CN111058822A - 液态co2/n2两相体系干法压裂液加砂系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统及其实施方法，属于液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液性能测试的技术领域。所述加砂系统包括气体加压系统、加砂泵、加砂控制系统、输送管、输送泵和流量控制阀；所述气体加压系统包括CO₂储罐、CO₂泵、液氮储罐、液氮泵；CO₂储罐与CO₂泵连接，液氮储罐与液氮泵连接；CO₂泵通过输送管依次与加砂泵底端、液氮泵、流量控制阀和输送泵连接，CO₂泵通过一支路输送管与加砂泵上端连接，加砂泵与加砂控制系统连接。该系统实现向液态CO₂/N₂两相体系压裂中均匀加砂，并实时调节砂比，防止砂堵，提升压裂施工的效果，进而提升采收率和开发效果。

Description

液态CO2/N2两相体系干法压裂液加砂系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统及其实施方法，属于液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液性能测试的技术领域。

背景技术

随着石油天然气能源的需求量与日俱增，越来越多的非常规低渗透油气藏包括页岩油、页岩气、致密油被开发利用，对于这些非常规油气藏的开发最有效的方式就是进行压裂改造，提高油气产能。与常规压裂相比，干法压裂具有独特的优势：由于体系中没有水，与地层配伍性好，适用性更广；压裂后返排迅速，无残渣，避免了对地层的污染等。

液态CO₂/N₂两相体系干法压裂是以液态CO₂和N₂形成的无水两相体系作为压裂液对油气储层进行压裂改造的增产工艺，其中液态CO₂为外相，N₂为内相。压裂过程中，液态CO₂/N₂两相体系作为压裂液压开地层并携砂支撑裂缝，压裂施工结束，温度升高、压力降低，液态CO₂变成气态，与N₂快速、彻底地从地层排出，不留残渣，是一种真正意义上的无伤害压裂工艺。液态CO₂/N₂两相体系干法压裂特别适合于非常规油气储层的增产改造，同时也是CO₂资源化利用的一种有效途径。在压裂过程中，液态CO₂/N₂两相体系需要携带支撑剂，进入裂缝，完成压裂过程。压裂液(这里指液态CO₂/N₂两相体系)携砂性能是压裂液的一个重要指标，是评价压裂液性能和进行压裂设计的关键参数，而实现携砂性能评价，需要在压裂液中进行加砂操作。传统的加砂实验设备结构简单，功能单一，加砂不均匀，加砂速度不易调节，而在压裂过程中，施工压力普遍较高，液态CO₂/N₂两相体系状态复杂，现有加砂设备难以实现液态CO₂/N₂两相体系的均匀加砂。

中国专利CN106593394B公开了一种页岩气压裂阶梯加砂方法，(1)向井筒泵注前置液量，液体进入地层造缝；(2)、泵注第一个加砂段塞，阶梯加砂；(3)、泵注第一个液体段塞，若压力现为斜线上升表明压力变化平缓，砂比有提高空间，进入步骤(4)；若压力表明现阶段不宜提升砂比，需要进一步泵注压裂液造缝，进入步骤(1)；(4)、泵注第二个加砂段塞，阶梯加砂；(5)、泵注第二个液体段塞，观察不同砂比的加砂段塞进入地层后的压力变化趋势；(6)、重复步骤(4)至步骤(5)15～20次，具体以达到压裂设计加砂量为要求，完成各阶段加砂，最后泵注顶替液，完成整个压裂施工任务；本发明采用阶梯式加砂方法，有效预防储层砂堵，减少施工风险，保障施工顺利进行。

中国专利文献CN202245231U公布了一种加砂装置，其包括：控制装置、砂罐、气动蝶阀以及皮带机；所述砂罐具有进砂口以及出砂口；所述气动蝶阀安装于所述砂罐的出砂口，且所述气动蝶阀与控制装置连接；所述皮带机与所述控制装置连接，且所述皮带机与所述砂罐的出砂口相对。该实用新型加砂系统使用寿命较长、能够适应不同大小的砂粒且有利于提高生产效率。但是，该专利存在以下缺陷：砂粒不能顺利地从砂罐流出；不能实时控制砂比，且不具备高压条件下对两相流体均匀加砂的条件。

发明内容

针对向高压压裂液中加砂困难以及现有技术的不足，本发明提供了一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，该系统通过设置一个压力支路来保证砂体的正常下落，通过加砂泵的旋转做到砂体的匀速下落，从而实现向液态CO₂/N₂两相体系压裂中均匀加砂，并实时调节砂比，防止砂堵，提升压裂施工的效果，进而提升采收率和开发效果。

本发明还提供上述高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统的实施方法。

本发明采用的技术方案具体如下：

本发明提供一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，所述加砂系统包括气体加压系统、加砂泵、加砂控制系统、输送管、输送泵和流量控制阀；

所述气体加压系统包括CO₂储罐、CO₂泵、液氮储罐、液氮泵；CO₂储罐与CO₂泵连接，液氮储罐与液氮泵连接；CO₂泵通过输送管依次与加砂泵底端、液氮泵、流量控制阀和输送泵连接，CO₂泵通过一支路输送管与加砂泵上端连接，加砂泵与加砂控制系统连接。流量控制阀设置于所述输送管上，对所述输送管中的两相流量进行监控和调节。

CO₂泵通过一支路输送管与加砂泵上端连接，可以平衡压裂液压力，保证砂体顺利地进入输送管中。

根据本发明所述加砂系统，优选地，在CO₂泵与加砂泵上端连接的支路输送管上设有第一压差传感器，在与加砂泵底端连接的输送管之间设有第二压差传感器。

根据本发明所述加砂系统，优选地，液氮泵与流量控制阀之间的输送管上设有截止阀。

根据本发明所述加砂系统，优选地，加砂控制系统包括计算机与变频器。

根据本发明所述加砂系统，优选地，所述加砂泵上端直径为3m，下端直径为1m，高度为2m。

根据本发明所述加砂系统，优选地，加砂泵上端设置加砂口，加砂泵下端设置出砂口；加砂泵通过下端圆盘的转动实现砂体均匀下落。

根据本发明所述加砂系统，优选地，所述加砂口加装密封垫圈。

本发明还提供以上所述高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统进行加砂的方法，所述方法包括：在保证装置气密性的条件下，CO₂通过压力支路进入加砂泵中，与砂体一起进入输送管中与N₂混合形成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液，实现压裂液的加砂过程，收集并记录现场数据。

根据本发明所述方法，优选地，所述方法具体操作步骤为：

1)检查装置气密性及各部分连接情况，直到无气体泄漏为止；

2)将砂体装入加砂泵中；

3)打开CO₂储罐，使CO₂进入加砂泵中；

4)打开输送泵，输送CO₂；打开加砂泵，使砂体进入输送管中；

5)打开N₂储罐，打开液氮泵，调节加砂泵转速和流量调节阀，加砂泵中的砂体与二氧化碳在输送管中和氮气混合形成两相体系，进入井筒中；采集数据并计算砂比。

根据本发明所述方法，优选地，采集的数据包括加砂速度Qs、加砂量L和液态CO₂/N₂两相流量Q，

砂比的计算公式：

本发明有益效果为：

1、所述加砂装置设有气体增压泵，可以实现对二氧化碳和氮气的加压；

2、所述加砂泵前端设有压力支路，可以平衡压裂液压力，保证砂体顺利地进入输送管中；

3、所述加砂控制系统中计算机可以即时显示加砂速度和加砂量，所述流量计可以监控两相流量，进而可以计算出砂比，并可以通过调节加砂泵转速和流量调节阀实时控制砂比；

4、本发明可以实现准确向高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液中均匀加砂。

附图说明

图1为本发明中实施例所述的加砂装置示意图；

图2为本发明实施例加砂泵下端圆盘结构图；

图中，1、CO₂储罐；2、CO₂泵；3、第一压差传感器；4、加砂泵；5、加砂控制系统；6、第二压差传感器；7、液氮泵；8、N₂储罐；9、截止阀；10、输送管；11、流量控制阀；12、输送泵；13、井筒；14、下端圆盘；15、变频器；16、计算机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，所述高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，包括气体加压系统、加砂泵，加砂控制系统、输送管、输送泵和流量调节阀；

所述气体加压系统包括CO₂储罐1、CO₂泵2、N₂储罐8、液氮泵7；所述CO₂储罐1与CO₂泵2连接，CO₂泵2通过输送管10依次与加砂泵4底端、液氮泵7、流量控制阀11和输送泵12连接，CO₂泵2通过一支路输送管与加砂泵4上端连接，加砂泵4与加砂控制系统5连接。在CO₂泵2与加砂泵4上端连接的支路输送管上设有第一压差传感器3，在与加砂泵4底端连接的输送管10之间设有第二压差传感器6。液氮泵7与流量控制阀11之间的输送管上设有截止阀9。

CO₂储罐设置在CO₂泵的前端，通过所述CO₂泵为所述测量装置提供高压液态CO₂；所述N₂储罐通过所述液氮泵为所述测量装置提供N₂，在所述输送管中形成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液。

所述加砂泵4上端用于储存砂体，上端设置加砂口，需提前将砂体置于加砂泵中，并进行密封；所述加砂泵4通过下端圆盘14的转动实现砂体的均匀下落；加砂泵4下端设置出砂口，砂体通过出砂口进入所述输送管10中；加砂泵4上端直径为3m，下端直径为1m，高度为2m。为避免漏气，影响加砂效果，加砂口加装密封垫圈。

加砂控制系统5通过调节加砂泵4的转速实现对加砂速度的调节以及对加砂量进行监控。所述加砂控制系统5包括计算机16与变频器15，所述计算机16用于调节变频器15来调节加砂泵4的频率，从而调节加砂速度的快慢，并即时显示加砂速度及加砂量，监测并记录现场数据。

流量控制阀11设置于所述输送管10上，对所述输送管10中的两相流量进行监控和调节。通过调节液态CO₂/N₂两相流量，进而调节砂比。

利用以上所述加砂装置进行加砂的方法，包括如下步骤：

1)检查装置气密性，如有气体泄漏，检查各部分连接情况，直到无气体泄漏为止；

2)将砂体装入加砂罐中，关闭阀门装置；

3)打开CO₂储罐，打开CO₂泵使二氧化碳进入加砂泵和管路中；

4)打开N₂储罐，打开液氮增压泵，调节加砂泵转速，加砂泵中的砂体与二氧化碳顺利和氮气混合形成两相体系，进入井筒中。

实验采集的数据有加砂速度Qs、加砂量L和液态CO₂/N₂两相流量Q，

砂比的计算公式：

在本发明末端连接分砂罐，分砂罐用于储存实验用砂，实验结束后测量分砂罐中砂的体积，并和计算机记录结果进行对比，对比结果如表1所示。

表1实验结果

序号	加砂速度(mL/min)	时间(min)	计算机记录结果(mL)	实际测量结果(mL)
					1	10	5	50	48.2
2	10	10	100	98.4
					3	10	20	200	197.7
4	20	5	100	99.1
					5	20	10	200	198.4
6	20	20	400	399.3

分析表1中实验结果，可以看出：

(1)、分砂罐中有砂子，说明本发明可以保证砂体顺利进入输送管中。当加砂速度和时间一定时，通过对比，可以看出实际测量结果比计算机记录结果偏小。在误差允许的范围内，原因可能是整个发明系统中，部分地方有砂残留。

(2)、当加砂速度一定，加砂时间加倍时，加砂量也成倍增加，因此说明本发明加砂均匀。但实际测量结果和计算机记录结果之间的误差并没有成倍的增长，表明本发明对加砂量测量的准确性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，其特征在于，所述加砂系统包括气体加压系统、加砂泵、加砂控制系统、输送管、输送泵和流量控制阀；

所述气体加压系统包括CO₂储罐、CO₂泵、液氮储罐、液氮泵；CO₂储罐与CO₂泵连接，液氮储罐与液氮泵连接；CO₂泵通过输送管依次与加砂泵底端、液氮泵、流量控制阀和输送泵连接，CO₂泵通过一支路输送管与加砂泵上端连接，加砂泵与加砂控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，其特征在于，在CO₂泵与加砂泵上端连接的支路输送管上设有第一压差传感器，在与加砂泵底端连接的输送管之间设有第二压差传感器。

3.根据权利要求1所述的高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，其特征在于，液氮泵与流量控制阀之间的输送管上设有截止阀。

4.根据权利要求1所述的高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，其特征在于，加砂控制系统包括计算机与变频器。

5.根据权利要求1所述的高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，其特征在于，所述加砂泵上端直径为3m，下端直径为1m，高度为2m。

6.根据权利要求1所述的高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，其特征在于，加砂泵上端设置加砂口，加砂泵下端设置出砂口；加砂泵通过下端圆盘的转动实现砂体均匀下落。

7.根据权利要求6所述的高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统，其特征在于，所述加砂口加装密封垫圈。

8.利用权利要求1-7任一项所述高压条件下液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液加砂系统进行加砂的方法，其特征在于，在保证装置气密性的条件下，CO₂通过压力支路进入加砂泵中，与砂体一起进入输送管中与N₂混合形成液态CO₂/N₂两相体系干法压裂液，实现压裂液的加砂过程，收集并记录现场数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法具体操作步骤为：

1)检查装置气密性及各部分连接情况，直到无气体泄漏为止；

2)将砂体装入加砂泵中；

3)打开CO₂储罐，使CO₂进入加砂泵中；

4)打开输送泵，输送CO₂；打开加砂泵，使砂体进入输送管中；

5)打开N₂储罐，打开液氮泵，调节加砂泵转速和流量调节阀，加砂泵中的砂体与二氧化碳在输送管中和氮气混合形成两相体系，进入井筒中；采集数据并计算砂比。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采集的数据包括加砂速度Qs、加砂量L和液态CO₂/N₂两相流量Q，

砂比的计算公式：

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