CN114109339A - 一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，包括运送车、支撑剂储存罐、泡沫反应积累仓、液态氯化氢储存罐、中央控制系统和碳酸氢钠送料仓；泡沫反应积累仓包括右边的泡沫反应区、左边的泡沫积累区，物料压力泵、压力检测器、高压液泵均与中央控制系统通过线路连接。本发明还公开一种二氧化碳快速自动化发泡压裂方法，包括以下步骤：步骤A、将运送车行驶至施工现场；步骤B、打开进料阀门；步骤C、启动中央控制系统；步骤D、通过中央控制系统开启物料压力泵；步骤E、打开压裂阀门；步骤F、开启支撑剂喷射泵；步骤G、中央控制系统调节泡沫泵入流量。具有发泡迅速理想、环保无污染、效率高、装备移动便捷等特点。

Description

一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备及方法

技术领域

本发明涉及煤层压裂技术，具体涉及一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备及方法。

背景技术

我国煤层气资源丰富，其储量位居世界第三，但大多数的煤层气藏存在低渗透的特点，使得开采利用率低，如果不采用增产工艺投产，其不具备足够的经济开采价值；为了实现井筒与煤层中的天然裂缝连通，获得更好的开采效果，常规技术采用水力压裂的方式进行煤层压裂，通过提高井筒与煤层天然裂缝的连通性，构建出裂隙网络体系，增加气体解吸速率，实现煤层气的增产，传统水力压裂存在大量消耗水资源以及对地下水二次污染严重的问题。

泡沫压裂技术是新兴的通过气液两相介质实现压裂增透的技术，该技术通过泡沫液体代替水基液体，能够有效降低耗水量，同时泡沫压裂液具有滤失性小、返排快等特点，对水敏性煤层伤害小，更适合于低渗透煤层。但是，泡沫压裂技术现场工艺步骤复杂，提前构建泡沫配制场所以及配制泡沫时需要不断更换罐体，使得施工效率较低；在地面预先制备泡沫时需要进行不停搅拌，发泡速度慢，容易受到周围环境的限制，使其发泡不均、影响其半衰期，而且泡沫制备后在进入井筒的过程中会产生一定损耗，对压裂效果产生影响；无法快速、稳定、均匀发泡，压裂效果不理想，就无法实现煤层气的有效增产。

发明内容

本发明旨在提供一种能高效快速、稳定、均匀发泡的二氧化碳快速自动化发泡压裂装备及方法，解决因为工艺步骤复杂、环境要求高导致施工效率低、发泡不理想从而影响压裂效果的问题。

为此，本发明所采用的技术方案为，一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，包括运送车，还包括位于运送车车厢且从左往右设置的支撑剂储存罐、泡沫反应积累仓、液态氯化氢储存罐、中央控制系统和位于泡沫反应积累仓上方的碳酸氢钠送料仓，所述碳酸氢钠送料仓包括储存碳酸氢钠的料仓、出料高压管道，料仓顶端设有进料阀门和进气管道，料仓与出料高压管道之间通过物料压力泵连接；所述泡沫反应积累仓包括右边的泡沫反应区、左边的泡沫积累区，泡沫反应区、泡沫积累区通过耐酸隔板隔离，泡沫反应区内安装有旋转喷射管，泡沫反应积累仓右壁上方设有压力检测器，出料高压管道中下段插入旋转喷射管内，旋转喷射管的底部设有延伸至泡沫反应区外的进液端，进液端与液态氯化氢储存罐通过高压管道连接且高压管道上设有高压液泵，旋转喷射管的内腔设有与出料高压管道上的出料口对应的喷头，泡沫积累区的设有泡沫筛板，泡沫积累区底部的出液端与深入煤层井筒内的压裂管连接，支撑剂储存罐安装有支撑剂喷射泵且喷射端延伸至泡沫积累区；物料压力泵、压力检测器、高压液泵均与中央控制系统通过线路连接。

作为上述方案的优选，所述物料压力泵设有数据显示屏，能够显示运行状态数据，受中央控制系统控制，自动增加或减少碳酸氢钠粉末的进入量，方便快捷，省时省力；出料高压管道上的出料口位于管道中下部且沿着管道呈均匀间隔排列，耐酸隔板竖直居中安置于泡沫反应积累仓底部，将泡沫反应积累仓一分为二；耐酸隔板的高度为泡沫反应积累仓高度的2/3，留有供泡沫反应区产生的泡沫从上方跨过耐酸隔板进入泡沫积累区的空隙，采用耐酸隔板将泡沫和混合液有效隔开，结合泡沫轻浮的特性，上方留有足够的空隙容泡沫经过；泡沫积累区底部的出液端与深入煤层井筒内的压裂管连接处设有用于开关的压裂阀门，操作便利。

进一步优选为，所述泡沫反应区底部设有加热线圈板，通过提升温度使混合液反应更充分，减少溶剂浪费，节省资源；泡沫反应积累仓右壁中部处设有液位检测器，实时了解泡沫反应区的混合液容量，避免混合液过多漫过耐酸隔板进入泡沫积累区，液位检测器、加热线圈板与中央控制系统线路连接，自动控制，省时省力。

进一步优选为，所述泡沫筛板采用不锈钢钢板制成，杜绝腐蚀带来的影响，可卸载水平安装在泡沫积累区内，可随时根据需求更换泡沫筛板；泡沫筛板距离泡沫积累区底端高度大于支撑剂喷射泵的喷射端，不锈钢板表面设有大小一致的通孔，配备有不同通孔直径的不锈钢板作为泡沫筛板根据需求更换，适配性强。

进一步优选为，所述旋转喷射管内部中空，使液态氯化氢储存罐内的混合物沿着进液端进入旋转喷射管后从喷头出料与出料高压管道出料口的碳酸氢钠粉末充分混合反应，旋转喷射管底部安装有提供旋转动力的旋转电机、内腔设有搅拌氯化氢溶液的扇叶，旋转喷射管旋转时使碳酸氢钠粉末及氯化氢溶液充分混合。

进一步优选为，所述加热线圈板采用石墨涂层，耐酸性强，加热更加均匀；耐酸隔板采用镍铬合金制成且外层涂有高分子陶瓷聚合物，液位检测器采用镍铬合金制成，具有高强度和抗腐蚀性；压力检测器外壳采用钛合金制成且外表面涂有高分子复合树脂，强度高、耐蚀性好、耐热性高；泡沫反应积累仓采用钛钼镍合金制成且内壁涂有改性复合交联树脂，液态氯化氢储存罐采用玻璃钢制成，具有质量轻，强度大的特点。

进一步优选为，所述支撑剂储存罐内储存有丙烯酸聚合物作为增稠剂和由高耐蚀有机聚合物树脂覆膜的陶粒作为支撑剂，具有耐高温、耐高压、耐腐蚀、高强度、高导流能力、低密度、低破碎率等特点。

本发明还提供一种二氧化碳快速自动化发泡压裂方法，包括以下步骤：

步骤A、采用权利要求1—6任一所述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，将运送车行驶至施工现场，将压裂管和压力检测器安置在煤层井筒内后，将压裂管与压裂阀门连接；

步骤B、打开进料阀门，将碳酸氢钠粉末投放于料仓后，向液态氯化氢储存罐注入氯化氢溶液、丙烯酸聚合物和水，再向支撑剂储存罐放入支撑剂；

步骤C、根据前期探测煤层结果在中央控制系统6设定好液态氯化氢混合液注入量预设值，启动中央控制系统，通过高压液泵，将预设好的液态氯化氢储存罐内混合溶液量传送进旋转喷射管内；

步骤D、通过中央控制系统开启物料压力泵，碳酸氢钠粉末从料仓进入出料高压管道，启动加热线圈板，升高温度促进反应的进行；

步骤E、打开压裂阀门，开启旋转喷射管的底部的旋转电机，带动旋转喷射管旋转使来自液态氯化氢储存罐的混合溶液和碳酸氢钠粉末搅拌均匀充分，产生更多泡沫后，通过耐酸隔板使只有泡沫能从上方进入泡沫积累区，泡沫经过泡沫筛板过滤后剩下符合标准的泡沫通过压裂管进入煤层井筒对煤层进行压裂；

步骤F、开启支撑剂喷射泵，将支撑剂喷射入泡沫积累区；

步骤G、压力检测器实时监测泡沫反应室内部压力变化并将监测的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，自动调节物料压力泵，使其增加、减小注入量，实现泡沫泵入流量的调节。

作为上述方案的优选，所述步骤B中液态氯化氢储存罐内的氯化氢溶液浓度为36～38％wt，丙烯酸聚合物浓度为1.0～1.5％wt，余量为水，支撑剂储存罐放入20～40目陶粒作为支撑剂的同时还放入丙烯酸聚合物作为增稠剂，在酸性条件下聚合速率快，促进溶液粘度的增加，提高泡沫半衰期。

本发明的有益效果：

(1)根据反应式NaHCO₃+HCl＝NaCl+H₂O+CO₂，将碳酸氢钠粉末与氯化氢溶液进行混合反应，反应强烈，发泡迅速，反应后产生的氯化钠作为粘土稳定剂，能够有效避免煤层中的粘土矿物发生膨胀，对地层造成伤害。

(2)旋转喷射管的内腔设有与出料高压管道上的出料口对应的喷头，使氯化氢溶液与碳酸氢钠粉末反应发生的更迅速，发泡理想，效率高。

(3)物料压力泵、压力检测器、高压液泵均与中央控制系统通过线路连接，可以通过中央控制系统控制高压液泵输入定量液态氯化氢混合液，可以通过中央控制系统控制物料压力泵自动调节料仓的供给量，有效提高工作效率；当压力检测器检测到压力超标时，中央控制系统自动控制物料压力泵降低喷气动力，有效降低给料速度，使碳酸氢钠粉末注入量减小，化学反应减缓，泡沫生成量减小，实现负反馈；当压力检测器检测到压力过低时，中央控制系统自动控制物料压力泵增强喷气动力，有效提高给料速度，使碳酸氢钠粉末注入量增大，化学反应加速，泡沫生成量增加，实现正反馈。

(4)泡沫积累区的设有泡沫筛板，方便将不符合标准的大直径气泡过滤掉，只留下符合标准的小直径气泡进入井筒，使气泡压裂效果更好，稳定性强。

(5)只需要开车将装备移动到井筒上方，将压裂管和压力检测器安置在煤层井筒内后，将压裂管与压裂阀门连接，就能进行二氧化碳自动化发泡压裂，移动方便，易操作。

(6)支撑剂储存罐安装有支撑剂喷射泵且喷射端延伸至泡沫积累区，使其紧挨井筒，支撑剂可以直接快速从泡沫积累区的出液端进入井筒，充填在岩层裂隙中，起到支撑裂隙不因应力释放而闭合的作用。

综上所述，具有发泡迅速理想、环保无污染、效率高、装备移动便捷等特点，是一种综合性强的二氧化碳快速自动化发泡压裂装备及方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1所示，一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，由运送车5、位于运送车5车厢且从左往右设置的支撑剂储存罐3、泡沫反应积累仓2、液态氯化氢储存罐4、中央控制系统6和位于泡沫反应积累仓2上方的碳酸氢钠送料仓1组成。

碳酸氢钠送料仓1由储存碳酸氢钠的料仓11、出料高压管道12组成。

料仓11顶端设有进料阀门111和进气管道112，料仓11与出料高压管道12之间通过物料压力泵13连接。

出料高压管道12上的出料口位于管道中下部且沿着管道呈均匀间隔排列，物料压力泵13设有数据显示屏

泡沫反应积累仓2由右边的泡沫反应区24、左边的泡沫积累区23组成。

耐酸隔板22竖直居中安置于泡沫反应积累仓2底部，泡沫反应区24、泡沫积累区23通过耐酸隔板22隔离，耐酸隔板22的高度为泡沫反应积累仓2高度的2/3，留有供泡沫反应区24产生的泡沫从上方跨过耐酸隔板22进入泡沫积累区23的空隙。

泡沫反应积累仓2右壁中部处设有液位检测器26。

泡沫积累区23的设有泡沫筛板231，泡沫筛板231采用不锈钢钢板制成，可卸载水平安装在泡沫积累区23内，泡沫筛板231距离泡沫积累区23底端高度大于支撑剂喷射泵31的喷射端，不锈钢板表面设有大小一致的通孔，配备有不同通孔直径的不锈钢板作为泡沫筛板根据需求更换。

泡沫积累区23底部的出液端与深入煤层井筒内的压裂管24连接，支撑剂储存罐3安装有支撑剂喷射泵31且喷射端延伸至泡沫积累区23。

泡沫积累区23底部的出液端与深入煤层井筒内的压裂管24连接处设有用于开关的压裂阀门232。

泡沫反应区24底部设有加热线圈板241，泡沫反应区24内安装有旋转喷射管21，旋转喷射管21内部中空，使液态氯化氢储存罐4内的混合物沿着进液端211进入旋转喷射管21后从喷头出料与出料高压管道12出料口的碳酸氢钠粉末充分混合反应，旋转喷射管21底部安装有旋转电机、内腔设有扇叶。

泡沫反应积累仓2右壁上方设有压力检测器25，出料高压管道12中下段插入旋转喷射管21内，旋转喷射管21的底部设有延伸至泡沫反应区24外的进液端211，进液端211与液态氯化氢储存罐4通过高压管道连接且高压管道上设有高压液泵41，旋转喷射管21的内腔设有与出料高压管道12上的出料口对应的喷头。

液位检测器26、加热线圈板241、物料压力泵13、压力检测器25、高压液泵41均与中央控制系统6通过线路连接。

加热线圈板241采用石墨涂层，耐酸隔板22采用镍铬合金制成且外层涂有高分子陶瓷聚合物，液位检测器26采用镍铬合金制成，压力检测器25外壳采用钛合金制成且外表面涂有高分子复合树脂，泡沫反应积累仓2采用钛钼镍合金制成且内壁涂有改性复合交联树脂，液态氯化氢储存罐4采用玻璃钢制成。

支撑剂储存罐3内储存有丙烯酸聚合物作为增稠剂和由高耐蚀有机聚合物树脂覆膜的陶粒作为支撑剂。

一种二氧化碳快速自动化发泡压裂方法，具体操作步骤如下：

步骤A、采用上述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，将运送车5行驶至施工现场，将压裂管24和压力检测器25安置在煤层井筒内后，将压裂管24与压裂阀门232连接。

步骤B、打开进料阀门111，将碳酸氢钠粉末投放于料仓11后，向液态氯化氢储存罐4注入氯化氢溶液、丙烯酸聚合物和水，再向支撑剂储存罐3放入支撑剂。

步骤B中液态氯化氢储存罐4内的氯化氢溶液浓度为36～38％wt，丙烯酸聚合物浓度为1.0～1.5％wt，余量为水，支撑剂储存罐3放入20～40目陶粒作为支撑剂的同时还放入丙烯酸聚合物作为增稠剂。

步骤C、根据前期探测煤层结果在中央控制系统6设定好液态氯化氢混合液注入量预设值，启动中央控制系统6，通过高压液泵41，将预设好的液态氯化氢储存罐4内混合溶液量传送进旋转喷射管21内。

步骤D、通过中央控制系统6开启物料压力泵13，碳酸氢钠粉末从料仓11进入出料高压管道12，启动加热线圈板241，升高温度促进反应的进行。

步骤E、打开压裂阀门232，开启旋转喷射管21的底部的旋转电机，带动旋转喷射管21旋转使来自液态氯化氢储存罐4的混合溶液和碳酸氢钠粉末搅拌均匀充分，产生更多泡沫后，通过耐酸隔板22使只有泡沫能从上方进入泡沫积累区23，泡沫经过泡沫筛板231过滤后剩下符合标准的泡沫通过压裂管24进入煤层井筒对煤层进行压裂产生裂缝。

步骤F、开启支撑剂喷射泵31，将支撑剂喷射入泡沫积累区23，支撑剂顺着压裂管进入井筒裂缝并充填在岩层裂隙中。

步骤G、压力检测器25实时监测泡沫反应室内部压力变化并将监测的压力数据实时传递到中央控制系统6，中央控制系统6根据压力变化，自动调节物料压力泵13，使其增加、减小注入量，实现泡沫泵入流量的调节。

能通过智能调节碳酸氢钠的量，实现反应的加快和减慢，首先需要人为输入系统一个氯化氢混合液注入量的预设值，这个预设值根据前期探测煤层来确定，且预设值相对较大，之后这个氯化氢混合液预设值作为一个定值，后面反应的加速和减慢就依靠碳酸氢钠的加入量来实现智能调节。

Claims (9)

1.一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，包括运送车(5)，其特征在于：还包括位于运送车(5)车厢且从左往右设置的支撑剂储存罐(3)、泡沫反应积累仓(2)、液态氯化氢储存罐(4)、中央控制系统(6)和位于泡沫反应积累仓(2)上方的碳酸氢钠送料仓(1)，所述碳酸氢钠送料仓(1)包括储存碳酸氢钠的料仓(11)、出料高压管道(12)，料仓(11)顶端设有进料阀门(111)和进气管道(112)，料仓(11)与出料高压管道(12)之间通过物料压力泵(13)连接；所述泡沫反应积累仓(2)包括右边的泡沫反应区(24)、左边的泡沫积累区(23)，泡沫反应区(24)、泡沫积累区(23)通过耐酸隔板(22)隔开并顶部相通，泡沫反应区(24)内安装有旋转喷射管(21)，泡沫反应积累仓(2)右壁上方设有压力检测器(25)，出料高压管道(12)中下段插入旋转喷射管(21)内，旋转喷射管(21)的底部设有延伸至泡沫反应区(24)外的进液端(211)，进液端(211)与液态氯化氢储存罐(4)通过高压管道连接且高压管道上设有高压液泵(41)，旋转喷射管(21)的内腔设有与出料高压管道(12)上的出料口对应的喷头，泡沫积累区(23)的设有泡沫筛板(231)，泡沫积累区(23)底部的出液端与深入煤层井筒内的压裂管(24)连接，支撑剂储存罐(3)安装有支撑剂喷射泵(31)且喷射端延伸至泡沫积累区(23)；物料压力泵(13)、压力检测器(25)、高压液泵(41)均与中央控制系统(6)通过线路连接。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，其特征在于：所述物料压力泵(13)设有数据显示屏，出料高压管道(12)上的出料口位于管道中下部且沿着管道呈均匀间隔排列，耐酸隔板(22)竖直居中安置于泡沫反应积累仓(2)内，耐酸隔板(22)的高度为泡沫反应积累仓(2)高度的2/3，留有供泡沫反应区(24)产生的泡沫从上方跨过耐酸隔板(22)进入泡沫积累区(23)的空隙，泡沫积累区(23)底部的出液端与深入煤层井筒内的压裂管(24)连接处设有用于开关的压裂阀门(232)。

3.根据权利要求2所述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，其特征在于：所述泡沫反应区(24)底部设有加热线圈板(241)，泡沫反应积累仓(2)右壁中部处设有液位检测器(26)，液位检测器(26)、加热线圈板(241)与中央控制系统(6)线路连接。

4.根据权利要求3所述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，其特征在于：所述泡沫筛板(231)采用不锈钢钢板制成，可卸载水平安装在泡沫积累区(23)内，泡沫筛板(231)距离泡沫积累区(23)底端高度大于支撑剂喷射泵(31)的喷射端，不锈钢板表面设有大小一致的通孔，配备有不同通孔直径的不锈钢板作为泡沫筛板(231)根据需求更换。

5.根据权利要求3所述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，其特征在于：所述旋转喷射管(21)内部中空，使液态氯化氢储存罐(4)内的混合物沿着进液端(211)进入旋转喷射管(21)后从喷头出料与出料高压管道(12)出料口的碳酸氢钠粉末充分混合反应，旋转喷射管(21)底部安装有旋转电机、内腔设有扇叶。

6.根据权利要求3所述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，其特征在于：所述加热线圈板(241)采用石墨涂层，耐酸隔板(22)采用镍铬合金制成且外层涂有高分子陶瓷聚合物，液位检测器(26)采用镍铬合金制成，压力检测器(25)外壳采用钛合金制成且外表面涂有高分子复合树脂，泡沫反应积累仓(2)采用钛钼镍合金制成且内壁涂有改性复合交联树脂，液态氯化氢储存罐(4)采用玻璃钢制成。

7.根据权利要求3所述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，其特征在于：所述支撑剂储存罐(3)内储存有丙烯酸聚合物作为增稠剂和由高耐蚀有机聚合物树脂覆膜的陶粒作为支撑剂。

8.一种二氧化碳快速自动化发泡压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、采用权利要求3—7任一所述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂装备，将运送车(5)行驶至施工现场，将压裂管(24)和压力检测器(25)安置在煤层井筒内后，将压裂管(24)与压裂阀门(232)连接；

步骤B、打开进料阀门(111)，将碳酸氢钠粉末投放于料仓(11)后，向液态氯化氢储存罐(4)注入氯化氢溶液、丙烯酸聚合物和水，再向支撑剂储存罐(3)放入支撑剂；

步骤C、根据前期探测煤层结果在中央控制系统(6)设定好液态氯化氢混合液注入量预设值，启动中央控制系统(6)，通过高压液泵(41)，将预设好的液态氯化氢储存罐(4)内混合溶液量传送进旋转喷射管(21)内；

步骤D、通过中央控制系统(6)开启物料压力泵(13)，碳酸氢钠粉末从料仓(11)进入出料高压管道(12)，启动加热线圈板(241)，升高温度促进反应的进行；

步骤E、打开压裂阀门(232)，开启旋转喷射管(21)的底部的旋转电机，带动旋转喷射管(21)旋转使来自液态氯化氢储存罐(4)的混合溶液和碳酸氢钠粉末搅拌均匀充分，产生更多泡沫后，通过耐酸隔板(22)使只有泡沫能从上方进入泡沫积累区(23)，泡沫经过泡沫筛板(231)过滤后剩下符合标准的泡沫通过压裂管(24)进入煤层井筒对煤层进行压裂；

步骤F、开启支撑剂喷射泵(31)，将支撑剂喷射入泡沫积累区(23)；

步骤G、压力检测器(25)实时监测泡沫反应室内部压力变化并将监测的压力数据实时传递到中央控制系统(6)，中央控制系统(6)根据压力变化，自动调节物料压力泵(13)，使其增加、减小注入量，实现泡沫泵入流量的调节。

9.根据权利要求8所述的一种二氧化碳快速自动化发泡压裂方法，其特征在于：所述步骤B中液态氯化氢储存罐(4)内的氯化氢溶液浓度为36～38％wt，丙烯酸聚合物浓度为1.0～1.5％wt，余量为水，支撑剂储存罐(3)放入20～40目陶粒作为支撑剂的同时还放入丙烯酸聚合物作为增稠剂。

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