CN117309685A - 一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置及检测方法，所述装置包括加料系统和黏度检测机构，所述黏度检测机构包括高压检测筒体、磁力驱动系统、转子和信号检测系统；所述磁力驱动系统包括磁力搅拌盘和对磁体。所述信号检测系统包括温度传感器、压力检测机构、观察孔和检测孔，所述的温度传感器、压力检测机构、观察孔和检测孔设置在高压检测筒体侧壁，所述观察孔上设有耐高压玻璃，所述检测孔内设有检测器件。本发明的装置和方法能够对不同温度和压力下的超临界二氧化碳增稠剂增稠效果进行定量评价，为增稠剂在实际使用环境中的性能提供准确参考并为超临界二氧化碳压裂现场施工时增稠剂用量提供依据。

Description

一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及检测装置技术领域，特别涉及一种增稠剂性能检测装置及检测方法。

背景技术

二氧化碳压裂是新兴的油田增产增注的一类措施，采用超临界态二氧化碳作为压裂液实施压裂，可以在减少温室气体排放的同时避免水资源的浪费和地层的破坏，在页岩油气的开发中具有广阔前景。但是二氧化碳在超临界状态下自身的黏度较小，在地层压裂过程中，流动性较好，停留时间较短，裂缝较小，且二氧化碳易进入上部地层使得压裂区域减小，阻碍油田的开发。现有技术中一般会采用增稠剂来进行增稠处理，提高超临界二氧化碳黏度，国内外二氧化碳增稠剂主要有聚合物、小分子化合物、含氟聚合物及不含氟表面活性剂等类型。

由于增稠剂种类多，适应的油层和地区也不一样，准确评价增稠剂的增稠效果就对增稠剂的选择十分重要。流体在地层中的流动能力通常用流度来表征，流度是有效渗透率和黏度的函数。因此，增稠效果可以通过测定浊点压力、相对黏度来评价。

黏度也叫粘性系数，为两层液体间在一定面积、一定速度梯度时的内摩擦力，对于液体来说，这是一个非常重要的物理量。现有的黏度检测方法主要有：

（1）毛细管法：毛细管黏度计是根据哈根·泊肃叶定律设计的测量黏度的仪器。其工作原理是，当被测液体流过半径为r，长度为1的毛细管时，使其流量一定，按哈根定律，即可算出黏度值。

（2）落球法：使物体在流体中下落，越是黏度高的流体，物体在其中下落的速度越慢，因此通过下落速度可比较流体黏度的大小。

（3）旋转法：旋转黏度计的原理是基于浸入流体中的物体（如圆筒、圆锥、圆板、球及其它形状的刚性体）旋转，或这些物体静止而使周围的流体旋转时，这些物体将受到流体的粘性力矩的作用，粘性力矩的大小与流体的黏度成正比，通过测量粘性力矩及旋转体的转速间接测量液体黏度。

但是上述方法通常都在常温下使用，超临界二氧化碳的作业环境位于地下几千米的地层中，温度高压力大，二氧化碳的超临界状态又跟温度压力完全相关，在室温或者常压下测量的增稠剂性能并不能反应其在地下特定温度压力情况下的增稠效果。为了解决这个问题，现有技术中已经有一些方案尝试解决，比如CN116183441A一种增稠剂的性能评价装置及方法采用释放颗粒使其在二氧化碳中自由沉降，中部设有对称的2个可视窗口用于设置光源及高速摄像机拍摄颗粒过程，下部设有磁力搅拌器与增稠剂回收筒用于回收未溶解增稠剂的方式对增稠剂黏度进行评价。虽然可在一定程度上测定增稠剂在不同温度、压力条件下二氧化碳中增稠剂的性能情况，但是这种落球法测量要求流体为牛顿流体，球为刚性球，且小球的运动速度很缓慢并且为匀速运动，超临界状态的二氧化碳黏度随温度和压力变化较大，上述专利中采用的落球释放颗粒由于重力作用也无法匀速运动，且可视窗口距离较小，增稠剂颜色和耐高压玻璃还会对拍摄清晰度有影响，造成测试准确性较差。毛细管法有对液体均匀性有较高要求，但是增稠剂在超临界状态的二氧化碳中溶解性并不是很好，加之有气体的混入，毛细管法也很难使用。旋转法又受高温高压密封的限制，在超临界状态的二氧化碳转移过程中温度和压力都会发生变化，测试准确性就大为下降。

发明内容

本发明提供了一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置及检测方法，用以解决现有技术中存在的高温高压状态的超临界状态二氧化碳中加入增稠剂黏度测量的问题。将增稠剂模拟真实使用环境混入超临界二氧化碳中，在地下使用环境温度压力条件下测试增稠后的黏度，确认增稠效果。

一方面，本发明提供了一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置，包括加料系统和黏度检测机构；所述黏度检测机构包括高压检测筒体、磁力驱动系统、转子和信号检测系统；所述磁力驱动系统包括磁力搅拌盘和对磁体，所述的高压检测筒体下部设有所述的磁力搅拌盘，所述的高压检测筒体中部对称设有所述的对磁体。

所述信号检测系统包括温度传感器、压力检测机构、观察孔和检测孔，所述的温度传感器、压力检测机构、观察孔和检测孔设置在高压检测筒体侧壁，所述观察孔上设有耐高压玻璃，所述检测孔内设有检测器件。

具体的，所述加料系统包括二氧化碳钢瓶、增压容器和增压泵，所述的二氧化碳钢瓶、所述增压容器和所述的增压泵相互连通。

具体的，所述黏度检测机构还包括控温机构，所述控温机构包括设置在高压检测筒体内壁的夹层和高压检测筒体外部的加热罐，所述夹层与加热罐相互连通。

具体的，所述观察孔对称设置在高压检测筒体中部，所述检测孔有两组，两组检测孔对称设置在观察孔两侧，每组检测孔有两个孔洞，两个孔洞的连线与观察孔连线平行。

进一步的，所述的检测孔内设有光学开关。

或者，本发明所述检测孔内设有超声探头。

具体的，所述转子包括U型磁体和圆形非磁底盘，U型磁体底部镶嵌在圆形非磁底盘中。

另外一方面，本发明提供了一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测方法，所述检测方法包括如下步骤：

（1）将转子放入到高压检测筒体，加入不同黏度的液体，在常温常压下开启磁力驱动系统进行标定，获得转子匀速转动后，转子两次经过同一组检测孔需要的时间，从而获得转子转动时间与黏度的关系曲线；

（2）倒出标定液体，盖好盖体，在高压检测筒体夹层加入加热液体使得检测环境达到目标检测温度，注入超临界二氧化碳到检测目标压力，加入增稠剂，开始高压检测筒体底部电磁驱动的搅拌；

（3）在外部目测均匀后，停止利用底部驱动的搅拌，利用不断变化的外部对磁体驱动转子旋转，待转子开始匀速转动后，记录转子两次经过同一组检测孔需要的时间；

（4）根据步骤（1）获知的转子转动时间与黏度的关系曲线预估检测环境的温度和压力下的黏度。

优选的，本发明，同时采用两组检测孔对转子转动时间进行监控，取平均值。

进一步的，本发明所述的步骤（2）开始高压检测筒体底部驱动的搅拌后，记录不同增稠剂搅拌均匀需要的时间。

本发明中的超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置及检测方法，具有以下优点：

本发明能够对超临界二氧化碳增稠剂增稠效果进行定量评价，为超临界二氧化碳增稠剂的研发提供技术手段，推动超临界二氧化碳的发展与应用。

本发明还能检测混合过程中黏度变化，对增稠剂在超临界二氧化碳中的混合工艺参数进行探索，避免混合不均或者混合时间过长浪费能源。

本发明能够通过黏度检测机构实时控制及检测高压筒体内的二氧化碳温度及压力，还可以实现高温高压条件下增稠剂与二氧化碳的混合及搅拌，测试完毕后能够实现增稠剂等的回收二次利用。

本发明可测定增稠剂在不同温度、压力条件下二氧化碳中的黏度情况，为增稠剂在实际使用环境中的性能提供准确参考，并为超临界二氧化碳压裂现场施工时增稠剂用量提供依据。

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为本发明实施例提供的超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的黏度检测机构纵向剖视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的黏度检测结构外形结构示意图；

图4为本发明实施例提供的黏度检测机构横向剖视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的转子结构示意图。

图1-5中，1-二氧化碳钢瓶、2-增压容器、3-增压泵、4-高压检测筒体、5-盖体、6-磁力搅拌盘、7-对磁体、8-增稠剂添加口、9-高压阀门、10-压力表、11-出料口、12-压力检测机构、13-观察孔、14-加热罐、15-搅拌机构、16-液体加料口、17-温度传感器、18-检测孔、19-保温液进口、20-保温液出口、21-U型磁体、22-圆形非磁底盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置

本实施例提供了一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置，包括加料系统和黏度检测机构。所述的加料系统和黏度检测系统的连接点都设有高压阀门9和压力表10，检测传输过程压力，进行通断控制。

本实施例的加料系统使用二氧化碳钢瓶1为检测提供气源，使用增压容器2和增压泵3对二氧化碳进行压缩，经过压缩的二氧化碳在达到超临界条件后通入黏度检测机构的高压检测筒体4。

所述黏度检测机构包括高压检测筒体4、磁力驱动系统、转子、控温机构和信号检测系统；本实施例的磁力驱动系统利用设置在高压检测筒体4底部的磁力搅拌盘6驱动转子进行搅拌，利用设置在高压检测筒体4中部的对磁体7驱动转子旋转进行检测。高压检测筒体4上部设有增稠剂添加口8实现往超临界二氧化碳中添加增稠剂，高压检测筒体4下部设有出料口11收集检测后材料。

磁力搅拌盘6设置在高压检测筒体4的底部，能够像现有其他磁力搅拌器一样快速驱动转子旋转，磁力搅拌盘6在驱动转子旋转同时也会使得转子左右摆动，转子随着磁力搅拌盘6磁性变换不断起伏，起伏对于搅拌来说减少了与高压检测筒体4底部摩擦，而且非圆周线旋转对待搅拌物质的扰动更大，能够更好的搅拌。

在检测时，由于转子包括U型磁体21和圆形非磁底盘22，U型磁体21底部镶嵌在圆形非磁底盘22中，圆形非磁底盘22就能起到很好的支撑作用，在没有磁力搅拌盘6提供的底部作用力情况下，圆形非磁底盘22就会平稳的在高压检测筒体4底部内旋转，设置在高压检测筒体4中部的对磁体7规律性变化驱动U型磁体21匀速旋转，获得旋转速度从而实现检测，提高了检测的准确性。

所述信号检测系统包括温度传感器17、压力检测机构12、观察孔13和检测孔18，温度传感器17检测高压检测筒体4内部温度和加热罐14内部温度，保证检测环境在需要的温度要求下。压力检测机构12检测高压检测筒体4内部的压力情况并及时反馈调整，观察孔13上设有耐高压玻璃用于观察增稠剂在超临界二氧化碳中的溶解情况。检测孔18设置在高压检测筒体4侧壁，检测孔18内设有光学开关，当转子匀速转动后，每一次转子的U型磁体21通过的光学开关就被记录一次，通过两次通过的时间间隔就能判断转子转动速度，从转动速度就能获得液体黏度。

本实施例的控温机构包括设置在高压检测筒体4内壁的夹层和高压检测筒体4外部的加热罐14，高压检测筒体4内壁的夹层上部设有保温液出口20，高压检测筒体4内壁的夹层下部设有设有保温液进口19，高压检测筒体4内壁的夹层和高压检测筒体4外部的加热罐14之间设有泵驱动温度均匀的液体从保温液进口19流入，从保温液出口20流出。加热罐14上部设有液体加料口16，加热罐14内部设有搅拌机构15，提高加热液体温度均匀性。本实施例的夹层结构能够很好的实现温度控制，采用油浴能够实现在50℃-200℃内±1℃偏差的温度控制标准。

实施例2：超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置

与实施例1不同的是本实施例的检测孔18内设有超声探头，另外本实施例的检测孔18有两组，两组检测孔18对称设置在观察孔13两侧，每组检测孔18有两个孔洞，两个孔洞的连线与观察孔13连线平行。两组检测孔18可以有效校准误差，避免由于转动波动或者测量信号误差造成测量结果不准确。将光学开关改成超声探头使得能够测量不透明的增稠剂，扩大了被测量物质的类型。另外两个检测孔18的孔洞的连线与观察孔13连线平行使得检测器件设置在高压检测筒体4偏离中心的一侧，而本发明应用的检测器件都是从一个检测孔18的孔洞发出信号，从另外一个检测孔18的孔洞接收信号，由于检测孔18的孔洞偏离中心，这样转子转动时相邻两次经过检测孔18的时间呈长短间隔式，这样就能对间隔长的时间进行记录，提高记录准确性。

实施例3：超临界二氧化碳增稠剂性能检测方法

本发明提供了一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测方法，所述检测方法包括如下步骤：

（1）将转子放入到高压检测筒体4，加入不同黏度的液体，在常温常压下开启磁力驱动系统进行标定，获得转子匀速转动后，转子两次经过同一组检测孔18需要的时间，从而获得转子转动时间与黏度的关系曲线；

（2）倒出标定液体，盖好盖体5，在高压检测筒体4夹层加入加热液体使得检测环境达到检测温度，注入超临界二氧化碳到检测压力，加入增稠剂，开始高压检测筒体4底部驱动的搅拌；

（3）在外部目测均匀后，停止利用底部驱动的搅拌，利用不断变化的外部对磁体7驱动转子旋转，待转子开始匀速转动后，记录转子两次经过同一组检测孔18两次需要的时间；

（4）根据步骤（1）获知的转子转动时间与黏度的关系曲线预估检测环境温度和压力下的黏度。

（5）检测结束后从出料口11放出增稠剂和二氧化碳，打开盖体5清洗高压检测筒体4内壁。

本实施例中，同时采用两组检测孔18对转子转动时间进行监控，取平均值，提高测量精度。

另外本实施例的步骤（2）开始高压检测筒体4底部驱动的搅拌后，记录不同增稠剂搅拌均匀需要的时间，获得增稠剂未来使用的工艺参考参数。

实施例4：与其他检测设备性能对比试验

在对比试验中，本实施例采用了带有投放机构的盖体5作为对比例1，具体方法是利用观察孔13模拟类似CN116183441A一种增稠剂的性能评价装置及方法下增稠剂性能的测量方式。再利用能够加热加压的液体流变仪作为对比例2，具体方法是将增稠剂加入超临界二氧化碳搅拌均匀后，通过高压管道转移到液体流变仪能够加热加压的测量杯中进行测量。

每次测量加入的待测增稠剂相同，仅仅调整不同的加热温度来检测三种测量装置的精度，每次都平行测定20组取平均值来避免测量误差。

当黏度在5mPa·s到10mPa·s变化时，利用对比例1只能区分20℃以上的温度变化带来的黏度变化，对比例2能够区分10℃左右的温度变化带来的黏度变化，本发明装置和方法能够区分5℃以内的温度变化带来的黏度变化，可见本发明装置的检测精度最优。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置，其特征在于，所述装置包括加料系统和黏度检测机构；

所述黏度检测机构包括高压检测筒体、磁力驱动系统、转子和信号检测系统；所述磁力驱动系统包括磁力搅拌盘和对磁体，所述的高压检测筒体下部设有所述的磁力搅拌盘，所述的高压检测筒体中部对称设有所述的对磁体；

所述信号检测系统包括温度传感器、压力检测机构、观察孔和检测孔，所述的温度传感器、压力检测机构、观察孔和检测孔设置在高压检测筒体侧壁，所述观察孔上设有耐高压玻璃，所述检测孔内设有检测器件。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置，其特征在于，所述加料系统包括二氧化碳钢瓶、增压容器和增压泵，所述的二氧化碳钢瓶、所述增压容器和所述的增压泵相互连通。

3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置，其特征在于，所述黏度检测机构还包括控温机构，所述控温机构包括设置在高压检测筒体内壁的夹层和高压检测筒体外部的加热罐，所述夹层与加热罐相互连通。

4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置，其特征在于，所述观察孔对称设置在高压检测筒体中部，所述检测孔有两组，两组检测孔对称设置在观察孔两侧，每组检测孔有两个孔洞，两个孔洞的连线与观察孔连线平行。

5.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置，其特征在于，所述的检测孔内设有光学开关。

6.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置，其特征在于，所述检测孔内设有超声探头。

7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳增稠剂性能检测装置，其特征在于，所述转子包括U型磁体和圆形非磁底盘，所述U型磁体底部镶嵌在所述的圆形非磁底盘中。

8.一种超临界二氧化碳增稠剂性能检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：

（1）将转子放入到高压检测筒体，加入不同黏度的液体，在常温常压下开启磁力驱动系统进行标定，获得转子匀速转动后，转子两次经过同一组检测孔需要的时间，从而获得转子转动时间与黏度的关系曲线；

（2）倒出标定液体，盖好盖体，在高压检测筒体夹层加入加热液体使得检测环境达到目标检测温度，注入超临界二氧化碳到检测目标压力，加入增稠剂，开始高压检测筒体底部电磁驱动的搅拌；

（3）在外部目测均匀后，停止利用底部驱动的搅拌，利用不断变化的外部对磁体驱动转子旋转，待转子开始匀速转动后，记录转子两次经过同一组检测孔需要的时间；

（4）根据步骤（1）获知的转子转动时间与黏度的关系曲线预估检测环境的温度和压力下的黏度。

9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳增稠剂性能检测方法，其特征在于，同时采用两组检测孔对转子转动时间进行监控，取平均值。

10.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳增稠剂性能检测方法，其特征在于，所述的步骤（2）开始高压检测筒体底部电磁驱动的搅拌后，记录不同增稠剂搅拌均匀需要的时间。