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

背景技術：

1、國際能源署發(fā)布的《世界能源發(fā)展2020-ccus特別報告》指出，僅依靠能源結構調整無法實現(xiàn)2070年全球凈零碳排放，需利用ccus技術儲存和消納。因此，需要在二氧化碳捕集、輸送、安全、封存等方面開展科研攻關和技術積累。

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，并且，二氧化碳管輸的輸送過程密閉且能長期連續(xù)穩(wěn)定運行。在二氧化碳管輸過程中，密度和粘度是影響管道輸送經濟性的重要因素。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，粘度又與氣態(tài)二氧化碳的粘度相當。從經濟角度出發(fā)，超臨界態(tài)為管輸二氧化碳的最佳相態(tài)。也就是說，超臨界態(tài)二氧化碳的密度接近于液體而流動性接近于氣體，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較低，在管輸過程中難免會摻混有一定體積分數的雜質氣體，這些雜質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程中所獲得的用于計算水力熱力參數的基礎數據的準確性，如若基礎數據不斷發(fā)生變化，則會導致最終計算出的水利熱力計算結果出現(xiàn)較大偏差，根據具有偏差的計算結果設置管輸參數，會導致冰堵、段塞流、水擊等多種危險情況的發(fā)生。

4、在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術公開了一種可視化二氧化碳無水壓裂液流變性測試系統(tǒng)及測試方法，該系統(tǒng)包括二氧化碳氣瓶、活塞容器和測量杯。通過設定不同溫度、壓力條件，添加不同類型、濃度的增粘劑實現(xiàn)不同條件下的超臨界二氧化碳的溶解性與流變性的測量。但是，該系統(tǒng)的測試介質為含有增粘劑的二氧化碳流體，故該系統(tǒng)無法對含有氣體雜質的超臨界二氧化碳的流變性進行測試，具有一定的局限性。

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

6、除此之外，現(xiàn)有技術還公開了一種用于二氧化碳流變性的測試裝置和方法，該測試裝置包括氣源、相態(tài)改變系統(tǒng)以及旋轉流變儀等裝置。測試過程中通過調節(jié)旋轉流變儀可以實現(xiàn)對二氧化碳流變性能的評價，具有操作便利，測量數據精準度高等優(yōu)點。但是，該測試裝置與測試方法同樣采用了將二氧化碳液化后對其流變特性進行測量的方式。二氧化碳在測試過程中并不是處于超臨界狀態(tài)，因此，測試結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)有技術對超臨界二氧化碳管輸過程展開了探究，但現(xiàn)有技術所公開的二氧化碳的流變性測試裝置及方法，均無法在二氧化碳流體中添加氣體雜質，且測試過程中需要添加增粘劑，無法直接使二氧化碳變?yōu)槌R界狀態(tài)并對其流變性進行測試。二氧化碳的超臨界長距離管輸為當前的發(fā)展趨勢，并且，二氧化碳的氣源不穩(wěn)定，管輸過程中二氧化碳會摻混有一定量的氣體雜質。也就是說，現(xiàn)有技術缺乏探究含氣體雜質的超臨界二氧化碳流變特性的實際實驗數據，更缺少與現(xiàn)場實際的結合。因此，為衡量含有不同類型氣體雜質的超臨界二氧化碳流體的流變性，為其長距離管輸過程提供基礎的參數支撐，有必要對含氣體雜質的超臨界二氧化碳流體的流變特性展開研究。

8、另外，超臨界二氧化碳的管道輸送是當前的一個熱點問題。在管輸過程中，如果水力熱力計算過程的參數準確度不能夠滿足要求，在管道投產后將會引起超臨界/液態(tài)二氧化碳氣化的問題，使管道的輸送效率下降，并有可能引發(fā)危險。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也不盡相同，氣體雜質的存在又會影響處于超臨界狀態(tài)下的二氧化碳的特性。目前尚無能夠方便、準確衡量含有氣體雜質的超臨界二氧化碳的流變性的方法，無法有效支撐其在管輸過程中的水力熱力計算。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明實施例提供了一種超臨界二氧化碳的流變性測試方法，包括：將二氧化碳流體通入密閉容器內，并促使容器內流體的相態(tài)轉換為超臨界狀態(tài)；向當前密閉容器內通入雜質氣體，得到混合有雜質氣體的實際超臨界二氧化碳；通過攪拌所述實際超臨界二氧化碳來向當前流體施加剪切應力，從而對實際管輸狀態(tài)下的超臨界二氧化碳的流動狀態(tài)進行模擬，繼而獲得符合實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，并促使容器內流體的相態(tài)轉換為超臨界狀態(tài)的步驟中，包括：在向容器通入所述二氧化碳流體后，調節(jié)所述密閉容器的內部溫度達到預設溫度且內部壓力達到預設壓力，從而將當前二氧化碳流體所具有的相態(tài)轉換為超臨界狀態(tài)，其中，所述預設溫度大于或等于31.1℃，所述預設壓力大于或等于7.38mpa。

3、優(yōu)選地，在攪拌所述實際超臨界二氧化碳的過程中，包括：按照預設攪拌轉速對所述實際超臨界二氧化碳進行攪拌，使所述實際超臨界二氧化碳中的雜質氣體以氣泡形式均勻分散，從而獲得實際管輸狀態(tài)下雜質氣體在超臨界二氧化碳中的分布狀態(tài)。

4、優(yōu)選地，在獲得符合實際的超臨界二氧化碳流變性的步驟中，包括：在模擬過程中，實時測量所述實際超臨界二氧化碳的粘度數據，從而根據所述粘度數據，得到符合實際的超臨界二氧化碳流變性。

5、優(yōu)選地，所述流變性測試方法還包括：在模擬過程中，實時獲取所述實際超臨界二氧化碳的剪切速率數據和剪切應力數據，并通過擬合獲得剪切速率與剪切應力之間的第一相關關系；利用所述第一相關關系，獲得所述實際超臨界二氧化碳的稠度系數和流動行為指數，基于此，擬合所述剪切速率與粘度之間的第二相關關系，從而得到實際管輸狀態(tài)下剪切速率對超臨界二氧化碳流變性的影響規(guī)律。

6、優(yōu)選地，所述第一相關關系利用如下表達式表示：

7、

8、其中，τ表示剪切應力，表示剪切速率。

9、優(yōu)選地，所述第二相關關系利用如下表達式表示：

10、

11、其中，η表示粘度，k表示稠度系數，n表示流動行為指數，表示剪切速率。

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

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

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

15、優(yōu)選地，所述流變性測試方法還包括：為模擬過程配置多種預設雜質氣體質量分數，來模擬實際管輸狀態(tài)下雜質氣體在超臨界二氧化碳中所具有的不同雜質氣體質量分數，以獲得實際管輸狀態(tài)下雜質氣體質量分數對超臨界二氧化碳流變性的影響規(guī)律，其中，所述預設雜質氣體質量分數采用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試系統(tǒng)，所述流變性測試系統(tǒng)包括：相態(tài)轉換裝置，其用于將二氧化碳流體通入密閉容器內，并促使容器內流體的相態(tài)轉換為超臨界狀態(tài)；氣體混合裝置，其用于向當前密閉容器內通入雜質氣體，得到混合有雜質氣體的實際超臨界二氧化碳；流變性分析裝置，其用于通過攪拌所述實際超臨界二氧化碳來向當前流體施加剪切應力，從而對實際管輸狀態(tài)下的超臨界二氧化碳的流動狀態(tài)進行模擬，繼而獲得符合實際的超臨界二氧化碳流變性。

17、與現(xiàn)有技術相比，上述方案中的一個或多個實施例可以具有如下優(yōu)點或有益效果：

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，并將其轉換為超臨界狀態(tài)；之后，向當前容納超臨界二氧化碳的密閉容器內繼續(xù)通入雜質氣體，以模擬實際管輸過程中含氣相雜質的超臨界二氧化碳流體(實際超臨界二氧化碳)；最后，通過攪拌當前實際超臨界二氧化碳來模擬實際管輸狀態(tài)下的超臨界二氧化碳的流動狀態(tài)，繼而獲得符合實際的超臨界二氧化碳流變性。本發(fā)明實現(xiàn)了對實際工況下含氣相雜質的超臨界二氧化碳流體的流變特性的準確獲取，為超臨界二氧化碳與雜質氣體在流動摻混狀態(tài)下流變特性的研究與評價提供了技術支撐。

19、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。