本發(fā)明屬于流體流動(dòng)保障領(lǐng)域，尤其是涉及一種超臨界二氧化碳的流變性測(cè)試方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、國(guó)際能源署發(fā)布的《世界能源發(fā)展2020-ccus特別報(bào)告》指出，僅依靠能源結(jié)構(gòu)調(diào)整無(wú)法實(shí)現(xiàn)2070年全球凈零碳排放，需利用ccus技術(shù)儲(chǔ)存和消納。因此，需要在二氧化碳捕集、輸送、安全、封存等方面開(kāi)展科研攻關(guān)和技術(shù)積累。

2、二氧化碳管輸是成本最低的陸上輸送方式，相較于其它輸送方式具有占地面積小、輸量大、受限少的優(yōu)點(diǎn)，并且，二氧化碳管輸?shù)妮斔瓦^(guò)程密閉且能長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。在二氧化碳管輸過(guò)程中，密度和粘度是影響管道輸送經(jīng)濟(jì)性的重要因素。由于超臨界態(tài)二氧化碳(溫度≥31.1℃且壓力≥7.38mpa)的密度與液態(tài)二氧化碳的密度相當(dāng)，粘度又與氣態(tài)二氧化碳的粘度相當(dāng)。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，超臨界態(tài)為管輸二氧化碳的最佳相態(tài)。也就是說(shuō)，超臨界態(tài)二氧化碳的密度接近于液體而流動(dòng)性接近于氣體，兼有氣體與液體的雙重特性，這一特性的存在使得超臨界二氧化碳的水力熱力計(jì)算方法與氣、液態(tài)二氧化碳有明顯差異。

3、單相超臨界二氧化碳的粘度相對(duì)較低，在管輸過(guò)程中難免會(huì)摻混有一定體積分?jǐn)?shù)的雜質(zhì)氣體，這些雜質(zhì)氣體以氣泡形式摻混在超臨界二氧化碳的體相之中。氣泡的摻混導(dǎo)致了超臨界二氧化碳的粘度發(fā)生較大變化，在不同的流速條件下所發(fā)生粘度變化也不同，即：摻混雜質(zhì)氣體的超臨界二氧化碳具有非牛頓特性。非牛頓特性的存在影響了在管輸過(guò)程中所獲得的用于計(jì)算水力熱力參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不斷發(fā)生變化，則會(huì)導(dǎo)致最終計(jì)算出的水利熱力計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，根據(jù)具有偏差的計(jì)算結(jié)果設(shè)置管輸參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致冰堵、段塞流、水擊等多種危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

4、在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)了一種可視化二氧化碳無(wú)水壓裂液流變性測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，該系統(tǒng)包括二氧化碳?xì)馄?、活塞容器和測(cè)量杯。通過(guò)設(shè)定不同溫度、壓力條件，添加不同類(lèi)型、濃度的增粘劑實(shí)現(xiàn)不同條件下的超臨界二氧化碳的溶解性與流變性的測(cè)量。但是，該系統(tǒng)的測(cè)試介質(zhì)為含有增粘劑的二氧化碳流體，故該系統(tǒng)無(wú)法對(duì)含有氣體雜質(zhì)的超臨界二氧化碳的流變性進(jìn)行測(cè)試，具有一定的局限性。

5、現(xiàn)有技術(shù)還公開(kāi)了一種二氧化碳無(wú)水壓裂液流變性測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，該系統(tǒng)包括氣瓶、閥門(mén)、氣體凈化器、泵以及流變儀等裝置。在使用時(shí)通過(guò)將氣瓶中的測(cè)試氣體介入到測(cè)試系統(tǒng)中并調(diào)節(jié)各處閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)含有不同添加劑配比條件下的二氧化碳無(wú)水壓裂液在不同溫度和不同壓力下的流變性能測(cè)試。但是，該系統(tǒng)的測(cè)試介質(zhì)同樣為含有增粘劑的二氧化碳流體，且其測(cè)試裝置的氣源只含有二氧化碳，無(wú)法添加其它類(lèi)型的氣體雜質(zhì)。此外，測(cè)試過(guò)程中的溫度值相對(duì)較低，二氧化碳的液化是通過(guò)降低溫度實(shí)現(xiàn)的，不能滿(mǎn)足超臨界二氧化碳的溫度壓力條件。

6、除此之外，現(xiàn)有技術(shù)還公開(kāi)了一種用于二氧化碳流變性的測(cè)試裝置和方法，該測(cè)試裝置包括氣源、相態(tài)改變系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)流變儀等裝置。測(cè)試過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)流變儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳流變性能的評(píng)價(jià)，具有操作便利，測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)。但是，該測(cè)試裝置與測(cè)試方法同樣采用了將二氧化碳液化后對(duì)其流變特性進(jìn)行測(cè)量的方式。二氧化碳在測(cè)試過(guò)程中并不是處于超臨界狀態(tài)，因此，測(cè)試結(jié)果不能夠代表處于超臨界狀態(tài)下的二氧化碳的流變特性。

7、綜上所述，盡管現(xiàn)有技術(shù)對(duì)超臨界二氧化碳管輸過(guò)程展開(kāi)了探究，但現(xiàn)有技術(shù)所公開(kāi)的二氧化碳的流變性測(cè)試裝置及方法，均無(wú)法在二氧化碳流體中添加氣體雜質(zhì)，且測(cè)試過(guò)程中需要添加增粘劑，無(wú)法直接使二氧化碳變?yōu)槌R界狀態(tài)并對(duì)其流變性進(jìn)行測(cè)試。二氧化碳的超臨界長(zhǎng)距離管輸為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，并且，二氧化碳的氣源不穩(wěn)定，管輸過(guò)程中二氧化碳會(huì)摻混有一定量的氣體雜質(zhì)。也就是說(shuō)，現(xiàn)有技術(shù)缺乏探究含氣體雜質(zhì)的超臨界二氧化碳流變特性的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更缺少與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的結(jié)合。因此，為衡量含有不同類(lèi)型氣體雜質(zhì)的超臨界二氧化碳流體的流變性，為其長(zhǎng)距離管輸過(guò)程提供基礎(chǔ)的參數(shù)支撐，有必要對(duì)含氣體雜質(zhì)的超臨界二氧化碳流體的流變特性展開(kāi)研究。

8、另外，超臨界二氧化碳的管道輸送是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。在管輸過(guò)程中，如果水力熱力計(jì)算過(guò)程的參數(shù)準(zhǔn)確度不能夠滿(mǎn)足要求，在管道投產(chǎn)后將會(huì)引起超臨界/液態(tài)二氧化碳?xì)饣膯?wèn)題，使管道的輸送效率下降，并有可能引發(fā)危險(xiǎn)。并且，由于不同超臨界二氧化碳輸送管道的氣源不同，其所含有的氣體雜質(zhì)也不盡相同，氣體雜質(zhì)的存在又會(huì)影響處于超臨界狀態(tài)下的二氧化碳的特性。目前尚無(wú)能夠方便、準(zhǔn)確衡量含有氣體雜質(zhì)的超臨界二氧化碳的流變性的方法，無(wú)法有效支撐其在管輸過(guò)程中的水力熱力計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種超臨界二氧化碳的流變性測(cè)試方法，包括：將二氧化碳流體通入密閉容器內(nèi)，并促使容器內(nèi)流體的相態(tài)轉(zhuǎn)換為超臨界狀態(tài)；向當(dāng)前密閉容器內(nèi)通入雜質(zhì)氣體，得到混合有雜質(zhì)氣體的實(shí)際超臨界二氧化碳；通過(guò)攪拌所述實(shí)際超臨界二氧化碳來(lái)向當(dāng)前流體施加剪切應(yīng)力，從而對(duì)實(shí)際管輸狀態(tài)下的超臨界二氧化碳的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，繼而獲得符合實(shí)際的超臨界二氧化碳流變性。

2、優(yōu)選地，在將二氧化碳流體通入密閉容器內(nèi)，并促使容器內(nèi)流體的相態(tài)轉(zhuǎn)換為超臨界狀態(tài)的步驟中，包括：在向容器通入所述二氧化碳流體后，調(diào)節(jié)所述密閉容器的內(nèi)部溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度且內(nèi)部壓力達(dá)到預(yù)設(shè)壓力，從而將當(dāng)前二氧化碳流體所具有的相態(tài)轉(zhuǎn)換為超臨界狀態(tài)，其中，所述預(yù)設(shè)溫度大于或等于31.1℃，所述預(yù)設(shè)壓力大于或等于7.38mpa。

3、優(yōu)選地，在攪拌所述實(shí)際超臨界二氧化碳的過(guò)程中，包括：按照預(yù)設(shè)攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)所述實(shí)際超臨界二氧化碳進(jìn)行攪拌，使所述實(shí)際超臨界二氧化碳中的雜質(zhì)氣體以氣泡形式均勻分散，從而獲得實(shí)際管輸狀態(tài)下雜質(zhì)氣體在超臨界二氧化碳中的分布狀態(tài)。

4、優(yōu)選地，在獲得符合實(shí)際的超臨界二氧化碳流變性的步驟中，包括：在模擬過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)量所述實(shí)際超臨界二氧化碳的粘度數(shù)據(jù)，從而根據(jù)所述粘度數(shù)據(jù)，得到符合實(shí)際的超臨界二氧化碳流變性。

5、優(yōu)選地，所述流變性測(cè)試方法還包括：在模擬過(guò)程中，實(shí)時(shí)獲取所述實(shí)際超臨界二氧化碳的剪切速率數(shù)據(jù)和剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)，并通過(guò)擬合獲得剪切速率與剪切應(yīng)力之間的第一相關(guān)關(guān)系；利用所述第一相關(guān)關(guān)系，獲得所述實(shí)際超臨界二氧化碳的稠度系數(shù)和流動(dòng)行為指數(shù)，基于此，擬合所述剪切速率與粘度之間的第二相關(guān)關(guān)系，從而得到實(shí)際管輸狀態(tài)下剪切速率對(duì)超臨界二氧化碳流變性的影響規(guī)律。

6、優(yōu)選地，所述第一相關(guān)關(guān)系利用如下表達(dá)式表示：

7、

8、其中，τ表示剪切應(yīng)力，表示剪切速率。

9、優(yōu)選地，所述第二相關(guān)關(guān)系利用如下表達(dá)式表示：

10、

11、其中，η表示粘度，k表示稠度系數(shù)，n表示流動(dòng)行為指數(shù)，表示剪切速率。

12、優(yōu)選地，所述流變性測(cè)試方法還包括：為獲得實(shí)際管輸狀態(tài)下雜質(zhì)氣體在超臨界二氧化碳中的分布狀態(tài)過(guò)程配置多種預(yù)設(shè)攪拌轉(zhuǎn)速，并按照不同的預(yù)設(shè)攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)所述實(shí)際超臨界二氧化碳進(jìn)行攪拌，從而模擬實(shí)際管輸狀態(tài)下雜質(zhì)氣體在超臨界二氧化碳中所具有的不同粒徑，以獲得實(shí)際管輸狀態(tài)下雜質(zhì)氣體粒徑對(duì)超臨界二氧化碳流變性的影響規(guī)律，其中，所述預(yù)設(shè)攪拌轉(zhuǎn)速采用300rpm、400rpm、500rpm和600rpm中的一種。

13、優(yōu)選地，所述流變性測(cè)試方法還包括：為模擬過(guò)程配置多種預(yù)設(shè)環(huán)境溫度，來(lái)模擬實(shí)際管輸狀態(tài)下的不同環(huán)境溫度，以獲得實(shí)際管輸狀態(tài)下環(huán)境溫度對(duì)超臨界二氧化碳流變性的影響規(guī)律，其中，所述預(yù)設(shè)環(huán)境溫度采用35℃、37℃、40℃和43℃中的一種。

14、優(yōu)選地，所述流變性測(cè)試方法還包括：為模擬過(guò)程配置多種預(yù)設(shè)環(huán)境壓力，來(lái)模擬實(shí)際管輸狀態(tài)下的不同環(huán)境壓力，以獲得實(shí)際管輸狀態(tài)下環(huán)境壓力對(duì)超臨界二氧化碳流變性的影響規(guī)律，其中，所述預(yù)設(shè)環(huán)境壓力采用7.70mpa、8.00mpa、8.30mpa和8.50mpa中的一種。

15、優(yōu)選地，所述流變性測(cè)試方法還包括：為模擬過(guò)程配置多種預(yù)設(shè)雜質(zhì)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，來(lái)模擬實(shí)際管輸狀態(tài)下雜質(zhì)氣體在超臨界二氧化碳中所具有的不同雜質(zhì)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以獲得實(shí)際管輸狀態(tài)下雜質(zhì)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)超臨界二氧化碳流變性的影響規(guī)律，其中，所述預(yù)設(shè)雜質(zhì)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用7％、10％、13％和15％中的一種。

16、另一方面，本發(fā)明還提供了一種超臨界二氧化碳的流變性測(cè)試系統(tǒng)，所述流變性測(cè)試系統(tǒng)包括：相態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，其用于將二氧化碳流體通入密閉容器內(nèi)，并促使容器內(nèi)流體的相態(tài)轉(zhuǎn)換為超臨界狀態(tài)；氣體混合裝置，其用于向當(dāng)前密閉容器內(nèi)通入雜質(zhì)氣體，得到混合有雜質(zhì)氣體的實(shí)際超臨界二氧化碳；流變性分析裝置，其用于通過(guò)攪拌所述實(shí)際超臨界二氧化碳來(lái)向當(dāng)前流體施加剪切應(yīng)力，從而對(duì)實(shí)際管輸狀態(tài)下的超臨界二氧化碳的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，繼而獲得符合實(shí)際的超臨界二氧化碳流變性。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方案中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效果：

18、本發(fā)明提出了一種超臨界二氧化碳的流變性測(cè)試方法及系統(tǒng)，該方法先將高壓二氧化碳流體通入密閉容器中，并將其轉(zhuǎn)換為超臨界狀態(tài)；之后，向當(dāng)前容納超臨界二氧化碳的密閉容器內(nèi)繼續(xù)通入雜質(zhì)氣體，以模擬實(shí)際管輸過(guò)程中含氣相雜質(zhì)的超臨界二氧化碳流體(實(shí)際超臨界二氧化碳)；最后，通過(guò)攪拌當(dāng)前實(shí)際超臨界二氧化碳來(lái)模擬實(shí)際管輸狀態(tài)下的超臨界二氧化碳的流動(dòng)狀態(tài)，繼而獲得符合實(shí)際的超臨界二氧化碳流變性。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際工況下含氣相雜質(zhì)的超臨界二氧化碳流體的流變特性的準(zhǔn)確獲取，為超臨界二氧化碳與雜質(zhì)氣體在流動(dòng)摻混狀態(tài)下流變特性的研究與評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支撐。

19、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。