CN114166693B - 二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置及方法，所述实验装置包括包括气瓶、制冷机、高压泵、至少一个水平测试管路、至少一个竖直测试管路、减阻剂加料管路、以及多个阀门。本发明能够模拟及测量二氧化碳在横管和竖管中流动的摩阻，采用两段式电加热，可以使测试管内的二氧化碳温度低于外壁加热温度，模拟地层与井筒内真实情况，从而建立流动和传热过程双重非稳态的实验过程来描述超临界二氧化碳压裂井筒摩阻特征，且通过在测试管道中设置特殊的增阻结构，增加管道自身摩阻，在不用增加测试管路长度的情况下，提高超临界二氧化碳摩阻和减阻剂减阻效果的测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探技术领域，特别涉及一种二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置及方法。
背景技术
随着人们环保意思的增强，超临界二氧化碳干法压裂被人们认为是最有潜力代替水力压裂的一种新型环保压裂技术。当前国内外研究学者对超临界二氧化碳压裂进行了大量的室内研究，并在现场也进行了少量研究，取得一定的成果。超临界二氧化碳压裂存在诸多优点，如减少储层水敏伤害、能置换吸附在岩石颗粒上的甲烷、流动性强裂缝延伸更好、反排快、无残渣等优点。但也存在一些缺点，其摩阻较高使得造缝能力降低。超临界二氧化碳压裂技术是一项系统工程，各方面都还在不断的探索和完善中。其中针对液态、超临界态二氧化碳减阻剂性能评价和摩阻测试实验是其中一个重要的研究方向。
目前能够进行二氧化碳减阻剂性能评价的摩阻测试仪并没有实际应用案例。文献中出现的少量相关专利，功能也仅限于测量二氧化碳的摩阻。其中，测试二氧化碳压裂液的测试管道为横管，且未考虑实际生产时与生产管柱换热的特性，同时由于超临界态压裂液摩阻小于液态二氧化碳和清水摩阻，在加入减阻剂后，摩阻进一步降低难以测量。针对普通滑溜水减阻剂的评价装置无法准确测定二氧化碳摩阻，且无法达到超临界二氧化碳所需压力及温度。因此，有必要开展针对二氧化碳减阻剂性能评价的实验仪器的研发。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置及方法，能够在考虑换热的情况下测试不同相态二氧化碳在管道中的摩阻变化情况，同时对二氧化碳减阻剂性能测试提出一种可行方法，克服超临界二氧化碳本身摩阻较低不易观测减阻剂效果，常规减阻剂性能评价装置不能测试二氧化碳减阻剂等问题。
本发明的技术方案如下：
一方面，提供一种二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，包括气瓶、制冷机、高压泵、至少一个水平测试管路、至少一个竖直测试管路、减阻剂加料管路、以及多个阀门，所述水平测试管路包括水平测试管，所述竖直测试管路包括竖直测试管，所述减阻剂加料管路包括依次相连的加药仓、驱动泵、以及冷凝系统，所述阀门设置在各部件相连的管路之间；
所述气瓶、制冷机、以及高压泵通过管路依次相连；
所述水平测试管路和所述竖直测试管路并联设置，且并联后的入口端与所述高压泵的输出端相连，且相连的管路之间设有压力传感器，并联后的出口端与所述驱动泵的输入端相连，且相连的管路上依次设有流量计和温度传感器，所述驱动泵的输出端通过管道与所述并联后的入口端相连，形成循环测试管路；所述水平测试管和所述竖直测试管的外壁均设有电加热组件一，且所述水平测试管和所述竖直测试管上分别设有温度传感器，所述水平测试管与所述并联后的入口端之间的管路、以及所述竖直测试管与所述并联后的入口端之间的管路外壁均设有电加热组件二，所述电加热组件一和所述电加热组件二均与电加热控制器相连；所述水平测试管和所述竖直测试管的两端与压差表相连；
所述加药仓内储存有二氧化碳减阻剂，所述加药仓设有两个出口且通过管路与所述驱动泵和所述并联后的入口端相连的管路并联设置。
作为优选，所述水平测试管路设置两个，且两个所述水平测试管路中采用的水平测试管内径不同。
作为优选，所述加药仓与所述并联后的入口端之间相连的管路上还设有真空泵。
作为优选，所述加药仓采用透明材质制成，所述驱动泵采用磁力泵，所述阀门采用电磁阀。
作为优选，所述流量计与所述冷凝系统之间相连的管路上还设有取样口。
作为优选，所述水平测试管和所述竖直测试管内均设有增阻结构。
作为优选，所述增阻结构为设置在测试管内部的隔板、突刺、波纹状凸起、筛管中的任意一种；
当所述增阻结构为隔板或突刺时，所述隔板或突刺设置多个，多个所述隔板或突刺沿测试管轴线交错或等间距排列；
当所述增阻结构为波纹状凸起时，所述波纹状凸起设置多个，且所述波纹状凸起的波纹沿测试管轴向或径向设置；
当所述增阻结构为筛管时，所述筛管包括多层同轴设置的管道，所述管道的入口端封闭，出口端与测试管出口端的内壁相连，相邻两层管道之间设有通气孔，使得气体由最外层的通道逐层向内层扩散，最终通过最内层的管道通道排出。
作为优选，所述隔板上设有通气管，相邻两个隔板之间的通气管交错排列。
作为优选，所述增阻结构设置在套管内壁，所述套管可拆卸设置在所述水平测试管或所述竖直测试管内。
另一方面，还提供一种二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验方法，采用上述任意一项所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置进行实验。
本发明的有益效果是：
1、本发明能够模拟及测量二氧化碳在水平管和竖管中流动的摩阻；
2、本发明采用多个方向设置的测试管道进行测试，如两个横管和一个竖管，从而能够模拟不同管道状态下的摩阻情况，测试更为广泛；
3、本发明通过在测试管外壁和测试管入口端之前的管路外壁设置电加热组件，形成两段式电加热，结合所述冷凝系统，可以使测试管内二氧化碳温度低于外壁加热温度，模拟地层与井筒内真实情况，从而建立流动和传热过程双重非稳态的实验过程来描述超临界二氧化碳压裂井筒摩阻特征；
4、本发明借助高压泵、电加热组件一及电加热组件二等机构，能够测试减阻剂在高温(高于31.06℃)高压(高于7.38MPa)条件下超临界态二氧化碳的减阻效果，解决传统技术中在高温高压条件下无法测试的技术问题；
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实验装置的一个具体实施例结构示意图；
图2为本发明实验装置的增阻结构与水平测试管之间的装配实施例示意图；
图3为图2中水平测试管一端的局部结构示意图；
图4为图2的正视截面剖视结构示意图；
图5为图4中B处的局部放大结构示意图；
图6至图11为本发明实验装置增阻结构的具体实施例结构示意图；
图12为本发明实验装置竖直测试管中电加热组件的电路原理示意图。
图中标号：1-气瓶、2-制冷机、3-高压泵、4-水平测试管、5-竖直测试管、6-加药仓、7-驱动泵、8-压力传感器、9-流量计、10-温度传感器、11-电加热组件一、12-电加热组件二、13-电加热控制器、14-压差表、15-真空泵、16-冷凝系统、17-取样口、18-增阻结构、181-隔板、182-突刺、183-通气管、184-筛管、185-通气孔、19-套管、191-套管本体、192-端盖、193-法兰、194-安装槽、195-凸耳、196-插槽、197-密封圈、198-导热棒、20-视窗结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语；使用的术语中“上”、“下”、“左”、“右”等通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言；同样地，为便于理解和描述，“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。但上述方位词并不用于限制本发明。
一方面，如图1-12所示，本发明提供一种二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，包括气瓶1、制冷机2、高压泵3、至少一个水平测试管路、至少一个竖直测试管路、减阻剂加料管路、以及多个阀门，所述水平测试管路包括水平测试管4，所述竖直测试管路包括竖直测试管5，所述减阻剂加料管路包括依次相连的加药仓6、驱动泵7、以及冷凝系统16，所述阀门设置在各部件相连的管路之间；
所述气瓶1、制冷机2、以及高压泵3通过管路依次相连；
所述水平测试管路和所述竖直测试管路并联设置，且并联后的入口端与所述高压泵3的输出端相连，且相连的管路之间设有压力传感器8，并联后的出口端与所述驱动泵7的输入端相连，且相连的管路上依次设有流量计9和温度传感器10，所述驱动泵7的输出端通过管道与所述并联后的入口端相连，形成循环测试管路；所述水平测试管4和所述竖直测试管5的外壁均设有电加热组件一11，且所述水平测试管4和所述竖直测试管5上分别设有温度传感器10，所述水平测试管4与所述并联后的入口端之间的管路、以及所述竖直测试管5与所述并联后的入口端之间的管路外壁均设有电加热组件二12，所述电加热组件一11和所述电加热组件二12均与电加热控制器13相连；所述水平测试管4和所述竖直测试管5的两端与压差表14相连；
所述加药仓6内储存有二氧化碳减阻剂，所述加药仓6设有两个出口且通过管路与所述驱动泵7和所述并联后的入口端相连的管路并联设置。
在一个具体的实施例中，所述加药仓6采用透明材质制成，所述驱动泵7采用磁力泵，所述阀门采用电磁阀。
在一个具体的实施例中，所述水平测试管路设置两个，且两个所述水平测试管路中采用的水平测试管4内径不同。
为了方便对所述实验装置进行抽真空处理，避免空气对实验结果产生影响，可选地，所述加药仓6与所述并联后的入口端之间相连的管路上还设有真空泵15。
在一个具体的实施例中，所述流量计9与所述并联后的出口端之间相连的管路上还设有冷凝系统16。可选地，所述流量计9与所述冷凝系统16之间相连的管路上还设有取样口17。
在一个具体的实施例中，所述水平测试管4和所述竖直测试管5内均设有增阻结构18。由于超临界态二氧化碳与清水和液态二氧化碳相比较摩阻较小，为提高检测超临界二氧化碳摩阻及超临界二氧化碳减阻剂减阻效果的精度，本发明通过在测试管道中设置增阻结构，能够增加管道自身摩阻，在不用增加测试管路长度的情况下，提高超临界二氧化碳摩阻和减阻剂减阻效果的测试精度。
在一个具体的实施例中，所述增阻结构18为测试管内壁设置的多个沿着测试管轴线交错排列的隔板181或者多个突刺182或者测试管的内壁为波纹状凸起，所述波纹状凸起的波纹沿测试管轴向或径向设置。
在另一个具体的实施例中，所述增阻结构18为多个沿着或垂直于测试管轴线等距排列的隔板181，所述隔板181上设有通气管183，相邻两个隔板181之间的通气管183交错排列。
在另一个具体的实施例中，所述增阻结构18为设置在测试管内部的筛管184，所述筛管184包括多层同轴设置的管道，所述管道的入口端封闭，出口端与测试管出口端的内壁相连，相邻两层管道之间设有通气孔185，使得气体由最外层的通道逐层向内层扩散，最终通过最内层的管道通道排出。
在一个具体的实施例中，所述增阻结构18设置在套管19内壁，所述套管19可拆卸设置在所述水平测试管4或所述竖直测试管5内。可选地，所述套管19包括套管本体191和端盖192，所述增阻结构18设置在所述套管本体191内壁，所述套管本体191的一端设有法兰193，测试管的一端设有与法兰193相配合的安装槽194，法兰193的外周对称设有两个防错的凸耳195，测试管上设有与所述凸耳195相配合的插槽196，套管本体191穿过测试管的内壁并通过螺纹与套管本体191另一端的端盖192锁紧，法兰193与安装槽194之间通过密封圈197密封，套管本体191的外壁螺纹连接有多个用于导热的导热棒198，导热棒198穿过管路的侧壁并与电加热组件一11接触。本实施例中，通过在套管壁上设置导热棒结构，能够将电加热组件一11的热量更好、更快地传递至套管本体191处。
需要说明的是，除了上述实施例的套管结构外，现有技术中的其他可拆卸套管结构也适用于本发明，设置可拆卸的套管目的在于能够使其易于装配，便于根据需要快速更换不同类型的增阻结构。
在一个具体的实施例中，采用上述套管的实施例在测试管内设置增阻结构18，在本实施例中，所述竖直测试管5中的导热棒198的阻值从上至下依次增大，其电路原理如图12所示，如此，能够模拟地层温度随着深度的增加而从上至下逐渐增大的实际工况，提高了实验的精确度。
需要说明的是，本发明所述实验装置中，所述制冷机、高压泵、冷凝系统、电加热组件、电加热控制器、磁力泵、电磁阀、导热棒等等均为现有技术，具体结构在此不再赘述。
另一方面，还提供一种二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验方法，采用上述任意一项所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置进行实验。
实施例1
采用如图1所示的实验装置对不同内径的水平测试管路及竖直测试管路中的二氧化碳压差进行测试，包括以下步骤：
1)实验开始前利用真空泵15，将所有管线抽真空。
2)用制冷机2冷却二氧化碳气瓶1内的气态二氧化碳，使其液化，用高压泵3将液态二氧化碳泵入循环管路中，当二氧化碳压力达到所需测试状态及实验压力，关闭高压泵3以及高压泵3与并联后的入口端之间的电磁阀；
3)打开磁力泵7，使二氧化碳在测试管路中循环，开启电加热组件一11和电加热组件二12，通过电加热控制器13控制实验测试温度，温度数据由相应的温度传感器10获取；
4)通过与磁力泵7自带的变频器调节循环流量；通过阀门选择不同的测试管路(两条内径不同的水平测试管路和一个竖直测试管路)。
实施例2
在考虑换热情况下对二氧化碳压差进行测试，包括以下步骤：
在本实施例中，前期液态的二氧化碳生成步骤与实施例1步骤相同。在选择竖直测试管路所在的循环回路测试压差时，竖直测试管路的电加热组件一11和电加热组件二12可由电加热控制器13分开控制其温度；先将二氧化碳加热至所需测试温度后，调高竖直测试管路外部电加热温度，使其模拟井筒在地层中的换热环境，竖直测试管路上的温度传感器和压差表可及时反映外部加热的情况下压差的变化，循环管路中设有冷凝系统16，加热后的二氧化碳，通过冷凝系统16降低到入管前的温度，使二氧化碳更方便地循环测试。
实施例3
对二氧化碳减阻剂的减阻性能进行测试，包括以下步骤：
将测试管路中的测试管换成带有增阻室的管线，根据实施例1测试液态/超临界态二氧化碳在管路中的压差，进而计算其摩阻。首先将二氧化碳减阻剂放置在透明的加药仓6中，然后对整个管线抽真空，用制冷机2冷却二氧化碳气瓶1内的气态二氧化碳，使其液化，借助于高压泵3将液态二氧化碳泵入循环管路中，开启磁力泵7，使液态二氧化碳在测试管路中循环，并观察加药仓6内减阻剂溶解情况，也可以在减阻剂加料管路于入口端之间的管路上设置视窗结构20，用于观察减阻剂的溶解情况，待减阻剂溶解后，调节温度、压力、流量，测量其在有增阻结构的管路中的压差，从而算出其摩阻，与之前未加减阻剂计算出来的摩阻进行对比，可得出减阻剂减阻效果。同时由于本发明的实验装置是闭合回路，可以在相同条件下长时间检测其压降变化，测试减阻剂抗剪切性能。
综上所述，一方面本发明利用在测试管外壁和测试管入口端之前的管路外壁设置电加热组件，形成两段式电加热，结合所述冷凝系统，可以使测试管内二氧化碳温度低于外壁加热温度，模拟地层与井筒内真实情况，从而建立流动和传热过程双重非稳态的实验过程来描述超临界二氧化碳压裂井筒摩阻特征；另一方面，通过设置增阻结构，能够使本发明在有限长度的测试管条件下测得更准确的二氧化碳减阻剂的减阻性能；与现有技术相比，本发明具有显著的进步。
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 (9)
1.一种二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，其特征在于，包括气瓶、制冷机、高压泵、至少一个水平测试管路、至少一个竖直测试管路、减阻剂加料管路、以及多个阀门，所述水平测试管路包括水平测试管，所述竖直测试管路包括竖直测试管，所述水平测试管和所述竖直测试管内均设有增阻结构，所述减阻剂加料管路包括依次相连的加药仓、驱动泵、以及冷凝系统，所述阀门设置在各部件相连的管路之间；
所述气瓶、制冷机、以及高压泵通过管路依次相连；
所述水平测试管路和所述竖直测试管路并联设置，且并联后的入口端与所述高压泵的输出端相连，且相连的管路之间设有压力传感器，并联后的出口端与所述驱动泵的输入端相连，且相连的管路上依次设有流量计和温度传感器，所述驱动泵的输出端通过管道与所述并联后的入口端相连，形成循环测试管路；所述水平测试管和所述竖直测试管的外壁均设有电加热组件一，且所述水平测试管和所述竖直测试管上分别设有温度传感器，所述水平测试管与所述并联后的入口端之间的管路、以及所述竖直测试管与所述并联后的入口端之间的管路外壁均设有电加热组件二，所述电加热组件一和所述电加热组件二均与电加热控制器相连；所述水平测试管和所述竖直测试管的两端与压差表相连；
所述加药仓内储存有二氧化碳减阻剂，所述加药仓设有两个出口且通过管路与所述驱动泵和所述并联后的入口端相连的管路并联设置。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，其特征在于，所述水平测试管路设置两个，且两个所述水平测试管路中采用的水平测试管内径不同。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，其特征在于，所述加药仓与所述并联后的入口端之间相连的管路上还设有真空泵。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，其特征在于，所述加药仓采用透明材质制成，所述驱动泵采用磁力泵，所述阀门采用电磁阀。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，其特征在于，所述流量计与所述冷凝系统之间相连的管路上还设有取样口。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，其特征在于，所述增阻结构为设置在测试管内部的隔板、突刺、波纹状凸起、筛管中的任意一种；
当所述增阻结构为隔板或突刺时，所述隔板或突刺设置多个，多个所述隔板或突刺沿测试管轴线交错或等间距排列；
当所述增阻结构为波纹状凸起时，所述波纹状凸起设置多个，且所述波纹状凸起的波纹沿测试管轴向或径向设置；
当所述增阻结构为筛管时，所述筛管包括多层同轴设置的管道，所述管道的入口端封闭，出口端与测试管出口端的内壁相连，相邻两层管道之间设有通气孔，使得气体由最外层的通道逐层向内层扩散，最终通过最内层的管道通道排出。
7.根据权利要求6所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，其特征在于，所述隔板上设有通气管，相邻两个隔板之间的通气管交错排列。
8.根据权利要求6所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置，其特征在于，所述增阻结构设置在套管内壁，所述套管可拆卸设置在所述水平测试管或所述竖直测试管内。
9.一种二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任意一项所述的二氧化碳减阻剂性能评价与摩阻测试的实验装置进行实验。
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