CN106404549A - 一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，其特征包括压力室、真空饱和系统和二氧化碳相态转换系统。压力室包括密闭腔体，扁千斤和加热棒。密闭腔体由上盖板，围压筒和压力室底座组成，并通过密封圈密封。围压筒侧壁均布四个扁千斤，上盖板和压力室底座各固定一个扁千斤，加热棒固定在压力室底座上。真空饱和系统包括真空泵和饱和液站。二氧化碳相态转化系统包括二氧化碳气源，冷却装置和注入泵，将二氧化碳降温液化后加压升温转换为超临界状态。本发明对岩石及人造试件进行饱和孔隙压力条件下超临界二氧化碳压裂模拟实验，实时监测压裂过程中压裂液的注入压力、温度、排量等参数，获取裂缝扩展规律，是研究超临界二氧化碳压裂机理的实验平台。
Description
技术领域
本发明属于水力压裂模拟实验领域，特别是涉及一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置。
背景技术
水力压裂过程会消耗大量的水资源，无水压裂工艺技术基本不使用水，缓解了对水资源的需求压力，目前国内还没有广泛应用。常规压裂液包含水或各种化学试剂，残留导致裂缝渗透率伤害，从而降低了压裂增产效果。为了减小常规压裂液对地层特别是低渗透、低压、水敏性油气藏的伤害，超临界二氧化碳压裂技术随之而兴起。超临界二氧化碳由于其兼具气体的流动性和液体的高密度特性，能够代替清水实施压裂，并且排除地层与水接触的机会，降低压裂过程中水锁和水敏对地层的伤害。超临界二氧化碳无水压裂技术具有重复利用空气中的二氧化碳、不使用水、压裂效果好的特点，对于减少环境污染、节约水资源有重要意义，对于油藏开发具有指导意义。国外已经在很多油气藏中成功地应用了该项技术，证实了其无水相无残渣易返排的特性，同时可有效地提高油气藏的增产效果。
超临界二氧化碳压裂技术将成为我国开发低渗油气田的有效措施之一，其中压裂裂缝的几何形态是影响压裂作业效果的主要因素之一，合理的压裂作业可以使裂缝在储层中延伸，而不至于穿透水层和低压渗透层。现阶段，由于对流固耦合条件下超临界二氧化碳压裂裂缝扩展规律的影响因素和扩展机制认识不足，难直接观察到超临界二氧化碳压裂所产生的实际裂缝形态，人们大多采用过于简化的二维或三维模型模拟超临界二氧化碳压裂过程，以此指导现场的压裂作业，但是得到的结果与实际相差很大。因此，通过模拟地层条件进行室内超临界二氧化碳压裂试验是认识裂缝扩展机制的重要手段，可以直接检测模拟超临界二氧化碳压裂的物理过程，观察裂缝形态，获得压裂过程中的压裂液的注入压力、温度和排量并以此建立的数值模型更具有实际意义。
发明内容
本发明公开了一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，能够对岩石及人造试件进行饱和孔隙压力条件下的超临界二氧化碳压裂模拟实验，实时监测压裂过程中压裂液的注入压力、温度、排量等参数，获取超临界条件下裂缝扩展规律，为超临界二氧化碳压裂机理的研究提供实验平台。
为此，本发明所采用的技术方案是：
一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，包括压力室、真空饱和系统和二氧化碳相态转换系统等三部分。
所述超临界二氧化碳压裂模拟实验装置水平放置。
所述压力室由密闭腔体，扁千斤和加热棒构成。密闭腔体包括上盖板、围压筒和压力室底座；所述围压筒一端与上盖板相连，一端与压力室底座相连；所述扁千斤包括压力板、扁千斤底板和活塞，活塞顶端与压力板之间通过螺纹连接，将压力板和扁千斤底板隔开，形成的两个独立的压力腔，扁千斤底板上有两个注油孔，注油孔与活塞和扁千斤底板之间形成的压力腔相连，注油孔与压力板和扁千斤底板之间形成的压力腔相连。上下扁千斤分别固定在上盖板和压力室底座上，四个扁千斤用螺栓固定在围压筒内壁上，形成了压力腔，用于放呈立方体形的试件。液压油由手动泵通过液压管线注入扁千斤，为试件提供三向围压。
所述上盖板由支架螺栓固定在围压筒上，上盖板与围压筒之间采用密封圈密封；所述压力室底座固定在支架螺栓上，压力室底座与围压筒之间采用密封圈密封，从而形成一个密闭腔体为试件提供孔隙压力。
所述加热棒由四根加热棒放置于压力室底座上，将压力室内的水加热至指定温度并通过温度传感器直接显示在温度控制面板的显示屏上。
所述真空饱和系统由真空泵和饱和液站构成。真空泵通过液压管线与密封的压力室相连，用于将压力室抽成真空，然后利用饱和液站将饱和液体注入压力室内，使试件饱和。
所述二氧化碳相态转换系统系统由二氧化碳气源，冷却装置和注入泵构成，二氧化碳气体先通过冷却装置液化，然后通过注入泵注入到试件中，在压力室中通过加热转化为超临界状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中的围压筒与上盖板、压力室底座之间通过密封圈密封，使压力腔可以达到密封状态，从而可以通过向压力腔内注入高压液体介质为试件提供孔隙压力；提供孔隙压力的介质为水，价格低廉易获取，安全环保。本发明配备真空泵和加热棒，并使用较高的制造工艺加工设备，可将压力室抽成真空，可使液体充分渗入试件并使其饱和；模拟最高温度为100℃，最高压力为50MPa，从而更加真实地模拟压裂地层实际条件。此外，通过将二氧化碳气体降温液化，然后加压升温转化为超临界状态，通过注入泵注入到试件中，实现了使用超临界状态的液态二氧化碳作为压裂液进行压裂试验。
本发明对岩石及人造试件进行饱和孔隙压力条件下的超临界二氧化碳压裂模拟实验，实时监测压裂过程中压裂液的注入压力、温度、排量等参数，整套设备操作方便，且在有限试件尺寸条件下增大了裂缝扩展形态范围；本发明扁千斤固定在围压筒内壁、上盖板和压力室底座上，并且使用快速接头连接压力管线，便于快速拆卸及装配。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1为本发明的超临界二氧化碳压裂模拟实验装置的整体系统图；
图2为本发明的超临界二氧化碳压裂模拟实验装置图；
图3为本发明的超临界二氧化碳压裂模拟实验装置剖视示意图；
图4为本发明的加载围压装置结构示意图；
图5为本发明的扁千斤展开结构示意图。
附图标号说明：1、二氧化碳气源；2、冷却装置；3、注入泵；4、加热棒；5、饱和液站；6、真空泵；7、手动泵；8、温度传感器；9、工艺孔；10、上盖板；11、螺母；12、支架螺栓；13、围压筒；14、压力室底座；15、密封圈；16、试件；17、阀门；18、井筒；19、螺旋管线；20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、注油孔；32、压力板；33、扁千斤底板；34、活塞。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
图1为本发明的超临界二氧化碳压裂模拟实验装置的整体系统图；图2为本发明的超临界二氧化碳压裂模拟实验装置图；图3为超临界二氧化碳压裂模拟实验装置图剖视示意图；图4为本发明的加载围压装置结构示意图；图5为本发明的扁千斤展开结构示意图。
如图1所示，一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，其特征包括压力室、真空饱和系统和二氧化碳相态转换系统等三部分。加热棒4放置于压力室底座14上，真空饱和系统的饱和液站5和真空泵6通过液压管线与压力室相连。
如图2和图3所示，压力室由密闭腔体，扁千斤和加热棒4构成。密闭腔体包括上盖板10，围压筒13和压力室底座14，六根支架螺栓12将三部分连接，并将6个螺母11拧紧固定，上盖板10与围压筒13之间采用密封件15密封，压力室底座14与围压筒13之间采用密封件15密封。
如图4所示，压力室内上下扁千斤分别固定在上盖板10和压力室底座14上，四个侧向扁千斤用螺栓固定在围压筒13内壁上，形成了压力腔，用于放呈立方体形的试件16。进一步，如图5所示，扁千斤包括压力板32、扁千斤底板33和活塞34，活塞34顶端与压力板32之间通过螺纹连接，将压力板32和扁千斤底板33隔开，形成的两个独立的压力腔，扁千斤中压力板和活塞上分别有凹槽用于放置密封圈使两个压力腔密闭。
二氧化碳相态转换系统系统由二氧化碳气源1，冷却装置2和注入泵3构成，二氧化碳气体先通过冷却装置2液化，然后由注入泵3加压后通过螺旋管线19注入到试件16中，可以使管线内的二氧化碳在水中充分加热从而保持超临界相态。
本发明的工作原理大致如下：
首先，起重设备利用四个工艺孔9将上盖板10吊起，将试件16装入压力腔内并将管线19与井筒18连接，利用六个螺母11将上盖板10与围压筒13盖紧。启动真空泵6将压力室内抽成真空，然后向压力室内注水，使试件饱和；注满水后使用加热棒4将水加热至目标温度，待试件温度与水温相同后，用手动泵7控制扁千斤，向试件施加刚性荷载，由注油孔20，22，24，26，28，30注入液压油，注油孔21，23，25，27，29，31打开使得与之相连的压力腔内的液压油回流到手动泵7中；待围压加载完毕后，将加载围压管线阀门关闭，此时向试件16中注入超临界二氧化碳，同时记录泵注压力和排量，试件裂缝处的压力和温度，直至试件破裂；停止泵入压裂液，注油孔21，23，25，27，29，31打开，手动泵7向注油孔20，22，24，26，28，30注入液压油，压力板远离试件。待温度降至室温后，通过打开阀门17向压力室外排水，然后利用起重设备将上盖板10吊起，拆卸试验试件，随后剖开试件以观察其内部人工裂缝形态，试验结束。
Claims (5)
1.一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，其特征包括压力室、真空饱和系统和二氧化碳相态转换系统等三部分：压力室包括密闭腔体，扁千斤和加热棒；密闭腔体由上盖板，围压筒和压力室底座组成，并通过密封圈密封，围压筒侧壁均布四个扁千斤，上盖板和压力室底座各固定一个扁千斤，加热棒固定在压力室底座上；真空饱和系统包括真空泵和饱和液站；二氧化碳相态转化系统由二氧化碳气源，冷却装置，注入泵组成，可将二氧化碳由气态先降温液化，然后加压升温转换为超临界状态。
2.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，其特征在于，压力室通过密封圈形成一个密闭腔体，可以为试件提供孔隙压力。
3.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，其特征在于，在压力室底座上的4根加热棒，穿过上盖板的温度传感器以及温度控制面板组成，加热介质是水。
4.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，其特征在于，真空饱和系统由真空泵和液压管线构成，真空泵将压力室内抽成真空后，由液压管线向压力室内注入液体，液体充分渗入试件使其饱和。
5.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压裂模拟实验装置，其特征在于，超临界二氧化碳注入系统由二氧化碳气源，冷却装置和注入泵构成，二氧化碳先通过冷却装置液化，然后通过注入泵注入到试件中，在压力室中通过加热转化为超临界状态。
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