[发明专利]一种测量超临界二氧化碳中颗粒沉降速度的装置和方法

说明书

本发明提供了一种测量超临界二氧化碳中颗粒沉降速度的装置和方法。该装置包括颗粒投放沉降单元、超临界CO₂供给单元和数据采集单元；颗粒投放沉降单元包括沉降筒和颗粒投放机构；沉降筒为柱状密封容器，颗粒投放机构设置在沉降筒的顶部，用于向沉降筒中投放颗粒；沉降筒的筒外壁的下部设置有透明视窗；超临界CO₂供给单元用于向沉降筒内注入超临界CO₂流体；数据采集单元用于测量采集颗粒经过透明视窗的沉降实验数据。该装置能够实现不同温度、不同压力且超临界CO₂环境中，对不同类型颗粒沉降速度的直接测定；操作简单便捷、测量精度高，能够给超临界CO₂钻完井技术中多相流动问题的研究提供更多的理论支持。

技术领域

本发明属于颗粒沉降特性的实验流体力学技术领域，涉及一种测量超临界二氧化碳中颗粒沉降速度的装置和方法。

背景技术

借助于大规模水力压裂技术我国实现了页岩气的商业开发。但是该技术一大特点就是“万方液”，需要消耗大量的水资源。而我国水资源短缺问题十分严重，尤其是陆相页岩气富集的西北地区，油气资源开发与水资源利用之间的矛盾十分突出。因此亟需发展一种高效的无水储层改造技术。

超临界CO₂流体既不同于液体，也不同于气体，具有许多独特的物理化学性质。超临界CO₂的密度接近于液体，粘度接近于气体，而且扩散系数较高、表面张力为零，具有很强的渗透能力以及良好的传热、传质性能，在油藏条件下很容易达到CO₂的临界条件，且具有无水相、无残渣、返排快、储层伤害小等优点。因此利用超临界CO₂开发非常规油气资源是目前研究的前沿和热点。

当前超临界CO₂钻完井技术的研究还处于起步阶段，存在很多机理及技术问题需要深入研究。现场实践表明超临界CO₂钻完井技术面临的主要难题是无法有效携带固体颗粒，具体来说是超临界CO₂与压裂支撑剂、钻井岩屑的液-固两相流动问题。这一方面是因为超临界CO₂流体黏度较低、储层内滤失速率较快，另一方面是因为超临界CO₂的流动和携砂特点与常规流体有显著不同，流固相间曳力规律尚不明确。

流固相间曳力规律是研究超临界CO₂流体与固相颗粒之间相互作用的基础。流固相间曳力表征了流体和固相颗粒两相之间的相互作用和动量交换，反映了相间作用的强弱程度，影响流体对颗粒的夹带和输送。而通过颗粒沉降实验获得颗粒在流体中的沉降速度是计算颗粒两相流动中曳力规律的最基本的手段。