-螺杆加砂器；9-摄像记录系统；10-裂缝模拟系统；11-过滤分离器；12-卸压器；13-背压阀；14-冷却系统；15-进口模拟井筒设计；16-裂缝模拟系统入口；17-石英观察窗；18-模拟裂缝流道；19-出口渐变流道；20-裂缝模拟系统出口；21-实验压力控制系统入口；22-喷嘴；23-卸压腔；24-实验压力控制系统出口。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明所提出的超临界二氧化碳携砂流动机理研究实验装置由液态二氧化碳储罐1、高压泵2、加热系统3、稳压罐4、流量计5、裂缝模拟系统10、过滤分离器11、卸压器12、背压阀13、冷却系统14依次用管线连接组成密闭的环路系统，其中裂缝模拟系统10的进口采用模拟井筒设计15，保证流道的真实性，同时起到一定的稳压作用，内部的模拟裂缝流道18为长1000mm、高50mm和宽5mm的耐压30MPa的空间（如图2、图3的虚线所示部分），可模拟现场条件下长300m、高50m和宽10mm的裂缝，在模拟裂缝流道段有对开可视耐压为30MPa的石英观察窗17，用于观察混砂液在其中的运动形态，结合摄像记录系统，记录实验现象，出口设计为渐变流道19，模拟真实裂缝形态，同时消除流道突变带来的端面效应，防止砂堵。在裂缝模拟系统的进出口两端装有温度表6和压力表7，在裂缝模拟系统的进口端安装螺杆加砂器8，在对开的石英观察窗17窗口放置摄像记录系统9。

螺杆加砂器8安装在裂缝模拟系统10的进口端，内有可耐压30MPa的加砂储罐，通过螺杆向裂缝模拟系统10进行加砂，加砂浓度由螺杆的转速进行调节，通过步进电机或人工进行微细注入量调节，用于模拟实验研究。

过滤分离器11是在耐压为30MPa的容器内部设置100目的双层金属滤网，并有加强筋增强滤网的强度，容器的底部设有集砂罐，集砂罐容量与加砂储罐相当，过滤分离器11同时能为实验压力控制系统提供一定的稳压作用。

摄像记录系统9由光源、摄像机、工作站等组成，在对开的石英观察窗17一端设置光源，另一端的窗口放置摄像机，工作站用于存储和处理数据，并配套图形分析软件，通过高速摄像技术，可实现对超临界二氧化碳的携砂流动特性进行直接观察、记录和分析，为携砂流动机理研究提供最真实准确的实验数据。

如图4所示，卸压器12和背压阀13组成实验压力控制系统，卸压器由耐压30MPa的卸压腔23内装喷嘴22组成，根据实验需要可更换不同直径的喷嘴，通过喷嘴22消耗高压。背压阀13安装在卸压器12的出口，卸压器12与背压阀13协同作用，构成实验压力控制系统，保证实验段的压力，该设计即满足了实验需求，又提高了实验压力控制系统以及其后设备的平稳工作和安全性。

在本实验装置所述的密闭环路中，从高压泵2增压后，到卸压器12之前的所有部件和管路均耐压达30MPa，可实现超临界二氧化碳在实际地层高温高压下的携砂流动实验模拟。

下面通过支撑剂在超临界二氧化碳中的自由沉降实验来进一步描述本发明。

本发明进行支撑剂在超临界二氧化碳中的自由沉降实验时，液态二氧化碳储罐1内的二氧化碳通过高压泵2增压以及加热系统3的加热达到超临界状态，通过调节实验压力控制系统和加热系统3，达到预期的温度和压力条件，停泵，待裂缝模拟系统10内的流动静止后，开启螺杆加砂器8，投入一定量的支撑剂，通过摄像记录系统9观察和记录支撑剂自由沉降的过程，并分析图像分析，得出支撑剂在超临界二氧化碳中的自由沉降规律。

下面再通过超临界二氧化碳携砂流动机理实验来进一步描述本发明。

本发明进行超临界二氧化碳携砂流动模拟实验时，液态二氧化碳储罐1内的二氧化碳通过高压泵2增压以及加热系统3的加热达到超临界状态，并在系统内循环，通过调节实验压力控制系统和加热系统3，达到预期的温度和压力条件，根据流量计5的读数，调节高压泵2的排量，使裂缝模拟系统10内维持稳定的预定流量，系统稳定后，开启螺杆加砂器8，将一定量的支撑剂混入超临界二氧化碳中，并在裂缝模拟系统10中流动，流动过程中，通过摄像记录系统9观察和记录混砂流动形态，改变温度、压力、流量、混砂浓度等条件，可以研究不同工况下的携砂流动情况，从而研究超临界二氧化碳的携砂特性以及影响因素。

Claims (2)

1.一种超临界二氧化碳携砂流动机理研究实验装置，由液态二氧化碳储罐(1)、高压泵(2)、加热系统(3)、稳压罐(4)、流量计(5)、裂缝模拟系统(10)、过滤分离器(11)、卸压器(12)、背压阀(13)和冷却系统(14)依次用管线连接，构成密闭的环路系统，其特征在于：

所述的裂缝模拟系统(10)的进口采用模拟井筒设计，设置在内部的模拟裂缝流道(18)为长1000mm、高50mm和宽5mm的耐压30Mpa的空间，在模拟裂缝流道(18)的两侧有对开可视耐压为30MPa的石英观察窗(17)，裂缝模拟系统(10)的出口采用渐变收口设计，模拟真实裂缝形态，同时消除流道突变带来的端面效应，防止砂堵；在裂缝模拟系统(10)的进出口两端装有压力表(6)和温度表(7)，在裂缝模拟系统(10)的进口端安装螺杆加砂器(8)，在对开的石英观察窗(17)前放置由光源、摄像机、工作站组成的摄像记录系统(9)；

所述螺杆加砂器(8)安装在裂缝模拟系统(10)的进口端，内有可耐压30MPa的加砂储罐，通过螺杆向裂缝模拟系统(10)进行加砂，加砂浓度可根据螺杆的转速进行调节，通过步进电机或人工进行微细注入量调节，用于模拟实验研究；

所述过滤分离器(11)的耐压为30MPa、其内部的双层金属滤网的目数为100目；

所述卸压器(12)和背压阀(13)组成实验压力控制系统，卸压器(12)由耐压30MPa的卸压腔内装喷嘴(22)组成，背压阀(13)安装在卸压器(12)的出口，卸压器与背压阀协同作用保证实验段的高压、稳定。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳携砂流动机理研究实验装置，其特征是：在所述的密闭环路中，从高压泵(2)增压后，到卸压器(12)之前的所有部件和管路，包含螺杆加砂器(8)，均耐压达30MPa。

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