用于蒸发压返液的雾化装置的制作方法

本发明涉及石油及天然气开采领域，具体涉及一种用于对压返液进行蒸发的雾化装置。

背景技术：

水力压裂改造是气田低渗致密气藏高效开发的主要手段，也是页岩气气藏获得理想产能的重要手段。水力压裂改造的目的是为了在储层中形成高导流能力的裂缝，提高天然气在裂缝中的运移能力。压裂改造中采用的主要工作液类型为水基压裂液，施工完毕后大量的破胶压裂液在地层压力作用下返排回地面。

近年来，伴随着油气田勘探开发部署的不断深入和扩大，压裂改造规模日益增加。尤其是，页岩气大规模体积压裂工艺的应用，使得单井压裂液入地液量接近5万方。因此，随之而来的是大量压裂液返出给水处理带来的难题。

目前，对于压裂返排液的处理办法主要有外排、回注和重复利用等几大类。考虑到尽量降低成本，当然更倾向于全部用于回收利用。但受到施工作业周期、排液和存储规模矛盾、协调和调度管理，以及多次重复液体性能指标缺陷等因素的影响，不可能完全实现压返液重复利用。通常来说，年度的压返液利用率能达到60％已属不易。

目前，国内外水处理工艺种类繁多，如电催化氧化+mbr膜技术、电催化氧化+edi脱盐+生化技术，化学药剂氧化絮凝技术，活性污泥配合膜过滤技术，多级闪蒸(msf)、多效蒸馏(med)技术，反渗透法(ro)和电渗析法(ed)技术等。选择不同的工艺组合可以实现压返液和地层水不同程度的处理，达到外排或回注的指标要求。但由于污水输运、处理设备、化学药剂等成本居高不下的影响，目前每立方米污水的处理外排成本普遍在100元以上。处理回注成本虽然低一些，但由于环保压力大，回注井选择难，很难推广。

技术实现要素：

本申请的申请人注意到对于每口气井来说都需要经历压裂施工、压后返排及放喷点火测试等几个过程。在放喷点火测试过程中，气体被直接燃烧，而被火焰燃烧的热值往往被浪费掉。

因此，针对上述技术问题，本发明创造性地提出了利用放喷点火测试过程所产生的燃烧热值来对压裂施工过程中所产生的压返液进行蒸发，从而能够以非常环保的方式低成本地对压返液进行处理。

根据本发明，提供了一种用于蒸发压返液的雾化装置，包括：用于接受压返液的放喷池，所述放喷池内能够进行放喷点火；用于暂时性存放压返液的存储罐；雾化喷淋组件，其包括喷管，以及与所述喷管相连并伸入到放喷池中的喷嘴；以及与所述放喷池、存储罐和雾化喷淋组件均相连的阀控制机构。其中，所述阀控制机构构造成能够将来自所述放喷池的压返液选择性地输送到所述存储罐中存储，或者输送到所述雾化喷淋组件中以经所述喷嘴喷入到所述放喷池内。

在一个优选的实施例中，所述阀控制机构构造成在所述放喷池内的压返液内达到预定量但未满足放喷点火条件时将来自所述放喷池的压返液输送到所述存储罐中存储。

在一个优选的实施例中，所述阀控制机构构造成在所述放喷池内的压返液内超过预定量并进行放喷点火时将来自所述放喷池的压返液输送到所述雾化喷淋组件中，使得所述压返液能够在所述放喷池内通过点火火焰而被蒸发。

在一个优选的实施例中，所述压返液通过所述喷嘴喷入到点火火焰的上方。

在一个优选的实施例中，在连接所述阀控制机构和所述放喷池的第一管线上设有第一泵，用于抽出所述放喷池内的压返液。

在一个优选的实施例中，所述阀控制机构还构造成在放喷点火的火焰所提供的热能大于即时蒸发所述压返液所需的能量时将所述存储罐内的压返液输送到所述雾化喷淋组件中，使得所述压返液能够在所述放喷池内通过点火火焰而被蒸发。

在一个优选的实施例中，在连接所述阀控制机构和所述存储罐的第三管线上设有第二泵，用于抽出所述存储罐内的压返液。

在一个优选的实施例中，所述喷嘴由螺旋型、一字型和十字型的喷嘴组合而成。

在一个优选的实施例中，在所述喷嘴处设有过滤网。

在一个优选的实施例中，所述放喷池通过吸水口与所述阀控制机构相连，所述吸水口采用单向阀钢管的结构。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了根据本发明的雾化装置的示意性结构图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行说明。

在油气资源勘探开发过程中，几乎每口气井都需要经历压裂施工、压后返排及放喷点火测试等几个过程。在放喷点火测试过程中，气体被直接燃烧，而被火焰燃烧的热值往往被浪费掉。与此同时，在压裂施工中会产生较多的压返液，它们都需要进行处理。压返液的处理不仅成本很高，而且还存在一定的环保风险。基于此，本发明创造性地利用了放喷点火测试过程所产生的热能来蒸发压返液，从而能够无需增加任何成本便以非常环保的方式处理压返液。

根据本发明的雾化装置100包括放喷池10。放喷池10用于通过未示出的管线来接受在油气资源勘探开发过程中所产生的压返液，并将压返液存储在其中。

放喷池10通过设置在其上部的吸水口12与第一管线15相连。在一个示例中，吸水口12采用单向阀钢管的结构。这样，可以防止液体回流，并保证整套雾化装置长期处于高温下的安全性。第一管线15例如可以是吸水钢丝软管。在排水管15上设置有第一泵20。通过第一泵20的操作，可以将压返液从放喷池10内抽取到第一管线15中，同时保证一定的扬程和排量。

根据本发明的雾化装置100还包括阀控制机构30。阀控制机构30除了与第一管线15相连之外，还通过第二管线16和第三管线17与用于暂性存放压返液的存储罐50相连。另外，阀控制机构30还通过第四管线18与放喷池10相连。在下文中将对阀控制机构30和这些管线进行详细的介绍。

具体地说，阀控制机构30通过第二管线16与存储罐50相连。第二管线16例如可以是水龙带。在压裂施工后开始排液的初期，气井返排的物体主要以压返液为主，所排出的压返液会流入到放喷池10中。随着放喷池10内的压返液增多，当放喷池10内的压返液达到一个预定量但未满足放喷点火条件时，阀控制机构30便通过第一泵20将压返液经第一管线15从放喷池10内抽出，并将其直接输送到存储罐50内存储起来。容易理解，上述“预定量”可以由本领域的技术人员根据具体的情况而适当地选择。

另外，阀控制机构30还通过第四管线18与放喷池10相连。在第四管线上设有雾化喷淋组件。根据本发明，雾化喷淋组件包括喷管60，以及与喷管60相连并伸入到放喷池10内的喷嘴70。喷管60通常可以用高强度、耐高温和轻质的材料制成。喷嘴70构造成能够使得压返液以雾化的形式进入到放喷池10内。在本发明的一个优选的实施例中，喷嘴70由螺旋型、一字型和十字型的喷嘴组合而成。这种组合式喷嘴具有液体排量大、雾化液滴小、雾化高度面积可控、更换维修方便等优点。

随着压裂施工的进行，排液越来越多。当压返液的量超过预定量后，气井产出的天然气逐渐增多，满足点火要求，因此需要进行点火燃烧。根据本发明，在放喷池10内的压返液内超过预定量、由此在放喷池10内进行放喷点火时，阀控制机构30便将来自存储罐50、经第一管线15所输送来的压返液输送到雾化喷淋组件中。这样，压返液经第四管线18进入雾化喷淋组件，并在经过喷管60后通过喷嘴70喷入到放喷池10内。优选地，压返液通过喷嘴70被喷射到点火火焰的上方，从而被点火火焰所蒸发。这样，根据本发明，在压后返排的初期，能够利用原本会白白浪费掉的点火火焰的热能来将压返液直接蒸发掉，使得无需任何额外的成本便可处理压返液，同时不会有任何环保方面的危险。

通过根据本发明的雾化装置，能够提高火焰热能利用率30％以上，从而显著提高了压返液的蒸发效率。

根据本发明的一个优选的实施例，在喷嘴70处还设有过滤网(未示出)。这样，通过过滤网可以过滤掉较大颗粒的杂质，保证喷嘴70不发生堵塞。过滤网的网眼尺寸可以根据喷嘴的尺寸来进行优化。

随着压裂后排液的继续进行，伴随着气体所返排出的压返液的量逐渐减少。因此，根据本发明，阀控制机构30还通过第三管线17与存储罐50相连。在第三管线17上设有第二泵40，用于将存储罐50内的压返液抽出。

这样，当放喷点火的火焰所提供的热能大于即时蒸发所述压返液所需的能量时，阀控制机构30便通过第二泵40将存储罐50内的压返液经第三管线17抽出，并在经过喷管60后将压返液输送到雾化喷淋组件中。这样，压返液同样经第四管线18进入雾化喷淋组件，并通过喷嘴70喷入到放喷池10内。压返液优选地通过喷嘴70被喷射到点火火焰的上方，从而被点火火焰所蒸发。由此，在压后返排的中期，也能够利用点火火焰的热能将压返液蒸发，使得压返液以环境友好的方式被处理掉。

根据本发明，可以利用阀控制机构在不同的情况下对压返液进行不同的处理，使得压返液或者被暂时性地存储，或者被重新引入放喷池而被点火火焰所蒸发，或者将压返液从暂时存储之处引入放喷池而被点火火焰所蒸发。这样，可以充分提高测试、试采过程中返排出液的蒸发效率，同时成本很低。

根据本发明，可以对喷管60和喷嘴70进行优化设计。通常来说，可以通过多次计算和现场试验，从整体的结构上、喷嘴的数量、喷嘴的角度、喷嘴的尺寸规格、喷嘴的组合搭配形式等各方面进行优化设计，保证喷嘴具有与火焰形态相一致的雾化形态。这样，能够保证火焰重合度与水雾重合度较高，最大限度地提高雾化蒸发效率。

以下介绍使用根据本发明的雾化装置100来进行压返液蒸发的试验。某井测试产量5万方/天，日产水30方。计算结果见表1。

表1

从表1中可以看出，每天燃烧5万方天然气产生的热量200×10⁴mj，而蒸发30方水需要的热量是7.78×10⁴mj。因此，从理论上来讲，只要燃烧火焰的热量利用率超过3.89％即可实现所有返排液的蒸发。而通过现场试验，采用根据本发明的这套雾化蒸发装置，其燃烧火焰的热量利用率可以达到10％以上，完全能够很好地解决压返液的处理难题。

另外，通过现场跟踪分析得到，压返液蒸发后99％以上都是水蒸气，还有1％左右的固体蒸发产物。显然，水蒸气对周边环境无影响。取一定量的蒸发产物，通过能谱分析仪来分析蒸发产物中有机物的含量，通过离子色谱分析仪来分析单位质量蒸发产物中各种离子含量，并且通过原子荧光光度计，原子吸收分光光度计、电感耦合等离子体发射光谱仪等设备来进行蒸发产物中重金属含量测定。通过实验后得到，蒸发出的固体物质主要是氯化钠和碳酸钙，不含重金属，对周边土壤、水质、大气没有伤害。而且，这些固体颗粒主要集中在点火放喷池周边2m～5m的范围内，可以通过蒸发产物不落地措施进行收集处理。

由上可知，根据本发明的雾化装置能够以非常环保的方式对压返液进行处理。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含本发明的保护范围之内。