CN107014721B - 一种二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置及方法，包括高压可视化搅拌容器，以及与其连接的二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、支撑剂添加系统、温度控制系统和数据采集系统。各组成部分通过管线和阀门连接组成了评价二氧化碳干法压裂液携砂性能的装置。本发明提供的这种评价装置用于评价不同相态(液态或超临界)下二氧化碳干法压裂液的携砂性能，实现了可视化，结构简单，测量精度较高，操作方法易于实施，搅拌速度、温度、压力可以调节，能够实现较大压力和温度范围内从液态到超临界状态二氧化碳压裂液携砂性能的定量测量，为压裂设计和现场试验提供可靠的携砂性能数据。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气增产改造技术领域，具体涉及一种二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置及方法。
背景技术
二氧化碳干法压裂技术作为有效开发低渗、超低渗且致密等非常规油气藏的手段，由于其是一种无水压裂技术，与水基压裂技术相比，节约了大量水资源，对储层几乎没有伤害，增产效果显著。近年来多家油田对二氧化碳干法压裂技术已开展大量相关室内研究，并在苏里格气田进行多次现场先导性试验，发现二氧化碳干法压裂技术存在某些不足，主要是二氧化碳增粘携砂技术和降滤失技术需要加以攻关改进。从液态和超临界二氧化碳的理化性质着手，室内开展可视化条件下的二氧化碳压裂液的增粘携砂、降滤失和流变性能评价实验，具有重要意义。目前室内现有的二氧化碳干法/泡沫压裂液性能评价实验装置开展以上相关实验存在一些问题，很难取得有效的实验数据。
发明内容
本发明的目的是克服现有的二氧化碳干法压裂液性能评价实验装置存在的难直观定量评价较大温度和压力范围内二氧化碳干法压裂液携砂性能，以及难以取得有效实验数据的问题。
为此，本发明提供了一种二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置，包括二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、支撑剂添加系统、高压可视化搅拌容器、温度控制系统和数据采集系统；
所述支撑剂添加系统、温度控制系统和数据采集系统均与高压可视化搅拌容器连接，支撑剂添加系统安装在高压可视化搅拌容器的顶部，二氧化碳增压系统和提粘剂注入系统通过六通阀连接至高压可视化搅拌容器，六通阀的剩余三个阀口分别通过管线连接着真空泵、放空管线和压力表。
所述二氧化碳增压系统包括依次通过管线连接的二氧化碳储气瓶、冷却器、缓冲容器和增压泵，增压泵通过管线连接至六通阀。
所述提粘剂注入系统包括提粘剂储罐、高压计量泵，提粘剂储罐通过管线连接至高压计量泵的入口，高压计量泵的出口通过管线连接至六通阀。
所述支撑剂添加系统包括支撑剂储罐，支撑剂储罐底部与高压可视化搅拌容器通过管线连接，该管线上串接着支撑剂添加阀，支撑剂储罐上部侧壁与高压可视化搅拌容器通过回压管线连接，回压管线上串接着回压管线阀门。
所述高压可视化搅拌容器包括筒体，筒体的筒壁上刻有体积刻度线并开设有可视观察窗口，筒体的底部通过管线连接着放空清洗阀，并在筒体的底端安装着磁力搅拌器，筒体的筒壁上还安装有循环管线。
所述温度控制系统包括循环浴槽以及安装在循环浴槽上控制温度升降的温度控制器，循环浴槽与循环管线连通。
所述数据采集系统包括数据检测仪、高速摄像机、搅拌速度传感器、温度传感器和压力传感器，搅拌速度传感器、温度传感器和压力传感器的一端分别与数据检测仪电连接，另外一端分别与可视化搅拌容器的筒体上的端口连接，高速摄像机对准可视观察窗口。
所述温度控制系统控制工作温度范围-20℃～120℃，磁力搅拌器的最大转速为3000转/分钟，高速摄像机的拍摄速度大于2000帧/秒。
一种二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置的携砂性能评价方法，包括以下步骤：
步骤一，高压可视化搅拌容器及管线抽真空
启动数据采集系统，打开真空泵，关闭其余阀门，对高压可视化搅拌容器及与其连通的管线进行抽真空，当数据检测仪上的压力显示为-0.1MPa时，完成抽真空；
步骤二，液化二氧化碳
打开二氧化碳储气瓶，二氧化碳储气瓶的二氧化碳经过冷却器冷却后，进入缓冲容器，得到液态二氧化碳，经增压泵增压，六通阀中连接压力表的阀门处于全开状态，其余阀门均处于关闭状态，打开六通阀中与高压可视化搅拌容器连接的阀门，增压后的液态二氧化碳进入高压可视化搅拌容器内；
步骤三，注入提粘剂
将提粘剂装入提粘剂储罐，六通阀中连接压力表的阀门处于全开状态，其余阀门均处于关闭状态，开启高压计量泵，打开六通阀中与高压可视化搅拌容器连接的阀门，提粘剂注入高压可视化搅拌容器内；
步骤四，设置高压可视化搅拌容器的实验温度、压力和搅拌速度
开启数据采集系统，打开温度控制系统，开启循环浴槽，将循环浴槽的温度设置为实验温度-20℃～120℃，对高压可视化搅拌容器进行温度控制，控温精度为±1.0℃，开启磁力搅拌器，设定搅拌速度小于3000转/分钟，开始搅拌，根据实验所需压力2MPa～30MPa，通过温度控制器和增压泵调节高压可视化搅拌容器内的压力；
步骤五，添加支撑剂
将支撑剂装入支撑剂储罐，依次打开回压管线阀门和支撑剂添加阀，使支撑剂储罐与高压可视化搅拌容器压力一致，支撑剂依靠重力落入高压可视化搅拌容器中处于搅拌状态的二氧化碳压裂液中，搅拌至支撑剂在压裂液中分散均匀后，停止搅拌，利用高速摄像机观察和测量支撑剂在压裂液中的沉降速度；
步骤六，测量和计算二氧化碳干法压裂液的携砂性能
高速摄像机透过可视观察窗口追踪某一颗支撑剂的沉降时间和垂直沉降距离，计算支撑剂的平均沉降速度θ，此平均沉降速度θ即表示二氧化碳干法压裂液的携砂性能，θ的计算公式如下：
，
式中，L为某一颗支撑剂垂直沉降距离，单位为mm；t为沉降时间，单位为s；θ为支撑剂的沉降速度，单位为mm/s；
步骤七，改变步骤四的实验温度和压力，二氧化碳的相态和二氧化碳压裂液性能随之改变，获取从液态到超临界状态改变下二氧化碳干法压裂液中支撑剂沉降速度，记录为携砂性能数据。
本发明的有益效果：本发明提供的这种二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置及方法，包括二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、支撑剂添加系统、高压可视化搅拌容器、温度控制系统和数据采集系统，二氧化碳增压系统用于将液态二氧化碳泵入高压可视化搅拌容器中，提粘剂注入系统用于精准控制提粘剂加入量并将其泵入至高压可视化容器中，支撑剂添加系统用于添加支撑剂，高压可视化搅拌容器用于观测二氧化碳干法压裂液携砂状态，温度控制系统用于控制高压可视化搅拌容器的实验温度；数据采集系统用于监测高压可视化搅拌容器内的搅拌速度、流量、温度和压力和追踪某一目标支撑剂的沉降时间和垂直沉降距离，各组成部分通过管线和阀门连接组成了评价二氧化碳干法压裂液携砂性能的装置。本发明提供的这种评价装置用于评价不同相态(液态或超临界)下二氧化碳干法压裂液的携砂性能，实现了可视化，结构简单，测量精度较高，操作方法易于实施，搅拌速度、温度、压力可以调节，能够实现较大压力和温度范围内从液态到超临界状态二氧化碳压裂液携砂性能的定量测量，为压裂设计和现场试验提供可靠的携砂性能数据。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置的结构示意图。
附图标记说明：1、二氧化碳增压系统；2、提粘剂注入系统；3、支撑剂添加系统；4、高压可视化搅拌容器；5、温度控制系统；6、数据采集系统；7、六通阀；8、真空泵；9、放空管线；10、压力表；
1.1、二氧化碳储气瓶；1.2、冷却器；1.3、缓冲容器；1.4增压泵；
2.1、提粘剂储罐；2.2、高压计量泵；
3.1、支撑剂储罐；3.2、支撑剂添加阀；3.3、回压管线；3.4、回压管线阀门；
4.1、筒体；4.2、可视观察窗口；4.3、磁力搅拌器；4.4、放空清洗阀；
5.1、循环浴槽；5.2、温度控制器；
6.1、数据检测仪；6.2、高速摄像机；6.3、搅拌速度传感器；6.4、温度传感器；6.5、压力传感器。
具体实施方式
实施例1：
为了克服现有的二氧化碳干法压裂液性能评价实验装置存在的难直观定量评价较大温度和压力范围内二氧化碳干法压裂液携砂性能，以及难以取得有效实验数据的问题，本实施例提供了如图1所示的一种二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置，包括二氧化碳增压系统1、提粘剂注入系统2、支撑剂添加系统3、高压可视化搅拌容器4、温度控制系统5和数据采集系统6；
所述支撑剂添加系统3、温度控制系统5和数据采集系统6均与高压可视化搅拌容器4连接，支撑剂添加系统3安装在高压可视化搅拌容器4的顶部，二氧化碳增压系统1和提粘剂注入系统2通过六通阀7连接至高压可视化搅拌容器4，六通阀7的剩余三个阀口分别通过管线连接着真空泵8、放空管线9和压力表10。
二氧化碳增压系统1用于将实验所需压力的液态二氧化碳泵入高压可视化搅拌容器4，提粘剂注入系统2用于精准控制提粘剂加入量并将其泵入至高压可视化容器4中，支撑剂添加系统3用于添加压裂支撑剂，高压可视化搅拌容器4用于观测二氧化碳干法压裂液静止或搅拌状态下的携砂状态，温度控制系统5用于控制高压可视化搅拌容器的实验温度，数据采集系统6用于监测高压可视化搅拌容器内的搅拌速度、温度和压力和追踪某一目标支撑剂的沉降时间和垂直沉降距离。各组成部分通过管线和阀门连接组成了评价二氧化碳干法压裂液携砂性能的装置。
实施例2：
在实施例1的基础上，所述二氧化碳增压系统1包括依次通过管线连接的二氧化碳储气瓶1.1、冷却器1.2、缓冲容器1.3和增压泵1.4，增压泵1.4通过管线连接至六通阀7。二氧化碳储气瓶1.1内的二氧化碳通过冷却器1.2冷却后，进入缓冲容器1.3，得到液态二氧化碳，经过增压泵1.4增压后进入高压可视化搅拌容器4。
实施例3：
在实施例1的基础上，所述提粘剂注入系统2包括提粘剂储罐2.1、高压计量泵2.2，提粘剂储罐2.1通过管线连接至高压计量泵2.2的入口，高压计量泵2.2的出口通过管线连接至六通阀7。提粘剂储罐2.1内的提粘剂经高压计量泵2.2计量后进入高压可视化搅拌容器4。
实施例4：
在实施例1的基础上，所述支撑剂添加系统3包括支撑剂储罐3.1，支撑剂储罐3.1底部与高压可视化搅拌容器4通过管线连接，该管线上串接着支撑剂添加阀3.2，支撑剂储罐3.1上部侧壁与高压可视化搅拌容器4通过回压管线3.3连接，回压管线3.3上串接着回压管线阀门3.4。
打开回压管线阀门3.4和支撑剂添加阀3.2，可以使支撑剂储罐3.1与高压可视化搅拌容器4压力一致。
实施例5：
在实施例1的基础上，所述高压可视化搅拌容器4包括筒体4.1，筒体4.1的筒壁上刻有体积刻度线并开设有可视观察窗口4.2，筒体4.1的底部通过管线连接着放空清洗阀4.4，并在筒体4.1的底端安装着磁力搅拌器4.3，筒体4.1的筒壁上还安装有循环管线。
可视观察窗口4.2可以直观的观察高压可视化搅拌容器4内液体的搅拌状况，放空清洗阀4.4可以在实验结束后放空并清洗评价装置，磁力搅拌器4.3用于搅拌筒体4.1内的液态二氧化碳、支撑剂、提粘剂，使其成为压裂液。
实施例6：
在实施例5的基础上，所述温度控制系统5包括循环浴槽5.1以及安装在循环浴槽5.1上控制温度升降的温度控制器5.2，循环浴槽5.1与循环管线连通。循环浴槽5.1与循环管线连通对高压可视化搅拌容器4进行水浴加热，温度控制器5.2用于调节循环浴槽5.1内的温度。
实施例7：
在实施例5的基础上，所述数据采集系统6包括数据检测仪6.1、高速摄像机6.2、搅拌速度传感器6.3、温度传感器6.4和压力传感器6.5，搅拌速度传感器6.3、温度传感器6.4和压力传感器6.5的一端分别与数据检测仪6.1电连接，另外一端分别与可视化搅拌容器4的筒体4.1上的端口连接，高速摄像机6.2对准可视观察窗口4.2。
筒体4.1上开设着用于与搅拌速度传感器6.3、温度传感器6.4和压力传感器6.5连接的端口，搅拌速度传感器6.3、温度传感器6.4和压力传感器6.5用于检测筒体4.1内的混合液的搅拌速度、温度和压力，并将这些数据传输给数据检测仪6.1，数据检测仪6.1采集记录这些数据，高速摄像机6.2追踪某一目标支撑剂的沉降时间和垂直沉降距离，上述数据采集完后用于计算平均沉降速度，进而为压裂设计和现场试验提供可靠的携砂性能数据。
实施例8：
在实施例6或7的基础上，经过多次实验，得出以下最佳数据，所述温度控制系统5控制工作温度范围-20℃～120℃，磁力搅拌器4.3的最大转速为3000转/分钟，高速摄像机6.2的拍摄速度大于2000帧/秒。
实施例9：
一种二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置的携砂性能评价方法，包括以下步骤：
步骤一，高压可视化搅拌容器及管线抽真空
启动数据采集系统6，打开真空泵8，关闭其余阀门，对高压可视化搅拌容器4及与其连通的管线进行抽真空，当数据检测仪6.1上的压力显示为-0.1MPa时，完成抽真空；
步骤二，液化二氧化碳
打开二氧化碳储气瓶1.1，二氧化碳储气瓶1.1的二氧化碳经过冷却器1.2冷却后，进入缓冲容器1.3，得到液态二氧化碳，经增压泵1.4增压，六通阀7中连接压力表10的阀门处于全开状态，其余阀门均处于关闭状态，打开六通阀7中与高压可视化搅拌容器4连接的阀门，增压后的液态二氧化碳进入高压可视化搅拌容器4内；
步骤三，注入提粘剂
将提粘剂装入提粘剂储罐2.1，六通阀7中连接压力表10的阀门处于全开状态，其余阀门均处于关闭状态，开启高压计量泵2.2，打开六通阀7中与高压可视化搅拌容器4连接的阀门，提粘剂注入高压可视化搅拌容器4内；
步骤四，设置高压可视化搅拌容器的实验温度、压力和搅拌速度
开启数据采集系统6，打开温度控制系统5，开启循环浴槽5.1，将循环浴槽5.1的温度设置为实验温度-20℃～120℃，对高压可视化搅拌容器4进行温度控制，控温精度为±1.0℃，开启磁力搅拌器4.3，设定搅拌速度小于3000转/分钟，开始搅拌，根据实验所需压力2MPa～30MPa，通过温度控制器5.2和增压泵1.4调节高压可视化搅拌容器4内的压力；
步骤五，添加支撑剂
将支撑剂装入支撑剂储罐3.1，依次打开回压管线阀门3.4和支撑剂添加阀3.2，使支撑剂储罐3.1与高压可视化搅拌容器4压力一致，支撑剂依靠重力落入高压可视化搅拌容器4中处于搅拌状态的二氧化碳压裂液中，搅拌至支撑剂在压裂液中分散均匀后，停止搅拌，利用高速摄像机6.2观察和测量支撑剂在压裂液中的沉降速度；
步骤六，测量和计算二氧化碳干法压裂液的携砂性能
高速摄像机6.2透过可视观察窗口4.2追踪某一颗支撑剂的沉降时间和垂直沉降距离，计算支撑剂的平均沉降速度θ，此平均沉降速度θ即表示二氧化碳干法压裂液的携砂性能，θ的计算公式如下：
，
式中，L为某一颗支撑剂垂直沉降距离，单位为mm；t为沉降时间，单位为s；θ为支撑剂的沉降速度，单位为mm/s；
步骤七，改变步骤四的实验温度和压力，二氧化碳的相态和二氧化碳压裂液性能随之改变，获取从液态到超临界状态改变下二氧化碳干法压裂液中支撑剂沉降速度，记录为携砂性能数据，为压裂设计和现场试验提供可靠的携砂性能数据。
本实施例提供的二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置实现了可视化，结构简单，测量精度较高，操作方法易于实施，搅拌速度、温度、压力可以调节，能够实现较大压力和温度范围内从液态到超临界状态二氧化碳压裂液携砂性能的定量测量，为压裂设计和现场试验提供可靠的携砂性能数据。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (4)
1.一种二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置，其特征在于：包括二氧化碳增压系统(1)、提粘剂注入系统(2)、支撑剂添加系统(3)、高压可视化搅拌容器(4)、温度控制系统(5)和数据采集系统(6)；
所述支撑剂添加系统(3)、温度控制系统(5)和数据采集系统(6)均与高压可视化搅拌容器(4)连接，支撑剂添加系统(3)安装在高压可视化搅拌容器(4)的顶部，二氧化碳增压系统(1)和提粘剂注入系统(2)通过六通阀(7)连接至高压可视化搅拌容器(4)，六通阀(7)的剩余三个阀口分别通过管线连接着真空泵(8)、放空管线(9)和压力表(10)；
所述二氧化碳增压系统(1)包括依次通过管线连接的二氧化碳储气瓶(1.1)、冷却器(1.2)、缓冲容器(1.3)和增压泵(1.4)，增压泵(1.4)通过管线连接至六通阀(7)；
所述提粘剂注入系统(2)包括提粘剂储罐(2.1)、高压计量泵(2.2)，提粘剂储罐(2.1)通过管线连接至高压计量泵(2.2)的入口，高压计量泵(2.2)的出口通过管线连接至六通阀(7)；
所述支撑剂添加系统(3)包括支撑剂储罐(3.1)，支撑剂储罐(3.1)底部与高压可视化搅拌容器(4)通过管线连接，该管线上串接着支撑剂添加阀(3.2)，支撑剂储罐(3.1)上部侧壁与高压可视化搅拌容器(4)通过回压管线(3.3)连接，回压管线(3.3)上串接着回压管线阀门(3.4)；
所述高压可视化搅拌容器(4)包括筒体(4.1)，筒体(4.1)的筒壁上刻有体积刻度线并开设有可视观察窗口(4.2)，筒体(4.1)的底部通过管线连接着放空清洗阀(4.4)，并在筒体(4.1)的底端安装着磁力搅拌器(4.3)，筒体(4.1)的筒壁上还安装有循环管线；
所述温度控制系统(5)包括循环浴槽(5.1)以及安装在循环浴槽(5.1)上控制温度升降的温度控制器(5.2)，循环浴槽(5.1)与循环管线连通。
2.如权利要求1所述的二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置，其特征在于：所述数据采集系统(6)包括数据检测仪(6.1)、高速摄像机(6.2)、搅拌速度传感器(6.3)、温度传感器(6.4)和压力传感器(6.5)，搅拌速度传感器(6.3)、温度传感器(6.4)和压力传感器(6.5)的一端分别与数据检测仪(6.1)电连接，另外一端分别与可视化搅拌容器(4)的筒体(4.1)上的端口连接，高速摄像机(6.2)对准可视观察窗口(4.2)。
3.如权利要求1或2所述的二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置，其特征在于：所述温度控制系统(5)控制工作温度范围-20℃～120℃，磁力搅拌器(4.3)的最大转速为3000转/分钟，高速摄像机(6.2)的拍摄速度大于2000帧/秒。
4.一种采用权利要求1～3中任一权利要求所述的二氧化碳干法压裂液携砂性能评价装置的携砂性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，高压可视化搅拌容器及管线抽真空
启动数据采集系统(6)，打开真空泵(8)，关闭其余阀门，对高压可视化搅拌容器(4)及与其连通的管线进行抽真空，当数据检测仪(6.1)上的压力显示为-0.1MPa时，完成抽真空；
步骤二，液化二氧化碳
打开二氧化碳储气瓶(1.1)，二氧化碳储气瓶(1.1)的二氧化碳经过冷却器(1.2)冷却后，进入缓冲容器(1.3)，得到液态二氧化碳，经增压泵(1.4)增压，六通阀(7)中连接压力表(10)的阀门处于全开状态，其余阀门均处于关闭状态，打开六通阀(7)中与高压可视化搅拌容器(4)连接的阀门，增压后的液态二氧化碳进入高压可视化搅拌容器(4)内；
步骤三，注入提粘剂
将提粘剂装入提粘剂储罐(2.1)，六通阀(7)中连接压力表(10)的阀门处于全开状态，其余阀门均处于关闭状态，开启高压计量泵(2.2)，打开六通阀(7)中与高压可视化搅拌容器(4)连接的阀门，提粘剂注入高压可视化搅拌容器(4)内；
步骤四，设置高压可视化搅拌容器的实验温度、压力和搅拌速度
开启数据采集系统(6)，打开温度控制系统(5)，开启循环浴槽(5.1)，将循环浴槽(5.1)的温度设置为实验温度-20℃～120℃，对高压可视化搅拌容器(4)进行温度控制，控温精度为±1.0℃，开启磁力搅拌器(4.3)，设定搅拌速度小于3000转/分钟，开始搅拌，根据实验所需压力2MPa～30MPa，通过温度控制器(5.2)和增压泵(1.4)调节高压可视化搅拌容器(4)内的压力；
步骤五，添加支撑剂
将支撑剂装入支撑剂储罐(3.1)，依次打开回压管线阀门(3.4)和支撑剂添加阀(3.2)，使支撑剂储罐(3.1)与高压可视化搅拌容器(4)压力一致，支撑剂依靠重力落入高压可视化搅拌容器(4)中处于搅拌状态的二氧化碳压裂液中，搅拌至支撑剂在压裂液中分散均匀后，停止搅拌，利用高速摄像机(6.2)观察和测量支撑剂在压裂液中的沉降速度；
步骤六，测量和计算二氧化碳干法压裂液的携砂性能
高速摄像机(6.2)透过可视观察窗口(4.2)追踪某一颗支撑剂的沉降时间和垂直沉降距离，计算支撑剂的平均沉降速度θ，此平均沉降速度θ即表示二氧化碳干法压裂液的携砂性能，θ的计算公式如下：
式中，L为某一颗支撑剂垂直沉降距离，单位为mm；t为沉降时间，单位为s；θ为支撑剂的沉降速度，单位为mm/s；
步骤七，改变步骤四的实验温度和压力，二氧化碳的相态和二氧化碳压裂液性能随之改变，获取从液态到超临界状态改变下二氧化碳干法压裂液中支撑剂沉降速度，记录为携砂性能数据。
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