CN107339084B - 一种可控且可活动的双激光束开采页岩气装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控且可活动的双激光束开采页岩气装置及方法，装置主要包括双激光头、地面控制系统、信号采集和提取系统、高精度数据预处理系统等组成。所使用的双激光头产生可控的双激光束，其中激光束1为连续激光，用于对页岩进行预热；激光束2为脉冲激光，用来使页岩产生本来局部裂纹并去除页岩；在激光头上安装有机器人关节活动机构，使得激光束1和激光束2可以在空间进行一定角度的转动，可以使激光头到达更远的位置进行破岩。同时，在激光头上安装有高精密电磁油气检测传感器和天然气水合物检测传感器，分别用来检测在破岩过程中可能会遇到的油气田和可燃冰，避免因激光破岩而导致的爆炸的发生，从而实现更安全的开采。
Description
技术领域
本发明属于页岩气开采技术领域，涉及一种页岩气开采装置及方法，具体涉及一种可控且可活动的双激光束开采页岩气装置及方法。
背景技术
随着油气资源的日趋紧缺和对于能源安全的考虑，页岩气这一能够有效缓解世界能源压力的非常规天然气资源，正在被世界各国所追捧，已成为世界能源研究的热点之一，其开发和利用越来越多地得到世界各国的重视。页岩气是宝贵的资源、优质的能源和化工原料，可作为常规天然气的接替能源或补充能源。世界页岩气资源很丰富，但目前还没有广泛地勘探与开发，其根本原因是页岩基质渗透率很低（一般小于1mD），勘探开发技术要求高，难度大。
页岩气是赋存于暗色泥页岩层或高碳泥页岩层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种各个阶段，天然气一部分以游离相态（大约50％）存在于页岩层裂缝、页岩层孔隙及其它储集空间，另一部分以吸附状态（大约50％）存在于干酪根、粘土颗粒及粘土孔隙表面。
全球对页岩气的开发尚处于早期阶段，美国已经建成了较大规模的页岩气产能，我国作为全球页岩气最多的国家之一，但页岩气开发尚未起步，且我国页岩气普遍埋藏较深，进一步增加了开发难度。
现有页岩气开采的主要是依靠其自身解吸，采气一段时间后，页岩气的产量急剧降低，页岩气开采的效果不理想，产量低、产量不稳定，不能达到工业开发标准。页岩气开采产气量低的原因主要是：与常规天然气相比，页岩气的储存方式以吸附为主、储层能量低（压力低）、渗透性差，页岩气的产出过程是先解吸，然后在孔隙介质中渗流。仅依靠自身解吸较难获得很高的产气量和采收率，必须寻找和研究提高开采速度(或日产气量) 和采收率的新方法。
为了提高页岩气的采收率，可在页岩气开产量低于工业开发标准（单井1000立方米/日）时，采取增产措施。现有的增产措施主要采用水力压裂进行储层改造。水力压裂技术，包括清水压裂技术、多段压裂技术、同步压裂技术、重复压裂技术等，是目前唯一可以开启页岩气矿藏的金钥匙，使页岩气产量有了突飞猛进的增长。它主要使用含砂的水，其中砂作为支撑剂，此外还有2%或更少的化学增强剂。其原理是通过地面泵车将压裂液泵入到井底，当高压液体注入钻井并使岩层裂开后，高压液体中的支撑剂可以保持住裂缝，使其成为油气导向钻井的高速渗透通道。一方面循环压裂液的净化不妥可能会造成严重的环境问题，因为水力压裂技术应用于工业，众所周知，会使用大量水和造成水污染问题，化学污染，甲烷污染等。另一方面，这种方法虽然增加了渗流通道，使部分解吸的页岩气流出，但没有从根本上加速吸附态页岩气的解吸，增产效果有限。同时，大部分页岩气埋藏较深，采用水力压裂法需要提供足够大的压力。导致设备投资大、运行费用高，限制了其广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种可控且可活动的双激光束开采页岩气的新方法，充分发挥连续激光与脉冲激光技术的优势，解决了开采页岩气效率低、开采页岩气过程中产生的环境污染、井底能量不足而导致的开采深度低的难题，实现了页岩气的高效、清洁生产，保障国家能源战略安全。同时，在激光破岩过程中，如遇到油气田或可燃冰将立马发生爆炸，为避免这一情况的发生，在连续激光头保持架安装有高精密电磁油气检测传感器和天然气水合物检测传感器，分别用来探测在破岩过程中可能会遇到的油气田和可燃冰，从而避开油气田或可燃冰区域，避免因激光破岩遇到油气田和可燃冰导致爆炸的发生，从而实现更安全的开采。
本发明的装置所采用的技术方案是：一种可控且可活动的双激光束开采页岩气装置，其特征在于：包括能量光纤、连续激光头、连续激光头保持架、脉冲激光头、脉冲激光头保持架、地面控制系统、高精密电磁油气检测传感器、天然气水合物检测传感器；
所述能量光纤为两条，一条与所述连续激光头连接，用于产生连续激光束；另一条与所述脉冲激光头连接，用于产生脉冲激光束；
所述连续激光头安装在连续激光头保持架内，所述脉冲激光头安装在脉冲激光头保持架内；
所述高精密电磁油气检测传感器、天然气水合物检测传感器设置在所述连续激光头保持架上，分别通过导线与所述地面控制系统连接，用于探测在破岩过程中前方是否有油气田、探测到陆域中冻土层中是否存在可燃冰；
所述地面控制系统根据探测获得的信息，控制连续激光头、脉冲激光头工作。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种可控且可活动的双激光束开采页岩气方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：地面控制系统控制连续激光头或/和脉冲激光头进行破岩作业；
步骤2：高精密电磁油气检测传感器实时探测在破岩过程中前方是否有油气田，天然气水合物检测传感器实时探测陆域中冻土层中是否存在可燃冰；
步骤3：地面控制系统判断高精密电磁油气检测传感器或/和天然气水合物检测传感器是否检测到信号；
若是，则改变工作方式，并回转执行所述步骤2；
若否，地面控制系统控制连续激光头和脉冲激光头协同破岩作业，并回转执行所述步骤2。
本发明提出一种可控且可活动的双激光束开采页岩气的新方法，将连续激光与脉冲激光两种激光方法优势互补，高效协同作业，大大提高页岩气的开采效率。同时通过引入高精密电磁油气检测传感器和天然气水合物检测传感器来实时监测在双激光束破岩过程可能遇到的油气田和可燃冰，从而避免爆炸的发生，实现真正的安全破岩开采页岩气。
附图说明
图1为本发明实施例的装置示意图；
图2为本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种可控且可活动的双激光束开采页岩气装置及方法，包括能量光纤1、并排连接扣2、连续激光头4、连续激光头保持架13、脉冲激光头6、脉冲激光头保持架5、地面控制系统14、高精密电磁油气检测传感器8、天然气水合物检测传感器10、信号采集和提取子系统15和高精度数据预处理子系统16、探照灯7、连续激光束9、微型摄像头11、脉冲激光束12。能量光纤1与连续激光头4、脉冲激光头6相连接，由能量光纤1传输激光能量至连续激光头4、脉冲激光头6。连续激光头4、脉冲激光头6分别作为连续激光束9和脉冲激光束12的输出口；连续激光头保持架13安装在能量光纤1和连续激光头4之间； 脉冲激光头保持架5安装在能量光纤1和脉冲激光头6之间；连续激光头保持架13安装在所述连续激光头4上，射出可控的连续激光束9；脉冲激光头保持架5安装在所述脉冲激光头6上，射出可控的脉冲激光束12；连续激光头保持架13和脉冲激光头保持架5通过并排连接扣2连接在一起，实现连续激光和脉冲激光协同有序操作；连续激光头保持架13和脉冲激光头保持架5被安装在机器人关节活动机构17上，使得连续激光束9和脉冲激光束12可以在空间进行一定角度的转动，协同破岩，可以使激光头到达更远的位置进行破岩。地面控制系统14用来控制连续激光束9与脉冲激光束12的协同工作。微型摄像头11用来实时观测双激光束破岩开采页岩气过程中的情况，以便进行实时控制；探照灯7用来提供光源使得微型摄像头11能清楚的观测双激光束破岩开采页岩气过程中的情况。
由激光器产生可控的连续激光束9，经能量光纤传输至连续激光头4，经连续激光头4聚焦后连续激光束9作用于页岩3对页岩3进行预热，接着脉冲激光器产生可控的脉冲激光束12，经能量光纤传输至脉冲激光头6，经脉冲激光头6聚焦后作用于页岩3，使页岩3碎裂并去除页岩。同时，连续激光头保持架13和脉冲激光头保持架5被安装在机器人关节活动机构17上，使得连续激光束9和脉冲激光束12可以在空间进行一定角度的转动，协同破岩，方向更加自由化，可以使激光头到达更远的位置进行破岩。本发明所采用的双激光束方法利用连续激光束9的热效应预热页岩3，利用脉冲激光束12对页岩3进行热力破坏，由于双激光束能量可控且方向可实时调整，在对页岩3进行热力学破坏的同时，几乎不会伴随有页岩中页岩气发生的化学变化和物理变化。
本实施例的连续激光头保持架13和脉冲激光头保持架5被安装在机器人关节活动机构17上，使得连续激光束9和脉冲激光束12可以在空间进行一定角度的转动，协同破岩，可以使激光头到达更远的位置进行破岩。
本实施例的连续激光束采用高功率光纤激光器，能量可控，且具有良好的鲁棒性和灵活性，在地底恶劣条件下也能正常工作；
脉冲激光束采用飞秒激光、皮秒激光或纳秒激光，且能量输出可控。随着飞秒激光、皮秒激光、纳秒激光研制的成功及技术的不断成熟，可靠性及稳定性都能得到很好的保证，可控性进一步增强，性价比大幅提升。同时，随着微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）技术的发展，激光器的体积可不断小型化，这些都潜在的促进了激光应用于页岩气的开采。
请见图2，本发明提供的一种可控且可活动的双激光束开采页岩气方法，包括以下步骤：
步骤1：地面控制系统14控制连续激光头4或/和脉冲激光头6进行破岩作业；
步骤2：高精密电磁油气检测传感器8实时探测在破岩过程中前方是否有油气田，天然气水合物检测传感器10实时探测陆域中冻土层中是否存在可燃冰；
步骤3：地面控制系统14判断高精密电磁油气检测传感器8或/和天然气水合物检测传感器10是否检测到信号；
若是，则地面控制系统14控制连续激光头4和脉冲激光头6停止工作，同时控制机器人关节活动机构17改变破岩路径，避开油气田或/和可燃冰区域，或利用水射流的方法进行破岩作业，并回转执行步骤2；
若否，地面控制系统14控制连续激光头4和脉冲激光头6协同破岩作业，首先由激光器产生可控的高能激光，经能量光纤1传输至连续激光头4，经连续激光头4聚焦后连续激光束9作用于页岩上，对页岩进行预热；页岩经预热后，由激光器产生可控的高能激光，经能量光纤1传输至脉冲激光头6，经脉冲激光头6聚焦后脉冲激光束12作用于经连续激光预热的页岩上，使页岩破裂并去除页岩；并回转执行步骤2。
本发明在双激光束破岩过程中，激光遇到油气田或可燃冰将立马发生爆炸，这种情况是不允许发生的，为避免这一情况的发生，在连续激光头保持架13安装了高精密电磁油气检测传感器8和天然气水合物检测传感器10，该高精密电磁油气检测传感器8探测到油气田的微弱的电性特征后，将参数传递给信号采集和提取子系统15，并由高精度数据预处理子系统16进行处理，传输指令给地面控制系统14，地面控制系统14触发激光控制器和机器人关节活动机构17，双激光束停止破岩，并改换其他破岩路径。同理，天然气水合物检测传感器10在冻土层检测到可燃冰气体信息时，将参数信息传递给信号采集和提取子系统15，并由高精度数据预处理子系统16进行处理，传输指令给激光控制器，激光停止破岩，改换其破岩路径，以此来实现安全开采。如未遇到油气田或可燃冰，则继续进行双激光束高效协同破岩，如此循环往复，实现随钻随测，最终实现安全、高效破岩。
本发明由激光器产生可控的连续激光，经能量光纤传输至激光头，经激光头聚焦后连续激光作用于页岩对页岩进行预热，接着脉冲激光器产生可控的脉冲激光，经能量光纤传输至激光头，经激光头聚焦后作用于页岩，使页岩碎裂并去除页岩。连续激光和脉冲激光两束激光相互配合使用，从而实现高效、快速破岩，释放页岩气的量更大；同时可活动的连续激光头和脉冲激光头进一步提高了破岩的效率，从而大幅提升页岩气开采效率。
为保证更加安全的开采页岩气，在激光破岩过程中，如遇到油气田或可燃冰将立马发生爆炸，为避免这一情况的发生，在连续激光头保持架安装有高精密电磁油气检测传感器和天然气水合物检测传感器，分别用来探测在破岩过程中可能会遇到的油气田和可燃冰，从而避开油气田或可燃冰区域，避免因激光破岩遇到油气田和可燃冰导致的爆炸的发生，从而实现更安全的开采。
本发明的连续激光头上安装有高度灵敏的微型摄像头，探照灯，高精密电磁油气检测传感器、天然气水合物检测传感器等；之所以安装在连续激光保持架头上而非脉冲激光头保持架上，其原因在于连续激光头保持架在激光工作时功率较脉冲激光低，所产生的温度低，可以保证高精密电磁油气检测传感器、天然气水合物检测传感器、微型摄像头、探照灯等的正常工作。
本发明的连续激光头上安装的微型摄像头用来实时观测双激光束破岩开采页岩气过程中的情况；连续激光头上安装的探照灯用来提供一定的光源使得微型摄像头能够看清激光水射流破岩过程中的实时情况。高精密电磁油气检测传感器用来检测在钻孔过程中检测相关参数确定油气田的大概位置，当该传感器检测到油气储层的微弱的电性特征后，将参数传递给微弱信号采集和提取系统，并由高精度数据预处理系统进行处理，传输指令给激光控制器，激光停止破岩，改换其他破岩路径。同理，天然气水合物检测传感器在冻土层检测到可燃冰气体信息时，将参数信息传递给微弱信号采集和提取系统，并由高精度数据预处理系统进行处理，传输指令给激光控制器，激光停止破岩，改换其破岩路径，由于双激光头是可活动的，因此改变破岩路径是容易的。以此来实现安全开采。如未遇到油气田或可燃冰，则继续进行双激光束协同破岩，如此循环往复，实现随钻随测，最终实现安全、高效破岩。
本发明解决了页岩气开采效率低、井底能量不足而导致的开采深度低、因传统开采页岩气而导致的环境污染等问题。不需要高压流体的作用，也无需掺杂有化学物质的流体，更重要的是实现了随钻随测，更加安全的破岩和开采页岩气。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种可控且可活动的双激光束开采页岩气方法，采用可控且可活动的双激光束开采页岩气装置；其特征在于：所述装置包括能量光纤（1）、连续激光头（4）、连续激光头保持架（13）、脉冲激光头（6）、脉冲激光头保持架（5）、地面控制系统（14）、高精密电磁油气检测传感器（8）、天然气水合物检测传感器（10）；
所述能量光纤（1）为两条，一条与所述连续激光头（4）连接，用于产生连续激光束（9）；另一条与所述脉冲激光头（6）连接，用于产生脉冲激光束（12）；
所述连续激光头（4）安装在连续激光头保持架（13）内，所述脉冲激光头（6）安装在脉冲激光头保持架（5）内；
所述高精密电磁油气检测传感器（8）、天然气水合物检测传感器（10）设置在所述连续激光头保持架（13）上，分别通过导线与所述地面控制系统（14）连接，用于探测在破岩过程中前方是否有油气田、探测到陆域中冻土层中是否存在可燃冰；
所述地面控制系统（14）根据探测获得的信息，控制连续激光头（4）、脉冲激光头（6）工作；
两条能量光纤（1）之间设置有并排连接扣（2），用于实现连续激光和脉冲激光协同有序操作；
所述地面控制系统（14）包括信号采集和提取子系统（15）、数据预处理子系统（16）；所述信号采集和提取子系统（15）采集到由高精密电磁油气检测传感器（8）探测到的油气田的微弱的电性特征，并进行提取；所述信号采集和提取子系统（15）采集到由天然气水合物检测传感器（10）探测到陆域中冻土层中是否存在可燃冰信息；所述数据预处理子系统（16）将信号采集和提取子系统（15）采集的信号进行分析处理，并传递给地面控制系统（14）；
所述连续激光头保持架（13）内还设置有探照灯（7）、微型摄像头（11）；所述探照灯（7）、微型摄像头（11）通过导线与所述地面控制系统（14）连接；
所述能量光纤（1），一条通过机器人关节活动机构（17）与所述连续激光头（4）连接，另一条通过机器人关节活动机构（17）与所述脉冲激光头（6）连接；所述连续激光头保持架（13）、脉冲激光头保持架（5）均分别安装在机器人关节活动机构（17）上；所述机器人关节活动机构（17）均通过导线与所述地面控制系统（14）连接；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：地面控制系统（14）控制连续激光头（4）或/和脉冲激光头（6）进行破岩作业；
步骤2：高精密电磁油气检测传感器（8）实时探测在破岩过程中前方是否有油气田，天然气水合物检测传感器（10）实时探测陆域中冻土层中是否存在可燃冰；
步骤3：地面控制系统（14）判断高精密电磁油气检测传感器（8）或/和天然气水合物检测传感器（10）是否检测到信号；
若是，则改变工作方式，并回转执行所述步骤2；
若否，地面控制系统（14）控制连续激光头（4）和脉冲激光头（6）协同破岩作业，并回转执行所述步骤2；
步骤3中所述改变工作方式，具体实现过程是地面控制系统（14）控制连续激光头（4）和脉冲激光头（6）停止工作，同时控制机器人关节活动机构（17）改变破岩路径，避开油气田或/和可燃冰区域；
步骤3中所述改变工作方式，具体实现过程是利用水射流的方法进行破岩作业；
步骤3中所述地面控制系统（14）控制连续激光头（4）和脉冲激光头（6）协同破岩作业，首先由激光器产生可控的高能激光，经能量光纤（1）传输至连续激光头（4），经连续激光头（4）聚焦后连续激光束（9）作用于页岩（3）上，对页岩（3）进行预热；页岩（3）经预热后，由激光器产生可控的高能激光，经能量光纤（1）传输至脉冲激光头（6），经脉冲激光头（6）聚焦后脉冲激光束（12）作用于经连续激光预热的页岩（3）上，使页岩（3）破裂并去除页岩。
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