CN106164413A - 利用等离子体反应冲击波的压裂装置及其页岩气萃取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，其包括：划分单元，其为了萃取页岩气而对气井的井管中设置在页岩层的、具有多个贯通孔的一部分进行密闭以划分反应空间，以便在反应空间内部收容反应介质；以及探针，其用于对在所述反应空间内部所收容的反应介质施加能量，以使所述反应介质由于对所述反应介质所施加的能量而通过等离子体反应来产生冲击波并传播至所述页岩层。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用等离子体反应的冲击波的压裂装置及使用该装置的页岩气萃取方法，其中，该压裂装置利用由反应介质的等离子体反应产生的冲击波使页岩层压裂的等离子体反应中产生的冲击波。
背景技术
页岩气(shale gas)是存在于作为堆积岩的页岩层中的天然气的一种，作为以往的天然资源的石油及天然气等存在于具有孔隙率(porosity)和渗透性(permeability)的砂岩、石灰岩、白云岩等的储集岩中，而且聚集在特定区域，然而，页岩气沿着具有非常小的孔隙率和渗透性的页岩层以水平方向广阔分布，因此，页岩气是一种具有水平钻探对其比较有效的特征的天然资源。
用于萃取这样的页岩气的代表性方法是，利用流体的压力在页岩层形成龟裂的压裂(Fracturing)工程。
尤其，将混合有苯等化学物质、水、沙子的高压的流体注入油井及气井，用水压在页岩层形成龟裂的方法被称为液压破碎(Hydraulic fracturing)或压裂(fracking)。
但是以往的液压破碎存在以下问题：由于需要大量的水，因而只有离水源地近才能提高效率，而且还需要用于供应水、处理废水的各种设施的构建所带来的较高的开发费用。
另外，在破碎过程中产生的污染物质导致周边岩石层及地下水的污染。
另一方面，就代替水而使用LPG的压裂工程而言，存在如下问题：由于需要非常大量的LPG，经济方面有效性较低，而且存在由高压状态的LPG的***而引起的大型事故的危险性。
发明内容
技术问题
本发明所要解决的是以往的用于页岩气萃取的压裂(Fracturing)工程所具有的问题，其目的在于，提供一种利用等离子体反应的冲击波的压裂装置及使用该装置的页岩气萃取方法，其由于减少工程中使用的反应介质的量，因此***事故的危险性较低，费用也较低，而且由于不发生环境污染，因而安全。
本发明所要解决的技术问题不仅限于上述的技术问题，本领域普通技术人员通过以下记载的内容能够清楚地理解没有提及到的其他技术问题。
技术方案
为解决上述技术问题而提出的、根据本发明的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置包括：划分单元，其为了萃取页岩气而对气井的井管中设置在页岩层的、具有多个贯通孔的一部分进行密闭以划分反应空间，以便在所述反应空间的内部收容反应介质；探针，其用于对所述反应空间的内部所收容的反应介质施加能量，以使所述反应介质由于对所述反应介质所施加的能量而通过等离子体反应来产生冲击波并传播至所述页岩层。
另外，该装置还包括向所述反应空间内部供应所述反应介质的介质供应部。
另一方面，所述划分单元可以具备用于将所述反应介质注入所述反应空间的内部的介质注入口。
并且，所述反应介质可以包含液化石油气(LPG，liquefied petroleum gas)成分，并具有凝胶(gel)或液化气体的形态。
而且，所述反应介质中可以混合有支撑剂(proppant)。
另外，该装置还可包括用于将所述反应空间的内部的空气向外部排出的空气排出部。
此时，所述划分单元可具备空气吐出口，以允许将存在于所述反应空间的内部的空气向外部排出。
并且，该装置还可包括气体回收部，其用于对在页岩层的压裂后通过所述贯通孔流入所述反应空间的内部的所述页岩气进行回收。
此时，所述划分单元可以具备气体萃取口，以允许将在页岩层的压裂后通过所述贯通孔流入所述反应空间的内部的所述页岩气向反应空间外部排出。
并且，该装置还可包括压力测定部，其通过测定所述反应空间内的压力而感测反应介质的量。
另一方面，根据本发明的利用等离子体反应的冲击波的页岩气萃取方法包括：划分步骤，利用为了萃取页岩气而对气井的井管中设置在页岩层的一部分进行密闭的划分单元划分反应空间；注入步骤，向所述反应空间的内部注入反应介质；冲击波产生步骤，对所述反应空间的内部所收容的所述反应介质施加能量，以产生由等离子体反应引起的冲击波；压裂步骤，所述反应介质将在所述冲击波产生步骤中产生的冲击波传播至所述页岩层，从而使所述页岩层压裂；萃取步骤，通过在所述压裂步骤中发生的所述页岩层的龟裂，萃取页岩气。
另外，该方法还可包括：空气排出步骤，排出存在于所述反应空间的内部的空气。
进一步，该方法还可包括：探针***步骤，配置探针以对所述反应空间所收容的所述反应介质施加能量。
此时，所述划分步骤可以在所述探针***步骤之前或之后实施。
另外，所述注入步骤在所述探针***步骤之前或之后实施。
而且，该方法还包括：再萃取步骤，在所述萃取步骤之后，向所述反应空间内部再注入反应介质，以萃取残存于所述页岩层的页岩气。
发明效果
具有上述结构的本发明的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置可带来如下的效果。
首先，所提供的压裂装置具有这样的优点：由于用等离子体反应的冲击波来使页岩层压裂，因此与以往的水力压裂相比环境污染的发生会减少，而且对各种设施的投资较低。
另外，所提供的压裂装置具有这样的优点：由于仅在气井的井管中密闭的一部分进行压裂，因此能够显著减少用于压裂页岩层的反应介质(例如，含LPG的流体)的量，因而与使用LPG的压裂相比，***事故的危险较少，所以比较安全。
而且，所提供压裂装置具有这样的优点：由于采用低振动、低噪音工程，因而其适用范围广且没有环境危害要素。
另一方面，本发明的效果不限于上述提及到的效果，本领域普通技术人员通过权利要求书中记载的内容能够明确理解没有提及到的其他效果。
附图说明
图1是本发明的一实施例的工程环境的示意图。
图2是根据本发明的一实施例的划分单元及反应空间的示意图。
图3至图4是在根据本发明的一实施例的探针***步骤中探针***的一示例的示意图。
图5是根据本发明的一实施例的压裂步骤的示意图。
图6是根据本发明的一实施例的压裂步骤中形成的页岩层的龟裂及流入龟裂中的支撑剂的示意图。
图7是根据本发明的一实施例的萃取步骤的示意图。
图8是根据本发明的一实施例的页岩气萃取方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，对能够具体实现本发明的目的的一实施例进行说明。本实施例的说明当中，对于同一构件采用了相同的名称和相同的附图标记，并省略说明。
另外，说明本发明的实施例时，图中示出的构件仅仅是便于理解详细的说明的示例，对其形状无限制，即，权利要求范围当然不会受限于此。
首先，参照图1至图2，详细说明根据本发明的一实施例的结构。在此，图1是本发明的一实施例的工程环境的示意图，图2是根据本实施例的划分单元100和反应空间30的示意图。
如图1至图2所示，本发明的一实施例的装置包括：气井1，其设置在钻探孔10；划分单元100，其对气井1的井管20中的一部分以划分反应空间30；探针300，其对反应空间30所收容的反应介质200施加能量。
在此，钻探孔10是指，通过另外的工程从地表面贯通至页岩气所存在的页岩层S的内部的孔。
另一方面，气井1包括：盲井及作为随之的各种设施之一的井管20，其中，盲井设置在钻探孔10用以从钻探孔10萃取页岩气，而井管20形成在钻探孔10的全长，以使钻探孔10不会坍塌。
通过另外的工程，可以在该井管20上设置多个从井管20的内侧面彻底贯通至与页岩层S相接的外侧面的贯通孔22。
划分单元100可设在井管20的内部，以使井管20的内部空间中设有多个贯通孔22的一部分与其他部分隔绝，由此划分出反应空间30。
该划分单元100可由足够坚固的材料和形态所构成，从而在反应空间30的内部发生由等离子体反应引起的冲击波时，能够承受上述冲击波。
另一方面，通过划分单元100所划分的反应空间30中所收容的反应介质200可以包括含丙烷、丙烯、丁烷及丁烯等的LPG(liquefied petroleum gas)成分。
另外，反应介质200可以具有混合丙烷、丁烷以及碳化氢的凝胶(gel)或液化气体的形态，此时，由于不与含在页岩层S的盐分或土壤反应，因此不会导致地下水或土壤的污染。
而且，反应介质200可以与上述的背景技术和发明效果无关，甚至可以由溶解有电解物质的水或混合水和合成树脂的凝胶类型的电解液构成，即对其成分、形态等无限制，当然，不会因此而使权利要求范围受到限制。
进而，在反应介质200中可以混合有由沙子、陶瓷、树脂涂层或类似物质所构成的支撑剂P。
探针300可设置成完全***于反应空间30的内部或者其一部分***于内部，以能够向上述的反应介质200施加能量。
该探针300可以根据工程的效率和现场状况等而调节施加于反应介质200的能量，而且，可以与划分单元100一体形成。
另一方面，如图1至图2所示，根据本发明的一实施例的装置中，上述的气井1还可包括介质供应部400、空气排出部500、气体回收部600及控制部700，划分单元100还可包括介质注入口110、空气吐出口120、气体萃取口130。
在此，介质供应部400可通过气井1将上述的反应介质200供应至反应空间30的内部。
该介质供应部400可以由压力泵等来构成，其可具有各种液压及电动式等种类和配置，且不限于此。
另外，介质供应部400可通过包括排管和导管等的合适的流路将反应介质200注入反应空间30。
此时，可在划分单元100设置介质注入口110，以允许通过介质供应部400向被划分单元100所密闭的反应空间30注入反应介质200。
介质注入口110设置在划分单元100的一侧并与介质供应部400连接，从而能够发挥用于将反应介质200注入反应空间30的内部的通路角色，介质注入口110可以配置成可进行开闭或使流体只能向一个方向流动的止回阀，从而反应介质200只能从反应空间30的外部流向反应空间30的内部。
另一方面，空气排出部500可配置成活塞泵、旋转泵等真空泵，从而能够将残存于反应空间30的内部的空气排除到外部，为了得到高真空，也可以通过组合扩散泵、喷射泵及机械性真空泵等而构成。
该空气排出部500是以小型的方式形成从而能够***井管20内，其以与划分单元100相邻的状态直接连接至反应空间30，或通过排管、导管等合适的流路而连接于反应空间30，将残存于反应空间30的内部的空气排出到外部。
此时，在划分单元100还可设置空气吐出口120，由此，可通过空气排出部500将残存于被划分单元100所密闭的反应空间30的内部的空气排出到外部。
空气吐出口120设置在划分单元100的一侧并与空气排出部500连接，从而能够发挥将存在于反应空间30的内部的空气向外部排出的通路角色，空气吐出口120可以配置成可进行开闭或使流体只能向一个方向流动的止回阀，从而上述空气只能从反应空间30的内部流向反应空间30的外部。
进一步，气体回收部600可以配置成压力泵等，从而对在页岩层S压裂后通过贯通孔22流入反应空间30的内部的页岩气进行回收。
该气体回收部600可如同介质供应部400同样具有各种不同的液压及电动式等种类和配置，且不受限，可如同空气排出部500同样以小型的方式而形成，从而能够***到井管20内，并以与划分单元100相邻的状态直接连接至反应空间30，或者，通过排管、导管等合适的流路而与反应空间30连接，从而回收页岩气。
此时，在划分单元100还可设置气体萃取口130，从而通过气体回收部600能够萃取流入被划分单元100所密闭的反应空间30的内部的页岩气。
气体萃取口130与气体回收部600连接，从而发挥向外部萃取流入反应空间30的内部的页岩气的通路角色，并且如同上述的介质注入口110及空气吐出口120同样设置在划分单元100的一侧，且可以配置成可进行开闭或使流体只能向一个方向流动的止回阀。
另一方面，上述的介质注入口110中，空气吐出口120和气体萃取口130可配置成一个结构，且可根据工程而兼具允许反应介质200、空气及页岩气流动的多种通路的角色。
并且，还可具备用于感测上述反应空间30内的反应介质200的量的压力测定部800。上述压力测定部800测定上述反应空间30内的压力，从而推定并感测出上述反应介质200的量。
另外，可通过控制部700控制介质供应部400、空气排出部500、气体回收部600的所有动作。
该控制部700可通过介质供应部400、空气排出部500、气体回收部600能够调节流动的反应介质200，上述空气，上述页岩气等的流体流动和流动压力等。
而且，控制部700能够控制介质注入口110、空气吐出口120、气体萃取口130的开闭，并控制探针300的所有继电和运作状况，且能够配置成与上述构成要素进行通信控制。
另外，上述控制部700根据上述压力测定部800测定出的上述反应空间30内的压力值能够推定上述反应空间30内的反应介质200的量。
其次，参照图3至图8，详细说明根据本发明的利用等离子体反应的冲击波的页岩气萃取方法的一实施例。后述的本实施例的顺序仅仅是用于帮助对详细的说明的理解的示例，且可根据工程的效率及现场的状况而无限制地变更该顺序，当然，权利要求范围不会因此而受到限制。
首先，如图8所示，本实施例可包括划分步骤P1、空气排出步骤P2、注入步骤P3。在此，图8是根据本发明的一实施例的页岩气萃取方法的流程图。
在划分步骤P1中，如在上述的本实施例的结构中所说明，设置有多个贯通孔22的井管20的一部分可被划分单元100划分为与其他部分隔绝的反应空间30。
接着，可执行将残存于在划分步骤P1中所划分的反应空间30的内部的空气排出到外部的空气排出步骤P2。
在空气排出步骤P2中，通过与设置在划分单元100的空气吐出口120连接的空气排出部500，能够将残存于反应空间30的内部的空气向外部排出。
另外，可以执行向通过划分步骤P1所划分的反应空间30的内部注入反应介质200的注入步骤P3。
此时，如在上述的本实施例的结构中所说明，反应介质200通过介质供应部400注入反应空间30，且通过与介质供应部400连接的、划分单元100的介质注入口110能够注入密闭的反应空间30的内部。
如上所述，该空气排出步骤P2及注入步骤P3根据工程的效率及现场的状况可以随意变换。
例如，可在通过向外部排出残存于通过划分步骤P1所划分的反应空间30的内部的空气的空气排出步骤P2而调整真空的程度后，执行将反应介质200注入已调节真空的程度的反应空间30的内部的注入步骤P3，且也可在通过注入步骤P3将反应介质200注入反应空间30的内部后，执行将残存于反应空间30的内部的空气向外部排出的空气排出步骤P2。
接着，如图3至图4所示，本实施例还可包括探针***步骤P4。在此，图3至图4是根据本实施例的探针***步骤P4中已***探针的一示例的示意图。
在探针***步骤P4中，探针300的位置可设置成能够向反应空间30的内部所收容的反应介质200施加能量。
在该探针***步骤P4中，探针300的位置可设置成探针300以越过划分单元100而位于反应空间30的内部的状态浸渍于反应介质200中(参照图3)。
而且，也可以设置成与划分单元100邻接或者与划分单元100隔开，且仅有一部分***于反应空间30的内部以与反应介质200接触(参照图4)。
另外，探针300和划分单元100一体形成时，探针***步骤P4可与上述的划分步骤P1同时执行，之后执行空气排出步骤P2及注入步骤P3。
进一步，在执行探针***步骤P4之前或者之后，可以执行上述的划分步骤P1或注入步骤P3。
即，也可以根据工程的效率及现场的状况，在探针300已经***待划分反应空间30的井管20的内部空间的状态下，划分单元100划分反应空间30，随后反应介质200注入反应空间30。
接着，如图5所示，本实施例还可包括冲击波产生步骤P5及压裂步骤P6。在此，图5是根据本实施例的压裂步骤P6的示意图。
在冲击波产生步骤P5中，通过在探针***步骤P4中与反应介质200接触的探针300，能够对反应介质200施加能量。
随此，与探针300邻接的反应介质200被施加能量而可变为高密度的等离子体状态，而可通过上述的控制部700控制通过探针300施加于反应介质200的能量。
另一方面，由于变为高密度的等离子体状态的反应介质200而在反应空间30的内部产生由急剧的状态变化所带来的冲击波，上述冲击波通过反应介质200而从上述冲击波的产生地点被传播至其他位置。
另外，本实施例中，在上述的冲击波产生步骤P5后，可以连续执行压裂步骤P6。
在压裂步骤P6中，在冲击波产生步骤P5中产生的上述冲击波可通过设在被划分为反应空间30的井管20的贯通孔22被传播至与反应空间30邻接的页岩层S。
或者，对于通过在省略设置贯通孔22的额外的工程的井管20中执行的划分步骤P1而划分出的反应空间30，也能够充分地执行冲击波产生步骤P5。
此时，虽然没有图示，在反应空间30中产生的冲击波初步传递至井管20，并在井管20形成不规则的缝隙，而此时形成的上述缝隙能够执行相同于贯通孔22的角色。
即，上述冲击波通过上述缝隙的端部能够进行向与反应空间30邻接的页岩层S的二次传播。
这样，在受到上述冲击波的传递的页岩层能够形成龟裂F以及缝隙。
此时，如图6所示，混合在反应介质200的支撑剂P流入形成在页岩层S的龟裂F和缝隙中，从而能够维持允许页岩气被萃取后流动的间隙。在此，图6是根据本实施例的压裂步骤P6中所形成的页岩层S的龟裂F及流入龟裂F的支撑剂P的示意图。
接着，如图7所示，本实施例还可包括萃取步骤P7。在此，图7是根据本实施例的萃取步骤P7的示意图。
在萃取步骤P7中，能够萃取从通过压裂步骤P6所压裂的页岩层S的龟裂F流入反应空间30的内部的页岩气G。
此时，页岩气G能够通过设置在作为上述冲击波的传播通路的、被划分为反应空间30的井管20的贯通孔22向反应空间30的内部流动。
这样，流入反应空间30的内部的页岩气G能够通过设置在与划分单元100的气体萃取口130连接的气体回收部600被萃取至外部。
另一方面，如图8所示，本实施例还可包括用于进一步萃取在萃取步骤P7之后残存于页岩层S的页岩气G的再萃取步骤P8。
通过上述的萃取步骤P7萃取页岩气G后，在页岩层S及龟裂F内还会残存相当量的页岩气G，因此有必要进一步萃取页岩气G的工程。
因此，在再萃取步骤P8中，通过与介质注入口110连接的介质供应部400向反应空间30的内部进一步注入反应介质200，根据需要可对反应介质200施加压力，以使反应介质200流入到形成在页岩层S的龟裂F中，从而能够施加压力。
向上述反应空间30内部进一步注入反应介质200时，上述控制部700可利用上述压力测定部800中测定或推定的反应介质200的量确定待进一步注入的反应介质200的量，并执行注入。
这样，反应介质200对残存于页岩层S及龟裂F内的页岩气G施加压力，当除去上述压力时，残存的页岩气G随着压力降低而通过贯通孔22流入反应空间30的内部。
此时，通过再萃取步骤P8，流入反应空间30的内部的页岩气G也可以如同萃取步骤P7通过与设置在划分单元100的气体萃取口130连接的气体回收部600被萃取至外部。
另一方面，根据上述的本发明的利用等离子体反应的冲击波的页岩气萃取方法的一实施例可以在井管20的其他部分中反复执行，且通过反复执行一系列的页岩气萃取方法，能够萃取存在于水平钻探的页岩层S中的页岩气G。
这样的利用等离子体反应的冲击波的压裂方法与以往的使用水或LPG的压裂方法相比，只对局部进行压裂，因而用少量的反应介质200也能够实现压裂。
因此，能够提供能够有效且经济地萃取页岩气G的同时减少***事故的危险且没有环境污染顾虑的环保的页岩气萃取方法。
以上，虽然对本发明的特定的实施例进行了说明和图示，但是本发明不限于所记载的实施例，而且对于本领域技术人员而言很显然的是，不脱离本发明的思想和范围的情况下可以进行多种修改和变形。因此，这样的修改例或变形例不应理解为独立于本发明的技术思想或观点，而且变形的实施例应当均属于本发明的权利要求范围。
Claims (16)
1.一种利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，其包括：
划分单元，其为了萃取页岩气而对气井的井管中设置在页岩层的一部分进行密闭以划分反应空间，以便在所述反应空间的内部收容反应介质；以及
探针，其用于对所述反应空间的内部所收容的所述反应介质施加能量，以使所述反应介质由于对所述反应介质所施加的能量而通过等离子体反应来产生冲击波并传播至所述页岩层。
2.根据权利要求1所述的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，还包括：向所述反应空间的内部供应所述反应介质的介质供应部。
3.根据权利要求1所述的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，其中，
所述划分单元具备用于将所述反应介质注入所述反应空间的内部的介质注入口。
4.根据权利要求1所述的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，其中，
所述反应介质包含液化石油气(LPG，liquefied petroleum gas)成分，并具有凝胶(gel)或液化气体的形态。
5.根据权利要求1所述的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，其中，
所述反应介质中混合有支撑剂(proppant)。
6.根据权利要求1所述的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，还包括：
用于将所述反应空间的内部的空气向外部排出的空气排出部。
7.根据权利要求1所述的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，其中，
所述划分单元具备空气吐出口，以允许将存在于所述反应空间的内部的空气向外部排出。
8.根据权利要求1所述的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，还包括：
气体回收部，其用于对在页岩层的压裂后通过所述贯通孔流入所述反应空间的内部的所述页岩气进行回收。
9.根据权利要求1所述的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，其中，
所述划分单元具备气体萃取口，以允许将在页岩层的压裂后通过所述贯通孔流入所述反应空间的内部的所述页岩气向反应空间外部排出。
10.根据权利要求1所述的利用等离子体反应的冲击波的压裂装置，还包括：
压力测定部，其通过测定所述反应空间内的压力而感测反应介质的量。
11.一种利用等离子体反应的冲击波的页岩气萃取方法，其包括：
划分步骤，利用为了萃取页岩气而对气井的井管中设置在页岩层的一部分进行密闭的划分单元划分反应空间；
注入步骤，向所述反应空间的内部注入反应介质；
冲击波产生步骤，对所述反应空间的内部所收容的所述反应介质施加能量，以产生由等离子体反应引起的冲击波；
压裂步骤，所述反应介质将在所述冲击波产生步骤中产生的冲击波传播至所述页岩层，从而使所述页岩层压裂；以及
萃取步骤，通过在所述压裂步骤中发生的所述页岩层的龟裂，萃取页岩气。
12.根据权利要求11所述的利用等离子体反应的冲击波的页岩气萃取方法，还包括：
空气排出步骤，排出存在于所述反应空间的内部的空气。
13.根据权利要求11所述的利用等离子体反应的冲击波的页岩气萃取方法，还包括：
探针***步骤，配置探针以对所述反应空间中所收容的所述反应介质施加能量。
14.根据权利要求13所述的利用等离子体反应的冲击波的页岩气萃取方法，其中，
所述划分步骤在所述探针***步骤之前或之后实施。
15.根据权利要求13所述的利用等离子体反应的冲击波的页岩气萃取方法，其中，
所述注入步骤在所述探针***步骤之前或之后实施。
16.根据权利要求11所述的利用等离子体反应的冲击波的页岩气萃取方法，还包括：
再萃取步骤，所述萃取步骤之后，向所述反应空间的内部进一步注入反应介质，以萃取残存于所述页岩层的页岩气。
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