[發明專利]超臨界二氧化碳磨料射流射孔模擬實驗系統

有效

• 申請號: 201310694748.1
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN103742075A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 王海柱;李根生;賀振國;田守嶒;黃中偉;史懷忠;宋先知
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: E21B7/18
• 分類號: E21B7/18;E21B43/114
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種超臨界流體射流實驗系統，具體涉及一種超臨界二氧化碳磨料射流射孔模擬實驗系統，屬于超臨界流體技術領域與高壓噴射技術領域。

背景技術

以頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣為代表的非常規天然氣藏，是未來我國油氣資源的重要補充。該類非常規氣開發困難較大，如鉆井速度慢、成本高，氣藏滲透率低、生產周期長，儲層易傷害、單井產量低等。因此常規的水基泥漿與水基壓裂液在某種程度上已不能滿足開發要求，尤其對于以吸附態存在、儲層黏土含量較高的頁巖氣藏來講，水更是致命的。因此，尋求新型鉆完井液與壓裂液體系是研究人員所面臨的一項重要課題。

超臨界流體性質介于氣體與液體之間，具有諸多獨特的物理化學性質，如超臨界二氧化碳流體黏度與氣體接近、表面張力為零、擴散系數大于液體、密度與液體相似以及良好的傳質性，且吸附性大于一般烴類化合物，這些性質賦予了其應用于非常規油氣資源勘探開發作業的諸多優勢。20世紀末對超臨界二氧化碳鉆井可行性的研究發現，超臨界二氧化碳噴射破巖具有門限壓力低、破巖速度快的特點，而且井底壓力較易控制，更重要的是它不僅不會污染儲集層，相反進入儲集層后能夠增大儲集層滲透率，提高油氣驅替效率與采收率。因此，超臨界二氧化碳在能源領域得到了廣泛關注。

然而，超臨界二氧化碳射流依然存在其應用的局限。通過模擬與實驗研究發現，在噴射鉆井作業時，超臨界二氧化碳射流在深井溫度、壓力條件下破碎較硬巖石仍需較高能量；在噴射壓裂作業時，純超臨界二氧化碳射流難以擊穿套管等鋼制材料。基于磨料水射流和高壓氣射流的切割機理和應用效果，若在超臨界二氧化碳射流(通常40～80MPa)中添加磨料，將超臨界流體與磨料在切割破碎作業中的各自優勢疊加，可在提高作業效果、降低能耗方面取得重大進步。

因此，須開展超臨界二氧化碳磨料射流結構特性、粒子跟隨特性以及沖蝕破壞效果等相關基礎研究，目前還未見該領域研究成果的相關報道，開展超臨界二氧化碳磨料射流探索性研究具有重要的意義。以超臨界流體技術、高壓噴射技術為研究基礎，為進一步研究超臨界二氧化碳磨料射流在非常規油氣資源開發作業中的應用，設計了一套新型超臨界二氧化碳磨料射流射孔模擬實驗系統，用于模擬實際工況下超臨界二氧化碳磨料射流沖蝕破碎巖石和破壞套管過程，對比分析與磨料水射流、純超臨界二氧化碳射流的實驗效果并揭示各射流參數對射孔效果的影響規律等，該系統將成為未來利用超臨界二氧化碳磨料射流進行非常規油氣資源鉆完井與開發作業技術研究的載體與有效途徑。

發明內容

本發明是以研究超臨界二氧化碳磨料射流對地層巖石及套管的沖蝕破碎、破壞效果為目的而設計的一套模擬實驗系統。結合理論分析、數值模擬等多種研究手段，通過實驗方法研究超臨界二氧化碳磨料射流在井下作業環境中所需要的噴射距離、噴射壓差、流體溫度、環境圍壓、環境溫度等因素對超臨界二氧化碳磨料射流的影響規律，客觀真實地模擬超臨界二氧化碳磨料射流噴射鉆井時沖蝕破巖和后期增產時套管射孔作業等。

為實現該實驗目的，本發明專利所采用的技術方案為：

超臨界二氧化碳磨料射流射孔模擬實驗系統由二氧化碳液化裝置、超臨界二氧化碳生成裝置、超臨界二氧化碳磨料射流實驗裝置以及二氧化碳回收裝置四個獨立模塊組成，其中超臨界二氧化碳磨料射流實驗裝置分為射孔圍壓筒裝置和磨料添加裝置兩部分，是該系統的核心模塊。

通過恒溫水浴冷箱將二氧化碳液化并儲存在液態二氧化碳儲罐中，增壓泵將液態二氧化碳增壓，并泵入恒溫水浴熱箱中，高壓、低溫的液態二氧化碳經過水浴加熱后轉換為高壓、高溫的超臨界二氧化碳流體，經過中心噴管從噴嘴中噴射出來，形成純超臨界二氧化碳射流。