CN112983383A - 一种直井甲烷原位燃爆压裂装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直井甲烷原位燃爆压裂装置及方法，属于燃爆压裂技术领域。装置包含封隔器、筛管、单向阀、引爆装置等组成的***设备，可实现地层甲烷气体析出及原位燃爆。利用泵车从油套环空泵入低密度压井液，顶替原始压井液，此过程中目的层混合流体经引爆装置单向阀排出，待井口检测到甲烷气体时转注高密度压井液，单向阀关闭，引爆装置腔体及油套环空蓄气完成，最后从井口实施投棒作业，巨大冲击力使下承压盘剪切断裂，助燃剂连同夹持器与撞针快速接触，引发地层甲烷气体***，***气流沿套筒孔隙高速射出，使地层冲击致裂。本发明提出了新的燃爆方式，使得燃爆压裂作业更加安全高效，达到传统燃爆效果的同时降低了施工风险和成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种直井甲烷原位燃爆压裂装置及方法，适用于复杂页岩气、致密气等储层，属于燃爆压裂技术领域。
背景技术
随着中高渗油气田开采进入后期及对油气资源需求不断增加，低渗及非常规油气藏资源成为油气资源增储上产的比重逐步增大，其中致密气、页岩气、煤层气等成为油气增储的主要组成部分。由于致密气、页岩气等储层普遍具有低孔隙度、低渗透率的特性，压裂是实现其商业开采的必要手段。水力压裂耗水量大，尤其是我国深层、致密、高应力差异储层，水力缝网难以形成。
燃爆压裂技术凭借较高的瞬时燃爆压力使储层致裂，能有效对致密、低渗等复杂油气藏进行储层改造，可突破应力集中，促进复杂缝网发育，且低成本、无污染，但是现有的燃爆工艺通常将燃烧剂和助燃剂混合形成的***同时注入井底地层，***一般是军工产品且无法避免运输和注入过程中的安全，存在火工产品的安全性问题，且引爆范围有限，在制作、运输、存储，投放过程中都有很大的安全隐患，对工作人员的施工管理能力也提出了很高的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，针对页岩气储层，本发明提供一种直井甲烷原位燃爆压裂装置及方法，利用储层析出的甲烷气体作为可燃物，当引爆装置等***设备随油管下入目的层后，配合井口循环不同密度的压井液，使得地层甲烷气体析出并在目的层封闭井筒空间蓄集。进而，通过投棒冲击和引爆器上下压差的共同作用，冲击撞针，实现引爆装置中助燃剂与井筒中甲烷气体的原位协同燃爆，在井筒周围基质中形成冲击裂缝，实现真正意义上的立体裂缝网络，提高改造后地层产量。
本发明的技术方案如下：
一种适用于复杂页岩气、致密气等储层的直井甲烷原位燃爆压裂装置，包括油管装置、引爆装置，
油管装置包括常规油管柱，油管柱底部上下设有上封隔器和下封隔器，上封隔器上方的油管柱内部设有上筛管；
引爆装置包括特制管柱，特制管柱内壁上方设有上固定槽，特制管柱中部设有助燃剂夹持器，助燃剂夹持器内部放置有助燃剂，夹持器内部密封罐可装填固、液、气三种状态的助燃剂，助燃剂采用本领域常规即可，上固定槽用于限制助燃剂夹持器的向上位移；特制管柱底部设有一体化撞针装置，一体化撞针装置底部中心处设有撞针且其空腔用于容纳甲烷气体和下承压盘碎片，助燃剂夹持器与一体化撞针装置之间设有下承压盘。
优选的，特制管柱内壁顶部设有上接头，上接头为内螺纹，特制管柱底部设有下接头，下接头为外螺纹，上接头、下接头与油管柱连接。
常规管柱内部中空光滑，为流体运移或井底工具作业提供通道，本方案特制管柱内部有固定槽和内螺纹，可以盛放助燃剂夹持器等。相较于常规投棒燃爆作业先下管柱后下入燃爆装置的工艺，特质管柱固定引爆装置后一同下井，操作更加便捷。
优选的，助燃剂夹持器外壳设有外壳通孔。助燃剂夹持器落下与撞针碰撞时可通过外壳通孔向外燃爆。
进一步优选的，外壳通孔的数量为至少三排。
优选的，助燃剂夹持器顶部设有单向阀，进一步优选的，单向阀的数量为两个。单向阀只能向上开启。
进一步优选的，助燃剂夹持器顶部设有上承重盘，上承重盘与助燃剂夹持器一体化制造，单向阀贯穿上承重盘和助燃剂夹持器顶部。上承重盘用于增加夹持器顶面的承重强度，在燃爆工艺投棒时使夹持器压裂下承压盘、避免夹持器顶面破损。
优选的，助燃剂夹持器底部中心与下承压盘中心均设有中心通孔。
进一步优选的，助燃剂夹持器底部中心通孔大小与下承压盘中心通孔大小相同。
优选的，一体化撞针装置侧壁与其***的特制管柱底部均设有筛孔。
优选的，下承压盘、一体化撞针装置与特制管柱内壁均为螺纹连接。通过旋钮即可固定在特制管柱内部。
优选的，上筛管与上封隔器的垂直间距为0.5～1.0m。
一种适用于复杂页岩气、致密气等储层的直井甲烷原位燃爆压裂方法，包括以下步骤：
(1)、将助燃剂夹持器顶至特制管柱上固定槽，上固定槽防止助燃剂夹持器上移，随后紧密旋入下承压盘和一体化撞针装置，组成引爆装置，一体化螺纹撞针装置顶部紧贴下承压盘，防止其滑丝下落：设置引爆装置的起爆点，是根据目的层深度、压力、所用压井液密度和投棒物尺寸来设计；所述起爆点为重棒产生的冲击和井底压差大于下承压盘的抗剪强度时的压力点；(以下承压盘抗剪强度为6MPa为例，起爆点压力6MPa，根据地层深度和地层孔隙压力设计：高密度压井液产生的液柱压力高于地层孔隙压力5MPa，投棒物产生的冲击力不小于1MPa)
(2)、下封隔器、引爆装置、上封隔器和上筛管与常规油管柱依次连接并下入生产井目的层；
(3)、上封隔器与下封隔器在井底完成坐封，封隔目的层上下的油套环形空间；
(4)、地面泵车向油套环空注入低密度压井液，将原始压井液经上筛管逐步循环顶替至井口废液回收罐，此过程中引爆装置单向阀开启，地层甲烷气体开始进入下部井筒，并将上封隔器、下封隔器之间的压井液混合流体经单向阀逐步排出，泵车从油套环空注入低密度压井液时，上筛管为原始压井液逐步循环顶替至井口废液回收罐提供了流动通道；单向阀通过引爆装置内外压差实现开关闭合，注入低密度压井液时，外部液柱压力小于地层孔隙压力，地层甲烷气体开始进入下部井筒，并将上、下封隔器之间的压井液混合流体经单向阀逐步排出；单向阀两端与流体的接触面积一样大，控制压井液密度大小即可控制单向阀的开启；
(5)、井口监测装置发现有烃类气体显示时，立即转注高密度压井液使单向阀关闭，引爆装置腔体及油套环空蓄气完毕，高密度压井液的密度大于低密度压井液的密度即可；
(6)、高密度压井液转注完成后进行投棒作业，重棒产生的冲击和井底压差对下承压盘的共同作用大于其承压能力时，下承压盘断裂，助燃剂冲击撞针，引爆甲烷气体，***气流沿套筒孔隙高速射出，使地层原位冲击致裂；
(7)、直井甲烷原位燃爆压裂结束后，上提作业管柱，评估施工效果。
优选的，步骤(1)中，单个下承压盘抗剪强度为6MPa，根据现场不同的施工要求可通过旋入多个承压盘提高起爆点压力。
优选的，步骤(4)中，低密度压井液的密度范围为0.81～1.62g/cm3，步骤(5)中高密度压井液的密度范围为1.4～2.2g/cm3。
优选的，步骤(4)中，低密度压井液产生的液柱压力是目的层孔隙压力的0.9倍；步骤(5)中，高密度压井液产生的液柱压力高于目的层孔隙压力5MPa。
利用该工艺方法实现页岩储层解析甲烷气体，通过助燃剂与甲烷气体协同燃爆产生的高温、高压气体冲击压裂储层，创造立体裂缝网络，实现储层甲烷原位燃爆压裂改造。由于没有***的地面运输、地下投放，混合等过程，安全经济，环保优势明显，能有效弥补现有燃爆压裂技术的局限和不足。
本发明的有益效果在于：
1.所采用的新工艺包含封隔器、筛管、单向阀、引爆装置、泵车等组成的***设备，利用这些设备以及不同密度的压井液配合常规井口投棒，避免了燃爆压裂过程中***的地面运输、地下投放、混合、顶替液的注入等过程，实现了助燃剂单独投放以及与目的层析出甲烷气体燃爆致裂功能，创造了立体裂缝网络，安全经济，环保优势明显，有效弥补现有燃爆压裂技术的局限和不足。
2.所采用的可燃物是储层中析出的甲烷气体，施工过程安全经济，环保优势明显，由于甲烷气体分布与地层中，燃爆压裂的范围也更广。
3.所采用的引爆装置采用了模块化设计，内部放置助燃剂夹持器并通过上固定槽和下承压盘固定，一体化撞针装置也通过旋入的方式与管柱内部牢固接触，引爆装置本身可直接连接于油管端部并下入井底，引爆装置结构简单，设计合理，相比传统投棒作业先下管柱后下燃爆工具的施工流程，更便于施工操作。
4.所采用的特制管柱内部根据施工要求放置不同种类不同形态的助燃剂和不同数量的下承压盘，以对应不同的燃爆效果和起爆点压力，施工范围更广。
5.所采用的单向阀配合不同密度的压井液，实现了特制管柱空腔内的甲烷蓄气。
6.所采用的引爆装置结构简单、设计合理，可重复使用。
附图说明
图1是本发明的施工流程图。
图2是直井甲烷原位燃爆压裂装置操作时整体示意图。
图3是直井甲烷原位燃爆压裂引爆装置结构示意图。
其中：1、泵车；2、废液回收罐；3、气体监测器；4、上筛管；5、引爆装置；6-1、上封隔器；6-2、下封隔器；7、上接头；8、单向阀；9、上承重盘；10、上固定槽；11、助燃剂夹持器；12、助燃剂；13、外壳通孔；14、助燃剂夹持器底部中心通孔；15、下承压盘；16、一体化撞针装置；17、特制管柱；18、筛孔；19、下接头；20、下承压盘中心通孔。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种适用于复杂页岩气、致密气等储层的直井甲烷原位燃爆压裂装置，包括油管装置、引爆装置。
油管装置包括常规油管柱，油管柱底部上下设有上封隔器和下封隔器，上封隔器上方的油管柱内部设有上筛管。上筛管与上封隔器的垂直间距为0.5m。
引爆装置包括特制管柱，特制管柱内壁上方设有上固定槽，特制管柱中部设有助燃剂夹持器，助燃剂夹持器内部放置有助燃剂，夹持器内部密封罐可装填固、液、气三种状态的助燃剂，助燃剂采用本领域常规即可，上固定槽用于限制助燃剂夹持器的向上位移；特制管柱底部设有一体化撞针装置，一体化撞针装置底部中心处设有撞针且其空腔用于容纳甲烷气体和承压盘碎片，助燃剂夹持器与一体化撞针装置之间设有下承压盘。
助燃剂夹持器顶部设有单向阀，单向阀的数量为两个，单向阀只能向上开启。助燃剂夹持器外壳设有外壳通孔，外壳通孔的数量为至少三排。助燃剂夹持器落下与撞针碰撞时可通过外壳通孔向外燃爆。助燃剂夹持器底部中心与下承压盘中心均设有中心通孔。一体化撞针装置侧壁与其***的特制管柱底部均设有筛孔。
利用地层甲烷气体作为可燃物(燃烧剂)，利用储层内含有的甲烷气体的释放及助燃剂的单独运输和注入引起地层原位燃爆产生的能力，避开了军工产品的使用，安全经济环保，很好的避免了意外燃爆问题，可全方位多范围内实现地层破裂，形成真正的网络立体裂缝。
实施例2：
一种直井甲烷原位燃爆压裂装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，特制管柱内壁顶部设有上接头，上接头为内螺纹，特制管柱底部设有下接头，下接头为外螺纹，上接头、下接头与油管柱连接。
常规管柱内部中空光滑，为流体运移或井底工具作业提供通道，本方案特制管柱内部有固定槽和内螺纹，可以盛放助燃剂夹持器等。相较于常规投棒燃爆作业先下管柱后下入燃爆装置的工艺，特质管柱固定引爆装置后一同下井，操作更加便捷。
实施例3：
一种直井甲烷原位燃爆压裂装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，助燃剂夹持器顶部设有上承重盘，上承重盘与助燃剂夹持器一体化制造，单向阀贯穿上承重盘和助燃剂夹持器顶部。上承重盘用于增加夹持器顶面的承重强度，在燃爆工艺投棒时使夹持器压裂下承压盘、避免夹持器顶面破损。
实施例4：
一种直井甲烷原位燃爆压裂装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，助燃剂夹持器底部中心通孔大小与下承压盘中心通孔大小相同。
实施例5：
一种直井甲烷原位燃爆压裂装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，下承压盘、一体化撞针装置与特制管柱内壁均为螺纹连接。通过旋钮即可固定在特制管柱内部。
实施例6：
一种直井甲烷原位燃爆压裂装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，上筛管与上封隔器的垂直间距为1.0m。
实施例7：
一种直井甲烷原位燃爆压裂方法，所用装置如实施例1所述，包括以下步骤：
(1)、安装引爆装置：将助燃剂夹持器顶至特制管柱上固定槽，随后紧密旋入单个下承压盘和一体化螺纹撞针装置，组成引爆装置，设置引爆装置的起爆点。
(2)、下封隔器、引爆装置、上封隔器和上筛管与常规油管柱依次连接并下入生产井目的层。
(3)、上封隔器与下封隔器在井底完成坐封，封隔目的层上下的油套环形空间，并保证油管上筛孔就在封隔器上端0.75m处。
(4)、地面泵车从油套环空注入密度不超过1.35g/cm3的低密度压井液，将原始压井液经上筛管全部顶替至井口废液回收罐，此过程中引爆装置单向阀开启，地层甲烷气体开始进入下部井筒，并将上、下封隔器之间的压井液混合流体经单向阀逐步排出。
(5)、井口监测装置发现有烃类气体显示时，立即转注密度为1.73g/cm3的高密度压井液使单向阀关闭，引爆装置腔体蓄气完毕。
(6)、待高密度压井液转注完成后进行投棒作业，重棒产生的冲击和井底压差对下承压盘的共同作用大于其承压能力，下承压盘剪切断裂，助燃剂冲击撞针，引爆甲烷气体，***气流沿套筒孔隙高速射出，使地层冲击致裂。
(7)、直井甲烷原位燃爆压裂结束后，上提作业管柱，评估施工效果。
本实施例中，所属目的层井深2300米、地层破裂压力50MPa，地层孔隙压力34MPa。
本实施例中，个别器件尺寸：油管内径88.6mm；引爆装置长680mm，最大内径88.6mm，外径107.95mm；助燃剂长200mm，直径50mm；下固定盘厚度5mm，外径88.6mm，中心通孔25mm；撞针长度150mm。
本实施例中，可燃物是储层中的甲烷气体，这避免了***的地面运输、地下投放，混合等过程，施工过程安全经济，环保优势明显；引爆装置采用了模块化设计，内部放置助燃剂夹持器并通过上固定槽和下承压盘固定，一体化螺纹撞针装置也通过旋入的方式与管柱内部牢固接触，引爆装置本身可直接连接油管端部，便于施工操作；特制管柱内部根据施工需求放置助燃剂和一个下承压盘，以满足燃爆效果和起爆点压力，同时引爆装置配合低密度的压井液，实现了特制管柱空腔内的甲烷蓄气，而高密度压井液配合投棒作业，为目的层的燃爆提供了更大的冲击力，进一步提高了地层的渗流能力。
实施例8：
一种直井甲烷原位燃爆压裂方法，其步骤如实施例7所述，所不同的是，本实施例中，所属目的层井深3000米、地层破裂压力63MPa，地层孔隙压力50MPa，助燃剂长240mm，低密度压井液密度不超过1.53g/cm3，高密度压井液密度不超过1.87g/cm3。
实施例9：
一种直井甲烷原位燃爆压裂方法，其步骤如实施例7所述，所不同的是，本实施例中，所属目的层井深4000米、地层破裂压力81MPa，地层孔隙压力55MPa，助燃剂长280mm，低密度压井液密度不超过1.26g/cm3，高密度压井液密度为不超过1.53g/cm3。
Claims (10)
1.一种直井甲烷原位燃爆压裂装置，其特征在于，包括油管装置、引爆装置，
油管装置包括油管柱，油管柱底部上下设有上封隔器和下封隔器，上封隔器上方的油管柱内部设有上筛管；
引爆装置包括特制管柱，特制管柱内壁上方设有上固定槽，特制管柱中部设有助燃剂夹持器，助燃剂夹持器内部放置有助燃剂，上固定槽用于限制助燃剂夹持器的向上位移；特制管柱底部设有一体化撞针装置，助燃剂夹持器与一体化撞针装置之间设有下承压盘，一体化撞针装置底部中心处设有撞针且其空腔用于容纳甲烷气体和下承压盘碎片。
2.根据权利要求1所述的直井甲烷原位燃爆压裂装置，其特征在于，特制管柱内壁顶部设有上接头，上接头为内螺纹，特制管柱底部设有下接头，下接头为外螺纹，上接头、下接头与油管柱连接；
优选的，下承压盘、一体化撞针装置与特制管柱内壁均为螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的直井甲烷原位燃爆压裂装置，其特征在于，助燃剂夹持器外壳设有外壳通孔；
优选的，外壳通孔的数量为至少三排。
4.根据权利要求1所述的直井甲烷原位燃爆压裂装置，其特征在于，助燃剂夹持器顶部设有单向阀，优选的，单向阀的数量为两个；
进一步优选的，助燃剂夹持器顶部设有上承重盘，上承重盘与助燃剂夹持器一体化制造，单向阀贯穿上承重盘和助燃剂夹持器顶部。
5.根据权利要求1所述的直井甲烷原位燃爆压裂装置，其特征在于，助燃剂夹持器底部中心与下承压盘中心均设有中心通孔；
优选的，助燃剂夹持器底部中心通孔大小与下承压盘中心通孔大小相同。
6.根据权利要求1所述的直井甲烷原位燃爆压裂装置，其特征在于，一体化撞针装置侧壁与其***的特制管柱底部均设有筛孔。
7.根据权利要求1所述的直井甲烷原位燃爆压裂装置，其特征在于，上筛管与上封隔器的垂直间距为0.5～1.0m。
8.一种利用权利要求4所述直井甲烷原位燃爆压裂装置的压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将助燃剂夹持器顶至特制管柱上固定槽，随后旋入下承压盘和一体化撞针装置，组成引爆装置：设置引爆装置的起爆点，所述起爆点为重棒产生的冲击和井底压差大于下承压盘的抗剪强度时的压力点；
(2)、下封隔器、引爆装置、上封隔器和上筛管与油管柱依次连接并下入生产井目的层；
(3)、上封隔器与下封隔器在井底完成坐封，封隔目的层上下的油套环形空间；
(4)、地面泵车向油套环空注入低密度压井液，将原始压井液经上筛管逐步循环顶替至井口废液回收罐，此过程中引爆装置单向阀开启，地层甲烷气体开始进入下部井筒，并将上封隔器、下封隔器之间的压井液混合流体经单向阀逐步排出；
(5)、井口监测装置发现有烃类气体显示时，立即转注高密度压井液使单向阀关闭，引爆装置腔体及油套环空蓄气完毕，高密度压井液的密度大于低密度压井液的密度；
(6)、高密度压井液转注完成后进行投棒作业，重棒产生的冲击和井底压差对下承压盘的共同作用大于其承压能力时，下承压盘断裂，助燃剂冲击撞针，引爆甲烷气体，***气流沿套筒孔隙高速射出，使地层原位冲击致裂；
(7)、直井甲烷原位燃爆压裂结束后，上提作业管柱，评估施工效果。
9.根据权利要求8所述的直井甲烷原位燃爆压裂方法，其特征在于，步骤(4)中，低密度压井液的密度范围为0.81～1.62g/cm3，步骤(5)中高密度压井液的密度范围为1.4～2.2g/cm3。
10.根据权利要求8所述的直井甲烷原位燃爆压裂方法，其特征在于，步骤(4)中，低密度压井液产生的液柱压力是目的层孔隙压力的0.9倍；步骤(5)中，高密度压井液产生的液柱压力高于目的层孔隙压力5MPa。
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