可视化二氧化碳压裂混砂装置及方法与流程

1.本发明属于油气田开发技术领域，更具体地，涉及一种可视化二氧化碳压裂混砂装置及方法。


背景技术：

2.液态二氧化碳压裂是一种以二氧化碳代替常规水力压裂液的无水压裂技术，国内外的实践成果表明，液态二氧化碳压裂对低压、低渗透、强水锁及水敏储层的压裂改造效果十分明显。二氧化碳压裂的主要技术难点是常规压裂所使用的混砂设备无法满足作业需要，需研制专用的密闭混砂设备。因此，混砂装置是液态二氧化碳压裂工艺施工的核心设备。
3.目前密闭混砂设备主要有两种类别：
①
由常规压裂工艺中的混砂设备升级密闭性而来。如，在杨延增(2017)所申请的专利“液态二氧化碳干法加砂压裂系统及工艺流程(cn201812081566.4)”、“一种密闭混砂装置(cn201720033541.3)”中，采用传统卧式罐，实现密闭环境中压裂液与支撑剂固定比例的混合并输出；王雅东(2017)所申请的“一种用于油田压裂的带压混砂装置(cn201710650568.1)”中，采用立式罐配合搅拌器实现携砂液的混合输送。
②
基于文丘里原理的喷射式混砂罐或混砂管。如，在马卫国(2018)所发表的文献“基于cfd的液态co2密闭混砂器结构参数设计”中阐述了其作用机理、优化了设计参数；在彭平生(2017)所申请的专利“适用于混砂设备的喷射式混合罐(cn201721356655.8)”中，采用注入管于罐壁内侧接入射流管配合搅拌器实现携砂液的均匀混合、降低功率。但目前这些现场采用的混砂设备均为不可视，无法直接观测携砂液的混合情况，无法获知是否会出现管汇内沉砂现象，因而无法准确的做出后续工序的调整。
4.因此期待研发一种更加合理、可靠的可视化二氧化碳压裂混砂装置及方法，为液态二氧化碳压裂技术的推广提供支持。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对常规液态二氧化碳压裂中出现的无法直接观测携砂液的混合情况、无法获知是否会出现管汇内沉砂现象、无法准确做出后续工序调整的问题，提供一种具备可视性，方便观察携砂液的状态的可视化二氧化碳压裂混砂装置及方法，以更真实、客观的反馈施工情况，提高液态二氧化碳与支撑剂的混合程度，并简化设备、提高可靠性，避免管内沉砂。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种可视化二氧化碳压裂混砂装置，包括：
7.混砂罐，所述混砂罐包括透明筒体及一对接头，所述一对接头分别封闭所述透明筒体的两端，其中一个所述接头上设有进液口和进砂口，另一个所述接头上设有出料口；
8.一对涡轮，所述一对涡轮设置于所述混砂罐内且分别位于所述透明筒体的两端，所述一对涡轮通过涡轮轴传动连接且所述涡轮轴位于所述透明筒体的轴线上。
9.可选地，所述透明筒体的筒壁中设有真空夹层，所述透明筒体的外表面覆盖有疏
水涂层。
10.可选地，所述透明筒体与所述接头之间通过螺纹连接，所述螺纹的绞牙内置密封圈。
11.可选地，所述涡轮包括轴套、外环及多个叶片，所述外环套设于所述轴套的外侧且与所述轴套同轴，所述多个叶片沿所述外环的径向连接于所述轴套与所述外环之间，所述轴套套设于所述涡轮轴上，所述外环通过轴承连接于所述接头的内壁。
12.可选地，所述透明筒体由玻璃钢制成，所述接头由钢制成，所述涡轮与所述接头一体成型。
13.可选地，所述进液口、所述进砂口及所述出料口的轴线与所述透明筒体的轴线平行。
14.本发明还提供一种二氧化碳压裂混砂方法，利用上述的可视化二氧化碳压裂混砂装置，所述方法包括如下步骤：
15.1)安装可视化二氧化碳压裂混砂装置；
16.2)由进液口向混砂罐内注入液态二氧化碳，使混砂罐内形成液态二氧化碳流动，推动涡轮旋转；
17.3)由进砂口向混砂罐内输送支撑剂，使支撑剂在涡轮的作用下与液态二氧化碳接触混合；
18.4)携砂液由出料口排出。
19.可选地，所述步骤1)包括：
20.1.1)在地面上设置固定装置；
21.1.2)将透明筒体安装于固定装置上，且使透明筒体的轴线保持水平；
22.1.3)安装接头及涡轮轴；
23.1.4)将进液口、进砂口及出料口与对应的管线连接，连接时保证所述进液口、进砂口及出料口的轴线与管线的轴线重合。
24.可选地，所述步骤2)包括：
25.2.1)由进液口向混砂罐内缓慢注入液态二氧化碳，直至混砂罐内的温度、压力达到临界值，出现稳定的液态二氧化碳；
26.2.2)打开出液口，使混砂罐内形成液态二氧化碳流动，并逐渐增加排量至压裂设计排量，推动涡轮旋转。
27.可选地，所述步骤3)包括：
28.3.1)由进砂口向混砂罐内输送支撑剂，使支撑剂在液态二氧化碳的携带下穿过靠近进砂口的涡轮，促使支撑剂与液态二氧化碳第一次搅拌混合；
29.3.2)携砂液流动至出料口处，穿过靠近出料口的涡轮，进行二次混合搅拌。
30.本发明的有益效果在于：混砂罐采用透明筒体，方便观察携砂液的状态，对施工情况的反馈更真实、客观；在混砂罐内设置涡轮，使涡轮通过水动力性启动，无需传统的搅拌棒，不引入外接设备、不需能量输入，简化了设备、提高了设备的可靠性；利用本装置能够提高支撑剂与液态二氧化碳的混合效果，避免了管汇内沉砂的现象。其结构简单、便捷高效，具有良好的推广前景。
31.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
32.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
33.图1示出了根据本发明的一个实施例的可视化二氧化碳压裂混砂装置的示意图。
34.图2示出了图1的a-a剖面图。
35.附图标记说明
36.1、进砂口；2、进液口；3、接头；4、轴承；5、涡轮；6、涡轮轴；7、出料口；8、叶片；9、真空夹层；10、透明筒体。
具体实施方式
37.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.本发明公开了一种可视化二氧化碳压裂混砂装置，包括：
40.混砂罐，混砂罐包括透明筒体及一对接头，一对接头分别封闭透明筒体的两端，其中一个接头上设有进液口和进砂口，另一个接头上设有出料口；
41.一对涡轮，一对涡轮设置于混砂罐内且分别位于透明筒体的两端，一对涡轮通过涡轮轴传动连接且涡轮轴位于透明筒体的轴线上。
42.具体地，混砂罐采用透明筒体，方便观察携砂液的状态，对施工情况的反馈更真实、客观；在混砂罐内设置涡轮，使涡轮通过水动力性启动，无需传统的搅拌棒，不引入外接设备、不需能量输入，简化了设备、提高了设备的可靠性；利用本装置能够提高支撑剂与液态二氧化碳的混合效果，避免了管汇内沉砂的现象。其结构简单、便捷高效，具有良好的推广前景。
43.进一步地，混砂装置中还包括温度计、压力计和流量计，设置于混砂罐中，用于测量罐内温度和压力，以及监测流量。
44.作为可选方案，透明筒体的筒壁中设有真空夹层，透明筒体的外表面覆盖有疏水涂层。
45.具体地，设置真空夹层作为观察窗口，可有效避免热传递造成的筒体表面结冰导致无法观察，同时在玻筒体外表面喷涂疏水涂层，能够避免施工时冷凝水富集于表面，阻挡视线，无法观察的结果。
46.作为可选方案，透明筒体与接头之间通过螺纹连接，螺纹的绞牙内置密封圈。
47.具体地，接头通过螺纹与透明筒体连接，且螺纹绞牙内置密封圈，能够保证混砂罐
在施工压力下液态二氧化碳不泄不漏(通常为2mpa、-18℃)。
48.作为可选方案，涡轮包括轴套、外环及多个叶片，外环套设于轴套的外侧且与轴套同轴，多个叶片沿外环的径向连接于轴套与外环之间，轴套套设于涡轮轴上，外环通过轴承连接于接头的内壁。
49.具体地，在透明筒体内可根据需要增加涡轮的安装，此处安装的涡轮尺寸需小于透明筒体的内径，涡轮与透明筒体内表面不发生接触，仅用作强化搅拌的功能。
50.作为可选方案，透明筒体由玻璃钢制成，接头由钢制成，涡轮与接头一体成型。
51.具体地，透明筒体的材质可根据需要选择，不限于本技术中提到的玻璃钢；接头的材质也可根据需要选择，不限于本技术中提到的钢。
52.涡轮与接头一体成型，在安装时只需通过涡轮轴将透明筒体两端的涡轮连接即可，简化了结构及安装步骤。
53.作为可选方案，进液口、进砂口及出料口的轴线与透明筒体的轴线平行。
54.具体地，进液口、进砂口及出料口的轴线与透明筒体的轴线平行，能够避免液体及支撑剂的流动方向形成扭矩引发额发应力，造成设备损坏。
55.本发明还公开了一种二氧化碳压裂混砂方法，利用上述的可视化二氧化碳压裂混砂装置，方法包括如下步骤：
56.1)安装可视化二氧化碳压裂混砂装置；
57.2)由进液口向混砂罐内注入液态二氧化碳，使混砂罐内形成液态二氧化碳流动，推动涡轮旋转；
58.3)由进砂口向混砂罐内输送支撑剂，使支撑剂在涡轮的作用下与液态二氧化碳接触混合；
59.4)携砂液由出料口排出。
60.具体地，利用本方法进行二氧化碳压裂混砂，方便观察携砂液的状态，对施工情况的反馈更真实、客观，能够提高支撑剂与液态二氧化碳的混合效果，避免了管汇内沉砂的现象；
61.进一步地，在透明筒体处可观察液态二氧化碳与支撑剂的混合状态，同时可以观察携砂液的流态，并可依据观察结果进行后续工序的调整。
62.作为可选方案，步骤1)包括：
63.1.1)在地面上设置固定装置；
64.1.2)将透明筒体安装于固定装置上，且使透明筒体的轴线保持水平；
65.1.3)安装接头及涡轮轴；
66.1.4)将进液口、进砂口及出料口与对应的管线连接，连接时保证进液口、进砂口及出料口的轴线与管线的轴线重合。
67.具体地，可视化二氧化碳压裂混砂装置的主体功能通过透明筒体实现，而其材料属性为高强度、高脆度，因此不宜承受外部的应力及扭矩，其安装时应在地面提前安置固定装置，并保证固定透明筒体后不承受外界应力。
68.进一步地，连接时保证进液口、进砂口及出料口的轴线与管线的轴线重合，以避免形成扭矩引发额发应力，造成设备损坏。
69.作为可选方案，步骤2)包括：
70.2.1)由进液口向混砂罐内缓慢注入液态二氧化碳，直至混砂罐内的温度、压力达到临界值，出现稳定的液态二氧化碳；
71.2.2)打开出液口，使混砂罐内形成液态二氧化碳流动，并逐渐增加排量至压裂设计排量，推动涡轮旋转。
72.具体地，注入初期液态二氧化碳在低压高温环境下气化，逐步降低混砂罐内的温度、提升压力，继续缓慢注入液态二氧化碳直至温度、压力达到临界值，出现稳定的液态二氧化碳；应注意在该过程中不可快速注入，引发温度骤降，以免造成玻璃钢缸体的损坏。
73.进一步地，经由进液口输送液态二氧化碳入缸，通过液态二氧化碳在叶轮表面流过产生的水动力性推动涡轮旋转，此时受涡轮旋转影响，液体呈涡流状且以紊流形态流动。
74.作为可选方案，步骤3)包括：
75.3.1)由进砂口向混砂罐内输送支撑剂，使支撑剂在液态二氧化碳的携带下穿过靠近进砂口的涡轮，促使支撑剂与液态二氧化碳第一次搅拌混合；
76.3.2)携砂液流动至出料口处，穿过靠近出料口的涡轮，进行二次混合搅拌。
77.具体地，当支撑剂在液态二氧化碳的携带下穿过靠近进砂口的涡轮时，涡轮自身的转动促使支撑剂与液态二氧化碳第一次搅拌混合；穿过涡轮后液体呈紊流态流动，提高了携砂能力，同时在涡轮的作用下形成涡流，进一步提高了与支撑剂的混合程度，并且在涡流、紊流的双重影响下，支撑剂不会在运移过程中出现管内沉砂的现象；携砂液运移至出液口处，与靠近出料口的涡轮接触进行二次混合搅拌，有效避免支撑剂沉降出现的砂堵现象。
78.若透明筒体内的涡轮轴上另有安装叶轮，则可增加对携砂液的额外搅拌功能，进一步提高液态二氧化碳的携砂性能，但此时较难以观察携砂液的混合情况，因此欲观察携砂液的混合情况则不能在涡轮轴上安装额外的叶轮。
79.实施例
80.图1示出了本实施例的可视化二氧化碳压裂混砂装置的示意图；图2示出了图1的a-a剖面图。
81.如图1、图2所示，混砂罐包括透明筒体10及一对接头3，透明筒体10由玻璃钢制成，筒壁中设有真空夹层9，透明筒体10的外表面覆盖有疏水涂层；一对接头3由钢制成，分别封闭透明筒体10的两端，与透明筒体10之间通过螺纹连接，螺纹的绞牙内置密封圈，其中一个接头3上设有进液口2和进砂口1，另一个接头3上设有出料口7，进液口2、进砂口1及出料口7的轴线与透明筒体10的轴线平行；
82.涡轮5包括轴套、外环及多个叶片8，外环套设于轴套的外侧且与轴套同轴，多个叶片沿8外环的径向连接于轴套与外环之间，轴套套设于涡轮轴6上，外环通过轴承4连接于接头3的内壁，涡轮5与接头3一体成型，混砂罐两端的一对涡,5通过涡轮轴6传动连接且涡轮轴6位于透明筒体10的轴线上。
83.其中，混砂装置中还包括温度计、压力计和流量计，设置于混砂罐中，用于测量罐内温度和压力，以及监测流量。
84.本装置通过设置透明筒体及涡轮，通过水动力性在管路内制造涡流提高携砂液的混合程度，无需传统的搅拌棒，不引入外接设备、不需能量输入，简化了设备、提高了可靠性，避免了管内沉砂的想象；同时具备可视性，方便观察携砂液的状态，对施工的反馈更真实、客观。
85.二氧化碳压裂混砂方法包括如下步骤：
86.1)在地面上设置固定装置；
87.2)将透明筒体安装于固定装置上，且使透明筒体的轴线保持水平，并保证透明筒体安装后不承受外界应力；
88.3)安装接头及涡轮轴，使涡轮轴传动连接于透明筒体两端的涡轮之间；
89.4)将进液口、进砂口及出料口与对应的管线连接，连接时保证进液口、进砂口及出料口的轴线与管线的轴线重合。
90.5)由进液口向混砂罐内缓慢注入液态二氧化碳，直至混砂罐内的温度、压力达到临界值，出现稳定的液态二氧化碳，应注意在该过程中不可快速注入，引发温度骤降，以免造成玻璃钢缸体的损坏；
91.6)打开出液口，使混砂罐内形成液态二氧化碳流动，并逐渐增加排量至压裂设计排量，推动涡轮旋转；此时液态二氧化碳在叶轮表面流过产生的水动力性推动涡轮旋转，受涡轮旋转影响，液体呈涡流状且以紊流形态流动；
92.7)由进砂口向混砂罐内输送支撑剂，使支撑剂在液态二氧化碳的携带下穿过靠近进砂口的涡轮，促使支撑剂与液态二氧化碳第一次搅拌混合，穿过涡轮后液体呈紊流态流动，提高了携砂能力，同时在涡轮的作用下形成涡流，进一步提高了与支撑剂的混合程度，并且在涡流、紊流的双重影响下，支撑剂不会在运移过程中出现管内沉砂的现象；
93.8)携砂液流动至出料口处，穿过靠近出料口的涡轮，进行二次混合搅拌，有效避免支撑剂沉降出现的砂堵现象。
94.9)携砂液由出料口排出，,出料口与管汇相连最终经由泵车加压泵入井口。
95.本发明通过设置透明筒体，方便观察携砂液的状态，对施工情况的反馈更真实、客观，并在筒体两端设置涡轮，通过水动力性启动，无需传统的搅拌棒，不引入外接设备、不需能量输入，简化了设备、提高了可靠性；同时提高了支撑剂与液态二氧化碳的混合效果，有效避免了管汇内沉砂的现象。
96.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。