本發(fā)明屬于非常規(guī)油氣增產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種評價(jià)聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的裝置及方法，用于研究添加了聚合物增粘劑的超臨界二氧化碳粘度特性。

背景技術(shù)：

超臨界二氧化碳(SC-CO₂)壓裂是一種新型的非常規(guī)油氣藏儲層改造技術(shù)，具有常規(guī)水力壓裂技術(shù)不可比擬的一系列優(yōu)勢，是提高非常規(guī)油氣儲層導(dǎo)流能力，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣資源商業(yè)開采的重要手段。

但是，SC-CO₂具有粘度低、攜砂能力差的缺點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)SC-CO₂的加砂壓裂，必須采取增粘措施來提高其攜砂能力。增粘的有效途徑是向SC-CO₂中添加高分子增粘劑，將SC-CO₂與高分子增粘劑混合用作壓裂液。

然而，隨著增粘劑濃度的不同，SC-CO₂的粘度會發(fā)生顯著的改變。同時(shí)SC-CO₂的粘度也與地層的溫度、壓力有關(guān)。因此，若想更加有效的提高SC-CO₂壓裂液的粘度，須通過改變注入SC-CO₂中的增粘劑的濃度以及溫度壓力等一系列因素，以得到更好的增加SC-CO₂粘度的條件，為SC-CO₂壓裂施工提供技術(shù)支撐。目前國內(nèi)尚未有針對SC-CO₂壓裂液粘度特性的實(shí)驗(yàn)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了提高超臨界二氧化碳的粘度，本發(fā)明提供一種評價(jià)聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的裝置，用于研究超臨界二氧化碳粘度壓裂液增粘機(jī)理。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

評價(jià)聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的裝置，包括：耐高溫高壓的釜體、觀察窗、活塞、高速攝像機(jī)、磁力攪拌裝置、恒溫油浴系統(tǒng)、鋁球、投球裝置；其中：釜體用于放置超臨界二氧化碳和聚合物增粘劑；高速攝像機(jī)與觀察窗用于拍攝鋁球在釜體中的下落情況；活塞用于調(diào)節(jié)釜體內(nèi)超臨界二氧化碳的壓力；磁力攪拌裝置用于將超臨界二氧化碳與聚合物增粘劑混合均勻；恒溫油浴系統(tǒng)用于控制釜體內(nèi)超臨界二氧化碳的溫度；投球裝置用于投放鋁球。

釜體為長方體外殼，長方體外殼圍合成腔體，釜體兩側(cè)中部對稱設(shè)有一對觀察窗。

釜體上設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器，活塞位于腔體內(nèi)，釜體中部設(shè)有試劑添加口，通過試劑添加口將聚合物增粘劑注入到釜體的內(nèi)部。

釜體頂部設(shè)有磁力攪拌裝置、投球裝置，投球裝置裝配在磁力攪拌裝置的軸心處并與釜體通過管道相通，投球裝置與磁力攪拌裝置相互獨(dú)立，鋁球通過投球裝置與釜體之間相通的管道進(jìn)行投放。投球裝置上設(shè)有投球裝置開關(guān)。

長方體外殼殼體本身內(nèi)設(shè)有空腔，恒溫油浴系統(tǒng)通過管線與空腔相連，恒溫油浴系統(tǒng)通過管線將既定溫度的油注入到釜體外殼與內(nèi)腔之間的空間中，以控制釜體整個(gè)內(nèi)部空間的溫度?？捎酶咚贁z像機(jī)拍攝鋁球在釜體中的下落視頻。

評價(jià)聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的方法步驟如下：

(1)、向釜中加入二氧化碳?xì)怏w，拍攝鋁球在純二氧化碳?xì)怏w中的下落視頻

①先將鋁球放入投球裝置內(nèi)，調(diào)節(jié)恒溫油浴系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)為實(shí)驗(yàn)所需溫度T₁；

②將二氧化碳通入釜體內(nèi)，通過觀察壓力傳感器得到此時(shí)釜體內(nèi)壓力為P₁₁；轉(zhuǎn)動手柄控制活塞調(diào)整釜體的體積，將其調(diào)整為實(shí)驗(yàn)所需的P₁；

③打開高速攝像機(jī)的錄像功能，再打開投球裝置出口開關(guān)，使高速攝像機(jī)通過視窗拍攝記錄下鋁球在超臨界二氧化碳中的下落視頻；

④通過鋁球下落視頻得到鋁球經(jīng)過觀察窗的時(shí)間t；

⑤將釜體內(nèi)的CO₂放空，以便進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

(2)、分析拍攝的視頻，得到粘度計(jì)算公式

①使用二次蒸餾水標(biāo)定粘度計(jì)體積，所用計(jì)算方法如下：

V/ml＝A(T/K-E)+Bp/MPa+ch/cm+D

式中，h為活塞位置，D為釜體最小體積，A、B、C、E均為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的參數(shù)。

②根據(jù)已知的純CO₂的粘度得到所需計(jì)算常數(shù)A；

式中，η為純CO₂的粘度，α、β分別為所用材料的線性熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)，T_r、p_r為所選的參考溫度，ρ_l，ρ_s分別為純CO2和鋁球的密度，t為鋁球降落時(shí)間，A是計(jì)算常數(shù)。

(3)、添加聚合物增粘劑，配制超臨界CO₂體系溶液

①根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)濃度，準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的增粘劑，通過試劑添加口將增粘劑加入釜體。在投球裝置中加入鋁球，并將其密封。

②調(diào)節(jié)恒溫油浴系統(tǒng)，并觀察溫度傳感器，將釜體內(nèi)的溫度調(diào)整到實(shí)驗(yàn)所需溫度T₁，使得T₀＝T₁。

③通過步驟(1)中的方法將一定量的二氧化碳?xì)怏w充入釜體中。向釜體內(nèi)加入二氧化碳?xì)怏w，此時(shí)通過觀察壓力傳感器得到壓力為P₀₁，轉(zhuǎn)動手柄控制活塞調(diào)整釜體的體積大小，通過觀察壓力傳感器將釜內(nèi)壓力調(diào)整為實(shí)驗(yàn)所需的P₀，使得P₀＝P₀₁。打開磁力攪拌裝置進(jìn)行攪拌，將釜體內(nèi)的二氧化碳和增粘劑充分混合。

④靜置一段時(shí)間，使充分混合的二氧化碳?xì)怏w和增粘劑靜止。

(4)、進(jìn)行投球?qū)嶒?yàn)，并拍攝鋁球下落的過程

打開高速攝像機(jī)的錄像功能，打開投球裝置出口開關(guān)，使高速攝像機(jī)通過視窗拍攝記錄下鋁球在超臨界二氧化碳-增粘劑中的下落視頻，即鋁球經(jīng)過觀察窗的時(shí)間t’。

(5)、處理鋁球下落視頻，計(jì)算超臨界CO₂-增粘劑體系的粘度

根據(jù)已知計(jì)算常數(shù)A，根據(jù)下式計(jì)算超臨界CO₂-增粘劑體系的粘度

式中，η₀為超臨界CO₂-增粘劑體系的粘度。

(6)、計(jì)算超臨界CO₂-增粘劑體系的相對粘度

將利用上式得到的超臨界CO₂-增粘劑體系的粘度值與相同溫度、壓力條件下純CO₂粘度值進(jìn)行比較，根據(jù)下式計(jì)算得到相對粘度η_R，用來評價(jià)聚合物增粘劑的增粘效果，η_R越大，表示增粘效果越好。

η_R＝η₀/η

在實(shí)驗(yàn)中改變活塞位置可以改變超臨界二氧化碳的壓力，研究不同壓力下的聚合物增粘效果；在實(shí)驗(yàn)中改變恒溫油浴系統(tǒng)的溫度可以改變超臨界二氧化碳的溫度，研究不同溫度下的聚合物增粘效果.

在實(shí)驗(yàn)中改變增粘劑的注入量以調(diào)節(jié)超臨界二氧化碳中增粘劑的濃度，研究不同增粘劑濃度對增粘效果的影響。

附圖說明

圖1是評價(jià)聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的裝置示意圖；

圖中，1、釜體，2、投球裝置，3、投球裝置開關(guān)，4、磁力攪拌裝置，5、恒溫油浴系統(tǒng)，6、溫度傳感器，7、壓力傳感器，8、手搖桿，9、活塞，10、觀察窗，11、試劑添加口，12、高速攝像機(jī)，13、鋁球。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，測量超臨界二氧化碳壓裂液粘度的裝置，包括：釜體1，釜體1為長方體外殼，長方體外殼圍合成腔體，釜體1兩側(cè)中部對稱設(shè)有一對觀察窗10，設(shè)置觀察窗10的目的是讓光線通過并觀察釜體1中鋁球13的掉落情況；高速攝像機(jī)12與兩面觀察窗10在同一垂直平面上，用于通過高速攝像機(jī)12拍攝鋁球13在釜體1中的下落情況；釜體1上設(shè)有溫度傳感器6和壓力傳感器7，溫度傳感器6和壓力傳感器7連接釜體1的內(nèi)部，分別用于測量實(shí)驗(yàn)中釜體內(nèi)部的溫度和壓力；活塞9位于腔體內(nèi)，活塞9通過手搖桿8驅(qū)動向上運(yùn)動則壓縮釜體1內(nèi)空間，增加釜體1內(nèi)的壓力；反之，活塞9向下運(yùn)動則減小釜體1內(nèi)的壓力；釜體1中部設(shè)有試劑添加口11，通過試劑添加口11將增粘劑注入到釜體1的內(nèi)部。

釜體1頂部設(shè)有磁力攪拌裝置4，磁力攪拌裝置4攪拌釜體內(nèi)的流體使其充分混合；釜體1頂部同時(shí)設(shè)有投球裝置2，投球裝置2裝配在磁力攪拌裝置4的軸心處并與釜體1通過管道想通，但投球裝置2與磁力攪拌裝置4相互獨(dú)立，鋁球13通過投球裝置2與釜體1之間相通的管道進(jìn)行投放；投球裝置2上設(shè)有投球裝置出口開關(guān)3，實(shí)驗(yàn)時(shí)先將鋁球13放入投球裝置2內(nèi)，封閉投球裝置2，打開投球裝置出口開關(guān)3可以實(shí)現(xiàn)鋁球13在投球裝置2與釜體1相通的管道中自由落體。

長方體外殼殼體本身內(nèi)設(shè)有空腔，該空腔用于恒溫油浴系統(tǒng)中油的循環(huán)：恒溫油浴系統(tǒng)5通過管線與空腔相連，恒溫油浴系統(tǒng)5通過管線將既定溫度的油注入到釜體1外殼與內(nèi)腔之間的空間中，以控制釜體1整個(gè)內(nèi)部空間的溫度。

評價(jià)聚合物在超臨界二氧化碳中增粘效果的方法，利用上述裝置，步驟如下：

(1)、向釜中加入二氧化碳?xì)怏w，拍攝鋁球13在純二氧化碳中的下落視頻

①先將鋁球13放入投球裝置2內(nèi)，調(diào)節(jié)恒溫油浴系統(tǒng)5，將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)為實(shí)驗(yàn)所需溫度T₁；

②將二氧化碳通入釜體1內(nèi)，通過觀察壓力傳感器7得到此時(shí)釜體1內(nèi)壓力為P₁₁；轉(zhuǎn)動手柄8控制活塞9調(diào)整釜體1的體積，將其調(diào)整為實(shí)驗(yàn)所需的P₁；

③打開高速攝像機(jī)12的錄像功能，再打開投球裝置出口開關(guān)3，使高速攝像機(jī)12通過視窗10拍攝記錄下鋁球13在超臨界二氧化碳中的下落視頻；

④通過鋁球13下落視頻得到鋁球13經(jīng)過觀察窗10的時(shí)間t；

⑤將釜體1內(nèi)的CO₂放空，以便進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

(2)、分析拍攝的視頻，得到粘度計(jì)算公式

①使用二次蒸餾水標(biāo)定粘度計(jì)體積；

②根據(jù)已知的純CO₂的粘度得到所需計(jì)算常數(shù)A；

式中，η為純CO₂的粘度，α、β分別為所用材料的線性熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)，T_r、p_r為所選的參考溫度，ρ_l，ρ_s分別為純CO₂和鋁球13的密度，t為鋁球13降落時(shí)間，A是計(jì)算常數(shù)，單位為mPa^-1。

(3)、添加聚合物增粘劑，配制超臨界CO₂體系

①根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)濃度，準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的聚合物增粘劑，通過試劑添加口11將增粘劑加入釜體1。在投球裝置2中加入鋁球13，并將其密封。

②調(diào)節(jié)恒溫油浴系統(tǒng)5，并觀察溫度傳感器6，將釜體1內(nèi)的溫度調(diào)整到實(shí)驗(yàn)所需溫度T₁，使得T₀＝T₁。

③過步驟(1)的方法將一定量的二氧化碳?xì)怏w充入釜體1中。向釜體1內(nèi)加入二氧化碳?xì)怏w，此時(shí)通過觀察壓力傳感器7得到壓力為P₀₁，轉(zhuǎn)動手柄8控制活塞9調(diào)整釜體1的體積大小，通過觀察壓力傳感器7將釜內(nèi)壓力調(diào)整為實(shí)驗(yàn)所需的P₀，使得P₀＝P₀₁。打開磁力攪拌裝置4進(jìn)行攪拌，將釜體1內(nèi)的二氧化碳和增粘劑充分混合。

④置一段時(shí)間，使充分混合的二氧化碳?xì)怏w和增粘劑靜止。

(4)、進(jìn)行投球?qū)嶒?yàn)，并拍攝鋁球13下落的過程

打開高速攝像機(jī)12的錄像功能，打開投球裝置出口開關(guān)3，使高速攝像機(jī)12通過視窗10拍攝記錄下鋁球13在超臨界CO₂-增粘劑中的下落視頻，即鋁球13經(jīng)過觀察窗10的時(shí)間t’。

(5)、處理鋁球13下落視頻，計(jì)算超臨界CO₂-增粘劑體系的粘度

根據(jù)已知計(jì)算常數(shù)A，根據(jù)下式計(jì)算超臨界CO₂-增粘劑體系粘度

式中，η₀為超臨界CO₂-增粘劑體系的粘度

(6)、將得到的超臨界CO₂-增粘劑體系的粘度值與相同溫度、壓力條件下純CO₂粘度值進(jìn)行比較，根據(jù)下式計(jì)算得到相對粘度η_R，用來評價(jià)聚合物增粘劑的增粘效果，η_R越大，表示增粘效果越好。

η_R＝η₀/η

(7)、在實(shí)驗(yàn)中改變活塞9的位置以改變超臨界二氧化碳的壓力，研究不同壓力下聚合物的增粘效果。

(8)、在實(shí)驗(yàn)中改變恒溫油浴系統(tǒng)5的溫度可以改變超臨界二氧化碳的溫度，研究不同溫度下的聚合物增粘效果

(9)、在實(shí)驗(yàn)中改變增粘劑的注入量以調(diào)節(jié)超臨界二氧化碳中增粘劑的濃度，研究不同增粘劑濃度對增粘效果的影響。