[发明专利]测量超临界二氧化碳压裂裂缝中流型分布的装置

摘要

本发明涉及一种测量超临界二氧化碳压裂裂缝中流型分布的装置，装置包括：超临界二氧化碳增压系统、增粘剂注入混合系统和超临界二氧化碳压裂液携带支撑剂循环观测系统；超临界二氧化碳压裂液循环观测系统为超临界二氧化碳压裂液提供高温高压下闭合的循环回路，超临界二氧化碳增压系统为二氧化碳提供所需要的实验压力，增粘剂注入混合系统将增粘剂泵入到高温高压超临界二氧化碳管路中。本发明能够实现较大压力和温度范围内超临界二氧化碳压裂液流型分布的测量，可得到不同超临界二氧化碳粘度及加砂速度条件下裂缝中流型分布图；装置操作简单，方法易于实施，可行性高；测量方法科学，能够实现较高精度的参数测量。

主权项

1.一种测量超临界二氧化碳压裂裂缝中流型分布的方法，利用测量超临界二氧化碳压裂裂缝中流型分布的装置，测量超临界二氧化碳压裂裂缝中流型分布的装置包括：超临界二氧化碳增压系统、增粘剂注入混合系统和超临界二氧化碳压裂液携带支撑剂循环观测系统；超临界二氧化碳压裂液循环观测系统为超临界二氧化碳压裂液提供高温高压下闭合的循环回路，超临界二氧化碳增压系统为二氧化碳提供所需要的实验压力，增粘剂注入混合系统将增粘剂泵入到高温高压超临界二氧化碳管路中；其中：超临界二氧化碳增压系统，包括：二氧化碳气源、气体增压泵、二氧化碳储罐、二氧化碳气源入口旋拧阀；二氧化碳气源、气体增压泵、二氧化碳储罐、二氧化碳气源入口旋拧阀依次通过管线相连；增粘剂注入混合系统，包括：增粘剂储罐、增粘剂计量泵、柱塞泵、增粘剂入口旋拧阀；增粘剂储罐、增粘剂计量泵、柱塞泵、增粘剂入口旋拧阀依次通过管线连接；超临界二氧化碳压裂液携带支撑剂循环观测系统，包括：磁力搅拌器、中间容器、循环泵、质量流量计、加砂装置、裂缝主体模块、真空泵、超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀、液固分离器；磁力搅拌器进口端与液固分离器出口端通过管线连接，磁力搅拌器出口端与中间容器进口端相连，质量流量计进口端通过管线与中间容器出口端相连，裂缝主体模块进口端通过管线与质量流量计出口端相连，液固分离器进口端与裂缝主体模块出口端相连，成闭合的循环回路；中间容器与质量流量计的连接管线上设有循环泵；超临界二氧化碳入口旋拧阀通过管线与磁力搅拌器入口相连；增粘剂入口旋拧阀通过管线接入到超临界二氧化碳入口旋拧阀与磁力搅拌器之间的管线；中间容器置于油浴加热器中，中间容器设有中间容器内压力计、中间容器内温度计；质量流量计与裂缝主体模块相连接的管路上设有加砂装置；其特征在于，步骤如下：(1)、建立超临界二氧化碳循环调整二氧化碳气源入口旋拧阀、增粘剂入口旋拧阀、超临界二氧化碳压裂液放空旋拧阀处于关闭状态，利用真空泵排除实验管路中的空气；开启二氧化碳气源入口旋拧阀、循环泵，使二氧化碳由二氧化碳气源流出，调节气体增压泵、油浴加热器，将实验系统的温度、压力调节为实验设定的温度压力；(2)、加入增粘剂开启增粘剂入口旋拧阀、增粘剂计量泵、柱塞泵，将增粘剂储罐内的增粘剂泵入超临界二氧化碳压裂液循环观测系统，增粘剂在磁力搅拌器内充分溶解于超临界二氧化碳中，流体在循环泵作用下流动；(3)、计算超临界二氧化碳压裂液在裂缝主体模块内的平均温度读取超临界二氧化碳压裂液进口测量温度计的温度T₁，出口测量温度计的温度T₂，计算超临界二氧化碳压裂液在管线段内的平均温度：式中，T为超临界二氧化碳在裂缝主体模块内的平均温度，K；T₁为超临界二氧化碳压裂液在裂缝主体模块进口处的温度，K；T₂为超临界二氧化碳压裂液在裂缝主体模块出口处的温度，K；(4)、计算超临界二氧化碳压裂液在裂缝主体模块内的平均压力读取超临界二氧化碳压裂液进口测量压力计的压力P₁，出口测量压力计的压力P₂，计算超临界二氧化碳压裂液在裂缝主体模块内的平均压力：式中，P为超临界二氧化碳在裂缝主体模块内的平均压力，MPa；P₁为超临界二氧化碳压裂液在裂缝主体模块管进口处的压力，MPa；P₂为超临界二氧化碳压裂液在裂缝主体模块出口处的压力，MPa；(5)、调节支撑剂颗粒浓度读取裂缝主体模块超临界二氧化碳压裂液进出口测量温度计的温度，超临界二氧化碳压裂液进出口测量压力计的压力；设定步进电机的加砂速度，调节至实验所需支撑剂颗粒浓度C₀，进行实验；(6)、调节排量，获取颗粒启动与悬浮流临界排量调节循环泵的功率，逐渐增大超临界二氧化碳循环系统中超临界二氧化碳的排量，通过裂缝主体模块观察颗粒流动状况；观察表层固体颗粒开始滚动时，读取并记录质量流量计示数，为滚流边界临界排量Q₁；继续增大超临界二氧化碳排量，观察固体颗粒开始悬浮于超临界二氧化碳中并随之流动时，读取并记录此时质量流量计示数，为悬浮流边界临界排量Q₂；(7)、重复实验改变加砂速度，获取不同颗粒浓度；在颗粒浓度一定时，重复步骤(6)，分别获取不同颗粒浓度下，滚流边界与悬浮流边界临界排量；(8)、计算裂缝内超临界二氧化碳压裂液携带支撑剂在滚流与悬浮流边界雷诺数计算超临界二氧化碳压裂液在裂缝主体模块内的流速：Z³‑(1‑B)Z²+(A‑3B²‑2B)Z‑(AB‑B²‑B³)＝0      (1)计算超临界二氧化碳压裂液相雷诺数Re：式中，Z为压缩因子，无量纲；A、B为中间变量，表达式如式(4)、(5)所示；p_r为对比压力，无量纲；T_r为对比温度，无量纲；w为二氧化碳的偏心因子，无量纲；ρ_CO2为二氧化碳的密度，kg/m³；x_CO2为二氧化碳在超临界二氧化碳压裂液中的比例，无量纲；ρ_t为增粘剂的密度，kg/m³；ρ为超临界二氧化碳压裂液的密度，kg/m³；x_t为增粘剂在超临界二氧化碳压裂液中的比例，无量纲；P为绝对压力，MPa；T为绝对温度，K；M_g为二氧化碳的分子量，kg/m³；R为通用气体常数，0.008314(MPa·m³/kmol·K)；Q为超临界二氧化碳压裂液的质量流量，kg/s；u为超临界二氧化碳压裂液在裂缝主体模块中的流速，m/s；W为裂缝主体模块裂缝宽度，m；H为裂缝主体模块裂缝高度，m；D为裂缝主体模块的当量直径，m；μ为超临界二氧化碳压裂液的粘度，单位是Pa·s；(9)、绘制图版以颗粒浓度作为横坐标，超临界二氧化碳雷诺数作为纵坐标，根据不同颗粒浓度及其对应的滚流与悬浮流边界雷诺数，绘制滚流边界及悬浮流边界,得到超临界二氧化碳压裂裂缝中流型分布图版。