CN113738327B

CN113738327B - 一种等离子体定向致裂页岩的装置和方法

Info

Publication number: CN113738327B
Application number: CN202110857146.8A
Authority: CN
Inventors: 张祥良; 刘厅; 林柏泉; 申建
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2041-07-28
Also published as: CN113738327A

Abstract

本发明公开了一种等离子体定向致裂页岩的装置和方法，包括聚能射孔装置、纳米导电粉末输送装置、等离子体放电装置。聚能射孔装置包括高压流体泵站、射流液输送管、射孔器，聚能射孔装置可在页岩储层内部构筑定向缝槽。纳米导电粉末输送装置包括用于将纳米导电粉末和氧化剂粉末喷在定向缝槽表面的输送风机、纳米导电粉末输送管和输送喷口。等离子体放电装置用于对定向缝槽重复多次放电，包括有高压线缆、金属丝驱动器、根金属丝、等离子体发生器、高压放电开关、正电极、负电极。本装置通过纳米级别的导电粉末诱导等离子体放电，对煤岩体进行定向致裂，为页岩气的开发提供有效手段。

Description

一种等离子体定向致裂页岩的装置和方法

技术领域

本发明涉及页岩储层的定向致裂领域，具体地说是一种等离子体定向致裂页岩的装置和方法。

背景技术

我国页岩储层具有较大的埋深、较高的温度、较高的压力以及极低的气体渗透性等特点，这对于页岩气的开发造成了极大的困难，因此，为实现页岩气资源的商业化开采必须对原始储层的渗透性进行人工改造，在原始储层内部形成相互连通的裂隙，从而达到页岩气的量产。

目前，常用的页岩储层增透措施以水力压裂为主，大量学者对相关技术进行了研究并且取得了较好的现场应用效果，但是水力压裂技术应用过程中还存在以下几个问题：

1.压裂过程中受到页岩储层非均质性的影响，水无法实现对页岩的均匀作用，导致裂隙在页岩内部的延伸与扩展难以控制，同时也会对上覆岩层及下覆岩层赋存情况造成一定的破坏。

2.压裂过程中需要大量的清水资源，大量的水资源残留在页岩内部时会造成水锁现象，同时也会造成水资源的浪费。

因此，急需一种等离子体定向致裂页岩的装置和方法，来克服现有页岩储层致裂方法中存在的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种等离子体定向致裂页岩的装置和方法，该方法通过纳米级别的导电粉末诱导等离子体放电，对煤岩体进行定向致裂，为页岩气的开发提供有效手段。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，包括聚能射孔装置、纳米导电粉末输送装置、等离子体放电装置。

所述聚能射孔装置包括高压流体泵站、射流液输送管、射孔器。

所述高压流体泵站与射流液输送管的一端相连，射流液输送管的另一端伸入页岩储层内，并且此端设置有射孔器；

页岩储层内部在所述聚能射孔装置的作用下，构筑有若干个定向缝槽。

所述射流液输送管上设置有用于控制聚能射孔装置启闭的高压阀门。

所述纳米导电粉末输送装置包括输送风机、纳米导电粉末输送管、输送喷口。

所述输送风机出风口与纳米导电粉末输送管一端相连，纳米导电粉末输送管另一端设置有输送喷口；所述输送喷口在输送风机的驱动下，通过纳米导电粉末输送管，将纳米导电粉末和氧化剂粉末喷在定向缝槽表面。

所述等离子体放电装置包括高压线缆、金属丝驱动器和若干根金属丝。

每根所述金属丝一端固定在高压线缆上，另一端在金属丝驱动器的驱动下，伸入页岩储层内的定向缝槽中。

所述等离子体放电装置还包括等离子体发生器、高压放电开关、正电极、负电极。

所述正电极和负电极均布设在高压线缆上。

所述等离子体发生器一端与正电极相连，另一端与负电极相连。

所述等离子体发生器与正电极之间还设置有用于控制等离子体发生器启停的高压放电开关。

作为本发明的进一步优选，所述聚能射孔装置还包括压力表，压力表设置在射流液输送管上。

作为本发明的进一步优选，所述高压线缆外周套设有线缆保护套管；线缆保护套管上设置有与定向缝槽数目相同的若干个金属丝预留孔。

作为本发明的进一步优选，若干个所述金属丝预留孔全部布设在正电极与负电极布之间的高压线缆的线缆保护套管上。

作为本发明的进一步优选，两个相邻金属丝预留孔之间的距离与两个相邻定向缝槽之间的距离大小相等。

作为本发明的进一步优选，所述定向缝槽呈以高压线缆为中心的圆环状，定向缝槽的厚度由中心位置向边缘位置逐渐减小。

作为本发明的进一步优选，所述金属丝一端固定在高压线缆上，另一端在金属丝驱动器的驱动下，穿过布设在线缆保护套管上的金属丝预留孔，伸入页岩储层内的定向缝槽中。

作为本发明的进一步优选，每个所述金属丝预留孔内穿设有两根金属丝；所述定向缝槽以高压线缆所在水平面为分界，划分为水平面之上部分和水平面之下部分，两根金属丝分别伸入定向缝槽的水平面之上部分和水平面之下部分。

作为本发明的进一步优选，所述的金属丝直径范围为0.1-0.5 mm。

一种等离子体定向致裂页岩的方法，包括以下步骤：

S1、在已探测出的富含页岩气储层的岩层中施工并构筑钻井；

S2、将聚能射孔装置中的射流液输送管通过钻井送入页岩储层内，然后启动高压流体泵站，开启高压阀门，驱动射孔器在页岩储层内部构筑若干个定向缝槽，完成后将射流液输送管和射孔器撤出钻井；

S3、将纳米导电粉末输送装置中的纳米导电粉末输送管通过钻井送入页岩储层内，输送喷口在输送风机的驱动下，通过纳米导电粉末输送管，将纳米导电粉末和氧化剂粉末喷在定向缝槽表面，完成后将纳米导电粉末输送管撤出钻井；

S4、将等离子体放电装置中的高压线缆通过钻井送入页岩储层内，调整高压线缆位置，使金属丝预留孔与定向缝槽的中心位于同一竖直平面内，若干个金属丝预留孔与若干个定向缝槽一一对应；每根所述金属丝一端固定在高压线缆上，另一端在金属丝驱动器的驱动下，穿过布设在线缆保护套管上的金属丝预留孔，伸入页岩储层内的定向缝槽中；同时，保证所有的金属丝和定向缝槽的布设位置处于正电极和负电极之间；

S5、开启等离子体发生器，合闸高压放电开关，引爆金属丝，对定向缝槽内的金属粉末和氧化剂放电；

S6、单次放电完成后，将高压线缆撤出钻井，重新安装金属丝后，重复步骤S4，对定向缝槽重复多次放电，从而实现页岩储层的定向致裂。

本发明具有如下有益效果：

1. 本发明通过射孔器在页岩储层内部形成定向缝槽，再利用纳米级导电金属粉末喷涂在缝槽上，在助燃剂和导电粉末的作用下诱导等离子体放电通道对缝槽进行定向致裂，在放电的过程中使裂隙沿着缝槽的方向进一步扩展，从而实现页岩储层的定向致裂与增渗。

2. 本发明使用等离子体致裂增渗，不需使用大量的清水压裂定向缝槽，避免了大量的水资源残留在页岩内部时形成的水锁现象，节省水资源的同时，安全可靠。

3. 本发明一方面可以诱导等离子体对页岩储层进行定向致裂增渗，另一方面纳米级别的金属粉末与氧化剂混合后可以增加等离子体放电过程中产生的冲击波强度，提高定向致裂增渗的效率。

4.本方法操作简单，安全可靠，能够有效的解决深部致密页岩储层的致裂增渗问题，在本技术领域内具有广泛的实用价值。

附图说明

图1是本发明一种等离子体定向致裂页岩的装置的聚能射孔装置示意图。

图2是本发明一种等离子体定向致裂页岩的装置的纳米导电粉末输送装置示意图。

图3是本发明一种等离子体定向致裂页岩的装置的等离子体放电装置示意图。

其中有：

10.聚能射孔装置；11.高压流体泵站；12.射流液输送管；13.射孔器；14.高压阀门；15.压力表；

20.纳米导电粉末输送装置；21.输送风机；22.纳米导电粉末输送管；23.输送喷口；

30.等离子体放电装置；31.高压线缆；32.线缆保护套管；33.金属丝驱动器；34.若干根金属丝；35.金属丝预留孔；36.离子体发生器；37.正电极；38.负电极；39.高压放电开关；

40.定向缝槽。

具体实施方式

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

下面结合附图和和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，包括聚能射孔装置10、纳米导电粉末输送装置20、等离子体放电装置30。

如图1所示，所述聚能射孔装置10包括高压流体泵站11、射流液输送管12和射孔器13。

所述高压流体泵站11与射流液输送管12的一端相连，射流液输送管12的另一端伸入页岩储层内，并且此端端部设置有射孔器13。

所述射流液输送管12上靠近高压流体泵站11一侧还设置有高压阀门14，用于控制聚能射孔装置10的启动和停止。

所述聚能射孔装置10还包括压力表15，压力表15设置在射流液输送管12上，用于监视射流液输送管12的管道压力，保证聚能射孔装置10一直处于工作压力下。

开启高压阀门14后，射孔器13在高压流体泵站11的驱动下，通过射流液输送管12输送的高压流体，在页岩储层内部构筑若干个定向缝槽40。

所述定向缝槽40呈以高压线缆为中心的圆环状，定向缝槽40的厚度由中心位置向边缘位置逐渐减小。

定向缝槽40可发挥后续在放电的过程中的定位作用，使裂隙沿着定向缝槽40的方向进一步扩展，从而实现页岩储层的定向致裂与增渗。

如图2所示，所述纳米导电粉末输送装置20包括输送风机21、纳米导电粉末输送管22和输送喷口23。

所述输送风机21出风口与纳米导电粉末输送管22一端相连，纳米导电粉末输送管22另一端设置有输送喷口23。

所述输送喷口23在输送风机21的驱动下，通过纳米导电粉末输送管22，将纳米导电粉末和氧化剂粉末喷在定向缝槽40表面。

纳米级别的金属粉末与氧化剂混合后可以增加等离子体放电过程中产生的冲击波强度，提高定向致裂增渗的效率。

如图3所示，所述等离子体放电装置30包括高压线缆31、线缆保护套管32、金属丝驱动器33、若干根金属丝34、金属丝预留孔35、离子体发生器36、正电极37、负电极38和高压放电开关39。

所述正电极37和负电极38均布设在高压线缆31上；所述等离子体发生器36正极端与正电极37相连，等离子体发生器36负极端与负电极38相连。

所述高压放电开关39设置在等离子体发生器36与正电极37之间，用于控制等离子体发生器36的启动和停止。

所述高压线缆31外周套设有线缆保护套管32；线缆保护套管32上设置有与定向缝槽40数目相同的若干个金属丝预留孔35，若干个所述金属丝预留孔35全部布设在正电极37与负电极38之间的线缆保护套管32上，两个相邻金属丝预留孔35之间的距离与两个相邻定向缝槽40之间的距离大小相等。

所述金属丝34一端固定在高压线缆31上，另一端在金属丝驱动器33的驱动下，穿过布设在线缆保护套管32上的金属丝预留孔35，伸入页岩储层内的定向缝槽40中。

每个所述金属丝预留孔35内穿设有两根金属丝34；所述定向缝槽40以高压线缆31所在水平面为分界，划分为水平面之上部分和水平面之下部分，两根金属丝34分别伸入定向缝槽40的水平面之上部分和水平面之下部分。

所述金属丝34直径范围为0.1-0.5 mm。

一种等离子体定向致裂页岩的方法，包括以下步骤：

S2、将聚能射孔装置10中的射流液输送管12通过钻井送入页岩储层内，然后启动高压流体泵站11，开启高压阀门14，驱动射孔器13在页岩储层内部构筑若干个定向缝槽40，完成后将射流液输送管12和射孔器13撤出钻井；

S3、将纳米导电粉末输送装置20中的纳米导电粉末输送管22通过钻井送入页岩储层内，输送喷口23在输送风机21的驱动下，通过纳米导电粉末输送管22，将纳米导电粉末和氧化剂粉末喷在定向缝槽40表面，完成后将纳米导电粉末输送管22撤出钻井；

S4、将等离子体放电装置30中的高压线缆31通过钻井送入页岩储层内，调整高压线缆31位置，使金属丝预留孔35与定向缝槽40的中心位于同一竖直平面内，若干个金属丝预留孔35与若干个定向缝槽40一一对应；每根所述金属丝34一端固定在高压线缆31上，另一端在金属丝驱动器33的驱动下，穿过布设在线缆保护套管32上的金属丝预留孔35，伸入页岩储层内的定向缝槽40中；同时，保证所有的金属丝34和定向缝槽40的布设位置处于正电极37和负电极38之间；

S5、开启等离子体发生器36，合闸高压放电开关39，引爆金属丝34，对定向缝槽40内的金属粉末和氧化剂放电；

S6、单次放电完成后，将高压线缆31撤出钻井，重新安装金属丝34后，重复步骤S4，对定向缝槽40重复多次放电，从而实现页岩储层的定向致裂。

本方法操作简单，安全可靠，能够有效的解决深部致密页岩储层的致裂增渗问题，在本技术领域内具有广泛的实用价值。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，其特征在于：包括聚能射孔装置（10）、纳米导电粉末输送装置（20）、等离子体放电装置（30）；

所述聚能射孔装置（10）包括高压流体泵站（11）、射流液输送管（12）和射孔器（13）；

所述高压流体泵站（11）与射流液输送管（12）的一端相连，射流液输送管（12）的另一端伸入页岩储层内，并且此端端部设置有射孔器（13）；

所述射流液输送管（12）上设置有用于控制聚能射孔装置（10）启闭的高压阀门（14）；

页岩储层内部在所述聚能射孔装置（10）的作用下，构筑有若干个定向缝槽（40）；

所述纳米导电粉末输送装置（20）包括输送风机（21）、纳米导电粉末输送管（22）和输送喷口（23）；

所述输送风机（21）出风口与纳米导电粉末输送管（22）一端相连，纳米导电粉末输送管（22）另一端设置有输送喷口（23）；所述输送喷口（23）在输送风机（21）的驱动下，通过纳米导电粉末输送管（22），将纳米导电粉末和氧化剂粉末喷在定向缝槽（40）表面；

所述等离子体放电装置（30）包括高压线缆（31）、金属丝驱动器（33）、若干根金属丝（34）；

每根所述金属丝（34）一端固定在高压线缆（31）上，另一端在金属丝驱动器（33）的驱动下，伸入页岩储层内的定向缝槽（40）中；

所述等离子体放电装置（30）还包括等离子体发生器（36）、正电极（37）、负电极（38）和高压放电开关（39）；

所述正电极（37）和负电极（38）均布设在高压线缆（31）上；

所述等离子体发生器（36）正极端与正电极（37）相连，等离子体发生器（36）负极端与负电极（38）相连；

所述等离子体发生器（36）与正电极（37）之间还设置有用于控制等离子体发生器（36）启停的高压放电开关（39）。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，其特征在于：所述聚能射孔装置（10）还包括压力表（15），压力表（15）设置在射流液输送管（12）上。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，其特征在于：所述高压线缆（31）外周套设有线缆保护套管（32）；线缆保护套管（32）上设置有与定向缝槽（40）数目相同的若干个金属丝预留孔（35）。

4.根据权利要求3所述的一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，其特征在于：若干个所述金属丝预留孔（35）全部布设在正电极（37）与负电极（38）之间的线缆保护套管（32）上。

5.根据权利要求3所述的一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，其特征在于：两个相邻金属丝预留孔（35）之间的距离与两个相邻定向缝槽（40）之间的距离大小相等。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，其特征在于：所述定向缝槽（40）呈以高压线缆为中心的圆环状，定向缝槽（40）的厚度由中心位置向边缘位置逐渐减小。

7.根据权利要求3所述的一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，其特征在于：所述金属丝（34）一端固定在高压线缆（31）上，另一端在金属丝驱动器（33）的驱动下，穿过布设在线缆保护套管（32）上的金属丝预留孔（35），伸入页岩储层内的定向缝槽（40）中。

8.根据权利要求7所述的一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，其特征在于：每个所述金属丝预留孔（35）内穿设有两根金属丝（34）；所述定向缝槽（40）以高压线缆（31）所在水平面为分界，划分为水平面之上部分和水平面之下部分，两根金属丝（34）分别伸入定向缝槽（40）的水平面之上部分和水平面之下部分。

9.根据权利要求1所述的一种等离子体定向致裂页岩储层的装置，其特征在于：所述金属丝（34）直径范围为0.1-0.5 mm。

10.基于权利要求4或5或8任一所述的一种等离子体定向致裂页岩的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S2、将聚能射孔装置（10）中的射流液输送管（12）通过钻井送入页岩储层内，然后启动高压流体泵站（11），开启高压阀门（14），驱动射孔器（13）在页岩储层内部构筑若干个定向缝槽（40），完成后将射流液输送管（12）和射孔器（13）撤出钻井；

S3、将纳米导电粉末输送装置（20）中的纳米导电粉末输送管（22）通过钻井送入页岩储层内，输送喷口（23）在输送风机（21）的驱动下，通过纳米导电粉末输送管（22），将纳米导电粉末和氧化剂粉末喷在定向缝槽（40）表面，完成后将纳米导电粉末输送管（22）撤出钻井；

S4、将等离子体放电装置（30）中的高压线缆（31）通过钻井送入页岩储层内，调整高压线缆（31）位置，使金属丝预留孔（35）与定向缝槽（40）的中心位于同一竖直平面内，若干个金属丝预留孔（35）与若干个定向缝槽（40）一一对应；每根所述金属丝（34）一端固定在高压线缆（31）上，另一端在金属丝驱动器（33）的驱动下，穿过布设在线缆保护套管（32）上的金属丝预留孔（35），伸入页岩储层内的定向缝槽（40）中；同时，保证所有的金属丝（34）和定向缝槽（40）的布设位置处于正电极（37）和负电极（38）之间；

S5、开启等离子体发生器（36），合闸高压放电开关（39），引爆金属丝（34），对定向缝槽（40）内的金属粉末和氧化剂放电；

S6、单次放电完成后，将高压线缆（31）撤出钻井，重新安装金属丝（34）后，重复步骤S4，对定向缝槽（40）重复多次放电，从而实现页岩储层的定向致裂。