用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置與方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置與方法。用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置包括：超臨界二氧化碳循環系統和注入水循環系統，超臨界二氧化碳循環系統包括測量管線段內管，注入水循環系統包括測量管線段外管；水在測量管線段外管、測量管線段內管之間的環空內流動；超臨界二氧化碳循環系統為二氧化碳提供高溫高壓下閉合的循環回路；注入水循環系統實現超臨界二氧化碳在測量管線段內管中進行熱交換。本發明能夠實現較大壓力和溫度范圍內超臨界二氧化碳的定壓比熱的測量，可得到不同溫壓條件下超臨界二氧化碳定壓比熱；設備簡單、操作方便、可行性高；測量方法科學，能夠實現較高精度的參數測量。
【專利說明】用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置與方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于非常規油氣開采【技術領域】，具體地，涉及一種用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置與方法。
【背景技術】
[0002]隨著國家經濟發展對油氣能源需求量的急劇增長以及油氣能源新戰略的實施，油氣勘探開發領域不斷擴展，從整裝、高壓、中高滲均質砂巖等良好地質條件的油氣田，逐漸轉移到了復雜斷塊、低滲、稠油油藏、壓力衰竭的老油田、致密氣、頁巖氣以及煤層氣等非常規天然氣資源。非常規天然氣儲層一般呈低孔隙度、低滲透率，低孔喉半徑的物性特征，氣流的阻力比常規油氣藏大得多，而且隨著埋深的增加，物性會變得更差。對于致密氣、頁巖氣等非常規油氣藏的開采，保護油氣層的鉆完井技術能有效提高非常規油氣藏的最終采收率。
[0003]超臨界二氧化碳具有高密度、低粘度、低表面張力、高擴散系數，并具有良好的傳熱、傳質性能。使用超臨界二氧化碳鉆完井對儲層沒有傷害，可有效的避免近井地層堵塞、保護油氣層、改善儲層滲透性。超臨界二氧化碳流體由于其自身具有的優異特性使它成為了一種極具應用潛力的保護油氣層鉆完井流體介質。目前，受溫度、壓力影響，超臨界二氧化碳傳熱規律相當復雜，高溫高壓下所得試驗數據較少，對于傳熱的機理也沒有一個系統的解釋，因而成為超臨界流體傳熱領域的一個難點。超臨界二氧化碳定壓比熱是傳熱規律分析的重要參數，研究表明二氧化碳定壓比熱受溫度壓力影響很大，特別是在臨界點附近變化劇烈。受超臨界二氧化碳定壓比熱的測量難以實現高溫高壓實驗條件的限制，多數專家學者以數值模擬分析為主要手段，其計算結果的準確性有待于實驗驗證。
【發明內容】
[0004]為克服現有技術的缺陷，本發明提供一種用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置與方法，該實驗裝置操作簡單，方法易于實施，可以快速的測量出不同溫壓條件下超臨界二氧化碳的定壓比熱，以實驗結果為依據，分析超臨界二氧化碳流動和傳熱機理，為超臨界二氧化碳鉆完井工程設計和理論研究提供實驗基礎。
[0005]為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案如下:
[0006]一種用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，包括:超臨界二氧化碳循環系統和注入水循環系統，其特征在于:超臨界二氧化碳循環系統包括測量管線段內管，注入水循環系統包括測量管線段外管；水在測量管線段外管、測量管線段內管之間的環空內流動；超臨界二氧化碳循環系統為二氧化碳提供高溫高壓下閉合的循環回路；注入水循環系統實現超臨界二氧化碳在測量管線段內管中進行熱交換。
[0007]用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗方法，采用上述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，其特征在于，進行超臨界二氧化碳定壓比熱測量實驗時，二氧化碳氣源內的二氧化碳通過氣體增壓泵的增壓以及加熱系統的加熱達到超臨界狀態，通過調節氣體增壓泵和加熱系統，達到預期的壓力和溫度條件，打開氣體循環泵開始循環，同時注入水系統也開始反向循環，待流動參數穩定后，采集數據，并進行計算超臨界二氧化碳定壓比熱測量。
[0008]相對于現有技術，本發明的有益效果如下:(I)、能夠實現較大壓力和溫度范圍內超臨界二氧化碳的定壓比熱的測量，可得到不同溫壓條件下超臨界二氧化碳定壓比熱；
(2)、設備簡單、操作方便、可行性高；(3)、測量方法科學，能夠實現較高精度的參數測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明的超臨界二氧化碳定壓比熱測量實驗裝置示意圖。
[0010]圖中:1、二氧化碳氣源；2、氣體緩沖罐；3、氣體增壓泵；4、加熱系統；5、氣體流量計；6、壓力計；7、二氧化碳進口測量溫度計；8、測量管線段內管；9、二氧化碳出口測量溫度計；10、冷卻裝置；11、氣體循環泵；12、水罐；13、循環水泵；14、電磁流量計；15、水進口測量溫度計；16、測量管線段外管；17、水出口測量溫度計。
【具體實施方式】
[0011]如圖1所示，用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，包括:超臨界二氧化碳循環系統和注入水循環系統。超臨界二氧化碳循環系統為二氧化碳提供高溫高壓下閉合的循環回路；注入水循環系統實現超臨界二氧化碳在測量管線段內管中進行熱交換。
[0012]超臨界二氧化碳循環系統，包括:二氧化碳氣源1、氣體緩沖罐2、氣體增壓泵3、加熱系統4、氣體流量計5、測量管線段內管8、冷卻裝置10、氣體循環泵11 ;氣體緩沖罐2、氣體增壓泵3、加熱系統4、氣體流量計5、測量管線段內管8、冷卻裝置10、氣體循環泵11通過管線依次連接組成密閉的環路系統，二氧化碳沿氣體緩沖罐2向氣體增壓泵3密閉循環；二氧化碳氣源I與氣體緩沖罐2相連。在密閉環路中，所有部件和管路均耐壓60MPa，溫度上限為500K，可實現超臨界二氧化碳在高溫高壓下定壓比熱的實驗測量。二氧化碳氣源I提供實驗所用的二氧化碳，氣體緩沖罐2儲存高壓的二氧化碳氣體，氣體增壓泵3為二氧化碳增壓以滿足實驗壓力要求，加熱系統4對二氧化碳加熱以滿足實驗溫度要求，氣體流量計5測量二氧化碳循環管路中二氧化碳的質量流量，測量管線段內管8為超臨界二氧化碳流動提供流動通道，冷卻裝置10為超臨界二氧化碳冷卻降溫，以滿足下一次實驗條件要求，氣體循環泵11為二氧化碳提供閉合循環的動力。測量段管線內管8為內徑8mm、壁厚2mm、長度5m的銅管。
[0013]氣體流量計5、測量管線段內管8之間的管線上安裝有壓力計6、二氧化碳進口測量溫度計7，壓力計6位于氣體流量計5和二氧化碳進口測量溫度計7之間，二氧化碳進口測量溫度計7靠近測量管線段內管8設置；測量管線段內管8、冷卻裝置10之間的連接管線上安裝有二氧化碳出口測量溫度計9，二氧化碳出口測量溫度計9靠近測量管線段內管8設置。壓力計6實時觀測實驗管路壓力，二氧化碳進口測量溫度計7測量管線段內管8進口處溫度，二氧化碳出口測量溫度計9測量測量管線段內管8出口處溫度。
[0014]注入水循環系統包括水罐12、循環水泵13、電磁流量計14、測量管線段外管16 ;水罐12、循環水泵13、電磁流量計14、測量管線段外管16通過管線依次連接組成密閉的環路系統，水沿循環水泵13向電磁流量計14循環；水罐12提供實驗所用的水，循環水泵13為水提供閉合循環的動力，電磁流量計14用于測量水循環管路中水的質量流量。
[0015]測量管線段外管16進口處安裝水進口測量溫度計15，測量管線段外管16出口處安裝水出口測量溫度計17。水進口測量溫度計15測量測量管線段外管16的水進口溫度，水出口測量溫度計17測量測量管線段外管16的水出口溫度。測量管線段內管8嵌套于測量管線段外管16之中，測量管線段外管16為內徑16mm、壁厚1mm、長度4.6m的銅管，測量管線段內管8兩端分別預留0.2m的流動穩定段。水在測量管線段外管16、測量管線段內管8之間的環空內相對于超臨界二氧化碳閉合循環回路反向流動。
[0016]進行超臨界二氧化碳定壓比熱測量實驗時，二氧化碳氣源I內的二氧化碳通過氣體增壓泵3的增壓以及加熱系統4的加熱達到超臨界狀態，通過調節氣體增壓泵3和加熱系統4，達到預期的壓力和溫度條件，打開氣體循環泵11開始循環，同時注入水系統也開始反向循環，待流動參數穩定后，采集數據，超臨界二氧化碳定壓比熱測定方法具體如下:
[0017](I)、開啟實驗設備，建立循環，穩定2min ；
[0018](2)、讀取二氧化碳進口測量溫度計7的溫度、二氧化碳出口測量溫度計9的溫度Tco2- 5
[0019](3)、讀取水進口測量溫度計15的溫度Twin、水出口測量溫度計17的溫度Twout ；
[0020](4)、讀取氣體流量計5的讀數，得到二氧化碳的質量流量-;
[0021](5)、讀取電磁流量計14的讀數，得到水的質量流量mw ；
[0022](6)、計算得到超臨界二氧化碳的定壓比熱Cpco: '
【權利要求】
1.一種用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，包括:超臨界二氧化碳循環系統和注入水循環系統，其特征在于:超臨界二氧化碳循環系統包括測量管線段內管，注入水循環系統包括測量管線段外管；水在測量管線段外管、測量管線段內管之間的環空內流動；超臨界二氧化碳循環系統為二氧化碳提供高溫高壓下閉合的循環回路；注入水循環系統實現超臨界二氧化碳在測量管線段內管中進行熱交換。
2.根據權利要求1所述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，其特征在于，超臨界二氧化碳循環系統包括:二氧化碳氣源、氣體緩沖罐、氣體增壓泵、加熱系統、氣體流量計、測量管線段內管、冷卻裝置、氣體循環泵；氣體緩沖罐、氣體增壓泵、加熱系統、氣體流量計、測量管線段內管、冷卻裝置、氣體循環泵通過管線依次連接組成密閉的環路系統，二氧化碳沿氣體緩沖罐向氣體增壓泵密閉循環。
3.根據權利要求1-2所述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，其特征在于，氣體流量計、測量管線段內管之間的管線上安裝有壓力計、二氧化碳進口測量溫度計，壓力計位于氣體流量計和二氧化碳進口測量溫度計之間，二氧化碳進口測量溫度計靠近測量管線段內管設置；測量管線段內管、冷卻裝置之間的連接管線上安裝有二氧化碳出口測量溫度計，二氧化碳出口測量溫度計靠近測量管線段內管設置。
4.根據權利要 求1-3所述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，其特征在于，注入水循環系統包括水罐、循環水泵、電磁流量計、測量管線段外管；水罐、循環水泵、電磁流量計、測量管線段外管通過管線依次連接組成密閉的環路系統，水沿循環水泵向電磁流量計循環。
5.根據權利要求1-4所述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，其特征在于，測量管線段外管進口處安裝水進口測量溫度計，測量管線段外管出口處安裝水出口測量溫度計。
6.根據權利要求1-5所述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，其特征在于，水在測量管線段外管、測量管線段外管之間的環空內相對于超臨界二氧化碳閉合循環回路反向流動。
7.根據權利要求1-6所述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，其特征在于，測量段管線內管為內徑8mm、壁厚2mm、長度5m的銅管，測量管線段外管為內徑16mm、壁厚1mm、長度4.6m的銅管，測量管線段內管嵌套于測量管線段外管之中，測量管線段內管兩端分別預留0.2m的流動穩定段。
8.用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗方法，采用權利要求1-7所述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗裝置，其特征在于，進行超臨界二氧化碳定壓比熱測量實驗時，二氧化碳氣源內的二氧化碳通過氣體增壓泵的增壓以及加熱系統的加熱達到超臨界狀態，通過調節氣體增壓泵和加熱系統，達到預期的壓力和溫度條件，打開氣體循環泵開始循環，同時注入水系統也開始反向循環，待流動參數穩定后，采集數據，并進行計算超臨界二氧化碳定壓比熱測量。
9.根據權利要求8所述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗方法，其特征在于，超臨界二氧化碳定壓比熱測定方法具體如下: (1)、開啟實驗設備，建立循環； (2)、讀取二氧化碳進口測量溫度計的溫度、二氧化碳出口測量溫度計的溫度；(3)、讀取水進口測量溫度計的溫度、水出口測量溫度計的溫度； (4)、讀取氣體流量計的讀數，得到二氧化碳的質量流量； (5)、讀取電磁流量計的讀數，得到水的質量流量； (6)、計算得到超臨界二氧化碳的定壓比熱:
10.根據權利要求8所述的用于超臨界二氧化碳定壓比熱測量的實驗方法，其特征在于，建立循環后穩定2min。
【文檔編號】G01N25/20GK103439356SQ201310221100
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年6月5日 優先權日:2013年6月5日
【發明者】孫寶江, 王金堂, 王志遠, 王寧, 侯磊, 孫小輝 申請人:中國石油大學(華東)