CN110984953B - 压裂返排过程中有害气体处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压裂返排过程中有害气体处理方法，其特征在于，包括用于井下压裂的气液分离装置；所述气液分离装置作为一级压裂管柱下入井下，包括压裂通道、返排通道及气液分离机构；所述压裂通道，用作压裂过程中压裂液注入下级压裂管柱通道；所述返排通道，其上设置出气口，用作返排压裂过程中压裂液返排至上级压裂管柱通道；所述气液分离机构，用于将所述压裂液中的有害气体分离出来；所述出气口，用于将所述有害气体排入开采过的储层。

Description

压裂返排过程中有害气体处理方法

技术领域

本发明涉及在压裂过后的油井，返排压裂液过程中由于各种原因产生的有毒有害气体随着压裂返排液返排的到井口的现象，为解决有毒有害气体返排到井口的现象所采用的有害气体处理方法。

背景技术

当前，国内的大多数油田都进入了生产开发的中后期，地层进入高含水时期，油田的老井都要采用一些相应的压裂措施作为增产增注手段进而提高油田的产量，但是在压裂增产后返排压裂液的过程中可能会产生有毒有害气体例如硫化氢，一氧化碳等。硫化氢毒性很大，而且一氧化碳无色无味，往往发生泄漏时现场施工的工人不容易及时被发现，导致现场施工的工人不能及时撤离有毒地带，因此造成油田工人中毒的事件时有发生，压裂施工现场的环境变得十分恶劣。一旦有毒有害气体从井口泄漏，必须暂停施工，直至确认施工现场安全之后才能重新开工，这样会大大地增加压裂作业的时间和油井停产的时间，使得油井压裂的成本增加。

而针对在井下已经产生的有毒有害气体，主要采用加入化学药剂中和或加入活性炭吸附等方法；存在以下缺点：

（1）不同压裂井产生有毒有害气体的原因不尽相同，改变化学药剂配方成本过高；

（2）不同压裂井产生的有毒有害气体不同且处于动态变化中，加入化学药剂和活性炭的量很难确定，且活性炭的成本较高，不适合大面积使用，且加入的化学药剂和活性炭有可能污染储层。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种压裂返排过程中有害气体处理方法，在不影响正常压裂的情况下，解决返排井下压裂液过程中易发生有毒有害气体泄漏从而引发安全事故的问题。

为实现上述发明目的，所述的一种压裂返排过程中有害气体处理方法，其特征在于，包括：

用于井下压裂的气液分离装置；

所述气液分离装置作为一级压裂管柱下入井下，包括压裂通道、返排通道及气液分离机构；

所述压裂通道，用作压裂过程中压裂液注入下级压裂管柱通道；

所述返排通道，其上设置出气口，用作返排压裂过程中压裂液返排至上级压裂管柱通道；

所述气液分离机构，用于将所述压裂液中的有害气体分离出来；

所述出气口，用于将所述有害气体排入至开采过的储层。

优选地，所述气液分离装置，包括中心管；

所述气液分离机构为离心分离器或旋流分离器；

所述中心管外连接所述离心分离器或旋流分离器；

所述中心管的中心孔用作所述压裂通道；

所述中心管与所述离心分离器或所述旋流分离器之间具有所述返排通道；

所述离心分离器或所述旋流分离器，用于将所述返排压裂液离心分离或旋流分离出所述有害气体。

优选地，所述气液分离装置，包括中心管；

所述气液分离机构为离心分离器和旋流分离器；

所述中心管外串联连接所述离心分离器和旋流分离器；

所述中心管的中心孔用作所述压裂通道；

所述中心管与所述离心分离器和所述旋流分离器之间具有所述返排通道；

所述离心分离器和所述旋流分离器，用于将所述返排压裂液离心分离并旋流分离出所述有害气体。

优选地，所述离心分离器包括离心分离器上总成、螺旋叶片、离心分离器下总成；

所述螺旋叶片固定在所述中心管上，用于从下至上经过的返排压裂液经所述螺旋叶片发生旋转流动而产生离心力；

所述离心力，用于将所述压裂液中的有害气体分离出来；

所述离心分离器上总成上具有第一单流阀及离心出气口；

所述第一单流阀，用于在压裂过程中关闭所述返排通道，在返排压裂过程中打开所述返排通道；

所述离心出气口，用于将所述有害气体排入开采过的储层；

所述离心分离器下总成，具有第一导流通道；

所述第一导流通道，用于将所述返排压裂液导入到所述离心分离器的返排通道内。

优选地，所述离心分离器还包括分流叶片；

所述分流叶片连接在所述中心管上，用于将从所述螺旋叶片上方螺旋流出的所述返排压裂液的流向转变为沿所述中心管轴向流动。

优选地，所述旋流分离器包括旋流分离器上总成、旋流组件及旋流分离器下总成；

所述旋流分离器上总成，具有旋流进液口、旋流出气口；

所述旋流组件，用于将经所述旋流进液口进入的所述返排压裂液旋流分离出所述有害气体；

旋流出气口，用于将所述有害气体排入到开采过的储层；

所述旋流分离器下总成具有第二单流阀；

所述第二单流阀，用于在压裂过程中打开所述压裂通道，在返排压裂过程中关闭所述压裂通道。

优选地，所述旋流组件，包括同轴固定在所述中心管上的椎体和外壳；

所述椎体和所述外壳具有斜面，二者之间具有缝隙；

所述缝隙，用于形成旋流腔；

所述旋流腔，用于引导进入所述旋流进液口的所述返排压裂液进行旋转流动；

所述旋转流动，用于旋流分离所述返排压裂液中的所述有害气体。

优选地，所述旋流进液口沿切线方向进入所述旋流分离器。

优选地，所述旋流进液口与所述旋流出气口之间装有第一封隔器；

所述离心出气口上方装有第二封隔器；

所述第一封隔器与所述第二封隔器之间为所述开采过的储层。

本发明具有如下有益效果：

本发明压裂返排过程中有害气体处理方法，采用适用于井下压裂的气液分离装置，该装置具有互相独立的压裂通道及返排通道，并在返排通道上设置气体出口，作为一级压裂管柱下入井下，在井下压裂过程中，进行正常的压裂施工，在压裂返排过程中，将返排的压裂液中的有毒有害气体分离出来并从特设的气体出口排入到开采过的储层，实现返排到地面的压裂液中不含或少含有害气体的目的。

附图说明

通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的气液分离装置结构示意图；

图2是本发明实施例的离心分离器的纵向剖视图；

图3A是图2中离心分离器上总成局部放大图；

图3B是图2中离心分离器上总成的立体图；

图4A是本发明实施例的旋流分离器的纵向剖视图；

图4B是图4A的局部放大图；

图5A是本发明实施例的旋流分离器上总成结构示意图；

图5B是本发明实施例的旋流分离器下总成结构示意图；

图6是气液分离装置在地下安装图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

为了解决背景技术中的问题，在压裂施工过程中，要求用于井下压裂的气液分离装置可视作正常压裂管柱，可完成正常压裂液的传递；并在压裂返排过程中，该分离装置能够将有毒有害气体与压裂返排液分离开来，并将分离后的有毒有害气体排入到开采过的储层，因为开采过的储层具有致密的盖层，可以保证有毒有害气体不会向上逸散，最终实现返排井下压裂液过程中不会发生泄漏有毒有害气体的目的。

为满足上述压裂施工要求，要求用于井下压裂的气液分离装置，要同时具有压裂通道及返排通道。在压裂过程中，压裂液只经由压裂通道注入到下级压裂管柱，并不进入返排通道。在压裂返排过程中，压裂返排液只流经返排通道，而不进入到压裂通道，并在返排通道上设置有毒有害气体出口及返排液出口；同时，在返排通道内具有气液分离机构，通过该气液分离机构将压裂返排液中的有毒有害气体分离出来，并将有毒有害气体从有毒有害气体出口排入到开采过的储层，而经分离后的压裂返排液从返排液出口进入上级压裂管柱。

为满足上述用于井下压裂的气液分离装置的技术要求，本申请提供了如下的技术方案，具体结合附图对该装置的零部件组成、结构特点及连接关系等进行详细说明如下：

图1是本发明实施例的用于井下压裂的气液分离装置结构示意图；由图1所示，用于井下压裂的气液分离装置是由离心分离器22和旋流分离器23连接构成。

其中，离心分离器22与上部压裂管柱通过丝扣连接，旋流分离器23与下部压裂管柱通过丝扣连接；离心分离器22在上、旋流分离器23在下，二者通过螺栓固定连接。

旋流分离器23的作用是通过旋流分离的方式是对返排压裂液进行一次分离；离心分离器22的作用是对旋流分离后的返排压裂液通过离心分离的方式继续进行二次分离。

图2是本发明实施例的离心分离器22的纵向剖视图；在图2中，离心分离器包括离心分离器上总成1、中心管2、分流叶片3、螺旋叶片4、离心分离器下总成5；中心管2、分流叶片3、螺旋叶片4均置于连接在离心分离器上总成1与离心分离器下总成5之间的壳体内。

图3A是图2中离心分离器上总成局部放大图；在图3A中，离心分离器上总成1包括离心分离器上接头11及接头本体，离心分离器上接头11与接头本体之间通过固定螺栓12连接，接头本体具有内部腔室。

其中，离心分离器上接头11的作用是通过其上部螺纹与上部压裂管柱连接在一起。

中心管2贯穿旋流分离器和离心分离器，作用是在压裂时将压裂液从上部压裂管柱导入到下部压裂管柱。

具体的是，中心管2从离心分离器上总成1中心穿过，在中心管2与离心分离器上总成1之间具有间隙，该间隙形成离心返排通道；在该离心返排通道，设置了第一单流阀13，该第一单流阀13用于打开或关闭该离心返排通道。

第一单流阀13的设置方式是在接头本体的上端面设置有连通接头本体内部腔室与离心分离器上接头11之间的通道，在该通道的上端口设置有球座结构，该球座结构上配合设置阀体25，该阀体为球体；该第一单流阀13的设置，保证接头本体内部腔室中的液体只能向离心分离器上接头11方向流动，反方向则不能流通。

接头本体内部腔室还具有离心排液口14和离心出气口15。

图3B是图2中离心分离器上总成1的立体图；如图3B所示，离心分离器上总成1上布置有三个球形第一单流阀13。

压裂时，从上部压裂管柱注入的压裂液进入到离心分离器上接头11，进而进入到中心管2及中心管2与离心分离器上接头11之间的空隙26，在压力作用下，阀体25被压在球座上，第一单流阀13关闭，压裂液只能从中心管2流过，进行正常压裂操作；

在返排压裂液的时候，从下部压裂管柱返排的压裂液流动至此时，已经被离心分离为位于内侧的液相部分和位于外侧的气相部分，其中的有毒有害气体则包含在气相部分中；内侧的液相部分通过离心排液口14流入到接头本体内部腔室中，此时，第一单流阀13下方压力高于其上方压力，阀体25离开球座，离心返排通道被打开；打开离心返排通道后，液相部分从该离心返排流通道进入到与离心分离器上接头11连接的上部压裂管柱中，通过该上部压裂管柱返排至地面。气相部分则从离心出气口15溢出进入两个封隔器24之间的环空，继续在压力的作用下进入地层中。

离心分离器上总成1下方，中心管2上固定有分流叶片3和螺旋叶片4，其中螺旋叶片4是固定在中心管2上，液体进来后只能沿着螺旋叶片4流动，分流叶片3主要是让已经旋转的液体分成一格一格方便返排，而且让气相部分从离心出气口15流出；离心分离后的返排压裂液中密度较大的液相部分位于中心管2的内侧，而密度较小的包含有害气体的液相部分则被分离到中心管2的外侧，从而达到气液分离的目的。

离心分离器下总成5上有第一导流通道，可以将经过旋流分离器一次分离过的返排压裂液导入离心分离器22进行二次分离。

图4A是本发明实施例的旋流分离器的纵向剖视图；图4B是图4A的局部放大图；在图4A及图4B中，旋流分离器，包括旋流分离器上总成6、椎体7、外壳8、旋流分离器下总成9、旋流分离器下接头10。

由图5A所示，旋流分离器上总成6，包括本体，在本体上端面设置螺栓孔16，该螺栓孔16用于离心分离器22和旋流分离器23通过螺栓12连接；在该本体上端面上还设置第二导流通道17。

旋流分离器上总成6的侧壁具有旋流进液口20是压裂返排液进入旋流分离器的入口，旋流进液口20装有滤网用于过滤可能堵塞分离器的固体颗粒。

压裂返排液进入旋流进液口20是向下流的，呈倒置的漏斗状，旋流分离器上总成6侧壁开有第三导流通道18，第三导流通道18将旋流分离器下部的液体输送至旋流分离器上部，然后经过第二导流通道17进入离心分离器，在离心分离器中进行二次气液分离。

旋流出气口19是将旋流分离出的有毒有害气体导入地层。

由图4B所示，中心管2外分别同心焊接固定椎体7和外壳8，椎体7是一个漏斗一样的斜面，外壳8比椎体7大，二者之间有5mm缝隙构成旋流腔，旋流腔下部有底流口，底流口与第三导流通道18连通。椎体7和外壳8均置于连接在旋流分离器上总成6及旋流分离器下总成9之间的壳体内部。

由图5B所示，旋流分离器下总成9连接下部压裂管柱及旋流分离器下接头10，旋流分离器下接头10底部安装有一个第二单流阀21，中心管2下面连接第二单流阀21。

在正常压裂过程中，第二单流阀21是打开状态，压裂液可以正常通过第二单流阀21到达下部压裂管柱；在返排压裂液的过程中，第二单流阀21关闭，压裂液不能从原来的压裂管柱向上返排，只能通过油套环空向上返排。

具体地，结合附图对压裂返排过程中有毒有害气体处理过程进行详细说明：

首先如图6所示，将气液分离装置下到要注入气体的地层，并且在旋流进液口20和旋流出气口19之间加装第一封隔器；在离心出气口15上方加装第二封隔器，两个封隔器之间的是已经射孔可以注入有毒有害气体的地层，也就是开采过的储层。

整个气液分离装置是有两个通道可以连接上下压裂管柱的，一个通道就是中心管2，另一个通道就是气液分离装置中的返排通道；然后在气液分离装置出口处的第一单流阀13和在中心管2底部的第二单流阀21用来控制压裂液从哪个通道流过。

在正常压裂过程中，气液分离装置作为一段管柱，离心分离器上总成1的第一单流阀13关闭，旋流分离器下总成9下方的第二单流阀21打开，压裂液只能从中心管2通过；在返排压裂液时，第二单流阀21关闭，返排压裂液只能从环空上返，从旋流进液口20进入，同时第一单流阀13打开，经过二次分离的返排压裂液可以从离心排液口14进入上方压裂管柱并且上返至地面。

在返排压裂液的过程中，旋流分离器下总成9下方的第二单流阀21关闭，返排压裂液由于地层压力，从环空上返，然后由旋流进液口20进入旋流分离器，返排压裂液进入旋流分离器后，因旋流进液口20沿切向布置，所以返排压裂液呈切向进入后，作旋转流动，在椎体7和外壳8之间构成的旋流腔内做急速旋转运动，由于介质间的密度不同，所受的离心力、向心浮力和流体曳力的大小不同，形成强烈的涡流，并分为底流和溢流两部分，底流为压裂液，溢流为气体，从而实现气液分离的初步分离。

分离出的气体聚集在旋流器分离单元的中心处，从而形成气柱。由于气液密度差，使得气体从旋流分离器上方的旋流出气口19排出，经过旋流分离的压裂液依次从第三导流通道18进入旋流分离器上总成6，然后由第二导流通道17从进入离心分离器。

经过旋流分离的压裂液进入离心分离器后在螺旋叶片4和分流叶片3的作用下，流体旋转的速度增大，离心力更强，所以气液可以进一步分离。分离后的气体聚集于轴心处由离心出气口15排入进压裂管柱与套管之间的环形空间内，然后进入地层。离心分离的压裂液则沿着壳体上行由离心出液口14流出，经过第一单流阀13并且通过头部总成接箍与中心管2之间的空隙再重新进入上方压裂管柱中。

由于旋流出气口19与离心出气口15处于统一压力系统，使得经过二次分离（旋流分离及离心分离）的有毒有害气体，在第一封隔器及第二封隔器之间进入提前已经射孔的地层，从而实现防治有毒有害气体在井口处的泄露。从而实现最初的目的。

经过二次分离的压裂液通过原来压裂管柱返回地面管线。

以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种压裂返排过程中有害气体处理方法，其特征在于，包括：

用于井下压裂的气液分离装置；

所述气液分离装置作为一级压裂管柱下入井下，包括压裂通道、返排通道及气液分离机构；

所述压裂通道，用作压裂过程中压裂液注入下级压裂管柱通道；

所述返排通道，其上设置出气口，用作返排压裂过程中压裂液返排至上级压裂管柱通道；

所述气液分离机构，用于将所述压裂液中的有害气体分离出来；

所述出气口，用于将所述有害气体排入至开采过的储层；

所述气液分离装置，包括中心管（2）；

所述气液分离机构为离心分离器（22）和/或旋流分离器（23）；

所述中心管（2）外连接所述离心分离器（22）和/或旋流分离器（23）；

所述中心管（2）的中心孔用作所述压裂通道；

所述中心管（2）与所述离心分离器（22）或所述旋流分离器（23）之间具有所述返排通道；

所述离心分离器（22）或所述旋流分离器（23），用于将所述返排压裂液离心分离或旋流分离出所述有害气体。

2.根据权利要求1所述的压裂返排过程中有害气体处理方法，其特征在于：

所述离心分离器（22）包括离心分离器上总成（1）、螺旋叶片（4）、离心分离器下总成（5）；

所述螺旋叶片（4）固定在所述中心管（2）上，用于从下至上经过的返排压裂液经所述螺旋叶片（4）发生旋转流动而产生离心力；

所述离心力，用于将所述压裂液中的有害气体分离出来；

所述离心分离器上总成（1）上具有第一单流阀（13）及离心出气口（15）；

所述第一单流阀（13），用于在压裂过程中关闭所述返排通道，在返排压裂过程中打开所述返排通道；

所述离心出气口（15），用于将所述有害气体排入开采过的储层；

所述离心分离器下总成（5），具有第一导流通道；

所述第一导流通道，用于将所述返排压裂液导入到所述离心分离器（22）的返排通道内。

3.根据权利要求2所述的压裂返排过程中有害气体处理方法，其特征在于：

所述离心分离器（22）还包括分流叶片（3）；

所述分流叶片（3）连接在所述中心管（2）上，用于将从所述螺旋叶片（4）上方螺旋流出的所述返排压裂液的流向转变为沿所述中心管（2）轴向流动。

4.根据权利要求2或3所述的压裂返排过程中有害气体处理方法，其特征在于：

所述旋流分离器（23）包括旋流分离器上总成（6）、旋流组件及旋流分离器下总成（9）；

所述旋流分离器上总成（6），具有旋流进液口（20）、旋流出气口（19）；

所述旋流组件，用于将经所述旋流进液口（20）进入的所述返排压裂液旋流分离出所述有害气体；

旋流出气口（19），用于将所述有害气体排入到开采过的储层；

所述旋流分离器下总成（9）具有第二单流阀（21）；

所述第二单流阀（21），用于在压裂过程中打开所述压裂通道，在返排压裂过程中关闭所述压裂通道。

5.根据权利要求4所述的压裂返排过程中有害气体处理方法，其特征在于：

所述旋流组件，包括同轴固定在所述中心管（2）上的椎体（7）和外壳（8）；

所述椎体（7）和所述外壳（8）具有斜面，二者之间具有缝隙；

所述缝隙，用于形成旋流腔；

所述旋流腔，用于引导进入所述旋流进液口（20）的所述返排压裂液进行旋转流动；

所述旋转流动，用于旋流分离所述返排压裂液中的所述有害气体。

6.根据权利要求4所述的压裂返排过程中有害气体处理方法，其特征在于：

所述旋流进液口（20）沿切线方向进入所述旋流分离器（23）。

7.根据权利要求4所述的压裂返排过程中有害气体处理方法，其特征在于：

所述旋流进液口（20）与所述旋流出气口（19）之间装有第一封隔器；

所述离心出气口（15）上方装有第二封隔器；

所述第一封隔器与所述第二封隔器之间为所述开采过的储层。

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