CN102720488A - 一种模拟平板酸岩反应的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟平板酸岩反应的测试装置及方法，该装置主要由储液罐、流量计、耐酸柱塞泵、管线电加热套、平板夹持器、柱塞计量泵、液压油罐、冷凝管、耐酸过滤器、回压阀、收集液罐、压力计、分子真空泵、数据采集与控制板、计算机组成，该方法包括：（1）将岩板置于平板夹持器内腔，采用垫片模拟裂缝宽度；（2）开启柱塞计量泵，加载密封压力，取出垫片；（3）启动分子真空泵，压力计调零；（4）打开装有酸液的储液罐；（5）启动计算机，输入实验参数，注入酸液；（6）计算任意时刻的酸岩反应速率。本发明不仅可用于准确计算酸岩反应速率，还能分析评价影响酸岩反应速率的主要因素，为研究平板酸岩反应提供了专用设备和测试方法。

Description

一种模拟平板酸岩反应的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于油气田开发过程中模拟平板酸岩反应的测试装置及方法。

背景技术

压裂酸化（酸压）是低渗碳酸盐岩储层油气井投产和增产的有效措施。它通过酸液与人工（天然）裂缝壁面岩石发生化学反应，形成沟槽状或凹凸不平的高渗流通道，从而改善油气井的渗流状况，使油气井获得增产。酸岩反应速率是影响酸压增产效果的关键因素之一。研究和现场实践表明，温度、酸液浓度、岩石类型、同离子效应、酸液类型、酸岩系统的面容比、酸液流速以及压力是影响酸岩反应速率的主要因素。因此，分析评价影响酸岩反应速率的主要因素，准确计算酸岩反应速率，对于提高酸压井的改造效果具有重要意义。

目前模拟平板酸岩反应的测试装置和方法，明显存在以下缺点：

（1）平板夹持器采用岩板树脂涂胶密封方式，密封压力不可调，当测试流程内压力升高时容易造成酸液从岩样侧面漏失，漏失的酸液与岩样背面接触发生化学反应，产生大量反应产物，导致测试的酸液浓度偏低，推算的酸岩反应速率偏高；

（2）平板夹持器采用紧固螺栓挤压氟橡胶的密封方式，由于人工紧固螺栓，会使紧固螺栓扭矩不一致，造成岩板受力不均匀而在实验初期破坏岩板，酸液大量漏失，导致测试酸岩反应速率偏高；

（3）岩样尺寸过小，多数情况下使用直径2.54cm的岩心片进行旋转岩盘酸岩反应实验，实验结果不能完全代表实际储层情况；

（4）采用中间容器活塞式驱替酸液，难以实现酸液的大排量，不能模拟实际裂缝中酸液的流态；

（5）使用气液分离器收集酸岩反应气态产物，随着反应产物的增多，气液分离器气体收集口的压力升高，造成气态产物CO₂沿压力较低的液体管线流失，导致实验数据误差严重增大；

（6）利用红外气体分析仪测试混合气体中CO₂相对含量的精度受到气体流速严重影响，实验数据误差较大，同时也制约了大排量模拟实际裂缝中酸液流态的实现；

（7）使用传统的取反应酸液样品滴定酸液浓度方法确定酸岩反应速率，取样过程要求中断实验操作，造成实验过程的不连续性，而且滴定操作的精度和滴定pH值的确定直接受到实验操作人员主观判断的影响，导致实验数据误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟平板酸岩反应的测试装置，以及使用该装置测量酸岩反应速率的方法。使用这种测试装置和方法，能够模拟酸压裂缝中酸岩反应的真实条件，满足在不同环境条件下酸岩反应速率的测试要求，用以指导采用合理的酸压工艺技术措施，提高酸压井的改造效果。

根据玻-马定律PV'_j=P_jV_j，则室温条件（25℃，1.013×10⁵Pa）下产生CO₂的体积为：

$V_j^{,}=\frac{P_j{V}_j}{P}---\left(1\right)$

酸岩反应产生的CO₂物质的量：

$n_{{\mathrm{CO}}_2}^j=\frac{V_j^{,}}{V_m}---\left(2\right)$

根据酸岩反应的化学反应计量式2HCl→CO₂↑，则参与反应的HCl物质的量：

$n_{\mathrm{HCl}}^j={2n}_{{\mathrm{CO}}_2}^j---\left(3\right)$

反应后酸液浓度：

$C_j=\frac{\mathrm{CV}-n_{\mathrm{HCl}}^j}{V}---\left(4\right)$

酸岩反应速率（B.B.Williams et al.Acidizing Fundamentals.[M].New York:SPE ofAIME,1979:23）：

$J=-\frac{Q}{A}\·(C_j-C)\·{10}^{-3}---\left(5\right)$

将式(1)、(2)、(3)、(4)代入式(5)，得到最终酸岩反应的计算公式：

$J=\frac{2Q{P}_j{V}_j}{{\mathrm{APV}}_{m}V}\·{10}^{-3}---\left(6\right)$

式中：

P—室温条件下的压力，常数1.013×10⁵Pa；P_j-任意时刻收集液罐压力，Pa（j=1，2，3…）；V_j—任意时刻收集液罐中CO₂的体积，L（j=1，2，3…）；V'_j—任意时刻室温条件下产生CO₂的体积，L（j=1，2，3…）；

—产生CO₂的物质的量，mol；V_m—室温条件下气体摩尔体积，常数24.5L/mol；

—参与反应的HCl物质的量，mol；C—反应前酸液浓度，mol/L；V—参与反应的酸液体积，L；C_j—反应后酸液浓度，mol/L；Q—酸液注入速率，cm³/s；A—酸岩反应面积，cm²；J—酸岩反应速率，mol/s·cm²。

一种模拟平板酸岩反应的测试装置，主要由储液罐、流量计、耐酸柱塞泵、管线电加热套、平板夹持器、柱塞计量泵、液压油罐、冷凝管、耐酸过滤器、回压阀、收集液罐、压力计、分子真空泵、数据采集与控制板、计算机组成；所述平板夹持器内侧有深孔用于插入电加热棒、温度传感器、压力传感器和差压传感器；所述平板夹持器两端分别有进液小孔和出液小孔；所述进液小孔顺序连有管线电加热套、耐酸柱塞泵、流量计和储液罐；所述出液小孔顺序连有冷凝管、耐酸过滤器、回压阀和收集液罐；所述平板夹持器内腔装有两块岩板，岩板上下部均有活塞；所述平板夹持器内壁覆盖有中空的密封垫与外侧的液压油小孔相连；所述液压油小孔顺序连有压力计、柱塞计量泵、液压油罐；所述收集液罐连有压力计、分子真空泵；所述耐酸柱塞泵、管线电加热套、流量计、温度传感器、压力计、压力传感器均与数据采集控制板相连，数据采集控制板又和计算机相连。

本发明中，管线电加热套将工作液加热至地层温度；平板夹持器内腔放置岩板，实时监测裂缝内流体压力和温度，内有电加热棒将平板夹持器、岩板加热至地层温度；液压油小孔与中空的氟橡胶密封垫相连，可以通过柱塞计量泵准确调节密封压力确保岩板侧边缘密封，防止酸液漏失；冷凝管冷却酸液，有效避免高温酸液在压力剧降时形成酸雾而造成安全隐患；耐酸过滤器中装有哈氏合金筛网，过滤岩板脱落的碎屑，防止碎屑堵塞损坏回压阀；装置中设置回压阀，可控制系统内压力高于CO₂逸点压力，防止CO₂气体逸出，确保模拟酸岩反应的真实条件；分子真空泵确保整个测试流程完全真空，排除空气干扰，提高了实验数据的准确性；耐酸柱塞泵的三个柱塞泵头改装为哈氏合金，确保持续提供稳定排量的酸液，真实模拟实际裂缝中酸液的流态；收集液罐为钢质，内壁喷覆聚四氟乙烯，同时罐体连通液位计，既能耐腐蚀、抗压，又能够准确读取罐内流体体积。数据采集控制板可实现智能化装置控制与实验数据采集，然后通过计算机实时记录分析数据。

一种模拟平板酸岩反应的测试方法，依次包括以下步骤：

（1）在岩板侧面涂抹凡士林，将岩板置于平板夹持器内腔，岩板中间采用垫片模拟裂缝宽度，加装活塞并施压，直至岩板与垫片完全接触；

（2）开启柱塞计量泵，加载密封压力至8MPa，确保岩板侧边缘密封，取出垫片；

（3）启动分子真空泵，确保整个测试流程完全真空后，关闭分子真空泵，压力计调零；

（4）打开装有酸液的储液罐；

（5）启动计算机，输入实验参数，启动管线电加热套、电加热棒升温至地层温度，调节回压阀压力至7MPa，设定耐酸柱塞泵按设计排量注入酸液，所有数据通过数据采集与控制板传输至计算机；

（6）读取任意时刻收集液罐中CO₂的体积，参数输入计算机，采用

计算任意时刻的酸岩反应速率。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：（1）采用液压密封方式，中空的氟橡胶密封垫通过液压油小孔与柱塞计量泵相连，可以均匀施加液压密封压力，防止岩板被破坏，酸液大量漏失，有效提高测试酸岩反应速率的准确性；（2）随着酸岩反应产物增加，测试流程内压力不断升高，柱塞计量泵可以准确调节密封压力，确保岩板侧面有效密封，防止酸液漏失；（3）岩板尺寸适中，易加工且能反映实际储层情况；（4）采用耐酸柱塞泵直接驱替酸液，确保持续提供稳定排量的酸液，真实模拟实际裂缝中酸液的流态；（5）使用分子真空泵有效排除测试流程内的空气，避免空气中含有的大量CO₂气体与酸岩反应气态产物CO₂混合，造成实验数据错误；（6）采用封闭式测试流程，连续收集酸岩反应气态产物CO₂，精确计量CO₂体积和压力，确保了实验过程的连续性，准确测试任意时刻酸岩反应速率。

本发明提供的一种模拟平板酸岩反应的测试装置，原理可靠，结构简单，测试方法切实可行。本发明不仅可用于准确计算酸岩反应速率，还能分析评价影响酸岩反应速率的主要因素，克服了现有技术的缺陷，为研究平板酸岩反应现象提供了专用设备和测试方法。

附图说明

图1是本发明模拟平板酸岩反应的测试装置结构示意图。

图2是平板夹持器的俯视结构示意图。

图3是平板夹持器的侧视结构示意图。

图中：1-储液罐，2-流量计，3-耐酸柱塞泵，4-管线电加热套，5-平板夹持器，6-压力传感器，7-温度传感器，8-差压传感器，9-活塞，10-电加热棒，11-液压油小孔，12-第一压力计，13-柱塞计量泵，14-液压油罐，15-冷凝管，16-耐酸过滤器，17-回压阀，18-第二压力计，19-分子真空泵，20-收集液罐，21-数据采集与控制板，22-计算机，23-氟橡胶密封垫，24-进液小孔，25-出液小孔，26-岩板。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明。

参看图1、图2、图3。

一种模拟平板酸岩反应的测试装置，主要由储液罐1、流量计2、耐酸柱塞泵3、管线电加热套4、平板夹持器5、柱塞计量泵13、液压油罐14、冷凝管15、耐酸过滤器16、回压阀17、收集液罐20、分子真空泵19、数据采集与控制板21、计算机22组成，所述平板夹持器5内侧有深孔用于插入电加热棒10、温度传感器7、压力传感器6和差压传感器8；所述平板夹持器两端分别有进液小孔24和出液小孔25；所述进液小孔顺序连接管线电加热套4、耐酸柱塞泵3、流量计2和储液罐1；所述出液小孔顺序连接冷凝管15、耐酸过滤器16、回压阀17和收集液罐20；所述平板夹持器内腔装有两块岩板26，岩板上下部均有活塞9；所述平板夹持器内壁覆盖有中空的氟橡胶密封垫23与外侧的液压油小孔11相连；所述液压油小孔顺序连有第一压力计12、柱塞计量泵13、液压油罐14；所述收集液罐20连有第二压力计18、分子真空泵19；所述耐酸柱塞泵3、管线电加热套4、流量计2、温度传感器7、第一压力计12、第二压力计18、压力传感器6、差压传感器8均与数据采集控制板21相连，数据采集控制板又和计算机22相连。

假设在室温25℃条件下，采用20%的HCl进行实验，反应前酸液浓度为6.1034mol/L，以注入速率1.2L/min注酸，模拟地层温度90℃。

利用上述装置模拟平板酸岩反应的测试方法，依次包括以下步骤：

（1）将地层岩石切割成符合平板夹持器5内腔尺寸的岩板26，长度18.0cm、宽度4.0cm、厚度3.0cm，在岩板26侧面涂抹凡士林，防止酸液溶蚀岩板侧面，造成酸液漏失，将岩板26置于平板夹持器5内腔，岩板中间采用垫片模拟裂缝宽度，加装活塞9并施压，直至岩板与垫片完全接触；

（2）开启柱塞计量泵13，加载密封压力至8MPa，确保岩板侧边缘密封，取出垫片；

（3）启动分子真空泵19，确保整个测试流程完全真空后，关闭分子真空泵，压力计18调零；

（4）打开装有酸液的储液罐1；

（5）启动计算机22，输入实验参数，启动管线电加热套4、电加热棒10升温至地层温度90℃，调节回压阀17压力至7MPa，设定耐酸柱塞泵注入速率为1.2L/min，所有数据通过数据采集与控制板21传输至计算机22；

（6）读取任意时刻收集液罐中CO₂的体积，参数输入计算机，采用

计算任意时刻的酸岩反应速率。

Claims (2)

1.一种模拟平板酸岩反应的测试装置，主要由储液罐（1）、流量计（2）、耐酸柱塞泵（3）、管线电加热套（4）、平板夹持器（5）、柱塞计量泵（13）、液压油罐（14）、冷凝管（15）、耐酸过滤器（16）、回压阀（17）、收集液罐（20）、分子真空泵（19）、数据采集与控制板（21）、计算机（22）组成，其特征在于，所述平板夹持器（5）内侧有深孔用于插入电加热棒（10）、温度传感器（7）、压力传感器（6）和差压传感器（8）；所述平板夹持器两端分别有进液小孔（24）和出液小孔（25）；所述进液小孔顺序连接管线电加热套（4）、耐酸柱塞泵（3）、流量计（2）和储液罐（1）；所述出液小孔顺序连接冷凝管（15）、耐酸过滤器（16）、回压阀（17）和收集液罐（20）；所述平板夹持器内腔装有两块岩板（26），岩板上下部均有活塞（9）；所述平板夹持器内壁覆盖有中空的密封垫（23）与外侧的液压油小孔（11）相连；所述液压油小孔顺序连有第一压力计（12）、柱塞计量泵（13）、液压油罐（14）；所述收集液罐（20）连有第二压力计（18）、分子真空泵（19）；所述耐酸柱塞泵（3）、管线电加热套（4）、流量计（2）、温度传感器（7）、第一压力计（12）、第二压力计（18）、压力传感器（6）、差压传感器（8）均与数据采集控制板（21）相连，数据采集控制板又和计算机（22）相连。

2.利用如权利要求1所述的装置模拟平板酸岩反应的测试方法，依次包括以下步骤：

（1）在岩板侧面涂抹凡士林，将岩板置于平板夹持器内腔，岩板中间采用垫片模拟裂缝宽度，加装活塞并施压，直至岩板与垫片完全接触；

（2）开启柱塞计量泵，加载密封压力至8MPa，确保岩板侧边缘密封，取出垫片；

（3）启动分子真空泵，确保整个测试流程完全真空后，关闭分子真空泵，压力计调零；

（4）打开装有酸液的储液罐；

（5）启动计算机，输入实验参数，启动管线电加热套、电加热棒升温至地层温度，调节回压阀压力至7MPa，设定耐酸柱塞泵按设计排量注入酸液，所有数据通过数据采集与控制板传输至计算机；

（6）读取任意时刻收集液罐中CO₂的体积，参数输入计算机，采用

计算任意时刻的酸岩反应速率

式中：

P—室温条件下的压力，常数1.013×10⁵Pa

P_j—任意时刻收集液罐压力，Pa（j=1，2，3…）

V_j—任意时刻收集液罐中CO₂的体积，L（j=1，2，3…）

V_m—室温条件下气体摩尔体积，常数24.5L/mol

V—参与反应的酸液体积，L

Q—酸液注入速率，cm³/s

A—酸岩反应面积，cm²

J—酸岩反应速率，mol/s·cm²。

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