一种脉冲式加砂压裂系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及油气田开发领域，具体是一种实施高效、成本低廉的水力脉冲式加砂压裂系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]水力压裂工艺的主要目标是在地层中形成一定长度的、具有高导流能力的人工裂缝，从而降低油气藏储层油气流动阻力，达到增产目的。常规的水力压裂工艺是采用连续加砂的施工方式，使支撑剂在人工裂缝中连续、均匀铺置，这种方式形成的人工裂缝是通过球状支撑剂之间的孔隙作为油气渗流的通道，压裂液残渣、支撑剂破碎颗粒都会造成支撑剂孔隙的堵塞，从而使裂缝导流能力降低，最终导致油气产量的下降。近年来，国外公司在水力压裂施工中，对水力压裂工艺进行了重大革新，开始采用脉冲式注入方式实施水力压裂，即携砂液和纯压裂液以一定的脉冲间隔反复交替注入地层，大量的机理研究认为，这种水力压裂方式可在人工裂缝内形成支撑剂的柱塞状支撑，而柱状支撑之间的宽大沟槽将成为主要的油气渗流通道，并且较大的沟槽将降低压裂液残渣、支撑剂破碎对人工裂缝导流能力的影响，从而大幅提高水力压裂增产效果，延长压裂改造有效期。该项技术在国外已经得到广泛的应用，现场实践表明，脉冲式加砂压裂工艺的增产效果明显，同时可降低支撑剂、压裂液的用量，降低施工成本。
[0003]国内目前也开展了数十口井的近似脉冲式加砂压裂工艺先导试验，取得了一定的现场应用效果，单井压后的产量得到了一定程度的提升，更重要的是大大的节约了支撑剂用量，对于节约压裂成本有较大帮助。然而，由于目前现有压裂设备的性能条件限制，国内采用的脉冲式加砂工艺与国外的工艺相比存在较大指标差距。国外公司专门设计了结构复杂带专有技术保护的混砂车来实施高脉冲频率的加砂压裂，携砂液段与纯液段的最小间隔时间可达10秒，能有效保证支撑剂分散与人工裂缝支撑柱塞的形成，而国内由于缺乏类似装备配套，只能利用现有混砂车，采用开、停混砂车输砂器的方式进行近似脉冲式加砂压裂，由于输砂器的开启一般需2-3分钟才能达到预定加砂浓度要求，因此难以有效保证人工裂缝内支撑剂柱状段塞的形成，同时，频繁开关输砂器非常容易引发机械故障，导致工程作业中途失败，同时也会加剧输砂器机械磨损，降低设备使用寿命。
[0004]目前国内尚有大量在用常规混砂车装备，若简单采用整车系统全新研发或者引进国外装备，将造成现有装备的闲置。针对这种情况国内已有机构开展脉冲压裂控制相关装备的研究工作，经专利检索，中国石油大学(华东)温庆志等人申请了“实现高导流能力的压裂脉冲加砂系统”实用新型专利，该系统是一种全新的湿式混合循环控制系统，采用控制压裂液流动的方式实现脉冲加砂压裂，但该系统在实施应用中受混砂车混合筒大小限制，砂比的有效切换受到限制。
【发明内容】
[0005]本发明公开了一种脉冲式加砂压裂系统及其控制方法，是一种既立足于现有装备平台，亦满足脉冲式加砂工艺现场实施要求的系统，具有巨大的推广应用价值。
[0006]本发明所采用的技术方案是:
一种脉冲式加砂压裂系统，包括设置在混砂车上的砂斗、压裂液罐、砂液混合筒和压裂泵车组，所述砂斗和压裂液罐分别通过管道连接至砂液混合筒，砂液混合筒和压裂液罐分别通过管道连接至压裂泵车组，压裂泵车组交替泵出纯压裂液和携砂液至地层；所述砂斗和砂液混合筒之间的管道上并联有一根支撑剂循环回路，支撑剂循环回路的前端设置有流向转换装置、末端连接砂斗；所述流向转换装置包括“人”字型通道和流向转换挡板，所述“人”字型通道的三根支路分别连接砂斗上连接的绞龙出砂口、砂液混合筒进砂口和砂斗返砂口，流向转换挡板活动设置在三根支路的连接点处、遮挡并关闭对应砂液混合筒进砂口或砂斗返砂口的支路前端。
[0007]所述支撑剂循环回路上设置有循环回输装置，该循环回输装置包括依次连接的上方导管、中间导管、下方导管和动力传输组件，所述上方导管前端连接流向转换装置、下方导管末端对应砂斗上方开口，中间导管水平设置、内部设置有动力传输组件，上方导管和下方导管分别设置在中间导管的两端，上方导管向上向外倾斜、其相对于水平方向的倾角为30-50。。
[0008]所述压裂液罐至砂液混合筒、砂液混合筒至压裂泵车组和压裂液罐至压裂泵车组的管道上分别设置有I号阀门、2号阀门和3号阀门；所述脉冲式加砂压裂系统还包括控制装置，所述控制装置由用户输入输出端、PLC控制器、流向转换驱动器、循环回输驱动器和联动蝶阀驱动器构成，具体的:
用户输入输出端，保存并发送用户输入的控制参数至PLC控制器，接收和显示PLC控制器返回系统的工作状态参数；
PLC控制器，接收用户输入的控制参数并进行运算，向流向转换驱动器、循环回输驱动器、联动蝶阀驱动器和用户输入输出端发送工作状态信号；
流向转换驱动器，通过PLC控制器发来的工作状态信号，驱动流向转换挡板运动、关闭返砂通道或出砂通道；
循环回输驱动器，通过PLC控制器发来的工作状态信号，驱动动力传输组件工作、实现支撑剂向砂斗的循环回输；
联动蝶阀驱动器，通过PLC控制器发来的工作状态信号，驱动I号阀门、2号阀门和3号阀门的开启和关闭，使得压裂泵车组交替泵出纯压裂液和携砂液。
[0009]所述脉冲式加砂压裂系统的控制方法，所述联动蝶阀驱动器驱动I号阀门、2号阀门和3号阀门的开启和关闭，使压裂泵车组交替泵出纯压裂液和携砂液如下所述:
当压裂泵车组泵出携砂液时，I号和2号阀门开启、3号阀门关闭；
当压裂泵车组泵出纯压裂液时，I号和2号阀门关闭、3号阀门开启。
[0010]所述压裂泵车组泵出携砂液时:
PLC控制器向流向转换驱动器发送工作状态信号，使得流向转换挡板遮挡在返砂通道前端，即开启出砂通道并关闭返砂通道。
[0011]所述压裂栗车组栗出纯压裂液时:
PLC控制器向流向转换驱动器发送工作状态信号，使得流向转换挡板遮挡在出砂通道前端，即开启返砂通道并关闭出砂通道； PLC控制器向循环回输驱动器发送工作状态信号，使得动力传输组件工作，将支撑剂返回砂斗。
[0012]本发明所产生的有益效果是:
本发明的脉冲式加砂压裂系统及其控制方法，利用现有常规压裂混砂车作为基础平台，集成了支撑剂双向给料控制、支撑剂循环控制、压裂液与携砂液脉冲加入控制，能与现有砂罐、混砂车、压裂泵车组、液罐群无缝连接，实现压裂液与携砂液的脉冲式注入，实现支撑剂在裂缝中的砂团式支撑，提高裂缝的导流能力。
[0013]本发明较国内外采用专用混砂车进行脉冲式压裂施工的方式相比，具有以下优势:
(I)本发明专利优化配置了双向给料控制装置，能够迅速切换支撑剂流向，同时与混砂车无缝连接，利用混砂车计量控制系统精确控制支撑剂量；优选了蝶阀控制器和气动蝶阀，能够迅速执行开启/关断动作，确保进入混砂车混合筒的压裂液量，保证支撑剂与压裂液在混合筒中配置砂比准确性，减小设计与实际施工的误差。
[0014](2)本发明专利的支撑剂循环装置与砂罐、混砂车输砂器无缝连接，在压裂作业过程中一直保持自动运行，能避免混砂车输砂器短时间内间歇性运转给设备带来的负荷，降低机械故障发生几率和机械磨损程度。