CN107063931A - 一种二氧化碳干法压裂液流变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流变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、真空泵和旋转流变仪，还包括六通阀，六通阀的四个阀口分别通过管线与二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、真空泵和旋转流变仪连接，其余的两个阀口分别通过管线连接着压力表和放空阀，所述旋转流变仪还分别连接着空气压缩机、计算机和温控器。本发明装置结构和操作方法简单，自动化程度高，实现了在较大压力和温度范围内不同实验下二氧化碳干法压裂液流变性能参数的测量，测量数据精度高，数据可靠；该装置和方法获取的精确的流变数据和曲线，有利于进一步研究其流变规律，为二氧化碳干法压裂设计和施工提供理论数据。

Description

一种二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置及方法
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流变性能评价装置及方法，用于研究二氧化碳干法压裂液在不同实验条件下的流变性能参数。
背景技术
随着页岩油、煤层气、页岩气和特低渗致密砂岩气等非常规油气藏开采所占比例越来越高，同时由于这类油气藏物性极差，常规开采技术很难开采出来，且经济效益差。压裂改造技术是非常规油气藏开采必然的选择，而常规的水力压裂技术存在水敏效应、返排率低、伤害储层等问题，改造效果不理想。
二氧化碳干法压裂液由于基本不含水，不会引起地层黏土水化膨胀，易返排，对储层几乎无伤害。因此二氧化碳干法压裂技术成为开发非常规油气藏的有效手段，增产效果显著。
根据相关的二氧化碳干法压裂技术室内研究和在苏里格气田进行多次现场试验，发现二氧化碳干法压裂液的流变性能影响其携砂性能和滤失性能，是确保压裂施工安全顺利完成的重要因素。室内常规的水基压裂液流变性能评价装置为非密闭空间，无法满足二氧化碳压裂液的配制、装样及流变性能评价。目前公开的相近专利有：CN104101559A“测量超临界二氧化碳压裂液流变性的装置及方法”，该专利是通过密闭循环管路测量方法，得到超临界二氧化碳压裂液流体流变参数的本构关系。上述装置及方法无法装样或无法直接测量二氧化碳压裂液的流变参数，因此，有关二氧化碳压裂液流变性能评价成为压裂液研究人员期待解决的一个难点问题。
发明内容
本发明的目的是解决由于液态二氧化碳和超临界二氧化碳粘度极低（约0.02mPa·s），很多流变测量设备测量精确度无法达到要求，无法直接测量二氧化碳压裂液流变参数的问题。
为此，本发明提供了一种二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置，包括二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、真空泵和旋转流变仪，还包括六通阀，六通阀的四个阀口分别通过管线与二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、真空泵和旋转流变仪连接，其余的两个阀口分别通过管线连接着压力表和放空阀，所述旋转流变仪还分别连接着空气压缩机、计算机和温控器。
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气瓶、冷却器、缓冲容器和增压泵，增压泵与六通阀通过管线连接，该管线上串接着质量流量计。
所述提粘剂注入系统包括通过管线连接的提粘剂储罐和高压计量泵，高压计量泵与六通阀管线连接。
所述旋转流变仪包括主机、同轴圆筒测量系统、双狭缝测量转子和外磁环空气轴承，同轴圆筒测量系统和双狭缝测量转子上下相对而设安装在主机上，外磁环空气轴承安装在主机顶部，同轴圆筒测量系统通过管线与六通阀连接。
所述同轴圆筒测量系统的容积为70ml，双狭缝测量转子为钛合金材质制成。
所述计算机内安装过程控制及数据采集系统和数据管理系统。
一种二氧化碳干法压裂液流变性能评价方法，包括以下步骤：
步骤一，开启旋转流变仪
开启空气压缩机，待空气压缩机输出压力显示为0.2MPa后，再依次开启温控器、旋转流变仪和计算机；
步骤二，抽真空
打开六通阀中与同轴圆筒测量系统相连的阀门，其余阀门处于关闭状态，开启真空泵，对同轴圆筒测量系统和管路进行抽真空，计算机内的过程控制及数据采集系统的压力显示为-0.09MPa时，抽真空完成；
步骤三，液化二氧化碳
打开二氧化碳气瓶，二氧化碳通过冷却器冷却后进入缓冲容器，得到液态二氧化碳，然后通过增压泵增压，此时打开六通阀中与压力表相连的阀门，以及六通阀中与同轴圆筒测量系统相连的阀门，其余阀门处于关闭状态，液态二氧化碳进入同轴圆筒测量系统内；
步骤四，注入提粘剂
将提粘剂注入提粘剂储罐，六通阀中与压力表相连的阀门处于全开状态，打开放空阀，待放空阀所在的放空管线流出提粘剂后，关闭放空阀，开启高压计量泵，打开六通阀中与同轴圆筒测量系统相连的阀门，提粘剂注入到同轴圆筒测量系统内；
步骤五，测量二氧化碳压裂液的流变参数，并进行数据处理
按照旋转流变仪操作方法进行操作，在计算机上进入过程控制及数据采集系统，根据实验要求，选择工作程序和测量模式，设置温度、升温速率、数据读点频率、剪切速率和实验时间等参数，进行测量，实验结束后，将保存的原始数据导入到数据管理系统，对数据进行处理，得到需要的流变数据和流变曲线。
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流变性能评价装置及方法，用于评价不同相态下二氧化碳干法压裂液的流变性能。本发明装置结构和操作方法简单，自动化程度高，实现了在较大压力和温度范围内不同实验下二氧化碳干法压裂液流变性能参数的测量，测量数据精度高，数据可靠；该装置和方法获取的精确的流变数据和曲线，有利于进一步研究其流变规律，为二氧化碳干法压裂设计和施工提供理论数据。
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流变性能评价装置的结构示意图。
附图标记说明：1、二氧化碳气瓶；2、冷却器；3、缓冲容器；4、增压泵；5、质量流量计；6、六通阀；7、压力表；8、放空阀；9、真空泵；10、提粘剂储罐；11、高压计量泵；12、空气压缩机；13、旋转流变仪；14、同轴圆筒测量系统；15、双狭缝测量转子；16外磁环空气轴承；17、温控器；18、计算机；19过程控制及数据采集系统；20、数据管理系统。
具体实施方式
实施例1：
为了解决由于液态二氧化碳和超临界二氧化碳粘度极低（约0.02 mPa·s），很多流变测量设备测量精确度无法达到要求，无法直接测量二氧化碳压裂液流变参数的问题，如图1所示，本实施例提供了一种二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置，包括二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、真空泵9和旋转流变仪13，还包括六通阀6，六通阀6的四个阀口分别通过管线与二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、真空泵9和旋转流变仪13连接，其余的两个阀口分别通过管线连接着压力表7和放空阀8，所述旋转流变仪13还分别连接着空气压缩机12、计算机18和温控器17。
二氧化碳增压系统用于将液态二氧化碳泵入旋转流变仪13中，提粘剂注入系统用于精准控制增稠剂加入量并将其泵入至旋转流变仪13中，真空泵9用于排除旋转流变仪和相关管线中的空气；旋转流变仪13用于测量二氧化碳干法压裂液的流变性能参数。
采用上述的实验装置进行二氧化碳干法压裂液流变性能评价，具体操作步骤如下：（1）开启流变仪相关设备；（2）对旋转流变仪上的同轴圆筒测量系统及管线抽真空；（3）液化二氧化碳，并增压泵入到旋转流变仪；（4）根据泵入到旋转流变仪液态二氧化碳的质量泵入相应量的提粘剂；（5）根据实验要求及旋转流变仪操作方法，测量二氧化碳干法压裂液的流变参数并进行数据处理，得到需要的流变数据和流变曲线。
通过本发明的装置和方法，能够实现较大温度和压力范围内不同剪切条件下二氧化碳干法压裂液流变性能参数测量；通过对同轴圆筒测量系统改进和评价方法探索，该装置结构和操作方法简单，自动化程度高，测量数据精度高；该装置和方法获得精确的流变数据和曲线，有利于进一步研究其流变规律，为二氧化碳干法压裂设计和施工提供理论数据。
实施例2：
在实施例1的基础上，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气瓶1、冷却器2、缓冲容器3和增压泵4，增压泵4与六通阀6通过管线连接，该管线上串接着质量流量计5。
二氧化碳气瓶1内的二氧化碳通过冷却器2冷却后，进入缓冲容器3，得到液态二氧化碳，然后通过增压泵增压4，质量流量计5用于计量进入旋转流变仪13内的二氧化碳质量，增压后的液态二氧化碳进入旋转流变仪13内。
实施例3：
在实施例1的基础上，所述提粘剂注入系统包括通过管线连接的提粘剂储罐10和高压计量泵11，高压计量泵11与六通阀6管线连接。
将一定量的提粘剂装入提粘剂储罐10，六通阀6中连接压力表7的阀门处于全开状态，其余阀门均处于关闭状态，打开放空阀8，待放空管线流出提粘剂后，关闭放空阀8，开启高压计量泵11，打开六通阀6中与旋转流变仪13上的同轴圆筒测量系统14相连的阀门，提粘剂注入到同轴圆筒测量系统14中。
实施例4：
在实施例1的基础上，所述旋转流变仪13包括主机、同轴圆筒测量系统14、双狭缝测量转子15和外磁环空气轴承16，同轴圆筒测量系统14和双狭缝测量转子15上下相对而设安装在主机上，外磁环空气轴承16安装在主机顶部，同轴圆筒测量系统14通过管线与六通阀6连接。
空气压缩机12为外磁环空气轴承16提供压缩空气，同轴圆筒测量系统14位于旋转流变仪主机13上，外磁环空气轴承16位于旋转流变仪13顶部，可控制其升降，双狭缝测量转子15位于同轴圆筒测量系统14内，同轴圆筒测量系统14、双狭缝测量转子15和外磁环空气轴承16共同构成测量二氧化碳干法压裂液的核心部件，温控器17用于控制同轴圆筒测量系统14的温度。需要说明的是，旋转流变仪13是现有成熟的结构，可市购，具体结构不作详细介绍。
实施例5：
在实施例4的基础上，所述同轴圆筒测量系统14的容积为70ml，双狭缝测量转子15为钛合金材质制成。旋转流变仪主机上的同轴圆筒测量系统和其他所有管线、阀门等部件均耐压达到40MPa，管线的内径1mm，壁厚1mm。所述计算机18内安装过程控制及数据采集系统19和数据管理系统20。
实施例6：
一种二氧化碳干法压裂液流变性能评价方法，包括以下步骤：
步骤一，开启旋转流变仪
开启空气压缩机12，待空气压缩机12输出压力显示为0.2MPa后，再依次开启温控器17、旋转流变仪13和计算机18，温控器17控制同轴圆筒测量系统14工作温度在-35～180℃；
步骤二，抽真空
打开六通阀6中与同轴圆筒测量系统14相连的阀门，其余阀门处于关闭状态，开启真空泵9，对同轴圆筒测量系统14和管路进行抽真空，计算机18内的过程控制及数据采集系统19的压力显示为-0.09MPa时，抽真空完成；
步骤三，液化二氧化碳
打开二氧化碳气瓶1，二氧化碳通过冷却器2冷却后进入缓冲容器3，得到液态二氧化碳，然后通过增压泵4增压，此时打开六通阀6中与压力表7相连的阀门，以及六通阀6中与同轴圆筒测量系统14相连的阀门，其余阀门处于关闭状态，液态二氧化碳进入同轴圆筒测量系统14内；
步骤四，注入提粘剂
将提粘剂注入提粘剂储罐10，六通阀6中与压力表7相连的阀门处于全开状态，打开放空阀8，待放空阀8所在的放空管线流出提粘剂后，关闭放空阀8，开启高压计量泵11，打开六通阀6中与同轴圆筒测量系统14相连的阀门，提粘剂注入到同轴圆筒测量系统14内；
步骤五，测量二氧化碳压裂液的流变参数，并进行数据处理
按照旋转流变仪13操作方法进行操作，在计算机18上进入过程控制及数据采集系统19，根据实验要求，选择工作程序和测量模式，设置温度、升温速率、数据读点频率、剪切速率和实验时间等参数，进行测量，实验结束后，将保存的原始数据导入到数据管理系统20，对数据进行处理，得到需要的流变数据和流变曲线。
本发明装置结构和操作方法简单，自动化程度高，实现了在较大压力和温度范围内不同实验下二氧化碳干法压裂液流变性能参数的测量，测量数据精度高，数据可靠；该装置和方法获取的精确的流变数据和曲线，有利于进一步研究其流变规律，为二氧化碳干法压裂设计和施工提供理论数据。
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 (7)

1.一种二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置，其特征在于：包括二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、真空泵（9）和旋转流变仪（13），还包括六通阀（6），六通阀（6）的四个阀口分别通过管线与二氧化碳增压系统、提粘剂注入系统、真空泵（9）和旋转流变仪（13）连接，其余的两个阀口分别通过管线连接着压力表（7）和放空阀（8），所述旋转流变仪（13）还分别连接着空气压缩机（12）、计算机（18）和温控器（17）。
2.如权利要求1所述的二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置，其特征在于：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气瓶（1）、冷却器（2）、缓冲容器（3）和增压泵（4），增压泵（4）与六通阀（6）通过管线连接，该管线上串接着质量流量计（5）。
3.如权利要求1所述的二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置，其特征在于：所述提粘剂注入系统包括通过管线连接的提粘剂储罐（10）和高压计量泵（11），高压计量泵（11）与六通阀（6）管线连接。
4.如权利要求1所述的二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置，其特征在于：所述旋转流变仪（13）包括主机、同轴圆筒测量系统（14）、双狭缝测量转子（15）和外磁环空气轴承（16），同轴圆筒测量系统（14）和双狭缝测量转子（15）上下相对而设安装在主机上，外磁环空气轴承（16）安装在主机顶部，同轴圆筒测量系统（14）通过管线与六通阀（6）连接。
5.如权利要求4所述的二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置，其特征在于：所述同轴圆筒测量系统（14）的容积为70ml，双狭缝测量转子（15）为钛合金材质制成。
6.如权利要求1所述的二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置，其特征在于：所述计算机（18）内安装过程控制及数据采集系统（19）和数据管理系统（20）。
7.一种适用于如权利要求1～6中任一权利要求所述的二氧化碳干法压裂液流变性能评价装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，开启旋转流变仪
开启空气压缩机（12），待空气压缩机（12）输出压力显示为0.2MPa后，再依次开启温控器（17）、旋转流变仪（13）和计算机（18），温控器（17）控制同轴圆筒测量系统（14）工作温度在-35～180℃；
步骤二，抽真空
打开六通阀（6）中与同轴圆筒测量系统（14）相连的阀门，其余阀门处于关闭状态，开启真空泵（9），对同轴圆筒测量系统（14）和管路进行抽真空，计算机（18）内的过程控制及数据采集系统（19）的压力显示为-0.09MPa时，抽真空完成；
步骤三，液化二氧化碳
打开二氧化碳气瓶（1），二氧化碳通过冷却器（2）冷却后进入缓冲容器（3），得到液态二氧化碳，然后通过增压泵（4）增压，此时打开六通阀（6）中与压力表（7）相连的阀门，以及六通阀（6）中与同轴圆筒测量系统（14）相连的阀门，其余阀门处于关闭状态，液态二氧化碳进入同轴圆筒测量系统（14）内；
步骤四，注入提粘剂
将提粘剂注入提粘剂储罐（10），六通阀（6）中与压力表（7）相连的阀门处于全开状态，打开放空阀（8），待放空阀（8）所在的放空管线流出提粘剂后，关闭放空阀（8），开启高压计量泵（11），打开六通阀（6）中与同轴圆筒测量系统（14）相连的阀门，提粘剂注入到同轴圆筒测量系统（14）内；
步骤五，测量二氧化碳压裂液的流变参数，并进行数据处理
按照旋转流变仪（13）操作方法进行操作，在计算机（18）上进入过程控制及数据采集系统（19），根据实验要求，选择工作程序和测量模式，设置温度、升温速率、数据读点频率、剪切速率和实验时间等参数，进行测量，实验结束后，将保存的原始数据导入到数据管理系统（20），对数据进行处理，得到需要的流变数据和流变曲线。
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