CN110132959A - 超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置，属于油气开采领域，包括可视化裂缝模拟机构，所述可视化裂缝模拟机构构造成能够模拟裂缝，并记录超临界二氧化碳增粘后的携砂效果；连接所述可视化裂缝模拟机构的入口的混砂器，所述混砂器构造成能够向所述可视化裂缝模拟机构输入支撑剂颗粒；以及连接所述可视化裂缝模拟机构的入口的超临界二氧化碳输入机构，所述超临界二氧化碳输入机构构造成能够向所述可视化裂缝模拟机构输入混有增粘剂的超临界二氧化碳流体。能够观察并记录支撑剂和增粘后的超临界二氧化碳两相运动过程，并获取颗粒运动参数，从而对超临界二氧化碳增粘后的携砂效果进行评价。

Description

超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置和方法，属于油气开采领域。

背景技术

超临界二氧化碳是一种新型、清洁、高效的压裂液，具有常规水力压裂不可比拟的优势。超临界二氧化碳具有高密度、低粘度、低表面张力以及高扩散系数的优点，并具有良好的传热和传质性能。超临界二氧化碳作为压裂液对储层没有伤害，可有效避免近井地层堵塞，能够保护油气层、改善储层渗透性的作用。并且，超临界二氧化碳非常容易返排。此外，超临界二氧化碳压裂液还可以使致密的粘土砂层脱水，打开砂层孔道，降低井壁表皮系数。

但超临界二氧化碳的粘度极低，与气体粘度相当，其携砂能力差是制约其现场应用的核心因素之一。为了提高其携砂性能，国内外学者已经针对超临界二氧化碳增粘开展了初步研究，优选并合成了包括小分子增粘剂、小分子表面活性剂以及聚合物等不同类型的增粘剂，其中，有机硅聚合物和含氟聚合物的增粘效果较好，可使超临界二氧化碳粘度增大90倍。

然而，目前针对超临界二氧化碳增粘效果的研究，主要评价标准是粘度增加倍数，但粘度增加多少倍才能满足携砂需求，或者粘度的提高如何换算成携砂能力的增强，目前还没有很好的解决这一问题，导致现有的超临界二氧化碳增粘研究缺乏有效的评价方法，缺乏目标性和针对性，一味地追求粘度的提高可能导致增粘剂成本的上升，不利于现场大规模推广应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置和方法，能够观察并记录支撑剂和增粘后的超临界二氧化碳两相运动过程，并获取颗粒运动参数，从而对超临界二氧化碳增粘后的携砂效果进行评价。

本发明的提出了一种超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置，包括：

可视化裂缝模拟机构，所述可视化裂缝模拟机构构造成能够模拟裂缝，并记录超临界二氧化碳增粘后的携砂效果；

连接所述可视化裂缝模拟机构的入口的混砂器，所述混砂器构造成能够向所述可视化裂缝模拟机构输入支撑剂颗粒；以及

连接所述可视化裂缝模拟机构的入口的超临界二氧化碳输入机构，所述超临界二氧化碳输入机构构造成能够向所述可视化裂缝模拟机构输入混有增粘剂的超临界二氧化碳流体。

本发明的进一步改进在于，所述可视化裂缝模拟机构包括模拟裂缝主体，设置在模拟裂缝主体上的摄像装置，以及设置在所述模拟裂缝主体出口的集砂器。

本发明的进一步改进在于，所述模拟裂缝主体上还设置第一压力传感器和第一温度传感器。

本发明的进一步改进在于，所述模拟裂缝主体底部设置可转动支架。

本发明的进一步改进在于，所述模拟裂缝主体下部设置放空阀。

本发明的进一步改进在于，所述超临界二氧化碳输入机构包括二氧化碳气源，连接所述二氧化碳气源的柱塞增压泵，连接所述柱塞增压泵的油浴加热器，以及连接所述油浴加热器的混溶器；

其中，所述混溶器内储存有增粘剂，所述混溶器的出口连接所述可视化模拟机构的入口。

本发明的进一步改进在于，所述混溶器上设置第二压力传感器和第二温度传感器，并且所述混溶器的入口处设置第一截止阀，所述混溶器出口处设置第二截止阀。

本发明的进一步改进在于，所述二氧化碳气源和所述油浴加热器之间设有缓冲罐，所述缓冲罐入口前设置调压阀。

本发明的进一步改进在于，所述混溶器与所述可视化裂缝模拟机构之间设有电磁流量计。

本发明的另一方面提出了一种超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验方法，包括：

步骤一，预置支撑剂和超临界二氧化碳流体，在混砂器内填满支撑剂；通过超临界二氧化碳输入机构对二氧化碳气体进行增压和油浴加热达到超临界状态，然后经过混合增粘剂后注入到可视化裂缝模拟机构内；

步骤二，支撑剂静态沉降速度测量，将可视化裂缝模拟机构垂直放置，在静态条件下，加入一定量支撑剂颗粒，采集实验过程中的图像，记录支撑剂沉降的过程；

步骤三，支撑剂动态沉降速度测量，将可视化裂缝模拟机构水平放置并固定，打开可视化裂缝模拟机构的出口，加入一定量的支撑剂颗粒，所述支撑剂颗粒随超临界二氧化碳流体运移，采集实验过程中的图像，记录支撑剂沉降的过程；

步骤四，超临界二氧化碳增粘携砂评价，将步骤二和步骤三中采集的图像信息，通过图像处理技术计算支撑剂在增粘后的超临界二氧化碳中的运动参数，利用公知的计算方法计算支撑剂在超临界二氧化碳的输送参数，从而得到超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果的实验结果。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述的超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置，能够观察并记录支撑剂和增粘后的超临界二氧化碳两相运动过程，并获取颗粒运动参数，从而对超临界二氧化碳增粘后的携砂效果进行评价。在所述模拟裂缝主体设有摄像装置，其能够拍摄拍摄实验录像，并将实验录像数据通过图像处理技术，计算出支撑剂在增粘后的超临界二氧化碳流体中的运动参数。

在本发明所述的超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置中，通过在模拟裂缝主体上设置第一压力传感器和第二压力传感器，能够测量不同温度和气压下的超临界二氧化碳流体的携砂效果。从而使实验结果更加全面、更加准确。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、可视化裂缝模拟机构，2、超临界二氧化碳输入机构，3、混砂器，11、模拟裂缝主体，12、集砂器，13、第一压力传感器，14、第一温度传感器，15、可转动支架，16、放空阀，21、二氧化碳气源，22、缓冲罐，23、柱塞增压泵，24、油浴加热器，25、混溶器，26、第二压力传感器，27、第二温度传感器，28、第一截止阀，29、第二截止阀，30、调压阀，31、电磁流量计，32、调节装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的一个超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置。根据本发明的超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置，能够观察并记录支撑剂和增粘后的超临界二氧化碳两相运动过程，并获取颗粒运动参数，从而对超临界二氧化碳增粘后的携砂效果进行评价。

如图1所示，本实施例所述的超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置，包括可视化裂缝模拟机构1。所述可视化裂缝模拟机构1构造成能够模拟裂缝，并接入超临界二氧化碳增粘后的流体进行压裂实验。在实验过程中可以看到压裂的过程并记录实验数据，从而根据实验数据的到超临界二氧化碳增粘后的携砂效果。本实施例所述评价实验装置还包括混砂器3，所述混砂器3设置在所述可视化裂缝模拟机构1上端，并且所述混砂器3构造成能够向所述可视化裂缝模拟机构1输入支撑剂颗粒。在本实施例中，所述混砂器3上设置调节阀，用于调节支撑剂注入可视化裂缝模拟机构1的速度。本实施例所述评价实验装置还包括超临界二氧化碳输入机构2，所述超临界二氧化碳输入机构2连接所述可视化裂缝模拟机构1的入口。所述超临界二氧化碳输入机构2构造成能够向所述可视化模拟机构输入混有增粘剂的超临界二氧化碳流体。

在使用根据本实施例所述的超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置时，超临界二氧化碳输入机构2产生超临界二氧化碳流体，并混合增粘剂实现混溶增粘。进而，超临界二氧化碳输入机构2将增粘后的超临界二氧化碳流体从可视化裂缝模拟机构1的入口注入。混砂器3向所述可视化裂缝模拟机构1内注入一定量的支撑剂颗粒。通过可视化裂缝模拟机构1记录实验结果，并根据支撑剂的沉降情况计算超临界二氧化碳流体的携砂能力。

在一个实施例中，可视化裂缝模拟机构1包括模拟裂缝主体11，设置在模拟裂缝主体11上的摄像装置，以及设置在所述模拟裂缝主体11出口的集砂器12。所述模拟裂缝主体11下部设置放空阀16。在本实施例中，所述模拟裂缝主体11用于模拟裂缝。所述摄像装置能够拍摄拍摄实验录像，并将实验录像数据通过图像处理技术，计算出支撑剂在增粘后的超临界二氧化碳流体中的运动参数。从而能够得到支撑剂的沉降数据和运移数据，这样就可以通过现有的计算方法计算出超临界二氧化碳的携砂效果。

在一个实施例中，所述模拟裂缝主体11上还设置第一压力传感器13和第一温度传感器14。所述模拟裂缝主体11的两侧分别设置一组观察窗。优选地，观察窗为两组，相对设置在裂缝主体11的两侧。每组观察窗包括两块耐高压石英玻璃，实现模拟裂缝高压条件下的可视化。

本实施例中的第一压力传感器13能够测量模拟裂缝主体11内的气压。所述第一温度传感器14能够测量模拟裂缝主体11内的温度。这样，本实施例所述评价实验装置能够测量不同温度和气压下的超临界二氧化碳流体的携砂效果。从而使实验结果更加全面、更加准确。本实施例通过设置观察窗实现模拟裂缝主体11高压条件下的可视化。

在一个实施例中，所述模拟裂缝主体11底部设置可转动支架15。设置可转动支架，可以实现模块垂直和水平方向的转动，用于测量不同方向的两相流动。优选地，所述可转动支架15包括连接件，所述连接件可转动地套接在所述模拟裂缝主体11的底部。所述可旋转支架还包括支撑脚和底座。

在一个优选实施例中，所述混砂器3的出口设置调节装置32。所述调节装置32构造成能够调节混砂器3内支撑剂向模拟裂缝主体11内流入的速度。在一个优选地实施例中，所述调节装置包括螺杆，所述螺杆上设置若干不同深度的凹槽。在转动螺杆时，能够调节不同深度的凹槽对准混砂器的出口，从而调节支撑剂的流量，以现少量精细化加砂。

在一个实施例中，所述超临界二氧化碳输入机构2包括二氧化碳气源21。二氧化碳气源21的输出端连接柱塞增压泵23的输入端。柱塞增压泵23的输出端连接所述柱塞增压泵23的油浴加热器24的输入端。油浴加热器24的输出端连接混溶器25的入口。最后，所述混溶器25的出口连接所述可视化模拟机构的入口。其中，所述混溶器内存储有增黏剂。

在使用根据本实施例所述的评价实验装置时，所述超临界二氧化碳输入机构2能够产生超临界二氧化碳流体，并混合增粘剂。增粘后的超临界二氧化碳流体注入可视化模拟机构内。在本实施例中，所述二氧化碳气源21提供二氧化碳气体。二氧化碳气体通过柱塞增压泵23和油浴加热器24后成为超临界二氧化碳流体。超临界二氧化碳流体在所述混溶器中混入增粘剂，最后通过可视化模拟机构的入口进入可视化模拟机构内。

在一个优选实施例中，所述混溶器上设置第二压力传感器26和第二温度传感器27。在本实施例中，所述混溶器的入口处设置第一截止阀28，所述混溶器25出口处设置第二截止阀29。并且，所述混溶器25配有搅拌器，提高混溶速度和质量。所述混溶器25上设置保温层。

在根据本实施例所述的评价实验装置中，混溶器25的前后分别设置第一截止阀28和第二截止阀29。在超临界二氧化碳流体在混溶器25中进行增粘化处理时，关闭第一截止阀28和第二截止阀29，防止超临界二氧化碳流体流入或流出，从而保证超临界二氧化碳流体能够与增粘剂充分混合。

在一个实施例中，所述二氧化碳气源21和所述油浴加热器24之间设有缓冲罐22。所述缓冲罐22入口前设置调压阀30。在实验过程中，由于二氧化碳气源21输出二氧化碳气体时不能保证均匀输出。设置缓冲罐22后能够保证输出的二氧化碳气体平稳、均匀。当缓冲罐22中的压力过大或过小时，通过调节调压阀30能够调节气压。

在一个优选实施例中，所述混溶器25与所述可视化裂缝模拟机构1之间设有电磁流量计31。所述电磁流量计31能够

在一个实施例中，所述混溶器25与所述可视化裂缝模拟机构1之间设有电磁流量计。在本实施例中，设置电磁流量计后能够直观地测量超临界二氧化碳流体的流量。从而根据实验需要调节超临界二氧化碳流体的输入速度。

根据本发明的另一个方面，提出了一种超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置来评价超临界二氧化碳压裂液的增粘携砂效果的实验方法。所述方法包括：

步骤一，在混砂器内预置支撑剂，并通过超临界二氧化碳输入机构将增粘后的超临界二氧化碳气体注入到可视化裂缝模拟机构内。

步骤二，将可视化裂缝模拟机构垂直放置，得到支撑的剂沉降数据。

步骤三，将可视化裂缝模拟机构水平放置并固定，记录支撑剂的运移数据。

步骤四，根据支撑剂的沉降数据和运移数据得到支撑剂的沉降速度和运移速度，由此计算支撑剂在超临界二氧化碳气体中的输送参数，以对超临界二氧化碳压裂液的增粘携砂效果进行评价。

在一个具体的实验中，

步骤一，预置支撑剂和超临界二氧化碳流体，在混砂器内填满支撑剂，在本实施例中采用30/50目的支撑剂。由于实验装置在运行时，处于高压状态，因此，需要实验前，在混砂罐内预置支撑剂，支撑剂要填满混砂罐，确保在水平条件下顺利加砂。在混溶罐内预置增粘剂。之后，将二氧化碳通过增压泵增压和油浴加热达到超临界状态，并在混溶器25内实现混溶增粘，然后将增粘后的二氧化碳注入可视化模拟裂缝机构中。

步骤二，支撑剂静态沉降速度测量，将模拟裂缝垂直放置，在静态条件下，通过螺杆加入少量支撑剂颗粒，采用高速摄像系统，记录支撑剂沉降的过程；

步骤三，支撑剂动态沉降速度测量，将模拟裂缝水平放置并固定，此时，打开放空阀，并旋转螺杆，加入支撑剂颗粒，混溶器及模拟裂缝中的超临界二氧化碳在压差作用下，携带支撑剂运移，采用高速摄像系统，记录支撑剂运移的过程。

步骤四，超临界二氧化碳增粘携砂评价，将步骤二和步骤三中采集的图像信息，通过图像处理技术计算支撑剂在增粘后的超临界二氧化碳中的运动参数。

通过上述步骤做的一个具体的实验中，得到支撑剂的沉降和运移速度分别为0.9m/s和1.1m/s，采用沉降模型，计算支撑剂在超临界二氧化碳的输送参数，在本实施例中得到平衡流速为0.81m/s，平衡高度为0.54m，与纯超临界二氧化碳相比，增粘剂对于携砂效果提高了115％。

在另一个具体的实验中，支撑剂的沉降和运移速度分别为0.7m/s和1.6m/s，采用沉降模型，计算支撑剂在超临界二氧化碳的输送参数，得到平衡流速为1.2m/s，平衡高度为0.75m，与纯超临界二氧化碳相比，增粘剂对于携砂效果提高了82％。

通过本实施例所述方法，实验并记录支撑剂和增粘后的超临界二氧化碳两相运动过程，并获取颗粒运动参数，从而对超临界二氧化碳增粘后的携砂效果进行评价能够准确计算出增粘后的超临界二氧化碳的携砂能力。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置，其特征在于，包括：

可视化裂缝模拟机构(1)，所述可视化裂缝模拟机构(1)构造成能够模拟裂缝，并记录超临界二氧化碳增粘后的携砂效果；

连接所述可视化裂缝模拟机构(1)的入口的混砂器(3)，所述混砂器(3)构造成能够向所述可视化裂缝模拟机构(1)输入支撑剂颗粒；以及

连接所述可视化裂缝模拟机构(1)的入口的超临界二氧化碳输入机构(2)，所述超临界二氧化碳输入机构(2)构造成能够向所述可视化裂缝模拟机构(1)输入混有增粘剂的超临界二氧化碳流体。

2.根据权利要求1所述的评价实验装置，其特征在于，所述可视化裂缝模拟机构(1)包括模拟裂缝主体(11)，设置在模拟裂缝主体(11)上的摄像装置，以及设置在所述模拟裂缝主体(11)出口的集砂器(12)；其中，所述模拟裂缝主体(11)的下部设置放空阀(16)。

3.根据权利要求2所述的评价实验装置，其特征在于，所述模拟裂缝主体(11)上还设置第一压力传感器(13)和第一温度传感器(14)；所述模拟裂缝主体(11)的两侧分别设置一组观察窗。

4.根据权利要求3所述的评价实验装置，其特征在于，所述模拟裂缝主体(11)的底部设置可转动支架(15)。

5.根据权利要求4所述的评价实验装置，其特征在于，所述混砂器(3)的出口处设置调节装置(32)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的评价实验装置，其特征在于，所述超临界二氧化碳输入机构(2)包括二氧化碳气源(21)，连接所述二氧化碳气源(21)的柱塞增压泵(23)，连接所述柱塞增压泵(23)的油浴加热器(24)，以及连接所述油浴加热器(24)的混溶器(25)；

其中，所述混溶器内储存有增粘剂，所述混溶器(25)的出口连接所述可视化模拟机构的入口。

7.根据权利要求6所述的评价实验装置，其特征在于，所述混溶器(25)上设置第二压力传感器(26)和第二温度传感器(27)，所述混溶器(25)上设置保温层，并且所述混溶器的入口处设置第一截止阀(28)，所述混溶器(25)出口处设置第二截止阀(29)。

8.根据权利要求6所述的评价实验装置，其特征在于，所述二氧化碳气源(21)和所述油浴加热器(24)之间设有缓冲罐(22)，所述缓冲罐(22)入口前设置调压阀(30)。

9.根据权利要求6所述的评价实验装置，其特征在于，所述混溶器(25)与所述可视化裂缝模拟机构(1)之间设有电磁流量计(31)。

10.利用根据权利要求1至9中任一项所述的超临界二氧化碳压裂液增粘携砂效果评价实验装置来评价超临界二氧化碳压裂液的增粘携砂效果的实验方法，其特征在于，包括：

步骤一，在混砂器内预置支撑剂，并通过超临界二氧化碳输入机构将增粘后的超临界二氧化碳气体注入到可视化裂缝模拟机构内；

步骤二，将可视化裂缝模拟机构垂直放置，得到支撑的剂沉降数据；

步骤三，将可视化裂缝模拟机构水平放置并固定，记录支撑剂的运移数据；

步骤四，根据支撑剂的沉降数据和运移数据得到支撑剂的沉降速度和运移速度，由此计算支撑剂在超临界二氧化碳气体中的输送参数，以对超临界二氧化碳压裂液的增粘携砂效果进行评价。