CN113495040A - 一种用于二氧化碳流变性的测试装置和方法 - Google Patents

一种用于二氧化碳流变性的测试装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于二氧化碳流变性的测试装置和方法，该测试装置包括气源；能与气源连通的相态改变系统，相态改变系统用于接收气源供给的二氧化碳并改变二氧化碳的体系温度和压力；能与相态改变系统连通的旋转流变仪，旋转流变仪能测试二氧化碳的流变性能并能实时观察体系相态；用于记录旋转流变仪采集到的试验数据的数据处理系统，该测试装置可以评价二氧化碳的流变性能，同时，该装置结构简单，操作便利，测量数据精准度高，为进一步研究流变规律以及二氧化碳压裂设计和施工提供理论依据。

Description

一种用于二氧化碳流变性的测试装置和方法
技术领域
本发明涉及非常规油气增产改造技术领域，具体涉及一种用于二氧化碳流变性的测试装置和方法。
背景技术
页岩油是一种新型非常规资源，储量规模及接替潜力巨大。页岩油储层普遍较为致密，渗流能力差，难以通过注采井网方式实现能量补充，多数页岩油通过衰竭方式开采，但衰竭开采方式能量下降快，采收率低，因此必须通过能量补充和增加驱替效率才能增加采收率。CO2蓄能压裂能在压裂和生产两方面起到提高采收率作用。CO2压裂液粘度低，压裂时容易进入微裂缝，有助于形成复杂缝；CO2无水相、无残渣、超低界面张力对地层无伤害，其蓄能作用有助于压后返排、生产，CO2无与原油作用，可起到混相效果，降低界面张力、渗流阻力，提高采收率，对水敏、致密储层适应性较好。
液态二氧化碳压裂液的流变性直接影响其携砂性和滤失性，因此对其流变性的测量工作尤为重要。当前室内试验条件下测量普通液体流变性的设备和方法已经相对比较完备，但由于气相二氧化碳液化需要降低体系温度或提高体系压力，而常规测试设备无法长时间维持低温高压条件，因此无法进行液态二氧化碳流变性测试的工作。
由此，需要发明一种用于二氧化碳流变性的测试装置和方法以更好的适用于二氧化碳的流变性的测量。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种用于二氧化碳流变性的测试装置和方法。该测试装置可以评价二氧化碳的流变性能。同时，该装置结构简单，操作便利，测量数据精准度高，为进一步研究流变规律以及二氧化碳压裂设计和施工提供理论依据。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于二氧化碳流变性的测试装置，包括：
气源，
能与气源连通的相态改变系统，相态改变系统用于接收气源供给的二氧化碳并改变二氧化碳的体系温度和压力，
能与相态改变系统连通的旋转流变仪，旋转流变仪能测试二氧化碳的流变性能并能实时观察体系相态，
用于记录旋转流变仪采集到的试验数据的数据处理系统。
在一个实施例中，旋转流变仪包括测量杯，测量杯的壁上设置有可视窗。
在一个实施例中，测量杯的内腔中设置转子，转子由磁力驱动。
在一个实施例中，相态改变系统包括中间容器，中间容器的内腔中设置活塞以将中间容器的内腔分为上空间和下空间，上空间与增压泵连通，下空间与气源和旋转流变仪均连通。
在一个实施例中，在中间容器的外壁上缠绕式设置循环导管，循环导管与制冷机连通，并在循环导管的外侧设置有保温层。
在一个实施例中，制冷机还能与测量杯连接以为测量杯进行降温，并且，数据处理系统还包括工控机以控制制冷机以及增加泵。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述测试装置进行二氧化碳流变性的测试方法，包括：
步骤一，根据需要选择性地在测量杯中放入增粘剂，
步骤二，需要对中间容器、测量杯以及连接中间容器和测量杯的管线进行抽真空操作，其中，真空泵数值到-0.09MPa时认定为到达真空状态。
步骤三，对中间容器和测量杯进行预冷，
步骤四，向中间容器内注入二氧化碳，并对二氧化碳进行冷却和加压，使得二氧化碳气体液化，
步骤五，将中间容器中的二氧化碳注入到测量杯中，
步骤六，设定旋转流变仪的剪切速率，使得转子开始选择以对液态二氧化碳造成剪切，
步骤七，拾取试验数据。
在一个实施例中，在步骤五中，以恒定的速率促动中间容器的活塞以促动二氧化碳注入到测量杯中。
在一个实施例中，在步骤四中，以恒定的速率促动中间容器的活塞以促动二氧化碳注入到测量杯中。
在一个实施例中，随着时间变化使得测量杯内的二氧化碳的温度变化用于测试不同温度下的二氧化碳的流变性。
在一个实施例中，在步骤七中，试验刚开始时，流体的粘度有波动，待数值稳定后才进行读数。
与现有技术相比，本发明的优点在于，该测试装置可以评价二氧化碳的流变性能。同时，该装置结构简单，操作便利，测量数据精准度高，为进一步研究流变规律以及二氧化碳压裂设计和施工提供理论依据。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的测试装置；
图2是10MPa下液态二氧化碳粘度随温度变化图；
图3是0℃下液态二氧化碳粘度随压力变化图。
附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
图1显示了根据本发明的用于二氧化碳流变性的测试装置。如图1所示，该测试装置包括气源1、相态改变系统、旋转流变仪12和数据处理系统16。其中，气源1用于提供所需要的气态二氧化碳。相态改变系统，其用于接收气源1供给的二氧化碳并改变该二氧化碳的体系温度和压力。旋转流变仪12，用于接收相态改变系统供给的液态二氧化碳，以测试该液态二氧化碳的流变性。同时，该旋转流变仪12还构造为能实时观察体系相态。数据处理系统16用于记录旋转流变仪12采集到的试验数据。
具体地，旋转流变仪12包括测量杯。该测量杯的壁上设置有可视窗，以用于观察内腔的情况。优选地，该测量杯的主体部分由不锈钢材料制成，其工作强度可达35MPa。可视窗镶嵌有蓝宝石。通过透明可视窗可以直接观察液态二氧化碳与预置添加剂的溶解情况。
在测量杯中设置有转子，该转子通过磁驱动。在使用过程中，通过磁场控制转子旋转速度，对测量杯中的液态二氧化碳造成剪切。需要说明的是，该转子也可以通过电机等穿过测量杯的杯盖等驱动方式进行驱动。相对电力驱动的方式，磁力驱动的方式中的转子可以完全被封闭在测量杯中，测量杯上也不需要开设连接口等，使得能更好的密闭该测量杯，以避免液态二氧化碳体系与外界的热交换，从而保证试验精度。另外，通过改变磁场的大小可以改变转子的旋转速度，从而方便地设定试验参数。
相态改变系统包括中间容器7。该中间容器7的内腔中设置活塞(图中未示出)以将中间容器7的内腔分为上空间和下空间。上空间与增压泵4连通，以对设置在下空间内的二氧化碳进行压缩，为二氧化碳液化提供压力。下空间与气源1连通，以用于接收气源1的二氧化碳。下空间也和旋转流变仪12的测量杯连通，以用于供给试验所需的液体二氧化碳。
在中间容器7的外壁上缠绕式设置循环导管9。循环导管9与制冷机3连通，以通过制冷机3向循环导管9中输送冷却液，对其中的二氧化碳进行降温。在循环导管9的外侧设置有保温层8，以用于避免过多的热交换，保证有效利用能量。
另外，制冷机3还能与测量杯连接，以对测量杯进行例如预冷等操作。需要说明的是，制冷机3与测量杯的连接关系可以参照制冷机3与中间容器7的连接关系。也就是说，测量杯的外壁上也可以缠绕循环导管，以接收冷却也而为测量杯进行预冷操作。
数据处理系统16除了包括采集控制处理软件以进行数据的采集以及计算等功能外，还包括工控机。该工控机可以控制制冷机3以对中间容器和测量杯进行冷却处理。该工控机还可以控制增压泵4以对二氧化碳进行压缩操作。采集控制处理软件可以根据公式剪切粘度＝剪切应力/剪切速率，实现直接将测试参数转化为粘度数据。
另外，在气源1的开口处设置有气瓶阀2，以用于打开或者关断通往中间容器7的通道。在中间容器7和测量杯之间设置有注入阀10，以用于关断或者打开该通道。在注入阀10的下游的中间容器7和测量杯之间还设置有质量流量计11，以用于检测二氧化碳的量。在测量杯上还连通有真空泵15。该真空泵15与测量杯之间设置有真空阀14。同时测量杯与外界连通的管线上设置有放空阀13，以进行放空操作。当然，在中间容器7上以及测量杯上均设置有用来检测压力的压力表5，以及用来检测温度的温度表6。
下面结合图1详细论述进行二氧化碳流变性能的测试方法。
首次，检查管线的连接，并打开数据处理系统16。根据选择，在测量杯中预置增粘剂。也就是说，增粘剂的添加比例根据具体实验设计确定，不加增粘剂时即测得纯液态二氧化碳粘度。进一步优选的，实验设计中增粘剂与液态二氧化碳的总量需要正好能将测量杯充满。
然后，关闭放空阀13和气瓶阀2。同时，打开注入阀10和真空阀14。开启真空泵15，将中间容器7和测量杯的内部抽至真空。同时，真空泵15也将连接气源1与中间容器7，以及连接测量杯以及真空泵15的管线抽成真空。需要注意的是，真空泵压力表读数为-0.09MPa时，认为线路内达到真空状态。在满足真空要求后，关闭真空泵14、注入阀10和真空阀14。
之后，打开制冷机3对中间容器7和测量杯进行预冷。预冷时间大约为1h，以中间容器和测量杯达到指定温度为准。
再之后，待中间容器7和测量杯内温度冷却至设定值后，打开气瓶阀2将二氧化碳通入中间容器7的下空间中。再打开增压泵4对中间容器7的上空间进行加压，促动中间容器7的活塞下移并对下空间内的二氧化碳施加压力，最终使得其液化。需要说明的是，通过气源1向中间容器7内通入的二氧化碳的量应高于试验设计所指定的数值，一般为2～3倍，进一步优选的，实际通入二氧化碳的量应是设计值的2倍。这种设置方式兼顾了试验的可实施性和经济效益。
通入适量的二氧化碳后，关闭气瓶阀2。之后，打开增压泵4和注入阀10，增压泵4以恒定的速率推送活塞，将液态二氧化碳推入测量杯中，通过质量流量计11计量流入的液态二氧化碳质量。例如，液态二氧化碳的注入速度可以为10mL/min，用于保证二氧化碳的相态稳定性，避免相态变化而影响试验结果。需要说明的是，若测试纯液态二氧化碳流变性(也就是不需要实施步骤一中的注入增粘剂的操作)，需将测量杯注满。而测试含增粘剂的液态二氧化碳体系流变性，具体数值以具体试验设计为准。
关闭注入阀10，设定流变仪剪切速率，使转子开始旋转对液态二氧化碳造成剪切。当测试纯液态二氧化碳粘度时，由于纯液态二氧化碳为牛顿流体，而牛顿流体的粘度不随剪切速率而变化，只与流体的温度和压力有关。因此，实验中只需测试所对应的状态下某一个剪切速率下的粘度值，即为纯二氧化碳在该状态下的粘度。根据不同试验的需要，可以通过测试装置容易地设定剪切速率，以满足试验要求，例如，转子对二氧化碳的剪切速率设定为170s-1，当测试液态二氧化碳与增粘剂混合体系的粘度时，剪切速率设定为170s-1。
在加入增粘剂的情况下，待液态二氧化与增粘剂充分混合后(目视混合好、无分层)，开始拾取实验数据(剪切速率、剪切应力、时间)。在试验刚开始时，流体的粘度有明显的波动，等其数值稳定后读数即为该温度、压力条件下的粘度值。实验结束后，关闭旋转流变仪12，打开放空阀13，断开管线连接。
该测试装置可以实现二氧化碳液化并直接测量其流变性的一体化工作；在试验操作过程中，通过本申请可以使得待检测的CO2处于全封闭的测量杯中，避免体系与外界的热交换，用于保证测量的精确度；本申请还可以精确把握增粘剂和液态二氧化碳的添加量，用于提高试验精度；通过测量杯的可视窗可直接观察到测试过程中CO2实际相态以及增粘剂的溶解情况，方便操作；通过数据处理系统16可以直接获取粘度参数，并绘制CO2流变曲线，减少繁琐的计算工作。另外，利用该测试装置进行试验过程中，在将二氧化碳注入到测量杯后，随着时间推移，测量杯内的二氧化碳的温度等会发生变化，则可在恒定剪切速率下测试不同温度下的粘度。还会监测和得到到二氧化碳达到温度临界值时出现相态变化使得数据，如液态二氧化碳变为超临界态。由此本申请的测试装置的测试下来非常高，且更贴合实际。当然，在温度一定的条件下，利用该申请的测量杯还容易实现剪切速率变化，加上可以便利地观察粘度变化，可以得知二氧化碳是否存在液体性质的改变等，例如，又牛顿流体转变为非牛顿流体。
另外，在图2和图3中分别给出了10MPa下液态二氧化碳粘度随温度变化图，以及0℃下液态二氧化碳粘度随压力变化图。根据结果图进一步佐证了本申请的测试装置能达到良好的试验效果，取得精确的试验结果。
以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于二氧化碳流变性的测试装置，其特征在于，包括：
气源，
能与所述气源连通的相态改变系统，所述相态改变系统用于接收所述气源供给的二氧化碳并改变二氧化碳的体系温度和压力，
能与所述相态改变系统连通的旋转流变仪，所述旋转流变仪能测试二氧化碳的流变性能并能实时观察体系相态，
用于记录所述旋转流变仪采集到的试验数据的数据处理系统。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述旋转流变仪包括测量杯，所述测量杯的壁上设置有可视窗。
3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述测量杯的内腔中设置转子，所述转子由磁力驱动。
4.根据权利要求2或3所述的测试装置，其特征在于，所述相态改变系统包括中间容器，所述中间容器的内腔中设置活塞以将所述中间容器的内腔分为上空间和所述下空间，所述上空间与所述增压泵连通，所述下空间与所述气源和所述旋转流变仪均连通。
5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于，在所述中间容器的外壁上缠绕式设置循环导管，所述循环导管与制冷机连通，并在所述循环导管的外侧设置有保温层。
6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述制冷机还能与所述测量杯连接以为所述测量杯进行降温，并且，所述数据处理系统还包括工控机以控制所述制冷机以及所述增加泵。
7.一种利用根据权利要求1到6中任一项所述的测试装置进行二氧化碳流变性的测试方法，其特征在于，包括：
步骤一，根据需要选择性地在测量杯中放入增粘剂，
步骤二，需要对中间容器、测量杯以及连接中间容器和测量杯的管线进行抽真空操作，其中，真空泵数值到-0.09MPa时认定为到达真空状态。
步骤三，对中间容器和测量杯进行预冷，
步骤四，向中间容器内注入二氧化碳，并对二氧化碳进行冷却和加压，使得二氧化碳气体液化，
步骤五，将中间容器中的二氧化碳注入到测量杯中，
步骤六，设定旋转流变仪的剪切速率，使得转子开始选择以对液态二氧化碳造成剪切，
步骤七，拾取试验数据。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，在步骤五中，以恒定的速率促动中间容器的活塞以促动二氧化碳注入到测量杯中。
9.根据权利要求7所述测试方法，其特征在于，在步骤六中，随着时间变化使得测量杯内的二氧化碳的温度变化用于测试不同温度下的二氧化碳的流变性。
10.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，在步骤七中，试验刚开始时，流体的粘度有波动，待数值稳定后才进行读数。
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