一種脈沖式加砂壓裂系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明專利涉及油氣田開發(fā)領域，具體是一種實施高效、成本低廉的水力脈沖式加砂壓裂系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]水力壓裂工藝的主要目標是在地層中形成一定長度的、具有高導流能力的人工裂縫，從而降低油氣藏儲層油氣流動阻力，達到增產目的。常規(guī)的水力壓裂工藝是采用連續(xù)加砂的施工方式，使支撐劑在人工裂縫中連續(xù)、均勻鋪置，這種方式形成的人工裂縫是通過球狀支撐劑之間的孔隙作為油氣滲流的通道，壓裂液殘渣、支撐劑破碎顆粒都會造成支撐劑孔隙的堵塞，從而使裂縫導流能力降低，最終導致油氣產量的下降。近年來，國外公司在水力壓裂施工中，對水力壓裂工藝進行了重大革新，開始采用脈沖式注入方式實施水力壓裂，即攜砂液和純壓裂液以一定的脈沖間隔反復交替注入地層，大量的機理研究認為，這種水力壓裂方式可在人工裂縫內形成支撐劑的柱塞狀支撐，而柱狀支撐之間的寬大溝槽將成為主要的油氣滲流通道，并且較大的溝槽將降低壓裂液殘渣、支撐劑破碎對人工裂縫導流能力的影響，從而大幅提高水力壓裂增產效果，延長壓裂改造有效期。該項技術在國外已經得到廣泛的應用，現場實踐表明，脈沖式加砂壓裂工藝的增產效果明顯，同時可降低支撐劑、壓裂液的用量，降低施工成本。
[0003]國內目前也開展了數十口井的近似脈沖式加砂壓裂工藝先導試驗，取得了一定的現場應用效果，單井壓后的產量得到了一定程度的提升，更重要的是大大的節(jié)約了支撐劑用量，對于節(jié)約壓裂成本有較大幫助。然而，由于目前現有壓裂設備的性能條件限制，國內采用的脈沖式加砂工藝與國外的工藝相比存在較大指標差距。國外公司專門設計了結構復雜帶專有技術保護的混砂車來實施高脈沖頻率的加砂壓裂，攜砂液段與純液段的最小間隔時間可達10秒，能有效保證支撐劑分散與人工裂縫支撐柱塞的形成，而國內由于缺乏類似裝備配套，只能利用現有混砂車，采用開、?；焐败囕斏捌鞯姆绞竭M行近似脈沖式加砂壓裂，由于輸砂器的開啟一般需2-3分鐘才能達到預定加砂濃度要求，因此難以有效保證人工裂縫內支撐劑柱狀段塞的形成，同時，頻繁開關輸砂器非常容易引發(fā)機械故障，導致工程作業(yè)中途失敗，同時也會加劇輸砂器機械磨損，降低設備使用壽命。
[0004]目前國內尚有大量在用常規(guī)混砂車裝備，若簡單采用整車系統全新研發(fā)或者引進國外裝備，將造成現有裝備的閑置。針對這種情況國內已有機構開展脈沖壓裂控制相關裝備的研究工作，經專利檢索，中國石油大學(華東)溫慶志等人申請了“實現高導流能力的壓裂脈沖加砂系統”實用新型專利，該系統是一種全新的濕式混合循環(huán)控制系統，采用控制壓裂液流動的方式實現脈沖加砂壓裂，但該系統在實施應用中受混砂車混合筒大小限制，砂比的有效切換受到限制。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明公開了一種脈沖式加砂壓裂系統及其控制方法，是一種既立足于現有裝備平臺，亦滿足脈沖式加砂工藝現場實施要求的系統，具有巨大的推廣應用價值。
[0006]本發(fā)明所采用的技術方案是:
一種脈沖式加砂壓裂系統，包括設置在混砂車上的砂斗、壓裂液罐、砂液混合筒和壓裂泵車組，所述砂斗和壓裂液罐分別通過管道連接至砂液混合筒，砂液混合筒和壓裂液罐分別通過管道連接至壓裂泵車組，壓裂泵車組交替泵出純壓裂液和攜砂液至地層；所述砂斗和砂液混合筒之間的管道上并聯有一根支撐劑循環(huán)回路，支撐劑循環(huán)回路的前端設置有流向轉換裝置、末端連接砂斗；所述流向轉換裝置包括“人”字型通道和流向轉換擋板，所述“人”字型通道的三根支路分別連接砂斗上連接的絞龍出砂口、砂液混合筒進砂口和砂斗返砂口，流向轉換擋板活動設置在三根支路的連接點處、遮擋并關閉對應砂液混合筒進砂口或砂斗返砂口的支路前端。
[0007]所述支撐劑循環(huán)回路上設置有循環(huán)回輸裝置，該循環(huán)回輸裝置包括依次連接的上方導管、中間導管、下方導管和動力傳輸組件，所述上方導管前端連接流向轉換裝置、下方導管末端對應砂斗上方開口，中間導管水平設置、內部設置有動力傳輸組件，上方導管和下方導管分別設置在中間導管的兩端，上方導管向上向外傾斜、其相對于水平方向的傾角為30-50。。
[0008]所述壓裂液罐至砂液混合筒、砂液混合筒至壓裂泵車組和壓裂液罐至壓裂泵車組的管道上分別設置有I號閥門、2號閥門和3號閥門；所述脈沖式加砂壓裂系統還包括控制裝置，所述控制裝置由用戶輸入輸出端、PLC控制器、流向轉換驅動器、循環(huán)回輸驅動器和聯動蝶閥驅動器構成，具體的:
用戶輸入輸出端，保存并發(fā)送用戶輸入的控制參數至PLC控制器，接收和顯示PLC控制器返回系統的工作狀態(tài)參數；
PLC控制器，接收用戶輸入的控制參數并進行運算，向流向轉換驅動器、循環(huán)回輸驅動器、聯動蝶閥驅動器和用戶輸入輸出端發(fā)送工作狀態(tài)信號；
流向轉換驅動器，通過PLC控制器發(fā)來的工作狀態(tài)信號，驅動流向轉換擋板運動、關閉返砂通道或出砂通道；
循環(huán)回輸驅動器，通過PLC控制器發(fā)來的工作狀態(tài)信號，驅動動力傳輸組件工作、實現支撐劑向砂斗的循環(huán)回輸；
聯動蝶閥驅動器，通過PLC控制器發(fā)來的工作狀態(tài)信號，驅動I號閥門、2號閥門和3號閥門的開啟和關閉，使得壓裂泵車組交替泵出純壓裂液和攜砂液。
[0009]所述脈沖式加砂壓裂系統的控制方法，所述聯動蝶閥驅動器驅動I號閥門、2號閥門和3號閥門的開啟和關閉，使壓裂泵車組交替泵出純壓裂液和攜砂液如下所述:
當壓裂泵車組泵出攜砂液時，I號和2號閥門開啟、3號閥門關閉；
當壓裂泵車組泵出純壓裂液時，I號和2號閥門關閉、3號閥門開啟。
[0010]所述壓裂泵車組泵出攜砂液時:
PLC控制器向流向轉換驅動器發(fā)送工作狀態(tài)信號，使得流向轉換擋板遮擋在返砂通道前端，即開啟出砂通道并關閉返砂通道。
[0011]所述壓裂栗車組栗出純壓裂液時:
PLC控制器向流向轉換驅動器發(fā)送工作狀態(tài)信號，使得流向轉換擋板遮擋在出砂通道前端，即開啟返砂通道并關閉出砂通道； PLC控制器向循環(huán)回輸驅動器發(fā)送工作狀態(tài)信號，使得動力傳輸組件工作，將支撐劑返回砂斗。
[0012]本發(fā)明所產生的有益效果是:
本發(fā)明的脈沖式加砂壓裂系統及其控制方法，利用現有常規(guī)壓裂混砂車作為基礎平臺，集成了支撐劑雙向給料控制、支撐劑循環(huán)控制、壓裂液與攜砂液脈沖加入控制，能與現有砂罐、混砂車、壓裂泵車組、液罐群無縫連接，實現壓裂液與攜砂液的脈沖式注入，實現支撐劑在裂縫中的砂團式支撐，提高裂縫的導流能力。
[0013]本發(fā)明較國內外采用專用混砂車進行脈沖式壓裂施工的方式相比，具有以下優(yōu)勢:
(I)本發(fā)明專利優(yōu)化配置了雙向給料控制裝置，能夠迅速切換支撐劑流向，同時與混砂車無縫連接，利用混砂車計量控制系統精確控制支撐劑量；優(yōu)選了蝶閥控制器和氣動蝶閥，能夠迅速執(zhí)行開啟/關斷動作，確保進入混砂車混合筒的壓裂液量，保證支撐劑與壓裂液在混合筒中配置砂比準確性，減小設計與實際施工的誤差。
[0014](2)本發(fā)明專利的支撐劑循環(huán)裝置與砂罐、混砂車輸砂器無縫連接，在壓裂作業(yè)過程中一直保持自動運行，能避免混砂車輸砂器短時間內間歇性運轉給設備帶來的負荷，降低機械故障發(fā)生幾率和機械磨損程度。