CN108590620A - 超临界co2缝内携砂模拟实验装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置及系统，涉及石油、天然气钻井领域，超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置包括裂缝模拟单元，裂缝模拟单元包括围压筒、携砂液输送管和裂缝模型，围压筒具有中空的容置腔，裂缝模型设置在容置腔内，裂缝模型内设有裂缝流道，裂缝流道的两端分别设有裂缝进口和裂缝出口，围压筒的外壁上开设有安装孔，携砂液输送管贯穿安装孔并与裂缝进口相连通，携砂液输送管的外壁与安装孔的内壁密封配合，裂缝出口与容置腔相连通，围压筒的外壁上还开设有携砂液出口。上述超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置及系统，模拟温度和压力数据更接近的真实地层条件，能够为超临界CO₂压裂参数优化提供理论指导。

Description

超临界CO2缝内携砂模拟实验装置及系统

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井领域，特别涉及一种超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置及系统。

背景技术

我国非常规及低渗透油气资源占剩余油气资源量的50％，开发非常规及低渗透油气藏将成为我国油气新的增长点，然而实现非常规及低渗透油气藏商业化开发，必须依靠大规模的水力压裂。由于非常规及低渗透的油气藏渗透率较低，开发难度大，故压裂液的选择对于非常规油气开发至关重要。常规的水基压裂液存在浪费水资源和易对储层造成伤害等弊端，大大制约了其在页岩气开发中的应用。因此针对常规压裂液存在的问题，中国石油大学(北京)沈忠厚院士率先提出利用超临界CO₂进行储层压裂改造。超临界CO₂压裂作为一种新型无水压裂技术，由于其具有环保、高效以及低储层伤害等优势而备受关注。

超临界CO₂流体是一种温度和压力均高于临界点(T_c>31.1℃，P_c>7.38MPa)的流体。该流体具有接近于气体的低粘度和高扩散性以及接近于液体的高密度等特性。根据国内外的研究表明，其低黏特性能使超临界CO₂压裂液比水基压裂液具有更低的起裂压力，而强扩散性，接近零的表面张力，易使流体渗入储层中的孔隙和微裂缝，从而产生大量的微裂缝网络。最重要的是，超临界CO₂流体对储层无任何污染，它既不含固体颗粒也不含水，使用它作为压裂液能够从根本上避免孔隙吼道堵塞、储层黏土膨胀、岩石润湿反转、水敏等危害的发生。此外，超临界CO₂压裂后无需返排，而且能够起到增能作用，进而提高非常规及低渗透油藏的采收率。因此超临界CO₂压裂在非常规油气藏开发过程中具有广阔的应用前景。

尽管如此，由于超临界CO₂密度和粘度较低，其在裂缝内支撑剂携带困难。目前在超临界CO₂携带支撑剂能力研究方面，国内外的研究主要集中在利用数值计算，验证超临界CO₂在裂缝内携带支撑剂运移的可行性，而对超临界CO₂携带支撑剂在裂缝中填充和铺设规律研究较少，尤其是针对该问题进行的实验研究尚未见报道。此前仅有中国石油大学(华东)利用超临界CO₂携砂流动装置，研究了支撑剂在超临界CO₂中沉降和运移特性。由于该装置存在模拟裂缝尺寸较小，加砂方式不符合实际工艺等问题，故无法模拟超临界CO₂携带支撑剂在裂缝中填充和铺设真实规律。因此有必要设计一套能够模拟真实地层条件下超临界CO₂携带支撑剂在裂缝内铺设情况的实验装置及系统，进而揭示超临界CO₂在裂缝中携带支撑剂的规律与特性，以便为超临界CO₂压裂参数优化提供理论指导。

发明内容

本发明的目的是提供一种超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置及系统，能够承受较高的模拟压力和温度，其压力和温度数据更接近的真实地层条件，进而为超临界CO₂压裂参数优化提供理论指导。

为达到上述目的，本发明提出一种超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，至少包括裂缝模拟单元，其中，所述裂缝模拟单元包括围压筒、携砂液输送管和裂缝模型，所述围压筒具有中空的容置腔，所述裂缝模型设置在所述容置腔内，所述裂缝模型内设有裂缝流道，所述裂缝流道的两端分别设有裂缝进口和裂缝出口，所述围压筒的侧壁上开设有安装孔，所述携砂液输送管贯穿所述安装孔并与所述裂缝进口相连通，所述携砂液输送管的外壁与所述安装孔的内壁密封配合，所述裂缝出口与所述容置腔相连通，所述围压筒的外壁上还开设有与所述容置腔连通的携砂液出口。

本发明还提出一种超临界CO₂缝内携砂模拟实验系统，其中，所述模拟实验系统至少包括顺序串联连接的CO₂液化装置、超临界CO₂发生装置、如上所述的超临界CO₂携砂模拟实验装置和CO₂回收装置。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

本明提出的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置及系统，其中的裂缝模型放置在围压筒的容置腔内，并使裂缝模型的裂缝出口与容置腔直接连通，混砂液在经过裂缝模型后，直接进入围压筒的容置腔，使裂缝模型其内外的压力连通，平衡了裂缝模型所受到的压力，大大提升了裂缝模型能够承受的压力，从而提高了整个超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置及系统能够承受的模拟压力，使得超临界CO₂缝内携砂模拟实验的压力数据能够更接近的真实地层条件(现场超临界CO₂压裂携砂作业压力高达几十兆帕)，进而为超临界CO₂压裂参数优化提供理论指导。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置的结构示意图；

图2为本发明中限位机构的结构示意图；

图3为本发明中裂缝模型的主视图；

图4为本发明中裂缝模型的侧面剖视图；

图5为本发明中本体支架旋转后的结构示意图；

图6为本发明中加砂器的结构示意图；

图7为本发明中滚筒的轴向展布图；

图8为本发明超临界CO₂缝内携砂模拟实验系统的结构示意图。

附图标记说明：

10、超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置； 100、裂缝模拟单元；

110、围压筒； 111、安装孔；

112、携砂液出口； 113、容置腔；

114、围压筒本体； 115、密封法兰；

116、围压筒支架； 117、可视观察窗；

120、携砂液输送管； 130、裂缝模型；

131、裂缝进口； 132、裂缝出口；

133、可视玻璃板； 134、可移动壁板；

135、本体支架； 1351、基础支架；

1352、压紧支架； 1353、支撑侧壁；

1356、固定螺栓； 136、裂缝流道；

137、限位机构； 1371、螺纹调节丝杠；

1372、固定支撑件； 1373、限位导轨；

138、移动滑车； 1381、车架；

1382、滑轮； 139、旋转支架；

1391、支撑杆； 1392、连接螺栓；

200、支撑剂添加单元； 220、加砂器；

221、滚筒； 222、键槽；

20、CO₂液化装置； 21、CO₂气瓶；

22、恒温水浴冷箱； 23、冷机；

30、超临界CO₂发生装置； 31、流量计；

32、增压泵； 33、恒温水浴热箱；

34、加热器； 35、缓冲容器；

36、阀门； 40、CO₂回收装置；

41、除砂器； 42、集砂罐；

50、回压阀； 60、压力表；

1、超临界CO₂缝内携砂模拟实验系统； 230、混砂罐。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

请参考图1至图8，本发明提出的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置10至少包括裂缝模拟单元100，裂缝模拟单元100包括围压筒110、携砂液输送管120和裂缝模型130，围压筒110具有中空的容置腔113，裂缝模型130设置在容置腔113内，裂缝模型130内设有裂缝流道136，裂缝流道的两端分别设有裂缝进口131和裂缝出口132，围压筒110的外壁上开设有安装孔111，携砂液输送管120贯穿安装孔111并与裂缝进口131相连通，携砂液输送管120的外壁与安装孔111的内壁密封配合，裂缝出口132与容置腔113相连通，围压筒110的外壁上还开设有与容置腔113连通的携砂液出口112。

本发明还提出一种超临界CO₂缝内携砂模拟实验系统1，如图7所示，超临界CO₂缝内携砂模拟实验系统1至少包括顺序串联连接的CO₂液化装置20、超临界CO₂发生装置30、超临界CO2缝内携砂模拟实验装置10和CO₂回收装置40。

本发明提出的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置10及超临界CO₂缝内携砂模拟实验系统1，其中，围压筒110用于产生模拟裂缝内的高温高压环境，将裂缝模型130放置在围压筒110的容置腔113中，并使裂缝模型130的裂缝出口132与容置腔113直接连通，混砂液在经过裂缝模型130后，直接进入围压筒110的容置腔113中，使裂缝模型130其内外的压力连通，平衡裂缝模型所受到的压力，大大提升了裂缝模型能够承受的压力，从而提高了整个超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置10能够承受的模拟压力，使得超临界CO₂缝内携砂模拟实验的压力数据能够更接近的真实地层条件(现场超临界CO₂压裂携砂作业压力高达几十兆帕)，进而为超临界CO₂压裂参数优化提供理论指导。

在本发明一个可选的例子中，裂缝模型130包括可视玻璃板133、可移动壁板134和本体支架135，本体支架135具有沿本体支架135轴向贯通的安装腔，可视玻璃板133和可移动壁板134均安装在安装腔内并均垂直于本体支架135的轴线，可视玻璃板133和可移动壁板134均与安装腔的内壁面密封配合，可视玻璃板133和可移动壁板134平行围合形成裂缝流道136，裂缝流道136的两端分别设有裂缝进口131和裂缝出口132。实验时，裂缝出口132与容置腔113直接连通，使得可视玻璃板133内外的压力相连通，平衡可视玻璃板133所受到的压力，避免压力波动较大而压爆可视玻璃板133，进而提高了整个裂缝模型130能够承受的压力，克服了大尺寸的可视玻璃板133承压能力低的缺陷。

在本发明一个可选的例子中，可视玻璃板133的材质为有机可视玻璃；可视玻璃板133耐压为1.5MPa，可视玻璃板133和可移动壁板134形成的窄缝(即裂缝流道136)，能够模拟的裂缝尺寸为长1000mm，高400mm，宽为2mm-6mm。

在本发明一个可选的例子中，本体支架135与可视玻璃板133固定连接，可移动壁板134与本体支架135滑动连接，且能沿安装腔的内壁(可视玻璃板133垂直方向)往复移动，从而调节裂缝流道的宽度，可移动壁板134和本体支架135之间设置有限位机构137。可视玻璃板133和可移动壁板134分别模拟裂缝的两个壁面，通过可移动壁板134的往复移动，实现可视玻璃板133和可移动壁板134之间的距离调节，也即裂缝流道136宽度的调节，限位机构137能够对可移动壁板134进行限位和固定，保证实验时裂缝流道136宽度的稳定性。

在本发明一个可选的例子中，限位机构137包括螺纹调节丝杠1371和固设于本体支架135上的固定支撑件1372,固定支撑件1372设置在可移动壁板134背向可视玻璃板133的一侧并与可移动壁板134之间具有间隔，螺纹调节丝杠1371垂直于可移动壁板134设置，螺纹调节丝杠1371的一端顶抵在可移动壁板134上，螺纹调节丝杠1371的另一端贯穿固定支撑件1372并与固定支撑件1372螺纹配合。需要改变裂缝流道136的宽度时，通过正反旋转螺纹调节丝杠1371便可推动和拉拽可移动壁板134前后移动，从而实现裂缝流道136宽度的调节。需要说明的是，调节裂缝流道136宽度时，一般是将裂缝模型130拖拽出围压筒110，以方便螺纹调节丝杠1371的调节。

在本发明一个可选的例子中，限位机构137还包括限位导轨1373，限位导轨1373垂直于可移动壁板134设置，限位导轨1373的一端与可移动壁板134固定连接，限位导轨1373的另一端贯穿固定支撑件1372并与固定支撑件1372滑动配合。这样，可移动壁板134只能沿着垂直于可视玻璃板133的方向来回移动，保证了可移动壁板134始终与可视玻璃板133始终处于平行状态。

在一个可选的例子中，限位机构137包括两个限位导轨1373，两个限位导轨1373均与螺纹调节丝杠1371间隔设置并分别位于螺纹调节丝杠1371的上方和下方。

在另一个可选的例子中，两个限位导轨1373沿水平方向对称设置在螺纹调节丝杠1371的两侧。

在一个可选的例子中，本体支架135包括沿安装腔的轴向顺序设置基础支架1351和压紧支架1352，压紧支架1352通过多个间隔设置的固定螺栓1356与基础支架1351固定连接，可视玻璃板133的外缘夹紧在基础支架1351和压紧支架1352之间，进而实现了可视玻璃板133固定连接在本体支架135上，并且保证了可视玻璃板133与基础支架1351和压紧支架1352均呈密封配合，可移动壁板134设置在基础支架1351内并与基础支架1351的内壁密封配合，固定支撑件1372也固定连接在基础支架1351上。

在一个可选的例子中，基础支架1351和压紧支架1352均为横截面呈矩形的筒状体。基础支架1351具有两个相对设置的支撑侧壁1353。

在本发明一个可选的例子中，可移动壁板134朝向可视玻璃板133的侧壁上设置有标尺，依据设置的标尺可以清晰的观察支撑剂形成的砂床的高度变化。

在本发明一个可选的例子中，可移动壁板134朝向可视玻璃板133的侧壁上设置有发光元件。发光元件可以为LED冷光源，可以为实验观察人员和高速摄影提供充足光线，便于观察记录。

在本发明一个可选的例子中，在此外，在裂缝模型130进出口两端(即裂缝出口132处和裂缝进口131处)装有压力表和温度表，实时监测关键点位温度和压力。

在本发明一个可选的例子中，围压筒110可承受50MPa高压，能完全满足裂缝内压力模拟需求。

在本发明一个可选的例子中，裂缝模型130还包括移动滑车138，移动滑车138包括车架1381和多个滑轮1382，每个滑轮1382均通过对应的滑轮支架能转动地安装在车架1381的底部，本体支架135安装在车架1381的顶端。考虑到裂缝模型130的整体尺寸较大，为了便于实验以及裂缝模型130的拆卸与移动，裂缝模型130还设置了移动滑车138，本体支架135安装在移动滑车138上，以便于裂缝模型130进出围压筒110。

在一个可选的例子中，移动滑车138的车架1381为梯形支架，车架1381底部带有滑轮1382，滑轮1382与围压筒110的内壁面滚动配合并可锁定，以便在围压筒110中拖动和固定。实验结束后，可以通过移动滑车138将裂缝模型130从围压筒110中拖出，清除沉积在围压筒110其容置腔113底部的支撑剂，为下次实验做准备。

在本发明一个可选的例子中，本体支架135通过旋转支架139安装在车架1381上，旋转支架139包括两个支撑杆1391，两个支撑杆1391对称设置在本体支架135的两侧，每个支撑杆1391均竖直设置，支撑杆1391的底端固定连接在车架1381上，支撑杆1391的顶端通过连接螺栓1392与本体支架135相连接。通过旋转支架139，可以调整裂缝模型130的倾斜角度，即通过调节本体支架135与垂向方向的角度来调节裂缝流道的角度，进而模拟不同倾角裂缝条件下超临界CO₂携砂规律。

在一个可选的例子中，基础支架1351的两个支撑侧壁1353上均设有外凸的连接杆，支撑杆1391的顶端开设有用于安装所述连接杆的通孔，上述连接杆插装在对应的通孔内，连接螺栓1392的一端顶抵在连接杆的外壁上，连接螺栓1392的另一端贯穿通孔的侧壁并与支撑杆1391的顶端螺纹配合。在使用时，连接螺栓1392松开时可以调整本体支架135与垂直方向的角度，调整好后拧紧连接螺栓1392，依此来调节裂缝模型130的倾斜角度。

在一个可选的例子中，裂缝出口132和裂缝进口131分别开设在可移动壁板134上。

在本发明一个可选的例子中，围压筒110包括围压筒本体114和两个密封法兰115，围压筒本体114为水平设置的筒状体，容置腔113沿围压筒本体114的轴线方向贯通，两个密封法兰115分别能拆卸地设置在容置腔113的两端并均与围压筒本体114密封配合。这样，当需要将裂缝模型130从容置腔113中取出时，只需将围压筒本体114一端的密封法兰115拆下，拉动移动滑车138即可将裂缝模型130从围压筒110中取出。

在一个可选的例子中，安装孔111开设在其中一个密封法兰115上。携砂液输送管120为耐高压的软管，携砂液输送管120穿过密封法兰115后与裂缝模型130的裂缝进口131相连通。

在本发明一个可选的例子中，围压筒本体114的底端还安装有用于支撑围压筒110的围压筒支架116。

在本发明一个可选的例子中，携砂液出口112设置在容置腔113的顶端。在重力的作用下，从裂缝出口132进入容置腔113中的大部分支撑剂下沉到围压筒容置腔113底部，降低后续过滤器(两级除砂器)的除砂压力。

在本发明一个可选的例子中，围压筒110外还安装有水浴加热器。该水浴加热器可在30℃-100℃范围内进行调节，误差可控制在±0.5℃，加热围压筒110的循环水由水浴箱提供的循环水，水浴箱的体积为500L，加热功率为5KW，并且上述水浴加热器还安装有双控温仪表用于控制加热温度和测量水温。

在本发明一个可选的例子中，围压筒本体114的筒壁上还设置有用于观测的可视观察窗117，可视观察窗117上安装有耐压玻璃。

在一个可选的例子中，可视观察窗117的直径为20mm，安装的耐压玻璃为蓝宝石耐压玻璃，工作压力上限为60MPa。通过可视观察窗，可以利用高速摄影观测和记录超临界CO₂携带支撑剂在裂缝中铺设的动态过程，进而研究超临界CO₂携带支撑剂运移的动态规律。

在一个可选的例子中，围压筒本体114的筒壁上沿围压筒本体114的轴向均匀安装两个可视观察窗，其中一个可视观察窗用于围压筒110内部采光，通过LED灯向内部照射即可；另一个可视观察窗用于观察裂缝模型130中支撑剂运移状态，也可借助高速摄影观测和记录整个动态过程。

在本发明一个可选的例子中，围压筒110内部的压力可模拟井下最高压力50MPa，通过安放在CO₂回收装置后的回压阀调节，精度为0.1MPa。

在本发明一个可选的例子中，超临界CO2缝内携砂模拟实验装置10还包括支撑剂添加单元200，支撑剂添加单元200包括顺序串联连接储砂罐(也称加砂罐，图中未示出)、加砂器220和混砂罐230，混砂罐230的出口与携砂液输送管120相连通。

在本发明中，支撑剂可采用一种陶粒，为现有技术，不在此赘述。储砂罐用于储存支撑剂，加砂器220用于将储砂罐内的支撑剂匀速注入至混砂罐230中，支撑剂注入混砂罐230后便会与超临界CO₂流体混合，在支撑剂和超临界CO₂混合完成后便形成混砂液(也称携砂液)，混砂液被注入裂缝模拟单元100中，进行超临界CO₂缝内携砂实验，进而观察混砂液在模拟裂缝中的运动形态。

在本发明一个可选的例子中，加砂器220为滚筒加砂器，加砂器220包括外罩和滚筒221，外罩具有中空的工作腔，工作腔呈水平设置的圆柱状，工作腔的顶端开设有与储砂罐相连通的加砂入口，工作腔的底端开设有与混砂罐230相连通的加砂出口，滚筒221为水平设置的圆柱体，滚筒221能转动地安装在工作腔内(滚筒221能沿滚筒221的轴线转动)，滚筒221的外壁和工作腔的内壁间隙配合，其间隙控制在0.05mm-0.1mm，滚筒221的外壁上开设有用于容置支撑剂的键槽222，键槽222沿滚筒221的周向连续开设。工作腔上部的加砂入口与储砂罐相连接，工作腔下部的加砂出口与混砂罐230相连接，工作过程中，滚筒221在工作腔内转动，

支撑剂添加由加砂器220实现，高压加沙罐与外罩上部加沙入口连接，加沙罐中的支撑剂在重力作用下进入外罩的加砂入口，随后填满滚筒221上的键槽222；随着滚筒221的转动，填满支撑剂的键槽222逐渐由上部旋转到下部(逐渐向下倾斜)，最后在重力的作用下，键槽222内的支撑剂下降进入到外罩的加砂出口，再由加砂出口进入混砂罐230，并最终通过混砂罐230进入裂缝中。在上述过程中，由于键槽222是沿滚筒221的周向连续开设，因此，在滚筒221转动的任意角度，均有键槽222对准加砂入口和加砂出口，即可以实现支撑剂连续的进入键槽222及支撑剂可以连续的从加砂出口流出。并且通过控制滚筒221的转动速度，可以精确的控制从加砂出口流出的支撑剂的数量，使得使加砂浓度可以得到较准确的控制，因此本发明提出超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置10的具有较高的砂浓度控制能力，同时，操作简单、安全而且高效。

在本发明一个可选的例子中，滚筒221的外壁上开设有一个键槽222，键槽222螺旋盘绕在滚筒221的外壁上。

在本发明另一个可选的例子中，滚筒221的外壁上设置有多个键槽222，多个键槽222沿滚筒221的轴向均布，每个键槽222均沿滚筒221的周向盘绕滚筒221一周并且每个键槽222其在竖直平面内的投影均与滚筒221的轴线具有夹角，该夹角的角度本领域技术人员可以根据加砂速度的要求进行设计。

进一步的，滚筒221的外壁上设置有6个键槽222。6个键槽222顺序首尾相接。设置

在本发明一个可选的例子中，键槽222的横截面呈矩形，该矩形的深度、宽度和长度本领域技术人员可以根据加砂速度的要求进行设计。

在本发明一个可选的例子中，滚筒221可以由金属棒材切割而成。

在本发明一个可选的例子中，加砂入口的水平截面和加砂出口的水平截面均呈矩形，加砂入口的长度和加砂出口的长度均与滚筒221的长度相同，加砂入口的宽度为滚筒221直径的四分之一，加砂出口的宽度为滚筒221直径的二分之一。

在本发明一个可选的例子中，加砂出口和混砂罐230之间通过连接管线相连通，外罩在加砂出口处向下延伸形成连接部，连接部逐渐缩径并与连接管线的一端相连通，连接管线的另一端与混砂罐相连通。

在一个可选的例子中，外罩和连接管线均可耐高压(外罩整体的承压能力和连接管线的承压能力均与整个超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置10的承压能力相同)，连接部与连接管线通过螺纹连接。

在本发明一个可选的例子中，工作腔内壁和滚筒外壁之间的间隙控制在0.05mm-0.1mm。这样，既可以保证滚筒221能在工作腔内顺利转动，又能防止键槽222内的支撑剂从滚筒221和工作腔内壁之间的间隙流出，保证对加砂速度的精确控制。

在本发明一个可选的例子中，滚筒221的两端分别通过对应的轴承能转动的安装在外罩内，滚筒221的一端伸出外罩与驱动电机相连接。通过驱动电机可以驱动滚筒221的转动，通过控制滚筒221的转动速度可以精确控制加砂量。

在本发明中，储砂罐也为耐高压储砂罐。同时，超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置10内部的各连接管线以及与超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置10连接的各连接管线均为耐高压管线，连接管线的承压能力与超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置10整体的承压能力相同。

本发明提出的超临界CO2缝内携砂模拟实验装置10在采用与常规压裂液携砂实验装置类似平板裂缝模型的基础上，为了提高可视玻璃板133的承压能力，将裂缝模型130放置在围压筒110中，通过围压筒110外部的阀门(即后文中的回压阀50)来调节围压筒110中的压力，从而控制裂缝模型130中裂缝内压力。此外通过加砂器220其滚筒221上的键槽222，使加砂浓度可以得到较准确的控制，因此该超临界CO2缝内携砂模拟实验装置10具有较高的井下压力模拟能力和砂浓度控制能力，操作简单、安全而且高效；同时围压筒110上精心设计的可视观察窗，可以实现对超临界CO₂携带支撑剂在裂缝中填充和铺设动态过程进行直接的观察和记录。

在本发明中，CO₂液化装置20包括CO₂气瓶21、恒温水浴冷箱22、冷机23和液态CO₂储罐(图中未示出)；超临界CO₂发生装置30包括流量计31、增压泵32、恒温水浴热箱33、加热器34、缓冲容器35和阀门36；CO₂回收装置40包括除砂器41；上述实验设备依次通过高压管线连接而成。CO₂气瓶21内储存气态CO₂，是整个实验系统的CO₂源，CO₂在CO₂气瓶21内自有压力(4.5MPa以上)下流入恒温水浴冷箱22中；冷机23用于对恒温水浴冷箱22中的循环水降温(0℃～-3℃)，进而对流入恒温水浴冷箱22内的CO₂冷却液化；液态CO₂经过流量计31进入增压泵32，增压后的液态高压CO₂被泵入恒温水浴热箱33中，加热器34为恒温水浴热箱33中的循环水加热，恒温水浴热箱33的温度可以在20-100℃之间调控，精确度为±0.5℃。高压液态CO₂经过加热后转变为超临界态，其经过管线进入固定容积的缓冲容器35中，通过调节阀门36开度，控制超临界CO₂进入混砂罐230的速度，进而实现对携砂液流量，砂比等参数的控制。

本发明提出的超临界CO₂缝内携砂模拟实验系统1工作过程中，先由恒温水浴冷箱22将由CO₂气瓶21输出的气态CO₂降温液化，并储存在液态CO₂储罐中，随后液态CO₂通过增压泵32增压进入恒温水浴热箱33，在一定温度、压力条件下经过水浴加热后将高压低温液态的CO₂转化为高压高温的超临界CO₂，之后超临界CO₂进入混砂罐230并流入裂缝模拟单元100，进而实现在裂缝模拟单元100中模拟裂缝中超临界CO₂流体携带支撑剂过程，即完成超临界CO₂缝内携砂实验全部过程，最后超临界CO₂和支撑剂的混合流体进入CO₂回收装置40，净化后的CO₂再次流入恒温水浴冷箱22进行循环利用。

本发明提出的超临界CO₂缝内携砂模拟实验系统1是以研究超临界CO₂携带支撑剂在裂缝中填充和铺设规律为目的而设计的一套模拟实验系统，结合理论分析、数值模拟等多种研究手段，并通过实验的方法研究环境温度、压力、支撑剂密度、粒径、携砂液排量以及黏度等参数对超临界CO₂携带支撑剂在缝内填充效果影响规律，客观真实地模拟超临界CO₂压裂缝内携砂的情况，进而为超临界CO₂压裂参数优化设计提供理论指导。

在本发明一个可选的例子中，CO₂回收装置40包括除砂器41(两级过滤分离器)，能够对流出围压筒110的超临界CO₂与支撑剂混合流体，进行除砂和处杂质处理；对流出围压筒110的超临界CO₂与支撑剂混合流体进入除砂器41进行气固分离，除砂器41内部设有100目的双层金属滤网，并有加强筋来增强滤网的强度，除砂器41的出口连接有集砂罐42，集砂罐42的容量与储砂罐相同，除砂器41和集砂罐42在起到过滤分离作用的同时还能够为实验压力控制系统提供一定的稳压作用，除砂器41的承压能力和集砂罐42的承压能力均为30MPa。

进一步的，集砂罐42的出口通过回压阀50与恒温水浴冷箱22连接，为了重复利用CO₂气体，经过超临界CO2缝内携砂模拟实验装置10的混砂液，最后进入除砂器41进行气固分离和除杂等处理，之后通过回压阀50进入恒温水浴冷箱22冷却液化，从而实现CO₂气体循环利用。同时，超临界CO2缝内携砂模拟实验装置10内的压力可以通过回压阀50的开度调节来实现。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (10)

1.一种超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，至少包括裂缝模拟单元，其特征在于，所述裂缝模拟单元包括围压筒、携砂液输送管和裂缝模型，所述围压筒具有中空的容置腔，所述裂缝模型设置在所述容置腔内，所述裂缝模型内设有裂缝流道，所述裂缝流道的两端分别设有裂缝进口和裂缝出口，所述围压筒的侧壁开设有安装孔，所述携砂液输送管贯穿所述安装孔并与所述裂缝进口相连通，所述携砂液输送管的外壁与所述安装孔的内壁密封配合，所述裂缝出口与所述容置腔相连通，所述围压筒的外壁上还开设有与所述容置腔连通的携砂液出口。

2.如权利要求1所述的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，其特征在于，所述裂缝模型包括可视玻璃板、可移动壁板和本体支架，所述本体支架具有沿所述本体支架轴向贯通的安装腔，所述可视玻璃板和所述可移动壁板均安装在所述安装腔内并均垂直于所述本体支架的轴线，所述可视玻璃板和所述可移动壁板均与所述安装腔的内壁面密封配合，所述可视玻璃板和所述可移动壁板围合形成所述裂缝流道。

3.如权利要求2所述的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，其特征在于，所述本体支架与所述可视玻璃板固定连接，所述可移动壁板能沿所述安装腔的内壁面往复移动，所述可移动壁板和所述本体支架之间设置有限位机构。

4.如权利要求3所述的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，其特征在于，所述限位机构包括螺纹调节丝杠和固设于所述本体支架上的固定支撑件,所述固定支撑件位于所述可移动壁板背向所述可视玻璃板的一侧并与所述可移动壁板之间具有间隔，所述螺纹调节丝杠垂直于所述可移动壁板设置，所述螺纹调节丝杠的一端顶抵在所述可移动壁板上，所述螺纹调节丝杠的另一端贯穿所述固定支撑件并与所述固定支撑件螺纹配合。

5.如权利要求2所述的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，其特征在于，所述裂缝模型还包括移动滑车，所述移动滑车包括车架和多个滑轮，每个所述滑轮均通过对应的滑轮支架能转动地安装在所述车架的底端，所述本体支架安装在所述车架的顶端。

6.如权利要求5所述的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，其特征在于，所述本体支架通过旋转支架安装在所述车架上，所述旋转支架包括两个支撑杆，两个支撑杆对称设置在所述本体支架的两侧，每个所述支撑杆均竖直设置，所述支撑杆的底端固定连接在所述车架上，所述支撑杆的顶端通过连接螺栓与所述本体支架相连接。

7.如权利要求1所述的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，其特征在于，所述携砂液出口设置在所述容置腔的顶端。

8.如权利要求1所述的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，其特征在于，所述超临界CO₂携砂模拟实验装置还包括支撑剂添加单元，所述支撑剂添加单元包括顺序串联连接储砂罐、加砂器和混砂罐，所述混砂罐的出口与所述携砂液输送管相连通。

9.如权利要求8所述的超临界CO₂缝内携砂模拟实验装置，其特征在于，所述加砂器为滚筒加砂器，所述加砂器包括外罩和滚筒，所述外罩具有中空的工作腔，所述工作腔呈水平设置的圆柱状，所述工作腔的顶端开设有与所述储砂罐相连通的加砂入口，所述工作腔的底端开设有与所述混砂罐相连通的加砂出口，所述滚筒为水平设置的圆柱体，所述滚筒能转动地安装在所述工作腔内，所述滚筒的外壁和所述工作腔的内壁间隙配合，所述滚筒的外壁上开设有用于容置支撑剂的键槽，所述键槽沿所述滚筒的周向连续开设。

10.一种超临界CO₂缝内携砂模拟实验系统，其特征在于，所述模拟实验系统至少包括顺序串联连接的CO₂液化装置、超临界CO₂发生装置、权利要求1至9中任意一项所述的超临界CO₂携砂模拟实验装置和CO₂回收装置。