一种超临界二氧化碳室内携砂实验装置及方法与流程

本发明涉及油气开采技术领域。更具体地，涉及一种超临界二氧化碳室内携砂实验装置及方法。

背景技术：

当今随着能源需求的不断扩大，对油气田的开采需求也不断增大。压裂技术作为油气田增产的主要措施，已经得到了广泛的应用。但常规的水力压裂很容易出现压裂液破胶不彻底的情况，导致孔隙被堵塞，从而使裂缝的渗透率下降，大大影响压裂增产效果，与此同时还污染地下环境等一列问题。

超临界二氧化碳具有高密度、低黏度和高扩散性等特性，作为无水压裂的优选技术，利用超临界二氧化碳流体进行压裂具有较大的应用前景。由于超临界二氧化碳流体中无液相水和固体颗粒，密度接近于水，扩散系数接近于气体，且流体粘度与气体相似，具有良好的流动性和传输特性，可以渗透储层并撑开微小裂缝，将支撑剂最大限度的携带到裂缝中，大大增大储层的孔隙度和渗透率，增强原油的流动性，改善油水比，提高产量和采收率，并且不会对储层造成污染，使用超临界二氧化碳进行压裂效果甚佳。而在压裂施工过程中，理清超临界二氧化碳压裂液形成的流化床中的支撑剂的分布形态及传输特点对提高地层采收率十分关键，然而，当前室内开展超临界二氧化碳携砂实验的装置和方法少之又少。

因此，本发明提供了一种超临界二氧化碳室内携砂实验装置及方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种超临界二氧化碳室内携砂实验装置。

本发明的另一个目的在于提供一种超临界二氧化碳室内携砂实验方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种超临界二氧化碳室内携砂实验装置，包括超临界二氧化碳泵、支撑剂添加装置、可视化观察装置和砂气分离装置；其中，

所述超临界二氧化碳泵的出口端连接所述支撑剂添加装置的入口端，所述支撑剂添加装置的出口端连接所述可视化观察装置的入口端，所述可视化观察装置的出口端连接所述砂气分离装置的入口端。

优选地，所述超临界二氧化碳室内携砂实验装置还包括传输导管，本领域技术人员可以理解是，所述超临界二氧化碳室内携砂实验装置中的各个组件可通过传输导管连接，例如，所述超临界二氧化碳泵的出口端通过传输导管连接所述支撑剂添加装置的入口端，所述支撑剂添加装置的出口端通过传输导管连接所述可视化观察装置的入口端，所述可视化观察装置的出口端通过传输导管连接所述砂气分离装置的入口端。

优选地，所述超临界二氧化碳泵内设有将气态二氧化碳转化为液态的降温装置以及将液态二氧化碳转化为超临界状态的升温装置。

优选地，所述支撑剂添加装置包括：具有内腔的壳体，可拆卸连接于壳体顶端的密封盖，以及位于内腔中的支撑剂添加器。

优选地，所述支撑剂添加器包括：

包括有漏孔部的第一底板；

沿第一底板延伸方向由第一底板两侧边缘向上一体延伸出的第一侧壁和第二侧壁；

形成于第一侧壁顶部与第二侧壁顶部之间的开口部；

两端与第一底板下表面固定连接的圆弧管；以及

位于第一底板上的可移动调节板。

优选地，所述圆弧管的入口端连接所述超临界二氧化碳泵的出口端，所述圆弧管的出口端连接所述可视化观察装置的入口端。

优选地，所述圆弧管的入口端通过传输导管连接所述超临界二氧化碳泵的出口端，所述圆弧管的出口端通过传输导管连接所述可视化观察装置的入口端。

优选地，所述可移动调节板包括：

位于第一底板上的第二底板；

由第二底板上表面向上凸起形成的第三侧壁；以及

由第三侧壁的外侧表面向外一体延伸出的支臂；其中，

所述支臂贯穿第二侧壁和壳体的内外表面。

优选地，所述开口部的宽度大于所述第一底板的宽度。

优选地，所述支臂垂直于所述第三侧壁。

优选地，所述漏孔部设于所述第一底板的一侧，且所述漏孔部的最大宽度不大于所述第一底板宽度的一半。

优选地，所述第二底板的宽度不小于所述漏孔部的宽度，且所述第二底板的宽度小于所述第一底板的宽度，所述第二底板的长度不小于所述第一底板的长度。

优选地，所述漏孔部包括有多个均匀设置的漏孔。

优选地，所述可视化观察装置包括可视化装置，以及设于可视化装置外侧的摄像模块。

优选地，所述摄像模块为高速相机。

优选地，所述可视化装置包括：

第一透明板；

形成于第一透明板一侧表面上的第二透明板；以及

周边通过连接壁与第二透明板固定连接的第四侧壁；其中，

所述第一透明板和所述第二透明板之间形成有孔道；

所述第二透明板内侧表面、所述第四侧壁内侧表面和所述连接壁内侧表面之间形成有水浴加热腔；

所述连接壁的顶端包括有贯穿连接壁内外表面的注水口，所述连接壁的底端包括有贯穿连接壁内外表面的出水口。

优选地，所述孔道的入口端连接所述支撑剂添加装置的出口端，所述孔道的出口端连接所述砂气分离装置的入口端。

优选地，所述孔道的入口端通过传输导管连接所述支撑剂添加装置的出口端，所述孔道的出口端通过传输导管连接所述砂气分离装置的入口端。

优选地，所述孔道位于所述可视化装置的中间部位。

优选地，所述第二透明板的边缘通过结构胶固定于所述第一透明板的一侧表面边缘。

优选地，所述第一透明板和所述第二透明板均为透明钢化玻璃。

优选地，所述第四侧壁和所述连接壁均为不透明玻璃；进一步地，所述第四侧壁的外侧表面喷有白漆。

优选地，所述第一透明板和所述第二透明板之间还形成有清砂口，所述清砂口位于所述可视化装置的底端。

优选地，所述砂气分离装置包括砂气分离器，设于砂气分离器顶端的泄压阀和放空阀。

优选地，所述砂气分离器顶部设有开口盖，该开口盖通过螺纹与砂气分离器的主体拧合在一起。

优选地，所述可视化观察装置和所述砂气分离装置之间设有安全阀。

本发明还提供了一种使用上述装置的超临界二氧化碳室内携砂实验方法，包括如下步骤：

1)通过超临界二氧化碳泵将气态二氧化碳转化为超临界二氧化碳；

2)将超临界二氧化碳泵中的超临界二氧化碳传输至支撑剂添加装置；

3)在支撑剂添加装置中，将染色的支撑剂颗粒与超临界二氧化碳进行混合制得混合流体；

4)将支撑剂添加装置中的混合流体传输至可视化观察装置进行观察；

5)将可视化观察装置中的混合流体传输至砂气分离装置进行支撑剂颗粒的回收和二氧化碳气体的释放。在本发明中，支撑剂颗粒可采用石英砂颗粒，本发明中的携砂指携带支撑剂颗粒。

优选地，步骤1)中通过超临界二氧化碳泵的降温装置将气态二氧化碳转化为液态二氧化碳，通过超临界二氧化碳泵的升温装置将液态二氧化碳转化为超临界二氧化碳。

优选地，步骤3)中，在支撑剂添加装置中，打开密封盖，将染色的支撑剂颗粒由开口部加入支撑剂添加器中，该染色的支撑剂颗粒经漏孔部流入圆弧管中的超临界二氧化碳，混合得到混合流体；其中，所述混合流体中染色的支撑剂颗粒的添加量通过可移动调节板进行调节；进一步地，该调节通过支臂控制第三侧壁移动，使得第二底板在第一底板上移动，进而控制第一底板上漏孔部的范围，改变染色的支撑剂颗粒的下落数量，影响超临界二氧化碳的携砂量。

优选地，步骤4)中，观察混合流体时，将热水通过注水口流入水浴加热腔，保持热水温度，可以使可视化装置中的二氧化碳转维持超临界状态，水浴加热腔中的热水可以通过出水口流出；其中，可视化装置背离摄像模块的一侧喷漆成白色，防止周围环境的颜色干扰，不利于支撑剂的观察与识别。

优选地，步骤4)中，通过摄像模块采集多个实验照片，通过处理该实验照片可以反演出支撑剂的运动形态；进一步地，通过高速相机进行连续高速拍摄，通过处理具有不同灰度值支撑剂的照片可以展现支撑剂颗粒在不同时刻的位置情况，再通过支撑剂颗粒的灰度值去识别，通过处理这些连续的照片可以反演出支撑剂颗粒的运动形态。

优选地，步骤5)中，砂气分离装置进行支撑剂颗粒的回收和二氧化碳气体的释放时，打开泄压阀和放空阀；其中，当砂气分离器41内的压力达到一定值时会通过泄压阀42泄压，实验结束后打开放空阀43，排出二氧化碳气体。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种超临界二氧化碳室内携砂实验的装置和方法，可以研究超临界二氧化碳在裂缝面中的支撑剂分布形态和传输特点，具有重要的研究意义。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明提供的超临界二氧化碳室内携砂实验方法的流程图；

图2示出本发明提供的超临界二氧化碳室内携砂实验装置的示意图；

图3示出本发明提供的支撑剂添加装置的示意图之一；

图4示出本发明提供的支撑剂添加装置的示意图之二；

图5示出本发明提供的可视化观察装置的示意图；

其中，1-超临界二氧化碳泵，2-支撑剂添加装置，21-壳体，211-内腔，22-密封盖，23-支撑剂添加器，231-漏孔部，232-第一底板，233-第一侧壁，234-第二侧壁，235-开口部，236-圆弧管，237-可移动调节板，2371-第二底板，2372-第三侧壁，2373-支臂，3-可视化观察装置，31-可视化装置，311-第一透明板，312-第二透明板，313-第四侧壁，314-连接壁，3131-水浴加热腔，3141-注水口，3142-出水口，315-孔道，32-摄像模块，4-砂气分离装置，41-砂气分离器，42-泄压阀，43-放空阀，5-传输导管，6-结构胶，7-安全阀，8-支撑剂颗粒，9-清砂口。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在压裂施工过程中，理清超临界二氧化碳压裂液形成的流化床中的支撑剂的分布形态及传输特点对提高地层采收率十分关键，然而现有技术中室内开展超临界二氧化碳携砂实验存在诸多困难，因此，本发明提供了一种超临界二氧化碳室内携砂实验装置及方法，为研究超临界二氧化碳流体在裂缝中的支撑剂分布形态和传输特点提供给了全新的室内实验方法，具有重要的研究意义。

具体地，结合图2～图5，本发明提出了一种超临界二氧化碳室内携砂实验装置，包括超临界二氧化碳泵1、支撑剂添加装置2、可视化观察装置3和砂气分离装置4；其中，

所述超临界二氧化碳泵1的出口端连接所述支撑剂添加装置2的入口端，所述支撑剂添加装置2的出口端连接所述可视化观察装置3的入口端，所述可视化观察装置3的出口端连接所述砂气分离装置4的入口端。

本发明中，所述超临界二氧化碳泵用于提供具有恒定压力和恒定速度的超临界二氧化碳；所述支撑剂添加装置用于向超临界二氧化碳中提供支撑剂；所述可视化观察装置用于观察支撑剂的运动形态；所述砂气分离装置用于回收支撑剂和二氧化碳。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述超临界二氧化碳室内携砂实验装置还包括传输导管5，本领域技术人员可以理解是，所述超临界二氧化碳室内携砂实验装置中的各个组件可通过传输导管连接，例如，所述超临界二氧化碳泵的出口端通过传输导管连接所述支撑剂添加装置的入口端，所述支撑剂添加装置的出口端通过传输导管连接所述可视化观察装置的入口端，所述可视化观察装置的出口端通过传输导管连接所述砂气分离装置的入口端。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述超临界二氧化碳泵1内设有将气态二氧化碳转化为液态的降温装置以及将液态二氧化碳转化为超临界状态的升温装置。

在本发明的一个优选的实施方式中，如图3和图4所示，所述支撑剂添加装置2包括：具有内腔211的壳体21，可拆卸连接于壳体21顶端的密封盖22，以及位于内腔211中的支撑剂添加器23；其中，密封盖设置为可拆卸地连接在壳体顶端，从而方便支撑剂颗粒的放入。

进一步地，所述支撑剂添加器23包括：

包括有漏孔部231的第一底板232；

沿第一底板232延伸方向由第一底板232两侧边缘向上一体延伸出的第一侧壁233和第二侧壁234；

形成于第一侧壁233顶部与第二侧壁234顶部之间的开口部235；

两端与第一底板232下表面固定连接的圆弧管236；以及

位于第一底板232上的可移动调节板237；

其中，所述漏孔部231为支撑剂颗粒8的下落提供通道；所述圆弧管236的两端与传输导管连接，用于超临界二氧化碳的流入和流出；所述可移动调节板237用于调节控制支撑剂颗粒流入二氧化碳的流量；在工作时，支撑剂颗粒放入后，密封盖22处于密封状态，支撑剂颗粒由开口部235进入，在重力作用下落至第一底板232上，通过漏孔部231进入圆弧管236中，在实验过程中，超临界二氧化碳进入圆弧管236，与落下的支撑剂颗粒8混合。

进一步地，所述圆弧管236的入口端连接所述超临界二氧化碳泵1的出口端，所述圆弧管236的出口端连接所述可视化观察装置3的入口端。

进一步地，所述圆弧管236的入口端通过传输导管连接所述超临界二氧化碳泵1的出口端，所述圆弧管236的出口端通过传输导管连接所述可视化观察装置3的入口端。

进一步地，所述可移动调节板237包括：

位于第一底板232上的第二底板2371；

由第二底板2371上表面向上凸起形成的第三侧壁2372；以及

由第三侧壁2372的外侧表面向外一体延伸出的支臂2373；其中，

所述支臂2373贯穿第二侧壁234和壳体21的内外表面。

为便于支撑剂颗粒的放置以及滑落，所述开口部235的宽度大于所述第一底板232的宽度。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述漏孔部231设于所述第一底板232的一侧，且所述漏孔部231的最大宽度不大于所述第一底板232宽度的一半。

进一步地，所述第二底板2371的宽度不小于所述漏孔部231的宽度，且所述第二底板2371的宽度小于所述第一底板232的宽度，所述第二底板2371的长度不小于所述第一底板232的长度。

本发明中漏孔部最多占第一底板的一半，即将第一底板沿中心线分成两块，一半有漏孔，另一半没有漏孔，且可移动调节板的宽度不小于第一底板的一半，这样一来才能保证当可移动调节板调节至漏孔部上方时整个装置的密封性，以及通过移动可移动调节板调节漏孔部漏孔的暴露数目，从而调节支撑剂颗粒的下落流量。

进一步地，所述漏孔部231包括有多个均匀设置的漏孔，从而令支撑剂颗粒下落进入超临界二氧化碳更加均匀。

此外，为能够在拉动第二底板移动时省时省力，所述支臂2373垂直于所述第三侧壁2372。

在本发明的一个优选的实施方式中，如图5所示，所述可视化观察装置3包括可视化装置31，以及设于可视化装置31外侧的摄像模块32；

进一步地，所述摄像模块32为高速相机；

所述可视化装置31包括：

第一透明板311；

形成于第一透明板311一侧表面上的第二透明板312；以及

周边通过连接壁314与第二透明板312外侧表面固定连接的第四侧壁313；其中，

所述第一透明板311和所述第二透明板312之间形成有孔道315；

所述第二透明板312内侧表面、所述第四侧壁313内侧表面和所述连接壁314内侧表面之间形成有水浴加热腔3131；

所述连接壁314的顶端包括有贯穿连接壁314内外表面的注水口3141，所述连接壁314的底端包括有贯穿连接壁314内外表面的出水口3142，从而能够通过向水浴加热腔注入水，以注入水的温度维持二氧化碳的超临界状态。

进一步地，所述孔道315的入口端连接所述支撑剂添加装置2的出口端，所述孔道315的出口端连接所述砂气分离装置4的入口端。

进一步地，所述孔道315的入口端通过传输导管连接所述支撑剂添加装置2的出口端，所述孔道315的出口端通过传输导管连接所述砂气分离装置4的入口端。

进一步地，所述孔道315位于所述可视化装置31的中间部位。

为进一步固定两个透明板并模拟裂缝面，所述第二透明板312的边缘通过结构胶6固定于所述第一透明板311的一侧表面边缘；第一透明板和第二透明板之间的微小空隙即代表裂缝面；因在实际压裂过程中，裂缝的两侧为被压开的岩石，类似于设备中的两块玻璃板，裂缝面即指其中的空隙面，因此在本发明中，采用第一透明板和第二透明板之间微小的距离所形成的空间代表裂缝面。

此外，为保证透明板的透明度和坚硬度，所述第一透明板311和所述第二透明板312均为透明钢化玻璃。

为避免拍照时周围的颜色光线干扰，所述第四侧壁313和所述连接壁314均为不透明玻璃；进一步地，所述第四侧壁313的外侧表面喷有白漆。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述第一透明板311和所述第二透明板312之间还形成有清砂口9，所述清砂口9位于所述可视化装置31的底端，该清砂口用于清理实验后可视化装置中的多余支撑剂颗粒。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述砂气分离装置4包括砂气分离器41，设于砂气分离器41顶端的泄压阀42和放空阀43；当内部的达到一定压力的时候，二氧化碳气体就通过泄压阀排出，放空阀可以使室内的二氧化碳排空，压力降零。

进一步地，所述砂气分离器41顶部设有开口盖，该开口盖通过螺纹与砂气分离器41的主体拧合在一起，当工作结束时可以通过拧开开口盖来倒出支撑剂颗粒。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述可视化观察装置3和所述砂气分离装置4之间设有安全阀7。

本发明还提供了一种使用上述装置的超临界二氧化碳室内携砂实验方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

S101、通过超临界二氧化碳泵1将气态二氧化碳转化为超临界二氧化碳；

S102、将超临界二氧化碳泵1中的超临界二氧化碳传输至支撑剂添加装置2；

S103、在支撑剂添加装置2中，将染色的支撑剂颗粒与超临界二氧化碳进行混合制得混合流体；

S104、将支撑剂添加装置2中的混合流体传输至可视化观察装置3进行观察；

S105、将可视化观察装置3中的混合流体传输至砂气分离装置4进行支撑剂颗粒的回收和二氧化碳气体的释放。本发明的方法中支撑剂颗粒在加入支撑剂添加装置之前经过染色处理，即将支撑剂颗粒均分为若干部分，每一部分经过不同种颜色喷漆处理，再将他们均匀混合。

在本发明的一个优选的实施方式中，步骤S101中通过超临界二氧化碳泵1的降温装置将气态二氧化碳转化为液态二氧化碳，通过超临界二氧化碳泵1的升温装置将液态二氧化碳转化为超临界二氧化碳。

在本发明的一个优选的实施方式中，步骤S103中，在支撑剂添加装置2中，打开密封盖22，将染色的支撑剂颗粒由开口部235加入支撑剂添加器23中，该染色的支撑剂颗粒经漏孔部231流入圆弧管236中的超临界二氧化碳，混合得到混合流体；其中，所述混合流体中染色的支撑剂颗粒的添加量通过可移动调节板237进行调节；进一步地，该调节通过支臂2373控制第三侧壁2372移动，使得第二底板2371在第一底板232上移动，进而控制第一底板232上漏孔部231的范围，改变染色的支撑剂颗粒的下落数量，影响超临界二氧化碳的携砂量。

在本发明的一个优选的实施方式中，步骤S104中，观察混合流体时，将热水通过注水口3141流入水浴加热腔3131，保持热水温度，可以使可视化装置31中的二氧化碳转维持超临界状态，水浴加热腔中的热水可以通过出水口3142流出；其中，第四侧壁313背离摄像模块32的一侧喷漆成白色，防止周围环境的颜色干扰，不利于支撑剂的观察与识别。

在本发明的一个优选的实施方式中，步骤S104中，通过摄像模块32采集多个实验照片，通过处理该实验照片可以反演出支撑剂的运动形态；进一步地，通过高速相机进行连续高速拍摄，通过处理具有不同灰度值支撑剂的照片可以展现支撑剂颗粒在不同时刻的位置情况，再通过支撑剂颗粒的灰度值去识别，通过处理这些连续的照片可以反演出支撑剂颗粒的运动形态。

在本发明的一个优选的实施方式中，步骤S105中，砂气分离装置4进行支撑剂颗粒的回收和二氧化碳气体的释放时，打开泄压阀42和放空阀43；其中，当砂气分离器41内的压力达到一定值时会通过泄压阀42泄压，实验结束后打开放空阀43，排出二氧化碳气体。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。