CN106840966A - 评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置包括釜体，釜体为长方体外壳，长方体外壳围合成腔体，釜体两侧中部对称设有一对观察窗，釜体上设有温度和压力传感器，活塞位于腔体内，釜体中部设有试剂添加口，用于向釜体内部注入增粘剂；釜体顶部设有磁力搅拌装置、投球装置，投球装置与磁力搅拌装置同轴且相互独立并与釜体通过管道相通，小球通过投球装置投放；投球装置上设有投球装置出口开关。本发明提供一种评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，用于研究超临界二氧化碳粘度压裂液增粘机理，为超临界二氧化碳压裂施工提供技术支撑。

Description

评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置及方法
技术领域
本发明属于非常规油气增产技术领域，具体地，涉及一种评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置及方法，用于研究添加了聚合物增粘剂的超临界二氧化碳粘度特性。
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。
但是，SC-CO2具有粘度低、携砂能力差的缺点。要实现SC-CO2的加砂压裂，必须采取增粘措施来提高其携砂能力。增粘的有效途径是向SC-CO2中添加高分子增粘剂，将SC-CO2与高分子增粘剂混合用作压裂液。
然而，随着增粘剂浓度的不同，SC-CO2的粘度会发生显著的改变。同时SC-CO2的粘度也与地层的温度、压力有关。因此，若想更加有效的提高SC-CO2压裂液的粘度，须通过改变注入SC-CO2中的增粘剂的浓度以及温度压力等一系列因素，以得到更好的增加SC-CO2粘度的条件，为SC-CO2压裂施工提供技术支撑。目前国内尚未有针对SC-CO2压裂液粘度特性的实验研究。
发明内容
为了提高超临界二氧化碳的粘度，本发明提供一种评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，用于研究超临界二氧化碳粘度压裂液增粘机理。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，包括：耐高温高压的釜体、观察窗、活塞、高速摄像机、磁力搅拌装置、恒温油浴系统、铝球、投球装置；其中：釜体用于放置超临界二氧化碳和聚合物增粘剂；高速摄像机与观察窗用于拍摄铝球在釜体中的下落情况；活塞用于调节釜体内超临界二氧化碳的压力；磁力搅拌装置用于将超临界二氧化碳与聚合物增粘剂混合均匀；恒温油浴系统用于控制釜体内超临界二氧化碳的温度；投球装置用于投放铝球。
釜体为长方体外壳，长方体外壳围合成腔体，釜体两侧中部对称设有一对观察窗。
釜体上设有温度传感器和压力传感器，活塞位于腔体内，釜体中部设有试剂添加口，通过试剂添加口将聚合物增粘剂注入到釜体的内部。
釜体顶部设有磁力搅拌装置、投球装置，投球装置装配在磁力搅拌装置的轴心处并与釜体通过管道相通，投球装置与磁力搅拌装置相互独立，铝球通过投球装置与釜体之间相通的管道进行投放。投球装置上设有投球装置开关。
长方体外壳壳体本身内设有空腔，恒温油浴系统通过管线与空腔相连，恒温油浴系统通过管线将既定温度的油注入到釜体外壳与内腔之间的空间中，以控制釜体整个内部空间的温度。可用高速摄像机拍摄铝球在釜体中的下落视频。
评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的方法步骤如下：
(1)、向釜中加入二氧化碳气体，拍摄铝球在纯二氧化碳气体中的下落视频
①先将铝球放入投球装置内，调节恒温油浴系统，将实验系统的温度调节为实验所需温度T1；
②将二氧化碳通入釜体内，通过观察压力传感器得到此时釜体内压力为P11；转动手柄控制活塞调整釜体的体积，将其调整为实验所需的P1；
③打开高速摄像机的录像功能，再打开投球装置出口开关，使高速摄像机通过视窗拍摄记录下铝球在超临界二氧化碳中的下落视频；
④通过铝球下落视频得到铝球经过观察窗的时间t；
⑤将釜体内的CO2放空，以便进行后续实验。
(2)、分析拍摄的视频，得到粘度计算公式
①使用二次蒸馏水标定粘度计体积，所用计算方法如下：
V/ml＝A(T/K-E)+Bp/MPa+ch/cm+D
式中，h为活塞位置，D为釜体最小体积，A、B、C、E均为根据实验数据回归得到的参数。
②根据已知的纯CO2的粘度得到所需计算常数A；
式中，η为纯CO2的粘度，α、β分别为所用材料的线性热膨胀系数和压缩系数，Tr、pr为所选的参考温度，ρl，ρs分别为纯CO2和铝球的密度，t为铝球降落时间，A是计算常数。
(3)、添加聚合物增粘剂，配制超临界CO2体系溶液
①根据实验设计浓度，准确称取一定质量的增粘剂，通过试剂添加口将增粘剂加入釜体。在投球装置中加入铝球，并将其密封。
②调节恒温油浴系统，并观察温度传感器，将釜体内的温度调整到实验所需温度T1，使得T0＝T1。
③通过步骤(1)中的方法将一定量的二氧化碳气体充入釜体中。向釜体内加入二氧化碳气体，此时通过观察压力传感器得到压力为P01，转动手柄控制活塞调整釜体的体积大小，通过观察压力传感器将釜内压力调整为实验所需的P0，使得P0＝P01。打开磁力搅拌装置进行搅拌，将釜体内的二氧化碳和增粘剂充分混合。
④静置一段时间，使充分混合的二氧化碳气体和增粘剂静止。
(4)、进行投球实验，并拍摄铝球下落的过程
打开高速摄像机的录像功能，打开投球装置出口开关，使高速摄像机通过视窗拍摄记录下铝球在超临界二氧化碳-增粘剂中的下落视频，即铝球经过观察窗的时间t’。
(5)、处理铝球下落视频，计算超临界CO2-增粘剂体系的粘度
根据已知计算常数A，根据下式计算超临界CO2-增粘剂体系的粘度
式中，η0为超临界CO2-增粘剂体系的粘度。
(6)、计算超临界CO2-增粘剂体系的相对粘度
将利用上式得到的超临界CO2-增粘剂体系的粘度值与相同温度、压力条件下纯CO2粘度值进行比较，根据下式计算得到相对粘度ηR，用来评价聚合物增粘剂的增粘效果，ηR越大，表示增粘效果越好。
ηR＝η0/η
在实验中改变活塞位置可以改变超临界二氧化碳的压力，研究不同压力下的聚合物增粘效果；在实验中改变恒温油浴系统的温度可以改变超临界二氧化碳的温度，研究不同温度下的聚合物增粘效果.
在实验中改变增粘剂的注入量以调节超临界二氧化碳中增粘剂的浓度，研究不同增粘剂浓度对增粘效果的影响。
附图说明
图1是评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置示意图；
图中，1、釜体，2、投球装置，3、投球装置开关，4、磁力搅拌装置，5、恒温油浴系统，6、温度传感器，7、压力传感器，8、手摇杆，9、活塞，10、观察窗，11、试剂添加口，12、高速摄像机，13、铝球。
具体实施方式
如图1所示，测量超临界二氧化碳压裂液粘度的装置，包括：釜体1，釜体1为长方体外壳，长方体外壳围合成腔体，釜体1两侧中部对称设有一对观察窗10，设置观察窗10的目的是让光线通过并观察釜体1中铝球13的掉落情况；高速摄像机12与两面观察窗10在同一垂直平面上，用于通过高速摄像机12拍摄铝球13在釜体1中的下落情况；釜体1上设有温度传感器6和压力传感器7，温度传感器6和压力传感器7连接釜体1的内部，分别用于测量实验中釜体内部的温度和压力；活塞9位于腔体内，活塞9通过手摇杆8驱动向上运动则压缩釜体1内空间，增加釜体1内的压力；反之，活塞9向下运动则减小釜体1内的压力；釜体1中部设有试剂添加口11，通过试剂添加口11将增粘剂注入到釜体1的内部。
釜体1顶部设有磁力搅拌装置4，磁力搅拌装置4搅拌釜体内的流体使其充分混合；釜体1顶部同时设有投球装置2，投球装置2装配在磁力搅拌装置4的轴心处并与釜体1通过管道想通，但投球装置2与磁力搅拌装置4相互独立，铝球13通过投球装置2与釜体1之间相通的管道进行投放；投球装置2上设有投球装置出口开关3，实验时先将铝球13放入投球装置2内，封闭投球装置2，打开投球装置出口开关3可以实现铝球13在投球装置2与釜体1相通的管道中自由落体。
长方体外壳壳体本身内设有空腔，该空腔用于恒温油浴系统中油的循环：恒温油浴系统5通过管线与空腔相连，恒温油浴系统5通过管线将既定温度的油注入到釜体1外壳与内腔之间的空间中，以控制釜体1整个内部空间的温度。
评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的方法，利用上述装置，步骤如下：
(1)、向釜中加入二氧化碳气体，拍摄铝球13在纯二氧化碳中的下落视频
①先将铝球13放入投球装置2内，调节恒温油浴系统5，将实验系统的温度调节为实验所需温度T1；
②将二氧化碳通入釜体1内，通过观察压力传感器7得到此时釜体1内压力为P11；转动手柄8控制活塞9调整釜体1的体积，将其调整为实验所需的P1；
③打开高速摄像机12的录像功能，再打开投球装置出口开关3，使高速摄像机12通过视窗10拍摄记录下铝球13在超临界二氧化碳中的下落视频；
④通过铝球13下落视频得到铝球13经过观察窗10的时间t；
⑤将釜体1内的CO2放空，以便进行后续实验。
(2)、分析拍摄的视频，得到粘度计算公式
①使用二次蒸馏水标定粘度计体积；
②根据已知的纯CO2的粘度得到所需计算常数A；
式中，η为纯CO2的粘度，α、β分别为所用材料的线性热膨胀系数和压缩系数，Tr、pr为所选的参考温度，ρl，ρs分别为纯CO2和铝球13的密度，t为铝球13降落时间，A是计算常数，单位为mPa-1。
(3)、添加聚合物增粘剂，配制超临界CO2体系
①根据实验设计浓度，准确称取一定质量的聚合物增粘剂，通过试剂添加口11将增粘剂加入釜体1。在投球装置2中加入铝球13，并将其密封。
②调节恒温油浴系统5，并观察温度传感器6，将釜体1内的温度调整到实验所需温度T1，使得T0＝T1。
③过步骤(1)的方法将一定量的二氧化碳气体充入釜体1中。向釜体1内加入二氧化碳气体，此时通过观察压力传感器7得到压力为P01，转动手柄8控制活塞9调整釜体1的体积大小，通过观察压力传感器7将釜内压力调整为实验所需的P0，使得P0＝P01。打开磁力搅拌装置4进行搅拌，将釜体1内的二氧化碳和增粘剂充分混合。
④置一段时间，使充分混合的二氧化碳气体和增粘剂静止。
(4)、进行投球实验，并拍摄铝球13下落的过程
打开高速摄像机12的录像功能，打开投球装置出口开关3，使高速摄像机12通过视窗10拍摄记录下铝球13在超临界CO2-增粘剂中的下落视频，即铝球13经过观察窗10的时间t’。
(5)、处理铝球13下落视频，计算超临界CO2-增粘剂体系的粘度
根据已知计算常数A，根据下式计算超临界CO2-增粘剂体系粘度
式中，η0为超临界CO2-增粘剂体系的粘度
(6)、将得到的超临界CO2-增粘剂体系的粘度值与相同温度、压力条件下纯CO2粘度值进行比较，根据下式计算得到相对粘度ηR，用来评价聚合物增粘剂的增粘效果，ηR越大，表示增粘效果越好。
ηR＝η0/η
(7)、在实验中改变活塞9的位置以改变超临界二氧化碳的压力，研究不同压力下聚合物的增粘效果。
(8)、在实验中改变恒温油浴系统5的温度可以改变超临界二氧化碳的温度，研究不同温度下的聚合物增粘效果
(9)、在实验中改变增粘剂的注入量以调节超临界二氧化碳中增粘剂的浓度，研究不同增粘剂浓度对增粘效果的影响。

Claims (10)

1.一种评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，包括：耐高温高压的釜体、观察窗、活塞、高速摄像机、磁力搅拌装置、恒温油浴系统、铝球、投球装置；其特征在于：釜体用于放置超临界二氧化碳和聚合物增粘剂；高速摄像机与观察窗用于拍摄铝球在釜体中的下落情况；活塞用于调节釜体内超临界二氧化碳的压力；磁力搅拌装置用于将超临界二氧化碳与聚合物增粘剂混合均匀；恒温油浴系统用于控制釜体内超临界二氧化碳的温度；投球装置用于投放铝球。
2.根据权利要求1所述的评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，其特征在于，釜体为长方体外壳，长方体外壳围合成腔体，釜体两侧中部对称设有一对观察窗。
3.根据权利要求1-2所述的评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，其特征在于，釜体上设有温度传感器和压力传感器，活塞位于腔体内，釜体中部设有试剂添加口，通过试剂添加口将聚合物增粘剂注入到釜体的内部。
4.根据权利要求1-3所述的评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，其特征在于，釜体顶部设有磁力搅拌装置、投球装置，投球装置装配在磁力搅拌装置的轴心处并与釜体通过管道相通，投球装置与磁力搅拌装置相互独立，铝球通过投球装置与釜体之间相通的管道进行投放。
5.根据权利要求1-4所述的评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，其特征在于，投球装置上设有投球装置开关。
6.根据权利要求1-5所述的评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，其特征在于，长方体外壳壳体本身内设有空腔，恒温油浴系统通过管线与空腔相连，恒温油浴系统通过管线将既定温度的油注入到釜体外壳与内腔之间的空间中，以控制釜体整个内部空间的温度。
7.根据权利要求1-6所述的评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的装置，其特征在于，可用高速摄像机拍摄铝球在釜体中的下落视频。
8.一种评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的方法，利用权利要求1-7所述的实验装置，其特征在于，步骤如下：
(1)、向釜中加入二氧化碳气体，拍摄铝球在纯二氧化碳气体中的下落视频
①先将铝球放入投球装置内，调节恒温油浴系统，将实验系统的温度调节为实验所需温度T1；
②将二氧化碳通入釜体内，通过观察压力传感器得到此时釜体内压力为P11；转动手柄控制活塞调整釜体的体积，将其调整为实验所需的P1；
③打开高速摄像机的录像功能，再打开投球装置出口开关，使高速摄像机通过视窗拍摄记录下铝球在超临界二氧化碳中的下落视频；
④通过铝球下落视频得到铝球经过观察窗的时间t；
⑤将釜体内的CO2放空，以便进行后续实验。
(2)、分析拍摄的视频，得到粘度计算公式
①使用二次蒸馏水标定粘度计体积，所用计算方法如下：
V/ml＝A(T/K-E)+Bp/MPa+ch/cm+D
式中，h为活塞位置，D为釜体最小体积，A、B、C、E均为根据实验数据回归得到的参数。
②根据已知的纯CO2的粘度得到所需计算常数A；
式中，η为纯CO2的粘度，α、β分别为所用材料的线性热膨胀系数和压缩系数，Tr、pr为所选的参考温度，ρl，ρs分别为纯CO2和铝球的密度，t为铝球降落时间，A是计算常数。
(3)、添加聚合物增粘剂，配制超临界CO2体系溶液
①根据实验设计浓度，准确称取一定质量的增粘剂，通过试剂添加口将增粘剂加入釜体。在投球装置中加入铝球，并将其密封。
②调节恒温油浴系统，并观察温度传感器，将釜体内的温度调整到实验所需温度T1，使得T0＝T1。
③通过步骤(1)中的方法将一定量的二氧化碳气体充入釜体中。向釜体内加入二氧化碳气体，此时通过观察压力传感器得到压力为P01，转动手柄控制活塞调整釜体的体积大小，通过观察压力传感器将釜内压力调整为实验所需的P0，使得P0＝P01。打开磁力搅拌装置进行搅拌，将釜体内的二氧化碳和增粘剂充分混合。
④静置一段时间，使充分混合的二氧化碳气体和增粘剂静止。
(4)、进行投球实验，并拍摄铝球下落的过程
打开高速摄像机的录像功能，打开投球装置出口开关，使高速摄像机通过视窗拍摄记录下铝球在超临界二氧化碳-增粘剂中的下落视频，即铝球经过观察窗的时间t’。
(5)、处理铝球下落视频，计算超临界CO2-增粘剂体系的粘度
根据已知计算常数A，根据下式计算超临界CO2-增粘剂体系的粘度
式中，η0为超临界CO2-增粘剂体系的粘度。
(6)、计算超临界CO2-增粘剂体系的相对粘度
将利用上式得到的超临界CO2-增粘剂体系的粘度值与相同温度、压力条件下纯CO2粘度值进行比较，根据下式计算得到相对粘度ηR，用来评价聚合物增粘剂的增粘效果，ηR越大，表示增粘效果越好。
ηR＝η0/η。
9.根据权利要求8所述的评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的方法，其特征在于，在实验中改变活塞位置可以改变超临界二氧化碳的压力，研究不同压力下的聚合物增粘效果；在实验中改变恒温油浴系统的温度可以改变超临界二氧化碳的温度，研究不同温度下的聚合物增粘效果。
10.根据权利要求8-9所述的评价聚合物在超临界二氧化碳中增粘效果的方法，其特征在于，在实验中改变增粘剂的注入量以调节超临界二氧化碳中增粘剂的浓度，研究不同增粘剂浓度对增粘效果的影响。
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