CN102102499B

CN102102499B - 地面压裂封堵含水层用封堵设备

Info

Publication number: CN102102499B
Application number: CN 201110028020
Authority: CN
Inventors: 倪小明; 宋金星; 沈毅; 蔺海晓; 贾炳; 夏大平; 苏现波
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102102499A

Abstract

本发明公开了一种地面压裂封堵含水层用封堵设备，包括压裂封堵进料系统、搅拌系统和出料系统，压裂封堵进料系统包括两套进料管路，第一进料管路包括与第一液罐连接的第一压裂泵车，第二进料管路包括与第二液罐连接的第二压裂泵车；搅拌系统包括井口处设置的搅拌仓，搅拌仓内设有与动力装置连接的搅拌叶片；出料系统包括位于搅拌仓下侧且与搅拌仓连通的套管，套管下部管壁设置孔眼，套管下部位于井下；所述第一压裂泵车、第二压裂泵车分别通过第一、第二高压软管与搅拌仓连通。本发明是针对含水层距离煤层很近，在压裂过程中可能沟通含水层的情况，为了水力压裂时不使煤层与围岩的含水层沟通，实现煤储层压裂改造的地面压裂封堵含水层用封堵设备。

Description

地面压裂封堵含水层用封堵设备

技术领域

本发明涉及一种地面压裂封堵含水层用封堵设备。

背景技术

目前，煤层气井主要是靠“排水—降压”使煤层气解吸产出的。我国煤储层低渗的特点决定了在进行排采之前需要对煤储层进行改造，煤储层的非均质性、煤岩裂隙系统的复杂性、煤岩岩石力学性质与围岩力学性质的差异性导致储层改造时裂缝延伸、扩展的复杂性。水力压裂工艺技术因其货源广、价格低廉、压裂效果较好而成为目前煤储层改造的主要压裂液。但活性水的粘度低，因此，为增加压裂效果，提高裂缝的长度、宽度和有效支撑缝高和缝长，支撑剂颗粒越来越大，压裂排量越来越大，压裂液量也越来越多，同样的地应力、煤岩强度等条件下，压裂规模大时造成的施工压力也越来越高，突破煤层顶底板的可能性越来越大。当煤层顶、底板一定距离内有含水层存在时，容易沟通含水层，当煤层与含水层沟通时，排采时含水层中的水会源源不断地通过煤层流向井筒，不仅增加了降液困难，更重要的是排采时煤层主要起到了流水通道的作用，即让含水层的水通过煤层流向井筒，而不能在煤层中形成有效的压力传递，这样就不能使煤储层中的压力降低到临界解吸压力以下，不能使煤储层中的吸附气转变成游离气，进而失去排采的意义，不仅造成工程的浪费，而且影响煤层气产业在人们心目中的信心，制约着煤层气产业的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对含水层距离煤层很近，在压裂过程中可能沟通含水层的情况，为了水力压裂时不使煤层与围岩的含水层沟通，真正实现煤储层压裂改造的地面压裂封堵含水层用封堵设备。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种地面压裂封堵含水层用封堵设备，包括压裂封堵进料系统、搅拌系统和出料系统，压裂封堵进料系统包括两套进料管路，第一进料管路包括与第一液罐连接的第一压裂泵车，第二进料管路包括与第二液罐连接的第二压裂泵车；搅拌系统包括井口处设置的搅拌仓，搅拌仓内设有与动力装置连接的搅拌叶片；出料系统包括位于搅拌仓下侧且与搅拌仓连通的套管，套管下部管壁设置孔眼，套管下部位于井下；所述第一压裂泵车、第二压裂泵车分别通过第一高压软管、第二高压软管与搅拌仓连通。

所述动力装置包括表面设置叶轮的转盘，所述第一高压软管和/或第二高压软管通过导流管的管口正对叶轮，所述转盘与搅拌叶片传动连接。

所述转盘和叶轮均竖向设置，导流管的管口位于转盘叶轮的上侧，转盘转轴与搅拌叶片转轴之间通过一对锥齿轮传动连接，搅拌叶片的叶面正面方向朝向套管。

所述第一液罐为至少并联设置的三个，第一压裂泵车也至少并联设置三个，所有第一液罐的进料口均连通于第一低压管汇的一侧管壁，所有第一压裂泵车的进料口均连通于第一低压管汇的另一侧管壁，所有第一压裂泵车的出料口均与第一高压管汇连通，第一高压管汇通过第一高压软管与搅拌仓连通；所述第二液罐为至少并联设置的三个，第二压裂泵车也至少并联设置三个，所有第二液罐的进料口均连通于第二低压管汇的一侧管壁，所有第二压裂泵车的进料口均连通于第二低压管汇的另一侧管壁，所有第二压裂泵车的出料口均与第二高压管汇连通，第二高压管汇通过第二高压软管与搅拌仓连通。

每个第一液罐均设置控制阀，每个第二液罐也均设置有控制阀；在第一高压软管上依次设置有流量计和压力表，在第二高压软管上也依次设置有流量计和压力表。

所述搅拌仓位于套管的顶端管口内，搅拌仓正对搅拌叶片的底端设置出料口。

本发明的有益效果为：第一、第二压裂泵车主要是封堵时提供动力；第一液灌和第二液罐，分别用来盛装不同的液体，通过一定配比混合，则可制作成封堵剂；管汇主要是把几台压裂车并联到一起，使排量增大；搅拌器主要是把几种液体混合均匀，进而起到封堵的作用。高压软管主要是把各种压裂泵车、液罐等进行连接；压裂井口主要起到使井筒成为密闭系统，加压压裂目的层的作用。压力传感器、流量传感器等，主要对泵注时的压力、流量进行采集。混合液体进入套管后从套管的孔眼注入含水层和煤储层之间。

通过在含水层和煤储层之间注浆，形成一种屏障，既阻止了水流向煤储层的流动，又可以避免压裂过程中压裂含水层。从而达到隔水的效果，这样不仅可以减低压裂的难度，而且对后期的排采也比较有利。

本发明针对水力压裂时易压裂煤层临近的含水层的问题，根据含水层与煤层位置、中间夹层岩石力学性质、煤层力学性质等的差异性，设计出不同配比的封堵剂，采用合理的泵注程序进行泵注，从而达到封隔含水层与煤层的目的，使水力压裂时真正改造煤储层，增加煤储层的导流能力，提高煤层气井产气量。

（1）地面压裂封堵含水层能把煤层顶、底板一定距离的含水层与煤层进行隔离，减少了产水量，使煤层中的压力更容易下降。

（2）封堵含水层后，使煤层气井压裂时煤储层改造效果更好，产气效果更好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

由图1所示的一种地面压裂封堵含水层用封堵设备，包括压裂封堵进料系统、搅拌系统和出料系统，压裂封堵进料系统包括两套进料管路，第一进料管路包括与第一液罐1A连接的第一压裂泵车4A，第二进料管路包括与第二液罐1B连接的第二压裂泵车4B, 第一液罐1A为至少并联设置的三个，第一压裂泵车4A也至少并联设置三个，所有第一液罐1A的进料口均连通于第一低压管汇3A的一侧管壁，所有第一压裂泵车4A的进料口均连通于第一低压管汇3A的另一侧管壁，所有第一压裂泵车4A的出料口均与第一高压管汇5A连通；所述第二液罐1B为至少并联设置的三个，第二压裂泵车4B也至少并联设置三个，所有第二液罐1B的进料口均连通于第二低压管汇3B的一侧管壁，所有第二压裂泵车4B的进料口均连通于第二低压管汇3B的另一侧管壁，所有第二压裂泵车4B的出料口均与第二高压管汇5B连通。每个第一液罐1A与第一低压管汇3A连接的高压软管上均设置控制阀2，每个第二液罐1B与第二低压管汇3B连接的高压软管上也均设置有控制阀2；在第一高压软管15A上依次设置有流量计6和压力表7，在第二高压软管15B上也依次设置有流量计6和压力表7。

搅拌系统包括井口处设置的搅拌仓13，搅拌仓13内设与动力装置连接的搅拌叶片17；所述动力装置包括表面设置叶轮9的转盘8，所述第二压裂泵车4B的第二高压软管15B通过导流管22的管口正对叶轮9，转盘8与搅拌叶片17传动连接,所述转盘8和叶轮9均竖向设置，导流管22的管口位于转盘8叶轮9的上侧，转盘转轴12与搅拌叶片转轴18之间通过一对锥齿轮14传动连接，搅拌叶片17的叶面正面方向朝向套管16。转盘转轴12、搅拌叶片转轴18分别通过两支撑架10设置于搅拌仓13内, 转盘转轴12、搅拌叶片转轴18与两支撑架10之间分别设置轴承11,所述第一压裂泵车4A、第二压裂泵车4B分别通过第一高压软管15A、第二高压软管15B与搅拌仓13连通,即第一高压管汇5A通过第一高压软管15A与搅拌仓13连通；第二高压管汇5B通过第二高压软管15B和导流管22与搅拌仓13连通。

出料系统包括位于搅拌仓13下侧且与搅拌仓13连通的套管16，套管16下部管壁设置孔眼19，套管16下部位于井下,所述搅拌仓13位于套管16的顶端管口内，搅拌仓13正对搅拌叶片17的底端设置出料口23。

工作时，混合液体从搅拌仓13进入套管16后从套管16的孔眼19注入含水层20和煤储层21之间。通过在含水层20和煤储层21之间注浆，形成一种屏障，即阻止了水流向煤储层21的流动，又可以避免压裂过程中压裂含水层20。从而达到隔水的效果，这样不仅可以减低压裂的难度，而且对后期的排采产生有利影响。压裂泵车可采用石油上压裂时常用的HQ2000型压裂车，为保证压裂封堵时能达到一定的排量，需要几台压裂泵车通过高压软管并联。

液罐主要是用钢板焊接成的长方体的容器，第一液罐1A、第二液罐1B中主要盛放不同的封堵剂。压裂时液罐可并排排放，也可上下两层叠置排放。一定数量的液罐保证满足封堵剂量的需要。

搅拌系统通过由第二高压软管15B注入的流体冲击叶轮9带动转盘8转动，转盘8通过转盘转轴12带动一对锥齿轮14，锥齿轮14的被动齿轮通过搅拌叶片转轴18带动搅拌叶片17旋转，旋转起来的搅拌叶片17不断搅拌液体，达到混合均匀的目的。支撑架10为中间空的钢板，使封堵剂必须经过搅拌混合才能进入井筒的套管16内。

高压软管主要是把各种压裂泵车、液罐等进行连接；压裂井口主要起到使井筒成为密闭系统，加压压裂目的层的作用。

当然，本发明不拘泥于上述形式，可使第二高压软管15B和/或第一高压软管15A通过导流管22的管口正对叶轮9，也可将第一、第二液罐1B，第一压裂泵车4A、第二压裂泵车4B为并联数量大于三个的多个。

具体泵注程序设计如下：

1）封堵压裂储层选择

当含水层20距离煤层较远，或在需要改造的煤层下方一定距离时，压裂煤层时不会沟通煤层与含水层20，此种情况不需要封堵含水层20。当含水层20在煤层的上方时，且煤层与含水层20间有厚泥岩夹层时，此种情况压裂煤层时，不会沟通含水层20，也不需要进行封堵。当含水层20位于煤层上方且中间未有厚层泥岩层，有砂岩或砂质泥岩夹层时，可实施水力封堵。当含水层20位于煤层下方，且距离不超过15m时，中间未夹有厚层泥岩时，也可实施水力封堵。

表1 地面水力压裂封堵含水层20的基本条件

2）封堵剂配方

封堵剂由糖醛、尿素、硫酸和水组成。砂岩层、砂质泥岩层所处的埋深不同，封堵剂的配方也不同。不同埋深下各种材料配比见下表。

表2 不同埋深下的封堵剂配方

Figure 2011100280206100002DEST_PATH_IMAGE002

3）射孔选择

当压裂层段厚度小于2.5m 时，采用32孔/m进行加密射孔；当压裂层段厚度大于 2.5m 时，采用24孔/ m进行射孔。

4）液量选择

当压裂层段厚度小于2.5m 时，压裂封堵剂量在250m³；当压裂层段厚度为2.5～3m时，压裂封堵剂量在300m³；当压裂层段厚度为3～5m时，压裂封堵剂量在350m³；当压裂层段厚度为>5m时，压裂封堵剂量在400m³。

5）设备清单

表 3 地面压裂封堵含水层20设备一览表

设备名称	型号	单位	数量	备注
					压裂车	HQ-2000	台	6
高压管汇	FMC	台	1
					高压管	无	米	180
水罐	无	个	18	每个50m³
					仪表车	LXJ001型	台	1
混合搅拌器		个	1	自制
					传感器	QY620	个	18	压力传感器、流量传感器、密度传感器
封堵剂	无			糖醛、尿素、硫酸、水组成
					采油树	350型或600型	台	1

6）泵注程序

首先根据压裂层段厚度，确定出总液量；再根据埋深，确定出糖醛、尿素和硫酸的量；把糖醛、硫酸和水按照一定的比例进行配置在A液罐内；把尿素和水按照比例配置在B液罐内。配好后，根据压裂层段厚度，确定出二者的比例；此时，开启压裂车，一般情况下排量达到8m³/min左右，根据两比例不同，排量稍有区别，通过调节排量调节二者的比例，进行封堵注入操作，直到结束。

5．施工工艺流程

（1）把压裂层段以下部分用细砂填充。

（2）动迁作业机及相关设备，根据压裂要求进行射孔操作。

（3）动迁压裂设备及相关设备到井场，并进行安装调试。

（4）检查钻、完井井口，安装350型压裂井口，并固定。

（5）按规定要求进行封堵剂配置。

（6）按照设计要求摆放压裂车及配合施工车辆，接双套泵注管线，连接各种管路后进行循环，检查设备运行情况。

（7）按照施工设计进行封堵作业操作。

（8）立刻拆卸350型压裂井口，安装井口作业封井器，做洗井准备。

（9）下冲砂洗井管柱，用清水进行冲洗井作业，冲洗时间不少于1小时。

（10）起出冲洗井管柱，等2天后用通井规检查井筒，若不平滑，当下不到底时，则需进行钻井操作；比较平滑时，取出通井规。

（11）进行冲砂洗井作业，把封堵层以下部分砂冲出，等待射煤层段，进行煤层段压裂作业。

6．安全防护

（1）严格按作业井安全操作规程和环境保护规定进行施工作业。

（2）起下管柱时，司钻密切注意悬重变化，严禁猛放、猛提，特别是下大直径工具时，下放速度要控制在30根/h，防卡、防掉。

（3）起下管柱时,涂好密封脂,打好背钳,特别是管柱带有大直径工具时，要防止管柱转动，避免工具退扣落井。

（4）井场不得有明火，禁止吸烟；施工区内应配备充足的消防器具。

（5）压裂井口要用绷绳绷紧，用地锚固定；放喷管线用油管连接，不准用软管线，出口在下风口，距井口30m以外，每10m用一支地锚固定。

（6）压裂时要划定明显的施工区域，非参与施工人员和指挥、监督人员不得进入施工区域。

（7）管柱下入射孔井段，要轻提轻放，密切观察指重计变化，起下速度均控制在10根/h以内，防止卡钻事故发生。

（8）采油树配件齐全，不渗不漏，悬挂器胶皮保持完好，悬挂器涂抹黄油。

（9）入井管柱、工具要清洁完好，丈量准确,杜绝安全隐患。

（10）下井油管要求涂抹铅油，完井管柱则按要求清洗好油管内外螺纹，并涂好密封胶。

（11）所有上井施工人员在施工区内一律按要求穿戴整齐劳动防护用品，非施工人员不得进入井场。

Claims

1.一种地面压裂封堵含水层用封堵设备，其特征在于：包括压裂封堵进料系统、搅拌系统和出料系统，压裂封堵进料系统包括两套进料管路，第一进料管路包括与第一液罐连接的第一压裂泵车，第二进料管路包括与第二液罐连接的第二压裂泵车；搅拌系统包括井口处设置的搅拌仓，搅拌仓内设有与动力装置连接的搅拌叶片；出料系统包括位于搅拌仓下侧且与搅拌仓连通的套管，套管下部管壁设置孔眼，套管下部位于井下；所述第一压裂泵车、第二压裂泵车分别通过第一高压软管、第二高压软管与搅拌仓连通，搅拌叶片的叶面正面方向朝向套管，所述搅拌仓位于套管的顶端管口内，搅拌仓正对搅拌叶片的底端设置出料口。

2.如权利要求1所述的地面压裂封堵含水层用封堵设备，其特征在于：所述动力装置包括表面设置叶轮的转盘，所述第一高压软管和/或第二高压软管通过导流管的管口正对叶轮，所述转盘与搅拌叶片传动连接。

3.如权利要求2所述的地面压裂封堵含水层用封堵设备，其特征在于：所述转盘和叶轮均竖向设置，导流管的管口位于转盘叶轮的上侧，转盘转轴与搅拌叶片转轴之间通过一对锥齿轮传动连接。

4.如权利要求1-3任一项所述的地面压裂封堵含水层用封堵设备，其特征在于：所述第一液罐为至少并联设置的三个，第一压裂泵车也至少并联设置三个，所有第一液罐的进料口均连通于第一低压管汇的一侧管壁，所有第一压裂泵车的进料口均连通于第一低压管汇的另一侧管壁，所有第一压裂泵车的出料口均与第一高压管汇连通，第一高压管汇通过第一高压软管与搅拌仓连通；所述第二液罐为至少并联设置的三个，第二压裂泵车也至少并联设置三个，所有第二液罐的进料口均连通于第二低压管汇的一侧管壁，所有第二压裂泵车的进料口均连通于第二低压管汇的另一侧管壁，所有第二压裂泵车的出料口均与第二高压管汇连通，第二高压管汇通过第二高压软管与搅拌仓连通。

5.如权利要求4所述的地面压裂封堵含水层用封堵设备，其特征在于：每个第一液罐均设置控制阀，每个第二液罐也均设置有控制阀；在第一高压软管上依次设置有流量计和压力表，在第二高压软管上也依次设置有流量计和压力表。