CN114673478A - 二氧化碳压裂加砂设备及加砂系统、加砂方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油机械技术领域，提供一种二氧化碳压裂加砂设备及加砂系统、加砂方法，包括储砂装置、注入管汇、排出管汇、增压装置和混砂装置，注入管汇用于与二氧化碳罐车或二氧化碳储罐连接；排出管汇用于与压裂车连接；增压装置的进口与注入管汇连接；混砂装置用于混合二氧化碳液体和支撑剂，增压装置的出口和储砂装置的出口分别与混砂装置的进口连接，混砂装置的出口与排出管汇连接。提高了二氧化碳液体和携砂液的输送效率，注入管汇、增压装置、储砂装置、混砂装置和排出管汇集成为一体，减小了设备的占用空间及减少压裂现场的车辆或设备种类及数量，减轻作业人员的作业强度。

Description

二氧化碳压裂加砂设备及加砂系统、加砂方法

技术领域

本发明涉及石油机械技术领域，尤其涉及一种二氧化碳压裂加砂设备及加砂系统、加砂方法。

背景技术

二氧化碳加砂技术主要应用在石油、天然气压裂开采领域，是一种以二氧化碳代替常规水力压裂液的一种无水压裂技术，反排过程二氧化碳气化可增加返排动力，使该技术具有无水相、返排快、对储层无伤害等优点。但是，随着技术的不断发展，油田压裂现场设备或车辆种类和数量繁多，多种设备之间的连接管路复杂，既不便于连接和布置，增大了作业人员的工作强度；又会增大压裂加砂系统的占地面积。

发明内容

本发明提供一种二氧化碳压裂加砂设备及加砂系统、加砂方法，用以解决现有技术中油田压裂现场设备或车辆种类和数量繁多，多种设备之间的连接管路复杂，既不便于连接和布置，增大了作业人员的工作强度；又会增大压裂加砂系统的占地面积的缺陷。

本发明提供一种二氧化碳压裂加砂设备，包括：

储砂装置，用于储存支撑剂；

注入管汇，用于与二氧化碳罐车或二氧化碳储罐连接；

排出管汇，用于与压裂车连接；

增压装置，用于给二氧化碳液体增压，所述增压装置的进口与所述注入管汇连接；

混砂装置，用于混合所述二氧化碳液体和所述支撑剂，所述增压装置的出口与所述储砂装置的出口分别与所述混砂装置的进口连接，所述混砂装置的出口与所述排出管汇连接。

根据本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂设备，所述混砂装置包括：

文丘里混合器，所述文丘里混合器的喷嘴进口与所述增压装置的出口连接，所述文丘里混合器的吸入室进口与所述储砂装置的出口连接；

静态混合器，所述静态混合器的进口与所述文丘里混合器的扩压管出口连接，所述静态混合器的出口与所述排出管汇连接。

根据本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂设备，所述增压装置包括：

气液分离器，所述气液分离器的进口与所述注入管汇连接；

至少一个增压泵，所述气液分离器的出口与所述增压泵的进口连接，所述增压泵的出口与所述混砂装置的进口连接。

根据本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂设备，还包括液体添加装置，所述液体添加装置设置在所述气液分离器与所述增压泵之间，且所述液体添加装置用于向所述二氧化碳液体中添加压裂所用的添加剂。

根据本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂设备，所述气液分离器上设置有：

排空阀，用于排出所述气液分离器内的残余气体；

液位检测元件，用于检测所述气液分离器内二氧化碳液体的液位。

根据本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂设备，还包括输砂计量装置，所述输砂计量装置的进口与所述储砂装置的出口连接，所述输砂计量装置的出口与所述混砂装置的进口连接。

根据本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂设备，还包括：

第一流量检测元件，用于检测进入所述混砂装置进口处的二氧化碳液体的流量；

第二流量检测元件，用于检测进入所述排出管汇的携砂液的流量。

根据本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂设备，还包括：

单向阀，所述单向阀的进口与所述增压装置的出口连接；

安全阀，所述安全阀的进口与所述单向阀的出口连接，所述安全阀的出口与所述混砂装置的进口连接。

本发明还提供一种二氧化碳压裂加砂系统，包括如上述任意一项所述的二氧化碳压裂加砂设备。

本发明还提供一种二氧化碳压裂加砂方法，基于上述任意一项所述的二氧化碳压裂加砂设备或上述所述的二氧化碳压裂加砂系统，包括：

将二氧化碳罐车或二氧化碳储罐与注入管汇连接，将压裂车与排出管汇连接；

二氧化碳液体从二氧化碳罐车或二氧化碳储罐内输出至增压装置内；

增压装置给二氧化碳液体增压；

混砂装置对增压后的二氧化碳液体和支撑剂进行混合、使其形成携砂液；

排出管汇将携砂液排入压裂车内。

本发明提供的二氧化碳压裂加砂设备及加砂系统、加砂方法，通过注入管汇可以将多个二氧化碳罐车或二氧化碳储罐与二氧化碳压裂加砂设备连接，以及通过排出管汇可以实现二氧化碳压裂加砂设备与多个压裂车的连接，既能够提高二氧化碳液体和携砂液的输送效率，又能够减小管路的数量，减小管路的占用空间，从而减少整体设备的体积；并且将注入管汇、增压装置、储砂装置、混砂装置和排出管汇集成为一体，有利于减小整体设备的占用空间，有利于减少压裂现场的车辆或设备种类及数量，并减轻作业人员管路连接等人力作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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获得其他的附图。

图1是本发明提供的二氧化碳压裂加砂设备的结构示意图；

图2是本发明提供的二氧化碳压裂加砂设备的管路连接示意图之一；

图3是本发明提供的二氧化碳压裂加砂设备的管路连接示意图之二；

图4是本发明提供的混砂装置的结构示意图；

图5是本发明提供的二氧化碳压裂加砂方法的流程图。

附图标记：

1：底盘；2：动力装置；3：控制装置；

4：增压装置；5：密闭砂罐；6：混砂装置；

7：注入管汇；8：排出管汇；9：气液分离器；

10：增压泵；11：液体添加装置；12：第一流量检测元件；

13：单向阀；14：第二流量检测元件；15：安全阀；

16：增压泵排出阀；17：气液分离器排出阀；18：排空阀；

19：液位计；20：文丘里混合器；21：静态混合器；

22：螺旋输送机；23：输砂绞龙。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

下面结合图1至图5描述本发明的二氧化碳压裂加砂设备及加砂系统、加砂方法。

如图1所示，本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂设备，包括储砂装置、注入管汇7、排出管汇8、增压装置4和混砂装置6。其中，储砂装置用于储存支撑剂，注入管汇7用于与二氧化碳罐车或二氧化碳储罐连接，增压装置4的进口与注入管汇7连接，以使二氧化碳罐车或二氧化碳储罐内的二氧化碳液体通过注入管汇7进入到增压装置4内；增压装置4的出口和储砂装置的出口分别与混砂装置6的进口连接，以使二氧化碳液体和支撑剂进入到混砂装置6内进行混合、形成携砂液；混砂装置6的出口与排出管汇8连接，排出管汇8用于与压裂车连接，以使携砂液进入到排出管汇8内、并通过排出管汇8排出。

如此设置，通过注入管汇7可以将多个二氧化碳罐车或二氧化碳储罐与二氧化碳压裂加砂设备连接，以及通过排出管汇8可以实现二氧化碳压裂加砂设备与多个压裂车的连接，既能够提高二氧化碳液体和携砂液的输送效率，又能够减小管路的数量，减小管路的占用空间，从而减少整体设备的体积；并且将注入管汇7、增压装置4、储砂装置、混砂装置6和排出管汇8集成为一体，有利于减小整体设备的占用空间，有利于减少压裂现场的车辆或设备种类及数量，并减轻作业人员管路连接等人力作业。

在本实施例中，注入管汇7设置有至少两个二氧化碳进口，二氧化碳进口用于与二氧化碳罐车或二氧化碳储罐连接，这样，可以实现多个二氧化碳罐车或二氧化碳储罐同时向注入管汇7输送二氧化碳液体，有利于提高输送效率；并且通过注入管汇7实现增压装置4与多个二氧化碳罐车或二氧化碳储罐的连接，有利于简化管路，减小管路的占用空间，并能够减轻作业人员连接布置管路等人力作业。

排出管汇8设置有至少两个携砂液排出口，携砂液排出口用于与压裂车连接。这样，可以实现同时向多个压裂车输送携砂液，有利于提高加砂效率；并且通过排出管汇8实现混砂装置6与多个压裂车的连接，有利于简化管路，减小管路的占用空间，并能够减轻作业人员连接布置管路等人力作业。

在本发明的可选实施例中，混砂装置6包括文丘里混合器20和静态混合器21，文丘里混合器20用于对二氧化碳液体和支撑剂进行初次混合，静态混合器21用于对二氧化碳液体和支撑剂进行二次混合。这样，能够提高二氧化碳和支撑剂的混合效果，有效减小或避免结块。

具体地，文丘里混合器20的喷嘴进口与增压装置4的出口连接，文丘里混合器20的吸入室进口与储砂装置的出口连接，这样，二氧化碳液体进入文丘里混合器20的喷嘴内，可以从喷嘴高速喷出，在喷嘴出口区域形成真空，通过文丘里混合器20的吸入室进口将支撑剂吸入到文丘里混合器20的吸入室内，使支撑剂和二氧化碳实现初步混合。

静态混合器21的进口与文丘里混合器20的扩压管出口连接，初步混合后的支撑剂和二氧化碳通过扩压管排入到静态混合器21内，在静态混合器21内进行二次高效混合、形成携砂液。静态混合器21的出口与排出管汇8连接，以便于将携砂液排出。

需要说明的是，文丘里混合器20包括喷嘴、吸入室、喉管和扩压管，沿喷嘴至扩压管的方向，喷嘴的内径逐渐减小或喷嘴的出口截面面积小于喷嘴进口截面面积，以在喷嘴出口区域形成真空；吸入室与喷嘴出口连通，二氧化碳液体流经喷嘴出口时，二氧化碳液体的压力能转化为速度能，使二氧化碳液体速度增大，在喷嘴出口区域形成真空，将支撑剂吸入到吸入室内，然后二氧化碳液体和支撑剂一同进入喉管内在喉管内腔中混合，然后经过扩压管进入静态混合器21内。

静态混合器21是一种没有运动部件的高效混合设备，其基本工作机理是利用固定在管内的混合单元体改变流体在管内的流动状态，以达到不同流体之间良好分散和充分混合的目的。静态混合器21相对于传统混合器传动效率高、混合效果好、且体积小占地面积较小，在运行的时候不易受到工作环境的制约。

在可选的实施例中，二氧化碳压裂加砂设备还包括输砂计量装置，输砂计量装置的进口与储砂装置的出口连接，输砂计量装置的出口与混砂装置6的进口连接，具体地，输砂计量装置的出口与文丘里混合器20的吸入室进口连接。这样，通过输砂计量装置可以计量输送支撑剂，可控制输砂量，从而严格控制携砂液的砂浓度。

这里，输砂计量装置可以为螺旋输送机22。

需要说明的是，可以通过改变螺旋输送机22的螺旋轴的转速、电机的功率或螺旋叶片的直径调节支撑剂的输送量。

在本发明的可选实施例中，增压装置4用于给二氧化碳液体增压，使二氧化碳液体的流速增大，一方面有利于提高二氧化碳的输送效率，另一方面有利于实现二氧化碳液体为动力使文丘里混合器20内形成负压、以将支撑剂吸入到文丘里混合器20内。

具体地，增压装置4包括气液分离器9和至少一个增压泵10。气液分离器9的进口与注入管汇7连接，气液分离器9的出口与增压泵的进口连接。通过气液分离器9可以将二氧化碳液体和气体分离，以确保整个系统内所供应的为二氧化碳液体。增压泵10的出口与混砂装置6的进口连接，以使增压后的二氧化碳液体流入混砂装置6内。

在本实施例中，增压装置4可以包括多个增压泵10，多个增压泵10可以串联设置，以提高对二氧化碳液体的增压效果。

需要说明的是，增压泵10的数量可以根据混砂装置6的规格或数量确定，这里具体不对增压泵10的数量进行限定。

在可选的实施例中，气液分离器9上设置有排空阀18，排空阀18用于排出气液分离器9内的残余气体，比如可以将二氧化碳气体排出，这样，既能够实现气液分离，又能够防止出现安全事故。

气液分离器9上还设置有液位检测元件，液位检测元件用于检测气液分离器9内的二氧化碳液体的液位，以便于操作人员实时观测气液分离器9内的二氧化碳液体量，从而便于调节后续的二氧化碳液体的输送量。

这里，液位检测元件可以为液位计19，并且可以在气液分离器9的外壁上设置用于显示液位计19的液位值的显示器，以便于操作人员观察。

在本发明的可选实施例中，本二氧化碳压裂加砂设备还包括液体添加装置11，液体添加装置11可以设置在气液分离器9与增压泵之间，并且液体添加装置11用于向二氧化碳液体中添加压裂所用的添加剂。

这里，使液体添加装置11用于向二氧化碳液体中添加添加剂，相对于向支撑剂添加添加剂的方式来说，使二氧化碳与支撑剂混合效果更好，混合过程中更不容易出现结块现象。

需要说明的是，添加剂可以为增稠剂、防乳化剂、粘土稳定剂、助排剂、润湿反转剂、破坏剂、减阻剂和降率失剂中的一种或多种，这里不对添加剂进行限定，具体可以根据实际需要确定。

在本发明的可选实施例中，本二氧化碳压裂加砂设备还包括第一流量检测元件12和第二流量检测元件14，第一流量检测元件12用于检测进入混砂装置6的进口处的二氧化碳液体的流量；第二流量检测元件14用于检测进入排出管汇8的携砂液的流量。这样，可以严格检测二氧化碳液体流量及携砂液流量，从而严格控制二氧化碳液体及携砂液的输送量。

具体地，第一流量检测元件12可以设置在增压装置4的出口和混砂装置6的进口之间，以便于检测二氧化碳液体的输送量。

第二流量检测元件14可以设置在排出管汇8的携砂液进口处或混砂装置6的出口处，以便于检测携砂液的输出量。

这里，第一流量检测元件12和第二流量检测元件14均可以为流量计。

在可选的实施例中，本二氧化碳压裂加砂设备还可以包括单向阀13，单向阀13可以设置在增压装置4的出口与混砂装置6的进口之间，并且单向阀13的进口与增压装置4的出口连通，单向阀13的出口与混砂装置6的进口连通，单向阀13由进口至出口单向导通。这样，能够防止二氧化碳液体回流，以保证整个系统安全。

在可选的实施例中，本二氧化碳压裂加砂设备还可以包括安全阀15，安全阀15可以设置在单向阀13出口与混砂装置6的进口之间的管路上，以用于调节管路内的压力，即调节整个系统的压力，防止压力过高而产生危险。

在可选的实施例中，气液分离器9的出口处可以设置有气液分离器排出阀17，以通过气液分离器排出阀17的开启程度调节二氧化碳液体的输送流量；并且当后续装置出现故障时，可以将气液分离器排出阀17关闭，以停止二氧化碳液体的输送。

在单向阀13与安全阀15之间可以设置有增压泵排出阀16，以通过增压泵排出阀16的开启程度调节二氧化碳液体的输送量。

在本发明的可选实施例中，本二氧化碳压裂加砂设备还可以包括动力装置2和控制装置3，动力装置2用于为增压装置4、混砂装置6提供动力。控制装置3与动力装置2通信连接，以便于对各个部件进行控制，实现多功能集成控制，方便压裂作业操作，使控制更为精准。

并且，排空阀18、安全阀15、单向阀13均可以为电磁阀、并与控制装置3通信连接，以便于控制装置3对其进行调控。

液位计19、第一流量检测元件12和第二流量检测元件14均可以与控制装置3通信连接，以能够将检测到的液位值、流量值传递给控制装置3，使控制装置3及时地显示或通知操作人员，便于操作人员对系统进行调控。

在本发明的可选实施例中，本二氧化碳压裂加砂设备还可以包括底盘1，气液分离器9、储砂装置、混砂装置6、增压装置4、液体添加装置11、注入管汇7和排出管汇8均可以设置在底盘1上，以便于实现二氧化碳压裂加砂设备的转场和运输。

下面对本发明提供的二氧化碳压裂加砂系统进行描述，下文描述的二氧化碳压裂加砂系统与上文描述的二氧化碳压裂加砂设备可相互对应参照。

本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂系统，包括如上述任意一项实施例所述的二氧化碳压裂加砂设备。本发明提供的二氧化碳压裂加砂系统所达到的有益效果与本发明提供的二氧化碳压裂加砂设备所达到的有益效果相一致，则这里不再赘述。

本发明的可选实施例中，本二氧化碳压裂加砂系统还包括至少两个二氧化碳罐车或二氧化碳储罐，二氧化碳罐车或二氧化碳储罐与注入管汇7的二氧化碳进口可以通过由壬一一连接，以便于多个二氧化碳罐车或二氧化碳储罐同时向二氧化碳压裂加砂设备输送二氧化碳液体，有利于提高作业效率。

本二氧化碳压裂加砂系统还包括至少两个压裂车，压裂车与排出管汇8的携砂液排出口可以通过由壬一一连接，以便于同时向多个压裂车输送携砂液，有利于提高作业效率。

在本发明的可选实施例中，本二氧化碳压裂加砂系统还可以包括输砂绞龙23，输砂绞龙23用于向储砂装置输送支撑剂。

具体地，储砂装置的顶部设置有人孔，在需要向储砂装置内添加支撑剂时，打开人孔，使输砂绞龙23向储砂装置输送支撑剂；当需要作业时，将人孔关闭，使储砂装置内形成密闭环境，以便于将支撑剂输送至混砂装置6内，并保证可以实现无水压裂。

在本实施例中，储砂装置可以为密闭砂罐5。

这里，输砂绞龙23的出口可以位于人孔的正上方，以使输砂绞龙23的出口与储砂装置的人孔相对应。

下面对本发明提供的二氧化碳压裂加砂方法进行描述，下文描述的二氧化碳压裂加砂方法与上文描述的二氧化碳压裂加砂设备或二氧化碳压裂加砂系统可相互对应参照。

本发明提供的一种二氧化碳压裂加砂方法，基于上述任意一项实施例所述的二氧化碳压裂加砂设备或上述任意一项实施例所述的二氧化碳压裂加砂系统，包括：

将二氧化碳罐车或二氧化碳储罐与注入管汇7连接，将压裂车与排出管汇8连接；

二氧化碳液体从二氧化碳罐车或二氧化碳储罐内输出至增压装置4内；

增压装置4给二氧化碳液体增压；

混砂装置6对增压后的二氧化碳液体和支撑剂进行混合、使其形成携砂液；

排出管汇8将携砂液排入压裂车内，完成加砂作业。

本发明提供的二氧化碳压裂加砂方法所达到的有益效果与本发明提供的二氧化碳压裂加砂设备或二氧化碳压裂加砂系统所达到有益效果相一致，则这里不再赘述。

在可选的实施例中，混砂装置6对增压后的二氧化碳液体和支撑剂进行混合、使其形成携砂液中，包括：

文丘里混合器20对增压后的二氧化碳液体和支撑剂进行初级混合；

静态混合器21对初级混合后的二氧化碳液体和支撑剂进行二次混合、使其形成携砂液。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种二氧化碳压裂加砂设备，其特征在于，包括：

储砂装置，用于储存支撑剂；

注入管汇，用于与二氧化碳罐车或二氧化碳储罐连接；

排出管汇，用于与压裂车连接；

增压装置，用于给二氧化碳液体增压，所述增压装置的进口与所述注入管汇连接；

混砂装置，用于混合所述二氧化碳液体和所述支撑剂，所述增压装置的出口与所述储砂装置的出口分别与所述混砂装置的进口连接，所述混砂装置的出口与所述排出管汇连接。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳压裂加砂设备，其特征在于，所述混砂装置包括：

文丘里混合器，所述文丘里混合器的喷嘴进口与所述增压装置的出口连接，所述文丘里混合器的吸入室进口与所述储砂装置的出口连接；

静态混合器，所述静态混合器的进口与所述文丘里混合器的扩压管出口连接，所述静态混合器的出口与所述排出管汇连接。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳压裂加砂设备，其特征在于，所述增压装置包括：

气液分离器，所述气液分离器的进口与所述注入管汇连接；

至少一个增压泵，所述气液分离器的出口与所述增压泵的进口连接，所述增压泵的出口与所述混砂装置的进口连接。

4.根据权利要求3所述的二氧化碳压裂加砂设备，其特征在于，还包括液体添加装置，所述液体添加装置设置在所述气液分离器与所述增压泵之间，且所述液体添加装置用于向所述二氧化碳液体中添加压裂所用的添加剂。

5.根据权利要求3所述的二氧化碳压裂加砂设备，其特征在于，所述气液分离器上设置有：

排空阀，用于排出所述气液分离器内的残余气体；

液位检测元件，用于检测所述气液分离器内二氧化碳液体的液位。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳压裂加砂设备，其特征在于，还包括输砂计量装置，所述输砂计量装置的进口与所述储砂装置的出口连接，所述输砂计量装置的出口与所述混砂装置的进口连接。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳压裂加砂设备，其特征在于，还包括：

第一流量检测元件，用于检测进入所述混砂装置进口处的二氧化碳液体的流量；

第二流量检测元件，用于检测进入所述排出管汇的携砂液的流量。

8.根据权利要求1所述的二氧化碳压裂加砂设备，其特征在于，还包括：

单向阀，所述单向阀的进口与所述增压装置的出口连接；

安全阀，所述安全阀的进口与所述单向阀的出口连接，所述安全阀的出口与所述混砂装置的进口连接。

9.一种二氧化碳压裂加砂系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的二氧化碳压裂加砂设备。

10.一种二氧化碳压裂加砂方法，其特征在于，基于权利要求1-8任意一项所述的二氧化碳压裂加砂设备或权利要求9所述的二氧化碳压裂加砂系统，包括：

将二氧化碳罐车或二氧化碳储罐与注入管汇连接，将压裂车与排出管汇连接；

二氧化碳液体从二氧化碳罐车或二氧化碳储罐内输出至增压装置内；

增压装置给二氧化碳液体增压；

混砂装置对增压后的二氧化碳液体和支撑剂进行混合、使其形成携砂液；

排出管汇将携砂液排入压裂车内。

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