CN106908583A - 聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置及其方法，涉及非常规油气资源开发领域。本装置是：CO2基纳米聚能混相流体生成单元、矿物存储流体模拟生成单元、气固液分离单元、温度‑渗流测量单元和电火花点火控制单元分别与常规三轴应力加载单元接，进行CO2基纳米聚能混相流体与储层岩体高温裂解反应‑流动‑应力耦合实验。本方法是：①岩心安装；②预应力加载；③矿物流体注入；④CO2基纳米聚能混相流体注入；⑤气固液分离；⑥温度、渗透率测量；⑦点燃CO2基纳米聚能混相流体；⑧数据采集；⑨重复试验。本发明自身能够反应产生高温高压环境促进矿物流体裂解；可以完成反应‑流动‑应力耦合试验；能够促进岩心内矿物流体分解成小分子物质，从而提高驱替效果。
Description
技术领域
本发明涉及非常规油气资源开发领域，尤其涉及一种聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置及其方法。
背景技术
我国致密油资源非常丰富，但是致密油的勘探开发及相关研究仍处于准备阶段。因此，有必要进行提高致密油开发效果的实验研究。对于深部难开采的重油、致密油等矿产资源，原地高温裂解采矿成为一种很有潜力的开采方式，其过程涉及化学反应、流体流动及物质迁移和应力场耦合，岩体反应-流动-应力耦合机理十分复杂。
当前用来开展致密油开采的基础试验和理论研究的试验装置功能单一，以及高温裂解方法主要以热蒸汽为主，其裂解效率不高，因此有待新技术的开发。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置及其方法。
本发明目的是这么实现的：
将不同级配纳米聚能颗粒和二氧化碳经CO2纳米聚能混相流体生成器和增压泵注入受载(轴压、围压)岩心，通过渗流测量子单元可对岩心进行渗透率测量；开启电火花点火装置，引燃岩心孔隙内的CO2纳米聚能混相流体，并发生激烈氧化还原反应，瞬间释放大量热量；反应热使得岩心内温度急剧升高导致储层矿物流体在高温条件下产生裂解反应，通过反应后气固液分离单元可以对燃烧反应和裂解反应产生的混合物进行分离、收集和分析。
具体地说：
一、聚能混相流体与岩体裂解反应实验装置
由CO2基纳米聚能混相流体生成单元、矿物存储流体模拟生成单元、常规三轴应力加载单元、气固液分离单元、温度-渗流测量单元和电火花点火控制单元组成；
CO2基纳米聚能混相流体生成单元、矿物存储流体模拟生成单元、气固液分离单元、温度-渗流测量单元和电火花点火控制单元分别与常规三轴应力加载单元连接，进行CO2基纳米聚能混相流体与储层岩体高温裂解反应-流动-应力耦合实验。
二、聚能混相流体与岩体裂解反应实验方法
①岩心安装
根据试验条件准备标准岩心，并将温度传感器、位移传感器在预定位置安装好，并使用岩心密封胶套将岩心包裹密封安装好，关闭第1、4、7阀门，并打开第3阀门和真空泵预抽真空；
②预应力加载
初始预应力加载，经过常规三轴加载单元的加载，施加围压和轴向应力至预定初始值，并记录应力、变形数据；
③矿物流体注入
将配制好的矿物流体置入矿物流体模拟生成器，打开第4阀门，经过第2流量泵加压注入岩心，直至平衡；
④CO2基纳米聚能混相流体注入
关闭第7阀门，镁基纳米颗粒、铝基纳米颗粒和纳米过氧化物颗粒按照预定级配注入CO2基纳米聚能混相流体生成器中的颗粒罐中，CO2气体经过第1流量泵进入CO2基纳米聚能混相流体生成器中与镁基纳米颗粒、铝基纳米颗粒和纳米过氧化物颗粒混合生成CO2基纳米聚能混相流体；打开第1、3阀门将CO2基纳米聚能混相流体注入到岩心中；
⑤气固液分离
打开第7阀门，开启气固液分离单元，分离渗流出气、固、液混合物，并收集，保存，分析；
⑥温度、渗透率测量
开启温度-渗流测量单元，关闭第2、4、5、6阀门，打开第1、3、7阀门，CO2基纳米聚能混相流体沿着高压管路进入岩心，并驱替矿物流体，待驱替稳定后，打开第2、6阀门，待第1压力传感器和第3压力传感器数值稳定时，通过温度-渗流量测单元进行渗透率测量；
⑦点燃CO2基纳米聚能混相流体
待步骤⑤、⑥稳定，并结束测量后，关闭所有阀门，启动控制器，进入岩心渗流通道的CO2基纳米聚能混相流体在电火花起爆针作用下燃烧，产生瞬时高温高压的矿物流体（例如重度原油），在高温高压作用下发生裂解反应；
⑧数据采集
重新打开第1、3、7阀门，二氧化碳基纳米聚能混相流体重新注入岩心，并驱替反应后裂解的矿物流体，开启气固液分离单元，分离渗流出气、固、液混合物，并收集、保存和分析；
⑨重复试验
重复步骤③～⑧，直至实验达到预期实验效果。
本发明具有下列优点和积极效果：
1）本发明所使用的CO2基纳米聚能混相流体和以往的驱替溶液不同的是，CO2基纳米聚能混相流体能够在电火花起爆针的作用下，在岩石孔隙内燃烧，产生高温高压的环境，从而有利于矿物流体的裂解反应；而这种能够同时按照驱替要求，并且自身能够反应产生高温高压环境促进矿物流体（例如重油）裂解的CO2基纳米聚能混相流体是本发明中的最大特点。
2）本发明增加了常规三轴加载单元可以施加围压和轴向应力，并记录应力、变形数据，从而可以完成反应-流动-应力耦合试验，增加了岩心地层应力环境和孔隙流体环境的模拟功能，能够模拟岩心的地应力条件，特别地，还能模拟岩心内部自然储存矿物形态；其他发明，往往只有岩心夹持器，能够满足反应-流动试验要求，但是不能进行常规三轴加载试验。
3）由于CO2基纳米聚能混相流体发生氧化还原反应会有导致岩心温度变化，从而增加了温度测量单元。
4）装置增加了CO2纳米聚能流体混合生成器以及电火花点火装置。
5）调节纳米聚能材料的尺寸、级配和成分，能够控制生成物颗粒大小，从而达到调控岩心渗透率的功能。
6）产生的高温高压环境，能够促进岩心内矿物流体（例如重油）裂解成小分子物质（例如轻质油），从而提高驱替效果。
附图说明
图1是本装置的结构示意图。
图中：
DY1—CO2基纳米聚能混相流体生成单元；
DY2—矿物存储流体模拟生成单元；
DY3—常规三轴应力加载单元；
DY4—气固液分离单元；
DY5—温度-渗流测量单元；
DY6—电火花点火控制单元；
1—CO2罐体；2—CO2纳米聚能混相流体生成器；3—真空泵；4—矿物流体模拟生成器；
5—围压室；6—轴向压轴；7—岩心密封胶套；8—岩心；9—端部带孔隔板；
10—位移传感器；11—密封接线板；12—过滤器；13—固体收集器；14—气液分离装置；
15—气体收集器；16—液体收集器；17—压差计；18—温度传感器；19—电火花起爆针；
20—控制器；
A1、A2、A3—第1、2、3流量泵；
B1、B2、B3—第1、2、3压力传感器；
C1、C2—第1、2计算机；
F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8—第1、2、3、4、5、6、7、8阀门。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、装置
1、总体
本装置由CO2基纳米聚能混相流体生成单元DY1、矿物存储流体模拟生成单元DY2、常规三轴应力加载单元DY3、气固液分离单元DY4、温度-渗流测量单元DY5和电火花点火控制单元DY6组成；
CO2基纳米聚能混相流体生成单元DY1、矿物存储流体模拟生成单元DY2、气固液分离单元DY4、温度-渗流测量单元DY5和电火花点火控制单元DY6分别与常规三轴应力加载单元DY3连接，进行CO2基纳米聚能混相流体与储层岩体高温裂解反应-流动-应力耦合实验；
1）所述的CO2基纳米聚能混相流体生成单元DY1包括依次连接的CO2罐体1、第1流量泵A1、CO2纳米聚能混相流体生成器2和第1阀门F1组成；
2）所述的矿物存储流体模拟生成单元DY2包括依次连接第2流量泵A2、矿物流体模拟生 成器4、第2压力传感器B2和第4阀门F4；
3）所述的常规三轴应力加载子单元DY3包括真空泵3、第3阀门F3、围压室5、轴向压轴6、岩心密封胶套7、岩心8、端部带孔隔板9、位移传感器10、密封接线板11和第1计算机C1；
岩心8置于围压室5内部中心，岩心8的垂直向两端分别连接有端部带孔隔板9，轴向压轴6压紧端部带孔隔板9和岩心8，岩心密封胶套7完全包裹岩心8、端部带孔隔板9及轴向压轴6的端部，位移传感器10沿岩心8径向直接抵住岩心8，温度传感器18穿过岩心密封胶套7和岩心8直接接触，围压室5通过管路与第3流量泵A3连接，位移传感器10通过密封接线板11和第1计算机C1连接，真空泵3、通过第3阀门F3与轴向压轴6的端部左侧注入孔连接；
4）所述的气固液分离单元DY4包括第7阀门F7、过滤器12、固体收集器13、气液分离装置14、气体收集器15、第8阀门F8和液体收集器16；
其连接关系是：
第7阀门F7、过滤器12和气液分离装置14通过管路依次连接，固体收集器13与过滤器12单独连接，气体收集器15连接到气液分离装置14的上端，液体收集器16通过阀门F8连接到气液分离装置14的下端；
5）所述的温度-渗流测量单元DY5包括温度传感器19、第1压力传感器B1、第2压力传感器B2、第3压力传感器B3、压差计17、第2阀门F2、第5阀门F5、第6阀门F6、第2计算机C2；
其连接关系是：
压差计17上端通过第2阀门F2与第1阀门F1连接，压差计17下端通过第6阀门F6与第7阀门F7连接，第1压力传感器B1与第1阀门F1相连，第2压力传感器B2与第4阀门F4相连，第3压力传感器B3与第6阀门F6相连，第1阀门F1通过第5阀门F5与第7阀门F7相连，第1压力传感器B1、第2压力传感器B2、第3压力传感器B3、压差计17均与第2计算机C2连接，温度计19通过密封接线板11与第1计算机C1连接；
6）所述的电火花点火控制单元DY6包括电火花起爆针19、密封接线板11和控制器20；
电火花起爆针19通过密封接线板11与控制器20连接；
各单元之间的具体连接关系是：
CO2基纳米聚能混相流体生成单元DY1的第1阀门F1通过第3阀门F3与轴向压轴6的左侧注入孔连通，矿物存储流体模拟生成单元DY2通过第4阀门F4与轴向压轴6的右侧注入孔连通；温度-渗流测量子单元DY5由第6阀门F6与围压室5底部流体回流孔连通，最终能产生CO2 基纳米聚能混相流体，并能使CO2基纳米聚能混相流体和矿物存储流体均能注入岩心7，并通过各测量部件（如第1、3压力传感器B1、B3，位移传感器10，温度传感器18等）进行数据的测量，实现CO2基纳米聚能混相流体与储层岩体高温裂解反应-流动-应力耦合实验。
2、功能部件
01）CO2罐体1
CO2罐体1是一种常用的气体钢瓶；
其功能是为装置提供一定压力值的CO2气源。
02）CO2纳米聚能混相流体生成器2
CO2纳米聚能混相流体生成器2是一种特制的气液固三相混合器；
其功能是将CO2、镁基纳米颗粒、铝基纳米颗粒和纳米过氧化物颗粒混合生成泡沫型CO2纳米聚能混相流体。
镁基纳米颗粒、铝基纳米颗粒和纳米过氧化物颗粒分别置于镁基纳米颗粒罐2-1、铝基纳米颗粒罐2-2和纳米过氧化物颗粒罐2-3，CO2经第1增压泵A1转变成超临界CO2，并在CO2纳米聚能混相流体生成器内与镁基纳米颗粒、铝基纳米颗粒和纳米过氧化物颗粒混合生成泡沫型CO2纳米聚能混相流体，该流体经高温作用能发生强烈的氧化反应；
03）真空泵3
真空泵是一种常用的高真空度抽真空设备；
其功能是抽出单元中的残余流体。
04）矿物流体模拟生成器4
矿物流体模拟生成器4是一种试验常用的能将外部已配制好的矿物溶液经加压泵恒压输出的设备；
其功能是为试验装置提供所需的矿物溶液，并能通过第2流量泵A2设定所需的特定压力或流量。
05）围压室5
围压室5是一种常用的岩石力学三轴试验施加围压设备；
其功能是：室内充满高压油，可产生巨大的围压，为岩心8施加均匀的应力，并设置气体及电气线路穿层通道。
06）轴向压轴6
轴向压轴是一种不锈钢制圆柱体；
其功能是：传递三轴压力机产生的轴向压力。
07）岩心密封胶套7
岩心密封胶套7是一种岩石力学三轴试验常用的密封胶套；
其功能是密封岩心隔离围压室液压油和孔隙流体。
08）岩心8
岩心8是试验研究的对象。
09）端部带孔隔板9
端部带孔隔板9是一种与岩心8适配的多孔金属板；
其功能是传递轴向应力及为流体提供流动通道。
10）位移传感器10
位移传感器10是一种常用的高精度位移传感器；
其功能是实时监测岩心8的尺寸变形。
11）密封接线板11
密封接线板11采用一种密封航空密封插头；
其功能是保证将各传感器的信号线穿过围压室时，仍能够保证围压室的密封性。
12）过滤器12
过滤器12是一种常用的固体颗粒过滤装置；
其功能是将流体中的固体颗粒过滤出来。
13）固体收集器13
固体收集器13是一种密封器具。
其功能是与过滤器12相连收集过滤器12过滤出来的固体。
14）气液分离装置14
气液分离装置14是一种常用的能将气体和液体分开的装置；
其功能是使流体中气体与液体分开，便于对不同流体进行计量。
15）气体收集器15
气体收集器15是一种常用的气囊；
其功能是收集最后析出的气体。
16）液体收集器16；
液体收集器16是一种常用的量筒；
其功能对析出的液体进行计量。
17）压差计17
压差计是一种常用的测量流体中两点间压力差的电子设备；
其功能是测量流体进出岩心8两端的压力值差值。
18）温度传感器18
温度传感器18是一种常用的传感器；
其功能是实时监测岩心8的温度。
19）电火花起爆针19
电火花起爆针19是一种常用的将电能转换为电火花的电子击发器件；
其功能是引燃CO2基纳米聚能混相流体。
20）控制器
控制器是一种常用能控制电火花起爆针19击发火花的电子装置；
其功能是控制电火花起爆针19的工作状态。
21)第1、2、3流量泵A1、A2、A3
采用TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX计量泵；
其功能是精确控制流体的压力，并精确测量流体的瞬态质量和流量等参数，并具有恒压和恒流两种工作模式，恒压工作模式可调节压力范围为0.06895～68.95MPa，压力显示分辨率为6.895kPa。
22）第1、2、3压力传感器B1、B2、B3
采用常用的压力传感器；
其功能是实时监测各点的流体压力值。
22）第1、2计算机C1、C2
是一种常用的计算机；
其功能是能够操控常规三轴应力加载单元DY3及记录各传感器的数据。
22）第1、2、3、4、5、6、7、8阀门F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8
采用一般常用的高压阀门；
其功能是控制管路的开闭状态。
3、工作原理
常规三轴应力加载单元DY3对岩心8实现一定的应力条件；矿物流体模拟生成器4产生的矿物流体二氧化碳气体在一定压力下注入到岩心中；镁基纳米颗粒、铝基纳米颗粒和纳米过氧化物颗粒按照规定级配加注到CO2基纳米聚能混相流体生成器2，形成CO2基纳米聚能混相流体；CO2基纳米聚能混相流体驱替岩心8中矿物流体，也可以进行驱水、驱油试验；并通过温度-渗流测量单元DY5对岩心8进行渗透率测量；CO2基纳米聚能混相流体注入受载岩心8，经电火花起爆针19点火，引燃岩心8孔隙内的二氧化碳与纳米聚能混相流体，并发生激烈氧化还原反应，瞬间释放大量热量；受载岩心8内存储的由矿物流体模拟生成器4产生的矿物流体，在氧化还原反应产生的高温高压条件下发生裂解反应；气固液分离单元DY4，可以对CO2基纳米聚能混相流体的燃烧产物和矿物流体经高温裂解后的产生的气、固、液混合物进行分离、收集和分析；因此该装置能够实现反应-流动-应力耦合试验。
Claims (8)
1.一种聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置，其特征在于：
由CO2基纳米聚能混相流体生成单元（DY1）、矿物存储流体模拟生成单元（DY2）、常规三轴应力加载单元（DY3）、气固液分离单元（DY4）、温度-渗流测量单元（DY5）和电火花点火控制单元（DY6）组成；
CO2基纳米聚能混相流体生成单元（DY1）、矿物存储流体模拟生成单元（DY2）、气固液分离单元（DY4）、温度-渗流测量单元（DY5）和电火花点火控制单元（DY6）分别与常规三轴应力加载单元（DY3）连接，进行CO2基纳米聚能混相流体与储层岩体高温裂解反应-流动-应力耦合实验。
2.按权利要求1所述的聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置，其特征在于：
所述的CO2基纳米聚能混相流体生成单元（DY1）包括依次连接的CO2罐体（1）、第1流量泵（A1）、CO2纳米聚能混相流体生成器（2）和第1阀门（F1）组成。
3.按权利要求1所述的聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置，其特征在于：
所述的矿物存储流体模拟生成单元（DY2）包括依次连接第2流量泵（A2）、矿物流体模拟生成器（4）、第2压力传感器（B2）和第4阀门（F4）。
4.按权利要求1所述的聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置，其特征在于：
所述的常规三轴应力加载子单元（DY3）包括围压室（5）、轴向压轴（6）、岩心密封胶套（7）、岩心（8）、端部带孔隔板（9）、位移传感器（10）、密封接线板（11）和第1计算机（C1）；
岩心（8）置于围压室（5）内部中心，岩心（8）的垂直向两端分别连接有端部带孔隔板（9），轴向压轴（6）压紧端部带孔隔板（9）和岩心（8），岩心密封胶套（7）完全包裹岩心（8）及轴向压轴（6）的端部，位移传感器（10）沿岩心（8）径向直接抵住岩心（8），温度传感器（18）穿过岩心密封胶套（7）和岩心（8）直接接触，围压室（5）通过管路与第3流量泵（A3）连接，位移传感器（10）通过密封接线板（11）和第1计算机（C1）连接。
5.按权利要求1所述的聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置，其特征在于：
所述的气固液分离单元（DY4）包括第7阀门（F7）、过滤器（12）、固体收集器（13）、气液分离装置（14）、气体收集器（15）、第8阀门（F8）和液体收集器（16）；
其连接关系是：
第7阀门（F7）、过滤器（12）和气液分离装置（14）通过管路依次连接，固体收集器（13）与过滤器（12）单独连接，气体收集器（15）连接到气液分离装置（14）的上端，液体收集器（16）通过阀门（F8）连接到气液分离装置（14）的下端。
6.按权利要求1所述的聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置，其特征在于：
所述的温度-渗流测量单元（DY5）包括温度计（19）、第1压力传感器（B1）、第2压力传感器（B2）、压差计（17）、第2阀门（F2）、第5阀门（F5）、第6阀门（F6）、第2计算机（C2）；
其连接关系是：
压差计（17）上端通过第2阀门（F2）与第1阀门（F1）连接，压差计（17）下端通过第6阀门（F6）与第7阀门（F7）连接，第1压力传感器（B1）与第1阀门（F1）相连，第2压力传感器（B2）与第4阀门（F4）相连，第3压力传感器（B3）与第6阀门（F6）相连，第1阀门（F1）通过第5阀门（F5）与第7阀门（F7）相连，第1压力传感器（B1）、第2压力传感器（B2）、第3压力传感器（B3）、压差计（17）均与第2计算机（C2）连接，温度计（19）通过密封接线板（11）与第1计算机（C1）连接。
7.按权利要求1所述的聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置，其特征在于：
所述的电火花点火控制单元（DY6）包括电火花起爆针（19）、密封接线板（11）和控制器（20）；
电火花起爆针（19）通过密封接线板（11）与控制器（20）连接。
8.基于权利要求1-7所述聚能混相流体与岩体裂解反应流动实验装置的实验方法，其特征在于：
①岩心（8）安装
根据试验条件准备标准岩心（8），并将温度传感器（18）、位移传感器（10）在预定位置安装好，并使用岩心密封胶套（17）将岩心（8）包裹密封安装好，关闭第1、4、7阀门（F1、F4、F7），并打开第3阀门（F3）和真空泵（3）预抽真空；
②预应力加载
初始预应力加载，经过常规三轴加载单元DY3的加载，施加围压和轴向应力至预定初始值，并记录应力、变形数据；
③矿物流体注入
将配制好的矿物流体置入矿物流体模拟生成器（4），打开第4阀门（F4），经过第2流量泵（A2）加压注入岩心（8），直至平衡；
④CO2基纳米聚能混相流体注入
CO2基纳米聚能混相流体调配：关闭第7阀门（F7），经过第1流量泵（A1），将CO2气体、镁基纳米颗粒、铝基纳米颗粒和纳米过氧化物按照预定级配注入CO2基纳米聚能混相流体生成器（2），形成CO2基纳米聚能混相流体；
⑤气固液分离
打开第7阀门（F7），开启气固液分离单元（DY4），分离渗流出气、固、液混合物，并收集，保存，分析；
⑥温度、渗透率测量
开启温度-渗流测量单元（DY5），关闭第2、4、5、6阀门（F2、F4、F5、F6），打开第1、3、7阀门（F1、F3、F7），CO2基纳米聚能混相流体沿着高压管路进入岩心（8），并驱替矿物流体，待驱替稳定后，打开第2、6阀门（F2、F6），待第1压力传感器（B1）和第3压力传感器（B3）数值稳定时，通过温度-渗流量测单元（DY5）进行渗透率测量；
⑦点燃CO2基纳米聚能混相流体
待步骤⑤⑥稳定，并结束测量后，关闭所有阀门，启动控制器（20），进入岩心（8）渗流通道的CO2基纳米聚能混相流体在电火花起爆针（19）作用下燃烧，产生瞬时高温高压的矿物流体，在高温高压作用下发生裂解反应；
⑧数据采集
重新打开第1、3、7阀门（F1、F3、F7），二氧化碳基纳米聚能混相流体重新注入岩心（8），并驱替反应后裂解的矿物流体，开启气固液分离单元（DY4），分离渗流出气、固、液混合物，并收集、保存和分析；
⑨重复试验
重复步骤⑧，直至实验达到预期实验效果。
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