CN112761588A - 一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法，适用于深部致密页岩储层人为致裂增透促进页岩气抽采。使用射孔枪在水平井井壁聚能射孔形成聚能缝槽，促进甲烷解吸，然后监测甲烷浓度和氧气浓度，待甲烷浓度达到燃爆浓度后，泵注气体助燃剂，气体助燃剂经过助燃剂加速出口与甲烷气体混合均匀，之后通过单片机控制点火头点火对页岩储层进行燃爆压裂，更换燃爆一体化封隔器，重复上述步骤可对页岩储层进行循环燃爆压裂，形成相互连通的甲烷流动立体缝网。该方法可实现甲烷原位燃爆和助燃剂投放的协同控制，达到最佳燃爆压裂效果。同时，甲烷原位燃爆压裂不浪费水资源，不污染环境，经济成本低，安全性好，操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及深部致密页岩气开采技术领域，具体涉及一种适用于深部、致密的页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法。
背景技术
我国经济正在蓬勃飞速的发展，对能源的需求日渐增大，而我国能源结构是“富煤、贫油、少气”，在保证常规能源稳定的情况下，要大力发展新兴能源产业，特别是非常规能源(页岩气、煤层气、可燃冰等)。北美“页岩气革命”的成功，引起了国家对于页岩气开发的广泛兴趣。据自然资源部发布的数据显示，我国全国页岩气有利区的技术可采资源储量21.8万亿立方米，位居世界第一。但是，我国页岩储层地层条件复杂，深部页岩储层普遍具有低渗透、低孔隙、高地应力的特征，使得开采页岩气之前必须对储层进行人为压裂，其中水力压裂技术是使用最普遍的措施，但是其工艺复杂，会消耗大量的水资源，造成水资源污染，还有可能诱发地震灾害等。因此，近年来页岩储层甲烷原位燃爆压裂技术逐渐得到学术界的关注，甲烷原位燃爆压裂不需要消耗大量的水和压裂液，环境污染小，安全、经济和环保优势明显，但是，甲烷原位燃爆与助燃剂投放配合不好会造成甲烷原位燃爆致裂效果不佳的问题。因此，现场亟需一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种操作简便、能降低页岩气开采成本、提高储层致裂效果、保证安全开采的页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法。
技术方案：本发明一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法，包括采用单片机信息接收控制系统、助燃剂输送管路、输送泵，助燃剂槽车、燃爆一体化封隔器、单片机和射孔枪，其特征在于，安全投放协同控制方法包括如下步骤：
a.施工井筒：首先在富含页岩气的致密页岩储层上方地面利用定向钻井机穿透地层施工一进入页岩储层的竖井，然后将定向钻井机钻头转向，在页岩储层中施工一条与竖井连通的水平井，水平井施工完成后退出钻头，在竖井井筒中下入套管并在井筒壁周围注入水泥浆液进行固完井；
b.聚能射孔：在射孔枪的聚能孔中装入射孔弹，然后将射孔枪下放到水平井中，由内而外，对水平井进行聚能射孔，形成多个聚能缝槽，聚能射孔临近竖井之后，聚能射孔完成，取出射孔枪；
c.布置助燃剂投放管路：将从地面的助燃剂槽车经输送泵引出助燃剂输送管下放到水平井中，使助燃剂输送管的端头位于靠近竖井一侧最近的聚能缝槽处；
d.下放燃爆一体化封隔器：在水平井中沿着助燃剂输送管下放燃爆一体化封隔器，使燃爆一体化封隔器的位置停留在助燃剂输送管的端头部位，封堵从页岩储层中解吸出来的甲烷；所述的燃爆一体化封隔器包括内部的单片机、外部的甲烷传感器、点火头和氧气传感器，单片机经信号线分别与甲烷传感器、点火头、氧气传感器和地面信息接收控制系统相连；
e.甲烷原位燃爆与助燃剂投放协同控制：通过单片机接收控制系统实时读取单片机中存储的甲烷传感器和氧气传感器中的示数，根据水平井中甲烷和氧气浓度达标情况，选择直接进行甲烷原位燃爆，或泵送助燃剂使甲烷和氧气浓度达标，再进行甲烷原位燃爆；
f.循环燃爆压裂页岩储层：甲烷原位燃爆产生的高温高压冲击波作用在聚能缝槽尖端弱面，生成二级裂缝，循环燃爆接力式促进裂缝扩展，形成复杂的燃爆裂缝，完成一次燃爆压裂后，将燃爆一体化封隔器从水平井中取出，更换甲烷传感器、点火头和氧气传感器，重复步骤d和e，对页岩储层进行甲烷原位循环燃爆压裂；
步骤e中，若水平井中甲烷和氧气浓度均已达到燃爆浓度，单片机自动控制打开点火头电路开关，并向单片机接收控制系统反馈点火信息，通过单片机控制接收系统来控制点火头点火直接进行甲烷原位燃爆；
若水平井中氧气和甲烷浓度均不足时，待甲烷浓度达到燃爆浓度时，打开输送泵出口的阀门，启动输送泵将助燃剂槽车中的助燃剂经助燃剂输送管泵入到水平井中，继续读取甲烷传感器和氧气传感器的示数，等甲烷和氧气浓度均达到燃爆浓度时，依次关闭输送泵和阀门，单片机自动控制打开点火头的电路开关，并向单片机接收控制系统反馈点火信息，然后使用单片机接收控制系统控制点火头点火完成甲烷原位燃爆压裂；
g.压裂完成后，将助燃剂输送管从井筒中取出，回收再利用。
步骤e中，泵送的助燃剂为高氧含量(>50％)的混合气体。
所述的助燃剂输送管的端头装有单向阀，以保证气体助燃剂单方向流入水平井中，阻止页岩储层中解吸出来的甲烷流入助燃剂输送管内，并阻止甲烷燃爆产生的火花点进入燃助燃剂输送管中。
所述的助燃剂输送管的端部装有两端粗中间细的助燃剂加速出口，通过减小断面面积对气体助燃剂进行加速，使气体助燃剂和甲烷在高速作用下快速均匀混合。
有益效果：为了解决页岩储层甲烷原位燃爆和助燃剂安全投放协同控制的问题，本发明通过甲烷原位燃爆技术来致裂增透，以构建页岩气流通缝网。利用页岩储层甲烷原位燃爆压裂不需要消耗大量的水和压裂液，环境污染小，同时页岩储层原位解吸甲烷，没有地上、地下运输过程，安全、经济和环保优势明显；射孔枪聚能射孔形成聚能导向缝槽促进了甲烷解吸，为燃爆压裂提供了导向作用，能够构建复杂的页岩气流通缝网；通过助燃剂输送管末端的气体加速结构可以使助燃剂与甲烷混合均匀，有利于甲烷的充分燃爆；使用单片机协同监测甲烷浓度和点火控制，可以达到最佳的燃爆效果。此方法操作简单、方便，经济成本低，安全可靠，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法示意图；
图2是本发明的聚能射孔枪结构示意图；
图3是本发明的甲烷传感器、氧气传感器和点火头控制路线图。
图中：1-单片机信息接收控制系统，2-助燃剂输送管路，3-阀门，4-输送泵，5-助燃剂槽车，6-竖井，7-水泥浆液，8-页岩储层，9-水平井，10-燃爆一体化封隔器，11-单片机，12-单向阀，13-助燃剂加速出口，14-甲烷传感器，15-点火头，16-聚能缝槽，17-燃爆裂缝，18-射孔枪，19-聚能孔，20-氧气传感器。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
如图1、图2和图3所示，一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法，包括采用单片机信息接收控制系统1、助燃剂输送管路2、输送泵4，助燃剂槽车5、燃爆一体化封隔器10、单片机11和射孔枪18，具体包括如下步骤：
a.施工井筒：首先在富含页岩气的致密页岩储层8上方地面利用定向钻井机穿透地层施工一进入页岩储层8的竖井6，然后将定向钻井机钻头转向，在页岩储层8中施工一条与竖井6连通的水平井9，水平井9施工完成后退出钻头，在竖井6井筒中下入套管并在井筒壁周围注入水泥浆液7进行固完井；
b.聚能射孔：在射孔枪18的聚能孔19中装入射孔弹，然后将射孔枪18下放到水平井9中，由内而外，对水平井9进行聚能射孔，形成多个聚能缝槽16，聚能射孔临近竖井6之后，聚能射孔完成，取出射孔枪18；
c.布置助燃剂投放管路：将从地面的助燃剂槽车5经输送泵4引出助燃剂输送管2下放到水平井9中，使助燃剂输送管2的端头位于靠近竖井6一侧最近的聚能缝槽16处，泵送的助燃剂为高氧含量(>50％)的混合气体；
d.下放燃爆一体化封隔器：在水平井9中沿着助燃剂输送管2下放燃爆一体化封隔器10，使燃爆一体化封隔器10的位置停留在助燃剂输送管2的端头部位，封堵从页岩储层8中解吸出来的甲烷；所述的燃爆一体化封隔器10包括内部的单片机11、外部的甲烷传感器14、点火头15和氧气传感器20，单片机11经信号线分别与甲烷传感器14、点火头15、氧气传感器20和地面信息接收控制系统1相连；在所述助燃剂输送管2的端头安装有单向阀12，以保证气体助燃剂单方向流入水平井9中，阻止页岩储层8中解吸出来的甲烷流入助燃剂输送管2内，并阻止甲烷燃爆产生的火花点进入燃助燃剂输送管中；助燃剂输送管2的端部装有两端粗中间细的助燃剂加速出口13，通过减小断面面积对气体助燃剂进行加速，使气体助燃剂和甲烷在高速作用下快速均匀混合。
e.甲烷原位燃爆与助燃剂投放协同控制：通过单片机接收控制系统1实时读取单片机11中存储的甲烷传感器14和氧气传感器20中的示数，若水平井9中甲烷和氧气浓度均已达到燃爆浓度，单片机11自动控制打开点火头15电路开关，并向单片机接收控制系统1反馈点火信息，通过单片机控制接收系统1来控制点火头15点火直接进行甲烷原位燃爆。若水平井9中氧气和甲烷浓度均不足时，待甲烷浓度达到燃爆浓度时，打开输送泵4出口的阀门3，启动输送泵4将助燃剂槽车5中的助燃剂经助燃剂输送管2泵入到水平井9中，继续读取甲烷传感器14和氧气传感器20的示数，等甲烷和氧气浓度均达到燃爆浓度时，依次关闭输送泵4和阀门3，单片机11自动控制打开点火头15的电路开关，并向单片机接收控制系统1反馈点火信息，然后使用单片机接收控制系统1控制点火头15点火完成甲烷原位燃爆压裂，形成燃爆压裂裂缝17；
f.循环燃爆压裂页岩储层：一次燃爆压裂后，将燃爆一体化封隔器10从水平井9中取出，更换甲烷传感器14、点火头15和氧气传感器20，重复步骤d和e，对页岩储层8进行甲烷原位循环燃爆压裂；射孔枪18聚能射孔形成聚能缝槽16，甲烷原位燃爆产生的高温高压冲击波作用在聚能缝槽16尖端弱面，生成二级裂缝，循环燃爆接力式促进裂缝扩展，形成复杂的燃爆裂缝17；
g.压裂完成后，将助燃剂输送管2从井筒中取出，回收再利用。
Claims (5)
1.一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法，包括采用单片机信息接收控制系统(1)、助燃剂输送管路(2)、输送泵(4)，助燃剂槽车(5)、燃爆一体化封隔器(10)、单片机(11)和射孔枪(18)，其特征在于，安全投放协同控制方法包括如下步骤：
a.施工井筒：首先在富含页岩气的致密页岩储层(8)上方地面利用定向钻井机穿透地层施工一进入页岩储层(8)的竖井(6)，然后将定向钻井机钻头转向，在页岩储层(8)中施工一条与竖井(6)连通的水平井(9)，水平井(9)施工完成后退出钻头，在竖井(6)井筒中下入套管并在井筒壁周围注入水泥浆液(7)进行固完井；
b.聚能射孔：在射孔枪(18)的聚能孔(19)中装入射孔弹，然后将射孔枪(18)下放到水平井(9)中，由内而外，对水平井(9)进行聚能射孔，形成多个聚能缝槽(16)，聚能射孔临近竖井(6)之后，聚能射孔完成，取出射孔枪(18)；
c.布置助燃剂投放管路：将从地面的助燃剂槽车(5)经输送泵(4)引出助燃剂输送管(2)下放到水平井(9)中，使助燃剂输送管(2)的端头位于靠近竖井(6)一侧最近的聚能缝槽(16)处；
d.下放燃爆一体化封隔器：在水平井(9)中沿着助燃剂输送管(2)下放燃爆一体化封隔器(10)，使燃爆一体化封隔器(10)的位置停留在助燃剂输送管(2)的端头部位，封堵从页岩储层(8)中解吸出来的甲烷；所述的燃爆一体化封隔器(10)包括内部的单片机(11)、外部的甲烷传感器(14)、点火头(15)和氧气传感器(20)，单片机(11)经信号线分别与甲烷传感器(14)、点火头(15)、氧气传感器(20)和地面信息接收控制系统(1)相连；
e.甲烷原位燃爆与助燃剂投放协同控制：通过单片机接收控制系统(1)实时读取单片机(11)中存储的甲烷传感器(14)和氧气传感器(20)中的示数，根据水平井(9)中甲烷和氧气浓度达标情况，选择直接进行甲烷原位燃爆，或泵送助燃剂使甲烷和氧气浓度达标，再进行甲烷原位燃爆；
f.循环燃爆压裂页岩储层：甲烷原位燃爆产生的高温高压冲击波作用在聚能缝槽(16)尖端弱面，生成二级裂缝，循环燃爆接力式促进裂缝扩展，形成复杂的燃爆裂缝(17)，完成一次燃爆压裂后，将燃爆一体化封隔器(10)从水平井(9)中取出，更换甲烷传感器(14)、点火头(15)和氧气传感器(20)，重复步骤d和e，对页岩储层(8)进行甲烷原位循环燃爆压裂；
g.压裂完成后，将助燃剂输送管(2)从井筒中取出，回收再利用。
2.根据权利要求1所述的一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法，其特征在于：步骤e中，若水平井(9)中甲烷和氧气浓度均已达到燃爆浓度，单片机(11) 自动控制打开点火头(15)电路开关，并向单片机接收控制系统(1)反馈点火信息，通过单片机控制接收系统(1)来控制点火头(15)点火直接进行甲烷原位燃爆；
若水平井(9)中氧气和甲烷浓度均不足时，待甲烷浓度达到燃爆浓度时，打开输送泵(4)出口的阀门(3)，启动输送泵(4)将助燃剂槽车(5)中的助燃剂经助燃剂输送管(2)泵入到水平井(9)中，继续读取甲烷传感器(14)和氧气传感器(20)的示数，等甲烷和氧气浓度均达到燃爆浓度时，依次关闭输送泵(4)和阀门(3)，单片机(11)自动控制打开点火头(15)的电路开关，并向单片机接收控制系统(1)反馈点火信息，然后使用单片机接收控制系统(1)控制点火头(15)点火完成甲烷原位燃爆压裂。
3.根据权利要求1所述的一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法，其特征在于：步骤e中，泵送的助燃剂为高氧含量(>50％)的混合气体。
4.根据权利要求1所述的一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法，其特征在于：所述的助燃剂输送管(2)的端头装有单向阀(12)，以保证气体助燃剂单方向流入水平井(9)中，阻止页岩储层(8)中解吸出来的甲烷流入助燃剂输送管(2)内，并阻止甲烷燃爆产生的火花点进入燃助燃剂输送管中。
5.根据权利要求1所述的一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂与助燃剂安全投放协同控制方法，其特征在于：所述的助燃剂输送管(2)的端部装有两端粗中间细的助燃剂加速出口(13)，通过减小断面面积对气体助燃剂进行加速，使气体助燃剂和甲烷在高速作用下快速均匀混合。
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