CN109932272A - 一种co2驱替实验系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种CO2驱替实验系统及实验方法，包括气体制冷系统、气体注入系统、液体注入系统和岩心夹持系统；气体制冷系统由装有CO2的气瓶、净化器、制冷水浴、第一CO2泵和储罐依次连接组成；气体注入系统通过储罐与第二CO2泵和缓冲罐依次连接；液体注入系统包括并联的两个支路，第一支路包括第一活塞容器，第二支路由包扣第二活塞容器；液体注入系统的入口依次与注液泵、第一容器连接，出口与缓冲罐出口相连接；岩心夹持系统包括岩心夹持器；岩心夹持器连接气体注入系统和液体注入系统。本发明装置可以模拟并测试二氧化碳或者水溶液在不同排量、不同温度、不同压力、不同溶液配比情况下的对储层岩心的驱替过程，计算残余水饱和度，或者残余CO2饱和度。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳和水多相流技术领域，特别涉及一种CO2驱替实验系统及实验方法。
背景技术
近年来，二氧化碳无水压裂技术，CO2驱替开发非常规天然气，以及CO2地质埋存等有关技术正逐渐成为当前人们研究的热点。它们均涉及到关于CO2和水(或水溶液，或水力压裂液)在储层的两相渗流或者驱替的过程。
然而，现有的驱替实验系统仅仅针对气相驱替或者液相驱替，或者注入压力波动较大，造成实验误差较大，无法同时满足CO2和水(或水溶液，或水力压裂液)在储层的两相渗流和驱替的过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CO2驱替实验系统及实验方法，以解决上述技术问题；本发明装置可以模拟并测试二氧化碳或者水溶液在不同排量、不同温度、不同压力、不同溶液配比情况下的对储层岩心的驱替过程，计算残余水饱和度，或者残余CO2饱和度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种CO2驱替实验系统，包括气体制冷系统、气体注入系统、液体注入系统和岩心夹持系统；
所述气体制冷系统由装有CO2的气瓶(1)、第一阀(2)、净化器(3)、第二阀(4)、制冷水浴(5)、第五阀(10)、第一CO2泵(11)、第六阀(12)和储罐(14)依次连接组成；制冷水浴(5)经过第四阀(7)、过滤器(8)与储罐(14)的顶部相连接；
所述气体注入系统通过储罐(14)与第二CO2泵(15)和缓冲罐(19)依次连接，此外，缓冲罐(19)的底部连接有由第八阀(20)控制的放空支路；
所述液体注入系统包括并联的两个支路，第一支路包括第一活塞容器(24)，第二支路由包扣第二活塞容器(25)；液体注入系统的入口分别经过第十二阀(26)、第十三阀(27)与注液泵(28)、第一容器(29)连接，出口分别经过第十阀(22)、第十一阀(23)与缓冲罐(19)出口相连接；
所述岩心夹持系统包括岩心夹持器(33)；岩心夹持器(33)连接气体注入系统和液体注入系统。
进一步的，还包括回环压系统、计量系统和抽真空系统；
所述回环压系统包括依次连接的手摇泵(36)、第十六阀(38)、第六压力计(40)和回压阀(41)；岩心夹持器(33)侧面依次通过第四压力计(34)、第十五阀(35)与手摇泵(36)相连接；手摇泵(36)通过阀门能够控制输出回压和环压的大小；岩心夹持器(33)的出口依次通过第五压力计(37)、第十七阀(39)连接回压阀(41)的第一入口；
所述计量系统包括气液分离器(43)；回压阀(41)的出口连接气液分离器(43)的入口；气液分离器(43)的底部出口与第二容器(45)相连接，第二容器(45)的底部设置有天平(44)；气液分离器(43)的顶部设有气体流量计(42)；
所述抽真空系统包括真空泵(30)，通过管线连接在第九阀(21)和第十四阀(31)之间。
进一步的，CO2的气瓶(1)与净化器(3)之间设有第一阀(2)；净化器(3)与制冷水浴(5)之间设有第二阀(4)；制冷水浴(5)与第一CO2泵(11)之间设有第五阀(10)；第一CO2泵(11)与储罐(14)之间设有第六阀(12)；制冷水浴(5)依次经过第四阀(7)、过滤器(8)与储罐(14)的顶部相连接；在制冷水浴(5)的顶部还设置有通过第三阀(6)控制的第一放空支路；储罐(14)的顶部设置有第一压力计(13)和温度计(9)。
进一步的，缓冲罐(19)与岩心夹持器(33)之间设有第九阀(21)和第十四阀(31)，缓冲罐(19)的底部连接有第八阀(20)控制的第二放空支路；缓冲罐(19)的顶部连接有第二压力计(17)、安全阀(18)和由第七阀(16)控制的第三放空支路；
液体注入系统的第一支路由第十阀(22)、第一活塞容器(24)、第十二阀(26)依次连接组成，第二支路由第十一阀(23)、第二活塞容器(25)、第十三阀(27)依次连接组成；液体注入系统的出口连接第九阀(21)和第十四阀(31)之间；
岩心夹持系统包括依次连接的第十四阀(31)、第三压力计(32)、岩心夹持器(33)、第五压力计(37)和第十七阀(39)；岩心夹持器(33)侧面设置有第四压力计(34)。
进一步的，气体注入系统中第一CO2泵(11)采用双杠恒速恒压泵，第一CO2泵(11)的入口端经过第五阀(10)连接在制冷水浴(5)的底部，出口端经过第六阀(12)连接在储罐(14)的底部；第二CO2泵(15)能够根据出口压力，控制CO2输出的启动或者暂停，保证缓冲罐(19)中压力恒定。
进一步的，所述抽真空系统用于在实验前，抽出岩样空隙和仪器系统中空气，消除空气对实验测试精度的干扰。
进一步的，岩心夹持系统内部含有包裹实验岩心的套管。
进一步的，气体流量计(42)为湿式气体流量计；天平(44)选用精度万分之一以上的高精度天平。
一种CO2驱替实验方法，包括以下步骤：
步骤1，对岩心孔隙度、孔隙体积、渗透率、进行测试；
步骤2，将岩心放置于烤箱内烘干，去除其内部水分，随后称取岩心干重M0；
步骤3，将称取岩心干重后的岩心放置于岩心夹持器(33)，并且关闭第九阀(21)、第十阀(22)、第十一阀(23)、第十五阀(35)和第十七阀(39)，打开抽真空系统抽真空；
步骤4，将实验用的水溶液放置于第一活塞容器(24)或者第二活塞容器(25)的上部；打开注液泵(28)将第一容器(29)中清水吸入，将实验用水溶液驱替经过岩心夹持器(33)中的岩样，使之饱和水溶液，然后取出岩样称重M1；
步骤5，打开第一阀(2)、第二阀(4)、第五阀(10)、第六阀(12)，使得CO2气体经过第一CO2泵进入储罐(14)，同时调节制冷水浴(5)和储罐(14)的温度至设定温度；
调节第二CO2泵(15)，使得缓冲罐(19)中CO2保持在实验设定的稳定压力，并且不断输入到岩心夹持器(33)中，使得其中的岩样饱和CO2，然后对岩样称重M2；则在这一实验条件下的残余水饱和度Swr为：
Swr＝(M2-M0)/(M1-M0)；
步骤6，改变实验条件，调节不同温度、不同压力、不同排量以及不同液体配比，根据预先测得的岩心原始渗透率，得到相应条件下对储层岩心造成的伤害程度。
进一步的，步骤4-5中，改变饱和与驱替的先后顺序，先让岩心用CO2驱替，使其饱和CO2，然后用水溶液驱替；假设岩心中CO2质量为M3，管道中CO2质量为M4，从岩心中流出的CO2质量为M5，以溶解条件流出CO2质量为M6，实验结束时温度压力条件下密度为R，岩心样品孔隙体积为V，则根据质量守恒定律，计算残留在岩样内部超临界CO2饱和度为Sgr：
Sgr＝(M3+M4-M5-M6)/(RV)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明专用于模拟并测试二氧化碳和水在不同温度、不同压力、不同排量、不同液体配比的情况下的对储层岩心的伤害程度。
(2)气体制冷系统包括制冷水浴5可以灵活控制输出CO2温度，保证需要时以液态形式用第一CO2泵输出。
(3)第一CO2泵11采用双杠恒速恒压泵，它保证CO2液体恒定压力或者恒定流量输出。制冷水浴5和储罐14顶部通过第四阀7和过滤器8连接，可以用于调节二者内部压力，且设计有第三阀6起到防控作用。储罐14设计有控温功能，保证内部CO2为液态。此外设计有缓冲罐19可以起到压力缓冲作用，有利于实验压力平稳进行。第二CO2泵15可以根据出口压力，控制CO2输出的启动或者暂停，保证缓冲罐19中压力恒定。
(4)真空泵30在实验前，抽出岩样空隙和仪器系统中空气，消除空气对实验的干扰。
(5)岩心夹持系统内部含有包裹实验岩心的套管，采用耐高温耐酸的材质，且有很高的延展性，可以避免实验过程中CO2对其腐蚀。
(6)液体注入系统设计有第一活塞容器24和第二活塞容器25，可以根据工作需要，通过阀门灵活控制，选择一个或者两个同时工作。
(7)回环压系统通过手摇泵36和阀门灵活控制，控制压力稳定，便于操作。
(8)计量系统中气体流量计42为湿式气体流量计。天平44选用高精度天平，精度万分之一以上。气液分离器43可以将经过它的CO2和液体分离，便于计量及称重。
(9)本发明所有连接管线均采用316L管线，以防CO2无水压裂液对管线的酸性腐蚀。
附图说明
图1是本发明一种CO2驱替实验系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明提供一种CO2驱替实验系统，包括气体制冷系统、抽真空系统、气体注入系统、液体注入系统、岩心夹持系统、回环压系统和计量系统。
气体制冷系统由装有CO2的气瓶1、第一阀2、净化器3、第二阀4、制冷水浴5、第五阀10、第一CO2泵11、第六阀12、储罐14依次连接组成。此外，制冷水浴5依次经过第四阀7、过滤器8与储罐14的顶部相连接。在制冷水浴5的顶部还设计有通过第三阀6控制的放空支路。储罐14的顶部设计有第一压力计13和温度计9。
气体注入系统通过储罐14与第二CO2泵15、缓冲罐19、第九阀21依次连接，此外，缓冲罐19的底部连接有第八阀20控制的放空支路，放置液体进入后，对其进行排空；缓冲罐19的顶部连接有第二压力计17、安全阀18和由第七阀16控制的放空支路。
液体注入系统包含并联的两个支路，第一支路由第十阀22、第一活塞容器24、第十二阀26依次连接，第二支路由第十一阀23、第二活塞容器25、第十三阀27依次连接；液体注入系统的入口依次与注液泵28、第一容器29连接，其出口与第九阀21出口相连接。
岩心夹持系统包括依次连接的第十四阀31、岩心夹持器33和第十七阀39，其中紧邻岩心夹持器33出入口两端分别连接有第三压力计32和第五压力计37。岩心夹持器33侧面设计有第四压力计34，可以用于计量其环压。
回环压系统包括依次连接的手摇泵36、第十六阀38和回压阀41；第十六阀38的出口管路安装有第六压力计40。此外，岩心夹持器33侧面依次通过第四压力计34、第十五阀35与手摇泵36相连接。手摇泵36可以通过阀门灵活控制输出回压、环压的大小。
计量系统包括气液分离器43和气体流量计42；第十七阀39的输出端连接回压阀41的第一入口，第十六阀38的出口连接回压阀41的第二入口，回压阀41的出口连接气液分离器43；气液分离器43的顶部设有气体流量计42。气液分离器43的底部出口与第二容器45相连接，第二容器45的底部设计有天平44。计量系统还包括位于岩心入口端和出口端的第三压力计32和第五压力计37。气体流量计42采用湿式气体流量计。
抽真空系统由真空泵30组成，连接在第九阀21与第十四阀31之间。
气体制冷系统包括制冷水浴5，制冷水浴5可以灵活控制输出CO2温度，保证需要时以液态形式用第一CO2泵输出。
气体注入系统中第一CO2泵11采用双杠恒速恒压泵，它的入口端连接在制冷水浴5的底部，保证CO2液体恒定压力或者恒定流量输出，出口端连接在储罐14的底部。储罐14设计有控温功能，保证内部CO2为液态。此外设计有缓冲罐19可以起到压力缓冲作用，利于实验压力平稳进行。第二CO2泵15可以根据出口压力，控制CO2输出的启动或者暂停，保证缓冲罐19中压力恒定。
抽真空系统用真空泵30在实验前，抽出岩样空隙和仪器系统中空气，消除空气对实验的干扰。
岩心夹持系统内部含有包裹实验岩心的套管，采用耐高温耐酸的材质，且有很高的延展性，可以避免实验过程中CO2对其腐蚀。
液体注入系统设计有第一活塞容器24和第二活塞容器25，可以根据工作需要，通过阀门灵活控制。
回环压系统通过手摇泵36和阀门灵活控制，增减压力。
本发明一种CO2驱替试验装置工作时，其测试方法步骤如下：
步骤1，对岩心孔隙度、孔隙体积、渗透率、进行测试。
步骤2，将岩心放置于烤箱内一定时间(例如24小时)，去除其内部水分，随后称取岩心干重M0。
步骤3，将称取岩心干重后的岩心放置于岩心夹持器33，并且关闭第九阀21、第十阀22、第十一阀23、第十五阀35和第十七阀39，打开真空泵30抽真空。
步骤4，将实验用的水溶液(或者压裂液)放置于第一活塞容器24或者第二活塞容器25的上部。打开注液泵28将第一容器29中清水吸入，将实验用水溶液驱替经过岩心夹持器33中的岩样，使之饱和水，然后取出岩样称重M1。
步骤5，打开第一阀2、第二阀4、第五阀10、第六阀12，使得CO2气体经过第一CO2泵进入储罐14，同时调节好制冷水浴5和储罐14的温度，到适当的实验温度。
调节好第二CO2泵15，使得缓冲罐19中CO2保持在实验需要的稳定压力，并且不断输入到岩心夹持器33中，使得其中的岩样饱和CO2，然后对岩样称重M2。则表明在这一实验条件下的残余水饱和度Swr为：
Swr＝(M2-M0)/(M1-M0)
步骤6，改变实验条件，调节不同温度、不同压力、不同排量以及不同溶液(或压裂液)配比，测试该条件下的岩心渗透率Ki，对比预先测得的岩心原始渗透率K0，得到相应条件下对储层岩心造成的伤害程度F。
F＝(K0-Ki)/K0×100％
同理，改变饱和与驱替的先后顺序，先向岩心注入CO2，使其饱和CO2，然后用水溶液驱替。假设经过第二CO2泵15累计进入实验管道中CO2质量为M3，残留在第二CO2泵15和岩心夹持器33入口端之前的管路系统中CO2质量为M4(可以通过测量管路体积与该条件下CO2密度乘积计量到)，从岩心中流出的CO2质量为M5(纯CO2气体)，通过气液分离器43分离出以溶解条件流出CO2质量为M6，实验结束时候岩心夹持器33内部温度、压力条件下密度为R，岩心样品孔隙体积为V，则根据质量守恒定律，可以计算残留在岩样内部超临界CO2饱和度为Sgr：
Sgr＝(M3-M4-M5-M6)/(RV)。
本发明一种CO2驱替实验系统，可以模拟并测试二氧化碳和水溶液(或者水力压裂液)在不同排量、不同温度、不同压力、及不同流速情况下，对储层岩心的伤害程度，可以计算残余水饱和度，或者残余CO2饱和度。
Claims (10)
1.一种CO2驱替实验系统，其特征在于，包括气体制冷系统、气体注入系统、液体注入系统和岩心夹持系统；
所述气体制冷系统由装有CO2的气瓶(1)、第一阀(2)、净化器(3)、第二阀(4)、制冷水浴(5)、第五阀(10)、第一CO2泵(11)、第六阀(12)和储罐(14)依次连接组成；制冷水浴(5)经过第四阀(7)、过滤器(8)与储罐(14)的顶部相连接；
所述气体注入系统通过储罐(14)与第二CO2泵(15)和缓冲罐(19)依次连接，此外，缓冲罐(19)的底部连接有由第八阀(20)控制的放空支路；
所述液体注入系统包括并联的两个支路，第一支路包括第一活塞容器(24)，第二支路由包扣第二活塞容器(25)；液体注入系统的入口分别经过第十二阀(26)、第十三阀(27)与注液泵(28)、第一容器(29)连接，出口分别经过第十阀(22)、第十一阀(23)与缓冲罐(19)出口相连接；
所述岩心夹持系统包括岩心夹持器(33)；岩心夹持器(33)连接气体注入系统和液体注入系统。
2.根据权利要求1所述的一种CO2驱替实验系统，其特征在于，还包括回环压系统、计量系统和抽真空系统；
所述回环压系统包括依次连接的手摇泵(36)、第十六阀(38)、第六压力计(40)和回压阀(41)；岩心夹持器(33)侧面依次通过第四压力计(34)、第十五阀(35)与手摇泵(36)相连接；手摇泵(36)通过阀门能够控制输出回压和环压的大小；岩心夹持器(33)的出口依次通过第五压力计(37)、第十七阀(39)连接回压阀(41)的第一入口；
所述计量系统包括气液分离器(43)；回压阀(41)的出口连接气液分离器(43)的入口；气液分离器(43)的底部出口与第二容器(45)相连接，第二容器(45)的底部设置有天平(44)；气液分离器(43)的顶部设有气体流量计(42)；
所述抽真空系统包括真空泵(30)，通过管线连接在第九阀(21)和第十四阀(31)之间。
3.根据权利要求2所述的一种CO2驱替实验系统，其特征在于，CO2的气瓶(1)与净化器(3)之间设有第一阀(2)；净化器(3)与制冷水浴(5)之间设有第二阀(4)；制冷水浴(5)与第一CO2泵(11)之间设有第五阀(10)；第一CO2泵(11)与储罐(14)之间设有第六阀(12)；制冷水浴(5)依次经过第四阀(7)、过滤器(8)与储罐(14)的顶部相连接；在制冷水浴(5)的顶部还设置有通过第三阀(6)控制的第一放空支路；储罐(14)的顶部设置有第一压力计(13)和温度计(9)。
4.根据权利要求3所述的一种CO2驱替实验系统，其特征在于，缓冲罐(19)与岩心夹持器(33)之间设有第九阀(21)和第十四阀(31)，缓冲罐(19)的底部连接有第八阀(20)控制的第二放空支路；缓冲罐(19)的顶部连接有第二压力计(17)、安全阀(18)和由第七阀(16)控制的第三放空支路；
液体注入系统的第一支路由第十阀(22)、第一活塞容器(24)、第十二阀(26)依次连接组成，第二支路由第十一阀(23)、第二活塞容器(25)、第十三阀(27)依次连接组成；液体注入系统的出口连接第九阀(21)和第十四阀(31)之间；
岩心夹持系统包括依次连接的第十四阀(31)、第三压力计(32)、岩心夹持器(33)、第五压力计(37)和第十七阀(39)；岩心夹持器(33)侧面设置有第四压力计(34)。
5.根据权利要求4所述的一种CO2驱替实验系统，其特征在于，气体注入系统中第一CO2泵(11)采用双杠恒速恒压泵，第一CO2泵(11)的入口端经过第五阀(10)连接在制冷水浴(5)的底部，出口端经过第六阀(12)连接在储罐(14)的底部；第二CO2泵(15)能够根据出口压力，控制CO2输出的启动或者暂停，保证缓冲罐(19)中压力恒定。
6.根据权利要求4所述的一种CO2驱替实验系统，其特征在于，所述抽真空系统用于在实验前，抽出岩样空隙和仪器系统中空气，消除空气对实验测试精度的干扰。
7.根据权利要求4所述的一种CO2驱替实验系统，其特征在于，岩心夹持系统内部含有包裹实验岩心的套管。
8.根据权利要求4所述的一种CO2驱替实验系统，其特征在于，气体流量计(42)为湿式气体流量计；天平(44)选用精度万分之一以上的高精度天平。
9.一种CO2驱替实验方法，其特征在于，基于权利要求4所述的一种CO2驱替实验系统，包括以下步骤：
步骤1，对岩心孔隙度、孔隙体积、渗透率、进行测试；
步骤2，将岩心放置于烤箱内烘干，去除其内部水分，随后称取岩心干重M0；
步骤3，将称取岩心干重后的岩心放置于岩心夹持器(33)，并且关闭第九阀(21)、第十阀(22)、第十一阀(23)、第十五阀(35)和第十七阀(39)，打开抽真空系统抽真空；
步骤4，将实验用的水溶液放置于第一活塞容器(24)或者第二活塞容器(25)的上部；打开注液泵(28)将第一容器(29)中清水吸入，将实验用水溶液驱替经过岩心夹持器(33)中的岩样，使之饱和水溶液，然后取出岩样称重M1；
步骤5，打开第一阀(2)、第二阀(4)、第五阀(10)、第六阀(12)，使得CO2气体经过第一CO2泵进入储罐(14)，同时调节制冷水浴(5)和储罐(14)的温度至设定温度；
调节第二CO2泵(15)，使得缓冲罐(19)中CO2保持在实验设定的稳定压力，并且不断输入到岩心夹持器(33)中，使得其中的岩样饱和CO2，然后对岩样称重M2；则在这一实验条件下的残余水饱和度Swr为：
Swr＝(M2-M0)/(M1-M0)；
步骤6，改变实验条件，调节不同温度、不同压力、不同排量以及不同液体配比，根据预先测得的岩心原始渗透率，得到相应条件下对储层岩心造成的伤害程度。
10.根据权利要求9所述的一种CO2驱替实验方法，其特征在于，步骤4-5中，改变饱和与驱替的先后顺序，先让岩心用CO2驱替，使其饱和CO2，然后用水溶液驱替；假设岩心中CO2质量为M3，管道中CO2质量为M4，从岩心中流出的CO2质量为M5，以溶解条件流出CO2质量为M6，实验结束时温度压力条件下密度为R，岩心样品孔隙体积为V，则根据质量守恒定律，计算残留在岩样内部超临界CO2饱和度为Sgr：
Sgr＝(M3+M4-M5-M6)/(RV)。
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