一种甲烷原位燃爆装置、多级压裂系统及其压裂方法

1.本发明涉及水平井和/或页岩储层开采技术领域，具体来讲，涉及一种甲烷原位燃爆装置、多级压裂系统及其压裂方法。


背景技术：

2.非常规能源(页岩气、煤层气、天然气水合物等)的开发已经成为应对日益增大的能源需求的重要手段之一。我国页岩储层具有极大的开发潜力，页岩气有利区的技术可采资源储量21.8万亿立方米，位居世界第一。常规水力压裂在应用于此类低渗透、低孔隙、高地应力储层时效果较差。近年来，有学者提出页岩储层甲烷原位燃爆压裂技术，通过输送助燃剂至井底，引爆储层及井筒中的甲烷气体，通过较高的瞬时燃爆压力使储层致裂，能有效对致密、低渗等复杂油气藏进行储层改造。其中如何将助燃剂安全输送至待燃爆地层并顺利引爆是此类技术的关键，但目前相关研究主要通过地面经连续油管直接将助燃剂注入井底，施工安全性难以得到保证，助燃剂的用量与投放位置也无法准确标定。因此，现场亟需一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂助燃剂安全定量定点投放装置及方法。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的缺陷，本发明第一方面提供了一种水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统，所述系统包括油管和一个或两个以上的上筛管；还包括通过所述油管串联连接且沿井底向井口的方向依次设置的第i燃爆单元。其中，i为自然数且从1遍历至n，n为自然数且不小于2，并且彼此相邻的两个燃爆单元之间具有可调的预定间隔。
4.其中，所述第i燃爆单元包括按照从井口向井底的方向通过油管依次连接的第i上封隔器、第i引爆短节、第i释放短节、第i气弹主体和第i下封隔器。其中，所述第i上封隔器和第i下封隔器能够在第i燃爆单元燃爆前实现对第i燃爆单元的封隔，并能够在第i燃爆单元燃爆后实现解封；所述第i引爆短节位于第i目标层的主力层位处并包括气体浓度检测和点火引爆机构；所述第i气弹主体具有由能够随燃爆而燃烧掉的材质构成的用于储存助燃剂的腔体；所述第i释放短节具有能够在承受pi的压裂液压力情况下将第i气弹主体的所述腔体与环空导通的销式结构，且随着i的增大，相应的pi增大。
5.本发明第二方面提供了一种甲烷原位燃爆压裂装置，所述装置包括按照从井口向井底的方向依次连接的上封隔器、引爆短节、释放短节、气弹主体和下封隔器，其中，所述上封隔器和下封隔器能够在燃爆前实现对二者之间空间的封隔，并能够在燃爆后实现解封；所述引爆短节能够被设置为位于目标层的主力层位处并包括气体浓度检测和点火引爆机构；所述气弹主体具有由能够随燃爆而燃烧掉的材质构成的用于储存助燃剂的腔体；所述释放短节具有能够在承受预定压裂液压力情况下将气弹主体的所述腔体与环空导通的销式结构。
6.本发明的第三方面提供了一种水平井甲烷原位燃爆多级压裂方法，所述方法采用上述的水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统，并在地面上控制压裂液压力逐渐增大至依次遍
历p1至pn，以实现对第1至第n燃爆单元的逐级燃爆。
7.与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
8.1、本发明所设计的水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统，与现有技术相比，可以通过在地面上控制压裂液压力逐渐增大至依次遍历p1至pn，以实现对第1至第n燃爆单元的逐级燃爆。
9.2、本发明所设计的压裂装置包含封隔器、引爆短节、释放短节、气弹主体等结构，利用这些结构通过油管将助燃剂下井、释放于目的层，避免了常规甲烷原位燃爆技术中出现的助燃剂井下长距离输送可能存在的安全问题，装置结构简单，安全性高。
10.3、本发明目的层下设置气弹主体，为地层解析甲烷气与助燃剂混合留出空间，有助于混合的均匀性。
附图说明
11.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
12.图1示出了本发明水平井甲烷原位燃爆多级压裂方法的操作流程图；
13.图2示出了水平井甲烷原位燃爆多级压裂方法的一个示意性流程图；
14.图3示出了本发明水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统一个示例性实施例的燃爆单元整体结构示意图；
15.图4示出了图3中目的层内引爆短节示意图；
16.图5示出了图3中助燃剂气弹释放短节示意图；
17.图6示出了图3中气弹主体示意图。
18.附图标记说明：
19.1-甲烷浓度检测器及传输装置；2-触发式点火装置；3-连接母扣，4-施压活塞；5-活塞运动通道；6-内中空施压杆；7-阀杆；8-助燃剂释放孔；9-阀体活塞；10-连接公扣；11-限位槽；12-保险销钉；13-连接母扣；14-上单向阀；15-压缩助燃剂存放腔；16-下单向阀；17-连接公扣。
具体实施方式
20.为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
21.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
22.另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
25.实施例1
26.在本发明的一个示例性实施例中，水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统包括油管和一个或两个以上的上筛管，还包括通过所述油管串联连接且沿井底向井口的方向依次设置的多个第i燃爆单元。例如，第1燃爆单元、第2燃爆单元、第3燃爆单元...第n燃爆单元。其中，i为自然数且从1遍历至n，n为自然数且不小于2，并且彼此相邻的两个燃爆单元之间具有可调的预定间隔。这里，不同的两个相邻燃爆单元之间的预定间隔的长度可以不同，例如，可以根据储层资料中显示的不同的两两相邻的压裂目标层的主力层之间的距离来对应确定各个预定间隔的长度大小。此外，当上筛管的数量为两个以上时，各个上筛管可分别设置在不同的燃爆单元的上封隔器的上方，从而便于在对应的燃爆单元完成燃爆压裂后的分级操作。
27.其中，所述第i燃爆单元包括按照从井口向井底的方向通过油管依次连接的第i上封隔器、第i引爆短节、第i释放短节、第i气弹主体和第i下封隔器。例如，每个燃爆单元都含有通过依次套装在油管上的上封隔器、引爆短节、释放短节、气弹主体和下封隔器。又如，除了最接近井底的第1燃爆单元外，其他燃爆单元都含有通过依次套装在油管上的上封隔器、引爆短节、释放短节、气弹主体和下封隔器。
28.具体来讲，所述第i上封隔器和第i下封隔器能够在第i燃爆单元燃爆前实现对第i燃爆单元的封隔，相当于在位于上封隔器和下封隔器之间且由井筒与油管围成的环空的位置形成封隔区间，该封隔区间通过射孔与对应的主力层及其中的甲烷气体联通；并且第i上封隔器和第i下封隔器能够在第i燃爆单元燃爆后实现解封。例如，所述第i上封隔器和第i下封隔器均包括由第一材质形成的基体、设置在基体中的一个或两个以上的孔道、以及用于固定填充在所述一个或两个以上的孔道中的由第二材质形成的承压可燃件，第二材质能够在燃爆过程中被彻底燃烧掉，且第二材质的燃烧速度大于第一材质。例如，第二材质可以为镁合金和/或铝合金等。然而，本发明并不限于此。
29.所述第i引爆短节位于第i目标层的主力层位处，并包括气体浓度检测和点火引爆机构。所述气体浓度检测和点火引爆机构能够检测甲烷浓度或检测甲烷与助燃剂的混合浓度，并能够在判断所检测到的浓度满足临界引爆浓度要求时，进行点火引爆操作。所述气体浓度检测和点火引爆机构可包括气体浓度检测器、以及由气体浓度检测器引发的触发式引爆器。此外，所述气体浓度检测和点火引爆机构可以分开设置也可以组合设置或一体化形成，本发明并不限于此。
30.所述第i气弹主体具有由能够随燃爆而燃烧掉的材质构成的用于储存助燃剂的腔体。例如，气弹主体材料可以采用镁铝合金材质。此外，在第1燃爆单元中，第1释放短节、第1气弹主体和第1下封隔器可以采用彼此顺序连接，且第1释放短节的上端与油管的末端连接；第2至第n气弹主体各自包括能够套装在油管上的中通孔，同时，第2至第n释放短节具有能够套装在油管上的结构。例如，中通孔可以为圆柱结构、长条柱形等，气弹主体内部中空，有类似于开关的结构与释放短节相配合。或者，第1至第n气弹主体各自包括能够套装在油管上的中通孔，同时，第1至第n释放短节具有能够套装在油管上的结构。
31.所述第i释放短节具有能够在承受pi的压裂液压力情况下将第i气弹主体的所述腔体与环空导通的销式结构，且随着i的增大，相应的pi增大。也就是说，该销式结构在承受小于pi的压裂液压力的情况下，不发生变化；在承受等于或大于pi的压裂液压力的情况下，自身断裂以将第i气弹主体的所述腔体与环空导通。例如，第i释放短节的销式结构可包括销钉固定的活塞结构，且活塞结构在销钉断裂后，能够释放腔体中的助燃剂。这里，助燃剂可以为氧气等能够与甲烷混合并发生爆炸的物质。
32.例如，第i释放短节具有能够在承受大于或等于pi的压裂液压力情况下，将第i气弹主体的所述腔体与环空导通的销式结构；同样地，第i+1释放短节具有能够在承受大于或等于p
i+1
的压裂液压力情况下，将第i+1气弹主体的所述腔体与环空导通的销式结构；且p
i+1
大于pi。这里，i遍历1至n-1，n可以为2、3，或者4以上。
33.实施例2
34.在本发明的一个示例性实施例中，甲烷原位燃爆压裂装置包括按照从井口向井底的方向依次连接的上封隔器、引爆短节、释放短节、气弹主体和下封隔器。
35.其中，所述上封隔器和下封隔器能够在燃爆前实现对该上封隔器与下封隔器之间空间的封隔，并能够在燃爆后实现解封。也就是说，上封隔器和下封隔器能够在位于彼此之间且由井筒与油管围成的环空的位置形成封隔区间，该封隔区间通过射孔与主力层及其中的甲烷气体联通。例如，上封隔器可以包括由第一材质形成的基体、设置在基体中的一个或两个以上的孔道、以及用于固定填充在所述一个或两个以上的孔道中的由第二材质形成的承压可燃件，第二材质能够在燃爆过程中被彻底燃烧掉，且第二材质的燃烧速度大于第一材质；所述下封隔器由能够承压且可在燃爆过程中完全燃烧掉的材质构成。例如，第二材质可以为镁合金和/或铝合金等；下封隔器也可具有镁合金和/或铝合金的材质。然而，本发明并不限于此。
36.所述引爆短节能够被设置为位于目标层的主力层位处，并包括气体浓度检测和点火引爆机构。所述气体浓度检测和点火引爆机构能够检测甲烷浓度或检测甲烷与助燃剂的混合浓度，并能够在判断所检测到的浓度满足临界引爆浓度要求时，进行点火引爆操作。进一步，气体浓度检测和点火引爆机构可包括气体浓度检测器、以及由气体浓度检测器引发的触发式引爆器。此外，所述气体浓度检测和点火引爆机构可以分开设置也可以组合设置或一体化形成，本发明并不限于此。
37.所述气弹主体具有由能够随燃爆而燃烧掉的材质构成的用于储存助燃剂的腔体。例如，气弹主体材料可以采用镁合金、铝合金或者镁铝合金材质。所述释放短节具有能够在承受等于或大于预定压裂液压力情况下，将气弹主体的所述腔体与环空导通的销式结构。也就是说，该销式结构在承受小于pi的压裂液压力的情况下，不发生变化；在承受等于或大
于pi的压裂液压力的情况下，自身断裂以将第i气弹主体的所述腔体与环空导通。
38.对于本实施例的甲烷原位燃爆压裂装置而言，其使用过程的一个示例的示意图可如图1所示。
39.首先，进行气弹主体的装填。例如，可在地面或工厂中，将助燃剂装填入气弹主体中。
40.随后，按照上述甲烷原位燃爆压裂装置的结构，以及目标层及其主力层的位置，连接油管、上封隔器、引爆短节、释放短节、气弹主体、下封隔器。
41.接着，将甲烷原位燃爆压裂装置随油管下方置目的层，并使引爆短节能够位于目标层的主力层位处。
42.然后，上、下封隔器完成坐封，形成封隔区间。
43.接下来，通过井口泵车泵入高密度压井液等方式，设置井口压力，使其逐渐增加至等于或大于预定压裂液压力，以打开气弹主体，并向所述封隔区间中释放助燃剂，形成助燃剂与甲烷气体的混合气体。
44.随后，点火燃爆，完成压裂作业。具体来讲，通过气体浓度检测和点火引爆机构检测甲烷浓度或检测甲烷与助燃剂的混合浓度，在判断所检测到的浓度满足临界引爆浓度要求时，触发点火引爆操作，实现燃爆和压裂作业。
45.实施例3
46.在本发明的一个示例性实施例中，水平井甲烷原位燃爆多级压裂方法可具有如图2所示的操作流程图。
47.具体来讲，所述方法采用水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统，并在地面上控制压裂液压力逐渐增大至依次遍历p1至pn，以实现对第1至第n燃爆单元的逐级燃爆。具体步骤为：
48.(1)准备工作：根据地质勘探参数和测井数据确定待压裂n个目标层及其主力层位的位置，在地面装填各个气弹主体，按照设计连接上封隔器、引爆短节、释放短节、气弹主体以及下封隔器。并以相邻目标层的主力层位之间的距离作为相应的所述可调的预定间隔组装形成所述水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统。这里，上一个燃爆单元的下封隔器与下一个燃爆单元的上封隔器之间的预定间隔的长度，是根据地质勘探参数和测井数据中相邻目标层之间的距离参数来确定的。设置可调的预定间隔的目的是因为对应于不同的储层位置目标层位置间隔不等，便于后期开采。
49.(2)投放：将所述水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统通过油管下放至相应的目标层的主力层位处，封隔器进行坐封。
50.(3)逐级封隔并逐级燃爆：泵入高密度压井液，在地面上控制压裂液压力逐渐增大至pi，按照从井底至井口的顺序依次对第i燃爆单元进行燃爆，第i释放短节承受pi的压裂液压力情况下将第i气弹主体的所述腔体与环空导通的销式结构压断，所述气体浓度检测和点火引爆机构检测到甲烷浓度或检测甲烷与助燃剂的混合浓度满足临界引爆浓度要求时，进行点火引爆操作。
51.实施例4
52.图3示出了本发明水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统一个示例性实施例的燃爆单元整体结构示意图；图4示出了图3中目的层内引爆短节放大的示意图；
53.图5示出了图3中助燃剂气弹释放短节示意图；图5示出了图3中气弹主体放大示意图。
54.在本实施例中，参考图3所示，水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统的燃爆单元(例如，第1燃爆单元)包括按照从井口向井底的方向(图中从上先下方向)通过油管依次连接的上封隔器、引爆短节、释放短节、气弹主体和下封隔器。其中，上、下封隔器能够在燃爆单元燃爆前实现对燃爆单元的封隔，并能够在燃爆单元燃爆后实现解封。
55.参考图3所示，引爆短节位于目标层的主力层位处。参考图4所示，引爆短节包括气体浓度检测器1和由气体浓度检测器引发的触发式引爆器2。气体浓度检测和点火引爆机构能够检测甲烷浓度或检测甲烷与助燃剂的混合浓度，并能够在判断所检测到的浓度满足临界引爆浓度要求时，进行点火引爆操作。
56.参考图5和图6所示，在本实施例中，气弹主体包括连接母扣13、上单向阀14、压缩助燃剂存放腔体15、下单向阀16和连接公扣17；所述释放短节包括连接母扣3、连接公扣10、施压活塞4、活塞运动通道5、内中空施压杆6、保险销钉12、限位槽11、阀杆7、助燃剂释放孔8和阀体活塞9；在本实施例中，气弹主体的连接母扣13可与释放短接中的连接公扣10进行连接，释放短节中的连接母扣3可与油管进行连接，气弹主体的连接公扣可与油管进行连接。
57.所述释放短节具有能够在承受预定压裂液压力情况下将气弹主体的所述腔体与环空导通的销式结构。本实施例中具体销式结构为：
58.所述施压活塞4与内中空施压杆6作为整体位于释放短节的上方(上方为靠近井口的一方，下方为靠近井底的一方)，所述阀杆7与阀体活塞9作为整体位于释放短节的下方，所述保险销钉12用于固定内中空施压杆6和阀杆7的相对运动；未进行压裂时，所述助燃剂释放孔8位于释放短节的下方且位于阀体活塞的上方。进行压裂时，气弹主体的上单向阀14开启，预定压力的压裂液作用于施压活塞4，所述助燃剂产生的压力作用于阀体活塞9，保险销钉12断裂。将阀杆7顶入内中空施压杆6内，当施压活塞4与阀体活塞9在活塞运动通道5中运动到限位槽11时，所述限位槽11位于活塞运动通道外，助燃剂从助燃剂释放孔8中释放出来；助燃剂与井筒中析出的解析甲烷进行预混，气体浓度检测和点火引爆机构检测到甲烷浓度或检测甲烷与助燃剂的混合浓度满足临界引爆浓度要求时，进行点火引爆操作。
59.综上所述，水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统适用于水平井页岩储层的开发，而甲烷原位燃爆压裂装置适用于普通井也适用于水平井的开发。
60.本发明所设计的水平井甲烷原位燃爆多级压裂系统，与现有技术相比，可以通过在地面上控制压裂液压力逐渐增大至依次遍历p1至pn，以实现对第1至第n燃爆单元的逐级燃爆。本发明所设计的压裂装置包含封隔器、引爆短节、释放短节、气弹主体等结构，利用这些结构通过油管将助燃剂下井、释放于目的层，避免了常规甲烷原位燃爆技术中出现的助燃剂井下长距离输送可能存在的安全问题，装置结构简单，安全性高。
61.以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。