专利名称：研究超临界二氧化碳在地层中粘度特性的实验装置及方法
技术领域：
本发明属于非常规油气增产技术领域，具体地，涉及一种研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的实验装置及方法，用于研究添加了增粘剂的超临界二氧化碳在地层中流动时的粘度特性。
背景技术：
超临界二氧化碳(SC-CO2)压裂是一种新型的非常规油气藏储层改造技术，具有常规水力压裂技术不可比拟的一系列优势，是提高非常规油气储层导流能力，实现非常规油气资源商业开采的重要手段。但是，SC-CO2具有粘度低、携砂能力差的缺点。要实现SC-CO2的加砂压裂，必须采取增粘措施来提高其携砂能力。增粘的有效途径是向SC-CO2中添加高分子增粘剂，将SC-CO2与高分子增粘剂混合用作压裂液。然而，作为高分子溶液，SC-CO2压裂液在地层多孔介质中的流动与在管道中的流动有显著不同，既有剪切流动，又有拉伸流动，表现出明显的粘弹效应，其粘度既随剪切速率的变化而变化，也与地层渗透率、流动距离、增粘剂浓度、增粘剂类型及地层的温度、压力有关。因此，使用粘度计所测得的SC-CO2压裂液的表观粘度，并不能反映其在地层中的有效粘度。须针对实际地层条件展开SC-CO2压裂液的粘度特性研究，为SC-CO2压裂施工提供技术支撑。目前国内尚未有针对SC-CO2在地层中粘度特性的实验研究。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种研究超临界二氧化碳在地层中粘度特性的实验装置及方法，用于测量添加了增粘剂的超临界二氧化碳在地层多孔介质中的有效粘度，研究增粘剂类型、增粘剂浓度不同的超临界二氧化碳在地层多孔介质中流动时的粘度随流速、流动距离及地层温度、压力的变化规律，为超临界二氧化碳压裂在非常规油气开发中的应用提供有效的技术支撑。本发明所采取的技术方案如下:研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的实验装置，包括:液态二氧化碳储罐、第一容积泵、岩心夹持器、混合罐、增粘剂储罐、计量泵、恒温油浴系统、压差传感器、环压发生装置；其特征在于:混合罐设有二氧化碳注入口、增粘剂注入口和超临界二氧化碳与增粘剂混合溶液出口，岩心夹持器设有一个入口、一个出口；液态二氧化碳储罐通过第一管线连接第一容积泵，在第一管线上安装有第一针阀、增压泵、加热系统、第一温度传感器和第一压力传感器；管汇三通通过第二管线、第三管线、第四管线分别连接第一容积泵、岩心夹持器的入口、混合罐的二氧化碳注入口，混合罐上安装有第二温度传感器；第三管线上安装有第二针阀、流量计，流量计位于第二针阀和岩心夹持器的入口之间；第四管线上安装有第三针阀；
混合罐的超临界二氧化碳与增粘剂混合溶液出口通过第五管线与第三管线相连，连接点位于第二针阀和流量计之间，第五管线上安装有第二容积泵和第四针阀，第二容积泵位于混合罐的超临界二氧化碳与增粘剂混合溶液出口与第四针阀之间；增粘剂储罐通过第七管线与混合罐的增粘剂注入口相连，增粘剂存储罐上安装有计量泵，第七管线上安装有第五针阀；岩心夹持器的出口通过第六管线与第一管线相连，连接点位于第一针阀和增压泵之间，第六管线上安装有第六针阀和真空泵；岩心夹持器内安装有胶筒，岩心夹持器通过第八管线与环压发生装置相连，第八管线上安装有第四压力传感器，混合罐和岩心夹持器置于恒温油浴系统中；岩心夹持器的入口处和出口处分别安装有第二压力传感器和第三压力传感器，岩心夹持器上安装有压差传感器。优选地，第一管线、第二管线、第三管线、第四管线、第五管线、第六管线均为内径小于2mm的钢管，外层敷设保温夹层用于保温。优选地， 在第一管线上从液态二氧化碳储罐至第一容积泵方向依次安装有第一针阀、增压泵、加热系统、第一温度传感器和第一压力传感器。优选地，真空泵位于第六针阀和岩心夹持器的出口之间，第六针阀位于第六管线的岩心夹持器的出口到第六管线与第一管线连接点方向的末端。研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的方法，利用上述实验装置，其特征在于，包括以下步骤:(I)、测量气态二氧化碳流过岩心产生的压降，计算岩心的绝对渗透率调整第一针阀处于关闭状态，第二针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀、第六针阀处于打开状态，第一容积泵、第二容积泵处于未启动状态，利用真空泵排除实验管路中的空气;关闭第三针阀、第四针阀、第五针阀、第六针阀，打开第一针阀，启动第一容积泵，使二氧化碳由液态二氧化碳储罐流出，调节增压泵、加热系统和恒温油浴系统，将实验系统的压力、温度调节为使二氧化碳成为气态所需的温度、压力；打开环压发生装置，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高2 5Mpa ；关闭第一针阀，打开第六针阀，通过调节第一容积泵使二氧化碳以一定速率沿轴向流过岩心后在实验管路中循环，待第二压力传感器、第三压力传感器的读数稳定后，记录其数值；气态二氧化碳在确定温度、压力下的粘度已知，因此可根据达西定律计算岩心的绝对渗透率:
jr IQqPq Mco，LqK =-r-
Λ{Ρ；~Ρ )式中，K-岩心的绝对渗透率；八ο:-实验温度压力条件下气态二氧化碳的粘度；P。-大气压力；Qq-大气压力下的二氧化碳体积流量山。-岩心长度；A-岩心端面积；ΡρΡ2-分别为岩心夹持器入口处和出口处的压力。(2)、测量超临界二氧化碳与增粘剂混合溶液流过岩心产生的压降，计算其在地层多孔介质中的有效粘度打开第五针阀，关闭第二针阀、第六针阀、第一容积泵，利用计量泵向混合罐内注入一定量的增粘剂(注入量可根据实验温度、压力、增粘剂浓度的设定值，通过混合罐内二氧化碳的真实气体状态方程计算得到);然后关闭第五针阀，打开第一针阀、第三针阀，启动第一容积泵，使二氧化碳流向混合罐；调节增压泵、加热系统和恒温油浴系统，将实验系统的压力、温度调节为超过二氧化碳临界点的实验设定值，保证二氧化碳达到超临界状态；待第二温度传感器、第一压力传感器显示的温度、压力达到实验设定值后，关闭第一针阀和第一容积泵；调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高
2 5MPa ；打开第四针阀、第六针阀，启动第二容积泵，通过调节第二容积泵，使混和增粘剂后的超临界二氧化碳以一定流速沿轴向流过岩心后在实验管路中循环，待压差传感器的读数稳定后，记录其数值；由于岩心的绝对渗透率已经计算得到，因此可根据达西定律计算增粘后的超临界二氧化碳在地层多孔介质中的有效粘度:
权利要求
1.研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的实验装置，包括:液态二氧化碳储罐、第一容积泵、岩心夹持器、混合罐、增粘剂储罐、计量泵、恒温油浴系统、压差传感器、环压发生装置；其特征在于:混合罐设有二氧化碳注入口、增粘剂注入口和超临界二氧化碳与增粘剂混合溶液出口，岩心夹持器设有一个入口、一个出口； 液态二氧化碳储罐通过第一管线连接第一容积泵，在第一管线上安装有第一针阀、增压泵、加热系统、第一温度传感器和第一压力传感器； 管汇三通通过第二管线、第三管线、第四管线分别连接第一容积泵、岩心夹持器的入口、混合罐的二氧化碳注入口，混合罐上安装有第二温度传感器； 第三管线上安装有第二针阀、流量计，流量计位于第二针阀和岩心夹持器的入口之间；第四管线上安装有第三针阀； 混合罐的超临界二氧化碳与增粘剂混合溶液出口通过第五管线与第三管线相连，连接点位于第二针阀和流量计之间，第五管线上安装有第二容积泵和第四针阀，第二容积泵位于混合罐的超临界二氧化碳与增粘剂混合溶液出口与第四针阀之间； 增粘剂储罐通过第七管线与混合罐的增粘剂注入口相连，增粘剂储罐上安装有计量泵，第七管线上安装有第五针阀； 岩心夹持器的出口通过第六管线与第一管线相连，连接点位于第一针阀和增压泵之间，第六管线上安装有第六针阀和真空泵； 岩心夹持器内安装有胶筒，岩心夹持器通过第八管线与环压发生装置相连，第八管线上安装有第四压力传感器，混合罐和岩心夹持器置于恒温油浴系统中； 岩心夹持器的入口处和出口处分别安装有第二压力传感器和第三压力传感器，岩心夹持器上安装有压差传感器。
2.根据权利要求1所述的研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的实验装置，其特征在于:第一管线、第二管线、第三管线、第四管线、第五管线、第六管线均为内径小于2mm的钢管，外层敷设保温夹层用于保温。
3.根据权利要求1-2所述的研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的实验装置，其特征在于:在第一管线上从液态二氧化碳储罐至第一容积泵方向依次安装有第一针阀、增压泵、加热系统、第一温度传感器和第一压力传感器。
4.根据权利要求1-3所述的研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的实验装置，其特征在于:真空泵位于第六针阀和岩心夹持器的出口之间，第六针阀位于第六管线的由岩心夹持器的出口到第六管线与第一管线连接点方向的末端。
5.研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的方法，利用权利要求1-4实验装置，其特征在于，包括以下步骤:(I)、测量气态二氧化碳流过岩心产生的压降，计算岩心的绝对渗透率调整第一针阀处于关闭状态，第二针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀、第六针阀处于打开状态，第一容积泵、第二容积泵处于未启动状态，利用真空泵排除实验管路中的空气；关闭第三针阀、第四针阀、第五针阀、第六针阀，打开第一针阀，启动第一容积泵，使二氧化碳由液态二氧化碳储罐流出，调节增压泵、加热系统和恒温油浴系统，将实验系统的压力、温度调节为使二氧化碳成为气态所需的温度、压力； 打开环压发生装置，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高.2 5Mpa ； 关闭第一针阀，打开第六针阀，通过调节第一容积泵使二氧化碳以一定速率沿轴向流过岩心后在实验管路中循环，待第二压力传感器、第三压力传感器的读数稳定后，记录其数值；气态二氧化碳在确定温度、压力下的粘度已知，因此可根据达西定律计算岩心的绝对渗透率:
6.根据权利要求5所述的研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的方法，其特征在于，通过压差传感器测量岩心上不同测压点之间的压差，研究流动距离对超临界二氧化碳在地层中的粘度的影响。
7.根据权利要求5-6所述的研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的方法，其特征在于，通过改变实验系统的温度、压力，研究超临界二氧化碳在地层中的粘度随温度、压力的变化规律。
8.根据权利要求5-7所述的研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的方法，其特征在于，使用绝对渗透率不同的岩心来进行实验，研究超临界二氧化碳在不同地层中的粘度特性。
9.根据权利要求5-8所述的研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的方法，其特征在于，实验中改变增粘剂的注入量以调节超临界二氧化碳中增粘剂的浓度，研究增粘剂浓度对超临界二氧化碳在地层中的粘度的影响。
10.根据权利要求5-9所述的研究超临界二氧化碳在地层中的粘度特性的方法，其特征在于，在实验中改变增粘剂的类型，研究添加不同类型增粘剂的超临界二氧化碳在地层中的粘度特性，以对比不同增粘剂 的增粘效果。
全文摘要
本发明涉及一种研究超临界二氧化碳在地层中粘度特性的实验装置及方法。该装置包括液态二氧化碳储罐、第一容积泵、岩心夹持器、混合罐、增粘剂储罐、计量泵、恒温油浴系统、压差传感器、环压发生装置；液态二氧化碳储罐通过第一管线连接第一容积泵，管汇三通通过第二管线、第三管线、第四管线分别连接第一容积泵、岩心夹持器的入口、混合罐的二氧化碳注入口，混合罐的超临界二氧化碳与增粘剂混合溶液出口通过第五管线与第三管线相连，增粘剂储罐通过第七管线与混合罐的增粘剂注入口相连，岩心夹持器的出口通过第六管线与第一管线相连。本实验装置可以研究添加增粘剂的超临界二氧化碳在地层中的有效粘度随流速、流动距离及温度、压力的变化规律。
文档编号G01N11/08GK103196796SQ201310129549
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者孙文超, 孙宝江, 王金堂, 李 昊, 王宁, 范志 申请人:中国石油大学(华东)