CN112730130A - 一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置 - Google Patents

一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，它包括高温高压容器筒体，高温高压容器筒体内放置盛样器，高温高压容器筒体顶部连接有封头，封头中心上方设置有磁力搅拌传动机构，磁力搅拌传动机构底部与封头顶部中心之间设置有冷却装置，磁力搅拌传动机构上方设置有搅拌动力装置，搅拌动力装置上方设置有微型直流电机，封头底部中心下方连接有搅拌杆，搅拌杆下端设置有搅拌桨。本发明可以更加真实的模拟地层中岩石所处的压力温度环境。在反应釜与搅拌装置中间设置冷却装置，可使磁力搅拌传动机构隔绝反应釜的高温，避免其发生失磁现象，突破了搅拌釜难以实现250℃以上高温的难题。

Description

一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置
技术领域
本发明涉及一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，属于岩石力学试验技术与设备技术领域。
背景技术
干热岩具有储量大、分布广、可再生、清洁环保、稳定高效等优点，其开发利用越发受到人们的重视。干热岩开发的传统方法是通过水力压裂手段人工制造储层，从中提取热能并加以利用。但在现场试验中，发现水基压裂具有诸多缺点，如热穿透实现困难、管道矿化结垢等问题，尤其极易诱发地震，目前已被多国禁止使用。针对水力压裂存在的诸多问题，人们开始着手于开发新型压裂液。经研究发现，将二氧化碳注入地层中，在干热岩储层环境下将会转化为超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，SC-CO2)，其具有降低劈裂压力、泵送功率低、换热效率高等优点，是取代水基压裂液的优质压裂液选项。因此，研究高温高压条件下超临界二氧化碳对岩石的作用是十分有必要的。
在干热岩储层中，由于地层水的存在，超临界二氧化碳对岩石的作用主要包括物理压裂和化学溶蚀两个方面。在研究岩石受化学作用影响规律时，通常采用将岩石放置于高温高压反应釜内，并对其进行加温、加压、注入酸液的方法进行研究，但是当前研究中所采用的反应釜难以用于干热岩溶蚀损伤规律研究，其主要不足体现在三个方面。一方面，传统的反应釜加热方式通常采用水浴、油浴等传热加热的方式，受限于传热介质的温度限制，釜内无法达到干热岩试验要求的高温环境，同时传热加热的方式加热速率慢，平衡时间长，会降低试验效率；另一方面，已开展研究多集中在地球化学领域，研究对象为岩石粉末或颗粒，因此反应釜容积与尺寸较小，难以盛放用于力学测试的岩石试块；此外，目前的装置多采用浸泡手段研究岩石的溶蚀劣化规律，忽略了流动因素对于溶蚀规律的影响，缺少二氧化碳对岩石的动态溶蚀损伤规律方面的研究。
值得注意的是，当研究流动酸液对岩石的影响时，通常使用搅拌反应釜，即采用在釜内设置搅拌装置，考虑到密封的效果，通常需要借助两块可以相互吸引的磁力装置，实现由电机带动磁力装置进而带动搅拌杆转动。但是，当温度高于200～250℃时，磁铁会发生失磁现象，这使得搅拌反应釜难以突破这一温度屏障。
因此，为更好的模拟二氧化碳改造干热岩储层过程中岩石受到的多场作用，本发明提供了一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，以解决上述当前研究所存在的问题。
发明内容
为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，本发明的试验装置不仅能提供高温(0-400℃)、高压(0-40MPa)和流动液体状态的试验环境，实现对二氧化碳开采干热岩时的储层环境的真实模拟，而且体积大，便于一次对多试块进行试验，试验效果更好，大大减少对照试验的时间，提高试验效率。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，包括圆柱形的高温高压容器筒体，所述高温高压容器筒体内可拆卸连接有放置岩石的盛样器，所述盛样器周围的高温高压容器筒体内设置有电加热线圈，高温高压容器筒体顶部通过螺栓密封连接有圆形的封头，所述封头中心上方设置有磁力搅拌传动机构，且磁力搅拌传动机构底部与封头顶部中心之间设置有冷却装置，磁力搅拌传动机构上方设置有搅拌动力装置，所述搅拌动力装置上方设置有为搅拌动力装置提供动力的微型直流电机，封头底部中心下方连接有竖直延伸入高温高压容器筒体内并贯穿盛样器的搅拌杆，所述搅拌杆下端设置有与磁力搅拌传动机构相配合的搅拌桨。
本发明还包括操作平台，所述操作平台包括下部的箱体和上部的台面，所述高温高压容器筒体竖直放置在箱体内，且封头伸出至台面上方，封头左右两侧的台面上铺设有前后延伸的滑轨，所述滑轨上设置有可沿滑轨移动的升降支架，所述升降支架顶部设置有升降杆，所述升降杆下端设置有升降插销，所述封头向上延伸有支撑板，所述支撑板顶部设置有可与升降插销卡接配合的升降卡槽。
根据本发明优选的，上述盛样器包括若干上下平行间隔排列的圆形的托盘，上下相邻的托盘边缘之间连接有支撑杆，所述托盘中心设置有可容纳搅拌杆和搅拌桨穿过的通孔，所述通孔四周的托盘上设置有若干岩石盛放孔，所述高温高压容器筒体的内壁上设置有盛样器相配合的限位卡槽。
根据本发明优选的，上述磁力搅拌传动机构包括上盘和下盘，上盘和下盘采用螺栓固定，所述上盘和下盘均由磁组件和隔离套组成，上盘隔离套与搅拌动力装置采用静密封连接，下盘隔离套与冷却装置采用静密封连接。
根据本发明优选的，上述冷却装置设置有冷却剂进口和冷却剂出口，冷却转置与封头采用静密封连接。
根据本发明优选的，上述高温高压容器筒体底部设置有与高温高压容器筒体相连通的取样器，所述取样器上设置有安全阀门。
根据本发明优选的，上述高温高压容器筒体的上端面上竖直设置有若干螺栓，所述封头设置有带螺孔的法兰，所述螺栓穿过螺孔并螺纹连接有螺母，所述螺母下方设置有密封垫圈。
根据本发明优选的，上述箱体内设置有筒体底座，所述高温高压容器筒体放置在筒体底座上，高温高压容器筒体的侧壁上设有入管口和泄压口。
根据本发明优选的，上述封头向两侧延伸有抬升握手。
根据本发明优选的，上述高温高压容器筒体外包裹有聚酯纤维的保温层。
根据本发明优选的，上述升降杆设置有手摇把手，操作平台底部设置有万向轮。
本发明的有益效果是：
1、与目前的反应釜相比，超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置可实现压力0-40MPa、温度0-400℃的大范围浸泡环境要求，可以更加真实的模拟地层中岩石所处的压力温度环境，达到了进行干热岩溶蚀试验和加速试验的条件。
2、与目前的反应釜相比，超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置容积大，一次可实现一组8个岩样的试验，数量更多。这样大大减少对照试验的时间，提高试验效率。同时大容积为液体流动提供充足空间，保证动态溶蚀效果，便于进行对照试验，而且由于空间更大，液体流动效果更好，可使溶蚀试验更有说服力。
3、在反应釜内设置搅拌装置，其目的是进行动态溶蚀试验，为超临界二氧化碳-水-岩的动态溶蚀作用研究提供试验条件。
4、在反应釜封头与搅拌装置中间设置冷却装置，可使磁力搅拌传动机构隔绝反应釜的高温，避免其发生失磁现象，突破了搅拌釜难以实现250℃以上高温的难题。
5、在反应釜上方设计升降装置，用于封头的升降，便于试验的进行。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的操作平台结构示意图。
图3为本发明的爆炸结构示意图。
图4为本发明的高温高压容器筒体结构示意图。
图5为本发明的封头部分结构示意图。
图中：1-升降杆，2-手摇把手，3-升降插销，4-滑轨，5-万向轮，6-高温高压容器筒体，7-操作平台，8-抬升握手，9-封头，10-冷却装置，11-磁力搅拌传动机构，12-搅拌动力装置，13-微型直流电机，14-螺母，15-密封垫圈，16-法兰，17-螺栓，18-冷却剂进口，19-冷却剂出口，20-搅拌杆，21-搅拌桨，22-盛样器，23-入管口，24-泄压口，25-取样器，26-升降卡槽，27-保温层，28-加热线圈，29-升降支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的保护装置不限于此。
实施例1
如图1-5所示，一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，包括圆柱形的高温高压容器筒体6，高温高压容器筒体6内可拆卸连接有放置岩石的盛样器22，盛样器22周围的高温高压容器筒体6内设置有电加热线圈28，高温高压容器筒体6顶部通过螺栓密封连接有圆形的封头9，封头9中心上方设置有磁力搅拌传动机构11，磁力搅拌传动机构11包括上盘和下盘，上盘和下盘采用螺栓固定，所述上盘和下盘均由磁组件和隔离套组成，上盘隔离套与搅拌动力装置12采用静密封连接，搅拌动力装置12上方设置有为搅拌动力装置12提供动力的微型直流电机13，磁力搅拌传动机构11底部与封头9顶部中心之间设置有冷却装置10，冷却装置10与下盘隔离套与和封头9采用静密封连接，封头9底部中心下方连接有竖直延伸入高温高压容器筒体6内并贯穿盛样器22的搅拌杆20，搅拌杆20下端设置有与磁力搅拌传动机构11相配合的搅拌桨21。
本发明还包括操作平台7，所述操作平台7包括下部的箱体和上部的台面，所述高温高压容器筒体6竖直放置在箱体内，且封头9伸出至台面上方，封头9左右两侧的台面上铺设有前后延伸的滑轨4，滑轨4上设置有可沿滑轨4移动的升降支架29，升降支架29顶部设置有升降杆1，升降杆1下端设置有升降插销3，封头9向上延伸有支撑板，支撑板顶部设置有可与升降插销3卡接配合的升降卡槽26。盛样器22包括若干上下平行间隔排列的圆形的托盘，上下相邻的托盘边缘之间连接有支撑杆，托盘中心设置有可容纳搅拌杆20和搅拌桨21穿过的通孔，通孔四周的托盘上设置有若干岩石盛放孔，高温高压容器筒体6的内壁上设置有盛样器22相配合的限位卡槽。冷却装置10设置有冷却剂进口18和冷却剂出口19。高温高压容器筒体6底部设置有与高温高压容器筒体6相连通的取样器25，所述取样器25上设置有安全阀门。高温高压容器筒体6的上端面上竖直设置有若干螺栓，封头9设置有带螺孔的法兰，螺栓穿过螺孔并螺纹连接有螺母，螺母下方设置有密封垫圈15。
箱体内设置有筒体底座，高温高压容器筒体6放置在筒体底座上，高温高压容器筒体6的侧壁上设有入管口23和泄压口24。封头9向两侧延伸有抬升握手8。高温高压容器筒体6外包裹有聚酯纤维的保温层27。升降杆1设置有手摇把手2，操作平台7底部设置有万向轮5。
高温高压筒体由316L不锈钢制作而成，容积为5L，尺寸为
Figure BDA0002848819390000051
具有良好的强度和耐腐蚀性，可以保证内部压力达到40MPa。搅拌动力装置12采用微型直流电机13提供动力，转速最大可达1000r/min；加热线圈28负责自动调控釜内温度维持在设定值，温度控制采用电加热，设置有温度控制仪自动控温，加热功率为3KW，加热方式为直接加热，减少了中间传热介质的干扰，加快了加热速率，保障了加热效果。
高温高压容器筒体6外设有保温层27，保温层27为聚酯纤维。取样器25由316L不锈钢制成，容积为10ml，取样器25与高温高压容器筒体6间设有安全阀门，可实时采集釜内反应液，监测溶蚀进展情况。封头9两侧设有抬升握手8，便于封头9提起，考虑到密封效果，微型直流电机13与搅拌桨21连接采用密封的磁力搅拌传动机构11，搅拌桨21为螺旋式结构，具有良好的搅拌效果。微型直流电机13的搅拌速度可通过旋转钮进行人工调节，可以进行不同流速下的浸泡试验。考虑到高温状态下会出现消磁现象，磁力传动机构与封头9之间设有冷却装置10，使磁力传动机构隔绝反应釜的高温，使高温高压容器筒体6内可实现250-400℃的高温，既能够模拟更深成的干热岩存储环境，又可以满足加速试验的温度需求，可以研究长储层改造周期见岩石的动态溶蚀劣化作用。
高温高压容器筒体6体内设有盛样器22，盛样器22与高温高压容器筒体6内壁设有卡槽，保证试验过程中岩样的稳定。盛样器22设有两层，共8个岩石放置处，可以一次对8块标准岩石试块进行试验，节省了试验时间。封头9与高温高压容器筒体6之间采用法兰16连接，法兰通过螺栓17和螺母14紧固。为保证法兰在高压下的密封效果，在法兰的接触面上增加耐腐蚀的密封圈，在40Mpa的压力下具有较好的密封效果。本发明的反应装置安装于可移动的操作平台7上，操作平台7底部设有4个万向轮5，便于调整反应釜的位置；由于封头9较重，操作平台7上方手摇式封头9升降装置，封头9上端和升降杆1下端采用插销连接，升降装置在所述操作平台7上采用滑轨4式移动。
以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：包括圆柱形的高温高压容器筒体，所述高温高压容器筒体内可拆卸连接有放置岩石的盛样器，所述盛样器周围的高温高压容器筒体内设置有电加热线圈，高温高压容器筒体顶部通过螺栓密封连接有圆形的封头，所述封头中心上方设置有磁力搅拌传动机构，且磁力搅拌传动机构底部与封头顶部中心之间设置有冷却装置，磁力搅拌传动机构上方设置有搅拌动力装置，所述搅拌动力装置上方设置有为搅拌动力装置提供动力的微型直流电机，封头底部中心下方连接有竖直延伸入高温高压容器筒体内并贯穿盛样器的搅拌杆，所述搅拌杆下端设置有与磁力搅拌传动机构相配合的搅拌桨。
2.根据权利要求1所述超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：还包括操作平台，所述操作平台包括下部的箱体和上部的台面，所述高温高压容器筒体竖直放置在箱体内，且封头伸出至台面上方，封头左右两侧的台面上铺设有前后延伸的滑轨，所述滑轨上设置有可沿滑轨移动的升降支架，所述升降支架顶部设置有升降杆，所述升降杆下端设置有升降插销，所述封头向上延伸有支撑板，所述支撑板顶部设置有可与升降插销卡接配合的升降卡槽。
3.根据权利要求1所述超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：所述盛样器包括若干上下平行间隔排列的圆形的托盘，上下相邻的托盘边缘之间连接有支撑杆，所述托盘中心设置有可容纳搅拌杆和搅拌桨穿过的通孔，所述通孔四周的托盘上设置有若干岩石盛放孔，所述高温高压容器筒体的内壁上设置有盛样器相配合的限位卡槽。
4.根据权利要求1所述超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：所述磁力搅拌传动机构包括上盘和下盘，上盘和下盘采用螺栓固定，所述上盘和下盘均由磁组件和隔离套组成，上盘隔离套与搅拌动力装置采用静密封连接，下盘隔离套与冷却装置采用静密封连接。
5.根据权利要求1所述超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：所述冷却装置设置有冷却剂进口和冷却剂出口，冷却转置与封头采用静密封连接。
6.根据权利要求1所述超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：所述高温高压容器筒体底部设置有与高温高压容器筒体相连通的取样器，所述取样器上设置有安全阀门。
7.根据权利要求1所述超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：所述高温高压容器筒体的上端面上竖直设置有若干螺栓，所述封头设置有带螺孔的法兰，所述螺栓穿过螺孔并螺纹连接有螺母，所述螺母下方设置有密封垫圈。
8.根据权利要求2所述超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：所述箱体内设置有筒体底座，所述高温高压容器筒体放置在筒体底座上，高温高压容器筒体的侧壁上设有入管口和泄压口，高温高压容器筒体外包裹有聚酯纤维保温层。
9.根据权利要求1所述超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：所述封头向两侧延伸有抬升握手。
10.根据权利要求2所述超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验装置，其特征在于：所述升降杆设置有手摇把手，操作平台底部设置有万向轮。
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