CN114575785A - 油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，包括壳体和加热机构，所述加热机构包括预热组件和加热组件；所述预热组件包括隔离筒I，所述隔离筒I同轴设置在壳体内，隔离筒I外壁与壳体内壁之间的环形腔室作为预热腔；所述加热组件包括转轴、换向挡板和电加热件；所述转轴通过连接件可转动安装在壳体内，且转轴的轴线与壳体的轴线重合；多个换向挡板沿转轴周向分布，换向挡板表面用于铺设电加热元件；换向挡板远离转轴的一端延伸设置电加热件；电加热件的加热温度低于电加热元件的加热温度。本发明主要构思是通过增加加热装置内CO₂流体的扰动，以提高加热效率。

Description

油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置

技术领域

本发明涉及油气增产设备技术领域，具体涉及一种油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置。

背景技术

从CO₂流体的相态图中可以看出，当温度达到31.3℃、压力超过7.39MPa时，CO₂流体便处于超临界状态。超临界CO₂流体既不同于液体，也不同于气体，具有许多独特的物理化学性质。超临界CO₂的密度接近于液体，黏度接近于气体，而且扩散系数较高、表面张力接近于零，具有很强的渗透能力以及良好的传热、传质性能。利用超临界CO₂流体对储层进行压裂改造能够避免传统压裂液所带来的一系列问题。

采用超临界CO₂流体对储层进行压裂过程中，按照工艺流程，一般包括存储设备、压裂泵车和加热装置，一般经加热装置后输出液态CO₂流体到达井口用于压裂。对于加热装置，往往需要较高的加热效率，以使流经的液态CO₂流体快速达到预定温度，为了提高加热装置的加热效率以符合当前工艺需求，通常的做法是增加串联管路上加热装置的数量，即从压裂泵车输出的CO₂流体需依次经两个或以上的加热装置加热后再输出用于压裂。这种做法增加了管路改装工序、且占地面积较大，操作繁琐。

发明内容

基于上述技术背景，本发明提供了解决上述问题的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，利于提高加热装置的加热效率。

本发明通过下述技术方案实现：

油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，包括壳体和加热机构，所述加热机构包括预热组件和加热组件；所述预热组件包括隔离筒I，所述隔离筒I同轴设置在壳体内，隔离筒I外壁与壳体内壁之间的环形腔室作为预热腔；所述加热组件包括转轴、换向挡板和电加热件；所述转轴通过连接件可转动安装在壳体内，且转轴的轴线与壳体的轴线重合；多个换向挡板沿转轴周向分布，换向挡板表面用于铺设电加热元件；换向挡板远离转轴的一端延伸设置电加热件；电加热件的加热温度低于电加热元件的加热温度。

本发明提供的一种油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，主要构思是通过增加加热装置内CO₂流体的扰动，以提高加热效率。主要通过两种途径同步实现增加扰动：（1）通过梯度温度热源，增加流体对流效果，以提高加热效率。本实施例设计了三个梯度的热源，按照温度由低到高的顺序分别是：预热腔、换向挡板上的电加热元件和电加热件，即从壳体1的中心沿径向向外，热源温度逐渐降低，从而形成一定温度梯度，促进壳体内流通对流扰动，增加加热效果。（2）通过机械扰动，以提高加热效率。CO₂流体在预热腔内做短暂的停留，经壳体内部热源热辐射和流体换热初步预热后以一定流速进入壳体内部，对正对的换向挡板产生冲击作用，在流体的冲击作用力下，换向挡板推动转轴转动运动，无需外部提供专门的动力，一方面可以实现改变流体流动方向；另一方面可以推动转轴转动，此时换向挡板、电加热件同步转动，对壳体内的流体起到机械扰动作用，更进一步增大扰动效果，提高流体分子间的运动和换热效率；同时电加热件作为热源不断转动，可以增加与CO₂流体接触的机会，提高加热效率。

进一步说明，所述预热组件上设有入口和出口；入口与设置在壳体上的进气接口连通；出口的口径小于预热腔的内径。

进一步说明，所述出口的输出气流的方向朝向相邻两个换向挡板之间。

进一步说明，多个换向挡板沿转轴周向等间距均匀分布。

进一步说明，所述转轴的一端与壳体内底部转动连接；壳体内顶部设置隔架，转轴的一另端与隔架转动连接。

进一步说明，每个换向挡板对应多个电加热件，第一个电加热件安装在换向挡板的侧壁上，其余电加热件依次相邻接向远离转轴的方向延伸，且相邻电加热件之间可拆卸连接。

进一步说明，所述电加热件包括上支撑、下支撑和电加热器；上支撑和下支撑上下平行布置，电加热器的轴向两端分别与上支撑和下支撑连接；任一电加热件的上支撑与相邻电加热件的上支撑可拆卸连接；任一电加热件的下支撑与相邻电加热件的下支撑可拆卸连接。

进一步说明，所述上支撑采用短管结构，短管结构的轴向一端同轴设置母接头，用于与靠近转轴侧相邻上支撑的公接头适配；短管结构的轴向另一端同轴设置公接头、用于与远离转轴侧相邻上支撑的母接头适配；所述母接头的内径大于短管结构的内径、外径等于短管结构的外径；公接头的内径等于短管结构的内径、外径小于短管结构的外径；所述下支撑的结构与上支撑的结构相同。

进一步说明，还包括输出组件，所述输出组件包括隔离筒II，所述隔离筒II同轴设置在壳体内，隔离筒II外壁与壳体内壁之间的环形腔室作为混合腔；进入加热装置内的流体，依次经预热组件、加热组件和输出组件输出。

进一步说明，所述输出组件上设置入口和出口，入口与壳体内部腔室连通，出口与设置在壳体上的输出接头连通。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、发明提供的一种油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，主要构思是通过增加加热装置内CO2流体的扰动，以提高加热效率。主要通过两种途径同步实现增加扰动：（1）设计梯度温度热源；（2）通过非动力机械扰动（无需提供外部动力），以提高加热效率。

2、发明提供的一种油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，加热组件中，主要的加热热源“电机热件”结构简单，可快速组装使用，基于实际加热需求，增加或减少电加热件的组装数量，结构简单，操作方便；电加热件作为热源不断转动，可以增加与CO₂流体接触的机会，提高加热效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的加热装置的正视结构示意图。

图2为本发明的加热装置的轴向截面结构示意图。

图3为本发明的加热装置的径向截面结构示意图。

图4为本发明的电加热件装配结构示意图。

图5为图4的轴向截面结构示意图。

图6为本发明的电加热件轴向截面结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-壳体，2-预热组件，3-加热组件，4-进气接口，5-隔架，6-输出组件，7-输出接头，8-安装基座，9-密封盖。

21-隔离筒I，22-预热腔，23-出口。

31-转轴，32-换向挡板，33-电加热件。

331-上支撑，332-下支撑，333-电加热器。

61-隔离筒II，62-混合腔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

本实施例提供了一种油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，如图1和图2所示，包括壳体1和加热机构，加热机构包括预热组件2和加热组件3，壳体1采用耐压圆筒结构。

预热组件2包括隔离筒I21，隔离筒I21采用耐压圆筒结构，隔离筒I21同轴设置在壳体1内，隔离筒I21外壁与壳体1内壁之间的环形腔室作为预热腔22。

加热组件3包括转轴31、换向挡板32和电加热件33；转轴31通过连接件可转动安装在壳体1内，且转轴31的轴线与壳体1的轴线重合；多个换向挡板32沿转轴31周向等间距均匀分布，换向挡板32表面用于铺设电加热元件；换向挡板32远离转轴31的一端延伸设置电加热件33；换向挡板32和电加热件33随转轴31同步转动。电加热件33的加热温度低于电加热元件的加热温度。

为了提高加热装置的加热效率以符合当前工艺需求，通常的做法是增加串联管路上加热装置的数量，即从压裂泵车输出的CO₂流体需依次经两个或以上的加热装置加热后再输出用于压裂。这种做法增加了管路改装工序、且占地面积较大，操作繁琐。此外，对于加热装置，为了提高加热效率，还可通过改变流体流向、延长流体流通路径等构思提高加热效果，使输出温度到达预定范围内。

本实施例的构思主要通过增加加热装置内CO₂流体的扰动，以提高加热效率。主要通过两种途径同步实现增加扰动：（1）通过梯度温度热源，增加流体对流效果，以提高加热效率。本实施例设计了三个梯度的热源，按照温度由低到高的顺序分别是：预热腔、换向挡板32上的电加热元件和电加热件33，即从壳体1的中心沿径向向外，热源温度逐渐降低，从而形成一定温度梯度，促进壳体1内流通对流扰动，增加加热效果。（2）通过机械扰动，以提高加热效率。CO₂流体在预热腔22内做短暂的停留，经壳体1内部热源热辐射和流体换热初步预热后以一定流速进入壳体1内部，对正对的换向挡板32产生冲击作用，在流体的冲击作用力下，换向挡板32推动转轴31转动运动，无需外部提供专门的动力，一方面可以实现改变流体流动方向；另一方面可以推动转轴31转动，此时换向挡板32、电加热件33同步转动，对壳体1内的流体起到机械扰动作用，更进一步增大扰动效果，提高流体分子间的运动和换热效率；同时电加热件33作为热源不断转动，可以增加与CO₂流体接触的机会，提高加热效率。

实施例2

本实施例提供了一种油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，如图2和图3所示，在实施例1的基础上进一步改进，所述预热组件2上设有入口和出口23；入口与设置在壳体1上的进气接口4连通；出口23的口径小于预热腔22的内径。出口23的输出气流的方向朝向相邻两个换向挡板32之间，最好是输出气流的方向朝向相邻两个换向挡板32之间，且偏向某一个换向挡板32。

经压裂泵车加压出来的CO₂流体通过管路经进气接口4进入预热腔22内，在预热腔22内被初步预热，而后通过出口23进入壳体1内。设计出口23的口径小于预热腔22的内径，主要是基于文丘里射流原理，为了通过减小CO₂流体流体内径，增大输出CO₂流体的流速，使进入壳体1内的流体具有一定速度，对换向挡板32起到移动冲击作用力，带动其转动。

实施例3

本实施例提供了一种油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，如图3所示，在实施例2的基础上进一步改进，多个换向挡板32沿转轴31周向等间距均匀分布。每个换向挡板32对应多个电加热件33，第一个电加热件33安装在换向挡板32的侧壁上，其余电加热件33依次相邻接向远离转轴31的方向延伸，且相邻电加热件33之间可拆卸连接。对于每个电加热件33结构相同，如图4、图5、图6所示，采用如下设计：电加热件33包括上支撑331、下支撑332和电加热器333；

上支撑331和下支撑332上下平行布置，电加热器333的轴向两端分别与上支撑331和下支撑332连接；任一电加热件33的上支撑331与相邻电加热件33的上支撑331可拆卸连接；任一电加热件33的下支撑332与相邻电加热件33的下支撑332可拆卸连接。

上支撑331采用短管结构，短管结构的轴向一端同轴设置母接头，用于与靠近转轴31侧相邻上支撑331的公接头适配；短管结构的轴向另一端同轴设置公接头、用于与远离转轴31侧相邻上支撑331的母接头适配；母接头的内径大于短管结构的内径、外径等于短管结构的外径；公接头的内径等于短管结构的内径、外径小于短管结构的外径；可通过预先在母接头上开设圆形通孔或腰孔，在公接头上开设螺纹孔，通过螺钉穿过圆形通孔或腰孔后旋入螺纹孔内，实现公接头和母接头加固可拆卸连接。下支撑332的结构与上支撑331的结构相同，相邻下支撑332之间的连接结构如上所述。

本实施例可基于实际加热需求，增加或减少电加热件33的数量，结构简单，操作方便。即可从加热装置壳体1内部的热原本申请进行调节。

转轴31的一端与壳体1内底部通过轴承转动连接；壳体1内顶部设置隔架5，转轴31的一另端与隔架5通过轴承转动连接，且在转轴31端部设置调节器，以调节转轴31转动的摩擦阻力大小。对于实施例1所指的连接件，即指壳体1内底部轴承、隔架5以及隔架5上的轴承等零部件的组合。对于调节器的结构设计，调节器采用端帽结构，端帽套设在转轴31伸出隔架5的一端，端帽底端面可设置若干凸块，嵌入隔架5上端面设置的凹槽，以限制端帽转动；端帽内壁与转轴31外壁之间填充较多或较少的阻力材料，如橡胶或纤维棉等材料，以增大或减小转轴31的摩擦阻力，进一步实现对进入壳体1内的CO₂流体的环向或扰动作用的调节。

实施例4

本实施例提供了一种油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，在实施例3的基础上进一步改进，还包括输出组件6，输出组件6包括隔离筒II61，隔离筒II61同轴设置在壳体1内，隔离筒II61外壁与壳体1内壁之间的环形腔室作为混合腔62；进入加热装置内的流体，依次经预热组件2、加热组件3和输出组件6输出。输出组件6上设置入口和出口，入口与壳体1内部腔室连通，出口与设置在壳体1上的输出接头7连通。

优选设计隔离筒I21和隔离筒II61内外径相等，预热腔22和混合腔62相互独立、互不连通。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，包括壳体（1）和加热机构，其特征在于，所述加热机构包括预热组件（2）和加热组件（3）；

所述预热组件（2）包括隔离筒I（21），所述隔离筒I（21）同轴设置在壳体（1）内，隔离筒I（21）外壁与壳体（1）内壁之间的环形腔室作为预热腔（22）；

所述加热组件（3）包括转轴（31）、换向挡板（32）和电加热件（33）；所述转轴（31）通过连接件可转动安装在壳体（1）内，且转轴（31）的轴线与壳体（1）的轴线重合；多个换向挡板（32）沿转轴（31）周向分布，换向挡板（32）表面用于铺设电加热元件；换向挡板（32）远离转轴（31）的一端延伸设置电加热件（33）；电加热件（33）的加热温度低于电加热元件的加热温度。

2.根据权利要求1所述的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，其特征在于，所述预热组件（2）上设有入口和出口（23）；入口与设置在壳体（1）上的进气接口（4）连通；出口（23）的口径小于预热腔（22）的内径。

3.根据权利要求2所述的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，其特征在于，所述出口（23）的输出气流的方向朝向相邻两个换向挡板（32）之间。

4.根据权利要求1所述的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，其特征在于，多个换向挡板（32）沿转轴（31）周向等间距均匀分布。

5.根据权利要求1所述的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，其特征在于，所述转轴（31）的一端与壳体（1）内底部转动连接；壳体（1）内顶部设置隔架（5），转轴（31）的一另端与隔架（5）转动连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，其特征在于，每个换向挡板（32）对应多个电加热件（33），第一个电加热件（33）安装在换向挡板（32）的侧壁上，其余电加热件（33）依次相邻接向远离转轴（31）的方向延伸，且相邻电加热件（33）之间可拆卸连接。

7.根据权利要求6所述的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，其特征在于，所述电加热件（33）包括上支撑（331）、下支撑（332）和电加热器（333）；

上支撑（331）和下支撑（332）上下平行布置，电加热器（333）的轴向两端分别与上支撑（331）和下支撑（332）连接；任一电加热件（33）的上支撑（331）与相邻电加热件（33）的上支撑（331）可拆卸连接；任一电加热件（33）的下支撑（332与相邻电加热件（33）的下支撑（332）可拆卸连接。

8.根据权利要求7所述的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，其特征在于，所述上支撑（331）采用短管结构，短管结构的轴向一端同轴设置母接头，用于与靠近转轴（31）侧相邻上支撑（331）的公接头适配；短管结构的轴向另一端同轴设置公接头、用于与远离转轴（31）侧相邻上支撑（331）的母接头适配；所述母接头的内径大于短管结构的内径、外径等于短管结构的外径；公接头的内径等于短管结构的内径、外径小于短管结构的外径；

所述下支撑（332）的结构与上支撑（331）的结构相同。

9.根据权利要求1所述的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，其特征在于，还包括输出组件（6），所述输出组件（6）包括隔离筒II（61），所述隔离筒II（61）同轴设置在壳体（1）内，隔离筒II（61）外壁与壳体（1）内壁之间的环形腔室作为混合腔（62）；进入加热装置内的流体，依次经预热组件（2）、加热组件（3）和输出组件（6）输出。

10.根据权利要求9所述的油气井超临界二氧化碳压裂用井口加热装置，其特征在于，所述输出组件（6）上设置入口和出口，入口与壳体（1）内部腔室连通，出口与设置在壳体（1）上的输出接头（7）连通。

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