一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术提供一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统及其工作方法，属于岩石力学试验技术与设备技术领域。系统包括制备系统、注入系统、动态溶蚀测试系统、安全泄压系统、取样系统，采用二氧化碳液态气源、二氧化碳高压柱塞泵、加热系统等装置提供超临界二氧化碳的形成条件；采用设置有搅拌装置的高温高压反应釜来实现超临界二氧化碳对岩石的长期动态溶蚀作用；采用温度控制系统及背压阀等安全控制装置来保证试验系统长期运行过程中的安全。采用高温高压反应釜对岩石施加高温、高压与流体流动条件，实现对二氧化碳开采干热岩时的储层环境真实模拟。真实模拟。真实模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统及其工作方法


[0001]本专利技术涉及一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统及其工作方法，属于岩石力学试验技术与设备


技术介绍

[0002]在环境污染日益严重、传统化石能源消耗殆尽等问题的困扰下，干热岩因其储量大、分布广、可再生、清洁环保、稳定高效等优点，其开发利用越发受到人们的重视。干热岩开发的传统方法是通过水力压裂手段人工制造储层，从中提取热能并加以利用。但在现场试验中，发现水基压裂具有诸多缺点，如热穿透实现困难、管道矿化结垢等问题，尤其极易诱发地震，目前已被多国禁止使用。针对水力压裂存在的诸多问题，人们开始着手于开发新型压裂液。经研究发现，将二氧化碳注入地层中，在干热岩储层环境下将会转化为超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，SC-CO2)，其具有降低劈裂压力、泵送功率低、换热效率高等优点，是取代水基压裂液的优质压裂液选项。
[0003]二氧化碳注入地层后，会挤压地层水向周围扩散，使钻孔周围储层中的压裂液为超临界二氧化碳的单相液体；在单相超临界二氧化碳区域外围的是超临界二氧化碳-水-岩耦合反应区，其中的液体环境更为复杂，岩石受到液体物理压裂与化学溶蚀两方面的共同作用，是二氧化碳改造干热岩储层的重点增透区；最外围储层中的压裂液为二氧化碳-水两相液体。由此可见，使用二氧化碳改造干热岩储层时，岩石会受到来自压裂液的物理压裂与化学溶蚀两方面共同作用，而关于化学溶蚀作用研究的相关仪器十分缺失。在研究岩石受化学作用影响规律时，通常采用将岩石放置于高温高压反应釜内，并对其进行加温、加压、注入酸液的方法进行研究。现有相关研究多来自油气田开采领域，而由于油气储层埋深较小，其所处赋存环境的温度不是很高，因此通常采用水浴、油浴、烘箱加热等方式，在反应釜外部对其进行加热，但外部加热的方式不仅加热慢，而且难以达到平衡，加热效果较差；受限于水、油等传热介质特性，其最大加热温度难以达到干热岩储层环境的温度条件，因此相关试验仪器也难以应用于干热岩研究；且油气田领域相关仪器容积较小，所用测试试样多为岩石碎屑或颗粒，其容积及尺寸均难以盛放用于力学测试的岩石试块，因此也缺少可用于测量化学损伤作用对岩石力学强度影响的相关仪器。此外，现有针对二氧化碳溶蚀岩石方面的研究，多采用浸泡手段研究岩石的溶蚀劣化规律，而未结合储层中的实际情况，忽视了流动因素对溶蚀作用的影响，缺少二氧化碳对岩石的动态溶蚀损伤规律方面的研究。
[0004]值得注意的是，当研究流动酸液对岩石的影响时，通常使用搅拌反应釜，即采用在釜内设置搅拌装置的方式来实现，搅拌装置通常安装在反应釜上盖，这就导致搅拌杆与上盖的连接处难以实现密封。因此需要借助两块可以相互吸引的磁力装置，将搅拌杆连接一磁力装置，并与上盖一起实现密封；然后在外部使用另一磁力装置与电机连接，保证两块磁铁间的吸引力足够大，便可在保证密封的前提下，实现由电机带动磁力装置进而带动搅拌杆转动，进而在釜内形成动态流体。但磁力装置本身会存在一个问题，即温度高于200～250℃时，磁铁会发生失磁现象，这使得搅拌反应釜难以突破这一温度屏障。为了研究长期储层
改造期间岩石的溶蚀损伤规律，现有相关研究多对岩石试块采用等时间长度酸化的处理方法，这就导致试验周期经常长达数月，试验开展十分不便，且在一定程度上存在不可重复性；但岩石材料在力学强度、矿物成分等方面均存在较大的离散性，若不进行重复试验、综合考量其测试结果，会存在较大误差，试验结果并不具有说服力。因此，采用加速试验的方法，是缩短试验周期、进行重复试验的必要方法。提高温度作为加速试验的常用途径，不仅更容易实现，而且500℃以内的温度均不会对花岗岩产生热破裂影响，是实现加速试验的首选方法。因此，提高搅拌反应釜的温度上限，是研究超临界二氧化碳改造干热岩储层过程中岩石动态溶蚀作用机制的必要手段，也是必须克服的技术困难。由于相关测试仪器存在限制，有关超临界二氧化碳改造干热岩储层时的相关作用机制研究缺少必要的、充足的、可靠的试验研究数据，导致难以基于理论、试验研究对现场操作提出优化意见。
[0005]因此，为更好的模拟二氧化碳改造干热岩储层过程中岩石受到的多场作用，本专利技术提供了一套超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统，以解决上述当前研究所存在的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一套可实现高温(0～400℃)、高压(0～40MPa)与流动液体状态下的岩石动态腐蚀系统，使用液态二氧化碳源，选用高压柱塞泵与加热系统分别提供超临界二氧化碳所需要的压力与温度条件，采用中间活塞容器实现恒流、恒压自由切换；采用高温高压反应釜对岩石施加高温、高压与流体流动条件，实现对二氧化碳开采干热岩时的储层环境真实模拟。
[0007]本专利技术还提供上述系统的工作方法。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统，包括制备系统、注入系统、动态溶蚀测试系统、安全泄压系统、取样系统，其中：
[0010]所述制备系统包括二氧化碳液态气源、制冷系统，其中二氧化碳液态气源为二氧化碳液态瓶，提供试验所需二氧化碳，制冷系统用于使二氧化碳气体充分液化，保证在各个系统模块之间传输的稳定性与持续性；同时液态能够保证被柱塞泵16吸入更加充分，利于高压注入后续系统模块；
[0011]所述注入系统包括二氧化碳高压柱塞泵与加热系统，二氧化碳高压柱塞泵用于将液态二氧化碳泵入加热系统，加热系统用于为液态二氧化碳加热，高压柱塞泵为作为系统高压注入的主要部件，为试验提供动力源，选用连续无脉冲循环，可控制恒流、恒压工作的双缸泵，注入压力最大可达50MPa，注入速率最大可达4L/h，计量精度可保证1％；其中加热系统负责提供超临界二氧化碳所需的温度条件；
[0012]所述动态溶蚀测试系统包括高温高压反应釜、搅拌装置、搅拌桨、釜内温度控制系统和冷却装置，加热系统与高温高压反应釜连接，搅拌装置采用磁力搅拌传动机构，通过调整转速以控制釜内液体流速，转速最大可达1000r/min；搅拌装置输出端连接搅拌桨，以此实现超临界二氧化碳对岩石的长期动态溶蚀试验；釜内温度控制系统负责自动调控釜内温度维持在设定值，温度控制采用电加热，设置有温控仪自动控温，加热功率为3KW，反应釜采用釜内加热的方式对釜内液体及岩石试块进行直接加热，减少了中间传热介质的干扰，即
加快了加热速率，又保障了加热效果；搅拌装置与搅拌桨的连接处设有冷却装置，冷却装置置于高温高压反应釜，使磁力装置隔绝釜体高温，以避免高温导致的磁铁失磁现象，使得反应釜20可实现250～400℃的高温，即能够模拟更深的干热岩赋存环境，又能满足加速试验的温度需求，可研究长储层改造周期间岩石的动态溶蚀劣化作用；
[0013]所述安全泄压系统包括相连的冷凝器、背压阀，其中背压阀压力控制范围为0～40MPa，高温高压反应釜出口与冷凝器连接，釜内超临界二氧化碳释放时首先会经过冷凝器，用于冷凝以保护背压阀精度，而且超临界二氧化碳释本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统，其特征在于，包括制备系统、注入系统、动态溶蚀测试系统、安全泄压系统、取样系统，其中：所述制备系统包括二氧化碳液态气源、制冷系统，其中二氧化碳液态气源提供试验所需二氧化碳，制冷系统用于使二氧化碳气体充分液化；所述注入系统包括二氧化碳高压柱塞泵与加热系统，二氧化碳高压柱塞泵用于将液态二氧化碳泵入加热系统，加热系统用于为液态二氧化碳加热；所述动态溶蚀测试系统包括高温高压反应釜、搅拌装置、搅拌桨、釜内温度控制系统和冷却装置，加热系统与高温高压反应釜连接，搅拌装置采用磁力搅拌传动机构；搅拌装置输出端连接搅拌桨；釜内温度控制系统负责调控釜内温度维持在设定值，温度控制采用电加热，设置有温控仪自动控温，加热功率为3KW；搅拌装置与搅拌桨的连接处设有冷却装置，冷却装置置于高温高压反应釜；所述安全泄压系统包括相连的冷凝器、背压阀，其中背压阀压力控制范围为0～40MPa，高温高压反应釜出口与冷凝器连接；所述取样系统包括取样器，取样器安装于高温高压反应釜釜体上。2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统，其特征在于，制备系统还包括过滤器，二氧化碳液态气源出口的管线与制冷系统之间设有过滤器；优选的，制备系统还包括存储罐，存储罐设于制冷系统和注入系统之间，存储罐用于存储液态二氧化碳；进一步优选的，制备系统还包括压力表，压力表位于二氧化碳液态气源出口的管线上。3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统，其特征在于，所述注入系统的二氧化碳高压柱塞泵通过单向阀与加热系统连接。4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统，其特征在于，高温高压反应釜内设有岩石支架，岩石支架与釜体内壁设有卡槽，且岩石支架设有至少2个岩石放置处；优选的，岩石支架设有8个岩石放置处。5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统，其特征在于，搅拌桨为螺旋式结构。6.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统，其特征在于，高温高压反应釜釜体内部设置有压力测量系统，用于测定釜内压力以提供调整标准。7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳动态溶蚀岩石试验系统，其特征在于，高温高压反应釜由316L不锈钢制作而成，容积5L，尺寸为φ160mm
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250mm；优选的，取样器由316L不锈钢制成，容积为10ml...

【专利技术属性】
技术研发人员：张霄，安祺祎，张庆松，李相辉，刘衍顺，于昊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：