CN103982168B - 井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置及其方法属油、气井压裂完井技术领域，具体涉及装置和方法两个技术方案，所述方法是采用井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置对井下地层进行压裂的方法，所述装置在各级的智能压力编码起爆器控制下，依据设定的工作模式逐级适时起爆产生大量高压气体，在井内或地层的孔眼内形成动态高压脉冲压力，使地层开裂形成多条裂缝，地层的流体增加渗透性容易被开采；该装置和方法的优点有：能够产生可适时控制的周期多压力脉冲，使地层承受压缩—膨胀—压缩交变“共振”，促使裂隙有效延伸，形成新的裂隙网，提高地层渗透性；压裂过程对地层与环境无污染，该方法还适用于水敏、酸敏地层；施工周期短、成本低、设备简便，不受地形与水源的限制。

Description

井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置及其方法

技术领域

本发明公开的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置及其方法属油、气井压裂完井技术领域，具体涉及的是一种井下地层压裂开发的增产技术，特别涉及煤层气井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置和井下多级智能高压气体脉冲压裂地层的方法两个技术方案。

背景技术

煤层气是煤层本身自生自储式的非常规天然气，我国煤层气资源丰富，居世界第三位。煤层气不仅是一种新型的清洁能源，它的开发还有利于解除煤矿瓦斯灾害隐患、保护大气环境等。

煤层气在煤层中主要为吸附状态，其开采必须经历解吸过程并通过扩散和渗流后才能由井筒产出。现在应用较多的技术是“垂直井——射孔完井——压裂加砂——抽排降液——解吸气体”的施工工艺流程。我国煤层气储层由于成煤期后构造破坏强烈，构造煤发育，因此大多属于低渗透、强吸附煤储层，致使煤层气开采难以实施。鉴于我国煤气层的不利地质特性，煤层气增产的关键是对储层进行改造以提高煤层气的渗透性。目前国内煤层气井地面开采借鉴和移植了石油、天然气井开采的成熟技术和工艺，如水力加砂压裂技术、泡沫压裂技术、液态气体压裂技术、高能气体压裂技术等。但是由于煤气层的力学性质和地质参数的特殊性，与石油、天然气的砂岩存在巨大差异，导致实际施工效果不理想。这些技术主要优缺点分别是，水力加砂压裂规模大，能形成大范围的裂缝，但是会伤害储层，压裂液返排时间长，压裂液内的化学添加剂会污染地层，产气效果不稳定；泡沫压裂对煤层的伤害相对小一些，但是携砂能力弱，成本高；采用液态CO₂或N₂对煤层进行压裂往往与其它压裂技术配合使用，但是施工难度高，费用非常昂贵，对煤层气井的产出收益来讲无法承受；高能气体压裂技术施工简便，成本低，增产效果明显，但是规模相对比较小，产量衰减快。

水力压裂是目前较常用的煤层气改造措施，由于其压力上升缓慢，产生和形成裂缝受到地层主应力控制，一般只能形成一条双翼型主裂缝。但离主裂缝较远的煤气层难以再产生裂缝，煤气层的渗透性和孔隙度没有得到改善，煤层气也难以解吸出来，所以有些井水力压裂后衰减较快，重复压裂改造也难以改变。开采煤层气的关键是提高煤气层的渗透性和压裂的规模，使煤层原有的微裂隙与压裂的人工裂缝相沟通，创造有利于煤层气解吸和运移的条件。

针对现有压裂技术的不足，本发明提出了利用含能材料燃烧驱动高压气体产生超临界高能流体，并采用智能控制起爆技术产生与煤层动态破裂特性相匹配的脉动压力，提升压裂效果和规模。本发明所公布的压裂装置和方法克服了水力压裂压力上升时间慢，流量受限，滤失严重，易伤害储层等问题，同时也解决了高能气体压裂规模小的不足，并能够适时控制脉冲的压力值和周期，使煤层承受压缩—膨胀—压缩交变“共振”应力作用，产生一定的放大效应，促使裂隙有效延伸，形成新的裂隙网。本发明的压裂介质是高能气体，在压裂过程中不会对地层的渗透性等形成伤害。本发明产生高能气体的生成速度快，能量集中，压裂过程能量损失小。气体的升压速度快，气体压裂介质流动性比液体好，可以在地层中形成不受地应力控制的多条裂缝，从而沟通更大的体积。采用井下多级起爆控制技术，使能量的释放可控，产生多级强压力脉冲，更加适应不同地质条件地层的压裂特性。本发明能够实时感受爆炸过程的压力变化，实现了压裂过程的实时控制、智能化和安全性，能够根据地层的实际反应优化压裂过程，提高压裂效果。本发明与水力压裂的机理不同，可用于废井、老井的重新压裂，使其形成新的裂缝恢复生产。某些新井由于地形、水源、交通等限制不便于实施大规模水力压裂，本技术可以作为一项简便的替代性压裂技术。

发明内容

本发明的目的是：向社会提供这种井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置及其方法两个技术方案。本发明提出了利用含能材料燃烧驱动高压气体产生超临界高能流体，并采用智能控制起爆技术产生与煤层动态破裂特性相匹配的脉动压力，提升压裂效果和规模。本技术与水力压裂的机理不同，可用于废井、老井的重新压裂，使其形成新的裂缝恢复生产；对于某些新井由于地形、水源、交通等限制不便于实施大规模水力压裂，可以采用本技术作为一项简便的替代性压裂技术。本发明的两个技术方案于下：

关于装置的技术方案是这样的：这种井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，每级包括有：智能压力编码起爆器、点火雷管、导爆索、含能材料、压裂装药机械外筒、承压破膜组件、气体混合筛管组件、高压气体、高压气体机械外筒、注泄气组件、泄压筛筒、泄压堵片、下堵头，以及该装置的软件系统。技术特点在于：所述的该装置是采用多级智能高压气体脉冲压裂器串接组合成井下地层进行压裂的装置，该装置的多级智能高压气体脉冲压裂器在各自的智能压力编码起爆器控制下，依据设定的工作模式逐级适时起爆产生大量高压气体，在井内或地层的孔眼内形成一个动态高压脉冲压力源，在这种动态高压脉冲压力的作用下，地层开裂形成多条裂缝，增加地层的渗透性，使地层内的资源更容易被开采。所述的多级智能高压气体脉冲压裂器可以根据压裂地层工程的实际需要选择合适的级数并组装。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，技术特点还有：所述的该装置要进行：a. 编程设定：井下多级智能压力编码起爆器编程设定。所述的编程是通过上位PC机专用软件程序编程。b.组装与联调:多级高压气体脉冲压裂地层装置在地面组装，组装后进行装置联调以备用。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，技术特点还有：a.所述该井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置的多级智能压力编码起爆器开始起爆之前，含能材料、高压气体两种能量源处于不同的容器中被隔离放置，含能材料存放在压裂装药机械外筒中，高压气体存放在高压气体机械外筒中，压裂装药机械外筒和高压气体机械外筒之间由承压破膜组件隔离，高压气体机械外筒的另一端安装有另外一套压力破膜，含能材料选择固体火药或液体火药、或其他含能材料，所述的其他含能材料如固体火箭推进剂、炸药、烟火剂、发射药等。高压气体选择CO₂、或N₂、或其他气体。所述的其他气体如CO₂与N₂的混合气体等。b.所述的该装置的压裂装药机械外筒中的含能材料被点燃后产生大量高温高压气体，随着燃烧的持续该高温高压气体产生的压力值超过压裂装药机械外筒和高压气体机械外筒之间破膜片的压力阈值，该高温高压气体冲破破膜片进入高压气体机械外筒中，高温高压气体与高压气体机械外筒中的高压气体混合以后，冲破高压气体机械外筒另一端的另外一套压力破膜，进而推开泄压筛筒上的泄压堵片，高温高压气体进入井内开始压裂地层。所述的含能材料容器（即压裂装药机械外筒）、高压气体容器（即高压气体机械外筒）的容积大小的选择，所述的含能材料、高压气体品种及其数量的选择，还有各级破膜片、泄压堵片以及它们的压力阈值的选择，都有相互关联关系，应当进行系统的计算和设计。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，技术特点还有所述的该装置起爆由多级智能压力编码起爆器根据测试到的井内动态压力的变化，选择合适的时机开始起爆，该时机通过对智能压力编码起爆器编程进行设置或调节，编程设置选择预先设置，编程调节选择在前一级智能压力编码起爆器产生压力脉冲的下降沿开始起爆，或根据实时采集到的起爆压力信号使本级智能高压气体脉冲压裂器起爆。所述的对智能压力编码起爆器编程进行设置或调节，选择进行编程设置的预先设置或编程调节都应根据压裂地层工程的实际需要选择采用合适的编程设置参数。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，技术特点还有：a.所述的智能压力编码起爆器具有高速采样和低速采样不同的工作状态，选择根据井内压力信号的特征改变自身的采样率。所述的井内压力信号的特征是根据实时加压的三个压力台阶是否结束，满足三个压力台阶后各级智能压力编码起爆器均由低速采集变为高速采集。各级智能压力编码起爆器通过上位机软件编程设定，按照软件发出的“开始采集”命令之后便开始低速采集，下井过程也是低速采集。等压裂装置下到预定目标压裂岩层后，施工人员会通过加压泵向井口注入压裂液对井内加压，加压过程是有秩序、有预先设定的。预定的三个压力台阶是这样实现的：加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第一个台阶压力值时，保持这个压力并等待一定的时间，实现了第一级压力台阶，该压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机编入各级智能压力编码起爆器的软件中，编入各级智能压力编码起爆器软件中的第一个压力台阶值和压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第一个压力台阶值以及压力保持时间长短是一致的。再通过加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第二个台阶压力值时，保持该压力值并等待一定的时间，实现了第二级压力台阶，该第二个压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机编入各级智能压力编码起爆器的软件中，编入各级智能压力编码起爆器软件中的第二个压力台阶值和压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第二个压力台阶值以及压力保持时间长短是一致的。再通过加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第三个台阶压力值时，保持该压力值并等待一定的时间，实现了第三级压力台阶，该第三个压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机编入各级智能压力编码起爆器的软件中，编入各级智能压力编码起爆器软件中的第三个压力台阶值与压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第三个压力台阶值以及压力保持时间长短还是一致的。如此便实现了三个压力台阶的具体设置和具体操作执行过程。当然，依照上述设置和操作可以实现任意个数目的压力台阶的设置和操作，具有灵活性和任意性。所述的多级智能压力编码起爆器是通过这样的判断实现从低速采集切换到高速采集状态的：当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第一个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器实时把采集到的压力值和预先编入的第一个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当压力值与压力保持时间均满足一致时，各级智能压力编码起爆器则认为满足了第一级压力台阶的条件，开始捕捉第二级压力台阶信号，否则一直把实时采集到的压力值与第一级压力台阶值进行比较。当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第二个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器实时把采集到的压力值和预先编入的第二个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当压力值与压力保持时间长短均满足一致时，各级智能压力编码起爆器则认为满足了第二级压力台阶的条件，开始捕捉第三级压力台阶信号，否则继续将实时采集到的压力值与第二级压力值进行比较。当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第三个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器实时把采集到的压力值和预先编入的第三个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当各级智能压力编码起爆器认为满足了第三级压力台阶的条件和满足了三个压力台阶，各级智能压力编码起爆器均改变状态开始高速采集。该多级智能压力编码起爆器通过多个压力台阶判断改变状态开始高速采集的方法是本技术方案的一个发明点。所述的智能压力编码起爆器根据井内压力信号的特征选择自身的采样速率是低速1Hz，高速125kHz。b.所述的智能高压气体脉冲压裂器选择单级使用、或多级级联使用。所述的选择使用单级或多级的智能高压气体脉冲压裂器应根据压裂地层工程的实际需要选择合适级数。c.所述的多级智能高压气体脉冲压裂器在井下环空产生的动态高压脉冲压力是多级动态高压脉冲压力。d.所述的泄压筛筒泄压孔上设置有密封泄压堵片。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，技术特点还有：a.所述的该装置的气体混合筛管组件的详细结构是：转接盒通过自身前端的转接头与承压破膜组件连接，转接盒后端与筛管通过螺纹连接，气体混合筛管组件与高压气体机械外筒同轴线且筛管长度与高压气体机械外筒长度相当地设置在高压气体机械外筒当中，筛管底端设有螺纹堵片，筛管遍体均匀分布有筛孔，便于含能材料燃烧产生的高温气体迅速外泄与高压气体机械外筒中的高压气体均匀充分混合。气体混合筛管组件的详细结构是本技术方案的一个发明点。b.所述的该装置的注泄气组件的详细结构是：注泄气组件有注气和泄气两种功能，注泄气组件同轴线地依靠注泄气组件壳体连接并设置在高压气体机械外筒和泄压筛筒间，泄气功能的详细结构有：在注泄气组件壳体轴向设置泄气口，泄气口前端与高压气体机械外筒末端连通，泄气口末端与泄压筛筒前端连通，支撑螺环靠螺纹连接在泄气口中部，支撑螺环环口与泄气口通连, 支撑螺环下面设置切割筛片，切割筛片上均匀分布有筛孔，支撑螺环环口和切割筛片筛孔通连，切割筛片靠螺纹连接在泄气口内并与支撑螺环贴紧安装,支撑螺环下端环口内边缘与采用钢或铝薄金属片做成的压力破膜焊接密封固定，支撑螺环外周边设置有圆周槽，该圆周槽内置有氟橡胶密封O型圈，泄气口通道靠氟橡胶密封O型圈和压力破膜将高压气体机械外筒和泄气筛筒密封隔离，当起爆后高压气体压力迅速升高将压力破膜经切割筛片上的筛孔压破，高压气体从切割筛片筛孔进入泄气筛筒，再从泄气筛筒的筛孔经泄压堵片冲出压裂地层。注气功能的详细结构是：在注泄气组件壳体中部径向开设与外界相通的注气孔，在注泄气组件壳体泄气口旁轴向设置导通孔，导通孔前端与高压气体机械外筒末端连通，导通孔与注气孔垂直相交连通，导通孔下部设置有开关螺柱，开关螺柱中部环柱面设置有圆周槽，该圆周槽内设置有高温密封O型圈，靠该高温密封O型圈密封导通孔末端并形成注气孔与导通孔通道，开关螺柱下端设置有旋进槽，开关螺柱顶端设置有密封垫，依靠旋进槽旋进开关螺柱与密封垫顶住并关断注气孔和导通孔，既实现注气功能并使高压气体密封，反向旋转旋进槽旋退开关螺柱与密封垫分离并连通注气孔和导通孔，即可实现将高压气体的放出。注泄气组件的详细结构是本技术方案的又一个发明点。当需要重新注入高压气体时，可通过控制旋进槽旋出开关螺柱，通过注气孔注入高压气体，高压气体通过导通孔进入高压气体机械外筒内，当注满气体后，旋紧开关螺柱顶紧密封垫堵住导通孔和注气孔通路，从而将高压气体密封在高压气体机械外筒中。如此操作可实现多次注气，本发明的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置也可重复多次使用。

关于方法的技术方案是这样的：这种井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法，技术特点在于：所述的该方法是采用多级智能高压气体脉冲压裂器串接组合装置对井下地层进行压裂的方法，所述的多级智能高压气体脉冲压裂器在各自的智能压力编码起爆器控制下，依据设定的工作模式逐级适时起爆产生大量高压气体，在井内或地层的孔眼内形成一个动态高压脉冲压力，在这种动态高压脉冲压力的作用下，地层开裂形成多条裂缝，增加地层的渗透性，使地层内的资源更容易被开采。所述的该装置的每级包括有：智能压力编码起爆器、点火雷管、导爆索、含能材料、压裂装药机械外筒、承压破膜组件、气体混合筛管组件、高压气体、高压气体机械外筒、注泄气组件、泄压筛筒、泄压堵片、下堵头等，以及该装置的软件系统。所述的多级可以根据压裂地层工程的实际需要级数选择合适的级数并组装。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法，技术特点还有：所述的该方法采用的装置要进行：a. 编程设定：井下多级智能压力编码起爆器编程设定。所述的编程是通过上位PC机专用软件程序编程。b.组装与联调:多级高压气体脉冲压裂地层装置在地面组装，组装后进行装置联调以备用。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法，技术特点有：a.所述该方法是在井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置的多级智能压力编码起爆器发出起爆命令之前，含能材料存放在压裂装药机械外筒中，高压气体存放在高压气体机械外筒中，压裂装药机械外筒和高压气体机械外筒之间由承压破膜组件隔离，高压气体机械外筒的另一端安装有另外一套压力破膜，含能材料选择固体火药或液体火药、或其他含能材料，所述的其他含能材料如是固体火箭推进剂、炸药、烟火剂、发射药等。高压气体选择CO₂、或N₂、或其他气体。所述的其他气体如CO₂与N₂的混合气体等。b.所述的该方法是将井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置的含能材料点燃，然后产生大量高温高压气体，随着燃烧的持续该高温高压气体产生的压力值超过压裂装药机械外筒和高压气体机械外筒之间的破膜片的压力阈值，该高温高压气体冲破破膜片进入高压气体机械外筒内，高温高压气体与高压气体机械外筒中的高压气体混合以后，冲破高压气体机械外筒另一端的另外一套压力破膜，进而推开泄压筛筒上的泄压堵片，高温高压气体进入井内开始压裂地层。所述的含能材料容器（即压裂装药机械外筒）、高压气体容器（即高压气体机械外筒）的容积大小的选择，所述的含能材料、高压气体品种及其数量的选择，还有各级破膜片、泄压堵片以及它们的压力阈值的选择，都有相互关联关系，应当进行系统的计算和设计。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法，技术特点还有：所述的该方法是采用多级智能压力编码起爆器根据测试到的井内动态压力的变化，选择合适的时机起爆各级智能高压气体脉冲压裂器，该时机通过对智能压力编码起爆器编程进行设置或调节，编程设置选择预先设置，编程调节选择在前一级智能压力编码起爆器产生压力脉冲的下降沿开始起爆，或根据实时采集到的起爆压力信号使本级智能高压气体脉冲压裂器起爆。所述的对智能压力编码起爆器编程进行设置或调节，选择进行编程设置的预先设置或编程调节都应根据压裂地层工程的实际需要选择采用合适的编程设置参数。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法，技术特点还有：a.所述的智能压力编码起爆器具有高速采样和低速采样不同的工作状态，选择根据井内压力信号的特征改变自身的采样率。所述的井内压力信号的特征是根据实时加压的三个压力台阶是否结束，满足三个压力台阶后各级智能压力编码起爆器均由低速采集变为高速采集，各级智能压力编码起爆器通过上位机软件编程设定，收到软件发出的“开始采集”命令之后便开始低速采集，下井过程也是低速采集。等压裂装置下到预定目标压裂岩层后，施工人员会通过加压泵向井口注入压裂液对井内加压，加压过程是有秩序、有预先设定的。预定的三个压力台阶是这样实现的：加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第一个台阶压力值时，保持这个压力并等待一定的时间，实现了第一级压力台阶，该压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机编入各级智能压力编码起爆器的软件中，编入各级智能压力编码起爆器软件中的第一个压力台阶值和压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第一个压力台阶值以及压力保持时间长短是一致的。再通过加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第二个台阶压力值时，保持该压力值并等待一定的时间，实现了第二级压力台阶，该第二个压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机编入各级智能压力编码起爆器的软件中，编入各级智能压力编码起爆器软件中的第二个压力台阶值和压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第二个压力台阶值以及压力保持时间长短是一致的。再通过加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第三个台阶压力值时，保持该压力值并等待一定的时间，实现了第三级压力台阶，该第三个压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机编入各级智能压力编码起爆器的软件中，编入各级智能压力编码起爆器软件中的第三个压力台阶值与压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第三个压力台阶值以及压力保持时间长短还是一致的。如此便实现了三个压力台阶的具体设置和具体操作执行过程。当然，依照上述设置和操作可以实现任意个数目的压力台阶的设置和操作，具有灵活性和任意性。所述的多级智能压力编码起爆器是通过这样的判断实现从低速采集切换到高速采集状态的：当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第一个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器实时把采集到的压力值和预先编入的第一个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当压力值与压力保持时间均满足一致时，各级智能压力编码起爆器则认为满足了第一级压力台阶的条件，开始捕捉第二级压力台阶信号，否则一直把实时采集到的压力值与第一级压力台阶值进行比较。当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第二个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器实时把采集到的压力值和预先编入的第二个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当压力值与压力保持时间长短均满足一致时，各级智能压力编码起爆器则认为满足了第二级压力台阶的条件，开始捕捉第三级压力台阶信号，否则继续将实时采集到的压力值与第二级压力值进行比较。当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第三个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器实时把采集到的压力值和预先编入的第三个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当各级智能压力编码起爆器认为满足了第三级压力台阶的条件和满足了三个压力台阶后，各级智能压力编码起爆器均改变状态开始高速采集。所述的智能压力编码起爆器根据井内压力信号的特征选择自身的采样速率是低速1Hz，高速125Hz。b.所述的智能高压气体脉冲压裂器选择单级使用、或多级级联使用。所述的选择使用单级或多级的智能高压气体脉冲压裂器应根据压裂地层工程的实际需要选择合适级数。c.所述的多级智能高压气体脉冲压裂器在井下环空产生的动态高压脉冲压力是多级动态高压脉冲压力。d.所述的泄压筛筒泄压孔上设置有密封泄压堵片。

根据以上所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法，技术特点还有：a.所述的该装置的气体混合筛管组件的详细结构是：转接盒通过自身前端的转接头与承压破膜组件连接，转接盒后端与筛管通过螺纹连接，气体混合筛管组件与高压气体机械外筒同轴线且筛管长度和高压气体机械外筒长度相当地设置在高压气体机械外筒当中，筛管底端设有螺纹堵片，筛管遍体均匀分布有筛孔，便于含能材料燃烧产生的高温气体迅速外泄与高压气体机械外筒中的高压气体均匀充分混合。气体混合筛管组件的详细结构是本技术方案的一个发明点。b.所述的该装置的注泄气组件的详细结构是：注泄气组件有注气和泄气两种功能，注泄气组件同轴线地依靠注泄气组件壳体连接并设置在高压气体机械外筒和泄压筛筒间，泄气功能的详细结构有:在注泄气组件壳体轴向设置泄气口，泄气口前端与高压气体机械外筒末端连通，泄气口末端与泄压筛筒前端连通，支撑螺环靠螺纹连接在泄气口中部，支撑螺环环口与泄气口通连, 支撑螺环下面设置切割筛片，切割筛片上均匀分布有筛孔，支撑螺环环口和切割筛片筛孔通连，切割筛片靠螺纹连接在泄气口内并与支撑螺环贴紧安装,支撑螺环下端环口内边缘与采用钢或铝薄金属片做成的压力破膜焊接密封固定，支撑螺环外周边设置有圆周槽，该圆周槽内置有氟橡胶密封O型圈，泄气口通道靠氟橡胶密封O型圈和压力破膜将高压气体机械外筒和泄气筛筒密封隔离，当起爆后高压气体压力迅速升高将压力破膜经切割筛片上的筛孔压破，高压气体从切割筛片筛孔进入泄气筛筒，再从泄气筛筒的筛孔经泄压堵片冲出压裂地层。注气功能的详细结构是：在注泄气组件壳体中部径向开设与外界相通的注气孔，在注泄气组件壳体泄气口旁轴向设置导通孔，导通孔前端与高压气体机械外筒末端连通，导通孔与注气孔垂直相交连通，导通孔下部设置有开关螺柱，开关螺柱中部环柱面设置有圆周槽，该圆周槽内设置有高温密封O型圈，靠该高温密封O型圈密封导通孔末端并形成注气孔与导通孔通道，开关螺柱下端设置有旋进槽，开关螺柱顶端设置有密封垫，依靠旋进槽旋进开关螺柱与密封垫顶住并关断注气孔和导通孔，既实现注气功能并使高压气体密封，反向旋转旋进槽旋退开关螺柱与密封垫分离并连通注气孔和导通孔，即可实现将高压气体的放出。注泄气组件的详细结构是本技术方案的又一个发明点。当需要重新注入高压气体时，可通过控制旋进槽旋出开关螺柱，通过注气孔注入高压气体，高压气体通过导通孔进入高压气体机械外筒内，当注满气体后，旋紧开关螺柱顶紧密封垫堵住导通孔和注气孔通路，从而将高压气体密封在高压气体机械外筒中。如此操作可实现多次注气，本发明的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置也可重复多次使用。

本发明的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置优点有：1. 能够产生可适时控制压力值和周期的多压力脉冲，使地层承受压缩—膨胀—压缩交变“共振”应力作用，促使裂隙有效延伸，形成新的裂隙网；2.压裂过程实时可控，可以避免压力值过高，对井具有保护作用；3.压裂源为无害气体对地层与环境无污染、易返排，还适用于常规增产措施无法作业的地层，如水敏、酸敏地层；4.施工周期短、成本低、设备及施工简便且不受地形与水源的限制；5.可形成多条方向不受地应力影响的裂缝，沟通地层原生裂缝，扩大泄流面积，产生强脉冲震荡使地层岩性基质微错动变化，提高地层渗透性。本发明的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法优点有：1.能够产生可适时控制压力值和周期的多压力脉冲，使地层承受压缩—膨胀—压缩交变“共振”应力作用，促使裂隙有效延伸，形成新的裂隙网；2.压裂过程实时可控，可以避免压力值过高，对井具有保护作用；3.压裂源为无害气体对地层与环境无污染、易返排，还适用于常规增产措施无法作业的地层，如水敏、酸敏地层；4. 施工周期短、成本低、设备及施工简便且不受地形与水源的限制；5.可形成多条方向不受地应力影响的裂缝，沟通地层原生裂缝，扩大泄流面积，产生强脉冲震荡使地层岩性基质微错动变化，提高地层渗透性。这种井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置及其方法值得采用和推广。

附图说明

本发明的说明书附图共有10幅：

图1是井下一级智能高压气体脉冲压裂地层装置结构图；

图2是智能压力编码起爆器结构图；

图3是智能压力编码起爆器结构方框图；

图4是承压破膜组件结构图；

图5是气体混合筛管组件结构图；

图6是注泄气组件结构图；

图7是井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置工作示意图；

图8是智能压力编码起爆器工作流程图；

图9 是井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置工作流程图；

图10是井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置工作压力曲线图。

在各图中采用了统一标号，即同一物件在各图中用同一标号。在各图中：1.智能压力编码起爆器；2.点火雷管；3.导爆索；4.含能材料；5.压裂装药机械外筒；6.承压破膜组件；7.气体混合筛管组件；8.高压气体；9.高压气体机械外筒；10.注泄气组件；11.泄压筛筒；12.泄压堵片；13.下堵头；14.智能压力编码起爆器外部机械壳体；15.压力传感器传压通道；16.压力传感器；17.耐高温O型圈；18.智能压力编码起爆器电路模块；19.压螺；20.点火雷管点火线；21.传感器适配放大电路；22.A/D转换电路；23.主控制器；24.开关电路；25.高温电池；26.通信接口；27.上位机及软件；28.破膜片；29.密封支撑螺环；30.密封O型圈；31.破膜切割板；32.转接头；33.转接盒；34.筛管；35.筛孔；36.螺纹堵片；37.注泄气组件壳体；38.切割筛片；39.氟橡胶密封O型圈；40.支撑螺环；41.压力破膜；42.注气导通孔；43.密封垫；44.注气孔；45.高温密封O型圈；46.开关螺柱；47.安装旋进槽；48.井壁；49.油管；50.压井液；51.注液阀门；52.注液泵；53.射孔通道；54.智能高压气体脉冲压裂器；55.安装准备阶段；56.编程设置；57.开始低速采集压力；58.判断是否等于设定的第一个压力台阶；59.判断是否等于设定的第二个压力台阶；60.判断是否等于设定的第三个压力台阶；61.开始高速采集压力；62.判断高压脉冲数是否等于N；63.高速采集爆炸压力；64.判断爆炸高压膨胀是否结束；65.起爆本级点火雷管；66.本级智能压力编码起爆器结束；67.智能高压气体脉冲压裂器使用前准备工作；68.各级智能压力编码器编程设定；69.第一级智能压力编码起爆器与第一级智能高压气体脉冲压裂器装配；70.顺序装配其他各级智能压力编码起爆器和智能高压气体脉冲压裂器；71.将智能高压气体脉冲压裂器串送到井下；72.到达压裂层位；73.封井口；74.从井口向井下环形空间按设定的起爆压力台阶加压；75.各级智能压力编码起爆器采集到起爆压力台阶；76.第一级智能压力编码起爆器满足起爆条件开始点火；77.判断第i级智能压力编码起爆器点火条件是否成立；78.第i级智能压力编码起爆器开始点火；79.级数计数加一；80.判断爆炸级数是否达到最大；81.本次压裂过程结束；82.地面安装及下井阶段；83.第一压力台阶阶段；84.第二压力台阶阶段；85.第三压力台阶阶段；86.智能压力编码起爆器延时阶段；87.第一级智能高压气体脉冲压裂器爆炸压力脉冲；88.第二级智能高压气体脉冲压裂器动态压力脉冲；89.其他各级智能高压气体脉冲压裂器产生的压力波形；90.最后一级智能高压气体脉冲压裂器动态压力脉冲。

具体实施方式

本发明的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置及其方法的实施例包括两部分，其一是关于装置的实施例；其二是关于方法的实施例。

本发明的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置非限定实施例如下：

实施例一.井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置

该例的这种井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置具体结构由图1～图10联合示出，图1所示的是井下一级智能高压气体脉冲压裂地层装置结构图，如图1中所示每级包括有:1是智能压力编码起爆器，2是点火雷管，3是导爆索，4是含能材料，5是压裂装药机械外筒，6是承压破膜组件，7是气体混合筛管组件，8是高压气体，9是高压气体机械外筒，10是注泄气组件，11是泄压筛筒，12是泄压堵片，13是下堵头，以及该装置的软件系统。如图9 所示的是井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置工作（软件）流程图，在图9中：67是智能高压气体脉冲压裂器使用前准备工作，68是各级智能压力编码器编程设定，69是第一级智能压力编码起爆器与第一级智能高压气体脉冲压裂器装配，70是顺序装配其他各级智能压力编码起爆器和智能高压气体脉冲压裂器，71是将智能高压气体脉冲压裂器串送到井下，72是到达压裂层位，73是封井口，74是从井口向井下环形空间按设定的起爆压力台阶加压，75是各级智能压力编码起爆器采集到起爆压力台阶，76是第一级智能压力编码起爆器满足起爆条件开始点火，77是判断第i级智能压力编码起爆器点火条件是否成立，78是第i级智能压力编码起爆器开始点火，79是级数计数加一，80是判断爆炸级数是否达到最大，81是本次压裂过程结束。图2所示的是智能压力编码起爆器结构图，图3所示的是智能压力编码起爆器结构方框图，在两图中：14是智能压力编码起爆器外部机械壳体，15是压力传感器传压通道，16是压力传感器，17是耐高温O型圈，18是智能压力编码起爆器电路模块，19是压螺，20是点火雷管点火线，21是传感器适配放大电路，22是A/D转换电路，23是主控制器，主控制器的型号如是MSP430系列单片机、或XCR3128XL等，24是开关电路，25是高温电池，26是通信接口，27表示上位机及软件。图8所示的是智能压力编码起爆器工作（软件）流程图，图8中：55是安装准备阶段，56是编程设置，57是开始低速采集压力，58是判断是否等于设定的第一个压力台阶，59是判断是否等于设定的第二个压力台阶，60是判断是否等于设定的第三个压力台阶，61是开始高速采集压力，62是判断高压脉冲数是否等于N，63是高速采集爆炸压力，64是判断爆炸高压膨胀是否结束，65是起爆本级点火雷管，66是本级智能压力编码起爆器结束。图4所示的是承压破膜组件结构图，图4中：17是耐高温O型圈，28是破膜片，29是密封支撑螺环，30是密封O型圈，31是破膜切割板，32是转接头。图5所示的是气体混合筛管组件结构图，图5中：33是转接盒，34是筛管，35是筛孔，36是螺纹堵片。图6所示的是注泄气组件结构图，在图6中：17是耐高温O型圈，37是注泄气组件壳体，38是切割筛片，39是氟橡胶密封O型圈，40是支撑螺环，41是压力破膜，42是注气导通孔，43是密封垫，44是注气孔，45是高温密封O型圈，46是开关螺柱，47是安装旋进槽。该例的智能高压气体脉冲压裂器选择单级使用、或多级级联使用。所述的选择使用单级或多级的智能高压气体脉冲压裂器应根据压裂地层工程的实际需要选择合适级数，该例的多级智能高压气体脉冲压裂器可以根据压裂地层工程的实际需要选择合适的级数并组装。该例的装置是采用多级智能高压气体脉冲压裂器串接组合成井下地层进行压裂的装置，例如是由N级智能高压气体脉冲压裂器串接组合而成，其中N可以选择为10、或9、或8、或7，图7所示的正是井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置工作示意图，在图7中：48是井壁，49是油管，50是压井液，51是注液阀门，52是注液泵，53是射孔通道，54是智能高压气体脉冲压裂器。首先该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置要进行组装与联调: N级高压气体脉冲压裂地层装置在地面组装，还要编程设定：多级智能压力编码起爆器编程设定。所述的编程是通过上位PC机专用软件程序编程，组装后进行装置联调以备用。组装准备好的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，要下到井下目标压裂层位，该装置的多级智能高压气体脉冲压裂器54在各自的智能压力编码起爆器1控制下，依据设定的工作模式逐级适时起爆产生大量高压气体，在井内或地层的孔眼内形成一个动态高压脉冲压力源，在这种动态高压脉冲压力的作用下，地层开裂形成多条裂缝，增加地层的渗透性，使地层内的资源更容易被开采。该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置的多级智能压力编码起爆器1开始起爆之前，含能材料4、高压气体8两种能量源处于不同的容器中被隔离放置，含能材料4存放在压裂装药机械外筒5中，高压气体8存放在高压气体机械外筒9中，压裂装药机械外筒5和高压气体机械外筒9之间由承压破膜组件6等隔离，高压气体机械外筒9的另一端安装有另外一套压力破膜41等，含能材料4选择固体火药或液体火药、或其他含能材料，所述的其他含能材料如固体火箭推进剂、炸药、烟火剂、发射药等。高压气体8选择CO₂、或N₂、或其他气体。所述的其他气体如CO₂与N₂的混合气体等。该例的装置的压裂装药机械外筒5中的含能材料4被点燃后产生大量高温高压气体，随着燃烧的持续该高温高压气体产生的压力值超过压裂装药机械外筒5和高压气体机械外筒9之间破膜片28的压力阈值，该高温高压气体冲破破膜片28进入高压气体机械外筒9内，高温高压气体与高压气体机械外筒9中的高压气体8混合以后，冲破高压气体机械外筒9另一端的另外一套压力破膜41，进而推开泄压筛筒上的泄压堵片12，高温高压气体进入井内开始压裂地层。所述的含能材料容器（即压裂装药机械外筒5）、高压气体容器（即高压气体机械外筒9）的容积大小的选择，所述的含能材料4、高压气体8品种及其数量的选择，还有各级破膜片28和压力破膜41、泄压堵片12以及它们的压力阈值的选择，都有相互关联关系，应当进行系统的计算和设计。该例的装置起爆由多级智能压力编码起爆器1根据测试到的井内动态压力的变化，选择合适的时机开始起爆，该时机通过对智能压力编码起爆器1编程进行设置或调节，编程设置选择预先设置，编程调节选择在前一级智能压力编码起爆器1产生压力脉冲的下降沿开始起爆，或根据实时采集到的起爆压力信号使本级智能高压气体脉冲压裂器54起爆。所述的对智能压力编码起爆器1编程进行设置或调节，选择进行编程设置的预先设置或编程调节都应根据压裂地层工程的实际需要选择采用合适的编程设置参数。该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，其智能压力编码起爆器1具有高速采样和低速采样不同的工作状态，选择根据井内压力信号的特征改变自身的采样率。所述的井内压力信号的特征是根据实时加压的三个压力台阶是否结束，满足三个压力台阶后各级智能压力编码起爆器1均高速采集。各级智能压力编码起爆器1通过上位机软件编程设定，按软件照发出的“开始采集”命令之后便开始低速采集，下井过程也是低速采集。等压裂装置下到预定目标压裂岩层后，施工人员会通过加压泵向井口注入压裂液对井内加压，加压过程是有秩序、有预先设定的。预定的三个压力台阶是这样实现的：加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第一个台阶压力值时，保持这个压力并等待一定的时间，实现了第一级压力台阶，该压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机27编入各级智能压力编码起爆器1的软件中，编入各级智能压力编码起爆器1软件中的第一个压力台阶值和压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第一个压力台阶值以及压力保持时间长短是一致的。再通过加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第二个台阶压力值时，保持该压力值并等待一定的时间，实现了第二级压力台阶，该第二个压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机27编入各级智能压力编码起爆器1的软件中，编入各级智能压力编码起爆器1软件中的第二个压力台阶值和压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第二个压力台阶值以及压力保持时间长短是一致的。再通过加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第三个台阶压力值时，保持该压力值并等待一定的时间，实现了第三级压力台阶，该第三个压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机27编入各级智能压力编码起爆器1的软件中，编入各级智能压力编码起爆器1软件中的第三个压力台阶值与压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第三个压力台阶值以及压力保持时间长短还是一致的。如此便实现了三个压力台阶的具体设置和具体操作执行过程。当然，依照上述设置和操作可以实现任意个数目的压力台阶的设置和操作，具有灵活性和任意性。所述的多级智能压力编码起爆器1是通过这样的判断实现从低速采集切换到高速采集状态的：当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第一个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器1实时把采集到的压力值和预先编入的第一个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当压力值与压力保持时间均满足一致时，各级智能压力编码起爆器1则认为满足了第一级压力台阶的条件，开始捕捉第二级压力台阶信号，否则一直把实时采集到的压力值与第一级压力台阶值进行比较。当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第二个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器1实时把采集到的压力值和预先编入的第二个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当压力值与压力保持时间长短均满足一致时，各级智能压力编码起爆器1则认为满足了第二级压力台阶的条件，开始捕捉第三级压力台阶信号，否则继续将实时采集到的压力值与第二级压力值进行比较。当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第三个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器1实时把采集到的压力值和预先编入的第三个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当各级智能压力编码起爆器1认为满足了第三级压力台阶的条件和满足了三个压力台阶，各级智能压力编码起爆器1均改变状态开始高速采集。所述的智能压力编码起爆器根据井内压力信号的特征选择自身的采样速率是低速1Hz，高速125kHz。该例的多级智能高压气体脉冲压裂器在井下环空产生的动态高压脉冲压力是多级动态高压脉冲压力。图10示出井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置工作压力曲线图，在图10中：82是地面安装及下井阶段，83是第一压力台阶阶段，84是第二压力台阶阶段，85是第三压力台阶阶段，86是智能压力编码起爆器延时阶段，87是第一级智能高压气体脉冲压裂器爆炸压力脉冲，88是第二级智能高压气体脉冲压裂器动态压力脉冲，89是其他各级智能高压气体脉冲压裂器产生的压力波形，90是最后一级智能高压气体脉冲压裂器动态压力脉冲。所述的该装置的气体混合筛管组件7的详细结构是：转接盒33通过自身前端的转接头32与承压破膜组件6连接，转接盒33后端与筛管34通过螺纹连接，气体混合筛管组件7与高压气体机械外筒9同轴线且筛管34长度与高压气体机械外筒9长度相当地设置在高压气体机械外筒9当中，筛管34底端设有螺纹堵片，筛管34遍体均匀分布有筛孔35，便于含能材料4燃烧产生的高温气体迅速外泄与高压气体机械外筒9中的高压气体8均匀充分混合。气体混合筛管组件7的详细结构是本技术方案的一个发明点。所述的该装置的注泄气组件10的详细结构是：注泄气组件10有注气和泄气两种功能，注泄气组件10同轴线地依靠注泄气组件10壳体连接并设置在高压气体机械外筒9和泄压筛筒11间，泄气功能的详细结构有:在注泄气组件10壳体轴向设置泄气口，泄气口前端与高压气体机械外筒9末端连通，泄气口末端与泄压筛筒11前端连通，支撑螺环40靠螺纹连接在泄气口中部，支撑螺环40的环口与泄气口通连, 支撑螺环40下面设置切割筛片38，切割筛片38上均匀分布有筛孔，支撑螺环40环口和切割筛片38筛孔通连，切割筛片38靠螺纹连接在泄气口内并与支撑螺环40贴紧安装,支撑螺环40下端环口内边缘与采用钢或铝薄金属片做成的压力破膜41焊接密封固定，支撑螺环40外周边设置有圆周槽，该圆周槽内置有氟橡胶密封O型圈39，泄气口通道靠氟橡胶密封O型圈39和压力破膜41将高压气体机械外筒9和泄气筛筒11密封隔离，当起爆后高压气体8压力迅速升高将压力破膜41经切割筛片38上的筛孔压破，高压气体8从切割筛片38筛孔进入泄气筛筒11，再从泄气筛筒11的筛孔和泄压堵片12冲出压裂地层。注气功能的详细结构是：在注泄气组件10壳体中部径向开设与外界相通的注气孔44，在注泄气组件10壳体泄气口旁轴向设置导通孔42，导通孔42前端与高压气体机械外筒9末端连通，导通孔42与注气孔44垂直相交连通，导通孔下部设置有开关螺柱46，开关螺柱46中部环柱面设置有圆周槽，该圆周槽内设置有高温密封O型圈45，靠该高温密封O型圈45密封导通孔42末端并形成注气孔44与导通孔42通道，开关螺柱46下端设置有旋进槽47，开关螺柱46顶端设置有密封垫43，依靠旋进槽47旋进开关螺柱46与密封垫43顶住并关断注气孔44和导通孔42，既实现注气功能并使高压气体8密封，反向旋转旋进槽47旋退开关螺柱46与密封垫43分离并连通注气孔44和导通孔42，即可实现将高压气体的放出。注泄气组件10的详细结构是本技术方案的又一个发明点。当需要重新注入高压气体8时，可通过控制旋进槽47旋出开关螺柱46，可通过注气孔44注入高压气体8，高压气体8通过导通孔42进入高压气体机械外筒9内，当注满气体后，旋紧开关螺柱46顶紧密封垫43堵住导通孔42和注气孔44通路，从而将高压气体8密封在高压气体机械外筒9中。如此操作可实现多次注气，本发明的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置也可重复多次使用。

实施例二.井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置

该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置具体结构可用图1～图10等联合示出，该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置与实施例一的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置不同点有：该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置多级的N选择6、或5、或4，该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置其余未述的，全同于实施例一中所述的，不再重述。

实施例三.井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置

该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置具体结构可用图1～图10等联合示出，该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置与实施例一、实施例二的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置不同点有：该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置多级的N选择3、或2、或1。该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置其余未述的，全同于实施例一、实施例二中所述的，不再重述。

本发明的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法非限定实施例如下：

实施例一.井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法

该例的这种井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法，是采用多级智能高压气体脉冲压裂器串接组合装置对井下地层进行压裂的方法，该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置具体结构可用图1～图10等联合示出，图1所示的是井下一级智能高压气体脉冲压裂地层装置结构图，如图1中所示每级包括有：1是智能压力编码起爆器，2是点火雷管，3是导爆索，4是含能材料，5是压裂装药机械外筒，6是承压破膜组件，7是气体混合筛管组件，8是高压气体，9是高压气体机械外筒，10是注泄气组件，11是泄压筛筒，12是泄压堵片，13是下堵头，以及该装置的软件系统。如图9 所示的是井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置工作（软件）流程图，在图9中：67是智能高压气体脉冲压裂器使用前准备工作，68是各级智能压力编码器编程设定，69是第一级智能压力编码起爆器与第一级智能高压气体脉冲压裂器装配，70是顺序装配其他各级智能压力编码起爆器和智能高压气体脉冲压裂器，71是将智能高压气体脉冲压裂器串送到井下，72是到达压裂层位，73是封井口，74是从井口向井下环形空间按设定的起爆压力台阶加压，75是各级智能压力编码起爆器采集到起爆压力台阶，76是第一级智能压力编码起爆器满足起爆条件开始点火，77是判断第i级智能压力编码起爆器点火条件是否成立，78是第i级智能压力编码起爆器开始点火，79是级数计数加一，80是判断爆炸级数是否达到最大，81是本次压裂过程结束。图2所示的是智能压力编码起爆器结构图，图3所示是智能压力编码起爆器结构方框图，在两图中：14是智能压力编码起爆器外部机械壳体，15是压力传感器传压通道，16是压力传感器，17是耐高温O型圈，18是智能压力编码起爆器电路模块，19是压螺，20是点火雷管点火线，21是传感器适配放大电路，22是A/D转换电路，23是主控制器，主控制器的型号如是MSP430系列单片机、XCR3128XL等，24是开关电路，25是高温电池，26是通信接口，27表示上位机及软件。图8所示的是智能压力编码起爆器工作（软件）流程图，图8中：55是安装准备阶段，56是编程设置，57是开始低速采集压力，58是判断是否等于设定的第一个压力台阶，59是判断是否等于设定的第二个压力台阶，60是判断是否等于设定的第三个压力台阶，61是开始高速采集压力，62是判断高压脉冲数是否等于N，63是高速采集爆炸压力，64是判断爆炸高压膨胀是否结束，65是起爆本级点火雷管，66是本级智能压力编码起爆器结束。图4所示的是承压破膜组件结构图，图4中：17是耐高温O型圈，28是破膜片，29是密封支撑螺环，30是密封O型圈，31是破膜切割板，32是转接头。图5所示的是气体混合筛管组件结构图，图5中：33是转接盒，34是筛管，35是筛孔，36是螺纹堵片。图6所示的是注泄气组件结构图，在图6中：17是耐高温O型圈，37是注泄气组件壳体，38是切割筛片，39是氟橡胶密封O型圈，40是支撑螺环，41是压力破膜，42是注气导通孔，43是密封垫，44是注气孔，45是高温密封O型圈，46是开关螺柱，47是安装旋进槽。该例的智能高压气体脉冲压裂器选择单级使用、或多级级联使用。所述的选择使用单级或多级的智能高压气体脉冲压裂器应根据压裂地层工程的实际需要选择合适级数，该例的多级智能高压气体脉冲压裂器可以根据压裂地层工程的实际需要选择合适的级数并组装。该例的装置是采用多级智能高压气体脉冲压裂器串接组合成井下地层进行压裂的装置，例如是由N级智能高压气体脉冲压裂器串接组合而成，其中N可以选择为10、或9、或8、或7，图7所示的正是井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置工作示意图，在图7中：48是井壁，49是油管，50是压井液，51是注液阀门，52是注液泵，53是射孔通道，54是智能高压气体脉冲压裂器。首先该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置要进行组装与联调: N级高压气体脉冲压裂地层装置在地面组装，还要编程设定：多级智能压力编码起爆器1编程设定。所述的编程是通过上位PC机专用软件程序编程，组装后进行装置联调以备用。组装准备好的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，要下到井下目标压裂层位，该例的多级智能高压气体脉冲压裂器54在各自的智能压力编码起爆器1控制下，依据设定的工作模式逐级适时起爆产生大量高压气体，在井内或地层的孔眼内形成一个动态高压脉冲压力，在这种动态高压脉冲压力的作用下，地层开裂形成多条裂缝，增加地层的渗透性，使地层内的资源更容易被开采。该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置的多级智能压力编码起爆器1开始起爆之前，含能材料4、高压气体8两种能量源处于不同的容器中被隔离放置，含能材料4存放在压裂装药机械外筒5中，高压气体8存放在高压气体机械外筒9中，压裂装药机械外筒5和高压气体机械外筒9之间由承压破膜组件6隔离，高压气体机械外筒9的另一端安装有另外一套压力破膜41等，含能材料4选择固体火药或液体火药、或其他含能材料，所述的其他含能材料如固体火箭推进剂、炸药、烟火剂、发射药等。高压气体8选择CO₂、或N₂、或其他气体。所述的其他气体如CO₂与N₂的混合气体等。该例的装置的压裂装药机械外筒5中的含能材料4被点燃后产生大量高温高压气体，随着燃烧的持续该高温高压气体产生的压力值超过压裂装药机械外筒5和高压气体机械外筒9之间破膜片28的压力阈值，该高温高压气体冲破破膜片28进入高压气体机械外筒9内，高温高压气体与高压气体机械外筒9中的高压气体8混合以后，冲破高压气体机械外筒9另一端的另外一套压力破膜41，进而推开泄压筛筒11上的泄压堵片12，高温高压气体进入井内开始压裂地层。所述的含能材料容器（即压裂装药机械外筒5）、高压气体容器（即高压气体机械外筒9）的容积大小的选择，所述的含能材料4、高压气体8品种及其数量的选择，还有各级破膜片28与41、泄压堵片12以及它们的压力阈值的选择，都有相互关联关系，应当进行系统的计算和设计。该例的装置起爆由多级智能压力编码起爆器1根据测试到的井内动态压力的变化，选择合适的时机开始起爆，该时机通过对智能压力编码起爆器1编程进行设置或调节，编程设置选择预先设置，编程调节选择在前一级智能压力编码起爆器1产生压力脉冲的下降沿开始起爆，或根据实时采集到的起爆压力信号使本级智能高压气体脉冲压裂器54起爆。所述的对智能压力编码起爆器1编程进行设置或调节，选择进行编程设置的预先设置或编程调节都应根据压裂地层工程的实际需要选择采用合适的编程设置参数。该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，其智能压力编码起爆器1具有高速采样和低速采样不同的工作状态，选择根据井内压力信号的特征改变自身的采样率。所述的井内压力信号的特征是根据实时加压的三个压力台阶是否结束，满足三个压力台阶后各级智能压力编码起爆器1均高速采集。各级智能压力编码起爆器1通过上位机27软件编程设定，按照软件发出的“开始采集”命令之后便开始低速采集，下井过程也是低速采集。等压裂装置下到预定目标压裂岩层后，施工人员会通过加压泵向井口注入压裂液对井内加压，加压过程是有秩序、有预先设定的。预定的三个压力台阶是这样实现的：加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第一个台阶压力值时，保持这个压力并等待一定的时间，实现了第一级压力台阶，该压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机27编入各级智能压力编码起爆器1的软件中，编入各级智能压力编码起爆器1软件中的第一个压力台阶值和压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第一个压力台阶值以及压力保持时间长短是一致的。再通过加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第二个台阶压力值时，保持该压力值并等待一定的时间，实现了第二级压力台阶，该第二个压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机27编入各级智能压力编码起爆器1的软件中，编入各级智能压力编码起爆器1软件中的第二个压力台阶值和压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第二个压力台阶值以及压力保持时间长短也是一致的。再通过加压泵向井口注入压裂液，井内压力上升，井内压力上升需要一定的上升时间，上升到预设定的第三个台阶压力值时，保持该压力值并等待一定的时间，实现了第三级压力台阶，该第三个压力台阶值以及压力保持时间长短，可预先通过上位机27编入各级智能压力编码起爆器1的软件中，编入各级智能压力编码起爆器1软件中的第三个压力台阶值与压力保持时间长短与施工人员通过加压泵向井口加压实现的第三个压力台阶值以及压力保持时间长短还是一致的。如此便实现了三个压力台阶的具体设置和具体操作执行过程。当然，依照上述设置和操作可以实现任意个数目的压力台阶的设置和操作，具有灵活性和任意性。所述的多级智能压力编码起爆器1是通过这样的判断实现从低速采集切换到高速采集状态的：当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第一个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器1实时把采集到的压力值和预先编入的第一个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当压力值与压力保持时间均满足一致时，各级智能压力编码起爆器1则认为满足了第一级压力台阶的条件，开始捕捉第二级压力台阶信号，否则一直把实时采集到的压力值与第一级压力台阶值进行比较。当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第二个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器1实时把采集到的压力值和预先编入的第二个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当压力值与压力保持时间长短均满足一致时，各级智能压力编码起爆器1则认为满足了第二级压力台阶的条件，开始捕捉第三级压力台阶信号，否则继续将实时采集到的压力值与第二级压力值进行比较。当井口处在通过加压泵给井内注入压裂液施加第三个压力台阶的加压过程时，各级智能压力编码起爆器1实时把采集到的压力值和预先编入的第三个压力台阶值与压力保持时间长短进行比较，当各级智能压力编码起爆器1认为满足了第三级压力台阶的条件和满足了三个压力台阶，各级智能压力编码起爆器1均改变状态开始高速采集。所述的智能压力编码起爆器1根据井内压力信号的特征选择自身的采样速率是低速1Hz，高速125kHz。该例的多级智能高压气体脉冲压裂器54在井下环空产生的动态高压脉冲压力是多级动态高压脉冲压力。图10示出井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置工作压力曲线图，在图10中：82是地面安装及下井阶段，83是第一压力台阶阶段，84是第二压力台阶阶段，85是第三压力台阶阶段，86是智能压力编码起爆器延时阶段，87是第一级智能高压气体脉冲压裂器爆炸压力脉冲，88是第二级智能高压气体脉冲压裂器动态压力脉冲，89是其他各级智能高压气体脉冲压裂器产生的压力波形，90是最后一级智能高压气体脉冲压裂器动态压力脉冲。所述的该装置的气体混合筛管组件7的详细结构是：转接盒33通过自身前端的转接头32与承压破膜组件6连接，转接盒33后端与筛管34通过螺纹连接，气体混合筛管组件7与高压气体机械外筒9同轴线且筛管34长度和高压气体机械外筒9长度相当地设置在高压气体机械外筒9当中，筛管34底端设有螺纹堵片36，筛管34遍体均匀分布有筛孔35，便于含能材料4燃烧产生的高温气体迅速外泄与高压气体机械外筒9中的高压气体8均匀充分混合。气体混合筛管组件7的详细结构是本技术方案的一个发明点。所述的该装置的注泄气组件10的详细结构是：注泄气组件10有注气和泄气两种功能，注泄气组件10同轴线地依靠注泄气组件10壳体连接并设置在高压气体机械外筒9和泄压筛筒11间，泄气功能的详细结构有:在注泄气组件10壳体轴向设置泄气口，泄气口前端与高压气体机械外筒9末端连通，泄气口末端与泄压筛筒11前端连通，支撑螺环40靠螺纹连接在泄气口中部，支撑螺环40的环口与泄气口通连, 支撑螺环40下面设置切割筛片38，切割筛片38上均匀分布有筛孔，支撑螺环40环口和切割筛片38筛孔通连，切割筛片38靠螺纹连接在泄气口内并与支撑螺环40贴紧安装,支撑螺环40下端环口内边缘与采用钢或铝薄金属片做成的压力破膜41焊接密封固定，支撑螺环40外周边设置有圆周槽，该圆周槽内置有氟橡胶密封O型圈39，泄气口通道靠氟橡胶密封O型圈39和压力破膜41将高压气体机械外筒9和泄气筛筒11密封隔离，当起爆后高压气体8压力迅速升高将压力破膜41经切割筛片38上的筛孔压破，高压气体8从切割筛片38筛孔进入泄气筛筒11，再从泄气筛筒11的筛孔和泄压堵片12冲出压裂地层。注气功能的详细结构是：在注泄气组件10壳体中部径向开设与外界相通的注气孔44，在注泄气组件10壳体泄气口旁轴向设置导通孔42，导通孔42前端与高压气体机械外筒9末端连通，导通孔42与注气孔44垂直相交连通，导通孔42下部设置有开关螺柱46，开关螺柱46中部环柱面设置有圆周槽，该圆周槽内设置有高温密封O型圈45，靠该高温密封O型圈45密封导通孔42末端并形成注气孔44与导通孔42通道，开关螺柱46下端设置有旋进槽47，开关螺柱46顶端设置有密封垫43，依靠旋进槽47旋进开关螺柱46与密封垫43顶住并关断注气孔44和导通孔42，既实现注气功能并使高压气体8密封，反向旋转旋进槽47旋退开关螺柱46与密封垫43分离并连通注气孔44和导通孔42，即可实现将高压气体8的放出。注泄气组件10的详细结构是本技术方案的又一个发明点。当需要重新注入高压气体8时，可通过控制旋进槽47旋出开关螺柱46，可通过注气孔44注入高压气体8，高压气体8通过导通孔42进入高压气体机械外筒9内，当注满气体后，旋紧开关螺柱46顶紧密封垫43堵住导通孔42和注气孔44通路，从而将高压气体8密封在高压气体机械外筒9中。如此操作可实现多次注气，本发明的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置也可重复多次使用。

实施例二.井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法

该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法可采用井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置实现或实施。该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置具体结构可用图1～图10等联合示出，该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法与实施例一的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法不同点有：该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置多级的N选择6、或5、或4，该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法其余未述的，全同于实施例一中所述的，不再重述。

实施例三.井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装方法

该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法可采用井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置实现或实施。该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置具体结构可用图1～图10等联合示出，该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法与实施例一、实施例二的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法不同点有：该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置多级的N选择3、或2、或1。该例的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法其余未述的，全同于实施例一、实施例二中所述的，不再重述。

Claims (4)

1.一种井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，每级包括有：智能压力编码起爆器、点火雷管、导爆索、含能材料、压裂装药机械外筒、承压破膜组件、气体混合筛管组件、高压气体、高压气体机械外筒、注泄气组件、泄压筛筒、泄压堵片、下堵头，以及该装置的软件系统，特征在于：所述的装置是采用多级智能高压气体脉冲压裂器串接组合成井下地层进行压裂的装置，该装置的多级智能高压气体脉冲压裂器在各自的智能压力编码起爆器控制下，依据设定的工作模式逐级适时起爆产生大量高压气体，在井内或地层的孔眼内形成一个动态高压脉冲压力源，在这种动态高压脉冲压力的作用下，地层开裂形成多条裂缝，增加地层的渗透性，使地层内的资源更容易被开采；

所述的装置进行：

a. 编程设定：多级智能压力编码起爆器编程设定；

b. 组装与联调:井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置在地面组装，组装后进行装置联调以备用；

所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置还有：

c.所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置中的多级智能压力编码起爆器发出起爆命令之前，含能材料、高压气体两种能量源处于不同的容器中被隔离放置，含能材料存放在压裂装药机械外筒中，高压气体存放在高压气体机械外筒中，压裂装药机械外筒和高压气体机械外筒之间由承压破膜组件隔离，高压气体机械外筒的另一端安装有另外一套压力破膜，含能材料选择固体火药或液体火药、或其他含能材料，高压气体选择CO₂、或N₂、或其他气体；

d.所述的装置的压裂装药机械外筒中的含能材料被点燃后产生大量高温高压气体，随着燃烧的持续该高温高压气体产生的压力值超过压裂装药机械外筒和高压气体机械外筒之间的破膜片的压力阈值，该高温高压气体冲破破膜片进入高压气体机械外筒内，高温高压气体与高压气体机械外筒中的高压气体混合以后成为混合高温高压气体，冲破高压气体机械外筒另一端的另外一套压力破膜，进而推开泄压筛筒上的泄压堵片，混合高温高压气体进入井内开始压裂地层；

所述的装置起爆由多级智能压力编码起爆器根据测试到的井内动态压力的变化，选择合适的时机开始起爆，该时机通过对智能压力编码起爆器编程进行设置或调节，编程设置选择预先设置，编程调节选择在前一级智能压力编码起爆器产生压力脉冲的下降沿开始起爆，或根据实时采集到的起爆压力信号特征使本级智能高压气体脉冲压裂器起爆。

2.根据权利要求1所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置，特征在于：

a.所述的智能压力编码起爆器具有高速采样和低速采样不同的工作状态，选择根据井内压力信号的特征改变自身的采样率；

b.所述的智能高压气体脉冲压裂器选择多级级联使用；

c.所述的多级智能高压气体脉冲压裂器在井下环空产生的动态高压脉冲压力是多级动态高压脉冲压力；

d.所述的泄压筛筒泄压孔上设置有密封泄压堵片。

3.一种井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法，特征在于：所述的方法是采用多级智能高压气体脉冲压裂器串接组合装置进而对井下地层进行压裂的方法，所述采用的装置的多级智能高压气体脉冲压裂器在各自的智能压力编码起爆器控制下，依据设定的工作模式逐级适时起爆产生大量高压气体，在井内或地层的孔眼内形成一个动态高压脉冲压力源，在这种动态高压脉冲压力的作用下，地层开裂形成多条裂缝，增加地层的渗透性，使地层内的资源更容易被开采；

所述的方法采用的装置进行：

a. 编程设定：多级智能压力编码起爆器编程设定；

b. 组装与联调:井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置在地面组装，组装后进行装置联调以备用；

所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法还有：

c.所述的方法在于：井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置中的多级智能压力编码起爆器在开始点火之前，含能材料、高压气体两种能量源处于不同的容器中被隔离放置，含能材料存放在压裂装药机械外筒中，高压气体存放在高压气体机械外筒中，压裂装药机械外筒和高压气体机械外筒之间由承压破膜组件隔离，高压气体机械外筒的另一端安装有另外一套压力破膜，含能材料选择固体火药或液体火药、或其他含能材料，高压气体选择CO₂、或N₂、或其他气体；

d.所述的方法是将井下多级智能高压气体脉冲压裂地层装置中的含能材料点燃，然后产生大量高温高压气体，随着燃烧的持续该高温高压气体产生的压力值超过压裂装药机械外筒和高压气体机械外筒之间的破膜片的压力阈值，该高温高压气体冲破破膜片进入高压气体机械外筒内，高温高压气体与高压气体机械外筒中的高压气体混合以后，冲破高压气体机械外筒另一端的另外一套压力破膜，进而推开泄压筛筒上的泄压堵片，混合的高温高压气体进入井内开始压裂地层；

所述的方法是采用多级智能压力编码起爆器根据测试到的井内动态压力的变化，选择合适的时机起爆各级智能高压气体脉冲压裂器，该时机通过对智能压力编码起爆器编程进行设置或调节，编程设置选择预先设置，编程调节选择在前一级智能压力编码起爆器产生压力脉冲的下降沿开始起爆，或根据实时采集到的起爆压力信号的特征使本级智能高压气体脉冲压裂器起爆。

4.根据权利要求3所述的井下多级智能高压气体脉冲压裂地层方法，特征在于：

a.所述的智能压力编码起爆器具有高速采样和低速采样不同的工作状态，选择根据井内压力信号的特征改变自身的采样率；

b.所述的智能高压气体脉冲压裂器选择多级级联使用；

c.所述的多级智能高压气体脉冲压裂器在井下环空产生的动态高压脉冲压力是多级动态高压脉冲压力；

d.所述的泄压筛筒泄压孔上设置有密封泄压堵片。