[发明专利]超临界二氧化碳磨料射流射孔模拟实验系统

说明书

技术领域

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

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研究人员所面临的一项重要课题。

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。

然而，超临界二氧化碳射流依然存在其应用的局限。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40～80MPa)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。

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，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

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要的喷射距离、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，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。

为实现该实验目的，本发明专利所采用的技术方案为：

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。

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。