CN105319138A - 用于进行岩石压裂试验的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于进行岩石压裂试验的设备，包括：电压施加装置，用于容纳流体和岩石样品的容器，以及数据采集处理装置，其中，所述电压施加装置能够对所述流体施加设定额度的电压，从而将所述流体击穿以对所述岩石样品进行压裂，所述数据采集处理装置能够采集并处理针对所述岩石样品的裂缝的数据。本发明还提出了相应的方法。在通过根据本发明的设备和方法进行相关岩石压裂实验后，可以利用所获取的数据进行相关的研判，如此可为提高采油工程的效率提供技术支持。

Description

用于进行岩石压裂试验的设备及方法

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，尤其涉及一种用于进行岩石压裂试验的设备及相关的方法。

背景技术

水力压裂技术目前在国内外被广泛应用。但是现有技术具有一定的局限性，例如其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，并且能量消耗也巨大。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。

这就需要进行与岩石压裂相关的地面试验。然而与岩石压裂相关的地面试验需要专门配置的设备及方法。

发明内容

在进行与岩石压裂相关的地面试验时，需要专门配置的设备及方法。对此，本发明对相关技术进行了改进。

本发明提出了一种用于进行岩石压裂试验的设备，包括：电压施加装置，用于容纳流体和岩石样品的容器，以及数据采集处理装置，

其中，所述电压施加装置能够对所述流体施加设定额度的电压，从而将所述流体击穿以对所述岩石样品进行压裂，所述数据采集处理装置能够采集并处理针对所述岩石样品的裂缝的数据。

优选地，所述容器为高压釜，和/或所述容器内部温度能够控制。高压釜的主要作用就是模拟井下的温度和压力环境。

优选地，所述高压釜的容积位于400L-540L的范围之间，和/或所述高压釜的壁厚位于60mm-80mm的范围之间。

优选地，所述电压施加装置包括：第一电极和第二电极，二者之间具有火花间隙，用于对所述流体进行放电击穿；充放电控制单元，用于对所述第一电极和第二电极进行充电放电的控制；以及脉冲调制单元，用于调制电流波形和/或脉冲宽度。

优选地，所述脉冲调制单元包括：由所述充放电控制单元所控制的放电开关，电容器，与所述电容器相连的调波电感，以及与所述调波电感并联的续流二极管。续流二极管可用于防止调波电感的感应电动势对整个电路系统造成破坏，有效保证了电路的安全运行。

优选地，所述电容器和所述调波电感设置为使得电流波形为非振荡波形或振荡波形。

优选地，所述容器包括：筒状的侧壁，密封式位于所述侧壁一端的顶盖，以及密封式位于所述侧壁另一端的截面为U形的底盖，其中，所述顶盖上具有用于所述第一电极穿过的第一通孔，所述底盖上具有用于所述第二电极穿过的第二通孔。如此设置，更有利于产生电弧放电。同时流体所产生的机械波会沿着容器的径向方向传递到岩石样品中，更有利于产生裂缝。

优选地，所述第一通孔位于所述顶盖的中心处，所述第二通孔位于所述底盖的U形的顶点处，且所述第一电极和所述第二电极之间的距离能够调节。如此地，可以有效补偿二者之间的火花间隙的变化，使得高压电极和低压电极之间的火花间隙保持恒定。

优选地，所述流体被击穿后对所述岩石样品释放冲击波。冲击波的岩石压裂效果尤其明显，使得所得到的岩石样品的裂缝较大。较大的岩石裂缝有利于提高井下油气开采的效率。

本发明还提出了一种用于进行岩石压裂试验的方法，包括：

a)设置根据本发明的设备；

b)将流体和岩石样品放入容器中；

c)将容器中的温度和压力分别预调节至初始温度和初始压力；

d)通过电压施加装置对所述流体施加特定电压，所述流体被击穿后将机械能释放到所述岩石样品中以造成岩石裂缝；

e)通过所述数据采集处理装置对与所述岩石裂缝相关的数据进行采集和处理。

在通过根据本发明的设备和方法进行相关岩石压裂实验后，可以利用所获取的数据进行相关的研判，例如何种放电能量和放电电压施加参数适用于何种流体、何种井底位置，如此可为提高油气增产的效率提供技术支持。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的设备的原理示意图；

图2显示了根据本发明的设备的电压施加装置的结构示意图；

图3显示了根据本发明的设备的脉冲调制单元的局部电路图；

图4显示了根据本发明的设备的高压釜的纵向剖视图；

图5显示了根据本发明的设备的高压釜的横向剖视图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提出了一种用于进行岩石压裂试验的设备。根据本发明的设备主要包括以下三部分，即：电压施加装置、用于容纳流体和岩石样品的容器以及数据采集处理装置。

图1显示了根据本发明的设备的原理示意图。

将流体和待压裂的岩石样品放入容器中，电压施加装置能够对所述流体施加设定额度的能量和电压，从而将所述流体击穿以对所述岩石样品进行脉冲压裂，所述数据采集处理装置能够采集并处理针对所述岩石样品的裂缝的数据。

下面首先具体介绍电压施加装置。图2显示了根据本发明的设备的电压施加装置的结构示意图。

电压施加装置包括：高压电极51和低压电极52，二者之间具有火花间隙，用于对所述流体进行放电击穿；充放电控制单元，用于对所述高压电极51和低压电极52进行充电放电的控制；以及脉冲调制单元，用于调制电流波形和/或脉冲宽度。高压电极51和低压电极52之间采用绝缘体隔开。

具体地，再次参照图1，充放电控制单元发出充电信号，并对第一电极(例如高压电极)和第二电极(例如低压电极)进行充电。在二者之间经过了脉冲调制单元的调节。换言之，充放电控制单元可以提供脉冲调制单元所需的高电压，以及充电的触发信号。

下面介绍脉冲调制单元的具体结构。图3具体显示了脉冲调制单元的局部电路图。在根据本发明的设备中，脉冲调制单元包括：由充放电控制单元所控制的放电开关2；电容器1，用于存储电压；与电容器1相连的调波电感4；以及与调波电感4并联的续流二极管3。

续流二极管3可用于防止调波电感4的感应电动势对整个电路系统造成破坏，有效保证了电路的安全运行。

关于脉冲调制单元的功能方面，其主要通过如下方式来实现其调节功能。通过调节电容器1和调波电感4的大小(其本质上构成谐振电路)，就可以调节放电电流的波形和脉冲宽度。放电电流的波形可调节为振荡波形或非振荡波形；放电时间可以位于几十微秒至数毫秒；放电电流的幅值可以为数十千安。当流体被击穿后，在高压电极和低压电极之间形成电流通路。流体被瞬间加热气化，产生机械波。以此方式，高压电极和低压电极所释放的电能转换为流体的机械能。流体的机械能以机械波、尤其是冲击波的形式传递到流体周围的岩石样品中，对岩石样品造成裂缝。冲击波的岩石压裂效果尤其明显，使得所得到的岩石样品的裂缝较大。较大的岩石裂缝有利于提高井下开采的效率。

脉冲调制单元可使得电流波形为非振荡波形，或振荡波形。由于刚才所阐述的原因，优选地，电流波形选择为使得流体被击穿后对岩石样品释放冲击波。冲击波对岩石样品的作用更加猛烈，释放的能量也更多一些，可以在岩石样品上制造一定规模的裂缝。优选地，该冲击波可持续几十微秒至数毫秒，在此时间段内可使地层岩石发生不同程度的破裂。

高压电极和低压电极主要用来完成从电能到机械能的转换。在高压电极和低压电极之间设置有绝缘体。优选地，高压电极和低压电极的结构采用对极结构，以使得产生的压力波沿水平方向传播。同时，高压电极和低压电极之间的距离能够调节。

关于电容器1，其性能可根据所需要的脉冲波形来选择。在一个实施例中，电容器1的储能最高40kJ，最高工作电压为20kV，电流幅值最高可达70kA。反之同理，放电电流的波形和脉冲宽度可根据需要进行调节。

根据本发明的设备所用的容器为高压釜。图4显示了根据本发明的设备的高压釜的轴向剖视图。容易理解，高压釜内部的压力和温度均可控，因为高压釜的主要作用就是模拟井下的温度和压力环境。

关于高压釜内压力和温度的控制，有许多具体的实现方式。例如可通过控制注入气体或注入液体的量来控制高压釜内部的压力大小；同时，可通过设置加热机构或通过注入自身具有一定温度的流体来调控高压釜内的温度。

高压釜包括：筒状的侧壁12；密封式位于侧壁12一端的顶盖11；以及密封式位于侧壁12另一端的截面为U形的底盖13。其中，顶盖11上具有用于高压电极穿过的第一通孔14，底盖13上具有用于低压电极穿过的第二通孔15。当然，本领域技术人员容易理解，高压电极和低压电极的位置完全可以互换，或是构造到同一支架上并仅从一端穿过。

由图4可清楚地看出，第一通孔14位于顶盖11的中心处，第二通孔15位于底盖13的U形的顶点处。高压电极和低压电极采用对电极的形式，分别穿过第一通孔14和第二通孔15。如此设置，更有利于产生电弧放电。同时流体所产生的机械波会沿着筒壁12的径向方向传递到岩石样品中，更有利于产生裂缝。

根据本发明，高压电极和低压电极之间的距离能够调节。这具体地可通过与电极相连的电缆的伸缩或利用流体的液压来实现。这样设置是因为，不断地进行高压脉冲放电会对高压电极和低压电极造成消耗，使得二者之间的火花间隙发生变化。而使得高压电极和低压电极之间的距离能够调节，可以有效补偿二者之间的火花间隙的变化，使得高压电极和低压电极之间的火花间隙保持恒定。

图5显示了根据本发明的设备的高压釜的横向剖视图。可以看出高压釜的侧壁12的横截面为圆环形。优选地，高压釜的容积位于400L-540L之间，高压釜的壁厚位于60mm-80mm之间。如此最有利于模拟井底的环境。

本发明还提出了一种用于进行岩石压裂试验的方法，包括：

a)设置根据本发明所述的设备。

b)将流体和岩石样品放入高压釜中。

c)将高压釜中的温度和压力分别预调节至初始温度和初始压力。该初始温度和初始压力即所要模拟的井下环境的温度和压力。

d)通过电压施加装置对所述流体施加特定电压。流体被高压电极和低压电极之间的电压击穿后，瞬间产生通过流体的巨大电流。该电流在短时间内将流体加热，流体升温后会气化，在有限的空间中产生大量的气体。流体的气化会产生机械波(在本发明中，该机械波尤其是冲击波)，机械波将能量和压力以脉冲形式传递到周围的岩石样品中。一旦压力超过特定阈值，将使得岩石样品产生裂缝。本质上讲，这是电极释放出来的电能在流体中转换为机械能，并传递到岩石样品的一个能量转换与传递的过程。

e)通过所述数据采集处理装置对与所述岩石裂缝相关的数据进行采集和处理。

在通过根据本发明的设备和方法进行相关岩石压裂实验后，可以利用所获取的数据进行相关的研判，例如何种型号的电压施加装置适用于何种流体、何种井底位置，如此可为提高采油工程的效率提供技术支持。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.用于进行岩石压裂试验的设备，包括：

电压施加装置，

用于容纳流体和岩石样品的容器，以及

数据采集处理装置，

其中，所述电压施加装置能够对所述流体施加设定额度的电压，从而将所述流体击穿以对所述岩石样品进行压裂，所述数据采集处理装置能够采集并处理针对所述岩石样品的裂缝的数据。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述容器为高压釜，和/或所述容器内部温度能够控制。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述高压釜的容积位于400L-540L的范围之间，和/或所述高压釜的壁厚位于60mm-80mm的范围之间。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其特征在于，所述电压施加装置包括：

第一电极和第二电极，二者之间具有火花间隙，用于对所述流体进行放电击穿；

充放电控制单元，用于对所述第一电极和第二电极进行充电放电的控制；以及

脉冲调制单元，用于调制电流波形和/或脉冲宽度。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述脉冲调制单元包括：

由所述充放电控制单元所控制的放电开关，

电容器，

与所述电容器相连的调波电感，以及

与所述调波电感并联的续流二极管。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述电容器和所述调波电感设置为使得电流波形为非振荡波形或振荡波形。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的设备，其特征在于，所述容器包括：

筒状的侧壁，

密封式位于所述侧壁一端的顶盖，以及

密封式位于所述侧壁另一端的截面为U形的底盖，

其中，所述顶盖上具有用于所述第一电极穿过的第一通孔，所述底盖上具有用于所述第二电极穿过的第二通孔。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一通孔位于所述顶盖的中心处，所述第二通孔位于所述底盖的U形的顶点处，且所述第一电极和所述第二电极之间的距离能够调节。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述流体被击穿后对所述岩石样品释放冲击波。

10.用于进行岩石压裂试验的方法，包括：

a)设置根据权利要求1到9中任一项所述的设备；

b)将流体和岩石样品放入容器中；

c)将容器中的温度和压力分别预调节至初始温度和初始压力；

d)通过电压施加装置对所述流体施加特定电压，所述流体被击穿后将机械能释放到所述岩石样品中以造成岩石裂缝；

e)通过所述数据采集处理装置对与所述岩石裂缝相关的数据进行采集和处理。