超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统及方法

制备器内部温度的精准检测与调控、压力的精准检测。
13.在本发明的一些实施例中，所述超临界co2制备器外底部设有水泥地基，以提高超临界co2制备器的稳定性，降低环境因素对装置的影响，降低误差。
14.在本发明的一些实施例中，所述活塞设置于超临界co2制备器内部，活塞横截面与超临界co2制备器内部横截面吻合，且活塞在超临界co2制备器内部可水平移动，利用活塞的移动，控制超临界co2制备器内部空间的大小，实现超临界co2制备器内部压力的控制；所述液压油供应系统中的液压油进入活塞底部进而推动活塞移动。本发明利用液压油供应系统和活塞相配合，通过控制超临界co2制备器内部的体积，实现超临界co2制备器内部压力的精准调控，还可实现超临界co2制备器内部的定压控制。
15.在本发明的一些实施例中，所述超临界co2制备器还设有安全阀。
16.在本发明的一些实施例中，所述耐高压管道前后两侧同一水平高度的不同位置处设置有三组相对的耐高压视窗，一组两个。耐高压视窗透明，用于可视化观察、高速摄像机图像采集以及成分分析。
17.在本发明的一些实施例中，超临界co2制备单元输出的超临界co2与伴生气注入单元输出的伴生气通过三通掺混后，再进入掺混发展单元。所述三通设置在第一减压阀与掺混发展单元中间的管道上。
18.在本发明的一些实施例中，所述掺混发展单元还包括输出阀，用于输出超临界co2与油田伴生气混合物，同时，控制输出阀的开启程度还可控制超临界co2与油田伴生气的流量。
19.在本发明的一些实施例中，所述油田伴生气浓度检测设备为激光甲烷遥测仪。
20.本发明的第二方面，提供一种采用上述超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统的研究方法，包括以下步骤：
21.步骤1，利用注入泵将液态co2从液态co2储存装置内注入到超临界co2制备器中，控制温度、压力使液态co2转变为密相co2，再通过升温使其转变为超临界co2；
22.步骤2，超临界co2制备器中出来的超临界co2经第一减压阀后与经第二减压阀减压的从油田伴生气储存装置中出来的甲烷通过三通直接掺混后，注入两端密封的耐高压管道中；
23.步骤3，待超临界co2与伴生气混合物进入耐高压管道稳定流动后，利用激光甲烷遥测仪通过不同位置处的透明的耐高压视窗分别检测各处的甲烷浓度，并记录不同位置处的甲烷浓度；
24.步骤4，待超临界co2与伴生气混合物进入耐高压管道稳定流动后，通过耐高压视窗直接观察，或利用高速摄像机观察超临界co2与伴生气混合物的掺混分层情况；
25.步骤5，通过耐高压管道后部的输出阀实现不同流量控制，得到不同流量下，不同位置处的甲烷浓度，分析不同流量下超临界co2与伴生气混合物的动态掺混情况；
26.步骤6，待某一管径下、不同流量下超临界co2与伴生气混合物的动态掺混情况测试完毕后，替换不同直径的耐高压管道，重新进行测试，得到不同管径下超临界co2与伴生气混合物的动态掺混情况；
27.步骤7，对影响超临界co2与伴生气混合物的动态掺混的变量进行敏感性分析，得到超临界co2与伴生气混合物的动态掺混最优变量组合。
28.在本发明的一些实施例中，步骤1中，超临界co2制备的过程，需结合co2相图进行控制；
29.将液态co2注入超临界co2制备器中，通过液压油供应系统中的液压油进入活塞底部推动活塞移动实现压力控制，具体设定压力为6mpa，通过活塞控制压力，电伴热保温装置控制温度，以确保超临界co2制备器内部co2液处于液相，直至活塞推至超临界co2制备器底部，超临界co2制备器内部达到最大体积；此后，向超临界co2制备器内继续注入液态co2使得超临界co2制备器内部压力持续上升，直至超过临界压力，液态co2转变为密相co2；注入完毕后进行升温，通过电伴热保温装置实现温度升高，使得密相co2升温转变为超临界co2。本发明通过液态co2加注过程的升压实现液态co2转变为密相co2，再通过升温实现密相co2到超临界co2的相态转变，保证液态co2加注过程的可控制性与安全性。
30.在本发明的一些实施例中，步骤2中，超临界co2与油田伴生气掺混时，第一减压阀和第二减压阀同时开启并且开度可控，超临界co2与油田伴生气输送至耐高压管道的注入速率均匀。
31.在本发明的一些实施例中，步骤7中，所述变量包括耐高压管道管径、超临界co2与油田伴生气的流量。
32.本发明的有益效果为：
33.由于超临界状态下，流体的混合特性是未知的。本发明通过第一减压阀、第二减压阀分别对超临界co2、油田伴生气减压后，直接通过三通实现超临界co2与油田伴生气的混合并且进入耐高压管道充分发展后实现两者的动态掺混，并且通过不同的co2与油田伴生气注入比例、流量控制、耐高压管道的变换，可以得到各种变量的敏感性以及组合效果，实现超临界co2与油田伴生气的动态掺混特性的探明，为工程应用及研究提供可靠的研究装置以及可靠的实验数据。
附图说明
34.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
35.图1为本发明超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统的结构图；
36.图2为本发明超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究方法的流程图；
37.图3为二氧化碳相图。
38.其中，1：液态co2杜瓦罐，2：注入泵，3：超临界co2制备器，4：电伴热保温装置，5：cng瓶，6：安全阀，7：液压油供应系统，8：活塞，9：第一减压阀，10：第二减压阀，11：三通，12：耐高压管道，13：对向透明视窗，14：激光甲烷遥测仪，15：高速摄像机，16：水泥地基，17：输出阀。
具体实施方式
39.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
40.实施例1
41.如附图1所示，一种超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统及方法，包
括流体供应单元、超临界co2制备单元、伴生气注入单元、掺混发展单元、检测单元和数据采集及处理单元。
42.流体供应单元包括液态co2杜瓦罐1、注入泵2。液态co2杜瓦罐1瓶口设有可实时显示液态co2输出质量的显示器，通过显示器可实时观察注入至超临界co2制备器3内液态co2的质量。
43.超临界co2制备单元包括超临界co2制备器3、第一减压阀4、液压油供应系统7、活塞8、电伴热保温装置4、安全阀6以及水泥地基16。
44.伴生气注入单元包括cng瓶5、第二减压阀10。
45.掺混发展单元包括三通11、两端密封的耐高压管道12、耐高压视窗13以及输送阀17。
46.数据采集及处理系单元为外接计算机系统。
47.上述装置具体的连接方式如下：
48.液态co2杜瓦罐1提供的液态co2经注入泵2注入超临界co2制备单元中的超临界co2制备器3内部。超临界co2制备器3内壁上设有电伴热保温装置4，电伴热保温装置4包括加热电阻、温度传感器以及压力传感器。超临界co2制备器3外底部装有水泥地基16，保证其稳定性。
49.超临界co2制备器3为卧式，其内部反应空间的长大于高。液压油供应系统7与活塞8通过输油管道相连，活塞8设置于超临界co2制备器3内部，活塞8截面与超临界co2制备器3内部反应空间截面吻合，且活塞8在超临界co2制备器3内部可水平移动，利用活塞8的移动，控制超临界co2制备器3内部反应空间的大小，实现超临界co2制备器3内部压力的控制。液压油供应系统7中的液压油进入活塞8底部推动活塞移动，实现超临界co2制备器3内部压力控制。
50.超临界co2制备器3可为立式，活塞8设置于超临界co2制备器3底部，可在超临界co2制备器3内部上下移动。液压油供应系统7中的液压油进入活塞8底部，推动活塞8上升，实现超临界co2制备器3内部的变体积，实现压力控制。
51.超临界co2制备器3侧壁上设置有安全阀6。
52.超临界co2制备器3的超临界co2输出管道上设置有第一减压阀9。cng瓶-5供应压缩天然气，其输出管道上设置有第二减压阀10。第一减压阀9输出的超临界co2以及第二减压阀10输出的天然气通过三通11掺杂在一起后输送至带有透明的耐高压视窗13的耐高压管道12内。
53.掺混发展单元配备有测量单元，其包括耐高压管道12的透明耐高压视窗13外部配备的激光甲烷遥测仪14，以及高速摄像机15。激光甲烷遥测仪14用于检测透明高压视窗13位置处的天然气浓度，高速摄像机15用于观察透明耐高压视窗13处超高压co2与天然气混合物的掺混分层情况。
54.数据采集即处理单元为外接计算机系统，用于实时记录超临界co2制备器3内部的压力和温度以及高速摄像机15采集的图片。
55.实施例2
56.一种采用实施例1所述超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统的研究方法，如图2所示，包括以下步骤：
57.步骤2，将液态co2杜瓦罐1连接到注入泵2，并通过阀门以及泵的设置调节将液态co2注入到超临界co2制备器3内部，该过程需结合co2相图进行控制。co2相图如图3所示。利用注入泵将液态co2从液态co2储存装置内注入到超临界co2制备器中，控制温度使液态co2转变为密相co2，再通过升温使其转变为超临界co2。
58.具体的，通过电伴热保温装置控制超临界co2制备器3内部的温度，在温度低于co2气液相变温度的前提下，将液态co2注入超临界co2制备器中，通过液压油供应系统中的液压油进入活塞底部推动活塞移动实现压力控制，设定压力为6mpa，通过活塞控制压力，电伴热保温装置控制温度，以确保超临界co2制备器内部co2液处于液相，直至活塞推至超临界co2制备器底部，超临界co2制备器内部达到最大空间体积；此后，向超临界co2制备器内继续注入液态co2使得超临界co2制备器内部压力持续上升，同时防止液态co2汽化超压，直至超过临界压力，液态co2转变为密相co2；注入完毕后通过电伴热保温装置实现温度控制，进行升温，使得密相co2升温转变为超临界co2。同时，超临界co2制备器3配备有安全阀6用于安全控制，必要时泄压。
59.加注过程定压6mpa，伴随活塞移动和液态co2注入，直至活塞推至底部，超临界co2制备器3内部达到最大体积，此过程定义为定压加注过程。之后，通过监测注入液态co2质量控制超临界co2制备器3内部持续升压直至超过临界压力7.38mpa，液态co2变为密相co2，此过程可以定义为定容升压过程。在定压加注过程中，液态co2注入速率不需要控制，靠活塞控制压力即可。
60.步骤3，超临界co2制备器3中制备的超临界co2经第一减压阀9后与经第二减压阀10减压的从cng瓶5中出来的甲烷通过三通11直接掺混后，注入两端密封的耐高压管道12中。掺混过程需保持第一减压阀9和第二减压阀10同时开启并且开度可控(指减压阀的开度系数，可控，可调节)，超临界co2与甲烷输送至耐高压管道的注入速率均匀。
61.步骤4，从三通11出来后，混合物进入耐高压管道12以充分发展，待超临界co2与伴生气混合物进入耐高压管道稳定流动后，利用激光甲烷遥测仪14通过不同位置处的透明的耐高压视窗13分别检测各处的甲烷浓度，并记录不同位置处的甲烷浓度。
62.步骤5，待超临界co2与伴生气混合物进入耐高压管道12稳定流动后，通过耐高压视窗13直接观察，或利用高速摄像机15观察超临界co2与伴生气混合物的掺混分层情况。
63.步骤6，通过调节耐高压管道12后部的输出阀17的开度实现不同流量控制，得到不同流量下，不同位置处的甲烷浓度，分析不同流量下超临界co2与甲烷混合物的动态掺混情况。
64.步骤7，待某一管径下、不同流量下超临界co2与甲烷气混合物的动态掺混情况测试完毕后，替换不同直径的耐高压管道12，重新进行测试，得到不同管径下超临界co2与伴生气混合物的动态掺混情况。
65.步骤8，对影响超临界co2与伴生气混合物的动态掺混的变量进行敏感性分析，包括管径、流量，得到超临界co2与伴生气混合物的动态掺混最优变量组合。
66.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统，其特征在于，包括：流体供应单元，包括依次连接的液态co2储存装置、注入泵，用于将液态二氧化碳注入至超临界二氧化碳制备单元；超临界co2制备单元，包括依次连接的液压油供应系统、活塞、超临界co2制备器、第一减压阀，用于将液态二氧化碳制备成超临界二氧化碳并输送至掺混发展单元；伴生气注入单元，包括依次连接的油田伴生气储存装置、第二减压阀，用于将油田伴生气注入至掺混发展单元；掺混发展单元，包括两端密封的耐高压管道和耐高压视窗，耐高压视窗设置在耐高压管道壁上，用于超临界二氧化碳与油田伴生气进行动态掺混；检测单元，包括设置在耐高压管道外部的油田伴生气浓度检测设备、高速摄像机，用于通过耐高压视窗检测该位置处油田伴生气的浓度以及观察超临界co2与油田伴生气混合物的掺混分层情况。2.如权利要求1所述的超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统，其特征在于，所述超临界co2制备器内部沿内壁设有电伴热保温装置，所述电伴热保温装置包括加热电阻、温度传感器以及压力传感器；所述超临界co2制备器外底部设有水泥地基。3.如权利要求1所述的超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统，其特征在于，所述活塞设置于超临界co2制备器内部，活塞横截面与超临界co2制备器内部横截面吻合，且活塞在超临界co2制备器内部可水平移动，利用活塞的移动，控制超临界co2制备器内部空间的大小，实现超临界co2制备器内部压力的控制；所述液压油供应系统中的液压油进入活塞底部进而推动活塞移动；优选的，所述超临界co2制备器设有安全阀。4.如权利要求1所述的超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统，其特征在于，所述耐高压管道前后两侧同一水平高度的不同位置处设置有三组相对的耐高压视窗，一组两个，用于可视化观察、高速摄像机图像采集以及成分分析。5.如权利要求1所述的超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统，其特征在于，超临界co2制备单元输出的超临界二氧化碳与伴生气注入单元输出的伴生气通过三通掺混后，再进入掺混发展单元；所述三通设置在第一减压阀与掺混发展单元中间的管道上。6.如权利要求1所述的超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统，其特征在于，所述掺混发展单元还包括输出阀，用于输出超临界co2与油田伴生气混合物。7.如权利要求1所述的超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统，其特征在于，所述油田伴生气浓度检测设备为激光甲烷遥测仪。8.一种采用权利要求1-7任一所述超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用注入泵将液态co2从液态co2储存装置内注入到超临界co2制备器中，控制温度使液态co2转变为密相co2，再通过升温使其转变为超临界co2；步骤2，超临界co2制备器中出来的超临界co2经第一减压阀后与经第二减压阀减压的从油田伴生气储存装置中出来的甲烷通过三通直接掺混后，注入两端密封的耐高压管道中；
步骤3，待超临界co2与伴生气混合物进入耐高压管道稳定流动后，利用激光甲烷遥测仪通过不同位置处的透明的耐高压视窗分别检测各处的甲烷浓度，并记录不同位置处的甲烷浓度；步骤4，待超临界co2与伴生气混合物进入耐高压管道稳定流动后，通过耐高压视窗直接观察，或利用高速摄像机观察超临界co2与伴生气混合物的掺混分层情况；步骤5，通过耐高压管道后部的输出阀实现不同流量控制，得到不同流量下，不同位置处的甲烷浓度，分析不同流量下超临界co2与伴生气混合物的动态掺混情况；步骤6，待某一管径下、不同流量下超临界co2与伴生气混合物的动态掺混情况测试完毕后，替换不同直径的耐高压管道，重新进行测试，得到不同管径下超临界co2与伴生气混合物的动态掺混情况；步骤7，对影响超临界co2与伴生气混合物的动态掺混的变量进行敏感性分析，得到超临界co2与伴生气混合物的动态掺混最优变量组合。9.如权利要求8所述的研究方法，其特征在于，步骤1中，超临界co2制备的过程，需结合co2相图进行控制；将液态co2注入超临界co2制备器中，通过液压油供应系统中的液压油进入活塞底部推动活塞移动实现压力控制，设定压力为6mpa，通过活塞控制压力，电伴热保温装置控制温度，以确保超临界co2制备器内部co2液处于液相，直至活塞推至超临界co2制备器底部，超临界co2制备器内部达到最大体积；此后，向超临界co2制备器内继续注入液态co2使得超临界co2制备器内部压力持续上升，直至超过临界压力，液态co2转变为密相co2；注入完毕后进行升温，使得密相co2升温转变为超临界co2。10.如权利要求8所述的研究方法，其特征在于，步骤2中，超临界co2与油田伴生气掺混时，第一减压阀和第二减压阀同时开启并且开度可控，超临界co2与油田伴生气输送至耐高压管道的注入速率均匀。

技术总结
本发明公开了一种超临界二氧化碳与伴生气动态掺混均匀性研究系统及方法，属于油田伴生气与超临界CO2掺混领域。包括：用于将液态二氧化碳注入至超临界二氧化碳制备单元的流体供应单元；用于将液态二氧化碳制备成超临界二氧化碳并输送至掺混发展单元的超临界CO2制备单元；用于将甲烷注入至掺混发展单元的伴生气注入单元；用于超临界二氧化碳与甲烷进行动态掺混的掺混发展单元；用于检测甲烷浓度以及观察超临界CO2与甲烷混合物的掺混分层情况的检测单元。本发明的系统通过不同的CO2与甲烷注入比例、流量控制、耐高压管道的变换，可以得到各种变量的敏感性以及组合效果，实现超临界CO2与甲烷气的动态掺混特性的探明。与甲烷气的动态掺混特性的探明。与甲烷气的动态掺混特性的探明。


技术研发人员：朱建鲁 李玉星 胡其会 谢乃雅 王武昌 韩辉 刘翠伟
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/31