CN108562519A - 一种高压条件下液态co2/n2两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置及其测量方法，属于液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液性能测试的技术领域。所述测量装置包括气体加压与循环系统、动态滤失岩心夹持系统、滤液采集与计量系统、温度控制系统；所述气体加压与循环系统将液态CO₂和N₂混合，循环经过所述动态滤失岩心夹持系统，用于模拟液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失进入地层的过程，所述滤液采集与计量系统计量实验数据；所述温度控制系统实现对所述测量装置的温度控制,本发明准确模拟高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液在裂缝中的流动以及压裂液通过裂缝壁面的滤失过程，实现了对压裂液滤失性的测量，并计算得到滤失系数，为液态CO₂干法压裂设计提供基础参数。

Description

一种高压条件下液态CO2/N2两相体系干法压裂液动态滤失性 测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置及其测量方法，属于液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液性能测试的技术领域。

背景技术

液态CO₂/N₂两相体系干法压裂是以液态CO₂和N₂形成的无水两相体系作为压裂液对油气储层进行压裂改造的增产工艺，其中液态CO₂为外相，N₂为内相。压裂过程中，液态CO₂/N₂两相体系作为压裂液压开地层并携砂支撑裂缝，压裂施工结束，温度升高、压力降低，液态CO₂变成气态，与N₂快速、彻底地从地层排出，不留残渣，是一种真正意义上的无伤害压裂工艺。液态CO₂/N₂两相体系干法压裂特别适合于非常规油气储层的增产改造，同时也是CO₂资源化利用的一种有效途径。在压裂过程中，液态CO₂/N₂两相体系会通过裂缝壁面进入地层岩石基质，这一过程称为滤失。压裂液(这里指液态CO₂/N₂两相体系)滤失性能即为压裂液的滤失性，主要通过测量压裂液的滤失量随时间的变化来进行评价。滤失性是压裂液的一个重要指标，是评价压裂液性能和进行压裂设计的关键参数。在压裂过程中，施工压力普遍较高，液态CO₂/N₂两相体系状态复杂，粘度较低，现有常规滤失仪不能实现液态CO₂/N₂两相体系滤失性的测量。

中国专利CN104914012A公开了一种二氧化碳无水压裂液滤失性测试系统及测试方法，提供了针对二氧化碳无水压裂液滤失性的测试方法，但只是涉及到单相流体，没有对液态CO₂/N₂两相体系进行展开阐述。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置；

本发明还提供上述高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法。

本发明可以准确测量高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液的滤失性能。

本发明的技术方案为：

一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，所述测量装置包括顺序连接的气体加压与循环系统、动态滤失岩心夹持系统、滤液采集与计量系统，还包括温度控制系统；

其特征在于，所述气体加压与循环系统包括CO₂储罐、冷箱、增压泵、N₂储罐、单向阀、混合器、缓冲罐、循环泵、模拟裂缝、质量流量计；所述CO₂储罐设置在所述冷箱的内部，通过所述增压泵连接所述混合器，为所述测量装置提供高压液态CO₂；所述N₂储罐通过所述单向阀连接所述混合器，为所述测量装置提供N₂；在所述混合器内液态CO₂与N₂混合，形成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液；所述混合器的出口端连接所述缓冲罐，所述缓冲罐与所述循环泵、模拟裂缝、质量流量计组成高压循环回路，用于模拟压裂液在裂缝内流动的过程；

所述动态滤失岩心夹持系统用于模拟液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失进入地层的过程；

所述滤液采集与计量系统包括顺序连接的滤液采集高压容器、回压阀、天平，所述滤液采集高压容器的入口连通所述动态滤失岩心夹持系统的出口端，滤液采集高压容器利用水和滤失CO₂/N₂的等体积对换，测量滤失液的体积；

所述温度控制系统实现对所述测量装置的温度控制，保证CO₂处于液态或超临界状态。

本发明公开的另一个方面，所述动态滤失岩心夹持系统包括模拟裂缝、岩心、岩心夹持器、第一压差传感器、第二压差传感器，所述模拟裂缝垂直设置在所述岩心夹持器内，所述岩心水平设置在所述岩心夹持器内，所述岩心的顶部端面与所述模拟裂缝连通，液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液通过所述模拟裂缝滤失进入岩心，用于模拟液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液通过裂缝壁面进入地层岩石基质的滤失过程，所述第一压差传感器设置在所述缓冲罐的入口端，所述第二压差传感器设置在所述动态滤失岩心夹持系统的出口端，用于测量液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失前后的压力差。

本发明公开的另一个方面，所述温度控制系统包括低温循环水浴、加热套，用于控制实验过程的温度，保证CO₂处于液态或超临界状态。

本发明公开的另一个方面，所述测量装置还包括计算机，所述计算机分别与所述动态滤失岩心夹持系统、滤液采集与计量系统相连，用于监测并记录实验数据。

此处设计的优势在于，所述气体加压与循环系统主要作用是液化CO₂并加压，再利用所述混合器将液态CO₂与N₂混合，形成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液，并使液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液在高压管线及所述模拟裂缝中循环，模拟高压液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液在裂缝中的流动，并计量其流量；所述动态滤失岩心夹持系统可模拟液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液通过裂缝壁面进入地层岩石基质的滤失过程，并检测滤失过程中CO₂的相态变化，所述测量装置准确模拟和反映了高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液在裂缝中的流动以及液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液通过裂缝壁面的滤失过程，实现了高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失性的测量，并计算得到滤失系数，为液态CO₂干法压裂设计提供基础参数，所述缓冲罐上设置有放空阀用于调节压力。

本发明公开的另一个方面，所述岩心夹持器上安装有多个测压测温点。

本发明公开的另一个方面，所述岩心夹持器上安装有5个等间距的测压测温点，分别为第一测压测温点、第二测压测温点、第三测压测温点、第四测压测温点、第五测压测温点。

此处设计的优势在于，每个测压测温点均与计算机相连，可实时监测滤失过程中CO₂的相态变化。

本发明公开的另一个方面，所述模拟裂缝的长度为40mm，宽度为20mm，高度为5mm。

本发明公开的另一个方面，所述岩心为圆柱体，所述岩心的端面直径为20mm，长度为300mm。

本发明公开的另一个方面，所述滤液采集高压容器的内部由活塞分成垂直设置的上部、下部，上部连通所述岩心夹持器的出口。

此处设计的优势在于，所述滤液采集高压容器的上部用于收集滤失的液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液，下部储存水，随着液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液进入滤液采集高压容器上部，下部的水被挤出，并由烧杯收集，通过计量水的质量以计量滤失液的体积，避免了质量流量计计量体积的缺陷，快速、准确的实现高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失体积的计量。

如上述高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，包括：在测量所需气密性下；混合生成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液；模拟不同条件下压裂液的动态滤失过程，收集并记录实验数据。

本发明公开的另一个方面，所述混合生成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液的方法为：根据实验要求调节压力，打开计算机、CO₂储罐、N₂储罐、冷箱、低温循环水浴、增压泵，液化CO₂并增压，将液态CO₂、N₂泵送至混合器混合。

若装置压力超过设定的实验压力时，停止加压，调节放空阀，使压力降至设定压力。

本发明公开的另一个方面，所述模拟不同条件下压裂液的动态滤失过程，收集并记录实验数据的方法为：

3-1)当温度和压力达到设定值并稳定时，打开动态滤失岩心夹持系统，调节回压阀，启动循环泵；

3-2)根据实验要求分别改变回压大小、改变岩心渗透率、改变循环泵的运行频率，记录上述不同条件下的压裂液温度T、压裂液压力p、压裂液流速u、岩心渗透率k、滤失压差ΔP、岩心沿程压力p_n、时间t；

3-3)由水的质量换算得到液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失体积Q。

本发明公开的另一个方面，所述测量方法还包括处理实验数据的方法：

5-1)绘制滤失特性曲线：滤液体积Q与时间平方根的关系曲线；

5-2)计算滤失系数：拟合所述滤失特性曲线的直线段，得到直线段斜率m，根据达西方程推导出滤失系数计算公式：

在公式(1)中，所述C为压裂液滤失系数，m/min^0.5；A为岩心端面面积，cm²。

本发明的有益效果为：

1、本发明准确模拟高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液在裂缝中的流动以及液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液通过裂缝壁面的滤失过程，实现了高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失性的测量，并计算得到滤失系数，为液态CO₂干法压裂设计提供基础参数；

2、本发明所述岩心夹持器上安装的测压测温点，并与计算机相连，可实时监测滤失过程中CO₂的相态变化；

3、本发明采用滤液采集高压容器，通过计量水的体积代替计量高压液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液的体积，实现了高压条件下滤失的液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液体积的计量；

4、本发明可适用于多种类型压裂液的滤失性测量。

附图说明：

图1为本发明中实施例1-8所述的测量装置示意图；

图2为本发明中实施例13所述的30℃、10MPa下，液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液的滤失体积随时间变化曲线图。

图1-2所示，1、CO₂储罐；2、冷箱；3、N₂储罐；4、单向阀；5、增压泵；6、混合器；7、缓冲罐；8、循环泵；9、模拟裂缝；10、流量计；11、岩心；12、岩心夹持器；13、滤液采集高压容器；14、回压阀；15、天平；16、计算机；17、高压循环回路；18、第一压差传感器；19、第一测压测温点；20、第二测压测温点；21、第三测压测温点；22、第四测压测温点；23、第五测压测温点；24、第二压差传感器；25、温度控制系统；26、放空阀。

具体实施方式：

下面结合说明书附图和实施例对本发明进一步限定，但不限于此。

如图1-2所示。

实施例1

一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，所述测量装置包括顺序连接的气体加压与循环系统、动态滤失岩心夹持系统、滤液采集与计量系统，还包括温度控制系统25；

其特征在于，所述气体加压与循环系统包括CO₂储罐1、冷箱2、增压泵5、N₂储罐3、单向阀4、混合器6、缓冲罐7、循环泵8、模拟裂缝9、质量流量计10；所述CO₂储罐1设置在所述冷箱2的内部，通过所述增压泵5连接所述混合器6，为所述测量装置提供高压液态CO₂；所述N₂储罐3通过所述单向阀4连接所述混合器6，为所述测量装置提供N₂；在所述混合器6内液态CO₂与N₂混合，形成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液；所述混合器6的出口端连接所述缓冲罐7，所述缓冲罐7与所述循环泵8、模拟裂缝9、质量流量计10组成高压循环回路17，用于模拟压裂液在裂缝内流动的过程；

所述动态滤失岩心夹持系统用于模拟液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失进入地层的过程；

所述滤液采集与计量系统包括顺序连接的滤液采集高压容器13、回压阀14、天平15，所述滤液采集高压容器13的入口连通所述动态滤失岩心夹持系统的出口端，滤液采集高压容器13利用水和滤失CO₂/N₂的等体积对换，测量滤失液的体积；

所述温度控制系统25实现对所述测量装置的温度控制，保证CO₂处于液态或超临界状态。

实施例2

如实施例1所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其区别在于，所述动态滤失岩心夹持系统包括模拟裂缝9、岩心11、岩心夹持器12、第一压差传感器18、第二压差传感器24，所述模拟裂缝9垂直设置在所述岩心夹持器12内，所述岩心11水平设置在所述岩心夹持器12内，所述岩心11的顶部端面与所述模拟裂缝9连通，液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液通过所述模拟裂缝9滤失进入岩心11，用于模拟液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液通过裂缝壁面进入地层岩石基质的滤失过程，所述第一压差传感器18设置在所述缓冲罐7的入口端，所述第二压差传感器24设置在所述动态滤失岩心夹持系统的出口端，用于测量液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失前后的压力差。

实施例3

如实施例1所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其区别在于，所述温度控制系统25包括低温循环水浴、加热套，用于控制实验过程的温度，保证CO₂处于液态或超临界状态。

实施例4

如实施例1所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其区别在于，所述测量装置还包括计算机16，所述计算机16分别与所述动态滤失岩心夹持系统、滤液采集与计量系统相连，用于监测并记录实验数据。

实施5

如实施例2所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其区别在于，所述岩心夹持器12上安装有5个等间距的测压测温点，分别为第一测压测温点19、第二测压测温点20、第三测压测温点21、第四测压测温点22、第五测压测温点23。

实施例6

如实施例1所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其区别在于，所述滤液采集高压容器13的内部由活塞分成垂直设置的上部、下部，上部连通所述岩心夹持器12的出口。

实施例7

如实施例1所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其区别在于，所述模拟裂缝9的长度为40mm，宽度为20mm，高度为5mm。

实施例8

如实施例1所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其区别在于，所述岩心11为圆柱体，所述岩心11的端面直径为20mm，长度为300mm。

实施例9

如实施例1-8任意一项所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，包括：在测量所需气密性下；混合生成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液；模拟不同条件下压裂液的动态滤失过程，收集并记录实验数据。

实施例10

如实施例9所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，其区别在于，所述混合生成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液的方法为：根据实验要求调节压力，打开计算机16、CO₂储罐1、N₂储罐3、冷箱2、低温循环水浴、增压泵5，液化CO₂并增压，将液态CO₂、N₂泵送至混合器6混合。若装置压力超过设定的实验压力时，停止加压，调节放空阀26，使压力降至设定压力。

实施例11

如实施例9所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，所述模拟不同条件下压裂液的动态滤失过程，收集并记录实验数据的方法为：

3-1)当温度和压力达到设定值并稳定时，打开6动态滤失岩心夹持系统，调节回压阀14，启动循环泵8；

3-2)根据实验要求分别改变回压大小、改变岩心11渗透率、改变循环泵8的运行频率，记录上述不同条件下的压裂液温度T、压裂液压力p、压裂液流速u、岩心11渗透率k、滤失压差ΔP、岩心11沿程压力p_n、时间t；

3-3)由水的质量换算得到液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失体积Q。

实施例12

如实施例9所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，所述测量方法还包括处理实验数据的方法：

5-1)绘制滤失特性曲线：滤液体积Q与时间平方根的关系曲线；

5-2)计算滤失系数：拟合所述滤失特性曲线的直线段，得到直线段斜率m，根据达西方程推导出滤失系数计算公式：

公式(1)中，所述C为压裂液滤失系数，m/min^0.5；A为岩心11端面面积，cm²。

实施例13

如实施例1-8所述的所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置及实施例912所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，由图2中可知，测试液态CO₂/N₂压裂液在30℃、10MPa下，滤失体积随时间变化情况，随着时间增加，液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失体积增加；滤失速度逐渐降低，最终趋于稳定。

Claims (10)

1.一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，所述测量装置包括顺序连接的气体加压与循环系统、动态滤失岩心夹持系统、滤液采集与计量系统，还包括温度控制系统；

其特征在于，所述气体加压与循环系统包括CO₂储罐、冷箱、增压泵、N₂储罐、单向阀、混合器、缓冲罐、循环泵、模拟裂缝、质量流量计；所述CO₂储罐设置在所述冷箱的内部，通过所述增压泵连接所述混合器，为所述测量装置提供高压液态CO₂；所述N₂储罐通过所述单向阀连接所述混合器，为所述测量装置提供N₂；在所述混合器内液态CO₂与N₂混合，形成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液；所述混合器的出口端连接所述缓冲罐，所述缓冲罐与所述循环泵、模拟裂缝、质量流量计组成高压循环回路，用于模拟压裂液在裂缝内流动的过程；

所述动态滤失岩心夹持系统用于模拟液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失进入地层的过程；

所述滤液采集与计量系统包括顺序连接的滤液采集高压容器、回压阀、天平，所述滤液采集高压容器的入口连通所述动态滤失岩心夹持系统的出口端，滤液采集高压容器利用水和滤失CO₂/N₂的等体积对换，测量滤失液的体积；

所述温度控制系统实现对所述测量装置的温度控制，保证CO₂处于液态或超临界状态。

2.根据权利要求1所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其特征在于，所述动态滤失岩心夹持系统包括模拟裂缝、岩心、岩心夹持器、第一压差传感器、第二压差传感器，所述模拟裂缝垂直设置在所述岩心夹持器内，所述岩心水平设置在所述岩心夹持器内，所述岩心的顶部端面与所述模拟裂缝连通，液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液通过所述模拟裂缝滤失进入岩心，用于模拟液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液通过裂缝壁面进入地层岩石基质的滤失过程，所述第一压差传感器设置在所述缓冲罐的入口端，所述第二压差传感器设置在所述动态滤失岩心夹持系统的出口端，用于测量液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失前后的压力差。

3.根据权利要求1所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其特征在于，所述温度控制系统包括低温循环水浴、加热套，用于控制实验过程的温度，保证CO₂处于液态或超临界状态；所述滤液采集高压容器的内部由活塞分成垂直设置的上部、下部，上部连通所述岩心夹持器的出口。

4.根据权利要求1所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括计算机，所述计算机分别与所述动态滤失岩心夹持系统、滤液采集与计量系统相连，用于监测并记录实验数据。

5.根据权利要求2所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其特征在于，所述岩心夹持器上安装有多个测压测温点。

6.根据权利要求2所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置，其特征在于，所述岩心夹持器上安装有5个等间距的测压测温点，分别为第一测压测温点、第二测压测温点、第三测压测温点、第四测压测温点、第五测压测温点；所述模拟裂缝的长度为40mm，宽度为20mm，高度为5mm；所述岩心为圆柱体，所述岩心的端面直径为20mm，长度为300mm。

7.根据权利要求1-6所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，包括：在测量所需气密性下；混合生成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液；模拟不同条件下压裂液的动态滤失过程，收集并录实验数据。

8.根据权利要求7所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，其特征在于，所述混合生成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液的方法为：根据实验要求调节压力，打开计算机、CO₂储罐、N₂储罐、冷箱、低温循环水浴、增压泵，液化CO₂并增压，将液态CO₂、N₂泵送至混合器混合。

9.根据权利要求7所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，其特征在于，所述模拟不同条件下压裂液的动态滤失过程，收集并录实验数据的方法为：

3-1)当温度和压力达到设定值并稳定时，打开动态滤失岩心夹持系统，调节回压阀，启动循环泵；

3-2)根据实验要求分别改变回压大小、改变岩心渗透率、改变循环泵的运行频率，记录上述不同条件下的压裂液温度T、压裂液压力p、压裂液流速u、岩心渗透率k、滤失压差ΔP、岩心沿程压力p_n、时间t；

3-3)由水的质量换算得到液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液滤失体积Q。

10.根据权利要求7所述的一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液动态滤失性测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括处理实验数据的方法：

5-1)绘制滤失特性曲线：滤液体积Q与时间平方根的关系曲线；

5-2)计算滤失系数：拟合所述滤失特性曲线的直线段，得到直线段斜率m，根据达西方程推导出滤失系数计算公式：

在公式(1)中，所述C为压裂液滤失系数，m/min^0.5；A为岩心端面面积，cm²。