夏杰勤,竇斌,徐超,田紅,鄭君,崔國棟,谷俊廷,陳勁*
(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北 武漢430074;2.地球深部鉆探與深地資源開發(fā)國際聯(lián)合研究中心,湖北武漢430074;3.河北省地礦局第一地質(zhì)大隊,河北 邯鄲056001)
隨著全球化石燃料的加速減少及開發(fā)利用所帶來的環(huán)境污染日益加劇,藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)、北方冬季清潔供暖工作向縱深推進(jìn)[1],以干熱巖型地?zé)豳Y源為代表的新型清潔能源愈發(fā)受到廣泛關(guān)注[2]。干熱巖地?zé)崮苁且环N儲藏在地殼深處巖石中的熱能,具有資源量大、分布廣、熱能持續(xù)穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)勢,是未來新能源利用的一個重要方向[3-6]。
溫度與深度雙重因素導(dǎo)致干熱巖型地?zé)豳Y源開發(fā)難度大,并且熱儲巖體中沒有良好的流體介質(zhì)換熱通道,無法達(dá)到大規(guī)模商業(yè)化開采要求,因此熱儲層建造成為干熱巖熱能開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。目前干熱巖型地?zé)醿咏ㄔ旎狙赜糜蜌庑袠I(yè)水力壓裂技術(shù)[7],但水力致裂技術(shù)只能在垂直于最小主應(yīng)力方向上形成一條主裂縫且受地應(yīng)力場的影響較大。氣體致裂技術(shù)可由單一主裂隙向鉆孔多方向擴(kuò)展延伸,裂隙破裂面增大,表現(xiàn)為曲折復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)[8],改造效果顯著。二氧化碳高壓氣體爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高壓氣體瞬間釋放沖擊儲層巖石的動態(tài)致裂[9-10],具有爆破壓力大且可控、爆破作業(yè)時間短、爆破裝置簡易、適用性強(qiáng)并可重復(fù)利用、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全可靠等眾多優(yōu)勢。二氧化碳爆破從理論研究、設(shè)備研制到實(shí)際應(yīng)用[11-12]已經(jīng)建立了一套成熟的體系,但都只能用于淺層巖體開采,尚不能用于深井高溫高壓環(huán)境。
大井深、高溫高壓的開采環(huán)境給二氧化碳爆破壓裂干熱巖型地?zé)醿訋砹艘欢ǖ募夹g(shù)難題;同時干熱巖儲層多為花崗巖這類致密堅硬的巖石,所需爆破壓力極高。二氧化碳高壓氣體爆破要想成功建造商業(yè)化干熱巖型地?zé)醿?,致裂器爆破成功的基礎(chǔ)上還需滿足其釋放的能量大于巖體的屈服強(qiáng)度。前期徐超等[13]分析了二氧化碳爆破用于干熱巖儲層建造的可行性,從理論角度對二氧化碳致裂器的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單改進(jìn)。李艷麗[14]等分別從密封性、可連接性、材質(zhì)的選擇及制造的工藝流程等方面對二氧化碳結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了具體的要求。黃園月等[15]研制并設(shè)計出了二氧化碳致裂器快速充裝系統(tǒng),自動化控制充裝管路的液態(tài)二氧化碳的壓力、充裝質(zhì)量以及充裝泵的環(huán)境溫度。Chen等[16]設(shè)計了一種用于監(jiān)測液態(tài)二氧化碳爆破過程沖擊波壓力的試驗裝備,便于深入研討二氧化碳爆破作用機(jī)理。Hu等[17]深入研究氣體爆破基礎(chǔ)上提出了一種新的二氧化碳靜態(tài)氣動壓裂技術(shù)。想要成功在干熱巖儲層壓裂出貫通的體積裂隙網(wǎng)絡(luò),還需對二氧化碳致裂器內(nèi)部參數(shù)重新設(shè)計以及外部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,才能夠用于干熱巖地?zé)衢_發(fā)。
二氧化碳爆破是一個物理相變氣體膨脹做功的過程,液態(tài)二氧化碳吸收活化器產(chǎn)生的大量熱能后,可在20~40 ms內(nèi)迅速氣化,體積瞬間膨脹600多倍并產(chǎn)生高壓,當(dāng)氣體壓力達(dá)到定壓剪切片極限強(qiáng)度,定壓片發(fā)生破壞,高能二氧化碳?xì)怏w瞬間從前端泄能口釋放,作用于巖體,進(jìn)而產(chǎn)生裂隙。常用的致裂器爆破壓力為200~250 MPa,換算后,相當(dāng)于0.15~0.18 kg的TNT爆炸當(dāng)量,釋放能量達(dá)622~782 kJ,爆破壓力及爆破能量可觀。
完成二氧化碳高壓氣體爆破技術(shù)的設(shè)備主要由充裝系統(tǒng)、爆破系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)組成。充裝系統(tǒng)包括二氧化碳儲藏罐、二氧化碳充裝機(jī)、二氧化碳旋緊機(jī)等;監(jiān)測系統(tǒng)主要為溫度、壓力監(jiān)測儀器;爆破系統(tǒng)是關(guān)系到實(shí)驗成功與否的關(guān)鍵,包括致裂器與高能脈沖起爆器。其中適用于干熱巖儲層建造的致裂器改造是本文研究的重點(diǎn),僅對致裂器結(jié)構(gòu)等做詳細(xì)介紹。
致裂器由充能頭、活化器、儲液管、定壓片、墊片及泄能頭等組成(見圖1)。充能頭、儲液管與泄能頭以螺紋相連,材質(zhì)均為42鉻鉬鋼,整體長度910 mm,外徑95 mm,俗稱為95型致裂器。
充能頭負(fù)責(zé)充入液態(tài)二氧化碳;泄能頭為裝置激發(fā)后高能二氧化碳?xì)怏w的出口通道;活化器是為儲液管內(nèi)液體二氧化碳提供熱能的一個復(fù)合裝置;定壓片的目的是控制管內(nèi)二氧化碳?xì)怏w壓力,當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值,且高于定壓片破裂壓力時使其破裂,氣體沖出。圖2為活化器與定壓片實(shí)物圖。
圖1 二氧化碳致裂器實(shí)物與結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Photo and structure of the carbon dioxide initiator
圖2 活化器與定壓片實(shí)物Fig.2 Activator and rupture disc
在滿足爆破成功的基礎(chǔ)上,爆破力的設(shè)計是成功建造干熱巖型地?zé)醿拥那疤?,因此理清二氧化碳爆破機(jī)理,確定合適的致裂器內(nèi)部爆破參數(shù)至關(guān)重要。同時還要保證致裂器能夠抵達(dá)爆破點(diǎn),在高溫高壓的工作環(huán)境成功開展爆破作業(yè),其外部結(jié)構(gòu)必將不同于常規(guī)致裂器。
基于上述要求,根據(jù)對國內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研后,設(shè)定致裂器的最大爆破力為深部圍壓環(huán)境下儲層巖石強(qiáng)度500 MPa;根據(jù)氣體狀態(tài)方程VHL的變量相互關(guān)系[12],確定利于實(shí)現(xiàn)的溫度范圍;依據(jù)溫度、壓力數(shù)值,求解出Vm=V/n。調(diào)研目前石油鉆探行業(yè)的鉆桿常用尺寸,設(shè)計致裂器的外觀尺寸:內(nèi)外徑、長度、容積等;結(jié)合二氧化碳爆破機(jī)理確定定壓片厚度及二氧化碳充裝量;計算所設(shè)溫度及充裝量下,活化器所需釋放的熱量,通過類比確定所設(shè)計的致裂器活化器的質(zhì)量。再依次對保溫隔熱環(huán)、監(jiān)測系統(tǒng)、防爆通道及末端螺紋進(jìn)行優(yōu)化。最終形成可用于深井下爆破的致裂系統(tǒng)。相關(guān)步驟見圖3。
圖3 適用于干熱巖儲層改造的致裂器設(shè)計步驟Fig.3 Design steps for the fracturing device suitable for hot dry rock reservoir reconstruction
二氧化碳致裂器是否成功爆破取決于活化劑用量、定壓片厚度以及二氧化碳充裝量,研究三者變量和爆破情況相關(guān)規(guī)律,對合理確定組合參數(shù),提高致裂器工作效率,優(yōu)化致裂器系統(tǒng)設(shè)計,具有重要的理論指導(dǎo)意義。
基于上述目的,開展了系列室外爆破試驗(地表常溫下),以活化劑用量、定壓片厚度、二氧化碳充裝量為實(shí)驗變量測試了95型致裂器的爆破效果。
控制定壓片厚度4.0 mm和二氧化碳充裝量1.31 kg,活化劑用量從250 g增至300 g,致裂器從無法引爆至引爆成功??刂贫▔浩穸?.5 mm和活化劑用量250 g,二氧化碳充裝量從1.40 kg增至1.51 kg,致裂器從無法引爆至引爆成功。以4.0、4.5、5.0 mm為梯度增加定壓片厚度,控制活化劑用量為250 g,能夠成功引爆所需的二氧化碳充裝量分別為1.49、1.51、1.59 kg??梢钥闯龌罨瘎┯昧亢投趸汲溲b量一定程度上對引爆情況表現(xiàn)為正向積極作用,且兩者相互影響爆破結(jié)果;定壓片厚度則表現(xiàn)為負(fù)向消極作用。
2.2.1 預(yù)設(shè)爆破力
干熱巖儲層多為花崗巖、花崗閃長巖及黑云母片麻巖等,巖石堅硬、完整性好、滲透率極低。同時儲層巖體的抗壓強(qiáng)度還受到所處環(huán)境的影響,選取花崗巖巖樣不同圍壓和強(qiáng)度之間的關(guān)系為:
強(qiáng)度隨溫度的增加先增加后減少,400℃是巖樣三軸抗壓強(qiáng)度的一個拐點(diǎn),此后隨著溫度的升高,巖樣的抗壓強(qiáng)度不斷下降。由于深埋地下的干熱巖體在結(jié)晶時就處于高溫狀態(tài),溫度對巖石強(qiáng)度的劣化顯得微弱。結(jié)合室內(nèi)試驗探究的規(guī)律,將二氧化碳致裂器的爆破力設(shè)為500 MPa。
2.2.2 二氧化碳充裝量和活化劑用量
二氧化碳爆破時,活化器瞬間被點(diǎn)燃產(chǎn)生大量的熱量,液態(tài)二氧化碳吸收能量相變,管體內(nèi)的壓力急劇升高,液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化為超臨界狀態(tài)?;罨髦饕怯糜谙到y(tǒng)供能,提供激發(fā)熱能,溫度指標(biāo)可以直接反映活化器作用效果。采用真實(shí)氣體狀態(tài)方程即Pen-Robinson方程,簡稱P-R方程,確定液態(tài)二氧化碳激發(fā)溫度為400 K。
再通過研究高溫高壓狀態(tài)下的氣體VHL方程[18]準(zhǔn)確描述二氧化碳爆破過程中氣體組分高溫高壓熱力學(xué)狀態(tài),確定爆轟環(huán)境下氣體的壓力、體積和溫度(PVT)熱力學(xué)關(guān)系(圖4)。通過matlab得到適合的二氧化碳?xì)怏w體積,最后計算出滿足干熱巖儲層爆破壓力的二氧化碳充裝量為4 kg。
圖4 氣體狀態(tài)方程VHL的變量相互關(guān)系Fig.4 Relationship between the variables of the gas state equation VHL
活化器釋放的熱量Q主要用于液態(tài)二氧化碳?xì)饣疩l和氣體二氧化碳?xì)怏w升溫Qv,其中滿足Q=Ql+Qv。通過以前期實(shí)驗數(shù)據(jù)(活化劑用量/定壓片厚度/二氧化碳充裝量)(250/5.0/1.50)為計算標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗中達(dá)到的最高溫度為405.8 K,二氧化碳充裝量為1.50 kg,計算得到250 g的活化器釋放的熱量為565.272 kJ,預(yù)設(shè)的4 kg二氧化碳,升高溫度至400 K所需熱量為1482.51 kJ,相當(dāng)于前者的2.62倍,需要655.66 g的活化器藥量。
2.2.3 定壓片厚度
干熱巖儲藏于地層深部,二氧化碳致裂器上下提取、實(shí)施精準(zhǔn)爆破需要依靠鉆桿配合運(yùn)輸。故調(diào)研了目前國內(nèi)常用鉆桿的技術(shù)參數(shù)(見表1)。為給保溫隔熱環(huán)的厚度設(shè)計留下足夠尺寸,選取公稱直徑為5 in(1 in=25.4 mm,下同)的鉆桿,確定外徑為127 mm,厚度至少為9.5 mm,長度9.6 m。
表1 常用鉆桿技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of common drill pipes
定壓片的設(shè)計需要根據(jù)爆破力與內(nèi)壓作用面的直徑來確定,在500 MPa條件下,定壓片厚度與內(nèi)壓作用面直徑成正比。圖5中陰影區(qū)域表示定壓片厚度超過設(shè)計范圍,不能完成爆破的情況。為防止井下作業(yè)時鉆井液對致裂器的腐蝕破壞,出現(xiàn)定壓片厚度減小或定壓片結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,最終影響爆破效果,特設(shè)計雙定壓片結(jié)構(gòu),靠外側(cè)定壓片直徑與內(nèi)側(cè)定壓片的相同,僅在厚度及材質(zhì)方面有所不同,使得外側(cè)定壓片強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)側(cè)定壓片強(qiáng)度。外側(cè)定壓片材質(zhì)以防酸化、輕便及低強(qiáng)度為主。
為保證管體的強(qiáng)度達(dá)到要求,預(yù)設(shè)壁厚為20 mm,保溫隔熱環(huán)厚度為20 mm,那么內(nèi)直徑為47 mm。根據(jù)計算,定壓片厚度應(yīng)在19.0 mm左右。
圖5 定壓片厚度范圍Fig.5 Thickness range of the rupture disc
2.3.1 保溫隔熱材料選取
保溫隔熱環(huán)外部為鋼制材料,加上環(huán)體本身具有一定的厚度,可有效減緩致裂器下放深井過程中與套管和井壁的碰撞,使二氧化碳致裂器安全完好的到達(dá)預(yù)定起爆位置。
根據(jù)傅立葉定律,一維徑向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下,管狀結(jié)構(gòu)絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)見公式(2),按照爆破所需熱量,反推保溫隔熱層材料的導(dǎo)熱系數(shù),從而選擇保溫隔熱材料。
式中:λ——導(dǎo)熱系數(shù);Q——通過絕熱材料的總熱量,W;r2——絕熱材料外表面半徑,m;r1——絕熱材料內(nèi)表面半徑,m;t2——絕熱材料外表面溫度,℃;t1——絕熱材料內(nèi)表面溫度,℃;l——絕熱材料有效長度,m。
設(shè)計尺寸規(guī)格為:致裂器管體的外表面半徑r2=0.0635 m,保溫環(huán)的厚度為0.020 m;致裂器外側(cè)溫度參考干熱巖的開采溫度t2=300℃,不包含保溫隔熱層管體外部溫度t1=25℃;致裂器的長度l=4 m。依據(jù)上述參數(shù),計算可得所用致裂器保溫隔熱層材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.04 W/(m·K)。調(diào)研相關(guān)材料的導(dǎo)熱系數(shù),最終選用導(dǎo)熱系數(shù)為0.006 W/(m·K)的TDD真空絕熱保溫板。
2.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)
致裂器管壁內(nèi)外側(cè)設(shè)有溫度、壓力傳感器,實(shí)時監(jiān)測深井破巖二氧化碳致裂器的內(nèi)部狀態(tài),且與中心控制器相連,輸出結(jié)果通過無線發(fā)射傳輸信息至遠(yuǎn)程控制終端,地面操控人員可實(shí)時監(jiān)測深井中的致裂器內(nèi)部狀態(tài)并對緊急情況做出及時的處理。
2.3.2.1壓力傳感器
經(jīng)過篩選,監(jiān)測系統(tǒng)最終可選擇OMEGA公司生產(chǎn)的PX91N0-10KSV型壓力傳感器,OMEGA的PX91系列是堅固的超高溫壓力傳感器系列,完全密封,具有全不銹鋼結(jié)構(gòu),設(shè)計用于高溫的試驗箱。
2.3.2.2溫度傳感器
溫度傳感器最終選擇K型熱電偶,是一種廣泛應(yīng)用的溫度傳感器,具有熱電動勢較大、測量精度高、靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性和均勻性較好等優(yōu)點(diǎn),其測量范圍-200~1300℃,符合本實(shí)驗的溫度測試要求。
2.3.3 防爆系統(tǒng)
為防止致裂器運(yùn)輸過程中高溫和碰撞導(dǎo)致液態(tài)二氧化碳局部受熱膨脹,發(fā)生自爆等不安全現(xiàn)象,在充能頭內(nèi)設(shè)置了啟閉閥門與防爆通道組成防爆系統(tǒng),可小范圍調(diào)節(jié)管體內(nèi)壓力。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)檢測到管體內(nèi)壓力小范圍上升時,中心控制器開啟指令啟閉閥門,通過泄去小部分二氧化碳平衡管體內(nèi)溫度和壓力,當(dāng)管內(nèi)溫壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)啟閉閥門接受指令關(guān)閉。部件設(shè)計如圖6所示。
圖6 防爆系統(tǒng)設(shè)計示意Fig.6 Design of the explosion-proof system
2.3.4 連接設(shè)計
通過在充能頭外設(shè)置有可與母頭鉆桿相連接的螺紋,二氧化碳致裂器可置于鉆桿前端,隨鉆桿下放到深井預(yù)定位置,解決了二氧化碳致裂器井下運(yùn)輸問題。因總體為圓柱螺紋,外螺紋牙型選擇三角形細(xì)螺紋,細(xì)牙的螺距小,升角小,自鎖性能更好,可用于細(xì)小零件薄壁管中,有振動或變載荷的聯(lián)接,以及微調(diào)裝置等,可以很好地連接致裂器和鉆桿。
(1)揭示了活化劑用量、定壓片厚度、二氧化碳充裝量為影響二氧化碳致裂器爆破的主要因素。活化劑用量和二氧化碳充裝量越多,定壓片厚度越小,致裂器爆破的可能性越大。
(2)設(shè)計了用于干熱巖型地?zé)醿咏ㄔ斓亩趸贾铝哑鲀?nèi)部參數(shù)。氣體爆破力500 MPa、激發(fā)溫度400 K、活化器質(zhì)量655.66 g、內(nèi)腔直徑47 mm、定壓片厚度19 mm,且二氧化碳成功引爆的基礎(chǔ)上滿足致裂建造干熱巖型地?zé)醿拥谋茐毫Α?/p>
(3)優(yōu)化了用于干熱巖型地?zé)醿咏ㄔ斓亩趸贾铝哑魍獠拷Y(jié)構(gòu)。選取導(dǎo)熱系數(shù)為0.006 W/(m·K)的TDD真空絕熱保溫板為保溫隔熱材料;分別選用PX91N0-10KSV型壓力傳感器、K型熱電偶為壓力、溫度傳感器監(jiān)控管內(nèi)溫壓;設(shè)置啟閉閥門與防爆通道組成防爆系統(tǒng),根據(jù)溫壓傳感器數(shù)據(jù)智能控制與調(diào)節(jié)管體內(nèi)壓力。
(4)研制了一種可用于干熱巖型地?zé)醿咏ㄔ斓亩趸贾铝哑?,為干熱巖儲層建造提供有效的技術(shù)手段,填補(bǔ)了耐高溫高壓的井下二氧化碳致裂器領(lǐng)域的空白。