CN113431547A - 一种二氧化碳超声震荡发泡装置及其分级强化压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳超声震荡发泡装置，包括水基压裂系统、压力监测系统、高压注气系统、超声波震荡系统和中央控制系统；高压水泵进水端与压裂液储备罐连接，高压水泵出水端与高压管路进水端连接；压力传感器经防水电缆连接数据集成器；高压气泵进气端与二氧化碳储备罐连接，高压气泵出气端与注气管柱进气端连接；超声波换能器经传输电缆连接超声波发生器；高压水泵、数据集成器、高压气泵、超声波发生器通过信号线缆与中央控制系统连接。同时，还公开二氧化碳超声震荡发泡分级强化压裂方法。本发明能减少地面到井筒传输途中的泡沫损失，并能通过先水基压裂，再泡沫化压裂实现二次分级压裂，减小压裂起裂阶段的滤失量，提高压裂作业效果。
Description
技术领域
本发明涉及煤层压裂技术领域，特别涉及一种二氧化碳超声震荡发泡装置及其分级强化压裂方法。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，对能源的需求量在不断增加，作为新崛起能源的煤层气逐渐成为了开采的重点。煤层气是一种以吸附状态赋存于煤层中的清洁能源，由于大多数煤层具有低渗透的特性，因此开采工作难度大。煤层压裂技术是一种能够有效提高煤层气产量的措施，目前已有的煤层压裂技术包括：水基压裂、泡沫压裂、酸性压裂等，水基压裂技术作为最常使用的压裂技术，其原理是将压力液注入井筒，以提高井筒壁压力，导致煤层开裂形成裂缝，提高煤层渗透率，最终达到提高煤层气产量的目的。水资源消耗和储层残留损害是水力压裂技术应用中的两类棘手问题。据统计，煤层单井压裂耗水量可达1800吨，而我国的人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。长远来看，水基压裂液的应用对我国水资源的消耗十分严重。同时，水基压裂液残留物造成了一系列的储层损害和污染问题。尽管在压裂作业后，会进行返排处理，但由于水基压裂液具有较高粘度，通常会有20％至30％体积的压裂残液永久滞留在储层裂隙中，堵塞裂隙孔道，对煤层气渗流和最终产量造成不利影响。针对水基压裂液存在的弊端，研究人员提出了二氧化碳泡沫压裂技术，即利用二氧化碳泡沫的特性，实现其在压裂过程中耗水量小、煤层伤害小、返排迅速的特点，提高其压裂增产的效果。但压裂现场地面制备泡沫压裂液后，需要由地面传输到井下，在传输过程中泡沫破灭量较大，影响压裂效果。同时，由于泡沫压裂液含有较大比例的气相组分，滤失量较大，通常需要过高的起裂压力，导致二氧化碳泡沫压裂工艺的实施存在一定的困难。因此亟需提出一种新型压裂技术，以提高二氧化碳泡沫压裂的施工效果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种二氧化碳超声震荡发泡装置及其分级强化压裂方法，能减少地面到井筒传输过程中的泡沫损失，并能通过先水基压裂，再泡沫化压裂实现二次分级压裂，减小压裂起裂阶段的滤失量，提高压裂作业效果。
为了实现上述目的，本发明提出了一种二氧化碳超声震荡发泡装置，包括水基压裂系统、压力监测系统、高压注气系统、超声波震荡系统和中央控制系统；
所述水基压裂系统包括压裂液储备罐、高压水泵和高压管路，所述高压水泵的进水端与压裂液储备罐连接，高压水泵的出水端与高压管路的进水端连接；
所述压力监测系统包括压力传感器、防水线缆和数据集成器，所述压力传感器通过防水电缆连接数据集成器，压力传感器设置于高压管路出水端的外壁上；
所述高压注气系统包括二氧化碳储备罐、高压气泵和注气管柱，所述高压气泵的进气端与二氧化碳储备罐连接，高压气泵的出气端与注气管柱的进气端连接；
所述超声波震荡系统包括超声波发生器、传输线缆和超声波换能器，所述超声波换能器通过传输电缆连接超声波发生器，超声波换能器设置于注气管柱出气端的外壁上；
所述高压水泵、数据集成器、高压气泵、超声波发生器分别通过信号线缆与中央控制系统连接。
上述方案中：所述超声波换能器有三个，沿注气管柱的长度方向均匀分布。上述设置有利于保证超声波换能器的震荡效果，使压裂液与二氧化碳气体充分混合，形成泡沫。
上述方案中：所述传输线缆的包裹层采用橡胶与铝塑复合带结合的形式，防水效果好。
上述方案中：所述中央控制系统为计算机系统。
上述方案中：所述压力传感器的外壳由不锈钢材料制成。不锈钢材料耐腐蚀、耐高温，有利于保证压力传感器的使用寿命。
上述方案中：所述超声波换能器由压电陶瓷元件制成。压电陶瓷元件是利用压电效应的可逆性，在其上施加音频电压，使其产生机械振动，发出声音的陶瓷片，其灵敏度高、成本低。
上述方案中：所述超声波换能器的外壳由三元乙丙胶制成。三元乙丙胶具有良好的耐热性以及极佳的抗水性，适用于高温液体环境。
上述方案中：所述超声波换能器的外壳由金属材料制成，并在外壳上涂有一层高分子防水涂料。金属外壳强度硬度高，且涂有高分子防水涂料，具有防水效果，能有效保护超声波换能器的内部零件。
本发明还提出了一种二氧化碳超声震荡发泡分级强化压裂方法，基于上述的二氧化碳超声震荡发泡装置，包括以下步骤：
步骤一、配制压裂液，其原料比为0.35-0.65％wt羟甲基瓜尔胶、0.5-0.7％wtKCl、0.5-0.8％wtα-烯烃磺酸钠、0.4-0.6％wt有机硼、0.04-0.06％wt胶囊过硫酸铵、25-35％wt石英砂，余量为水；
步骤二、将高压管路的出水端及压力传感器置于井筒内部，将注气管柱的出气端及超声波换能器置于井筒内部；
步骤三、开启高压水泵，通过高压管路向井筒内注入压裂液，压力传感器实时监测井筒内部压力变化并将监测的压力数据传输给数据集成器，数据集成器将压力数据实时传递到中央控制系统，中央控制系统根据压力变化采取相应的措施；
a、井筒内压力开始上升，表明压裂液逐步充满井筒并对井壁产生压力，促使井筒周边煤体变形，水基压裂开始；
b、井筒内压力达到最高值P1，表明井壁压力达到煤层破裂压力；
c、井筒内压力迅速下降，表明煤层起裂，形成裂缝；
d、中央控制系统根据数据集成器记录的压力变化，发出关井和关闭压裂液储备罐的阀门的信号，自动关闭高压水泵；
e、井筒内压力下降减缓，趋于定值P2，表明裂隙闭合在支撑剂石英砂上，并达到最大裂隙扩展；
f、中央控制系统根据数据集成器记录的压力变化，发出水基压裂完成信号，自动开启高压气泵及超声波发生器，高压气泵将二氧化碳储备罐中的二氧化碳气体通过注气管柱泵入压裂液中，超声波发生器将220V电压转化为超声波信号，并通过传输线缆将信号传输给超声波换能器，使其产生超声波；
g、超声波作用于压裂液时，压裂液内部出现拉应力，导致压强降低，压裂液中的二氧化碳气体从液体中逸出，α-烯烃磺酸钠作为起泡剂，其中的烯烃是亲油基，其分子会在溶剂中产生定向排列，达到改变表面张力的效果，使压裂液更易形成泡沫，在井筒和已有裂隙网络内形成憋压，井筒内压力快速升高，进入泡沫压裂阶段；
h、井筒内压力保持不变，表明井筒裂隙达到临界压力P3；
i、井筒内压力急剧下降，表明井筒裂隙发生进一步扩展；
步骤四、中央控制系统根据数据集成器记录的压力变化，设定时间1h后发出信号，自动关闭高压气泵以及超声波发生器，完成二次分级压裂；
步骤五、中央控制系统发出返排信号，开启井筒进行返排，由于井内压力大于大气压，在压力差的作用下，压裂液开始由煤层向地面进行返排，同时，由于井筒压力降低，二氧化碳气泡膨胀，进一步强化压裂液返排至地面，压裂结束。
本发明的有益效果是：
本发明公开的二氧化碳超声震荡发泡装置可以实时监测井筒内压力数据，并且根据压力的反馈信息，自动进行高压水泵、高压气泵以及超声波发生器的开启与关闭，简化了二氧化碳泡沫压裂现场施工工艺，提高了工作效率；并且超声波可以在压裂液中疏密相间的向前辐射，使压裂液流动，从而产生泡沫，在压裂作业时，无需预先制备泡沫，通过超声波震荡系统与高压注气系统的协同作用，即可在井筒中形成二氧化碳泡沫，减小了泡沫从地面到井筒内的传输过程时间，缩短了压裂时间，并且提升了压裂过程中的泡沫质量和压裂效果。
本发明公开的二氧化碳超声震荡发泡分级强化压裂方法是一种二次分级压裂方法，先利用水基压裂液粘度大的特性，进行煤层造缝，再利用泡沫压裂液滤失量低，易于渗透进煤层裂缝的特性，促进裂缝的延伸，使压裂范围更大，促进煤层气的产量；同时利用泡沫易返排的特性，解决了水基压裂返排困难的问题，避免对煤层造成伤害。
附图说明
图1为本发明的水基压裂系统、压力监测系统与中央控制系统连接的结构示意图。
图2为本发明的高压注气系统、超声波震荡系统与中央控制系统连接的结构示意图。
图3为本发明中二次分级压裂过程中的井筒压力变化示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，一种二氧化碳超声震荡发泡装置，主要由水基压裂系统、压力监测系统、高压注气系统、超声波震荡系统和中央控制系统10组成。
水基压裂系统主要由压裂液储备罐17、高压水泵16和高压管路14组成；高压水泵16的进水端与压裂液储备罐17连接，高压水泵16的出水端与高压管路14的进水端连接。高压管路14上设置有注水控制台15，注水控制台15内设有水流量表和水压表，可人为监测高压水泵16的水流量和水流压力。
压力监测系统主要由压力传感器13、防水线缆12和数据集成器11组成；压力传感器13通过防水电缆12连接数据集成器11，压力传感器13设置于高压管路14出水端的外壁上。
高压注气系统主要由二氧化碳储备罐7、高压气泵6和注气管柱4组成；高压气泵6的进气端与二氧化碳储备罐7连接，高压气泵6的出气端与注气管柱4的进气端连接。注气管柱4上设置有注气控制台5，注气控制台5内设有气流量表和气压表，可人为监测高压气泵6的气流量和气流压力。注气管柱4的出气端开设有若干射孔3，作为二氧化碳气体的排出孔，多个射孔3有利于增加二氧化碳气体的流速，提高反应效率。
超声波震荡系统主要由超声波发生器9、传输线缆8和超声波换能器2组成；超声波换能器2通过传输电缆8连接超声波发生器9，超声波换能器2设置于注气管柱4出气端的外壁上。
高压水泵16、数据集成器11、高压气泵6、超声波发生器9分别通过信号线缆与中央控制系统10连接。
最好是，超声波换能器2有三个，沿注气管柱4的长度方向均匀分布。上述设置有利于保证超声波换能器2的震荡效果，使压裂液与二氧化碳气体充分混合，形成泡沫。
最好是，传输线缆8的包裹层采用橡胶与铝塑复合带结合的形式，防水效果好。
最好是，中央控制系统10为计算机系统。
最好是，压力传感器13的外壳由不锈钢材料制成。不锈钢材料耐腐蚀、耐高温，有利于保证压力传感器13的使用寿命。
最好是，超声波换能器2由压电陶瓷元件制成。压电陶瓷元件是利用压电效应的可逆性，在其上施加音频电压，使其产生机械振动，发出声音的陶瓷片，其灵敏度高、成本低。
最好是，超声波换能器2的外壳由三元乙丙胶制成。三元乙丙胶具有良好的耐热性以及极佳的抗水性，适用于高温液体环境。
最好是，超声波换能器2的外壳由金属材料制成，并在外壳上涂有一层高分子防水涂料。金属外壳强度硬度高，且涂有高分子防水涂料，具有防水效果，能有效保护超声波换能器2的内部零件。
一种二氧化碳超声震荡发泡分级强化压裂方法，基于上述的二氧化碳超声震荡发泡装置，主要由以下步骤组成：
步骤一、配制压裂液，其原料比为0.5％wt羟甲基瓜尔胶、0.6％wtKCl、0.6％wtα-烯烃磺酸钠、0.5％wt有机硼、0.05％wt胶囊过硫酸铵、30％wt石英砂，余量为水；
步骤二、将高压管路14的出水端及压力传感器13置于井筒1内部，将注气管柱4的出气端及超声波换能器2置于井筒1内部；
步骤三、开启高压水泵16，通过高压管路14向井筒1内注入压裂液，压力传感器13实时监测井筒1内部压力变化并将监测的压力数据传输给数据集成器11，数据集成器11将压力数据实时传递到中央控制系统，中央控制系统根据压力变化采取相应的措施；
a、井筒1内压力开始上升，表明压裂液逐步充满井筒1并对井壁产生压力，促使井筒1周边煤体变形，水基压裂开始；
b、井筒1内压力达到最高值P1，表明井壁压力达到煤层破裂压力；
c、井筒1内压力迅速下降，表明煤层起裂，形成裂缝；
d、中央控制系统根据数据集成器11记录的压力变化，发出关井和关闭压裂液储备罐的阀门的信号，自动关闭高压水泵16；
e、井筒内压力下降减缓，趋于定值P2，表明裂隙闭合在支撑剂石英砂上，并达到最大裂隙扩展；
f、中央控制系统根据数据集成器11记录的压力变化，发出水基压裂完成信号，自动开启高压气泵6及超声波发生器9，高压气泵6将二氧化碳储备罐7中的二氧化碳气体通过注气管柱4泵入压裂液中，超声波发生器9将220V电压转化为超声波信号，并通过传输线缆8将信号传输给超声波换能器2，使其产生超声波；
g、超声波作用于压裂液时，压裂液内部出现拉应力，导致压强降低，压裂液中的二氧化碳气体从液体中逸出，α-烯烃磺酸钠作为起泡剂，其中的烯烃是亲油基，其分子会在溶剂中产生定向排列，达到改变表面张力的效果，使压裂液更易形成泡沫，在井筒1和已有裂隙网络内形成憋压，井筒1内压力快速升高，进入泡沫压裂阶段；
h、井筒1内压力保持不变，表明井筒1裂隙达到临界压力P3；
i、井筒1内压力急剧下降，表明井筒1裂隙发生进一步扩展；
步骤四、中央控制系统根据数据集成器11记录的压力变化，设定时间1h后发出信号，自动关闭高压气泵6以及超声波发生器9，完成二次分级压裂；
步骤五、中央控制系统发出返排信号，开启井筒1进行返排，由于井内压力大于大气压，在压力差的作用下，压裂液开始由煤层向地面进行返排，同时，由于井筒1压力降低，二氧化碳气泡膨胀，进一步强化压裂液返排至地面，压裂结束。
Claims (9)
1.一种二氧化碳超声震荡发泡装置，其特征在于：包括水基压裂系统、压力监测系统、高压注气系统、超声波震荡系统和中央控制系统(10)；
所述水基压裂系统包括压裂液储备罐(17)、高压水泵(16)和高压管路(14)，所述高压水泵(16)的进水端与压裂液储备罐(17)连接，高压水泵(16)的出水端与高压管路(14)的进水端连接；
所述压力监测系统包括压力传感器(13)、防水线缆(12)和数据集成器(11)，所述压力传感器(13)通过防水电缆(12)连接数据集成器(11)，压力传感器(13)设置于高压管路(14)出水端的外壁上；
所述高压注气系统包括二氧化碳储备罐(7)、高压气泵(6)和注气管柱(4)，所述高压气泵(6)的进气端与二氧化碳储备罐(7)连接，高压气泵(6)的出气端与注气管柱(4)的进气端连接；
所述超声波震荡系统包括超声波发生器(9)、传输线缆(8)和超声波换能器(2)，所述超声波换能器(2)通过传输电缆(8)连接超声波发生器(9)，超声波换能器(2)设置于注气管柱(4)出气端的外壁上；
所述高压水泵(16)、数据集成器(11)、高压气泵(6)、超声波发生器(9)分别通过信号线缆与中央控制系统(10)连接。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳超声震荡发泡装置，其特征在于：所述超声波换能器(2)有三个，沿注气管柱(4)的长度方向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳超声震荡发泡装置，其特征在于：所述传输线缆(8)的包裹层采用橡胶与铝塑复合带结合的形式。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳超声震荡发泡装置，其特征在于：所述中央控制系统(10)为计算机系统。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳超声震荡发泡装置，其特征在于：所述压力传感器(13)的外壳由不锈钢材料制成。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳超声震荡发泡装置，其特征在于：所述超声波换能器(2)由压电陶瓷元件制成。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳超声震荡发泡装置，其特征在于：所述超声波换能器(2)的外壳由三元乙丙胶制成。
8.根据权利要求1所述的二氧化碳超声震荡发泡装置，其特征在于：所述超声波换能器(2)的外壳由金属材料制成，并在外壳上涂有一层高分子防水涂料。
9.一种二氧化碳超声震荡发泡分级强化压裂方法，其特征在于：基于权利要求1-8任一项所述的二氧化碳超声震荡发泡装置，包括以下步骤：
步骤一、配制压裂液，其原料比为0.35-0.65％wt羟甲基瓜尔胶、0.5-0.7％wtKCl、0.5-0.8％wtα-烯烃磺酸钠、0.4-0.6％wt有机硼、0.04-0.06％wt胶囊过硫酸铵、25-35％wt石英砂，余量为水；
步骤二、将高压管路(14)的出水端及压力传感器(13)置于井筒(1)内部，将注气管柱(4)的出气端及超声波换能器(2)置于井筒(1)内部；
步骤三、开启高压水泵(16)，通过高压管路(14)向井筒(1)内注入压裂液，压力传感器(13)实时监测井筒(1)内部压力变化并将监测的压力数据传输给数据集成器(11)，数据集成器(11)将压力数据实时传递到中央控制系统，中央控制系统根据压力变化采取相应的措施；
a、井筒(1)内压力开始上升，表明压裂液逐步充满井筒(1)并对井壁产生压力，促使井筒(1)周边煤体变形，水基压裂开始；
b、井筒(1)内压力达到最高值P1，表明井壁压力达到煤层破裂压力；
c、井筒(1)内压力迅速下降，表明煤层起裂，形成裂缝；
d、中央控制系统根据数据集成器(11)记录的压力变化，发出关井和关闭压裂液储备罐的阀门的信号，自动关闭高压水泵(16)；
e、井筒内压力下降减缓，趋于定值P2，表明裂隙闭合在支撑剂石英砂上，并达到最大裂隙扩展；
f、中央控制系统根据数据集成器(11)记录的压力变化，发出水基压裂完成信号，自动开启高压气泵(6)及超声波发生器(9)，高压气泵(6)将二氧化碳储备罐(7)中的二氧化碳气体通过注气管柱(4)泵入压裂液中，超声波发生器(9)将220V电压转化为超声波信号，并通过传输线缆(8)将信号传输给超声波换能器(2)，使其产生超声波；
g、超声波作用于压裂液时，压裂液内部出现拉应力，导致压强降低，压裂液中的二氧化碳气体从液体中逸出，α-烯烃磺酸钠作为起泡剂，其中的烯烃是亲油基，其分子会在溶剂中产生定向排列，达到改变表面张力的效果，使压裂液更易形成泡沫，在井筒(1)和已有裂隙网络内形成憋压，井筒(1)内压力快速升高，进入泡沫压裂阶段；
h、井筒(1)内压力保持不变，表明井筒(1)裂隙达到临界压力P3；
i、井筒(1)内压力急剧下降，表明井筒(1)裂隙发生进一步扩展；
步骤四、中央控制系统根据数据集成器(11)记录的压力变化，设定时间1h后发出信号，自动关闭高压气泵(6)以及超声波发生器(9)，完成二次分级压裂；
步骤五、中央控制系统发出返排信号，开启井筒(1)进行返排，由于井内压力大于大气压，在压力差的作用下，压裂液开始由煤层向地面进行返排，同时，由于井筒(1)压力降低，二氧化碳气泡膨胀，进一步强化压裂液返排至地面，压裂结束。
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