一种页岩压裂装置及方法与流程

本发明涉及一种页岩压裂装置及方法，是通过爆炸的方式实现页岩的压裂，进而增加页岩气释放的一种装置及方法。

背景技术：

针对目前环境污染的日益严重以及能源需求的剧增问题，全球急需清洁能源来替代传统的石油资源和煤炭资源。页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，其主要成分为甲烷，并且全球的储量较为可观。因此，页岩气的开发和利用是目前极其重要的课题之一。

我国页岩气的可采资源量居世界第一，虽然目前的勘探和开采程度较低，但是具有巨大的发展潜力，因此对页岩气的开发和利用是现有经济技术条件下天然气工业化勘探的重要目标。但是由于页岩天然连通孔隙率低，气流阻力比大，造成页岩气的释放率低。因此，为了提高页岩气的释放率，页岩气井都需要通过人工方法来增加周边围岩的裂缝和裂缝率。

目前人工压裂多数是采用水力压裂和节水压裂两种方法，水力压裂是用一种掺入大量化学物质的水灌入页岩层进行液压开裂以释放天然气的方法，但是这种压裂方法不仅浪费大量的水资源，还可能导致气井附近出现地下水软，破坏当地的生态环境，面临较大的环保风险。为了减少压裂过程中水资源的消耗量，有研究提出节水压裂方法，主要是通过向钻孔内注入高压的气液混合体（co2泡沫或n2泡沫）实现岩体开裂的一种方法，但是这种方法性能不易掌握，并且施工具有很大的难度。除此之外，这两种方法都是通过增加页岩页的天然贯通裂缝来实现页岩气的增产的，但实际上只有通过破碎页岩增加其比表面积才能从根本上提高页岩气的产量。

此外，也有研究采用炸药爆炸和热力开采的方法，但是炸药爆炸压裂方法操作复杂，再次爆炸需要重新填装炸药，装填药时存在较大的安全隐患，威胁作业人员的生命安全。如申请号：cn102168543a的《一种通过爆炸方式增加页岩气采收率的方法》和申请号：cn105804716a的《一种爆炸致裂抽采页岩气的方法及激裂弹》，它们做法是预先将炸药放到输药起爆装置中，再次爆炸时需要换填炸药，不可循环使用，同时炸药换填时存在很大困难。另外热力开采是近年来新兴的一种开采方法，但是这种方法采收率不高，并会使用大量的热力资源，前期投入成本大。如申请号：cn1508387的《煤层气的热力开采方法》，其主体思想是采用的微波发生器对水加热，以加热水产生的热量压裂开采层。但是这种方法会导致热量的大量流失，造成资源的浪费。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种页岩压裂装置及方法，通过钻孔形成一个爆炸空间，利用在钻杆上设置的通道向爆炸空间输送混合气引爆，然后再退杆实现连续爆炸，可以灵活地改变爆炸区的范围，实现随钻随爆；并且能循环使用，操作简便，成本低。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种页岩压裂装置，包括圆形掘进钻头盘，在圆形掘进钻头盘的前端面设置有刀架，刀架径向外侧端部伸出圆形掘进钻头盘径向侧壁，刀架上分布设置有滚刀钻头，在圆形掘进钻头盘后面连接跟随有柔性钻杆，柔性钻杆连接至地面工作站，柔性钻杆带动圆形掘进钻头盘转动，其中，环绕圆形掘进钻头盘径向侧壁设置有凹槽，凹槽中设置有用于密封的可充气鼓起的防暴气囊，在圆形掘进钻头盘前端面中央区域设置有引爆气体出口、引爆点火嘴以及引爆气体检测探头，在圆形掘进钻头盘后端面中央区域分别设置有与引爆气体出口、引爆点火嘴、引爆气体检测探头以及防暴气囊相连接的相应接口，在柔性钻杆中设置有引爆气体注入管道、引爆点火电缆、引爆气体检测缆以及惰性气充气管道，通过相应接口，所述引爆气体注入管道与引爆气体出口连接、引爆点火电缆与引爆点火嘴连接、引爆气体检测缆与引爆气体检测探头连接、惰性气充气管道与防暴气囊连接，在地面工作站设置有惰性气储罐、引爆气储罐和引爆控制器，惰性气充气管道通过送气泵和抽气泵连接惰性气储罐，引爆气体注入管道连接引爆气储罐，引爆控制器分别连接惰性气储罐阀门、引爆气储罐阀门以及引爆点火电缆和引爆气体检测缆。

方案进一步是：所述惰性气是氮气，所述引爆气体是氧气。

方案进一步是：所述引爆气体检测探头的探测信号经信号放大电路连接所述引爆控制器，所述信号放大电路串接在引爆气体检测缆中与相应接口连接端侧。

方案进一步是：所述引爆点火嘴是电点火嘴，电点火嘴连接一个电点火起爆电路，所述电点火起爆电路串接在引爆点火电缆中与相应接口连接端侧。

方案进一步是：所述防暴气囊是阻燃布气囊，在阻燃布外侧设置有金属保护网。

一种页岩压裂方法，是基于上述页岩压裂装置的方法，装置在确定的压裂区域范围内实施爆裂，其特征在于，所述方法包括：

第一步：开启抽气泵将防暴气囊中的气体抽出使其处于扁状贴附在环绕圆形掘进钻头盘侧壁设置的凹槽中，然后断开连接将惰性气充气管道端口密封；同时：断开引爆控制器与引爆点火电缆和引爆气体检测缆的连接，断开引爆气体注入管道与引爆气储罐的连接，启动柔性钻杆带动圆形掘进钻头盘转动钻进，直至压裂区域；

第二步：保持柔性钻杆带动圆形掘进钻头盘转动钻进，当钻进到了设定的爆炸压裂长度后停止钻进，后移圆形掘进钻头盘留出爆裂区长度空间；

第三步：将引爆控制器与引爆点火电缆和引爆气体检测缆建立连接，将惰性气充气管道通过送气泵和抽气泵与惰性气储罐建立连接，将引爆气体注入管道与引爆气储罐建立连接；

第四步：向防爆气囊内注入惰性气体使其膨胀至钻孔壁将爆裂区长度空间与外界密封；

第五步：通过引爆气体检测探头检测爆裂区长度空间内的可引爆气体浓度是否达到爆炸条件，如果浓度未达到爆炸条件，引爆气储罐通过引爆气体注入管道向爆裂区长度空间内送入引爆气体直至达到爆炸条件；

第六步：启动电点火起爆电路通过引爆点火嘴引燃引爆气体在爆裂区长度空间内爆炸实现对页岩的压裂；

第七部：开启抽气泵将防暴气囊中的气体抽出使其处于扁状贴附在环绕圆形掘进钻头盘侧壁设置的凹槽中，然后断开连接将惰性气充气管道端口密封；同时：断开引爆控制器与引爆点火电缆和引爆气体检测缆的连接，断开引爆气体注入管道与引爆气储罐的连接，启动柔性钻杆带动圆形掘进钻头盘转动钻进，返回第二步连续实施爆炸直至在确定的压裂区域范围内实施爆裂完成。

方案进一步是：所述防暴气囊是阻燃布气囊，在阻燃布外侧设置有金属保护网。

方案进一步是：所述爆炸条件是根据爆炸等级确定的爆炸条件。

方案进一步是：所述惰性气是氮气，所述引爆气体是氧气。

方案进一步是：所述引爆气体检测探头的探测信号经信号放大电路连接所述引爆控制器，所述信号放大电路串接在引爆气体检测缆中与相应接口连接端侧；所述引爆点火嘴是电点火嘴，电点火嘴连接一个电点火起爆电路，所述电点火起爆电路串接在引爆点火电缆中与相应接口连接端侧。

本发明与当前国内外页岩气开采方法相比具有如下显著的技术优势：

（1）与传统人工压裂的方式相比，通过此方式实现页岩的压裂，能显著改善页岩的压裂效果，实现有效提高页岩吸附气体释放量的目标。

（2）通过使用圆形掘进钻头和防爆气囊，可以灵活地改变爆炸区的范围，实现随钻随爆；并且能循环使用，操作简便，成本低。

（3）通过浓度实时显示仪控制氧气的注入量，可以准确地控制爆炸的效果。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

附图说明

图1是本装置整体结关系构示意图；

图2是圆形掘进钻头正面示意图；

图3圆形掘进钻头侧面示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种页岩压裂装置，如图1、图2和图3所示，所述页岩压裂装置包括圆形掘进钻头盘1，与传统钻具相同，在圆形掘进钻头盘的前端面设置有刀架2，刀架径向外侧端部201伸出圆形掘进钻头盘径向端部侧壁102，刀架上分布设置有滚刀钻头3和刮刀4，在圆形掘进钻头盘后面连接跟随有柔性钻杆5，柔性钻杆连接至地面工作站，柔性钻杆带动圆形掘进钻头盘转动，与传统钻具不同的是：环绕圆形掘进钻头盘径向侧端部壁设置有凹槽103，凹槽中设置有用于密封的可充气鼓起的防暴气囊6，在圆形掘进钻头盘前端面中央区域设置有引爆气体出口7、引爆点火嘴8以及引爆气体检测探头9，在圆形掘进钻头盘后端面中央区域分别设置有引爆气体出口接口10、引爆点火嘴接口11、引爆气体检测探头接口12以及防暴气囊接口13，引爆气体出口接口10穿过圆形掘进钻头盘连接引爆气体出口7，引爆点火嘴接口11连接引爆点火嘴8，引爆气体检测探头接口12连接引爆气体检测探头9，防暴气囊接口13连接防暴气囊6；在柔性钻杆中设置轴孔501，轴孔中铺设有引爆气体注入管道14、引爆点火电缆15、引爆气体检测缆16以及惰性气充气管道17，通过相应接口，所述引爆气体注入管道与引爆气体出口连接、引爆点火电缆与引爆点火嘴连接、引爆气体检测缆与引爆气体检测探头连接、惰性气充气管道与防暴气囊连接，在地面工作站18设置有惰性气储罐19、引爆气体储罐20和引爆控制器21，惰性气充气管道通过送气泵22和抽气泵23连接惰性气储罐19，引爆气体注入管道连接引爆气体储罐20，引爆控制器21分别连接惰性气储罐阀门19-1、引爆气储罐阀门20-1以及引爆点火电缆和引爆气体检测缆，当然地面工作站中还有驱动柔性钻杆转动的驱动设备。

其中：所述惰性气有多种，实施例优先选择的是氮气，所述引爆气体优先选择的是氧气。

实施例中：所述引爆气体检测探头的探测信号经信号放大电路连接所述引爆控制器，所述信号放大电路串接在引爆气体检测缆中与相应接口连接端侧，也就是说是引爆气体检测缆靠近接口端侧。并且，所述引爆点火嘴是电点火嘴，电点火嘴连接一个电点火起爆电路，所述电点火起爆电路串接在引爆点火电缆中与相应接口连接端侧，也就是说是引爆点火电缆靠近接口端侧。

作为实施例中的所述防暴气囊可以使用阻燃的帆布或玻璃丝布涂覆石棉制作的气囊，在阻燃布外侧设置有金属保护网，以保护气囊从边沿向后流动的钻下来的石料不会划伤气囊，图3示意的防暴气囊是在一种收缩的状态。

实施例2：

一种页岩压裂方法，由于页岩气的主要成分为ch4，当混入o2并满足一定的比例条件，一旦碰见火花，混合气体将产生爆炸。页岩气井钻孔完成后，气井周边页岩中的页岩气会得到初步释放。通过一定的措施可以使页岩气井形成一个密闭空间，并向密闭空间中注入满足爆炸条件的o2量，然后点火使密闭空间爆炸，从而压裂周边页岩，为此有了实施例1所述的页岩压裂装置；本实施例方法是基于实施例1所述页岩压裂装置的方法，因此，实施例1中的内容应视为是本实施例内容的一部分，所述装置在确定的压裂区域范围内实施爆裂，所述方法包括：

第一步：开启抽气泵将防暴气囊中的气体抽出使其处于扁状贴附在环绕圆形掘进钻头盘侧壁设置的凹槽中，然后断开连接将惰性气充气管道端口密封；同时：断开引爆控制器与引爆点火电缆和引爆气体检测缆的连接，断开引爆气体注入管道与引爆气储罐的连接，启动柔性钻杆带动圆形掘进钻头盘转动钻进，直至压裂区域；

第二步：保持柔性钻杆带动圆形掘进钻头盘转动钻进，当钻进到了设定的爆炸压裂长度后停止钻进，后移圆形掘进钻头盘，如图1所示，留出爆裂区长度空间24；

第三步：将引爆控制器与引爆点火电缆和引爆气体检测缆建立连接，将惰性气充气管道通过送气泵和抽气泵与惰性气储罐建立连接，将引爆气体注入管道与引爆气储罐建立连接；

第四步：向防爆气囊内注入惰性气体使其膨胀至钻孔壁将爆裂区长度空间与外界密封；

第五步：通过引爆气体检测探头检测爆裂区长度空间内的可引爆气体浓度是否达到爆炸条件，如果浓度未达到爆炸条件，引爆气储罐通过引爆气体注入管道向爆裂区长度空间内送入引爆气体直至达到爆炸条件；

第六步：启动电点火起爆电路通过引爆点火嘴引燃引爆气体在爆裂区长度空间内爆炸实现对页岩的压裂；

第七部：开启抽气泵将防暴气囊中的气体抽出使其处于扁状贴附在环绕圆形掘进钻头盘侧壁设置的凹槽中，然后断开连接将惰性气充气管道端口密封；同时：断开引爆控制器与引爆点火电缆和引爆气体检测缆的连接，断开引爆气体注入管道与引爆气储罐的连接，启动柔性钻杆带动圆形掘进钻头盘转动钻进，返回第二步连续实施爆炸直至在确定的压裂区域范围内实施爆裂完成。

实施例中：所述爆炸条件是根据爆炸等级确定的爆炸条件；也就是说，通过此方法根据爆裂的程度需要，调整爆裂区长度空间内的可引爆气体浓度，使其在达到爆裂程度需要的条件下引爆。该方法可以通过浓度实时显示仪控制氧气的注入量，可以准确地控制爆炸的效果。

与实施例1相同：所述防暴气囊是阻燃布气囊，在阻燃布外侧设置有金属保护网。并且：所述惰性气是氮气，所述引爆气体是氧气。所述引爆气体检测探头的探测信号经信号放大电路连接所述引爆控制器，所述信号放大电路串接在引爆气体检测缆中与相应接口连接端侧。所述引爆点火嘴是电点火嘴，电点火嘴连接一个电点火起爆电路，所述电点火起爆电路串接在引爆点火电缆中与相应接口连接端侧。