CN112647919B - 基于电阻变化的co2压裂孔内相态变化监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置及方法。技术方案如下：包括压裂段封孔器、流体中心注入管、孔底压力测量模块、孔底温度测量模块、模数转换器和计算机，压裂段封孔器与流体中心注入管通过端部连接形成密封整体；孔底压力测量模块包括电阻应变压力传感器和孔底压力测量导管；孔底温度测量模块包括微型铂电阻元件、导电柱和温度变送器；孔底压力测量导管的底端及微型铂电阻元件设置在压裂段封孔器内；所述模数转换器将所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块测得的电阻值转换成数字信号传输给所述计算机并实现存储。本发明能够用以精确测量CO2致裂全过程中压裂孔内孔底的温度和压力，进而分析流体高压物性参数对压裂效果的影响。
Description
技术领域
本发明属于石油和天然气开采技术领域，具体涉及一种基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置及方法。
背景技术
超临界CO2作为一种新型且具有应用前景的无水压裂液，可有效地弥补常规水基压裂液的不足。超临界CO2具有独特的热物理化学性质，如黏度低、表面张力低，扩散系数大，溶解力强等。然而，超临界CO2热物性参数是关于温度和压力的函数，而热物性参数的变化同样影响着超临界CO2温度场和压力场。在室内物理模拟CO2致裂效果的试验中，其致裂全过程可分为压裂阶段和CO2相变阶段。其中，CO2相变阶段往往在分析CO2致裂机制中容易被忽略。为了明确CO2是否发生相变，前提则是准确监测CO2致裂全程中的温度和压力的变化。基于我国超临界CO2压裂技术仍处于初级阶段，目前研究超临界CO2致裂机理仍依托于大量的室内基础物理模拟试验规律。因此，分析超临界CO2致裂过程中的CO2相态变化对研究其致裂机制仍具有重要意义，同时可为现场压裂CO2相态变化控制提供一定的参考。
目前，关于室内物理模拟CO2压裂试验中温度测量的方法主要集中于在井口或井底安装热电偶，而压力测量点主要集中于井口。显然，井口温度-压力测量值并非能完全代表井底的温度-压力值。此外，基于一般的物理模拟超临界CO2压裂设备条件以及压裂试验中所测的CO2温度变化区间，常规的普通热电偶测量范围较大，相对精度低，在低温区的测量并非很精确，如此也就降低了试验数据的可靠度。
发明内容
本发明提供一种基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置及方法，能够用以精确测量CO2致裂全过程中压裂孔内孔底的温度和压力，进而分析流体高压物性参数对压裂效果的影响。
本发明的技术方案如下：
基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，包括压裂段封孔器、流体中心注入管、孔底压力测量模块、孔底温度测量模块、模数转换器和计算机，压裂段封孔器与流体中心注入管通过端部连接形成密封整体；孔底压力测量模块包括电阻应变压力传感器和孔底压力测量导管；孔底温度测量模块包括微型铂电阻元件、导电柱和温度变送器；孔底压力测量导管的底端及微型铂电阻元件设置在压裂段封孔器内；所述模数转换器将所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块测得的电阻值转换成数字信号传输给所述计算机并实现存储。
进一步地，所述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，所述压裂段封孔器压裂段区域的外管壁设有上环形沟槽和下环形沟槽；上环形沟槽和下环形沟槽之间的外管壁内缩与试样压裂孔壁之间形成压裂环腔，所述外管壁中心位置开设流体注入孔与所述压裂环腔相连通；上环形沟槽和下环形沟槽之间的距离根据压裂试样高度和所述压裂环腔高度确定；形成上环形沟槽、下环形沟槽的上、下台阶高度根据所述压裂段封孔器材质、上环形沟槽及下环形沟槽尺寸和所述压裂环腔所承受的压力确定；上环形沟槽和下环形沟槽中安有密封件以保证所述压裂环腔流体注入的密封性。
进一步地，所述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，所述流体中心注入管通过接头一与接头主体连接；所述流体中心注入管底部与所述压裂段封孔器顶部通过焊接相连组合成整体且保证流体注入的密封性；输入管通过接头二与所述接头主体连接，流体从所述输入管注入至所述流体中心注入管；所述输入管与接头二通过压帽和双卡套锁紧；接头一和接头二与所述接头主体通过锥管螺纹密封。
进一步地，所述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，所述孔底压力测量导管的底端放置于所述流体注入孔附近；所述孔底压力测量导管的顶端穿过所述接头主体与所述电阻应变压力传感器相连；所述孔底压力测量导管与接头三通过压帽和双卡套锁紧；接头三与所述接头主体通过锥管螺纹密封。
进一步地，所述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，所述微型铂电阻元件置于所述流体注入孔附近，与所述孔底压力测量导管底端相齐平。
进一步地，所述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，所述微型铂电阻元件的两根引线分别与两根导线一端通过焊接连接，连接处形成两个焊接点，两个所述焊接点处分别通过热缩管封装且形成一定错位来达到绝缘的目的；两根所述导线另一端分别与两个所述导电柱连接，所述导线直径根据试样压裂孔尺寸和所述流体中心注入管确定；两个接头四设置在所述接头主体两侧，接头四与所述接头主体通过锥管螺纹密封；接头四的中心设有聚四氟乙烯密封塞，所述导电柱设置在所述聚四氟乙烯密封塞中，通过压帽压缩所述聚四氟乙烯密封塞使其产生变形，实现高压密封；所述聚四氟乙烯密封塞将所述导电柱与接头四的内侧壁隔离起到绝缘的作用。
进一步地，所述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，所述导电柱将所述微型铂电阻元件监测得到的电阻信号通过焊接在所述导电柱上的防水导线引至所述温度变送器，将电阻信号引出压裂腔内的压力环境；所述导电柱与所述防水导线的焊接处及所述导电柱的裸露部分使用绝缘防水密封胶涂抹和包裹。
进一步地，所述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，所述模数转换器将所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块监测得到的电阻值进行转换得到数字信号，并将所述数字信号传输至所述计算机进行电阻与压力、电阻与温度的换算，判断出不同温度和压力下的CO2相态并进行CO2致裂全程的数据存储。
基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测方法，利用上述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，包括如下步骤：
步骤1：准备试样并沿试样轴线方向钻取中心钻孔；对试样中心钻孔上端内部进行打磨倒角，倒角标准是能够直接放入所述下环形沟槽中的密封件；
步骤2：将所述接头主体与接头一、接头二、接头三、接头四及接头五锁紧，形成集注入-测温-测压于一体的集成结构；
步骤3：将步骤2中所述的集成结构连接至压裂试样；
步骤4：打开所述计算机，检查所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块采集的电阻信号是否正常；
步骤5：通过所述输入管注入压裂液，开展致裂试验；
步骤6：将孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块采集的电阻信号通过所述模数转换器，所述模数转换器将电阻信号转换成数字信号传输给所述计算机，所述计算机同步实时采集、显示、记录并存储。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过将孔底压力测量导管和微型铂电阻元件直接置于压裂孔底的流体注入孔附近，实现CO2致裂过程中孔底CO2温度-压力的精确测量，可用于研究CO2致裂试样全过程中CO2相态变化。
(2)本发明提出的孔底温度测量模块结构制作简单，耐高压，耐振抗冲击，绝缘，密封；测温元件可与压裂孔内流体长期的直接接触，热响应快。
(3)本发明注入-测温-测压于一体的集成结构成型一体化，结构简单，成本较低，试验操作方便且成功率高，能够保障CO2致裂测试数据结果的可靠性，且待试样所有试验数据获取结束后可回收所述的集成结构，进行重复使用，便于推广使用。
附图说明
图1为基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置示意图；
图2为压裂段封孔器示意图；
图3为孔底温度测量模块示意图；
图中：1—温度变送器；2—模数转换器；3—计算机；4、8—压帽；5—聚四氟乙烯密封塞；6—接头二；7、19—接头四；9、20—焊接点；10—导线；11—堵头；12—引线；13—输入管；14—双卡套；15—防水导线；16—电阻应变压力传感器；17—接头三；18—接头主体；21—导电柱；22—接头一；23—热缩管；24—流体中心注入管；25—孔底压力测量导管；26—密封件；27—微型铂电阻元件；28—流体注入孔；29—压裂环腔；30—压裂段封孔器；31—试样；32—上环形沟槽；33—下环形沟槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例及附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不是全部的实施例，仅用于说明本发明，并不限制本发明。特别地，本发明技术方案不局限于本发明涉及的压裂液介质，试样尺寸，中心钻孔尺寸、微型铂电阻元件参数，有无堵头等。
如图1-3所示，基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置及方法，包括压裂段封孔器30、流体中心注入管24、孔底压力测量模块、孔底温度测量模块、模数转换器2、计算机3。所述压裂段封孔器30与所述流体中心注入管24通过端部焊接形成密封整体；所述流体中心注入管24通过接头一22与接头主体18连接；所述压裂段封孔器30压裂段区域的外管壁设有上环形沟槽32、下环形沟槽33；所述孔底压力测量模块中设有电阻应变压力传感器16和孔底压力测量导管25；所述孔底温度测量模块中置有微型铂电阻元件27，导电柱21，温度变送器1；所述模数转换器2将所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块测得的电阻值转换成数字信号传输给所述计算机3并实现存储。
上环形沟槽32、下环形沟槽33之间的外管壁内缩与试样压裂孔壁之间形成压裂环腔29，所述外管壁中心位置开设流体注入孔28与所述压裂环腔29相连通；上环形沟槽32、下环形沟槽33之间的距离根据压裂试样31高度和所述压裂环腔29高度确定；形成上环形沟槽32、下环形沟槽33的上、下台阶高度根据所述压裂段封孔器30材质，上环形沟槽32、下环形沟槽33尺寸和所述压裂环腔29所承受的压力确定；上环形沟槽32、下环形沟槽33中安有适合沟槽尺寸的密封元件26以保证所述压裂环腔29流体注入的密封性。
流体中心注入管24底部与所述压裂段封孔器30顶部通过焊接相连组合成整体且保证流体注入的密封性；流体从穿过接头二6的输入管13注入至所述流体中心注入管24；所述输入管13与接头二6通过压帽4和双卡套14锁紧达到耐压密封的目的；接头二6和接头主体18通过锥管螺纹密封。
所述孔底压力测量导管25底部直接置于所述压裂段封孔器30开设的所述流体注入孔28附近；所述孔底压力测量导管25顶部直接穿过所述接头主体18至所述的电阻应变压力传感器16；所述孔底压力测量导管25与接头三17通过压帽4和双卡套14锁紧达到耐压密封的目的；接头三17和所述接头主体18通过锥管螺纹密封。
所述微型铂电阻元件27置于所述压裂段封孔器30开设的所述流体注入孔28附近，与所述的孔底压力测量导管25底部相齐平。
所述微型铂电阻元件27的两根引线12分别与两根导线10一端通过焊接连接，连接处形成两个焊接点20，两个所述焊接点20处分别通过热缩管23封装且形成一定错位来到绝缘的目的；两根导线10另一端分别引至并焊接于两个导电柱21，将电阻信号引出压裂腔内的压力环境；根据试样31压裂孔尺寸和所述流体中心注入管24优选所述导线10直径；两个接头四7、19位于所述接头主体18两侧，所述导电柱21位于接头四7、19中心的聚四氟乙烯密封塞5中，通过压帽8压缩聚四氟乙烯密封塞5使其产生变形，与所述接头主体18相互配合实现高压密封；聚四氟乙烯密封塞5将所述导电柱21与接头四7、19内侧壁隔离起到绝缘的作用；接头四7、19和所述接头主体18通过锥管螺纹密封。
所述导电柱21将所述微型铂电阻元件27监测得到的电阻信号通过焊接在所述导电柱21上的防水导线15引至所述温度变送器1；所述导电柱21与所述防水导线15的焊接处及所述导电柱21的裸露部分使用绝缘防水密封胶涂抹和包裹。
所述模数转换器2将所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块监测得到的电阻值进行转换得到数字信号，将所述数字信号传输至所述计算机3，进而判断不同温度和压力下的CO2相态并进行CO2致裂全程的数据显示和存储。
基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测方法，利用上述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，包括如下步骤：
步骤1：准备试样31并沿试样轴线方向钻取中心钻孔；对试样中心钻孔上端内部进行打磨倒角，倒角标准是能够直接放入下环形沟槽33中的密封件27；
步骤2：将所述的接头主体18与接头二6、接头四7、19、接头三17、接头一22锁紧，形成集注入-测温-测压于一体的集成结构；
步骤3：将步骤2中所述的集成结构连接至压裂试样31；
步骤4：打开所述计算机3，检查所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块采集的电阻信号是否正常；
步骤5：通过所述输入管13注入压裂液CO2，开展CO2致裂试验；
步骤6：将孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块采集的电阻信号通过所述模数转换器2，所述模数转换器2将电阻信号转换成数字信号传输给所述计算机3，所述计算机3同步实时采集、显示、记录并存储温度-压力数据。
最后说明的是，以上应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，其特征在于，包括压裂段封孔器、流体中心注入管、孔底压力测量模块、孔底温度测量模块、模数转换器和计算机，压裂段封孔器与流体中心注入管通过端部连接形成密封整体；孔底压力测量模块包括电阻应变压力传感器和孔底压力测量导管；孔底温度测量模块包括微型铂电阻元件、导电柱和温度变送器；孔底压力测量导管的底端及微型铂电阻元件设置在压裂段封孔器内；所述模数转换器将所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块测得的电阻值转换成数字信号传输给所述计算机并实现存储；
所述压裂段封孔器的位于压裂段区域的外管壁设有上环形沟槽和下环形沟槽；上环形沟槽和下环形沟槽之间的所述压裂段封孔器的外管壁内缩与试样压裂孔壁之间形成压裂环腔，所述压裂段封孔器的位于压裂段区域的外管壁的中心位置开设流体注入孔与所述压裂环腔相连通；上环形沟槽和下环形沟槽之间的距离根据压裂试样高度和所述压裂环腔高度确定；形成上环形沟槽、下环形沟槽的上、下台阶高度根据所述压裂段封孔器材质、上环形沟槽及下环形沟槽尺寸和所述压裂环腔所承受的压力确定；上环形沟槽和下环形沟槽中安有密封件以保证所述压裂环腔流体注入的密封性；
所述流体中心注入管通过接头一与接头主体连接；所述流体中心注入管底部与所述压裂段封孔器顶部通过焊接相连组合成整体且保证流体注入的密封性；输入管通过接头二与所述接头主体连接，流体从所述输入管注入至所述流体中心注入管；所述输入管与接头二通过压帽和双卡套锁紧；接头一和接头二与所述接头主体通过锥管螺纹密封；
所述孔底压力测量导管的底端放置于所述流体注入孔附近；所述孔底压力测量导管的顶端穿过所述接头主体与所述电阻应变压力传感器相连；所述孔底压力测量导管与接头三通过压帽和双卡套锁紧；接头三与所述接头主体通过锥管螺纹密封；
所述微型铂电阻元件置于所述流体注入孔附近，与所述孔底压力测量导管底端相齐平；
所述导电柱将所述微型铂电阻元件监测得到的电阻信号通过焊接在所述导电柱上的防水导线引至所述温度变送器，将电阻信号引出压裂腔内的压力环境；所述导电柱与所述防水导线的焊接处及所述导电柱的裸露部分使用绝缘防水密封胶涂抹和包裹；
所述模数转换器将所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块监测得到的电阻值进行转换得到数字信号，并将所述数字信号传输至所述计算机进行电阻与压力、电阻与温度的换算，判断出不同温度和压力下的CO2相态并进行CO2致裂全程的数据存储。
2.根据权利要求1所述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，其特征在于，所述微型铂电阻元件的两根引线分别与两根导线一端通过焊接连接，连接处形成两个焊接点，两个所述焊接点处分别通过热缩管封装且形成一定错位来达到绝缘的目的；两根所述导线另一端分别与两个所述导电柱连接，所述导线直径根据试样压裂孔尺寸和所述流体中心注入管确定；两个接头四设置在所述接头主体两侧，接头四与所述接头主体通过锥管螺纹密封；接头四的中心设有聚四氟乙烯密封塞，所述导电柱设置在所述聚四氟乙烯密封塞中，通过压帽压缩所述聚四氟乙烯密封塞使其产生变形，实现高压密封；所述聚四氟乙烯密封塞将所述导电柱与接头四的内侧壁隔离起到绝缘的作用。
3.基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测方法，其特征在于，利用如权利要求2所述的基于电阻变化的CO2压裂孔内相态变化监测装置，包括如下步骤：
步骤1：准备试样并沿试样轴线方向钻取中心钻孔；对试样中心钻孔上端内部进行打磨倒角，倒角标准是能够直接放入所述下环形沟槽中的密封件；
步骤2：将所述接头主体与接头一、接头二、接头三、接头四锁紧，形成集注入-测温-测压于一体的集成结构；
步骤3：将步骤2中所述的集成结构连接至试样；
步骤4：打开所述计算机，检查所述孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块采集的电阻信号是否正常；
步骤5：通过所述输入管注入压裂液，开展致裂试验；
步骤6：将孔底压力测量模块和所述孔底温度测量模块采集的电阻信号通过所述模数转换器将电阻信号转换成数字信号传输给所述计算机，所述计算机同步实时采集、显示、记录并存储。
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