CN109779595A - 液氮压裂装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了液氮压裂装置及其使用方法，该装置包括：用于将气体压强转换为液氮压强的压强转换容器，供压系统和供液氮系统；压强转换容器具有相对密闭的腔体，腔体上设置有用于连通供压系统的第一端口、用于连通供液氮系统的第二端口；腔体上还设置有用于向待压试件输出带压液氮的第一开口；第一开口连接有第一控制阀；供压系统能够向压强转换容器提供预定气压；供液氮系统具有存储有液氮的带压容器，带压容器具有出口端，出口端设置有第二控制阀，打开第二控制阀，带压容器内的液氮能流入压强转换容器的腔体内。本发明能够可靠的将超低温液氮实现顺利注入，从而保证液氮压裂的顺利进行。

Description

液氮压裂装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及油气增产技术领域，特别涉及液氮压裂装置及其使用方法。

背景技术

随着石油工业的逐渐发展，常规油气藏日益减少。面对巨大的能源需求，低渗透的非常规油气藏的开发逐渐被很多国家和地区所重视。其中，水力压裂技术极大地推动了非常规油气藏，例如页岩气的开发。但是，利用水力压裂开发油气藏的同时暴露出很多环境污染和资源浪费的问题。具体的，传统的压裂技术不仅需要大量的水资源而且在压裂液中添加许多化学物质，这对于环境的污染非常严重。针对此问题近年来很多科研学者开始进一步研究更环保且高效的方法。

其中一种比较有效的方法是利用液氮作为压裂液进行压裂。液氮是一种非常稳定的冷源，温度极低，为-198℃，并且化学性质稳定，不与其他物质发生反应，粘度低，使用和制备方便且环保。使用时，液氮的超低温可以使岩石更容易产生多裂缝，提高油气产量；而且液氮在汽化后不会污染环境，这使得液氮可以成为一种优秀的无水压裂液。

目前液氮压裂还处于实验室的探索阶段，且液氮的超低温给实验过程带来了许多不可控的因素。例如，由于地层中存在一定的压强，利用液氮进行压裂时，需要利用加压装置对液氮进行加压，从而将液氮顺利的注入地层中。但是，现有的加压装置一般为活塞式液压加压装置，该加压装置容易出现因降温收缩不一致导致漏压或卡塞。具体的，现有的加压装置一般用液压油来推动活塞。该活塞可以包括外筒和内活塞。由于液氮是超低温，在热胀冷缩的作用下，外筒和内活塞会产生收缩。如果外筒收缩比内活塞大，就会把内活塞卡住；如果外筒没有内活塞收缩大，那么内活塞和外筒之间就会出现空隙，液氮就会从缝隙中漏出。

因此，有必要提供一种新的液氮压裂装置和方法，能够可靠的将超低温液氮实现顺利注入，从而克服现有技术中的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供液氮压裂装置及其使用方法，能够克服现有技术中的缺陷，可靠的将超低温液氮实现顺利注入，从而保证液氮压裂的顺利进行。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种液氮压裂装置，包括：

用于将气体压强转换为液氮压强的压强转换容器，能与所述压强转换容器相连通的供压系统和供液氮系统；

所述压强转换容器具有相对密闭的腔体，所述腔体上设置有用于连通所述供压系统的第一端口、用于连通所述供液氮系统的第二端口；所述腔体上还设置有用于向待压试件输出带压液氮的第一开口；所述第一开口连接有第一控制阀；

所述供压系统能够向所述压强转换容器提供预定气压；

所述供液氮系统具有存储有液氮的带压容器，所述带压容器具有出口端，所述出口端设置有第二控制阀，打开所述第二控制阀，所述带压容器内的液氮能流入所述压强转换容器的腔体内。

在一个优选的实施方式中，所述供压系统包括：通过第一耐压管依次连通的空气压缩机、第一储气罐、气体增压泵、第二储气罐，所述第一储气罐的容积大于所述第二储气罐的容积。

在一个优选的实施方式中，所述空气压缩机与所述第一储气罐之间、所述第一储气罐与所述气体增压泵之间、所述气体增压泵与所述第二储气罐之间、所述第二储气罐与所述第一端口之间的第一耐压管上设置有第三控制阀。

在一个优选的实施方式中，所述压强转换容器上还设置有用于和外界相连通的第二开口，所述第二开口上设置有第四控制阀；所述第二开口的高度高于所述第一开口的高度。

在一个优选的实施方式中，还包括用于检测所述第一储气罐内气压的压强检测件，以及与所述压强检测件电性连接的控制器，所述控制器内存储有所述第一储气罐的容积和所述第二储气罐的容积。

在一个优选的实施方式中，所述供液氮系统与所述压强转换容器之间，以及所述压强转容器与所述待压试件之间设置有第二耐压管，所述第二耐压管能承受-196摄氏度的温度和30兆帕压强，所述第一耐压管能承受30兆帕压强；所述待压试件与所述第二耐压管连接的位置设置有密封胶。

一种基于上述任一所述的液氮压裂装置的使用方法，包括：

打开所述空气压缩机，将空气压缩进所述第一储气罐内；

将所述第一储气罐的气体送入所述气体增压泵内，通过所述气体增压泵对送入的气体进行二次增压后，导入所述第二储气罐内；

连通所述供液氮系统与所述压强转换容器，自所述供液氮系统中提供的液氮流入所述压强转换容器中；在所述压强转换容器中注入预定液氮后，关闭所述第二控制阀；

连通所述第二储气罐与所述压强转换容器，打开所述第一控制阀，所述第二储气罐的带压气体进入所述压强转换容器中将液氮压入待压试件内部。

在一个优选的实施方式中，还包括：检测所述供压系统的密闭性。

在一个优选的实施方式中，在所述关闭所述第二控制阀的步骤前，所述方法还包括：

判断所述第二开口处是否有液氮流出，在判断出有液氮流出后，执行关闭所述第二控制阀的步骤。

在一个优选的实施方式中，在所述连通所述供液氮系统与所述压强转换容器的步骤前，所述方法还包括：

接收所述供压系统的目标输出压强和所述第一储气罐内的当前气体压强，根据所述第一储气罐与所述第二储气罐的容积比以及所述目标输出压强确定所述第一储气罐内的当前气体压强达到目标值；

在所述第一储气罐内的当前气体压强达到目标值后，执行所述连通所述供液氮系统与所述压强转换容器的步骤。

本发明的特点和优点是：本申请所提供的液氮压裂装置及其使用方法，液氮压裂装置通过设置压强转换容器，将供压系统提供的预定气压转换为供液氮系统注入所述压强转换容器中液氮的压强，从而克服了现有技术中活塞式加压装置容易出现漏压或卡塞的缺陷，使用时能够可靠的将超低温液氮实现顺利注入，从而保证液氮压裂的顺利进行。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1是本申请实施方式中提供的液氮压裂装置的结构示意图；

图2是本申请实施方式中提供的液氮压裂装置的使用方法的步骤流程图。

附图标记说明：

1、第一耐压管；2、空气压缩机；3、第一储气罐；4、气体增压泵；5、第二储气罐；6、第二耐压管；7、带压容器；8、压强转换容器；81、第一端口；82、第二端口；83、第一开口；84、第二开口；9、液氮；10、待压试件；11、密封胶。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

本发明提供液氮压裂装置及其使用方法，能够克服现有技术中的缺陷，可靠的将超低温液氮实现顺利注入，从而保证液氮压裂的顺利进行。

请参阅图1，本申请实施方式中提供一种液氮压裂装置，该液氮压裂装置可以包括：压强转换容器8，以及能与该压强转换容器8相连通的供压系统、供液氮系统。

在本实施方式中，压强转换容器8作为中间过渡容器，用于将供压系统提供的气体压强转换为液氮的压强。具体的，该压强转换容器8与供液氮系统连通后，能承接供液氮系统提供的低温液氮9；与供压系统连通后，利用供压系统提供的气体压强转换为液氮9的压强，从而将低温液氮9注入待压试件10中。

具体的，该压强转换容器8具有相对密闭的腔体，所述腔体具有相对的顶部、底部和设置在顶部和底部之间的侧壁。在该压强转换容器8上设置有第一端口81和第二端口82。其中，该第一端口81用于和供压系统相连接；该第二端口82用于和供液氮系统相连接。

此外，该压强转换容器8的侧壁上可以设置有用于连通待压试件10的第一开口83。该第一开口83能通过管线和待压试件10相连通。该第一开口83连接有第一控制阀h。当打开该第一控制阀h时，该压强转换容器8与待压试件10相连通。

在本实施方式中，供压系统能够向所述压强转换容器8提供预定气压。具体的，该供压系统可以包括通过第一耐压管1依次连通的空气压缩机2、第一储气罐3、气体增压泵4、第二储气罐5。所述第一耐压管1能承受30兆帕压强。

空气压缩机2用于空气压缩成高压气体。第一储气罐3用于存储经过空气压缩机2压缩后的高压气体。该气体增压泵4用于将第一储气罐3的高压气体进行二次增压。该第二储气罐5用于储存经过气体增压泵4二次增压的气体。其中，第一储气罐3的容积大于第二储气罐5的容积。

具体的，所述供液氮系统与所述压强转换容器8之间，以及所述压强转容器与所述待压试件10之间的设置有第二耐压管6，所述第二耐压管6能承受-196摄氏度的温度和30兆帕压强，从而满足液氮压裂的低温高压要求。

进一步的，所述待压试件10与所述第二耐压管6连接的位置设置有密封胶11。该密封胶11用于保证第二耐压管6与待压试件10之间配合处的密封性，防止液氮9出现漏失。具体的，该密封胶11为能够在-196摄氏度保持较好的密封性且没有较大变形的胶体。

在本实施方式中，所述供液氮系统包括存储有液氮的带压容器7。所述带压容器7具有出口端。所述出口端设置有第二控制阀f，打开所述第二控制阀f，所述带压容器7内的液氮能自动流出，从而流入所述压强转换容器8的腔体内。

本说明书实施方式中所提供的液氮压裂装置，通过设置压强转换容器8，将供压系统提供的预定气压转换为供液氮系统注入所述压强转换容器8中液氮的压强，从而克服了现有技术中活塞式加压装置容易出现漏压或卡塞的缺陷，使用时能够可靠的将超低温液氮实现顺利注入，从而保证液氮压裂的顺利进行。

在一个实施方式中，为了检测供压系统内部以及与压强转换容器8连接的通路中是否存在漏压，可以在所述空气压缩机2与所述第一储气罐3之间、所述第一储气罐3与所述气体增压泵4之间、所述气体增压泵4与所述第二储气罐5之间、所述地热储气罐与所述第一端口81之间的第一耐压管1线上设置第三控制阀(a、b、c、d)。当检测时，可以通过控制各个第三控制阀(a、b、c、d)的通断，从而逐段对供压系统的压强进行检测。

进一步的，该压强转换容器8还可以设置有用于和外界相连通的第二开口84。所述第二开口84上设置有第四控制阀g。该第四控制阀g基本的功能是用于控制该压强转换容器8与外界的连通情况。当该第四控制阀g打开时，该压强转换容器8与外界相连通；当该第四控制阀g关闭时，该压强转换容器8与外界相断开。

所述第二开口84的高度高于所述第一开口83的高度。该第二开口84可以用于控制液氮注入量。在该供液氮系统与该压强转换容器8相连通，将液氮注入该压强转换容器8的过程中，该第四控制阀g处于打开状态，使得该压强转换容器8与大气压相连通，一方面用于保证从供液氮系统提供的液氮能够顺利自动流入该压强转换容器8内，另一方面当液氮9的液位到达该的第二开口84位置时，其会从该第二开口84流出，此时表明该压强转换容器8中液氮9已经达到预定要求，可以关闭第四控制阀g和第二控制阀f。

在一个实施方式中，所述液氮压裂装置还可以包括用于检测所述第一储气罐3内气压的压强检测件(图中未示出)，以及与所述压强检测件电性连接的控制器，所述控制器内存储有第一储气罐3的容积和第二储气罐5的容积。

在本实施方式中，该控制器内可以存储有第一储气罐3的容积V1和第二储气罐5的容积V2。该控制器可以存储有液氮压裂所需的目标压强P0，当然该控制器可以接收液氮压裂所需的目标压强P0。该目标压强为第二储气罐5内的压强。

根据理想气体状态方程可知：P1×V1＝P0×V2。由于其中V1、V2、P0均为已知量，因此可以计算出该第一储气罐3内压强的理论值，即目标值。当通过压强检测件检测出该第一储气罐3内的压强达到该目标值时，表示该第二储气罐5内的压强达到目标压强P0。

请参阅图2，基于上述实施方式中提供的一种液氮压裂装置，本申请实施方式中还提供一种该液氮压裂装置的使用方法，该使用方法可以包括如下步骤。

步骤S10：打开所述空气压缩机2，将空气压缩进所述第一储气罐3内；

步骤S12：将所述第一储气罐3的气体送入所述气体增压泵4内，通过所述气体增压泵4对送入的气体进行二次增压后，导入所述第二储气罐5内；

步骤S14：连通所述供液氮系统与所述压强转换容器8，自所述供液氮系统中提供的液氮流入所述压强转换容器8中；在所述压强转换容器8中注入预定液氮后，关闭所述第二控制阀f；

步骤S16：连通所述第二储气罐5与所述压强转换容器8，打开所述第一控制阀h，所述第二储气罐5的带压气体进入所述压强转换容器8中将液氮压入待压试件10内部。

在本实施方式中，在液氮压裂试验开始之前，首先需要检查该液氮压裂装置的密闭性，即设备是否漏压。首先关闭所有的控制阀，打开空气压缩机2，检查此段是否有明显的漏气(发出喷气的声音)，若存在明显漏气，对漏气处进行检修，若不存在漏气或轻微漏气即可打开第二个控制阀，观察下一段是否漏气，依次检查完整套液氮压裂设备。

当检测完该液氮压裂装置的密封性后，可以打开空气压缩机2。该空气压缩机2首先将气体压缩，随后压缩气体进入第一储气罐3，直到第一储气罐3的压缩气体也达到同等压强。

具体的，判断该第一储气罐3是否达到目标压强可以通过下述步骤确定：接收所述供压系统的目标输出压强和所述第一储气罐3内的当前气体压强，根据所述第一储气罐3与所述第二储气罐5的容积比以及所述目标输出压强确定所述第一储气罐3内的当前气体压强达到目标值。在所述第一储气罐3内的当前气体压强达到目标值后，后续再执行所述连通所述供液氮系统与所述压强转换容器8的步骤。

当第一储气罐3达到目标压强时，其中，第一储气罐3内的压缩气体，进入到气体增压泵4进行二次增压，二次增压的高压气体进入第二储气罐5。

进一步的，在所述关闭所述第二控制阀f的步骤前，所述方法还可以包括：判断所述第二开口84处是否有液氮9流出，在判断出有液氮9流出后，执行关闭所述第二控制阀f的步骤。

在本实施方式中，可以通过打开第二控制阀f和第四控制阀g，将供液氮系统的液氮流入压强转换容器8中，对压强转换容器8进行降温和注液氮。待到上侧的第四控制阀g流出液氮后，即可认为压强转换容器8中液氮已经达到设定液位，可以开始液氮压裂实验。

在进行液氮压裂实验时，可以打开压强转换容器8与第二储气罐5之间的第三控制阀d，第二储气罐5中的高压气体进入压强转换容器8上侧，然后缓慢打开压强转换容器8与待压试件10之间的第一控制阀h，压强转换容器8中的液氮被上侧高压气体推动缓慢进入试件中，通过高压气体给液氮传递的压强，完成液氮压裂实验。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压强、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

本文披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种液氮压裂装置，其特征在于，包括：用于将气体压强转换为液氮压强的压强转换容器，能与所述压强转换容器相连通的供压系统和供液氮系统；

所述压强转换容器具有相对密闭的腔体，所述腔体上设置有用于连通所述供压系统的第一端口、用于连通所述供液氮系统的第二端口；所述腔体上还设置有用于向待压试件输出带压液氮的第一开口；所述第一开口连接有第一控制阀；

所述供压系统能够向所述压强转换容器提供预定气压；

所述供液氮系统具有存储有液氮的带压容器，所述带压容器具有出口端，所述出口端设置有第二控制阀，打开所述第二控制阀，所述带压容器内的液氮能流入所述压强转换容器的腔体内。

2.如权利要求1所述的液氮压裂装置，其特征在于，所述供压系统包括：通过第一耐压管依次连通的空气压缩机、第一储气罐、气体增压泵、第二储气罐，所述第一储气罐的容积大于所述第二储气罐的容积。

3.如权利要求2所述的液氮压裂装置，其特征在于，所述空气压缩机与所述第一储气罐之间、所述第一储气罐与所述气体增压泵之间、所述气体增压泵与所述第二储气罐之间、所述第二储气罐与所述第一端口之间的第一耐压管上设置有第三控制阀。

4.如权利要求3所述的液氮压裂装置，其特征在于，所述压强转换容器上还设置有用于和外界相连通的第二开口，所述第二开口上设置有第四控制阀；所述第二开口的高度高于所述第一开口的高度。

5.如权利要求4所述的液氮压裂装置，其特征在于，还包括用于检测所述第一储气罐内气压的压强检测件，以及与所述压强检测件电性连接的控制器，所述控制器内存储有所述第一储气罐的容积和所述第二储气罐的容积。

6.如权利要求2所述的液氮压裂装置，其特征在于，所述供液氮系统与所述压强转换容器之间，以及所述压强转容器与所述待压试件之间设置有第二耐压管，所述第二耐压管能承受-196摄氏度的温度和30兆帕压强，所述第一耐压管能承受30兆帕压强；所述待压试件与所述第二耐压管连接的位置设置有密封胶。

7.一种基于权利要求1至6任一所述的液氮压裂装置的使用方法，其特征在于，包括：

打开所述空气压缩机，将空气压缩进所述第一储气罐内；

将所述第一储气罐的气体送入所述气体增压泵内，通过所述气体增压泵对送入的气体进行二次增压后，导入所述第二储气罐内；

连通所述供液氮系统与所述压强转换容器，自所述供液氮系统中提供的液氮流入所述压强转换容器中；在所述压强转换容器中注入预定液氮后，关闭所述第二控制阀；

连通所述第二储气罐与所述压强转换容器，打开所述第一控制阀，所述第二储气罐的带压气体进入所述压强转换容器中将液氮压入待压试件内部。

8.如权利要求7所述的液氮压裂装置的使用方法，其特征在于，还包括：检测所述供压系统的密闭性。

9.如权利要求8所述的液氮压裂装置的使用方法，其特征在于，在所述关闭所述第二控制阀的步骤前，所述方法还包括：

判断所述第二开口处是否有液氮流出，在判断出有液氮流出后，执行关闭所述第二控制阀的步骤。

10.如权利要求9所述的液氮压裂装置的使用方法，其特征在于，在所述连通所述供液氮系统与所述压强转换容器的步骤前，所述方法还包括：

接收所述供压系统的目标输出压强和所述第一储气罐内的当前气体压强，根据所述第一储气罐与所述第二储气罐的容积比以及所述目标输出压强确定所述第一储气罐内的当前气体压强达到目标值；

在所述第一储气罐内的当前气体压强达到目标值后，执行所述连通所述供液氮系统与所述压强转换容器的步骤。