CN111101915A - 一种等离子体发生装置、压裂系统及压裂方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施方式公开了一种等离子体发生装置、压裂系统及压裂方法。所述压裂系统包括：等离子体发生装置，所述等离子体发生装置包括壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，所述壳体上开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿钻井内的压裂液，并使所述压裂液形成冲击波时，所述冲击波经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播，以使目的地层形成第一压裂裂缝；水力压裂装置，用于向所述钻井内注入压裂液，以使目的地层形成第二压裂裂缝。本申请实施方式可以在压裂地层时，减少压裂液的使用量，从而降低压裂作业的成本。

Description

一种等离子体发生装置、压裂系统及压裂方法

技术领域

本申请涉及油气藏开采技术领域，特别涉及一种等离子体发生装置、压裂系统及压裂方法。

背景技术

随着人们对油气能源的需求量越来越大，对页岩气的开采逐渐成为了目前研究的重点。目前，为了开采赋存于渗透率很低的泥页岩中的页岩气，通常需要利用水力压裂技术对储层进行增产改造。

常规的水力压裂技术通过油井钻完后，下入射孔枪对目标地层进行射孔作业，以沟通井眼和地层，然后利用地面压裂车往井眼内注入高压压裂液，压裂液进入射孔孔眼，压裂地层，产生数条主裂缝，从而为油气进入井眼提供通道。但是，常规的水力压裂方法需要使用大量的压裂液，导致成本较高。综上，如何减少压裂液的使用，从而降低水力压裂的成本，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本说明书实施例的一个目的是提供一种等离子体发生装置，以提高等离子体发生装置将电能转化为冲击波机械能的效率。

为达到上述目的，本说明书实施例提供一种等离子体发生装置，所述装置包括：

壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，所述壳体上开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿与其接触的流体介质，并使所述流体介质形成冲击波时，所述冲击波经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播。

本说明书实施例的另一个目的是提供一种压裂系统及方法，以在压裂地层时，减少压裂液的使用量，从而降低压裂作业的成本。

为达到上述目的，本说明书实施例提供一种压裂系统，所述系统包括：

等离子体发生装置，所述等离子体发生装置包括壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，所述壳体上开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿钻井内的压裂液，并使所述压裂液形成冲击波时，所述冲击波经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播，以使目的地层形成第一压裂裂缝；

水力压裂装置，用于向所述钻井内注入压裂液，以使目的地层形成第二压裂裂缝。

为达到上述目的，本说明书实施例还提供一种压裂方法，所述方法包括：

将等离子体发生装置下放至钻井内，所述等离子体发生装置包括壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，所述壳体上开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿钻井内的压裂液，并使所述压裂液形成冲击波时，所述冲击波经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播，以使目的地层形成第一压裂裂缝；

向所述钻井内注入压裂液，以使所述目的地层形成第二压裂裂缝。

由上可见，本说明书提供的方案可以通过等离子体发生装置在电极尖端处击穿压裂液，使所述压裂液形成冲击波，从而利用冲击波使目的地层形成裂缝，降低地层的起裂压力；然后通过向所述钻井内注入压裂液，以利用冲击波和压裂液共同压裂目的地层，使得在压裂地层时，可以减少压裂液的使用量，从而降低压裂作业的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本说明书实施例提出的一种压裂系统的组成示意图；

图2是本说明书实施例中一种等离子体发生装置的剖面结构示意图；

图3是本说明书实施例中一种等离子体发生装置的三维透视结构示意图；

图4是本说明书实施例提出的一种压裂方法的流程图；

图5是本说明书实施例提出的另一种压裂方法的流程图；

附图1中的标记说明：

1、水力压裂车；2、高压脉冲电源车；3、绞车；4、同轴电缆；5、井口装置；6、等离子体发生装置；7、水力压裂裂缝；8、分布式裂缝；9、封隔器；10、射孔孔眼；

附图2和附图3中的标记说明：

6-1、高压电极；6-2、接地电极；6-3、绝缘层；6-4、等离子体通道；6-5、旋转抛物空腔；6-6、温控部件；6-7、球面冲击波；6-8、平面冲击波；6-9、壳体。

具体实施方式

本说明书实施例提供一种等离子体发生装置、压裂系统及压裂方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

为了在压裂地层时减少压裂液的使用量，降低压裂作业的成本，本申请实施方式提供一种压裂系统，所述系统可以包括如下装置：

等离子体发生装置，所述等离子体发生装置可以包括壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，所述壳体上可以开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿钻井内的压裂液，并使所述压裂液形成冲击波时，所述冲击波可以经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播，以使目的地层形成第一压裂裂缝；

水力压裂装置，可以用于向所述钻井内注入压裂液，以使目的地层形成第二压裂裂缝。

在上述实施方式中，可以通过等离子体发生装置在电极尖端处击穿压裂液，使所述压裂液形成冲击波，从而利用冲击波使目的地层形成裂缝，降低地层的起裂压力，然后通过向所述钻井内注入压裂液，以利用冲击波和压裂液共同压裂目的地层，使得在压裂地层时，可以减少压裂液的使用量，从而降低压裂作业的成本。

在一个实施方式中，所述聚能通道在所述壳体内可以形成旋转抛物空腔，所述旋转抛物空腔的截面形成有旋转抛物空腔截面抛物线，所述抛物线的焦点位于所述电极尖端形成的电极间隙的中点，所述旋转抛物空腔的出口指向所述钻井内的射孔孔眼，所述壳体内可以形成一个或多个旋转抛物空腔，对此本申请不作限定。

在一个实施方式中，所述等离子体发生装置还可以包括温控部件，所述温控部件可以沿所述旋转抛物空腔的空腔壁设置于所述壳体内，所述温控部件用于控制所述旋转抛物空腔内的流体介质的温度，从而可以使等离子体发生装置将电能转换为机械能的效率最优。

在一个实施方式中，所述系统还可以包括封隔器，封隔器可以用于封隔已经压裂的地层段，从而对目的地层进行分段压裂。

在一个具体的应用场景下，参考图1所示。钻井可以包括垂直井段与水平井段，并且在完成钻井后，可以下放射孔枪，对目标地层进行射孔，以连通钻井井筒和地层；在垂直井段的井口可以安装有井口装置，井口装置可以悬挂套管柱、密封套管；同轴电缆可以通过所述井口装置下入井眼，高压脉冲电源车可以作为供电装置，通过同轴电缆与位于水平井段内的等离子体发生装置相连，同轴电缆还可以在向等离子体发生装置传输电能的过程中减少能量损失；等离子体发生装置可以产生冲击波，在地层中产生较为密集的分布式裂缝，从而降低地层的起裂压力后，水力压裂车可以作为上述实施方式中的水力压裂装置向井内注入高压压裂液，在地层中形成水力压裂裂缝，以压裂该段地层；在完成该段地层的压裂后，利用封隔器对该段地层进行封隔，绞车可以通过拉动同轴电缆，将等离子体发生装置拖动至下一个目标位置。

下面对上述实施方式中的等离子体发生装置的结构进行详细说明，所述等离子体发生装置可以包括：

壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，所述壳体上开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿与其接触的流体介质，并使所述流体介质形成冲击波时，所述冲击波经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播。

本说明书提供的等离子体发生装置，可以在电极间隙产生液电效应，通过电极间的脉冲放电击穿电极尖端所在的电极间隙处的流体介质，在电极间隙处产生等离子体通道，在电能迅速注入等离子体通道后，使等离子体通道快速膨胀收缩，推动流体介质高速运动形成冲击波，并利用聚能通道将分散的冲击波汇聚为平面冲击波，以提高等离子体发生装置将电能转化为冲击波机械能的效率。

在一个实施方式中，所述聚能通道在所述壳体内可以形成旋转抛物空腔，所述旋转抛物空腔的截面形成有旋转抛物空腔截面抛物线，所述抛物线的焦点位于所述电极尖端形成的电极间隙的中点，所述壳体内可以形成一个或多个旋转抛物空腔，对此本申请不作限定。

在一个实施方式中，所述等离子体发生装置还可以包括温控部件，所述温控部件可以沿所述旋转抛物空腔的空腔壁设置于所述壳体内，所述温控部件用于控制所述旋转抛物空腔内的流体介质的温度，从而可以使等离子体发生装置将电能转换为机械能的效率最优。

参考图2及图3所示，在一个具体的实施方式中，所述等离子体发生装置可以包括：

具有相背对的第一端和第二端的壳体，所述壳体内设置有贯通所述第一端和所述第二端的第一通道；

分别从所述第一端和所述第二端插入所述第一通道的第一电极和第二电极；所述第一电极和第二电极之间形成电极间隙；所述电极间隙可以通过贯通所述壳体的第二通道与所述流体介质相连通，所述第一电极和所述第二电极可以用于在所述电极间隙处产生等离子体通道，并通过所述等离子体通道作用于所述流体介质形成冲击波；

所述第二通道在所述壳体内形成第一旋转抛物空腔与第二旋转抛物空腔；所述第一旋转抛物空腔与所述第二旋转抛物空腔的焦点重合于所述电极间隙的中点，所述第一旋转抛物空腔与所述第二旋转抛物空腔可以用于反射所述冲击波，以形成平面冲击波。

在一个实施方式中，所述第一电极可以为高压电极，所述第二电极可以为接地电极，在所述高压电极与所述第一通道相接触的位置可以设置有绝缘层，以隔绝所述高压电极与所述壳体。

在一个实施方式中，所述温控部件可以是电阻丝，所述电阻丝沿所述第一旋转抛物空腔与所述第二旋转抛物空腔的空腔壁设置于所述壳体内，以控制旋转抛物空腔内的流体介质的温度。

在一个实施方式中，所述第一电极与所述第二电极可以由耐高温耐腐蚀的材料制成。

例如，电极可以使用铜钨合金等材料。

在一个实施方式中，所述电极的尖端为针状，以提高电极尖端的电场强度，从而更易击穿流体介质。

在一个实施方式中，所述电极间隙可以大于等于1厘米且小于等于4厘米。

在一个实施方式中，所述电极尖端的半径可以大于等于2毫米且小于等于20毫米。

参考图4所示，本说明书实施例还提供一种压裂方法，所述方法包括以下步骤：

S101：将等离子体发生装置下放至钻井内，所述等离子体发生装置包括壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，所述壳体上开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿钻井内的压裂液，并使所述压裂液形成冲击波时，所述冲击波经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播，以使目的地层形成第一压裂裂缝。

在一些实施方式中，可以根据目的地层的地层信息，确定对所述等离子体发生器供电的供电参数，以使所述球面冲击波和所述平面冲击波的强度与所述地层相匹配；所述供电参数包括供电电压、供电电流、充电电容以及电压上升时间。

例如，当地层的岩石强度大或硬度高时，可以增加放电电压、放电电流、充电电容以及降低电压上升的时间。通常情况下，放电电压可以大于等于50KV且小于等于200KV，放电频率可以大于等于5HZ且小于等于50HZ，供电装置的电容容量可以大于等于20μF且小于等于200μF。

在一些实施方式中，还可以通过所述等离子体发生器内的温控部件，使所述旋转抛物空腔内的流体介质达到预设温度。

S102：向所述钻井内注入压裂液，以使所述目的地层形成第二压裂裂缝。

在一个实施方式中，参考图5所示，所述方法还可以包括利用封隔器对已压裂的地层段进行封隔，以对地层进行分段压裂；在完成所述地层的压裂后，封闭所述钻井，进行焖井，最终在地层形成分布式裂缝网络，从而完成联合压裂。

在一些实施方式中，本说明书实施例提供的压裂方法可以减少压裂液的使用，从而降低压裂作业的成本。

在一些实施方式中，本说明书实施例提供的压裂方法可以通过减少压裂液的使用，从而减少对环境的污染。

在一些实施方式中，本说明书实施例提供的压裂方法可以通过等离子体发生装置产生的第二压裂裂缝，降低地层的起裂压力，从而加快地层压裂的施工周期，提高水力压裂的效率。

在一些实施方式中，等离子体发生装置在地层中产生的第二压裂裂缝可以是分布式裂缝，相比水力压裂产生的第二压裂裂缝，分布式裂缝更密集，更便于油气在裂缝中的转移，从而可以提高油井的产量。

在20世纪90年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware DescriptionLanguage)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(RubyHardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

上述实施例阐明的装置、模块，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。该计算机软件产品可以包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。该计算机软件产品可以存储在内存中，内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括短暂电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (10)

1.一种等离子体发生装置，所述装置包括：壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，其特征在于，所述壳体上开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿与其接触的流体介质，并使所述流体介质形成冲击波时，所述冲击波经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚能通道在所述壳体内形成旋转抛物空腔，所述旋转抛物空腔的截面形成有旋转抛物空腔截面抛物线，所述抛物线的焦点位于所述电极尖端形成的电极间隙的中点。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

温控部件，所述温控部件沿所述旋转抛物空腔的空腔壁设置于所述壳体内，所述温控部件用于控制所述旋转抛物空腔内的流体介质的温度。

4.一种压裂系统，其特征在于，所述系统包括：

等离子体发生装置，所述等离子体发生装置包括壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，所述壳体上开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿钻井内的压裂液，并使所述压裂液形成冲击波时，所述冲击波经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播，以使目的地层形成第一压裂裂缝；

水力压裂装置，用于向所述钻井内注入压裂液，以使目的地层形成第二压裂裂缝。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述聚能通道在所述壳体内形成旋转抛物空腔，所述旋转抛物空腔的截面形成有旋转抛物空腔截面抛物线，所述抛物线的焦点位于所述电极尖端形成的电极间隙的中点，所述旋转抛物空腔的出口指向所述钻井内的射孔孔眼。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述等离子体发生装置还包括温控部件，所述温控部件沿所述旋转抛物空腔的空腔壁设置于所述壳体内，所述温控部件用于控制所述旋转抛物空腔内的压裂液的温度。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

绞车，所述绞车用于拖动所述等离子体发生装置至所述钻井中的目标位置。

8.一种压裂方法，其特征在于，所述方法包括：

将等离子体发生装置下放至钻井内，所述等离子体发生装置包括壳体以及设置于所述壳体内的等离子体发生部件，所述壳体上开设有聚能通道，所述聚能通道与所述等离子体发生部件的电极尖端位置对应，当所述电极尖端击穿钻井内的压裂液，并使所述压裂液形成冲击波时，所述冲击波经由所述聚能通道聚能后形成平面冲击波向外传播，以使目的地层形成第一压裂裂缝；

向所述钻井内注入压裂液，以使所述目的地层形成第二压裂裂缝。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述聚能通道在所述壳体内形成旋转抛物空腔，所述旋转抛物空腔的截面形成有旋转抛物空腔截面抛物线，所述抛物线的焦点位于所述电极尖端形成的电极间隙的中点，所述旋转抛物空腔的出口指向所述钻井内的射孔孔眼。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过所述等离子体发生器内的温控部件，使所述旋转抛物空腔内的压裂液达到预设温度；其中，所述温控部件沿所述旋转抛物空腔的空腔壁设置于所述壳体内。

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