[發(fā)明專利]一種二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置及其分級強化壓裂方法

有效

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• 申請日: 2021-08-03
• 公開（公告）號: CN113431547B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發(fā)明（設計）人: 黃啟銘;李明陽;王剛;李軍
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: E21B43/26
• 分類號: E21B43/26;E21B43/267;C09K8/68;C09K8/90;E21B43/00
• 代理公司: 重慶天成卓越專利代理事務所(普通合伙) 50240
• 代理人: 譚小容

1.一種二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置，其特征在于：包括水基壓裂系統(tǒng)、壓力監(jiān)測系統(tǒng)、高壓注氣系統(tǒng)、超聲波震蕩系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)(10)；

所述水基壓裂系統(tǒng)包括壓裂液儲備罐(17)、高壓水泵(16)和高壓管路(14)，所述高壓水泵(16)的進水端與壓裂液儲備罐(17)連接，高壓水泵(16)的出水端與高壓管路(14)的進水端連接；

所述壓力監(jiān)測系統(tǒng)包括壓力傳感器(13)、防水線纜(12)和數(shù)據(jù)集成器(11)，所述壓力傳感器(13)通過防水電纜(12)連接數(shù)據(jù)集成器(11)，壓力傳感器(13)設置于高壓管路(14)出水端的外壁上；

所述高壓注氣系統(tǒng)包括二氧化碳儲備罐(7)、高壓氣泵(6)和注氣管柱(4)，所述高壓氣泵(6)的進氣端與二氧化碳儲備罐(7)連接，高壓氣泵(6)的出氣端與注氣管柱(4)的進氣端連接；

所述超聲波震蕩系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器(9)、傳輸線纜(8)和超聲波換能器(2)，所述超聲波換能器(2)通過傳輸電纜(8)連接超聲波發(fā)生器(9)，超聲波換能器(2)設置于注氣管柱(4)出氣端的外壁上；

所述高壓水泵(16)、數(shù)據(jù)集成器(11)、高壓氣泵(6)、超聲波發(fā)生器(9)分別通過信號線纜與中央控制系統(tǒng)(10)連接。

2.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置，其特征在于：所述超聲波換能器(2)有三個，沿注氣管柱(4)的長度方向均勻分布。

3.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置，其特征在于：所述傳輸線纜(8)的包裹層采用橡膠與鋁塑復合帶結合的形式。

4.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置，其特征在于：所述中央控制系統(tǒng)(10)為計算機系統(tǒng)。

5.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置，其特征在于：所述壓力傳感器(13)的外殼由不銹鋼材料制成。

6.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置，其特征在于：所述超聲波換能器(2)由壓電陶瓷元件制成。

7.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置，其特征在于：所述超聲波換能器(2)的外殼由三元乙丙膠制成。

8.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置，其特征在于：所述超聲波換能器(2)的外殼由金屬材料制成，并在外殼上涂有一層高分子防水涂料。

9.一種二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡分級強化壓裂方法，其特征在于：基于權利要求1-8任一項所述的二氧化碳超聲震蕩發(fā)泡裝置，包括以下步驟：

步驟一、配制壓裂液，其原料比為0.35-0.65％wt羥甲基瓜爾膠、0.5-0.7％wtKCl、0.5-0.8％wtα-烯烴磺酸鈉、0.4-0.6％wt有機硼、0.04-0.06％wt膠囊過硫酸銨、25-35％wt石英砂，余量為水；

步驟二、將高壓管路(14)的出水端及壓力傳感器(13)置于井筒(1)內(nèi)部，將注氣管柱(4)的出氣端及超聲波換能器(2)置于井筒(1)內(nèi)部；

步驟三、開啟高壓水泵(16)，通過高壓管路(14)向井筒(1)內(nèi)注入壓裂液，壓力傳感器(13)實時監(jiān)測井筒(1)內(nèi)部壓力變化并將監(jiān)測的壓力數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)集成器(11)，數(shù)據(jù)集成器(11)將壓力數(shù)據(jù)實時傳遞到中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)根據(jù)壓力變化采取相應的措施；

a、井筒(1)內(nèi)壓力開始上升，表明壓裂液逐步充滿井筒(1)并對井壁產(chǎn)生壓力，促使井筒(1)周邊煤體變形，水基壓裂開始；

b、井筒(1)內(nèi)壓力達到最高值P1，表明井壁壓力達到煤層破裂壓力；

c、井筒(1)內(nèi)壓力迅速下降，表明煤層起裂，形成裂縫；

d、中央控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)集成器(11)記錄的壓力變化，發(fā)出關井和關閉壓裂液儲備罐的閥門的信號，自動關閉高壓水泵(16)；

e、井筒內(nèi)壓力下降減緩，趨于定值P2，表明裂隙閉合在支撐劑石英砂上，并達到最大裂隙擴展；

f、中央控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)集成器(11)記錄的壓力變化，發(fā)出水基壓裂完成信號，自動開啟高壓氣泵(6)及超聲波發(fā)生器(9)，高壓氣泵(6)將二氧化碳儲備罐(7)中的二氧化碳氣體通過注氣管柱(4)泵入壓裂液中，超聲波發(fā)生器(9)將220V電壓轉化為超聲波信號，并通過傳輸線纜(8)將信號傳輸給超聲波換能器(2)，使其產(chǎn)生超聲波；

g、超聲波作用于壓裂液時，壓裂液內(nèi)部出現(xiàn)拉應力，導致壓強降低，壓裂液中的二氧化碳氣體從液體中逸出，α-烯烴磺酸鈉作為起泡劑，其中的烯烴是親油基，其分子會在溶劑中產(chǎn)生定向排列，達到改變表面張力的效果，使壓裂液更易形成泡沫，在井筒(1)和已有裂隙網(wǎng)絡內(nèi)形成憋壓，井筒(1)內(nèi)壓力快速升高，進入泡沫壓裂階段；

h、井筒(1)內(nèi)壓力保持不變，表明井筒(1)裂隙達到臨界壓力P3；

i、井筒(1)內(nèi)壓力急劇下降，表明井筒(1)裂隙發(fā)生進一步擴展；

步驟四、中央控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)集成器(11)記錄的壓力變化，設定時間1h后發(fā)出信號，自動關閉高壓氣泵(6)以及超聲波發(fā)生器(9)，完成二次分級壓裂；

步驟五、中央控制系統(tǒng)發(fā)出返排信號，開啟井筒(1)進行返排，由于井內(nèi)壓力大于大氣壓，在壓力差的作用下，壓裂液開始由煤層向地面進行返排，同時，由于井筒(1)壓力降低，二氧化碳氣泡膨脹，進一步強化壓裂液返排至地面，壓裂結束。