CN107630693B - 一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置，由压裂系统、收集系统和液体输送系统组成，液体输送系统将压裂液输送进入水平井筒内的压裂套管，增压部分压裂系统通过控制高压塞来挤压压裂液产生井下高压压裂岩层，最后由集气系统进行页岩气的收集。本发明用电动方式产生高压，控制高压塞的运动来压缩压裂液产生高压，电的输送成本低于高压水的输送成本，且能减少沿程能量损失；由于每个压裂装置都能独立完成压裂作业，可通过在水平井筒布置多个压裂装置实现分段压裂，从而压开多条裂缝，缩短生产时间，降低成本；耗水量低于传统的水力压裂方法，避免水资源浪费；本发明装置工作过程运行稳定，安全可靠，可控性强，能够对压裂压力及时控制。
Description
技术领域
本发明涉及页岩气开采领域，尤其关于页岩水力压裂技术，是一种电动水力压裂装置。
背景技术
能源危机日益严峻，同时化石燃料过度燃烧造成严重的环境问题，寻找新的可替代能源迫在眉睫。由美国掀起的页岩气革命将页岩气这种非常规天然气带入了人们的视野，页岩气全球储量大、分布广，能够极大地改写世界能源格局。
目前，页岩气的开采已经成为全球资源开发的热点问题。所谓页岩气指的是保留在石油岩层中的天然气，与“煤层气”、“致密气”同属一类。由于页岩气藏基岩非常致密，有效孔喉半径小、渗透率很低，90％以上的页岩气井需要采取压裂等增产措施。所以，岩层压裂技术对页岩气的开采显得尤为重要。
目前，水力压裂技术是页岩气开采的核心技术之一，已得到极大发展。水力压裂就是指向井内泵入高压液体，有资料表明，当气藏深1880m时，闭合压力可达33MPa，破裂压力高达40MPa，高压液体产生的井内高压压裂岩层，从而使页岩气流入井内的技术。以水力压裂技术为基础，逐渐发展产生的清水压裂技术、水平井分段压裂技术、重复压裂技术以及同步压裂技术等压裂先进技术的规模化应用大幅度提高了页岩气井产量，极大地促进了页岩气产业的快速发展。
但所有的水力压裂技术都需要向井下泵入高压液体，中间沿程损失大，能耗高，并不符合我国发展国情，尤其在环保呼声愈发高涨的今天，水力压裂技术存在的问题显得更加突出，造成页岩气开采成本和能耗过高。申请号为CN191510651290.0的中国专利(一种应用于页岩气开采的岩层蒸汽压裂装置)提出采用电磁感应加热的方式，产生高压蒸汽代替高压水来进行岩层压裂，该装置不需要压裂液，避免了对地下水的污染，加热速度快，沿程损失少。但该装置对原水力压裂方法改动大，在实际应用中实现难度大。
发明内容
为解决上述问题，本发明在现有水力压裂技术基础上，提出一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置，该装置仍保留原水力压裂原理，但泵入的液体为常压压裂液，通过电动增压，避免沿程能量损失。该装置在现有水力压裂基础上进行优化，改动成本低，电能的输送比高压液体的输送更容易实现，且沿程损失低，降低页岩气开采能耗及成本，符合节能减排的要求。
为实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置，由压裂系统、收集系统和液体输送系统组成，液体输送系统将压裂液输送进入水平井筒内的压裂套管，增压部分压裂系统通过控制高压塞来挤压压裂液产生井下高压压裂岩层，最后由集气系统进行页岩气的收集。
竖直井筒从地面延伸至地下深处，地面装置位于竖直井筒的地面端；压裂作业在水平井筒完成，水平井筒上有压裂装置，将岩层压出裂缝，收集页岩气。
液体输送系统由液体输送管、储水池、潜水泵和加料口组成，储水池位于地面，潜水泵放置于储水池中，潜水泵将储水池中的水输送进入液体输送管，在经过加料口时，添加支撑剂，得到压裂液，压裂液通过液体输送管进入水平井筒，并通过入口阀进入压裂系统。
压裂系统由压裂套管、入口阀、水平井筒、出口阀、丝杠、丝母、压裂孔、导线、电机、高压塞、推杆、电源、支撑弹簧和高压密封圈组成。压裂套管位于水平井筒内部，压裂套管两端开口，管壁上有压裂孔，压裂孔处设有出口阀，其他装置均置于压裂套管内部；导线连接地面的电源，控制电机工作，电机带动丝杠高速旋转，从而带动丝母高速旋转并水平运动，其中，丝杠两端螺纹旋向相反，使丝杠两端的丝母相向运动；推杆和高压塞连接为一体，套在丝杠的光杆部分，位于丝母内侧，支撑弹簧套在丝杠中间，两端抵着高压塞，在支撑弹簧的作用下，推杆另一端紧靠在丝母上；高压塞与压裂套管内表面、丝杠的接触面分别装有高压密封圈，一方面使两个高压塞之间形成密封腔，同时避免压裂液中的支撑剂进入丝杠的螺纹处，影响丝杠与丝母的配合。压裂系统产生的高压通过压裂孔释放，压裂岩层，裂缝形成后需要进行页岩气的收集。入口阀和出口阀都是单向阀，入口阀只允许流体从液体输送管进入压裂套管，在压裂套管内压力高于水平井筒内压力时关闭；出口阀只允许流体从压裂套管内流出，在压裂套管内压裂达到20MPa时开启
收集系统包括集气管、集气阀、气液转换控制阀、清水罐、抽气泵、气液分离装置和储气罐。压裂孔处的压裂套管上连接集气管，集气管由集气阀控制，通过抽气泵进行页岩气收集，收集到的页岩气先通过气液分离装置进行处理，再储存在储气罐中，进行后续加工利用。为避免压裂过程中高压水进入集气管，在压裂阶段将集气管内通水，由气液转换控制阀控制抽气泵或清水罐上泵的工作。集气阀是单向阀，只允许流体从裂缝进入集气管，在抽气泵打开后集气管内压力升高，集气阀开启。
电动水力压裂装置正常工作时，首先泵入压裂液，打开潜水泵，压裂液沿液体输送管进入压裂套管，随着压裂液逐渐充满压裂套管，压裂套管内的压力逐渐增大，并高于水平井筒内的压力，入口阀关闭；之后进入压裂阶段，此时入口阀和出口阀均关闭，打开电源，电机开始正常工作，带动丝杠高速旋转，丝母水平相向运动，推动高压塞迅速压缩，压裂套管内产生高压，当套管内的压力比水平井筒内的压力高20MPa时，出口阀开启，高压压裂岩层产生裂缝，在该阶段中，为避免压裂液通过集气阀流出，通过气液转换控制阀控制清水罐中的水进入并充满集气管，裂缝产生后，支撑剂进入裂缝并进行支撑，由于压力差达到20MPa出口阀才会开启，所以在高压压裂液进入裂缝后出口阀关闭；之后进行集气阶段，通过气液转换控制阀关闭清水罐出口，开启抽气泵，抽取页岩气，该抽取压力远远低于20MPa，故不会导致出口阀开启，收集到的页岩气先通过气液分离装置进行处理，再储存在储气罐中，进行后续加工利用。
压裂装置还可以通过齿轮齿条传动来实现。将压裂系统中的丝杠、丝母、推杆和支撑弹簧替换为齿轮、齿条和连杆。其中，压裂套管一端封闭，连杆一端连接齿轮，一端连接电机，从而使电机能够带动齿轮旋转，齿轮带动齿条做直线运动，推动高压塞迅速压缩，实现压裂过程。其中，连杆的长度要略长于齿条长度，避免齿条撞击电机。
本发明一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置，其优点和作用为：
(1)采用电动方式产生高压，控制高压塞的运动来压缩压裂液产生高压，电的输送成本低于高压水的输送成本，且能减少沿程能量损失；
(2)由于每个压裂装置都能独立完成压裂作业，可通过在水平井筒布置多个压裂装置实现分段压裂，从而压开多条裂缝，缩短生产时间，降低成本；
(3)耗水量低于传统的水力压裂方法，避免水资源浪费；
(4)在现有水力压裂装置的基础上即可完成改造，成本低，可实现性强；
(5)工作过程运行稳定，安全可靠，可控性强，能够对压裂压力及时控制。
附图说明
图1是本发明一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置的结构图。
图2是图1中A处局部放大图。
图3是图2的左视图。
图4是图1中B处局部放大图。
图5是齿轮齿条压裂结构图。
图中：1-压裂装置2-裂缝3-水平井筒4-地面装置5-竖直井筒6-岩层7-丝母8-丝杠9-出口阀10-压裂孔11-支撑弹簧12-高压密封圈13-液体输送管14-导线15-电机16-集气管17-集气阀18-高压塞19-推杆20-压裂套管21-入口阀22-储水池23-潜水泵24-加料口25-电源26-气液转换控制阀27-清水罐28-抽气泵29-气液分离装置30-储气罐31-齿条32-连杆33-齿轮。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置，由压裂系统、收集系统和液体输送系统组成，液体输送系统将压裂液输送进入水平井筒3内的压裂套管20，增压部分压裂系统通过控制高压塞18来挤压压裂液产生井下高压压裂岩层6，最后由集气系统进行页岩气的收集。
竖直井筒5从地面延伸至地下深处，地面装置4位于竖直井筒5的地面端；压裂作业在水平井筒3完成，水平井筒3上有压裂装置1，将岩层6压出裂缝2，收集页岩气。
如图4所示，液体输送系统由液体输送管13、储水池22、潜水泵23和加料口24组成，储水池22位于地面，潜水泵23放置于储水池22中，潜水泵23将储水池22中的水输送进入液体输送管13，在经过加料口24时，添加支撑剂，得到压裂液，压裂液通过液体输送管13进入水平井筒3，并通过入口阀21进入压裂系统。
如图2、3所示，压裂系统由压裂套管20、入口阀21、水平井筒3、出口阀9、丝杠8、丝母7、压裂孔10、导线14、电机15、高压塞18、推杆19、电源25、支撑弹簧11和高压密封圈12组成。压裂套管20位于水平井筒3内部，压裂套管20两端开口，管壁上有压裂孔10，压裂孔10处设有出口阀9，其他装置均置于压裂套管20内部；导线14连接地面的电源25，控制电机15工作，电机15带动丝杠8高速旋转，从而带动丝母7高速旋转并水平运动，其中，丝杠8两端螺纹旋向相反，使丝杠8两端的丝母7相向运动；推杆19和高压塞18连接为一体，套在丝杠8的光杆部分，位于丝母7内侧，支撑弹簧11套在丝杠8中间，两端抵着高压塞18，在支撑弹簧11的作用下，推杆19另一端紧靠在丝母7上；高压塞18与压裂套管20内表面、丝杠8的接触面分别装有高压密封圈12，一方面使两个高压塞18之间形成密封腔，同时避免压裂液中的支撑剂进入丝杠8的螺纹处，影响丝杠8与丝母7的配合。压裂系统产生的高压通过压裂孔10释放，压裂岩层6，裂缝2形成后需要进行页岩气的收集。入口阀21和出口阀9都是单向阀，入口阀21只允许流体从液体输送管13进入压裂套管20，在压裂套管20内压力高于水平井筒3内压力时关闭；出口阀9只允许流体从压裂套管20内流出，在压裂套管20内压裂达到20MPa时开启
收集系统包括集气管16、集气阀17、气液转换控制阀26、清水罐27、抽气泵28、气液分离装置29和储气罐30。压裂孔10处的压裂套管20上连接集气管16，集气管16由集气阀17控制，通过抽气泵28进行页岩气收集，收集到的页岩气先通过气液分离装置29进行处理，再储存在储气罐30中，进行后续加工利用。为避免压裂过程中高压水进入集气管16，在压裂阶段将集气管16内通水，由气液转换控制阀26控制抽气泵28或清水罐27上泵的工作。集气阀17是单向阀，只允许流体从裂缝2进入集气管16，在抽气泵28打开后集气管16内压力升高，集气阀17开启。
电动水力压裂装置1正常工作时，首先泵入压裂液，打开潜水泵23，压裂液沿液体输送管13进入压裂套管20，随着压裂液逐渐充满压裂套管20，压裂套管20内的压力逐渐增大，并高于水平井筒3内的压力，入口阀21关闭；之后进入压裂阶段，此时入口阀21和出口阀9均关闭，打开电源25，电机15开始正常工作，带动丝杠8高速旋转，丝母7水平相向运动，推动高压塞18迅速压缩，压裂套管20内产生高压，当套管内的压力比水平井筒3内的压力高20MPa时，出口阀9开启，高压压裂岩层6产生裂缝2，在该阶段中，为避免压裂液通过集气阀17流出，通过气液转换控制阀26控制清水罐27中的水进入并充满集气管16，裂缝2产生后，支撑剂进入裂缝2并进行支撑，由于压力差达到20MPa出口阀9才会开启，所以在高压压裂液进入裂缝2后出口阀9关闭；之后进行集气阶段，通过气液转换控制阀26关闭清水罐27出口，开启抽气泵28，抽取页岩气，该抽取压力远远低于20MPa，故不会导致出口阀9开启，收集到的页岩气先通过气液分离装置29进行处理，再储存在储气罐30中，进行后续加工利用。
如图5所示，压裂装置1还可以通过齿轮齿条传动来实现高压塞的运动。将压裂系统中的丝杠8、丝母7、推杆19和支撑弹簧11替换为齿轮33、齿条31和连杆32。其中，压裂套管20一端封闭，连杆32一端连接齿轮33，一端连接电机15，从而使电机15能够带动齿轮33旋转，齿轮33带动齿条31做直线运动，推动高压塞18迅速压缩，实现压裂过程。其中，连杆32的长度要略长于齿条31长度，避免齿条31撞击电机15。
Claims (3)
1.一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置，其特征在于：由压裂系统、收集系统和液体输送系统组成，液体输送系统将压裂液输送进入水平井筒内的压裂套管，压裂系统通过控制高压塞来挤压压裂液产生井下高压压裂岩层，最后由集气系统进行页岩气的收集；液体输送系统由液体输送管、储水池、潜水泵、加料口和入口阀组成，储水池位于地面，潜水泵放置于储水池中，潜水泵将储水池中的水输送进入液体输送管，在经过加料口时，添加支撑剂，得到压裂液，压裂液通过液体输送管进入水平井筒，并通过入口阀进入压裂系统，入口阀是单向阀；压裂系统由压裂套管、丝杠、丝母、压裂孔、导线、电机、高压塞、推杆、电源、支撑弹簧和高压密封圈组成，压裂套管两端开口，管壁上有压裂孔，压裂孔处设有出口阀，其他装置均置于压裂套管内部；导线连接地面的电源，控制电机工作，电机带动丝杠高速旋转，从而带动丝母高速旋转并水平运动，丝杠两端螺纹旋向相反，使丝杠两端的丝母相向运动；推杆和高压塞连接为一体，套在丝杠的光杆部分，位于丝母内侧，支撑弹簧套在丝杠中间，两端抵着高压塞，在支撑弹簧的作用下，推杆另一端紧靠在丝母上；高压塞与压裂套管内表面、丝杠的接触面分别装有高压密封圈，压裂系统产生的高压通过压裂孔释放，压裂岩层，裂缝形成后需要进行页岩气的收集。
2.根据权利要求1所述的一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置，其特征在于：收集系统包括出口阀、集气管、集气阀、控制阀、清水罐、抽气泵、气液分离装置和储气罐，压裂孔处的压裂套管上连接集气管，集气管由集气阀控制，通过抽气泵进行页岩气收集，收集到的页岩气先通过气液分离装置进行处理，再储存在储气罐中，进行后续加工利用；出口阀和集气阀都是单向阀。
3.根据权利要求1所述的一种应用于页岩气开采的电动水力压裂装置，其特征在于：丝杠、丝母、推杆和支撑弹簧替换为齿轮、齿条和连杆，压裂套管一端封闭，连杆一端连接齿轮，一端连接电机，电机能够带动齿轮旋转，齿轮带动齿条做直线运动，推动高压塞迅速压缩，连杆的长度要略长于齿条长度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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