超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统.pdf

1、10申请公布号CN103742075A43申请公布日20140423CN103742075A21申请号201310694748122申请日20131218E21B7/18200601E21B43/11420060171申请人中国石油大学北京地址102249北京市昌平区府学路18号石油工程学院72发明人王海柱李根生贺振国田守嶒黄中伟史怀忠宋先知54发明名称超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统57摘要本发明公开了一种新型超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，用于模拟超临界二氧化碳磨料射流冲蚀破碎岩石和破坏套管等过程，对比分析不同射流实验效果、揭示不同因素影响规律等。实验系统由二氧化碳液化装置、

2、超临界二氧化碳生成装置、超临界二氧化碳磨料射流实验装置及二氧化碳回收装置组成。其中，超临界二氧化碳磨料射流实验装置由射孔围压筒装置和磨料添加装置组成，为系统核心模块。超临界二氧化碳流体经喷嘴形成射流，磨料经绞笼与加砂器输送与射流混合，形成超临界二氧化碳磨料射流，并在围压筒内进行射孔。该系统操作安全、简便且效率较高，可模拟多种工况下超临界二氧化碳磨料射流射孔作业，并可用于液氮等流体实验。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图3页10申请公布号CN103742075ACN103742075A1/1页21一种超临界二

3、氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统。其特征在于该模拟实验系统由二氧化碳液化装置、超临界二氧化碳生成装置、超临界二氧化碳磨料射流射孔实验装置以及二氧化碳回收装置四个独立模块组成，其中超临界二氧化碳磨料射流实验装置是该系统核心模块。所述四个独立模块由恒温水浴冷箱、液态二氧化碳储罐、增压泵、恒温水浴热箱、磨料添加装置、射孔围压筒装置和双级除砂器等实验设备依次通过高压管线连接而成。2如权利要求1所述超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，其特征在于所述射孔围压筒装置包括围压筒、超临界二氧化碳磨料射流喷管与喷嘴、岩心磁力搅拌装置、可旋转的岩心夹持器，在所述围压筒一侧设置四根磨料射流喷管，另一侧设置岩心磁力搅

4、拌装置。3如权利要求1所述超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，其特征在于所述磨料加砂装置包括高压加砂罐、磁力搅拌装置、绞笼、前混加砂器和后混加砂器。4如权利要求2所述超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，其特征在于所述四根磨料射流喷管包括一个中心喷管和三个偏心喷管。中心喷管用于正式喷射前的压力调节，两个偏心喷管分别与前混、后混加砂器连接形成前混与后混方式的磨料射流，另一个偏心喷管与阀门连接用于围压筒泄压。除了用于泄压的喷管外，其余三个喷管连接气动阀，通过计算机远程控制其开闭状态。5如权利要求2所述超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，其特征在于所述射孔围压筒上设置有一对可视窗口，所述可

5、视窗口的直径为20MM，窗口安装有蓝宝石耐高压玻璃，可利用高速摄像机通过窗口观察和记录超临界二氧化碳磨料射流冲蚀切割靶件的动态过程。6如权利要求2所述超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，其特征在于所述射孔围压筒内加耐磨薄壁圆筒，材质为硬质合金，所述薄壁圆筒被磨料射流磨损后可更换。7如权利要求2所述超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，其特征在于所述岩心夹持器夹持岩心与垫块滑入所述围压筒，并与底部悬挂装置锁紧，所述岩心夹持器可夹持钢板或柱状岩心等靶件。8如权利要求1所述超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，其特征在于所述岩心搅拌装置与所述加砂搅拌装置均采用磁力搅拌，可通过计算机远程控制其

6、转速。权利要求书CN103742075A1/4页3超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统技术领域0001本发明涉及一种超临界流体射流实验系统，具体涉及一种超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，属于超临界流体技术领域与高压喷射技术领域。背景技术0002以页岩气、煤层气和致密砂岩气为代表的非常规天然气藏，是未来我国油气资源的重要补充。该类非常规气开发困难较大，如钻井速度慢、成本高，气藏渗透率低、生产周期长，储层易伤害、单井产量低等。因此常规的水基泥浆与水基压裂液在某种程度上已不能满足开发要求，尤其对于以吸附态存在、储层黏土含量较高的页岩气藏来讲，水更是致命的。因此，寻求新型钻完井液与压裂液体系是

7、研究人员所面临的一项重要课题。0003超临界流体性质介于气体与液体之间，具有诸多独特的物理化学性质，如超临界二氧化碳流体黏度与气体接近、表面张力为零、扩散系数大于液体、密度与液体相似以及良好的传质性，且吸附性大于一般烃类化合物，这些性质赋予了其应用于非常规油气资源勘探开发作业的诸多优势。20世纪末对超临界二氧化碳钻井可行性的研究发现，超临界二氧化碳喷射破岩具有门限压力低、破岩速度快的特点，而且井底压力较易控制，更重要的是它不仅不会污染储集层，相反进入储集层后能够增大储集层渗透率，提高油气驱替效率与采收率。因此，超临界二氧化碳在能源领域得到了广泛关注。0004然而，超临界二氧化碳射流依然存在其应

8、用的局限。通过模拟与实验研究发现，在喷射钻井作业时，超临界二氧化碳射流在深井温度、压力条件下破碎较硬岩石仍需较高能量；在喷射压裂作业时，纯超临界二氧化碳射流难以击穿套管等钢制材料。基于磨料水射流和高压气射流的切割机理和应用效果，若在超临界二氧化碳射流通常4080MPA中添加磨料，将超临界流体与磨料在切割破碎作业中的各自优势叠加，可在提高作业效果、降低能耗方面取得重大进步。0005因此，须开展超临界二氧化碳磨料射流结构特性、粒子跟随特性以及冲蚀破坏效果等相关基础研究，目前还未见该领域研究成果的相关报道，开展超临界二氧化碳磨料射流探索性研究具有重要的意义。以超临界流体技术、高压喷射技术为研究基础，

9、为进一步研究超临界二氧化碳磨料射流在非常规油气资源开发作业中的应用，设计了一套新型超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，用于模拟实际工况下超临界二氧化碳磨料射流冲蚀破碎岩石和破坏套管过程，对比分析与磨料水射流、纯超临界二氧化碳射流的实验效果并揭示各射流参数对射孔效果的影响规律等，该系统将成为未来利用超临界二氧化碳磨料射流进行非常规油气资源钻完井与开发作业技术研究的载体与有效途径。发明内容0006本发明是以研究超临界二氧化碳磨料射流对地层岩石及套管的冲蚀破碎、破坏效果为目的而设计的一套模拟实验系统。结合理论分析、数值模拟等多种研究手段，通过实验方法研究超临界二氧化碳磨料射流在井下作业环境中所需

10、要的喷射距离、喷射压差、流体说明书CN103742075A2/4页4温度、环境围压、环境温度等因素对超临界二氧化碳磨料射流的影响规律，客观真实地模拟超临界二氧化碳磨料射流喷射钻井时冲蚀破岩和后期增产时套管射孔作业等。0007为实现该实验目的，本发明专利所采用的技术方案为0008超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统由二氧化碳液化装置、超临界二氧化碳生成装置、超临界二氧化碳磨料射流实验装置以及二氧化碳回收装置四个独立模块组成，其中超临界二氧化碳磨料射流实验装置分为射孔围压筒装置和磨料添加装置两部分，是该系统的核心模块。0009通过恒温水浴冷箱将二氧化碳液化并储存在液态二氧化碳储罐中，增压泵将液态

11、二氧化碳增压，并泵入恒温水浴热箱中，高压、低温的液态二氧化碳经过水浴加热后转换为高压、高温的超临界二氧化碳流体，经过中心喷管从喷嘴中喷射出来，形成纯超临界二氧化碳射流。0010围压筒压帽上安装有一根中心射流喷管和三根偏心射流喷管，中心喷管用于正式实验前的压力调节，偏心射流喷管之一连接放空阀用于泄压，其余两根连接加砂器形成前混和后混模式的超临界二氧化碳磨料射流。纯超临界二氧化碳射流达到所需实验压力后，根据实验要求通过计算机远程控制气动阀开闭将射流切换至磨料射流偏心喷管。同时高压加砂罐中的磨料在重力作用下流入绞笼，加砂磁力搅拌装置带动绞笼旋转并推动磨料进入前混或后混加砂器，并与纯超临界二氧化碳流体

12、混合，形成前混或后混模式的超临界二氧化碳磨料射流。磨料浓度可通过绞笼的转速来调整，从0到40连续可调。磨料射流直接喷射在实验岩心或者套管试件上，岩心和套管试件可通过磁力搅拌器带动旋转，测试转速对其射流射孔效果的影响，同时还可进行喷射距离、喷射压差、流体温度、环境围压、环境温度等因素对超临界二氧化碳磨料射流的影响规律实验。实验中可以通过计算机预先设定实验时长，实验完毕后自动停机。0011射孔围压筒上设置有一对可视窗口，用于观察、记录实验过程，所述可视窗口的直径为20MM，窗口安装蓝宝石耐压玻璃，工作压力上限为60MPA。为避免光线折射影响观察效果，耐压玻璃安装时与围压筒轴线成一定角度，使观察视线

13、基本垂直穿过玻璃，该角度由岩心筒直径与窗口到岩心所在面的距离确定，3045效果最佳。窗口处可安装高速摄像机，通过窗口观察和记录超临界二氧化碳磨料射流冲蚀切割、破坏靶件的动态过程。0012射孔围压筒内加耐磨薄壁圆筒，厚度为2MM，材质为硬质合金材料，耐磨削、耐高温高压，设计可抵御60MPA射流压差下磨料颗粒的横向切削，薄壁圆筒严重磨损后可更换。0013岩心夹持器夹持岩心与垫块滑入水平放置的围压筒，待岩心夹持器与围压筒底部悬挂装置锁紧后释放垫块。岩心夹持器可夹持直径小于100MM、厚度小于200MM的套管或岩心等靶件。0014岩心旋转与加砂采用磁力搅拌进行，避免了机械传动带来的动密封问题。磁力搅拌

14、装置可承压100MPA，因此可在围压筒压力环境与高压加砂罐下游压力环境下正常工作。所述磁力搅拌装置在电机与外磁钢之间安装有110减速机，可通过计算机远程控制其转速与方向。0015围压筒工作温度可通过循环水浴加热的方法，在30100范围内进行调节，误差可控制在05，所述循环水由水浴箱提供，体积为500L，加热功率为5KW，安装有双控温仪表，分别用于控制加热温度和测量水温。围压筒可模拟井下最高压力为60MPA，通过回说明书CN103742075A3/4页5压阀进行调节，精度为01MPA。0016超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统多处安装有压力、温度测量装置，其中喷管前的压力传感器、恒温水浴热箱

15、的温度传感器、围压筒上的压力传感器与温度传感器可将射流前后的压力与温度条件实时采集、传输到计算机上显示并保存，并用于分析实验因素对射孔效果的规律分析。0017由于超临界二氧化碳射流自身在冲蚀破碎方面具有良好的性质优势，再加上磨料颗粒所具有的强大的冲击破坏作用，使超临界二氧化碳磨料射流能够具备更强的冲蚀破碎岩石和破坏套管能力。0018有益效果0019本发明所提出的超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统，结合了较为成熟的超临界流体技术与高压喷射技术，可形成固相体积浓度为040的超临界二氧化碳磨料射流。该系统利用磁耦合技术进行动力传递，避免了高压动密封带来的不良后果；通过计算机远程控制各个关键阀门的

16、开闭状态，实现超临界二氧化碳磨料射流的前混与后混模式的动态切换。同时射流环境压力、射流温度、射流压差、喷距等多个射流影响因素参数可在较大范围内调节，增强了对超临界二氧化碳磨料射流射孔各影响因素的考察能力。该系统具有较强的压力、温度控制能力以及抗冲蚀能力，操作更简便、数据更全面、更准确，使实验材料利用率、实验工作效率以及安全性显著提高。该系统可充分模拟多种实际工况下的超临界二氧化碳磨料射流射孔作业，并可用于液氮等其他流体的高压喷射实验。附图说明0020图1是实验系统流程图；0021图2是射孔围压筒装置结构剖面图；0022图3是磨料添加装置结构剖面图；0023图4是磨料射流喷管安装示意图；0024

17、图中1二氧化碳气瓶；2冷机；3恒温水浴冷箱；4流量计；5增压泵；6加热装置；7恒温水浴热箱；8磨料添加装置；9射孔围压筒装置；10双级除砂器；11高压加砂罐；12岩心磁力搅拌装置；13绞笼；14前混加砂器；15后混加砂器；16支撑架；17围压筒压帽；18中心喷管；19偏心喷管；20实验岩心；21岩心夹持器；22岩心磁力搅拌装置。具体实施方式0025下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明0026如图1所示，二氧化碳气瓶1内储存有液态二氧化碳，是整个实验系统的二氧化碳源，二氧化碳在气瓶1内自有压力45MPA以上下流入恒温水浴冷箱3中；冷机2对恒温水浴冷箱2中的循环水降温03，进而冷却箱内的

18、二氧化碳；液态二氧化碳经过流量计4进入增压泵5，增压后的液态高压二氧化碳被泵入恒温水浴热箱7中，加热装置6为热箱7中的循环水加热，热箱7的温度可在20100之间调控，精确度为05。高压液态二氧化碳经过加热后转变为超临界态，通过中心射流喷管18从喷嘴中喷射出来，形成纯超临界二氧化碳射流。说明书CN103742075A4/4页60027如图2所示，磨料添加装置8主要包括高压加砂罐支撑架16、高压加砂罐11、加砂磁力搅拌装置12、绞笼13、前混加砂器14和后混加砂器15。如图3所示，射孔围压筒装置9主要包括围压筒支撑架23、围压筒、围压筒压帽17、中心射流喷管18、偏心射流喷管19A、19B、19C

19、、岩心夹持器21、岩心磁力搅拌装置22。围压筒压帽17上安装有一根中心射流喷管18和三根偏心射流喷管19，如图4所示，其中19C用于围压筒装置泄压。中心喷管18用于正式实验前的压力调节，达到所需实验压力后，通过计算机远程控制气动阀开闭将射流切换至偏心喷管19A或19B。在此过程中，高压加砂罐11中的磨料在重力作用下流入绞笼13，加砂磁力搅拌装置12带动绞笼13旋转并推动磨料进入与加砂器连接的管道，由前混加砂器14或后混加砂器15分别输送偏心喷管19A或19B并与超临界二氧化碳流体混合，形成超临界二氧化碳磨料射流。岩心磁力搅拌装置22带动岩心夹持器21和实验岩心20旋转，可进行靶件转速对射流切割

20、破碎效果影响规律等研究。实验中可通过计算机预先设定实验时长，实验完毕后自动停机。0028如图1所示，所述射孔围压筒装置9与双级除砂器10连接。在所述双级除砂器10内安装有回压阀对所述射孔围压筒装置9中的压力进行调节，用以模拟井下环境压力。经所述双级除砂器10过滤之后的二氧化碳回到所述恒温水浴冷箱3中，再次进行冷却液化，实现循环利用。0029以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限制本发明的实施范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明的保护范围。说明书CN103742075A1/3页7图1说明书附图CN103742075A2/3页8图2图3说明书附图CN103742075A3/3页9图4说明书附图CN103742075A