CN104535724B - 测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非常规油气增产技术领域，具体地，涉及一种测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置及方法，用于确定超临界二氧化碳压裂液的滤失系数。测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，包括：气体注入系统、压力控制系统、实验模型系统和测量系统；气体注入系统将甲烷或二氧化碳注入实验模型系统，压力控制系统为实验模型系统和气体注入系统提供压力，实验模型系统为实验提供高温高压的地层环境，测量系统测量实验过程中流出的不同气体的体积。本发明装置的温度、压力可以调节，满足二氧化碳达到超临界状态的高温、高压环境要求，能够较真实地研究超临界二氧化碳压裂液在不同温压条件下的滤失规律。

Description

测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置及方法

技术领域

本发明属于非常规油气增产技术领域，具体地，涉及一种测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置及方法，用于研究非常规油气压裂增产工程中超临界二氧化碳压裂液的滤失性，确定超临界二氧化碳压裂液的滤失系数。

背景技术

超临界二氧化碳(SC-CO₂)压裂是一种新型的非常规油气藏储层改造技术，具有常规水力压裂技术不可比拟的一系列优势，是提高非常规油气储层导流能力，实现非常规油气资源商业开采的重要手段。

超临界二氧化碳压裂液具有地层伤害小、降粘、防膨、降阻、助排等多种特性，在注入液量一定的情况下，滤失量越大形成的裂缝体积越小，压裂液的有效利用率就越低，造成缝宽及缝长的减小，直接影响压裂后产能。压裂液滤失过大还会导致支撑剂逐渐积累，增大裂缝中的支撑剂含量，易出现砂堵，井壁坍塌。压裂结束后，在一定的滤失速率下，已形成裂缝能够及时闭合，而当滤失速度过慢时，支撑剂会迅速在裂缝中沉积，进而影响支撑剂在裂缝中的均匀分布，不能在裂缝整个高度上起支撑作用，裂缝宽度变窄，增产效果不理想。因此，利用超临界二氧化碳压裂进行压裂水力参数优化设计的关键参数是确定超临界二氧化碳压裂液的滤失系数；目前国内尚未有针对超临界二氧化碳压裂液滤失性能方面的报道。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置及方法，用于测量不同温压、不同围压、不同回压、不同岩心下的超临界二氧化碳压裂液滤失系数，研究围压、回压、温压对超临界二氧化碳压裂液滤失系数的影响，为超临界二氧化碳压裂在非常规油气开发中的应用提供有效的技术支撑。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，包括：气体注入系统、压力控制系统、实验模型系统和测量系统；气体注入系统将甲烷或二氧化碳注入实验模型系统，压力控制系统为实验模型系统和气体注入系统提供压力，实验模型系统为实验提供高温高压的地层环境，测量系统测量实验过程中流出的不同气体的体积。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、实验装置的温度、压力可以调节，满足二氧化碳达到超临界状态的高温、高压环境要求，能够较真实地研究超临界二氧化碳压裂液在不同温压条件下的滤失规律；

2、实验装置可以调节岩心所受的围压以及回压，可以较好地研究超临界二氧化碳压裂液在不同条件下滤失性的变化规律；

3、实验装置可以对岩心进行甲烷饱和，更好地研究超临界二氧化碳压裂液在原始储层中滤失性的变化规律；

4、实验装置可以研究超临界二氧化碳压裂液发生相变时的滤失变化规律。

附图说明

图1为测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置示意图；

图中：11、气体储罐，12、气体增压泵，13、气体输出旋拧阀，21、蒸馏水储罐，22、蒸馏水增压泵，23、中间容器，24、中间容器下腔压力测量计，25、放空管线，26、放空管线旋拧阀，31、岩心加持器，32、橡胶套，33、岩心夹持器入口旋拧阀，34、岩心夹持器出口旋拧阀，35、回压管线旋拧阀，36、回压阀，37、岩心夹持器水浴加热器，38、围压施加手摇泵，39、围压压力测量计，310、岩心，41、甲烷二氧化碳混合气体流量计，42、甲烷吸附器，43、二氧化碳气体流量计，44、气体回收罐。

具体实施方式

如图1所示，测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，包括：气体注入系统1、压力控制系统2、实验模型系统3和测量系统4；气体注入系统1将甲烷或二氧化碳注入实验模型系统3，压力控制系统2为实验模型系统3和气体注入系统1提供压力，实验模型系统3为实验提供高温高压的地层环境，测量系统4测量实验过程中流出的不同气体的体积。

气体注入系统1，包括：气体储罐11、气体增压泵12、气体输出旋拧阀13，气体储罐11、气体增压泵12、气体输出旋拧阀13依次通过管线相连，气体储罐11为标准不锈钢气瓶，用于提供实验所需要的二氧化碳及甲烷，气体增压泵12用于对输出的气体进行增压，气体输出旋拧阀13用于控制气体的输出。

压力控制系统2，包括：蒸馏水储罐21、蒸馏水增压泵22、中间容器23；中间容器23为钢制密封容器，中间容器23内设有活塞，活塞将中间容器23分隔为上腔、下腔；蒸馏水储罐21、蒸馏水增压泵22、下腔依次通过管线相连，蒸馏水增压泵22、下腔相连的管线上设有下腔压力测量计24，下腔压力测量计24用于测量中间容器下腔的压力；蒸馏水储罐21为开口钢制容器，提供增压所需的蒸馏水；蒸馏水增压泵22为恒压恒速泵，可以对蒸馏水增压提供实验所需压力；上腔上连接有放空管线25，放空管线25上设置放空管线旋拧阀26，放空管线旋拧阀26用于释放中间容器23中上腔内的气体。

气体输出旋拧阀13通过管线连接到中间容器23的上腔，用于提供实验所需的气体。

实验模型系统3，包括：岩心夹持器31、回压阀36、岩心夹持器水浴加热器37、围压施加手摇泵38、围压压力测量计39；岩心夹持器31为钢制圆筒，内设有橡胶套32，橡胶套32用于包裹岩心310，两端分别设有左螺栓、右螺栓，左螺栓通过管线与岩心夹持器入口旋拧阀33相连，岩心夹持器入口旋拧阀33通过管线与中间容器23的上腔相连；右螺栓通过管线与岩心夹持器出口旋拧阀34相连，岩心夹持器出口旋拧阀34通过管线与回压阀36相连；回压阀36通过管线与岩心夹持器入口旋拧阀33与中间容器23的上腔相连的管线相连，该管线上设置回压管线旋拧阀34；岩心夹持器入口旋拧阀33用于控制中间容器23上腔中的气体向实验模型中流入；回压管线旋拧阀34用于控制中间容器23上腔中的气体向回压阀36中流入，提供回压阀36所需要的压力。

围压施加手摇泵38通过管线与橡胶套32相连，用于对岩心310施加围压，围压施加手摇泵38与岩心夹持器31内的橡胶套32相连的管线上设有围压压力测量计39，围压压力测量计39用于监测施加的围压大小。

岩心夹持器31置于岩心夹持器水浴加热器37中，岩心夹持器水浴加热器37是电阻丝式加热器，形状为长方体，含水深度为20cm，岩心夹持器31放入其中，可以提供实验所需要的温度。

测量系统4，包括：甲烷二氧化碳混合气体流量计41、甲烷吸附器42、二氧化碳气体流量计43、气体回收罐44，回压阀36、甲烷二氧化碳混合气体流量计41、甲烷吸附器42、二氧化碳气体流量计43、气体回收罐44依次通过管线相连；甲烷二氧化碳混合气体流量计41测量管道中混合气体的流量，甲烷吸附器42为含有甲烷专用固体吸附剂的反应釜，用于吸附混合气体中的甲烷，二氧化碳气体流量计43用于测量管道中二氧化碳的流量，气体回收罐44用于回收实验气体。

回压阀36与回压管线旋拧阀34相连的接口用于输入恒定压力的气体，回压阀36与岩心夹持器出口旋拧阀34相连的接口用于输入滤失出的气体，回压阀36与甲烷二氧化碳混合气体流量计41相连的接口用于输出滤失出的混合气体。

测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的方法，采用上述测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，实验装置初始状态为气体输出旋拧阀13、放空管线旋拧阀26、岩心夹持器入口旋拧阀33、岩心夹持器出口旋拧阀34、回压管线旋拧阀35、,回压阀36均处于关闭状态，岩心夹持器31放置在岩心夹持器水浴加热器37中，气体增压泵12处未连接气体储罐；步骤如下：

(1)、放置岩心，具体方法如下：

将岩心夹持器31从岩心夹持器水浴加热器37中取出，卸下左螺栓，将岩心310放入橡皮套32内，擦拭左螺栓上的水分，确保干净后旋转左螺栓安装，将岩心夹持器31放置到岩心夹持器水浴加热器37中，设定岩心夹持器水浴加热器37温度为60度；

(2)、排出中间容器23上腔中的气体，向中间容器23上腔充入甲烷，具体方法如下：

打开放空管线旋拧阀26放空气体，然后关闭放空管线旋拧阀26；将甲烷储罐连接到气体增压泵12，打开气体输出旋拧阀13，启动气体增压泵12，将气体注入中间容器23的上腔，然后关闭气体输出旋拧阀13；

(3)、对中间容器23下腔施加压力，具体方法如下：

设定蒸馏水增压泵22的工作压力为30MPa，通过中间容器下腔压力测量计24读取压力，实验过程中蒸馏水增压泵22一直处于启动状态；

(4)、向岩心310中注入甲烷，具体方法如下：

打开岩心夹持器入口旋拧阀33，静置48h，然后关闭岩心夹持器入口旋拧阀33；

(5)、放空中间容器23上腔中的甲烷并注入二氧化碳，具体方法如下：

打开放空管线旋拧阀26放空气体；然后关闭放空管线旋拧阀26，将甲烷储罐换成二氧化碳储罐，打开气体输出旋拧阀13，启动气体增压泵12，将气体注入中间容器23的上腔，然后关闭气体输出旋拧阀13；

(6)、施加围压，具体方法如下：

旋转围压施加手摇泵38，通过围压压力测量计39读取压力值，当压力值达到30MPa时停止旋转围压施加手摇泵38；

(7)、施加回压，具体方法如下：

打开回压管线旋拧阀33，在蒸馏水增压泵22上设定工作压力为10MPa，当中间容器下腔压力测量计24所示的压力达到10MPa时关闭回压管线旋拧阀33；

(8)、向岩心中注入二氧化碳，具体方法如下：

打开岩心夹持器入口旋拧阀33、岩心夹持器出口旋拧阀34，在蒸馏水增压泵22上设定工作压力为20MPa，每隔0.5min分别读取甲烷二氧化碳混合气体流量计41、二氧化碳气体流量计43的数值；

(9)、计算滤失速度以及滤失系数，具体方法如下：

滤失速度公式如下：

$v=\frac{4Q}{\mathrm{\π}{d}^2}$

式中，

Q为二氧化碳流量计示数，cm³/s；

d为管道直径，cm；

v为滤失速度，cm/s；

滤失系数公式如下：

$C=v\·\sqrt{t}$

式中，

t为时间，s；

C为滤失系数，

改变回压来进行实验，研究回压对超临界二氧化碳压裂液滤失系数的影响；改变温度来进行实验，研究温度对超临界二氧化碳压裂液滤失系数的影响；改变注入压力来进行实验，研究注入压力对超临界二氧化碳压裂液滤失系数的影响；使用不同的岩心来进行实验，评价超临界二氧化碳在不同岩心中的滤失系数；本发明可以研究在不同储层中，回压、温度、注入压力对超临界二氧化碳在储层中滤失性的影响规律，从而为超临界二氧化碳压裂施工提供技术支撑。

Claims (8)

1.一种测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，包括：气体注入系统、压力控制系统、实验模型系统和测量系统；气体注入系统将甲烷或二氧化碳注入实验模型系统，压力控制系统为实验模型系统和气体注入系统提供压力，实验模型系统为实验提供高温高压的地层环境，测量系统测量实验过程中流出的不同气体的体积；

气体注入系统，包括：气体储罐、气体增压泵、气体输出旋拧阀，气体储罐、气体增压泵、气体输出旋拧阀依次通过管线相连；

压力控制系统，包括：蒸馏水储罐、蒸馏水增压泵、中间容器；中间容器为钢制密封容器，中间容器内设有活塞，活塞将中间容器分隔为上腔、下腔；蒸馏水储罐、蒸馏水增压泵、下腔依次通过管线相连，蒸馏水增压泵、下腔相连的管线上设有下腔压力测量计，蒸馏水储罐为开口钢制容器，蒸馏水增压泵为恒压恒速泵，上腔上连接有放空管线，放空管线上设置放空管线旋拧阀，气体输出旋拧阀通过管线连接到中间容器的上腔。

2.根据权利要求1所述的测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，其特征在于，实验模型系统，包括：岩心夹持器、回压阀、岩心夹持器水浴加热器、围压施加手摇泵、围压压力测量计；岩心夹持器为钢制圆筒，内设有橡胶套，橡胶套用于包裹岩心，两端分别设有左螺栓、右螺栓，左螺栓通过管线与岩心夹持器入口旋拧阀相连，岩心夹持器入口旋拧阀通过管线与中间容器的上腔相连；右螺栓通过管线与岩心夹持器出口旋拧阀相连，岩心夹持器出口旋拧阀通过管线与回压阀相连；回压阀通过管线与岩心夹持器入口旋拧阀与中间容器的上腔相连的管线相连，该管线上设置回压管线旋拧阀。

3.根据权利要求2所述的测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，其特征在于，测量系统，包括：甲烷二氧化碳混合气体流量计、甲烷吸附器、二氧化碳气体流量计、气体回收罐，回压阀、甲烷二氧化碳混合气体流量计、甲烷吸附器、二氧化碳气体流量计、气体回收罐依次通过管线相连。

4.根据权利要求3所述的测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，其特征在于，围压施加手摇泵通过管线与橡胶套相连，围压施加手摇泵与岩心夹持器内的橡胶套相连的管线上设有围压压力测量计。

5.根据权利要求4所述的测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，其特征在于，岩心夹持器置于岩心夹持器水浴加热器中，岩心夹持器水浴加热器是电阻丝式加热器，形状为长方体，含水深度为20cm，岩心夹持器放入其中，可以提供实验所需要的温度。

6.根据权利要求5所述的测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，其特征在于，气体储罐为标准不锈钢气瓶。

7.一种测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的方法，采用权利要求1-6之一所述的测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的装置，实验装置初始状态为气体输出旋拧阀、放空管线旋拧阀、岩心夹持器入口旋拧阀、岩心夹持器出口旋拧阀、回压管线旋拧阀、回压阀均处于关闭状态，岩心夹持器放置在岩心夹持器水浴加热器中，气体增压泵处未连接气体储罐；步骤如下：

(1)、放置岩心，具体方法如下：

将岩心夹持器从岩心夹持器水浴加热器中取出，卸下左螺栓，将岩心放入橡皮套内，擦拭左螺栓上的水分，确保干净后旋转左螺栓安装，将岩心夹持器放置到岩心夹持器水浴加热器中，设定岩心夹持器水浴加热器温度为60度；

(2)、排出中间容器上腔中的气体，向中间容器上腔充入甲烷，具体方法如下：

打开放空管线旋拧阀放空气体，然后关闭放空管线旋拧阀；将甲烷储罐连接到气体增压泵，打开气体输出旋拧阀，启动气体增压泵，将气体注入中间容器的上腔，然后关闭气体输出旋拧阀；

(3)、对中间容器下腔施加压力，具体方法如下：

设定蒸馏水增压泵的工作压力为30MPa，通过中间容器下腔压力测量计读取压力，实验过程中蒸馏水增压泵一直处于启动状态；

(4)、向岩心中注入甲烷，具体方法如下：

打开岩心夹持器入口旋拧阀，静置48h，然后关闭岩心夹持器入口旋拧阀；

(5)、放空中间容器上腔中的甲烷并注入二氧化碳，具体方法如下：

打开放空管线旋拧阀放空气体；然后关闭放空管线旋拧阀，将甲烷储罐换成二氧化碳储罐，打开气体输出旋拧阀，启动气体增压泵，将气体注入中间容器的上腔，然后关闭气体输出旋拧阀；

(6)、施加围压，具体方法如下：

旋转围压施加手摇泵，通过围压压力测量计读取压力值，当压力值达到30MPa时停止旋转围压施加手摇泵；

(7)、施加回压，具体方法如下：

打开回压管线旋拧阀，在蒸馏水增压泵上设定工作压力为10MPa，当中间容器下腔压力测量计所示的压力达到10MPa时关闭回压管线旋拧阀；

(8)、向岩心中注入二氧化碳，具体方法如下：

打开岩心夹持器入口旋拧阀、岩心夹持器出口旋拧阀，在蒸馏水增压泵上设定工作压力为20MPa，每隔0.5min分别读取甲烷二氧化碳混合气体流量计、二氧化碳气体流量计的数值；

(9)、计算滤失速度以及滤失系数，具体方法如下：

滤失速度公式如下：

$v=\frac{4Q}{{\mathrm{\πd}}^2}$

式中，

Q为二氧化碳流量计示数，cm/s；

d为管道直径，cm；

v为滤失速度，cm/s；

滤失系数公式如下：

$C=v\·\sqrt{t}$

式中，

t为时间，s；

C为滤失系数，

8.根据权利要求7所述的测量超临界二氧化碳压裂液滤失系数的方法，其特征在于，改变回压来进行实验，研究回压对超临界二氧化碳压裂液滤失系数的影响；改变温度来进行实验，研究温度对超临界二氧化碳压裂液滤失系数的影响；改变注入压力来进行实验，研究注入压力对超临界二氧化碳压裂液滤失系数的影响；使用不同的岩心来进行实验，评价超临界二氧化碳在不同岩心中的滤失系数。