[發明專利]一種激光和水射流技術相結合的開采頁巖氣裝置及方法

有效

• 申請號: 201611069019.7
• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN106437633B
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 劉勝;占必紅;李曉紅;李根生;廖道坤
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: E21B43/00
• 分類號: E21B43/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 魏波

技術領域

本發明屬于頁巖氣開采技術領域，涉及一種頁巖氣開采裝置及方法，具體涉及一種利用激光和水射流技術相結合的開采頁巖氣裝置及方法。

背景技術

隨著油氣資源的日趨緊缺和對于能源安全的考慮，頁巖氣這一能夠有效緩解世界能源壓力的非常規天然氣資源，正在被世界各國所追捧，已成為世界能源研究的熱點之一，其開發和利用越來越多地得到世界各國的重視。頁巖氣是寶貴的資源、優質的能源和化工原料，可作為常規天然氣的接替能源或補充能源。世界頁巖氣資源很豐富，但目前還沒有廣泛地勘探與開發，其根本原因是頁巖基質滲透率很低（一般小于1mD），勘探開發技術要求高，難度大。

頁巖氣是賦存于暗色泥頁巖層或高碳泥頁巖層中的天然氣，它可以生成于有機成因的各種各個階段，天然氣一部分以游離相態（大約50％）存在于頁巖層裂縫、頁巖層孔隙及其它儲集空間，另一部分以吸附狀態（大約50％）存在于干酪根、粘土顆粒及粘土孔隙表面。

全球對頁巖氣的開發尚處于早期階段，美國已經建成了較大規模的頁巖氣產能，我國作為全球頁巖氣最多的國家之一，但頁巖氣開發尚未起步，且我國頁巖氣普遍埋藏較深，進一步增加了開發難度。

現有頁巖氣開采的主要是依靠其自身解吸，采氣一段時間后，頁巖氣的產量急劇降低，頁巖氣開采的效果不理想，產量低、產量不穩定，不能達到工業開發標準。頁巖氣開采產氣量低的原因主要是：與常規天然氣相比，頁巖氣的儲存方式以吸附為主、儲層能量低（壓力低）、滲透性差，頁巖氣的產出過程是先解吸，然后在孔隙介質中滲流。僅依靠自身解吸較難獲得很高的產氣量和采收率，必須尋找和研究提高開采速度(或日產氣量) 和采收率的新方法。

為了提高頁巖氣的采收率，可在頁巖氣開產量低于工業開發標準（單井1000立方米/日）時，采取增產措施。現有的增產措施主要采用水力壓裂進行儲層改造。水力壓裂技術，包括清水壓裂技術、多段壓裂技術、同步壓裂技術、重復壓裂技術等，是目前唯一可以開啟頁巖氣礦藏的金鑰匙，使頁巖氣產量有了突飛猛進的增長。它主要使用含砂的水，其中砂作為支撐劑，此外還有2%或更少的化學增強劑。其原理是通過地面泵車將壓裂液泵入到井底，當高壓液體注入鉆井并使巖層裂開后，高壓液體中的支撐劑可以保持住裂縫，使其成為油氣導向鉆井的高速滲透通道。一方面循環壓裂液的凈化不妥可能會造成嚴重的環境問題，因為水力壓裂技術應用于工業，眾所周知，會使用大量水和造成水污染問題，化學污染，甲烷污染等。另一方面，這種方法雖然增加了滲流通道，使部分解吸的頁巖氣流出，但沒有從根本上加速吸附態頁巖氣的解吸，增產效果有限。同時，大部分頁巖氣埋藏較深，采用水力壓裂法需要提供足夠大的壓力。導致設備投資大、運行費用高，限制了其廣泛應用。

此外，還有一種針對頁巖氣的增產方法：CO2 吸附法，該方法是利用CO2 具有比甲烷（CH4）高的吸附性，向頁巖層注入CO2，排擠甲烷或改變其吸附特性。這種方法還必須適當地降壓，在降壓過程中CH4 解吸，CO2 具有強吸附性而占據CH4 的位置，從而使CH4 保持游離狀態。具體過程是：生產井開頁巖氣井降壓，注入井注入CO2，降壓后CH4 解吸為游離狀態，CO2吸附。然后增加注入壓力，CH4 沿頁巖層孔隙流動從氣井產出。按照上述方法生產一段時間后，再次降壓，進行下一個循環的注入和產出。但由于降壓過程在生產井，而CO2 是在注入井注入，導致CH4 與CO2 的競爭可能不同時發生，另外由于升壓與降壓的反復循環，縮短了頁巖氣生產的有效時間，因此也不能很大幅度地提高日產氣量。且此增產方法設備復雜，制備成本極高，也使其僅停留于實驗室研究階段。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種激光和水射流技術相結合的開采頁巖氣的新方法，充分發揮激光技術與水射流技術的優勢，解決了開采頁巖氣效率低、開采頁巖氣過程中產生的環境污染、井底能量不足而導致的開采深度低的難題，實現了頁巖氣的高效、清潔生產，保障國家能源戰略安全。

本發明的裝置所采用的技術方案是：一種激光和水射流技術相結合的開采頁巖氣裝置，其特征在于：包括能量光纖、并排連接扣、水射流槍頭、激光頭保持架、激光頭、水射流槍頭保持架；

所述能量光纖與激光頭相連接，由能量光纖傳輸激光能量至激光頭，激光頭作為激光束的輸出口；所述激光頭保持架安裝在能量光纖和激光頭之間；

所述水射流槍頭保持架安裝在所述水射流槍頭上，用于射出活性液體；

所述水射流槍頭保持架和激光頭保持架通過并排連接扣并排連接在一起，實現水射流和激光協同有序操作。