CN110284863A - 一种模拟co2干法压裂工质混输实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
涉及到CO2干法压裂技术的一种模拟CO2干法压裂工质混输实验装置及实验方法，实验装置的液态CO2储罐、液添泵、液气分离器、增压泵、密闭砂罐、回收罐、气化泵、气化器依序通过管道连接，plc控制器与液态CO2储罐、密闭砂罐、回收罐均与相连的温度传感器，液气分离器、密闭砂罐均与相连的密度传感器，增压泵相连的压力传感器、流量传感器连接，实验方法是将液态CO2和支撑剂注入液态CO2储罐内，并对其增压及气化，通过plc控制器控制其测量液态CO2、增压前后的压力、温度、密度、转速参数。本发明能模拟CO2干法压裂混输过程，运行安全可靠，有助于解决CO2干法压裂的设备、功能设置等技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及CO2干法压裂技术领域。
背景技术
目前国内外最常用的储层改造技术是水力压裂技术，即采用水基压裂液对储层进行改造。但水基压裂液体系存在水资源大量浪费、黏土膨胀和压裂液残渣伤害储层、返排不完全造成地下水污染以及污水处理费用高昂等缺点。80年度初期，为了克服水基压裂液在压裂施工过程的诸多问题，同时也是为了满足特殊地质结构压裂工艺的需要，国外相继提出了以CO2为基液的无水压裂技术，即CO2干法压裂技术。干法压裂已在北美地区取得了成功，在国内已也开始了先导性试验和初步应用，但干法压裂所需装备有待完善，目前尚无适用于此类产品的完善实验平台及测试方法，而直接在使用现场进行实验显然存在较大的技术和安全风险。
发明内容
本发明的目的提供了一种模拟CO2干法压裂工质混输实验装置及实验方法，实现模拟压裂工况下液态CO2混输***的压力控制、安全控制、冷却保压、压裂液携砂性能等实验研究，指导CO2干法压裂装备的研制。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种模拟CO2干法压裂工质混输实验装置，包括液态CO2储罐、液添泵、液气分离器、增压泵、密闭砂罐、回收罐、气化泵、气化器、流量传感器、密度传感器、压力传感器、管道***、PLC控制***以及阀门和管道，其特征在于，
所述液态CO2储罐、液添泵、液气分离器、增压泵、密闭砂罐、回收罐、气化泵、气化器、流量传感器、密度传感器、管道***及阀件通过管路连接，PLC控制***与气化泵、液气分离器、密度传感器、电动阀门、温度传感器、压力传感器连接，液态CO2储罐、液气分离器、密闭砂罐和回收罐出口均设置有放气球阀、放液球阀、安全阀，液态CO2储罐、密闭砂罐和回收罐均设置有温度传感器用于温度监测，及设置有压力传感器用于为所述PLC控制***提供压力信号，液气分离器、密闭砂罐内部安装有电子式液位计用于为所述PLC控制***提供液位信号，液添泵从外部抽取添加剂注入所述液态CO2储罐与液气分离器之间的管汇，液气分离器作用在于分离输入液态CO2中的气体，设有电控球阀用于控制气体的释放量，保持所述液气分离器内的液态CO2保持在一定的高度，防止增压泵抽空，增压泵出口管汇上设置有压力传感器、流量传感器，所述压力传感器、流量传感器作用在于测量增压泵输出流量和压力，密闭砂罐作用在于容纳实验所需支撑剂，其下部设有螺旋输送装置，所述螺旋输送装置作用在于将密闭砂罐内的支撑剂输入管道，增压泵的出口分为两路：一路为与所述密闭砂罐连通，并通过电控阀进行流量调节；另一路为与所述回收罐连通的直流通道，直流通道与所述螺旋输送装置出砂口连通，并且所述直流通道上设置有电控阀、密度传感器、管道***、球阀，气化泵作用在于从所述液态CO2储罐抽取液态CO2供给所述气化器，所述气化泵与所述气化器之间的管路设置有安全阀和压力传感器，气化器作用在于通过吸收热量将液态CO2转化为气态CO2，气化器出口与所述液态CO2储罐连通，且连通管路上设置有减压阀和电控球阀，PLC控制***作用在于检测流量、压力和密度，并对所述增压泵、气化泵转速以及电控阀等进行控制，从而实现CO2干法压裂工质混输过程的模拟实验研究和性能检测。
一种模拟CO2干法压裂工质混输实验方法，其特征在于，所述实验方法包括如下步骤：
（1）实验前准备工作
1）往液态CO2储罐中灌入液态CO2，并使得罐内压力在1.9~2.1MPa；
2）将支撑剂石英砂2立方加入密闭砂罐；
3）关闭所有排气、排液阀门；
4）超压保护试验：设定PLC控制***液气分离器、密闭砂罐排气电控阀开启压力分别为1.2MPa、1.6MPa，打开液态CO2储罐气相至密闭砂罐所有阀门，使***压力逐渐升高，检查并确认***压力达到1.2MPa时液气分离器电控阀自动开启，然后修改液气分离器电控阀开启压力为2.3MPa，使得液气分离器电控阀自动关闭，***压力继续升高，检查并确认***压力达到1.6MPa时密闭砂罐排气电控阀自动开启，修改密闭砂罐排气电控阀开启压力为2.8MPa，使密闭砂罐排气电控阀自动关闭，***压力继续升高至不再上升时关闭液态CO2储罐气相控制阀。
5）打开液态CO2储罐液相至密闭砂罐所有阀门，启动增压泵至300-600rpm，冷却管路和密闭砂罐内的支撑剂直到密闭砂罐内整体温度降低到-15℃以下，转速越高，温度越低、压力越大，在此过程中根据需要调节增压泵转速、打开密闭砂罐的排气阀门，使得密闭砂罐内的压力不超过2.5MPa；
6）关闭增压泵；
（2）实验阶段
1）设定增压泵输出压力2.5 MPa、气化泵输出压力2.1 MPa；液气分离器、密闭砂罐开启压力分别为2.15 MPa及2.55 MPa
2）启动增压泵至转速300-600rpm，使增压泵输出流量达到300L/min；
3）启动液添泵、螺旋输送装置，其转速50转/min，根据需要调节其转速，并分别试验1%、3%、5%支链聚硅氧烷增稠剂质量添加浓度和支撑剂石英砂5%、10%体积浓度条件下的***运行情况，每组测试持续时间5min；
4）根据需要调节液气分离器、密闭砂罐和回收罐排气阀门大小，保证各部件压力不超过上述设定值，确保各设备安全稳定运行；
5）通过PLC控制***和仪表监测并记录各设备运行参数及工质参数，包括转速、压力、温度及密度等参数，通过管道***观察支撑剂在混合液体中的悬浮状态，以此评价添加支链聚硅氧烷增稠剂后液态CO2的携砂能力，从而指导增稠剂的优选及其添加浓度的参数确定。
（3）实验后整理工作
1）先关闭气化泵，再关闭螺旋输送装置、液添泵和增压泵；
2）排空液气分离器、密闭砂罐、回收罐及管路中的液体，关闭各管路阀门，整个实验结束。
可根据所述液气分离器的液位高度通过所述PLC控制***自动调节排气球阀开度，从而保证所述液气分离器的液位保持在设定范围。
通过所述冷却管路和密闭砂罐内的支撑剂，可获得过程中流量与一定压力条件下的管道排气能力参数。
增压泵采用离心式、滑片式的结构形式。
气化器采用空浴式、水浴式、电加热或蒸汽加热式结构。
液态CO2储罐、密闭砂罐和回收罐均为压力容器。
紧急停机时，可通过所述PLC控制***一键关闭所述液添泵、增压泵、气化泵以及关闭或打开必要的阀门，保护***设备安全。
本发明的具有以下有益效果：
1. 本发明能够完整模拟CO2干法压裂工质混输过程，运行安全可靠，易于实现自动控制。
2. 本发明有助于解决CO2干法压裂装备研制过程中机械结构、功能设置和PLC控制等技术难题，还可开展不同类型CO2增稠剂携砂性能对比研究。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
参见附图实施例，对本发明进一步详细说明。
图1中：液态CO2储罐1、液添泵8、液气分离器2、增压泵3、密闭砂罐4、回收罐5、气化泵6、气化器7依次通过管路连接，PLC控制***19与液气分离器2、气化泵6、密度传感器11、电动阀门13、温度传感器14、压力传感器15连接，液态CO2储罐1内的液态CO2与液添泵8注入的支撑剂、石英砂混合后经液气分离器2对气相进行分离，然后经增压泵3加压后少部分进入密闭砂罐4，主要部分通过管道在密闭砂罐4下部与支撑剂混合，最后进入回收罐5，气化泵6从液态CO2储罐1抽取液态CO2经气化器7气化后注入液态CO2储罐1以保持液态CO2储罐1压力不低于设定值，通过PLC控制***19控制增压泵3转速达到实验所需的液体压力，通过压力传感器15、流量传感器17、密度传感器11和温度传感器14根据需要测量工质增压前后压力、温度及混合后密度等参数。液态CO2储罐1、液气分离器2、密闭砂罐4和回收罐5出口均设置有放气手动阀门、放液手动阀门、安全阀。液态CO2储罐1、密闭砂罐4和回收罐5均设置有温度传感器14及压力传感器15。液气分离器2、密闭砂罐4内部安装有电子式液位计。液气分离器2出口设置有电控阀门13。增压泵3的出口管汇上设置有压力传感器15、流量传感器14。密闭砂罐4的下部设有螺旋输送装置9。增压泵3的出口分为两路：一路为与密闭砂罐4连通，并设置有电控阀门13；另一路为与回收罐5连通的直流通道，直流通道与螺旋输送装置9出砂口连通，并且直流通道上设置有电控阀门13、密度传感器11、手动阀门12、管道***18。气化泵6与气化器7之间的管路设置有安全阀10和压力传感器15。气化器6出口与液态CO2储罐1连通，且连通管路上设置有减压阀16和电控球阀13。所述PLC控制***19对增压泵3、气化泵6、螺旋输送装置9和电控阀门13等进行控制。
其实验方法包括如下步骤：
（1）实验前准备工作
1）往液态CO2储罐中灌入液态CO2 10立方，并使得罐内压力在1.9~2.1MPa；
2）将支撑剂石英砂2立方加入密闭砂罐；
3）关闭所有排气、排液阀门；
4）超压保护试验：设定PLC控制***液气分离器、密闭砂罐排气电控阀开启压力分别为1.2MPa、1.6MPa，打开液态CO2储罐气相至密闭砂罐所有阀门，使***压力逐渐升高，检查并确认***压力达到1.2MPa时液气分离器电控阀自动开启，然后修改液气分离器电控阀开启压力为2.3MPa，使得液气分离器电控阀自动关闭，***压力继续升高，检查并确认***压力达到1.6MPa时密闭砂罐排气电控阀自动开启，修改密闭砂罐排气电控阀开启压力为2.8MPa，使密闭砂罐排气电控阀自动关闭，***压力继续升高至不再上升时关闭液态CO2储罐气相控制阀；
5）打开液态CO2储罐液相至密闭砂罐所有阀门，启动增压泵至300-600rpm，冷却管路和密闭砂罐内的支撑剂直到密闭砂罐内整体温度降低到-15℃以下，在此过程中根据需要调节增压泵转速,转速越高，温度越低、压力越大，打开密闭砂罐的排气阀门，使得密闭砂罐内的压力不超过2.5MPa；
6）关闭增压泵；
（2）实验阶段
1）设定增压泵输出压力2.5MPa、气化泵输出压力2.1MPa；液气分离器、密闭砂罐开启压力分别为2.15 MPa及2.55 MPa；
2）启动增压泵至转速300-600rpm，使增压泵输出流量达到300L/min；
3）启动液添泵、螺旋输送装置转速50转/min，根据需要调节其转速，并分别试验1%、3%、5%支链聚硅氧烷增稠剂质量添加浓度和支撑剂石英砂5%、10%体积浓度条件下的***运行情况，具体测试如下；每组测试持续时间5min；
3-1）1%支链聚硅氧烷增稠剂3.1g/min与5%石英砂支撑剂15L/min，增压泵输出流量300L/min
3-2）1%支链聚硅氧烷增稠剂3.1g/min与10%石英砂支撑剂30L/min，增压泵输出流量300L/min
3-3）3%支链聚硅氧烷增稠剂9.3g/min与5%石英砂支撑剂15L/min，增压泵输出流量300L/min
3-4）3%支链聚硅氧烷增稠剂9.3g/min与10%石英砂支撑剂30L/min，增压泵输出流量300L/min
3-5）5%支链聚硅氧烷增稠剂15.5g/min与5%石英砂支撑剂15L/min，增压泵输出流量300L/min 3-6）5%支链聚硅氧烷增稠剂15.5g/min与10%石英砂支撑剂30L/min，增压泵输出流量 300L/min
每组测试持续时间5min；共计测试时间30min
4）根据需要调节液气分离器、密闭砂罐排气阀门大小，保证液气分离器液位不低于80%，密闭砂罐的液位不低于20%，各部件压力不超过上述设定值；
5）通过PLC控制***和仪表监测并记录各设备运行参数及工质参数，包括转速、压力、温度及密度等参数，通过管道***观察支撑剂在混合液体中的悬浮状态，以此评价添加支链聚硅氧烷增稠剂后液态CO2的携砂能力，从而指导增稠剂的优选及其添加浓度的参数确定；
（3）实验后整理工作
1）先关闭气化泵，再关闭螺旋输送装置、液添泵和增压泵；
2）排空液气分离器、密闭砂罐、回收罐及管路中的液体，关闭各管路阀门，整个实验结束。
增压泵采用离心式的结构形式。
气化器采用电加热式结构。
液态CO2储罐、密闭砂罐和回收罐均为压力容器。
需要紧急停机时，可通过PLC控制***一键关闭所述液添泵、增压泵、气化泵以及关闭或打开必要的阀门，不至于出现压力过高的情况，保护***设备安全。
Claims (4)
1.一种模拟CO2干法压裂工质混输实验装置及实验方法；其实验装置包括包括液态CO2储罐、液添泵、液气分离器、增压泵、密闭砂罐、回收罐、气化泵、气化器、流量传感器、密度传感器、压力传感器、管道***、PLC控制***以及阀门和管道，其特征在于，所述液态CO2储罐、液添泵、液气分离器、增压泵、密闭砂罐、回收罐、气化泵、气化器、流量传感器、密度传感器、管道***及阀件通过管路连接；PLC控制***与气化泵、液气分离器、密度传感器、电动阀门、温度传感器、压力传感器连接; 液态CO2储罐、液气分离器、密闭砂罐和回收罐出口均设置有放气球阀、放液球阀、安全阀，液态CO2储罐、密闭砂罐和回收罐均设置有温度传感器及压力传感器，液气分离器、密闭砂罐内部安装有电子式液位计，液添泵从外部抽取添加剂注入所述液态CO2储罐与液气分离器之间的管汇，增压泵出口管汇上设置有压力传感器、流量传感器，密闭砂罐下部设有螺旋输送装置，增压泵的出口分为两路：一路为与所述密闭砂罐连通，并通过电控阀进行流量调节；另一路为与所述回收罐连通的直流通道，直流通道与所述螺旋输送装置出砂口连通，并且所述直流通道上设置有电控阀、密度传感器、管道***、球阀，所述气化泵与所述气化器之间的管路设置有安全阀和压力传感器，气化器出口与所述液态CO2储罐连通，且连通管路上设置有减压阀和电控球阀；
其实验方法是：所述实验方法包括如下步骤：
（1）实验前准备工作
1）往液态CO2储罐中灌入液态CO2，并使得罐内压力在1.9~2.1MPa；
2）将支撑剂石英砂2立方加入密闭砂罐；
3）关闭所有排气、排液阀门；
4）超压保护试验：设定PLC控制***液气分离器、密闭砂罐排气电控阀开启压力分别为1.2MPa、1.6MPa，打开液态CO2储罐气相至密闭砂罐所有阀门，使***压力逐渐升高，检查并确认***压力达到1.2MPa时液气分离器电控阀自动开启，然后修改液气分离器电控阀开启压力为2.3MPa，使得液气分离器电控阀自动关闭，***压力继续升高，检查并确认***压力达到1.6MPa时密闭砂罐排气电控阀自动开启，修改密闭砂罐排气电控阀开启压力为2.8MPa，使密闭砂罐排气电控阀自动关闭，***压力继续升高至不再上升时关闭液态CO2储罐气相控制阀；
5）打开液态CO2储罐液相至密闭砂罐所有阀门，启动增压泵至300-600rpm，冷却管路和密闭砂罐内的支撑剂直到密闭砂罐内整体温度降低到-15℃以下，转速越高，温度越低、压力越大，在此过程中根据需要调节增压泵转速、打开密闭砂罐的排气阀门，使得密闭砂罐内的压力不超过2.5MPa；
6）关闭增压泵；
（2）实验阶段
1）设定增压泵输出压力2.5 MPa、气化泵输出压力2.1 MPa；液气分离器、密闭砂罐开启压力分别为2.15 MPa及2.55 MPa
2）启动增压泵至转速300-600rpm，使增压泵输出流量达到300L/min；
3）启动液添泵、螺旋输送装置，其转速50转/min，根据需要调节其转速，并分别试验1%、3%、5%支链聚硅氧烷增稠剂质量添加浓度和支撑剂石英砂5%、10%体积浓度条件下的***运行情况，每组测试持续时间5min；
4）根据需要调节液气分离器、密闭砂罐和回收罐排气阀门大小，保证各部件压力不超过上述设定值，确保各设备安全稳定运行；
5）通过PLC控制***和仪表监测并记录各设备运行参数及工质参数，包括转速、压力、温度及密度等参数，通过管道***观察支撑剂在混合液体中的悬浮状态，以此评价添加支链聚硅氧烷增稠剂后液态CO2的携砂能力，从而指导增稠剂的优选及其添加浓度的参数确定；
（3）实验后整理工作
1）先关闭气化泵，再关闭螺旋输送装置、液添泵和增压泵；
2）排空液气分离器、密闭砂罐、回收罐及管路中的液体，关闭各管路阀门，整个实验结束；可根据所述液气分离器的液位高度通过所述PLC控制***自动调节排气球阀开度，从而保证所述液气分离器的液位保持在设定范围；
通过所述冷却管路和密闭砂罐内的支撑剂，可获得过程中流量与一定压力条件下的管道排气能力参数；紧急停机时，可通过所述PLC控制***一键关闭所述液添泵、增压泵、气化泵以及关闭或打开必要的阀门，保护***设备安全。
2.根据权利要求1的一种模拟CO2干法压裂工质混输实验装置及实验方法；其特征在于：增压泵采用离心式、滑片式的结构形式。
3.根据权利要求1的一种模拟CO2干法压裂工质混输实验装置及实验方法；其特征在于：气化器采用空浴式、水浴式、电加热和蒸汽加热式结构。
4.根据权利要求1的一种模拟CO2干法压裂工质混输实验***及实验方法；其特征在于：液态CO2储罐、密闭砂罐和回收罐均为压力容器。
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