CN113969774A - 一种煤层气压裂设备及作业方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种煤层气压裂设备及作业方法，所述煤层气压裂设备包括：至少一台电动压裂泵、电动混砂橇、仪表橇、储砂罐、储液罐、高低压管汇、变频电源房、变配电房；所述储液罐与所述电动混砂橇液体吸入口连通，用于存储压裂基液并将所述压裂基液输送给电动混砂橇；所述储砂罐与所述电动混砂橇支撑剂入口连通，用于存储压裂支撑剂并将所述压裂支撑剂输送给电动混砂橇；所述电动混砂橇排出口通过低压管汇与电动压裂泵输入口连接，所述电动压裂泵排出口通过高压管汇与压裂井口连接。本发明可用于解决传统煤层气压裂作业设备能耗大、噪音大、占地面积大、污染物排放高、长期运维成本高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气开发领域，尤其涉及一种煤层气压裂设备及作业方法。
背景技术
现有煤层气压裂作业多采用柴油压裂机组作业主要的泵注加压设备，该设备存在能耗高、噪音大、占地面积大、污染物排放高等问题。水力压裂作为煤层气增产技术之一，能够有效降低井底附近地层渗流阻力，改变煤层气流动形态，由径向流变为双线性流。通过水力压裂技术改造，能够有效提高煤层气经济产能。目前，煤层气水力压裂作业主要是应用柴油压裂车组、混砂车、仪表车、压裂管汇与供砂、供液设备，将压裂液与支撑剂通过泵车加压注入井底压开地层。这种作业方法存在设备噪音大、温室气体排放高，系统效率低，需求人员多等问题。
在申请号为CN201610044786.6的发明专利申请文件中提出了一种用于煤层气储层增产的水力波及压裂工艺方法，通过在目标区域内，以目标井同一煤层间的连接线与地层的最大主应力方向垂直或趋近于垂直为原则选取至少两口井作为目标井进行通井、刮削、洗井、试压、和射孔作业后，多口目标井同时起泵采用首先变排量泵入前置液，然后变密度和粒径泵入不同支撑剂，最后泵入顶替液的水力波及压裂进行压裂作业。该专利中还提到：水力压裂技术是煤层气藏增产的主要措施之一,其目的是增大煤层气的泄流面积、改变煤层气的渗流方式等，从而达到开采或者增加煤层气产能的目的。而煤层气藏增产措施压裂工艺关键技术就是需要在储层内形成高渗透带裂缝及压力波及面积较广的裂缝网络，增大煤层解吸面积、改善煤层渗流通道、减小煤层渗流阻力。现有的煤层气储层压裂效果各异，均存在着一定的局限性。
目前大多的煤层气储层压裂以单井压裂为主，通过室内实验及矿场压裂微地震监测结果分析发现，形成的压裂裂缝以短宽裂缝为主，并在井筒周围及压裂主缝两侧发育有一定的分支裂缝，当垂直或近垂直于压裂主缝开启的分支裂缝延伸至一定距离后将逐渐转向沿着平行于压裂主缝方向延伸，其增产改造体积相对较小。
国外页岩气水平井利用多井同步压裂或拉链式压裂两压裂主缝之间产生的缝间应力干扰作用，得到了相比于单井压裂时更大的增产改造体积(SRV)，证明了缝间应力干扰作用有利于井间复杂体积缝网的形成。但是，该技术主要应用于两口或多口水平井进行同步或拉链式分段压裂，且应力干扰作用主要发生在相向延伸的两裂缝尖端附近区域，形成的体积缝网规模有限，且压裂施工难以控制。
结合当前工艺与装备技术的发展，提出一种应用电力驱动新型电动压裂装备，清洁高效开展煤层气压裂作业的技术方法，达到节能减排、降本增效的目标。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种煤层气压裂设备及作业方法，采用电力作为主动力能源，应用新型电动压裂成套装备，用以解决传统煤层气压裂作业效率低，噪声大、需求人员多等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种煤层气压裂设备及作业方法，所述煤层气压裂设备包括：至少一台电动压裂泵、电动混砂橇、仪表橇、储砂罐/砂罐车、储液罐、高低压管汇、变频电源房、变配电房；所述储液罐与所述电动混砂橇液体吸入口连通，用于存储压裂基液并将所述压裂基液输送给电动混砂橇；所述储砂罐与所述电动混砂橇支撑剂入口连通，用于存储压裂支撑剂并将所述压裂支撑剂输送给电动混砂橇；所述电动混砂橇排出口通过低压管汇与电动压裂泵输入口连接，所述电动压裂泵排出口通过高压管汇与压裂井口连接；所述变配电房与外部电源连接，所述变配电房分别与变频电源房、储砂罐、储液罐、电动混砂橇、仪表橇连接，所述变频电源房连接电动压裂泵。
所述电动压裂泵包括一台主电机、多台辅助设备电机及传感器：
所述主电机额定电压为3.3KV或6KV，所述主电机转轴通过联轴器或齿轮与压裂泵曲轴连接；
所述辅助设备电机包括断电器、接触器及继控制回路，用于驱动润滑油泵和散热风机；
所述传感器包括压裂泵吸入压力传感器、排出压力传感器、电机绕组温度传感器、润滑油压力传感器。
所述电动混砂橇包括多台离心泵、多套螺旋输送设备与一台及以上电机：
所述离心泵用于为压裂基液和混合液增压；
所述螺旋输送设备用于将支撑剂输送进入混合罐中；
所述电机用于直接离心泵和螺旋输送机，或通过驱动液压站间接驱动离心泵和螺旋输送机。
所述仪表橇连接电动压裂泵、电动混砂橇与井口压力传感器，用于监视并控制煤层气压裂施工过程的设备。
所述储液罐包括多个液体入口与出口，所述液体入口与出口配备有与之对应的蝶阀，所述储液罐的储液腔体为金属折叠框架与柔性水囊组成的柔性囊腔或为金属板材围合而成的长方体储液腔。
所述储砂罐包括至少一个进料口与出料口，所述出料口设置有闸板阀，用于控制支撑剂流出。
所述高压管汇用于连接电动压裂泵液体排出口并形成高压流体汇流通道，所述高压管汇与压裂泵采用由壬连接，所述高压管汇与压裂泵之间配置高压旋塞阀或平板阀。
所述外部电源为电力网络和/或发电机组和/或储能装置，用于为压裂设备提供电源。
所述变配电房包括若干高压开关设备、一台或两台10kv/0.4kv变压器、一套低压开关设备及若干低压连接器，用于向变频电源房及各用电设备供电。
所述变频电源房包括移相变压器、高压变频器、风机、低压辅助设备供电单元、PLC控制单元，用于驱动电动压裂泵。
所述煤层气压裂作业方法包括如下步骤：
S1：储液罐存储压裂作业所需压裂基液，并将压裂基液输送给电动混砂橇；
S2：储砂罐存储压裂作业所需支撑剂，并将支撑剂输送给电动混砂橇；
S3：电动混砂橇将压裂基液与支撑剂均匀混合，并通过低压管汇将混合液输送给电动压裂泵；
S4：电动压裂泵将低压力的压裂液增压后通过高压管汇注入井下破裂地层。
本发明的有益效果：
1、解决传统煤层气压裂作业设备能耗大、噪音大、占地面积大、污染物排放高、长期运维成本高等问题；
2、设备自动化程度高，减轻设备操作人员工作压力，为企业节约人力成本；
3、采用电力供电，电气设备无碳氧化物，清洁环保，同时电动压裂设备较之原柴油装备噪音大幅降低；
4、解决原柴油机组作业模式的燃料运输问题及设备添加燃料需停机的问题，满足煤层气压裂连续作业的发展需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是设备连接示意图；
图2是电源连接示意图；
图3是电源配置方案示意图；
图4是煤层气电动压裂设备布局图；
附图标记说明：
1-变频电源房，2-电动压裂泵，3-高压管汇，4-井口，5-变配电房，6-储砂罐，7-电动混砂橇，8-仪表橇，9-储液罐，10-电源。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
为解决传统煤层气压裂作业设备能耗大、噪音大、占地面积大、污染物排放高、长期运维成本高，原柴油机组作业模式的燃料运输问题及设备添加燃料需停机的问题，满足煤层气压裂连续作业的发展需求，结合当前工艺与装备技术的发展，提出一种应用电力驱动新型电动压裂装备，清洁高效开展煤层气压裂作业的技术方法，达到节能减排、降本增效的目标。
实施例1：
本实施例中，如图1所示，一种煤层气压裂设备及作业方法，所述煤层气压裂设备包括：至少一台电动压裂泵2、电动混砂橇7、仪表橇8、储砂罐6、储液罐9、高低压管汇、变频电源10房、变配电房5；所述储液罐9与所述电动混砂液体吸入口连通，用于存储压裂基液并将所述压裂基液输送给电动混砂橇7；所述储砂罐6与所述电动混砂橇支撑剂入口连通，用于存储压裂支撑剂并将所述压裂支撑剂输送给电动混砂橇7；所述电动混砂橇排出口通过低压管汇与电动压裂泵输入口连接，所述电动压裂泵排出口通过高压管汇3与压裂井口4连接；
需要说明的是，所述电动混砂橇排出口也可直接和电动压裂泵吸入口连接；
如图2所示，所述变配电房5与外部电源10连接，所述变配电房5分别与变频电源房1、储砂罐6、储液罐9、电动混砂橇7、仪表橇8连接，所述变频电源房1连接电动压裂泵2。
所述电动压裂泵2是将低压力的压裂液增压并注入井下破裂地层的机械设备，该设备包含一台主电机，主电机转轴通过联轴器或者齿轮与压裂泵曲轴连接；主电机的额定电压是3.3kV或6kV；该设备包含若干辅助设备电机，用于驱动润滑油泵，散热风机等辅助设备，包含给辅助设备配电的断路器、接触器以及继电控制回路；该设备还包含压裂泵吸入压力、排出压力、电机绕组温度、润滑油压力等传感器；该设备包含一台或多台压裂泵，压裂泵是三缸泵或者五缸泵，压裂泵的额定水马力不低于2500HP。
所述电动混砂橇7是将压裂基液与支撑剂进行均匀混合，并按照设定压力排出的设备，该设备包含两台或多台离心泵，用于给压裂基液与混合液增压；包括两套或多套螺旋输送设备，用于输送支撑剂进入混合罐或混合泵中；包括一台或多台电机，用于直接驱动离心泵、螺旋输送机或驱动液压站进而驱动离心泵与螺旋输送机。
所述仪表橇8是监视和控制煤层气压裂施工过程的设备，仪表橇8与电动压裂泵2、电动混砂橇7、井口压力传感器数据连接，能够实时监视作业过程数据。
所述储液罐9是储存压裂液的设备，该设备包含两个或多个液体入口与出口，液体入口与出口配备有与之对应的蝶阀；该设备的储液腔体是金属折叠框架与柔性水囊组成的柔性囊腔或是金属板材围合而成的长方体储液腔。
所述储砂罐6是存储压裂支撑剂的设备，该设备包含至少一个进料口与出料口，出料口设置有闸板阀，用于开关支撑剂流出。
所述高压管汇3是连接电动压裂泵液体排出口，形成高压流体汇流通道的组件，该组建采用合金钢铸造，零部件之间采用法兰连接，管汇与压裂泵排出管线采用由壬连接，压裂泵排出管线与高压管汇3之间配置高压旋塞阀或平板阀用于控制压裂泵与高压管汇3的连通与断开。
所述外部电源10是为压裂设备提供电源的装置，电源是电力网络或发电机组或储能装置；电源10的输出电压是10kV。
所述变配电房5是用于分配10kV电源向变频电源房1提供10kV高压电源10，并将10kV降压至400V，并向各用电设备供电的设备；该设备包含若干台高压开关设备，一台或两台10kV/0.4kV变压器，一套低压开关设备，若干套低压连接器。
所述变频电源房1包括移相变压器、高压变频器、风机、低压辅助设备供电单元、PLC控制单元，用于驱动电动压裂泵2。
此方案中的电动压裂泵是将低压力的压裂液增压并注入井下破裂地层的机械设备，该设备包含一台主电机，主电机转轴通过联轴器或者齿轮与压裂泵曲轴连接；主电机的额定电压是3.3kV或6kV；该设备包含若干辅助设备电机，用于驱动润滑油泵，散热风机等辅助设备，包含给辅助设备配电的断路器、接触器以及继电控制回路；该设备还包含压裂泵吸入压力、排出压力、电机绕组温度、润滑油压力等传感器。该设备包含一台或多台压裂泵，压裂泵是三缸泵或者五缸泵，压裂泵的额定水马力不低于2500HP。
此方案中的电动混砂橇是将压裂基液与支撑剂进行均匀混合，并按照设定压力排出的设备，该设备包含两台或多台离心泵，用于给压裂基液与混合液增压；包括两套或多套螺旋输送设备，用于输送支撑剂进入混合罐或混合泵中；包括一台或多台电机，用于直接驱动离心泵、螺旋输送机或驱动液压站进而驱动离心泵与螺旋输送机。
此方案中的仪表橇是监视和控制煤层气压裂施工过程的设备，仪表橇与电动压裂泵、电动混砂橇、井口压力传感器数据连接，能够实时监视作业过程数据。
此方案中的储液罐是储存压裂液的设备，该设备包含两个或多个液体入口与出口，液体入口与出口配备有与之对应的蝶阀；该设备的储液腔体是金属折叠框架与柔性水囊组成的柔性囊腔或是金属板材围合而成的长方体储液腔。
此方案中的储砂罐是存储压裂支撑剂的设备，该设备包含至少一个进料口与出料口，出料口设置有闸板阀，用于开关支撑剂流出。
此方案中的高压管汇是连接电动压裂泵液体排出口，形成高压流体汇流通道的组件，该组建采用合金钢铸造，零部件之间采用法兰连接，管汇与压裂泵排出管线采用由壬连接，压裂泵排出管线与高压管汇之间配置高压旋塞阀或平板阀用于控制压裂泵与高压管汇的连通与断开。
此方案中的电源是为压裂设备提供电源的装置，电源是电力网络或发电机组或储能装置。电源的输出电压是10kV。
如图3所示，此方案中的变配电房是用于分配10kV电源向变频电源房提供10kV高压电源，并将10kV降压至400V，并向各用电设备供电的设备。该设备包含若干台高压开关设备，一台或两台10kV/0.4kV变压器，一套低压开关设备，若干套低压连接器。
此方案中的变频电源房是用于驱动电动压裂泵的变频成套设备，该设备包含移相变压器、高压变频器、风机、低压辅助设备供电单元，PLC控制单元。
一种煤层气压裂作业方法，其特征在于，所述煤层气压裂作业方法包括如下步骤：
S1：储液罐9存储压裂作业所需压裂基液，并将压裂基液输送给电动混砂橇7；
S2：储砂罐6存储压裂作业所需支撑剂，并将支撑剂输送给电动混砂橇7；
S3：电动混砂橇7将压裂基液与支撑剂均匀混合，并通过低压管汇将混合液输送给电动压裂泵2；
S4：电动压裂泵2将低压力的压裂液增压后通过高压管汇3注入井下破裂地层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (11)
1.一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述煤层气压裂设备包括：至少一台电动压裂泵（2）、电动混砂橇（7）、仪表橇（8）、储砂罐（6）、储液罐（9）、高低压管汇、变频电源房（1）、变配电房（5）；所述储液罐（9）与所述电动混砂橇液体吸入口连通，用于存储压裂基液并将所述压裂基液输送给电动混砂橇（7）；所述储砂罐（6）与所述电动混砂橇支撑剂输入口连通，用于存储压裂支撑剂并将所述压裂支撑剂输送给电动混砂橇（7）；所述电动混砂橇排出口通过低压管汇与电动压裂泵（2）输入口连接，所述电动压裂泵（2）排出口通过高压管汇（3）与压裂井口（4）连接；所述变配电房（5）与外部电源（10）连接，所述变配电房（5）分别与变频电源（10）房、储砂罐（6）、储液罐（9）、电动混砂橇（7）、仪表橇（8）连接，所述变频电源房（1）连接电动压裂泵（2）。
2.根据权利要求1所述的一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述电动压裂泵（2）包括一台主电机、多台辅助设备电机及传感器：
所述主电机额定电压为3.3KV或6KV，所述主电机转轴通过联轴器或齿轮与压裂泵曲轴连接；
所述辅助设备电机包括断电器、接触器及继控制回路，用于驱动润滑油泵和散热风机；
所述传感器包括压裂泵吸入压力传感器、排出压力传感器、电机绕组温度传感器、润滑油压力传感器。
3.根据权利要求1所述的一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述电动混砂橇（7）包括多台离心泵、多套螺旋输送设备与一台及以上电机：
所述离心泵用于为压裂基液和混合液增压；
所述螺旋输送设备用于将支撑剂输送进入混合罐中；
所述电机用于直接离心泵和螺旋输送机，或通过驱动液压站间接驱动离心泵和螺旋输送机。
4.根据权利要求1所述的一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述仪表橇（8）连接电动压裂泵（2）、电动混砂橇（7）与井口压力传感器，用于监视并控制煤层气压裂施工过程的设备。
5.根据权利要求1所述的一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述储液罐（9）包括多个液体入口与出口，所述液体入口与出口配备有与之对应的蝶阀，所述储液罐（9）的储液腔体为金属折叠框架与柔性水囊组成的柔性囊腔或为金属板材围合而成的长方体储液腔。
6.根据权利要求1所述的一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述储砂罐（6）包括至少一个进料口与出料口，所述出料口设置有闸板阀，用于控制支撑剂流出。
7.根据权利要求1所述的一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述高压管汇（3）用于连接电动压裂泵液体排出口并形成高压流体汇流通道，所述高压管汇（3）与压裂泵采用由壬连接，所述高压管汇（3）与压裂泵（2）之间配置高压旋塞阀或平板阀。
8.根据权利要求1所述的一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述外部电源（10）为电力网络和/或发电机组和/或储能装置，用于为压裂设备提供电源（10）。
9.根据权利要求1所述的一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述变配电房（5）包括若干高压开关设备、一台或两台10kv/0.4kv变压器、一套低压开关设备及若干低压连接器，用于向变频电源房（1）及各用电设备供电。
10.根据权利要求1所述的一种煤层气压裂设备，其特征在于，所述变频电源房（1）包括移相变压器、高压变频器、风机、低压辅助设备供电单元、PLC控制单元，用于驱动电动压裂泵（2）。
11.一种煤层气压裂作业方法，其特征在于，所述煤层气压裂作业方法包括如下步骤：
S1：储液罐（9）存储压裂作业所需压裂基液，并将压裂基液输送给电动混砂橇（7）；
S2：储砂罐（6）存储压裂作业所需支撑剂，并将支撑剂输送给电动混砂橇（7）；
S3：电动混砂橇（7）将压裂基液与支撑剂均匀混合，并通过低压管汇将混合液输送给电动压裂泵（2）；
S4：电动压裂泵（2）将低压力的压裂液增压后通过高压管汇（3）注入井下破裂地层。
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