本發(fā)明涉及地下深部儲層非常規(guī)油氣資源開發(fā)與利用領(lǐng)域，尤其涉及一種二氧化碳-聚能劑爆燃沖壓相變射流裝置及其方法。

背景技術(shù)：

非常規(guī)油氣資源儲量豐富，但非常規(guī)油氣資源地質(zhì)條件賦存復(fù)雜，巖石滲透率低，不利于非常規(guī)油氣資源開發(fā)，水力壓裂、水力割縫和高壓水射流是開發(fā)致密儲層非常規(guī)油氣資源的重要手段。水力壓裂技術(shù)經(jīng)過了近半個世紀(jì)的發(fā)展，特別是自80年代末以來，水力壓裂以及多級壓裂、重復(fù)壓裂等方面取得突破?，F(xiàn)在水力壓裂、水力割縫和高壓水射流技術(shù)作為油水井增產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低滲透油氣田的開發(fā)中。

然而，目前開發(fā)主要采用的水力壓裂、水力割縫和高壓水射流法，在中國許多地下深部儲層非常規(guī)油氣資源開發(fā)也并不具備水力化條件，二氧化碳壓裂技術(shù)得到重視，美國和加拿大是最早應(yīng)用二氧化碳增產(chǎn)技術(shù)的國家，特別是在特低滲、低壓油藏的改造方面，二氧化碳增產(chǎn)技術(shù)顯示出更加優(yōu)越的特點。當(dāng)溫度超過31.1攝氏度，壓力超過7.38兆帕，二氧化碳?xì)怏w就變成超臨界態(tài)。超臨界流體既不同于氣體也不同于液體，具有許多獨特物理化學(xué)性——密度接近于水，能夠為井下馬達(dá)提供足夠扭矩、溶劑化能力強；黏度非常低，接近于氣體，易流動、摩阻系數(shù)低；擴(kuò)散系數(shù)大于液體，傳熱、傳質(zhì)性能良好；表面張力接近于零，可進(jìn)入到任何大于超臨界流體分子的空間。

目前，對于水力壓裂工藝，專利主要集中在高壓水射流、脈動水力壓裂和水力割縫方面。也有相關(guān)專利是采用固體或乳化炸藥爆炸產(chǎn)生高溫高壓氣流，達(dá)到射流或致裂的目的。也有相關(guān)專利使用了二氧化碳特性和膨脹相變原理，然而采用的相變原理同本發(fā)明具有顯著區(qū)別。同以往利用二氧化碳物理膨脹相變原理不同，本發(fā)明專利采用金屬聚能劑與二氧化碳氧化還原反應(yīng)（化學(xué)過程）釋放的熱量，一方面使得二氧化碳高溫膨脹和相變，產(chǎn)生高壓射流，具有高壓水射流的特點；另一方面，激烈的燃燒反應(yīng)轉(zhuǎn)化為爆炸沖擊波，進(jìn)一步增強了流體壓力，具有炸藥爆炸的特點。從而形成爆炸沖擊波和二氧化碳快速膨脹和相變的高壓射流動靜組合荷載，在原理和結(jié)構(gòu)上均具有明顯創(chuàng)新。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在缺點和不足，提供一種二氧化碳-聚能劑爆燃沖壓相變射流裝置及其方法，即在充分利用高壓液化或超臨界二氧化碳?xì)怏w自身的能量基礎(chǔ)上，采用聚能劑與二氧化碳發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而釋放大量的熱量，能夠使得高壓液化或超臨界二氧化碳高溫膨脹和相變，產(chǎn)生高壓射流，具有高壓水射流的特點；激烈的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為爆炸沖擊波，進(jìn)一步增強了流體的能量，從而形成爆炸沖擊波和二氧化碳快速膨脹和相變的高壓射流動靜組合荷載，在原理和結(jié)構(gòu)上均具有很大的創(chuàng)新。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

本裝置主要由聚能劑存儲罐體、二氧化碳存儲罐體、混合物生成器、增壓泵和爆燃射流器組成；爆燃射流器主要由電火花點火器、單向密封閥門、燃燒爆炸室、定壓泄能閥門、氣流振蕩器和旋轉(zhuǎn)射流器構(gòu)成。將儲存在不同罐體中的聚能劑顆粒和二氧化碳經(jīng)混合物生成器混合，然后經(jīng)增壓泵加壓注入到爆燃射流器的燃燒爆炸室，利用電火花點火裝置引燃二氧化碳與金屬聚能劑而發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并釋放大量熱量，使得二氧化碳快速膨脹并發(fā)生相變，從而產(chǎn)生瞬時的高溫高壓氣體。氣體壓力超過定壓泄能閥門額定壓力后，定壓泄能閥門打開，高壓氣體進(jìn)入氣流振蕩器形成脈沖振蕩氣流，最終通過旋轉(zhuǎn)射流器產(chǎn)生高壓定向旋轉(zhuǎn)射流。該裝置并能通過控制聚能劑顆粒的細(xì)度和濃度來調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)速率，調(diào)整燃燒爆炸室內(nèi)混合物的燃燒狀態(tài)（燃燒或爆炸），從而控制二氧化碳聚能劑爆燃沖壓相變時流體的溫度和壓力。

具體地說：

一、二氧化碳-聚能劑爆燃沖壓相變射流裝置（簡稱裝置）

本裝置包括聚能劑存儲罐體、二氧化碳存儲罐體、混合物生成器、注入泵和爆燃射流器；

其位置和連接關(guān)系是：

聚能劑存儲罐體和二氧化碳存儲罐體均通過管路與混合物生成器連接，混合物生成器、注入泵和爆燃射流器依次連接；

所述的爆燃射流器由殼體、電火花點火器、單向密封閥門、燃燒爆炸室、定壓泄能閥門、氣流振蕩器和旋轉(zhuǎn)射流器組成；殼體是一種封閉的圓筒；在殼體的上面設(shè)置有電火花點火器和單向密封閥門；在殼體內(nèi)的上部設(shè)置有燃燒爆炸室，在燃燒爆炸室的底部設(shè)置有定壓泄能閥門；在殼體的下部連接有旋轉(zhuǎn)射流器，在旋轉(zhuǎn)射流器內(nèi)部設(shè)置有氣流振蕩器。

二、二氧化碳-聚能劑爆燃沖壓相變射流方法（簡稱方法）

本方法包括如下步驟：

①聚能劑的制備

將聚能劑制作成尺寸為納米級顆?；?0至500目的顆粒中的一種或幾種；

②設(shè)備布置

將聚能劑存儲罐體和二氧化碳存儲罐體分別通過管路與混合器連接，混合器、注入泵和爆燃射流器依次連接，然后將爆燃射流器放置作業(yè)地點；

③燃劑注入

將金屬聚能劑和二氧化碳經(jīng)過混合物生成器和增壓泵注入燃燒爆炸室；

④點燃燃劑

待燃燒爆炸室內(nèi)的混合物壓力達(dá)到預(yù)定值，關(guān)閉增壓泵和混合物生成器，開啟電火花點火器，引燃金屬聚能劑和二氧化碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)；在二氧化碳相變膨脹和爆炸沖擊波作用下，高溫高壓力二氧化碳超過定壓泄能閥門的額定壓力閥值，高壓二氧化碳迅速膨脹和相變；高壓二氧化碳?xì)饬鹘?jīng)過氣流振蕩器形成脈沖振蕩高壓氣流，又經(jīng)過旋轉(zhuǎn)射流器后，再形成定向高壓旋轉(zhuǎn)射流；

⑤重復(fù)作業(yè)

射流結(jié)束后，可以重新開啟混合物生成器和增壓泵，重復(fù)步驟③、④；

⑥效果監(jiān)測

檢查振蕩射流效果，待到滿足現(xiàn)場要求后可進(jìn)行下一地點壓裂作業(yè)。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：

①利用二氧化碳沖壓相變爆燃產(chǎn)生的沖擊波和二氧化碳相變膨脹壓力，形成動靜組合荷載；

②利用二氧化碳爆燃沖壓相變，經(jīng)過氣流振蕩器，產(chǎn)生脈沖高壓振蕩射流；

③利用形成的脈沖高壓振蕩滲流，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)射流器，形成定向高壓旋轉(zhuǎn)射流；

④可以循環(huán)重復(fù)作業(yè)，操作方便。

總之該裝置可以充分利用二氧化碳與聚能劑爆燃產(chǎn)生的高能沖擊波，使儲層巖石產(chǎn)生裂隙，并能根據(jù)壓裂需求進(jìn)行調(diào)配，該裝置采用的反應(yīng)原料對環(huán)境無污染。

附圖說明

圖1是本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1—聚能劑存儲罐體；

2—二氧化碳存儲罐體；

3—混合物生成器；

4—增壓泵；

5—爆燃射流器，

5-0—殼體，5-1—電火花點火器，5-2—單向密封閥門，

5-3—燃燒爆炸室，5-4—定壓泄能閥門，5-5—高壓密封圈，

5-6—氣流振蕩器，5-7—旋轉(zhuǎn)射流器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明：

一、裝置

1、總體

本裝置包括聚能劑存儲罐體1、二氧化碳存儲罐體2、混合物生成器3、注入泵4和爆燃射流器5；

其位置和連接關(guān)系是：

聚能劑存儲罐體1和二氧化碳存儲罐體2均通過管路與混合物生成器3連接，混合物生成器3、注入泵4和爆燃射流器5依次連接；

所述的爆燃射流器5由殼體5-0、電火花點火器5-1、單向密封閥門5-2、燃燒爆炸室5-3、定壓泄能閥門5-4、氣流振蕩器5-6和旋轉(zhuǎn)射流器5-7組成；

殼體5-0是一種封閉的圓筒；

在殼體5-0的上面設(shè)置有電火花點火器5-1和單向密封閥門5-2；在殼體5-0內(nèi)的上部設(shè)置有燃燒爆炸室5-3，在燃燒爆炸室5-3的底部設(shè)置有定壓泄能閥門5-4；

在殼體5-0的下部連接有旋轉(zhuǎn)射流器5-7，在旋轉(zhuǎn)射流器5-7內(nèi)部設(shè)置有氣流振蕩器5-6。

2、功能部件

1）聚能劑存儲罐體1；

聚能劑罐體2是一種常用的不銹鋼密封罐體；

其功能是封裝聚能劑。

2）二氧化碳存儲罐體2；

二氧化碳罐體1是一種常用的大容積可耐高壓的罐體；

其功能是封裝高壓二氧化碳?xì)怏w。

3）混合物生成器3；

混合物生生器3是一種管道混合器；

其功能是將二氧化碳與微細(xì)顆粒充分混合。

4）增壓泵4；

加壓泵4是一種常用的流體增壓裝置；

其功能是對聚能劑與二氧化碳混合物加壓，使之能夠注入爆燃射流器5中。

5）爆燃射流器5，

爆燃射流器5是一種二氧化碳與聚能劑發(fā)生爆燃反應(yīng)，并能將爆燃產(chǎn)生的高壓氣體轉(zhuǎn)化為射流；

其功能是為二氧化碳與聚能劑發(fā)生爆燃反應(yīng)提供反應(yīng)場所，并能將其產(chǎn)生的高壓氣體或沖擊波轉(zhuǎn)換成高能射流，以用于儲層巖石的壓裂。

*殼體5-0

殼體5-0是一種封閉的厚壁圓筒；

*電火花點火器5-1

電火花點火器5-1是一種常用的點火器，其通過火花塞，瞬間釋放上萬伏電壓，將混合燃料點燃；

其功能是將二氧化碳與聚能劑混合物點燃。

*單向密封閥門5-2

單向密封閥門5-2是一種常用的只允許氣流沿一個方向流動而不能反向流動的方向控制閥，其關(guān)閉時具有很好的密封性；

其功能只允許二氧化碳與聚能劑混合物進(jìn)入燃燒爆炸室5-3。

*燃燒爆炸室5-3、

燃燒爆炸室5-3是爆燃射流器5上部的內(nèi)腔；

其功能是作為二氧化碳與聚能劑發(fā)生爆燃的反應(yīng)場所。

*定壓泄能閥門5-4

定壓泄能閥門5-4可選用爆破片或泄壓閥；

其功能是當(dāng)燃燒爆炸室5-3內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)定壓力值時，定壓泄能閥門打開，高壓氣體進(jìn)入到旋轉(zhuǎn)射流器5-7中。

*高壓密封圈5-5、

高壓密封圈5-5是一種常用的O型密封圈。

*氣流振蕩器5-6、

氣流振蕩器5-6是一種橫置在旋轉(zhuǎn)射流器5-7入口處，長方體并能沿長軸旋轉(zhuǎn)的金屬桿；

其功能是高壓氣體流經(jīng)此處會帶動其高速旋轉(zhuǎn)，其自身旋轉(zhuǎn)會引起高氣體的極度紊流或振蕩。

*旋轉(zhuǎn)射流器5-7

旋轉(zhuǎn)射流器5-7是一種高壓氣體射流過程中，由于射流氣體產(chǎn)生的反作用力，使得射流器能夠旋轉(zhuǎn)地射流。

3、反應(yīng)原料

1）二氧化碳

本裝置所采用的二氧化碳為高純度、高壓液化或超臨界二氧化碳。

2）聚能劑

本系統(tǒng)所采用的聚能劑為專利（ZL：2016102345373，CN：105884562 A）所公布的一種二氧化碳基強活性聚能劑，其制備方法均在其專利有詳細(xì)說明。

3、工作原理

將不同尺寸聚能劑顆粒和二氧化碳經(jīng)混合物生成器3和增壓泵4注入燃燒爆炸室5-3，開啟電火花點火器5-1，引燃二氧化碳與金屬聚能劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并釋放大量熱量，使得二氧化碳快速膨脹和相變，從而產(chǎn)生瞬時高溫高壓。氣體壓力超過定壓泄能閥門5-4額定壓力后，二氧化碳迅速膨脹和相變，并進(jìn)入氣流振蕩器5-6形成脈沖振蕩氣流，最終通過旋轉(zhuǎn)射流器5-7產(chǎn)生高壓定向旋轉(zhuǎn)射流；控制聚能劑顆粒的尺寸分布和濃度，調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)速率，調(diào)整燃燒爆炸室內(nèi)混合物的燃燒狀態(tài)（燃燒或爆炸），從而控制二氧化碳聚能劑爆燃沖壓相變時流體的溫度和壓力。