CO2基納米聚能混相流的壓裂驅替高溫裂解一體化系統的製作方法

2023-10-11 15:59:54

本發明涉及石油、頁巖氣等非常規油氣資源開發領域，尤其涉及一種CO2基納米聚能混相流的壓裂驅替高溫裂解一體化系統。

背景技術：

非常規油氣資源儲量豐富,但非常規油氣資源地質條件賦存複雜，巖石滲透率低，不利於非常規油氣資源開發。水力壓裂、水力割縫和高壓水射流是開發緻密儲層非常規油氣資源的重要手段。水力壓裂技術經過了近半個世紀的發展，特別是自80年代末以來，水力壓裂以及多級壓裂、重複壓裂等方面取得突破。現在水力壓裂、水力割縫和高壓水射流技術作為油水井增產技術，已經廣泛應用於低滲透油氣田的開發中。

此外，世界稠油資源極為豐富，其儲量是常規原油儲量的十幾倍，具有替代常規石油能源的戰略地位。全球石油可採儲量4582億噸，其中53％為稠油。中國石油可採儲量212億噸，其中40％為稠油，主要分布在遼河、新疆克拉瑪依及勝利等油區。作為國內最大的稠油生產基地，遼河油田年稠油產量佔總產量的５０％以上。在油田開發過程中，考慮到稠油具有粘度高和流動性差等特性，通常採用注蒸汽熱力開採。

目前開發主要採用的水力壓裂、水力割縫和高壓水射流法，在中國許多地下深部儲層非常規油氣資源開發也並不具備水力化條件，二氧化碳壓裂技術得到重視，美國和加拿大是最早應用二氧化碳增產技術的國家，特別是在特低滲、低壓油藏的改造方面，二氧化碳增產技術顯示出更加優越的特點。當溫度超過31.1攝氏度，壓力超過7.38兆帕，二氧化碳氣體就變成超臨界態。超臨界流體既不同於氣體也不同於液體，具有許多獨特物理化學性——密度接近於水，能夠為井下馬達提供足夠扭矩、溶劑化能力強；黏度非常低，接近於氣體，易流動、摩阻係數低；擴散係數大於液體，傳熱、傳質性能良好；表面張力接近於零，可進入到任何大於超臨界流體分子的空間。

對於水力壓裂工藝，專利主要集中在高壓水射流、脈動水力壓裂和水力割縫方面。也有相關專利是採用固體或乳化炸藥爆炸產生高溫高壓氣流，達到射流或致裂的目的。也有相關專利使用了二氧化碳特性和膨脹相變原理，然而採用的相變原理同本發明具有顯著區別。同以往利用二氧化碳物理膨脹相變原理不同，本發明專利採用納米聚能流體與二氧化碳氧化還原反應（化學過程）釋放的熱量，一方面使得二氧化碳高溫膨脹和相變，產生高壓膨脹的特點；另一方面，激烈的化學反應轉化為爆炸衝擊波，進一步增強了流體壓力，具有炸藥爆炸的特點。從而形成爆炸衝擊波和二氧化碳快速膨脹和相變的高壓射流動靜組合荷載，在原理和結構上均具有明顯創新。並且採用分開裝填、存儲、運輸的方式，能夠保障儲運和使用過程的本質安全，符合國家提倡的去產能、節能減排、產業升級和環境友好的發展理念。

最為關鍵的是，除了具備二氧化碳壓裂、驅替等常規功能外，本發明的另外一個特點，就是納米聚能混相流體能夠進入主裂縫、分支裂縫，甚至是巖石孔隙內，在電控精確控制下產生激烈的化學反應，從而在地層形成極高的溫度和壓力，進一步促進了裂紋擴展，以及促進了稠油的高溫裂解，從而也明顯提高石油採收率。

技術實現要素：

本發明的目的就在於提供一種CO2基納米聚能混相流的壓裂驅替高溫裂解一體化系統。採用本質安全型設計，具備現場調配、現場充注使用的特點，從而保證了存儲、運輸方便、安全、高效，產品本身綠色環保。

本發明目的是這麼實現的：

通過地面增壓泵將二氧化碳和納米聚能流體分別注入地層，經電磁閥流量調節器和混相流體發生器，從而產生不同級配和功能的CO2基納米聚能混相泡沫，並通過封隔器將混相泡沫封裝在水平井內，接通電火花點火裝置，瞬間產生高溫高壓並致裂巖體，生成主裂縫和分支裂縫；CO2基納米聚能混相泡沫進入主裂縫、分支裂縫和基巖孔隙，通過多次點火可促進裂縫擴展和延伸；同時進入分支裂縫和巖石孔隙內的CO2基納米聚能混相流爆燃產生高溫高壓環境，有利於原儲層原油的高溫裂解，從而達到壓裂、驅替和高溫裂解的目的。

具體地說：

一、CO2基納米聚能混相流的壓裂驅替高溫裂解一體化系統（簡稱系統）

本系統包括高壓二氧化碳存儲器、第1閥門、第1增壓泵、第2閥門、電火花點火裝置、第3閥門、第2增壓泵、第4閥門、納米聚能流體存儲器、第1高壓管路、電纜、第2高壓管路、電磁閥流量調節器、混相流體發生器和封隔器；

其位置和連接關係是：

在地面上設置有高壓二氧化碳存儲器和納米聚能流體存儲器以及電火花點火裝置；

在地底下開挖有豎直井和水平井，豎直井和水平井連通；

高壓二氧化碳存儲器、第1閥門、第1增壓泵、第2閥門和第1高壓管依次連通；納米聚能流體存儲器、第4閥門、第2增壓泵、第3閥門和第1高壓管依次連通；第1高壓管路、第2高壓管路、電磁閥流量調節器和混相流體發生器依次連通，在混相流體發生器內得到二氧化碳基納米聚能混相泡沫；

在水平井C中設置有多點封隔器，形成多段分隔的燃燒室，二氧化碳基納米聚能混相泡沫分別充滿多個燃燒室；

電火花點火裝置、電纜和燃燒室依次連接，引燃二氧化碳基納米聚能混相泡沫在燃燒室內爆炸。

二、CO2基納米聚能混相流的壓裂驅替高溫裂解一體化方法（簡稱方法）

本方法包括以下步驟：

①注入燃劑

打開第1閥門和第2閥門，開啟第1增壓泵，將高壓二氧化碳由高壓二氧化碳存儲器經第1高壓管路注入地層巖體，並至預定壓力；同時打開第3閥門和第4閥門，開啟第2增壓泵，將納米聚能流體經納米聚能流體存儲器經第2高壓管路注入地層巖體，並至預定壓力；並通過電腦控制電磁閥流量調節器，調節高壓二氧化碳和納米聚能流體的流量，並以一定的比例混合進入混相流體發生器，從而產生特定功能的二氧化碳基納米聚能混相泡沫，並經過封隔器進入水平井C的燃燒室；

②停止注入

當二氧化碳基納米聚能混相泡沫的壓力值升高至預定值，關閉電磁流量調節器；

③引燃燃劑

啟動電火花點火裝置，電信號經過電纜起爆二氧化碳基納米聚能混相泡沫；

④評估效果

爆破完成後，關閉電火花點火裝置，評估效果；

⑤補充燃劑

開啟電磁流量調節器，重新注入高壓二氧化碳和納米聚能流體，從而產生二氧化碳基納米聚能混相泡沫，並經過封隔器進入水平井的燃燒室；

⑥裂隙致裂

控制二氧化碳基納米聚能混相泡沫的壓力和流量，直到二氧化碳基納米聚能混相泡沫進入上一次壓裂的主裂縫、分支裂縫以及孔隙內，待壓力接近平衡後，關門電磁流量調節器；啟動電火花點火裝置，電信號經過電纜起爆二氧化碳基納米聚能混相泡沫，進一步促進裂縫的擴展和裂縫網絡的形成，同時二氧化碳基納米聚能混相泡沫在主裂縫、分支裂縫及孔隙內燃燒，在地下儲層空間形成高溫高壓環境；

⑦重複作業

重複步驟①-⑥，直至壓裂效果和高溫條件滿足預定要求。

本發明具有下列優點和積極效果：

①利用二氧化碳衝壓相變爆燃產生的衝擊波和二氧化碳相變膨脹壓力，形成動靜組合荷載；

②採用本質安全型設計，具備現場調配現場充注使用的特點，從而保證了存儲、運輸方便、安全、高效，產品本身綠色環保；

③生產、製作工業簡單，價格經濟，操作方便。

④使用的是工業廢料，例如二氧化碳等原材料，有利於節能減排。

⑤本發明的另外一個特點，就是二氧化碳基納米聚能混相泡沫16能夠進入主裂縫、分支裂縫，甚至是孔隙內，在電火花點火裝置5精確控制下產生激烈的化學反應，從而在地層形成極高的溫度和壓力，進一步促進了裂紋擴展，以及促進了稠油的高溫裂解，從而也明顯提高石油採收率。

總之該系統可以充分利用高壓二氧化碳和納米聚能體爆燃產生的高能衝擊波，使儲層巖石產生裂隙，並能根據壓裂需求進行調配，該系統採用的反應原料對環境無汙染。

附圖說明

圖1是本系統的結構示意圖。

圖中：

1—高壓二氧化碳存儲器；

2—第1閥門；

3—第1增壓泵；

4—第2閥門；

5—電火花點火裝置；

6—第閥門3；

7—第2增壓泵；

8—第4閥門；

9—納米聚能流體存儲器；

10—第1高壓管；

11—電纜；

12—第2高壓管路；

13—電磁閥流量調節器；

14—混相流體發生器；

15—封隔器；

16—二氧化碳基納米聚能混相泡沫；

17—主裂縫；

18—分支裂縫；

19—空隙；

20—地層巖體。

A—地面；

B—豎直井；

C—水平井；

D—燃燒室。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明：

一、系統

1、總體

本系統包括高壓二氧化碳存儲器1、第1閥門2、第1增壓泵3、第2閥門4、電火花點火裝置5、第3閥門6、第2增壓泵7、第4閥門8、納米聚能流體存儲器9、第1高壓管路10、電纜11、第2高壓管路12、電磁閥流量調節器13、混相流體發生器14和封隔器15；

其位置和連接關係是：

在地面A上設置有高壓二氧化碳存儲器1和納米聚能流體存儲器9以及電火花點火裝置5；

在地底下開挖有豎直井B和水平井C，豎直井B和水平井C連通；

高壓二氧化碳存儲器1、第1閥門2、第1增壓泵3、第2閥門4和第1高壓管10依次連通；納米聚能流體存儲器9、第4閥門8、第2增壓泵7、第3閥門6和第1高壓管10依次連通；第1高壓管路10、第2高壓管路12、電磁閥流量調節器13和混相流體發生器14依次連通，在混相流體發生器14內得到二氧化碳基納米聚能混相泡沫16；

在水平井C中設置有多點封隔器15，形成多段分隔的燃燒室D，二氧化碳基納米聚能混相泡沫16分別充滿多個燃燒室D；

電火花點火裝置5、電纜11和燃燒室D依次連接，引燃二氧化碳基納米聚能混相泡沫16在燃燒室D內爆炸。

2、功能部件

1）高壓二氧化碳存儲器1

是一種大容積耐高壓耐腐蝕的不鏽鋼罐體；

其功能是在地面上盛裝高壓二氧化碳。

2）第1、2、3、4閥門2、3、6、8

均是一種常用的高壓不鏽鋼球閥；

其功能是控制流體管路的開閉狀態。

3）A、B增壓泵3、7

均是一種常用的流體增壓裝置；

其功能是對高壓二氧化碳和納米聚能流體加壓，使之能夠注入井底。

4）電火花點火裝置5

是一種常用高能電火花點火器；

其功能點燃高壓二氧化碳和納米聚能流體等的混合物，且能在地面安全方便控制。

5）納米聚能流體存儲器9

是一種常用的不鏽鋼密封罐體；

其功能是封裝納米聚能流體。

6）第1、2高壓管路10、12

均是一種常用的耐高壓、耐腐蝕的流體管，其功能是輸送高壓二氧化碳或納米聚能流體。

7）電纜11

是一種用的常用的通電電纜；

將電火花點火裝置5的信號傳遞到燃燒室D。

8）電磁閥流量調節器13

是一種能調節閥門開閉大小的閥門；

其功能是控制流體的流量大小。

9）混相流體發生器14

是一種管道混合器；

其功能是將二氧化碳與微細顆粒充分混合。

10）封隔器15

是一種石油鑽井中常用的封隔器；

其功能是將鑽進按段密封以致能形成密閉的爆燃氣室。

11）二氧化碳基納米聚能混相泡沫16

是高壓二氧化碳和納米聚能流體經混相流體發生器14混合而產生的泡沫狀混合物；

其功能是作為本系統的氧化還原反應原料。

3、反應原料

1）高壓二氧化碳

本系統所採用的高壓二氧化碳為高壓或超臨界高純度的二氧化碳。

2）納米聚能體

本系統所採用的聚能劑為ZL：2016102345373（CN：105884562 A）所公布的一種二氧化碳基強活性聚能劑，其製備方法均在其專利有詳細說明；在聚能劑中添加分散劑、表面活性劑和二氧化碳增稠劑，經過超聲波震蕩或機械攪拌最終形成納米聚能體。

4、工作原理

本發明通過地面增壓泵將高壓二氧化碳和納米聚能體分別注入地層，經電磁閥流量調節器13和混相流體發生器14，從而產生不同級配和功能的CO2基納米聚能混相泡沫16，並通過封隔器15將混相泡沫16封裝在水平井內，接通電火花點火裝置5，瞬間產生高溫高壓並致裂巖體，生成主裂縫17和分支裂縫18；CO2基納米聚能混相泡沫16進入主裂縫17、分支裂縫18和孔隙19，通過多次點火可促進裂縫擴展和延伸；同時進入分支裂縫18和孔隙19內的CO2基納米聚能混相流16爆燃產生高溫高壓環境，有利於原儲層原油的高溫裂解，從而達到壓裂、驅替和高溫裂解的目的。