壓裂液的混配系統及其混配方法與流程

2023-05-12 13:56:26

本發明屬於壓裂技術領域，尤其涉及一種壓裂液的混配系統，以及應用該混配系統的混配方法。

背景技術：

壓裂技術是指採油或採氣過程中，利用液體壓力作用，使油、氣的儲層形成裂縫的一種方法，其具體操作是採用高壓大排量的泵，利用液體傳壓的原理，將具有一定粘度的液體(即壓裂液)，以大於儲層的吸收能力的壓力向儲層注入，進而在井底附近地層內形成具有一定幾何尺寸和高導流能力的填砂裂縫，使井達到增產增注的目的。由於當前國內外的壓裂施工作業現場(尤其是頁巖氣的壓裂施工現場)需要大量的壓裂液，因此對混配車排量和配液粘度的要求越來越高。

中國發明專利申請cn103990410a公開了一種壓裂液的混配技術，其使用吸入泵抽取基液(作為壓裂液溶劑的基液一般為水或油)，通過增設並聯水道，並使其與混合水道並聯，使基液同時進入混合水道和並聯水道兩個路徑中，而不是全部進入混合水道中，避免了因混合水道流量較小對混配效率造成的限制，縮短了混配時間，並且雙路徑的設置方式也使得壓裂液可以經過多次混配而形成，提高了混合均勻性，使壓裂液的質量得到了進一步的優化。

然而上述壓裂液的混配技術在壓裂液大排量作業的情況下，若將二次混合器設置為常用的旋流擴散式混合器，則混合效果有限，尤其是在胍膠品質不佳的情況下，更加不容易混合均勻；若將二次混合器設置為管道式混合器(如噴射式混合器)，或者將並聯水道與混合水道在出口處連通後再與二次混合器連接，則會促使一次混合器的背壓升高，從而嚴重影響了混合器的混合效果，甚至容易導致一次混合器失效，進而使一次混合器無法達到在大排量作業情況下正常工作的能力；因此，上述混配技術難以滿足對壓裂液更大排量，以及提升配液粘度的要求。

技術實現要素：

本發明針對現有壓裂液混配技術難以滿足對壓裂液大排量，以及提升配液粘度要求的技術問題，提出一種能夠同時滿足對壓裂液大排量，以及提升配液粘度要求的壓裂液的混配系統及其混配方法。

為了達到上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種壓裂液的混配系統，包括第一混合器、基液供給件及粉末供給件，所述第一混合器為噴射式混合器，所述第一混合器的基液輸入端與所述基液供給件連接，所述第一混合器的粉末輸入端與所述粉末供給件連接，所述第一混合器並聯有可輸送基液的並聯管道，所述並聯管道的基液輸入端與所述基液供給件的基液輸出端連通，所述第一混合器串聯有第二混合器，所述第二混合器為可變流量噴射式混合器，所述第二混合器的壓裂液輸入端與所述第一混合器的壓裂液輸出端連接，所述第二混合器的基液輸入端與所述並聯管道的基液輸出端連接。

作為優選，所述第二混合器內固定設置有變截面管道及流量調節組件，所述變截面管道的壓裂液輸入端與所述第一混合器的壓裂液輸出端連接，所述變截面管道的基液輸入端與所述並聯管道的基液輸出端連接，所述變截面管道的壓裂液輸出端與所述第二混合器的壓裂液輸出端連通，所述流量調節組件對應於所述變截面管道的基液輸入端設置，以調節所述變截面管道基液輸入端的流量。

作為優選，所述流量調節組件包括可往復運動的移動件，以及可驅動所述移動件運動的驅動件，所述移動件對應於所述變截面管道基液輸入端設置，以調節所述變截面管道基液輸入端的流量，所述驅動件的動力輸出端與所述移動件連接，所述驅動件的固定端與所述第二混合器固定連接。

作為優選，所述變截面管道包括噴嘴，所述噴嘴的基液輸入端與所述並聯管道的基液輸出端連通，所述噴嘴的基液輸出端與所述第二混合器的壓裂液輸出端連通，所述移動件對應於所述噴嘴的基液輸入端設置。

作為優選，所述噴嘴為錐形，所述噴嘴的基液輸入端的截面面積大於所述噴嘴基液輸出端的截面面積，所述移動件的形狀為紡錘形，所述移動件錐面對應於所述噴嘴的錐面設置。

作為優選，所述驅動件為驅動缸，所述驅動件的缸體部與所述第二混合器固定連接，所述驅動件的缸杆部與所述移動件連接，以驅動所述移動件沿直線方向往復運動。

作為優選，所述變截面管道還包括網狀護罩，所述網狀護罩的一端套接於所述噴嘴的基液輸出端外，所述網狀護罩的網孔部與所述第一混合器的壓裂液輸出端連通。

作為優選，所述變截面管道還包括文丘裡管，所述文丘裡管的壓裂液輸入端套接於所述網狀護罩的另一端內，所述文丘裡管的壓裂液輸出端與所述第二混合器的壓裂液輸出端連通。

作為優選，所述第一混合器串聯有泵體，所述泵體的基液輸出端與所述第一混合器的基液輸入端連接，所述泵體的基液輸入端與所述基液供給件的基液輸出端連接。

一種壓裂液的混配方法，適用於上述壓裂液的混配系統，其包括以下步驟：

通過所述第二混合器調節輸入流量的大小，在將所述並聯管道輸送基液的動能轉化為與所述第一混合器輸送壓裂液混合的混合能量後，使所述第一混合器的背壓低於額定值。

與現有技術相比，本發明的優點和積極效果在於：

(1)本發明壓裂液的混配系統通過在所述第一混合器的基礎上串聯所述第二混合器，在將所述並聯管道輸送基液的動能轉化為與所述第一混合器輸送壓裂液混合的混合能量後產生負壓，一方面能夠使所述第一混合器的背壓降低，進而能夠改善所述第一混合器的工作狀況，另一方面使壓裂液從層流狀態轉化為湍流狀態，進而在不增加動力損耗的情況下，提高粉末與基液的混合效果。因此，本發明壓裂液的混配系統能夠提高壓裂液的混合效果，同時改善所述第一混合器的工況，進而能夠同時滿足大排量作業時對壓裂液排量及配液粘度的要求。

(2)本發明通過設置泵體，能夠有效提升混合器的工作壓力，同時能夠降低基液供給件的排出壓力，進而達到降低能耗，以及充分利用流體動能的目的

附圖說明

圖1為本發明實施例的整體結構示意圖；

圖2為本發明實施例中第二混合器的結構示意圖；

以上各圖中：1、第一混合器；2、基液供給件；3、粉末供給件；4、第二混合器；5、變截面管道；501、文丘裡管；502、網狀護罩；503、噴嘴；6、靜態混合器；7、吸入集管；8、泵體；9、第三混合器；10、混合罐；11、排出泵；12、排出集管；13、並聯管道；14、流量調節組件；1401、移動件；1402、驅動件。

具體實施方式

下面，通過示例性的實施方式對本發明進行具體描述。然而應當理解，在沒有進一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結構和特徵也可以有益地結合到其他實施方式中。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

參見圖1和圖2，一種壓裂液的混配系統，包括第一混合器1，可向所述第一混合器1提供基液(例如清水或油)的基液供給件2，以及可向所述第一混合器1提供粉末(例如胍膠粉，也可以是顆粒)的粉末供給件3，所述第一混合器1為噴射式混合器，所述第一混合器1用於將粉末及基液進行混合，以形成壓裂液，同時利用壓力將所形成的壓裂液噴出，因此所述第一混合器1上必然開設有基液輸入端、粉末輸入端及壓裂液輸出端；所述第一混合器1的基液輸入端與所述基液供給件2連接，所述第一混合器1的粉末輸入端與所述粉末供給件3連接，所述第一混合器1並聯有可輸送基液的並聯管道13，所述並聯管道13的基液輸入端與所述基液供給件2的基液輸出端連通，所述第一混合器1串聯有第二混合器4，所述第二混合器4為可變流量噴射式混合器，所述第二混合器4的壓裂液輸入端與所述第一混合器1的壓裂液輸出端連接，所述第二混合器4的基液輸入端與所述並聯管道13的基液輸出端連接，所述第二混合器4調節輸入流量的大小，以在將所述並聯管道13輸送基液的動能轉化為與所述第一混合器1輸送壓裂液混合的混合能量後，一方面使所述第一混合器1的背壓低於額定值，另一方面使所述第一混合器1中輸送的壓裂液得到充分的混合。

本發明壓裂液的混配系統通過在所述第一混合器1的基礎上串聯所述第二混合器4，在將所述並聯管道13輸送基液的動能轉化為與所述第一混合器1輸送壓裂液混合的混合能量後產生負壓，一方面能夠使所述第一混合器1的背壓降低，進而能夠改善所述第一混合器1的工作狀況，另一方面使壓裂液從層流狀態轉化為湍流狀態，進而在不增加動力損耗的情況下，提高粉末與基液的混合效果。因此，本發明壓裂液的混配系統能夠提高壓裂液的混合效果，同時改善所述第一混合器1的工況，進而能夠同時滿足大排量作業時對壓裂液排量及配液粘度的要求。

另外，本發明通過設置並聯管道13，使基液只有一部分進入到所述第一混合器1中並與粉末混合形成壓裂液，而另一部分進入到所述並聯管道13中並通過所述並聯管道13輸送至所述第二混合器4中，繼而使所述並聯管道13輸送的基液與所述第一混合器1輸出的壓裂液得到更加充分的混合，進而避免了因所述第一混合器1流量較小而對壓裂液的混配效率造成的限制，同時提高了壓裂液自身的混合均勻性。

作為本發明的一種實施例，其具體可為：

如圖1所示，所述基液供給件2優選為吸入離心泵，所述粉末供給件3優選為粉末罐，所述第一混合器1優選為定流量噴射式混合器，定流量噴射式混合器相對於可變流量噴射式混合器能夠保證噴射係數的恆定，從而更容易保證水粉混合效果並避免所述第一混合器1失效反水的現象發生。

如圖1和圖2所示，所述第二混合器4內固定設置有變截面管道5及流量調節組件14，所述變截面管道5用於對所述第一混合器1輸送的壓裂液及所述並聯管道13輸送的基液進行混合，以及將混合後的壓裂液輸送至所述第二混合器4的壓裂液輸出端，所述變截面管道5必然開設有與所述第一混合器1的壓裂液輸出端連接的壓裂液輸入端，與所述並聯管道13的基液輸出端連接的基液輸入端，以及與所述第二混合器4的壓裂液輸出端連通的壓裂液輸出端，所述變截面管道5包括噴嘴503、網狀護罩502及文丘裡管501，所述噴嘴503優選為錐形，所述噴嘴503的基液輸入端的截面面積大於所述噴嘴503基液輸出端的截面面積，所述噴嘴503的基液輸入端與所述並聯管道13的基液輸出端連通，所述噴嘴503的基液輸出端與所述文丘裡管501的壓裂液輸入端連通，所述網狀護罩502的兩端分別套接於所述噴嘴503基液輸出端及所述文丘裡管501壓裂液輸入端外，所述網狀護罩502的網孔部與所述第一混合器1的壓裂液輸出端連通，當所述並聯管道13輸送的基液進入所述第二混合器4內時，基液通過噴嘴增壓噴出並與被所述網狀護罩502分散的壓裂液快速接觸，此時由於高速流體(基液)對低速流體(壓裂液)產生卷吸的作用，因此會使壓裂液的動能得到提高，同時使基液的動能轉化成混合能量，從而形成更有利於混合的湍流，進而使壓裂液得到更高效的混合，所述文丘裡管501的壓裂液輸出端與所述第二混合器4的壓裂液輸出端連通。

需要說明的是，所述網狀護罩502的網孔不限於圓形、菱形、條形等形式或多種形狀的組合形式。

進一步如圖1和圖2所示，所述流量調節組件14包括可往復運動的移動件1401，以及可驅動所述移動件1401運動的驅動件1402，所述移動件1401的形狀優選為紡錘形，所述移動件1401錐面對應於所述噴嘴503的錐面設置，以調節所述變截面管道5基液輸入端的流量，所述驅動件1402優選為驅動缸，所述驅動件1402的缸體部與所述第二混合器4固定連接，所述驅動件1402的缸杆部與所述移動件1401連接，以驅動所述移動件1401沿直線方向往復運動。

如圖1所示，所述基液供給件2的基液輸入端連接有吸入集管7，所述第一混合器1串聯有泵體8，所述泵體8優選為增壓離心泵，所述泵體8的基液輸出端與所述第一混合器1的基液輸入端連接，所述泵體8的基液輸入端與所述基液供給件2的基液輸出端連接，所述泵體8能夠有效提升混合器1的工作壓力，同時能夠降低基液供給件2的排出壓力，進而達到降低能耗，以及充分利用流體動能的目的；所述文丘裡管501的壓裂液輸出端連接有靜態混合器6，所述靜態混合器6充分考慮與第二混合器的匹配，充分利用第二混合器4的升壓作用，在避免了第二混合器4因高背壓而失效的現象發生的同時，實現了充分利用液體能量實現對壓裂液進一步混合的功能。

進一步如圖1所示，所述靜態混合器6的壓裂液輸出端連接有第三混合器9，所述第三混合器9優選為旋流擴散式混合器，所述第三混合器9用於對壓裂液進行進一步的混合；所述第三混合器9的壓裂液輸出端連接有混合罐10，所述混合罐10用於對壓裂液進行充分攪拌；所述混合罐10的壓裂液輸出端連接有排出泵11，所述排出泵11的壓裂液輸入端與所述混合罐10的壓裂液輸出端連接，所述排出泵11的壓裂液輸出端連接有排出集管12，所述排出泵11的作用是將混配好的壓裂液經所述排出集管12排出給下遊設備。

為了進一步提高壓裂液的混合效率，如圖1所示，所述第一混合器1的數量設置為兩個，兩個所述第一混合器1之間並聯後與所述第二混合器4及所述基液供給件2串聯，通過將多個第一混合器1並聯在一起，使所述粉末供給件3內的粉末分多路輸出，從而一方面使多種粉末同時混合成為可能，同時減少了多種粉料混合時的能量以及空間成本，另一方面能夠實現同種粉料通過多個所述第一混合器1的分散混合，進而有利於提升混合均勻性；此外，所述第一混合器1還可以串聯或並聯有剪切泵式混合器，此時所述泵體8可以選裝，即所述泵體8可以與所述第一混合器1串聯，也可以不使用，剪切泵式混合器通常採用高效轉子和帶空隙的定子組成，繼而通過轉子旋轉使流體被高速剪切，例如迅速將液體內的大顆粒水合物剪切為100目甚至200目以下的微粒，以產生強力的混合效果，但在使用時需要確保流體的整潔程度，同時使用和維護的成本較高，進而在使用過程中具有較大的局限性。

本實施例還提供一種壓裂液的混配方法，應用如上述所述的壓裂液的混配系統，參見圖1和圖2，其包括以下步驟：

s1：使用所述基液供給件2通過吸入集管7吸入基液；

s2：吸入基液供給件2的基液一路輸送至泵體8，並經泵體8供給至所述第一混合器1中；

s3：吸入基液供給件2的基液另一路通過所述並聯管道13直接供給至所述第二混合器4中；

s4：通過所述第一混合器1將所述基液供給件2提供的基液及所述粉末供給件3提供的粉末進行混合併形成壓裂液，同時利用動能將壓裂液向所述第二混合器4噴送；

s5：通過所述第二混合器4調節輸入流量的大小，在將所述並聯管道13輸送基液的動能轉化為與所述第一混合器1輸送壓裂液混合的混合能量後，使所述第一混合器1的背壓低於額定值；

s6：通過所述第二混合器4將壓裂液噴出至所述靜態混合器6中，並使壓裂液在所述靜態混合器6中進行混合；

s7：所述靜態混合器6內的壓裂液被運輸至所述第三混合器9中進行混合；

s8：通過所述第三混合器9對壓裂液進一步混合，並將混合後的壓裂液輸送至所述混合罐10內；

s9：所述混合罐10將壓裂液攪拌後經排出泵11排出至排出集管12外。

針對上述步驟s5，具體可包括以下步驟：

s501：第二混合器4中的網狀護罩502將所述第一混合器1輸送的壓裂液進行分散；

s502：所述第二混合器4中的所述噴嘴503將所述並聯管道13供給的基液噴出至所述網狀護罩502的環腔內，並使基液與所述第一混合器1輸送的壓裂液進行混合；

s503：所述第二混合器4中的所述移動件1401在所述驅動件1402的驅動下往復運動，當所述移動件1401與所述噴嘴503的距離縮小時，所述噴嘴503基液輸入端的流量減小；

s504：所述第二混合器4中混合後的壓裂液被所述文丘裡管501輸送，同時對壓裂液進行混合。

本發明壓裂液的混配方法在將所述並聯管道13輸送基液的動能轉化為與所述第一混合器1輸送壓裂液混合的混合能量後產生負壓，一方面能夠使所述第一混合器1的背壓降低，進而能夠改善所述第一混合器1的工作狀況，另一方面使壓裂液從層流狀態轉化為湍流狀態，進而在不增加動力損耗的情況下，提高粉末與基液的混合效果。因此，本發明壓裂液的混配系統能夠提高壓裂液的混合效果，同時改善所述第一混合器1的工況，進而能夠同時滿足大排量作業時對壓裂液排量及配液粘度的要求。