一种页岩油气储层压裂用无水泡沫发生器及其应用

摘要

本发明公开了一种页岩油气储层压裂用无水泡沫发生器及其应用。所述无水泡沫发生器的结构如下：支撑剂储罐的顶部设有加砂口、液态CO2第二注入口和安全阀，底部通过支撑剂排出管与高压气液固混合器相连通；支撑剂储罐的顶部通过排气管与一次级振荡器和二级振荡器相连通，高压气液固混合器的侧壁上设有液态CO2第一注入口、N2注入口和无水泡沫起泡剂注入口，且通过排液管与一级振荡器相连通，一级、二级和三即振荡器依次连通。本发明无水泡沫发生器的三类串联震荡的方式，具备高效发泡的特点，保证了液态CO2、N2、支撑剂颗粒的充分混合，强化了无水泡沫压裂液用起泡剂的发泡能力，可以产生均匀致密的无水泡沫压裂液，有助于提升压裂效能，大幅度减少地层伤害。

说明书

技术领域

本发明涉及一种页岩油气储层压裂用无水泡沫发生器及其应用，属于开发利用页岩气、页岩油的压裂装备技术领域。

背景技术

我国页岩气、页岩油资源丰富，储量巨大，其高效开发对于优化我国油气能源结构具有战略意义。然而页岩油气储集层普遍存在基质孔隙小、渗透率极低，采用常规油气开发思路难以实现页岩油气的有效开发利用。页岩储集层的先天发育不足，决定了压裂改造是实现其工业化生产利用的必然途径，而其后天易伤害又对储集层保护提出了严苛的要求。传统水基压裂液多以聚合物作为增稠剂，存在破胶困难、残渣含量高、黏土膨胀、返排能力差等问题，易导致储层压裂后难以正常生产。此外，水基压裂过程中耗水量高，同时对地层水、地表水及土壤存在各类潜在污染。因此，发展“低耗水量、低储层伤害、高效、环保”的压裂技术，是页岩油气高效开发利用的关键。无水泡沫压裂液是以液态CO₂为外相，以N₂为内相形成的高能流体。由于体系几乎全部由气体组成，大幅减少了压裂对水资源的消耗和污染，且体系中无聚合物类残渣，可与页岩储层良好配伍，完全避免了压裂液对地层的伤害，在页岩油气储集层开发利用中具备极大的应用前景。

无水泡沫压裂技术的一个关键是将液态CO₂和高压N₂充分混合形成泡沫流体。传统泡沫发生装置均主要是针对水基泡沫设计，目前尚没有针对无水泡沫发生装置的专利及研究报道。水基泡沫中的水/气体系与无水泡沫中的液态CO₂/N₂体系存在很大差异，这也造成传统水基泡沫发生器难以满足无水泡沫的高效发生的要求。首先液态CO₂和N₂均属于非极性分子，针对无水泡沫的起泡剂类型与传统水基泡沫体系明显不同，可选择的起泡剂类型非常有限，起泡剂自身的发泡能力的优化空间相对较小。因此，液态CO₂和N₂需要借助混合能力更强的泡沫发生装置来产生均匀致密的无水泡沫压裂液。同时，与含液态水的传统泡沫不同，无水泡沫中液态CO₂粘度、密度、界面张力等物理性质对温度极为敏感，发泡过程中要求泡沫发生装置具备一定的温度控制能力。此外，无水泡沫压裂液的一个重要作用是携带支撑剂进入压裂开的页岩层，构建高效的页岩油气导流通道。这对地面的无水泡沫发生装置提出了更高的要求：在混合液态CO₂和N₂形成无水泡沫压裂液的同时，还可以控制无水泡沫压裂液中的支撑剂密度，并能抵抗住高速流动压裂液中支撑剂对装置的强烈冲击作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种页岩油气储层压裂用无水泡沫发生装置及其应用，该泡沫发生装置克服了现有装置难形成无水泡沫压裂液的不足，可以产生N₂均匀分散于液态CO₂中的无水泡沫体系，同时可以在高压条件完成无水泡沫流体和支撑剂颗粒的充分混合，并可以控制支撑剂颗粒在无水泡沫中的浓度，进而能够产生适用于页岩气、页岩油开发的无水泡沫压裂液体系。

本发明所提供的页岩油气储层压裂用无水泡沫发生器，包括支撑剂储罐、高压气液固混合器、无水泡沫压裂液一级振荡器、无水泡沫压裂液二级振荡器和无水泡沫压裂液三级振荡器；

所述支撑剂储罐的顶部设有加砂口、液态CO₂第二注入口和安全阀，底部通过支撑剂排出管与所述高压气液固混合器相连通；

所述支撑剂储罐的顶部通过排气管与所述无水泡沫压裂液一次级振荡器和所述无水泡沫压裂液二级振荡器相连通；

所述高压气液固混合器的侧壁上设有液态CO₂第一注入口、N₂注入口和无水泡沫起泡剂注入口；

所述高压气液固混合器通过排液管与所述无水泡沫压裂液一级振荡器相连通，所述无水泡沫压裂液一级振荡器、所述无水泡沫压裂液二级振荡器和所述无水泡沫压裂液三级振荡器依次连通；

所述无水泡沫压裂液一级振荡器为一矩形管路，所述矩形管路的两个相对的侧壁上交替形成凸三角形；

所述无水泡沫压裂液二级振荡器为圆形管路，所述圆形管路的内壁形成若干个圆弧形文丘里管；

所述无水泡沫压裂液三级振荡器为圆形管路，所述圆形管路的内壁形成若干个圆弧形文丘里管，所述圆弧形文丘里管的扩径管处设置蜂窝煤状的圆弧形小型文丘里管；

所述无水泡沫压裂液三级振荡器与无水泡沫排出管相连通。

上述的无水泡沫发生器中，所述支撑剂储罐内设有控制支撑剂排量的液压封闭闸门；

所述液压封闭闸门包括设于所述支撑剂储罐内的液压缸、与所述液压缸相连的液压轴以及固定在所述液压轴顶端的进油口和底端的液压闸门，所述液压闸门的上行或下行实现支撑剂排量的控制；

所述液压缸与所述液压轴之间设置密封圈，如石墨密封圈，达到耐液态CO₂腐蚀和耐高压的有益效果。

上述的无水泡沫发生器中，所述支撑剂储罐的底部呈锥形漏斗形，其锥顶与所述支撑剂排出管相连通。

上述的无水泡沫发生器中，所述液态CO₂第二注入口的作用是携带支撑剂颗粒流出所述支撑剂储罐，此处设计的优势在于：液态CO₂为无水泡沫压裂液的外相，具有用量大、密度相对大、粘度高的特点，可以裹挟支撑剂颗粒通过闸门进入所述高压气液固混合器，防止支撑剂颗粒堆积，使其在储罐内流动顺畅，避免堵塞闸板现象的发生。

所述加砂口的作用是添加支撑剂颗粒进入所述支撑剂储罐内，所述安全阀的作用是防止储罐压力过高及时泄压并排出CO₂，所述排气管的作用是用液态CO₂对振荡器进行冷却。

上述的无水泡沫发生器中，所述圆形管路或所述矩形管路均为钢管，其外部设有保温层，内表面镶嵌耐磨陶瓷层，具有耐磨、耐压、耐腐蚀的效果；

所述钢管的材质可为16Mn钢材；

上述的无水泡沫发生器中，所述高压气液固混合器的作用是实现液态CO₂、N₂、支撑剂颗粒的第一次初步混合，所述液态CO₂第一注入口和所述N₂注入口出口处设置有滤砂网，初步混合的无水泡沫压裂液通过所述滤砂网和所述排液管进入所述无水泡沫压裂液一级振荡器中；

所述滤砂网的目数可为150～300目，根据工艺要求，可以更换不同目数的滤砂网，达到优化施工有益效果。

上述的无水泡沫发生器中，所述无水泡沫压裂液一级振荡器的作用改变无水泡沫压裂液的流动状态，减缓压裂液对管壁的冲击作用，使液态CO₂为外相初步包裹N₂，支撑剂颗粒均匀的分散在液态CO₂中。

所述凸三角顶角可为110°～130°，优选120°；

所述无水泡沫压裂液一级振荡器的矩形管路的外部宽和高可为10.00cm～13.00cm；总管长度可为60.00cm～100.00cm。

进一步地，所述无水泡沫压裂液一级振荡器内设置5～6个上下交错的所述凸三角形，顶角为115°～125°，高为2.50cm～3.50cm；总管长度可为80.00cm～85.00cm，外部钢体边长为10.00cm～10.50cm，厚度为2.25cm。本发明所优选角度和结构使无水泡沫压裂液的流动状态发生改变，利用湍流使N₂、支撑剂颗粒、液态CO₂三相产生震荡，初步混合，同时降低压裂液对管壁的冲击作用，初步使N₂和支撑剂颗粒均匀的分散在液态CO₂中。

上述的无水泡沫发生器中，所述无水泡沫压裂液二级振荡器包括间距相同的4～10个所述圆弧形文丘里管，所述圆弧形文丘里管的作用是二次充分震荡，达到提升无水泡沫致密均匀程度的目的，使泡沫液膜均匀包裹住支撑剂颗粒。

所述圆弧形文丘里管的最大管径为6.90cm～7.60cm，最小管径为2.75cm～3.25cm；外径为9.50cm～10.00cm。

进一步地，所述无水泡沫压裂液二级振荡器内设置4～6个所述圆弧形文丘里管，所述圆弧形文丘里管的最大管径为6.90cm～7.10cm，最小管径为2.90cm～3.10cm，以达到液态CO₂液膜均匀的包裹N₂和支撑剂颗粒的有益效果。

上述的无水泡沫发生器中，所述无水泡沫压裂液三级振荡器包括间距相同的4～10个圆弧形文丘里管，4～5个尺寸相同的小型文丘里管；所述小型文丘里管的作用使N₂、支撑剂颗粒、液态CO₂三相产生震荡，充分混合，产生粒径均匀的稳定泡沫的效果；

所述圆弧形文丘里管的最大管径为6.90cm～7.60cm，最小管径为2.75cm～3.25cm；外径为9.50cm～10.00cm；所述小型圆弧形文丘里管的最大管径为1.50cm～2.15cm，最小管径为0.75cm～1.25cm。

进一步地，所述无水泡沫压裂液三级振荡器设置4～6个所述圆弧形文丘里管，所述圆弧形文丘里管最大管径为6.90cm～7.10cm，最小管径为2.90cm～3.10cm，总管的长度为60.00cm～100.00cm；设置4～5个所述小型文丘里管，所述小型圆弧形文丘里管的最大管径为1.70cm～1.80cm，最小管径为0.80cm～1.10cm。

所述CO₂第二注入口的液态CO₂注入可以提高支撑剂颗粒的流动性，液态CO₂粘度高、密度大、携砂能力强，可以防止支撑剂颗粒堵塞闸门，达到了减少使用增稠剂用量，减少增稠剂伤害地层的有益效果。

利用本发明页岩油气储层压裂用无水泡沫发生器制备无水泡沫压裂液时，可按照下述步骤进行：

(1)加砂与试压

将所述页岩油气储层压裂用无水泡沫发生器的无水泡沫排出管连接到装配阀门的压裂用的高压管线上，通过所述加砂口向所述支撑剂储罐内加入支撑剂颗粒，加砂结束后，用法兰密封，关闭所述加砂口、所述安全阀、所述排气管、所述液态CO₂第一注入口、所述无水泡沫起泡剂注入口和所述N₂注入口，通过所述液态CO₂第一注入口通入液态CO₂，保持90MPa压力30～40min，进行憋压，不刺不漏即为合格；

(2)冷却

试压工作结束后，通过所述液态CO₂第一注入口通入液态CO₂，控制所述排气管上的阀门和所述支撑剂储罐的底部的闸门的开度(使支撑剂颗粒不能通过)，使部分CO₂分流进入所述支撑剂储罐内并依次通过所述排气管、所述无水泡沫压裂液三级振荡器和无水泡沫排出管排出；剩余部分CO₂分流依次进入所述无水泡沫压裂液一级振荡器、所述无水泡沫压裂液二级振荡器、所述无水泡沫压裂液三级振荡器和无水泡沫排出管排出，当各部分下降到施工要求温度即可停止；

(3)形成泡沫

冷却工作结束后，关闭所述排气管，完全打开所述支撑剂储罐的底部的闸门；液态CO₂通过所述液态CO₂第一注入口和所述液态CO₂第二注入口注入，N₂通过所述N₂注入口注入，起泡剂通过所述无水泡沫起泡剂注入口注入，进行压裂；在压裂过程中，控制所述液态CO₂第一注入口、所述液态CO₂第二注入口和N₂注入口的流量，控制砂比浓度，完成压裂施工；

(4)排渣

压裂施工结束后，将所述无水泡沫发生器卸去压力，使所述无水泡沫排出管朝向安全方向，通过所述液态CO₂第一注入口注入高压CO₂，排出所述无水泡沫压裂液一级振荡器、所述无水泡沫压裂液二级振荡器和所述无水泡沫压裂液三级振荡器中的支撑剂颗粒及残余起泡剂。

上述方法中，步骤(2)中，按照下述公式方式确定砂比浓度：

式中，Q_砂表示支撑剂颗粒的体积排量，Q_N2表示N₂的体积排量，Q₁表示液态CO₂第一注入口液态CO₂的体积排量，Q₂表示液态CO₂第二注入口液态CO₂的体积排量，Q_起泡剂表示无水泡沫起泡剂注入口起泡剂的体积排量，K₁表示CO₂流量系数，K₂表示支撑剂储罐的液压闸门开度系数，K₃表示支撑剂体积系数(与颗粒的形状有关，若用球形陶瓷颗粒，K₃＝V_球/V_正方体＝0.52)；

其中，K₂＝S_砂罐/S_缝＝0.12，S_砂表示支撑剂储罐的横截面积，S_缝表示液压闸门打开时，液压闸门与支撑剂储罐缝隙的截面积。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供的页岩油气储层压裂用无水泡沫发生装置，克服了现有装置难形成无水泡沫压裂液的不足，可以产生N₂均匀分散于液态CO₂中的无水泡沫体系，同时可以在高压条件完成无水泡沫流体和支撑剂颗粒的充分混合，并可以控制支撑剂颗粒在无水泡沫中的浓度，进而能够产生适用于页岩气、页岩油开发的无水泡沫压裂液体系。

(2)本发明设计了三类串联震荡的方式，具备高效发泡的特点，保证了液态CO₂、N₂、支撑剂颗粒的充分混合，强化了无水泡沫压裂液用起泡剂的发泡能力，可以产生均匀致密的无水泡沫压裂液，进而更好的满足页岩气、页岩油压裂开发作业的安全高效性需求，有助于提升压裂效能，大幅度减少地层伤害。

(3)本发明的无水泡沫发生装置考虑了对无水泡沫中液态CO₂粘度、密度、界面张力对温度敏感性，在泡沫发生装置外侧设置了保温层，减少了无水泡沫形成过程中外部环境温度的影响，保证了无水泡沫压裂液形成过程的稳定性。

(4)本发明在混合液态CO₂和N₂形成无水泡沫压裂液的同时，还可以控制无水泡沫压裂液中的支撑剂颗粒密度，并能抵抗住高速流动压裂液中支撑剂对装置的强烈冲击作用，保证了含支撑剂无水泡沫发生过程的安全性。

(5)本发明安装方便，操作简单，作业过程中不需要消耗水资源，避免了对地层水、地表水及土壤的水污染风险，可以满足沙漠、戈壁、山区、丘陵等缺水及生态敏感地区的页岩气、页岩油开发的开发需求。

附图说明

图1为本发明页岩油气储层压裂用无水泡沫发生装置的结构示意图。

图2为图1中1-1的剖视图(无水泡沫压裂液一级振荡器)。

图3为图1中1-2的剖视图(无水泡沫压裂液二级振荡器)。

图4为图1中1-3的剖视图(无水泡沫压裂液三级振荡器)。

图5为图1中1-3的局部放大图(无水泡沫压裂液三级振荡器)。

图中各标记如下：

1.支撑剂储罐罐体，2.支撑剂储罐内腔，3.支撑剂颗粒，4.液压缸内腔，5.密封圈，6.进油口，7.液压轴，8.液压闸门，9.锥形漏斗，10.加砂口，11.支撑剂储罐罐体上盖板，12.液态CO₂第二注入口，13.安全阀，14.N₂注入口，15.液态CO₂第一注入口，16.无水泡沫起泡剂注入口，17.高压气液固混合器，18.排液管，19.排液管阀门，20.耐磨陶瓷层，21.凸三角形，22.24.28.钢体，23.保温层，25.30.圆弧形文丘里管路，26.排气管，27.排气管阀门，29.小型圆弧形文丘里管路，31.无水泡沫排出管，32.支撑剂排出管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供的页岩油气储层压裂用无水泡沫发生器的结构示意图如图1所示，包括支撑剂储罐(包括支撑剂储罐罐体1和支撑剂储罐内腔2)、高压气液固混合器17、无水泡沫压裂液一级振荡器、无水泡沫压裂液二级振荡器和无水泡沫压裂液三级振荡器。支撑剂储罐罐体1的顶部(支撑剂储罐罐体上盖板11)设有加砂口10、液态CO₂第二注入口12和安全阀13，底部通过支撑剂排出管32与高压气液固混合器17相连通；支撑剂储罐罐体上盖板11还设有排气管26，其另一端与无水泡沫压裂液一次级振荡器和无水泡沫压裂液二级振荡器相连通。高压气液固混合器17的侧壁上设有液态CO₂第一注入口15、N₂注入口14和无水泡沫起泡剂注入口16。高压气液固混合器17通过排液管18与无水泡沫压裂液一级振荡器相连通，无水泡沫压裂液一次级振荡器、无水泡沫压裂液二级振荡器和无水泡沫压裂液三级振荡器依次连通，无水泡沫压裂液三级振荡器与无水泡沫排出管31相连通。

具体地，如图2所示，无水泡沫压裂液一级振荡器为一矩形管路，矩形管路的两个相对的侧壁上交替形成凸三角形21，凸三角顶角为120°；所述一级振荡器总管长度80.00cm，长方体外部宽和高为10.00cm，厚度为2.25cm。

具体地，如图3所示，无水泡沫压裂液二级振荡器为圆形管路，圆形管路的内壁形成若干个圆弧形文丘里管25(由钢体24形成)。圆弧形文丘里管25的最小管径为3.00cm，最大管径为7.00cm，总管的长度为80.00cm，合金钢外径为10.00cm。

具体地，如图4所示，无水泡沫压裂液三级振荡器为圆形管路，圆形管路的内壁形成若干个圆弧形文丘里管30(由钢体28形成)，圆弧形文丘里管30的扩径管处设置蜂窝煤状的圆弧形的小型文丘里管29。圆弧形文丘里管30的最小管径为3.00cm，最大管径为7.00cm，总管的长度为80.00cm，最大管径设置五个小型文丘里管29的最小管径为1.00cm，最大管径为1.75cm，合金钢外径为10.00cm。

无水泡沫压裂液一级振荡器、无水泡沫压裂液二级振荡器和无水泡沫压裂液三级振荡器的管壁由内至外依次为耐磨陶瓷层20、钢体22(24、28)和保温层23。

为了实现支撑剂颗粒3的排量，在支撑剂储罐内设置液压封闭闸门，包括设于支撑剂储罐内的液压缸(液压缸内腔4)、与液压缸相连的液压轴7以及固定在液压轴7顶端的进油口6和底端的液压闸门8，液压闸门8的上行或下行实现支撑剂排量的控制。液压缸与液压轴7之间设置密封圈5，如石墨密封圈，达到耐液态CO₂腐蚀和耐高压的效果。支撑剂储罐的底部为锥形漏斗9，其锥顶与支撑剂排出管32相连通。

采用本发明压裂用无水泡沫发生器产生无水泡沫压裂液时，按照下述步骤进行：

(1)加砂与试压：将页岩油气储层压裂用无水泡沫发生器的无水泡沫排出管31连接到装配阀门的压裂用的高压管线上。在加砂口10添加支撑剂颗粒3，加砂结束后，用法兰密封，关闭加砂口10、安全阀13、排气管26、液态CO₂第一注入口15、无水泡沫起泡剂注入口16和N₂注入口14，通过液态CO₂第一注入口15通入液态CO₂，保持90MPa压力30～40min，进行憋压，不刺不漏即为合格；

(2)冷却：试压工作结束后，通过液态CO₂第一注入口15通入液态CO₂，控制排气管阀门27和液压闸门8开度，将一部分CO₂分流进入支撑剂储罐内并依次通过排气管26、无水泡沫压裂液三级振荡器、无水泡沫排出管31排出，将另一部分CO₂分流依次进入无水泡沫压裂液一级振荡器、无水泡沫压裂液二级振荡器、无水泡沫压裂液三级振荡器、无水泡沫排出管31排出。当装置各部分下降到施工要求温度即可停止。

(3)形成泡沫：冷却工作结束后，关闭排气管26，完全打开支撑剂储罐的液压闸门8；液态CO₂通过液态CO₂第一注入口15和液态CO₂第二注入口12注入，N₂通过N₂注入口14注入，起泡剂通过无水泡沫起泡剂注入口16注入，进行压裂；在压裂过程中，控制液态CO₂第一注入口15、液态CO₂第二注入口12和N₂注入口14的流量，控制砂比浓度，完成压裂施工；

(4)排渣：压裂施工结束后，将无水泡沫发生器卸去压力，使无水泡沫排出管31朝向安全方向，从液态CO₂第一注入口15注入高压CO₂，排出无水泡沫压裂液一级振荡器、无水泡沫压裂液二级振荡器和无水泡沫压裂液三级振荡器中的支撑剂颗粒3及残余起泡剂。

步骤(2)中，砂比浓度与液态CO₂第一注入口15、液态CO₂第二注入口12、N₂注入口14和加沙孔用量关系如下：

式中：Q_砂—支撑剂颗粒的体积排量，Q_N2—N₂的体积排量，Q₁—CO₂第一注入端液态CO₂的体积排量，Q₂—CO₂第二注入端液态CO₂的体积排量，Q_起泡剂—无水泡沫起泡剂注入口体积排量，K₁—CO₂流量系数(K₁＝8.0)，K₂—支撑剂储罐液压闸门开度系数(每次施工开度确定，K₂＝S_砂罐/S_缝＝0.12，S_砂—支撑剂储罐的横截面积，S_缝—液压闸门打开时，液压闸门与支撑剂储罐缝隙的截面积)，K₃—支撑剂体积系数(与颗粒的形状有关，若用球形陶瓷颗粒，K₃＝V_球/V_正方体＝0.52)。

在压裂作业过程中，压裂设计总排量为8m³/min，Q_N2＝3.98m³/min，Q_起泡剂＝0.02m³/min，砂比为8％，最后确定施工时CO₂的排量Q₁＝2.18m³/min，Q₂＝1.18m³/min。