本發(fā)明涉及石油、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)領(lǐng)域，尤其涉及一種CO2基納米聚能混相流的壓裂驅(qū)替高溫裂解一體化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)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(jí)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。
此外，世界稠油資源極為豐富，其儲(chǔ)量是常規(guī)原油儲(chǔ)量的十幾倍，具有替代常規(guī)石油能源的戰(zhàn)略地位。全球石油可采儲(chǔ)量4582億噸，其中53％為稠油。中國石油可采儲(chǔ)量212億噸，其中40％為稠油，主要分布在遼河、新疆克拉瑪依及勝利等油區(qū)。作為國內(nèi)最大的稠油生產(chǎn)基地，遼河油田年稠油產(chǎn)量占總產(chǎn)量的５０％以上。在油田開發(fā)過程中，考慮到稠油具有粘度高和流動(dòng)性差等特性，通常采用注蒸汽熱力開采。
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(chǔ)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?jí)毫鸭夹g(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(diǎn)。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(dú)特物理化學(xué)性——密度接近于水，能夠?yàn)榫埋R達(dá)提供足夠扭矩、溶劑化能力強(qiáng)；黏度非常低，接近于氣體，易流動(dòng)、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。
對(duì)于水力壓裂工藝，專利主要集中在高壓水射流、脈動(dòng)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)明專利采用納米聚能流體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)生高壓膨脹的特點(diǎn)；另一方面，激烈的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為爆炸沖擊波，進(jìn)一步增強(qiáng)了流體壓力，具有炸藥爆炸的特點(diǎn)。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(dòng)靜組合荷載，在原理和結(jié)構(gòu)上均具有明顯創(chuàng)新。并且采用分開裝填、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)姆绞?，能夠保障?chǔ)運(yùn)和使用過程的本質(zhì)安全，符合國家提倡的去產(chǎn)能、節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和環(huán)境友好的發(fā)展理念。
最為關(guān)鍵的是，除了具備二氧化碳?jí)毫选Ⅱ?qū)替等常規(guī)功能外，本發(fā)明的另外一個(gè)特點(diǎn)，就是納米聚能混相流體能夠進(jìn)入主裂縫、分支裂縫，甚至是巖石孔隙內(nèi)，在電控精確控制下產(chǎn)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，從而在地層形成極高的溫度和壓力，進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展，以及促進(jìn)了稠油的高溫裂解，從而也明顯提高石油采收率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就在于提供一種CO<sub>2</sub>基納米聚能混相流的壓裂驅(qū)替高溫裂解一體化系統(tǒng)。采用本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，具備現(xiàn)場調(diào)配、現(xiàn)場充注使用的特點(diǎn)，從而保證了存儲(chǔ)、運(yùn)輸方便、安全、高效，產(chǎn)品本身綠色環(huán)保。
本發(fā)明目的是這么實(shí)現(xiàn)的：
通過地面增壓泵將二氧化碳和納米聚能流體分別注入地層，經(jīng)電磁閥流量調(diào)節(jié)器和混相流體發(fā)生器，從而產(chǎn)生不同級(jí)配和功能的CO<sub>2</sub>基納米聚能混相泡沫，并通過封隔器將混相泡沫封裝在水平井內(nèi)，接通電火花點(diǎn)火裝置，瞬間產(chǎn)生高溫高壓并致裂巖體，生成主裂縫和分支裂縫；CO<sub>2</sub>基納米聚能混相泡沫進(jìn)入主裂縫、分支裂縫和基巖孔隙，通過多次點(diǎn)火可促進(jìn)裂縫擴(kuò)展和延伸；同時(shí)進(jìn)入分支裂縫和巖石孔隙內(nèi)的CO<sub>2</sub>基納米聚能混相流爆燃產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，有利于原儲(chǔ)層原油的高溫裂解，從而達(dá)到壓裂、驅(qū)替和高溫裂解的目的。
具體地說：
一、CO<sub>2</sub>基納米聚能混相流的壓裂驅(qū)替高溫裂解一體化系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）
本系統(tǒng)包括高壓二氧化碳存儲(chǔ)器、第1閥門、第1增壓泵、第2閥門、電火花點(diǎn)火裝置、第3閥門、第2增壓泵、第4閥門、納米聚能流體存儲(chǔ)器、第1高壓管路、電纜、第2高壓管路、電磁閥流量調(diào)節(jié)器、混相流體發(fā)生器和封隔器；
其位置和連接關(guān)系是：
在地面上設(shè)置有高壓二氧化碳存儲(chǔ)器和納米聚能流體存儲(chǔ)器以及電火花點(diǎn)火裝置；
在地底下開挖有豎直井和水平井，豎直井和水平井連通；
高壓二氧化碳存儲(chǔ)器、第1閥門、第1增壓泵、第2閥門和第1高壓管依次連通；納米聚能流體存儲(chǔ)器、第4閥門、第2增壓泵、第3閥門和第1高壓管依次連通；第1高壓管路、第2高壓管路、電磁閥流量調(diào)節(jié)器和混相流體發(fā)生器依次連通，在混相流體發(fā)生器內(nèi)得到二氧化碳基納米聚能混相泡沫；
在水平井C中設(shè)置有多點(diǎn)封隔器，形成多段分隔的燃燒室，二氧化碳基納米聚能混相泡沫分別充滿多個(gè)燃燒室；
電火花點(diǎn)火裝置、電纜和燃燒室依次連接，引燃二氧化碳基納米聚能混相泡沫在燃燒室內(nèi)爆炸。
二、CO<sub>2</sub>基納米聚能混相流的壓裂驅(qū)替高溫裂解一體化方法（簡稱方法）
本方法包括以下步驟：
①注入燃劑
打開第1閥門和第2閥門，開啟第1增壓泵，將高壓二氧化碳由高壓二氧化碳存儲(chǔ)器經(jīng)第1高壓管路注入地層巖體，并至預(yù)定壓力；同時(shí)打開第3閥門和第4閥門，開啟第2增壓泵，將納米聚能流體經(jīng)納米聚能流體存儲(chǔ)器經(jīng)第2高壓管路注入地層巖體，并至預(yù)定壓力；并通過電腦控制電磁閥流量調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)高壓二氧化碳和納米聚能流體的流量，并以一定的比例混合進(jìn)入混相流體發(fā)生器，從而產(chǎn)生特定功能的二氧化碳基納米聚能混相泡沫，并經(jīng)過封隔器進(jìn)入水平井C的燃燒室；
②停止注入
當(dāng)二氧化碳基納米聚能混相泡沫的壓力值升高至預(yù)定值，關(guān)閉電磁流量調(diào)節(jié)器；
③引燃燃劑
啟動(dòng)電火花點(diǎn)火裝置，電信號(hào)經(jīng)過電纜起爆二氧化碳基納米聚能混相泡沫；
④評(píng)估效果
爆破完成后，關(guān)閉電火花點(diǎn)火裝置，評(píng)估效果；
⑤補(bǔ)充燃劑
開啟電磁流量調(diào)節(jié)器，重新注入高壓二氧化碳和納米聚能流體，從而產(chǎn)生二氧化碳基納米聚能混相泡沫，并經(jīng)過封隔器進(jìn)入水平井的燃燒室；
⑥裂隙致裂
控制二氧化碳基納米聚能混相泡沫的壓力和流量，直到二氧化碳基納米聚能混相泡沫進(jìn)入上一次壓裂的主裂縫、分支裂縫以及孔隙內(nèi)，待壓力接近平衡后，關(guān)門電磁流量調(diào)節(jié)器；啟動(dòng)電火花點(diǎn)火裝置，電信號(hào)經(jīng)過電纜起爆二氧化碳基納米聚能混相泡沫，進(jìn)一步促進(jìn)裂縫的擴(kuò)展和裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成，同時(shí)二氧化碳基納米聚能混相泡沫在主裂縫、分支裂縫及孔隙內(nèi)燃燒，在地下儲(chǔ)層空間形成高溫高壓環(huán)境；
⑦重復(fù)作業(yè)
重復(fù)步驟①-⑥，直至壓裂效果和高溫條件滿足預(yù)定要求。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)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(dòng)靜組合荷載；
②采用本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，具備現(xiàn)場調(diào)配現(xiàn)場充注使用的特點(diǎn)，從而保證了存儲(chǔ)、運(yùn)輸方便、安全、高效，產(chǎn)品本身綠色環(huán)保；
③生產(chǎn)、制作工業(yè)簡單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，操作方便。
④使用的是工業(yè)廢料，例如二氧化碳等原材料，有利于節(jié)能減排。
⑤本發(fā)明的另外一個(gè)特點(diǎn)，就是二氧化碳基納米聚能混相泡沫16能夠進(jìn)入主裂縫、分支裂縫，甚至是孔隙內(nèi)，在電火花點(diǎn)火裝置5精確控制下產(chǎn)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，從而在地層形成極高的溫度和壓力，進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展，以及促進(jìn)了稠油的高溫裂解，從而也明顯提高石油采收率。
總之該系統(tǒng)可以充分利用高壓二氧化碳和納米聚能體爆燃產(chǎn)生的高能沖擊波，使儲(chǔ)層巖石產(chǎn)生裂隙，并能根據(jù)壓裂需求進(jìn)行調(diào)配，該系統(tǒng)采用的反應(yīng)原料對(duì)環(huán)境無污染。
附圖說明
圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：
1—高壓二氧化碳存儲(chǔ)器；
2—第1閥門；
3—第1增壓泵；
4—第2閥門；
5—電火花點(diǎn)火裝置；
6—第閥門3；
7—第2增壓泵；
8—第4閥門；
9—納米聚能流體存儲(chǔ)器；
10—第1高壓管；
11—電纜；
12—第2高壓管路；
13—電磁閥流量調(diào)節(jié)器；
14—混相流體發(fā)生器；
15—封隔器；
16—二氧化碳基納米聚能混相泡沫；
17—主裂縫；
18—分支裂縫；
19—空隙；
20—地層巖體。
A—地面；
B—豎直井；
C—水平井；
D—燃燒室。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明：
一、系統(tǒng)
1、總體
本系統(tǒng)包括高壓二氧化碳存儲(chǔ)器1、第1閥門2、第1增壓泵3、第2閥門4、電火花點(diǎn)火裝置5、第3閥門6、第2增壓泵7、第4閥門8、納米聚能流體存儲(chǔ)器9、第1高壓管路10、電纜11、第2高壓管路12、電磁閥流量調(diào)節(jié)器13、混相流體發(fā)生器14和封隔器15；
其位置和連接關(guān)系是：
在地面A上設(shè)置有高壓二氧化碳存儲(chǔ)器1和納米聚能流體存儲(chǔ)器9以及電火花點(diǎn)火裝置5；
在地底下開挖有豎直井B和水平井C，豎直井B和水平井C連通；
高壓二氧化碳存儲(chǔ)器1、第1閥門2、第1增壓泵3、第2閥門4和第1高壓管10依次連通；納米聚能流體存儲(chǔ)器9、第4閥門8、第2增壓泵7、第3閥門6和第1高壓管10依次連通；第1高壓管路10、第2高壓管路12、電磁閥流量調(diào)節(jié)器13和混相流體發(fā)生器14依次連通，在混相流體發(fā)生器14內(nèi)得到二氧化碳基納米聚能混相泡沫16；
在水平井C中設(shè)置有多點(diǎn)封隔器15，形成多段分隔的燃燒室D，二氧化碳基納米聚能混相泡沫16分別充滿多個(gè)燃燒室D；
電火花點(diǎn)火裝置5、電纜11和燃燒室D依次連接，引燃二氧化碳基納米聚能混相泡沫16在燃燒室D內(nèi)爆炸。
2、功能部件
1）高壓二氧化碳存儲(chǔ)器1
是一種大容積耐高壓耐腐蝕的不銹鋼罐體；
其功能是在地面上盛裝高壓二氧化碳。
2）第1、2、3、4閥門2、3、6、8
均是一種常用的高壓不銹鋼球閥；
其功能是控制流體管路的開閉狀態(tài)。
3）A、B增壓泵3、7
均是一種常用的流體增壓裝置；
其功能是對(duì)高壓二氧化碳和納米聚能流體加壓，使之能夠注入井底。
4）電火花點(diǎn)火裝置5
是一種常用高能電火花點(diǎn)火器；
其功能點(diǎn)燃高壓二氧化碳和納米聚能流體等的混合物，且能在地面安全方便控制。
5）納米聚能流體存儲(chǔ)器9
是一種常用的不銹鋼密封罐體；
其功能是封裝納米聚能流體。
6）第1、2高壓管路10、12
均是一種常用的耐高壓、耐腐蝕的流體管，其功能是輸送高壓二氧化碳或納米聚能流體。
7）電纜11
是一種用的常用的通電電纜；
將電火花點(diǎn)火裝置5的信號(hào)傳遞到燃燒室D。
8）電磁閥流量調(diào)節(jié)器13
是一種能調(diào)節(jié)閥門開閉大小的閥門；
其功能是控制流體的流量大小。
9）混相流體發(fā)生器14
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。
10）封隔器15
是一種石油鉆井中常用的封隔器；
其功能是將鉆進(jìn)按段密封以致能形成密閉的爆燃?xì)馐摇?/p>
11）二氧化碳基納米聚能混相泡沫16
是高壓二氧化碳和納米聚能流體經(jīng)混相流體發(fā)生器14混合而產(chǎn)生的泡沫狀混合物；
其功能是作為本系統(tǒng)的氧化還原反應(yīng)原料。
3、反應(yīng)原料
1）高壓二氧化碳
本系統(tǒng)所采用的高壓二氧化碳為高壓或超臨界高純度的二氧化碳。
2）納米聚能體
本系統(tǒng)所采用的聚能劑為ZL：2016102345373（CN：105884562 A）所公布的一種二氧化碳基強(qiáng)活性聚能劑，其制備方法均在其專利有詳細(xì)說明；在聚能劑中添加分散劑、表面活性劑和二氧化碳增稠劑，經(jīng)過超聲波震蕩或機(jī)械攪拌最終形成納米聚能體。
4、工作原理
本發(fā)明通過地面增壓泵將高壓二氧化碳和納米聚能體分別注入地層，經(jīng)電磁閥流量調(diào)節(jié)器13和混相流體發(fā)生器14，從而產(chǎn)生不同級(jí)配和功能的CO<sub>2</sub>基納米聚能混相泡沫16，并通過封隔器15將混相泡沫16封裝在水平井內(nèi)，接通電火花點(diǎn)火裝置5，瞬間產(chǎn)生高溫高壓并致裂巖體，生成主裂縫17和分支裂縫18；CO<sub>2</sub>基納米聚能混相泡沫16進(jìn)入主裂縫17、分支裂縫18和孔隙19，通過多次點(diǎn)火可促進(jìn)裂縫擴(kuò)展和延伸；同時(shí)進(jìn)入分支裂縫18和孔隙19內(nèi)的CO<sub>2</sub>基納米聚能混相流16爆燃產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，有利于原儲(chǔ)層原油的高溫裂解，從而達(dá)到壓裂、驅(qū)替和高溫裂解的目的。