CN111550226A - 一种深井电脉冲压裂装置 - Google Patents

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魏亚然
谭渝
苏莘
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/25—Methods for stimulating production
    • E21B43/26—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures

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Abstract

本发明提供一种深井电脉冲压裂装置，所述装置包括地面控制系统、深井传输电缆、高压充电单元、储能装置、放电开关、换能器等几个部分；地面控制系统位于地上，再经过自身系统升压达到深井电缆的最高电压后通过深井电缆与高压充电单元的高频高压变压器相连，高压充电单元承担为储能装置充电的任务，对储能装置充电之后，储能装置的能量经过高压放电开关，放电换能器传送给水介质，在水介质中放电电弧能量产生高温气体和高温等离子体，迅速膨胀，产生强大的冲击波能量扩散到周围岩体。该发明具有低能耗，低伤害的特点，具有很好的前景。

Description

一种深井电脉冲压裂装置
技术领域
本发明属于油气增产领域，具体涉及一种深井电脉冲压裂装置。
背景技术
在传统的油气藏增产技术领域中，水力压裂技术作为一种重要的油气增产措施在国内外被广泛的应用，但是其需要消耗大量的水资源；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。该类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，不利于油气增产，能量消耗也巨大。因钻井钻孔的尺寸、井下高压高温环境和井用电缆规格等因素的限制，井下电脉冲压裂装置的设计受到很多条件的约束。高压电脉冲压裂技术以“液电”效应理论为基础，在有限空间内的流体介质中产生放电，电弧高温引起通道内压力升高，形成冲击波，产生的压力幅值可达几十甚至是几百兆帕。
电脉冲压裂技术是一种低能耗、低伤害、新型的油气藏增产技术手段，具有良好的应用前景。
发明内容
本发明提供一种深井电脉冲压裂装置，所述装置包括包括地面控制系统、深井传输电缆、高压充电单元、储能装置、放电开关、换能器等几个部分；地面控制系统位于地上，再经过自身系统升压达到深井电缆的最高电压后通过深井电缆与高压充电单元的高频高压变压器相连，高压充电单元承担为储能装置充电的任务，对储能装置充电之后，储能装置的能量经过高压放电开关，放电换能器传送给水介质，在水介质中放电电弧能量产生高温气体和高温等离子体，迅速膨胀，产生强大的冲击波能量扩散到周围岩体。
所述地面控制系统采用PWM调制方式的逆变电源方案，调节占空比，可以调节高压充电电源充电时间，井用馈电电缆耐压小于600V，所以地面控制系统的第一级输出电压为600V，1KHz的方波电压输出。
所述深井馈电电缆采用的是W7BP型号的测井电缆，电缆的电阻为32欧姆/千米，采用三芯并联。
所述高压充电单元包含是由六个升压变压器经整流后级联组成，高压变压器的工作温度最高100℃左右，高压变压器的工作频率为1kHz。采用的是ED25×25×50的0.1mm厚的硅钢片铁芯，初级绕制250匝，次级绕制2500匝。整流桥采用10kV0.3A硅堆组合而成，环氧浇注。变压器由6组变压器小变压器组成，原边并联，副边经整流后串联变压器。变压器按＞1kW的功率容量设计。
所述储能装置储能装置采用的是同轴结构的金属化薄膜电容器。一个电容器的容值为4μF，采用4个电容器并联。金属化薄膜电容器自愈能力很高，非常适合脉冲放电应用。单个电容器耐压25kV，直径85mm，单个长度1.1m。
所述放电开关采用自触发设计，触发电压通过调节放电电极的极间距离进行调节，触发电压设置为20-22kV。高压开关采用圆盘式空气隙开关，放电阈值电压通过间隙距离调节。
圆盘式空气隙放电开关内部由两个圆形平面的铜柱电极构成，电极的直径Φ20mm，间距为5-8mm。
所述换能器采用同轴对极放电电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
该发明具有低能耗，低伤害，新型的技术手段，具有很好的前景。
附图说明
图1是本发明深井电脉冲压裂装置结构框图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明提供一种深井电脉冲压裂装置，所述装置包括包括地面控制系统、深井传输电缆、高压充电单元、储能装置、放电开关、换能器等几个部分；地面控制系统位于地上，井用馈电电缆耐压小于600V，所以地面控制系统的第一级输出电压600V，1KHz的方波电压输出。地面控制系统采用PWM调制方式的逆变电源方案，调节占空比，可以调节高压充电电源充电时间。地面控制系统中高压充电回路将市电经整流后生成300V直流电压，经H桥式逆变电源逆变成1kHz的PWM调制的脉冲电压，经1:2变压器升压至600V左右的脉冲电压，经深井电缆传送至井下高压变压器。高压高频变压器变比为1:60，升压后经整流电路给储能电容器充电。整个充电电源为电压源，开环控制。高压充电回路的充电电流和充电时间，决定了电脉冲压裂装置的平均功率。因为高压充电电源采用电压源方案，充电电流成指数上升，设定适当的充电时间，将有利于1:2升压变压器、高压高频变压器的功率设计。高压变压器的工作温度最高100℃左右，高压变压器的工作频率为1kHz。采用0.1mm的硅钢片叠层铁芯，变压器由6组变压器小变压器组成，原边并联，副边经整流后串联。电脉冲压裂装置工作频率最低为20S一次。实际设计时按15S一次计算元器件的平均功率。放电能量为4000J，则高压充电电源充电速率为267J/S。考虑到充电电源采用电压源方案，充电电流成指数形式下降，充电初期的峰值功率非常大，变压器至少需要按1kW的功率容量设计。高压充电单元通过变压器升压为储能装置进行充电，充电之后，高压储能电容的大部分能量经过高压放电开关，放电换能器传送给水介质，在水介质中放电电弧能量产生高温气体和高温等离子体，迅速膨胀。产生强大的冲击波能量扩散到周围岩体。当放电发生在有限空间内时，由于井壁的限制，通常不会形成气泡脉冲。同样条件下，井筒直径越小，产生的压力越高。当放电产生的压力大于材料(岩石等)的抗压强度时，材料便会产生裂纹并破碎。冲击波压力的大小与放电能量成正比，与放电能量持续时间成反比。在实际设计中，放电回路应尽量短，减少分布电感，降低放电周期。

Claims (7)

1.一种深井电脉冲压裂装置，所述装置包括地面控制系统、深井传输电缆、高压充电单元、储能装置、放电开关、换能器；地面控制系统位于地上，再经过自身系统升压达到深井电缆的最高电压后通过深井电缆与高压充电单元的高频高压变压器相连，高压充电单元承担为储能装置充电的任务，对储能装置充电之后，储能装置的能量经过高压放电开关，换能器传送给水介质，在水介质中放电电弧能量产生高温气体和高温等离子体，迅速膨胀，产生强大的冲击波能量扩散到周围岩体。
2.根据权利要求1所述的深井电脉冲压裂装置，其特征在于：所述地面控制系统采用PWM调制方式的逆变电源方案，调节占空比，可以调节高压充电电源充电时间，井用馈电电缆耐压小于600V，所以地面控制系统的第一级输出电压为600V，1KHz的方波电压输出。
3.根据权利要求1所述的深井电脉冲压裂装置，其特征在于：所述深井传输电缆采用的是W7BP型号的测井电缆，电缆的电阻为32欧姆/千米，采用三芯并联。
4.根据权利要求1所述的深井电脉冲压裂装置，其特征在于：所述高压充电单元包含是由六个升压变压器经整流后级联组成。
5.根据权利要求1所述的深井电脉冲压裂装置，其特征在于：所述储能装置储能装置采用的是同轴结构的金属化薄膜电容器，一个电容器的容值4μF，采用4个电容器并联，单个电容器耐压25kV，直径85mm，单个长度1.1m。
6.根据权利要求1所述的深井电脉冲压裂装置，其特征在于：所述放电开关采用自触发设计，触发电压通过调节放电电极的极间距离进行调节，触发电压设置为20-22kV。
7.根据权利要求1所述的深井电脉冲压裂装置，其特征在于：所述换能器采用同轴对极放电电极。
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