CN110173245A - 基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，涉及非常规天然气开采技术领域。所述压裂系统包括高分子材料泵注系统以及冷循环系统；所述高分子材料泵注系统包括高分子材料罐、泵注泵以及泵注管，所述高分子材料罐与泵注泵输入端管道连接；所述冷循环系统包括储氮罐、液氮泵以及冷循环管道。本发明公开的一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，利用保水树脂的吸水、保水以及饱水后放入密闭空间极易受液氮冷冻而体积膨胀的特性，提高人工增透效果，从而实现增产；同时，保水树脂化学性质稳定，无毒无害易降解，且可回收重复利用，具有较高的环保和经济效益。

Description

基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统及方法

技术领域

本发明涉及非常规天然气开采技术领域，具体涉及一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统及方法。

背景技术

我国非常规天然气资源储量巨大，但开发面临气藏赋存条件复杂、储层渗透性极低以及气藏富集区水资源匮乏等一系列难题。

目前，常用的水力压裂技术不仅需要消耗大量水资源，且压裂产生的废水会对地表及地下水造成污染，更重要的是水基压裂液返排困难，会造成储层水敏性伤害，产气效率不理想。

因此，鉴于以上问题，迫切需要探索一种适合我国非常规天然气高效开发的系统及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，该系统利用保水树脂的吸水、保水以及饱水后放入密闭空间极易受液氮冷冻而体积膨胀的特性，提高人工增透效果，从而实现增产。同时，保水树脂化学性质稳定，无毒无害易降解，且可回收重复利用，具有较高的环保和经济效益。

根据本发明的目的提出的一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，包括高分子材料泵注系统以及冷循环系统；所述高分子材料泵注系统包括内部存储高分子材料的高分子材料罐、用于向钻孔内泵注高分子材料的泵注泵以及一端连接于泵注泵输出端、另一端伸入钻孔的泵注管，所述高分子材料罐与泵注泵输入端管道连接；

所述冷循环系统包括内部存储液氮的储氮罐、用于将液氮泵注入钻孔内的液氮泵以及冷循环管道，所述液氮泵输入端与储氮罐管道连通，所述冷循环管道输入端与液氮泵输出端连通，输出端与储氮罐连通。

优选的，所述冷循环管道包括串、并联连通的外部冷循环管道和内部冷循环管道，外部冷循环管道和内部冷循环管道上分别设置有通断阀门，通过启闭相应的通断阀门，导通外部冷循环管道或内部冷循环管道；外部冷循环管道设置于井口，开启液氮泵以及外部冷循环管道上的通断阀门，储氮罐中液氮于外部冷循环管道中循环流动，冻结井口；内部冷循环管道设置于钻孔内，开启液氮泵和内部冷循环管道上的通断阀门，储氮罐中液氮于内部冷循环管道中循环流动，冻结钻孔。

优选的，所述液氮冷冻压裂系统还包括一热循环系统，所述热循环系统包括热风机以及热循环管道，所述热循环管道包括第一热循环管道和第二热循环管道，所述第一热循环管道一端与热风机出风口连通，另一端通过三通与冷循环管道输入端连通；所述第二热循环管道输入端通过三通与冷循环管道输出端连通；所述第一热循环管道和第二热循环管道上分别设置有通断阀门，启闭相应通断阀门，实现热循环系统和冷循环系统的切换。

优选的，所述液氮冷冻压裂系统还包括一高分子材料回收系统，所述回收系统包括与泵注泵并联的抽吸泵、抽吸泵输入管道以及抽吸泵输出管道，所述抽吸泵输入管道和抽吸泵输出管道分别通过三通连接于泵注管和泵注泵输入管道上；所述抽吸泵输入管道、抽吸泵输出管道、泵注管以及泵注泵输入管道上分别设置有通断阀门，启闭相应通断阀门，实现高分子材料的泵注或抽吸。

优选的，所述高分子材料回收系统还包括一补水系统，所述补水系统包括与高分子材料罐并联的补水罐以及补水管道，所述补水管道输入端与补水罐连通，输出端通过三通连接于泵注泵输入管道上，所述补水管道上设置有通断阀门，启闭相应通断阀门，实现泵注高分子材料或水。

优选的，所述泵注管伸入钻孔的一端外表面包裹有隔热套筒。

优选的，所述泵注泵输出端设置有压力表。

优选的，所述高分子材料为保水树脂与水的混合物。

本发明还公开了一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂方法，使用上述液氮冷冻压裂系统，包括以下步骤：

步骤一：自动压裂系统初始化，默认将所有通断阀门关闭。

步骤二：开启泵注泵、泵注泵输入管道和泵注管上的通断阀门，将高分子材料泵注入钻孔中，并充满整个钻孔。

步骤三：关闭泵注泵、泵注泵输入管道和泵注管上的通断阀门。

步骤四：开启液氮泵、外部冷循环管道上的通断阀门，钻孔外部冷循环系统工作，对井口进行冻结。

步骤五：井口冻结完成，关闭液氮泵、外部冷循环管道上的通断阀门，钻孔外部冷循环系统停止工作。

步骤六：开启泵注泵、泵注泵输入管道和泵注管上的通断阀门，继续向钻孔内泵注高分子材料，达到设定压力。

步骤七：关闭泵注泵、泵注泵输入管道和泵注管上的通断阀门，停止泵注。

步骤八：开启液氮泵、外部冷循环管道和内部冷循环管道上的所有通断阀门，钻孔内部冷循环系统和外部冷循环系统工作，对钻孔内部未冻结的高分子材料进行冷冻，直到全部冻结。

步骤九：关闭液氮泵、外部冷循环管道和内部冷循环管道上的所有通断阀门，钻孔内部冷循环系统和外部冷循环系统停止工作。

步骤十：开启热风机、热循环管道上的通断阀门以及第一热循环管道与第二热循环管道中间的冷循环管道上的通断阀门，热循环系统工作，对钻孔内高分子材料进行降温融化。

步骤十一：关闭热风机、热循环管道上的通断阀门以及第一热循环管道与第二热循环管道中间的冷循环管道上的通断阀门，热循环系统关闭。

步骤十二：开启泵注泵、补水管道和泵注管上的通断阀门，开始对钻孔内缺水的高分子材料进行补水。

步骤十三：开启抽吸泵、抽吸泵输入管道和抽吸泵输出管道上的通断阀门，开始抽吸回收高分子材料。

步骤十四：关闭泵注泵、补水管道和泵注管上的通断阀门，停止对钻孔内高分子材料进行补水。

步骤十五：关闭抽吸泵、抽吸泵输入管道和抽吸泵输出管道上的通断阀门，停止抽吸回收高分子材料。

步骤十六：若产气效率不达标，重复上述步骤，直至增透效果达到要求。

与现有技术相比，本发明开来的一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统的优点是：

(1)所述压裂系统利用保水树脂的吸水、保水以及饱水后放入密闭空间极易受液氮冷冻而体积膨胀的特性，提高人工增透效果，从而实现增产。

(2)所述压裂系统采用冻胀压裂法，相较于水力压裂，无需大型压裂车，环保无污染，节约水资源，设备简单，成本低廉，同时，保水树脂化学性质稳定，无毒无害易降解，且可回收重复利用，具有较高的环保和经济效益，对非常规天然气的增产具有实际工程意义。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明公开的基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统的示意图。

图2为本发明公开的基于保水树脂的液氮冷冻压裂方法的流程图。

图中的数字或字母所代表的零部件名称为：

1-高分子材料罐；2-泵注泵；3-抽吸泵；4-液氮泵；5-储氮罐；6-热风机；7-补水罐；8-隔热套筒；V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11、V12、V13、V14-通断阀门；S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7-三通；G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8-管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1-图2示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其进行了详细的剖析。

实施例1

如图1所示的一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，应用于非常规天然气开采技术领域，主要适用于煤层气、页岩气等的开发利用。该液氮冷冻压裂系统包括高分子材料泵注系统以及冷循环系统。

高分子材料泵注系统包括内部存储高分子材料的高分子材料罐1、用于向钻孔内泵注高分子材料的泵注泵2以及一端连接于泵注泵2输出端、另一端伸入钻孔的泵注管，高分子材料罐1与泵注泵2输入端管道连接。其中，高分子材料为保水树脂与水的混合物，配置方式为将保水树脂与水充分混合，吸水饱和后，将多余水分用过滤筛过滤，配置成功后的饱和保水树脂呈粘稠状，并有一定的流动能力。开启泵注泵2，高分子材料罐1内的高分子材料经由泵注管注入钻孔内。

冷循环系统包括内部存储液氮的储氮罐5、用于将液氮泵注入钻孔内的液氮泵4以及冷循环管道，液氮泵4输入端与储氮罐5管道连通，并于两者之间的连接管道上设置有通断阀门V11。冷循环管道输入端与液氮泵4输出端连通，输出端与储氮罐5连通。具体的，冷循环管道为波纹管。

冷循环管道包括串、并联连通的外部冷循环管道和内部冷循环管道。外部冷循环管道和内部冷循环管道上分别设置有通断阀门，通过启闭相应的通断阀门，导通外部冷循环管道或内部冷循环管道。外部冷循环管道设置于井口，开启液氮泵4以及外部冷循环管道上的通断阀门，储氮罐5中液氮于外部冷循环管道中循环流动，封堵井口。内部冷循环管道设置于钻孔内，开启液氮泵4和内部冷循环管道上的通断阀门，储氮罐5中液氮于内部冷循环管道中循环流动，冻结钻孔。

具体的，外部冷循环管道由管道G1、G2、G4、G6、G7所组成，管道G2设置于井口，管道G2的两端设置有通断阀门V4、V5，启闭通断阀门V4、V5，以实现外部冷循环管道的导通与关闭。内部冷循环管道由管道G1，G3、G4、G6、G7所组成，管道G3设置于钻孔内，管道G3的两端设置有通断阀门V3、V6，启闭通断阀门V3、V6，以实现内部冷循环管道的导通与关闭。管道G3与管道G2的连接处分别设置有三通S4、S5，以实现管道G2与管道G3的并联，从而实现外部冷循环管道与内部冷循环管道的串、并联。

进一步的，泵注管伸入钻孔的一端的外表面包裹有隔热套筒8，能够防止泵注管冻裂，同时避免泵注管内的高分子材料被冻结而导致无法泵注或抽吸。

进一步的，泵注泵2输出端设置有压力表，可检测钻孔内液体压力。

实施例2

其余与实施例1相同，不同之处在于：

该液氮冷冻压裂系统还包括一热循环系统，热循环系统包括热风机6以及热循环管道，热循环管道包括第一热循环管道G8和第二热循环管道G5，第一热循环管道G8一端与热风机出风口连通，另一端通过三通S6与冷循环管道输入端连通。第二热循环管道G5输入端通过三通S7与冷循环管道输出端连通。第一热循环管道G8和第二热循环管道G5上分别设置有通断阀门V7、V9。通过启闭相应通断阀门，以实现热循环系统和冷循环系统的切换。热循环系统的设置，用于产生干燥的热气流干燥冷循环管道，防止下次液氮泵注时冻裂冷循环管道。同时热循环系统产生的热气流能够融化已冻结的高分子材料，方便高分子材料的回收重复利用，具有较高的环保和经济效益。

进一步的，冷循环管道与第一热循环管道G8连通的上游以及与第二热循环管道G5连通的下游分别设置有通断阀门V8、V10。

实施例3

其余与实施例2相同，不同之处在于：

该液氮冷冻压裂系统还包括一高分子材料回收系统，该回收系统包括与泵注泵2并联的，用于回收使用过的高分子材料抽吸泵3、抽吸泵3输入管道以及抽吸泵3输出管道，抽吸泵3输入管道和抽吸泵3输出管道分别通过三通S1、S3连接于泵注管和泵注泵2输入管道上。抽吸泵3输入管道和抽吸泵3输出管道上分别设置有通断阀门V12、V13。泵注泵2输入管道与抽吸泵3输出管道连通的下游设置有通断阀门V1，泵注管与抽吸泵3输入管道连通的上游设置有通断阀门V2。通过切换相应的通断阀门V1、V2、V12、V13，以实现高分子材料的泵注或抽吸。开启抽吸泵3与通断阀门V12、V13，钻孔内有一定流动性的高分子材料经由抽吸泵3抽吸入高分子材料罐。

进一步的，高分子材料回收系统还包括一补水系统，补水系统包括与高分子材料罐1并联的补水罐7以及补水管道，补水管道输入端与补水罐7连通，输出端通过三通S2连接于泵注泵2输入管道上通断阀门V1的下游，补水管道上设置有通断阀门V14。高分子材料罐1和补水罐7并联，通过切换通断阀门V1、V14，以实现泵注高分子材料或水。补水系统的设置，用于补充保水树脂实施压裂后损失的水分，以恢复其流动能力，增强回收系统的回收效率。

如图2所示，本发明另外公开的一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂方法，使用上述液氮冷冻压裂系统，包括以下步骤：

步骤一：自动压裂系统初始化，默认将所有通断阀门关闭。

步骤二：开启泵注泵2、泵注泵2输入管道和泵注管上的通断阀门V1、V2，将高分子材料泵注入钻孔中，并充满整个钻孔。

步骤三：关闭泵注泵2、泵注泵2输入管道和泵注管上的通断阀门V1、V2。

步骤四：开启液氮泵4、外部冷循环管道上的通断阀门V4、V5、V8、V10、V11，钻孔外部冷循环系统工作，对井口进行封堵。

步骤五：井口冻结完成，关闭液氮泵4、外部冷循环管道上的通断阀门V4、V5、V8、V10、V11，钻孔外部冷循环系统停止工作。

步骤六：开启泵注泵2、泵注泵2输入管道和泵注管上的通断阀门V1、V2，继续向钻孔内泵注高分子材料，达到设定压力。

步骤七：关闭泵注泵2、泵注泵2输入管道和泵注管上的通断阀门V1、V2，停止泵注。

步骤八：开启液氮泵4、外部冷循环管道和内部冷循环管道上的所有通断阀门V3、V4、V5、V6、V8、V10、V11，钻孔内部冷循环系统和外部冷循环系统工作，对钻孔内部未冻结的高分子材料进行冷冻，直到全部冻结。

步骤九：关闭液氮泵4、外部冷循环管道和内部冷循环管道上的所有通断阀门V3、V4、V5、V6、V8、V10、V11，钻孔内部冷循环系统和外部冷循环系统停止工作。

步骤十：开启热风机6、热循环管道上的通断阀门V7、V9以及第一热循环管道与第二热循环管道中间的冷循环管道上的通断阀门V3、V4、V5、V6，热循环系统工作，对钻孔内高分子材料进行降温融化。

步骤十一：关闭热风机6、热循环管道上的通断阀门V7、V9以及第一热循环管道与第二热循环管道中间的冷循环管道上的通断阀门V3、V4、V5、V6，热循环系统关闭。

步骤十二：开启泵注泵2、补水管道和泵注管上的通断阀门V14、V2，开始对钻孔内缺水的高分子材料进行补水。

步骤十三：开启抽吸泵3、抽吸泵3输入管道和抽吸泵3输出管道上的通断阀门V12、V13，开始抽吸回收高分子材料。

步骤十四：关闭泵注泵2、补水管道和泵注管上的通断阀门V14、V2，停止对钻孔内高分子材料进行补水。

步骤十五：关闭抽吸泵3、抽吸泵3输入管道和抽吸泵3输出管道上的通断阀门V12、V13，停止抽吸回收高分子材料。

步骤十六：若产气效率不达标，重复上述步骤，直至增透效果达到要求。

综上所述，本发明公开的一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统利用保水树脂的吸水、保水以及饱水后放入密闭空间极易受液氮冷冻而体积膨胀的特性，提高人工增透效果，从而实现增产。同时，该压裂系统采用冻胀压裂法，相较于水力压裂，无需大型压裂车，环保无污染，节约水资源，设备简单，成本低廉，且保水树脂化学性质稳定，无毒无害易降解，且可回收重复利用，具有较高的环保和经济效益，对非常规天然气的增产具有实际工程意义。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，其特征在于，包括高分子材料泵注系统以及冷循环系统；所述高分子材料泵注系统包括内部存储高分子材料的高分子材料罐(1)、用于向钻孔内泵注高分子材料的泵注泵(2)以及一端连接于泵注泵(2)输出端、另一端伸入钻孔的泵注管，所述高分子材料罐(1)与泵注泵(2)输入端管道连接；

所述冷循环系统包括内部存储液氮的储氮罐(5)、用于将液氮泵注入钻孔内的液氮泵(4)以及冷循环管道，所述液氮泵(4)输入端与储氮罐(5)管道连通，所述冷循环管道输入端与液氮泵(4)输出端连通，输出端与储氮罐(5)连通。

2.根据权利要求1所述的基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，其特征在于，所述冷循环管道包括串、并联连通的外部冷循环管道和内部冷循环管道，外部冷循环管道和内部冷循环管道上分别设置有通断阀门，通过启闭相应的通断阀门，导通外部冷循环管道或内部冷循环管道；外部冷循环管道设置于井口，开启液氮泵以及外部冷循环管道上的通断阀门，储氮罐(5)中液氮于外部冷循环管道中循环流动，冻结井口；内部冷循环管道设置于钻孔内，开启液氮泵和内部冷循环管道上的通断阀门，储氮罐(5)中液氮于内部冷循环管道中循环流动，冻结钻孔。

3.根据权利要求2所述的基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，其特征在于，所述液氮冷冻压裂系统还包括一热循环系统，所述热循环系统包括热风机(6)以及热循环管道，所述热循环管道包括第一热循环管道和第二热循环管道，所述第一热循环管道一端与热风机(6)出风口连通，另一端通过三通与冷循环管道输入端连通；所述第二热循环管道输入端通过三通与冷循环管道输出端连通；所述第一热循环管道和第二热循环管道上分别设置有通断阀门，启闭相应通断阀门，实现热循环系统和冷循环系统的切换。

4.根据权利要求3所述的基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，其特征在于，所述液氮冷冻压裂系统还包括一高分子材料回收系统，所述回收系统包括与泵注泵(2)并联的抽吸泵(3)、抽吸泵(3)输入管道以及抽吸泵(3)输出管道，所述抽吸泵(3)输入管道和抽吸泵(3)输出管道分别通过三通连接于泵注管和泵注泵(2)输入管道上；所述抽吸泵(3)输入管道、抽吸泵(3)输出管道、泵注管以及泵注泵(2)输入管道上分别设置有通断阀门，启闭相应通断阀门，实现高分子材料的泵注或抽吸。

5.根据权利要求4所述的基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，其特征在于，所述高分子材料回收系统还包括一补水系统，所述补水系统包括与高分子材料罐(1)并联的补水罐(7)以及补水管道，所述补水管道输入端与补水罐(7)连通，输出端通过三通连接于泵注泵(2)输入管道上，所述补水管道上设置有通断阀门，启闭相应通断阀门，实现泵注高分子材料或水。

6.根据权利要求1所述的基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，其特征在于，所述泵注管伸入钻孔的一端外表面包裹有隔热套筒(8)。

7.根据权利要求1所述的基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，其特征在于，所述泵注泵(2)输出端设置有压力表。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于保水树脂的液氮冷冻压裂系统，其特征在于，所述高分子材料为保水树脂与水的混合物。

9.一种基于保水树脂的液氮冷冻压裂方法，其特征在于，使用权利要求1-8任一项所述的液氮冷冻压裂系统，包括以下步骤：

步骤一：自动压裂系统初始化，默认将所有通断阀门关闭；

步骤二：开启泵注泵(2)、泵注泵(2)输入管道和泵注管上的通断阀门，将高分子材料泵注入钻孔中，并充满整个钻孔；

步骤三：关闭泵注泵(2)、泵注泵(2)输入管道和泵注管上的通断阀门；

步骤四：开启液氮泵(4)、外部冷循环管道上的通断阀门，钻孔外部冷循环系统工作，对井口进行冻结；

步骤五：井口冻结完成，关闭液氮泵(4)、外部冷循环管道上的通断阀门，钻孔外部冷循环系统停止工作；

步骤六：开启泵注泵(2)、泵注泵(2)输入管道和泵注管上的通断阀门，继续向钻孔内泵注高分子材料，达到设定压力；

步骤七：关闭泵注泵(2)、泵注泵(2)输入管道和泵注管上的通断阀门，停止泵注；

步骤八：开启液氮泵(4)、外部冷循环管道和内部冷循环管道上的所有通断阀门，钻孔内部冷循环系统和外部冷循环系统工作，对钻孔内部未冻结的高分子材料进行冷冻，直到全部冻结；

步骤九：关闭液氮泵(4)、外部冷循环管道和内部冷循环管道上的所有通断阀门，钻孔内部冷循环系统和外部冷循环系统停止工作；

步骤十：开启热风机(6)、热循环管道上的通断阀门以及第一热循环管道与第二热循环管道中间的冷循环管道上的通断阀门，热循环系统工作，对钻孔内高分子材料进行降温融化；

步骤十一：关闭热风机(6)、热循环管道上的通断阀门以及第一热循环管道与第二热循环管道中间的冷循环管道上的通断阀门，热循环系统关闭；

步骤十二：开启泵注泵(2)、补水管道和泵注管上的通断阀门，开始对钻孔内缺水的高分子材料进行补水；

步骤十三：开启抽吸泵(3)、抽吸泵(3)输入管道和抽吸泵(3)输出管道上的通断阀门，开始抽吸回收高分子材料；

步骤十四：关闭泵注泵(2)、补水管道和泵注管上的通断阀门，停止对钻孔内高分子材料进行补水；

步骤十五：关闭抽吸泵(3)、抽吸泵(3)输入管道和抽吸泵(3)输出管道上的通断阀门，停止抽吸回收高分子材料；

步骤十六：若产气效率不达标，重复上述步骤，直至增透效果达到要求。