CN102132004B - 脉冲断裂设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在地质结构的至少一部分中引入断裂的方法，包括在至少部分穿透到地质结构中的井孔内的流体介质中产生声波。实施例可包括在引入声波之前对流体介质进行预热或加压。一种在地质结构的至少一部分中引入断裂的设备，包括产生火花的电极，以便在流体介质中产生普通声波。实施例可包括在引入声波之前对流体介质进行预热或加压的结构。

Description

脉冲断裂设备和方法

本申请要求2007年11月30日提交的美国临时专利申请61／004,773的优先权，其全部内容在此整体并入作为参考。

技术领域

本发明大体上涉及地下资源勘探，更具体地说，涉及通过在至少部分延伸到地质结构中的井孔内的流体介质中产生压力波，从而在地质结构中引入断裂。

背景技术

井孔周围区域的断裂能够提高特定类型的地层的石油勘探效率。通常，通过产生液压来将断裂引入到地质结构中，所述液压可以是在井孔内的流体中生成的静态或准静态的压力。另一种常规方法包括通过在火花隙上产生放电形成与液压波相关联的震动。

发明内容

本发明的各个实施例方面提供了一种在地质结构的至少一部分中引入断裂的方法，该方法包括在至少部分穿透到地质结构中的井孔内的流体介质中产生声波，所述声波具有足以在地质结构的一部分内、至少在流体和所述结构的边界处引入断裂的频率、持续时间和幅值，所述声波是普通的声波(即不是冲击波)。

本发明的实施例的一个方面可以包括：在产生声波之前，使井孔内的流体加压到低于一个压力阈值的压力，如超过该压力阈值就会使地质结构断裂，并将流体加热到低于在该压力下流体沸点的温度。

本发明的实施例的一个方面包括一种用于在紧邻井孔的地质结构的至少一部分中引入断裂的设备，该设备包含上封隔器和下封隔器，当被放置在井孔中时，所述上封隔器和下封隔器与井孔侧壁共同限定了一个确定的体积空间；一对电极，设置在上封隔器和下封隔器之间，限定了这对电极之间的火花隙；电源，与所述电极电连通，并被配置和设置为在火花隙上生成火花；泵，能够与确定的体积空间连通，并被配置和设置为当使用该设备时在确定的体积空间内产生压力；以及加热器，被配置和设置为当使用所述设备时对确定的体积空间内存在的流体介质进行加热。

本发明的实施例的各个方面可包括一种用计算机可执行指令编码以执行前述方法或控制前述设备的计算机可读介质。

本发明的实施例的各个方面可包括一个系统，该系统包括前述设备，并被配置和设置为用于控制根据前述方法提供对所述设备的控制。这样的系统例如可包括计算机，该计算机被编程为允许用户根据所述方法或其他方法控制该设备。

本发明的这些和其他目标、特征和特性，以及操作方法和相关结构部件的功能、部件组合以及制造成本，考虑到下述说明和参照附图所附的权利要求并将更为明显，这些部分一起构成了该说明书的一部分，其中各个附图中相同的附图标记表示相应的部件。但应当理解的是，附图仅用于阐释和说明的目的，并不能作为本发明的限制的规定。在说明书和权利要求书中所使用的单数形式“一”、“一个”以及“该”包括多个对象，除非文中明确规定是其他情况。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的设备的实例；

图2示出了根据本发明的实施例的替换电极配置；

图3示意性地示出了根据本发明的一个实施例的设备实例的例子，并且包括电气和液压的子系统；以及

图4表示出了根据本发明的一个实施例的方法步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的断裂引入设备2。井孔10进入具有多个层12、14、16的地层构造。作为示例，层14已经被标识为提供对地质资源、例如石油资源的获取入口，因此其可用于引入断裂，以提高获得这些资源的便利性。

断裂引入设备2包括一对封隔器20、22，用于将一定体积的流体24限定在与被设置为承受断裂的层14的一部分相邻的井孔部分内。通过示例，封隔器可以被分隔大约2到3英尺。在实施例中，这些封隔器20、22与井孔10的壁以足够好的一致性相配合，并且有足够的强度，一定体积的流体24内的压力被增大到高于井孔内的环境压力。因此，这些封隔器共同限定了近似为圆柱形的体积空间，其高度为几英尺的数量级，直径等于井孔的直径，一般约为4英寸到12英寸的数量级。

在封隔器20、22之间，一个高压电极26沿着井孔10的轴延伸。如图1所示，电极26包括上电极28和下电极30。上电极28和下电极30之间的距离构成了一个火花隙32，其中通过在电极28、30之间施加的高电压生成一个火花，从而超过该体积空间24内的流体的击穿电压。

下电极30包括在其基部周围的一个高压绝缘环34。另外，多个杆36，例如中空的金属杆，在上封隔器和下封隔器之间延伸，可以说限定了一个火花发生器的外轮廓。

下电极30可以与导电板38电连通，导电板38依次与下封隔器22电连通。类似地，杆36可以与导电板38电连通(从而与下封隔器和下电极电连通)。另外，导电环40可以与杆36的上部电连通，进一步确保杆36保持一个公共的电位差。可以理解的是，导电环40和杆36通过上述绝缘环34与上电极28隔离。还可以理解的是，绝缘环34应该被设计为具有足够大的击穿电压(即应当这样来选择其材料和尺寸)，该击穿电压大于电极之间的流体的击穿电压，因而火花隙产生电弧不会由于绝缘体而失效。

在实施例中，当杆36被构造为延伸穿过上封隔器20的中空管时，这些杆可用于提供多个附加功能。例如，一个或多个杆可包括一个端口，其允许流体在两个封隔器之间确定的体积空间内循环。一个或多个杆的上端可包括一个气流端口，其允许贮存的气体以限定的体积逸出。类似地，中空管可允许把传感器，如流量传感器、压力传感器、温度传感器或类似传感器插入到该体积空间中。

包括用于测量上下电极28、30之间间隔的传感器是比较有利的。在操作过程中，电极可能由于电弧放电而消耗掉一部分，通常会随着时间增大它们之间的分隔距离。当分隔变得较大时，一个或两个电极朝向对方延伸。在一个特定实施例中，一个或两个电极可随着它们被消耗而延伸到火花隙的杆中。出于这种考虑，将上电极作为可通过上封隔器在火花生成期间随着消耗而连续或周期性地送入到火花隙中的杆或一定长度的线缆是有利的。

另外，由于上下电极的消耗可能是不均匀的，将两个电极设置为可延伸的电极是有利的，允许同时控制火花隙的长度和火花隙的位置。在这种配置中，与上电极相类似，下电极同样包括可通过下封隔器送入到火花隙中的一定长度的杆或线缆。在一个典型的实施例中，各个电极的可消耗部分的总长度例如为几十英尺的数量级，能够使用较长的一段时间。

电缆42可用于传送断裂引入设备2。电缆例如可以是类似于用于远程感测井孔内状态的典型绳索。电缆42可包括实用设备，如电源和／或用于断裂引入设备2的控制器，以及将流体引入到确定的体积空间内或者使流体或气体从确定的体积空间返回以用于应用分析的导管。在实施例中，如下所述，导管可用于把热的、经过加压的流体引导到确定的体积空间，以及允许流体从确定的体积空间循环到地表。导管还可包括传输液压信号以控制设备2的能力(例如，包括控制电极随消耗的延伸的液压控制器)。

图2示出了一种作为替代的电极配置48，类似地设置了一个火花塞，其可用于本发明的各个实施例。在图2的电极中，一个外电极50和一个中央电极52替代了上下电极，共同限定了一个火花隙54。在该配置中，围绕中央电极52的绝缘套筒56(例如由尼龙制成)，将中央电极与外电极50隔离。外电极例如通过电极基部的导电部分58可以与地电连通。

图3示意性地示出了图1的设备2，以及提供附加功能的附加元件。尽管没有明确示出，附加元件也可以远离该设备设置。其效果是去除了井孔内的有源元件，这些有源元件有可能暴露在火花放电时产生的高压、高温以及电磁脉冲效应下。类似地，某些元件可位于与本发明的实施例一致的设备中。

电气系统60与设备2电连通，以便为电极提供能量。该电气系统60包括电源62，其例如可以是高压直流电源。电源62以每脉冲几百KJ的范围(例如在大约100KJ到大约200KJ之间)为能量存储元件、例如电容器组64充电，以便存储送往电极的能量。高压开关66可激活以便为电容器组64充电，并向电极28、30发送能量。

辅助电气系统70提供脉冲功率，用于引发电极之间的脉冲放电。在操作中，电气系统60用于在大约10-100ms的时间帧内产生电极之间的小电流。该电流例如可以在大约1-10A的范围内，用于在引发火花之前对电极之间的一部分流体进行预热。当预热周期结束后，辅助电气系统70在电极处生成一个高压脉冲，导致电极之间流体的击穿，并生成穿过其的相对导电的通路。一旦导电通道建立，电容器组64能够通过火花隙释放能量，在电极之间产生一个电弧放电。辅助电气系统例如可产生主电气系统的能量的大约1％到5％之间的脉冲能量。辅助电气系统也可以在与主电气系统相比更高的频率下(例如，在kHz范围内)被驱动，从而允许火花放电能维持相对较长的时间。

作为示例，在一个小规模应用中，对于大约2mm的火花隙以及1kV的充电电压，进入水中的能量大约是60J。对于4mm的火花隙，该能量上升到大约120J。在井孔应用中，能量的有效范围高于1kJ，能量可通过改变充电电压和／或改变火花隙长度来控制。通常，充电电压是几十kV，例如对于主电路是20kV，对于辅助电路是60kV。

电弧放电中的电流流动导致电极之间流体的电阻加热。由于流体快速加热超过其沸点，其闪蒸为气态，在流体内生成气泡。当气泡膨胀时，其体积例如是几立方英寸(例如，大约1-10in³)的数量级。

可以理解的是，限定体积空间内的流体在生成气泡之前已经受到压力。该压力可能仅仅是由于执行断裂操作的深度或者由于如下所述的额外引入压力而增大。在任一种情况下，当气泡膨胀时，气泡在已经受压的大量流体内产生了很大的压力脉冲。压力脉冲随流体传导到与井孔的流体边界，并使其能量进入到周围的岩石地层。如果压力脉冲是超过压力阈值的压力(与地层强度有关，但通常为上千lb／in²)，该地层就会断裂。火花放电中产生的功率的大致范围在几十兆瓦到大约一千兆瓦。

一种替代应用使用小于地层压力阈值的压力脉冲。通过示例，小于约10MPa的总压力(即，脉冲加上静态压力)通常不会导致某些结构的明显断裂。可以理解的是，足以导致断裂的压力水平根据地质结构的不同而不同，应根据位于待勘探区域的特定条件来选择。在这些条件下，地震脉冲被送往地层。该脉冲例如可以被用作勘探周围区域的地震源，以产生地震日志。在这个实施例中，当其传递或反映出地质区域内的不同特征时，一个或多个接收器可用于接收调制后的信号。如本领域技术人员所知，可应用各种移植算法来进一步分析地震信号。

压力波的特征是可控的，以便至少在与地层的边界处保持非冲击波状态的声波。即，压力波应当是普通的声波，而不是冲击波。这有助于确保压力相对均匀地施加到地层，且放电产生的能量没有全部被第一构造断面吸收。其结果是，断裂是相对各向同性的，而不是中心性的。出于这种考虑，声波被控制在低频，气泡被控制地相对缓慢地产生，且具有相对长的寿命。在这点上，缓慢放电被认为是超过100μs的、其放电电流的平方大于放电电流峰值平方的3％的放电。通过示例，放电可以在大约100μs到大约5ms的范围内发生。

在电子脉冲结束时，气泡会凝聚，使压力脉冲减小为接近零。可以理解，影响压力脉冲衰退的因素包括气泡冷却，这与气泡温度和环境温度(即，流体温度)之间的温差、以及确定的体积空间的任何扩展有关。确定的体积空间的体积扩展的基本模式是周围地层的断裂，但其它因素可能包括封隔器和井孔之间的泄漏，或者整个流体或气体返回系统的任何泄漏(如果存在的话)。

电气系统可以被配置和设置为用于选择性地操作以反复地为电极提供能量，例如以大约10Hz的速率。气泡的反复生成和所导致的压力波允许较大体积空间范围内的断裂。如上所述，随时间保持火花的位置是有利的。可以理解的是，通过保持压力源相对稳定，提高了后续脉冲的有效性。

如上所述，将确定的体积空间预加压到超过该深度位置处的静态柱压是有利的。在这种情况下，泵80可用于在确定的体积空间内提供所选的静态压力，作为相对于通过脉冲所施加的较高频率的波动的压力偏移量。在确定的体积空间周围的地层的已知或期望强度的大约10％内选择特定的静态压力。在操作期间，静态压力实际上可能是变化的，尽管通常与脉冲产生的重复率相比以低频率变化，例如小于约1Hz。泵80可通过设备导管与确定的体积空间流体连通，或者可以位于设备2附近，例如借助于设置在一个或多个中空杆36内的单向阀与该设备连通。在实施例中可提供附加的泵，用于提供位于确定的体积空间外的流体柱内的压力，以此降低确定的体积空间与其环境之间的梯度。在这种情况下，将确定的体积空间之外的压力保持在低于但接近该体积空间内的压力是有利的。

在一个实施例中，可通过提高周围流体的温度来控制气泡和周围流体介质之间的温差。在该方法中，加热泵82(可以是如图所示的单独的泵，或者与泵80是同一个泵)可以与流体蓄液池83和产生加热流体的加热系统84相关联。加热流体可以在确定的体积空间内循环，从而提供体积空间内的温度控制。加热体积空间内的流体的一种替代方法包括一个位于确定的体积空间本地的加热元件，或者组合本地和远程加热。提供高于周围压力的压力的加热流体是有利的，使得加热流体趋向于在确定的体积空间外循环，这样的循环改善了加热流体与周围流体的混合，以控制体积空间内的温度。流体温度应保持在流体的沸点之下，以避免在确定的体积空间内产生蒸汽气泡，这种蒸汽气泡可能会导致不受控制的瞬时压力变化。

在一个替代实施例中，通过由一个或两个电极，或者通过邻近放置的注射线持续注入热压水，控制气泡的热冷却。在该方法中，并不试图控制周围的大量水的温度，而是仅控制气泡本身附近的温度。在气泡周围的体积空间内生成热梯度，有助于控制导热冷却速率。这种本地加热和温度控制提供了与全体积空间方法类似的效果，同时有效地减小了保持有效区域内给定温度所需的能量和水流速。

如果所选的温度能够根据特定的工程要求而变化，则通常将温度保持在工作深度上工作流体的沸点的大约90％至大约95％是有利的。通过示例，在400m水深以下，水的沸点是大约250℃，因此填充了水的井孔内的工作温度是大约2400℃。

加热确定的体积空间内的流体可以有两个有利的效果。首先，如上所述，当流体接近其沸点时，气泡的凝聚相对减慢，有助于控制瞬时压力的衰减。发明人已经发现，具有相对较长寿命的气泡能产生穿过地层内的相对较长的压力脉冲的传播范围，导致相对大体积的地层断裂。这种效果也是大部分脉冲能量处于低频范围的结果。其次，当流体接近其沸点时，在达到足以产生气泡的温度之前，火花放电对于流体加热的作用不大，因此气泡更大，更有利于将火花放电的能量耦入到流体内的声波。

图4是构成本发明所述方法的一个实施例的步骤的流程图。确定的体积空间内的流体被加热90，并且被加压92。应该理解的是，尽管图中所示为同时执行，但这些步骤也可以顺序执行，或者以任意次序执行。一旦流体被加热并加压(尽管如上所述，这些步骤可选地被省略)，产生电脉冲94，引起火花隙上的火花放电96。火花放电96将压力波引入到流体内，导致井孔延伸所穿过的地层断裂。

在特定实施例中，加压的流体包含化学添加剂(或化学添加剂被单独导入到确定的体积空间内)，以加速断裂速率。这些添加剂可通过导管被引入，或者可以使用位于断裂引入设备2附近或其上的化学添加剂喷射器。该喷射器100示意性地如图3所示，包括蓄液池102、泵104和输出口，该输出口与断裂引入设备2处所确定的体积空间流体连通。一种可用于加速断裂的添加剂是铝基材料，当该材料接触到火花放电期间产生的蒸汽／气泡时进行放热反应。该反应可以被用于延长压力脉冲的持续时间和强度，有助于产生所期望的多方向和长范围的断裂。类似地，本领域技术人员能够理解，可通过导管引入适于提高油气资源流量的添加剂(例如稀释剂、表面活性剂和／或蒸汽)，以促进勘探活动。

尽管所述断裂过程的一个重要的最终用途是勘探油气资源，本领域技术人员也可以考虑其它潜在用途。该过程的结果是产生渗透率提高的区域。因此，脉冲断裂可以应用于许多能够得益于渗透率提高的用途。例如，使得构成地热能量系统一部分的钻井内的岩石区域断裂是有利的，尤其是在增强型地热系统中。在增强型地热系统中，流体通过热且干燥的岩石区域被泵入，流体在通过该区域期间被加热，然后返回到地表以进行能量提取。根据本发明的断裂设备和方法被用于提高该区域内的渗透率，以提高地热系统内工作流体的流速。其它有利用途包括地下水井增产和废物注入操作。

尽管为了阐释本发明已经基于当前认为是最实际和最优选的实施例详细描述了本发明，但应该理解的是，这些具体细节仅用于该目的，本发明不限于所公开的实施例，而相反，本发明覆盖了在所附权利要求书的主旨和保护范围内的修改和等效设置。例如，尽管本文参照了计算机，这可以通用计算机、专用计算机、被编程为包括执行所述方法的ASIC、计算机阵列或网络、或者其他适当的计算设备。作为又一个示例，应当理解，本发明在可能的范围内，任何实施例的一个或多个特征可以和任何其他实施例的一个或多个特征相结合。

Claims (31)

1.一种用于在地质结构的至少一部分中引入断裂的方法，其包括：

在至少部分穿透到地质结构中的井孔内的流体介质中产生脉冲声波，所述声波具有的频率、持续时间和幅值足以将压力相对均匀地施加到地质结构，以在地质结构的该部分内、至少在流体和结构的边界处引入断裂，所述声波是普通的声波；

其中产生声波包括在流体内生成火花放电，以形成膨胀的气泡，所述气泡对流体施加压力从而产生声波；以及

其中所述火花放电是通过以超过约100μs的时长来对电极提供能量而产生的且使得每脉冲大于约1kJ的能量进入水中。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：在产生声波之前，将流体加热到低于流体介质沸点的温度。

3.如权利要求2所述的方法，其中低于流体介质沸点的温度是在比流体介质沸点低大约10％以内。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：将加热加压的流体注入到靠近一个用于产生声波的电极的区域内，以便在具有低于流体介质沸点的峰值温度的流体介质的一部分内产生温度梯度。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述流体通过电极内的孔被注入。

6.如权利要求4所述的方法，其中低于流体介质沸点的温度是在比流体介质沸点低大约10％以内。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：在产生声波之前，将井孔内的流体加压到低于一个压力阈值的压力，如果超过该压力阈值就会使地质结构断裂。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述低于压力阈值的压力是在比压力阈值低大约10％以内。

9.如权利要求1所述的方法，还包括：在产生声波之前，

将流体加热到低于流体沸点的温度；以及

将井孔内的流体加压到低于一个压力阈值的压力，如果超过该压力阈值就会使地质结构断裂。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述温度是在比流体介质沸点低大约10％以内，且所述压力是在比压力阈值低大约10％以内。

11.如权利要求9所述的方法，还包括：以低于大约10Hz的频率重复产生声波。

12.如权利要求1所述的方法，其中产生声波包括在流体内进行缓慢放电。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述缓慢放电包括超过100μs的、其放电电流的平方大于放电电流峰值的平方的3％的放电。

14.如权利要求1所述的方法，还包括将制剂注入到流体介质中，所述制剂被选择为增加地质结构内存在的材料的流动性。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述制剂包含化学添加剂。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述化学添加剂是用于引入岩石断裂的制剂。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述化学添加剂包含蒸汽。

18.一种用于在邻近井孔的地质结构的至少一部分中引入断裂的设备，其包括：

上封隔器和下封隔器，当被放置在井孔内时，上封隔器和下封隔器与井孔侧壁共同限定了一个确定的体积空间；

一对电极，位于上封隔器和下封隔器之间，限定了这对电极之间的火花隙；

电源，与电极电连通，被配置和设置为在火花隙内产生火花；

泵，能够与所述确定的体积空间连通，被配置和设置为在使用该设备时在所述确定的体积空间内产生压力；以及

加热器，用于在使用该设备时对所述确定的体积空间内的流体介质进行加热。

19.如权利要求18所述的设备，其中所述电极中的至少一个电极还包括一个致动器，被配置和设置为可控地送入电极材料，以控制火花隙的长度。

20.如权利要求19所述的设备，其中所述致动器被配置为能够响应于用于测量火花隙长度的传感器的输出而被致动。

21.如权利要求20所述的设备，其中所述电源包括一个主电气系统，该主电气系统包括：

高压直流电路；

能量存储元件，被配置和设置为存储由所述高压直流电路产生的能量；以及

高压开关，被配置和设置为使所述能量存储元件放电。

22.如权利要求21所述的设备，其中所述能量存储元件包括一个或多个电容器。

23.如权利要求21所述的设备，其中所述电源还包括一个辅助电气系统，该辅助电气系统包括：

脉冲发生器，被配置和设置为产生与能量存储元件的放电同步的高压电能脉冲，以引发火花隙内的火花生成。

24.如权利要求18所述的设备，还包括化学添加剂注入系统，所述化学添加剂注入系统包括：

贮存箱，用于贮存化学添加剂；

泵，被配置和设置为在使用所述设备时将化学添加剂注入到所述确定的体积空间内。

25.如权利要求18所述的设备，其中所述加热器包括热流体源和传输导管，所述传输导管具有靠近电极的开口，使得在操作中来自热流体源的热流体能够被传送到生成火花隙内的热梯度的电极区域。

26.如权利要求25所述的设备，其中所述传输导管延伸穿过所述电极中的一个或两个电极。

27.一种用于在地质结构的至少一部分中引入断裂的方法，其包括：

在至少部分穿透到地质结构中的井孔内的流体介质中产生火花放电，以形成膨胀的气泡，所述气泡对流体施加压力，以产生声波，

所述声波将压力相对均匀地施加到地质结构，并且其具有的频率、持续时间和幅值低于地质结构的、至少是在流体和结构的边界处的断裂阈值，所述声波是普通的声波，

其中所述火花放电是通过以超过约100μs的时长来对电极提供能量而产生的且使得每脉冲大于约1kJ的能量进入水中。

28.如权利要求27所述的方法，还包括：

接收由于通过地质结构的该部分而被调制的声波；以及

对该声波进行分析以确定地质结构的特性。

29.如权利要求28所述的方法，还包括基于接收到的经过调制的声波产生地震日志。

30.如权利要求27所述的方法，其中产生声波包括在流体内进行缓慢放电。

31.如权利要求30所述的方法，其中所述缓慢放电包括超过100μs的、其放电电流的平方大于的放电电流峰值的平方的3％的放电。