CN113445983B - 一种密闭混砂装置和液态二氧化碳压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种密闭混砂装置和液态二氧化碳压裂方法，包括罐体，设置在所述罐体内的竖直通道，所述竖直通道的上端伸出罐体的上盖外，并设置有液态二氧化碳进液口；所述竖直通道的侧面设置有携砂液入口；设置在所述罐体下部的下层隔板，下层隔板下部的空间形成出液层，出液层连通所述竖向通道，下层隔板上设置有出液口；设置在所述罐体底端的携砂液输送装置，所述携砂液输送装置连通所述竖直通道；其中，支撑剂通过所述进砂口进入罐体内，液态二氧化碳通过所述液态二氧化碳进液口进入并在所述出液口排到所述罐体内与所述支撑剂融合成携砂液；所述携砂液通过所述携砂液入口进入到所述竖直通道并通过所述携砂液输送装置输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种密闭混砂装置和液态二氧化碳压裂方法，属于石油天然气开发领域。
背景技术
液态二氧化碳压裂是以二氧化碳代替常规水力压裂液的一种无水压裂技术，国内外的实践成果表明：该方法对低压、低渗透、强水锁、水敏储层的压裂改造效果十分明显。二氧化碳压裂的主要技术难点是常规压裂所使用的混砂设备无法满足作业需要，需研制专用的密闭混砂设备。因此，密闭混砂装置是液态二氧化碳压裂工艺施工的核心设备。
现有的混砂设备均未考虑施工前准备过程中的降温问题。现场施工前，需将设备、管路温度降至约-18℃(压力2MPa)方能正常施工，而密闭混砂罐的降温及其消耗二氧化碳，因此其降温性能需要进一步设计。同时，混砂设备底部设计支撑剂运移装置，罐内所有支撑剂载荷几乎全部加载于输送装置，易造成输送装置的过度损耗、降低使用寿命，进而影响设备整体的可靠性。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种密闭混砂装置和液态二氧化碳压裂方法，能够解决液态二氧化碳压裂施工过程中出现的夏季施工密闭混砂罐内降温困难、支撑剂输送装置工作负载大磨损大易失效等问题；其延长了液态二氧化碳在罐内的运移路径、增大了热交换面积，进而节省了二氧化碳用量；减小了罐底支撑剂输送装置的工作载荷、延长其使用寿命、提高设备可靠性，为二氧化碳压裂技术的推广提供基础。
根据本发明的一个方面，提出了一种密闭混砂装置，包括：
罐体，所述罐体的顶部设置有进砂口；
设置在所述罐体内的竖直通道，所述竖直通道的上端伸出罐体的上盖外，并设置有液态二氧化碳进液口；所述竖直通道的侧面设置有携砂液入口；
设置在所述罐体下部的下层隔板，所述罐体内位于所述下层隔板下部的空间形成出液层，出液层连通所述竖直通道，下层隔板上设置有出液口；
设置在所述罐体底端的携砂液输送装置，所述携砂液输送装置连通所述竖直通道；
其中，支撑剂通过所述进砂口进入罐体内，液态二氧化碳通过所述液态二氧化碳进液口进入并在所述出液口排到所述罐体内与所述支撑剂融合成携砂液；所述携砂液通过所述携砂液入口进入到所述竖直通道并通过所述携砂液输送装置输出。
本发明的进一步改进在于，所述携砂液入口为多个，并且竖直排布在所述竖直通道上；其中，所述携砂液入口能够单独控制关闭和开启。
本发明的进一步改进在于，所述携砂液入口在液态二氧化碳进入所述竖直通道时处于关闭的状态，所述二氧化碳和所述支撑剂混合成携砂液后所述携砂液入口从上到下依次开启。
本发明的进一步改进在于，所述携砂液入口包括设置在所述竖直通道的侧壁上的携砂液通道，所述携砂液通道的内侧设置有密封环，所述密封环套接在所述竖直通道的内部，并受控制装置控制在所述竖直通道内沿轴向移动以开启所述携砂液通道。
本发明的进一步改进在于，所述出液口的顶部设置有向下弯曲的弧勾。
本发明的进一步改进在于，所述罐体上设置有液位传感器，其能够测量所述罐体内的支撑剂和携砂液的高度。
本发明的进一步改进在于，所述罐体的上端设置有排气阀。
根据本发明的另一个方面，还提出了一种液态二氧化碳压裂方法，使用上述的密闭混砂装置实现，包括：
从进砂口向罐体内注入一定量的支撑剂；
之后通过液态二氧化碳进液口注入液态二氧化碳，所述液态二氧化碳通过出液口与支撑剂混合并形成携砂液；
通过打开所述携砂液入口并启动携砂液输送装置，输送携砂液进行压裂。
本发明的进一步改进在于，所述液态二氧化碳从所述出液口与所述支撑剂混合的过程中，所述液态二氧化碳与所述支撑剂发生热交换，所述液态二氧化碳吸热形成二氧化碳气体从所述排气阀排出，所述支撑剂放热降温到与所述液态二氧化碳相同后热交换完成；
之后所述液态二氧化碳与所述支撑剂混合成携砂液。
本发明的进一步改进在于，压裂时，所述携砂液入口从上到下依次开启，上层的携砂液入口开启后，所述携砂液通过该层的携砂液入口进入到竖直通道内，所述罐体内的携砂液的液面下降，当所述液面下降到该层携砂液入口的位置时，下一层的携砂液入口开启。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的一种密闭混砂装置，能够解决液态二氧化碳压裂施工过程中出现的夏季施工密闭混砂罐内降温困难、支撑剂输送装置工作负载大磨损大易失效等问题；其延长了液态二氧化碳在罐内的运移路径、增大了热交换面积，进而节省了二氧化碳用量；减小了罐底支撑剂输送装置的工作载荷、延长其使用寿命、提高设备可靠性，为二氧化碳压裂技术的推广提供基础。
在本发明的一种密闭混砂装置众，罐体内的结构增大二氧化碳与支撑剂、罐内壁等高温物体的接触面积及时间，提高热交换效率，减少降温所用的二氧化碳量。压裂施工进入携砂阶段时，由上至下逐级上提密封环开启对应的携砂液通道，避免了罐内所有携砂液重量完全加载于底部的携砂液输送装置，实现了分段加载，降低了携砂液输送装置的磨损、提高其寿命，进而提高设备的可靠性。
本发明的一种密闭混砂装置采用多级携砂液入口的开启，液态二氧化碳的流动形态、路径越发复杂，利于罐内的混砂，因此该设备去除常规混砂罐所需的机械搅拌棒，因去除了旋转部件，整体设备的可靠性进一步提高。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1所示为本发明的一个实施例的密闭混砂装置的结构示意图；
图2所示为本发明的一个实施例的竖直通道的剖视结构示意图，显示竖直方向的状态；
图3所示为本发明的一个实施例的竖直通道的剖视结构示意图，显示水平方向的状态。
附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
在附图中各附图标记的含义如下：1、罐体，2、竖直通道，3、液态二氧化碳进液口，4、出液层，5、出液口，6、泄压阀，7、进砂口，8、携砂液输送装置，9、携砂液入口，10、携砂液通道，11、密封环。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种密闭混砂装置，包括罐体1，罐体1为密封的容器，其具有一定的保温能力，并且能够承受较大的压力。罐体1的顶部设置有进砂口7，所述进砂口7用于向罐体1内加入支撑剂。罐体1内设置有竖直的竖直通道2，所述竖直通道2设置在管体的中部，其上端伸出罐体1的上盖外，并设置有液态二氧化碳进液口3，用于向罐体1内输入液态二氧化碳。所述竖直通道2的侧面设置有携砂液入口9，用于将罐体1内的携砂液输入到竖直通道2内。
所述罐体1的下部设置有下层隔板12，所述罐体1内位于所述下层隔板12下部的空间形成出液层4，出液层4连通所述竖直通道，下层隔板12上设置有出液口5。液态二氧化碳从所述二氧化碳入口进入到竖直通道2内，从上到下移动到出液层4内，并通过出液口5排出到罐体1内。所述罐体1的底端连接有携砂液输送装置8，所述携砂液输送装置8连通所述竖直通道2。
在使用根据本实施例所述的密闭混砂装置时，支撑剂通过所述进砂口7进入罐体1内，液态二氧化碳通过所述液态二氧化碳进液口3进入并在所述出液口5排到所述罐体1内与所述支撑剂融合成携砂液；所述携砂液通过所述携砂液入口9进入到所述竖直通道2并通过所述携砂液输送装置8输出。出液口5设置在管体的下部，液态二氧化碳自下而上移动到罐体1内，在热交换过程中产生的二氧化碳气体从下到上移动，与支撑剂充分接触，能够充分发生热交换，使支撑剂迅速降温。
在一个实施例中，所述携砂液入口9为多个，并且竖直排布在所述竖直通道2上，携砂液入口9的高度不同。携砂液入口9连接有控制装置能够控制器开启和关闭，不同的携砂液入口9能够单独控制关闭和开启。
在一个优选的实施例中，所述携砂液入口9在液态二氧化碳进入所述竖直通道2时处于关闭的状态，所述二氧化碳和所述支撑剂混合成携砂液后所述携砂液入口9从上到下依次开启。在如图1所示的实施例中，所述携砂液入口9为四组，不同组的高度不同。在使用时，首先开启最上方的携砂液入口9，携砂液从最上方的携砂液入口9进入到竖直通道2内，并通过携砂液输送装置8进行压裂。这时，携砂液的液面会下降，当下降到最上方的携砂液入口9时，开启第二个携砂液入口9，以此类推。
在本实施例中，由上至下逐级上提密封环11开启对应的携砂液入口9，能够避免了罐内所有携砂液重量完全加载于底部的携砂液输送装置8，实现了分段加载，降低了携砂液输送装置8的磨损、提高其寿命，进而提高设备的可靠性。
在一个实施例中，如图2所示，所述携砂液入口9包括设置在所述竖直通道2的侧壁上的携砂液通道10，所述携砂液通道10的内侧设置有密封环11，所述密封环11套接在所述竖直通道2的内部，并受控制装置控制在所述竖直通道2内沿轴向移动以开启所述携砂液通道10。其中，所述竖直通道2的内侧设置有环形的支撑环，支撑环设置在携砂液通道10的下端，用于对密封环11进行支撑和限位。
在一个实施例中，所述出液口5的顶部设置有向下弯曲的弧勾。出液口5竖直设置，其上端横向弯曲，最后向下弯曲成弧勾。出液口5设置在最底端，液态二氧化碳自下而上移动到罐体1内，在热交换过程中产生的二氧化碳气体从下到上移动，与支撑剂充分接触，能够充分发生热交换，使支撑剂迅速降温。弧勾能够使液态二氧化碳在更低的位置更均匀地与支撑剂发生热交换。
在一个实施例中，所述罐体1上设置有液位传感器，其能够测量所述罐体1内的支撑剂和携砂液的高度。在加入支撑剂时，通过液位传感器能够测量支撑剂的量，判断支撑剂是否足够。在加热液态二氧化碳后能够判断出液态二氧化碳的量，从而判断出混合的携砂液的量。在释放携砂液时，通过所述液位传感器能够判断出携砂液的液面，从而控制携砂液入口9的开启。
在一个实施例中，所述罐体1的上端设置有排气阀。在液态二氧化碳进入到罐体1内时，液态二氧化碳与支撑剂混合，在混合的过程中，最初的阶段支撑剂温度较高，液态二氧化碳与支撑剂发生热交换。液态二氧化碳吸热形成二氧化碳气体从所述排气阀排出，所述支撑剂放热降温到与所述液态二氧化碳相同后热交换完成。这时，液态二氧化碳在罐体1内始终处于液态状态，从而形成携砂液。
根据本发明的另一个方面，还提出了一种液态二氧化碳压裂方法，其特征在于，使用根据上述实施例所述的密闭混砂装置实现，包括：
首先，从进砂口7向罐体1内注入一定量的支撑剂；
之后，通过液态二氧化碳进液口3注入液态二氧化碳，所述液态二氧化碳通过出液口5与支撑剂混合并形成携砂液；
通过打开所述携砂液入口9并启动携砂液输送装置8，输送携砂液进行压裂。
在一个优选的实施例中，所述液态二氧化碳从所述出液口5与所述支撑剂混合的过程中，所述液态二氧化碳与所述支撑剂发生热交换，所述液态二氧化碳吸热形成二氧化碳气体从所述排气阀排出，所述支撑剂放热降温到与所述液态二氧化碳相同后热交换完成。之后所述液态二氧化碳与所述支撑剂混合成携砂液。
在本实施例中，具体的步骤如下：
经由进砂口7输送支撑剂入罐，储存于罐体1内，经液位传感器确认支撑剂堆高达到预设高度后停止，罐体1验封。经由液态二氧化碳进液口3注入液态二氧化碳；开启罐底出液口5，液态二氧化碳经热交换后气化经由泄压阀6排出。注入液态二氧化碳直至罐内温度降至临界温度，经传感器确认液面达到预设高度后停止注入，关闭罐底出液口5。待压裂施工进行至携砂阶段时，开启罐底携砂液输送装置8，上提最上部密封环11以开启第一个携砂液通道10，携砂液在重力作用下进入竖直通道2，与液态二氧化碳混合。竖直通道2的二氧化碳及支撑剂随重力落入罐底，在冲击作用下进一步混合，并由携砂液输送装置8送入管汇。
在一个实施例中，压裂时，所述携砂液入口9从上到下依次开启，上层的携砂液入口9开启后，所述携砂液通过该层的携砂液入口9进入到竖直通道2内，所述罐体1内的携砂液的液面下降，当所述液面下降到该层携砂液入口9的位置时，下一层的携砂液入口9开启。
在一个具体的实施例中，所述方法包括以下具体步骤：
施工时，所述密闭混砂装置可作为车载式设备直接开入场地，也可作为分离式单独设备使用吊车安置到位。
施工准备阶段，将施工中使用的支撑剂经由进砂口7充分灌入罐体1内，以保证施工用量为标准，可保持储砂腔体不同的充满程度。
施工前，使用液态二氧化碳进行设备、管路的降温。此时，液态二氧化碳由液态二氧化碳进液口3进入罐体1，经由竖直通道2和出液层4由罐体1底部的出液口5流出，在进行充分的热交换后变为气态，上行至灌顶并由泄压阀6间歇排出。在液态二氧化碳由罐底向灌顶的运移过程中，增大了热交换的面积和时间，提高了液态二氧化碳的换热效率，减少了降温所需的液态二氧化碳的用量。
正式施工时，初期泵入前置液，此时罐体1不工作。进入携砂流程时，液态二氧化碳由进液口进入，此时密封环11打开，支撑剂在重力作用下经由管壁支撑剂通道在进液管中自由下落，与进入的液态二氧化碳混合，并最终落于罐底的支撑剂输送装置内，输送至井内；随着支撑剂逐渐减少与密封环11下沿平齐，支撑剂无法在重力作用下移动，此时开启下一层密封环11，循环上述步骤，即可实现支撑剂的连续输送。此时罐底的支撑剂输送装置所承载的载荷仅与压裂设计中的砂比相关，无需如传统储砂罐需承载全部储存砂体的载荷，提高了支撑剂输送装置的使用寿命。同时，依靠重力下落与液态二氧化碳的混合，省去了搅拌棒，减少了机械设备数量，提高了设备的可靠性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种密闭混砂装置，其特征在于，包括：
罐体(1)，所述罐体(1)的顶部设置有进砂口(7)；
设置在所述罐体(1)内的竖直通道(2)，所述竖直通道(2)的上端伸出罐体(1)的上盖外，并设置有液态二氧化碳进液口(3)；所述竖直通道(2)的侧面设置有携砂液入口(9)；
设置在所述罐体(1)下部的下层隔板(12)，所述罐体(1)内位于所述下层隔板(12)下部的空间形成出液层(4)，所述出液层(4)连通所述竖直通道，下层隔板(12)上设置有出液口(5)；
连接在所述罐体(1)底端的携砂液输送装置(8)，所述携砂液输送装置(8)连通所述竖直通道(2)；
其中，支撑剂通过所述进砂口(7)进入罐体(1)内，液态二氧化碳通过所述液态二氧化碳进液口(3)进入并在所述出液口(5)排到所述罐体(1)内与所述支撑剂融合成携砂液；所述携砂液通过所述携砂液入口(9)进入到所述竖直通道(2)并通过所述携砂液输送装置(8)输出；
所述携砂液入口(9)为多个，并且竖直排布在所述竖直通道(2)上；其中，所述携砂液入口(9)能够单独控制关闭和开启；
所述携砂液入口(9)在液态二氧化碳进入所述竖直通道(2)时处于关闭的状态，所述二氧化碳和所述支撑剂混合成携砂液后所述携砂液入口(9)从上到下依次开启。
2.根据权利要求1所述的密闭混砂装置，其特征在于，所述携砂液入口(9)包括设置在所述竖直通道(2)的侧壁上的携砂液通道(10)，所述携砂液通道(10)的内侧设置有密封环(11)，所述密封环(11)套接在所述竖直通道(2)的内部，并受控制装置控制在所述竖直通道(2)内沿轴向移动以开启所述携砂液通道(10)。
3.根据权利要求2所述的密闭混砂装置，其特征在于，所述出液口(5)的顶部设置有向下弯曲的弧勾。
4.根据权利要求3所述的密闭混砂装置，其特征在于，所述罐体(1)上设置有液位传感器，其能够测量所述罐体(1)内的支撑剂和携砂液的高度。
5.根据权利要求4所述的密闭混砂装置，其特征在于，所述罐体(1)的上端设置有排气阀。
6.一种液态二氧化碳压裂方法，其特征在于，使用根据权利要求1至5中任一项所述的密闭混砂装置实现，包括：
从进砂口(7)向罐体(1)内注入一定量的支撑剂；
之后通过液态二氧化碳进液口(3)注入液态二氧化碳，所述液态二氧化碳通过出液口(5)与支撑剂混合并形成携砂液；
通过打开所述携砂液入口(9)并启动携砂液输送装置(8)，输送携砂液进行压裂。
7.根据权利要求6所述的液态二氧化碳压裂方法，其特征在于，所述液态二氧化碳从所述出液口(5)与所述支撑剂混合的过程中，所述液态二氧化碳与所述支撑剂发生热交换，所述液态二氧化碳吸热形成二氧化碳气体从排气阀排出，所述支撑剂放热降温到与所述液态二氧化碳相同后热交换完成；
之后所述液态二氧化碳与所述支撑剂混合成携砂液。
8.根据权利要求7所述的液态二氧化碳压裂方法，其特征在于，压裂时，所述携砂液入口(9)从上到下依次开启，上层的携砂液入口(9)开启后，所述携砂液通过该层的携砂液入口(9)进入到竖直通道(2)内，所述罐体(1)内的携砂液的液面下降，当所述液面下降到该层携砂液入口(9)的位置时，下一层的携砂液入口(9)开启。
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