CN112304825A - 一种测量超临界二氧化碳中颗粒沉降速度的装置和方法 - Google Patents

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郑永
王海柱
田港华
赵成明
贾朝阳
闫万卷
杨兵
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    • G—PHYSICS
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    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass

Abstract

本发明提供了一种测量超临界二氧化碳中颗粒沉降速度的装置和方法。该装置包括颗粒投放沉降单元、超临界CO2供给单元和数据采集单元；颗粒投放沉降单元包括沉降筒和颗粒投放机构；沉降筒为柱状密封容器，颗粒投放机构设置在沉降筒的顶部，用于向沉降筒中投放颗粒；沉降筒的筒外壁的下部设置有透明视窗；超临界CO2供给单元用于向沉降筒内注入超临界CO2流体；数据采集单元用于测量采集颗粒经过透明视窗的沉降实验数据。该装置能够实现不同温度、不同压力且超临界CO2环境中，对不同类型颗粒沉降速度的直接测定；操作简单便捷、测量精度高，能够给超临界CO2钻完井技术中多相流动问题的研究提供更多的理论支持。

Description

一种测量超临界二氧化碳中颗粒沉降速度的装置和方法
技术领域
本发明属于颗粒沉降特性的实验流体力学技术领域，涉及一种测量超临界二氧化碳中颗粒沉降速度的装置和方法。
背景技术
借助于大规模水力压裂技术我国实现了页岩气的商业开发。但是该技术一大特点就是“万方液”，需要消耗大量的水资源。而我国水资源短缺问题十分严重，尤其是陆相页岩气富集的西北地区，油气资源开发与水资源利用之间的矛盾十分突出。因此亟需发展一种高效的无水储层改造技术。
超临界CO2流体既不同于液体，也不同于气体，具有许多独特的物理化学性质。超临界CO2的密度接近于液体，粘度接近于气体，而且扩散系数较高、表面张力为零，具有很强的渗透能力以及良好的传热、传质性能，在油藏条件下很容易达到CO2的临界条件，且具有无水相、无残渣、返排快、储层伤害小等优点。因此利用超临界CO2开发非常规油气资源是目前研究的前沿和热点。
当前超临界CO2钻完井技术的研究还处于起步阶段，存在很多机理及技术问题需要深入研究。现场实践表明超临界CO2钻完井技术面临的主要难题是无法有效携带固体颗粒，具体来说是超临界CO2与压裂支撑剂、钻井岩屑的液-固两相流动问题。这一方面是因为超临界CO2流体黏度较低、储层内滤失速率较快，另一方面是因为超临界CO2的流动和携砂特点与常规流体有显著不同，流固相间曳力规律尚不明确。
流固相间曳力规律是研究超临界CO2流体与固相颗粒之间相互作用的基础。流固相间曳力表征了流体和固相颗粒两相之间的相互作用和动量交换，反映了相间作用的强弱程度，影响流体对颗粒的夹带和输送。而通过颗粒沉降实验获得颗粒在流体中的沉降速度是计算颗粒两相流动中曳力规律的最基本的手段。
目前在对测量颗粒沉降速度的装置和方法中，中国专利申请《确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法及其系统》(申请号：200810222184.0；公开号CN101672861A)中的沉降装置的高度为350mm，只能测量自由沉降速度较小的粗颗粒固体物，而对于质量较大的颗粒自由沉降速度的测量误差很大，甚至无法测量，因为该沉降装置高度太小，不能保证沉降颗粒达到匀速运动状态，测量的可能是粗颗粒正在加速运动阶段的平均速度，将导致计算的粗颗粒固体物的自由沉降速度偏小。此外，该测定装置的上端是敞口的，因此，无法使用该装置对颗粒在高压且超临界CO2流体的环境下自由沉降速度进行测量。中国专利申请《一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置及方法》(申请号：201110163256.0；公开号：CN102353805A)是基于光电检测技术，可以选择不同内径和长度的沉降管对风传植物种子垂直沉降速度进行多次重复测量，而且对测量同一颗植物种子的垂直沉降速度具有测量精度高、稳定性高以及重复性好等优点；但是由于该测定装置的沉降管下端是敞开的，因此，该装置无法满足对颗粒在超临界CO2这种高温高压流体中的自由沉降速度的测量。中国专利申请《测量粗颗粒固体物自由沉降速度的装置和方法》(申请号：201610821233.7；公开号：CN106405145A)可以对等效粒径为毫米级、甚至厘米级的粗颗粒固体物进行自由沉降速度的测定，且可以实现对多个有固定编号的粗颗粒进行一次测量或同一个粗颗粒进行多次测量其自由沉降速度测量，但是该装置不能实现高温高压封闭超临界CO2条件下颗粒沉降速度的直接测量。
发明内容
为了克服现有测量装置和方法无法应用到超临界CO2流体中颗粒沉降速度测量的缺陷与不足，本发明的目的在于提供一种测量超临界CO2中颗粒沉降速度的装置，该装置解决了现有的测定颗粒沉降速度时存在的过程复杂、测量精度不高、不能实现高温高压状态下沉降速度测定的问题，能够实现在高温高压密闭环境下颗粒沉降末速的快速直接测量；本发明的目的还在于提供一种测量超临界CO2中颗粒沉降速度的方法，该方法具有操作简单、可靠性高的优势。
本发明的目的通过以下技术手段得以实现：
一方面，本发明提供一种测量超临界CO2中颗粒沉降速度的装置，该装置包括：
颗粒投放沉降单元、超临界CO2供给单元和数据采集单元；
所述颗粒投放沉降单元包括沉降筒和颗粒投放机构；所述沉降筒为柱状密封容器，所述颗粒投放机构设置在所述沉降筒的顶部，用于向所述沉降筒中投放颗粒；所述沉降筒的筒外壁的下部设置有透明视窗；
所述超临界CO2供给单元用于向所述沉降筒内注入超临界CO2流体；
所述数据采集单元用于测量采集颗粒经过所述透明视窗的沉降实验数据(包括：捕捉记录颗粒运动轨迹、压力传感器监测的压力、温度传感器监测的温度等数据)。
本发明的测量超临界CO2中颗粒沉降速度的装置能够实现不同温度、不同压力且超临界CO2环境中，对不同类型颗粒沉降速度的直接测定；该装置具备操作简单便捷、测量精度高等特点，可以对多种颗粒进行一次测量或对同一颗粒进行多次测量，将会给超临界CO2钻完井技术中多相流动问题的研究提供更多的理论支持。
常规方法测量沉降速度基本上都是敞口或非密封状态，且无法满足对颗粒在超临界CO2条件下的自由沉降速度的测量。而本发明中沉降筒为密封容器，配合超临界CO2供给单元，能够保证沉降筒中的压力状态和超临界CO2状态。
上述的装置中，优选地，所述超临界CO2供给单元包括CO2气瓶、增压泵、超临界CO2生成装置；所述CO2气瓶、所述增压泵、所述超临界CO2生成装置和所述沉降筒依次相连通。
超临界CO2供给单元中，利用增压泵实现对CO2气瓶中的CO2进行加压，进而经超临界CO2生成装置生成超临界CO2。
上述的装置中，优选地，所述增压泵与所述超临界CO2生成装置相连通的管路上设置有一截止阀。
上述的装置中，优选地，所述超临界CO2生成装置与所述沉降筒相连通的管路上设置有一截止阀。
上述的装置中，优选地，所述超临界CO2生成装置与所述沉降筒相连通的管路上设置有一安全阀。
上述的装置中，优选地，所述沉降筒的上部设置有一安全阀；所述沉降筒的底部设置有一放空阀。
上述的装置中，优选地，所述数据采集单元包括高速摄影机、计算机和光源发射器；所述高速摄影机与所述光源发射器位于所述沉降筒的透明视窗的两侧且与所述透明视窗在同一水平线上；所述高速摄影机与所述计算机相电连接。所述高速摄影机通过支架固定。
本发明的所述数据采集单元，通过调整高速摄影机，使其镜头正对透明视窗，打开光源发射器调节亮度，使高速摄影机镜头、光源发射器、视窗位于同一水平线；调整焦距，令其对焦至沉降筒的中心位置，并在整个实验过程保持不变。
上述的装置中，优选地，所述数据采集单元还包括压力传感器和温度传感器；所述压力传感器用于监测所述沉降筒内的压力；所述温度传感器用于监测所述沉降筒内的温度。
上述的装置中，优选地，颗粒投放机构包括上电控球阀和下电控球阀；所述上电控球阀、所述下电控球阀和所述沉降筒依次相连通，且所述上电控球阀和所述下电控球阀位于所述沉降筒的顶部的中心轴线上。
本发明的颗粒投放机构采用的是上电控球阀和下电控球阀相连接的颗粒投放机构，由于打开下电控球阀释放颗粒的过程中，上电控球阀处于封闭状态，因此能够保证颗粒投入沉降筒中时，沉降筒仍然为高压封闭状态。
上述的装置中，优选地，该装置还包括恒温单元，所述恒温单元包括恒温水浴箱、直流泵和套设于所述沉降筒外侧壁的水浴环空层；所述恒温水浴箱、所述直流泵和所述水浴环空层循环相连通。
本发明的恒温单元能够保证沉降筒中的温度维持实验设计的温度，确保沉降筒中的温度恒温；优选地，该恒温单元中还设置有一温度传感器。恒温单元中的水浴环空层套设于沉降筒外侧壁且绕开透明视窗，避免遮挡透明视窗。
上述的装置中，优选地，所述装置还包括操作箱，所述操作箱用于启动超临CO2生成装置中的加热器和恒温水浴箱中的加热器。
上述的装置中，优选地，所述透明视窗为蓝宝石玻璃材质，其表面刻有毫米刻度。该透明视窗耐高温、耐高压、耐腐蚀。
另一方面，本发明还提供一种测量超临界CO2中颗粒沉降速度的方法，该方法采用上述装置进行操作，包括以下步骤：
采用超临界CO2供给单元向沉降筒内注入超临界CO2流体使沉降筒中充满超临界CO2，通过颗粒投放沉降单元从沉降筒的顶部向沉降筒中投放颗粒；颗粒由沉降筒的顶部的中心位置落下，当颗粒经过透明视窗时，通过数据采集单元测量采集颗粒的沉降实验数据。
上述的方法中，优选地，该方法包括以下步骤：
打开恒温水浴箱，将水浴箱温度调节至实验所需温度，打开直流泵循环热流体，通过水浴环空层加热并保温沉降筒；
通过超临界CO2生成装置生成超临界CO2，将超临界CO2泵注至沉降筒中，待沉降筒中的压力达到实验所需压力时，关闭超临界CO2生成装置与沉降筒连通管路上的截止阀；
将待测量颗粒置于上电控球阀中，打开上电控球阀释放颗粒至下电控球阀中并关闭上电控球阀；打开下电控球阀将颗粒从沉降筒的顶部的中心位置落下；
颗粒释放后利用高速摄影机对颗粒经过视窗的运动轨迹进行高速捕捉记录，通过计算机采集分析获得颗粒匀速运动时的速度，即沉降末速。
上述的方法中，为了确保颗粒经过视窗时为匀速运动，可以通过调整沉降筒高度尺寸、透明视窗的安装位置，以满足在设定的温度、压力及颗粒密度条件下，颗粒经过透明视窗时为匀速运动。本发明中考虑到超临界CO2粘度低，优选沉降筒的井筒高度设置为3.5m左右即可满足要求。颗粒在井筒内沉降时，初始阶段是颗粒自身重力大于流体阻力，导致颗粒下落，速度增加；流体的阻力和速度大小呈正比，当速度增大到一个值时，使得作用在颗粒上的阻力和颗粒自身的重力相等，这时颗粒就会保持该速度匀速下落，速度不变流体阻力也不会改变。最终是否达到沉降末速是通过测量判断的，即将高速摄影观察区域划分为若干个小网格，并测量每个小网格中的颗粒速度。如果所有网格中的颗粒速度近似相等，可以认为该颗粒在高速摄影观察区域内已经达到沉降末速。
上述的方法中，优选地，实验所需温度为32～90℃；实验所需压力为7.4～25MPa。
本发明的测量超临界CO2中颗粒沉降速度的装置能够实现不同温度、不同压力且超临界CO2环境中，对不同类型颗粒沉降速度的直接测定；该装置具备操作简单便捷、测量精度高等特点，可以对多种颗粒进行一次测量或对同一颗粒进行多次测量，将会给超临界CO2钻完井技术中多相流动问题的研究提供更多的理论支持。
附图说明
图1为本发明实施例1中测量超临界CO2中颗粒沉降速度的装置结构示意图。
图2为本发明实施例2中采用高速摄影机捕捉的铝球颗粒沉降3帧图。
图3为本发明实施例2中超临界CO2流体中颗粒曳力系数与雷诺数的关系图。
附图1的符号说明：
1、沉降筒；2、上电控球阀；3、下电控球阀；4、CO2气瓶；5、增压泵；6、超临界CO2生成装置；7、恒温水浴箱；8、直流泵；9、水浴环空层；10、高速摄影机；11、透明视窗；12、光源发射器；13、压力传感器；14、温度传感器；15、计算机；16、支架；17、操作箱；18、截止阀；19、安全阀；20、截止阀；21、安全阀；22、放空阀；23、温度传感器。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1：
本实施例提供一种测量超临界CO2中颗粒沉降速度的装置，如图1所示，该装置包括：
颗粒投放沉降单元、超临界CO2供给单元、数据采集单元和恒温单元。
所述颗粒投放沉降单元包括沉降筒1和颗粒投放机构；沉降筒1为柱状密封容器，所述颗粒投放机构设置在沉降筒1的顶部，用于向沉降筒1中投放颗粒；沉降筒1的筒外壁的下部设置有透明视窗11；所述颗粒投放机构包括上电控球阀2和下电控球阀3，上电控球阀2、下电控球阀3和沉降筒1依次相连通，且上电控球阀2和下电控球阀3位于沉降筒1的顶部的中心轴线上。
所述超临界CO2供给单元包括CO2气瓶4、增压泵5、超临界CO2生成装置6、截止阀18、安全阀19、截止阀20。CO2气瓶4、增压泵5、截止阀18、超临界CO2生成装置6、安全阀19、截止阀20和沉降筒1依次相连通。超临界CO2供给单元用于向沉降筒1内注入超临界CO2流体。
所述数据采集单元包括高速摄影机10、计算机15、光源发射器12、压力传感器13、温度传感器14和支架16；支架16支撑固定高速摄影机10；压力传感器13用于监测沉降筒1内的压力；温度传感器14用于监测沉降筒1内的温度；高速摄影机10与光源发射器12位于沉降筒1的透明视窗11的两侧且与透明视窗11在同一水平线上；高速摄影机10通过数据线与计算机15相电连接，用于捕捉记录颗粒运动轨迹并传输至计算机15中。
所述恒温单元包括恒温水浴箱7、直流泵8、温度传感器23和套设于沉降筒1外侧壁的水浴环空层9(水浴环空层套设于沉降筒外侧壁且绕开透明视窗，避免遮挡透明视窗)；恒温水浴箱7、直流泵8和水浴环空层9循环相连通；温度传感器23用于监测恒温水浴箱7中的温度。
本实施例的沉降筒1的上部设置有安全阀21，沉降筒1的底部设置有放空阀22。
本实施例的透明视窗11为蓝宝石玻璃材质，其表面刻有毫米刻度；具有耐高温、耐高压、耐腐蚀的特性。
本实施例的装置还包括操作箱17，操作箱17用于启动超临界CO2生成装置6中自带的加热器和恒温水浴箱7中自带的加热器。
实施例2：
本实施例提供利用实施例1的装置测量超临界CO2中颗粒沉降速度的方法，该方法具备包括如下步骤：
(1)打开操作箱17上电源开关，检查各仪表及指示灯工作是否正常；打开CO2气瓶4向装置内充气1～2MPa，检查装置气密性；调整高速摄影机10，使其镜头正对透明视窗11，打开光源发射器12，调节亮度，使高速摄影机10的镜头、光源发射器12、透明视窗11位于同一水平线；调整焦距，令其对焦至沉降筒1的中心位置，并在整个实验过程保持不变。
(2)打开恒温水浴箱7，将恒温水浴箱7的温度调节至实验所需温度，打开直流泵8循环热流体加热保温沉降筒1。
(3)关闭截止阀20，打开CO2气瓶4进气阀门，启动增压泵5进行气体增压，注入超临界CO2生成装置6中，调整转速达到所需压力后关闭截止阀18。
(4)采用操作箱17启动超临界CO2生成装置6内的加热器对CO2加热至目标温度，生成超临界CO2。
(5)打开截止阀20，将生成的超临界CO2泵注进沉降筒1中，待沉降筒1中达到所需压力后关闭截止阀20。
(6)将测量颗粒置于上电控球阀2上部，打开上电控球阀2释放颗粒至下电控球阀3中后关闭上电控球阀2；然后打开下电控球阀3将颗粒从沉降筒1的顶部的中心位置落下，此时沉降筒1中仍为高压封闭状态。
(7)颗粒释放后利用高速摄影机10对颗粒经过透明视窗11的运动轨迹进行高速捕捉记录(如图2所示，图2为连续捕捉铝球的3帧图片)，由于颗粒经过透明视窗11时为匀速运动，通过高速摄影机10的速度提取功能可以获得颗粒匀速运动时的速度即沉降末速。
(8)重复步骤(2)～(7)，可以实现不同温度、不同压力下对不同类型颗粒沉降末速的测量。
本实施例考察了不同材质、不同粒径的颗粒在不同温度、压力下的超临界CO2的流体中的沉降速度。实验结果如表1所示。
表1：
Figure BDA0002802084360000081
在颗粒沉降速度的研究中，最主要的目的是通过测得的颗粒在流体内的沉降速度来计算曳力系数，以此来预测颗粒在流体中的运动特性。从表1中实验测得沉降速度利用下述公式(1)可得到实验颗粒在超临界CO2流体中曳力系数与颗粒雷诺数的关系(如图3所示)。
Figure BDA0002802084360000091
式中Cd表示颗粒的曳力系数；ρp表示颗粒密度，kg/m3；ρf表示流体密度，kg/m3；de表示颗粒直径，m；g表示重力加速度，m/s2；Vp表示颗粒沉降末速，m/s。
从图3中可以看出本发明提供的超临界CO2流体中颗粒沉降速度测量装置及方法能够较好的反映出这种变化关系，弥补了在高温高压密闭环境下对颗粒在超临界CO2中沉降末速的快速直接测量的空白。

Claims (10)

1.一种测量超临界CO2中颗粒沉降速度的装置，该装置包括：
颗粒投放沉降单元、超临界CO2供给单元和数据采集单元；
所述颗粒投放沉降单元包括沉降筒和颗粒投放机构；所述沉降筒为柱状密封容器，所述颗粒投放机构设置在所述沉降筒的顶部，用于向所述沉降筒中投放颗粒；所述沉降筒的筒外壁的下部设置有透明视窗；
所述超临界CO2供给单元用于向所述沉降筒内注入超临界CO2流体；
所述数据采集单元用于测量采集颗粒经过所述透明视窗的沉降实验数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超临界CO2供给单元包括CO2气瓶、增压泵、超临界CO2生成装置；
所述CO2气瓶、所述增压泵、所述超临界CO2生成装置和所述沉降筒依次相连通。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述增压泵与所述超临界CO2生成装置相连通的管路上设置有一截止阀；
优选地，所述超临界CO2生成装置与所述沉降筒相连通的管路上设置有一截止阀；
优选地，所述超临界CO2生成装置与所述沉降筒相连通的管路上设置有一安全阀。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述数据采集单元包括高速摄影机、计算机和光源发射器；
所述高速摄影机与所述光源发射器位于所述沉降筒的透明视窗的两侧且与所述透明视窗在同一水平线上；
所述高速摄影机与所述计算机相电连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述数据采集单元还包括压力传感器和温度传感器；
所述压力传感器用于监测所述沉降筒内的压力；所述温度传感器用于监测所述沉降筒内的温度。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，颗粒投放机构包括上电控球阀和下电控球阀；
所述上电控球阀、所述下电控球阀和所述沉降筒依次相连通，且所述上电控球阀和所述下电控球阀位于所述沉降筒的顶部的中心轴线上。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置还包括恒温单元，所述恒温单元包括恒温水浴箱、直流泵和套设于所述沉降筒外侧壁的水浴环空层；
所述恒温水浴箱、所述直流泵和所述水浴环空层循环相连通。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透明视窗为蓝宝石玻璃材质，其表面刻有毫米刻度。
9.一种测量超临界CO2中颗粒沉降速度的方法，该方法采用权利要求1～8任一项所述装置进行操作，包括以下步骤：
采用超临界CO2供给单元向沉降筒内注入超临界CO2流体使沉降筒中充满超临界CO2，通过颗粒投放沉降单元从沉降筒的顶部向沉降筒中投放颗粒；颗粒由沉降筒的顶部的中心位置落下，当颗粒经过透明视窗时，通过数据采集单元测量采集颗粒的沉降实验数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法包括以下步骤：
打开恒温水浴箱，将水浴箱温度调节至实验所需温度，打开直流泵循环热流体，通过水浴环空层加热并保温沉降筒；
通过超临界CO2生成装置生成超临界CO2，将超临界CO2泵注至沉降筒中，待沉降筒中的压力达到实验所需压力时，关闭超临界CO2生成装置与沉降筒连通管路上的截止阀；
将待测量颗粒置于上电控球阀中，打开上电控球阀释放颗粒至下电控球阀中并关闭上电控球阀；打开下电控球阀将颗粒从沉降筒的顶部的中心位置落下；
颗粒释放后利用高速摄影机对颗粒经过视窗的运动轨迹进行高速捕捉记录，通过计算机采集分析获得颗粒匀速运动时的速度，即沉降末速；
优选地，实验所需温度为32～90℃；实验所需压力为7.4～25MPa。
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