CN109932272B - 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 (3)
1.一种CO2驱替实验方法,其特征在于,基于一种CO2驱替实验系统,所述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;
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;
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)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);
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);
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;
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;
所述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;
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)。
2.根据权利要求1所述的一种CO2驱替实验方法,其特征在于,岩心夹持系统内部含有包裹实验岩心的套管。
3.根据权利要求1所述的一种CO2驱替实验方法,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。
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