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CN103939064A - 用于两层注超临界co2嘴流特性研究的模拟装置及方法 - Google Patents

用于两层注超临界co2嘴流特性研究的模拟装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于两层注超临界CO2嘴流特性研究的模拟装置及方法，该装置主要由气源、过滤器、增压机、加热器、储气罐、电控开度阀、减压阀Ⅰ、分层注气模拟测试线路Ⅰ、分层注气模拟测试线路Ⅱ和减压阀Ⅴ组成，所述分层注气模拟测试线路Ⅰ包括分层注气模拟测试段Ⅰ、减压阀Ⅱ，所述分层注气模拟测试线路Ⅱ包括分层注气模拟测试段Ⅱ、减压阀Ⅲ、减压阀Ⅳ，所述分层注气模拟测试段有油嘴和质量流量计，所述油嘴前后连有压力传感器和温度传感器。该方法包括：准备超临界态CO2流体；两层等尺寸油嘴配注模拟；两层不同尺寸油嘴配注模拟；得到CO2嘴流特性模型。本发明可研究超临界CO2的嘴损特性，为分层注CO2井提供技术支撑和理论依据。

Description

用于两层注超临界CO2嘴流特性研究的模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及石油与天然气行业CO2驱研究领域中两层注超临界CO2嘴流特性研究的地面模拟装置及方法。
背景技术
在油藏开发过程中，随着地层能量的下降，注水和注气是补充地层能量、保持一定油层压力的主要手段。
目前，注水技术已趋于成熟，常规分采注水工艺已有相应的石油行业标准。注水技术包括笼统注水工艺和分层注水工艺。笼统注水工艺主要用于不需要分层、不能分层的注水井或注聚合物井，是注入管柱中最简单的一种技术。分层注水工艺是根据不同油层的特点及相互之间的差异，控制高含水层水量而增加低含水层水量而采取的工艺措施，包括油、套管分层注水，单管分层注水，多管分层注水等。
相对于注水工艺，注CO2技术发展还处于起步阶段，相关理论和技术还不完善。注CO2主要采用合注，但合注CO2导致层间干扰现象严重，中低渗透层基本得不到动用，开发效果较差。因此，分层配注CO2是解决油田开发中层间矛盾，实现高、中、低渗透地层都有效注入CO2，保持地层能量，维持油田长期稳产高产，提高气驱动用储量和采收率的重要手段。分层配注CO2是指利用油嘴控制各注气层的CO2配注量，其核心是CO2嘴流特性的研究。二氧化碳在井下高温高压条件为超临界状态（温度>31.04℃，压力>7.38MPa），与注水条件有较大差异，采用分层注水标准不能满足工程计算要求，故不能直接使用。因此，研制用于两层注超临界CO2嘴流特性研究的模拟装置具有重要意义。
目前，还没有关于超临界CO2嘴流特性的研究。与本发明相关的装置是韩洪升等人在“分层注水井配水嘴嘴损曲线规律实验研究”一文提出分层注配水嘴损实验，该实验装置实际只有一个油嘴，即一个层位，不能完成两层不同地层压力、渗流条件下要求不同配注量的模拟实验。此外，超临界态CO2不能采用常规的涡轮流量计进行测量。
发明内容
本发明的目的在于提供用于两层注超临界CO2嘴流特性研究的模拟装置，该装置原理可靠，结构简单，操作方便。
本发明的另一目的还在于提供利用该装置研究两层注超临界CO2嘴流特性的方法，可确定不同温度、压力和油嘴尺寸下CO2的过嘴流量，并以此研究超临界CO2的嘴损特性，为分层注CO2井提供技术支撑和理论依据。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
用于两层注超临界CO2嘴流特性研究的模拟装置，主要由气源、过滤器、增压机、加热器、储气罐、电控开度阀、减压阀Ⅰ、分层注气模拟测试线路Ⅰ、分层注气模拟测试线路Ⅱ和减压阀Ⅴ组成，所述气源依次通过过滤器、增压机、加热器，连接储气罐的进口端，所述储气罐的出口端通过电控开度阀、减压阀Ⅰ，分别连接分层注气模拟测试线路Ⅰ、分层注气模拟测试线路Ⅱ，最后连接减压阀Ⅴ。
所述分层注气模拟测试线路Ⅰ包括分层注气模拟测试段Ⅰ、减压阀Ⅱ，所述分层注气模拟测试线路Ⅱ包括分层注气模拟测试段Ⅱ、减压阀Ⅲ、减压阀Ⅳ。
所述分层注气模拟测试段Ⅰ和分层注气模拟测试段Ⅱ均有油嘴和质量流量计，所述油嘴前连有压力传感器Ⅰ、温度传感器Ⅰ，油嘴后连有压力传感器Ⅱ、温度传感器Ⅱ，所述压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ连接差压传感器。
所述过滤器安装在实验入口端，与增压机相连，消除进入实验流程CO2中的杂质，以保护阀门等设备的正常使用，同时实现CO2流体的单向流动。
所述增压机为该装置的动力核心，可根据实验要求将CO2增压至超临界状态时的压力，进入分层注气模拟测试段进行模拟测试。
所述加热器用于调节流体达到实验要求的温度。
所述储气罐安装在实验流程与压缩机之间起缓冲作用和储气作用，确保实验流体压力、流量、温度稳定。
所述电控开度阀由电动执行器配合角行程阀使用，实现阀门90度以内旋控管道流体的通断，配合自动测控系统，开闭实验管线，调整实验管段入口流量。
所述减压阀用于控制压力，减压阀Ⅰ用于调节油嘴上游压力，减压阀Ⅲ、Ⅳ协调作用控制分层模拟测试段Ⅱ的下游压力，减压阀Ⅱ控制分层注气模拟测试段Ⅰ的下游压力，形成两个不同地层压力，与油嘴尺寸配合实现分层注气模拟实验。
所述分层模拟测试段由压力传感器、温度传感器、差压传感器、质量流量计、油嘴组成，动态测试模拟单层注气时的温度、压力及流量值。
所述差压传感器两端安装在油嘴前后，在小压差时启用以实现压差测量和油嘴两端压力传感器压力数据的校对；两个注气模拟测试段下游压力采用不同个数的减压阀控制，增大减压范围；采用质量流量计测量流量，超临界CO2计量准确。
利用上述装置研究两层注超临界CO2嘴流特性的方法，依次包括以下步骤：
（1）准备超临界态CO2流体：
将气源中液态CO2经过过滤器，分别加压和加温至超临界态并满足实验条件，储集在储气罐里。
（2）两层等尺寸油嘴配注模拟：该模拟内容是针对注气井中两注气层位采用相同油嘴尺寸，油嘴后端压力不同时流量在两层中分配的问题。
两个分层注气模拟测试段的油嘴尺寸相等，调节减压阀Ⅱ和减压阀Ⅲ、减压阀Ⅳ，使两个分层注气模拟测试段后端的压力相等，分别记录分层注气模拟测试段Ⅰ和分层注气模拟测试段Ⅱ的上下游压力、温度以及质量流量，然后调节减压阀Ⅲ、减压阀Ⅳ，增加分层注气模拟测试段Ⅱ的下游压力，待流动稳定后，再分别记录分层注气模拟测试段Ⅰ和分层注气模拟测试段Ⅱ的上下游压力、温度以及质量流量，得到相同油嘴直径情况下，多组配注量的两层流量分配关系。
（3）两层不同尺寸油嘴配注模拟：该模拟内容是针对注气井中两注气层位采用不同油嘴尺寸，油嘴后端压力不同时流量在两层中分配的问题。
两个分层注气模拟测试段的油嘴尺寸不相等，重复步骤（2），得到不同油嘴直径情况下，多组配注量的两层流量分配关系。
（4）嘴流特性研究：嘴流特性是指流体通过油嘴时流量与温度、压力和油嘴尺寸等参数的关系。
根据（2）、（3）记录的每一个质量流量所对应的油嘴尺寸和油嘴前后端的压力温度值，定量分析流量与油嘴尺寸、压力和温度等参数的变化规律，得到CO2的嘴流特性模型。
目前还没有关于CO2嘴流特性的研究，本发明分别考虑了两层注气时相同油嘴尺寸和不同油嘴尺寸下油嘴后端压力对流量分配的影响，并能对嘴流特性进行定量分析，可为分层注CO2提供技术支持，填补了现有技术的空白。
附图说明
图1为本发明提供的用于两层注超临界CO2嘴流特性研究的模拟装置的结构示意图。
图2为图1中分层注气模拟测试段Ⅰ和分层注气模拟测试段Ⅱ的结构示意图。
图中：1气源、2过滤器、3增压机、4加热器、5储气罐、6电控开度阀、7减压阀Ⅰ、8分层注气模拟测试段Ⅰ、9减压阀Ⅱ、10分层注气模拟测试段Ⅱ、11减压阀Ⅲ、12减压阀Ⅳ、13减压阀Ⅴ、14压力传感器Ⅰ、15温度传感器Ⅰ、16油嘴、17差压传感器、18压力传感器Ⅱ、19温度传感器Ⅱ、20质量流量计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并局限于以下实施例。
参看图1、图2。
用于两层注超临界CO2嘴流特性研究的模拟装置，主要由气源1、过滤器2、增压机3、加热器4、储气罐5、电控开度阀6、减压阀Ⅰ7、分层注气模拟测试线路Ⅰ、分层注气模拟测试线路Ⅱ和减压阀Ⅴ13组成，所述气源1依次通过过滤器2、增压机3、加热器4，连接储气罐5的进口端，所述储气罐5的出口端通过电控开度阀6、减压阀Ⅰ7，分别连接分层注气模拟测试线路Ⅰ、分层注气模拟测试线路Ⅱ，最后连接减压阀Ⅴ13。
所述分层注气模拟测试线路Ⅰ包括分层注气模拟测试段Ⅰ8、减压阀Ⅱ9，所述分层注气模拟测试线路Ⅱ包括分层注气模拟测试段Ⅱ10、减压阀Ⅲ11、减压阀Ⅳ12。
所述分层注气模拟测试段Ⅰ和分层注气模拟测试段Ⅱ均有油嘴16和质量流量计20，所述油嘴前连有压力传感器Ⅰ14、温度传感器Ⅰ15，油嘴后连有压力传感器Ⅱ18、温度传感器Ⅱ19，所述压力传感器Ⅰ14、压力传感器Ⅱ18连接差压传感器17。
CO2流体由气源1流出，经过过滤器2出去杂质后，由增压机3增压，加热器4加热后进入储气罐5，由电控开度阀6和减压阀Ⅰ7控制CO2流量和上游压力后，分别进入注气模拟测试段Ⅰ8、注气模拟测试段Ⅱ10，注气模拟测试段可实现温度、压力和流量的测量，注气模拟测试段Ⅰ8下游压力由减压阀Ⅱ9控制，注气模拟测试段Ⅱ10下游压力由减压阀Ⅲ11和减压阀Ⅳ12控制。
CO2流体进入测试段，首先由压力传感器Ⅰ14和温度传感器Ⅰ15分别测压力和温度，然后通过油嘴16，油嘴16后端压力和温度由压力传感器Ⅱ18和温度传感器Ⅱ19分别测量，与此同时，油嘴前后端压差较小(<0.5MPa)时，差压传感器17可对压力测试进行校正。
实验完毕后，由减压阀Ⅴ13进行CO2气体的排放。

Claims (3)

1.用于两层注超临界CO2嘴流特性研究的模拟装置，主要由气源（1）、过滤器（2）、增压机（3）、加热器（4）、储气罐（5）、电控开度阀（6）、减压阀Ⅰ（7）、分层注气模拟测试线路Ⅰ、分层注气模拟测试线路Ⅱ和减压阀Ⅴ（13）组成，其特征在于，所述气源（1）依次通过过滤器（2）、增压机（3）、加热器（4），连接储气罐（5）的进口端，所述储气罐（5）的出口端通过电控开度阀（6）、减压阀Ⅰ（7），分别连接分层注气模拟测试线路Ⅰ、分层注气模拟测试线路Ⅱ，最后连接减压阀Ⅴ（13）；所述分层注气模拟测试线路Ⅰ包括分层注气模拟测试段Ⅰ（8）、减压阀Ⅱ（9），所述分层注气模拟测试线路Ⅱ包括分层注气模拟测试段Ⅱ（10）、减压阀Ⅲ（11）、减压阀Ⅳ（12）；所述分层注气模拟测试段Ⅰ和分层注气模拟测试段Ⅱ均有油嘴（16）和质量流量计（20），所述油嘴前连有压力传感器Ⅰ(14)、温度传感器Ⅰ(15)，油嘴后连有压力传感器Ⅱ(18)、温度传感器Ⅱ(19)。
2.如权利要求1所述的用于两层注超临界CO2嘴流特性研究的模拟装置，其特征在于，所述压力传感器Ⅰ(14)、压力传感器Ⅱ(18)连接差压传感器(17)。
3.利用权利要求1所述的装置研究两层注超临界CO2嘴流特性的方法，依次包括以下步骤：
（1）将气源中液态CO2经过过滤器，分别加压和加温至超临界态并满足实验条件，储集在储气罐里；
（2）两个分层注气模拟测试段的油嘴尺寸相等，调节减压阀Ⅱ和减压阀Ⅲ、减压阀Ⅳ，使两个分层注气模拟测试段后端的压力相等，分别记录分层注气模拟测试段Ⅰ和分层注气模拟测试段Ⅱ的上下游压力、温度以及质量流量，然后调节减压阀Ⅲ、减压阀Ⅳ，增加分层注气模拟测试段Ⅱ的下游压力，待流动稳定后，再分别记录分层注气模拟测试段Ⅰ和分层注气模拟测试段Ⅱ的上下游压力、温度以及质量流量，得到相同油嘴直径情况下，多组配注量的两层流量分配关系；
（3）两个分层注气模拟测试段的油嘴尺寸不相等，重复步骤（2），得到不同油嘴直径情况下，多组配注量的两层流量分配关系；
（4）根据步骤（2）、（3）记录的每一个质量流量所对应的油嘴尺寸和油嘴前后端的压力温度值，定量分析流量与油嘴尺寸、压力和温度等参数的变化规律，得到CO2的嘴流特性模型。
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