[发明专利]二氧化碳压裂介质相变控制系统及方法

说明书

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。

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。