CN108663289A - 一种高压条件下利用毛细管测量液态co2/n2两相体系粘度的装置及其测量方法 - Google Patents

一种高压条件下利用毛细管测量液态co2/n2两相体系粘度的装置及其测量方法 Download PDF

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左家强
张燎源
郑超
许建国
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陈实
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Abstract

一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置及其测量方法，属于油气田开发中无水压裂的技术领域。所述装置包括液态CO2/N2两相体系生成系统、粘度测试系统、低温恒温水浴箱；所述液态CO2/N2两相体系生成系统生成、混合液态CO2/N2两相体系压裂液，压裂液稳定流经所述粘度测试系统的水平毛细管路，所述粘度测试系统测量并记录实验数据，所述低温恒温水浴控制所述装置的温度，保证CO2处于液态或超临界状态。本发明装置结构简单，易于操作，在线测试实时性好，测试精度高；柱塞泵、活塞容器和回压阀可控制液态CO2/N2两相体系在水平毛细管内匀速缓慢的层流流动，不仅克服了常规粘度计无法测量高压可压缩流体的缺陷，还避免了因紊流造成的实验误差。

Description

一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的 装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置及其测量方法，属于油气田开发中无水压裂的技术领域。
背景技术
粘度是表征流体特性的一个物理量，是流体的重要物理特性和技术指标之一。粘度在冶金、食品、生物医药、石油化工、环境科学等工业部门和科学研究领域都有重要的应用，因此，流体粘度的准确测试具有非常重要的意义。在油气田开采过程中，采用液态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，是一种真正意义上的无伤害压裂工艺，压裂液的粘度影响其携砂性能及滤失性能，所以需要测量压裂液的粘度以选用最为合适的液态CO2/N2两相体系。
但是液态CO2/N2两相体系粘度测试存在以下困难：1、粘度测试仪器通常是测量其他物理量(时间、压差等)，再利用公式计算出粘度。若粘度太低，测试仪器对于测量的物理量的精度要求不够，无法计算得出准确的粘度值；2、测试条件为高压(＞8MPa)，对设备安全性以及压力、温度可变性要求很高，限制了传统粘度计的应用。
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利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置；
本发明还提供上述高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度装置的测量方法。
本发明实现了高压和变温环境下对液态CO2/N2两相体系粘度的高精度、多次重复测量。
本发明的技术方案为：
一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，所述装置包括液态CO2/N2两相体系生成系统、粘度测试系统、低温恒温水浴箱；所述粘度测试系统包括水平毛细管路；
其特征在于，所述液态CO2/N2两相体系生成系统包括CO2储罐、冷箱、N2储罐、单向阀、增压泵、混合器；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/N2两相体系压裂液；
压裂液稳定流经所述粘度测试系统的水平毛细管路，所述粘度测试系统测量并记录实验数据，所述低温恒温水浴控制所述装置的整体温度，保证CO2处于液态或超临界状态。
此处设计的优势在于，水平毛细管路作为测试段，通过粘度测试系统对实验数据的测量分析进而计算得到压裂液的粘度。
本发明公开的另一个方面，所述粘度测试系统包括柱塞泵、第一活塞容器、水平毛细管路、第二活塞容器、差压变送器、回压阀、排出液收集箱；所述第一活塞容器和所述第二活塞容器的内部均设置有可上下移动的活塞，所述活塞分别将第一活塞容器和所述第二活塞分割成上下密闭的两部分；所述混合器连通第一活塞容器的上部，液态CO2/N2两相体系进入粘度测试装置的第一活塞容器上部，所述柱塞泵连通所述第一活塞容器的下部，所述第一活塞容器上部顺序连接水平毛细管路、第二活塞容器上部；第二活塞容器下部顺序连接回压阀、排出液收集箱；所述差压变送器并联所述水平毛细管路，所述差压变送器顺序连接所述数据采集盒、计算机。差压变送器得到的实验数据由数据采集盒收集处理，并传送至计算机统计分析。
此处设计的优势在于，使用时，启动柱塞泵，压力作用于第一活塞容器的下部，使装在第一活塞容器的液态CO2/N2两相体系以恒定速度流经水平毛细管路，进入第二活塞容器上部，第二活塞容器下部装满水，被挤压排出并由排出液收集箱收集；安装于水平毛细管路两端的差压变送器会自动测量此过程产生的压差，所述数据采集盒将所述差压变送器测试并显示输出的电流信号(mA)转换为压差信号(KPa)，然后输出到所述计算机上；所述计算机安装有压力测试采集系统软件，可以实现对测试开始停止的控制，并实时监测测试数据；所述装置内设置有针阀，用于控制装置调节实验条件。
本发明公开的另一个方面，所述第一活塞容器、水平毛细管路、第二活塞容器设置在所述低温恒温水浴箱内。
此处设计的优势在于，由于液态CO2/N2两相体系状态会随着温度变化而变化，导致粘度发生改变。调节系统温度，便于准确测量液态CO2/N2两相体系在不同温度下的实时粘度。
本发明公开的另一个方面，所述低温恒温水浴箱的容积为70L，温度控制范围为-20℃～100℃。
本发明公开的另一个方面，所述柱塞泵的容积为90～110ml，流速为0.00001～45ml/min。
本发明公开的另一个方面，所述第一活塞容器、第二活塞容器的容积均为1500ml，耐压范围为40～60MPa。
此处设计的优势在于，实验过程中随压裂液的移动，第一活塞内的活塞会上移，第二活塞容器内的活塞会下移，再重复实验时可将第一活塞容器和第二活塞容器交换替代使用，可以循环多次进行，方便测量过程。
本发明公开的另一个方面，所述混合器入口端分为进气端和进液端，所述进气端连接N2储罐，所述进液端连接CO2储罐。用于混合液态CO2和N2，形成液态CO2/N2两相体系。
本发明公开的另一个方面，所述混合器和第一活塞容器之间设置有压力表。
本发明公开的另一个方面，所述水平毛细管路内径为0.2～1mm，长度为1～5m。
本发明公开的另一个方面，所述差压变送器的测试精度为0.065％，量程范围为0～1MPa。
本发明公开的另一个方面，所述排出液收集箱的容积为0.5～2L。
本发明公开的另一个方面，所述装置内各组成部件之间由连接管线连通，所述连接管线的内径为1.5mm，外径为3mm，耐压为50～60MPa。
本发明公开的另一个方面，所述水平毛细管路为不锈钢材质的水平毛细管路；所述连接管线为不锈钢材质的连接管线。
如上述利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度装置的测量方法，如下：
在测量所需气密性和所需温度下；混合生成液态CO2/N2两相体系压裂液，并注入第一活塞容器上部；液态CO2/N2两相体系压裂液流经水平毛细管路，开始粘度测量；实时导出实验数据，按照公式(I)计算被测液的粘度；在需要对被测液重复测量时，调换使用第一活塞容器和第二活塞容器，使注入被测液体的活塞容器的活塞位于容器下部，注入水的活塞容器的活塞位于容器的上部，重复前述测量步骤。
在公式(I)中，η为被测液的粘度，mPa·s；R为毛细管的半径，m；ΔP为毛细管两端的压差,Pa；Q为被测液的体积流量，m3/s；L为毛细管的长度，m。
本发明公开的另一个方面，所述混合生成液态CO2/N2两相体系压裂液，并注入第一活塞容器上部的方法为：打开CO2储罐，打开冷箱，打开增压泵，液化CO2并增压，将液态CO2泵送至混合器；同时打开N2储罐；将被测液态CO2/N2两相体系加入第一活塞容器上部，按照实验要求设置回压阀。
本发明公开的另一个方面，所述液态CO2/N2两相体系压裂液流经水平毛细管路，开始粘度测量的方法为：在第二活塞容器下部充满水；开启柱塞泵、计算机，根据实验需求设置流速并稳定运行一段时间，采集压差，利用排出液收集箱计量第二活塞容器排出水的体积，即被测液体的体积流量。
本发明公开的另一个方面，所述测量方法还包括：处理筛选实验数据，控制增压泵改变实验压力，控制低温恒温水浴箱改变实验温度，重复上述利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度装置的测量方法，绘制不同温度和压力下被测液体随时间、温度变化的粘度变化曲线。
本发明的有益效果为：
1、本发明装置结构简单，易于操作，在线测试实时性好，测试精度高；
2、本发明通过柱塞泵、活塞容器和回压阀可控制液态CO2/N2两相体系在水平毛细管内匀速缓慢的层流流动，不仅克服了常规粘度计无法测量高压可压缩流体的缺陷，还避免了因紊流造成的实验误差；
3、本发明可以通过差压变送器量程变化、毛细管管径变化，测试不同压力、温度下的液态CO2/N2两相体系粘度，还可以满足不同粘度的其他类流体在高压下的粘度测试需求；
4、本发明所述第一活塞容器和第二活塞容器交替使用，实现了液态CO2/N2两相体系粘度的循环测试和流体的重复利用，极大地节约了测试成本。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
如图1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、柱塞泵；8、压力表；9、第一活塞容器；10、第二活塞容器；11、水平毛细管路；12、差压变送器；13、数据采集盒；14、计算机；15、回压阀；16、排出液收集箱；17、低温恒温水浴箱。
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所示。
实施例1
一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，所述装置包括液态CO2/N2两相体系生成系统、粘度测试系统、低温恒温水浴箱17；所述粘度测试系统包括水平毛细管路11；
其特征在于，所述液态CO2/N2两相体系生成系统包括CO2储罐1、冷箱2、N2储罐3、单向阀4、增压泵5、混合器6；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；
压裂液稳定流经所述粘度测试系统的水平毛细管路11，所述粘度测试系统测量并记录实验数据，所述低温恒温水浴17控制所述装置的整体温度，保证CO2处于液态或超临界状态。
实施例2
如实施例1所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述粘度测试系统包括柱塞泵7、第一活塞容器9、水平毛细管路11、第二活塞容器10、差压变送器12、回压阀15、排出液收集箱16；所述第一活塞容器9和所述第二活塞容器10的内部均设置有可上下移动的活塞，所述活塞分别将第一活塞容器9和所述第二活塞分割成上下密闭的两部分；所述混合器6连通第一活塞容器9的上部，所述柱塞泵7连通所述第一活塞容器9的下部，所述第一活塞容器9上部顺序连接水平毛细管路11、第二活塞容器10上部；第二活塞容器10下部顺序连接回压阀15、排出液收集箱16；所述差压变送器12并联所述水平毛细管路11，所述差压变送器12顺序连接所述数据采集盒13、计算机14。所述计算机14安装有压力测试采集系统软件，可以实现对测试开始停止的控制，并实时监测测试数据；所述装置内设置有针阀，用于控制装置调节实验条件。
实施例3
如实施例2所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述第一活塞容器9、水平毛细管路11、第二活塞容器10设置在所述低温恒温水浴箱17内。
实施例4
如实施例1所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述低温恒温水浴箱17的容积为70L，温度控制范围为-20℃～20℃。
实施例5
如实施例3所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述柱塞泵7的容积为100ml，流速为10ml/min。
实施例6
如实施例2所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述第一活塞容器9、第二活塞容器10的容积均为1500ml，耐压范围为40～50MPa。
实施例7
如实施例1所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述混合器6入口端分为进气端和进液端，所述进气端连接N2储罐3，所述进液端连接CO2储罐1。用于混合液态CO2和N2，形成液态CO2/N2两相体系。
实施例8
如实施例1所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述混合器6和第一活塞容器9之间设置有压力表8。
实施例9
如实施例1所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述水平毛细管路11内径为0.5mm，长度为2m。
实施例10
如实施例2所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述差压变送器12的测试精度为0.065％，量程范围为0～1MPa。
实施例11
如实施例2所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述排出液收集箱16的容积为1L。
实施例12
如实施例1所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述装置内各组成部件之间由连接管线连通，所述连接管线的内径为1.5mm，外径为3mm，耐压为55MPa。
实施例13
如实施例12所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其区别在于，所述水平毛细管路11为316不锈钢材质的水平毛细管路11；所述连接管线为316不锈钢材质的连接管线。
实施例14
如实施例1-13任意一项所述的所述利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置的测量方法，如下：在测量所需气密性和所需温度下；混合生成液态CO2/N2两相体系压裂液，并注入第一活塞容器9上部；液态CO2/N2两相体系压裂液流经水平毛细管路11，开始粘度测量；实时导出实验数据，按照公式(I)计算被测液的粘度；在需要重复测量时，调换使用第一活塞容器9和第二活塞容器10，使注入被测液体的活塞容器的活塞位于容器下部，注入水的活塞容器的活塞位于容器的上部，重复前述测量步骤。
在公式(I)中，η为被测液的粘度，mPa·s；R为毛细管的半径，m；ΔP为毛细管两端的压差,Pa；Q为被测液的体积流量，m3/s；L为毛细管的长度，m。
实施例15
如实施例14所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置的测量方法，其区别在于，所述混合生成液态CO2/N2两相体系压裂液，并注入第一活塞容器上部的方法为：打开CO2储罐1，打开冷箱2，打开增压泵5，液化CO2并增压，将液态CO2泵送至混合器6；同时打开N2储罐3；将被测液态CO2/N2两相体系加入第一活塞容器9上部，按照实验要求设置回压阀15。
实施例16
如实施例14所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置的测量方法，其区别在于，所述液态CO2/N2两相体系压裂液流经水平毛细管路，开始粘度测量的方法为：在第二活塞容器10下部充满水；开启柱塞泵7、计算机14，根据实验需求设置流速并稳定运行一段时间，采集压差，利用排出液收集箱16计量第二活塞容器10排出水的体积，即被测液体的体积流量。
实施例17
如实施例14所述的所述一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置的测量方法，其区别在于，所述测量方法还包括：处理筛选实验数据，控制增压泵5改变实验压力，控制低温恒温水浴箱17改变实验温度，重复上述利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度装置的测量方法，绘制不同温度和压力下被测液体随时间、温度变化的粘度变化曲线。

Claims (9)

1.一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，所述装置包括液态CO2/N2两相体系生成系统、粘度测试系统、低温恒温水浴箱；所述粘度测试系统包括水平毛细管路；
其特征在于，所述液态CO2/N2两相体系生成系统包括CO2储罐、冷箱、N2储罐、单向阀、增压泵、混合器；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/N2两相体系压裂液；
压裂液稳定流经所述粘度测试系统的水平毛细管路，所述粘度测试系统测量并记录实验数据，所述低温恒温水浴控制所述装置的整体温度，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利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其特征在于，所述粘度测试系统包括柱塞泵、第一活塞容器、水平毛细管路、第二活塞容器、差压变送器、回压阀、排出液收集箱；所述第一活塞容器和所述第二活塞容器的内部均设置有可上下移动的活塞，所述活塞分别将第一活塞容器和所述第二活塞分割成上下密闭的两部分；所述混合器连通第一活塞容器的上部，所述柱塞泵连通所述第一活塞容器的下部，所述第一活塞容器上部顺序连接水平毛细管路、第二活塞容器上部；第二活塞容器下部顺序连接回压阀、排出液收集箱；所述差压变送器并联所述水平毛细管路，所述差压变送器顺序连接所述数据采集盒、计算机。
3.根据权利要求2所述的一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其特征在于，所述第一活塞容器、水平毛细管路、第二活塞容器设置在所述低温恒温水浴箱内；所述混合器和第一活塞容器之间设置有压力表；所述混合器入口端分为进气端和进液端，所述进气端连接N2储罐，所述进液端连接CO2储罐。
4.根据权利要求1所述的一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其特征在于，所述低温恒温水浴箱的容积为70L，温度控制范围为-20℃～100℃；所述装置内各组成部件之间由连接管线连通，所述连接管线的内径为1.5mm，外径为3mm，耐压为50～60MPa；所述柱塞泵的容积为90～110ml，流速为0.00001～45ml/min；所述第一活塞容器、第二活塞容器的容积均为1500ml，耐压范围为40～60MPa；所述水平毛细管路内径为0.2～1mm，长度为1～5m；所述差压变送器的测试精度为0.065％，量程范围为0～1MPa；所述排出液收集箱的容积为0.5～2L；所述连接管线为不锈钢材质的连接管线。
5.根据权利要求1所述的一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度的装置，其特征在于，所述水平毛细管路为不锈钢材质的水平毛细管路。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度装置的测量方法，如下：
在测量所需气密性和所需温度下；混合生成液态CO2/N2两相体系压裂液，并注入第一活塞容器上部；液态CO2/N2两相体系压裂液流经水平毛细管路，开始粘度测量；实时导出实验数据，按照公式(I)计算被测液的粘度；在需要对被测液重复测量时，调换使用第一活塞容器和第二活塞容器，使注入被测液体的活塞容器的活塞位于容器下部，注入水的活塞容器的活塞位于容器的上部，重复前述测量步骤；
在公式(I)中，η为被测液的粘度，mPa·s；R为毛细管的半径，m；ΔP为毛细管两端的压差,Pa；Q为被测液的体积流量，m3/s；L为毛细管的长度，m。
7.根据权利要求6所述的一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度装置的测量方法，其特征在于，所述混合生成液态CO2/N2两相体系压裂液，并注入第一活塞容器上部的方法为：打开CO2储罐，打开冷箱，打开增压泵，液化CO2并增压，将液态CO2泵送至混合器；同时打开N2储罐；将被测液态CO2/N2两相体系加入第一活塞容器上部，按照实验要求设置回压阀。
8.根据权利要求6所述的一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度装置的测量方法，其特征在于，所述液态CO2/N2两相体系压裂液流经水平毛细管路，开始粘度测量的方法为：在第二活塞容器下部充满水；开启柱塞泵、计算机，根据实验需求设置流速并稳定运行一段时间，采集压差，利用排出液收集箱计量第二活塞容器排出水的体积，即被测液体的体积流量。
9.根据权利要求6所述的一种高压条件下利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括，处理筛选实验数据：控制增压泵改变实验压力，控制低温恒温水浴箱改变实验温度，重复上述利用毛细管测量液态CO2/N2两相体系粘度装置的测量方法，绘制不同温度和压力下被测液体随时间、温度变化的粘度变化曲线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111595731A (zh) * 2020-06-19 2020-08-28 中国石油大学(华东) 一种驱油用非均相粘弹性颗粒溶液阻力系数测试系统及测试方法
CN114428047A (zh) * 2020-09-29 2022-05-03 中国石油化工股份有限公司 超低温二氧化碳多轮吞吐致裂页岩的装置和方法
CN111878059B (zh) * 2020-08-14 2023-06-16 中国石油天然气股份有限公司 一种毛细管法注入剖面井下流体粘度计及其组合测井仪
WO2023193108A1 (en) * 2022-04-07 2023-10-12 Wasim Kapadia Microfluidic viscometer for measuring the viscosity of microliter-volume liquid samples

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