脈沖斷裂設備和方法

專利名稱：脈沖斷裂設備和方法
技術領域：
本發明大體上涉及地下資源勘探，更具體地說，涉及通過在至少部分延伸到地質 結構中的井孔內的流體介質中產生壓力波，從而在地質結構中引入斷裂。
背景技術：
井孔周圍區域的斷裂能夠提高特定類型的地層的石油勘探效率。通常，通過產生 液壓來將斷裂引入到地質結構中，所述液壓可以是在井孔內的流體中生成的靜態或準靜態 的壓力。另一種常規方法包括通過在火花隙上產生放電形成與液壓波相關聯的震動。

發明內容
本發明的各個實施例方面提供了一種在地質結構的至少一部分中引入斷裂的方 法，該方法包括在至少部分穿透到地質結構中的井孔內的流體介質中產生聲波，所述聲波 具有足以在地質結構的一部分內、至少在流體和所述結構的邊界處引入斷裂的頻率、持續 時間和幅值，所述聲波是普通的聲波(即不是沖擊波)。本發明的實施例的一個方面可以包括在產生聲波之前，使井孔內的流體加壓到 低于一個壓力閾值的壓力，如超過該壓力閾值就會使地質結構斷裂，并將流體加熱到低于 在該壓力下流體沸點的溫度。本發明的實施例的一個方面包括一種用于在緊鄰井孔的地質結構的至少一部分 中引入斷裂的設備，該設備包含上封隔器和下封隔器，當被放置在井孔中時，所述上封隔器 和下封隔器與井孔側壁共同限定了一個確定的體積空間；一對電極，設置在上封隔器和下 封隔器之間，限定了這對電極之間的火花隙；電源，與所述電極電連通，并被配置和設置為 在火花隙上生成火花；泵，能夠與確定的體積空間連通，并被配置和設置為當使用該設備時 在確定的體積空間內產生壓力；以及加熱器，被配置和設置為當使用所述設備時對確定的 體積空間內存在的流體介質進行加熱。本發明的實施例的各個方面可包括一種用計算機可執行指令編碼以執行前述方 法或控制前述設備的計算機可讀介質。本發明的實施例的各個方面可包括一個系統，該系統包括前述設備，并被配置和 設置為用于控制根據前述方法提供對所述設備的控制。這樣的系統例如可包括計算機，該 計算機被編程為允許用戶根據所述方法或其他方法控制該設備。本發明的這些和其他目標、特征和特性，以及操作方法和相關結構部件的功能、部 件組合以及制造成本，考慮到下述說明和參照附圖所附的權利要求并將更為明顯，這些部 分一起構成了該說明書的一部分，其中各個附圖中相同的附圖標記表示相應的部件。但應 當理解的是，附圖僅用于闡釋和說明的目的，并不能作為本發明的限制的規定。在說明書和權利要求書中所使用的單數形式“一”、“一個”以及“該”包括多個對象，除非文中明確規定 是其他情況。


圖1示出了根據本發明的一個實施例的設備的實例；圖2示出了根據本發明的實施例的替換電極配置；圖3示意性地示出了根據本發明的一個實施例的設備實例的例子，并且包括電氣 和液壓的子系統；以及圖4表示出了根據本發明的一個實施例的方法步驟的流程圖。
具體實施例方式圖1示出了根據本發明的一個實施例的斷裂引入設備2。井孔10進入具有多個層 12、14、16的地層構造。作為示例，層14已經被標識為提供對地質資源、例如石油資源的獲 取入口，因此其可用于引入斷裂，以提高獲得這些資源的便利性。斷裂引入設備2包括一對封隔器20、22，用于將一定體積的流體M限定在與被設 置為承受斷裂的層14的一部分相鄰的井孔部分內。通過示例，封隔器可以被分隔大約2到 3英尺。在實施例中，這些封隔器20、22與井孔10的壁以足夠好的一致性相配合，并且有足 夠的強度，一定體積的流體M內的壓力被增大到高于井孔內的環境壓力。因此，這些封隔 器共同限定了近似為圓柱形的體積空間，其高度為幾英尺的數量級，直徑等于井孔的直徑， 一般約為4英寸到12英寸的數量級。在封隔器20、22之間，一個高壓電極沈沿著井孔10的軸延伸。如圖1所示，電極 26包括上電極28和下電極30。上電極28和下電極30之間的距離構成了一個火花隙32， 其中通過在電極觀、30之間施加的高電壓生成一個火花，從而超過該體積空間M內的流體 的擊穿電壓。下電極30包括在其基部周圍的一個高壓絕緣環34。另外，多個桿36，例如中空的 金屬桿，在上封隔器和下封隔器之間延伸，可以說限定了一個火花發生器的外輪廓。下電極30可以與導電板38電連通，導電板38依次與下封隔器22電連通。類似 地，桿36可以與導電板38電連通(從而與下封隔器和下電極電連通)。另外，導電環40可 以與桿36的上部電連通，進一步確保桿36保持一個公共的電位差。可以理解的是，導電環 40和桿36通過上述絕緣環34與上電極28隔離。還可以理解的是，絕緣環34應該被設計 為具有足夠大的擊穿電壓(即應當這樣來選擇其材料和尺寸)，該擊穿電壓大于電極之間 的流體的擊穿電壓，因而火花隙產生電弧不會由于絕緣體而失效。在實施例中，當桿36被構造為延伸穿過上封隔器20的中空管時，這些桿可用于提 供多個附加功能。例如，一個或多個桿可包括一個端口，其允許流體在兩個封隔器之間確定 的體積空間內循環。一個或多個桿的上端可包括一個氣流端口，其允許貯存的氣體以限定 的體積逸出。類似地，中空管可允許把傳感器，如流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器或類 似傳感器插入到該體積空間中。包括用于測量上下電極觀、30之間間隔的傳感器是比較有利的。在操作過程中， 電極可能由于電弧放電而消耗掉一部分，通常會隨著時間增大它們之間的分隔距離。當分隔變得較大時，一個或兩個電極朝向對方延伸。在一個特定實施例中，一個或兩個電極可隨 著它們被消耗而延伸到火花隙的桿中。出于這種考慮，將上電極作為可通過上封隔器在火 花生成期間隨著消耗而連續或周期性地送入到火花隙中的桿或一定長度的線纜是有利的。另外，由于上下電極的消耗可能是不均勻的，將兩個電極設置為可延伸的電極是 有利的，允許同時控制火花隙的長度和火花隙的位置。在這種配置中，與上電極相類似，下 電極同樣包括可通過下封隔器送入到火花隙中的一定長度的桿或線纜。在一個典型的實施 例中，各個電極的可消耗部分的總長度例如為幾十英尺的數量級，能夠使用較長的一段時 間。電纜42可用于傳送斷裂弓丨入設備2。電纜例如可以是類似于用于遠程感測井孔內 狀態的典型繩索。電纜42可包括實用設備，如電源和/或用于斷裂引入設備2的控制器， 以及將流體引入到確定的體積空間內或者使流體或氣體從確定的體積空間返回以用于應 用分析的導管。在實施例中，如下所述，導管可用于把熱的、經過加壓的流體引導到確定的 體積空間，以及允許流體從確定的體積空間循環到地表。導管還可包括傳輸液壓信號以控 制設備2的能力(例如，包括控制電極隨消耗的延伸的液壓控制器)。圖2示出了一種作為替代的電極配置48，類似地設置了一個火花塞，其可用于本 發明的各個實施例。在圖2的電極中，一個外電極50和一個中央電極52替代了上下電極， 共同限定了一個火花隙M。在該配置中，圍繞中央電極52的絕緣套筒56(例如由尼龍制 成)，將中央電極與外電極50隔離。外電極例如通過電極基部的導電部分58可以與地電連
ο圖3示意性地示出了圖1的設備2，以及提供附加功能的附加元件。盡管沒有明確 示出，附加元件也可以遠離該設備設置。其效果是去除了井孔內的有源元件，這些有源元件 有可能暴露在火花放電時產生的高壓、高溫以及電磁脈沖效應下。類似地，某些元件可位于 與本發明的實施例一致的設備中。電氣系統60與設備2電連通，以便為電極提供能量。該電氣系統60包括電源62， 其例如可以是高壓直流電源。電源62以每脈沖幾百KJ的范圍(例如在大約100KJ到大約 200KJ之間)為能量存儲元件、例如電容器組64充電，以便存儲送往電極的能量。高壓開關 66可激活以便為電容器組64充電，并向電極觀、30發送能量。輔助電氣系統70提供脈沖功率，用于引發電極之間的脈沖放電。在操作中，電氣 系統60用于在大約IO-IOOms的時間幀內產生電極之間的小電流。該電流例如可以在大約 1-10A的范圍內，用于在引發火花之前對電極之間的一部分流體進行預熱。當預熱周期結束 后，輔助電氣系統70在電極處生成一個高壓脈沖，導致電極之間流體的擊穿，并生成穿過 其的相對導電的通路。一旦導電通道建立，電容器組64能夠通過火花隙釋放能量，在電極 之間產生一個電弧放電。輔助電氣系統例如可產生主電氣系統的能量的大約到5%之 間的脈沖能量。輔助電氣系統也可以在與主電氣系統相比更高的頻率下(例如，在kHz范 圍內)被驅動，從而允許火花放電能維持相對較長的時間。作為示例，在一個小規模應用中，對于大約2mm的火花隙以及IkV的充電電壓，進 入水中的能量大約是60J。對于4mm的火花隙，該能量上升到大約120J。在井孔應用中，能 量的有效范圍高于lkj，能量可通過改變充電電壓和/或改變火花隙長度來控制。通常，充 電電壓是幾十kV，例如對于主電路是20kV，對于輔助電路是60kV。
電孤放電中的電流流動導致電極之間流體的電阻加熱。由于流體快速加熱超過其 沸點，其閃蒸為氣態，在流體內生成氣泡。當氣泡膨脹時，其體積例如是幾立方英寸(例如， 大約I-IOin3)的數量級。可以理解的是，限定體積空間內的流體在生成氣泡之前已經受到壓力。該壓力可 能僅僅是由于執行斷裂操作的深度或者由于如下所述的額外引入壓力而增大。在任一種情 況下，當氣泡膨脹時，氣泡在已經受壓的大量流體內產生了很大的壓力脈沖。壓力脈沖隨流 體傳導到與井孔的流體邊界，并使其能量進入到周圍的巖石地層。如果壓力脈沖是超過壓 力閾值的壓力(與地層強度有關，但通常為上千lb/in2)，該地層就會斷裂。火花放電中產 生的功率的大致范圍在幾十兆瓦到大約一千兆瓦。一種替代應用使用小于地層壓力閾值的壓力脈沖。通過示例，小于約IOMPa的總 壓力(即，脈沖加上靜態壓力)通常不會導致某些結構的明顯斷裂。可以理解的是，足以 導致斷裂的壓力水平根據地質結構的不同而不同，應根據位于待勘探區域的特定條件來選 擇。在這些條件下，地震脈沖被送往地層。該脈沖例如可以被用作勘探周圍區域的地震源， 以產生地震日志。在這個實施例中，當其傳遞或反映出地質區域內的不同特征時，一個或多 個接收器可用于接收調制后的信號。如本領域技術人員所知，可應用各種移植算法來進一 步分析地震信號。壓力波的特征是可控的，以便至少在與地層的邊界處保持非沖擊波狀態的聲波。 即，壓力波應當是普通的聲波，而不是沖擊波。這有助于確保壓力相對均勻地施加到地層， 且放電產生的能量沒有全部被第一構造斷面吸收。其結果是，斷裂是相對各向同性的，而不 是中心性的。出于這種考慮，聲波被控制在低頻，氣泡被控制地相對緩慢地產生，且具有相 對長的壽命。在這點上，緩慢放電被認為是放電電流的平方大于超過100 μ s的放電電流峰 值平方的3%。通過示例，放電可以在大約100μ s到大約5ms的范圍內發生。在電子脈沖結束時，氣泡會凝聚，使壓力脈沖減小為接近零。可以理解，影響壓力 脈沖衰退的因素包括氣泡冷卻，這與氣泡溫度和環境溫度(即，流體溫度)之間的溫差、以 及確定的體積空間的任何擴展有關。確定的體積空間的體積擴展的基本模式是周圍地層的 斷裂，但其它因素可能包括封隔器和井孔之間的泄漏，或者整個流體或氣體返回系統的任 何泄漏(如果存在的話)。電氣系統可以被配置和設置為用于選擇性地操作以反復地為電極提供能量，例如 以大約IOHz的速率。氣泡的反復生成和所導致的壓力波允許較大體積空間范圍內的斷裂。 如上所述，隨時間保持火花的位置是有利的。可以理解的是，通過保持壓力源相對穩定，提 高了后續脈沖的有效性。如上所述，將確定的體積空間預加壓到超過該深度位置處的靜態柱壓是有利的。 在這種情況下，泵80可用于在確定的體積空間內提供所選的靜態壓力，作為相對于通過脈 沖所施加的較高頻率的波動的壓力偏移量。在確定的體積空間周圍的地層的已知或期望強 度的大約10%內選擇特定的靜態壓力。在操作期間，靜態壓力實際上可能是變化的，盡管通 常與脈沖產生的重復率相比以低頻率變化，例如小于約1Hz。泵80可通過設備導管與確定 的體積空間流體連通，或者可以位于設備2附近，例如借助于設置在一個或多個中空桿36 內的單向閥與該設備連通。在實施例中可提供附加的泵，用于提供位于確定的體積空間外 的流體柱內的壓力，以此降低確定的體積空間與其環境之間的梯度。在這種情況下，將確定的體積空間之外的壓力保持在低于但接近該體積空間內的壓力是有利的。在一個實施例中，可通過提高周圍流體的溫度來控制氣泡和周圍流體介質之間的 溫差。在該方法中，加熱泵82(可以是如圖所示的單獨的泵，或者與泵80是同一個泵)可 以與流體蓄液池83和產生加熱流體的加熱系統84相關聯。加熱流體可以在確定的體積空 間內循環，從而提供體積空間內的溫度控制。加熱體積空間內的流體的一種替代方法包括 一個位于確定的體積空間本地的加熱元件，或者組合本地和遠程加熱。提供高于周圍壓力 的壓力的加熱流體是有利的，使得加熱流體趨向于在確定的體積空間外循環，這樣的循環 改善了加熱流體與周圍流體的混合，以控制體積空間內的溫度。流體溫度應保持在流體的 沸點之下，以避免在確定的體積空間內產生蒸汽氣泡，這種蒸汽氣泡可能會導致不受控制 的瞬時壓力變化。在一個替代實施例中，通過由一個或兩個電極，或者通過鄰近放置的注射線持續 注入熱壓水，控制氣泡的熱冷卻。在該方法中，并不試圖控制周圍的大量水的溫度，而是僅 控制氣泡本身附近的溫度。在氣泡周圍的體積空間內生成熱梯度，有助于控制導熱冷卻速 率。這種本地加熱和溫度控制提供了與全體積空間方法類似的效果，同時有效地減小了保 持有效區域內給定溫度所需的能量和水流速。如果所選的溫度能夠根據特定的工程要求而變化，則通常將溫度保持在工作深度 上工作流體的沸點的大約90%至大約95%是有利的。通過示例，在400m水深以下，水的沸 點是大約250°C，因此填充了水的井孔內的工作溫度是大約M00°C。加熱確定的體積空間內的流體可以有兩個有利的效果。首先，如上所述，當流體 接近其沸點時，氣泡的凝聚相對減慢，有助于控制瞬時壓力的衰減。發明人已經發現，具有 相對較長壽命的氣泡能產生穿過地層內的相對較長的壓力脈沖的傳播范圍，導致相對大體 積的地層斷裂。這種效果也是大部分脈沖能量處于低頻范圍的結果。其次，當流體接近其 沸點時，在達到足以產生氣泡的溫度之前，火花放電對于流體加熱的作用不大，因此氣泡更 大，更有利于將火花放電的能量耦入到流體內的聲波。圖4是構成本發明所述方法的一個實施例的步驟的流程圖。確定的體積空間內的 流體被加熱90，并且被加壓92。應該理解的是，盡管圖中所示為同時執行，但這些步驟也可 以順序執行，或者以任意次序執行。一旦流體被加熱并加壓(盡管如上所述，這些步驟可選 地被省略)，產生電脈沖94，引起火花隙上的火花放電96。火花放電96將壓力波引入到流 體內，導致井孔延伸所穿過的地層斷裂。在特定實施例中，加壓的流體包含化學添加劑(或化學添加劑被單獨導入到確定 的體積空間內)，以加速斷裂速率。這些添加劑可通過導管被引入，或者可以使用位于斷裂 引入設備2附近或其上的化學添加劑噴射器。該噴射器100示意性地如圖3所示，包括蓄 液池102、泵104和輸出口，該輸出口與斷裂引入設備2處所確定的體積空間流體連通。一 種可用于加速斷裂的添加劑是鋁基材料，當該材料接觸到火花放電期間產生的蒸汽/氣泡 時進行放熱反應。該反應可以被用于延長壓力脈沖的持續時間和強度，有助于產生所期望 的多方向和長范圍的斷裂。類似地，本領域技術人員能夠理解，可通過導管引入適于提高油 氣資源流量的添加劑(例如稀釋劑、表面活性劑和/或蒸汽)，以促進勘探活動。盡管所述斷裂過程的一個重要的最終用途是勘探油氣資源，本領域技術人員也可 以考慮其它潛在用途。該過程的結果是產生滲透率提高的區域。因此，脈沖斷裂可以應用于許多能夠得益于滲透率提高的用途。例如，使得構成地熱能量系統一部分的鉆井內的巖 石區域斷裂是有利的，尤其是在增強型地熱系統中。在增強型地熱系統中，流體通過熱且干 燥的巖石區域被泵入，流體在通過該區域期間被加熱，然后返回到地表以進行能量提取。根 據本發明的斷裂設備和方法被用于提高該區域內的滲透率，以提高地熱系統內工作流體的 流速。其它有利用途包括地下水井增產和廢物注入操作。 盡管為了闡釋本發明已經基于當前認為是最實際和最優選的實施例詳細描述了 本發明，但應該理解的是，這些具體細節僅用于該目的，本發明不限于所公開的實施例，而 相反，本發明覆蓋了在所附權利要求書的主旨和保護范圍內的修改和等效設置。例如，盡管 本文參照了計算機，這可以通用計算機、專用計算機、被編程為包括執行所述方法的ASIC、 計算機陣列或網絡、或者其他適當的計算設備。作為又一個示例，應當理解，本發明在可能 的范圍內，任何實施例的一個或多個特征可以和任何其他實施例的一個或多個特征相結合
權利要求
1.一種用于在地質結構的至少一部分中引入斷裂的方法，其包括在至少部分穿透到地質結構中的井孔內的流體介質中產生聲波，所述聲波具有足以在 地質結構的該部分內、至少在流體和結構的邊界處引入斷裂的頻率、持續時間和幅值，所述 聲波是普通的聲波。
2.如權利要求1所述的方法，還包括在產生聲波之前，將流體加熱到低于流體介質沸 點的溫度。
3.如權利要求2所述的方法，其中低于流體介質沸點的溫度是在流體介質沸點的大約 10%以內。
4.如權利要求1所述的方法，還包括將加熱加壓的流體注入到靠近一個用于產生聲 波的電極的區域內，以便在具有低于流體介質沸點的峰值溫度的流體介質的一部分內產生 溫度梯度。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述流體通過電極內的孔被注入。
6.如權利要求4所述的方法，其中低于流體介質沸點的溫度是在流體介質沸點的大約 10%以內。
7.如權利要求1所述的方法，還包括在產生聲波之前，將井孔內的流體加壓到低于一 個壓力閾值的壓力，如果超過該壓力閾值就會使地質結構斷裂。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述低于壓力閾值的壓力是在壓力閾值的大約10% 以內。
9.如權利要求1所述的方法，其中產生聲波包括在流體內生成火花放電，以形成膨脹 的氣泡，所述氣泡對流體施加壓力從而產生聲波。
10.如權利要求1所述的方法，還包括在產生聲波之前，將流體加熱到低于流體沸點的溫度；以及將井孔內的流體加壓到低于一個壓力閾值的壓力，如果超過該壓力閾值就會使地質結 構斷裂。
11.如權利要求10所述的方法，還包括所述溫度是在流體介質沸點的大約10%以內， 且所述壓力是在壓力閾值的大約10%以內。
12.如權利要求10所述的方法，還包括以低于大約IOHz的頻率重復產生聲波。
13.如權利要求1所述的方法，其中產生聲波包括在流體內進行緩慢放電。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述緩慢放電包括其放電電流的平方大于超過 100 μ S的放電電流峰值的平方的3%的放電。
15.如權利要求1所述的方法，還包括將制劑注入到流體介質中，所述制劑被選擇為增 加地質結構內存在的材料的流動性。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述制劑包含化學添加劑。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述化學添加劑是用于引入巖石斷裂的制劑。
18.如權利要求16所述的方法，其中所述化學添加劑包含蒸汽。
19.一種用于在地質結構的至少一部分中引入斷裂的設備，其包括上封隔器和下封隔器，當被放置在井孔內時，上封隔器和下封隔器與井孔側壁共同限 定了一個確定的體積空間；一對電極，位于上封隔器和下封隔器之間，限定了這對電極之間的火花隙；電源，與電極電連通，被配置和設置為在火花隙內產生火花；泵，與所述確定的體積空間連通，被配置和設置為在使用該設備時在確定的體積空間 內產生壓力；以及加熱器，用于在使用該設備時對確定的體積空間內的流體介質進行加熱。
20.如權利要求19所述的設備，其中所述電極中的至少一個電極還包括一個致動器， 被配置和設置為可控地送入電極材料，以控制火花隙的長度。
21.如權利要求20所述的設備，其中所述致動器被配置為能夠響應于用于測量火花隙 長度的傳感器的輸出而被激活。
22.如權利要求21所述的設備，其中所述電源包括一個主電氣系統，該主電氣系統包括高壓直流電路；能量存儲元件，被配置和設置為存儲由所述高壓直流電路產生的能量；以及高壓開關，被配置和設置為使所述能量存儲元件放電。
23.如權利要求22所述的設備，其中所述能量存儲器件包括一個或多個電容器。
24.如權利要求22所述的設備，其中所述電源還包括一個輔助電氣系統，該輔助電氣 系統包括脈沖發生器，被配置和設置為產生與能量存儲元件的放電同步的高壓電能脈沖，以引 發火花隙內的火花生成。
25.如權利要求19所述的設備，還包括化學添加劑注入系統，所述化學添加劑注入系 統包括貯存箱，用于貯存化學添加劑；泵，被配置和設置為在使用所述設備時將化學添加劑注入到確定的體積空間內。
26.如權利要求19所述的設備，其中所述加熱器包括熱流體源和傳輸導管，所述傳輸 導管具有靠近電極的開口，使得在操作中來自熱流體源的熱流體被傳送到生成火花隙內的 熱梯度的電極區域。
27.如權利要求沈所述的設備，其中所述傳輸導管延伸穿過所述電極中的一個或兩個 電極。
28.一種用于在地質結構的至少一部分中產生地震信號的方法，其包括在至少部分穿透到地質結構中的井孔內的流體介質中產生火花放電，以形成膨脹的氣 泡，所述氣泡對流體施加壓力，以產生聲波，所述聲波具有低于地質結構的、至少是在流體和結構的邊界處的斷裂閾值的頻率、持 續時間和幅值，所述聲波是普通的聲波。
29.如權利要求28所述的方法，還包括接收由于通過地質結構的該部分而被調制的聲波；以及對該聲波進行分析以確定地質結構的特性。
30.如權利要求四所述的方法，還包括基于接收到的經過調制的聲波產生地震日志。
全文摘要
一種用于在地質結構的至少一部分中引入斷裂的方法，包括在至少部分穿透到地質結構中的井孔內的流體介質中產生聲波。實施例可包括在引入聲波之前對流體介質進行預熱或加壓。一種在地質結構的至少一部分中引入斷裂的設備，包括產生火花的電極，以便在流體介質中產生普通聲波。實施例可包括在引入聲波之前對流體介質進行預熱或加壓的結構。
文檔編號E21B43/26GK102132004SQ200880118148
公開日2011年7月20日 申請日期2008年11月25日 優先權日2007年11月30日
發明者J·H·法拉姆, J-F·里昂 申請人:雪佛龍美國公司