[发明专利]井下高压液态CO2

权利要求书

1.井下高压液态CO₂压裂增透煤岩成套装备设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据井下高压液态CO₂压裂增透煤岩成套装备组成，确定决定该装备性能的5个关键参数，5个关键参数为：液态CO₂柱塞泵出口压力液态CO₂柱塞泵进液压力P_in、液态CO₂柱塞泵出口流量液态CO₂柱塞泵回气压力P_back及高压氮气瓶组气瓶数量N；依次确定5个关键参数值；

(2)根据所测目标压裂煤层的垂直应力σ_v、最大水平主应力σ_H和最小水平主应力σ_h，按照式(1)计算水平主应力在钻孔孔壁引起的周向应力σ¹：

σ¹＝3σ_h-σ_H (1)；

(3)按照式(2)计算液态CO₂压注压力P在距钻孔中心ρ处煤层中引起的周向应力σ²，

式中r₀为钻孔半径，ρ为从钻孔中心向外的径向距离；

(4)测定标准煤岩试件的纵波Δt_mc时差和Δt_ms横波时差；测定大尺寸煤岩试件的纵波时差Δt_c和横波时差Δt_s；测定煤岩试件骨架密度ρ_m和煤岩密度ρ_c；根据式(3)计算系数ξ：

式中υ为煤岩的泊松比；

(5)钻芯取样，测定煤层渗透率k和孔隙率确定液态CO₂粘度μ和压缩系数β；按照式(4)计算液态CO₂压注在孔周引起的孔隙压力p:

式中u为积分变量，C为增压速率，r₀为钻孔半径，ρ为钻孔中心向外的径向距离，J₀和Y₀别为第一类和第二类零阶Bessel函数；

(6)按照式(5)计算液态CO₂渗滤效应在孔周引起的额外周向应力:

式中R为积分上限，表示沿着径向方向距离钻孔中心某一具体的值；

(7)按照式(6)计算钻孔周围总有效应力σ^t：

σ^t＝σ¹+σ²+σ³+p (6)；

(8)取样测定目标煤层抗拉强度σ_f，当σ^t≥σ_f时，煤层能被压裂；

(9)取初始时刻，即t→0；由于液态CO₂渗滤效应引起的孔周煤层孔隙压力p和弹性应力σ³均为0，即p＝0，σ³＝0，σ^t＝σ_f；结合式(1)和(2)计算结果，式(6)转化为借助式(7)可求得起裂压力的上限：

(10)取压注较长时间，即t→∞；煤层渗滤效引起的孔周煤层孔隙压力p与钻孔压力P相等，即p＝P，σ^t＝σ_f；按式(4)和(5)计算渗滤效应引起的弹性应力σ³＝-ξP；式(6)转化为借助式(8)可求得起裂压力的下限：

(11)按照式(9)计算液态CO₂柱塞泵出口压力

式中ΔP_λ和ΔP_ξ分别为管路沿程损失和局部损失；

(12)根据液态CO₂储罐工作压力确定液态CO₂柱塞泵进液压力P_in，液态CO₂柱塞泵进液压力P_in与液态CO₂储罐工作压力相同；

(13)根据现场地应力测试结果，确定真三轴压裂实验荷载条件，开展真三轴应力状态下水力压裂和液态CO₂压裂相似模拟实验，监测压裂过程中的压注孔口压力变化，采用起裂压力对孔口压力进行归一化处理，绘制压裂液增压效率η^eff随相对压力的变化曲线；据此确定水力压裂增压效率与液态CO₂压裂增压效率之间的量化关系，即：

(14)根据式(10)建立水力压裂注水流量Q_w与液态CO₂增压泵注液流量之间的量化关系：

式中水力压裂所对应的起裂压力，其值可取相应地，为液态CO₂压裂所对应的起裂压力，其值取Δt_w和Δt_c分别表示煤岩体水力压裂和液态CO₂压裂所需的注液时间；

(15)对式(11)求解，液态CO₂柱塞泵出口流量：

式中Q_w、Δt_w的值可依据水力压裂现场试验获取，与根据式(7)和式(8)进行确定，根据现场实际确定液态CO₂压裂所需时间Δt_c后，便可通过式(12)确定柱塞泵出口流量

(16)使液态CO₂柱塞泵回气压力P_back＜液态CO₂储罐设计最高耐压P_peak，使液态CO₂柱塞泵回气压力P_back为液态CO₂储罐的工作压力的1.2～1.5倍；

(17)根据理想气体状态方程，所需氮气瓶数量N可按照式(13)进行计算：

其中，V₁为液态CO₂储罐的体积，P₁为液态CO₂储罐内的压力，T₁为液态CO₂储罐内的温度；V₂为高压氮气瓶的体积，P₂为高压氮气瓶内的压力，T₂为高压氮气瓶内的温度；

步骤(12)中，液态CO₂储罐工作压力为2.4～2.6MPa，液态CO₂柱塞泵进液压力P_in为2.4～2.6MPa；

步骤(16)中，液态CO₂储罐的工作压力为2.4～2.6MPa，柱塞泵回气压力P_back为3.0～3.5MPa。