CN107849913B - 利用空气/燃料混合物的压裂 - Google Patents

Abstract

在地质地层中产生地下裂缝以提取烃的方法包括使空气和燃料混合物流入井眼中。然后可以用封隔器塞密封井眼，产生具有空气和燃料混合物的压缩室。可以将液体(例如水)泵送入井眼中以在压缩室中产生压力。压力的累积最终引起空气和燃料混合物的自燃，将地层压裂。然后，水可以冲入压缩室中，热冲击该区域，产生额外的裂缝。水可以蒸发成蒸汽，将井眼充分消毒，消除了对添加杀生物剂的需要。

Description

利用空气/燃料混合物的压裂

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年6月16日提交的美国临时专利申请第62/180473号的优先权，其全部内容明确地通过引用并入本文。

发明背景

1.技术领域

优选实施方案一般地涉及从土地回收烃的领域，更具体地，涉及使用利用自燃的空气和燃料混合物将地层压裂的方法将地下地层压裂以回收烃。

2.背景技术的讨论

压裂作为刺激浅层、硬岩油井的方法可追溯到19世纪60年代。炸药或硝化甘油爆炸物被用于提高来自含石油地层的油和天然气产量。在1865年4月25日，内战退伍军人Edward A.L.Roberts上校获得美国专利第47,458号关于鱼雷的专利。20世纪30年代，引入利用酸刺激井，而不用爆炸性流体。

早在1947年就研究了井行为与处理压力之间的关系，其中将1,000美制加仑胶凝汽油(基本上是凝固汽油(napalm))和来自Arkansas River的沙注入2,400英尺(730m)的产气的石灰岩地层中。实验不是非常成功，因为井的供应能力并未明显变化。据了解，Halliburton公司已经在Oklahoma的Stephens County和Texas的Archer County进行了前两次商业水力压裂处理。此后，水力压裂被用来刺激各种地质条件下的约一百万油井和气井。

美国地质学家越来越意识到，存在大量渗透率太低(通常小于0.1毫达西)以致不能经济地回收气的气饱和沙岩。1973年开始，在San Juan Basin、Denver Basin、PiceanceBasin、Green River Basin和美国西部其他硬岩地层的数千个气井中，使用大型水力压裂。使得通过大型水力压裂经济上可行的美国其他致密沙岩井在Clinton-Medina沙岩和Cotton Valley沙岩。

水平油井或气井直到20世纪80年代后期都是不常见的。那时，Texas的运营商开始通过在Austin Chalk中水平钻孔并向井眼提供大型滑溜水水力压裂处理完成了数千个油井。水平井被证明比垂直井更有效地从致密白垩中生产油；沉积床通常几乎是水平的，所以水平井与目标地层的接触面积大得多。

由于页岩的低渗透率，因此在接受水力压裂用于页岩气沉积床的商业应用之前，技术研究、开发和示范是必要的。1976年，美国政府启动了东部气页岩项目，一批数十个公私水力压裂示范项目。在同一时期，气体工业研究协会气体研究所获得来自联邦能源管理委员会的研究批准和资助。

1997年，采用Union Pacific Resources(现在是Anadarko PetroleumCorporation的一部分)、Mitchell Energy(现在是Devon Energy的一部分)在东部Texas使用的滑溜水压裂技术，将该技术应用于北部Texas的Barnett页岩。这使得Barnett页岩中的气体提取变得广泛经济，后来被应用于其他页岩。1991年，钻了Barnett页岩中的第一个水平井，但直到证明从Barnett中的垂直井中可以经济地提取气体才在Barnett广泛进行。

根据美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency，EPA)，水力压裂是刺激天然气井、油井或地热能井至最大限度提取的过程。EPA将更广泛的过程定义为包括获得源水、井施工、井刺激和废物处理。

水力压裂通过以足以增加目标深度(通过井套管穿孔的位置确定)的压力至超过岩层的压裂梯度(压力梯度)的压力的速率将压裂流体泵送入井眼中来形成。压裂梯度定义为相对于密度每单位深度的压力增加，通常以磅/平方英寸、磅/英尺或巴/米测量。岩层开裂，压裂流体渗入岩石中使裂缝进一步又进一步扩展。当压力随着与离井的距离相关的摩擦损失而降低时，裂缝被局部化。运营商通常尝试通过将支撑剂引入所注入的流体(诸如沙粒、陶瓷粒或其他颗粒的材料，从而在停止注入和去除压力时防止裂缝闭合)中来保持“裂缝宽度”，或者减缓其在处理之后的下降。在对裂缝的压力和应力更高的更大深度下，考虑支撑剂强度和防止支撑剂失效变得更重要。支撑的裂缝是可渗透的，足以使气、油、盐水和水力压裂流体流入井中。

在该过程中，发生压裂流体泄漏(压裂流体从裂缝通道进入到周围的可渗透岩石中而损失)。如果不控制，这可以超过所注入体积的70％。这可能导致地层基体损伤，地层流体相互作用不利，以及裂缝几何形状改变，从而降低效率。

一个或更多个裂缝沿着井眼长度的位置优选通过在井眼侧面产生或密封孔的各种方法严格控制。水力压裂在加套管井眼中进行，并且要压裂的区域通过在那些位置打孔穿入套管来进入。

在油和天然气领域中使用的水力压裂设备通常由浆搅拌器、一个或更多个高压、高容量压裂泵(通常是强力三重或五重泵)和监测单元组成。相关设备包括压裂罐、用于储存和处理支撑剂的一个或更多个单元、高压处理性铁、化学添加剂单元(用于准确监测化学添加)、低压柔性软管和许多关于流量、流体密度和处理压力的量规和计量仪。化学添加剂通常是总流体体积的0.5％百分比。压裂设备在一定范围的压力和注入速率内运行，并且可以达到100兆帕(15,000psi)和265升/秒(9.4cu ft/秒)(100桶/分钟)。

压裂流体根据期望的压裂类型、被压裂的具体井的条件和水特性而变化。流体可以是凝胶、泡沫或基于滑溜水。流体选择包括权衡：在悬浮体中较粘的流体(例如凝胶)更好地保持支撑剂；而较低粘度和较低摩擦的流体(例如滑溜水)允许以更高的速率泵送流体以产生更远离井眼的裂缝。流体的重要材料特性包括粘度、pH、各种流变学因素等。

将引入的水与沙和化学品混合以产生压裂流体。每次压裂使用约40,000加仑化学品。典型的压裂处理使用3种至12种添加剂化学品。尽管可以存在非常规压裂流体，但典型的化学添加剂可以包括以下的一种或更多种：

·酸—在用于清洁穿孔并在近井眼岩石中引发开裂的预压裂阶段中使用盐酸或乙酸。

·氯化钠(盐)—延迟凝胶聚合物链的分解。

·聚丙烯酰胺和其他减摩剂减少流体流和管道摩擦中的湍流，从而使泵以较高的速率泵送而不在表面上具有较大的压力。

·乙二醇—防止在管道中形成垢沉积物。

·硼酸盐—用于在温度升高期间保持流体粘度。

·碳酸钠和碳酸钾—用于保持交联剂的有效性。

·戊二醛—用作水的消毒剂(消除细菌)。

·瓜尔胶和其他水溶性胶凝剂—增加压裂流体的粘度以更有效地将支撑剂输送入地层。

·柠檬酸—用于防腐蚀。

·异丙醇—用于使化学品防冻，以确保其不冻结。

2005年至2009年，在美国用于水力压裂最常见的化学品是甲醇，而一些其他最广泛使用的化学品是异丙醇、2-丁氧基乙醇和乙二醇。

典型的流体类型是：

·常规线性凝胶。这些凝胶是与其他化学品混合的纤维素衍生物(羧基甲基纤维素、羟基乙基纤维素、羧基甲基羟基乙基纤维素、羟基丙基纤维素、羟基乙基甲基纤维素)、瓜尔胶或其衍生物(羟基丙基瓜尔胶、羧基甲基羟基丙基瓜尔胶)。

·硼酸酯交联流体。这些是经硼离子(来自硼砂/硼酸水溶液)交联的基于瓜尔胶的流体。这些凝胶从pH 9起具有较高的粘度，并用于携带支撑剂。压裂作业之后，pH降到3至4，使得交联断裂，凝胶粘度更低，可以被泵送出。

·有机金属交联流体。已知锆、铬、锑、钛盐使基于瓜尔胶的凝胶交联。

交联机理是不可逆的，因此一旦支撑剂与交联凝胶一起被向下泵送，就进行压裂部分。凝胶用适当的破坏剂分解。

·磷酸铝-酯油凝胶。将磷酸铝和酯油浆化以形成交联凝胶。这些是第一已知胶凝体系之一。

对于滑溜水，其通常用于包括暂时降低支撑剂浓度，以确保井不承受大量支撑剂引起关屏。随着压裂过程进行，有时将粘度降低剂(例如氧化剂和酶破坏剂)添加到压裂流体中以使胶凝剂失活并促进回流。氧化剂与凝胶反应以将其分解，降低流体的粘度，并确保不将支撑剂从地层中拉出。酶充当用于分解凝胶的催化剂。有时，使用pH调节剂以在水力压裂作业结束时破坏交联，因为许多需要pH缓冲体系以保持粘性。在作业结束时，通常在压力下用水(有时与减摩化学品共混)冲洗井。所注入流体在一定程度上被回收，并通过数种方法如地下注入控制、处理和排放、再循环或者在凹坑或容器中临时储存来管理。一直在开发新技术以更好地处理废水，提高可再用性。

由于水力压裂，存在许多潜在的暴露于化学品和放射性污染物的公共健康影响。一些证据表明，地下水的污染(如果其发生)最可能是由通过垂直钻孔的泄漏引起的。由地下水力压裂过程本身(即，页岩的压裂)产生地下水污染是不太可能的。然而，水力压裂流体或废水的表面溢出可能影响地下水，并且对空气的排放也可能影响健康。

水力压裂的进一步环境影响包括产生惊人的压裂压力所需的发电机和泵的空气排放、高耗水量、由所有化学添加剂产生的水污染、土地使用、噪声污染和对人类的健康影响。此外，与具有昂贵设备(资本支出和维护)的这样的已知系统和高成本的操作相关的总成本是显著的，产生对较低成本系统的需要。此外，用于表面安装的每个钻垫需要约8.9英亩土地。井垫和支撑结构配置显著破坏地形，这可能对野生生物具有负面影响。

因此，需要不使用有害化学添加剂的将难以提取地层压裂的方法。还需要将地下地层压裂同时在井的表面占据非常小的占地表积的方法。另外需要使用相当少的能量从而成本较低并且产生较少有害副产物和排放的压裂方法。

发明内容

地下地层的压裂开始于向土地中钻井眼。可以使氧化剂和燃料的可燃混合物(优选空气和燃料混合物)流入井眼中。可以将具有一定质量的流体混合物泵送入井眼中，其利用对可燃混合物向下施压的流体混合物的质量压缩可燃混合物。在流体混合物的质量的压缩力下，可以引起可燃混合物自燃，从而将地下井位置的至少一部分压裂。然后可以收集从经压裂的地下井位置排出的多种烃。

用于空气和燃料混合物的燃料可以包括任何已知的燃料，但优选为以下的一种：柴油燃料，碳水化合物包括小麦粉、玉米粉、米粉、大麦粉、有机淀粉、粉末状塑料、粉末状煤、粉末状粪便。可以将多种压电晶体添加到空气和燃料混合物中，因为其在压力和摩擦下提供火花，这在期望时可以帮助空气和燃料混合物的引爆。

燃料优选为柴油燃料，并且用氧化剂使柴油燃料雾化。氧化剂是以下的至少一种：硝酸铝、硝酸铵和在井眼表面的环境空气。

在空气和燃料混合物之前和之后可以将封隔器塞(packer plug)插入井眼中。可以将封隔器塞进一步压下井眼，从而产生施加的压力以自爆空气和燃料混合物。

在引爆空气和燃料混合物之后，可以用从流体混合物的自爆产生的蒸汽将井眼灭菌，消除对杀菌剂的需要。

可以使用冻结水作为流体混合物与空气和燃料混合物之间的压力屏障，实现对空气和燃料混合物施加压力而不浸没空气和燃料。还可以将支撑剂添加到流体混合物中以确保新产生的裂缝保持开放。流体混合物可以包含由瓜尔胶和交联聚合物的至少一种制成的凝胶和液态水的混合物。

根据第一优选实施方案，压裂方法包括向地下井位置中钻出井眼并使氧化剂和燃料的可燃混合物流入井眼中。接着，该方法包括使具有质量的流体混合物流入井眼中，用流体混合物的质量压缩可燃混合物，并在质量的压缩力下引起可燃混合物自燃。结果，利用来自自燃的爆炸将地下井位置的至少一部分压裂，使得可以收集从经压裂的地下井位置排出的多种烃。

在另一个优选实施方案中，从地下环境收集烃的方法包括钻井眼至足以到达烃沉积床的预定深度，并使空气和燃料混合物流入井眼中。该方法包括利用向井眼中施加压力来使空气和燃料混合物自爆，使得利用自爆的能量将地下环境压裂。然后回收来自井眼的烃沉积床中的多种烃。

在本优选实施方案的另一方面中，该方法还包括将封隔器塞插入井眼中并驱动其沿井眼向下，从而产生施加的压力以使空气和燃料混合物自爆。将流体混合物泵送入井眼中以用流体混合物的重量产生施加的压力。

在本优选实施方案的另一方面中，利用从流体混合物的自爆产生的蒸汽将井眼灭菌而不用杀菌剂。

在又一个优选实施方案中，将地下位置压裂的方法包括形成从地表延伸到烃沉积床中的孔，并将气溶胶插入井眼中至足以到达烃沉积床的深度。然后，使具有质量的液体流入孔中，用来自液体的重量的压力压缩在烃沉积床内的气溶胶。此外，用液体的重量将气溶胶加压至足够引起气溶胶自燃的大小的压力，并利用来自自燃的爆炸将地下位置压裂。

在本优选实施方案的另一方面中，在使液体流入之后将封隔器塞插入孔中，其中封隔器塞包括减压口，并通过减压口向井眼提供压力，从而进一步将地下位置压裂。

在本实施方案的又一方面中，以由爆炸产生的蒸汽将孔消毒。

根据本实施方案的另一方面，气溶胶由可燃燃料和空气形成，空气是孔附近的地表周围的周围环境空气。

在本优选实施方案的另一方面中，在使液体流入孔中之前和期间中的至少之一时，将支撑剂与液体混合。此外，在爆炸之后使液体流入地下位置中。

根据本实施方案的又一方面，液体在自燃之后流入孔中，并通过产生蒸汽和对地下位置的热冲击而提供额外的压裂。

在本优选实施方案的另一方面中，液体包含由瓜尔胶和交联聚合物的至少一种制成的凝胶和液态水的混合物。

当结合以下描述和附图考虑时，将更好地认识和理解本发明的这些以及其他方面和目的。然而，应理解，以下描述在指出本发明的优选实施方案时是通过举例说明而非限制的方式给出的。可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，本发明包括所有这样的修改。

附图说明

通过参照在附图中示出并形成本说明书的一部分的示例性从而非限制性的实施方案，构成本发明的优点和特征以及本发明的典型实施方案的配置和操作的清楚概念将变得更显而易见，其中在多个图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1示出了具有开孔和单个封隔器的本发明的第一实施方案的示意图；

图2示出了在生产套管井眼中具有两个封隔器的本发明的替代实施方案的示意图；

图3A更清楚地示出了如图2所示的在生产套管井眼中具有两个封隔器的本发明的替代实施方案的示意性透视图，

图3B是图3A所示的压裂装置的一部分的分解视图；

图4示出了如关于图2所使用的封隔器的局部截面示意性侧视图；

图5A示出了如关于图3A所使用的封隔器的局部截面侧视图；

图5B是在地层中安装的图5A的压裂装置的局部截面视图；

图6示出了本发明的另一个实施方案的局部截面侧视图；

图6A是图6所示的压裂装置的一部分的详细视图；以及

图7至13示出了实施优选实施方案的压裂操作的方法的时间顺序示意性截面侧视图。

在描述在附图中示出的本发明的优选实施方案时，为清楚起见，将采用特定术语。然而，无意于将本发明限于所选择的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作从而实现类似目的的所有技术等同物。例如，通常使用词“连接”、“附接”、“耦接”或与其类似术语。其不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，其中本领域技术人员认为这样的连接是等同的。

具体实施方式

参照图1，示出了本发明的一个实施方案。在地面24上方，管道28将空气压缩机10与粉末混合料斗12连接。粉末混合料斗12可以将粉末碳水化合物17添加到管道28中，或者可以将其配置为注入任何其他燃料源(例如柴油燃料)。粉末碳水化合物17可以包括任何碳水化合物，例如玉米淀粉、面粉、动物/人类排泄物或任何其他已知的淀粉。将粉末17和/或燃料注入管道28中并通过空气压缩机10有效地雾化。这在管道28内形成空气燃料混合物。

将来自地面24上方的周围空气吸入空气压缩机10中。产生加压空气，并使清洁的干燥空气流动通过位于料斗12底部的空气喷射器(air educator)。料斗12中的空气喷射器产生真空，吸入料斗12中包含的爆炸性粉末或燃料混合物。然后使空气和燃料混合物流动通过第一止回阀20。该止回阀20防止混合物在管道28中回流。

空气和燃料混合物从止回阀22流过管道28并流向井30的底部。可以将封隔器(例如膨胀式封隔器36)插入井30中充当防止空气和燃料混合物56到达井30的不期望压裂的部分的阻挡件。然后，膨胀式封隔器36产生不被压裂的密封井区域40。

现在将在井30内的空气和燃料混合物泵送通过井30直到其被膨胀式封隔器36阻挡。该封隔器36阻挡空气和燃料混合物56的流动并使其流入地层中任何天然存在的裂缝34中。

空气燃料混合物56流过刚好在地面24上方的“清管器”发射器18。在泵送空气和燃料混合物56期间，将其速度保持较低以使通过空气和燃料混合物56中的摩擦累积的热量消散到地层中。该热量传递到地层中防止空气和燃料混合物56的过早点燃。

使用第二止回阀22和压力计16监测流动进入井口26。清管器发射器18是可以将“封隔器清管器”32引入井口26中的注入口。封隔器清管器或清管器是指可以向下插入井30中充当限制液体传递但允许液体累积并产生压力的屏障的塞。优选地，清管器是可溶解的临时性产品的形式。一个实施方案可以包括冰，但可以使用任何溶解的物质。冰清管器32可以堵塞井30并允许液体38被液体泵14泵送。止回阀23防止液体通过液体泵14回流。在井30接收预定量的爆炸性空气和燃料混合物56之后，将冰清管器放置在发射器18中并接合液体(例如，水)泵14。可以使用液体泵14递送任意液体混合物。优选地，使用水并避免所有其他化学品。这防止引入有害的表面活性剂、杀生物剂或任何其他化学品。通过液体泵泵送的液体然后推动在其前方的冰清管器32，阻止爆炸性空气和燃料混合物56落在其后面，并产生液体柱11。

该液体柱11在清管器32上施加压力使爆炸性空气和燃料混合物56在压缩室42内压缩。控制该压缩的速率以使压缩的热量消散到地层中并避免混合物的过早点燃。

一旦将预定量的液体38(例如水和支撑剂)泵送入井30中，就骤然且显著增加注入速率。这样快速增加的液体注入以地层不能有效地接受热量传递的速率压缩压缩室42内的爆炸性空气和燃料混合物56。此时，热量在爆炸性空气和燃料混合物56内累积并达到自燃温度，使空气和燃料混合物56引爆。

爆炸的所有动能进入地层中。天然存在的裂缝内的任何天然存在的甲烷将增强爆炸。爆炸将产生大量的热量，并且其将被地层吸收。此时的冰清管器32可以被溶解，并且曾经对爆炸性混合物提供压力的液体38现在将在压力下流入裂缝34中，其中其将受到热冲击引起压裂。热量将被转移到液体中产生蒸汽，其压力将产生额外的压裂34。液体最终将冷凝，变成蒸馏液体(其微生物被热量杀死)，并与井气和/或油以及产生的地下水流出井。

现在参照图2、3A、3B、4、5A和5B描述替代实施方案。图2、3A和3B了示出本发明的总体示意图，而图4和5A以及5B示出了本发明的用于执行例如与图2、3A和3B中的系统一起示意性地示出的过程的本发明的封隔器。

类似于图1，并且更具体地参照图2和3A，将地面24上方的周围空气吸入空气压缩机10中。通过空气压缩机10产生加压空气，并使清洁干燥的空气流动通过位于料斗12底部的空气喷射器13。料斗12的空气喷射器12产生真空，拉入料斗12中包含的爆炸性空气和燃料混合物56。然后使空气和燃料爆炸性混合物56流动通过第一止回阀20。该止回阀20防止空气和燃料混合物56在管道28中回流。从第一止回阀20，空气和燃料混合物56流至液体泵14的输出端，通过清管器发射器18(见图3B)、第二止回阀22、压力计16并进入油井口26中。

现在在井30内，将空气和燃料混合物56沿井30向下泵送入封隔器46(例如，膨胀式或机械式)的燃烧室50中。图4和5A示出了封隔器46(例如，膨胀式或机械式)的更详细特写视图。爆炸性空气和燃料混合物56流过较小直径的托管架44并进入封隔器46(例如，膨胀式或机械式)与封隔器36(例如，膨胀式或机械式)之间的区域。一旦在该压缩室42内，空气和燃料混合物56就将试图回流通过滤垫52进入封隔器46(例如，膨胀式或机械式)之后且压缩室42之外的较低压力区域。滤垫52将捕获空气中的粉末17或其他燃料并“负载”起来。该负载在连续油管的生产油管套管30或生产油管29中引起空气压力升高，使封隔器46(例如，膨胀式或机械式)“固定(set)”，封闭封隔器46(例如，膨胀式或机械式)与套管30之间的区域。该压力增加将被检测为在地面24处的压力计16的压力升高。

在将空气和燃料混合物56泵送入压缩室42中时，将其速度保持较低以使通过混合物中的摩擦累积的热量消散到套管30中。保持空气和燃料混合物56以低速度泵送允许充足的时间将摩擦热量传递到套管30中并防止空气和燃料混合物56的过早点燃。这也消除了对向空气和燃料混合物56中添加润滑剂和其他压裂流体的需要。

一旦通过压力计16检测到地面24处压力升高，封隔器46(例如，膨胀式或机械式)和另一封隔器36(例如，膨胀式或机械式)之间的压缩室42就充满了足够的空气和燃料混合物56。然后封隔器46(例如，膨胀式或机械式)准备就绪用于下一步骤，插入例如冰清管器。然后可以将冰球或清管器32(例如冰清管器)插入清管器发射器18中并接合液体泵14。

通过液体泵14泵送的液体推动在其前方的清管器32，阻止爆炸性空气和燃料混合物56落在其后面，并产生液体柱11。该液体柱11在清管器32上施加压力使压缩室42内的爆炸性空气和燃料混合物56被压缩。控制该压缩的速率以使压缩的热量消散到套管30中并避免空气和燃料混合物56的过早点燃。

一旦将预定量的液体38(或水和支撑剂)泵入井中，就骤然并显著增加注入速率。这样快速增加的液体注入以封隔器46(例如，膨胀式或机械式)不能有效地接受热量传递的速率快速压缩燃烧室50中的爆炸性空气和燃料混合物56。此时，热量在爆炸性空气和燃料混合物56内累积并达到自燃温度，引起爆炸。现在将热量和爆炸性气体引导通过托管架44并进入封隔器46与封隔器36之间的爆炸物装载压缩室中。这引起封隔器46与封隔器36之间的爆炸性空气和燃料混合物56的点燃。通过托管架48中的减小且较小的开口，防止来自爆炸的大部分压力返回通过封隔器，如最佳在图4以及图5A和5B示出的。

为了在感兴趣的区域中保持压裂，优选地保持封隔器(例如机械或可膨胀Δ“P”封隔器46与可膨胀或可固定机械封隔器36，如图3A和5B所示)之间的间隔。通常，将封隔器固定以在压裂事件期间保持其在井中的位置。这样的布置依赖于固定封隔器，因此封隔器的外表面与井的内壁之间的摩擦力足以防止任何一个封隔器从其位置移动以及可能通过井的回射(shooting back)。然而，在固定封隔器时增加该夹持力可能是困难的(期望允许使用者以较小的夹持力设置封隔器的系统)，并且所产生的摩擦力通常不足以在压裂期间保持封隔器位置。因此，作为有助于保持该间隔的选择，可以在封隔器之间添加连接件19(如图3A和5B所示)以将两者相互耦接。通过耦接两者，确保了保持封隔器位置，使得压缩室的表面积恒定并在感兴趣的区域中发生压裂。

为了适应井30从垂直到水平的转动，连接件19可以包括耦接的数个杆或部分，例如使用设置在连接件19的两个或更多个连续部分的端部的U形紧固件和环孔(图3A和5B示意性所示)。这样，贯穿压裂过程可以保持封隔器之间的期望距离。

爆炸的所有动能被吸收到地层中并通过任何天然存在的裂缝34扩散。天然存在的裂缝34内的任何天然存在的甲烷将增强爆炸。空气和燃料混合物56的爆炸本身可以引起形成新的裂缝34。曾经对爆炸性空气和燃料混合物56提供压力的液体38现在将在压力下流过溶解的清管器32并进入裂缝34中，其中其将受到热冲击，引起额外的压裂。热量将被传递到液体38中产生蒸汽，其压力将产生甚至更多的压裂。液体38最终将冷凝，变为蒸馏液体38(其微生物被热杀死)，并与井气和/或油以及产生的水流出井。

现在参照图6A和6B，示出了本发明的另一个实施方案。可以将陶瓷球62嵌入井套管30中。嵌入的陶瓷球62提供了方便的方式以在套管中产生用于将其周围的地层压裂的开口。传统地，将该套管30安装在井中并以正常的方式粘接。然后，可以将封隔器设置在示出为嵌入的陶瓷球组62之间的区域58中。

当空气和燃料混合物56被引爆(如关于图1和图2所示)时，陶瓷球62被迫离开其嵌入的穴(pocket)64并进入地层66中，在断裂区60中产生压裂68并留下陶瓷球的残余物作为支撑剂以保持新压裂的68地层66开放。该方法消除了对套管30中常规穿孔的需要，并且可以用于“过平衡”(加压地层)以及“平衡”和“欠平衡”(负压)地层。平衡地层定义周围地质的密度和硬度一致的地层。欠平衡是指密度和硬度不一致的地质，这使得难以实现均匀压裂。一些地层在其他地层吸收所有爆炸能量之前可以压裂。可以将陶瓷球62以任何已知的方式固定到套管上，但优选地用环氧树脂粘合到可以加工到套管30中的凹穴64内。陶瓷球62确保均匀且彻底的压裂。

图7至13概括并示出了压裂过程和方法的优选实施方案。从图7开始，可以向地面24以下的土地中钻出井眼72。为了保持井眼72开放，可以将钢衬或井套管30压入井眼中。通常将水泥70或混凝土泵送到套管30周围以增加强化。套管30和水泥70还确保井眼72密封并且保护任何周围含水层82。任何含水层82通常位于比目标压裂区域84更靠近地面24。例如，典型的压裂区域在地面24以下约1.5英里。大多数含水层82在地面24以下100英尺或更小。

如图8所示，在产生井眼72之后，可以将第一封隔器塞36插入井眼72中。然后可以将第二封隔器塞46放置在井眼72中，产生压力室42，如关于图1和图2所描述。图9公开了可以被泵入压缩室42中的空气和燃料混合物56。可以将空气排出压缩室并使封隔器塞46退出排气孔69之外。排气孔69可以包括止回阀以防止排出的物质再进入。在将空气和燃料混合物56泵送入压缩室42时，监测压缩室42内的压力，以确保不过早达到点燃。

如图10所示，然后可以将清管器32放置在井眼72中以产生压力屏障，并防止任何流体38冲向压缩室42中。还保持流体38分离以确保空气和燃料混合物42的适当引爆。参照图11，可以将水76或流体38注入井眼72中。清管器32形成压力屏障并防止水76填满整个井眼72。冰清管器32充当可移动的活塞并压缩井眼中的空间，累积压力74。压力74压挤压缩室42。

参照图12，压力引起压缩室42内的空气和燃料混合物自燃并爆炸78，产生压裂68。然后，在冰清管器32被溶解之后，水76或流体38可以随后冲入填充井眼72。通过爆炸78产生的强热使水76或流体38蒸发，形成蒸汽80或水蒸气，如图13所示。蒸汽80膨胀，产生额外的压裂68。来自蒸汽80的热量和爆炸还将井眼72灭菌，消除了对通常用于防止细菌生长的化学品的需要。

然后可以将纯水或流体38泵送出井眼72，并且可以从井中收集任何烃。由于不需要有害的压裂流体，因此可以再使用回收水并安全储存。周围含水层也得到进一步保护，因为没有化学品吸入到土地中。还可以容易地撇去并收集水中混合的任何油。

额外的益处是空气和燃料混合物56的自燃压力点显著低于使用已知方法(例如水力压裂)进行压裂所需的压力量。已知的压裂方法需要20000psi或更大的压力以使地层开裂。产生这种压力需要大量的能量。该能量通过消耗烃的发动机而在地面上产生。通常使用许多发动机来操作多个泵。本发明的压裂方法仅需要相对小量的压力以将地下地层压裂。注入到井中的流体柱11的重量产生使空气和燃料混合物自燃所需的大部分压力。在地面24仅需要用泵产生约200psi的压力。这减少了地面压裂现场的占地面积，并且还显著减少了泵所需的燃料的量。需要越少的泵，用于移动泵的运载工具越少，用于操作设备的人员越少，以及总体经济支出越低。

此外，虽然全文公开了膨胀式封隔器，但认为其他封隔器是可接受以供使用的。例如，可以使用机械封隔器以实施本发明。机械封隔器的一个实例是由加拿大亚伯达省卡尔加里市的World Oil Tools制造的。在优选实施方案中可以使用这些封隔器或任何其他封隔器。

本装置和方法实际上有无数的用途，在此不必一一详述。此外，所有公开的实施方案可以在没有过多实验的情况下实施。此外，虽然上述公开了实施本发明的发明人所想到的最佳模式，但是本发明的实践不限于此。显然，在不脱离本发明基本构思(如本文所公开)的精神和范围的情况下，可以对本发明的特征作出各种添加、修改和重新排列。

此外，本文所讨论的本发明的各个组件不需由所公开的材料制造，而是实际上可以由任何合适的材料制成。此外，每个公开实施方案的所有公开特征可以与每个其他公开实施方案的公开特征进行组合或替代，这些特征相互排斥除外。

所附权利要求书旨在涵盖所有这样的添加、修改和重新排列。本发明的有利实施方案由所附权利要求书区别。

Claims (19)

1.一种压裂方法，包括：

钻出通往地下井位置中的井眼；

使氧化剂和燃料的可燃混合物流入所述井眼中；

使具有质量的水性混合物流入所述井眼中，其中保持所述水性混合物分离于所述可燃混合物；

在所述可燃混合物之后将封隔器塞插入所述井眼中，其中所述封隔器塞使所述水性混合物分离于所述可燃混合物；利用所述水性混合物的所述质量压缩所述可燃混合物；

在所述质量的压缩力下，使所述可燃混合物自燃；

利用来自所述自燃的爆炸将所述地下井位置的至少一部分压裂；以及

收集从经压裂的地下井位置排出的多种烃。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料是包括以下的组中的一种：柴油燃料；碳水化合物包括小麦粉，玉米粉，米粉，大麦粉，有机淀粉，粉末状塑料，粉末状煤和粉末状粪便物；以及多种压电晶体，以及其中利用所述封隔器塞保持所述水性混合物分离于所述可燃混合物。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述燃料是柴油燃料，以及所述柴油燃料被雾化，所述氧化剂是硝酸铝、硝酸铵和在所述井眼表面处的环境空气中的至少一种。

4.一种从地下环境中收集烃的方法，包括：

将井眼钻至足以到达烃沉积床的预定深度；

使空气和燃料混合物流入所述井眼中；

将封隔器塞插入所述井眼中并驱动其沿所述井眼向下，从而通过向所述空气和燃料混合物驱动所述封隔器塞而促进压力的施加以使所述空气和燃料混合物自爆；

利用向所述井眼中施加压力使所述空气与所述燃料混合物自爆；

通过所述自爆的能量将所述地下环境压裂；以及

从所述井眼中回收所述烃沉积床中的多种烃。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括将水性混合物泵送入所述井眼中以利用所述水性混合物的重量产生压力的施加。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括利用由所述水性混合物的自爆产生的蒸汽对所述井眼进行灭菌而不用杀菌剂。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述封隔器塞包括插入所述空气和燃料混合物与所施加的压力之间的溶解固体和冻结水层中的至少一种。

8.一种将地下位置压裂的方法，包括：

形成从地表延伸到烃沉积床中的孔；

将气溶胶插入井眼中至足以到达所述烃沉积床的深度；

在所述气溶胶之后将封隔器塞插入所述井眼中；

使具有质量的液体流入所述孔中，其中所述封隔器塞使所述液体分离于所述气溶胶；

利用来自所述液体的重量的压力压缩所述烃沉积床内的所述气溶胶；

利用所述液体的重量将所述气溶胶加压至足够引起所述气溶胶自燃的大小的压力；以及

利用来自所述自燃的爆炸将所述地下位置压裂。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述封隔器塞是第一封隔器塞，以及还包括在插入所述气溶胶之前将第二封隔器塞插入所述孔中。

10.根据权利要求8所述的方法，其中

所述封隔器塞包括减压口；以及还包括：

通过所述减压口向井眼中提供压力，从而将所述地下位置进一步压裂。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括利用由所述爆炸产生的蒸汽对所述孔进行消毒。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述液体不填充所述孔的延伸到所述地下位置中的部分。

13.根据权利要求8所述的方法，还包括用可燃燃料和空气形成所述气溶胶，所述空气是所述孔附近的地表周围的周围环境空气。

14.根据权利要求8所述的方法，还包括在使所述液体流入所述孔中之前和期间的至少一者将支撑剂与所述液体混合。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述爆炸之后使所述液体流入所述地下位置中。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述爆炸之后将所述支撑剂插入形成在页岩地层中的多个裂缝中。

17.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述自燃之后使所述液体流入所述孔中，以及通过产生蒸汽和对所述地下位置的热冲击提供额外的压裂。

18.根据权利要求8所述的方法，其中所述液体包含由瓜尔胶和交联聚合物的至少之一制成的凝胶和液态水的混合物。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述地下位置包括以下的至少一种：页岩地层，致密地层，多孔地层，垂直井，和水平井。