一种靶向低温压裂装置及方法与流程

本发明属于油气井压裂技术领域，涉及一种油气井低温压裂技术，尤其涉及一种靶向低温压裂装置及方法。

背景技术：

传统的水力压裂技术裂缝的扩展模式明显带有方向性，即地应力会约束水力裂缝偏转方向。按照经典的水力压裂理论，裂缝的扩展将会朝着最大主应力方向，这不利于优化储层体积改造。

主要的原因是：

1.不利于产生复杂的裂缝网络，储层体积改造的效率低；

2.对于缝洞型油气藏而言，溶洞为油气资源的主要储集区，裂缝为油气资源的主要运输通道，难以产生沟通溶洞和井筒的裂缝通道。

因此，对于这类地质储层，主要开采思路是通过水力压裂技术将水力裂缝与溶洞定点、定向的沟通，从而提高采收率，然而由于地应力的影响，水力裂缝与溶洞沟通困难大，效果不理想，这也是缝洞型油气藏开采的一大关键性的难题。

近年来，有学者提出利用液氮进行压裂。液氮的温度为-196℃左右，当其与储层接触时，会产生热应力、冻胀力等不受地应力影响的作用力，突破地应力对水力裂缝扩展方向的约束，从而产生复杂的裂缝网络。然而，液氮压裂看似前景光明，其在由地面输送到目标层位的过程中会导致大量的“冷量损失”，液氮利用效率较低，且存在许多技术和操作上的难题。

基于以上分析，从储层岩石的物理性质以及实际生产的可操作性出发，考虑利用靶向低温破岩的方法，在指定的产油目标层产生复杂的裂隙网络，优化储层的体积改造，同时在缝洞型油气藏开采过程中实现水力裂缝与溶洞的定点、定向的沟通，提高油气资源的采收率。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种高效的靶向低温压裂装置及方法，通过将传统破岩的液氮替换为氯化铵和八水氢氧化钡，并对现有的井筒装置进行改进，实现了靶向低温破岩的目的。

本发明采用如下技术方案：

一种靶向低温压裂装置，其特征在于：包括储料管、离心泵、进料管和出料管，所述出料管安装在离心泵的出口，出料管上设有控制阀，出料管上设有出料口，所述储料管与离心泵入口相连，用于冷剂生成和或临时储存冷剂，所述进料管与储料管上端相连，用于将冷剂或生成冷剂的组分送入储料管内，同时进料管还作为下放出料口进行靶向压裂的承力连接件。

作为改进，所述冷剂由常温态的组分a和组分b反应生成，组分a和组分b通过进料管加入到储料管和离心泵内。

作为改进，所述进料管有两根，其中一个为主进料管，作为生成冷剂的一种组分进料同时也是承力连接件，另一根为次进料管，用于生成冷剂的另一种组分进料，主进料管和次进料管的下端分别设有控制进料的进料阀门，所述储料管上设有防止离心泵入口压力过低的气压平衡口。

作为改进，所述离心泵倒置设置，所述出料管为l形管或螺旋形管，l形管或螺旋形管另一端部为盲端，而在l形管的水平段上开有若干用于出料的小孔，螺旋形管在螺旋段部位亦设有若干用于出料的小孔。

作为改进，所述离心泵为潜水泵，潜水泵包括顶盖、中部机壳、密封圈一、定子、下轴承、冷却油、密封圈二、油缸盖、密封圈三、泵体、改进底盘、叶轮、连接键、机械密封、转子、上轴承、轴承座；

顶盖与中部机壳之间安装有密封圈一，轴承座安装在顶盖下端部，上轴承安装在轴承座内，转子一端安装在上轴承上，另一端安装在下轴承上，下轴承安装在中部机壳下端，转子外的中部机壳内设有定子，下轴承下部的转子外设机械密封，机械密封外为冷却油，机械密封的下端部安装有油缸盖，中部机壳与油缸盖设有密封圈二密封，油缸盖与泵体采用密封圈三密封，泵体内的转子端部设有通过连接键定位的叶轮，且泵体侧边设有潜水泵出口；

所述改进底盘为薄铁皮焊接围成，下端端部开口，上部焊接在泵体上；

将潜水泵倒置后，将改进底盘与储料管端部的焊接环焊接连接，出料管安装在潜水泵出口上。

作为改进，所述潜水泵内或者储料管内设有测量冷剂温度的温度传感器。

一种靶向低温压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过进料管将组分a送入储料管和离心泵内；

步骤2、通过进料管将组分b送入储料管和离心泵内；

步骤3、组分a和组分b在储料管和离心泵内反应，产生低温的冷剂，同时启动离心泵加速反应进行；

步骤4、通过作为承力连接件的进料管将离心泵下放至地下需要低温压裂的位置；

步骤5、打开出料管上的控制阀，低温冷剂从出料口喷出，对地下岩层进行靶向低温压裂。

作为改进，所述组分a为铵盐，所述组分b为八水氢氧化钡。

作为改进，所述组分a为氯化铵和乙醇混合溶液，所述组分b为八水氢氧化钡和乙醇混合溶液。

作为改进，所述乙醇浓度为体积百分比为63.4％以上，氯化铵溶解在乙醇中形成均一溶液，八水氢氧化钡溶解在乙醇中也形成均一溶液。

本发明的有益效果：

1.本发明通过将破岩的传统介质液氮替换为操作性更好的氯化铵和八水氢氧化钡，克服了由于采油目标层过长，液氮在输送过程中吸热的缺陷，并且避免了使用液氮容易造成低温烫伤；液氮容易气化对井筒和设备耐压程度要求高的问题。

2.本发明对井筒装置进行改进，装置利用在输送油管上安装潜水泵，通过调节潜水泵的位置实现在某一区位的油层破岩，具有准确度高，操作方便的特点。

3.本发明由于采用试剂氯化铵和八水氢氧化钡均为固体，固不需要持续注入，由于只在接触时才反应降温，在油层狭小空间内，效果较好，氯化铵和八水氢氧化钡反应过程中会产生大量的氨气，将会在储层狭小的空间内形成憋压的效果，使岩石破碎效果大大提高，进一步导致复杂的裂隙网络的产生，优化储层体积的改造。

4.并且由于地热梯度的存在，目标储层的温度一般均在100℃左右，而采油井内积累有大量的积液，这些积液在氨气的作用下被推入岩层内部，氯化铵和八水氢氧化钡反应温度降低至零下30℃，可使周围自由水结冰，岩层中的自由水迅速冷却形成固体，达到了迅速破岩的效果。

附图说明

图1为本发明的实施例1靶向低温压裂装置结构示意图；

图2为本发明的实施例2靶向低温压裂装置结构示意图；

图3为本发明的实施例3靶向低温压裂装置结构示意图；

图4为本发明潜水泵结构示意图。

附图标记：1-顶盖，2-密封圈一，3-定子，4-下轴承，5-冷却油，6-密封圈二，7-油缸盖，8-密封圈三，9-泵体，10-改进底盘，11-叶轮，12-连接键，13-机械密封，14-转子，15-上轴承，16-轴承座，17-中部机壳，18-控制阀，19-进料管，20-储料管，21-主进料管，22-次进料管，23-气压平衡口，24-潜水泵，25-冷剂，26-出料管，27-进料阀门。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面就本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1和图4所示，一种高效的靶向低温压裂装置，包括储料管20、潜水泵24、进料管19和出料管26，所述出料管26安装在潜水泵24的出口，出料管26上设有控制阀18，出料管26上设有出料口，所述储料管20与潜水泵24入口相连，潜水泵24安装于储料管20的下端部，用于冷剂25生成和或临时储存冷剂25，所述进料管19与储料管20上端相连，用于将冷剂25或生成冷剂25的组分送入储料管20内，同时进料管19还作为下放出料口进行靶向压裂的承力连接件。

所述的潜水泵24固定在储料管20的端部，通过进料管19的上升或下降来实现潜水泵24位置的上升和下降。

所述潜水泵24为日常家庭抽蓄水所用潜水泵。如图4所示，它包括顶盖1、中部机壳17、密封圈一2、定子3、下轴承4、冷却油5、密封圈二6、油缸盖7、密封圈三8、泵体9、改进底盘10、叶轮11、连接键12、机械密封13、转子14、上轴承15、轴承座16；

顶盖1与中部机壳17之间安装有密封圈一2，轴承座16安装在顶盖1下端部，上轴承15安装在轴承座16内，转子14一端安装在上轴承15上，另一端安装在下轴承4上，下轴承4安装在中部机壳17下端，转子14外的中部机壳17内设有定子3，下轴承4下部的转子14外设机械密封13，机械密封13外为冷却油5，机械密封13的下端部安装有油缸盖7，中部机壳17与油缸盖7设有密封圈二6密封，油缸盖7与泵体9采用密封圈三8密封，泵体9内的转子14端部设有通过连接键12定位的叶轮11，且泵体9侧边设有潜水泵24出口；

所述改进底盘10为薄铁皮焊接围成，下端端部开口，上部焊接在泵体9上；

将潜水泵24倒置后，将改进底盘10与储料管20端部的焊接环焊接连接，出料管26安装在潜水泵24出口上。

如图1所示，将潜水泵24倒置后，使改进底盘10与储料管20端部的焊接环焊接连接，再将进料管19与储料管20顶部焊接相连，潜水泵24的出水口上安装一小型的控制阀18(控制阀18可选择德力西220v电磁水阀)，具体型号根据出口管大小而定，控制阀18另一侧管口连接一l形管，l形管端部为盲端，而在l形管的水平段上开有若干用于出料的小孔。

本发明进一步的技术方案是，潜水泵24与控制阀18的电路线均从井口引出，使电路线均停留在井外。

本发明进一步的技术方案是，还包括温度传感器，设置于潜水泵24的泵体9上，温度传感器用于感应氯化铵和八水氢氧化钡反应后生成冷剂25的温度值，并在冷剂25温度达到一定值时，通过与温度传感器连接的显示设备显示温度值，温度传感器可通过线路将信号传递至地面显示装置，亦可采用无线信号发送端将信号发送至地面显示，根据温度数值操作控制阀18用于阀门的开启。

本发明进一步的技术方案是，所述潜水泵24是变频可调速潜水泵24。

实施例2

如图2所示，实施例2的基本结构与实施例1相同，不同之处在于，控制阀18另一侧管口连接一螺旋形管，螺旋形管端部为盲端，螺旋形管在螺旋段部位设有若干用于出料的小孔。

实施例3、如图3所示，实施例3的基本结构与实施例1相同，不同之处在于，所述进料管19有两根，其中一个为主进料管19，作为生成冷剂的一种组分进料同时也是承力连接件，另一根为次进料管19，用于生成冷剂25的另一种组分进料，主进料管19和次进料管19的下端分别设有控制进料的进料阀门27(可选择德力西220v电磁水阀，尺寸根据出料管的管径选择)，所述储料管20上设有防止离心泵入口压力过低的气压平衡口23。

对于实施例1和实施例2的靶向低温压裂方法，包括以下步骤：

步骤1、称取一定质量的氯化铵放入容器甲内，再称取一定质量的八水氢氧化钡，放入容器乙内，并使氯化铵与八水氢氧化钡的质量比为1:2。

步骤2、向容器甲内倒入乙醇，按照1g八水氢氧化钡：0.25g乙醇配置，充分搅拌，直至容器甲底部未见氯化铵，并迅速通过进料管19送入储料管20和潜水泵24内；

步骤3.再次注入乙醇，将滞留在进料管19管壁上的氯化铵送入储料管20和潜水泵24内；

步骤4.向容器乙内倒入乙醇，按照1g八水氢氧化钡：0.25g乙醇配置，充分搅拌，直至容器乙底部未见八水氢氧化钡，并迅速通过进料管19送入储料管20和潜水泵24内；

步骤5.再次注入乙醇，将滞留在进料管19管壁上的八水氢氧化钡送入潜水泵24内；

步骤6.在地面通过通电启动潜水泵24，待潜水泵24到达特定层位后，利用潜水泵24搅拌氯化铵和八水氢氧化钡，使氯化铵和八水氢氧化钡充分反应，此时潜水泵24内液体的温度可以达到-30℃左右；

步骤7.温度传感器发送信号给显示器，控制打开控制阀18阀门，此时潜水泵24内的液体将沿着之前，l形管或螺旋形管上小孔进入到特定的地层之中，在低温作用下岩石开裂，且能突破传统地应力的约束，在特定层位上产生复杂的裂隙网络；

步骤8.在地面通过进料管19控制潜水泵24的位置到达另一特定层位，重复以上操作，实现在不同层位低温破岩的效果，达到靶向低温破岩的目的。

本发明进一步的技术方案是，所述步骤1和/或步骤2中乙醇为乙醇体积百分比为63.4％以上乙醇溶液或者纯乙醇。

本发明进一步的技术方案是，所述步骤2中的用于冲洗的乙醇的量为0.5-10kg。

本发明进一步的技术方案是，步骤4用做冲洗的乙醇的量为0.5-10kg。

对于实施例3的靶向低温压裂方法，步骤与上述压裂方法基本相同，区别在于，可以将氯化铵-乙醇混合溶液，八水氢氧化钡-乙醇混合溶液分别通过主进料管19和次进料管19进行进料，并通过主进料管19和次进料管19上的进料阀门27控制进料量和进料开始与中断，同时为了防止潜水泵24入口压力过低，在储料管20顶部设置气压平衡口23，使得储料管20内压力始终与其周围大气压相同。

需要指出的是，本法不限于氯化铵与八水氢氧化钡的混合制作冷剂25，氯化铵也可以采用其他铵盐，比如硫酸铵。

本发明充分利用离心泵的特点，使得氯化铵与八水氢氧化钡在储料管20和泵内充分反应产生低温，并增压，当储料管的控制阀关闭时，泵内一直保持压力，同时离心泵旋转起到搅拌作用，加速氯化铵与八水氢氧化钡反应进行，当储料管的出料口到达需要压裂的岩层时，打开控制阀，冷剂即喷出对岩层实施低温冷冻，岩层冷冻后在目标层产生复杂的裂隙网络。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。