CN104675374B - 非常规co2压裂的现场施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非常规CO2压裂的现场施工工艺，包括步骤（1）压裂车的准备；（2）CO2增压泵车与CO2储罐、主压裂车的连接；（3）高压管线的连接；（4）试压；（5）清扫高压管线；（6）循环冷泵；（7）CO2压裂施工；（8）放压。本发明可以消除结干冰的风险，同时消除膨胀爆炸风险，保证安全的完成非常规的CO2压裂施工。
Description
技术领域
本发明涉及油气田的压裂技术，特别涉及非常规CO2压裂的现场施工工艺。
背景技术
压裂是地层增产改造的主要手段，而油田除常规压裂外，还有CO2增能压裂、CO2泡沫压裂、纯CO2压裂等非常规CO2压裂增产措施。非常规CO2压裂与常规压裂相比较，具有以下优点：
常规压裂以水基压裂液为主，由于压裂液的表面张力大，压后反排困难，或不能完全反排，对地层伤害大。而CO2压裂降低了压裂液的表面张力，还为压后工作液返排提供了气体驱替作用，有助于压裂液的迅速反排并且对地层的伤害较少。
常规压裂的水基压裂液在地层中滤失较大，严重影响压裂液的工作效率。而CO2压裂能较好的控制液体滤失，提高压裂液效率。
常规压裂的水基压裂液用量多，在地层中滤失较大，压后反排困难，对地层伤害大。而CO2压裂减少了水基压裂液的用液量。
常规压裂的水基压裂液中，为了延时交联，通过添加强碱性的化工料，将压裂液的PH值调整到9-11左右。而CO2压裂中，CO2与水反应产生碳酸，有效地降低了系统的总pH值，降低了压裂液对基质的伤害。
由于非常规CO2压裂技术存在低温、高压等特性，所以其工艺流程也就不同于常规压裂。目前国内外油田市场对于CO2增能压裂、CO2泡沫压裂、纯CO2压裂的应用在逐步增多。
CO2压裂工艺既是是一种清洁的压裂，又是一种高风险的压裂工艺，它的风险是由CO2的物理特性所决定的：CO2在-56.6℃和0.531Mpa（绝对）的条件下，气相、液相、固态三种形态同时存在，在低于0.531Mpa(绝对) CO2以固体(干冰)或是气体的形态存在,高于30.6℃和7.5Mpa（绝对）时，它将以气体的形态存在。进行CO2压裂时，存在CO2结干冰的风险，进而可能发生干冰膨胀爆炸。严重影响CO2压裂的安全高效生产。
发明内容
为了克服采用CO2压裂工艺存在的高风险，本发明提供一种非常规CO2压裂的现场施工工艺，能够安全高效的完成CO2压裂， 同时将CO2压裂的风险降到可控范围内。
本发明通过如下技术方案实现：
一种非常规CO2压裂的现场施工工艺，包括以下步骤：
（1）主压裂车的准备：上水室、大泵泵腔的清洁；
（2）CO2增压泵车与CO2储罐、主压裂车的连接：利用钢丝软管将CO2储罐、主压裂车分别与CO2增压泵车进行连接；
（3）高压管线的连接：利用CO2高压管线、各种阀门及高压三通进行各主压裂车到井口的连接；
（4）试压：试压：利用液氮泵车对连接好的CO2高压管线试压，至压裂施工设计要求的标准数值；
（5）清扫高压管线：利用气相CO2清扫高压管线，吹干高压管线内的水汽；
（6）循环冷泵：利用液相CO2循环至各主压裂车的上水室及大泵，使整体结霜、地面管线结霜。
（7）CO2压裂施工：开启CO2增压泵车的增压泵，关闭CO2增压泵车上的回流阀门，保持液相CO2排出压力大于吸入压力20pis，为各主压裂车通入液相CO2，仪表车根据施工设计，逐步给各主压裂车挂档，达到压裂施工设计的排量，通过开关CO2增压泵车上气液分离罐的三个球阀来控制气液分离罐内的液相CO2液面。
（8）放压：施工结束后，逐步放出液相CO2，放压至零。
其中，步骤（1）主压裂车的准备，具体包括以下内容：
提前一天清洗各主压裂车的上水室、大泵泵腔，去除砂子杂物，同时吹干水分并擦拭；然后更换凡尔胶皮、凡尔头及凡尔座，大、小上水室之间更换为由壬连接，清洗并檫干大上水室的放液口，涂抹黄油，加装厚胶皮垫子并砸紧；最后在小上水室的顶部安装一个直径为3/4〞的球阀。
步骤（2）CO2增压泵车与CO2储罐、主压裂车的连接是通过以下方法实现的：
液相CO2储存于CO2储罐中，CO2储罐的液相阀门通过CO2液相钢丝软管与CO2增压泵车吸入管汇的液相接口连接，CO2储罐的气相阀门通过CO2气相钢丝软管与CO2增压泵车吸入管汇的气相接口连接，CO2增压泵车的排出管汇通过CO2液相钢丝软管分别与各主压裂车的上液口连接。
在步骤（3）高压管线的连接之前，将高压管线阀件的密封橡胶垫圈全部取出，浸泡在-20﹟柴油中，清洁高压管线与阀件的丝扣，并用-20﹟柴油冲洗，然后进行安装，采用由壬圈连接，并砸紧。
步骤（3）高压管线的连接的连接方式如下：
高压管线从井口开始连接，通过法兰与弯头连接3〞×3〞×3〞歧管三通，歧管三通一路与常规水基压裂液的压裂车高压排出端连接，另一路依次连接单流阀、手轮旋塞、3〞×2〞×3〞T型三通，T型三通的2〞口连接旋塞阀，另一路依次连接直管线和3〞×3〞×3〞歧管三通，此歧管三通的另两路连接顺序相同，为依次连接单流阀、旋塞阀、3〞×2〞×3〞T型三通至各主压裂车高压管线的出液口上，此处T型三通的2〞口均连接旋塞阀。
步骤（4）试压需关闭井口阀门，将任意一个3〞×2〞×3〞T型三通的2〞口旋塞阀卸掉，和液氮泵车连接，利用液氮泵车对整个CO2高压管线系统试压，试压至压裂施工设计所要求的标准，不允许有刺漏，试压合格后打开高压管线上余下的所有旋塞阀放压，并关闭手轮旋塞阀，再断开与液氮泵车连接的管线，并安装上旋塞阀。
步骤（5）清扫高压管线是通过以下过程实现的：
开启所有设备与车辆，打开CO2增压泵车吸入管汇、排出管汇连接管线的阀门，开启与CO2储罐连接的气相阀门，用气相CO2给所有连接的高低压管线、CO2增压泵车的气液分离罐备压，压力大于0.531Mpa；然后逐一开启各主压裂车小上水室上的3/4〞球阀，使低压管线内的水汽通过球阀随气相CO2排出，逐一开启高压管线上的旋塞阀，清扫高压管线。
步骤（6）循环冷泵是在清扫高压管线完成后，关闭3/4〞球阀、3〞手轮旋塞阀及所有的2〞旋塞阀，打开与CO2储罐连接的液相CO2阀门，再关闭气相CO2阀门，打开CO2增压泵车上气液分离罐的三个液位阀，待液相CO2的液位升至液位阀上后，启动CO2增压泵。然后逐步开启各压裂车后安装在T型三通上的2〞旋塞阀，形成循环通道，给一台主压裂车挂档，逐步提高发动机转速至变矩器锁定，控制压力在10Mpa以内；待此车运转平稳后，按相同要求再开启另一台主压裂车；循环至主压裂车的上水室及大泵，使之整体结霜，地面高压管线结霜。
步骤（8）放压需要先关闭井口闸门，打开与CO2储罐连接的气相CO2阀门，再关闭液相CO2阀门，通过3/4〞球阀、及所有的2〞旋塞阀，逐步放出液相CO2，放压过程中管线内的压力大于0.531Mpa；待所有的管线内没有液相CO2后，关闭气相CO2阀门，打开所有阀门放压至零，然后拆卸所有高低压管线阀件，并保养入库存放。
对于CO2增能压裂和CO2泡沫压裂，在循环冷泵的同时，关闭3〞手轮旋塞阀，将与连接常规水基压裂液体的主压裂车排空、试压、低替、座封，座封后以低排量维持座封压裂进行泵注，循环冷泵完成后，CO2一路的所有主压裂车停泵，快速关闭所有2〞旋塞阀、快速开启3〞手轮旋塞阀，再把连接CO2一路的所有主压裂车逐一挂档、提转速至变矩器锁定，然后将与常规水基压裂液连接的压裂车和CO2一端的主压裂车按设计提够排量，开始CO2压裂施工作业。
本发明采用CO2增压泵车实现CO2气液分离，控制排出压力，形成一套完整的CO2压裂施工工艺流程。由于液体CO2易结成干冰，液体CO2的气化后的膨胀率是1:556，严格控制CO2的压力＞0.7Mpa（绝对），使其高于CO2的三项临界点的压力0.531Mpa（绝对），消除在压裂过程中结干冰导致施工失败、放压过程中形成干冰膨胀爆炸的风险，保证安全地完成非常规的CO2压裂施工。
附图说明
图1为本发明连接关系的示意图；
其中：1：CO2储罐；2：CO2增压泵车；3：主压裂车；4：CO2液相管线；5：CO2气相管线；6：高压管线；7：旋塞阀；8：手轮旋塞阀；9：单流阀；10：3〞×3〞×3〞歧管三通；11：3〞×2〞×3〞T型三通；12：与常规水基压裂液的压裂车；13：井口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种非常规CO2压裂的现场施工工艺，包括以下步骤：
（1）主压裂车3的准备：上水室、大泵泵腔的清洁，防止上水室丝扣密封不严，在气相CO2吹扫管线时发生刺漏。具体包括以下内容：
提前一天清洗各主压裂车3的上水室、大泵泵腔，去除砂子等杂物，避免堵塞管路，同时吹干水分并擦拭。由于液相CO2的温度是-18℃，如果有水分存在，会瞬间结冰，造成大泵内凡尔头与凡尔座粘连不能分开，或因为结冰使凡尔头与凡尔座密封不严，大泵泵腔内高低压窜漏。然后更换凡尔胶皮、凡尔头及凡尔座，大、小上水室之间更换为由壬连接，清洗并檫干大上水室的放液口，涂抹黄油，加装厚胶皮垫子并砸紧，提高管路的密闭性，保证安全作业。另外，在小上水室的顶部安装一个直径为3/4〞的球阀，在吹扫管线和放压时使用，小直径是为了形成节流压力，避免放压时压力小于0.531MPa造成结干冰。
（2）CO2增压泵车2与CO2储罐1、主压裂车3的连接：利用钢丝软管将CO2储罐1、主压裂车3分别与CO2增压泵车2进行连接，主压裂车3的数目根据施工设计的排量来确定；CO2增压泵车2将CO2储罐1中的气相CO2泵入各主压裂车3中，提高主压裂车3内的压力，避免压力降低而出现结干冰的问题。具体连接方式如下：
液相CO2储存于CO2储罐1中，CO2储罐1的液相阀门通过CO2液相钢丝软管与CO2增压泵车2吸入管汇的液相接口连接，CO2储罐1的气相阀门通过CO2气相钢丝软管与CO2增压泵车2吸入管汇的气相接口连接，CO2增压泵车2的排出管汇通过CO2液相钢丝软管分别与各主压裂车3的上液口连接。
（3）高压管线6的连接：利用CO2高压管线、各种阀门及高压三通等进行各主压裂车3到井口13的连接。根据施工需要，通过各种阀门实现对CO2高压管线内压力的控制，保证安全生产。
在高压管线6连接之前，将高压管线阀件的密封橡胶垫圈全部取出，浸泡在-20﹟柴油中，清洁高压管线6与阀件的丝扣，并用-20﹟柴油冲洗，然后进行安装，采用由壬圈连接，并砸紧，保证管线密闭连接。
液相CO2的温度是-18℃。而-20﹟柴油有较好的抗低温性能，能够保持橡胶密封圈的柔性，并且能够润滑高压管阀件的丝扣，能有效防止橡胶密封圈突然遇冷变脆，失去密封作用。
如图1所示，高压管线6的连接方式如下：
高压管线6从井口开始连接，通过法兰与弯头连接3〞×3〞×3〞歧管三通10，歧管三通10一路与常规水基压裂液的压裂车12高压排出端连接，另一路依次连接单流阀9、手轮旋塞8、3〞×2〞×3〞T型三通11，T型三通的2〞口连接旋塞阀7，另一路依次连接直管线和3〞×3〞×3〞歧管三通10，此歧管三通10的另两路连接顺序相同，为依次连接单流阀9、旋塞阀7、3〞×2〞×3〞T型三通10至各主压裂车3高压管线6的出液口上，此处T型三通11的2〞口均连接旋塞阀7。上述单流阀9用于防止液体倒流，手轮旋塞8和旋塞阀7可以根据工艺需要，在吹扫管线和放压步骤中关闭高压管线6中的通道。
（4）试压：利用液氮泵车对连接好的CO2高压管线试压，至压裂施工设计要求的标准数值，保证地面高压管线6无刺漏。
试压需关闭井口13阀门，将任意一个3〞×2〞×3〞T型三通11的2〞口旋塞阀7卸掉，和液氮泵车连接，利用液氮泵车对整个CO2高压管线系统试压，试压至压裂施工设计所要求的标准，不允许有刺漏，试压合格后打开高压管线6上余下的所有旋塞阀7放压，并关闭手轮旋塞阀8，再断开与液氮泵车连接的管线，并安装上旋塞阀7。以此保证整个高压管线6的密闭性，确保安全作业。
（5）清扫高压管线6：利用气相CO2清扫高压管线6，以吹干高压管线6内的水汽。高速流动的气相CO2能够带走高压管线6内少量残留的水汽，防止水汽遇到液相CO2时结冰，造成堵塞，影响压裂施工。清扫高压管线6是通过以下过程实现的：
开启所有设备与车辆，打开CO2增压泵2车吸入管汇、排出管汇连接管线的阀门，开启与CO2储罐1连接的气相阀门，用气相CO2给所有连接的高低压管线、CO2增压泵车2的气液分离罐备压，压力大于0.531MPa，避免CO2结为干冰，防止干冰的膨胀爆炸。上述低压管线包括CO2储罐1与CO2增压泵车2所连接的液相管线，CO2增压泵车2排出管汇与主压裂车3上水室连接的管线。然后逐一开启各主压裂车3小上水室上的3/4〞球阀，使低压管线内的水汽通过球阀随气相CO2排出。逐一开启高压管线6上的旋塞阀7，清扫高压管线6，以吹干高压管线6内的水汽。
（6）循环冷泵：利用液相CO2循环至各主压裂车3的上水室及大泵，使整体结霜、地面管线结霜。循环冷泵使大泵、高压管线6的各阀件逐步冷却，内外温度一直，以防止在承受高压时，大泵、高压管线6的各阀件破裂。由于循环冷泵是从大泵、高压管线6的各阀件的内侧降温开始，所以只要观察到大泵、高压管线6的各阀件外部结霜，说明已经达到循环冷泵的效果。
循环冷泵是在清扫高压管线6完成后，关闭3/4〞球阀、3〞手轮旋塞阀8及所有的2〞旋塞阀7，打开与CO2储罐1连接的液相CO2阀门，再关闭气相CO2阀门，打开CO2增压泵车2上气液分离罐的三个液位阀，待液相CO2的液位升至液位阀上后，启动CO2增压泵。然后逐步开启各压裂车3后安装在T型三通上11的2〞旋塞阀7，形成循环通道，给一台主压裂车3挂档，逐步提高发动机转速至变矩器锁定，保护变矩器，控制压力在10Mpa以内，能够在较低的压力状态下观察大泵的工作状况是否正常。待此车运转平稳后，按相同要求再开启另一台主压裂车3。逐一开启主压裂车3能够观察每一台主压裂车3是否工作正常，平稳操作，保证安全施工。最终循环至主压裂车3的上水室及大泵，使之整体结霜，地面高压管线结霜。
（7）CO2压裂施工：开启CO2增压泵车2的增压泵，关闭CO2增压泵车2上的回流阀门，保持液相CO2排出压力大于吸入压力20pis，为各主压裂车3通入液相CO2，仪表车根据施工设计，逐步给各主压裂车3挂档，达到压裂施工设计的排量，通过开关CO2增压泵车2上气液分离罐的三个球阀来控制气液分离罐内的液相CO2液面，以保证通过CO2增压泵车2上增压泵的是液相CO2。
（8）放压：施工结束后，逐步放出液相CO2，放压至零。
关闭井口13闸门，打开与CO2储罐1连接的气相CO2阀门，再关闭液相CO2阀门，通过3/4〞球阀、及所有的2〞旋塞阀7，逐步放出液相CO2，放压过程中管线内的压力大于0.531MPa，防止CO2结干冰。待所有的管线内没有液相CO2后，关闭气相CO2阀门，打开所有阀门放压至零，然后拆卸所有高低压管线6阀件，并保养入库存放。
采用上述非常规CO2压裂的现场施工方法，对于CO2增能压裂和CO2泡沫压裂，在循环冷泵的同时，关闭3〞手轮旋塞阀8，将与连接常规水基压裂液体的主压裂车12排空、试压、低替、座封，座封后以低排量维持座封压裂进行泵注，循环冷泵完成后，CO2一路的所有主压裂车3停泵，快速关闭所有2〞旋塞阀7、快速开启3〞手轮旋塞阀8，保持大泵、高压管线6内的压力，防止液相CO2气化，使大泵不能正常工作。再把连接CO2一路的所有主压裂车3逐一挂档、提转速至变矩器锁定，然后将与常规水基压裂液连接的压裂车12和CO2一路的主压裂车3按设计提够排量，开始CO2压裂施工作业。
由于液相CO2易结成干冰，液体CO2的气化后的膨胀率是1:556，采用CO2压裂工艺流程，严格控制CO2的压力＞0.7Mpa（绝对），使其高于CO2的三项临界点的压力0.531Mpa（绝对），消除结干冰的风险，也就消除了干冰膨胀爆炸风险，保证安全的完成非常规的CO2压裂施工。本发明通过CO2增压泵车实现对CO2压力的控制，防止液体CO2结成干冰，消除干冰膨胀爆炸的风险，实现安全高效的压裂施工。
本发明采用CO2增压泵车2实现CO2气液分离，控制排出压力，形成一套完整的CO2压裂施工工艺流程，消除在压裂过程中结干冰导致施工失败、放压过程中形成干冰膨胀爆炸的风险，保证安全地完成非常规的CO2压裂施工。
本实施例没有详细叙述的部件和工艺属本行业的公知部件和用手段，这里不一一叙述。
Claims (1)
1.非常规CO2 压裂的现场施工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）主压裂车的准备：上水室、大泵泵腔的清洁；
（2）CO2 增压泵车与CO2 储罐、主压裂车的连接：利用钢丝软管将CO2 储罐、主压裂车分别与CO2 增压泵车进行连接；
（3）高压管线的连接：利用CO2 高压管线、各种阀门及高压三通进行各主压裂车到井口的连接；
（4）试压：试压：利用液氮泵车对连接好的CO2 高压管线试压，至压裂施工设计要求的标准数值；
（5）清扫高压管线：利用气相CO2 清扫高压管线，吹干高压管线内的水汽；
（6）循环冷泵：利用液相CO2 循环至各主压裂车的上水室及大泵，使整体结霜、地面管线结霜；
（7）CO2 压裂施工：开启CO2 增压泵车的增压泵，关闭CO2 增压泵车上的回流阀门，保持液相CO2 排出压力大于吸入压力20pis，为各主压裂车通入液相CO2，仪表车根据施工设计，逐步给各主压裂车挂挡，达到压裂施工设计的排量，通过开关CO2 增压泵车上气液分离罐的三个球阀来控制气液分离罐内的液相CO2 液面；
（8）放压：施工结束后，逐步放出液相CO2，放压至零；
其中，步骤（1）主压裂车的准备，具体包括以下内容：提前一天清洗各主压裂车的上水室、大泵泵腔，去除砂子杂物，同时吹干水分并擦拭；然后更换凡尔胶皮、凡尔头及凡尔座，大、小上水室之间更换为由壬连接，清洗并擦干大上水室的放液口，涂抹黄油，加装厚胶皮垫子并砸紧；最后在小上水室的顶部安装一个直径为3/4〞的球阀；
步骤（2）CO2增压泵车与CO2 储罐、主压裂车的连接是通过以下方法实现的：液相CO2 储存于CO2 储罐中，CO2 储罐的液相阀门通过CO2 液相钢丝软管与CO2 增压泵车吸入管汇的液相接口连接，CO2 储罐的气相阀门通过CO2 气相钢丝软管与CO2 增压泵车吸入管汇的气相接口连接，CO2 增压泵车的排出管汇通过CO2 液相钢丝软管分别与各主压裂车的上液口连接；
在步骤（3）高压管线的连接之前，将高压管线阀件的密封橡胶垫圈全部取出，浸泡在-20﹟柴油中，清洁高压管线与阀件的丝扣，并用-20﹟柴油冲洗，然后进行安装，采用由壬圈连接，并砸紧；
步骤（3）高压管线的连接的连接方式如下：高压管线从井口开始连接，通过法兰与弯头连接3〞×3〞×3〞歧管三通，歧管三通一路与常规水基压裂液的压裂车高压排出端连接，另一路依次连接单流阀、手轮旋塞、3〞×2〞×3〞T 型三通，T 型三通的2〞口连接旋塞阀，另一路依次连接直管线和3〞×3〞×3〞歧管三通，此歧管三通的另两路连接顺序相同，为依次连接单流阀、旋塞阀、3〞×2〞×3〞T 型三通至各主压裂车高压管线的出液口上，此处T 型三通的2〞口均连接旋塞阀；
步骤（4）试压需关闭井口阀门，将任意一个3〞×2〞×3〞T 型三通的2〞口旋塞阀卸掉，和液氮泵车连接，利用液氮泵车对整个CO2 高压管线系统试压，试压至压裂施工设计所要求的标准，不允许有刺漏，试压合格后打开高压管线上余下的所有旋塞阀放压，并关闭手轮旋塞阀，再断开与液氮泵车连接的管线，并安装上旋塞阀；
步骤（5）清扫高压管线是通过以下过程实现的：开启所有设备与车辆，打开CO2 增压泵车吸入管汇、排出管汇连接管线的阀门，开启与CO2 储罐连接的气相阀门，用气相CO2 给所有连接的高低压管线、CO2 增压泵车的气液分离罐备压，压力大于0.531Mpa ；然后逐一开启各主压裂车小上水室上的3/4〞球阀，使低压管线内的水汽通过球阀随气相CO2 排出，逐一开启高压管线上的旋塞阀，清扫高压管线；
步骤（6）循环冷泵是在清扫高压管线完成后，关闭3/4〞球阀、3〞手轮旋塞阀及所有的2〞旋塞阀，打开与CO2 储罐连接的液相CO2 阀门，再关闭气相CO2 阀门，打开CO2 增压泵车上气液分离罐的三个液位阀，待液相CO2 的液位升至液位阀上后，启动CO2 增压泵；然后逐步开启各压裂车后安装在T 型三通上的2〞旋塞阀，形成循环通道，给一台主压裂车挂挡，逐步提高发动机转速至变矩器锁定，控制压力在10Mpa 以内；待此车运转平稳后，按相同要求再开启另一台主压裂车；循环至主压裂车的上水室及大泵，使之整体结霜，地面高压管线结霜；
步骤（8）放压需要先关闭井口闸门，打开与CO2 储罐连接的气相CO2 阀门，再关闭液相CO2 阀门，通过3/4〞球阀、及所有的2〞旋塞阀，逐步放出液相CO2，放压过程中管线内的压力大于0.531Mpa ；待所有的管线内没有液相CO2 后，关闭气相CO2 阀门，打开所有阀门放压至零，然后拆卸所有高低压管线阀件，并保养入库存放。
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