CN108571311A - 一种抛物柱面聚能压裂增加页岩气采收率的装置 - Google Patents

Abstract

一种抛物柱面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，起爆装置包括聚能装置、起爆电路和起爆器，聚能装置包括将炸药爆炸能量汇聚垂直向外射出的中聚能罩，中聚能罩为开口向外的抛物柱面。与现有技术相比，炸药爆炸后，中聚能罩的爆炸能量集中在n个空间方位垂直向外挤压爆炸压裂区的页岩，裂纹迅速贯通形成页岩破裂带，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。同时，由于球冠形状的左凸台、右凸台的向外凸起的聚能作用，进一步增强了聚能效应。

Description

一种抛物柱面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，特别涉及一种抛物柱面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抛物柱面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，本发明所述一种抛物柱面聚能压裂增加页岩气采收率的装置的技术方案如下：

一种抛物柱面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聚能装置，所述聚能装置包括将炸药爆炸能量汇聚垂直向外射出的中聚能罩、设置在中聚能罩左侧的左凸缘和套管；

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、开口向外的抛物柱面组成，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、开口向外的抛物柱面组成，m为3、4、5、6、7或8且m＝n；所述中凹形内表面的抛物柱面形成空腔；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中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右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；

所述左凸缘的右侧设置有左凸台，所述左凸台为向外凸起的球冠形状，所述左凸台球冠形状的凸起高度为H_t，所述左凸台球冠形状的最大开口部分圆的直径为D_t；

所述右凸缘的左侧设置有右凸台，所述右凸台为向外凸起的球冠形状，所述右凸台球冠形状的凸起高度为H_t，所述右凸台球冠形状的最大开口部分圆的直径为D_t；

所述直径D_t为炸药直径D，所述高度H_t为3mm～8mm。

优选的，所述中凹形外表面的n个抛物柱面中的一个抛物柱面为抛物柱面E，所述抛物柱面E的直母线平行于X_c轴，所述抛物柱面E的准线为准线E，所述抛物柱面E的直母线沿着所述准线E平行移动形成所述抛物柱面E，所述准线E是由以下方程构成的抛物线：

y_c＝a₃+b₃z_c ²； (5)

所述中凹形内表面的m个抛物柱面中的一个抛物柱面为抛物柱面F，所述抛物柱面F的直母线平行于X_c轴，所述抛物柱面F的准线为准线F，所述抛物柱面F的直母线沿着所述准线F平行移动形成所述抛物柱面F，所述准线F是由以下方程构成的抛物线：

y_c＝a₄+b₄z_c ²； (6)

a₃、b₃、a₄和b₄为参数，a₃为D_c的0.2～0.90倍，a₄为D_c的0.15～0.85倍且a₃>a₄，b₃、b₄由以下公式计算：

式中：e₃、e₄为系数，e₃为0.5～1.5，e₄为0.8～1.8且e₄>e₃；

上面各式中：

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；

D_c为100mm～800mm，L_c为200mm～1000mm；

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

优选的，所述参数a₃为D_c的0.2～0.6倍，a₄为D_c的0.15～0.55倍且a₃>a₄；

优选的，所述参数e₃为0.8～1.2，e₄为1.0～1.4且e₄>e₃；

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，通过中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；特别是由于中聚能罩的聚能作用，炸药爆炸能量集中在n个空间方位垂直向外挤压爆炸压裂区的页岩，裂纹迅速贯通形成页岩破裂带，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。同时，由于球冠形状的左凸台、右凸台的向外凸起的聚能作用，进一步增强了聚能效应。

附图说明

图1为装置示意图；

图2为中聚能罩结构示意图；

图3为中聚能罩A-A剖面的结构示意图；

上述图1-图3中：1-页岩气井裸眼，2-油气管，3-孔状进气管，7-进气孔，8-中凹形外表面，9-中凹形内表面，10-中聚能罩，13-左凸缘，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

一种抛物柱面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1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19上的通孔中；孔状进气管3为带有若干进气孔的管，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21还包括聚能装置，所述聚能装置包括将炸药爆炸能量汇聚垂直向外射出的中聚能罩10、设置在中聚能罩10左侧的左凸缘和套管；

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、开口向外的抛物柱面组成，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、开口向外的抛物柱面组成，m为3、4、5、6、7或8且m＝n；所述中凹形内表面9的抛物柱面形成空腔；所述中聚能罩10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10的最大外径为D_c，所述中聚能罩10的长度为L_c；

所述套管17外部为圆柱形且其内部为圆柱孔，所述套管17依次穿过所述中凹形内表面9的空腔和右凸缘18的通孔，所述套管一端固定在左凸缘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的右表面与所述右凸缘18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；

所述左凸缘的13右侧设置有左凸台，所述左凸台为向外凸起的球冠形状，所述左凸台球冠形状的凸起高度为H_t，所述左凸台球冠形状的最大开口部分圆的直径为D_t；

所述右凸缘18的左侧设置有右凸台，所述右凸台为向外凸起的球冠形状，所述右凸台球冠形状的凸起高度为H_t，所述右凸台球冠形状的最大开口部分圆的直径为D_t；

所述直径D_t为炸药直径D，所述高度H_t为3mm～8mm。

建立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。

所述中凹形外表面8的n个抛物柱面中的一个抛物柱面为抛物柱面E，所述抛物柱面E的直母线平行于X_c轴，所述抛物柱面E的准线为准线E22，所述抛物柱面E的直母线沿着所述准线E22平行移动形成所述抛物柱面E，所述准线E22是由以下方程构成的抛物线：

y_c＝a₃+b₃z_c ²； (15)

所述中凹形内表面9的m个抛物柱面中的一个抛物柱面为抛物柱面F，所述抛物柱面F的直母线平行于X_c轴，所述抛物柱面F的准线为准线F23，所述抛物柱面F的直母线沿着所述准线F23平行移动形成所述抛物柱面F，所述准线F23是由以下方程构成的抛物线：

y_c＝a₄+b₄z_c ²； (16)

上面各式中：

D_c为100mm～800mm，L_c为200mm～1000mm；

中凹形外表面8的n个抛物柱面将中聚能罩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

a₃、b₃、a₄和b₄为参数，a₃为D_c的0.2～0.90倍，a₄为D_c的0.15～0.85倍且a₃>a₄；

已知抛物线经过顶点(0，a₃，0)和其他两个点 然后根据经验，b₃、b₄由以下公式计算：

式中：e₃、e₄为系数，e₃为0.5～1.5，e₄为0.8～1.8且e₄>e₃。

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a₃为D_c的0.2倍即a₃＝60mm，取a₄为D_c的0.15倍即a₄＝45mm且满足a₃>a₄，取e₃＝0.8和e₄＝1.0且满足e₄>e₃，分别带入公式(16-1)、(16-2)和(16-3),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。本发明的中聚能罩10的外表面和内表面均为抛物柱面，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抛物柱面组成，一系列抛物柱面的准线(该准线也为抛物线)的对称轴线构成沿圆周均匀分布且通过X_c轴的n个平面；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；炸药爆炸后，中聚能罩10的爆炸能量集中在n个空间方位垂直向外挤压爆炸压裂区的页岩，裂纹迅速贯通形成页岩破裂带，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。同时，由于球冠形状的左凸台、右凸台的向外凸起的聚能作用，进一步增强了聚能效应。

为保证中聚能罩10的壁厚从中间向两侧逐步减小，要求a₃>a₄。

参数a₃、a₄、e₃、e₄的值，应根据页岩的硬度等性能选择，参数a₃、a₄、e₃、e₄的值越小，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。a₃为D_c的0.2～0.90倍，a₄为D_c的0.15～0.85倍且a₃>a₄；e₃为0.5～1.5，e₄为0.8～1.8且e₄>e₃；优选地：a₃为D_c的0.2～0.6倍，a₃为D_c的0.15～0.55倍且a₃>a₃；e₃为0.8～1.2，e₄为1.0～1.4且e₄>e₃。

中聚能罩10均由7A09型号的铝合金制作而成，性价比最好。

左凸缘13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抛物柱面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1中；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 (6)

1.一种抛物柱面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聚能装置，所述聚能装置包括将炸药爆炸能量汇聚垂直向外射出的中聚能罩、设置在中聚能罩左侧的左凸缘和套管；

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、开口向外的抛物柱面组成，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、开口向外的抛物柱面组成，m为3、4、5、6、7或8且m＝n；所述中凹形内表面的抛物柱面形成空腔；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中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；

所述左凸缘的右侧设置有左凸台，所述左凸台为向外凸起的球冠形状，所述左凸台球冠形状的凸起高度为H_t，所述左凸台球冠形状的最大开口部分圆的直径为D_t；

所述右凸缘的左侧设置有右凸台，所述右凸台为向外凸起的球冠形状，所述右凸台球冠形状的凸起高度为H_t，所述右凸台球冠形状的最大开口部分圆的直径为D_t；

所述直径D_t为炸药直径D，所述高度H_t为3mm～8mm。

2.根据权利要求1所述的一种抛物柱面聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，

所述中凹形外表面的n个抛物柱面中的一个抛物柱面为抛物柱面E，所述抛物柱面E的直母线平行于X_c轴，所述抛物柱面E的准线为准线E，所述抛物柱面E的直母线沿着所述准线E平行移动形成所述抛物柱面E，所述准线E是由以下方程构成的抛物线：

y_c＝a₃+b₃z_c ²；

所述中凹形内表面的m个抛物柱面中的一个抛物柱面为抛物柱面F，所述抛物柱面F的直母线平行于X_c轴，所述抛物柱面F的准线为准线F，所述抛物柱面F的直母线沿着所述准线F平行移动形成所述抛物柱面F，所述准线F是由以下方程构成的抛物线：

y_c＝a₄+b₄z_c ²；

上面各式中：

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；

D_c为100mm～800mm，L_c为200mm～1000mm；

a₃、b₃、a₄和b₄为参数，a₃为D_c的0.2～0.90倍，a₄为D_c的0.15～0.85倍且a₃>a₄，b₃、b₄由以下公式计算：

式中：e₃、e₄为系数，e₃为0.5～1.5，e₄为0.8～1.8且e₄>e₃。

3.根据权利要求2所述的一种抛物柱面聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述参数a₃为D_c的0.2～0.6倍，a₄为D_c的0.15～0.55倍且a₃>a₄。

4.根据权利要求2所述的一种抛物柱面聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述参数e₃为0.8～1.2，e₄为1.0～1.4且e₄>e₃。

5.根据权利要求2所述的一种抛物柱面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。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的一种抛物柱面聚能压裂增加页岩气采收率的装置，其特征在于，所述参数n＝4，m＝4,D_c＝300mm，L_c＝400mm，a₃＝60mm，a₄＝45mm，e₃＝0.8，e₄＝1.0,L_d＝209.132mm，b₃＝0.0055，b₄＝0.0069。