CN114893160A - 二氧化碳压裂介质相变控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二氧化碳压裂介质相变控制系统及方法，液态二氧化碳储罐通过汇集管汇与增压泵装置的入口连接，增压泵装置的出口与压裂泵装置的入口连接，压裂泵装置的出口与循环开关组连接，循环开关组设有两个出口，循环开关组的一个出口与井口连接，循环开关组的另一个出口与增压泵装置连接；在压裂泵装置上设有调速装置，调速装置用于调节压裂泵装置的输出流量。本发明能够在作业前利用液态二氧化碳冷却包括增压泵装置和压裂泵装置，通过循环过程中的压力控制，减少系统中的气体，能够避免液态二氧化碳气化导致体积增大。设置的循环开关组与调速装置的联动方案，能够避免将高压的液态二氧化碳引入到承压较低的增压泵装置及其管路中，确保安全。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳干法压裂领域，特别是一种二氧化碳压裂介质相变控制系统及方法。
背景技术
二氧化碳压裂技术的主要特点是用无水无伤害的液态CO2代替常规水基压裂液，使用100%液态CO2作为压裂介质，或者将支撑剂与通过CO2增压装置增压后的液态CO2混合，然后通过高压压裂泵泵入储层进行压裂。自2000年以来，已在多个油田进行CO2压裂操作，取得很好的采收增产效果。CO2的相变原理是：液态CO2需要储存在压力不低于1.4MPa，温度不高于-20℃的环境中，若温度升高则会迅速气化，气化后体积比可增大500倍，可能使系统压力迅速上升，存在爆炸风险；若压力低于0.7MPa会马上结成干冰，堵塞设备及管道。所以在常温环境中， CO2压裂施工前需要预先冷却压裂设备及管道至-20℃；施工过程中需要尽力保持系统压力在1.5MPa以上、施工结束后不能立即打开阀门放液。现有技术中的冷却方式利用液态CO2流经设备及管道后气化吸热，在压裂泵装置出口排出气液共存的CO2，直接排向大气，需要较长时间才能将设备及管道冷却到既定温度，造成CO2的较大浪费，不利于“减碳”的环保要求； 作业过程中，系统没有设置放气阀门，无法保证气态CO2及时排出，可能会使系统压力迅速上升，一旦超过设备的承压能力，存在爆炸风险。在作业完成后，直接排放设备及管道中的液态CO2，此时系统压力会马上下降至1MPa以下，液态CO2会迅速结成干冰，堵塞设备及管道，导致接下来的施工无法进行下去，存在较大的技术与安全风险。
例如，中国专利文献CN113738326A记载了一种二氧化碳无水加砂压裂系统及方法，系统包括：二氧化碳储液罐、增压装置、主管线、混砂车组和压裂泵车组。即存在背景技术中所记载的技术问题。CN 110735622 A记载了一种超临界CO2和水复合压裂开采煤层气的方法和装置，其中记载了以根据CO2温度—压力相变图来设置泵车压力，以及利用增黏剂的方案。CN208220759U液态二氧化碳干法加砂压裂系统记载了一种用液氮循环冷却的方案，但是该方案中需要设置额外的液氮槽车、液氮泵车结构较为复杂，而且由于存在加砂工序，要形成密封技术难度和结构复杂程度非常高，设备磨损也很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种二氧化碳压裂介质相变控制系统及方法，能够控制二氧化碳压裂介质的相变，确保施工前压裂泵装置的冷却，施工后的放液过程中保持系统压力，实现CO2的高效利用，减少CO2排放，同时提高CO2压裂施工过程中的安全性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，液态二氧化碳储罐通过汇集管汇与增压泵装置的入口连接，增压泵装置的出口与压裂泵装置的入口连接，压裂泵装置的出口与循环开关组连接，循环开关组设有两个出口，循环开关组的一个出口与井口连接，循环开关组的另一个出口与增压泵装置连接；
在压裂泵装置上设有调速装置，调速装置用于调节压裂泵装置的输出流量。
优选的方案中，液态二氧化碳储罐的液相出口通过输送软管与汇集管汇连接，汇集管汇通过输送软管与增压泵装置连接，增压泵装置通过输送软管与压裂泵装置连接，循环开关组通过输送软管与增压泵装置的入口连接；
所述的输送软管为不锈钢金属软管。
优选的方案中，压裂泵装置通过压裂管汇与循环开关组连接，循环开关组通过压裂管汇与井口连接。
优选的方案中，在增压泵装置设有气液分离器和增压泵，气液分离器位于增压泵的入口之前，气液分离器上设有压力传感器和排气阀，用于根据压力传感器的参数开启排气阀排气。
优选的方案中，所述的液态二氧化碳储罐的气相接口与排气吹扫管路连接，排气吹扫管路与汇集管汇连接。
优选的方案中，在汇集管汇上设有第一放液阀，在增压泵装置上设有第二放液阀，在压裂泵装置上设有第三放液阀。
优选的方案如图2中，所述的循环开关组中，切换阀芯采用电动、液动或气动装置切换，电动、液动或气动装置与压裂泵装置的调速装置联动控制连接，当切换阀芯切换至与增压泵装置连接，调速装置即切换至低速运行。
优选的方案中，所述的循环开关组中，与增压泵装置连接的一端出口设有限压阀，限压阀设有弹簧，当与增压泵装置连接的一端出口的压力大于预设值，弹簧被压住，限压阀关闭；
还设有安全阀。
一种采用上述的二氧化碳压裂介质相变控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、液态二氧化碳储罐的液态二氧化碳通过汇集管汇注入到增压泵装置；
S2、增压泵装置将液态二氧化碳的压力增加到至3MPa，增压后的液态二氧化碳进入到压裂泵装置中，压裂泵装置低速运转，使输出的液态二氧化碳的压力不超过3MPa；
S3、循环开关组的切换阀芯，切换至与增压泵装置连接，将液态二氧化碳输送至增压泵装置，使增压泵装置、输送软管和压裂泵装置的温度低于-20℃；
S4、当温度达到预设温度，循环开关组的切换阀芯切换至与井口连接，调速装置将压裂泵装置调节至全速运行，
在施工过程中，定时通过增压泵装置的排气阀排出气体，并通过气液分离器设置的压力传感器，监控增压泵装置的压力不低于1.5MPa；
通过以上步骤实现在压裂过程中二氧化碳压裂介质相变控制。
优选的方案中，还包括以下步骤：
S5、施工完成后，增压泵装置、压裂泵装置停机，关闭井口，关闭液态二氧化碳储罐、增压泵装置、压裂泵装置的管道接口阀门；
S6、依次放掉汇集管汇、输送软管、增压泵装置、压裂泵装置中的液态二氧化碳；
S7、待系统压力降为0时，打开增压泵装置、压裂泵装置的管道接口阀门，打开液态二氧化碳储罐的气相接口，排气吹扫管路往系统的管道中充气，保持压力在2MPa，保压10min，使系统中残留的干冰融化；
S8、依次打开汇集管汇、增压泵装置、压裂泵装置上的放液阀，放出残余的液态二氧化碳，重复几次进行，确保各个设备及管道无堵塞，最后关闭液态二氧化碳储罐气相接口，系统放压，操作完毕。
本发明提供的一种二氧化碳压裂介质相变控制系统及方法，通过采用以上的方案，能够在作业前利用液态二氧化碳冷却包括增压泵装置和压裂泵装置，通过循环过程中的压力控制，减少系统中的气体，能够避免液态二氧化碳气化导致体积增大。设置的循环开关组与调速装置的联动方案，能够避免将高压的液态二氧化碳引入到承压较低的增压泵装置及其管路中，确保系统安全。设置的排气吹扫管路配合保压措施，能够克服系统中残留的液态二氧化碳转化为干冰对系统造成的影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中循环开关组的具体结构示意图。
图中：液态二氧化碳储罐1，汇集管汇2，输送软管3，增压泵装置4，压裂泵装置5，循环开关组6，限压阀61，切换阀芯62，安全阀63，压裂管汇7，井口8，气液分离器9，压力传感器10，排气阀11，调速装置12，第一放液阀13，第二放液阀14，第三放液阀15，排气吹扫管路16。
具体实施方式
实施例1：
如图1中，一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，液态二氧化碳储罐1通过汇集管汇2与增压泵装置4的入口连接，增压泵装置4的出口与压裂泵装置5的入口连接，压裂泵装置5的出口与循环开关组6连接，循环开关组6设有两个出口，循环开关组6的一个出口与井口8连接，循环开关组6的另一个出口与增压泵装置4连接；
在压裂泵装置5上设有调速装置12，调速装置12用于调节压裂泵装置5的输出流量。对于柴油的压裂泵装置5，调速装置12为采用电控或气控的变速器。而对于电动的压裂泵装置5，调速装置12为变频器。
优选的方案如图1中，液态二氧化碳储罐1的液相出口通过输送软管3与汇集管汇2连接，汇集管汇2通过输送软管3与增压泵装置4连接，增压泵装置4通过输送软管3与压裂泵装置5连接，循环开关组6通过输送软管3与增压泵装置4的入口连接；
所述的输送软管3为不锈钢金属软管。增压泵装置4优选采用离心式或滑片式增压泵，优选的动力采用液压或电机驱动；在增压泵装置4的底部设有第二放液阀14。增压泵装置设置有控制系统，用于进行增压泵装置的自动启停、调速，系统压力、温度、流量的监测，以及阀门的开闭等功能。
优选的方案如图1中，压裂泵装置5通过压裂管汇7与循环开关组6连接，循环开关组6通过压裂管汇7与井口8连接。压裂泵装置5的输出压力通常可以达到40 MPa~140 MPa，对压裂管汇7的要求较高。液态CO2经过压裂泵装置二次增压后注入井中，进行液态CO2压裂施工。压裂泵装置5的液力端设置压力传感器及放液旋塞阀，柱塞泵与吸入管汇之间密封件使用聚四氟乙烯垫片，压裂泵装置5的排出管汇上有防爆链。
优选的方案如图1中，在增压泵装置4设有气液分离器9和增压泵，气液分离器9位于增压泵的入口之前，气液分离器9上设有压力传感器10和排气阀11，用于根据压力传感器10的参数开启排气阀11排气。优选的，排气采用定时排气的方案，并且在排气过程中还需控制气液分离器9内的压力不低于1.5MPa。气液分离器9为低温压力容器，可分离液态CO2中夹杂的气体，通过排气阀11排出。优选的，气液分离器9上还设有安全阀。气液分离器9的底部还设有放液阀，放液阀的放液口通过固定的硬管引出，朝上且无遮挡，避免低温液体对操作人员造成损害。
优选的方案如图1中，所述的液态二氧化碳储罐1的气相接口与排气吹扫管路16连接，排气吹扫管路16与汇集管汇2连接。由此结构，能够利用液态二氧化碳储罐1的气相进行管路吹扫和清理，充分利用了二氧化碳。
优选的方案如图1中，在汇集管汇2上设有第一放液阀13，在增压泵装置4上设有第二放液阀14，在压裂泵装置5上设有第三放液阀15。
本发明设置的循环开关组6的方案能够利用低压的液态二氧化碳对管路和设备进行保压降温，但是该方案也存在风险。例如当施工过程中，切换阀芯62被错误的切换到与增压泵装置4连接，则高压的液态二氧化碳可能造成管路和增压泵装置4的损坏。
为克服上述的问题，优选的方案如图2中，所述的循环开关组6中，切换阀芯62采用电动、液动或气动装置切换，电动、液动或气动装置与压裂泵装置5的调速装置12联动控制连接，当切换阀芯62切换至与增压泵装置4连接，调速装置12即切换至低速运行。
另一可选的方案如图2中，所述的循环开关组6中，与增压泵装置4连接的一端出口设有限压阀61，限压阀61设有弹簧，当与增压泵装置4连接的一端出口的压力大于预设值，弹簧被压住，限压阀61关闭；优选的方案如图2中，限压阀61采用一个类似单向阀的结构，在阀芯和阀体之间设有弹簧，弹簧压力采用可调的结构，例如采用螺栓调节弹簧压力。当从压裂泵装置5经过循环开关组6来的液态二氧化碳压力超出预设，则液态二氧化碳克服弹簧压力，将阀芯压紧到阀体，从而使限压阀61关闭。进一步优选的，还设有安全阀63，安全阀63设置在循环开关组6与增压泵装置4连接的一端出口位置，以确保高压的CO2被错误接入后，能够快速降低压力，以保护设备。
实施例2：
在实施例1的基础上，一种采用上述的二氧化碳压裂介质相变控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、液态二氧化碳储罐1的液态二氧化碳通过汇集管汇2注入到增压泵装置4；
S2、增压泵装置4将液态二氧化碳的压力增加到至3Mpa，调整气液分离器9的液位至70%左右，增压后的液态二氧化碳进入到压裂泵装置5中，压裂泵装置5低速运转，使输出的液态二氧化碳的压力不超过3MPa；
S3、循环开关组6的切换阀芯62，切换至与增压泵装置4连接，将液态二氧化碳输送至增压泵装置4，使增压泵装置4、输送软管3和压裂泵装置5的温度低于-20℃；
S4、当温度达到预设温度，循环开关组6的切换阀芯62切换至与井口8连接，调速装置12将压裂泵装置5调节至全速运行，将液态二氧化碳输送至井口8。
在施工过程中，定时通过增压泵装置4的排气阀11排出气体，，并通过气液分离器9设置的压力传感器10，监控增压泵装置4的压力不低于1.5MPa；
通过以上步骤实现在压裂过程中二氧化碳压裂介质相变控制。
优选的方案中，还包括以下步骤：
S5、施工完成后，增压泵装置4、压裂泵装置5停机，关闭井口8，关闭液态二氧化碳储罐1、增压泵装置4、压裂泵装置5的管道接口阀门；
S6、依次放掉汇集管汇2、输送软管3、增压泵装置4、压裂泵装置5中的液态二氧化碳，此时系统中残留的二氧化碳不可避免的转化为干冰；
S7、待系统压力降为0时，打开增压泵装置4、压裂泵装置5的管道接口阀门，打开液态二氧化碳储罐1的气相接口，排气吹扫管路16往系统的管道中充气，保持压力在2MPa，保压10min，使系统中残留的干冰融化；
S8、依次打开汇集管汇2、增压泵装置4、压裂泵装置5上的放液阀，放出残余的液态二氧化碳，重复几次进行，确保各个设备及管道无堵塞，最后关闭液态二氧化碳储罐1气相接口，系统放压，操作完毕。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，其特征是：液态二氧化碳储罐（1）通过汇集管汇（2）与增压泵装置（4）的入口连接，增压泵装置（4）的出口与压裂泵装置（5）的入口连接，压裂泵装置（5）的出口与循环开关组（6）连接，循环开关组（6）设有两个出口，循环开关组（6）的一个出口与井口（8）连接，循环开关组（6）的另一个出口与增压泵装置（4）连接；
在压裂泵装置（5）上设有调速装置（12），调速装置（12）用于调节压裂泵装置（5）的输出流量。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，其特征是：液态二氧化碳储罐（1）的液相出口通过输送软管（3）与汇集管汇（2）连接，汇集管汇（2）通过输送软管（3）与增压泵装置（4）连接，增压泵装置（4）通过输送软管（3）与压裂泵装置（5）连接，循环开关组（6）通过输送软管（3）与增压泵装置（4）的入口连接；
所述的输送软管（3）为不锈钢金属软管。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，其特征是：压裂泵装置（5）通过压裂管汇（7）与循环开关组（6）连接，循环开关组（6）通过压裂管汇（7）与井口（8）连接。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，其特征是：在增压泵装置（4）设有气液分离器（9）和增压泵，气液分离器（9）位于增压泵的入口之前，气液分离器（9）上设有压力传感器（10）和排气阀（11），用于根据压力传感器（10）的参数开启排气阀（11）排气。
5.根据权利要求4所述的一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，其特征是：所述的液态二氧化碳储罐（1）的气相接口与排气吹扫管路（16）连接，排气吹扫管路（16）与汇集管汇（2）连接。
6.根据权利要求5所述的一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，其特征是：在汇集管汇（2）上设有第一放液阀（13），在增压泵装置（4）上设有第二放液阀（14），在压裂泵装置（5）上设有第三放液阀（15）。
7.根据权利要求5所述的一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，其特征是：所述的循环开关组（6）中，切换阀芯（62）采用电动、液动或气动装置切换，电动、液动或气动装置与压裂泵装置（5）的调速装置（12）联动控制连接，当切换阀芯（62）切换至与增压泵装置（4）连接，调速装置（12）即切换至低速运行。
8.根据权利要求5所述的一种二氧化碳压裂介质相变控制系统，其特征是：所述的循环开关组（6）中，与增压泵装置（4）连接的一端出口设有限压阀（61），限压阀（61）设有弹簧，当与增压泵装置（4）连接的一端出口的压力大于预设值，弹簧被压住，限压阀（61）关闭；
还设有安全阀（63）。
9.一种采用权利要求5~8任一项所述的二氧化碳压裂介质相变控制系统的控制方法，其特征是包括以下步骤：
S1、液态二氧化碳储罐（1）的液态二氧化碳通过汇集管汇（2）注入到增压泵装置（4）；
S2、增压泵装置（4）将液态二氧化碳的压力增加到至3MPa，增压后的液态二氧化碳进入到压裂泵装置（5）中，压裂泵装置（5）低速运转，使输出的液态二氧化碳的压力不超过3MPa；
S3、循环开关组（6）的切换阀芯（62），切换至与增压泵装置（4）连接，将液态二氧化碳输送至增压泵装置（4），使增压泵装置（4）、输送软管（3）和压裂泵装置（5）的温度低于-20℃；
S4、当温度达到预设温度，循环开关组（6）的切换阀芯（62）切换至与井口（8）连接，调速装置（12）将压裂泵装置（5）调节至全速运行，
在施工过程中，定时通过增压泵装置（4）的排气阀（11）排出气体，并通过气液分离器（9）设置的压力传感器（10），监控增压泵装置（4）的压力不低于1.5MPa；
通过以上步骤实现在压裂过程中二氧化碳压裂介质相变控制。
10.根据权利要求9所述的一种二氧化碳压裂介质相变控制系统的控制方法，其特征是还包括以下步骤：
S5、施工完成后，增压泵装置（4）、压裂泵装置（5）停机，关闭井口（8），关闭液态二氧化碳储罐（1）、增压泵装置（4）、压裂泵装置（5）的管道接口阀门；
S6、依次放掉汇集管汇（2）、输送软管（3）、增压泵装置（4）、压裂泵装置（5）中的液态二氧化碳；
S7、待系统压力降为0时，打开增压泵装置（4）、压裂泵装置（5）的管道接口阀门，打开液态二氧化碳储罐（1）的气相接口，排气吹扫管路（16）往系统的管道中充气，保持压力在2MPa，保压10min，使系统中残留的干冰融化；
S8、依次打开汇集管汇（2）、增压泵装置（4）、压裂泵装置（5）上的放液阀，放出残余的液态二氧化碳，重复几次进行，确保各个设备及管道无堵塞，最后关闭液态二氧化碳储罐（1）气相接口，系统放压，操作完毕。
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