一种二氧化碳携带支撑剂的试验系统及方法

技术领域

本发明涉及油气开采技术领域，具体涉及一种二氧化碳携带支撑剂的试验系统及方法。

背景技术

随着经济的发展，我国对油气的需求量急剧增加，常规石油和天然气资源已不能满足我国经济发展的需求，因此寻找新能源已迫在眉睫。非常规油气资源储量大、分布集中、开发潜力巨大，是常规油气的重要接替资源，加大非常规油气资源的开发对加快我国能源结构转变、实现经济持续增长具有重大战略意义。

由于我国非常规油气资源具有成藏类型多样、低孔、低渗的特点，因此对于非常规油气开发，主要采用压裂方式改造油气储层，当油气储层产生许多裂缝后，加入支撑剂充填，提高储层的渗透能力，使非常规油气的开采更加高效。大规模水力压裂是目前最常用的储层改造技术，但其存在水资源消耗、水系统污染和地震诱发等危害。除此之外，还会引起黏土矿物膨胀软化以及微纳孔缝中的水锁效应，均导致储层渗透性损伤。

超临界二氧化碳(SC-CO

CN 102704922 A的发明专利中，公开了一种超临界二氧化碳携砂流动机理研究实验装置，该装置主要由液态二氧化碳储罐、高压泵、加热系统、稳压罐、流量计、裂缝模拟系统、过滤分离器、卸压器、背压阀和冷却系统依次用管线连接构成密闭的高压环路。该装置通过模拟地层高温、高压条件，来观察和记录支撑剂自由沉降的过程，得出支撑剂在超临界二氧化碳中的自由沉降规律。然而，在实际现场条件下，超临界二氧化碳压裂会产生更加复杂，角度不一的缝网，该装置仅能模拟在单一角度下支撑剂的传输特性，观察的图像数据单一，得到的规律明显不全面，难以代表实际现场中超临界二氧化碳携带支撑剂的流动规律。

CN 110261060 A的发明专利中，公开了一种超临界二氧化碳室内携砂实验装置及方法，该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，超临界二氧化碳泵的出口端连接支撑剂添加装置的入口端，支撑剂添加装置的出口端连接可视化观察装置的入口端，可视化观察装置的出口端连接砂气分离装置的入口端。该装置可直观的观察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。但该装置仍然只能模拟在单一角度下支撑剂的分布形态和传输特性，也难以代表实际现场中超临界二氧化碳携带支撑剂的流动规律。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种二氧化碳携带支撑剂的试验系统，以解决现有技术中仅能从单一角度模拟支撑剂传输特性的缺陷，还可以进一步提高试验系统的准确性。本发明的目的之二在于提供一种二氧化碳携带支撑剂的试验方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种二氧化碳携带支撑剂的试验系统，包括依次连接的二氧化碳储存装置、增压装置、支撑剂添加装置、可视化观察装置、过滤分离装置和反压装置；

所述支撑剂添加装置与所述可视化观察装置之间还连接有旋转式转接装置，其具有进口端、固定出口端和活动出口端；

所述可视化观察装置包括第一可视化观察管和第二可视化观察管，所述第一可视化观察管的进口端与所述旋转式转接装置的固定出口端相连接，所述第二可视化观察管的进口端与所述旋转式转接装置的活动出口端相连接，所述第一可视化观察管和第二可视化观察管的出口端均与过滤分离装置的进口端相连接，所述活动出口端可相对于所述固定出口端移动，来调整所述第一可视化观察管和第二可视化观察管之间的角度；

还包括加热装置，其设在所述支撑剂添加装置、旋转式转接装置和可视化观察装置的外围四周。

优选的，所述二氧化碳储存装置的出口端与增压装置的进口端相连接，所述增压装置的出口端与支撑剂添加装置的进口端相连接，所述支撑剂添加装置的出口端与旋转式转接装置的进口端相连接，所述过滤分离装置的出气口端与反压装置的进口端相连接，所述反压装置的出口端与支撑剂添加装置的进气口端相连接，整体通过管线连接形成循环回路系统。

优选的，所述旋转式转接装置为高压旋转式转接头。高压旋转式转接头的活动出口端，通过两侧的O形圈来达到密封效果。

优选的，所述第一可视化观察管和第二可视化观察管均包括相同的透明管，透明管的两端设有端盖，透明管和端盖的外侧壁设有一体成型的套管，透明管两端与端盖之间设有密封圈。以提高密封性，防止接触面泄漏。

优选的，还包括混合搅拌装置和摄像装置；所述混合搅拌装置设在所述支撑剂添加装置与旋转式转接装置之间，所述摄像装置设在所述可视化观察装置的外侧附近，用于观察和记录二氧化碳中支撑剂的分布形态。

其中，混合搅拌装置的进口端与支撑剂添加装置的出口端相连接，出口端与旋转式转接装置的进口端相连接。

优选的，所述二氧化碳储存装置的出口端还设有第一阀门，所述增压装置与所述支撑剂添加装置之间的管线上还依次串联有流量计、压力表、温度表和第二阀门，所述温度表的出口端还通过第三阀门与所述旋转式转接装置的进口端相连接。

优选的，所述加热装置为硅橡胶加热带或水浴加热。

本申请还提供了上述系统的试验方法，包括以下步骤：

1)将二氧化碳储存装置中的二氧化碳输送至增压装置进行增压，并将支撑剂放入支撑剂添加装置中，通过加热装置对支撑剂添加装置，旋转式转接装置和可视化观察装置进行加热；

2)增压后的二氧化碳输送至支撑剂添加装置中，与支撑剂进行混合，形成混合流体；

3)混合流体输送至可视化观察装置中进行观察；

4)通过可视化观察装置后的混合流体输送至过滤分离装置中进行过滤分离，分离后的气体输送至反压装置进行反压后，再进行循环利用或输送返回至二氧化碳储存装置中，分离后的支撑剂用收集罐进行收集。

优选的，所述微纳米支撑剂为粉煤灰、陶粒或砂粒，所述粉煤灰的粒径为200～400目，所述陶粒或砂粒的粒径小于100目。

本发明的有益效果：

1)本发明的二氧化碳携带支撑剂的试验系统，通过旋转旋转式转接装置的活动出口端，实现了调节第一可视化观察管和第二可视化观察管之间的不同角度，从而模拟二氧化碳携带支撑剂在不同角度下，支撑剂的分布形态和传输特性，得到了全面的数据规律，真实反映了实际现场压裂的不规则缝网中，二氧化碳携带支撑剂的流动规律；

2)本发明的试验系统，通过将加热装置设在支撑剂添加装置，旋转式转接装置和可视化观察装置的外围四周，保证了在设定温度下，从可视化观察装置中观察到的支撑剂的流动规律的准确性，解决了传统的加热装置设在前端，在传输过程中，必然存在热量损失，从而影响试验结果的缺陷，对研究实际现场储存层压裂后复杂缝网中，支撑剂运动形态，提供了较高的参考价值；

3)本发明的二氧化碳携带支撑剂的试验方法，通过在室内高压条件下，模拟和观察不同尺寸，不同类型的支撑剂在不同角度下的运动形态，得到了更加全面的数据，为实际现场压裂的不规则缝网中，二氧化碳携带不同尺寸，不同类型支撑剂的流动规律，提供了可靠的参考依据。

附图说明

图1为本发明的二氧化碳携带支撑剂的试验系统的结构示意图；

图2为高压旋转式转接头的结构示意图；

图3为第一可视化观察管的结构示意图；

图4为图3中A-A处的剖视图；

图5为图3中B-B处的剖视图。

其中，1-二氧化碳储存装置，2-增压装置，3-支撑剂添加装置，4-旋转式转接装置，401-进口端，402-固定出口端，403-活动出口端，404-O形圈，5-过滤分离装置，6-反压装置，7-加热装置， 8-管线，9-第一可视化观察管，901-透明管，902-端盖，903-套管，904-密封圈，905-观察窗，10- 第二可视化观察管，11-混合搅拌装置，12-摄像装置，13-第一阀门，14-流量计，15-压力表，16- 温度表，17-第二阀门，18-第三阀门。

具体实施方式

以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1所示，一种二氧化碳携带支撑剂的试验系统，包括依次连接的二氧化碳储存装置1、增压装置2、支撑剂添加装置3、可视化观察装置、过滤分离装置5和反压装置6；支撑剂添加装置3 与可视化观察装置之间还连接有旋转式转接装置4，其具有进口端401、固定出口端402和活动出口端403；可视化观察装置包括第一可视化观察管9和第二可视化观察管10，第一可视化观察管9 的进口端与旋转式转接装置4的固定出口端402相连接，第二可视化观察管10的进口端与旋转式转接装置4的活动出口端403相连接，第一可视化观察管9和第二可视化观察管10的出口端均与过滤分离装置5的进口端相连接，活动出口端403可相对于固定出口端402移动，来调整第一可视化观察管9和第二可视化观察管10之间的角度；还包括加热装置7，其设在支撑剂添加装置3，旋转式转接装置4和可视化观察装置的外围四周。通过旋转旋转式转接装置的活动出口端，实现了调节第一可视化观察管和第二可视化观察管之间的不同角度，从而模拟二氧化碳携带支撑剂在不同角度下，支撑剂的分布形态和传输特性，得到了全面的数据规律，更能真实反映实际现场压裂的不规则缝网中，二氧化碳携带支撑剂的流动规律。将加热装置设在支撑剂添加装置，旋转式转接装置和可视化观察装置的外围四周，保证了在设定温度下，从可视化观察装置中观察到的支撑剂的流动规律的准确性，解决了传统的加热装置设在前端，在传输过程中，必然存在热量损失，从而影响试验结果的准确性问题。

旋转式转接装置4，通过旋转活动出口端403，能任意调节第二可视化观察管10与第一可视化观察管9之间的角度，从而观察和记录二氧化碳携带支撑剂在不同角度下，支撑剂的分布形态，更加便于分析实际现场二氧化碳压裂产生缝网中，支撑剂的传输特性。

二氧化碳储存装置1的出口端与增压装置2的进口端相连接，增压装置2的出口端与支撑剂添加装置3的进口端相连接，支撑剂添加装置3的出口端与旋转式转接装置4的进口端401相连接，过滤分离装置5的出气口端与反压装置6的进口端相连接，反压装置6的出口端与支撑剂添加装置 3的进气口端相连接，整体通过管线8连接形成循环回路系统。反压装置用于恢复二氧化碳的气压，以便循环利用。

其中，二氧化碳储存装置1为二氧化碳储存罐；增压装置2为增压泵，具体为ISCO260D双柱塞增压泵，该泵容积为266mL，可提供最大压力为51.7MPa。

支撑剂添加装置3的上部设有加料口。

过滤分离装置的处理量2m

反压装置最高工作温度为80℃，压力为1～350bar。

如图2所示，旋转式转接装置4为高压旋转式转接头，高压旋转式转接头的活动出口端，通过两侧的O形圈404来实现密封效果。

如图3至图5所示，第一可视化观察管9和第二可视化观察管10均包括相同的透明管901，透明管901的两端设有端盖902，透明管901中的通孔与端盖902上的通孔为同轴设置，且大小相同，透明管901和端盖902的外侧壁设有一体成型的套管903，透明管901两端与端盖902之间还设有密封圈904，以提高密封性，防止接触面泄漏。

第一可视化观察管9和第二可视化观察管10的透明管管体由有机玻璃制成，端盖为不锈钢材质，套管为不锈钢套管，用于固定透明管管体，防止膨胀。

为了方便观察，在不锈钢套管壁上开设有观察窗905。其中，透明管的抗压强度为130MPa，抗拉强度60MPa。

第一可视化观察管和第二可视化观察管的管长为350mm，管外径为25mm，内径为5mm，不锈钢套管的外径为40mm，内径为25mm，其上的观察窗口长250mm，宽10mm。

还包括混合搅拌装置11和摄像装置12；混合搅拌装置11设在支撑剂添加装置3与旋转式转接装置4之间，摄像装置12设在可视化观察装置的外侧附近，用于观察和记录二氧化碳中支撑剂的分布形态。

摄像装置12为高速摄像机。用于捕捉支撑剂的运动形态，并记录图像，方便了后续进行详细分析，获得更加全面的运动规律。

其中，混合搅拌装置11的进口端与支撑剂添加装置3的出口端相连接，出口端与旋转式转接装置4的进口端401相连接。以便于二氧化碳和支撑剂充分混合后，输送至第一可视化观察管4 和第二可视化观察管5内，使试验结果与实际更接近。

二氧化碳储存装置1的出口端还设有第一阀门13，增压装置2与支撑剂添加装置3之间的管线8上还依次串联有流量计14、压力表15、温度表16和第二阀门17，温度表16的出口端还通过第三阀门18与旋转式转接装置4的进口端401相连接。

加热装置7为硅橡胶加热带。其具体是由镍铬合金丝和绝缘材料硅橡胶组成的柔软加热带，其最高使用温度为250℃。

实施例2

将实施例1中的试验系统用于模拟粒径为325目，球度、圆度均大于0.8的粉煤灰在超临界二氧化碳条件下，不同角度的传输特性。具体包括以下步骤：

1)将增压泵的压力设为30MPa，硅橡胶加热带的温度设为恒温45℃，打开第一阀门和第三阀门，使二氧化碳储存罐中的二氧化碳输送至增压泵中进行增压至预定值30MPa，然后输送至硅橡胶加热带处升温至45℃，使二氧化碳进入超临界状态，并可通过压力表和温度表的压力和温度显示以进行进一步确定，再通过流量计的显示，调节增压泵的排量至30mL/min；

2)待排量稳定后，同时打开第二阀门和关闭第三阀门，并按照砂比(即粉煤灰与超临界二氧化碳的体积比)为10％的比例，将粉煤灰加入到支撑剂添加装置中，通过混合搅拌装置进行充分混合后，通过旋转式转接头同时输送至夹角为30°的第一可视化观察管和第二可视化观察管中，并利用高速摄像机记录支撑剂在二氧化碳中的运动状态；

3)结束后，通过过滤分离器将支撑剂与CO

实施例3

将实施例1中的试验系统用于模拟粒径为200目，球度、圆度均大于0.8的粉煤灰在超临界二氧化碳条件下的传输特性。具体包括以下步骤：

1)将增压泵的压力设为30MPa，硅橡胶加热带的温度设为恒温45℃，打开第一阀门和第三阀门，使二氧化碳储存罐中的二氧化碳输送至增压泵中进行增压至预定值30MPa，然后输送至硅橡胶加热带处升温至45℃，使二氧化碳进入超临界状态，并可通过压力表和温度表的压力和温度显示以进行进一步确定，再通过流量计的显示，调节增压泵的排量至30mL/min；

2)待排量稳定后，同时打开第二阀门和关闭第三阀门，并按照砂比为10％的比例，将不同粒径的粉煤灰加入到支撑剂添加装置中，通过混合搅拌装置进行充分混合后，通过旋转式转接头同时输送至夹角为30°的第一可视化观察管和第二可视化观察管中，并利用高速摄像机记录支撑剂在二氧化碳中的运动状态；

3)结束后，通过过滤分离器将支撑剂与CO

实施例4

将实施例1中的试验系统用于模拟粒径为325目，球度、圆度均大于0.8的粉煤灰在超临界二氧化碳条件下，不同角度的传输特性。具体包括以下步骤：

1)将增压泵的压力设为30MPa，硅橡胶加热带的温度设为恒温45℃，打开第一阀门和第三阀门，使二氧化碳储存罐中的二氧化碳输送至增压泵中进行增压至预定值30MPa，然后输送至硅橡胶加热带处升温至45℃，使二氧化碳进入超临界状态，并可通过压力表和温度表的压力和温度显示以进行进一步确定，再通过流量计的显示，调节增压泵的排量至30mL/min；

2)待排量稳定后，同时打开第二阀门和关闭第三阀门，并按照砂比为10％的比例，将粉煤灰加入到支撑剂添加装置中，通过混合搅拌装置进行充分混合后，通过旋转式转接头同时输送至夹角为60°的第一可视化观察管和第二可视化观察管中，并利用高速摄像机记录支撑剂在二氧化碳中的运动状态；

3)结束后，通过过滤分离器将支撑剂与CO

实施例5

将实施例1中的试验系统用于模拟粒径为200目，球度、圆度均大于0.8的陶粒在超临界二氧化碳条件下，不同角度的传输特性。具体包括以下步骤：

1)将增压泵的压力设为30MPa，硅橡胶加热带的温度设为恒温45℃，打开第一阀门和第三阀门，使二氧化碳储存罐中的二氧化碳输送至增压泵中进行增压至预定值30MPa，然后输送至硅橡胶加热带处升温至45℃，使二氧化碳进入超临界状态，并可通过压力表和温度表的压力和温度显示以进行进一步确定，再通过流量计的显示，调节增压泵的排量至30mL/min；

2)待排量稳定后，同时打开第二阀门和关闭第三阀门，并按照砂比为10％的比例，将粉煤灰加入到支撑剂添加装置中，通过混合搅拌装置进行充分混合后，通过旋转式转接头同时输送至夹角为30°的第一可视化观察管和第二可视化观察管中，并利用高速摄像机记录支撑剂在二氧化碳中的运动状态；

3)结束后，通过过滤分离器将支撑剂与CO

综上所述，本发明的二氧化碳携带支撑剂的试验系统，首先，通过旋转式转接装置调节可视化装置的角度，从而模拟二氧化碳携带支撑剂在不同角度下，支撑剂的分布形态和传输特性，得到了全面的数据规律，更能真实反映实际现场压裂的不规则缝网中，二氧化碳携带支撑剂的流动规律；其次，通过将加热装置设在支撑剂添加装置，旋转式转接装置和可视化观察装置的外围四周，保证了在设定温度下，从可视化观察装置中观察到的支撑剂的流动规律的准确性，解决了传统的加热装置设在前端，在传输过程中，必然存在热量损失，从而影响试验结果的问题，对研究实际现场储存层压裂后复杂缝网中，支撑剂的传输特性，提供了较高的参考价值。本发明的二氧化碳携带支撑剂的试验方法，通过在室内高压条件下，模拟和观察不同尺寸，不同类型的支撑剂在不同角度下的运动形态，得到了更加全面的数据和传输特性，为实际现场压裂的不规则缝网中，二氧化碳携带不同尺寸，不同类型支撑剂的流动规律，提供了可靠的参考依据。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。