本發(fā)明屬于頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域，具體涉及一種用于頁巖氣開發(fā)的CO₂粉化開采技術(shù)。

背景技術(shù)：

我國有豐富的頁巖氣儲量及可開發(fā)量，借助于水平井和水力壓裂技術(shù)可以進行工業(yè)開發(fā)。然而，水力壓裂技術(shù)除了成功率低之外，應(yīng)用于中國不具有可持續(xù)發(fā)展性。其一是成本高是美國開發(fā)成本的3-4倍；其二是用水量大，不適合我國頁巖氣資源豐富水資源缺乏的區(qū)塊。開發(fā)適合我國國情、可持續(xù)發(fā)展且具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的頁巖氣開發(fā)新方案、新工藝具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟效益。中國頁巖氣開發(fā)的技術(shù)核心是在3000-4000米地層深處的巖體內(nèi)形成復(fù)雜的裂隙縫網(wǎng)。工程的目標(biāo)是要提高成功率、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約水資源。在中國專家完成了技術(shù)引進、消化、創(chuàng)新之后，仍然不能形成適合我國國情的技術(shù)工藝的情況下，亟需突破現(xiàn)有技術(shù)方案的框架，尋求新的節(jié)能環(huán)保且高效的頁巖氣開采工藝。

目前，對于頁巖氣壓裂方法，大體上以水力壓裂為主。總的來看，水平井加分段壓裂是目前頁巖氣開發(fā)應(yīng)用最廣泛的方式。目前常用的分段壓裂改造技術(shù)：從作用形式來看有多級壓裂、膨脹式壓裂、水力噴射壓裂、多井同步壓裂等；從壓裂介質(zhì)看又可分為清水壓裂、纖維壓裂、二氧化碳壓裂、氮氣壓裂、液化石油氣壓裂等。但不管選用何種壓裂方式，最終目的都是構(gòu)造有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)，獲得更大的網(wǎng)絡(luò)裂縫面積，以增加采收率和產(chǎn)出量。然而，目前的壓裂改造大都依靠經(jīng)驗的積累和現(xiàn)場的反復(fù)測試調(diào)整，周期長、成本高。我國目前的頁巖氣開發(fā)區(qū)塊中，除焦石壩區(qū)塊的產(chǎn)量滿足商業(yè)化開發(fā)需求外，其余大部分效果并不理想。一口頁巖氣水平井需要萬方水、千方砂，壓裂壓力需要幾十上百兆帕，鉆完井及壓裂成本在0.8億—1.0億元左右。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種節(jié)能環(huán)保且高效的用于頁巖氣開發(fā)的二氧化碳粉化開采裝置及方法。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于頁巖氣開發(fā)的二氧化碳粉化開采裝置，包括相互連接的終端控制系統(tǒng)、高壓CO₂供給系統(tǒng)、輸運系統(tǒng)、卸壓設(shè)備；所述終端控制系統(tǒng)用于控制所述高壓CO₂供給系統(tǒng)、卸壓設(shè)備；所述高壓CO₂供給系統(tǒng)用于存儲和供給高壓CO₂液體；所述輸運系統(tǒng)用于將高壓CO₂液體輸運到頁巖儲層；所述卸壓設(shè)備用于使位于頁巖儲層中的高壓CO₂快速卸壓。

進一步，所述終端控制系統(tǒng)和所述高壓CO₂供給系統(tǒng)位于地層上部；所述輸運系統(tǒng)和卸壓設(shè)備位于頁巖氣開采井筒內(nèi)；所述高壓CO₂供給系統(tǒng)提供壓力7MPa的高壓CO₂液體；所述輸運系統(tǒng)包括CO₂液體輸運管道、出氣管道；所述卸壓設(shè)備包括爆破裝置、防爆系統(tǒng)。

進一步，所述高壓CO₂供給系統(tǒng)與所述CO₂輸運管道的上端連接，其間設(shè)有第一閥門，可通過所述終端控制系統(tǒng)控制CO₂的供給量和供給壓力；所述CO2液體輸運管道下端連接頁巖儲層中預(yù)先開鑿出的粉化倉；出氣管道下端連接井筒上口，其間設(shè)有第二閥門；所述第一閥門、第二閥門均為單向閥，用于控制管道的開閉和流向；所述第一閥門只允許CO₂從所述高壓CO₂供給系統(tǒng)向粉化倉流動；所述第二閥門只允許氣體從井筒流出。

進一步，所述爆破裝置為外部控制系統(tǒng)無線控制電路瞬時引爆，所述防爆系統(tǒng)為雙防爆片，以提高加壓的穩(wěn)定性，通過控制防爆片間的壓差來控制防爆片的破裂時機。

本發(fā)明還提供一種所述的開采裝置的開采方法，包括如下步驟：

a)所述終端控制系統(tǒng)控制高壓CO₂供給系統(tǒng)通過輸運系統(tǒng)向頁巖儲層中緩慢注入高壓CO₂液體；

b)達到設(shè)計要求后停止注入CO₂；

c)通過終端控制系統(tǒng)控制卸壓設(shè)備使位于頁巖儲層中的高壓CO₂快速卸壓；

重復(fù)步驟a)-c)；

d)通過輸運系統(tǒng)將頁巖氣排出至地面。

進一步，所述步驟a)具體包括：

1)所述終端控制系統(tǒng)控制高壓CO₂供給系統(tǒng)通過輸運系統(tǒng)向頁巖儲層中預(yù)先開鑿出的粉化倉緩慢注入高壓CO₂液體；

2)所述終端控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計控制CO₂注入量和注入時間，監(jiān)測注入壓力。

進一步，所述步驟b)具體包括：

1)所述終端控制系統(tǒng)根據(jù)儲層特性確定注入時間和注入量；

2)達到設(shè)計要求后停止注入CO2；

3)抽凈井筒中的多余CO₂，打開所述出氣管道的閥門，使井筒與大氣連通。

進一步，所述步驟c)具體包括：

1)終端控制系統(tǒng)引爆爆破裝置；

2)防爆片被打開，粉化倉迅速卸壓。

進一步，所述步驟d)具體包括：

1)粉化和破裂區(qū)域的頁巖氣迅速通過排氣管道排出；

2)為防止井筒堵塞，卸壓完成后應(yīng)盡快用水沖洗井筒，將井筒中的頁巖粉末洗出。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果：

與現(xiàn)有CO₂壓裂技術(shù)不同，本發(fā)明提出的方法并非利用氣體高壓直接致裂，而是讓高壓CO₂液體滲入頁巖儲層內(nèi)部，在頁巖裂隙和孔隙中形成內(nèi)部均勻壓力場，然后在特定壓力下突然卸荷，形成高壓力梯度，致使頁巖近區(qū)粉化、遠區(qū)破裂。粉化的頁巖在幾十微米量級，可通過鼓風(fēng)運輸至地面，頁巖氣也可自動析出并收集。重復(fù)上述加-卸載過程，可有效擴大粉化致裂范圍。利用該方法進行頁巖氣開采，可以大大降低CO₂的注入壓力，僅需大約7MPa左右，從而節(jié)約成本，且粉化和破碎的頁巖使得頁巖氣析出更為徹底，大大提高了采收率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高壓CO₂注入的滲流加載過程示意圖；

圖2為卸壓粉化后的頁巖儲層示意圖；

圖3a為小規(guī)模頁巖粉化實驗前頁巖塊的照片；

圖3b為小規(guī)模頁巖粉化實驗后頁巖粉的照片。

具體實施方式

下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。

實施例一：

如圖1-2所示，本發(fā)明提供一種用于頁巖氣開發(fā)的二氧化碳粉化開采裝置，包括相互連接的終端控制系統(tǒng)1、高壓CO₂供給系統(tǒng)2、輸運系統(tǒng)、卸壓設(shè)備；終端控制系統(tǒng)1用于控制高壓CO₂供給系統(tǒng)2、卸壓設(shè)備；高壓CO₂供給系統(tǒng)2用于存儲和供給高壓CO₂液體；輸運系統(tǒng)用于將高壓CO₂液體輸運到頁巖儲層9；卸壓設(shè)備用于使位于頁巖儲層9中的高壓CO₂快速卸壓。

終端控制系統(tǒng)1和高壓CO₂供給系統(tǒng)2位于地層上部；輸運系統(tǒng)和卸壓設(shè)備位于頁巖氣開采井筒6內(nèi)；高壓CO₂供給系統(tǒng)2提供壓力7MPa的高壓CO₂液體；輸運系統(tǒng)包括CO₂液體輸運管道4、出氣管道5；卸壓設(shè)備包括爆破裝置及防爆系統(tǒng)7。

高壓CO₂供給系統(tǒng)2與CO₂輸運管道的上端連接，其間設(shè)有第一閥門3，可通過終端控制系統(tǒng)1控制CO₂的供給量和供給壓力；CO₂液體輸運管道4下端連接頁巖儲層9中預(yù)先開鑿出的粉化倉；出氣管道5下端連接井筒6上口，其間設(shè)有第二閥門13；第一閥門3、第二閥門13均為單向閥，用于控制管道的開閉和流向；第一閥門3只允許CO₂從高壓CO₂供給系統(tǒng)2向粉化倉流動；第二閥門13只允許氣體從井筒6流出。

爆破裝置為外部控制系統(tǒng)無線控制電路瞬時引爆，防爆系統(tǒng)為雙防爆片，以提高加壓的穩(wěn)定性，通過控制防爆片間的壓差來控制防爆片的破裂時機。

利用本發(fā)明對頁巖儲層9進行的CO₂粉化開采的方法：上覆地層8中打豎直井筒6，頁巖儲層9中打水平井或豎直井，布設(shè)上述設(shè)備，各部分注意密封，線路要銜接牢固并采取相應(yīng)的防護加固措施；打開CO₂液體輸運管道4上的第一閥門3，通過終端控制系統(tǒng)1控制高壓CO₂供給系統(tǒng)2向粉化倉12和防爆片間注入CO₂，根據(jù)設(shè)計控制CO₂注入量和注入時間，監(jiān)測注入壓力；根據(jù)儲層特性確定注入時間和注入量，達到設(shè)計要求后停止注入CO₂，并抽凈井筒6中的多余CO₂，打開出氣管道5上的第二閥門13使井筒6與大氣連通；通過終端控制系統(tǒng)1引爆爆破裝置，使防爆片打開，粉化倉12迅速卸壓，粉化倉12附近的頁巖由于高應(yīng)力梯度發(fā)生粉化，稍遠的區(qū)域由于應(yīng)力變化也會發(fā)生不同程度的破裂；重復(fù)加-卸載過程，破裂區(qū)的裂隙可進一步擴大有效粉化范圍；粉化和破裂區(qū)域的頁巖氣迅速通過排氣管道排出；由于粉化作用，粉化區(qū)10的頁巖氣采收率將大大提高，同時也完成了壓裂的過程，頁巖儲層9中的頁巖氣會沿破裂區(qū)的裂縫通道滲出，從而獲得穩(wěn)定的氣流；為防止井筒6堵塞，卸壓完成后應(yīng)盡快用水沖洗井筒6，將井筒6中的頁巖粉末洗出。

如圖1-2所示，本實施例為水平頁巖氣井，輸運管道的大小和尺寸、CO₂的壓力和注入量可根據(jù)現(xiàn)場需要而定。CO₂壓力取7MPa，壓力精度1％，防爆片采用雙鋁板裝置，設(shè)P1和P2分別為粉化倉內(nèi)CO₂壓力和雙層防爆片之間的CO₂壓力。兩套防爆片材質(zhì)和幾何尺寸完全一致,防爆片的破板壓力(3.5Mpa)相對比較穩(wěn)定。加壓時可同步升壓，當(dāng)P1-P2<3.5Mpa且P2<3.5Mpa時，即P1-3.5Mpa<P2<3.5Mpa，處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)P1-P2<3.5Mpa且P2＝3.5Mpa時，即P1<7Mpa，且P2＝3.5Mpa，外側(cè)鋁板先破壞，進而，內(nèi)側(cè)鋁板在接近于7Mpa的內(nèi)外壓力差條件下破壞。同時，采用爆破實現(xiàn)快速卸荷的目的，爆破響應(yīng)時間為20～30ms。當(dāng)儲層的壓力保持在7MPa后，認為粉化倉附近的頁巖基本飽和，快速卸壓后，頁巖由于高地應(yīng)力差作用而發(fā)生粉化，遠區(qū)會產(chǎn)生碎塊和裂縫(圖2)。利用專用鉆井設(shè)備更換防爆片，并重復(fù)上述加壓-卸載過程，逐步擴大粉化致裂范圍。每次瞬時卸壓會有部分頁巖粉噴出，及時向井筒6內(nèi)充氣將頁巖粉沖出，或利用高壓吸塵系統(tǒng)將頁巖粉吸出，以防堵塞。粉化后的頁巖和破裂區(qū)的頁巖會析出大量頁巖氣體，粉化作用使得頁巖氣開采十分徹底。粉化倉12由圖1中的條狀擴大為圖2中的橢圓狀。

先導(dǎo)實驗：

如圖3所示，將頁巖塊(圖3a)置于95mm直徑的鋼管中，鋼管一端封閉，另一端為防爆片，然后往筒內(nèi)注入2.5kg的液態(tài)CO₂，靜置一段時間讓頁巖塊內(nèi)的CO₂飽和，爆破筒一端引爆炸藥將防爆片打開，瞬時卸壓。實驗結(jié)果是：頁巖塊變?yōu)?00目左右的細粉末(圖3b)，說明利用CO₂粉化技術(shù)進行頁巖氣開采在技術(shù)上是可行的。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。