二氧化碳‑聚能劑爆燃衝壓相變射流裝置及其方法與流程

2023-12-11 16:34:47 1

本發明涉及地下深部儲層非常規油氣資源開發與利用領域，尤其涉及一種二氧化碳-聚能劑爆燃衝壓相變射流裝置及其方法。

背景技術：

非常規油氣資源儲量豐富，但非常規油氣資源地質條件賦存複雜，巖石滲透率低，不利於非常規油氣資源開發，水力壓裂、水力割縫和高壓水射流是開發緻密儲層非常規油氣資源的重要手段。水力壓裂技術經過了近半個世紀的發展，特別是自80年代末以來，水力壓裂以及多級壓裂、重複壓裂等方面取得突破。現在水力壓裂、水力割縫和高壓水射流技術作為油水井增產技術，已經廣泛應用於低滲透油氣田的開發中。

然而，目前開發主要採用的水力壓裂、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油氣資源開發也並不具備水力化條件，二氧化碳壓裂技術得到重視，美國和加拿大是最早應用二氧化碳增產技術的國家，特別是在特低滲、低壓油藏的改造方面，二氧化碳增產技術顯示出更加優越的特點。當溫度超過31.1攝氏度，壓力超過7.38兆帕，二氧化碳氣體就變成超臨界態。超臨界流體既不同於氣體也不同於液體，具有許多獨特物理化學性——密度接近於水，能夠為井下馬達提供足夠扭矩、溶劑化能力強；黏度非常低，接近於氣體，易流動、摩阻係數低；擴散係數大於液體，傳熱、傳質性能良好；表面張力接近於零，可進入到任何大於超臨界流體分子的空間。

目前，對於水力壓裂工藝，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。也有相關專利是採用固體或乳化炸藥爆炸產生高溫高壓氣流，達到射流或致裂的目的。也有相關專利使用了二氧化碳特性和膨脹相變原理，然而採用的相變原理同本發明具有顯著區別。同以往利用二氧化碳物理膨脹相變原理不同，本發明專利採用金屬聚能劑與二氧化碳氧化還原反應（化學過程）釋放的熱量，一方面使得二氧化碳高溫膨脹和相變，產生高壓射流，具有高壓水射流的特點；另一方面，激烈的燃燒反應轉化為爆炸衝擊波，進一步增強了流體壓力，具有炸藥爆炸的特點。從而形成爆炸衝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，在原理和結構上均具有明顯創新。

技術實現要素：

本發明的目的就在於克服現有技術存在缺點和不足，提供一種二氧化碳-聚能劑爆燃衝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氣體自身的能量基礎上，採用聚能劑與二氧化碳發生劇烈的化學反應而釋放大量的熱量，能夠使得高壓液化或超臨界二氧化碳高溫膨脹和相變，產生高壓射流，具有高壓水射流的特點；激烈的化學反應轉化為爆炸衝擊波，進一步增強了流體的能量，從而形成爆炸衝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，在原理和結構上均具有很大的創新。

本發明的目的是這樣實現的：

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、定壓洩能閥門、氣流振蕩器和旋轉射流器構成。將儲存在不同罐體中的聚能劑顆粒和二氧化碳經混合物生成器混合，然後經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生氧化還原反應，並釋放大量熱量，使得二氧化碳快速膨脹並發生相變，從而產生瞬時的高溫高壓氣體。氣體壓力超過定壓洩能閥門額定壓力後，定壓洩能閥門打開，高壓氣體進入氣流振蕩器形成脈衝振蕩氣流，最終通過旋轉射流器產生高壓定向旋轉射流。該裝置並能通過控制聚能劑顆粒的細度和濃度來調節氧化還原反應速率，調整燃燒爆炸室內混合物的燃燒狀態（燃燒或爆炸），從而控制二氧化碳聚能劑爆燃衝壓相變時流體的溫度和壓力。

具體地說：

一、二氧化碳-聚能劑爆燃衝壓相變射流裝置（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；

其位置和連接關係是：

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、定壓洩能閥門、氣流振蕩器和旋轉射流器組成；殼體是一種封閉的圓筒；在殼體的上面設置有電火花點火器和單向密封閥門；在殼體內的上部設置有燃燒爆炸室，在燃燒爆炸室的底部設置有定壓洩能閥門；在殼體的下部連接有旋轉射流器，在旋轉射流器內部設置有氣流振蕩器。

二、二氧化碳-聚能劑爆燃衝壓相變射流方法（簡稱方法）

本方法包括如下步驟：

①聚能劑的製備

將聚能劑製作成尺寸為納米級顆粒或20至500目的顆粒中的一種或幾種；

②設備布置

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，然後將爆燃射流器放置作業地點；

③燃劑注入

將金屬聚能劑和二氧化碳經過混合物生成器和增壓泵注入燃燒爆炸室；

④點燃燃劑

待燃燒爆炸室內的混合物壓力達到預定值，關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生氧化還原反應；在二氧化碳相變膨脹和爆炸衝擊波作用下，高溫高壓力二氧化碳超過定壓洩能閥門的額定壓力閥值，高壓二氧化碳迅速膨脹和相變；高壓二氧化碳氣流經過氣流振蕩器形成脈衝振蕩高壓氣流，又經過旋轉射流器後，再形成定向高壓旋轉射流；

⑤重複作業

射流結束後，可以重新開啟混合物生成器和增壓泵，重複步驟③、④；

⑥效果監測

檢查振蕩射流效果，待到滿足現場要求後可進行下一地點壓裂作業。

本發明具有下列優點和積極效果：

①利用二氧化碳衝壓相變爆燃產生的衝擊波和二氧化碳相變膨脹壓力，形成動靜組合荷載；

②利用二氧化碳爆燃衝壓相變，經過氣流振蕩器，產生脈衝高壓振蕩射流；

③利用形成的脈衝高壓振蕩滲流，經過旋轉射流器，形成定向高壓旋轉射流；

④可以循環重複作業，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生的高能衝擊波，使儲層巖石產生裂隙，並能根據壓裂需求進行調配，該裝置採用的反應原料對環境無汙染。

附圖說明

圖1是本裝置的結構示意圖。

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—定壓洩能閥門，5-5—高壓密封圈，

5-6—氣流振蕩器，5-7—旋轉射流器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明：

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；

其位置和連接關係是：

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、定壓洩能閥門5-4、氣流振蕩器5-6和旋轉射流器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內的上部設置有燃燒爆炸室5-3，在燃燒爆炸室5-3的底部設置有定壓洩能閥門5-4；

在殼體5-0的下部連接有旋轉射流器5-7，在旋轉射流器5-7內部設置有氣流振蕩器5-6。

2、功能部件

1）聚能劑存儲罐體1；

聚能劑罐體2是一種常用的不鏽鋼密封罐體；

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氣體。

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生爆燃反應，並能將爆燃產生的高壓氣體轉化為射流；

其功能是為二氧化碳與聚能劑發生爆燃反應提供反應場所，並能將其產生的高壓氣體或衝擊波轉換成高能射流，以用於儲層巖石的壓裂。

*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上部的內腔；

其功能是作為二氧化碳與聚能劑發生爆燃的反應場所。

*定壓洩能閥門5-4

定壓洩能閥門5-4可選用爆破片或洩壓閥；

其功能是當燃燒爆炸室5-3內的壓力達到預定壓力值時，定壓洩能閥門打開，高壓氣體進入到旋轉射流器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是一種橫置在旋轉射流器5-7入口處，長方體並能沿長軸旋轉的金屬杆；

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

*旋轉射流器5-7

旋轉射流器5-7是一種高壓氣體射流過程中，由於射流氣體產生的反作用力，使得射流器能夠旋轉地射流。

3、反應原料

1）二氧化碳

本裝置所採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

本系統所採用的聚能劑為專利（ZL：2016102345373，CN：105884562 A）所公布的一種二氧化碳基強活性聚能劑，其製備方法均在其專利有詳細說明。

3、工作原理

將不同尺寸聚能劑顆粒和二氧化碳經混合物生成器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生氧化還原反應，並釋放大量熱量，使得二氧化碳快速膨脹和相變，從而產生瞬時高溫高壓。氣體壓力超過定壓洩能閥門5-4額定壓力後，二氧化碳迅速膨脹和相變，並進入氣流振蕩器5-6形成脈衝振蕩氣流，最終通過旋轉射流器5-7產生高壓定向旋轉射流；控制聚能劑顆粒的尺寸分布和濃度，調節氧化還原反應速率，調整燃燒爆炸室內混合物的燃燒狀態（燃燒或爆炸），從而控制二氧化碳聚能劑爆燃衝壓相變時流體的溫度和壓力。