CN108487895A - 一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置 - Google Patents

Abstract

一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，包括起爆装置和气体输送装置，起爆装置包括三组合聚能装置、起爆电路和起爆器，三组合聚能装置包括将炸药爆炸能量汇聚向右射出的左聚能罩、将炸药爆炸能量汇聚向左射出的右聚能罩、将炸药爆炸能量汇聚向正中射出的中聚能罩，左聚能罩和右聚能罩均为开口向外的旋转抛物面，中聚能罩为开口向外的圆弧柱面。与现有技术相比，由于左聚能罩、中聚能罩和右聚能罩的聚能作用，分别从左、中、右三个空间方向同时挤压爆炸压裂区的页岩，裂纹迅速贯通形成“个”字形状的页岩破裂带，增加了页岩的比表面积，从而有效增加了页岩气的解析速率及其采收率。

Description

一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置

技术领域

本发明涉及增加页岩气采收率的装置，特别涉及通过一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置。

背景技术

页岩气是一种新兴的洁净能源，因其储量大、开采周期长等特点而倍受关注。然而作为储气载体的页岩体因其天然孔隙率小，渗透率低，95％的页岩气井需要通过人工致裂的方式增加页岩体渗透率，方可有工业开采价值。

目前，人工致裂的方法主要包括两类：一是水力压裂方法、二是泡沫压裂方法。水力压裂方法主要通过向钻孔中注入高压液体达到致裂岩层的目的。按照具体的压裂工艺，水力压裂方法包括多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂等三种。多级压裂是利用封堵球或限流技术分隔储层不同层位进行分段压裂的技术。清水压裂是利用大量清水注入地层诱导产生导流裂缝的压裂技术。水力喷射压裂是利用高速和高压流体携带砂体进行射孔并打开裂缝的压裂技术。泡沫压裂方法主要通过向钻孔内注入高压的液气混合体达到致裂岩层的目的。根据气体成分的不同，泡沫压裂方法可以分为氮气泡沫压裂及二氧化碳泡沫压裂等两种。水力压裂方法及泡沫压裂方法在页岩层压裂过程中均存在难以克服的缺点：一是压裂液中均配备有大量化学药剂，对地层损害大；二是压裂后期主裂缝贯通后，压裂液的漏失较为严重；三是压裂液的反排较慢。最主要的，页岩气的赋存形式以吸附气为主，只有通过破碎的方法增加页岩体的比表面积，才能增加吸附气体的解析量，而上述两类压裂方法主要通过贯通岩体中的天然裂隙达到增产的目的，这与页岩气自身的赋存特性是不一致的。

中国专利CN102168543B公开了一种通过爆炸方式增加页岩气采收率的方法及装置，所述装置设置在页岩气井裸眼中包括输药起爆装置和气体输送装置，其中输药起爆装置用于将其周围的页岩崩裂，气体输送装置将由被崩裂的页岩中渗出的页岩气输送到地面；该方法和装置存在炸药爆炸能量分散、炸药爆炸能量利用率低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供克服上述技术问题的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置。

为了解决上述技术问题，本发明所述一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置的技术方案如下：

一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，所述装置设置在页岩气井裸眼中，所述装置包括起爆装置和气体输送装置，起爆装置用于将其周围的页岩崩裂，气体输送装置将由被崩裂的页岩中渗出的页岩气输送到地面，所述起爆装置包括起爆电路和起爆器，所述气体输送装置包括右凸缘、隔离装置、油气管、孔状进气管；所述孔状进气管设置在所述隔离装置与所述右凸缘之间，孔状进气管的一端设置在所述右凸缘的通孔中，另一端设置在隔离装置上的通孔中；孔状进气管为带有若干进气孔的管，油气管的一端设置在隔离装置的通孔中，另一端与地面集气装置相连；所述起爆装置还包括三组合聚能装置，所述三组合聚能装置包括将炸药爆炸能量汇聚向右射出的左聚能罩、将炸药爆炸能量汇聚向左射出的右聚能罩、将炸药爆炸能量汇聚向正中射出的中聚能罩、设置在左聚能罩左侧的左凸缘、设置在左聚能罩和中聚能罩之间的左中凸缘、设置在右聚能罩和中聚能罩之间的右中凸缘和套管；

所述左聚能罩包括左凹形外表面和左凹形内表面，所述左凹形外表面和所述左凹形内表面均为开口向外的旋转抛物面，所述左凹形内表面的旋转抛物面形成空腔；所述左聚能罩与左凸缘和左中凸缘组成一个封闭空间，并在该空间内设置炸药；所述左聚能罩的最大外径为D_a，所述左聚能罩的长度为L_a；

所述右聚能罩包括右凹形外表面和右凹形内表面，所述右凹形外表面和所述右凹形内表面均为开口向外的旋转抛物面，所述右凹形内表面的旋转抛物面形成空腔；所述右聚能罩与右凸缘和右中凸缘组成一个封闭空间，并在该空间内设置炸药；所述右聚能罩的最大外径为D_b，所述右聚能罩的长度为L_b；

所述中聚能罩包括中凹形外表面和中凹形内表面，所述中凹形外表面由n个形状和尺寸相同且沿圆周均匀分布的、开口向外的圆弧柱面组成，n为3、4、5、6、7或8；所述中凹形内表面由m个形状和尺寸相同且沿圆周均匀分布的、开口向外的圆弧柱面组成，m为3、4、5、6、7或8且m＝n；所述中凹形内表面的圆弧柱面形成空腔；所述中聚能罩与左中凸缘和右中凸缘组成一个封闭空间，并在该空间内设置炸药；所述中聚能罩的最大外径为D_c，所述中聚能罩的长度为L_c；

所述左中凸缘和右中凸缘均设置有套管孔，所述套管外部为圆柱形且其内部为圆柱孔，所述套管依次穿过所述左凹形内表面的空腔、左中凸缘的套管孔、中凹形内表面的空腔、右中凸缘的套管孔、右凹形内表面的空腔和右凸缘的通孔，所述套管一端固定在左凸缘的右端面，所述套管另一端固定在右凸缘的右端面；

在所述左凸缘的右表面与所述左中凸缘的左表面上间隔设置若干个起爆器，起爆器通过设置在所述套管内的起爆电路与地面控制装置连接，并通过地面控制装置控制起爆器的起爆；

在所述右凸缘的左表面与所述右中凸缘的右表面上间隔设置若干个起爆器，起爆器通过设置在所述套管内的起爆电路与地面控制装置连接，并通过地面控制装置控制起爆器的起爆；

在所述左中凸缘的右表面与所述右中凸缘的左表面上间隔设置若干个起爆器，起爆器通过设置在所述套管内的起爆电路与地面控制装置连接，并通过地面控制装置控制起爆器的起爆。

优选的，所述左凹形外表面的旋转轴为X_a轴，所述左凹形外表面的母线为母线A，所述母线A绕所述X_a轴旋转形成所述左凹形外表面，所述母线A是由以下方程组构成的抛物线：

所述左凹形内表面的旋转轴为X_a轴，所述左凹形内表面的母线为母线B，所述母线B绕所述X_a轴旋转形成所述左凹形内表面，所述母线B是由以下方程组构成的抛物线：

所述右凹形外表面的旋转轴为X_b轴，所述右凹形外表面的母线为母线C，所述母线C绕所述X_b轴旋转形成所述右凹形外表面，所述母线C是由以下方程组构成的抛物线：

所述右凹形内表面的旋转轴为X_b轴，所述右凹形内表面的母线为母线D，所述母线D绕所述X_b轴旋转形成所述右凹形内表面，所述母线D是由以下方程组构成的抛物线：

所述中凹形外表面的n个圆弧柱面中的一个圆弧柱面为圆弧柱面E，所述圆弧柱面E的直母线平行于X_c轴，所述圆弧柱面E的准线为准线E，所述圆弧柱面E的直母线沿着所述准线E平行移动形成所述圆弧柱面E，所述准线E是一段圆弧，圆弧圆心在中聚能罩的装药长度L_c的中间位置且与所述X_c轴的距离为L_c1，圆弧半径为R_c1；

所述中凹形内表面的m个圆弧柱面中的一个圆弧柱面为圆弧柱面F，所述圆弧柱面F的直母线平行于X_c轴，所述圆弧柱面F的准线为准线F，所述圆弧柱面F的直母线沿着所述准线F平行移动形成所述圆弧柱面F，所述准线F是一段圆弧，圆弧圆心在中聚能罩的装药长度L_c的中间位置且与所述X_c轴的距离为L_c2，圆弧半径为R_c2；

上面各式中：

O_a-X_aY_aZ_a坐标系的坐标原点在所述左聚能罩的轴线上且在左聚能罩的长度的中点，X_a轴、Y_a轴和Z_a轴构成右手直角坐标系，X_a轴与所述左聚能罩的轴线重合，X_a轴正方向从左聚能罩的左侧指向左聚能罩的右侧；x_a、y_a和z_a分别为X_a轴、Y_a轴和Z_a轴的坐标变量；

O_a1-X_a1Y_a1Z_a1坐标系的坐标原点在O_a-X_aY_aZ_a坐标系中为(-b₁,c₁,0)，X_a1轴、Y_a1轴和Z_a1轴构成右手直角坐标系，Z_a1轴与Z_a轴平行，X_a1轴与X_a轴夹角为θ_a；x_a1、y_a1和z_a1分别为X_a1轴、Y_a1轴和Z_a1轴的坐标变量；

O_a2-X_a2Y_a2Z_a2坐标系的坐标原点在O_a-X_aY_aZ_a坐标系中为(-b₂,c₂,0)，X_a2轴、Y_a2轴和Z_a2轴构成右手直角坐标系，Z_a2轴与Z_a轴平行，X_a1轴与X_a轴夹角为θ_a；x_a2、y_a2和z_a2分别为X_a2轴、Y_a2轴和Z_a2轴的坐标变量；

O_b-X_bY_bZ_b坐标系的坐标原点在所述右聚能罩的轴线上且在右聚能罩的长度的中点，X_b轴、Y_b轴和Z_b轴构成右手直角坐标系，X_b轴与所述右聚能罩的轴线重合，X_b轴正方向从右聚能罩的左侧指向右聚能罩的右侧；x_b、y_b和z_b分别为X_b轴、Y_b轴和Z_b轴的坐标变量；

O_b1-X_b1Y_b1Z_b1坐标系的坐标原点在O_b-X_bY_bZ_b坐标系中为(b₁,c₁,0)，X_b1轴、Y_b1轴和Z_b1轴构成右手直角坐标系，Z_b1轴与Z_b轴平行，X_b1轴与X_b轴夹角为θ_b；x_b1、y_b1和z_b1分别为X_b1轴、Y_b1轴和Z_b1轴的坐标变量；

O_b2-X_b2Y_b2Z_b2坐标系的坐标原点在O_b-X_bY_bZ_b坐标系中为(b₂,c₂,0)，X_b2轴、Y_b2轴和Z_b2轴构成右手直角坐标系，Z_b2轴与Z_b轴平行，X_b1轴与X_b轴夹角为θ_b；x_b2、y_b2和z_b2分别为X_b2轴、Y_b2轴和Z_b2轴的坐标变量；

O_c-X_cY_cZ_c坐标系的坐标原点在所述中聚能罩的轴线上且在中聚能罩的长度的中点，X_c轴、Y_c轴和Z_c轴构成右手直角坐标系，X_c轴与所述中聚能罩的轴线重合，X_c轴正方向从中聚能罩的左侧指向中聚能罩的右侧；x_c、y_c和z_c分别为X_c轴、Y_c轴和Z_c轴的坐标变量；

X_a轴、X_b轴和X_c轴共线；

D_a和D_b相等且均为D，L_a和L_b相等且均为L，θ_a＝-θ，θ_b＝θ；

D为100mm～800mm，L为200mm～1000mm，θ为0⁰～60⁰；

D_c为100mm～800mm，L_c为200mm～1000mm；

H为左聚能罩和右聚能罩的最小壁厚，H为1mm～10mm；

a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂为参数，c₁为D的0.2～0.90倍，c₂为D的0.15～0.85倍且c₁>c₂；

求解以下方程组得到a₁、b₁的值且a₁>0：

求解以下方程组得到a₂、b₂的值且a₂>0：

R_c1、R_c2、L_c1和L_c2分别按以下公式计算：

H_c1和H_c2均为拱高，H_c1为装药直径D_c的0.1～0.4倍，H_c2为装药直径D_c的0.11～0.41倍且H_c2>H_c1。

优选的，所述参数：D为200mm～500mm，L为300mm～600mm，D_c为200mm～500mm，L_c为300mm～600mm；

优选的，所述参数：θ为30°～50°；

优选的，所述参数c₁为D的0.2～0.6倍，c₂为D的0.15～0.55倍且c₁>c₂；

优选的，所述拱高H_c1为装药直径D_c的0.2～0.35倍，H_c2为装药直径D_c的0.21～0.36倍且H_c2>H_c1；

优选的，所述径向最小壁厚H为1mm～5mm。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：由于聚能效应、抛物线的光学特性和圆弧反射向圆心聚集的特性，通过左聚能罩、中聚能罩和右聚能罩将炸药爆炸能量汇聚射出，炸药爆炸能量利用率高，同时提高了爆炸压裂区的页岩裂纹的长度和页岩裂纹的数量；特别是由于左聚能罩、中聚能罩和右聚能罩的聚能作用，分别从左、中、右三个空间方向同时挤压爆炸压裂区的页岩，裂纹迅速贯通形成“个”字形状的页岩破裂带，增加了页岩的比表面积，从而有效增加了页岩气的解析速率及其采收率。

附图说明

图1为装置示意图；

图2为左聚能罩结构示意图；

图3为右聚能罩结构示意图；

图4为中聚能罩结构示意图；

图5为中聚能罩A-A剖面的结构示意图；

上述图1-图5中：1-页岩气井裸眼，2-油气管，3-孔状进气管，4-进气孔，5-右凹形外表面，6-右凹形内表面，7-右聚能罩，8-中凹形外表面，9-中凹形内表面，10-中聚能罩，11-左凹形外表面，12-左凹形内表面，13-左凸缘，14-左聚能罩，15-左中凸缘，16-右中凸缘，17-套管，18-右凸缘，19-隔离装置，20-起爆器，21-起爆电路，22-准线E，23-准线F。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明

一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，所述装置设置在页岩气井裸眼中1，所述装置包括起爆装置和气体输送装置，起爆装置用于将其周围的页岩崩裂，气体输送装置将由被崩裂的页岩中渗出的页岩气输送到地面，所述起爆装置包括起爆电路21和起爆器20，所述气体输送装置包括右凸缘18、隔离装置19、油气管2、孔状进气管3；所述孔状进气管3设置在所述隔离装置19与所述右凸缘18之间，孔状进气管3的一端设置在所述右凸缘18的通孔中，另一端设置在隔离装置18上的通孔中；孔状进气管3为带有若干进气孔4的管，油气管2的一端设置在隔离装置19的通孔中，另一端与地面集气装置相连；所述起爆装置还包括三组合聚能装置，所述三组合聚能装置包括将炸药爆炸能量汇聚向右射出的左聚能罩14、将炸药爆炸能量汇聚向左射出的右聚能罩7、将炸药爆炸能量汇聚向正中射出的中聚能罩10、设置在左聚能罩14左侧的左凸缘13、设置在左聚能罩14和中聚能罩10之间的左中凸缘15、设置在右聚能罩7和中聚能罩10之间的右中凸缘16和套管17；

所述左聚能罩14包括左凹形外表面11和左凹形内表面12，所述左凹形外表面11和所述左凹形内表面12均为开口向外的旋转抛物面，所述左凹形内表面12的旋转抛物面形成空腔；所述左聚能罩14与左凸缘13和左中凸缘15组成一个封闭空间，并在该空间内设置炸药；所述左聚能罩14的最大外径为D_a，所述左聚能罩14的长度为L_a；

所述右聚能罩7包括右凹形外表面5和右凹形内表面6，所述右凹形外表面5和所述右凹形内表面6均为开口向外的旋转抛物面，所述右凹形内表面6的旋转抛物面形成空腔；所述右聚能罩7与右凸缘18和右中凸缘16组成一个封闭空间，并在该空间内设置炸药；所述右聚能罩7的最大外径为D_b，所述右聚能罩7的长度为L_b；

所述中聚能罩10包括中凹形外表面8和中凹形内表面9，所述中凹形外表面8由n个形状和尺寸相同且沿圆周均匀分布的、开口向外的圆弧柱面组成，n为3、4、5、6、7或8；所述中凹形内表面9由m个形状和尺寸相同且沿圆周均匀分布的、开口向外的圆弧柱面组成，m为3、4、5、6、7或8且m＝n；所述中凹形内表面9的圆弧柱面形成空腔；所述中聚能罩10与左中凸缘15和右中凸缘16组成一个封闭空间，并在该空间内设置炸药；所述中聚能罩10的最大外径为D_c，所述中聚能罩10的长度为L_c；

所述左中凸缘15和右中凸缘16均设置有套管17孔，所述套管17外部为圆柱形且其内部为圆柱孔，所述套管17依次穿过所述左凹形内表面12的空腔、左中凸缘15的套管17孔、中凹形内表面9的空腔、右中凸缘16的套管17孔、右凹形内表面6的空腔和右凸缘18的通孔，所述套管17一端固定在左凸缘13的右端面，所述套管17另一端固定在右凸缘18的右端面；

在所述左凸缘13的右表面与所述左中凸缘15的左表面上间隔设置若干个起爆器20，起爆器20通过设置在所述套管17内的起爆电路21与地面控制装置连接，并通过地面控制装置控制起爆器20的起爆；

在所述右凸缘18的左表面与所述右中凸缘16的右表面上间隔设置若干个起爆器20，起爆器20通过设置在所述套管17内的起爆电路21与地面控制装置连接，并通过地面控制装置控制起爆器20的起爆；

在所述左中凸缘15的右表面与所述右中凸缘16的左表面上间隔设置若干个起爆器20，起爆器20通过设置在所述套管17内的起爆电路21与地面控制装置连接，并通过地面控制装置控制起爆器20的起爆。

建立O_a-X_aY_aZ_a坐标系、O_a1-X_a1Y_a1Z_a1坐标系、O_a2-X_a2Y_a2Z_a2坐标系、O_b-X_bY_bZ_b坐标系、O_b1-X_b1Y_b1Z_b1坐标系、O_b2-X_b2Y_b2Z_b2坐标系和O_c-X_cY_cZ_c坐标系如下：

O_a-X_aY_aZ_a坐标系的坐标原点在所述左聚能罩14的轴线上且在左聚能罩14的长度的中点，X_a轴、Y_a轴和Z_a轴构成右手直角坐标系，X_a轴与所述左聚能罩14的轴线重合，X_a轴正方向从左聚能罩14的左侧指向左聚能罩14的右侧；x_a、y_a和z_a分别为X_a轴、Y_a轴和Z_a轴的坐标变量；

O_a1-X_a1Y_a1Z_a1坐标系的坐标原点在O_a-X_aY_aZ_a坐标系中为(-b₁,c₁,0)，X_a1轴、Y_a1轴和Z_a1轴构成右手直角坐标系，Z_a1轴与Z_a轴平行，X_a1轴与X_a轴夹角为θ_a；x_a1、y_a1和z_a1分别为X_a1轴、Y_a1轴和Z_a1轴的坐标变量；

O_a2-X_a2Y_a2Z_a2坐标系的坐标原点在O_a-X_aY_aZ_a坐标系中为(-b₂,c₂,0)，X_a2轴、Y_a2轴和Z_a2轴构成右手直角坐标系，Z_a2轴与Z_a轴平行，X_a1轴与X_a轴夹角为θ_a；x_a2、y_a2和z_a2分别为X_a2轴、Y_a2轴和Z_a2轴的坐标变量；

O_b-X_bY_bZ_b坐标系的坐标原点在所述右聚能罩7的轴线上且在右聚能罩7的长度的中点，X_b轴、Y_b轴和Z_b轴构成右手直角坐标系，X_b轴与所述右聚能罩的轴线重合，X_b轴正方向从右聚能罩7的左侧指向右聚能罩7的右侧；x_b、y_b和z_b分别为X_b轴、Y_b轴和Z_b轴的坐标变量；

O_b1-X_b1Y_b1Z_b1坐标系的坐标原点在O_b-X_bY_bZ_b坐标系中为(b₁,c₁,0)，X_b1轴、Y_b1轴和Z_b1轴构成右手直角坐标系，Z_b1轴与Z_b轴平行，X_b1轴与X_b轴夹角为θ_b；x_b1、y_b1和z_b1分别为X_b1轴、Y_b1轴和Z_b1轴的坐标变量；

O_b2-X_b2Y_b2Z_b2坐标系的坐标原点在O_b-X_bY_bZ_b坐标系中为(b₂,c₂,0)，X_b2轴、Y_b2轴和Z_b2轴构成右手直角坐标系，Z_b2轴与Z_b轴平行，X_b1轴与X_b轴夹角为θ_b；x_b2、y_b2和z_b2分别为X_b2轴、Y_b2轴和Z_b2轴的坐标变量；

O_c-X_cY_cZ_c坐标系的坐标原点在所述中聚能罩10的轴线上且在中聚能罩10的长度的中点，X_c轴、Y_c轴和Z_c轴构成右手直角坐标系，X_c轴与所述中聚能罩10的轴线重合，X_c轴正方向从中聚能罩10的左侧指向中聚能罩10的右侧；x_c、y_c和z_c分别为X_c轴、Y_c轴和Z_c轴的坐标变量。

X_a轴、X_b轴和X_c轴共线。

所述左凹形外表面11的旋转轴为X_a轴，所述左凹形外表面11的母线为母线A，所述母线A绕所述X_a轴旋转形成所述左凹形外表面11，所述母线A是由以下方程组构成的抛物线：

所述左凹形内表面12的旋转轴为X_a轴，所述左凹形内表面12的母线为母线B，所述母线B绕所述X_a轴旋转形成所述左凹形内表面12，所述母线B是由以下方程组构成的抛物线：

所述右凹形外表面5的旋转轴为X_b轴，所述右凹形外表面5的母线为母线C，所述母线C绕所述X_b轴旋转形成所述右凹形外表面5，所述母线C是由以下方程组构成的抛物线：

所述右凹形内表面6的旋转轴为X_b轴，所述右凹形内表面6的母线为母线D，所述母线D绕所述X_b轴旋转形成所述右凹形内表面6，所述母线D是由以下方程组构成的抛物线：

所述中凹形外表面8的n个圆弧柱面中的一个圆弧柱面为圆弧柱面E，所述圆弧柱面E的直母线平行于X_c轴，所述圆弧柱面E的准线为准线E22，所述圆弧柱面E的直母线沿着所述准线E22平行移动形成所述圆弧柱面E，所述准线E22是一段圆弧，圆弧圆心在中聚能罩10的装药长度L_c的中间位置且与所述X_c轴的距离为L_c1，圆弧半径为R_c1；

所述中凹形内表面9的m个圆弧柱面中的一个圆弧柱面为圆弧柱面F，所述圆弧柱面F的直母线平行于X_c轴，所述圆弧柱面F的准线为准线F23，所述圆弧柱面F的直母线沿着所述准线F23平行移动形成所述圆弧柱面F，所述准线F23是一段圆弧，圆弧圆心在中聚能罩10的装药长度L_c的中间位置且与所述X_c轴的距离为L_c2，圆弧半径为R_c2；

上面各式中：

D_a和D_b相等且均为D，L_a和L_b相等且均为L，θ_a＝-θ，θ_b＝θ；

D为100mm～800mm，L为200mm～1000mm，θ为0°～60°；

D_c为100mm～800mm，L_c为200mm～1000mm；

H为左聚能罩14、中聚能罩10和右聚能罩7的最小壁厚，H为1mm～10mm；

a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂为参数，c₁为D的0.2～0.90倍，c₂为D的0.15～0.85倍且c₁>c₂；

中凹形外表面8的n个圆弧柱面将中聚能罩10的最大外园n等分，等分弧长为D_c为中聚能罩10的最大外径，考虑到中聚能罩10的性能要求和制作工艺要求等，选取

根据已知弦长L_c和拱高H_c1、H_c2求半径R_c1、R_c2的公式，R_c1、R_c2、L_c1和L_c2分别按以下公式计算：

H_c1和H_c2均为拱高，H_c1为装药直径D_c的0.1～0.4倍，H_c2为装药直径D_c的0.11～0.41倍且H_c2>H_c1。

下面确定右聚能罩7的主要参数。

右聚能罩7的右凹形外表面5的抛物线过和两点，即：当时，当时，带入方程式组(13)整理后得到：

求解以上方程组(17)得到a₁、b₁的值且a₁>0，为保证抛物线开口向外，因此要求a₁>0；

右聚能罩7的最小壁厚为H，则右聚能罩7的右凹形内表面6抛物线过 和两点，即：当时，当时，带入方程式组(14)整理后得到：

求解以上方程组(18)得到a₂、b₂的值且a₂>0，为保证抛物线开口向外，因此要求a₂>0；

本实施例中，选取θ＝45°，则有：θ_a＝-45°，θ_b＝45°；由于sin45°＝cos45°，则方程组(17)变换为方程组(19)：

方程组(19)中，P₁、Q₁计算公式为：

P₁＝D-L-2c₁； (20)

Q₁＝D+L-2c₁； (21)

求解方程组(19)，舍去b₁<0的解以保证抛物线开口向外，可得：

同理，选取θ＝45°，则有：θ_a＝-45°，θ_b＝45°；由于sin45°＝cos45°，则方程组(18)变换为方程组(23)：

方程组(23)中，P₂、Q₂计算公式为：

P₂＝D-L-2c₂-2H； (24)

Q₂＝D+L-2c₂-2H； (25)

求解方程组(23)，舍去b₂<0的解以保证抛物线开口向外，可得：

本实施例中，各参数或系数具体选取和求解如下：

选取：D＝300mm，L＝400mm，L_a＝400mm，L_b＝400mm，取c₁为D的0.2倍即c₁＝60mm，取c₂为D的0.15倍即c₂＝45mm，H＝2mm，根据(22)和(26)计算得到：

b₁＝179.0724809mm、a₁＝0.007938555mm；

b₂＝184.116701mm、a₂＝0.008717154mm。

以上确定了右聚能罩7的主要参数。左聚能罩14与右聚能罩10为左右对称关系，因此，左聚能罩14的主要参数也随之确定。

下面确定中聚能罩10的主要参数。

本实施例选取：n＝4，m＝4,D_c＝D即D_c＝300mm，L_c＝L即L_c＝400mm，取H_c1为D_c的0.2倍即H_c1＝60mm，取H_c2为D_c的0.22倍即H_c2＝66mm且满足H_c2>H_c1分别带入公式(15)、(16-1)、(16-2)、(16-3)和(16-4),得到：

由此，本实施例的技术方案及其主要参数确定完毕。

以上实施例综合聚能效应较好。

根据聚能效应，炸药爆炸后，爆炸产物在高温高压下基本是沿炸药表面的法线方向向外飞散的，因此，带凹槽的炸药在引爆后，在凹槽轴线上会出现一股汇聚的、速度和压强都很高的爆炸产物流，在一定的范围内使炸药爆炸释放出来的爆炸能量集中起来。本发明的左聚能罩14和右聚能罩7的外表面和内表面均为旋转抛物面，母线A、母线B、母线C和母线D均是抛物线，旋转抛物面的旋转轴与这些抛物线的对称轴线成一夹角；左聚能罩14的抛物线的对称轴线绕旋转抛物面的旋转轴旋转后形成左圆锥面，右聚能罩7的抛物线的对称轴线绕旋转抛物面的旋转轴旋转后形成右圆锥面；由于抛物线的光线特性，即经焦点的光线经抛物线反射后的光线平行于抛物线的对称轴，抛物线的这一特性进一步增强了聚能效应；中聚能罩10的中凹形外表面8和中凹形内表面9由n个或者m个(m＝n)形状和尺寸相同且沿圆周均匀分布的圆弧柱面组成，每个圆弧柱面的圆心形成圆心直线，该圆心直线平行于X_c轴，n个圆弧柱面构成沿圆周均匀分布且通过平行于X_c轴的n个圆心直线,圆弧也具有向圆心聚能的特性，圆弧的这一特性也进一步增强了聚能效应；炸药爆炸后，左聚能罩14的爆炸能量沿左圆锥面汇聚向空间右向射出，右聚能罩7的爆炸能量沿右圆锥面汇聚向空间左向射出，中聚能罩10的爆炸能量向n个圆心直线的空间方向射出，三个方空间向同时挤压爆炸压裂区的页岩，裂纹迅速贯通形成“个”字形状的页岩破裂带，增加了页岩的比表面积，从而有效增加了页岩气的解析速率及其采收率。

为保证左聚能罩14的壁厚以及右聚能罩7的壁厚从中间向两侧逐步减小，要求c₁>c₂；同理，为保证中聚能罩10的壁厚从中间向两侧逐步减小，要求H_c2>H_c1。

参数c₁、c₂、H_c2、H_c1的值，应根据页岩的硬度等性能选择，参数c₁、c₂的值越小及H_c2、H_c1的值越大，爆炸能量汇聚越集中，爆炸压裂区深而窄、页岩裂纹的长度越长；反之，爆炸能量汇聚越发散，爆炸压裂区宽而浅、页岩裂纹的长度越短。c₁为D的0.2～0.90倍，c₂为D的0.15～0.85倍且c₁>c₂，H_c1为装药直径D_c的0.1～0.4倍，H_c2为装药直径D_c的0.11～0.41倍且H_c2>H_c1；优选地：c₁为D的0.2～0.6倍，c₂为D的0.15～0.55倍且c₁>c₂，H_c1为装药直径D_c的0.2～0.35倍，H_c2为装药直径D_c的0.22～0.36倍且H_c2>H_c1。

根据页岩的硬度等性能选择参数θ的值，θ值越大，爆炸压裂区越窄、页岩越易压碎、页岩裂纹的长度越短和页岩裂纹的数量越多；θ值越小，爆炸压裂区越宽、页岩越不易压碎、页岩裂纹的长度越长和页岩裂纹的数量越少；θ取值为0°～60°，优选地：θ取值为30°～50°。

左聚能罩14、中聚能罩10和右聚能罩7均由7A09型号的铝合金制作而成，性价比最好。

左凸缘13、左中凸缘15、右中凸缘16和右凸缘18均由4350合金钢制作而成，性价比最好。

所述套管17由HP9-4-20型耐高温不锈钢管制作而成，性价比最好。

本发明所公开的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，在制作时，预先将炸药放入到起爆装置中，然后再将整个装置设置在页岩气井裸眼中1；起爆器20包括电雷管、数码雷管等，起爆方式包括电起爆、数码起爆等；所述炸药包括液体炸药、固体炸药等。

以上实施例为本发明的主要结构、形状参数，其余结构细节按照本专业领域普通技术常识和惯用技术手段进行设计和选择。

Claims (9)

1.一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，所述装置设置在页岩气井裸眼中，所述装置包括起爆装置和气体输送装置，起爆装置用于将其周围的页岩崩裂，气体输送装置将由被崩裂的页岩中渗出的页岩气输送到地面，所述起爆装置包括起爆电路和起爆器，所述气体输送装置包括右凸缘、隔离装置、油气管、孔状进气管；所述孔状进气管设置在所述隔离装置与所述右凸缘之间，孔状进气管的一端设置在所述右凸缘的通孔中，另一端设置在隔离装置上的通孔中；孔状进气管为带有若干进气孔的管，油气管的一端设置在隔离装置的通孔中，另一端与地面集气装置相连；其特征在于,所述起爆装置还包括三组合聚能装置，所述三组合聚能装置包括将炸药爆炸能量汇聚向右射出的左聚能罩、将炸药爆炸能量汇聚向左射出的右聚能罩、将炸药爆炸能量汇聚向正中射出的中聚能罩、设置在左聚能罩左侧的左凸缘、设置在左聚能罩和中聚能罩之间的左中凸缘、设置在右聚能罩和中聚能罩之间的右中凸缘和套管；

所述左聚能罩包括左凹形外表面和左凹形内表面，所述左凹形外表面和所述左凹形内表面均为开口向外的旋转抛物面，所述左凹形内表面的旋转抛物面形成空腔；所述左聚能罩与左凸缘和左中凸缘组成一个封闭空间，并在该空间内设置炸药；所述左聚能罩的最大外径为D_a，所述左聚能罩的长度为L_a；

所述右聚能罩包括右凹形外表面和右凹形内表面，所述右凹形外表面和所述右凹形内表面均为开口向外的旋转抛物面，所述右凹形内表面的旋转抛物面形成空腔；所述右聚能罩与右凸缘和右中凸缘组成一个封闭空间，并在该空间内设置炸药；所述右聚能罩的最大外径为D_b，所述右聚能罩的长度为L_b；

所述中聚能罩包括中凹形外表面和中凹形内表面，所述中凹形外表面由n个形状和尺寸相同且沿圆周均匀分布的、开口向外的圆弧柱面组成，n为3、4、5、6、7或8；所述中凹形内表面由m个形状和尺寸相同且沿圆周均匀分布的、开口向外的圆弧柱面组成，m为3、4、5、6、7或8且m＝n；所述中凹形内表面的圆弧柱面形成空腔；所述中聚能罩与左中凸缘和右中凸缘组成一个封闭空间，并在该空间内设置炸药；所述中聚能罩的最大外径为D_c，所述中聚能罩的长度为L_c；

所述左中凸缘和右中凸缘均设置有套管孔，所述套管外部为圆柱形且其内部为圆柱孔，所述套管依次穿过所述左凹形内表面的空腔、左中凸缘的套管孔、中凹形内表面的空腔、右中凸缘的套管孔、右凹形内表面的空腔和右凸缘的通孔，所述套管一端固定在左凸缘的右端面，所述套管另一端固定在右凸缘的右端面。

2.根据权利要求1所述的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，

所述左凹形外表面的旋转轴为X_a轴，所述左凹形外表面的母线为母线A，所述母线A绕所述X_a轴旋转形成所述左凹形外表面，所述母线A是由以下方程组构成的抛物线：

所述左凹形内表面的旋转轴为X_a轴，所述左凹形内表面的母线为母线B，所述母线B绕所述X_a轴旋转形成所述左凹形内表面，所述母线B是由以下方程组构成的抛物线

所述右凹形外表面的旋转轴为X_b轴，所述右凹形外表面的母线为母线C，所述母线C绕所述X_b轴旋转形成所述右凹形外表面，所述母线C是由以下方程组构成的抛物线：

所述右凹形内表面的旋转轴为X_b轴，所述右凹形内表面的母线为母线D，所述母线D绕所述X_b轴旋转形成所述右凹形内表面，所述母线D是由以下方程组构成的抛物线：

所述中凹形外表面的n个圆弧柱面中的一个圆弧柱面为圆弧柱面E，所述圆弧柱面E的直母线平行于X_c轴，所述圆弧柱面E的准线为准线E，所述圆弧柱面E的直母线沿着所述准线E平行移动形成所述圆弧柱面E，所述准线E是一段圆弧，圆弧圆心在中聚能罩的装药长度L_c的中间位置且与所述X_c轴的距离为L_c1，圆弧半径为R_c1；

所述中凹形内表面的m个圆弧柱面中的一个圆弧柱面为圆弧柱面F，所述圆弧柱面F的直母线平行于X_c轴，所述圆弧柱面F的准线为准线F，所述圆弧柱面F的直母线沿着所述准线F平行移动形成所述圆弧柱面F，所述准线F是一段圆弧，圆弧圆心在中聚能罩的装药长度L_c的中间位置且与所述X_c轴的距离为L_c2，圆弧半径为R_c2；

上面各式中：

O_a-X_aY_aZ_a坐标系的坐标原点在所述左聚能罩的轴线上且在左聚能罩的长度的中点，X_a轴、Y_a轴和Z_a轴构成右手直角坐标系，X_a轴与所述左聚能罩的轴线重合，X_a轴正方向从左聚能罩的左侧指向左聚能罩的右侧；x_a、y_a和z_a分别为X_a轴、Y_a轴和Z_a轴的坐标变量；

O_a1-X_a1Y_a1Z_a1坐标系的坐标原点在O_a-X_aY_aZ_a坐标系中为(-b₁,c₁,0)，X_a1轴、Y_a1轴和Z_a1轴构成右手直角坐标系，Z_a1轴与Z_a轴平行，X_a1轴与X_a轴夹角为θ_a；x_a1、y_a1和z_a1分别为X_a1轴、Y_a1轴和Z_a1轴的坐标变量；

O_a2-X_a2Y_a2Z_a2坐标系的坐标原点在O_a-X_aY_aZ_a坐标系中为(-b₂,c₂,0)，X_a2轴、Y_a2轴和Z_a2轴构成右手直角坐标系，Z_a2轴与Z_a轴平行，X_a1轴与X_a轴夹角为θ_a；x_a2、y_a2和z_a2分别为X_a2轴、Y_a2轴和Z_a2轴的坐标变量；

O_b-X_bY_bZ_b坐标系的坐标原点在所述右聚能罩的轴线上且在右聚能罩的长度的中点，X_b轴、Y_b轴和Z_b轴构成右手直角坐标系，X_b轴与所述右聚能罩的轴线重合，X_b轴正方向从右聚能罩的左侧指向右聚能罩的右侧；x_b、y_b和z_b分别为X_b轴、Y_b轴和Z_b轴的坐标变量；

O_b1-X_b1Y_b1Z_b1坐标系的坐标原点在O_b-X_bY_bZ_b坐标系中为(b₁,c₁,0)，X_b1轴、Y_b1轴和Z_b1轴构成右手直角坐标系，Z_b1轴与Z_b轴平行，X_b1轴与X_b轴夹角为θ_b；x_b1、y_b1和z_b1分别为X_b1轴、Y_b1轴和Z_b1轴的坐标变量；

O_b2-X_b2Y_b2Z_b2坐标系的坐标原点在O_b-X_bY_bZ_b坐标系中为(b₂,c₂,0)，X_b2轴、Y_b2轴和Z_b2轴构成右手直角坐标系，Z_b2轴与Z_b轴平行，X_b1轴与X_b轴夹角为θ_b；x_b2、y_b2和z_b2分别为X_b2轴、Y_b2轴和Z_b2轴的坐标变量；

O_c-X_cY_cZ_c坐标系的坐标原点在所述中聚能罩的轴线上且在中聚能罩的长度的中点，X_c轴、Y_c轴和Z_c轴构成右手直角坐标系，X_c轴与所述中聚能罩的轴线重合，X_c轴正方向从中聚能罩的左侧指向中聚能罩的右侧；x_c、y_c和z_c分别为X_c轴、Y_c轴和Z_c轴的坐标变量；

X_a轴、X_b轴和X_c轴共线；

D_a和D_b相等且均为D，L_a和L_b相等且均为L，θ_a＝-θ，θ_b＝θ；

D为100mm～800mm，L为200mm～1000mm，θ为0°～60°；

D_c为100mm～800mm，L_c为200mm～1000mm；

H为左聚能罩、中聚能罩和右聚能罩的最小壁厚，H为1mm～10mm；

a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂为参数，c₁为D的0.2～0.90倍，c₂为D的0.15～0.85倍且c₁>c₂；

求解以下方程组得到a₁、b₁的值且a₁>0：

求解以下方程组得到a₂、b₂的值且a₂>0：

R_c1、R_c2、L_c1和L_c2分别按以下公式计算：

H_c1和H_c2均为拱高，H_c1为装药直径D_c的0.1～0.4倍，H_c2为装药直径D_c的0.11～0.41倍且H_c2>H_c1。

3.根据权利要求2所述的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述参数θ为30°～50°。

4.根据权利要求2所述的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述参数θ为45°，参数a₁、b₁、a₂、b₂依次通过以下公式计算：

P₁＝D-L-2c₁；

Q₁＝D+L-2c₁；

P₂＝D-L-2c₂-2H；

Q₂＝D+L-2c₂-2H；

5.根据权利要求2所述的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述参数D_c为200mm～500mm，L_c为300mm～600mm，所述拱高H_c1为装药直径D_c的0.2～0.35倍，H_c2为装药直径D_c的0.21～0.36倍且H_c2>H_c1。

6.根据权利要求2或4所述的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述参数c₁为D的0.2～0.6倍，c₂为D的0.15～0.55倍且c₁>c₂。

7.根据权利要求2或4所述的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述参数D为200mm～500mm，L为300mm～600mm。

8.根据权利要求2或4所述的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述径向最小壁厚H为1mm～5mm。

9.根据权利要求4或5所述的一种圆弧柱面三组合聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述参数D＝300mm，L＝400mm，L_a＝400mm，L_b＝400mm，c₁＝60mm，c₂＝45mm，H＝2mm，b₁＝179.0724809mm，a₁＝0.007938555mm，b₂＝184.116701mm，a₂＝0.008717154mm；

n＝4，m＝4,D_c＝300mm，L_c＝400mm，H_c1＝60mm，H_c2＝66mm，L_d＝209.132mm，R_c1＝121.117mm，L_c1＝167.182mm，R_c2＝115.834mm，L_c2＝155.899mm。