CN111894543B - 一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法及装置，属于石油开采行业压裂技术领域。本申请实施例提供的液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法，是在常压下将稠化剂和砂子在敞口混料罐中混合成为均匀的第一混合物，通过加压缸将第一混合物输送至混合器中，将第一混合物与混合器中的液态二氧化碳在混合器中混合均匀，得到第二混合物，通过压裂泵车将第二混合物注入待压裂井中。该方法通过加压缸加压及强制截止阀和第一单流阀，加压后第一混合物的压力大于液态二氧化碳处于液态时的压力，从而可以避免液态二氧化碳逆行，提升液态二氧化碳无水压裂施工过程中的安全性，为实现大规模工业化埋存二氧化碳提供了技术支撑。

Description

一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法及装置

技术领域

本申请属于石油开采行业压裂技术领域。特别涉及一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法及装置。

背景技术

随着经济、社会的发展，二氧化碳受到了越来越广泛的关注。在石油开采行业，二氧化碳对原油具有萃取、降粘的作用，有利于提高原油的采收率。并且，采用液态二氧化碳压裂不仅可以避免水相进入地层产生污染，还可以埋存大量二氧化碳，在节约水资源的同时有效减少二氧化碳的排放。

二氧化碳在常温常压下为气态，通过降温及加压可以实现二氧化碳的液化。相关技术中主要是采用水基压裂装备功能性组合实现液态二氧化碳压裂。其通过向水基压裂混砂车中加砂子和稠化剂并混合均匀，然后再将砂子和稠化剂的混合物通过压裂泵车泵入到压裂井中，与液态二氧化碳和稠化剂的混合物在井中混合，进行加砂压裂。

但液态二氧化碳极易汽化，通过相关技术中的压裂装置压裂时，二氧化碳易通过管线逆行，且砂子和稠化剂的混合物与液态二氧化碳和稠化剂的混合物混合的均匀性难以保障，不仅导致压裂施工效率低、效果差，严重时还会造成安全事故。

发明内容

本申请实施例提供了一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法及装置，可以将常压下储存的砂子和稠化剂加入到液态二氧化碳中，并且避免液态二氧化碳逆行至常压端，提高液态二氧化碳无水压裂施工效率和施工规模，提升二氧化碳压裂施工过程中的安全性。具体技术方案如下：

一方面，本申请实施例提供了一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法，所述方法包括：

在大气压下，通过常压砂子输送泵将砂子存储罐中的砂子输送至敞口混料罐，通过常压稠化剂输送泵将稠化剂存储罐中的稠化剂输送至所述敞口混料罐；

将所述敞口混料罐中的所述稠化剂和所述砂子在所述敞口混料罐中混合均匀，得到第一混合物，通过螺旋泵将所述第一混合物输送至多个加压缸；

在所述加压缸内将所述第一混合物加压，在所述加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将所述第一混合物输送至混合器中；

将所述第一混合物与所述混合器中的液态二氧化碳在所述混合器中混合均匀，得到第二混合物，通过压裂泵车将所述第二混合物注入待压裂井中，所述第二混合物用于对所述待压裂井进行压裂。

在一种可能的实现方式中，所述加压缸包括：第一加压缸和第二加压缸；

所述在所述加压缸内将所述第一混合物加压，在所述加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将所述第一混合物输送至混合器中，包括：

通过所述第一加压缸吸入所述第一混合物，在所述第一加压缸内将所述第一混合物加压，在所述第一加压缸的压力作用下，通过所述低压输送管线将所述第一加压缸中的第一混合物输送至所述混合器中；

在所述第一加压缸内将所述第一混合物加压的过程中，通过所述第二加压缸从所述敞口混料罐中剩余的第一混合物中吸入第一混合物，在所述第二加压缸内将吸入的第一混合物加压，在所述第二加压缸的压力作用下，通过所述低压输送管线将所述第二加压缸中的第一混合物输送至所述混合器中；

在所述第二加压缸内将吸入的第一混合物加压的过程中，执行所述通过所述第一加压缸吸入所述第一混合物的步骤。

在一种可能的实现方式中，所述低压输送管线上设有第一单流阀；

所述在所述加压缸内将所述第一混合物加压，在所述加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将所述第一混合物输送至混合器中，包括：

在所述加压缸内将所述第一混合物加压，在所述加压缸的压力作用下，所述第一混合物被输送至所述第一单流阀的第一端处；

在所述第一单流阀的第一端处的压力大于第二端处的压力时，开启所述第一单流阀；

通过所述低压输送管线经所述第一单流阀将所述第一混合物输送至混合器中。

在一种可能的实现方式中，所述将所述敞口混料罐中的所述稠化剂和所述砂子在所述敞口混料罐中混合均匀，得到第一混合物，包括：

确定所述砂子之间的孔隙所占的比例；

根据所述比例，将第一排量的所述砂子与所述敞口混料罐中的第二排量的稠化剂在所述敞口混料罐中混合均匀，得到所述第一混合物；

其中，所述第二排量不小于所述第一排量的所述比例；

所述第二排量不小于所述第一排量的所述比例的控制方法包括：恒稠化剂排量法和砂子孔隙全充法；

所述恒稠化剂排量法为将所述稠化剂的第二排量在施工过程中保持一致，根据不同加砂速度需要，调节所述砂子输送泵和所述螺旋泵的输送速度的方法；

所述砂子孔隙全充法为保障所述稠化剂在加砂过程完全充满砂子孔隙，根据不同的加砂速度需要，调节所述常压砂子输送泵、所述常压稠化剂输送泵和所述螺旋泵的输送速度的方法。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

采用密度计监测注入所述待压裂井中的所述第二混合物的密度。

在一种可能的实现方式中，所述在大气压下，通过常压砂子输送泵将砂子存储罐中的砂子输送至敞口混料罐，通过常压稠化剂输送泵将稠化剂存储罐中的稠化剂输送至所述敞口混料罐之前，所述方法还包括：

将所述稠化剂预先输送至所述敞口混料罐，将液态二氧化碳存储罐中的液态二氧化碳预先输送至所述混合器；

通过所述螺旋泵将所述稠化剂输送至多个所述加压缸，在所述加压缸内将所述稠化剂加压，在所述加压缸的压力作用下，通过所述低压输送管线将所述稠化剂输送至所述混合器中；

将所述稠化剂和所述液态二氧化碳在所述混合器中混合均匀，得到第三混合物，通过所述压裂泵车将所述第三混合物注入所述待压裂井中，所述第三混合物作为前置液，用于在所述待压裂井中造出裂缝。

另一方面，提供了一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂装置，所述装置包括：

所述常压砂子输送泵的第一端和砂子存储罐连接，所述常压砂子输送泵的第二端和所述敞口混料罐的第一端连接，所述常压稠化剂输送泵的第一端和稠化剂存储罐连接，所述常压稠化剂输送泵的第二端和所述敞口混料罐的第二端连接；所述敞口混料罐的第三端和所述螺旋泵的第一端连接，所述螺旋泵的第二端和所述加压缸的第一端连接；

液态二氧化碳存储罐和所述加压缸的第二端均与所述混合器的第一端连接，所述混合器的第二端和所述密度计的第一端连接，所述密度计的第二端与压裂泵车连接；

所述加压缸用于对所述敞口混料罐中的第一混合物加压，在所述加压缸的压力作用下，所述第一混合物被输送至所述混合器中，所述第一混合物为砂子和稠化剂混合得到的混合物；

所述加压缸还用于防止液态二氧化碳逆行；

所述混合器用于将所述第一混合物和所述液态二氧化碳混合，得到第二混合物；

所述密度计用于监测注入所述待压裂井中的第二混合物的密度；

所述压裂泵车用于将所述第二混合物注入待压裂井中。

在一种可能的实现方式中，所述加压缸包括：第一加压缸和第二加压缸；

所述螺旋泵的第二端与所述第一加压缸的第一端以及所述第二加压缸的第一端连接；

所述混合器的第一端与所述第一加压缸的第二端以及第二加压缸的第二端连接；

所述第一加压缸和所述第二加压缸交叉执行吸入和加压工作。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：第一单流阀；

所述第一加压缸的第二端和所述第二加压缸的第二端均与所述第一单流阀的第一端连接，所述第一单流阀的第二端和所述混合器的第一端连接；

流体流经所述第一单流阀时，从所述第一单流阀的第一端流向所述第一单流阀的第二端。

在一种可能的实现方式中，所述第一加压缸的入口设有第一强制截止阀，所述第一加压缸的出口设有第二强制截止阀；

所述第二加压缸的入口设有第三强制截止阀，所述第二加压缸的出口设有第四强制截止阀。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本申请实施例通过加压缸将第一混合物输送至混合器中，加压后第一混合物的压力大于液态二氧化碳处于液态时的压力，从而可以避免液态二氧化碳逆行，实现了防止液态二氧化碳反串至常压端造成安全环保事故的问题，提升了液态二氧化碳压裂施工过程中的安全性，实现了液态二氧化碳无水压裂过程不受设备限制的大规模常压加砂，对于提高原油产能，促进二氧化碳埋存降低二氧化碳排放具有重要的社会意义和经济价值。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂装置的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种稠化剂和砂子混合，通过低压输送管线输送的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种砂子、稠化剂和液态二氧化碳混合，然后通过压裂泵车泵送至待压裂井中的示意图；

图5是本申请实施例提供的另一种液态二氧化碳压裂装置的示意图。

附图标记分别表示：

1-常压砂子输送泵，2-常压稠化剂输送泵，3-液态二氧化碳输送泵，

4-敞口混料罐，5-螺旋泵，6-砂子存储罐，7-稠化剂存储罐，

8-液态二氧化碳存储罐，9-加压缸，10-混合器，11-压裂泵车，

12-第一单流阀，91-第一加压缸，92-第二加压缸，911-第一强制截止阀，

912-第二强制截止阀，921-第三强制截止阀，922-第四强制截止阀，

13-常压输送管线，14-低压输送管线，15-高压输送管线，16-第二单流阀，

17-密度计。

具体实施方式

为使本申请的技术方案和优点更加清楚，下面对本申请实施方式作进一步地详细描述。

本申请实施例提供了一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法，参见图1，该方法包括：

步骤101：在大气压下，通过常压砂子输送泵将砂子存储罐中的砂子输送至敞口混料罐，通过常压稠化剂输送泵将稠化剂存储罐中的稠化剂输送至敞口混料罐。

本步骤中，在大气压下，也即常压下，分别通过常压砂子输送泵将砂子输送至敞口混料罐以及通过常压稠化剂输送泵将稠化剂输送至敞口混料罐。

在本步骤之前，可以通过以下步骤先在待压裂井中造出裂缝，从而便于后续压裂施工的进行，该步骤可以由以下步骤(1)至(3)实现，包括：

(1)将稠化剂预先输送至敞口混料罐，并通过螺旋泵将稠化剂预先输送至多个加压缸中，将液态二氧化碳存储罐中的液态二氧化碳预先输送至混合器。

本步骤中可以通过常压稠化剂输送泵将稠化剂存储罐中的稠化剂输送至敞口混料罐，并通过螺旋泵将稠化剂预先输送至多个加压缸中，使加压缸完全充满稠化剂，可以通过液态二氧化碳输送泵将液态二氧化碳存储罐中的液态二氧化碳预先输送至混合器。其中，该混合器使通过的稠化剂和液态二氧化碳产生搅动，有利于稠化剂和液态二氧化碳的快速、均匀混合。

(2)在加压缸内将稠化剂加压，在加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将稠化剂输送至混合器中。

该螺旋泵可以为多级螺旋泵，多级螺旋泵的输送速度范围大，输送速度可调、可控。

该多个加压缸包括第一加压缸和第二加压缸，第一加压缸和第二加压缸交叉执行吸入稠化剂和对稠化剂加压的动作，然后通过低压输送管线将稠化剂输送至混合器中。

第一加压缸的数量和第二加压缸的数量相同，在本申请实施例中，对此数量不作具体限定。

(3)将稠化剂和液态二氧化碳在混合器中混合均匀，得到第三混合物，通过压裂泵车将第三混合物注入待压裂井中。

本步骤中，第三混合物作为前置液，用于在待压裂井中造出裂缝，从而便于后续压裂施工的进行。

需要说明的一点是，本申请实施例中的稠化剂为非极性的可溶于二氧化碳的有机物。根据相似相溶原理，非极性物质可溶于非极性物质中，极性物质可溶于极性物质中。该稠化剂为非极性的可溶于二氧化碳的有机物，具有良好的快速增稠性能，与砂子良好的混合性能，是压裂施工成功的重要因素。

需要说明的另一点是，在通过第三混合物在待压裂井中造出裂缝之前，工作人员将本申请的液态二氧化碳无水压裂常压加砂装置、砂子存储罐、稠化剂存储罐、液态二氧化碳存储罐和压裂泵车等设备以及液态二氧化碳、稠化剂和砂子运送至压裂施工地点，然后根据压裂施工现场需求以及石油行业井控要求，连接好上述设备，然后执行上述步骤(1)。其中，液态二氧化碳存储罐、稠化剂存储罐和砂子存储罐可以根据压裂施工设计参数的需求增减数量，在整体流程不变且满足石油行业井控要求的前提下，各设备的相对位置、管线的连接位置可以调整，在本申请实施例中，对此不作具体限定。

步骤102：将敞口混料罐中的稠化剂和砂子在敞口混料罐中混合均匀，得到第一混合物，通过螺旋泵将第一混合物输送至多个加压缸。

本步骤中，将稠化剂和砂子混合时，先确定砂子之间的孔隙所占的比例；根据该比例，将第一排量的砂子和敞口混料罐中的第二排量的稠化剂在敞口混料罐中混合均匀，得到第一混合物；其中，第二排量不小于第一排量的比例。

砂子之间有孔隙，稠化剂可以进入砂子之间的孔隙，因此，砂子和稠化剂的混合物的体积不是砂子的体积和稠化剂的体积的简单相加。其中，孔隙占比与所选砂子的种类有关。例如，孔隙占比为40％。

在一种可能的实现方式中，第二排量不小于第一排量的比例的控制方法包括：恒稠化剂排量法和砂子孔隙全充法；

恒稠化剂排量法为将稠化剂的第二排量在施工过程中保持一致，根据不同加砂速度需要，调节砂子输送泵和螺旋泵的输送速度的方法；

砂子孔隙全充法为保障稠化剂在加砂过程中完全充满砂子孔隙，根据不同的加速速度需要，调节常压砂子输送泵、常压稠化剂输送泵和螺旋泵的输送速度的方法。

在一种可能的实现方式中，当采用恒稠化剂排量法，使稠化剂的第二排量保持不变，调整砂子的第一排量。例如，向待压裂井中泵送液态二氧化碳、砂子和稠化剂的混合物，压裂施工时，液态二氧化碳的排量为10m³/min，稠化剂的排量为0.1m³/min。前置液阶段，稠化剂的输送排量也为0.1m³/min。

在压裂施工时，例如，砂子的第一排量为0.1m³/min时，砂子之间的孔隙的排量为0.04m³/min，0.04m³/min＜0.1m³/min，由此可以看出：砂子之间的孔隙不足以完全收纳稠化剂，此时，砂子和稠化剂的混合物的排量为砂子的第一排量和稠化剂剩余的第二排量之和，也即0.16m³/min。

砂子的第一排量为0.2m³/min时，砂子之间的孔隙的排量为0.08m³/min，0.08m³/min＜0.1m³/min，由此可以看出：砂子之间的孔隙仍不足以完全收纳稠化剂，此时，砂子和稠化剂的混合物的排量为0.22m³/min。

砂子的第一排量为0.3m³/min时，砂子之间的孔隙的排量为0.12m³/min，0.12m³/min＞0.1m³/min，由此可以看出：砂子之间的孔隙可以完全收纳稠化剂，此时，砂子和稠化剂的混合物的排量为0.3m³/min，也即砂子的第一排量。

根据上述可知，随着砂子排量的增大，砂子之间的孔隙足以完全收纳稠化剂。这种情况下，保持稠化剂的第二排量不变，使砂子之间的孔隙的排量不小于稠化剂的第二排量，此时，砂子和稠化剂的混合物的排量与加砂速度保持一致。

在一种可能的实现方式中，当采用砂子孔隙全充法时，使稠化剂完全充满砂子之间的孔隙。例如，压裂施工时，液态二氧化碳的排量为5m³/min，稠化剂的排量为0.05m³/min。前置液阶段，稠化剂的输送排量也为0.05m³/min。

在压裂施工时，例如，砂子的第一排量为0.1m³/min时，砂子之间的孔隙的排量为0.04m³/min，0.04m³/min＜0.05m³/min，由此可以看出：砂子之间的孔隙不足以完全收纳稠化剂，此时，砂子和稠化剂的混合物的排量为砂子的第一排量和稠化剂剩余的第二排量之和，也即0.11m³/min。

砂子的第一排量为0.2m³/min时，砂子之间的孔隙的排量为0.08m³/min，0.08m³/min＞0.05m³/min，此时应调整稠化剂的第二排量至0.08m³/min，使砂子之间的孔隙完全充满稠化剂，此时，砂子和稠化剂的混合物的排量为0.2m³/min。

砂子的第一排量为0.3m³/min时，砂子之间的孔隙的排量为0.12m³/min，0.12m³/min＞0.05m³/min，此时应调整稠化剂的第二排量至0.12m³/min，使砂子之间的孔隙完全充满稠化剂，此时，砂子和稠化剂的混合物的排量为0.3m³/min。

根据上述可知，随着砂子排量的增加，砂子之间的孔隙足以完全收纳稠化剂，在此前提下，可以增加稠化剂的第二排量，使稠化剂的第二排量和砂子的孔隙之间的排量相等，此时，砂子和稠化剂的混合物的排量与加砂速度保持一致。

需要说明的一点是，该螺旋泵设置在敞口混料罐的第三端处，也即敞口混料罐的出口，稠化剂和砂子在敞口混料罐中混合均匀后，从敞口混料罐的出口输出，通过螺旋泵泵送至多个加压缸。

步骤103：在加压缸内将第一混合物加压，在加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将第一混合物输送至混合器中。

加压缸包括第一加压缸和第二加压缸。在本申请实施例中，第一加压缸和第二加压缸交叉执行吸入和加压工作。相应的，本步骤可以通过以下步骤(1)至(3)实现，包括：

(1)通过第一加压缸吸入第一混合物，在第一加压缸内将第一混合物加压，在第一加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将第一加压缸中的第一混合物输送至混合器中。

(2)在第一加压缸内将第一混合物加压的过程中，通过第二加压缸从敞口混料罐中吸入第一混合物，在第二加压缸内将吸入的第一混合物加压，在第二加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将第二加压缸中的第一混合物输送至混合器中。

(3)在第二加压缸内将吸入的第一混合物加压的过程中，通过第一加压缸吸入第一混合物。

在本申请实施例中，通过第一加压缸和第二加压缸交叉执行吸入和加压工作，可以防止二氧化碳逆行。并且，通过循环执行上述步骤(1)至(3)可以实现不断向混合器中输送第一混合物。

在一种可能的实现方式中，低压输送管线上设有第一单流阀；通过加压缸将第一混合物输送至混合器的过程中，会经过第一单流阀；相应的，步骤103可以为：

在加压缸内将第一混合物加压，在加压缸的压力作用下，第一混合物被输送至第一单流阀的第一端处；在第一单流阀的第一端处的压力大于第二端处的压力时，开启第一单流阀；通过低压输送管线经第一单流阀将第一混合物输送至混合器中。

需要说明的一点是，对于步骤(1)，该步骤具体为：通过第一加压缸吸入第一混合物，在第一加压缸内将第一混合物加压，在第一加压缸的压力作用下，第一混合物被输送至第一单流阀的第一端处；在第一单流阀的第一端处的压力大于第二端处的压力时，开启第一单流阀；通过低压输送管线经第一单流阀将第一混合物输送至混合器中。对于步骤(2)，在第二加压缸的压力作用下，也是通过低压输送管线将第二加压缸中的第一混合物输送至第一单流阀的第一端处，然后经第一单流阀将第一混合物输送至混合器中。如此交叉执行。

需要说明的另一点是，流体流经第一单流阀时，从第一单流阀的第一端流向第一单流阀的第二端。在第一单流阀的第一端处的压力大于第二端处的压力达到预设压力值时，第一单流阀才开启。该预设压力值可以根据需要进行设置并更改，在本申请实施例中，对此不作具体限定。

步骤104：将第一混合物与混合器中的液态二氧化碳在混合器中混合均匀，得到第二混合物，通过压裂泵车将第二混合物注入待压裂井中。

本步骤中，将第一混合物与液态二氧化碳在混合器中混合均匀，得到第二混合物后，可以通过低压输送管线输送至分流管汇处，在分流管汇处再通过低压输送管线输送至压裂泵车内，在压裂泵车内加压后，通过高压输送管线经第二单流阀输送至待压裂井中，进行二氧化碳压裂。

第二单流阀的第一端和压裂泵车连接，第二单流阀的第二端和待压裂井的井口连接；流体流经第二单流阀时，从第二单流阀的第一端流向第二单流阀的第二端。

在一种可能的实现方式中，可以采用密度计监测注入待压裂中的第二混合物的密度。

该实现方式中，当第二混合物的密度与预设密度匹配时，说明本申请的方法涉及到的装置及设备运行正常，此时可以正常施工；当第二混合物的密度与预设密度不匹配时，说明本申请的方法涉及到的装置或设备运行存在不正常情况，应进行检查排出不正常的情况，再进行正常施工。

在一种可能的实现方式中，当在压裂过程中出现二氧化碳泄漏时，可以通过回收设备收集泄漏的二氧化碳，将收集的二氧化碳回收至回收罐中，从而不仅避免了二氧化碳资源的浪费，在一定程度上还可以保护环境，避免对环境造成污染。

本申请实施例提供的液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法，通过加压缸将第一混合物输送至混合器中，加压后第一混合物的压力大于液态二氧化碳处于液态时的压力，从而可以避免液态二氧化碳逆行，实现了防止液态二氧化碳反串至常压端造成安全环保事故的问题，提升了液态二氧化碳压裂施工过程中的安全性，实现了液态二氧化碳无水压裂过程不受设备限制的大规模常压加砂，对于提高原油产能，促进二氧化碳埋存降低二氧化碳排放具有重要的社会意义和经济价值。

并且，该方法仅加入液态二氧化碳、砂子和稠化剂，不会引入水，实现了真正意义上的无水压裂，可以有效避免水对致密油气储层的伤害，为实施二氧化碳压裂的大规模工业化应用提供了技术基础。

本申请实施例提供了一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂装置，参见图2，该装置包括：常压砂子输送泵1、常压稠化剂输送泵2、敞口混料罐4、螺旋泵5、加压缸9、混合器10和密度计17；

常压砂子输送泵1的第一端和砂子存储罐6连接，常压砂子输送泵1的第二端和敞口混料罐4的第一端连接，常压稠化剂输送泵2的第一端和稠化剂存储罐7连接，常压稠化剂输送泵2的第二端和敞口混料罐4的第二端连接；敞口混料罐4的第三端和螺旋泵5的第一端连接，螺旋泵5的第二端和加压缸9的第一端连接；

液态二氧化碳存储罐8和加压缸9的第二端均与混合器10的第一端连接，混合器10的第二端和密度计17的第一端连接，密度计17的第二端和压裂泵车11连接；加压缸9用于对敞口混料罐4中的第一混合物加压，在加压缸9的压力作用下，第一混合物被输送至混合器10中，该第一混合物为砂子和稠化剂混合得到的混合物；加压缸9还用于防止液态二氧化碳逆行；混合器10用于将第一混合物和液态二氧化碳混合，得到第二混合物；密度计17用于监测注入待压裂井中的第二混合物的密度；压裂泵车11用于将第二混合物注入待压裂井中。

在一种可能的实现方式中，常压稠化剂输送泵2、稠化剂存储罐7和敞口混料罐4之间通过常压输送管线13连接，液态二氧化碳存储罐8通过液态二氧化碳输送泵3与混合器10的第一端连接，液态二氧化碳输送泵3用于将液态二氧化碳存储罐8中的液态二氧化碳输送至混合器10中。加压缸9的第二端和液态二氧化碳输送泵3的第二端均通过低压输送管线14与混合器10连接，混合器10的第二端也是通过低压输送管线14和压裂泵车11连接，压裂泵车11通过高压输送管线15和待压裂井连接。

其中，常压输送管线13中的压力为大气压，工作状态最高压力不高于0.3MPa，在本申请实施例中，常压输送管线13可以为钢骨胶管。钢骨胶管为在胶管管皮内层采用钢丝作为骨架，钢丝缠绕较稀疏。该钢骨胶管的直径可以根据需要进行设置并更改，例如，该钢骨胶管的直径可以为4英寸。

低压输送管线14中的压力为2-3MPa，在本申请实施例中，低压输送管线14为钢丝管线。钢丝管线为在胶管管皮内层及管外缠绕较密的钢丝的管线。该钢丝管线的直径可以根据需要进行设置并更改，例如，该钢丝管线的直径为4英寸。

高压输送管线15中的压力为11-110MPa，压力较大，因此，在本申请实施例中，高压输送管线15为钢管线，钢管线的承压强度较大。该钢管线的直径可以根据需要进行设置并更改，例如，该钢管线的直径为2英寸或3英寸。在本申请实施例中，对此不作具体限定。

在本申请实施例中，常压输送管线13采用钢骨胶管，低压输送管线14采用钢丝管线，高压输送管线15采用钢管线，可以在保证安全输送的条件下，节省压裂成本。

第一加压缸91和第二加压缸92的介绍：在一种可能的实现方式中，加压缸9包括第一加压缸91和第二加压缸92；螺旋泵5的第二端与第一加压缸91的第一端以及第二加压缸92的第二端连接；混合器10的第一端与第一加压缸91的第二端以及第二加压缸92的第二端连接；

第一加压缸91和第二加压缸92交叉执行吸入和加压工作。

第一加压缸91和第二加压缸92交叉执行吸入和加压工作是指当第一加压缸91执行吸入工作时，第二加压缸92执行加压工作；当第一加压缸91执行加压工作时，第二加压缸92执行吸入工作。

第一加压缸91的数量和第二加压缸92的数量相同，在本申请实施例中，对该数量不作具体限定。例如，第一加压缸91的数量可以为1、2、3或者4，相应的，第二加压缸92的数量为1、2、3或者4。当第一加压缸91的数量和第二加压缸92的数量均为2时，该装置包括：2个第一加压缸91和2个第二加压缸92，其中，该2个第一加压缸91同步执行动作，该2个第二加压缸92同步执行动作，执行一次加压和吸入动作为一个周期，参见表1。

表1

在本申请实施例中，通过至少一个第一加压缸91和至少一个第二加压缸92交叉加压输送，不仅可以对砂子和稠化剂的混合物加压，还可以保证砂子和稠化剂的混合物流动平稳，添加匀速。加压后砂子和稠化剂的混合物的压力大于液态二氧化碳处于液态时的压力，从而保障液态二氧化碳不会逆行。

第一强制截止阀911、第二强制截止阀912、第三强制截止阀921和第四强制截止阀922的介绍：在一种可能的实现方式中，第一加压缸91的入口设有第一强制截止阀911，第一加压缸91的出口设有第二强制截止阀912；

第二加压缸92的入口设有第三强制截止阀921，第二加压缸92的出口设有第四强制截止阀922。

对于第一强制截止阀911、第二强制截止阀912、第三强制截止阀921和第四强制截止阀922中的任一强制截止阀，当该强制截止阀的上下端达到一定压力差时才开启，否则处于强制关断状态。其中，强制截止阀的上端为输入流体的一端，下端为输出流体的一端。

在一种可能的实现方式中，第一加压缸91和第二加压缸92均采用橡胶、金属、注脂三道密封；

第一强制截止阀911、第二强制截止阀912、第三强制截止阀921和第四强制截止阀922均采用橡胶、金属、注脂三道密封。

其中，该橡胶为耐二氧化碳和稠化剂腐蚀的氢化丁腈橡胶。

在本申请实施例中，采用橡胶、金属、注脂三道密封可以提高加压缸9和强制截止阀的密封性，保障加压过程和输送过程中的密封效果。

其中，第一强制截止阀911、第二强制截止阀912、第三强制截止阀921和第四强制截止阀922的工作状态可以参见表1。

密度计17的介绍：在一种可能的实现方式中，该密度计17用于监测注入待压裂井中的第二混合物的密度。

其中，该密度计17的类型可以根据需要进行设置并更改，在本申请实施例中，对密度计17的类型不作具体限定。例如，该密度计17可以为放射性密度计，该放射性密度计采用豁免级别低放射性放射源。

在一种可能的实现方式中，该放射源可以根据需要进行设置并更改，例如，该放射源为钠的同位素。

该密度计17可以监测通过混合器10的第二混合物的密度，也即注入待压裂井的第二混合物的密度，从而判断混合器10中砂子、稠化剂和液态二氧化碳是否混合均匀以及输送是否平稳。

砂子存储罐6、稠化剂存储罐7、液态二氧化碳存储罐8、常压砂子输送泵1、常压稠化剂输送泵2和液态二氧化碳输送泵3的介绍：砂子存储罐6用于存储砂子，稠化剂存储罐7用于存储稠化剂，液态二氧化碳存储罐8用于存储液态二氧化碳。

在一种可能的实现方式中，输送砂子的常压砂子输送泵1为螺旋泵，该螺旋泵为单级螺旋泵；该单级螺旋泵的输送速度范围大，输送速度可调、可控，对输送的材料的体积可计量。

输送稠化剂的常压稠化剂输送泵2为涡轮泵，选用涡轮泵的输送速度范围大，输送速度可调、可控，输送稠化剂体积可计量。

输送液态二氧化碳的液态二氧化碳输送泵3和液态二氧化碳存储罐8之间可以通过低压输送管线14连接，其中，液态二氧化碳输送泵3可以通过低压输送管线14将液态二氧化碳先输送至合流管汇处，在合流管汇处再通过低压输送管线14输送至混合器10中。

敞口混料罐4介绍：在一种可能的实现方式中，敞口混料罐4为直立且敞口的锥体，锥底在上，锥尖在下。敞口混料罐4还包括配套的高速搅拌装置和液位计量装置，该高速搅拌装置用于将敞口混料罐4中的流体搅拌均匀，该液位计量装置用于测量敞口混料罐4中流体的体积。

在一种可能的实现方式中，该高速搅拌装置包括：动力源、传动轴和多个搅拌叶；动力源带动传动轴和多个搅拌叶运转，从而搅拌敞口混料罐4中的流体。该动力源可以是电动的或者液动的，在本申请实施例中，对此不作具体限定。

在一种可能的实现方式中，敞口混料罐4的第三端，也即敞口混料罐4底部的出口，经螺旋泵5和加压缸9的第一端连接，该螺旋泵5用于将敞口混料罐4中的混合物输送至加压缸9。

该螺旋泵5为多级螺旋泵，多级螺旋泵的输送速度范围大，输送速度可调、可控。

参见图3，图3为将稠化剂和砂子混合，通过低压输送管线14输送的示意图。从图3中可以看出：通过常压稠化剂输送泵2将稠化剂存储罐7中的稠化剂输送至敞口混料罐4，通过常压砂子输送泵1将砂子存储罐6中的砂子输送至敞口混料罐4，在敞口混料罐4内混合后通过多级螺旋泵输送至第一加压缸91或第二加压缸92中，经第一加压缸91和第二加压缸92加压后通过低压输送管线14输送。

在本申请实施例中，敞口混料罐4可以满足压裂过程中不断加入砂子和稠化剂并混合均匀的需求，确保液态二氧化碳压裂施工不受设备的制约。并且，该敞口混料罐4的体积较小，即使因施工原因造成其中被砂子和稠化剂完全充满，也不会造成运输车辆超重，而且在其停止搅拌后，砂子和稠化剂很快自己分离，可以将砂子和稠化剂分别回收待下次施工再利用。再者，由于是常压环境，相较于混料罐密闭加砂的方法，本申请实施例提供的方法对于清理剩余砂子和剩余稠化剂的工作强度和安全风险会大幅度降低，克服了混料罐密闭加砂施工规模受限，剩余砂子及稠化剂排出工作量大的缺点。另外，稠化剂与砂子添加速度是实时可控的，在添加时可以控制稠化剂与砂子的比例，在满足二氧化碳增稠需求的基础上，降低稠化剂用量，减少稠化剂损耗，降低压裂施工成本。

混合器10的介绍：在一种可能的实现方式中，该混合器10内设有螺旋纹理设计，可以使砂子、稠化剂和液态二氧化碳处于涡流状态快速混合均匀，从而保障悬砂效果。

压裂泵车11的介绍：在一种可能的实现方式中，该压裂泵车11可以对砂子、稠化剂和液态二氧化碳的混合物加压，将加压后的混合物通过高压输送管线15泵送至待压裂井的井口，进行二氧化碳压裂。

在一种可能的实现方式中，砂子、稠化剂和液态二氧化碳在混合设备内混合均匀后，可以通过低压输送管线14先输送至分流管汇处，在分流管汇处再通过低压输送管线14输送至压裂泵车11中，由压裂泵车11加压后通过高压输送管线15输送至待压裂井的井口，进行二氧化碳压裂。

参见图4，图4为将砂子、稠化剂和液态二氧化碳混合，然后通过压裂泵车11泵送至待压裂井中的示意图。从图4中可以看出：通过常压砂子输送泵1和常压稠化剂输送泵2分别将砂子存储罐6中的砂子、稠化剂存储罐7中的稠化剂输送至敞口混料罐4中，在敞口混料罐4中混合，以及通过液态二氧化碳输送泵3输送液态二氧化碳存储罐8中的液态二氧化碳，然后通过低压输送管线14将砂子和稠化剂的混合物以及液态二氧化碳输送至混合器10，在混合器10内混合均匀后，通过压裂泵车11将其输送至待压裂井中。

本申请实施例提供的液态二氧化碳无水压裂常压加砂装置，该装置包括多个加压缸9，加压缸9用于对敞口混料罐4中的第一混合物加压，在加压缸9的压力作用下，第一混合物被输送至压裂泵车11，加压缸9加压后第一混合物的压力大于液态二氧化碳处于液态时的压力，从而避免液态二氧化碳逆行，提高压裂效果，提升二氧化碳压裂施工过程中的安全性。

第一单流阀12的介绍：在一种可能的实现方式中，参见图5，该装置还包括：第一单流阀12；

第一加压缸9的第二端和第二加压缸9的第二端均与第一单流阀12的第一端连接，第一单流阀12的第二端和混合器10的第一端连接；

流体流经第一单流阀12时，从第一单流阀12的第一端流向第一单流阀12的第二端。

在该实现方式中，流体流经第一单流阀12时，仅能从第一单流阀12的第一端流向第一单流阀12的第二端，从而可以防止液态二氧化碳逆行至敞口混料罐4、稠化剂存储罐7以及常压输送管线13中。第一单流阀12采用橡胶、金属及注脂三道密封。

第二单流阀16的介绍：在一种可能的实现方式中，该装置还包括：第二单流阀16；

第二单流阀16的第一端和压裂泵车11连接，第二单流阀16的第二端和待压裂井的井口连接；

流体流经第二单流阀16时，从第二单流阀16的第一端流向第二单流阀16的第二端。

该实现方式中，流体流经第二单流阀16时，仅能从第二单流阀16的第一端流向第二单流阀16的第二端，从而可以防止已经泵入井中的砂子、稠化剂、液态二氧化碳及井中原有流体逆行至压裂泵车11、混合器10、稠化剂存储罐7及常压输送管线13中。

在本申请实施例中，通过第一加压缸91、第二加压缸92、第一单流阀12、多个强制截止阀、非水溶稠化剂以及三道密封技术等多重技术防止二氧化碳逆行，实现常压加砂，降低了安全风险，克服了稠化剂需求量大，需要引入水的缺点。本申请实施例提供的装置仅加入液态二氧化碳、砂子和稠化剂，不会引入水，实现了真正意义上的无水压裂，可以有效避免水对致密油气储层的伤害，提高了压裂改造的效果，为实施二氧化碳压裂的大规模工业化应用提供了技术基础。

本申请实施例提供的液态二氧化碳无水压裂常压加砂装置，该装置包括多个加压缸9，加压缸9用于对敞口混料罐4中的第一混合物加压，在加压缸9的压力作用下，第一混合物被输送至压裂泵车11，加压缸9加压后第一混合物的压力大于液态二氧化碳处于液态时的压力，从而可以避免液态二氧化碳逆行，提高压裂效果，提升二氧化碳压裂施工过程中的安全性。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本申请的技术方案，并不用以限制本申请。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂方法，其特征在于，所述方法包括：

在大气压下，将敞口混料罐中第一排量的砂子和第二排量的稠化剂在所述敞口混料罐中混合均匀，得到第一混合物；其中，所述第二排量不小于第一排量的预设比例，所述预设比例为所述砂子之间的孔隙所占的比例，所述第二排量不小于所述第一排量的预设比例的控制方法包括：恒稠化剂排量法和砂子孔隙全充法；所述恒稠化剂排量法为将所述第二排量在施工过程中保持一致，根据不同加砂速度需要，调节常压砂子输送泵和螺旋泵的输送速度的方法，所述螺旋泵用于输送所述第一混合物；所述砂子孔隙全充法为保障所述稠化剂在加砂过程完全充满砂子孔隙，根据不同的加砂速度需要，调节所述常压砂子输送泵、常压稠化剂输送泵和所述螺旋泵的输送速度的方法；

通过所述螺旋泵将所述第一混合物输送至多个加压缸；其中，所述加压缸包括第一加压缸和第二加压缸，所述第一加压缸和所述第二加压缸交叉执行吸入和加压工作；所述第一加压缸的入口和出口分别设置第一强制截止阀和第二强制截止阀；当所述第一加压缸吸入所述第一混合物时，所述第一强制截止阀处于开启状态，所述第二强制截止阀处于关闭状态；当所述第一加压缸将所述第一混合物加压时，所述第一强制截止阀处于关闭状态，所述第二强制截止阀处于开启状态；所述第二加压缸的入口和出口分别设置第三强制截止阀和第四强制截止阀；当所述第二加压缸吸入所述第一混合物时，所述第三强制截止阀处于开启状态，所述第四强制截止阀处于关闭状态；当所述第二加压缸将所述第一混合物加压时，所述第三强制截止阀处于关闭状态，所述第四强制截止阀处于开启状态；所述第一加压缸、所述第二加压缸、所述第一强制截止阀、所述第二强制截止阀、所述第三强制截止阀和所述第四强制截止阀均采用橡胶、金属、注脂三道密封；

在所述第一加压缸和所述第二加压缸内交叉将所述第一混合物加压，在所述第一加压缸和所述第二加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将所述第一混合物输送至混合器中；所述混合器内设有螺旋纹理，用于使所述第一混合物和所述液态二氧化碳处于涡流状态混合均匀；加压后所述第一混合物的压力大于所述混合器中液态二氧化碳的压力，且所述低压输送管线上设置第一单流阀，所述第一混合物从所述第一单流阀的第一端流向所述第一单流阀的第二端；

将所述第一混合物与所述混合器中的液态二氧化碳在所述混合器中混合均匀，得到第二混合物，通过压裂泵车将所述第二混合物注入待压裂井中，所述第二混合物用于对所述待压裂井进行压裂。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第一加压缸和所述第二加压缸内交叉将所述第一混合物加压，在所述第一加压缸和所述第二加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将所述第一混合物输送至混合器中，包括：

通过所述第一加压缸吸入所述第一混合物，在所述第一加压缸内将所述第一混合物加压，在所述第一加压缸的压力作用下，通过所述低压输送管线将所述第一加压缸中的第一混合物输送至所述混合器中；

在所述第一加压缸内将所述第一混合物加压的过程中，通过所述第二加压缸从所述敞口混料罐中剩余的第一混合物中吸入第一混合物，在所述第二加压缸内将吸入的第一混合物加压，在所述第二加压缸的压力作用下，通过所述低压输送管线将所述第二加压缸中的第一混合物输送至所述混合器中；

在所述第二加压缸内将吸入的第一混合物加压的过程中，执行所述通过所述第一加压缸吸入所述第一混合物的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第一加压缸和所述第二加压缸内交叉将所述第一混合物加压，在所述第一加压缸和所述第二加压缸的压力作用下，通过低压输送管线将所述第一混合物输送至混合器中，包括：

在所述第一加压缸和所述第二加压缸内交叉将所述第一混合物加压，在所述第一加压缸和所述第二加压缸的压力作用下，所述第一混合物被输送至所述第一单流阀的第一端处；

在所述第一单流阀的第一端处的压力大于第二端处的压力时，开启所述第一单流阀；

通过所述低压输送管线经所述第一单流阀将所述第一混合物输送至所述混合器中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

采用密度计监测注入所述待压裂井中的所述第二混合物的密度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过所述常压砂子输送泵将砂子存储罐中的砂子输送至所述敞口混料罐，通过所述常压稠化剂输送泵将稠化剂存储罐中的稠化剂输送至所述敞口混料罐。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过所述常压砂子输送泵将砂子存储罐中的砂子输送至所述敞口混料罐，通过所述常压稠化剂输送泵将稠化剂存储罐中的稠化剂输送至所述敞口混料罐之前，所述方法还包括：

将所述稠化剂预先输送至所述敞口混料罐，将液态二氧化碳存储罐中的液态二氧化碳预先输送至所述混合器；

通过所述螺旋泵将所述稠化剂输送至多个所述加压缸，在所述加压缸内将所述稠化剂加压，在所述加压缸的压力作用下，通过所述低压输送管线将所述稠化剂输送至所述混合器中；

将所述稠化剂和所述液态二氧化碳在所述混合器中混合均匀，得到第三混合物，通过所述压裂泵车将所述第三混合物注入所述待压裂井中，所述第三混合物作为前置液，用于在所述待压裂井中造出裂缝。

7.一种液态二氧化碳无水压裂常压加砂装置，其特征在于，所述装置包括：常压砂子输送泵、常压稠化剂输送泵、敞口混料罐、螺旋泵、多个加压缸、混合器和密度计；所述加压缸包括第一加压缸和第二加压缸，所述第一加压缸和所述第二加压缸交叉执行吸入和加压工作；

所述常压砂子输送泵的第一端和砂子存储罐连接，所述常压砂子输送泵的第二端和所述敞口混料罐的第一端连接，所述常压稠化剂输送泵的第一端和稠化剂存储罐连接，所述常压稠化剂输送泵的第二端和所述敞口混料罐的第二端连接；所述敞口混料罐的第三端和所述螺旋泵的第一端连接，所述螺旋泵的第二端与所述第一加压缸的第一端以及所述第二加压缸的第一端连接；所述混合器的第一端与所述第一加压缸的第二端以及所述第二加压缸的第二端连接；所述第一加压缸的入口和出口分别设置第一强制截止阀和第二强制截止阀；所述第二加压缸的入口和出口分别设置第三强制截止阀和第四强制截止阀；所述第一加压缸和所述第二加压缸均采用橡胶、金属、注脂三道密封；所述第一强制截止阀、所述第二强制截止阀、所述第三强制截止阀和所述第四强制截止阀均采用橡胶、金属、注脂三道密封；

所述第一加压缸的第二端和所述第二加压缸的第二端均与第一单流阀的第一端连接，所述第一单流阀的第二端和液态二氧化碳存储罐均与所述混合器的第一端连接，所述混合器的第二端与所述密度计的第一端连接，所述密度计的第二端与压裂泵车连接，流体流经所述第一单流阀时，从所述第一单流阀的第一端流向所述第一单流阀的第二端；

所述第一加压缸和所述第二加压缸用于交叉对所述敞口混料罐中的第一混合物加压，在所述第一加压缸和所述第二加压缸的压力作用下，所述第一混合物被输送至所述混合器中，所述第一混合物为砂子和稠化剂混合得到的混合物，加压后所述第一混合物的压力大于所述混合器中液态二氧化碳的压力；

所述混合器内设有螺旋纹理，用于将所述第一混合物和所述液态二氧化碳混合，得到第二混合物；

所述密度计用于监测注入待压裂井中的第二混合物的密度；

所述压裂泵车用于将所述第二混合物注入所述待压裂井中。

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