一种模拟CO2酸压酸刻蚀裂缝过程的实验装置及方法与流程

本发明涉及油气田开采技术领域，特别是应用于碳酸盐岩酸压改造的一种模拟co2酸压酸刻蚀裂缝过程的实验装置及方法。

背景技术：

酸化压裂(酸压)是碳酸盐岩油气井投产和增产的重要技术措施。它通过酸液与人工(天然)裂缝壁面岩石发生化学反应，形成沟槽状或凹凸不平的高渗流通道，从而改善气井的渗流状况，使油气井获得增产。然对于低压致密碳酸盐岩，采用常规酸压技术时，具有两大明显局限：(1)酸岩反应速率快，酸液地层中的作用距离小；(2)大量的酸液进入地层时，由于地层压力低，反应后的残酸返排困难，酸液的大量滞留增大了对储层孔隙和酸压裂缝的伤害，降低了酸压效果。co2增能酸压，即co2作为地层能量补充的流体和延缓酸岩反应速率的辅助流体，施工时co2与酸液在地表分开同时注入井筒，然后在井筒中混合形成混合流体，再进入地层，其不仅可以延缓反应速率，而且可以减少酸液用量，增加地层能量，提高液体返排效率，实现提高酸压效果的目的；目前该技术已经在国外试验了多井次，并取得了较好效果(sanchezbernal,m.,tate,j.,idris,m.,soriano,j.e.,lopez,a.e.,&fatkhutdinov,d..acidfracturingtightgascarbonatesreservoirsusingco2toassiststimulationfluids:analternativetolesswaterconsumptionwhilemaintainingproductivity[c].spe172913-ms)，申请号201910843809.3的发明专利也公开了一种用于低渗非均质碳酸盐岩气藏的co2酸压方法。co2增能酸压过程中，co2的相态受温度压力影响，发生了一系列变化，首先以液态形式存于储液罐中，然后以液态形式注入井筒，在井口高压和井筒加热共同作用下，co2流体的温度、压力逐渐超过co2的临界点温度、压力(co2临界温度31℃，临界压力7.38mpa)，达到超临界态；然后超临界co2与酸液的混合流体进入水力裂缝与裂缝壁面岩石反应；co2相态控制和在混合液中的比例(即：泡沫干度)控制是co2增能酸压过程的关键技术。

酸蚀裂缝导流能力实验评价是认识co2增能酸压增产机理的最直接、可靠手段，也是酸压施工设计的重要依据。co2与酸液混合后的酸刻蚀裂缝过程的实验模拟是导流能力实验评价的第一步，也是极其复杂、关键的一步；它是模拟储层条件下，co2增能酸压施工过程中，超临界co2与酸液混合形成的流体在水力裂缝中流动且与裂缝壁面岩石的化学反应过程，从而获取真实的酸刻蚀岩样裂缝形态，为酸蚀裂缝导流能力评价提供酸刻蚀岩样样品，同时也可以直接揭示超临界co2与酸液形成的混合流体与岩石的化学反应机理，对指导优化co2增能酸压施工设计和提高酸压效果具有重要意义。

目前国内外公开文献未见到模拟co2酸压过程中酸刻蚀裂缝过程的实验装置及方法，申请号201010203373.0的发明专利公开了一种模拟酸刻蚀裂缝导流能力的测试装置及方法，但该测试装置不能真实模拟co2增能酸压施工时酸刻蚀裂缝的过程，主要原因：①缺乏co2与酸液混合装置，直接在测试管线中混合容易形成段塞状混合流体，无法达到均匀混合状态，更不能实现泡沫干度的控制；②岩样夹持器腔室为长圆弧柱体形状，岩样从垂直于测试介质流动方向的柱体腔室上、下部分别装入，再安装上、下两只长圆弧柱体活塞，而每只活塞仅有一级胶圈进行密封，该装置开展co2与酸液混合流体酸刻蚀时，极易泄露，有严重安全隐患，且反应环境的压力不易控制；③装置流程中末端废液收集设计不能实现混合流体的气液分离，当混合流体流出回压阀时，由于压力突然降低，存在co2高压气体、腐蚀性酸雾产生的安全隐患；④整个流程管线没有采用保温层设计，造成测试流体流动过程中热量散失，温度不易控制，从而导致不能形成稳定相态的超临界co2与酸液的混合流体。

因此亟需开发研制一种模拟co2酸压酸刻蚀裂缝过程的实验装置及方法，使其能够准确模拟co2酸压施工过程中co2与酸液形成的混合流体刻蚀裂缝的过程，获取真实的酸刻蚀形貌，为导流能力实验评价提供样品，同时也揭示混合流体刻蚀岩样机理，以指导优化co2酸压施工方案优化设计，提高酸压效果。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中缺乏能够准确实验模拟co2酸压酸刻蚀裂缝过程的现状，提供一种模拟co2酸压酸刻蚀裂缝过程的实验装置及方法。

技术方案如下：

本发明提供的模拟co2酸压酸刻蚀裂缝过程的实验装置，其结构包括co2输送单元、酸液输送单元、超临界co2与酸液的混液罐、岩板夹持器，岩板夹持器内安装岩板；co2输送单元和酸液输送单元分别将超临界co2和酸液泵入混液罐内进行混合，得到的混合流体注入岩板夹持器，岩板夹持器的出液口设置回压阀。

所述混液罐是密封设置的圆柱形罐体，罐体底部设置超临界co2进口和液体进出口。混液罐外表面涂覆保温材料层将混液罐完全包裹。混液罐内设置温度传感器和压力传感器，混液罐上有可视化窗口和液体容积刻度线。

所述岩板夹持器出液口依次连接回压阀、冷却水套、co2分离罐、废液罐，co2分离罐、酸液中和罐。

所述酸液输送单元包括酸液罐、柱塞泵一和预热装置，酸液罐连接柱塞泵一，柱塞泵一的出液口连接预热装置，预热装置的出液管连接三通接头，三通接头另两个接口分别连接混液罐和岩板夹持器；三通接头与预热装置之间、三通接头与混液罐之间、三通接头与岩板夹持器之间的管线上均设置有阀门开关；三通接头与混液罐之间的管线以及三通接头与岩板夹持器之间的管线外表面包裹有管线保温层。所述三通接头与岩板夹持器之间的管线上设置柱塞泵二和液体流量计。

所述co2输送单元包括co2气瓶、co2储罐、冷却槽、co2增压泵、液体流量计、电加热套。co2气瓶通过气体管线连接co2储罐，co2储罐放置于冷却槽内，冷却槽内盛装液体冷却介质将co2储罐完全包裹，在co2储罐内气体co2冷却为液态；co2储罐的出液口连接co2增压泵，且在co2储罐的出液口与co2增压泵之间的管线上设置液体流量计；增压泵出液口连接混液罐底部的超临界co2进口。所述气体管线上与co2储罐连接的一端呈螺旋状且位于冷却槽内。所述co2增压泵与混液罐之间的连接管线是耐co2腐蚀的管线，管线外壁带有电加热套。

本发明的实验装置中，管线外壁电加热套将液态co2加热至超临界态co2所需的临界温度，罐体外表面的保温材料层实现混液罐保温，管线保温层实现混液罐至夹持器管线保温，确保流动系统内co2为超临界态。co2增压泵泵注超临界co2进入混液罐，控制混液罐内混合流体压力；预热装置控制混液罐内混合流体温度，混液罐内设置温度传感器和压力传感器，实时监测混液罐内流体压力和温度；混液罐具有可视化窗口，可实时观测混液罐内液体界面和流体状态变化。回压阀控制系统内压力高于co2临界压力，确保混合流体中co2为超临界态，模拟储层条件下混合流体的真实流态。冷却水套冷却反应后的混合流体，有效避免高温酸液在压力剧降时形成酸雾而造成安全隐患。co2分离器可实现气液分离，酸液从下方流出进入废液罐，co2气体从上方流出进入酸液中和罐；酸液中和罐通过naoh与co2气体中少量酸雾的中和反应分离出高纯度co2气体，进入水罐进一步溶解酸雾，确保废气排放的安全性。

一种采用上述模拟co2酸压酸刻蚀裂缝过程的实验装置开展实验测试的方法，步骤如下：

(1)装置安装：将实验岩板装入岩板夹持器并密封，调试装置，确保管线无渗漏；

(2)装置预热：分别设置管线电加热套和预热装置工作温度为实验设计的流体温度；

(3)流体混合：待管线加热套和预热装置温度稳定后，柱塞泵一将实验设计量的酸液泵入混液罐内；待混液罐内温度、压力稳定之后，从混液罐可视化窗口读取酸液体积vl；然后采用co2增压泵以一定流量将实验设计量的超临界co2也注入混液罐内，要求co2增压泵输出压力大于8mpa；待混合罐内温度、压力稳定后，关闭所有阀门，启动混液罐内搅拌器搅拌混合，至流体充分混合且达到实验设计温度，罐内压力大于8mpa；读取稳定混合流体的温度t、压力p，从混液罐可视化窗口读取co2与酸液形成的混合流体体积vm，此时在温度t，压力p下，泡沫干度γ按照下式计算：

(4)混合流体刻蚀裂缝：调节回压阀压力至8mpa，柱塞泵二将混液罐内混合流体注入岩板夹持器，沿岩板裂缝面流动反应，实时监测、记录混合罐温度t、压力p和混合流体驱替过程中的流量，直至实验结束；

(5)刻蚀岩板后处理：实验结束后，取出岩板夹持器内刻蚀的岩板，对岩样表面刻蚀形貌进行激光扫描，获取裂缝形貌数据并分析，为导流能力实验测试提供酸刻蚀后的岩样。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：①输送混合流体的管线采用保温层设计，同时岩板夹持器出口设置有回压阀，确保流体流动过程中超临界co2相态稳定，能够真实模拟co2酸压酸刻蚀过程；②co2增压泵泵注超临界co2进入混液罐，控制混液罐内混合流体压力，管线电加热套与预热装置控制混液罐内混合流体温度，同时混液罐内设有温度传感器和压力传感器实时监控罐内温度、压力，能够实现稳定相态的超临界co2与酸液均匀混合互溶，达到真实模拟超临界co2与酸液在井筒中的混合效果；混液罐具有可视化窗口和液体容积刻度线，可准确读取混液体积，计算co2泡沫干度；③使用多级分离方法实现了废液的冷却、气液分离，避免压力突然降低后co2高压气体、腐蚀性酸雾产生的安全隐患；④本装置兼具常规不含co2流体时酸液单相刻蚀裂缝过程的模拟功能；⑤本发明提供的模拟装置原理可靠，测试方法切实可行，能够准确模拟酸压过程中地层条件，得到真实的酸刻蚀岩样壁面形态，实验结果适应性好，为研究超临界co2酸压提供了专用实验装置和测试方法；也适用于氮气泡沫酸压裂缝刻蚀实验模拟。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、本发明提供的模拟co2酸压酸刻蚀裂缝过程的实验装置的结构示意图。

图2、岩板夹持器的外形结构图。

图3、图2所示岩板夹持器的沿a-a水平截面的截面图。

图4、图2所示岩板夹持器的沿b-b纵向截面的截面图。

图中标号：

混液罐1、岩板夹持器2、回压阀3、冷却水套4、co2分离罐5、废液罐6、酸液中和罐7、阀门开关8、阀门开关9、阀门开关10、阀门开关11、温度传感器13、压力传感器14、酸液罐15、柱塞泵一16、预热装置17、柱塞泵二18、液体流量计19、管线保温层20、co2气瓶21、co2储罐22、冷却槽23、co2增压泵24、液体流量计25、电加热套26、进液活塞27、出液活塞28、喇叭口形状导流槽29、岩板30、胶皮31、钢板32、紧固螺杆33、加热孔34、螺钉35、三通接头36、间隙37。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种模拟co2酸压酸刻蚀裂缝过程的实验装置，其结构包括co2输送单元、酸液输送单元、超临界co2与酸液的混液罐1、岩板夹持器2，岩板夹持器内安装岩板；co2输送单元和酸液输送单元分别将超临界co2和酸液泵入混液罐1内进行混合，得到的混合流体注入岩板夹持器2。所述岩板夹持器出液口依次连接回压阀3、冷却水套4、co2分离罐5、废液罐6，co2分离罐还连接有酸液中和罐7。酸液中和罐内装有naoh溶液。冷却水套冷却混合流体，有效避免高温酸液在压力剧降时形成酸雾而造成安全隐患。co2分离罐可实现气液分离，酸液从下方流出进入废液罐，co2气体从上方流出进入酸液中和罐；酸液中和罐通过naoh与co2气体中少量酸雾的中和反应分离出高纯度co2气体，进入水罐进一步溶解酸雾，确保废气排放的安全性。

所述混液罐1是密封设置的圆柱形罐体，罐体底部设置超临界co2进口和液体进出口。混液罐由保温隔热材料制成，进一步的限定，混液罐外表面完全涂覆罐体保温层，用于对混液罐内流体进行保温。罐体内还设置有温度传感器13和压力传感器14，实时监测混液罐内流体压力和温度。

所述酸液输送单元包括酸液罐15、柱塞泵一16和预热装置17。酸液罐连接柱塞泵一16，柱塞泵一16的出液口连接预热装置17，通过将酸液管线缠绕在加热棒上进行酸液的预热，预热装置的出液管连接三通接头36，三通接头36另两个接口分别连接混液罐1和岩板夹持器2。预热装置17将酸液加热至实验设计温度(大于co2的超临界点温度31℃)。三通接头36与预热装置17之间管线上设置有阀门开关8、三通接头36与混液罐1之间管线上设置有阀门开关9、三通接头36与岩板夹持器2之间的管线上设置有阀门开关10。三通接头36与混液罐1之间的管线以及三通接头36与岩板夹持器2之间的管线外表面缠绕有聚氨酯保温材料制成的保温层20。管线保温层20实现混液罐1至夹持器2管线保温，确保流动系统内co2为超临界态且稳定。所述三通接头36与岩板夹持器2之间的管线上设置柱塞泵二18和液体流量计19。

所述co2输送单元包括co2气瓶21、co2储罐22、冷却槽23、co2增压泵24、液体流量计25、电加热套26。co2气瓶21通过气体管线连接co2储罐22，co2储罐22放置于冷却槽23内，冷却槽23内盛装液体冷却介质将co2储罐22完全包裹，在co2储罐22内气体co2冷却为液态。冷却介质为水和乙醇的混合液，冷却介质的温度为0-5℃。co2储罐22的出液口连接co2增压泵24，且在co2储罐22的出液口与co2增压泵24之间的管线上设置液体流量计25；co2增压泵24出液口连接混液罐1底部的超临界co2进口，且在co2增压泵24与混液罐1之间的管线上设置阀门开关11。气体管线上与co2储罐22连接的一端呈螺旋状且位于冷却槽23内，增加气体co2在冷却槽内的停留时间，使得co2充分液化。所述co2增压泵24与混液罐1之间的连接管线是耐co2腐蚀的管线，管线外壁设置电加热套26。电加热套将液体co2的温度加热至大于co2的超临界温度31℃，确保进入混液罐1前，co2的相态为超临界态。

在另一实施例中，所述岩板夹持器2可以采用如下结构的夹持器。如图2-4所示，所述岩板夹持器2主体为长方形箱体，箱体左右两端分别设置进液口和出液口，进液口连接进液活塞27，出液口连接出液活塞28，活塞内部流体流道设置为喇叭口形状导流槽29，两活塞的喇叭口相对设置，两活塞之间空腔为岩板室。进液活塞和出液活塞通过螺钉35安装在箱体上。所述岩板室内安装一对水平放置重叠的岩板30，两岩板之间留有间隙37用于模拟裂缝宽度，岩板上平行于岩板长度方向的4个侧面完全粘贴覆盖有耐co2腐蚀胶皮31，胶皮外侧覆盖钢板32，箱体上与钢板正对的4个侧面均垂直安装有紧固螺杆33。上下侧面至少安装2个紧固螺杆。前后侧面至少安装4个紧固螺杆。通过调整上下侧面的紧固螺杆可以调整两岩板之间的间隙，使其达到模拟裂缝宽度。通过调整前后侧面的紧固螺杆，推动钢板挤压胶皮而密封岩板侧面。确保混合流体仅沿预留裂缝流动反应。所述箱体上沿流体流动方向钻有贯穿深孔，即加热孔34，用于插入电加热棒。

采用所述模拟co2酸压酸刻蚀裂缝过程的实验装置进行实验测试的方法，包括以下步骤：

(1)装置安装：首先，将储层岩石切割成符合岩板夹持器内腔尺寸的一对岩板30，单个岩板长度176mm、宽度36mm、厚度25mm；将两个岩板水平重叠放置，岩板之间留有间隙，平行于岩板长度方向的四侧面粘贴耐co2腐蚀胶皮31，在胶皮外表面贴附钢板32，然后将钢板包被后的岩板放置于岩板夹持器2的岩板室内；使用紧固螺杆33紧固钢板；然后加装进液活塞27和出液活塞28完成岩板夹持器2安装；最后进一步安装、调试整套测试装置，确保管线无渗漏；

(2)装置预热：设置管线电加热套26和预热装置17工作温度为实验设计的流体温度且预热至实验设计温度，岩板夹持器2的加热孔34插入电加热棒加热至实验设计温度；

(3)流体混合：待管线电加热套26和预热装置17温度稳定后，开启阀门8、阀门9，关闭阀门10、阀门11，柱塞泵一16将实验设计量的酸液泵入混液罐1内；待混液罐1内温度、压力稳定之后，从混液罐可视化窗口读入酸液体积vl；开启阀门11，关闭阀门8、阀门9、阀门10，采用co2增压泵24以一定流量将实验设计量的超临界co2也注入混液罐1内，要求co2增压泵24输入压力大于8mpa；待混合罐1内温度、压力稳定后，关闭所有阀门，启动混液罐1内搅拌器搅拌混合，至流体充分混合且达到实验设计温度，罐内压力大于8mpa；读取稳定混合流体的温度t、压力p，从混液罐1可视化窗口读取co2与酸液形成的混合流体体积vm，此时在温度t，压力p下，泡沫干度γ按照下式计算：

例如，实验测得混液罐内稳定混合流体的温度为80.0℃，压力10.0mpa，酸液体积vl为15l，混合流体体积vm为21l，则计算得到的泡沫干度为28.6％。

(4)混合流体刻蚀裂缝：开启阀门9、阀门10，关闭阀门8、阀门11，调节回压阀3压力至8mpa，柱塞泵二18将混液罐1内混合流体注入岩板夹持器2，沿岩板裂缝面流动反应，实时监测、记录混合罐1温度、压力和混合流体驱替过程中的流量19，直至实验结束；

(5)刻蚀岩板后处理：实验结束后，取出岩板夹持器2内刻蚀的岩板30，对岩样表面刻蚀形貌进行激光扫描，获取裂缝形貌数据并分析，为导流能力实验测试提供酸刻蚀后的岩样。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。