井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置及其方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開的井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置及其方法屬油、氣井壓裂完井技術領域，具體涉及裝置和方法兩個技術方案，所述方法是采用井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置對井下地層進行壓裂的方法，所述裝置在各級的智能壓力編碼起爆器控制下，依據設定的工作模式逐級適時起爆產生大量高壓氣體，在井內或地層的孔眼內形成動態高壓脈沖壓力，使地層開裂形成多條裂縫，地層的流體增加滲透性容易被開采；該裝置和方法的優點有：能夠產生可適時控制的周期多壓力脈沖，使地層承受壓縮—膨脹—壓縮交變“共振”，促使裂隙有效延伸，形成新的裂隙網，提高地層滲透性；壓裂過程對地層與環境無污染，該方法還適用于水敏、酸敏地層；施工周期短、成本低、設備簡便，不受地形與水源的限制。

【技術實現步驟摘要】
井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置及其方法
本專利技術公開的井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置及其方法屬油、氣井壓裂完井
，具體涉及的是一種井下地層壓裂開發的增產技術，特別涉及煤層氣井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置和井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層的方法兩個技術方案。
技術介紹
煤層氣是煤層本身自生自儲式的非常規天然氣，我國煤層氣資源豐富，居世界第三位。煤層氣不僅是一種新型的清潔能源，它的開發還有利于解除煤礦瓦斯災害隱患、保護大氣環境等。煤層氣在煤層中主要為吸附狀態，其開采必須經歷解吸過程并通過擴散和滲流后才能由井筒產出。現在應用較多的技術是“垂直井——射孔完井——壓裂加砂——抽排降液——解吸氣體”的施工工藝流程。我國煤層氣儲層由于成煤期后構造破壞強烈，構造煤發育，因此大多屬于低滲透、強吸附煤儲層，致使煤層氣開采難以實施。鑒于我國煤氣層的不利地質特性，煤層氣增產的關鍵是對儲層進行改造以提高煤層氣的滲透性。目前國內煤層氣井地面開采借鑒和移植了石油、天然氣井開采的成熟技術和工藝，如水力加砂壓裂技術、泡沫壓裂技術、液態氣體壓裂技術、高能氣體壓裂技術等。但是由于煤氣層的力學性質和地質參數的特殊性，與石油、天然氣的砂巖存在巨大差異，導致實際施工效果不理想。這些技術主要優缺點分別是，水力加砂壓裂規模大，能形成大范圍的裂縫，但是會傷害儲層，壓裂液返排時間長，壓裂液內的化學添加劑會污染地層，產氣效果不穩定；泡沫壓裂對煤層的傷害相對小一些，但是攜砂能力弱，成本高；采用液態CO2或N2對煤層進行壓裂往往與其它壓裂技術配合使用，但是施工難度高，費用非常昂貴，對煤層氣井的產出收益來講無法承受；高能氣體壓裂技術施工簡便，成本低，增產效果明顯，但是規模相對比較小，產量衰減快。水力壓裂是目前較常用的煤層氣改造措施，由于其壓力上升緩慢，產生和形成裂縫受到地層主應力控制，一般只能形成一條雙翼型主裂縫。但離主裂縫較遠的煤氣層難以再產生裂縫，煤氣層的滲透性和孔隙度沒有得到改善，煤層氣也難以解吸出來，所以有些井水力壓裂后衰減較快，重復壓裂改造也難以改變。開采煤層氣的關鍵是提高煤氣層的滲透性和壓裂的規模，使煤層原有的微裂隙與壓裂的人工裂縫相溝通，創造有利于煤層氣解吸和運移的條件。針對現有壓裂技術的不足，本專利技術提出了利用含能材料燃燒驅動高壓氣體產生超臨界高能流體，并采用智能控制起爆技術產生與煤層動態破裂特性相匹配的脈動壓力，提升壓裂效果和規模。本專利技術所公布的壓裂裝置和方法克服了水力壓裂壓力上升時間慢，流量受限，濾失嚴重，易傷害儲層等問題，同時也解決了高能氣體壓裂規模小的不足，并能夠適時控制脈沖的壓力值和周期，使煤層承受壓縮—膨脹—壓縮交變“共振”應力作用，產生一定的放大效應，促使裂隙有效延伸，形成新的裂隙網。本專利技術的壓裂介質是高能氣體，在壓裂過程中不會對地層的滲透性等形成傷害。本專利技術產生高能氣體的生成速度快，能量集中，壓裂過程能量損失小。氣體的升壓速度快，氣體壓裂介質流動性比液體好，可以在地層中形成不受地應力控制的多條裂縫，從而溝通更大的體積。采用井下多級起爆控制技術，使能量的釋放可控，產生多級強壓力脈沖，更加適應不同地質條件地層的壓裂特性。本專利技術能夠實時感受爆炸過程的壓力變化，實現了壓裂過程的實時控制、智能化和安全性，能夠根據地層的實際反應優化壓裂過程，提高壓裂效果。本專利技術與水力壓裂的機理不同，可用于廢井、老井的重新壓裂，使其形成新的裂縫恢復生產。某些新井由于地形、水源、交通等限制不便于實施大規模水力壓裂，本技術可以作為一項簡便的替代性壓裂技術。
技術實現思路
本專利技術的目的是：向社會提供這種井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置及其方法兩個技術方案。本專利技術提出了利用含能材料燃燒驅動高壓氣體產生超臨界高能流體，并采用智能控制起爆技術產生與煤層動態破裂特性相匹配的脈動壓力，提升壓裂效果和規模。本技術與水力壓裂的機理不同，可用于廢井、老井的重新壓裂，使其形成新的裂縫恢復生產；對于某些新井由于地形、水源、交通等限制不便于實施大規模水力壓裂，可以采用本技術作為一項簡便的替代性壓裂技術。本專利技術的兩個技術方案于下：關于裝置的技術方案是這樣的：這種井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置，每級包括有：智能壓力編碼起爆器、點火雷管、導爆索、含能材料、壓裂裝藥機械外筒、承壓破膜組件、氣體混合篩管組件、高壓氣體、高壓氣體機械外筒、注泄氣組件、泄壓篩筒、泄壓堵片、下堵頭，以及該裝置的軟件系統。技術特點在于：所述的該裝置是采用多級智能高壓氣體脈沖壓裂器串接組合成井下地層進行壓裂的裝置，該裝置的多級智能高壓氣體脈沖壓裂器在各自的智能壓力編碼起爆器控制下，依據設定的工作模式逐級適時起爆產生大量高壓氣體，在井內或地層的孔眼內形成一個動態高壓脈沖壓力源，在這種動態高壓脈沖壓力的作用下，地層開裂形成多條裂縫，增加地層的滲透性，使地層內的資源更容易被開采。所述的多級智能高壓氣體脈沖壓裂器可以根據壓裂地層工程的實際需要選擇合適的級數并組裝。根據以上所述的井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置，技術特點還有：所述的該裝置要進行：a.編程設定：井下多級智能壓力編碼起爆器編程設定。所述的編程是通過上位PC機專用軟件程序編程。b.組裝與聯調:多級高壓氣體脈沖壓裂地層裝置在地面組裝，組裝后進行裝置聯調以備用。根據以上所述的井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置，技術特點還有：a.所述該井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置的多級智能壓力編碼起爆器開始起爆之前，含能材料、高壓氣體兩種能量源處于不同的容器中被隔離放置，含能材料存放在壓裂裝藥機械外筒中，高壓氣體存放在高壓氣體機械外筒中，壓裂裝藥機械外筒和高壓氣體機械外筒之間由承壓破膜組件隔離，高壓氣體機械外筒的另一端安裝有另外一套壓力破膜，含能材料選擇固體火藥或液體火藥、或其他含能材料，所述的其他含能材料如固體火箭推進劑、炸藥、煙火劑、發射藥等。高壓氣體選擇CO2、或N2、或其他氣體。所述的其他氣體如CO2與N2的混合氣體等。b.所述的該裝置的壓裂裝藥機械外筒中的含能材料被點燃后產生大量高溫高壓氣體，隨著燃燒的持續該高溫高壓氣體產生的壓力值超過壓裂裝藥機械外筒和高壓氣體機械外筒之間破膜片的壓力閾值，該高溫高壓氣體沖破破膜片進入高壓氣體機械外筒中，高溫高壓氣體與高壓氣體機械外筒中的高壓氣體混合以后，沖破高壓氣體機械外筒另一端的另外一套壓力破膜，進而推開泄壓篩筒上的泄壓堵片，高溫高壓氣體進入井內開始壓裂地層。所述的含能材料容器（即壓裂裝藥機械外筒）、高壓氣體容器（即高壓氣體機械外筒）的容積大小的選擇，所述的含能材料、高壓氣體品種及其數量的選擇，還有各級破膜片、泄壓堵片以及它們的壓力閾值的選擇，都有相互關聯關系，應當進行系統的計算和設計。根據以上所述的井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置，技術特點還有所述的該裝置起爆由多級智能壓力編碼起爆器根據測試到的井內動態壓力的變化，選擇合適的時機開始起爆，該時機通過對智能壓力編碼起爆器編程進行設置或調節，編程設置選擇預先設置，編程調節選擇在前一級智能壓力編碼起爆器產生壓力脈沖的下降沿開始起爆，或根據實時采集到的起爆壓力信號使本級智能高壓氣體脈沖壓裂器起爆。所述的對智能壓力編碼起爆器編程進行設置或調節，選擇本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置，每級包括有：智能壓力編碼起爆器、點火雷管、導爆索、含能材料、壓裂裝藥機械外筒、承壓破膜組件、氣體混合篩管組件、高壓氣體、高壓氣體機械外筒、注泄氣組件、泄壓篩筒、泄壓堵片、下堵頭，以及該裝置的軟件系統，特征在于：所述的該裝置是采用多級智能高壓氣體脈沖壓裂器串接組合成井下地層進行壓裂的裝置，該裝置的多級智能高壓氣體脈沖壓裂器在各自的智能壓力編碼起爆器控制下，依據設定的工作模式逐級適時起爆產生大量高壓氣體，在井內或地層的孔眼內形成一個動態高壓脈沖壓力源，在這種動態高壓脈沖壓力的作用下，地層開裂形成多條裂縫，增加地層的滲透性，使地層內的資源更容易被開采。

【技術特征摘要】
1.一種井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置，每級包括有：智能壓力編碼起爆器、點火雷管、導爆索、含能材料、壓裂裝藥機械外筒、承壓破膜組件、氣體混合篩管組件、高壓氣體、高壓氣體機械外筒、注泄氣組件、泄壓篩筒、泄壓堵片、下堵頭，以及該裝置的軟件系統，特征在于：所述的裝置是采用多級智能高壓氣體脈沖壓裂器串接組合成井下地層進行壓裂的裝置，該裝置的多級智能高壓氣體脈沖壓裂器在各自的智能壓力編碼起爆器控制下，依據設定的工作模式逐級適時起爆產生大量高壓氣體，在井內或地層的孔眼內形成一個動態高壓脈沖壓力源，在這種動態高壓脈沖壓力的作用下，地層開裂形成多條裂縫，增加地層的滲透性，使地層內的資源更容易被開采；所述的裝置進行：a.編程設定：多級智能壓力編碼起爆器編程設定；b.組裝與聯調:井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置在地面組裝，組裝后進行裝置聯調以備用；所述的井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置還有：c.所述的井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置中的多級智能壓力編碼起爆器發出起爆命令之前，含能材料、高壓氣體兩種能量源處于不同的容器中被隔離放置，含能材料存放在壓裂裝藥機械外筒中，高壓氣體存放在高壓氣體機械外筒中，壓裂裝藥機械外筒和高壓氣體機械外筒之間由承壓破膜組件隔離，高壓氣體機械外筒的另一端安裝有另外一套壓力破膜，含能材料選擇固體火藥或液體火藥、或其他含能材料，高壓氣體選擇CO2、或N2、或其他氣體；d.所述的裝置的壓裂裝藥機械外筒中的含能材料被點燃后產生大量高溫高壓氣體，隨著燃燒的持續該高溫高壓氣體產生的壓力值超過壓裂裝藥機械外筒和高壓氣體機械外筒之間的破膜片的壓力閾值，該高溫高壓氣體沖破破膜片進入高壓氣體機械外筒內，高溫高壓氣體與高壓氣體機械外筒中的高壓氣體混合以后成為混合高溫高壓氣體，沖破高壓氣體機械外筒另一端的另外一套壓力破膜，進而推開泄壓篩筒上的泄壓堵片，混合高溫高壓氣體進入井內開始壓裂地層；所述的裝置起爆由多級智能壓力編碼起爆器根據測試到的井內動態壓力的變化，選擇合適的時機開始起爆，該時機通過對智能壓力編碼起爆器編程進行設置或調節，編程設置選擇預先設置，編程調節選擇在前一級智能壓力編碼起爆器產生壓力脈沖的下降沿開始起爆，或根據實時采集到的起爆壓力信號特征使本級智能高壓氣體脈沖壓裂器起爆。2.根據權利要求1所述的井下多級智能高壓氣體脈沖壓裂地層裝置，特征在于：a.所述的智能壓力編碼起爆器具有高速采樣和低速采樣不同的工作狀態，選擇根據井內壓力信號的特征改變自身的采樣率；b.所述的智能高壓氣體脈沖壓裂器選擇多級級聯使用；c.所述的多級智能高壓氣體脈沖壓裂器在井下環空產生的動態高壓脈沖壓力是...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬鐵華，崔春生，裴東興，范錦彪，祖靜，李新娥，姚舜才，張紅艷，梁志劍，陳昌鑫，肖文聰，徐鵬，靳鴻，沈大偉，張瑜，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：山西;14