一种页岩频谱共振储层的改造装置及其工作方法与流程

本发明页岩气储层改造的技术领域，具体地涉及一种页岩频谱共振储层的改造装置，以及该装置的工作方法。

背景技术：

页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料和化工生产等，用途广泛。页岩气生产过程中一般无需排水，生产周期长，一般为30年～50年，勘探开发成功率高，具有较高的工业经济价值。我国页岩气资源潜力大，初步估计我国页岩气可采资源量在25万亿立方米。

页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点——大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。但页岩气储集层渗透率低，开采难度较大。随着世界能源消费的不断攀升，包括页岩气在内的非常规能源越来越受到重视。美国和加拿大等国已实现页岩气商业性开发。页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大，所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来。另一方面，页岩气采收率比常规天然气低，常规天然气采收率在60％以上，而页岩气仅为5％～60％。低产影响着人们对它的热衷，美国已经有一些先进技术可以提高页岩气井的产量。中国页岩气藏的储层与美国相比有所差异，如四川盆地的页岩气层埋深要比美国的大，美国的页岩气层深度在800～2600米，而四川盆地的页岩气层埋深在2000～3500米。页岩气层深度的增加无疑在我们本不成熟的技术上又增添了难度。

随着技术的进步，页岩气井压裂措施的费用也逐步降低。水平井是页岩气藏成功开发的另一关键因素。根据美国经验，水平井的日均产气量及最终产气量是垂直井的3-5倍，产气速率则提高10倍，而水平井的成本则不足垂直井的2-4倍。因此，水平井的推广应用加速了页岩气的开发进程。由于页岩气发育规模较大、单口井的控制可采储量高(可达6千万方)，采取措施后的单井日产量可达3万方。加之页岩气井的产量递减率低，容易实现30-50年的稳产时间，因此能实现相对的高产的经济价值。

目前页岩气的开采技术主要包括水平井钻完井技术和分段压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术及最新的同步压裂技术，这些技术正不断提高着页岩气井的产量。

页岩气勘探开发已在美国取得成功,而国内页岩气的研究还处于起步阶段,但作为一种潜力巨大的非常规能源,正逐渐受到国家相关机构和各石油公司的重视。页岩气储层改造技术的研究一直是开发人员研究的热点和重点。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种页岩频谱共振储层的改造装置，其能够有效地提高页岩的渗透率，从而达到改善储层渗透率的目的。

本发明的技术解决方案是：这种页岩频谱共振储层的改造装置，其包括地面电源与控制系统、铠装电缆、伺服控制机构、井下频谱共振单元；地面电源与控制系统包括电源和主控单元，井下频谱共振单元包括高压脉冲发生器、爆炸丝和触发电路；主控单元通过铠装电缆与井下的高压脉冲发生器连接，主控单元将电源的电压变为可调电压来驱动井下的高压脉冲发生器，使与高压脉冲发生器相连的触发电路的内部电容充满电能，爆炸丝通过伺服控制机构送至与内部电容一定距离，主控单元驱动触发电路的内部电容放电，在放电脉冲的控制下使爆炸丝通过瞬间高压大电流，发生频谱共振。

还提供了一种页岩频谱共振储层的改造装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)在页岩井上布置电源、主控单元、伺服控制机构；

(2)在页岩井打下套管，主控单元连接铠装电缆，通过铠装电缆将井下频谱共振单元下入页岩井内；

(3)主控单元将电源的电压变为可调电压来驱动井下的高压脉冲发生器，使与高压脉冲发生器相连的触发电路的内部电容充满电能；

(4)爆炸丝通过伺服控制机构送至与内部电容一定距离；

(5)主控单元驱动触发电路的内部电容放电，在放电脉冲的控制下使爆炸丝通过瞬间高压大电流，发生频谱共振。

本发明通过主控单元将电源的电压变为可调电压来驱动井下的高压脉冲发生器，使与高压脉冲发生器相连的触发电路的内部电容充满电能，爆炸丝通过伺服控制机构送至与内部电容一定距离，主控单元驱动触发电路的内部电容放电，在放电脉冲的控制下使爆炸丝通过瞬间高压大电流，发生频谱共振，此时，地下受到电爆炸冲击振动的部分页岩中，由于其本身具有很多的页理面，在应力的作用下，会使其沿层理面，继续产生微小裂隙，并不断向远端延伸。这样就可以有效地提高该部分页岩的渗透率，从而达到改善储层渗透率的目的。

附图说明

图1示出了根据本发明的页岩频谱共振储层的改造装置的结构示意图。

图2示出了高压脉冲发生器的原理图。

图3示出了marx发生器原理图。

图4示出了s²bm发生器原理图。

图5示出了系统整体框图。

图6示出了根据本发明的页岩频谱共振储层的改造装置的一个优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

从图1中可以看出，这种页岩频谱共振储层的改造装置，其包括地面电源与控制系统、铠装电缆、伺服控制机构、井下频谱共振单元；地面电源与控制系统包括电源和主控单元，井下频谱共振单元包括高压脉冲发生器、爆炸丝和触发电路；主控单元通过铠装电缆与井下的高压脉冲发生器连接，主控单元将电源的电压变为可调电压来驱动井下的高压脉冲发生器，使与高压脉冲发生器相连的触发电路的内部电容充满电能，爆炸丝通过伺服控制机构送至与内部电容一定距离，主控单元驱动触发电路的内部电容放电，在放电脉冲的控制下使爆炸丝通过瞬间高压大电流，发生频谱共振。

本发明通过主控单元将电源的电压变为可调电压来驱动井下的高压脉冲发生器，使与高压脉冲发生器相连的触发电路的内部电容充满电能，爆炸丝通过伺服控制机构送至与内部电容一定距离，主控单元驱动触发电路的内部电容放电，在放电脉冲的控制下使爆炸丝通过瞬间高压大电流，发生频谱共振，此时，地下受到电爆炸冲击振动的部分页岩中，由于其本身具有很多的页理面，在应力的作用下，会使其沿层理面，继续产生微小裂隙，并不断向远端延伸。这样就可以有效地提高该部分页岩的渗透率，从而达到改善储层渗透率的目的。

另外，所述爆炸丝为金属丝或者金属箔片。

另外，如图3所示，所述高压脉冲发生器为marx发生器，其包括引燃管、闸流管、真空触发开关、火花隙和伪火花开关。marx发生器是一种脉冲电源的典型电路结构，对比传统整流逆变脉冲电源，其结构简单，扩展性高，对输入电压等级要求低等优点使得它在诸多需求高脉冲功率技术的场合都有着广泛的应用。

图3中cn为储能电容，s为高压开关，r、z为限流电阻，vdc为充电电源。

marx发生器实现能量压缩和高电压输出的原理是控制储能电容在工作过程中并联充电、串联放电。传统的marx发生器常使用气体开关作为主开关器件，主要包括引燃管(ignitron)、闸流管(thyratron)、真空触发开关(tvs)、火花隙(sparkgap)和伪火花开关(pss)等，可以获得数百千伏的高压脉冲输出。尽管此类开关的耐压可以达到上百千伏，但是体积、重量较大，加工、安装复杂，工作过程中电极的烧蚀等缺陷限制了marx发生器的寿命，降低了脉冲重复频率，并且需要配备专用的开关触发电路和稀有气体供应设备。

另外，如图4所示，所述高压脉冲发生器为s²bm发生器。

s²bm(solid-statebipolarmarx)发生器是以marx发生器为基本模型，采用半导体开关作为主要开关，通过结构的调整以及优化，实现输出脉冲多参数可调、脉冲极性可变等需求。其原理图如图4所示。

本项目设计的页岩频谱共振发生器采用s²bm高压脉冲发生器，系统分为两个部分，井上部分和井下部分。井上部分为地面电源与控制系统，利用220v(或者380v)市电经过整流之后为井下部分提供电源(根据需要时候需要进行升压)，同时主控电路也放置在井上；井下部分放置s²bm发生器、爆炸丝和触发电路，实现脉冲产生，其主要结构如图4所示。基于页岩频谱共振储层改造系统组成装置示意图如图5所示。

另外，如图6所示，该改造装置还包括电流检测单元，其与触发电路的内部电容相连来检测触发电路的内部电容是否充满电能。图6中：1、地面电源与控制系统2、铠装电缆3、套管4、电流检测单元5、发射换能器6、射孔孔眼

另外，在页岩处打下套管，主控单元连接铠装电缆，通过铠装电缆将井下频谱共振单元下入页岩井内。

另外，电源包括整流部分，输出的交流电经过整流部分后由主控单元控制。

还提供了一种页岩频谱共振储层的改造装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)在页岩井上布置电源、主控单元、伺服控制机构；

(2)在页岩井打下套管，主控单元连接铠装电缆，通过铠装电缆将井下频谱共振单元下入页岩井内；

(3)主控单元将电源的电压变为可调电压来驱动井下的高压脉冲发生器，使与高压脉冲发生器相连的触发电路的内部电容充满电能；

(4)爆炸丝通过伺服控制机构送至与内部电容一定距离；

(5)主控单元驱动触发电路的内部电容放电，在放电脉冲的控制下使爆炸丝通过瞬间高压大电流，发生频谱共振。

另外，所述步骤(3)中，电流检测单元与触发电路的内部电容相连，来检测触发电路的内部电容是否充满电能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。