CN108471667A - 用于使用等离子体源激发井、沉积物和钻孔的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明一般涉及用于使用等离子体源激发井、沉积物和钻孔的系统和方法。等离子体源包括具有限定间隙的两个电极的等离子体发射器、用于将金属导体引入到间隙中的传送装置以及用于为等离子体发射器供电的高压变压器。系统包括等离子体源、地面控制单元和支撑电缆。在方法中，等离子体源浸没在井、沉积物或者钻孔的流体介质中并且用于在间隙中产生金属等离子体。金属等离子体发射压力脉冲和冲击波，该压力脉冲和冲击波被引导至流体介质中。在流体介质中产生非线性的、宽频带的、周期性的和弹性的振荡，包括冲击波的通过的谐振振荡。

Description

用于使用等离子体源激发井、沉积物和钻孔的系统和方法

本申请是中国专利申请号为201380049824.1、申请日为2015年3月25日的PCT申请PCT/US2013/052295的、发明名称为“用于使用等离子源激发井、沉积物和钻井的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明旨在用于石油和天然气工业，并且通常涉及用于激发烃井和沉积物的方法和装置。更具体地，本发明涉及这种方法和装置：使用谐振频率下的产生金属等离子体的、定向非线性的、宽频带的和弹性的或者受控的周期性振荡以及当等离子体形成时使用释放的能量以快速改变所述井和沉积物的生产率。

本发明还涉及改变这种井(包括钻孔和开口)的生产能力，所述井是生产井、注入井、成熟井、废弃井、废物处理井、保存井、陆地井、岸上井或者离岸井。井可以在没有水平完井的情况下相对于地球表面以任何角度定向。本发明利用等离子体能量以提高所述井和它们周围物质的渗透性，优化流体和介质的粘度和/或其它物理性质以及获得烃的强化采收和强化吸收。特别地，本发明涉及二次油采收和三次油采收或者强化油采收(EOR)的方法。

由于不需要应用对环境有害的化学和/或生物制剂，因此本发明还涉及绿色EOR技术。另外，本发明可以在相关类型的过程中(例如，在提高注入井、二氧化碳注入井、废物处理井和用于保存各种物质的井的生产能力中)找到有用的应用，

背景技术

历史上，从典型井油采收的平均水平为大约30％。未采收的残余油可以分成四个类型：弱渗透性层和非水侵层中存储的油-27％；同质层位的滞留区中的油-19％；透镜体和不可后面渗透的屏障中的油-24％；以及毛细管和膜容纳的油-30％。

油生产商力求以最小成本达到从多产的沉积物中烃的最大的采收。由于已经在世界范围内废弃了许多油储层，因此必须开发强化采收油和天然气的新的高级方法以提取储层中留下的大量未采收的烃。仍然没有找到能够基本上提高该采收水平的二次或者三次采收强化方法。

除常规机械方法和装置以外，已经公开了用于强化烃采收的许多方法和装置。化学方法、微生物学方法、热气体化学方法以及类似方法通常依赖使用各种媒介物辅助的过程，包括：蒸汽、泡沫表面活性剂和/或气体的注入(后者伴随有低温或者高温氧化)、乳液的就地形成、定向沥青烯沉淀、化学热解吸、轻油储层和重油沉积物中的选择性化学反应、相特性(包括可润湿性和界面张力)的化学制剂辅助的改变以及碱性表面活性剂聚合物驱油，此处仅举几个例子。

可选地，可以通过激发井/沉积物渗透性和借助于释放媒介物的设备提高油流动性来实现EOR，该释放媒介物的设备通常与下列类型的器材相关：超声波、声音、电动液压、电动液压脉动和电磁发射器装置以及它们的组合装置。

已经报道由超声波(频率>20KHz)源提供的振荡可以提高井周围的大量多孔介质的渗透性。因此，高功率超声设备用于移除阻止到井中的油流的屏障，减少在井眼附近阻塞的颗粒以及清洗/清除生产地层中的附近井眼区域，该生产地层由于泥浆渗透、沉积以及其它不合需要的过程而呈现下降的生产。然而，通过超声的EOR的主要缺点在于高频波在天然存在的多孔介质中迅速衰减，这对地层和底部孔区域产生相当有限的影响。这导致入流的有限加强和油采收的适度提高。

用于通过超声的EOR的大多数装置设计成插入井/钻孔中。所有这些装置包括通过测井/电力电缆供电的超声换能器和(一个或者多个)超声发射器。井/钻孔的超声处理集中于生产层段的滤波特性上的提高并且被逐点执行，其中邻近点从一个到另一个的距离通常在0.5-1米之间。基于流入剖面-激发剖面数据来评估通过超声的EOR的效率。超声处理在大约一半的情况下是有效的。由超声EOR施加的提高的渗透性不是永久的(尽管可以持续数月)。

已经注意到通过由各种人类活动引起的波动和源自地震的震波的活动实现了油采收的强化和井吸收的增加两者。另外，可以通过穿过储层发送震波以释放不动油碎片来提升油生产。震波是按照由传播它们的介质的声阻抗控制的速度穿过地球的机械摄动。除能够影响局部区域的超声波外，震波可以激发整个储层，由于它们的低衰减引起大规模效应。

低强度的低频弹性波可以在微小的外部压力梯度下显著地提高屈服应力流体的流动速度。它们通过降低流体排出需要的阈值梯度来提升多孔介质中非水相液体运输和截留的非水液体气泡流动作用。

表面声波的传播(频率是20Hz-20KHz)取决于弹性和压电非线性，并且特征在于由于外部静态应力和电场的频率偏移。非线性波传播受非分散系统与分散系统之间的区别影响，其中两个类型的系统能够在电弹性中出现。在分散介质中，由于使热起伏与量子起伏耦合，发生表面波的衰减、自聚焦、自调制和包络孤立子。

由于多个微缺陷和大缺陷以及包括多相流体的粒间接触表面，异质多孔储层介质是非线性的。在多孔储层材料中，主要由储层流体确定准静态和动态响应。由于油截留取决于渗透性，因此非线性效应可以显著地影响油采收的效率。在低频范围中，毛细管力和非线性流变学是地震/声波激发的主要机制。使用多自由度模型对由液体和固体中的球面空腔散射的非线性声音和具有微塑性的固体/介质的应力形变进行分析，该非线性声音和应力形变受宽频带随机激励影响并且呈现滞后特性。当与常规均匀介质相比时，微型非均匀介质中声波的相互作用更强，用地面物种、海洋沉淀物、多孔材料和金属对其进行了观察。

当超过特定阈值的地震幅度之后是在(一个或者多个)背景气压梯度下的油输送时可以释放毛细管屏障上截留的油。还通过液滴聚结强化运动。使用多孔弹性理论估算由震波附加至背景流体气压梯度的有效力。流体的孔隙压力波和基质弹性波负责提高油流动性。与均质储层中的流体孔隙压力波相比，岩石应力波是更高效的能量传送媒介物。

还没有充分研究通过油的辅助地震振动的流动性的EOR。在实践中，使用放置在地球表面上的强大源阵列产生震波。引入的振动能量的水平影响多孔介质中的残余油饱和度和相对渗透性两者。可以通过井中的流体振荡改变同质储层和裂缝性储层中的油流动性。裂缝性储层的基质区域和由振动引起的交叉流动中的EOR提高水到基质区域中的渗吸以及油从基质区域的排出。

电动液压方法借助于生产层的过滤特性的恢复允许强化油采收。由于应用非常短暂，因此方法包括在流体中产生冲击波，但是在强大的电脉冲之后发生具有声速和高超声速的冲击波。

Huffman等人的美国专利6,227,293和Thomas等人的美国专利6,427,774公开了使用脉冲功率电动液压和电磁放电的用于油储层的耦合电磁和声音激发的过程和设备。电动液压发生器和电磁发生器的组合在储层区域上引起声振动和电磁感应的高频振动两者。激发的有效范围限于6000英尺。另外，这些组合发生器的设计是复杂的并且它们具有相当大的尺寸，该设计限制这些组合发生器与常规钻孔一起使用：在某些情况下，需要钻探附加的井用于放置发生器。

Ellingsen的美国专利6,499，536中图示的另一个方法教导了包括将磁性材料或者磁致伸缩材料通过油井注入到油储层中，在交流电场的帮助下使材料振动并且从井中取出油的方法。方法需要使用附加的材料并且具有与将这些固体材料引入到生产层中相关联的缺点，包括渗透性的可能降低。

在Ounadjela的美国专利7,562,740中公开了用于产生通过地球地层的弹性波的钻孔声源以及使用它的方法，并且该方法可以用于测量钻孔周围的地下介质的地质特征。方法依靠使用高达至少1KHz的频率并且是地球物理学研究方法并且不旨在用于EOR。

Khan的美国专利6,597,632公开了用于通过分析另一个井眼中记录的两个高频率与低频率地震信号的相互作用确定地球地层中张开的天然裂缝的位置和定向的方法。在该方法中，低频信号从地球表面传输以及高频信号从井眼传输。较低频率信号的压缩和稀疏循环用于调制张开裂缝的宽度，其改变它们的传输特征。因此，高频信号的幅度随着其传播通过张开裂缝而被调制。该方法适用于使用高频信号的非线性调制进行地表下裂缝制图并且不旨在用于EOR目的。

在Wilkinson等人的美国专利5,573,307中公开了用于使用由适度高能量电子放电点燃的材料爆破硬岩石以用于岩石的破裂和崩裂的方法和设备。可再用的爆破探针的两个电极与易燃材料(诸如金属粉末和氧化剂混合物)电接触。电容器组上存储的电能量点燃金属粉末和氧化剂混合物，引起产生使周围岩石断裂的高压气体的增强的热消散。Wilkinson教导利用氧化化学物质用于岩石断裂，而不是用于激发油生产。

在Ayers等人的美国专利5,397,961中描述了在流体中产生脉冲等离子体的又一个设备。向间隔的电极提供高能脉冲用于创建火花通道和发起等离子体。脉冲形成网络产生持续时间5-20微秒和千兆瓦功率的脉冲。

Wilkinson的美国专利5,425,570公开了用于利用等离子体爆破岩石的方法和设备。电容器组用于存储电荷，该电容器组与电感器耦合，该电感器将电荷作为电流通过开关传送至爆炸的成螺旋形缠绕(wounded)的带状导体。带的尺寸与电感与电容的比率相对应以确保存储电能的最优量的高效消散。

应当注意，目前在实践中利用的许多EOR方法基于线性相关性/现象。然而，由于导致非常多样并且独特复杂的效应的各种相关性的许多可能组合，因此线性相关性本质上可以被看作例外，而不是规则。

例如，在二十世纪五十年代，对与现象学上得出的本构达西定律(用于描述通过石油储层的油、水和天然气流动)的偏差进行了观察并且发现了非线性过滤定律。油和含油流体的过滤速度根据粘度、气压梯度以及其它状态变化很大。

多相系统和它们的非线性波动动态对现有工业应用的状况具有逐渐增长的重要性，包括：同质气体-液体和蒸汽-液体混合物中的声波和冲击波、气体气泡和蒸汽气泡的动力学、气体-液体系统中和两个介质的界面上的波动过程、具有蒸汽气泡的液体介质中的波传播、液体膜的波流动以及气体-液体和蒸汽-液体介质中的波动态的计算。由于生产沉积物是具有在宽频率范围内的非线性振荡的组合的耗散介质，因此不能使用物理学一般定律解释出现强制周期性宽频带振荡的过程的起因。非线性现象违反叠加原理。非线性系统对具有特定长度的脉冲的响应不等于其对持续时间为几十微秒的较短脉冲的响应的总和。例如，系统对持续时间为△t的两个连续脉冲的响应各自不同于其对持续时间为2△t的单个脉冲的响应。

由具有非线性的、耗散的和非平衡的介质的理想非线性等离子体源产生的宽频带的、周期性的、定向的和弹性的振荡的相互作用导致基频下的非线性波自作用。在这种情况下，波幅和频率变化取决于以单个准谐波形式的波的强度；由于非线性，因此该准谐波的幅度和相位随着时间和空间慢慢变化。因此，在受干扰的非线性系统中观察自调制效应。由于周期性脉冲影响，相变开始显现从一个状态到另一个状态的变换。该变换伴随有相变温度的提高，从气泡晶核形成开始，以及热交换。在这些条件下，周期性影响导致准谐波频率下的谐振振荡的发展。在影响终止之后，谐波低频振荡长时间持续。

目前，随着油成本迅速上升，为了保障尽可能大的利润率，极度地需要减少时间和降低能量消耗。然而，现有技术没有提供在可能的最短时间量中的EOR的最高效方法，特别是在废弃井和成熟井中。因此，迫切需要适当解决上面描述的高级EOR中的必要性并且将允许用最少的处理时间和能源成本强化石油和天然气采收的过程和装置，其导致井/钻孔和它们周围介质的特征改善。这种过程和装置应当能够提高来自沉积物的烃采收以及注入井的吸收能力和废物存储井的吸收能力两者。在轻油生产领域中尤其需要高级、紧凑并且高效率的装置，其中耗尽是最关心的。本发明的几个其它目标和优点是：

(1)提供用于利用优化的能源成本以加速的方式处理井/钻孔的装置；

(2)使操作简单、提高效率和减小器材占据的空间；

(3)提供任何需要的时间周期的与侵蚀性井介质一起使用的装置；

(4)通过在井内等离子体源中的校准导体受控爆炸之后使谐振频率下的产生金属等离子体的、定向的、非线性的、宽频带的和弹性的振荡通过充满流体的周围介质来提供改变井周围介质的渗透性和关联流体的流动性的条件；

(5)通过使井周围介质和所述流体的成分经受第一冲击波事件，继之以使受干扰的井周围介质和所述流体的受影响的成分经受第二冲击波等等来提供用于逐步、多步改变介质渗透性和流体流动性的条件。

(6)提供用于操纵相对于地球表面或者海底以及它们的周围介质主要垂直定向的陆地井、岸上井和离岸井的生产能力的装置；

(7)提供用以获得类似加氢裂化的生产能力提高的条件；

(8)在一段时间内产生对于未采收的烃的高效采收足够的贯穿介质/储层/沉积物的振荡；

(9)提供可以采用两个或更多个等离子体源的装置。

本发明满足这些需要并且提供其它相关优点。

发明内容

本发明提供了用于通过使用浸没在井流体中的等离子体源中的校准导体受控爆炸时释放的能量，来操纵井周围介质的渗透性和关联流体的流动性的独特且新颖的方法。本发明涉及用于在所有开发阶段处提高从生产层的烃(原油和气体)采收的过程和装置，并且还可以用于强化注水垂直井、二氧化碳注入井、废物存储井以及其它井(包括斜井、具有可变方向的井或者没有水平完井的定向井)的注入能力和分布。由于烃储层中引起的谐振效应伴随改善的渗透性和射孔以及降低的堵塞/阻塞，因此含水量降低并且井采收率增大以及实现了显著更高的生产/注入能力。

本发明涉及用于产生非线性的、宽频带的、周期性的、定向的、弹性的振荡的等离子体源。等离子体源包括有第一电极和第二电极的等离子体发射器。电极限定电极间隙，其中等离子体发射器具有邻近电极间隙设置并且关于等离子体发射器的周长均匀间隔的多个金属支架。外壳壳体附接至等离子体发射器的远端。外壳壳体包括传送装置，该传送装置配置为使得通过第二电极中的轴向开口将金属导体引入到电极间隙中。装置壳体附接至等离子体发射器的近端。装置壳体包括电连接至电容器单元的高压变压器，该电容器单元电连接至接触器，该接触器继而电连接至第一电极，所有这些都包括在装置壳体内。等离子体发射器的近端和远端优选地具有圆锥形或者双曲线形状。

发射器开口存在于多个金属支架的每对之间。多个金属支架包括三个金属支架，每个金属支架具有朝向电极间隙定向的顶角，每个金属支架的所述顶角相同并且量度在十度与六十度之间。在特别优选的实施例中，金属支架的顶角量度为四十八度。金属导体优选地是纯的或者同质的金属或者金属合金、导电材料或者复合物。

第一电极优选地是高压电极并且用高熔点的耐熔金属或者合金进行涂敷或者熔化接合。优选地，第一电极与等离子体发射器电绝缘以及第二电极电接地至等离子体发射器。外壳壳体的远端成形为圆锥体、渐缩圆锥体、凸锥、射影锥、扭曲圆锥体或者角锥体。外壳壳体的远端优选地具有直的、圆的或者螺旋面通道。外壳壳体优选地被密封并且包括电介质补偿液体。装置壳体也优选地被密封并且包括电介质液体。

装置壳体还包括在变压器与电容器单元之间电连接的电子和继电器块。电子和继电器块控制穿过电容器、接触器和第一电极的电信号。电容器单元优选地在放电电路中包括罗戈夫斯基(Rogovsky)线圈。

本发明还涉及用于通过受控的周期性振荡激发井和沉积物的系统。如上所述，系统包括等离子体源。系统还包括支撑电缆，该支撑电缆具有物理连接至移动站的固定端和物理地并且电连接至等离子体源的远程端。支撑电缆被配置以使得远程端可以部署到井或者沉积物中。

地面控制单元安装在移动站上并且电连接至支撑电缆的固定端。地面控制单元具有配置为记录和存储关于振荡的数据的记录块。放电联锁装置包括在地面控制单元中并且与传送装置、电容器、接触器和等离子体源的第一电极进行电子通信。可对放电联锁装置进行配置以允许或者防止来自等离子体发射器的受控的周期性振荡的放电。

本发明还涉及用于通过受控的振荡激发井、沉积物和钻孔的方法。如上所述，方法包括提供等离子体源的步骤。等离子体源浸没在井、沉积物或者钻孔中的流体介质中。等离子体源的电容器单元由至少6kV的工作电压和至少50微法的电容供电。金属导体被引入到电极间隙中。电容器单元放电以向第一电极提供电力。通过金属导体的爆炸在电极间隙中产生金属等离子体。从电极间隙中的金属等离子体发射冲击波。冲击波从金属等离子体引导到流体介质中。通过所引导的冲击波的通过，在流体介质中产生非线性的、宽频带的、周期性的和弹性的振荡。方法还可以包括大约每50-55微秒重复供电、引入、放电、产生、发射和引导步骤。优选地排除使用对人类或者环境有害的化学物质来执行本发明的方法。

非线性的、宽频带的、周期性的和弹性的振荡优选地具有从1Hz到20kHz范围的频率。非线性的、宽频带的、周期性的和弹性的振荡优选地具有大约五十至五十五微秒的短脉冲并且通过流体介质以低速度传播。

优选地结合媒介物辅助的断裂、液压开槽射孔或者通过化学物质或者生物制剂的加热来执行本发明的方法。产生步骤优选地包括在井、沉积物或者钻孔的流体介质中形成谐振振荡。优选地通过以各种频率和/或在井、沉积物或者钻孔内的不同位置处多次连续应用所引导的冲击波来重复方法。

井、沉积物或者钻孔可以包括垂直井、斜井、具有可变方向的井、没有水平完井的定向井、生产井、成熟井、废弃井、陆地井、岸上井或者离岸井、裸孔、注入井、二氧化碳注入井、废物处理井、保存井或者任何人造或者天然的地表开口。

本发明方法可以用于处理生产、注入、成熟、废弃、废物处理、保存、陆地、岸上或者离岸井/钻孔/开口。这种井可以在没有水平完井的情况下相对于地球表面以任何角度定向。本发明的方法对于打算用于煤层气的井并不理想。

使用本发明的设备，方法包括下列步骤：使用测井/电力支持电缆将等离子体源下放到井中，将等离子体源浸没在井流体中，在等离子体发射器中产生金属等离子体，将金属等离子体的生成产生的冲击波发送到井流体中，通过三个金属支架将冲击波从电极之间的间隙引导至井以及周围介质；在井以及其周围介质中产生非线性的、宽频带的、周期性的、定向的和弹性的振荡。该方法的应用导致持久谐振特性的出现；改善多孔介质的渗透性；提高井和周围介质中的流体的流动性；以及提高井生产/注入能力和烃采收。

本发明的方法可以用于下列应用：在开发完成之后发起到井的流体流入；强化从开发晚期的裸孔生产井和套管井的石油采收；在水压断裂之后，对以全部损耗或者减少的生产率为特征的生产井进行恢复；在没有爆破操作或者安装水泥桥接器的情况下隔离多层地层的水侵层位；在操作后期提高井注入能力；在储层中重新分配注入的流体，用于在没有应用化学物质/生物制剂的情况下在野外条件下使井的注入能力剖面平滑和/或使井生产层段隔离；提高二氧化碳的井吸收；以及提高废物材料的井吸收。

设备的地面控制单元可以设置有电子稳压器和具有环形变压器的电源，该环形变压器具有输出电压的增量调节。地面控制单元优选地为模块化的，其中部分和PCB设置有可互换连接器并且可以通过具有高达300V电压的交流或者直流电线、发电机、太阳能、潮汐或者风力电源为该地面控制单元供电。该单元优选地具有单独的专门电路和PCB以及用于手动精确校正金属导体延伸的按钮。提供记录块以记录/存储数据，包括：日期、时间、操作持续时间和井处理过程中执行的脉冲数量以及到安装在等离子体源上的传感器的信号和来自传感器的数据。地面控制单元优选地为可移动的并且设置有远程控制。

用承载电信号并且具有至少5,000米长度的测井/电力支持电缆将地面控制单元附接至等离子体源。等离子体源具有抗冲击的大体上为圆柱形的主体，其中双电极等离子体发射器通常是打开的。等离子体源包括下列细节：高压变压器充电器；电子和继电器块，控制测井/电力电缆芯的转换(switching)；连接器；电力电容器单元；接触器，用于发起电容器单元的放电；以及脉冲等离子体发射器，配备有高压的第一电极和第二电极。高压第一电极优选地在顶部定向并且具有凹形的尖端，该尖端被压到保护性盘片中。第二电极优选地在底部定向。用于传送校准金属导体的装置由具有与等离子体源壳体相同直径的外壳封装并且可以通过螺纹连接附接至等离子体发射器。

优选地由封闭在金属外壳中的传送装置引入校准金属导体，该金属外壳可以是可移除的。金属外壳优选地位于等离子体源的前端或者远端并且充满补偿电介质液体。传送装置包括用于存储校准金属导体的线轴、具有轴向开口的柱塞芯电磁体，其中其芯附接至电介质平台，该电介质平台通过凸缘连接到等离子体发射器的下面部分；具有尖锐/渐缩后缘的L形推进式致动器，附接至电磁体芯；以及具有轴向开口的塑料引导衬套，用于将金属导体引导到等离子体发射器的底电极中的同轴开口中，然后引导到位于底电极与顶电极之间的间隙中以用于底电极和顶电极的桥接。校准金属导体可以由金属、合金、复合物或者能够发起等离子体化学反应的导电材料制造。在替代实施例中，用于校准金属导体的传送装置还可以包括存储预切割校准金属导体的弹簧加载夹或者具有预切割校准金属导体的旋转汽缸或者校准金属导体的弹簧加载夹。

可选地，电力电容器单元、变压器/充电器、放电发起接触器以及电子和继电器块由分开的防冲击密封外壳封装，该外壳通过柔性电缆彼此连接并且用链、带、弹簧或者类似的连接进行固定。可以在防冲击柔性外壳(诸如波纹管、塑料/橡胶软管或者柔性管状外壳)中隔离所有柔性连接的元件。

等离子体发射器优选地包括由高熔点/耐熔金属或者合金制成和/或用高熔点/耐熔金属或者合金涂敷的第一和第二电极。

根据权利要求1所述方法，其中等离子体源的前端或者远端由可移除的抗冲击外壳保护，该外壳具有有或者没有直的、圆的或者螺旋面通道的圆锥体、渐缩圆锥体、凸锥、射影锥、扭曲圆锥体或者角锥体的形状。等离子体源的发射器优选地由具有三角形横截面的三个支架围绕，该三角形横截面具有朝向电极间间隙定向的十至六十度的角度。等离子体源包括使高压第一电极的主体与除其尖端外任何产生的等离子体隔离的盘片。

等离子体发射器包括附接至等离子体源壳体的高压第一电极，包括高压变压器充电器；电子和继电器块；连接器；电力电容器单元；以及用于发起电容器单元放电的接触器。高压第一电极由拥有橡胶密封件的塑料套筒围绕。第二电极附接至等离子体发射器并且与之电接触，该第二电极具有用于使校准金属导体延伸至高压第一电极的轴向开口。

有许多描述多孔介质中的波传播的方式，包括毕奥低频率方程式。充满流体的弹性多孔介质中的干扰传播率的特征在于压电传导系数，该压电传导系数取决于多孔介质的结构(例如，孔隙的直径和生产沉积物的弹性模数)。

由天然干扰源(诸如太阳、月亮、潮汐、地震)和人工得到的干扰(诸如连续地在生产沉积物中发生的由于汽车交通、铁路以及其它活动的振动)两者维持受干扰振荡。由于振荡发生在耗散封闭系统中，因此它们的特征由这些系统的性质决定。因此，生产沉积物是振荡系统的集合；它是存在于非平衡的、耗散的和弹性的介质中的非线性振荡器。因此，由非线性的宽频带源引起的周期性的、定向的和弹性的振荡可以用于大规模地处理多层生产沉积物以提高介质的渗透性、改善油和气的流动性以及强化井的生产能力和注入能力。

叠加原理不可适用于非线性系统。通常，非线性介质不支持具有任意幅度和形状的恒定速度波的传播。然而，对于特定幅度，一些非线性介质容许一定形状的恒定速度周期性波或者脉冲波的传播；在其它介质中，容许的波既不具有一定形状也不具有恒定速度。可以以恒定速度传播的具有恒定形状的波是稳态波，而既不具有恒定速度也不具有恒定形状的那些波是非稳态的。还有特殊类别的准稳态波(称为简单波)。用于在给定非线性介质中确定可能的稳态波和非稳态波的技术取决于它们是周期性波、非周期性波还是准周期性波。

非线性波过程的描述可以是复杂的，包括下列：(a)与确定由系统支持的可能的稳态波过程相关的运动学分析，以及(b)与这些稳态波的激励和非稳态波的随后演变相关的动态描述。在运动学层面上，将按照非线性的弱电平的稳态波描述与按照强电平的稳态波描述相比较。波可以是用于存在稳态波解的系统的低电平处的准谐波。在分散的分配系统中，描述产生幅度的时空变化、非稳态解的时间和空间频率等等的运动方程式，其中有限延长的波包由不同恒定幅度和频率稳态解的叠加形成。

非平衡系统的独特特性是即使周期性地对系统作用的弱冲击波也可以引起大得不相称的干扰。在宽频带的、周期性的、定向的和弹性振荡的井内等离子体源与生产沉积物之间存在非线性相关，该生产沉积物是非线性的天然振荡器。

当生产沉积物经受宽频带的、周期性的、定向的和弹性的振荡源的作用时，发生主频捕获：振荡与波相互作用直到准谐波出现，该准谐波传播通过岩层谐振器并且激发介质。生产沉积物的每个层的特征在于其本征谐振频率。受干扰的耗散介质以分散性质为特色。激活导致气泡的形成移到储层顶部以及油滴在向下方向上迁移。

由于气体气泡的提取，引起的振荡的幅度显著地增大。在气泡介质中，所有的声振荡使低频振荡翻转；反射系数、折射系数和吸收系数的值改变。气泡中的一些爆炸/内爆，促进热交换和质量交换两者。当油流动性连同流变性、触变性(tixotropic)以及导致渗透性和EOR提高的其它性质一起改善时，油粘度降低。

调谐的振荡按照线性波不能传播的速度行进。根据生产沉积物的地质特征，在冲击波出现之后，引起的振荡能够在显著距离上传播数千米并且可以长时间持续。因此，对下列效果进行观察：(a)根据密度重新分配耗散介质；(b)降低瞬态水油混合气截面的表面张力；以及(c)随着含水量降低而提高井生产能力。

本发明基于多层面的非线性过程和现象，并且能够实质性强化从地下储层(特别是从已经严重废弃的成熟井和生产井)的石油和天然气的生产。本发明还可以在地球物理学研究上得到应用，强化用于水驱、二氧化碳驱、表面活性剂驱和稀释剂驱以及用于二氧化碳和各种废物/需要特别存储条件的材料的地下保存的注入井吸收能力。

在本发明中，由构成本发明设备主要部分的等离子体源发起在井/钻孔中和在井紧邻周围和远程周围中的非线性过程和相关现象。本发明的过程包括由等离子体源产生的非线性振荡的相互作用以及生产沉积物和储层及其周围中发生的非线性过程。尽管极限压力或者巨大的热量可能是不利的，但是所控制过程的结果是非常有益的。

可以使用由积累能量的放电(穿过导线)触发的浸没的导线的爆炸建立流体中冲击波压力的时间剖面。流体中产生的冲击波的压力线性地取决于爆炸导线两端的峰值电压。对于相同的加热速率，合金导线比金属导线更迅速地达到高电阻性状态。爆炸导线材料和周围流体的化学反应在爆炸波的产生中无关紧要。

由于本发明没有有害化学物品并且是生态安全方法，因此本发明涉及绿色技术，这使它与常规断裂方法区别开来。尽管如此，还可以结合现有方法和新的方法或者它们的组合(包括媒介物辅助的断裂方法、液压开槽射孔(裂缝切割)或者使用化学物质或者生物制剂对井眼区域进行加热)使用本发明的过程。

本发明的过程和设备打算用于借助于在周围介质中产生谐振波以激发生产层和改善沉积物渗透性和流体流动性来强化生产井和注入井两者的能力。过程和设备可以用于下列应用，其中：在开发完成之后发起到井中的流体流入；从提取流体中的含水量达到90-95％的开发晚期的套管井和裸孔生产井的EOR；在水压断裂之后，对以全部损耗或者减少的生产率为特征的生产井进行恢复；在没有爆破操作或者安装水泥桥接器的情况下隔离多层地层的水侵层位；在操作晚期提高整个井的注入能力；以及在储层中重新分配注入的流体，用于在没有应用化学物质/生物制剂的情况下的野外条件下使井的注入能力剖面平滑和/或使井生产层段隔离。

本发明基于引起谐振以及由于井中的宽频带的、周期性的、定向的和弹性振荡的非线性源的作用(继之以这些振荡与非线性天然介质的相互作用)出现在井眼区域和周围介质中的其它效果。因此，由于过程的效率由在短时间内不同位置处应用的各种频率振荡和冲击波的多次连续应用来强化，因此本发明产生不能复制的有益条件。

本发明的优选实施例通过受控的等离子体产生应用优化的振荡电平。过程不依赖外部温度和压力，并且提供在整个储层均匀地改变流体物理性能和特征的方法。另外，通过实现本发明体验到重要的经济效益。井内等离子体源的优化使用用来降低器材成本、处理成本和能源成本(因为其提高了处理的效率和生产率)。

强调可适用现象的物理学考虑和本发明设备的技术设计两者大大不同于所有现有方法和用它们对生产沉积物作用的EOR装置。本发明的等离子体源产生具有短脉冲(大约50-55微秒)的周期性振荡并且引起在整个生产储层以低速度传播的非线性振荡和波。由于周期性冲击，所有声波变成低频率波。作为设备设计的基础的原理允许评估生产井和注入井的处理效率以提高水、二氧化碳和/或其它材料的吸收。

当前的宽频带的、周期性的、定向的和弹性振荡的非线性等离子体源的特征在于高技术效率和其所有组件的可靠性。所要求的发明的等离子体源能够在井和钻孔和/或它们的周围(包括：沉积物、岩层、生产层段介质和储层)中产生宽频带的、周期性的、定向的和弹性振荡。等离子体源特别设计为放置到垂直生产井、成熟井、废弃井、钻孔、裸孔、注入井、二氧化碳井、废物处理井、斜井、具有可变方向的井或者没有水平完井的定向井或者任何其它人造开口或者地表开口中的开口(除了打算用于煤层气的井以外)中。等离子体源包括下列细节：金属等离子体发射器，配备有两个电极和引导冲击波的三个支架；电容器单元，用于能量存储；用于放电发起的接触器、用于桥接电极和形成等离子体的校准金属导体；以及用于传送校准金属导体的装置。

与Wesley的美国专利4,345,650、Huffman等人的美国专利6,227,293以及Thomas等人的美国专利6,427,774中公开的装置相比，源的设计允许最小化其重量和尺寸。还应当强调，设备和/或等离子体源可以设置有用于检测温度、电平、压力、湿度和烃的各种传感器和/或其它检测装置以获得反馈控制。

由于考虑到生产烃沉积物的非线性响应的独特性的优化设计，因此本发明的设备非常可靠并且高效。设备的等离子体源配备有由耐热材料制成的电极。尽管高温放电，但是电极不需要强化的冷却系统(如例如，Huffman等人的美国专利6,227,293中所公开的装置)。

除Huffman等人的美国专利6,227,293、Thomas等人的美国专利6,427,774和Wood等人的美国专利7,849,919中公开的并且被开发用于原油采收的脉冲电动液压和电磁装置外，本发明的特征在于许多区别性的技术革新和先进设计解决方案，其目的在于维持装置的性能以及实现激发生产烃沉积物的目标效率。为了满足安全操作的需求和任何可适用安全规则，设备的地面控制单元由移动站封装并且可以位于离井内等离子体源的远程距离处。

本发明的关键和区别特性是集成电子稳压器和配备有环形变压器的电源用于消除由不稳定的输入交流电压引起的等离子体源故障，该环形变压器具有输出电压的增量调节。

地面控制单元具有记录块用以记录和存储数据和日志文件，包括：日期、时间、操作持续时间和井/钻孔处理期间执行的脉冲数，连同其它参数一起。

本发明的其它独特特性是单独的专门电子电路和附加印刷电路板(PCB)，开发用于由操作者手动地使用地面控制单元的专用按钮精确校正金属导体延伸。为了确保如果发生装置故障操作者的快速反应，在地面控制单元的面板中安装了具有声音警报和光(LED)警报的联锁装置。所要求的发明具有额外的突出的并且实质性的区别特性，诸如地面控制单元的现有电子电路技术状况示意，该电子电路示意包括数字电子组件和高级PCB。

给定发明的显著特性是地面控制单元的所有部分是模块化的，并且所述部分和PCB设置有用于简单并且迅速替换和/或修理的连接器。该设计增强可靠性，改善效率并且简化维护和修理操作两者。地面控制单元封闭在安全锁定的抗冲击箱(例如，派力肯(Pelican)箱)中。

等离子体源的高压电路被制造用于放置在生产井、成熟井、废弃井、陆地井、岸上井、离岸井、钻孔、裸孔、注入井、用于二氧化碳注入的井、废物处理井、保存井以及其它人造开口或者天然开口中。因此，它们被设计为所有电接触和连接都设置有电螺纹连接器而不是常规焊接以便消除触点烧损和短路。

本发明的独特特性是等离子体源的壳体前端配备有由抗冲击材料制成的圆锥形可移除外壳。外壳防止等离子体源在使其沿着井/开口移动的过程中意外贴附和损坏并且保护测井电缆免于破损和撕扯破裂。

当前设备的等离子体源包括各自具有6kV工作电压和50微法电容的下一代高压电容器。电容器是小的并且重量轻的。这允许等离子体源附接的测井承载/推送电缆的长度延伸至至少5,000(五千)米用于插入到具有对应深度的井中。可以在高达100摄氏度的井流体温度下操作等离子体源。电力电容器的单元上存储的能量维持由校准金属导体的爆炸引起的金属等离子体，该校准金属导体位于等离子体源的等离子体发射器的电极间间隙中。爆炸在井流体中发生，其增大由引导支架引导的所产生冲击波的功率密度。

等离子体源配备有紧凑的、非常可靠的接触器(当与空中放电避雷器相比时优秀得多)。接触器发起穿过校准金属导体的电力电容器的单元的放电。该设计方案允许等离子体源尺寸减小并且简化电气示意图。

本发明额外的有利方面是高压电极的设计允许在维护服务期间容易地装配/拆卸电极。为了充分地增加电极的工作寿命，该电极用高熔点/耐熔金属和/或合金进行涂敷或者熔化接合。

等离子体源包括两个电极。对于垂直放置的等离子体源，由于它将处在插入在垂直井中的情况下，因此高压电极是顶电极。高压电极具有凹形形状并且由盘片隔开。高压电极的凹形尖端被压到盘片中以排除故障以及从该电极到等离子体发射器的主体的漏电两者。用具有橡胶密封件的专门塑料套筒将电极附接至等离子体发射器。套筒充当电绝缘体并且防止井流体在过度压力下渗透到等离子体源中。

对于垂直安置的等离子体源，第二接地电极位于顶部高压电极下面。该底电极包括两个部分并且没有螺纹连接。因此，它不需要对准，这充分地提高了其可靠性和持久性。底电极具有轴向开口，用于使校准金属导体向上延伸穿过开口至顶部高压电极。底电极利用特别成形的螺母附接至等离子体发射器。应当注意，底电极与等离子体发射器电接触。

用于传送校准金属导体的装置位于等离子体源的前端中并且连接至具有凸缘的等离子体发射器。用于传送校准金属导体的装置的所有细节(包括用于存储金属导体的线轴)都安装在电介质平台上。传送装置包括柱塞芯电磁体，该柱塞芯电磁体具有用于传递金属导体的轴向开口。该芯附接至平台。具有尖锐/渐缩后缘的L形推进式致动器牢固地附接至电磁体芯。随着柱塞来回移动，推进式致动器的边缘将导体紧密地销接至平台并且辅助导体滑动穿过塑料引导衬套和底电极开口，直到使导体与顶部高压电极接触。设计方案借助于校准金属导体提供两个电极的非常可靠桥接，并且根据期望工作模式维持金属等离子体的重复产生。

应当注意，可以关于存储细节和运输机制对用于传送校准金属导体的装置进行不同的设计：后者可以以具有许多校准金属导体预切割片的一个或者多个弹簧加载夹的形式实现或者可以被制造为具有预切割校准金属导体的旋转汽缸。

由金属密封外壳封装用于传送校准金属导体的装置以保护它免受机械损坏和/或井流体的其它不利影响。外壳充满专门的补偿液体，该补偿液体防止井流体渗入传送装置中。外壳前端的形状使等离子体源沿着井/钻孔/开口移动期间的意外贴附最小化。

等离子体发射器的上部借助于螺纹连接附接至等离子体源的主要固体壳体。专门的环形密封件防止井流体在过度压力下渗透到等离子体源中。在位于电极之间的校准金属导体爆炸和金属等离子体产生之后，出现压力脉冲/输出冲击波。

等离子体发射器中心的电极间间距由其特征在于三角形横截面的三个支架围绕，该三角形横截面具有最靠近电极间间隙的48度的角度。在第二优选实施例中，最接近电极间区域的支架的三角形横截面角度是10-60度。支架的长度和它们的横截面形状可以根据过程的需求、冲击波性质和期望处理结果而大大地改变。支架将由流体中的压力脉冲产生的(一个或者多个)输出冲击波引导至井、中间层、沉积物和/或其它介质/物体中。引导的冲击波的传播的主要方向是径向方向(垂直于钻孔轴线)。例如，该方向在垂直钻孔中相对于地球表面是水平的。所引导的冲击波沿着井的垂直横截面在高达330度的角度总和内传播。在没有显著衍射、反射、干扰以及其它相关现象的情况下，受到所引导冲击波作用的钻孔的同轴截面长度由等离子体发射器的顶面与发射器的底面之间的距离(即等离子体发射器的高度)限定。为了在轴向方向上(沿着钻孔轴线)提供不间断的井处理，必须沿着井移动等离子体源并且校准导体应当每1-3英尺爆炸一次。

为了放大受等离子体源处理影响的井区域并且通过增大处理点之间的距离削减关联费用，可以将等离子体发射器的顶部和/或底部成形为圆锥体。例如，由两个相对的圆锥体的圆锥表面形成的角度(各自具有顶点为60度角度的圆锥尖端)在沿着其长度的等离子体源横截面中等于120度。在另一个实施例中，(一个或者多个)相对圆锥表面在沿着其长度的等离子体源横截面中为双曲线形。两个实施例允许在垂直平面和纵向平面(沿着井)两者中引导冲击波。因此，等离子体源处理的效率显著地增大。将邻近处理点之间的距离放大10-20倍，减少井处理时间并且延长等离子体源的使用寿命。

在优选实施例中，本发明的校准金属导体由纯金属和/或同质金属制成。校准金属导体的爆炸消耗电容器单元上存储的所有能量，导致压力和温度显著地高于过多工业过程中的那些压力和温度。

校准导体可以由合金、导电复合物或者其它合适的导电物质制造。当仔细选择合金和/或复合材料的组成和性质时，可以在校准导体爆炸之后发起(一个或者多个)目标化学反应，其可以显著地强化效果。化学化合物的产生取决于它们的热稳定性：它们越热稳定，它们就产生得越多。除等离子体化学反应以外，还可以发起有机反应、金属有机反应和/或催化过程。

在一定条件下，可以在爆炸之后产生导体的纳米颗粒，其可以允许在井流体中实施有益的化学反应。井流体性质的进一步改变由流体的相邻层中进行的反应引起。

设备的地面控制单元包括用于放电控制的报警指示器/联锁装置。它允许操作者控制金属导体的移动俯仰角和放电幅度以及在等离子体发射器闲置/故障的情况下关闭等离子体源。

宽频带的、周期性的、定向的和弹性振荡的非线性等离子体源被设计成在井中使用以用于它们的脉冲等离子体激发。它包括用于能量存储的电力电容器单元；充电器、放电发起接触器、电子和继电器块、双电极等离子体发射器和用于在电极间间隙中传送校准金属导体的装置。用于传送校准金属导体的装置调节两个电极的电接触桥接需要的导体片的长度。传送装置配备有具有缠绕的校准金属导体的存储线轴和运输导体的电磁机构。电磁体芯容纳具有推进式致动器的框架和用于将金属导体精确指导到底电极中的轴向开口中的引导衬套。

使用三个螺钉安装用于传送校准金属导体的装置并且该装置由位于等离子体源前端的密封金属外壳封装。外壳具有圆锥形形状、渐缩圆锥体形状或者其它合适的形状以最小化对等离子体源的损坏以及减小沿着井移动期间等离子体源的贴附。可以容易地拆开装置和外壳两者以用于在野外条件下实施维护服务或者修复。

在操作条件下，外壳和传送装置充满电介质补偿液体。该液体充当绝缘体并且防止井流体渗入传送装置中。本发明的另一个重要不同优点在于该电介质液体使底电极冷却，其允许底电极的使用寿命显著增长。因此，除其它装置外，底电极不需要专门的冷却系统。因此，可以有利地减小等离子体源的大小。

利用电介质补偿液体，可以在任何需要的时间周期内在侵蚀性井介质中操作等离子体源。本发明的另一个重要的不同优点在于该电介质液体允许脉冲和脉冲功率的周期性调节。

地面控制单元通过需要股数的测井/电力电缆连接至设计为浸没在井流体中的等离子体源。电缆可以充当推送电缆并且可以用链进行固定。

等离子体源容纳电子和继电器块。两个块在所需时间帧内提供必要电动示意转换。

通过结合附图进行的下列复杂描述，所要求的发明的其它特性和优点将变得显而易见，该附图通过示例的方式图示了本发明的原理。

附图说明

附图图示了本发明。在这些附图中：

图1是具有放置在井中的弹性振荡的等离子体源的设备的图。

图2是本发明的等离子体源的图。

图3是校准金属导体传送装置的图示。

图4是具有用于传送校准金属导体的轴向开口的底电极的图示。

图5是用于传送包括补偿电介质液体的校准金属导体的装置的外壳的图。

图6是等离子体发射器和用以引导冲击波的金属支架的图示。

图7是沿着图6的线7-7得到的等离子体发射器和金属支架的横截面。

图8呈现了显示关于对各种井的生产能力的处理的效应的数据的表格。

图9呈现了显示关于对各种井的生产能力的处理的效应的数据的进一步表格。

具体实施方式

本发明涉及供石油和天然气生产工业使用的过程和装置并且旨在强化从井源中油和天然气的采收以及注水井的吸收能力，用以提高水、二氧化碳注入以及其它可混合媒介物的吸收能力。

通过使用宽频带的、周期性的、定向的和弹性的振荡的非线性源以谐振频率激发气体、液体和固体介质来实现本发明的目标，而受扰动的介质的感应响应不能影响源。由于在多点处理中创建的条件不能用其它方式复制，因此不能用其它方法实现通过本发明得到的有益效果。在现有技术的超声诱导过程中，由于散射和转向，因此传输很弱，限制了有效距离。在实践中，需要考虑装置成本以及操作和维修费用。由于在现有技术情况下，本发明的设备将是高频超声器材，因此本发明设备的操作者不需要穿戴高性能安全性产品用于听力保护。

只要该等离子体源将电容器中存储的能量以金属等离子体形式在短时间内释放在有限体积中(伴随28,000摄氏度的温度和更高温度的提高以及具有超过550MPa的压力的高压冲击波)，则宽频带的、周期性的、定向的、弹性的振荡的等离子体源是非线性的。等离子体源在非线性的、耗散的和非平衡的介质中引起具有显著幅度/功率的弹性振荡。只要由短等离子体脉冲产生的声频频谱覆盖从几分之一赫兹到几万赫兹的频带，则周期性的、定向的和弹性的振荡的非线性源是宽频带的。

用于产生非线性宽频带的、周期性的、定向的、弹性的振荡的设备包括地面控制单元、测井电缆/电力承载电缆/电力推送电缆和等离子体源，其中后者包括下列细节：等离子体发射器，具有两个电极、通常具有6kV电压和250微法电容的高压电容器单元、电子块、安装在电容器单元的放电电路中的罗戈夫斯基线圈、继电器块以及用于在电极间间隙中传送校准金属导体的装置。罗戈夫斯基线圈延长电容器单元的使用寿命并且强化可靠性以及在每个放电循环期间降低能量消耗。

传送装置封装在充满补偿电介质液体的外壳中并且位于等离子体源的前端。用于传送校准金属导体的装置包括具有缠绕的校准金属导体的线轴和用于运输导体的组件。

为了使地面控制单元与井内等离子体源之间的通信过程(该通信过程通过具有有限数量的芯的测井电缆/电力电缆实施)完美，等离子体源设置有电子和继电器块。测井电缆从井内等离子体源承载电力/信号以及向井内等离子体源承载电力/信号并且支撑井内等离子体源的重量。电子和继电器块在需要的时间序列内保障必要的电路图开关。

地面控制单元配备有放电报警装置/联锁装置，该放电报警装置/联锁装置提高操作者及时地采取行动的能力。报警装置/联锁装置控制校准金属导体到电极间空间中的传送以及放电功率，并且在等离子体发射器故障情况下关闭等离子体源。地面控制单元的操作者借助于通过测井/电力电缆传输的信号控制等离子体源。地面控制单元消耗大约500W，并且可以由交流线电压、便携式发电机、太阳能电池、风轮机、潮汐波发电机、其它交流电压源或者合适的直流电压源供电。

本发明涉及用于利用等离子体源处理井/钻孔的方法。方法从将等离子体源引入井中开始，继之以其随后浸没在井流体中。本发明的设备包括地面控制单元、测井电缆/电力电缆和用于放置在钻孔、井以及其它人造陆地开口(包括使用定向钻探做出的人造陆地开口)或者天然存在的开口中的可移除/可改变的等离子体源。另外，设备可以用于岸上井/离岸井。为了确保在野外条件下不间断的操作，设备设置有备用等离子体源。设备可以就地和/或在野外保养并且可以通过越野车辆、船或者任何其它合适的运输方法运输。

如图1所图示的，生产烃沉积物10是以大弹性模量为特征的天然多层地层。沉积物包括非平衡消散气体和流体，其中它们的垂直分布取决于填充孔隙的流体的密度。有效孔隙的体积受生产储层中的毛细管力和重力的影响。

如从图1可以看见的，用于针对井/钻孔的EOR在烃沉积物中引起非线性的、宽频带的、周期性的、定向的和弹性的振荡的本发明的设备12包括移动站14，该移动站14具有地面控制单元16、地球物理学装甲的测井电缆/电力支持电缆18和放置在井/钻孔22中并且在其中发射冲击波23的等离子体源20。移动站14设置有自主能量源和卡车装载电缆绞车或者类似的器材以延伸和缩回支撑电缆18，该支撑电缆18允许沿着井22运输等离子体源20。

支撑电缆18将电力和电信号从地面控制单元16承载到插入井22中的等离子体源20并且运送反馈电信号(如有必要)。另外，测井承载电缆18支撑等离子体源20的重量并且可以达到至少5,000(五千)米的长度。推送测井电缆18用于定向的、非垂直钻孔/开口22以及具有可变方向的钻孔/开口。使用卡车装载电缆绞车或者调节测井/电力电缆22长度的其它类似装置沿着井/钻孔22向上和向下移动等离子体源20(在没有水平完井的情况下进/出垂直钻孔/开口和定向的非垂直钻孔/开口)。

图2中详细描绘的等离子体源20设置有用于密封连接至电缆18的适配器24。等离子体源20的上部封闭在抗冲击的、通常为圆柱形的密封壳体26中并且附接至保持打开的双电极等离子体发射器28。等离子体源20优选地具有大约3.5英寸的外直径以允许等离子体源插入在常规套管/管道中。在可选实施例中，等离子体源20的外直径可以是大约2.5英寸或者更小以允许其插入在较小的生产管道(即，直径为2.75英寸)中。

等离子体源20还包括：高压变压器充电器30、控制测井/电力电缆18中的芯的转换的电子和继电器块32、电力电容器单元34；用于发起电容器单元34的放电的接触器36以及配备有高电压第一电极38和第二电极40的脉冲等离子体发射器28。如图所示，变压器充电器30、电子和继电器块32、电容器单元34、接触器36和第一电极38由多个连接器37串联附接。用塑料套筒42和橡胶密封件(图6)将第一电极38附接至等离子体发射器28。塑料套筒42充当电绝缘体并且防止井流体在过度压力下渗透到等离子体源壳体26中。通过由外壳48封装的传送装置50运输校准金属导体46，该外壳48位于等离子体源20前端。外壳48(图2、图5)优选地具有与壳体26相同的直径并且通过螺纹连接附接至等离子体发射器28。特征在于主体52的金属外壳48充满电介质补偿液体54以防止井流体流入到传送装置50中。液体54还使第二电极40冷却。如图6和图7所图示的，电极38与40之间的间隙56由三个金属支架58围绕。三个金属支架58关于等离子体发射器28的周边等距间隔(图7)并且配置为将压力脉冲/冲击波23引导至井和周围介质(图1)。在优选实施例中，金属支架58各自有具有十度与六十度之间的顶角59(朝向电极间隙56定向的三角形的一部分)的大体上三角形的形状。使金属支架58关于等离子体发射器28的周边等距间隔产生六十度与一百一十度之间的三个相等大小的发射器开口57。在特别优选的实施例(图7)中，金属支架的顶角59是四十八度，产生三个七十二度的发射器开口57。

如图2所图示的，用于将校准金属导体46传送到位于电极38与40之间的间隙56中的传送装置50具有平台60，该平台60具有用于附接至等离子体发射器28的凸缘62。根据图3，在由电介质材料制成的平台60上安装下列细节：电磁体64、用于存储校准金属导体46的线轴66、具有轴向开口70的塑料引导衬套68，其被压到底电极40。因此，对引导衬套68中的开口和底电极40进行调节以用于将金属导体46引导到电极间间隙56中。电磁体64的芯72具有框架73，该框架73具有有尖锐边缘76的L形推进式致动器74。电磁体64、致动器74和尖锐边缘76协作以引导校准金属导体46以及在电磁体柱塞78的来回运动期间将导体46引导到电极间间隙56中。电磁体芯72和柱塞78有用于从存储线轴66运输金属导体46的轴向开口70。

由校准金属导体46桥接的电极38与40之间发生的放电导致金属导体46的爆炸和金属等离子体爆发的形成。这在等离子体发射器28的电极间空间46中创建了压力脉冲/冲击波，该压力脉冲/冲击波通过井流体10传播出去，其能量由等离子体发射器28的引导支架58(图6)引导至井的生产层段。

根据操作者的命令，等离子体源20执行下列动作：致动传送装置50以馈送校准金属导体46(图2、图3)；对电力电容器单元34进行充电；启动接触器36，通过高压电路向由校准金属导体46桥接的电极38和40发起放电；以及将来自等离子体发射器的脉冲计数显示在地面控制单元16的面板上。

位于移动站14中的控制单元16通过电缆18向装置50的电磁体64发送电压脉冲，用于传送校准金属导体46，该校准金属导体46用于桥接等离子体发射器28的电极38与电极40。通常在将等离子体源20插入到井22中之前对所需脉冲数量、由沿着井/钻孔22移动的等离子体源20产生的等离子体脉冲的频率和井的每个点/长度单位的等离子体脉冲数量进行评估。可以使用地面控制单元16对预期处理计划进行初步编程，然后可以在将等离子体源20插入要处理的井/钻孔22中之后由操作者发起该预期处理计划。

存储在电容器单元34上的能量用于产生压力脉冲/冲击波，该压力脉冲/冲击波在电极间空间56内发起并且向远处传播。首先，通过测井/电力电缆18向高压变压器30提供电压，继之以充电电容器单元34。电信号通过电缆18传输到电子和继电器块32，并且块切换电缆18的对应芯。然后，启动信号被传输到接触器36。在致动接触器36之后，通过高压电子电路将高压脉冲从电容器单元34发送至等离子体发射器28的高压电极38。此时，等离子体出现在电极38与电极40之间的空间中，并且出现关联的空间压力分布。根据电容器单元34的电子电路中安装的罗戈夫斯基线圈80的信号电平进行放电记录。

本发明的等离子体源20的优选实施例的技术特征如下：脉冲功率：1.5-2kJ；电容器的充电电压：2.5-6kV；通过电缆从地面电源提供初级交流电压：80-300V；井中的平均等离子体源工作周期持续时间：25-35s；在没有将源提升到地面的情况下的最大脉冲数量：2000；等离子体源长度：大约8英尺(2.5m)；等离子体源外直径：大约4英寸(10cm)或者更小；以及等离子体源重量：大约155磅(70kg)或者更小。

在另一个优选实施例(未示出)中，设计等离子体源20以保证其沿着井22的弯曲部分移动所需要的灵活性。在该实施例中，包括变压器充电器30、电子和继电器块32、电容器单元34、接触器36、连接器37和等离子体发射器28的组件被隔离在分开的金属/抗冲击塑料密封外壳中。然后，借助于封闭地进入每个外壳的柔性外部电缆连接每个组件。可以用链、带、弹簧或者类似器材确保连接。单个外壳的总数取决于组件的电需求和需要的灵活性。

可以将柔性外壳间电缆隔离在波纹管软管中，其中波纹管的末端封闭地附接至对应外壳。尽管在这种情况下可能不需要使外壳间电缆密封进入到外壳中，但是仍然期望使外壳间电缆密封进入到外壳中作为对波纹管的意外破裂的保护。波纹管可以由金属或者(一种或者多种)其它材料(包括抗冲击塑料)制成。

等离子体源20的组件和它们的部分可以与柔性/半柔性连接器37'连接并且放入以大波纹管形式制造的柔性壳体26'中或者可以由设置有密封连接的其它防冲击柔性外壳封装。具有圆锥形前端的柔性波纹管状外壳可以被用作传送装置50的外壳。外壳可以由任何防冲击的柔性材料制造。使用波纹管确保了等离子体源20的灵活性。

在图8和9中概括了用于EOR应用的本发明的过程和设备的效率。可以通过比较前列和后列立即看出，在处理之后，处理的井的生产能力显著提高。

等离子体源20优选地配备有传感器，包括温度传感器、压力传感器、水平传感器、湿度传感器、烃检测器和/或其它传感器/用于提供反馈的(一个或者多个)检测装置。

在野外条件下应用本发明的等离子体源并且不需要使用化学物质或者生物制剂。等离子体源在包括气体、液体和/或固体的层/储层/沉积物/岩层/介质中以它们的本征谐振产生振荡，而受扰动介质的反作用力不能够影响源。

井/钻孔等离子体源设置有在包括的电容器单元上存储能量的能力。在校准金属导体爆炸之后，等离子体源以金属等离子体的形式在十分之一微秒的爆发内释放大量能量。这些事件伴随有井流体中的压力脉冲/冲击波，其中局部温度超过大约28,000摄氏度并且冲击波峰值压力超过550MPa。非线性耗散介质中引起的振荡和波动特征在于显著的幅度。低频率声振动最终占优势，并且吸收系数、反射系数和折射系数经历实质性改变。

等离子体源能够产生频率范围从低于1Hz到超过20kHz的频率的宽频带的、周期性的声波。非常宽的范围促进主频的捕获，接着在生产沉积物中出现谐振振荡。根据衰减度和许多其它条件，振荡能够长时间持续。

等离子体源的另一个区别特性是用于传送校准金属导体的装置包括电磁体，该电磁体具有用于将校准金属导体从存储线轴延伸的轴向开口。框架(具有有渐缩后缘的L形推进式致动器)牢固地附接至磁体的芯。致动器将导体压至平台，该平台容纳传送装置的所有细节。通过塑料引导衬套和底电极中的同轴开口运输校准金属导体，然后使该校准金属导体与顶部高压电极接触。

用于传送校准金属导体的装置封装在外壳中，该外壳附接至具有螺纹连接的等离子体源。外壳充满用于防止井流体进入传送装置中并且用于使底电极冷却的补偿液体。外壳成型为圆锥体(例如，渐缩圆锥体)以最小化源在井中的贴附。

使用位于金属外壳中的传送装置将校准金属导体运输到电极间间距中。导体由金属、合金、含金属的复合物或者用于形成金属等离子体并且维持等离子体化学反应的其它导电材料(如有需要)制成。这些反应可以包括有机化合物的转化、催化过程和金属有机反应。

导体的优选直径是0.3-0.9mm并且可以基本上根据材料的性质和所需等离子参数而变化。

电容器单元的放电电路设置有罗戈夫斯基线圈，该罗戈夫斯基线圈用于记录电容器的存储放电电路上的电流以及产生用于脉冲计数器的电信号。

本发明设备的地面控制单元设置有放电报警装置/联锁装置。该放电报警装置/联锁装置允许操作者控制通过底电极中的开口拉动的金属导体的俯仰角，该金属导体用于桥接两个电极。报警装置/联锁装置控制放电电平，并且如果等离子体空闲，将关闭等离子体源。可以用计算机(包括远程计算机、蜂窝电话或者(一个或者多个)其它远程装置)对控制单元进行控制。

等离子体源的控制单元设置有电子稳压器、特征在于输出电压的增量调节的电源和用于记录井/钻孔/储层处理条件的记录块。

可以在井中的固定位置处使用一系列脉冲执行用本发明的源处理井/钻孔/储层。可选地，还可以利用下列激发：在井中的不同位置处执行一系列脉冲或者用当前沿着井移动的源周期性产生等离子体发射。处理过程中应用的脉冲数量、源在井/钻孔中的位置和/或源在井中移动的速度取决于处理的目标。

尽管已经详细描述了若干实施例，但是为了图示，可以在不背离本发明范围和精神的情况下做出各种修改。因此，除了所附权利要求以外，本发明不受限制。

Claims (20)

1.一种等离子体源，包括：

等离子体发射器，包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极限定于其间的电极间隙；

多个支架，所述多个支架邻近所述电极间隙并邻近所述等离子体发射器设置；

多个发射器开口，被配置为使得由所述等离子体源产生的冲击波被引导通过所述多个发射器开口并且从所述等离子体发射器径向地引导，其中所述多个发射器开口中的邻近发射器开口通过所述多个支架中的至少一个支架彼此分离；

外壳壳体，所述外壳壳体位于所述等离子体发射器的远端处，所述外壳壳体包括传送装置，所述传送装置被配置为将导体引入通过所述第二电极中的开口并引入到所述电极间隙中；以及

装置壳体，位于所述等离子体发射器的近端处，所述装置壳体包括：

变压器；

电耦合至所述变压器的电容器单元；以及

电耦合至所述电容器单元和所述第一电极的接触器。

2.根据权利要求1所述的等离子体源，其中：

所述外壳壳体通过螺纹连接附接至所述等离子体发射器。

3.根据权利要求1所述的等离子体源，其中：

所述导体为同质的导电材料。

4.根据权利要求1所述的等离子体源，其中：

所述导体的直径为0.3-0.9mm。

5.根据权利要求1所述的等离子体源，还包括：

所述第一电极包括耐熔金属或耐熔合金。

6.根据权利要求1所述的等离子体源，其中：

所述等离子体发射器包括配置为对冲击波的脉冲进行计数的脉冲计数器。

7.根据权利要求1所述的等离子体源，其中：

所述装置壳体包括柔性壳体，所述柔性壳体包括包含高压变压器、电容器单元和接触器的多个波纹管。

8.根据权利要求1所述的等离子体源，其中：

所述第一电极与所述等离子体发射器电绝缘；以及

所述第二电极电接地至所述等离子体发射器。

9.根据权利要求1所述的等离子体源，其中：

所述外壳壳体被密封并且包含电介质补偿液体。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的等离子体源，其中：

所述多个发射器开口进一步被配置为使得由所述等离子体源产生的冲击波被引导通过所述多个发射器开口并且以高达330度的总和角度从所述等离子体发射器径向地引导。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的等离子体源，其中：

所述多个支架中的每个支架包括圆弧形的梯形横截面或三角形横截面中的一个。

12.根据权利要求11所述的等离子体源，其中：

所述圆弧形的梯形横截面或所述三角形横截面中的一个包括量度在10和60度之间的顶角。

13.根据权利要求1-9中任一项所述的等离子体源，其中：

所述多个发射器开口中的每个发射器开口的大小彼此相等。

14.一种系统，包括：

等离子体源，包括：

等离子体发射器，包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极限定于其间的电极间隙；

多个支架，所述多个支架邻近所述电极间隙并邻近所述等离子体发射器设置；

多个发射器开口，被配置为使得由等离子体源产生的冲击波被引导通过所述多个发射器开口并且从所述等离子体发射器径向地引导，其中所述多个发射器开口中的邻近发射器开口通过所述

多个支架中的至少一个支架彼此分离；

外壳壳体，所述外壳壳体位于所述等离子体发射器的远端处，所述外壳壳体包括传送装置，所述传送装置被配置为将导体引入通过所述第二电极中的开口并引入到所述电极间隙中；以及

装置壳体，位于所述等离子体发射器的近端处，所述装置壳体包括：

变压器；

电耦合至所述变压器的电容器单元；以及

电耦合至所述电容器单元和所述第一电极的接触器；以及

支撑线缆，包括耦合到所述等离子体源的远程端和固定端；以及

接地控制单元，耦合到所述支撑线缆的固定端。

15.根据权利要求14所述的系统，其中：

所述多个发射器开口进一步被配置为使得由所述等离子体源产生的冲击波被引导通过所述多个发射器开口并且以高达330度的总和角度从所述等离子体发射器径向地引导；以及

所述多个支架中的每个支架包括圆弧形的梯形横截面或三角形横截面中的一个。

16.根据权利要求15所述的系统，其中：

所述圆弧形的梯形横截面或所述三角形横截面中的一个包括量度在10和60度之间的顶角。

17.根据权利要求15所述的系统，其中：

所述多个发射器开口中的每个发射器开口的大小彼此相等。

18.一种方法，包括：

提供等离子体源，所述等离子体源包括：

等离子体发射器，包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极限定于其间的电极间隙；

多个支架，所述多个支架邻近所述电极间隙并邻近所述等离子体发射器设置；

多个发射器开口，被配置为使得由所述等离子体源产生的冲击波被引导通过所述多个发射器开口并且从所述等离子体发射器径向地引导，其中所述多个发射器开口中的邻近发射器开口通过所述多个支架中的至少一个支架彼此分离；

外壳壳体，所述外壳壳体位于所述等离子体发射器的远端处，所述外壳壳体包括传送装置，所述传送装置被配置为将导体引入通过所述第二电极中的开口并引入到所述电极间隙中；以及

装置壳体，位于所述等离子体发射器的近端处，所述装置壳体包括：

变压器；

电耦合至所述变压器的电容器单元；以及

电耦合至所述电容器单元和所述第一电极的接触器；

将所述等离子体源定位在流体介质中；

将导体传送到电极间隙中；

在电极间隙中创建金属等离子体；

在电极间隙中的金属等离子体中产生冲击波；以及

将冲击波从金属等离子体传输到流体介质中以在流体介质中产生振荡。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：

所述多个发射器开口进一步被配置为使得由所述等离子体源产生的冲击波被引导通过所述多个发射器开口并且以高达330度的总和角度从所述等离子体发射器径向地引导；以及

所述多个支架中的每个支架包括圆弧形的梯形横截面或三角形横截面中的一个。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：

所述圆弧形的梯形横截面或所述三角形横截面中的一个包括量度在10度与60度之间的顶角；以及

所述多个发射器开口中的每个发射器开口的大小彼此相等。