CN111318200B - 一种两流体混合与驱替一体化装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两流体混合与驱替一体化装置及其使用方法，该装置包括辅助流体输送单元、工作液输送单元、混合罐。辅助流体输送单元和工作液输送单元分别将辅助流体和工作液泵入混合罐内进行混合，然后将得到的混合液驱替至后续的实验测试装置。所述混合罐是密封设置的圆柱形罐体，混合罐内设置可上下移动的隔离活塞，活塞将罐内空腔分割为独立隔绝的上腔体和下腔体；下腔体内设置搅拌器，下腔体底部设置超辅助流体入口和工作液进口，上腔体顶部设置清水进出口。所述工作液输送单元包括工作液罐、清水罐和柱塞泵。本发明的装置具有混合液生成和驱替一体化功能，既节约了实验成本，又提高了实验效率。

Description

一种两流体混合与驱替一体化装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及油气田开采技术领域，特别是一种气液混合与驱替一体化装置及其使用方法。
背景技术
压裂酸化是油气井投产和增产的重要技术措施，然对于低压油气藏，采用常规压裂酸化技术时，大量的工作液(压裂液、酸液等液体)进入地层，由于地层压力低，工作液返排困难，工作液的大量滞留增大了对储层孔隙、裂缝的伤害，降低了改造效果。因此CO2或N2常应用于压裂酸化技术中，采用多流体混合压裂酸化技术模式，如CO2泡沫压裂、CO2泡沫酸化、N2泡沫酸化(李兆敏,李冉,刘伟,等.泡沫在油气田开发中的应用及展望(Ⅱ)——泡沫流体在近井及地层中的应用[J].油田化学,2013(01):159-164.)，液态CO2压裂(王香增,吴金桥,张军涛.陆相页岩气层的CO2压裂技术应用探讨[J].天然气工业,2014(01):71-74.)；超临界CO2压裂等(徐永强,李紫晶,郭冀隆,等.页岩储层-超临界CO2-模拟压裂液相互作用实验研究及其环境意义[J].地学前缘,2018,025(004):245-254.)，这些多流体混合压裂酸化技术特点旨在提高工作流体的改造效率，最大程度实现对储层充分改造，同时又最大程度的降低工作流体对储层伤害，提高油气井改造效果；这些技术在煤岩、页岩、砂岩、碳酸盐岩各类油气藏压裂酸化中均有现场应用，且取得了很好的改造效果。
CO2或N2的作为压裂酸化的工作流体，它不可避免的与其它液态流体(如：压裂液、酸液、地层水、地层原油等)混合，在井筒或地层中混合流体的方式主要包括三种：①气-液两相混合的泡沫流体，如CO2泡沫压裂、CO2泡沫酸化、N2泡沫酸化，气态的N2、CO2按照一定比例与压裂液、酸液混合，形成泡沫流体；②液-液混合，如液态CO2压裂技术中，液态CO2与地层液态流体混合；③超临界态-液态混合，如超临界CO2压裂技术中，超临界CO2与压裂液、地层水等液体混合。多流体混合压裂酸化技术，混合流体在地层中与岩石孔隙、裂缝介质中的作用过程是其压裂酸化技术中增产的主要原理，也是施工优化设计的重要依据。多流体混合、驱替实验模拟是直接认识多流体混合压裂酸化技术机理、优化施工参数的最直接手段。然目前国内外通用石油工程实验配液装置主要存在以下局限：①储液罐不具备加热功能，依靠驱替过程中的管线电加热套对流体预热，流体往往还未达到实验设计温度就已流过岩心，实验结果缺乏代表性；②使用柱塞泵直接抽吸并驱替流体，尤其是酸液等高腐蚀性流体时，泵头活塞长期处于高腐蚀性环境，需求高度防腐蚀材质，且长期维护，实验成本极大；③储液罐不能带压工作，导致无法配置、存储、驱替气体与液体的混合流体，装置模拟功能受到限制。
因此，开发研制一种用于两流体混合配制和驱替一体化的装置，对实验评价多流体混合压裂酸化技术效果和施工参数优化具有重要的指导意义，也可为其它研究领域涉及多流体混合与驱替研究提供可靠的实验装置和使用方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两流体混合与驱替一体化装置及方法。
一种两流体混合与驱替一体化装置包括辅助流体输送单元、工作液输送单元、活塞式混合罐。辅助流体输送单元和工作液输送单元分别将辅助流体和工作液泵入混合罐内进行混合，然后将得到的混合液驱替至后续的实验测试装置；辅助流体是液态、气态或超临界态流体。
所述活塞式混合罐是密封设置的圆柱形罐体，混合罐内设置可上下移动的凹形隔离活塞，活塞将罐内空腔分割为独立的上腔体和下腔体；下腔体内设置搅拌器，下腔体底部设置辅助流体入口和工作液进口，工作液进口同时也作为混合流体出口，上腔体顶部设置进出水口。所述混合罐的下腔体内设置温度传感器和压力传感器。混合罐外表面设恒温水浴加热套将混合罐包裹。
所述工作液输送单元包括工作液罐、清水罐、柱塞泵、电磁阀、回压阀、温度传感器、压力传感器、液体流量计、计液量筒、电子天平。柱塞泵的进液口通过三通接头A分别与工作液罐和清水罐连接，在三通接头A与工作液罐之间管线上设置电磁阀a，三通接头A与清水罐之间的管线上均设置电磁阀b；柱塞泵出液口连接三通接头B，三通接头B另两个接口之一通过管线连接三通接头C，三通接头C另两个接口分别连接计液筒和混合罐上腔体的清水进出口，计液筒放置于电子天平上，三通接头C与计液筒之间的管线上设置开关阀门c和回压阀；三通接头B余下一接口连接三通接头D，三通接头D另两个接口分别连接混合罐下腔体的工作液进口、混合流体出口和实验测试装置；三通接头B与三通接头C之间的管线上设置电磁阀d、液体流量计一，三通接头B与三通接头D之间的管线上设置电磁阀e，三通接头D与实验测试装置之间的管线上设置电磁阀f，三通接头D与混合罐下腔体之间的管线上设置电磁阀h。所述三通接头D与实验测试装置之间的管线上还设置有液体流量计三。
当所述辅助流体输送单元向混合液罐泵入超临界流体时，辅助流体输送单元的结构包括气瓶、气体储罐、冷却槽、增压泵、电加热套。气瓶通过气体管线连接气体储罐，气体储罐放置于冷却槽内，冷却槽内盛装液体冷却介质将气体储罐完全包裹，在气体储罐内气体冷却为液态。冷却介质为水和乙醇的混合液，冷却温度为0-5℃。气体储罐的出液口连接增压泵，且在气体储罐的出液口与增压泵之间的管线上设置液体流量计二；增压泵出液口连接混合罐下腔体底部的辅助流体入口。所述增压泵与混合罐之间的连接管线是耐气体腐蚀的管线，管线外壁带有电加热套。
当所述辅助流体输送单元向混合液罐泵入液态流体时，辅助流体输送单元的结构包括气瓶、气体储罐、冷却槽、增压泵。气瓶通过气体管线连接气体储罐，气体储罐放置于冷却槽内，冷却槽内盛装液体冷却介质将气体储罐完全包裹，在气体储罐内气体冷却为液态。冷却介质为水和乙醇的混合液，冷却温度为0-5℃。气体储罐的出液口连接增压泵，且在气体储罐的出液口与增压泵之间的管线上设置液体流量计二；增压泵出液口连接混合罐下腔体底部的辅助流体入口。
当所述辅助流体输送单元向混合液罐泵入气态流体时，辅助流体输送单元的结构包括气瓶、增压泵。气瓶连接增压泵，增压泵出口连接混合罐下腔体底部的辅助流体入口。增压泵出口与混合罐下腔体之间的管线上设置气体流量计和压力传感器。
作为一个具体实现方式，所述回压阀、柱塞泵、恒温水浴套、温度传感器、压力传感器、流量计、电磁阀、增压泵、管线电加热套均可以连接至数据采集及控制面板，数据采集及控制面板则与计算机相连。
本发明中，气体冷却储罐冷凝气态气体为液态，提高注入液态流体、超临界态流体时的增压泵增压效率；辅助流体输送单元和工作液输送单元分别将气体和工作液泵入混合罐内进行混合，然后将得到的混合液驱替至后续的实验测试装置；辅助流体输送单元向混合罐内泵入液态、气态或超临界态流体，管线电加热套确保气体以超临界态进入混合罐；活塞式混合罐内部隔离活塞将腔体分为上腔体与下腔体，随着流体注入可推动塞移动，上腔体实现驱替功能，下腔体实现混合功能，结合多个电磁阀的组合使用，实现了混合与驱替一体化流程；辅助流体、工作液进入下腔体，会推动隔离活塞将上腔体内清水挤出并进入计液量筒，实现气体、工作液在当前混合压力、温度下配比的计量；恒温水浴套控制混合罐内流体温度，结合回压阀实现混合罐内混合流体温度压力的控制，当压力高于当前温度下的气液临界值、温度低于临界温度时，输入辅助流体为液态；当压力低于临界压力、温度高于沸点时，输入辅助流体为气态；当压力高于临界压力、温度高于临界温度时，辅助流体为超临界态；柱塞泵将清水泵入混合罐上腔体，推动隔离活塞驱替下腔体内混合流体，三通接头B与三通接头C之间液体流量计计量混合流体驱替流量，根据具体实验需求，可进入各类流动反应介质。
上述两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)开启电磁阀b、d，关闭其他电磁阀，柱塞泵泵注清水进入混合罐上腔体，推动罐内活塞至罐底；
(2)开启a、e，c，关闭其他电磁阀，柱塞泵泵注工作液进入混合罐下腔体推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积，启动罐内搅拌器搅拌下腔体内流体；
(3)开启g、c，关闭其他电磁阀，回压阀压力调节至混合压力，将辅助流体泵入混合罐下腔体推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积；
(4)开启d、b、f，关闭其他电磁阀，混合罐下腔体内的流体混合均匀后柱塞泵以恒定排量泵注清水进入混合罐上腔体推动活塞下移，下腔体混合流体以相同排量被驱替进入实验测试装置进行后续实验。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)混合、驱替过程中辅助流体相态可自由、稳定控制，既可模拟液态或气态流体与工作液的混合液，又可模拟超临界态流体与工作液的混合液，装置适用范围大大提高；(2)隔离活塞使用两级密封有效隔离上、下腔体液体，下腔体实现混液，上腔体实现驱替，形成了两流体混合生成、驱替一体化功能，既节约了实验成本，又提高了实验效率；(3)采用注清水推动隔板驱替混合流体，同时在注清水进入混合罐上腔体流程中设有液体流量计，既能实现对混合流体的定排量稳定驱替，又能避免混合流体对柱塞泵的腐蚀，降低了实验成本；(4)定回压状态下，通过计液量筒读数确定混合流体中辅助流体、工作液体积，避免了流量计记录注入流体体积的人为误差；(5)混合罐采用316L不锈钢材质，能承受大多数工作液的腐蚀作用，确保装置的多功能性和安全性。
本发明提供的两流体混合与驱替一体化装置，原理可靠，结构简单，测试方法切实可行。本发明克服了现有装置的缺陷，为研究两流体混合在各行业中的应用提供了专用设备和测试方法。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、本发明的两流体混合与驱替一体化装置结构连接示意图。
图2、混合罐的结构示意图。
图3、另一实施例中本发明的两流体混合与驱替一体化装置结构连接示意图。
图4、另一实施例中本发明的两流体混合与驱替一体化装置结构连接示意图。
图5、另一实施例中本发明的两流体混合与驱替一体化装置结构连接示意图。
图中标号：
辅助流体输送单元1、混合罐2、实验测试装置3、隔离活塞4、下腔体5、上腔体6、搅拌叶片7、搅拌电机8、搅拌轴9、辅助流体入口10、工作液进口11、清水进出口12、温度传感器13、压力传感器14、水浴加热套15、工作液罐16、清水罐17、柱塞泵18、计液筒19、电子天平20、回压阀21、气体气瓶24、气体储罐25、冷却槽26、增压泵27、液体流量计二28、电加热套29、增压泵30、增压泵31、气体流量计32、压力传感器33、液体流量计一34、A、B、C、D均代表三通接头、a、b、c、d、e、f、g、h均代表电磁阀。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和2所示，本发明提供的两流体混合与驱替一体化装置，其结构包括辅助流体输送单元1、工作液输送单元、混合罐2。辅助流体输送单元和工作液输送单元分别将辅助流体和工作液泵入混合罐内进行混合，然后将得到的混合液驱替至后续的实验测试装置3。辅助流体输送单元向混合罐内泵入液态、气态或超临界态流体。后续的实验测试装置可以是柱塞岩样夹持器、高温高压反应釜、平板夹持器等。
所述混合罐是密封设置的圆柱形罐体，混合罐内设置可上下移动的隔离活塞4，活塞将罐内空腔分割为独立的下腔体5和上腔体6；下腔体内设置搅拌器。搅拌器包括位于下腔体内的搅拌叶片7和位于混合罐外底部的搅拌电机8，搅拌电机与搅拌叶片之间由搅拌轴9连接。搅拌器实现工作液与辅助流体的动态混合。下腔体底部设置辅助流体入口10和工作液进口11、工作液进口也作为混合流体出口使用，上腔体顶部设置清水进出口12。辅助流体输送单元连接辅助流体入口。所述混合罐的下腔体内设置温度传感器13和压力传感器14。混合罐外表面套设恒温水浴加热套15将混合罐侧壁包裹。水浴加热套是固定安装在混合罐侧壁面的环形圆筒，环形圆筒壁面与混合罐壁面形成密封的环形空间，环形空间内装满恒温热水，环形圆筒壁面采用保温材料制成。
8.所述工作液输送单元包括工作液罐16、清水罐17和柱塞泵18，柱塞泵的进液口通过三通接头A分别与工作液罐和清水罐连接，在三通接头A与工作液罐之间管线上设置电磁阀a，三通接头A与清水罐之间的管线上均设置电磁阀b；柱塞泵出液口连接三通接头B，三通接头B另两个接口之一通过管线连接三通接头C，三通接头C另两个接口分别连接计液筒19和混合罐上腔体的清水进出口，计液筒放置于电子天平20上，三通接头C与计液筒之间的管线上设置开关阀门c和回压阀21；三通接头B余下一接口连接三通接头D，三通接头D另两个接口分别连接混合罐下腔体的工作液进口和实验测试装置。三通接头B与三通接头C之间的管线上设置电磁阀d、液体流量计一34，三通接头B与三通接头D之间的管线上设置电磁阀e，三通接头D与实验测试装置之间的管线上设置电磁阀f。三通接头D与混合罐下腔体之间的管线上设置电磁阀h。所述三通接头D与实验测试装置之间的管线上设置有液体流量计三(图中未示出)。
另一实施例中，如图3所示，当所述辅助流体输送单元向混合液罐泵入超临界流体时，辅助流体输送单元的结构包括气瓶24、气体储罐25、冷却槽26、增压泵27、液体流量计28、电加热套29。气瓶通过气体管线连接气体储罐25，气体储罐放置于冷却槽26内，冷却槽内盛装液体冷却介质将气体储罐完全包裹，在气体储罐内气体冷却为液态。冷却介质为水和乙醇的混合液，冷却温度为0-5℃。气体储罐的出液口连接增压泵27，且在气体储罐的出液口与增压泵之间的管线上设置液体流量计二28；增压泵出液口连接混合罐下腔体底部的辅助流体入口，且在增压泵出与混合罐下腔体之间的管线上设置电磁阀g。所述增压泵与混合罐之间的连接管线是耐超临界流体腐蚀的管线，管线外壁带有电加热套29。所述增压泵与混合罐之间的连接管线是耐超临界流体腐蚀的哈氏合金管线，电加热套包裹管线将液态流体加热至超临界流体所需的温度。
上述两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)开启恒温水浴加热套至实验温度，开启电磁阀b、d，关闭其他电磁阀，柱塞泵泵注清水进入混合罐上腔体，推动罐内活塞至罐底；
(2)开启a、e，c，h，关闭其他电磁阀，柱塞泵泵注工作液进入混合罐下腔体推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积，启动罐内搅拌器搅拌下腔体内流体；
(3)开启g、c，关闭其他电磁阀，回压阀压力调节至混合压力，开启管线外壁的电加热套，将超临界流体泵入混合罐下腔体推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积；
(4)混合罐下腔体内的液体混合均匀后，开启d、b、f，h，关闭其他电磁阀，柱塞泵以恒定排量泵注清水进入混合罐上腔体推动活塞下移，下腔体混合液以相同排量被驱替进入实验测试装置进行后续实验。
另一实施例中，如图4所示，当所述辅助流体输送单元向混合液罐泵入液态流体时，辅助流体输送单元的结构包括气体气瓶24、气体储罐25、冷却槽26、增压泵30、液体流量计28.气瓶通过气体管线连接气体储罐25，气体储罐放置于冷却槽26内，冷却槽内盛装液体冷却介质将气体储罐完全包裹，在气体储罐内气体气体冷却为液态。冷却介质为水和乙醇的混合液，冷却温度为0-5℃。气体储罐的出液口连接增压泵30，且在气体储罐的出液口与增压泵之间的管线上设置液体流量计二28；增压泵出液口连接混合罐下腔体底部的辅助流体入口。
上述两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)开启电磁阀b、d，关闭其他电磁阀，柱塞泵泵注清水进入混合罐上腔体，推动罐内活塞至罐底；
(2)开启a、e，c，h，关闭其他电磁阀，柱塞泵泵注工作液进入混合罐下腔体推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积，启动罐内搅拌器搅拌下腔体内流体；
(3)开启g、c，关闭其他电磁阀，回压阀压力调节至混合压力，将液态流体泵入混合罐下腔体推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积；
(4)混合罐下腔体内的液体混合均匀后，开启d、b、f，h，关闭其他电磁阀，柱塞泵以恒定排量泵注清水进入混合罐上腔体推动活塞下移，下腔体混合液以相同排量被驱替进入实验测试装置进行后续实验。
另一实施例中，如图5所示，当所述辅助流体输送单元向混合液罐泵入气态流体时，辅助流体输送单元的结构包括气体气瓶24、增压泵31、气体流量计32、压力传感器33。气瓶连接增压泵31，增压泵31出口连接混合罐下腔体底部的辅助流体入口。增压泵31与连接混合罐下腔体之间的连接管线上设置有气体流量计32和压力传感器33。
上述两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)开启电磁阀b、d，关闭其他电磁阀，柱塞泵泵注清水进入混合罐上腔体，推动罐内活塞至罐底；
(2)开启a、e、c、h，关闭其他电磁阀，柱塞泵泵注工作液进入混合罐下腔体推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积，启动罐内搅拌器搅拌下腔体内流体；
(3)开启g、c，关闭其他电磁阀，回压阀压力调节至混合压力，将气态流体泵入混合罐下腔体推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积；
(4)混合罐下腔体内的液体混合均匀后，开启d、b、f，h，关闭其他电磁阀，柱塞泵以恒定排量泵注清水进入混合罐上腔体推动活塞下移，下腔体混合液以相同排量被驱替进入实验测试装置进行后续实验。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，其特征在于，所述两流体混合与驱替一体化装置包括辅助流体输送单元、工作液输送单元、混合罐；辅助流体输送单元和工作液输送单元分别将辅助流体和工作液泵入混合罐内进行混合，然后将得到的混合液驱替至后续的实验测试装置；辅助流体是液态、气态或超临界态流体；
所述混合罐是密封设置的圆柱形罐体，混合罐内设置可上下移动的隔离活塞，隔离活塞将罐内空腔分割为独立隔绝的上腔体和下腔体；下腔体内设置搅拌器，下腔体底部设置辅助流体入口和工作液进口，工作液进口也作为混合流体出口，上腔体顶部设置清水进出口；
所述工作液输送单元包括工作液罐、清水罐和柱塞泵，柱塞泵的进液口通过三通接头A分别与工作液罐和清水罐连接，在三通接头A与工作液罐之间管线上设置电磁阀a，三通接头A与清水罐之间的管线上设置电磁阀b；柱塞泵出液口连接三通接头B，三通接头B另两个接口之一通过管线连接三通接头C，三通接头C另两个接口分别连接计液筒和混合罐上腔体的清水进出口，计液筒放置于电子天平上，三通接头C与计液筒之间的管线上设置开关阀门c和回压阀；三通接头B余下一接口连接三通接头D，三通接头D另两个接口分别连接混合罐下腔体的工作液进口和实验测试装置；三通接头B与三通接头C之间的管线上设置电磁阀d、液体流量计一，三通接头B与三通接头D之间的管线上设置电磁阀e，三通接头D与实验测试装置之间的管线上设置电磁阀f，三通接头D与混合罐下腔体之间的管线上设置电磁阀h；
使用方法包括以下步骤：
（1）柱塞泵泵注清水进入混合罐上腔体，推动罐内活塞下移至罐底；
（2）柱塞泵泵注工作液进入混合罐下腔体推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积，启动罐内搅拌器搅拌下腔体内流体；
（3）回压阀压力调节至混合压力，将辅助流体泵入混合罐下腔体内推动活塞上移，排除的清水进入计液筒计量出水体积；
（4）混合罐下腔体内的液体混合均匀后，柱塞泵以恒定排量泵注清水进入混合罐上腔体推动活塞下移，下腔体混合液以相同排量被驱替进入实验测试装置进行后续实验。
2.如权利要求1所述的两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，其特征在于，所述辅助流体输送单元向混合液罐泵入超临界气体时，该辅助流体输送单元包括气体气瓶、气体气瓶通过气体管线连接气体储罐，气体储罐放置于冷却槽内，冷却槽内盛装液体冷却介质将气体储罐完全包裹，在气体储罐内气体冷却为液态；气体储罐的出液口连接增压泵，且在气体储罐的出液口与增压泵之间的管线上设置液体流量计二；增压泵出液口连接混合罐下腔体底部的辅助流体入口。
3.如权利要求2所述的两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，其特征在于，所述增压泵与混合罐之间的连接管线是耐超临界气体腐蚀的管线，管线外壁带有电加热套。
4.如权利要求1所述的两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，其特征在于，所述混合罐外表面套设恒温水浴加热套将混合罐侧壁面包裹。
5.如权利要求4所述的两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，其特征在于，所述混合罐的下腔体内设置温度传感器和压力传感器。
6.如权利要求1所述的两流体混合与驱替一体化装置的使用方法，其特征在于，所述三通接头D与实验测试装置之间的管线上设置有液体流量计三。
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Assignee: CHENGDU LEARN-PRACTICES TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: SOUTHWEST PETROLEUM University

Contract record no.: X2022510000003

Denomination of invention: The invention relates to a two fluid mixing and displacement integrated device and an application method thereof

Granted publication date: 20201222

License type: Common License

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