二氧化碳‑聚能剂爆燃冲压相变射流装置及其方法与流程

本发明涉及地下深部储层非常规油气资源开发与利用领域，尤其涉及一种二氧化碳-聚能剂爆燃冲压相变射流装置及其方法。

背景技术：

非常规油气资源储量丰富，但非常规油气资源地质条件赋存复杂，岩石渗透率低，不利于非常规油气资源开发，水力压裂、水力割缝和高压水射流是开发致密储层非常规油气资源的重要手段。水力压裂技术经过了近半个世纪的发展，特别是自80年代末以来，水力压裂以及多级压裂、重复压裂等方面取得突破。现在水力压裂、水力割缝和高压水射流技术作为油水井增产技术，已经广泛应用于低渗透油气田的开发中。

然而，目前开发主要采用的水力压裂、水力割缝和高压水射流法，在中国许多地下深部储层非常规油气资源开发也并不具备水力化条件，二氧化碳压裂技术得到重视，美国和加拿大是最早应用二氧化碳增产技术的国家，特别是在特低渗、低压油藏的改造方面，二氧化碳增产技术显示出更加优越的特点。当温度超过31.1摄氏度，压力超过7.38兆帕，二氧化碳气体就变成超临界态。超临界流体既不同于气体也不同于液体，具有许多独特物理化学性——密度接近于水，能够为井下马达提供足够扭矩、溶剂化能力强；黏度非常低，接近于气体，易流动、摩阻系数低；扩散系数大于液体，传热、传质性能良好；表面张力接近于零，可进入到任何大于超临界流体分子的空间。

目前，对于水力压裂工艺，专利主要集中在高压水射流、脉动水力压裂和水力割缝方面。也有相关专利是采用固体或乳化炸药爆炸产生高温高压气流，达到射流或致裂的目的。也有相关专利使用了二氧化碳特性和膨胀相变原理，然而采用的相变原理同本发明具有显著区别。同以往利用二氧化碳物理膨胀相变原理不同，本发明专利采用金属聚能剂与二氧化碳氧化还原反应（化学过程）释放的热量，一方面使得二氧化碳高温膨胀和相变，产生高压射流，具有高压水射流的特点；另一方面，激烈的燃烧反应转化为爆炸冲击波，进一步增强了流体压力，具有炸药爆炸的特点。从而形成爆炸冲击波和二氧化碳快速膨胀和相变的高压射流动静组合荷载，在原理和结构上均具有明显创新。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种二氧化碳-聚能剂爆燃冲压相变射流装置及其方法，即在充分利用高压液化或超临界二氧化碳气体自身的能量基础上，采用聚能剂与二氧化碳发生剧烈的化学反应而释放大量的热量，能够使得高压液化或超临界二氧化碳高温膨胀和相变，产生高压射流，具有高压水射流的特点；激烈的化学反应转化为爆炸冲击波，进一步增强了流体的能量，从而形成爆炸冲击波和二氧化碳快速膨胀和相变的高压射流动静组合荷载，在原理和结构上均具有很大的创新。

本发明的目的是这样实现的：

本装置主要由聚能剂存储罐体、二氧化碳存储罐体、混合物生成器、增压泵和爆燃射流器组成；爆燃射流器主要由电火花点火器、单向密封阀门、燃烧爆炸室、定压泄能阀门、气流振荡器和旋转射流器构成。将储存在不同罐体中的聚能剂颗粒和二氧化碳经混合物生成器混合，然后经增压泵加压注入到爆燃射流器的燃烧爆炸室，利用电火花点火装置引燃二氧化碳与金属聚能剂而发生氧化还原反应，并释放大量热量，使得二氧化碳快速膨胀并发生相变，从而产生瞬时的高温高压气体。气体压力超过定压泄能阀门额定压力后，定压泄能阀门打开，高压气体进入气流振荡器形成脉冲振荡气流，最终通过旋转射流器产生高压定向旋转射流。该装置并能通过控制聚能剂颗粒的细度和浓度来调节氧化还原反应速率，调整燃烧爆炸室内混合物的燃烧状态（燃烧或爆炸），从而控制二氧化碳聚能剂爆燃冲压相变时流体的温度和压力。

具体地说：

一、二氧化碳-聚能剂爆燃冲压相变射流装置（简称装置）

本装置包括聚能剂存储罐体、二氧化碳存储罐体、混合物生成器、注入泵和爆燃射流器；

其位置和连接关系是：

聚能剂存储罐体和二氧化碳存储罐体均通过管路与混合物生成器连接，混合物生成器、注入泵和爆燃射流器依次连接；

所述的爆燃射流器由壳体、电火花点火器、单向密封阀门、燃烧爆炸室、定压泄能阀门、气流振荡器和旋转射流器组成；壳体是一种封闭的圆筒；在壳体的上面设置有电火花点火器和单向密封阀门；在壳体内的上部设置有燃烧爆炸室，在燃烧爆炸室的底部设置有定压泄能阀门；在壳体的下部连接有旋转射流器，在旋转射流器内部设置有气流振荡器。

二、二氧化碳-聚能剂爆燃冲压相变射流方法（简称方法）

本方法包括如下步骤：

①聚能剂的制备

将聚能剂制作成尺寸为纳米级颗粒或20至500目的颗粒中的一种或几种；

②设备布置

将聚能剂存储罐体和二氧化碳存储罐体分别通过管路与混合器连接，混合器、注入泵和爆燃射流器依次连接，然后将爆燃射流器放置作业地点；

③燃剂注入

将金属聚能剂和二氧化碳经过混合物生成器和增压泵注入燃烧爆炸室；

④点燃燃剂

待燃烧爆炸室内的混合物压力达到预定值，关闭增压泵和混合物生成器，开启电火花点火器，引燃金属聚能剂和二氧化碳发生氧化还原反应；在二氧化碳相变膨胀和爆炸冲击波作用下，高温高压力二氧化碳超过定压泄能阀门的额定压力阀值，高压二氧化碳迅速膨胀和相变；高压二氧化碳气流经过气流振荡器形成脉冲振荡高压气流，又经过旋转射流器后，再形成定向高压旋转射流；

⑤重复作业

射流结束后，可以重新开启混合物生成器和增压泵，重复步骤③、④；

⑥效果监测

检查振荡射流效果，待到满足现场要求后可进行下一地点压裂作业。

本发明具有下列优点和积极效果：

①利用二氧化碳冲压相变爆燃产生的冲击波和二氧化碳相变膨胀压力，形成动静组合荷载；

②利用二氧化碳爆燃冲压相变，经过气流振荡器，产生脉冲高压振荡射流；

③利用形成的脉冲高压振荡渗流，经过旋转射流器，形成定向高压旋转射流；

④可以循环重复作业，操作方便。

总之该装置可以充分利用二氧化碳与聚能剂爆燃产生的高能冲击波，使储层岩石产生裂隙，并能根据压裂需求进行调配，该装置采用的反应原料对环境无污染。

附图说明

图1是本装置的结构示意图。

图中：

1—聚能剂存储罐体；

2—二氧化碳存储罐体；

3—混合物生成器；

4—增压泵；

5—爆燃射流器，

5-0—壳体，5-1—电火花点火器，5-2—单向密封阀门，

5-3—燃烧爆炸室，5-4—定压泄能阀门，5-5—高压密封圈，

5-6—气流振荡器，5-7—旋转射流器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

本装置包括聚能剂存储罐体1、二氧化碳存储罐体2、混合物生成器3、注入泵4和爆燃射流器5；

其位置和连接关系是：

聚能剂存储罐体1和二氧化碳存储罐体2均通过管路与混合物生成器3连接，混合物生成器3、注入泵4和爆燃射流器5依次连接；

所述的爆燃射流器5由壳体5-0、电火花点火器5-1、单向密封阀门5-2、燃烧爆炸室5-3、定压泄能阀门5-4、气流振荡器5-6和旋转射流器5-7组成；

壳体5-0是一种封闭的圆筒；

在壳体5-0的上面设置有电火花点火器5-1和单向密封阀门5-2；在壳体5-0内的上部设置有燃烧爆炸室5-3，在燃烧爆炸室5-3的底部设置有定压泄能阀门5-4；

在壳体5-0的下部连接有旋转射流器5-7，在旋转射流器5-7内部设置有气流振荡器5-6。

2、功能部件

1）聚能剂存储罐体1；

聚能剂罐体2是一种常用的不锈钢密封罐体；

其功能是封装聚能剂。

2）二氧化碳存储罐体2；

二氧化碳罐体1是一种常用的大容积可耐高压的罐体；

其功能是封装高压二氧化碳气体。

3）混合物生成器3；

混合物生生器3是一种管道混合器；

其功能是将二氧化碳与微细颗粒充分混合。

4）增压泵4；

加压泵4是一种常用的流体增压装置；

其功能是对聚能剂与二氧化碳混合物加压，使之能够注入爆燃射流器5中。

5）爆燃射流器5，

爆燃射流器5是一种二氧化碳与聚能剂发生爆燃反应，并能将爆燃产生的高压气体转化为射流；

其功能是为二氧化碳与聚能剂发生爆燃反应提供反应场所，并能将其产生的高压气体或冲击波转换成高能射流，以用于储层岩石的压裂。

*壳体5-0

壳体5-0是一种封闭的厚壁圆筒；

*电火花点火器5-1

电火花点火器5-1是一种常用的点火器，其通过火花塞，瞬间释放上万伏电压，将混合燃料点燃；

其功能是将二氧化碳与聚能剂混合物点燃。

*单向密封阀门5-2

单向密封阀门5-2是一种常用的只允许气流沿一个方向流动而不能反向流动的方向控制阀，其关闭时具有很好的密封性；

其功能只允许二氧化碳与聚能剂混合物进入燃烧爆炸室5-3。

*燃烧爆炸室5-3、

燃烧爆炸室5-3是爆燃射流器5上部的内腔；

其功能是作为二氧化碳与聚能剂发生爆燃的反应场所。

*定压泄能阀门5-4

定压泄能阀门5-4可选用爆破片或泄压阀；

其功能是当燃烧爆炸室5-3内的压力达到预定压力值时，定压泄能阀门打开，高压气体进入到旋转射流器5-7中。

*高压密封圈5-5、

高压密封圈5-5是一种常用的O型密封圈。

*气流振荡器5-6、

气流振荡器5-6是一种横置在旋转射流器5-7入口处，长方体并能沿长轴旋转的金属杆；

其功能是高压气体流经此处会带动其高速旋转，其自身旋转会引起高气体的极度紊流或振荡。

*旋转射流器5-7

旋转射流器5-7是一种高压气体射流过程中，由于射流气体产生的反作用力，使得射流器能够旋转地射流。

3、反应原料

1）二氧化碳

本装置所采用的二氧化碳为高纯度、高压液化或超临界二氧化碳。

2）聚能剂

本系统所采用的聚能剂为专利（ZL：2016102345373，CN：105884562 A）所公布的一种二氧化碳基强活性聚能剂，其制备方法均在其专利有详细说明。

3、工作原理

将不同尺寸聚能剂颗粒和二氧化碳经混合物生成器3和增压泵4注入燃烧爆炸室5-3，开启电火花点火器5-1，引燃二氧化碳与金属聚能剂发生氧化还原反应，并释放大量热量，使得二氧化碳快速膨胀和相变，从而产生瞬时高温高压。气体压力超过定压泄能阀门5-4额定压力后，二氧化碳迅速膨胀和相变，并进入气流振荡器5-6形成脉冲振荡气流，最终通过旋转射流器5-7产生高压定向旋转射流；控制聚能剂颗粒的尺寸分布和浓度，调节氧化还原反应速率，调整燃烧爆炸室内混合物的燃烧状态（燃烧或爆炸），从而控制二氧化碳聚能剂爆燃冲压相变时流体的温度和压力。