一种激光和水射流技术相结合的开采页岩气装置及方法 |
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| 申请号 | CN201611069019.7 | 申请日 | 2016-11-29 | 公开(公告)号 | CN106437633A | 公开(公告)日 | 2017-02-22 |
| 申请人 | 武汉大学; | 发明人 | 刘胜; 占必红; 李晓红; 李根生; 廖道坤; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种激光和 水 射流技术相结合的开采 页岩 气装置及方法，装置主要包括激光头和水射流枪头等。激光头发出可控 能量 激光，水射流枪头射出活性液体，水射流枪头将活性液体射到 岩石 表面，利用激光对活性液体进行加热产生局部升温和热反应液体，在液体中产生爆炸性化学反应，产生高压来压碎岩石，使页岩颗粒更小，释放更多的页岩气。从而实现快速破页岩，高效获取页岩气的目的。该方法可代替目前所用的水 力 压裂破岩方式，工作效率可大幅提升，可实现页岩气的高效开采。所用活性液体不含化学增强剂和其他污染 试剂 ，不会造成水污染，化学污染，甲烷污染等环境问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种激光和水射流技术相结合的开采页岩气装置，其特征在于：包括能量光钎（1）、并排连接扣（2）、水射流枪头（4）、激光头保持架（5）、激光头（6）、水射流枪头保持架（13）； |
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| 说明书全文 | 一种激光和水射流技术相结合的开采页岩气装置及方法技术领域[0001] 本发明属于页岩气开采技术领域，涉及一种页岩气开采装置及方法，具体涉及一种利用激光和水射流技术相结合的开采页岩气装置及方法。 背景技术[0002] 随着油气资源的日趋紧缺和对于能源安全的考虑，页岩气这一能够有效缓解世界能源压力的非常规天然气资源，正在被世界各国所追捧，已成为世界能源研究的热点之一，其开发和利用越来越多地得到世界各国的重视。页岩气是宝贵的资源、优质的能源和化工原料，可作为常规天然气的接替能源或补充能源。世界页岩气资源很丰富，但目前还没有广泛地勘探与开发，其根本原因是页岩基质渗透率很低(一般小于1mD)，勘探开发技术要求高，难度大。 [0003] 页岩气是赋存于暗色泥页岩层或高碳泥页岩层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种各个阶段，天然气一部分以游离相态(大约50％)存在于页岩层裂缝、页岩层孔隙及其它储集空间，另一部分以吸附状态(大约50％)存在于干酪根、粘土颗粒及粘土孔隙表面。 [0004] 全球对页岩气的开发尚处于早期阶段，美国已经建成了较大规模的页岩气产能，我国作为全球页岩气最多的国家之一，但页岩气开发尚未起步，且我国页岩气普遍埋藏较深，进一步增加了开发难度。 [0005] 现有页岩气开采的主要是依靠其自身解吸，采气一段时间后，页岩气的产量急剧降低，页岩气开采的效果不理想，产量低、产量不稳定，不能达到工业开发标准。页岩气开采产气量低的原因主要是：与常规天然气相比，页岩气的储存方式以吸附为主、储层能量低(压力低)、渗透性差，页岩气的产出过程是先解吸，然后在孔隙介质中渗流。仅依靠自身解吸较难获得很高的产气量和采收率，必须寻找和研究提高开采速度(或日产气量)和采收率的新方法。 [0006] 为了提高页岩气的采收率，可在页岩气开产量低于工业开发标准(单井1000立方米/日)时，采取增产措施。现有的增产措施主要采用水力压裂进行储层改造。水力压裂技术，包括清水压裂技术、多段压裂技术、同步压裂技术、重复压裂技术等，是目前唯一可以开启页岩气矿藏的金钥匙，使页岩气产量有了突飞猛进的增长。它主要使用含砂的水，其中砂作为支撑剂，此外还有2％或更少的化学增强剂。其原理是通过地面泵车将压裂液泵入到井底，当高压液体注入钻井并使岩层裂开后，高压液体中的支撑剂可以保持住裂缝，使其成为油气导向钻井的高速渗透通道。一方面循环压裂液的净化不妥可能会造成严重的环境问题，因为水力压裂技术应用于工业，众所周知，会使用大量水和造成水污染问题，化学污染，甲烷污染等。另一方面，这种方法虽然增加了渗流通道，使部分解吸的页岩气流出，但没有从根本上加速吸附态页岩气的解吸，增产效果有限。同时，大部分页岩气埋藏较深，采用水力压裂法需要提供足够大的压力。导致设备投资大、运行费用高，限制了其广泛应用。 [0007] 此外，还有一种针对页岩气的增产方法：CO2吸附法，该方法是利用CO2具有比甲烷(CH4)高的吸附性，向页岩层注入CO2，排挤甲烷或改变其吸附特性。这种方法还必须适当地降压，在降压过程中CH4解吸，CO2具有强吸附性而占据CH4的位置，从而使CH4保持游离状态。具体过程是：生产井开页岩气井降压，注入井注入CO2，降压后CH4解吸为游离状态，CO2吸附。 然后增加注入压力，CH4沿页岩层孔隙流动从气井产出。按照上述方法生产一段时间后，再次降压，进行下一个循环的注入和产出。但由于降压过程在生产井，而CO2是在注入井注入，导致CH4与CO2的竞争可能不同时发生，另外由于升压与降压的反复循环，缩短了页岩气生产的有效时间，因此也不能很大幅度地提高日产气量。且此增产方法设备复杂，制备成本极高，也使其仅停留于实验室研究阶段。 发明内容[0008] 本发明的目的在于提供了一种激光和水射流技术相结合的开采页岩气的新方法，充分发挥激光技术与水射流技术的优势，解决了开采页岩气效率低、开采页岩气过程中产生的环境污染、井底能量不足而导致的开采深度低的难题，实现了页岩气的高效、清洁生产，保障国家能源战略安全。 [0009] 本发明的装置所采用的技术方案是：一种激光和水射流技术相结合的开采页岩气装置，其特征在于：包括能量光钎、并排连接扣、水射流枪头、激光头保持架、激光头、水射流枪头保持架； [0010] 所述能量光钎与激光头相连接，由能量光钎传输激光能量至激光头，激光头作为激光束的输出口；所述激光头保持架安装在能量光钎和激光头之间； [0011] 所述水射流枪头保持架安装在所述水射流枪头上，用于射出活性液体； [0012] 所述水射流枪头保持架和激光头保持架通过并排连接扣并排连接在一起，实现水射流和激光协同有序操作。 [0014] 本发明的方法所采用的技术方案是：一种激光和水射流技术相结合的开采页岩气方法，其特征在于：由水射流枪头射出活性液体，使活性液体覆盖在页岩层上；由激光器产生可控的高能激光，经能量光钎传输至激光头，经激光头聚焦后激光束作用于活性液体上，使活性液体产生局部升温和热反应液体，在液体中产生爆炸性化学反应，产生高压来压碎岩石，其所压碎的岩石颗粒更细，破岩速度快，释放页岩气的量更大；同时用高速活性液体将破碎岩石清除，实现高速破岩，大幅提升页岩气开采效率。 [0015] 作为优选，所述活性液体为中性活性液体，对环境无污染，属于清洁型液体。 [0016] 作为优选，所述激光器采用飞秒激光器、皮秒激光器或纳秒激光器，且能量输出可控。 [0017] 本发明的水射流枪头上安装有高度灵敏的气体传感器，温度传感器、微型摄像头，探照灯等；之所以安装在水射流枪头上而非激光头保持架上，其原因在于激光头保持架在激光工作时温度较高，无法保证气体传感器、温度传感器、微型摄像头、探照灯等的正常工作。 [0018] 本发明的水射流枪头上安装的气体传感器用来感知岩石中页岩气的强弱，以便寻找页岩气浓度较高的地方进行激光水射流破岩取气；所述水射流枪头上安装的温度传感器用来检测破岩区域的温度，此温度设置为页岩气流动的最佳温度，当温度过高时，激光束减小输出功率，使温度降低；当温度较低时，增强激光功率，使温度升高，始终保持破岩区的温度；水射流枪头上安装的微型摄像头用来实时观测激光水射流爆破开采页岩气过程中的情况；水射流枪头上安装的探照灯用来提供一定的光源使得微型摄像头能够看清激光水射流破岩过程中的实时情况。 [0019] 随着飞秒激光、皮秒激光、纳秒激光研制的成功及技术的不断成熟，可靠性及稳定性都能得到很好的保证，可控性进一步增强，性价比大幅提升。同时，随着微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)技术的发展，激光器的体积可不断小型化，这些都潜在的促进了激光应用于页岩气的开采。 [0020] 本发明提出一种激光和水射流技术相结合的开采页岩气的新方法，两种方法优势互补，通过激光作用活性液体，在液体中产生爆炸性化学反应来达到快速、大面积破页岩的目的，大大提高页岩气的开采效率。附图说明 [0021] 图1为本发明实施例的装置示意图。 具体实施方式[0022] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。 [0023] 请见图1，本发明提供的一种激光和水射流技术相结合的开采页岩气装置，包括能量光钎1、并排连接扣2、水射流枪头4、激光头保持架5、激光头6、探照灯7、气体传感器8、活性液体9、温度传感器10、微型摄像头11、激光束12、水射流枪头保持架13。能量光钎1与激光头6相连接，激光头保持架5安装在能量光钎1和激光头6之间。由能量光钎1传输激光能量至激光头6，激光头6作为激光束12的输出口。水射流枪头保持架13上安装有探照灯7，气体传感器8，温度传感器10以及微型摄像头11；水射流枪头保持架13和激光头保持架5通过并排连接扣2并排连接在一起，实现水射流和激光协同有序操作。气体传感器8用来检测页岩3中所释放页岩气的浓度大小，以便寻找页岩气浓度较高的地方进行激光水射流局部爆破取气，大大提高开采页岩气的准度和效率；温度传感器10用来监测所破页岩3区域的温度，温度设置为页岩气流动的最佳温度，当温度过高时，激光束12停止输出；当温度偏低时，增强激光束12输出功率，保持破岩区温度的稳定；微型摄像头11用来实时观测激光水射流爆破开采页岩气过程中的情况，以便进行实时控制；探照灯7用来提供光源使得微型摄像头11能清楚的观测激光水射流爆破开采页岩气过程中的情况。 [0024] 水射流枪头4射出活性液体9，使活性液体9覆盖在页岩3表面；激光器产生可控的高能激光，经能量光钎1传输至激光头6，高能激光经激光头6聚焦后作用于活性液体9上，使活性液体产生局部升温和热反应液体，在液体中产生爆炸性化学反应，产生高压来压碎页岩3，使页岩3成为颗粒细小的碎石，从而释放其中所蕴含的页岩气，水射流枪头4射出的高速活性液体9将由爆炸产生压力而破碎的页岩碎石清除，实现高速破岩、高效采气。经温度传感器10检测、水射流枪头4喷射活性液体9、激光头6聚焦后作用于活性液体9、页岩3爆炸、获取页岩气等循环，重复以上步骤进行页岩气的开采。本发明所采用的方法之所以没有直接利用激光的热效应加热岩石3，对岩石3进行热力破坏，原因在于对页岩进行热力学破坏的同时，可能会伴随有页岩3中页岩气发生的化学变化和物理变化，从而会大大降低页岩气的开采效率。用高速活性液体9将由爆炸产生压力而破碎的页岩3清除，实现高速爆破页岩3，大幅提升页岩气开采效率。 [0025] 本发明解决了页岩气开采效率低、井底能量不足而导致的开采深度低、因传统开采页岩气而导致的环境污染等问题。不需要高压流体的作用，也无需掺杂有化学物质的流体。 |
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