本發(fā)明屬于頁巖氣開采技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種頁巖氣開采裝置及方法，具體涉及一種可控且可活動的雙激光束開采頁巖氣裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著油氣資源的日趨緊缺和對于能源安全的考慮，頁巖氣這一能夠有效緩解世界能源壓力的非常規(guī)天然氣資源，正在被世界各國所追捧，已成為世界能源研究的熱點(diǎn)之一，其開發(fā)和利用越來越多地得到世界各國的重視。頁巖氣是寶貴的資源、優(yōu)質(zhì)的能源和化工原料，可作為常規(guī)天然氣的接替能源或補(bǔ)充能源。世界頁巖氣資源很豐富，但目前還沒有廣泛地勘探與開發(fā)，其根本原因是頁巖基質(zhì)滲透率很低(一般小于1md)，勘探開發(fā)技術(shù)要求高，難度大。

頁巖氣是賦存于暗色泥頁巖層或高碳泥頁巖層中的天然氣，它可以生成于有機(jī)成因的各種各個(gè)階段，天然氣一部分以游離相態(tài)(大約50％)存在于頁巖層裂縫、頁巖層孔隙及其它儲集空間，另一部分以吸附狀態(tài)(大約50％)存在于干酪根、粘土顆粒及粘土孔隙表面。

全球?qū)搸r氣的開發(fā)尚處于早期階段，美國已經(jīng)建成了較大規(guī)模的頁巖氣產(chǎn)能，我國作為全球頁巖氣最多的國家之一，但頁巖氣開發(fā)尚未起步，且我國頁巖氣普遍埋藏較深，進(jìn)一步增加了開發(fā)難度。

現(xiàn)有頁巖氣開采的主要是依靠其自身解吸，采氣一段時(shí)間后，頁巖氣的產(chǎn)量急劇降低，頁巖氣開采的效果不理想，產(chǎn)量低、產(chǎn)量不穩(wěn)定，不能達(dá)到工業(yè)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。頁巖氣開采產(chǎn)氣量低的原因主要是：與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣的儲存方式以吸附為主、儲層能量低(壓力低)、滲透性差，頁巖氣的產(chǎn)出過程是先解吸，然后在孔隙介質(zhì)中滲流。僅依靠自身解吸較難獲得很高的產(chǎn)氣量和采收率，必須尋找和研究提高開采速度(或日產(chǎn)氣量)和采收率的新方法。

為了提高頁巖氣的采收率，可在頁巖氣開產(chǎn)量低于工業(yè)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)(單井1000立方米/日)時(shí)，采取增產(chǎn)措施?，F(xiàn)有的增產(chǎn)措施主要采用水力壓裂進(jìn)行儲層改造。水力壓裂技術(shù)，包括清水壓裂技術(shù)、多段壓裂技術(shù)、同步壓裂技術(shù)、重復(fù)壓裂技術(shù)等，是目前唯一可以開啟頁巖氣礦藏的金鑰匙，使頁巖氣產(chǎn)量有了突飛猛進(jìn)的增長。它主要使用含砂的水，其中砂作為支撐劑，此外還有2％或更少的化學(xué)增強(qiáng)劑。其原理是通過地面泵車將壓裂液泵入到井底，當(dāng)高壓液體注入鉆井并使巖層裂開后，高壓液體中的支撐劑可以保持住裂縫，使其成為油氣導(dǎo)向鉆井的高速滲透通道。一方面循環(huán)壓裂液的凈化不妥可能會造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，因?yàn)樗毫鸭夹g(shù)應(yīng)用于工業(yè)，眾所周知，會使用大量水和造成水污染問題，化學(xué)污染，甲烷污染等。另一方面，這種方法雖然增加了滲流通道，使部分解吸的頁巖氣流出，但沒有從根本上加速吸附態(tài)頁巖氣的解吸，增產(chǎn)效果有限。同時(shí)，大部分頁巖氣埋藏較深，采用水力壓裂法需要提供足夠大的壓力。導(dǎo)致設(shè)備投資大、運(yùn)行費(fèi)用高，限制了其廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種可控且可活動的雙激光束開采頁巖氣的新方法，充分發(fā)揮連續(xù)激光與脈沖激光技術(shù)的優(yōu)勢，解決了開采頁巖氣效率低、開采頁巖氣過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染、井底能量不足而導(dǎo)致的開采深度低的難題，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣的高效、清潔生產(chǎn)，保障國家能源戰(zhàn)略安全。同時(shí)，在激光破巖過程中，如遇到油氣田或可燃冰將立馬發(fā)生爆炸，為避免這一情況的發(fā)生，在連續(xù)激光頭保持架安裝有高精密電磁油氣檢測傳感器和天然氣水合物檢測傳感器，分別用來探測在破巖過程中可能會遇到的油氣田和可燃冰，從而避開油氣田或可燃冰區(qū)域，避免因激光破巖遇到油氣田和可燃冰導(dǎo)致爆炸的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)更安全的開采。

本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是：一種可控且可活動的雙激光束開采頁巖氣裝置，其特征在于：包括能量光釬、連續(xù)激光頭、連續(xù)激光頭保持架、脈沖激光頭、脈沖激光頭保持架、地面控制系統(tǒng)、高精密電磁油氣檢測傳感器、天然氣水合物檢測傳感器；

所述能量光釬為兩條，一條與所述連續(xù)激光頭連接，用于產(chǎn)生連續(xù)激光束；另一條與所述脈沖激光頭連接，用于產(chǎn)生脈沖激光束；

所述連續(xù)激光頭安裝在連續(xù)激光頭保持架內(nèi)，所述脈沖激光頭安裝在脈沖激光頭保持架內(nèi)；

所述高精密電磁油氣檢測傳感器、天然氣水合物檢測傳感器設(shè)置在所述連續(xù)激光頭保持架上，分別通過導(dǎo)線與所述地面控制系統(tǒng)連接，用于用來探測在破巖過程中前方是否有油氣田、探測到陸域中凍土層中是否存在可燃冰；

所述地面控制系統(tǒng)根據(jù)探測獲得的信息，控制連續(xù)激光頭、脈沖激光頭工作。

本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是：一種可控且可活動的雙激光束開采頁巖氣方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：地面控制系統(tǒng)控制連續(xù)激光頭或/和脈沖激光頭進(jìn)行破巖作業(yè)；

步驟2：高精密電磁油氣檢測傳感器實(shí)時(shí)探測在破巖過程中前方是否有油氣田，天然氣水合物檢測傳感器實(shí)時(shí)探測陸域中凍土層中是否存在可燃冰；

步驟3：地面控制系統(tǒng)判斷高精密電磁油氣檢測傳感器或/和天然氣水合物檢測傳感器是否檢測到信號；

若是，則改變工作方式，并回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述步驟2；

若否，地面控制系統(tǒng)控制連續(xù)激光頭和脈沖激光頭協(xié)同破巖作業(yè)，并回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述步驟2。

本發(fā)明提出一種可控且可活動的雙激光束開采頁巖氣的新方法，將連續(xù)激光與脈沖激光兩種激光方法優(yōu)勢互補(bǔ)，高效協(xié)同作業(yè)，大大提高頁巖氣的開采效率。同時(shí)通過引入高精密電磁油氣檢測傳感器和天然氣水合物檢測傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測在雙激光束破巖過程可能遇到的油氣田和可燃冰，從而避免爆炸的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)真正的安全破巖開采頁巖氣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請見圖1，本發(fā)明提供的一種可控且可活動的雙激光束開采頁巖氣裝置及方法，包括能量光釬1、并排連接扣2、連續(xù)激光頭4、連續(xù)激光頭保持架13、脈沖激光頭6、脈沖激光頭保持架5、地面控制系統(tǒng)14、高精密電磁油氣檢測傳感器8、天然氣水合物檢測傳感器10、信號采集和提取子系統(tǒng)15和高精度數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)16、探照燈7、連續(xù)激光束9、微型攝像頭11、脈沖激光束12。能量光釬1與連續(xù)激光頭4、脈沖激光頭6相連接，由能量光釬1傳輸激光能量至連續(xù)激光頭4、脈沖激光頭6。連續(xù)激光頭4、脈沖激光頭6分別作為連續(xù)激光束9和脈沖激光束12的輸出口；連續(xù)激光頭保持架13安裝在能量光釬1和連續(xù)激光頭4之間；脈沖激光頭保持架5安裝在能量光釬1和脈沖激光頭6之間；連續(xù)激光頭保持架13安裝在所述連續(xù)激光頭4上，射出可控的連續(xù)激光束9；脈沖激光頭保持架5安裝在所述脈沖激光頭6上，射出可控的脈沖激光束12；連續(xù)激光頭保持架13和脈沖激光頭保持架5通過并排連接扣2連接在一起，實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光和脈沖激光協(xié)同有序操作；連續(xù)激光頭保持架13和脈沖激光頭保持架5被安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)活動機(jī)構(gòu)17上，使得連續(xù)激光束9和脈沖激光束12可以在空間進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動，協(xié)同破巖，可以使激光頭到達(dá)更遠(yuǎn)的位置進(jìn)行破巖。地面控制系統(tǒng)14用來控制連續(xù)激光束9與脈沖激光束12的協(xié)同工作。微型攝像頭11用來實(shí)時(shí)觀測雙激光束破巖開采頁巖氣過程中的情況，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；探照燈7用來提供光源使得微型攝像頭11能清楚的觀測雙激光束破巖開采頁巖氣過程中的情況。

由激光器產(chǎn)生可控的連續(xù)激光束9，經(jīng)能量光釬傳輸至連續(xù)激光頭4，經(jīng)連續(xù)激光頭4聚焦后連續(xù)激光束9作用于頁巖3對頁巖3進(jìn)行預(yù)熱，接著脈沖激光器產(chǎn)生可控的脈沖激光束12，經(jīng)能量光釬傳輸至脈沖激光頭6，經(jīng)脈沖激光頭6聚焦后作用于頁巖3，使頁巖3碎裂并去除頁巖。同時(shí)，連續(xù)激光頭保持架13和脈沖激光頭保持架5被安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)活動機(jī)構(gòu)17上，使得連續(xù)激光束9和脈沖激光束12可以在空間進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動，協(xié)同破巖，方向更加自由化，可以使激光頭到達(dá)更遠(yuǎn)的位置進(jìn)行破巖。本發(fā)明所采用的雙激光束方法利用連續(xù)激光束9的熱效應(yīng)預(yù)熱頁巖3，利用脈沖激光束12對頁巖3進(jìn)行熱力破壞，由于雙激光束能量可控且方向可實(shí)時(shí)調(diào)整，在對頁巖3進(jìn)行熱力學(xué)破壞的同時(shí)，幾乎不會伴隨有頁巖中頁巖氣發(fā)生的化學(xué)變化和物理變化。

本實(shí)施例的連續(xù)激光頭保持架13和脈沖激光頭保持架5被安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)活動機(jī)構(gòu)17上，使得連續(xù)激光束9和脈沖激光束12可以在空間進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動，協(xié)同破巖，可以使激光頭到達(dá)更遠(yuǎn)的位置進(jìn)行破巖。

本實(shí)施例的連續(xù)激光束采用高功率光纖激光器，能量可控，且具有良好的魯棒性和靈活性，在地底惡劣條件下也能正常工作；

脈沖激光束采用飛秒激光、皮秒激光或納秒激光，且能量輸出可控。隨著飛秒激光、皮秒激光、納秒激光研制的成功及技術(shù)的不斷成熟，可靠性及穩(wěn)定性都能得到很好的保證，可控性進(jìn)一步增強(qiáng)，性價(jià)比大幅提升。同時(shí)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(mems,micro-electro-mechanicalsystem)技術(shù)的發(fā)展，激光器的體積可不斷小型化，這些都潛在的促進(jìn)了激光應(yīng)用于頁巖氣的開采。

請見圖2，本發(fā)明提供的一種可控且可活動的雙激光束開采頁巖氣方法，包括以下步驟：

步驟1：地面控制系統(tǒng)14控制連續(xù)激光頭4或/和脈沖激光頭6進(jìn)行破巖作業(yè)；

步驟2：高精密電磁油氣檢測傳感器8實(shí)時(shí)探測在破巖過程中前方是否有油氣田，天然氣水合物檢測傳感器10實(shí)時(shí)探測陸域中凍土層中是否存在可燃冰；

步驟3：地面控制系統(tǒng)14判斷高精密電磁油氣檢測傳感器8或/和天然氣水合物檢測傳感器10是否檢測到信號；

若是，則地面控制系統(tǒng)14控制連續(xù)激光頭4和脈沖激光頭6停止工作，同時(shí)控制機(jī)器人關(guān)節(jié)活動機(jī)構(gòu)17改變破巖路徑，避開油氣田或/和可燃冰區(qū)域，或利用水射流的方法進(jìn)行破巖作業(yè)，并回轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2；

若否，地面控制系統(tǒng)14控制連續(xù)激光頭4和脈沖激光頭6協(xié)同破巖作業(yè)，首先由激光器產(chǎn)生可控的高能激光，經(jīng)能量光釬1傳輸至連續(xù)激光頭4，經(jīng)連續(xù)激光頭4聚焦后連續(xù)激光束9作用于頁巖上，對頁巖進(jìn)行預(yù)熱；頁巖經(jīng)預(yù)熱后，由激光器產(chǎn)生可控的高能激光，經(jīng)能量光釬1傳輸至脈沖激光頭6，經(jīng)脈沖激光頭6聚焦后脈沖激光束12作用于經(jīng)連續(xù)激光預(yù)熱的頁巖上，使頁巖破裂并去除頁巖；并回轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2。

本發(fā)明在雙激光束破巖過程中，激光遇到油氣田或可燃冰將立馬發(fā)生爆炸，這種情況是不允許發(fā)生的，為避免這一情況的發(fā)生，在連續(xù)激光頭保持架13安裝了高精密電磁油氣檢測傳感器8和天然氣水合物檢測傳感器10，該高精密電磁油氣檢測傳感器8探測到油氣儲層的微弱的電性特征后，將參數(shù)傳遞給信號采集和提取子系統(tǒng)15，并由高精度數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)16進(jìn)行處理，傳輸指令給地面控制系統(tǒng)14，地面控制系統(tǒng)14觸發(fā)激光控制器和機(jī)器人關(guān)節(jié)活動機(jī)構(gòu)17，雙激光束停止破巖，并改換其他破巖路徑。同理，天然氣水合物檢測傳感器10在凍土層檢測到可燃冰氣體信息時(shí)，將參數(shù)信息傳遞給信號采集和提取子系統(tǒng)15，并由高精度數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)16進(jìn)行處理，傳輸指令給激光控制器，激光停止破巖，改換其破巖路徑，以此來實(shí)現(xiàn)安全開采。如未遇到油氣田或可燃冰，則繼續(xù)進(jìn)行雙激光束高效協(xié)同破巖，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)隨鉆隨測，最終實(shí)現(xiàn)安全、高效破巖。

本發(fā)明由激光器產(chǎn)生可控的連續(xù)激光，經(jīng)能量光釬傳輸至激光頭，經(jīng)激光頭聚焦后連續(xù)激光作用于頁巖對頁巖進(jìn)行預(yù)熱，接著脈沖激光器產(chǎn)生可控的脈沖激光，經(jīng)能量光釬傳輸至激光頭，經(jīng)激光頭聚焦后作用于頁巖，使頁巖碎裂并去除頁巖。連續(xù)激光和脈沖激光兩束激光相互配合使用，從而實(shí)現(xiàn)高效、快速破巖，釋放頁巖氣的量更大；同時(shí)可活動的連續(xù)激光頭和脈沖激光頭進(jìn)一步提高了破巖的效率，從而大幅提升頁巖氣開采效率。

為保證更加安全的開采頁巖氣，在激光破巖過程中，如遇到油氣田或可燃冰將立馬發(fā)生爆炸，為避免這一情況的發(fā)生，在連續(xù)激光頭保持架安裝有高精密電磁油氣檢測傳感器和天然氣水合物檢測傳感器，分別用來探測在破巖過程中可能會遇到的油氣田和可燃冰，從而避開油氣田或可燃冰區(qū)域，避免因激光破巖遇到油氣田和可燃冰導(dǎo)致的爆炸的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)更安全的開采。

本發(fā)明的連續(xù)激光頭上安裝有高度靈敏的微型攝像頭，探照燈，高精密電磁油氣檢測傳感器、天然氣水合物檢測傳感器等；之所以安裝在連續(xù)激光保持架頭上而非脈沖激光頭保持架上，其原因在于連續(xù)激光頭保持架在激光工作時(shí)功率較脈沖激光低，所產(chǎn)生的溫度低，可以保證高精密電磁油氣檢測傳感器、天然氣水合物檢測傳感器、微型攝像頭、探照燈等的正常工作。

本發(fā)明的連續(xù)激光頭上安裝的微型攝像頭用來實(shí)時(shí)觀測雙激光束破巖開采頁巖氣過程中的情況；連續(xù)激光頭上安裝的探照燈用來提供一定的光源使得微型攝像頭能夠看清激光水射流破巖過程中的實(shí)時(shí)情況。高精密電磁油氣檢測傳感器用來檢測在鉆孔過程中檢測相關(guān)參數(shù)確定油氣田的大概位置，當(dāng)該傳感器檢測到油氣儲層的微弱的電性特征后，將參數(shù)傳遞給微弱信號采集和提取系統(tǒng)，并由高精度數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，傳輸指令給激光控制器，激光停止破巖，改換其他破巖路徑。同理，天然氣水合物檢測傳感器在凍土層檢測到可燃冰氣體信息時(shí)，將參數(shù)信息傳遞給微弱信號采集和提取系統(tǒng)，并由高精度數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，傳輸指令給激光控制器，激光停止破巖，改換其破巖路徑，由于雙激光頭是可活動的，因此改變破巖路徑是容易的。以此來實(shí)現(xiàn)安全開采。如未遇到油氣田或可燃冰，則繼續(xù)進(jìn)行雙激光束協(xié)同破巖，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)隨鉆隨測，最終實(shí)現(xiàn)安全、高效破巖。

本發(fā)明解決了頁巖氣開采效率低、井底能量不足而導(dǎo)致的開采深度低、因傳統(tǒng)開采頁巖氣而導(dǎo)致的環(huán)境污染等問題。不需要高壓流體的作用，也無需摻雜有化學(xué)物質(zhì)的流體，更重要的是實(shí)現(xiàn)了隨鉆隨測，更加安全的破巖和開采頁巖氣。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。