CN110792395B - 一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统及其控制方法 - Google Patents

一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统及其控制方法，包括：二氧化碳存储罐通过第一管道与二氧化碳压缩机相连通；二氧化碳压缩机通过第二管道与第一外部热源相连通；第一外部热源与第一二氧化碳透平相连通；第一二氧化碳透平与二氧化碳冷却器相连通，二氧化碳冷却器与二氧化碳压缩机相连通；二氧化碳压缩机连通有第三管道；过滤分离装置与第二外部热源相连通，第二外部热源与第二二氧化碳透平相连通，第二二氧化碳透平与二氧化碳存储罐相连通。本发明的系统，能够提升化石能源开采效率，在享有超临界二氧化碳钻井优势的同时实现能量自给，降低施工成本。

Description

一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统及其控制方法
技术领域
本发明属于钻采设备及发电技术领域，特别涉及一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统及其控制方法。
背景技术
随着全球资源需求量的日益增大，对化石能源的开采技术提出了更高的要求。传统的高压水射流旋转钻井方法虽然具有速度快、效率高等优点，但同时存在水合物形成率高、采收率下降等问题；而利用二氧化碳作为射流介质，可以避免粘土水化膨胀等现象、提升采收率，同时二氧化碳无毒无害、来源广泛、能够节省水资源。
目前出现的技术仅将超临界二氧化碳作为一种钻井液，取代水进行钻井作业，虽然能够实现超临界二氧化碳钻井的上述优势，但却没有应用二氧化碳的热力学优势；现有技术仍存在需要外接电力供能、大规模钻井时需要架设电厂从而增加工程成本等问题。因此，亟需开发一种用于钻井的超临界二氧化碳系统及其控制方法，实现高效的化石能源开采。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的系统，能够提升化石能源开采效率，在享有超临界二氧化碳钻井优势的同时实现能量自给，降低施工成本。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统，包括：二氧化碳压缩机、第一外部热源、第一二氧化碳透平、二氧化碳冷却器、过滤分离装置、第二外部热源、第二二氧化碳透平和二氧化碳存储罐；二氧化碳存储罐的出口通过第一管道与二氧化碳压缩机的进口相连通，用于供给二氧化碳；所述第一管道上设置有第三控制阀；二氧化碳压缩机的出口通过第二管道与第一外部热源的进口相连通，所述第二管道上设置有第一控制阀；第一外部热源的出口与第一二氧化碳透平的进口相连通；第一二氧化碳透平的出口与二氧化碳冷却器的进口相连通，二氧化碳冷却器的出口与二氧化碳压缩机的进口相连通；二氧化碳压缩机的出口连通有第三管道，所述第三管道用于通入地底储层；所述第三管道设置有第二控制阀；过滤分离装置的进口用于输入完成作业后的二氧化碳，过滤分离装置的出口与第二外部热源的进口相连通，第二外部热源的出口与第二二氧化碳透平的进口相连通，第二二氧化碳透平的出口与二氧化碳存储罐的进口相连通。
本发明的进一步改进在于，二氧化碳压缩机与第一二氧化碳透平同轴布置。
本发明的进一步改进在于，第一外部热源和第二外部热源分别为地热吸收装置、锅炉或太阳能集热器。
本发明的进一步改进在于，还包括：第一二氧化碳换热器；第一控制阀的出口通过管道与第一二氧化碳换热器的第一进口相连通，第一二氧化碳换热器的第一出口与第一外部热源的进口相连通；第一二氧化碳透平的出口与第一二氧化碳换热器的第二进口相连通，第一二氧化碳换热器的第二出口与二氧化碳冷却器的进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：第二二氧化碳换热器；
过滤分离装置的出口与第二二氧化碳换热器的第一进口相连通，第二二氧化碳换热器的第一出口与第二外部热源的进口相连通；第二二氧化碳透平的出口与第二二氧化碳换热器的第二进口相连通，第二二氧化碳换热器的第二出口与二氧化碳存储罐的进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：第三二氧化碳透平；第二二氧化碳换热器的第二出口与第三二氧化碳透平的进口相连通，第三二氧化碳透平的出口与二氧化碳存储罐的进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：第三二氧化碳透平；第二二氧化碳透平的出口与第三二氧化碳透平的进口相连通，第三二氧化碳透平的出口与二氧化碳存储罐的进口相连通。
本发明的进一步改进在于，二氧化碳存储罐内的二氧化碳压力高于4MPa，温度低于4℃。
一种本发明上述的可用于钻井的超临界二氧化碳系统的控制方法，包括以下步骤：
准备钻井作业时，打开第一控制阀门及第三控制阀门，二氧化碳存储罐中的二氧化碳进入二氧化碳压缩机进行压缩；二氧化碳升压后进入第一外部热源吸收热量，然后进入第一二氧化碳透平完成膨胀做功，用于提供电能；在第一二氧化碳透平做功后的二氧化碳进入二氧化碳冷却器冷却后返回至二氧化碳压缩机；
进行钻井作业时，打开第二控制阀门，二氧化碳压缩机将二氧化碳压缩后泵入地底储层的钻杆内，二氧化碳在下行的过程中达到超临界态，用于输入井下喷射装置并产生射流对地底储层进行破岩；
完成钻井破岩任务后，完成地底作业的二氧化碳输入过滤分离装置，然后输入第二外部热源吸收热量，此后进入第二二氧化碳透平进行超临界二氧化碳的膨胀发电，发电后的二氧化碳返回二氧化碳存储罐，完成循环；二氧化碳回收完成后，关闭第三控制阀门。
其中，二氧化碳发电率可达30％～40％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的可用于钻井的超临界二氧化碳系统，相比于传统的钻井技术，使用了超临界二氧化碳进行钻井作业，实现了水钻井液的替代，能够避免形成水化物，提升采收效率；相比于现有的超临界二氧化碳钻井技术，通过该循环结构能够实现对二氧化碳工质的利用，进行热力发电，满足钻井作业准备、施工、工质回收阶段的电力需求，无须布置额外的发电设备，降低工程成本；相比于传统的蒸汽发电，本系统采用二氧化碳为工质的循环发电，具有更高的发电效率、更为紧凑的系统结构，铺设方便，利于推广使用。
进一步地，本系统利用了二氧化碳在钻井后的富余压力，同时也可利用其在地层所吸纳的地热能量，进一步降低了系统成本、提升了系统效率。
本发明的控制方法，采用二氧化碳为工质的实现循环发电控制，具有更高的发电效率，可达30-40％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面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；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统的结构示意图；
图1中，1、二氧化碳压缩机；2、第一二氧化碳换热器；3、第一外部热源；4、第一二氧化碳透平；5、二氧化碳冷却器；6、地底储层；7、过滤分离装置；8、第二二氧化碳换热器；9、第二外部热源；10、第二二氧化碳透平；11、第三二氧化碳透平；12、二氧化碳存储罐；
101、第一控制阀；102、第二控制阀；103、第三控制阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，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其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种可用于高压钻井的超临界二氧化碳系统，包括：二氧化碳压缩机1、第一二氧化碳换热器2、第一外部热源3、第一二氧化碳透平4、二氧化碳冷却器5、高压柱塞泵、地底储层6、过滤分离装置7、第二二氧化碳换热器8、第二外部热源9、第二二氧化碳透平10、第三二氧化碳透平11和二氧化碳存储罐12；此外还包括第一控制阀101、第二控制阀102和第三控制阀103三个控制阀门。
二氧化碳存储罐12通过管道经第三控制阀103与二氧化碳压缩机1相连，供给二氧化碳，通过管道回收第三二氧化碳透平11出口的二氧化碳。
二氧化碳压缩机1通过管道经第一控制阀101与第一二氧化碳换热器2的第一进口相连，第一二氧化碳换热器2的第一出口与第一外部热源3相连，之后与第一二氧化碳透平4的进口相连，第一二氧化碳透平4的出口与第一二氧化碳换热器2的第二进口相连，之后第一二氧化碳换热器2的第二出口与二氧化碳冷却器5相连，再与二氧化碳压缩机1相连，构成第一循环发电系统，用以满足钻井作业前的电力需求。
二氧化碳压缩机1经第二控制阀102通过管道与高压柱塞泵相连，高压柱塞泵将二氧化碳泵至高压送入地底储层6中进行喷射射流钻井作业，作业完成后经过滤分离装置7处理进入第二二氧化碳换热器8的第一进口，第二二氧化碳换热器8的第一出口与第二外部热源9相连，之后与第二二氧化碳透平10的进口相连，第二二氧化碳透平10的出口与第二二氧化碳换热器8的第二进口相连，之后第二二氧化碳换热器8的第二出口与第三二氧化碳透平11相连，第三二氧化碳透平11与二氧化碳存储罐12相连，构成第二循环发电系统，用以满足钻井作业过程中的电力需求及回收二氧化碳。
优选的，二氧化碳压缩机1与第一二氧化碳透平4同轴布置，可平衡轴向推力，同时节省布置空间。
优选的，第一外部热源3和第二外部热源9可以是地热吸收装置，也可以是锅炉、太阳能集热器等装置。
优选的，第二二氧化碳换热器2及第二二氧化碳换热器8主要作用为进行回热，可根据实际情况省略。
优选的，第三二氧化碳透平11的设置是为利用二氧化碳在钻井后的富余压力，可根据实际灵活调整。
优选的，二氧化碳存储罐12内的二氧化碳压力高于4MPa，温度低于4℃，处于液态方便存储和运输；二氧化碳压缩机1将其压缩至近临界态(压力6MPa左右)，高压柱塞泵(用于进一步加压)将其压至临界压力以上，具体压力视地层决定。
本发明实施例的一种可用于高压钻井的超临界二氧化碳系统的控制方法，包括：
准备钻井作业时，打开第一控制阀门101及第三控制阀门103，二氧化碳存储罐12中的二氧化碳进入二氧化碳压缩机1进行压缩，二氧化碳升压后进入第一二氧化碳换热器2吸收热量，此后进入第一外部热源3吸收热量，然后进入第一二氧化碳透平4完成膨胀做功，提供电能；在第一二氧化碳透平4做功后的二氧化碳进入第一二氧化碳换热器2释放部分热量，再由二氧化碳冷却器5冷却后返回至二氧化碳压缩机1进口，完成循环。此时循环电力可供给施工前的电力需求，同时完成二氧化碳的初步压缩(第一次压缩)。
需要进行钻井作业时，，打开第二控制阀门102，二氧化碳压缩机1将二氧化碳压缩后送入高压柱塞泵进一步加压，此后进入钻柱内，二氧化碳在井筒内下行的过程中由于地温梯度及压力作用，温度压力进一步升高，最终达到超临界态，到达井下喷射装置时产生射流对地底储层6进行破岩。
完成钻井破岩任务后，二氧化碳返回地面的过滤分离装置7，流经第二二氧化碳换热器8吸收热量后进一步吸收第二外部热源9热量，此后进入第二二氧化碳透平10进行超临界二氧化碳的膨胀发电，膨胀发电后进入第二二氧化碳换热器8释放部分热量，再进入第三二氧化碳透平11进行膨胀，降至二氧化碳存储罐内的二氧化碳初始状态，完成循环，此时循环电力供给压缩及其他电力需求。
待回收二氧化碳任务完成后，关闭第三控制阀门103。
本系统所实现的二氧化碳循环系统能够实现30-40％的发电效率，高于蒸汽发电；此外，尺寸为同等规模蒸汽发电的1/10，结构紧凑。综上所述，本发明提供了一种可用于高压钻井的超临界二氧化碳系统及其控制方法，
相比于传统的钻井技术，本发明使用了超临界二氧化碳进行钻井作业，实现了水钻井液的替代，能够避免形成水化物，提升采收效率；相比于现有的超临界二氧化碳钻井技术，通过该循环结构能够实现对二氧化碳工质的利用，进行热力发电，满足钻井作业准备、施工、工质回收阶段的电力需求，无须布置额外的发电设备，降低工程成本；相比于传统的蒸汽发电，本系统采用二氧化碳为工质的循环发电，具有更高的发电效率(30-40％)、更为紧凑的系统结构(尺寸为同等规模蒸汽发电的1/10)，铺设方便，利于推广使用；同时，本系统利用了二氧化碳在钻井后的富余压力，同时也可利用其在地层所吸纳的地热能量，进一步降低了系统成本、提升了系统效率。此外，完成的两次循环能够供给施工过程的电力需求，能够提升该系统的应用灵活性，并降低施工工程的结构复杂度及成本。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统，其特征在于，包括：二氧化碳压缩机（1）、第一外部热源（3）、第一二氧化碳透平（4）、二氧化碳冷却器（5）、过滤分离装置（7）、第二外部热源（9）、第二二氧化碳透平（10）和二氧化碳存储罐（12）；
二氧化碳存储罐（12）的出口通过第一管道与二氧化碳压缩机（1）的进口相连通，用于供给二氧化碳；所述第一管道上设置有第三控制阀（103）；
二氧化碳压缩机（1）的出口通过第二管道与第一外部热源（3）的进口相连通，所述第二管道上设置有第一控制阀（101）；第一外部热源（3）的出口与第一二氧化碳透平（4）的进口相连通；第一二氧化碳透平（4）的出口与二氧化碳冷却器（5）的进口相连通，二氧化碳冷却器（5）的出口与二氧化碳压缩机（1）的进口相连通；
二氧化碳压缩机（1）的出口连通有第三管道，所述第三管道用于通入地底储层；所述第三管道设置有第二控制阀（102）；
过滤分离装置（7）的进口用于输入完成作业后的二氧化碳，过滤分离装置（7）的出口与第二外部热源（9）的进口相连通，第二外部热源（9）的出口与第二二氧化碳透平（10）的进口相连通，第二二氧化碳透平（10）的出口与二氧化碳存储罐（12）的进口相连通；
所述的可用于钻井的超临界二氧化碳系统的控制方法，包括以下步骤：
准备钻井作业时，打开第一控制阀及第三控制阀，二氧化碳存储罐中的二氧化碳进入二氧化碳压缩机进行压缩；二氧化碳升压后进入第一外部热源吸收热量，然后进入第一二氧化碳透平完成膨胀做功，用于提供电能；在第一二氧化碳透平做功后的二氧化碳进入二氧化碳冷却器冷却后返回至二氧化碳压缩机；
进行钻井作业时，打开第二控制阀，二氧化碳压缩机将二氧化碳压缩后泵入地底储层的钻杆内，二氧化碳在下行的过程中达到超临界态，用于输入井下喷射装置并产生射流对地底储层进行破岩；
完成钻井破岩任务后，完成地底作业的二氧化碳输入过滤分离装置，然后输入第二外部热源吸收热量，此后进入第二二氧化碳透平进行超临界二氧化碳的膨胀发电，发电后的二氧化碳返回二氧化碳存储罐，完成循环；
二氧化碳回收完成后，关闭第三控制阀。
2.根据权利要求1所述的一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统，其特征在于，二氧化碳压缩机（1）与第一二氧化碳透平（4）同轴布置。
3.根据权利要求1所述的一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统，其特征在于，第一外部热源（3）和第二外部热源（9）分别为地热吸收装置、锅炉或太阳能集热器。
4.根据权利要求1所述的一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统，其特征在于，还包括：第一二氧化碳换热器（2）；
第一控制阀（101）的出口通过管道与第一二氧化碳换热器（2）的第一进口相连通，第一二氧化碳换热器（2）的第一出口与第一外部热源（3）的进口相连通；
第一二氧化碳透平（4）的出口与第一二氧化碳换热器（2）的第二进口相连通，第一二氧化碳换热器（2）的第二出口与二氧化碳冷却器（5）的进口相连通。
5.根据权利要求1所述的一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统，其特征在于，还包括：第二二氧化碳换热器（8）；
过滤分离装置（7）的出口与第二二氧化碳换热器（8）的第一进口相连通，第二二氧化碳换热器（8）的第一出口与第二外部热源（9）的进口相连通；
第二二氧化碳透平（10）的出口与第二二氧化碳换热器（8）的第二进口相连通，第二二氧化碳换热器（8）的第二出口与二氧化碳存储罐（12）的进口相连通。
6.根据权利要求5所述的一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统，其特征在于，还包括：第三二氧化碳透平（11）；
第二二氧化碳换热器（8）的第二出口与第三二氧化碳透平（11）的进口相连通，第三二氧化碳透平（11）的出口与二氧化碳存储罐（12）的进口相连通。
7.根据权利要求1所述的一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统，其特征在于，还包括：第三二氧化碳透平（11）；
第二二氧化碳透平（10）的出口与第三二氧化碳透平（11）的进口相连通，第三二氧化碳透平（11）的出口与二氧化碳存储罐（12）的进口相连通。
8.根据权利要求1所述的一种可用于钻井的超临界二氧化碳系统，其特征在于，二氧化碳存储罐（12）内的二氧化碳压力高于4MPa，温度低于4℃。
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