CN104047585A - 脉冲压裂装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲压裂装置，包括：充放电控制模块，其用于产生并发送第一阈值直流电压；脉冲电流调制模块，其耦接所述充放电控制模块，其对所述第一阈值直流电压产生的脉冲放电电流进行调制；放电电极，其耦接所述脉冲电流调制模块，用于将调制后的脉冲放电电流的电能转换成机械能。本发明提出一种仅消耗电能的脉冲压裂装置，通过对产生的高电压的放电电流进行调制，并将放电电流的电能转换成机械能，使得该装置能够进行高能电弧压裂物理模拟试验，评估在不同岩性的地层岩石（火山岩、砂岩、碳酸盐岩等）中造出裂缝的能力，从而为该技术在油气增产现场应用中提供基础参数。而且，本装置不需消耗水和各类化学添加剂，具有低伤害、低能耗等特点。

Description

脉冲压裂装置以及方法

技术领域

本发明涉及油气增产领域，尤其涉及一种脉冲压裂装置以及方法。

背景技术

在传统的油气层增产技术领域中，水力压裂技术作为一种重要的油气增产措施目前在国内外被广泛的应用。油气层压裂的原理是利用液体传递压力作用，用压裂车组将具有一定粘度的化学液体(压裂液)以高大排量沿井筒注入油气层，造成地层的岩石破裂，进而形成一定规模的地层裂缝，从而提高油气井的产量。该方法具有一定的局限性，例如需要消耗大量的水资源、注入的化学液体（压裂液）容易造成储层伤害，达不到油气增产的目的、能量消耗也巨大。

上世纪60年代，美国矿务局石油研究中心和科罗拉多大学曾经进行过一系列室内实验、现场矿场实验和现场浅井实验。其原理是采用直流电持续放电，在油页岩露头和试验井中进行长时间放电实验。在室内实验和试验井放电实验中，露头和地层岩石中都产生了明显的垂直裂缝，有利于提高油气产量。然而，上述方法直接采用变压器把交流电转换为直流电进行长期持续放电，可操作性较差。

另一方面，美国雪弗龙公司的专利申请文件（专利号：CN102132004A）的“脉冲断裂设备与方法”，其设备中包含在有限的空间里激发电弧的1对电极的上下封隔器、有利于加热流体的温度、用充电储能方式进行反复大电流脉冲放电的1个流体加热***以及压力脉冲频率小于10Hz、有利于在有限空间流体中产生高压的1个化学添加剂注入***。

国际石油工程师协会会议论文SPE153805“Experiments on pulse powerfracturing”文中提到采用低能量的电弧脉冲进行室内电弧压裂实验，该实验中脉冲能量为几千焦，在砂岩试样中断裂处多条裂缝，单条裂缝长度最长为71mm。国际石油工程师协会会议论文SPE1969“Fracturing oil shale withelectricity”的文中提到进行过一系列室内实验、现场矿场实验和现场浅井实验。其原理是采用直流电持续放电，在油页岩露头和试验井中进行长时间放电实验。在室内实验和试验井放电实验中，露头和地层岩石中都产生了明显的垂直裂缝，有利于提高油气产量。

但是，现有的电弧脉冲强化采油技术，由于能量小、电压低等特点，往往只能在岩石中造成微观裂隙，产生不了一定规模的裂缝，因此达不到大幅提高油气产量的目的。

基于上述现状，本发明提出一种新型的利用高压脉冲放电造成地层岩石破裂的脉冲压裂装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种新型的利用高压脉冲放电造成地层岩石破裂的脉冲压裂装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种脉冲压裂装置，包括：充放电控制模块，其用于产生并发送第一阈值直流电压；脉冲电流调制模块，其耦接所述充放电控制模块，其对所述第一阈值直流电压产生的脉冲放电电流进行调制；放电电极，其耦接所述脉冲电流调制模块，其用于将调制后的脉冲放电电流的电能转换成机械能。

在一个实施例中，所述充放电控制模块进一步用于产生并发送脉冲触发信号，所述脉冲电流调制模块进一步基于所述脉冲触发信号来对所述第一阈值直流电压产生的脉冲放电电流进行调制。

在一个实施例中，所述充放电控制模块包括，第一整流器，其用于将输入的交流电转换成设定电压范围的直流电；高频逆变器，其耦接所述第一整流器，用于将所述设定电压范围的直流电转换成高频交流电；第二整流器，其耦接所述高频逆变器，用于将所述高频交流经过升压整流后转换成所述第一阈值直流电压；脉冲发生器，其用于产生脉冲触发信号。

在一个实施例中，所述脉冲电流调制模块包括，脉冲电容器，其耦接所述第二整流器，其通过所述第二整流器转换得到的第一阈值直流电压被充电得到脉冲放电电流；放电开关，其耦接所述脉冲发生器，其由所述脉冲发生器的脉冲触发信号来实现开关的导通和关闭；电感，其与所述放电开关串联，其中，通过调节所述脉冲电容器和电感的大小以及由所述脉冲发生器的脉冲触发信号来控制所述放电开关的开关信息，来对所述脉冲放电电流进行调制。

在一个实施例中，所述脉冲电流调制模块对脉冲放电电流的波形、放电时间和/或电流幅值进行调制，其中，波形调制为振荡波形或非振荡波形，放电时间从微秒级调制至毫秒级，电流幅值调制为数十至数百千安级。

在一个实施例中，所述脉冲电流调制模块还包括续流二极管。

在一个实施例中，所述放电电极为对极式电极。

在一个实施例中，所述放电电极进一步包括第一电极、比所述第一电极的电压低的第二电极、绝缘体和外筒，其中，所述第一电极设置在所述绝缘体中；所述绝缘体设置在所述外筒内部的一端；所述第二电极与所述外筒内部的另一端可移动的连接，且其端面与所述第一电极端面相对，二者之间具有可调节的间隙。

在一个实施例中，所述第一电极与所述电感的输出端电连接，所述第二电极与所述脉冲电容器的两端中电压较低的一端电连接。

在一个实施例中，所述充放电控制模块，产生的第一阈值直流电压的范围在0至30kV。

根据本发明的另一方面，还提供了一种脉冲压裂方法，包括：产生并发送第一阈值直流电压；对所述第一阈值直流电压产生的脉冲放电电流进行调制；将调制后的脉冲放电电流的电能转换成机械能。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明提出一种仅消耗电能的脉冲压裂装置，通过对产生的高电压的放电电流进行调制，并将放电电流的电能转换成机械能，使得该装置能够进行高能电弧压裂物理模拟试验，评估在不同岩性的地层岩石（火山岩、砂岩、碳酸盐岩等）中造出裂缝的能力，从而为该技术在油气增产现场应用中提供基础参数。而且，本装置不需消耗水，具有低伤害、低能耗等特点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的脉冲压裂装置1的结构示意图；

图2是图1所示脉冲压裂装置1中的高压充放电控制模块10的结构示意图；

图3是图1所示脉冲压裂装置1中的脉冲电流调制模块20的结构示意图；

图4是图1所述脉冲压裂装置1中的放电电极30的结构示意图；

图5（a）和（b）是利用脉冲电流调制模块20对放电电流进行调制的示例图；

图6（a）、（b）、（c）和（d）分别是示例1、2、3和4的结果示意图；

图7是根据本发明一实施例的脉冲压裂方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

图1是根据本发明一实施例的脉冲压裂装置1的结构示意图，参考图1，该装置1包括高压充放电控制模块（简称充放电控制模块）10、脉冲电流调制模块（简称调制模块）20和放电电极30。

充放电控制模块10，其与调制模块20电连接，其用于产生并发送第一阈值直流电压和脉冲触发信号，其中，该第一阈值直流电压的范围优选在0-30kV。脉冲电流调制模块20，其耦接充放电控制模块10，基于脉冲触发信号来调节由第一阈值直流电压生成的脉冲放电电流。放电电极30，其耦接脉冲电流调制模块20，用于将脉冲放电电流的电能转换成机械能。

图2是图1所示脉冲压裂装置1中的高压充放电控制模块10的结构示意图，如图2所示，充放电控制模块10包括低压整流器（也可称为“第一整流器”）11、高频逆变器12、高频高压整流器（也可称为“第二整流器”）13和脉冲高压发生器（可称为“脉冲发生器”）14。其中，低压整流器11用来将输入的交流电（一般为220伏）转换成设定电压范围（例如300伏左右）的直流电。高频逆变器12，其耦接低压整流器11，其用于将低压整流器11输出的直流电转换成高频交流电。高频高压整流器13，其耦接高频逆变器12，用于将高频逆变器12输出的高频交流电经过升压整流后转换成第一阈值直流电压。脉冲高压发生器14产生优选为35kV的脉冲触发信号用来触发调制模块20中放电开关S1闭合导通。

需要说明的是，由于该脉冲高压发生器14主要是用来触发放电开关S1的开关信息以协助调制放电电流，因此其也可以设置在脉冲电流调制***20中，在本实施例中优选设置在充放电控制模块10中。

通过高压充放电控制模块10产生了具有较高能量的电压，可以使放电后产生较高的脉冲压力，具有更好的压裂效果。

图3是图1所示脉冲压裂装置1中的脉冲电流调制模块20的结构示意图，如图3所示，调制模块20，其包括脉冲电容器C、放电开关S1、续流二极管D1和调波电感L。脉冲电容器C通过控制模块10中的高频高压整流器13转换得到的高压直流被充电得到设定电压值的脉冲放电电流（可称为放电电流）。通过调节脉冲电容器C的大小和调波电感L的大小以及放电开关S1的开关信息来调节放电电流的波形和脉冲宽度。续流二极管D1决定放电电流是振荡波形还是非振荡波形。

具体地，放电电流的电流波形可被调节为振荡波形和非振荡波形，放电时间可被调节为几十微秒至数毫秒，电流幅值可被调节为数十至数百千安。本实施例中脉冲电容器C储能40kJ，工作电压20kV，放电电流的波形和脉冲宽度可根据需要进行调节，电流幅值最高可达70kA。

例如，当调节脉冲电容器C的电容量为200微法，脉冲电容器C的电压被充电至18kV时，调波电感L为10微亨时，脉冲电容器C的放电电流的波形是振荡波形，电流半波脉冲宽度在140微秒（见图5a）。当调节脉冲电容器C的电容量为4000微法，脉冲电容器C的电压被充电至电压4kV时，调波电感L的大小不变，则脉冲电容器C放电电流的波形接近非振荡波形，电流脉冲宽度在1毫秒左右（见图5b）。

优选地，放电电极30其结构如图4所示，包括高压电极（也称“第一电极”）301、绝缘体302、外筒303和低压电极（也称“第二电极”，其比第一电极的电压低）304。其中，第一电极301设置在绝缘体302中，绝缘体302设置在外筒303内的一端，第二电极304与外筒303内的另一端可移动的连接，且其端面与第一电极301端面相对，二者之间具有可调节的间隙。优选地，放电电极30的第二电极304采用螺纹结构，与外筒303螺纹连接。放电电极30的低压电极301与脉冲电容器C的低压端相连，高压电极304与调波电感L的输出端相连。

需要说明的是，对于不同等级的放电能量及电压，存在一个最佳放电间隙，即在该最佳放电间隙的情况下，放电电极获得的能量最大。

图4所示的放电电极30为对极式的结构，该结构所产生的压力波沿水平方向传播。这是因为，当脉冲电容器C储存的电能经放电开关S1通过水中放电电极30放电时，在液体介质中产生巨大的冲击波并伴随强烈的辐射，这种现象称为“液电效应”。液电效应的本质是能量的高速转换，即电能通过放电方式直接转化为热、光、力和声等其他形式的能量。

在放电电极30击穿后，脉冲电容器C储存的能量迅速向液中由高压电极301和低压电极304产生的放电通道释放，在电极间隙中形成电弧放电。电弧高温引起通道内压力升高，形成脉冲压力波，产生的压力幅值可达几十至数百兆帕。放电电流可达几十千安，放电时间在几十微秒至数百微秒，瞬时温度可达数千K，瞬时功率可达数百兆瓦。

因此，通过该放电电极30，高压的放电电流能够穿透到的地层岩石孔隙流体介质中产生冲击声波（非普通声波），该冲击波能够造成岩石发生不同程度的破裂，形成一定规模的裂缝。

为了进一步说明本发明实施例的优点，下面说明利用本发明实施例的脉冲压裂装置1进行压裂实验得到的效果。

示例1：采用混凝土试样，水泥与砂配比为1:1，试样尺寸：直径48cm，高50cm，中心钻孔直径6cm，深25cm。充电电压5kV，放电一次，岩样在不同方向上产生多条电弧压裂裂缝，具体效果如图6（a）所示。

示例2：采用混凝土试样，水泥与砂配比为2:1，试样尺寸同上。充电电压5kV，放电5次，岩样在不同方向上产生多条电弧压裂裂缝，具体效果如图6（b）所示。示例1和示例2为对比实验。

示例3：采用混凝土试样，水泥与砂配比为1:1，试样尺寸同上。充电电压9kV，放电一次，岩样在不同方向上产生多条电弧压裂裂缝，具体效果如图6（c）所示。

示例4：采用混凝土试样，水泥与砂配比为2:1，试样尺寸同上。充电电压9kV，放电一次，岩样在不同方向上产生多条电弧压裂裂缝，具体效果如图6（d）所示。

四个示例的对比实验结果如下表1所示。

表1

如上表所示，在实验室条件下，通过高电压电弧的单次或多次脉冲放电，在模拟地层岩石的混凝土试样中，在径向的多个方向产生多条规模裂缝，单条裂缝长为220mm（均延伸到了试样表面），平均裂缝高度250mm；每个试样中产生上述裂缝条数为3-4条。然而，国际石油工程师协会会议论文SPE153805“Experiments on pulse power fracturing”文中实验所产生的径向单翼裂缝长度为34mm-71mm，可以看出，其造缝效果明显小于本发明实施例中的技术效果。

另外，图7是根据本发明一实施例的脉冲压裂方法的流程示意图，参阅图1和图7，充放电控制模块10产生并发送第一阈值直流电压和脉冲触发信号（步骤S710）。脉冲电流调制模块20基于第一阈值直流电压和脉冲触发信号来调制放电电流（S720）。放电电极30将放电电流的电能转换成机械能（S730）。

上述方法通过采用相对较高能量的多次电脉冲放电，在其能够穿透到的地层岩石孔隙流体介质中产生冲击声波（非普通声波），该冲击波造成岩石发生不同程度的破裂，形成一定规模的裂缝。

综上所述，本发明通过利用消耗电能的压裂装置来实现压裂，由于该方法不消耗水，因此具有低伤害、低能耗等优点。另外，通过利用该装置在实验室条件下进行高能电弧压裂物理模拟试验，评估在不同岩性的地层岩石（火山岩、砂岩、碳酸盐岩等）中造出裂缝的能力和效果，从而说明该装置能够被应用在油气增产现场。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种脉冲压裂装置，包括：

充放电控制模块，其用于产生并发送第一阈值直流电压；

脉冲电流调制模块，其耦接所述充放电控制模块，其对所述第一阈值直流电压产生的脉冲放电电流进行调制；

放电电极，其耦接所述脉冲电流调制模块，其用于将调制后的脉冲放电电流的电能转换成机械能。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述充放电控制模块进一步用于产生并发送脉冲触发信号，

所述脉冲电流调制模块进一步基于所述脉冲触发信号来对所述第一阈值直流电压产生的脉冲放电电流进行调制。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述充放电控制模块包括，

第一整流器，其用于将输入的交流电转换成设定电压范围的直流电；

高频逆变器，其耦接所述第一整流器，用于将所述设定电压范围的直流电转换成高频交流电；

第二整流器，其耦接所述高频逆变器，用于将所述高频交流电经过升压整流后转换成所述第一阈值直流电压；

脉冲发生器，其用于产生脉冲触发信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述脉冲电流调制模块包括，

脉冲电容器，其耦接所述第二整流器，其通过所述第二整流器转换得到的第一阈值直流电压被充电得到脉冲放电电流；

放电开关，其耦接所述脉冲发生器，其由所述脉冲发生器的脉冲触发信号来实现开关的导通和关闭；

电感，其与所述放电开关串联，其中，

通过调节所述脉冲电容器和电感的大小以及由所述脉冲发生器的脉冲触发信号来控制所述放电开关的开关信息，来对所述脉冲放电电流进行调制。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述脉冲电流调制模块还包括续流二极管。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，

所述脉冲电流调制模块对脉冲放电电流的波形、放电时间和/或电流幅值进行调制，其中，

波形调制为振荡波形或非振荡波形，放电时间调制为微秒级至毫秒级，电流幅值调制为数十至数百千安级。

7.根据权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于，所述放电电极为对极式电极。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述放电电极进一步包括第一电极、比所述第一电极的电压低的第二电极、绝缘体和外筒，其中，

所述第一电极设置在所述绝缘体中；

所述绝缘体设置在所述外筒内部的一端；

所述第二电极与所述外筒内部的另一端可移动的连接，且其端面与所述第一电极端面相对，二者之间具有可调节的间隙。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述第一电极与所述电感的输出端电连接，所述第二电极与所述脉冲电容器的两端中电压较低的一端电连接。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述充放电控制模块产生的第一阈值直流电压的范围在0至30kV。

11.一种脉冲压裂方法，包括：

产生并发送第一阈值直流电压；

对所述第一阈值直流电压产生的脉冲放电电流进行调制；

将调制后的脉冲放电电流的电能转换成机械能。