CN110043236A - 一种脉动水力压裂压力发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉动水力压裂压力发生装置及方法，解决了目前脉动水力压裂工艺如何有效产生脉动压力波的实际问题，并克服了现有压力波发生方式的弊端。本发明的脉动水力压裂压力发生装置通过恒压单元产生高压压裂液，在地面井口压裂液管路外接脉动单元，直接在高压压裂液基础上叠加脉动波，进而产生脉动水力压裂所需的高压脉动波。本发明的脉动水力压裂压力发生装置具体能够包括恒压单元，脉动单元，压裂液管路，井口装置及井筒；其中，恒压单元输出高压压裂液，高压压裂液流经压裂液管路并通过井口装置导入井筒；并且，高压压裂液经由压裂液管路连通至脉动单元。本发明的脉动水力压裂压力发生方法能够采用本发明的脉动水力压裂压力发生装置。

Description

一种脉动水力压裂压力发生装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水力压裂脉动压力的装置及一种利用该装置的水力压裂脉动压力发生方法。

背景技术

随着油气勘探与开发进程的不断发展，低渗透、页岩及致密等难开采油气资源在勘探开发中所占的比重超过了70％。水力压裂是油气藏储层改造、试完井井下作业的一项重要措施，被广泛应用于低渗透油气藏及页岩气储层改造中，且已取得良好的增产效果。常规的水力压裂利用地面压裂泵组将高浓度及高黏性的携砂流体以超过储层吸收能力的“稳定排量”注入井筒并在井底产生稳定高压力，若该稳定高压力大于井壁附近的地应力和储层岩石抗张强度，在井底井壁附近储层会产生裂缝。其中，高压大排量是实现裂缝开启和扩展、改善压裂效果及提高油气井产量和采收率的主要途径，然而受工艺制造水平、部件可靠性及作业安全性等因素制约，压裂作业过程中的压力与流量受限，制约了压裂效果的提高。

脉动水力压裂是颠覆传统压裂模式的一项新工艺。该工艺的基本原理是使压裂液压力产生脉动，增加井筒及裂缝内的压力波动，使岩层在交变载荷作用下产生疲劳破坏，借此提高储层岩石裂缝的破裂和扩展能力，采用该工艺在一定程度上可以降低井口压裂作业压力，改善压裂效果，提高油气井的产量和采收率。该工艺的关键技术是产生一定频率及振幅的压力波。

目前，解决该关键技术的主要思路包括两个方案：(1)采用地面压裂泵组变频调速，并通过变频技术快速调节压裂泵工作过程中的转速，实现排出流量脉动，进而引起压力脉动；(2)采用井底脉动发生器，并通过一定的控制方式控制脉动发生器改变管柱内压裂液的过流面积，实现流量脉动，进而引起压力脉动。

然而，方案(1)通过快速改变压裂泵的转速，达到压力脉动的同时，也改变了压裂泵液力端的水力特性，增大了吸液过程中水头损失，使得吸入性能恶化，同时泵缸内的压力脉动会引起压裂泵自身发生疲劳破坏，由于压裂泵特殊的工作条件，其使用寿命及可靠性较低，一旦泵缸内的压力脉动加剧，使用寿命将进一步被降低，严重时甚至会影响单次压裂作业的顺利进行；并且，方案 (2)的井底脉动发生器又需要借助一定的井下控制及驱动装置，由于井下空间有限，同时压裂液对其冲蚀、腐蚀明显，设备在井下的可靠性受到制约，而且施工及维修需要频繁起井，因此，借助井底脉动发生器产生脉动压力也尚需完善。

发明内容

针对目前脉动水力压裂工艺如何有效产生脉动压力波的实际问题，本发明改变现有的压力波发生方式，提出了一种新的脉动水力压裂压力发生装置及方法，克服了现有压力波发生方式的弊端。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置通过恒压单元产生高压压裂液，在地面井口压裂液管路外接脉动单元，直接在高压压裂液基础上叠加脉动波，进而产生脉动水力压裂所需的高压脉动波。

本发明提供一种脉动水力压裂压力发生装置及方法。具体地，该脉动水力压裂压力发生装置能够包括恒压单元，脉动单元，压裂液管路，井口装置及井筒。其中，恒压单元输出高压压裂液，高压压裂液流经压裂液管路并通过井口装置导入井筒；并且，高压压裂液经由压裂液管路连通至脉动单元。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置，优选地，恒压单元包括液罐组，压裂泵组，输砂车，混砂车，仪表车及高压管汇。其中，混砂车的输入端与液罐组的输出端及输砂车的输出端相连通；混砂车的输出端与压裂泵组的输入端相连通；压裂泵组的输出端经由高压管汇汇流后与压裂液管路相连通；并且，混砂车与压裂泵组的工作过程由仪表车控制。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置，优选地，脉动单元包括能源装置，脉冲发生器，脉动泵及变压器；其中，能源装置产生具有压力的流体，并将其传输至脉动泵，脉动泵在脉冲发生器的控制下产生脉动流量，并将脉动流量传输至变压器右侧的低压输入端；并且，变压器左侧的高压输入端与压裂液管路连通并与高压压裂液接触。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置，优选地，脉冲发生器接收压裂液管路的压力反馈信号及脉动泵与变压器间的流量反馈信号。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置，优选地，其中，压裂液管路在脉动单元的一侧设置有脉动截止阀。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置，优选地，脉动单元中，能源装置采用油箱及变量泵组合方案，脉动泵采用双活塞液缸方案，并且脉冲发生器采用PLC电器控制单元与伺服阀组合方案。

进一步，本发明还提供一种脉动水力压裂压力发生方法。根据本发明的脉动水力压裂压力发生方法，其特征在于，该方法采用根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置，并且能够包括如下步骤：

步骤a)，在脉动截止阀关闭的状态下，驱动恒压单元产生高压压裂液，恒压单元中，在仪表车的控制下混砂车将输砂车的支撑剂与液罐组的压裂液混合，并导向压裂泵组，高压管汇将压裂泵组输出的高压压裂液汇流导向压裂液管路，压裂液经由压裂液管路通过井口装置流入井筒，井筒内压力升高；

步骤b)，井筒内压力到达预定压力后，开启脉动截止阀；变量泵运转产生的压力流体流向双活塞液缸的右侧输入端，双活塞液缸右侧的流体经伺服阀返回油箱；

步骤c)，由PLC电器控制单元将预定的控制信号，压裂液管路的压力反馈信号及双活塞液缸与变压器间的流量反馈信号实现闭环控制，对伺服阀进行调节，使双活塞液缸产生相应动作，通过双活塞液缸与变压器间的流量脉动传递能量，驱动变压器活塞运动，在压裂液管路中产生所设计的压力脉动频率及振幅，并且油箱通过补偿油路经单向阀对双活塞液缸左侧与变压器间的泄漏流体进行补充。

步骤d)，压力波叠加，以实现压裂液压力脉动的目的；并且，在压裂施工后期，已形成裂缝，压裂液将井筒内原有的携砂液推入地下裂缝，以及压裂液的破胶过程，均不需要较大的压力脉动来实现，此时不再需要较大的压力脉动，可按照常规压裂方式进行施工，并且关闭脉动截止阀，在恒压下完成。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生方法，优选地，在脉动单元中，能源装置采用油箱及变量泵组合方案，脉动泵采用双活塞液缸方案，并且脉冲发生器采用PLC电器控制单元与伺服阀组合方案。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生方法，优选地，其中，油箱中的流体介质经变量泵流入双活塞液缸右侧的输入端，双活塞液缸的右侧流体经伺服阀返回油箱，PLC电器控制单元接收压裂液管路的压力反馈信号以及双活塞液缸与变压器间的流量反馈信号，对伺服阀进行控制。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生方法，优选地，双活塞液缸的左侧输出端与变压器的右侧输入端连通，变压器的左侧高压输入端直接与压裂液管路连通并与高压压裂液接触；油箱通过补偿油路经单向阀对双活塞液缸左侧与变压器间的泄漏流体进行补充。

与现有技术相比，本发明所采取的技术方案具有以下有益效果：

本发明的脉动水力压裂压力发生装置及方法改变了现有脉动水力压裂工艺脉动压力波的产生方式，通过恒压单元产生高压压裂液，在地面井口压裂液管路外接脉动单元，直接在高压压裂液基础上叠加脉动波，进而产生脉动水力压裂所需的高压脉动波。这种方式的显著优势是能够借助脉动单元直接产生脉动压力波，而非现有的压力发生装置通过改变流量进而实现压力脉动。考虑到液体的压缩性，流量与压力变化存在一定的不同步性，相比现有的压力发生装置，本发明的脉动水力压裂压力发生装置能够更准确得到压裂工艺设计所需的压力波，同时在压裂泵排出高压压裂液后产生脉动波对压裂泵的工作性能及使用寿命影响较小，且整个装置的驱动及控制部分均位于地面，作业过程中维护方便，不受空间限制。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置，其脉动单元的变压器将压裂液与脉动单元中的工作液隔离，能够有效防止压裂液对脉动单元组成部件的腐蚀与破坏，同时变压器结构降低了驱动端的驱动压力，脉动单元通过流体介质将脉动泵的脉动流量波动传递给变压器，具有直接振动输出及便于控制的优点。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置，其脉动单元侧压裂液管路设置有脉动截止阀，能够在压裂作业过程中根据工艺要求及时调整压力变化，切换压裂形式，例如起泵加压阶段需要快速增压，因此需要切断脉动单元联系，而压裂破岩阶段需要压力脉动，因此连通脉动单元，通过脉动截止阀实现连通与否，控制方便。

附图说明

图1是根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置的整体结构原理示意图；

图2是本发明的脉动水力压裂压力发生装置的恒压单元的结构原理示意图；

图3是本发明的脉动水力压裂压力发生装置的脉动单元的结构原理示意图；

图4是本发明的脉动水力压裂压力发生装置的脉动单元的具体技术路线示意图；

图5是本发明的脉动水力压裂压力发生方法中用于实现压裂液压力波动的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方案对本发明的脉动水力压裂压力发生装置及方法作进一步说明：

如图1至图5所示，根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置，能够包括恒压单元1，脉动单元2，压裂液管路3，井口装置4及井筒5。其中：恒压单元1输出高压压裂液流经压裂液管路3并通过井口装置4导入井筒5，同时，脉动单元2通过压裂液管路3与高压压裂液相连通。

恒压单元1包括液罐组6，压裂泵组7，输砂车8，混砂车9，仪表车10及高压管汇11。并且，混砂车9的输入端与液罐组6与输砂车8的输出端连通，混砂车9的输出端与压裂泵组7的输入端连通，压裂泵组7的输出端经高压管汇11汇流直接与压裂液管路3连通，混砂车9与压裂泵组7的工作过程直接受仪表车10控制。

脉动单元2包括能源装置12，脉冲发生器13，脉动泵14及变压器15。能源装置12产生一定压力的流体介质，并将其传递给脉动泵14，脉动泵14在脉冲发生器13的控制下产生脉动流量，并将脉动流量传递给变压器15的右侧低压输入端，变压器15的左侧高压输入端直接与压裂液管路3连通并与高压压裂液接触，并且脉冲发生器13接收压裂液管路3的压力反馈信号16以及脉动泵 14与变压器15间的流量反馈信号17。

脉动单元2中的能源装置12能够采用油箱18及变量泵19组合方案，脉动泵14采用双活塞液缸20方案，脉冲发生器13采用PLC电器控制单元21与伺服阀22组合方案。

进一步，油箱18中的流体介质经变量泵19流入双活塞液缸20的右侧输入端，双活塞液缸20的右侧流体回路经伺服阀22返回油箱18，PLC电器控制单元21接收压裂液管路3的压力反馈信号16以及双活塞液缸20与变压器15间的流量反馈信号17，对伺服阀22进行控制；双活塞液缸20的左侧输出端与变压器15的右侧输入端连通，变压器15的左侧高压输入端直接与压裂液管路3 连通并与高压压裂液接触；油箱18通过补偿油路23经单向阀24对双活塞液缸 20左侧与变压器15间的泄漏流体进行补充；脉动单元2侧压裂液管路3设置有脉动截止阀25。

根据本发明的脉动水力压裂压力发生装置在进行脉动水力压裂施工前，需要根据井下地质参数及施工要求优选出最优的压力脉动频率及振幅，作为脉动单元中PLC电器控制单元21的控制信号。并且，在地面设备及井筒5管柱均正常连通的条件下，首先，根据本发明的脉动水力压裂压力发生方法的步骤a)：在脉动截止阀25关闭的状态下，驱动恒压单元1产生高压压裂液；而恒压单元 1中，在仪表车10的控制下混砂车9将输砂车8的支撑剂与液罐组6的压裂液混合均匀，并导向压裂泵组7，高压管汇11将压裂泵组7输出的高压压裂液汇流导向压裂液管路3，压裂液经压裂液管路3通过井口装置4流入井筒5，井筒 5内压力逐渐升高；然后根据步骤b)：当井筒5内的压力到达设定的压力值后，开启脉动截止阀25，变量泵19运转产生的压力流体流向双活塞液缸20的右侧输入端，双活塞液缸20的右侧流体经伺服阀22返回油箱18；次之，根据步骤 c)：由PLC电器控制单元21将综合施工前设计的设定控制信号及压裂液管路3 的压力反馈信号16与双活塞液缸20与变压器15间的流量反馈信号17实现闭环控制对伺服阀22进行调节，使双活塞液缸20产生相应动作，通过双活塞液缸20与变压器15间的流量脉动传递能量，驱动变压器15活塞运动，在压裂液管路3中产生所设计的压力脉动频率及振幅，并且油箱18通过补偿油路23经单向阀24对双活塞液缸20左侧与变压器15间的泄漏流体进行及时补充；最后，根据步骤d)：压力的叠加，如图5所示，以实现压裂液压力脉动的目的，并且在压裂施工后期，裂缝已经形成，压裂液将井筒5内原有的携砂液推入地下裂缝，以及压裂液的破胶过程，均不需要较大的压力脉动来实现，此时即可按照常规压裂方式进行施工，并且关闭脉动截止阀25，在恒压下完成。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明的装置和方法进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

附图说明列表

1 恒压单元

2 脉动单元

3 压裂液管路

4 井口装置

5 井筒

6 液罐组

7 压裂泵组

8 输砂车

9 混砂车

10 仪表车

11 高压管汇

12 能源装置

13 脉冲发生器

14 脉动泵

15 变压器

16 压力反馈信号

17 流量反馈信号

18 油箱

19 变量泵

20 双活塞液缸

21 PLC电器控制单元

22 伺服阀

23 补偿油路

24 单向阀

25 脉动截止阀。

Claims (10)

1.一种脉动水力压裂压力发生装置，其特征在于，所述压力发生装置包括：恒压单元，脉动单元，压裂液管路，井口装置及井筒，其中：

所述恒压单元输出高压压裂液，所述高压压裂液流经所述压裂液管路并通过所述井口装置导入所述井筒；并且

所述高压压裂液经由所述压裂液管路与所述脉动单元连通。

2.如权利要求1所述的脉动水力压裂压力发生装置，其特征在于，所述恒压单元包括液罐组，压裂泵组，输砂车，混砂车，仪表车及高压管汇；

其中，所述混砂车的输入端与所述液罐组的输出端及所述输砂车的输出端相连通；所述混砂车的输出端与所述压裂泵组的输入端相连通；并且

其中，所述压裂泵组的输出端经由所述高压管汇汇流后与所述压裂液管路相连通；所述混砂车与所述压裂泵组的工作过程由所述仪表车控制。

3.如权利要求1所述的脉动水力压裂压力发生装置，其特征在于，所述脉动单元包括能源装置，脉冲发生器，脉动泵及变压器；

其中，所述能源装置产生具有压力的流体，并将其传输至所述脉动泵，所述脉动泵在所述脉冲发生器的控制下产生脉动流量，并将所述脉动流量传输至所述变压器右侧的低压输入端；并且

其中，所述变压器左侧的高压输入端与所述压裂液管路相连通并与高压压裂液接触。

4.如权利要求3所述的脉动水力压裂压力发生装置，其特征在于：

其中，所述脉冲发生器接收压裂液管路的压力反馈信号及所述脉动泵与所述变压器间的流量反馈信号。

5.如权利要求1至4的任一项所述的脉动水力压裂压力发生装置，其特征在于：

其中，所述压裂液管路在所述脉动单元的一侧设置有脉动截止阀。

6.如权利要求3所述的脉动水力压裂压力发生装置，其特征在于：

其中，所述脉动单元中，所述能源装置采用油箱及变量泵组合方案，所述脉动泵采用双活塞液缸方案，并且所述脉冲发生器采用PLC电器控制单元与伺服阀组合方案。

7.一种脉动水力压裂压力发生方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1所述的脉动水力压裂压力发生装置，并且包括如下步骤：

步骤a)，在脉动截止阀关闭的状态下，驱动恒压单元产生高压压裂液，恒压单元中，在仪表车的控制下混砂车将输砂车的支撑剂与液罐组的压裂液混合，并将其导向压裂泵组，高压管汇将压裂泵组输出的高压压裂液汇流并导向压裂液管路，压裂液经由压裂液管路通过井口装置流入井筒，井筒内压力升高；

步骤b)，所述井筒内压力到达预定压力后，开启所述脉动截止阀；变量泵运转产生的压力流体流向双活塞液缸的右侧输入端，双活塞液缸右侧的流体经伺服阀返回油箱；

步骤c)，由PLC电器控制单元将预定的控制信号，压裂液管路的压力反馈信号及双活塞液缸与变压器间的流量反馈信号实现闭环控制，对伺服阀进行调节，使双活塞液缸产生相应动作，通过双活塞液缸与变压器间的流量脉动传递能量，驱动变压器活塞运动，在压裂液管路中产生所设计的压力脉动频率及振幅；

步骤d)，压力波叠加，以达到压裂液压力脉动的目的，并且在压裂施工的后期，已形成裂缝，压裂液将井筒内原有的携砂液推入地下裂缝，以及压裂液的破胶过程，均不需要较大的压力脉动来实现，此时即可按照常规压裂方式进行施工，并关闭脉动截止阀，在恒压下完成。

8.如权利要求7所述的脉动水力压裂压力发生方法，其特征在于：

其中，在所述脉动单元中能源装置采用油箱及变量泵组合方案，所述脉动泵采用双活塞液缸方案，并且所述脉冲发生器采用PLC电器控制单元与伺服阀组合方案。

9.如权利要求8所述的脉动水力压裂压力发生方法，其特征在于：

其中，所述油箱中的流体经变量泵流入双活塞液缸右侧的输入端，双活塞液缸的右侧流体经伺服阀返回油箱，PLC电器控制单元接收压裂液管路的压力反馈信号以及双活塞液缸与变压器间的流量反馈信号，对伺服阀进行控制。

10.如权利要求8所述的脉动水力压裂压力发生方法，其特征在于：

其中，所述双活塞液缸的左侧输出端与变压器的右侧输入端连通，变压器的左侧高压输入端直接与压裂液管路连通并与高压压裂液接触；油箱通过补偿油路经单向阀对双活塞液缸左侧与变压器间的泄漏流体进行补充。