液流空化器、液流空化系統及液流空化方法與流程

本發明涉及石油、天然氣、煤層氣、鈾礦開采領域，特別地,涉及一種液流空化器、液流空化系統以及液流空化方法。

背景技術：

當前石油開采主要采用兩種技術，一是水力壓裂技術，二是超聲空化技術。

水力壓裂是將壓裂液注入油層制造一條主干裂縫，以達到改變油流流態的增油技術。20世紀80年代是水力壓裂發展史上較為重要的階段，后逐漸成為油氣，特別是低滲透油氣勘探開發領域的重要技術手段。水力壓裂增產機理：當地面高壓泵組將高粘度液體以超過地層吸收能力的排量注入井中，在井底產生的壓力超過井壁附近地應力和巖石抗張強度的壓后，即在地層中形成裂縫。隨著帶支撐劑的液體注入地層中，裂縫逐漸向前延伸形成具有一定長度、寬度和高度的填砂裂縫。該裂縫有較高的導流能力，改變了油氣滲流流態。

然而，水力壓裂存在如下缺點：(1)工藝復雜，作業成本高。水力壓裂是一項嚴謹的系統工程，如果對儲層地質情況認識不足、選井選層不當、壓裂液選擇不當、支撐劑選擇不當、壓裂施工參數設計不合理、施工規模不當、壓后排液措施不當都可能導致壓裂施工失敗或降低增產效果，更有甚者可能對油氣田后期的開發調整帶來嚴重影響。儲層改造技術也是一項高投入、高風險的技術，單井的作業成本一般在數十萬至數百萬元之間，深井作業成本甚至千萬余元。(2)對油井和地層污染嚴重。如果壓裂液選擇不當，引起地層粘土礦物膨脹，原油乳化、機械雜質帶入到地層、與地層水不配伍生成沉淀等都可能對地層造成傷害；對于酸壓而言，液體也會對儲層造成傷害，酸液的緩蝕性能差還會對施工設備和管柱造成嚴重的腐蝕。壓裂作業是一種高壓作業，施工用的各種化學劑還會對人的生命財產以及生態環境造成嚴重威脅。(3)對油井和地層的破壞作用極大。若壓裂不當，會造成油井暴性水淹和無功注水的嚴重后果，或把鄰近的含水層或含有氣頂的油藏上部壓開。另外，不當的排液可能給儲層的傷害程度加大，可能導致支撐劑回流，進而對地層和油井造成永久性的破壞。(4)人工主干裂縫的引入加劇了儲層的非均質性，這又可能給油氣藏的開發帶來不利影響。

超聲波采油技術是近幾十年發展起來的三次采油技術之一。超聲空化解堵增油技術即大功率超聲波解堵技術。新型超聲波增油系統主要由磁定位系統、特種傳輸電纜、大功率超聲波電信號發射機和超聲波電聲轉換器等組成。它利用地面車載大功率超聲波發射機產生的大功率脈沖電振蕩信號，通過特種傳輸電纜，將脈沖電振蕩信號傳輸到油層的壓電陶瓷電聲轉換器上，經電聲轉換器轉換成超聲波，射入含油地層中。通過超聲波處理生產油井、注水井的近井油層，使油層中流體的物性及流態發生變化，改善井底近井地帶的流通條件及滲透性，解除采油井、注水井的堵塞，提高采液量、原油產量和注水量，以達到增產目的。

然而，超聲空化存在如下缺點：(1)超聲空化只能用于近井地帶的解堵。液體介質產生空化氣泡，要求超聲波具有一定的強度，超聲波功率越大解堵效果越好。然而超聲波的衰減速度極快，有研究表明，聲強在井壁處衰減為聲源處的45％，孔隙介質幾何模型半徑為1米處的聲強衰減至井壁處的10％。因此，超聲波產生的空化效果只能作用于近井地帶，最大作用半徑僅15米，因此作用效果有限。(2)空化區域處在非流動狀態，在空化器周邊形成的空化區域(或氣穴)范圍有限，隨著靜水(外部)壓力的升高，在深油井中在靜水高壓下無法打斷液流形成氣穴。根據空化數值要求，為使液流產生間隙，必須以極高的速度壓送液體，但并不是在所有的情況下都能得到這種極高速，尤其在深井或加長管道中；在很高的外部靜水壓力下，比如在深井中，利用超聲波無法獲得空化效應。(3)受處理時間限制，作業效果受限。超聲波累計處理時間對解堵效果影響較大，但處理時間超過60分鐘后，解堵效果增加并不顯著；超聲波頻率越高傳播過程中衰減越大，解堵效果變差。(4)技術配套設備復雜，作業成本高，對作業環境要求比較高。(5)不適用于斜度大于45度的油井。

當今,天然氣和煤層氣開采主要采用如上所述的水力壓裂技術，當然,也存在上面提及的問題。另外，水力壓裂用在煤層氣井造成煤粉漂移形成堵塞，目前無法解決。

當今,鈾礦開采主要采用溶浸采礦法，主要的技術瓶頸是儲層滲透率低，溶液注入困難，因而采收率低下。而且目前尚無手段解決該技術瓶頸。

技術實現要素：

本發明的目的在于提出一種通用于石油、天然氣、煤層氣和鈾層開采并提高采收率的液流空化器、系統，用于解決背景技術中的至少一個技術問題。

本發明第一方面提供一種液流空化器，包括殼體，具有第一開口和第二開口；工質，在進行液流空化時其運動被限制在該殼體中但在該殼體內自由活動，從第二開口流入的液體流經該工質從而被空化并從第一開口流出。

在一個優選實施例中，該殼體包括第一殼體和與第一殼體可拆卸連接的第二殼體，其中第一開口設置在第一殼體底部，第二開口設置在第二殼體頂部；或者該殼體包括彼此可拆卸連接的頂部殼體、腹部殼體和底部殼體，其中第一開口設置在底部殼體底部，第二開口設置在頂部殼體頂部。

在另一個優選實施例中，該第一開口的開口尺寸被配置為阻止該工質從該第一開口離開該殼體；和該第二開口的開口尺寸被配置為阻止該工質從該第二開口離開該殼體。

在又一個優選實施例中，液流空化器還包括第一擋板，從臨近該第一開口的殼體內壁向內突出，用于阻止該工質從第一開口離開該殼體。

在又一個優選實施例中，液流空化器還包括第二擋板，從臨近該第二開口的殼體內壁向內突出，用于阻止該工質從第二開口離開該殼體。

在又一個優選實施例中，液流空化器還包括墊片和墊簧，設置在該工質下方、該第一擋板上方的殼體中，在對液流空化時隨工質一起運動。

在又一個優選實施例中，該工質為多個，并且該空化器還包括多個隔室，設置于該殼體中，彼此沿液流方向隔開，其中各個隔室將該多個工質分組容納在其中。

在又一個優選實施例中，該工質為實心的或其上設有液流通過的貫穿孔；和/或該工質表面為光滑的或為凹凸不平面。

在又一個優選實施例中，液流空化器還包括引流槽，設置于該第一殼體或底部殼體內壁上，用于加速液流流出該液流空化器。

本發明第二方面提供一種液流空化系統，用于生產管路中，其中生產管路包括生產管柱和套管，該液流空化系統包括泵送裝置、儲液罐、根據第一方面的液流空化器以及用于監控液流作業參數的計量儀表，其中

該泵送裝置用于將儲液罐中的循環液經過該計量儀表泵送到生產管柱；

該液流空化器連接于該生產管柱底端，對應于儲層中待處理點的位置，該循環液從第二開口流入該液流空化器并從第一開口流出；

該泵送裝置將循環液經該套管泵回該儲液罐中。

在一個優選實施例中，該生產管路為采石油、采天然氣、采煤層氣或采鈾礦的管路。

本發明的系統可以將液流空化器作用于儲層(如油層)，可以提高生產井的產量及滲透率，也可作用于井底以強化碎巖過程，同時可用來消滅微生物，清除接觸面的積層，對金屬進行侵蝕性損壞，加速化學反應，分散液體中固相粒子及高分子化合物，乳化不溶解物質，在其它過程中還可用來進行有效的內部質量交換。

本發明的第三方面提供一種利用第二方面的系統進行液流空化的方法，包括如下步驟：

由泵送裝置將儲液罐中的循環液經過計量儀表泵送到生產管路中的生產管柱；

循環液經過液流空化器進行空化；以及

該泵送裝置將循環液經套管泵回儲液罐中。

本發明的方法可以適用于油田、天然氣田、煤層氣田以及鈾礦開采新井投產和老井“復活”，利用液體循環屬于純物理方法，液體中不必添加任何添加劑，沒有任何污染，工藝簡單易操作，綠色環保，在油層選點作業，保證地層的安全性；安全可靠，同一油井可以反復作業，效果持續期長。另一方面，本發明的系統由于采用了液體循環方式，使得作業效果輻射范圍擴大，從而克服了超聲空化在靜水壓力大空化效果不佳甚至不能產生空化的缺陷。進一步，本發明的系統由于空化器體積小，可以直接設置于生產管柱的底部，管柱能到達之處，其也能到達，所以不僅適用于直井，還適用于定向井及水平井。本發明的系統還適用于不同屬性的井，例如油井、天然氣井、煤層氣井、鈾礦開采井等。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其他目的、特征和優點將更為清楚，在附圖中：

圖1示出根據本發明一個實施例的液流空化系統的示意圖。

圖2a示出根據本發明一個實施例的尾端散流式液流空化器的剖面圖。

圖2b示出根據本發明的一個實施例的僅設置下部擋板的液流空化器的剖面圖。

圖2c示出圖2a所示結構的一個變體，其中工質為實心的。

圖2d-f分別示出圖2a所示結構的一個變體，其中工質的形狀不同。

圖3示出圖2a所示結構的一個變體，其中與圖2a的區別在于用尾端墊簧式結構替代了尾端散流式結構。

圖4示出根據本發明一個實施例的多工質結構的剖面圖。

圖5示出根據本發明一個實施例的混合形狀工質結構的剖面圖。

圖6示出圖4所示結構的一個變體，其中與圖4的區別在于具有隔室。

圖7-9示出根據本發明一個實施例的具有加固件的液流空化器。

應當注意的是，本說明書附圖并非按照比例繪制，而僅為示意性的目的，因此，不應被理解為對本發明范圍的任何限制和約束。在附圖中，相似的組成部分以相似的附圖標號標識。

具體實施方式

以下參照附圖進行詳細的描述，所述附圖形成本發明的一部分，且在本發明中，附圖通過對實施本發明的具體實施例的解釋表示出來。應當理解的是在不偏離本發明的范圍的情況下可以采用其它的實施例且可以進行結構上或邏輯上的改變。例如，對于一個實施例解釋或描述的特征可被用于其它實施例或與其它實施例結合來生成另一個實施例。其意圖在于本發明包括這樣的修改和變化。這些示例用特定的語句描述，但它們不應被理解為對所附的權利要求范圍的限制。附圖僅出于解釋性目的且并非按比例繪制。除非特別說明，出于清楚的目的，相應的元件在不同的附圖中采用同樣的附圖標記表示。

術語"具有","含有","包括","包含"等是開放性的，它們表示所描述的結構，元件或者特征的存在，但并不排除額外元件或特征。

液流空化儲層改造技術，是通過空化器在液體中產生空化，釋放出強大的液體內部能量，產生的激波在儲層中傳導貫通大量微裂縫，從而增加儲層孔喉通道，有效提升儲層滲流能力，提高采收率。

以油層空化為例,油層中的石油儲量主要有兩種：裂縫儲量(～0.3)和毛細管孔隙儲量(～0.7)。毛細管孔隙儲量不易開采，這是目前全球平均采收率在30％左右的原因所在。流體沖擊波空化方法主要是通過采集毛細管孔隙儲量來提高采收率，即由專用裝置(空化器)產生空化作用，使形成的氣泡在液體中快速擠壓并連續爆裂，在爆裂點造成水力沖擊，沖擊波向周圍擴散，在油層制造大量微裂縫，從而打開油流通道，提高滲透率進而提高石油采收率。

基于這種原理，如圖1所示，本發明的液流空化系統包括泵送裝置100、儲液罐105、液流空化器110以及計量儀表115。

其中，泵送裝置100將儲液罐105中的循環液經過計量儀表115泵送到現有管路中的生產管柱116(在采油的場景下即為油管)。

在實際作業前，首先，根據作業井(例如油井)條件以及各種作業參數(排量、每個作業點的作業時間)變化，設定循環液排量。在作業中，根據計量儀表115表征的度數對各種參數進行實時調整。

液流空化器110連接于該生產管柱116底端，對應于儲層125(例如在采油時即為油層)中待處理點130的位置。液流空化器110將從生產管柱底端進入液流空化器110的液流進行空化。之后，液流進入管路120的套管135。泵送裝置100將循環液經套管135泵回儲液罐105中。

其中待處理點130是指事先選擇的作業點，在圖1中示出了多個。在一個具體示例中，空化器110隨著生產管柱116先下到最低處理點的位置，在此對液體進行空化，待完成作業后，上移空化器至上一個作業點，重復作業。當然，本領域技術人員根據本發明容易理解，可以反方向操作，即先在最上面的處理點位置進行空化，之后下移空化器，接著空化。

本發明的液流空化系統利用液流循環，液流空化器110震蕩產生一個沖擊波場，空化作業使形成的氣泡在液體中快速擠壓并連續爆裂，在爆裂點造成液力沖擊。沖擊波的作用力遠非一般的超聲波所能比擬。沖擊波的波源是液流空化器。沖擊波在經過儲層基巖時在毛細管孔隙空間制造出疏波區和密波區，沖擊波在氣體混合物中經過疏密波的交替傳導，使儲層中產生微小的空化氣泡。空化氣泡在爆炸點爆炸，反過來又引起下一波，如此產生鏈式反應。此時儲層里邊形成微裂縫，微裂縫沿著儲層外側不斷增加，有效提升滲流能力。

在一個具體實施例中，為了便于現場作業，泵送裝置100為泵車，儲液罐105放置在泵車上。

在一個具體實施例中，循環液為水。

在一個具體實施例中，為簡化深井下液流間隙的形成過程，可向所壓送的循環液輸入空化核，其形式有氣泡、彌散固相粒子或者不溶解乳膠體等。

雖然上述實施例以直井為例，然而本領域技術人員能夠理解，在本公開的教導下，本發明的系統還適用于定向井及水平井，通用于不同屬性的井，例如油井、天然氣井、煤層氣井、鈾礦開采井等。

接下來，將重點描述本發明的液流空化器110的構成。

圖2a給出了本發明的液流空化器110的一個具體實施例，其中該液流空化器110包括殼體，具體地，該殼體由頂部殼體1000、與頂部殼體1000可拆卸連接的腹部殼體1005、與腹部殼體1005可拆卸連接的底部殼體1010。在一個具體示例中，頂部殼體1000、腹部殼體1005和底部殼體1010可采用卡接的方式，具體地，兩個殼體之間形成同向斜面，如圖2a所示，嵌套之后自然咬合。殼體安裝時現將接納插入的殼體加熱，膨脹后將被插入殼體插入即可。在另一個具體示例中，殼體為螺口連接或鉚接。

在頂部殼體1000的頂部和底部殼體1010的底部分別具有開口1001和1011。

該液流空化器110還包括：設置于腹部殼體1005中工質1015，工質可在腹部殼體1005中自由活動(即與殼體沒有任何機械上的連接關系)，用于作用于從開口1001流入該液流空化器的液流以使其產生空化并從開口1011流出。工質震蕩產生一個沖擊波場，空化作業使形成的氣泡在液體中快速擠壓并連續爆裂，在爆裂點造成液力沖擊。沖擊波在經過油層基巖時在毛細管孔隙空間制造出疏波區和密波區，沖擊波在氣體混合物中經過疏密波的交替傳導，使儲層中產生微小的空化氣泡。空化氣泡在爆炸點爆炸，反過來又引起下一波，如此產生鏈式反應。此時硬地層里邊形成微裂縫，微裂縫沿著儲層外側不斷增加，有效提升滲流能力。

如圖2a所示，該工質1015上設有液流通過的貫穿孔1020，能夠使得空化效果更佳。更優選地，貫穿孔的方向不僅為液流進入的方向，還可以在其他方向上。當然為了降低工藝難度及降低成本，該工質1015可以為實心的，如圖2c所示。

工質1015表面可以是光滑的或是不光滑的例如呈凹凸面。光滑表面的工質的主要作用是增加液體流速，而凹凸不平的表面作用是為了增加設備振動頻率。工質的選擇依據不同儲層條件而定，以使解堵和儲層精細改造效果達到最佳。

在圖2a的具體示例中，工質1015為球形，圖中示出了該球形的剖面圖。

該液流空化器110還包括：頂部擋板1025，從頂部殼體的內壁向內突出，用于阻止該工質從頂部離開該腹部殼體，也就是說用于在液流入射到工質上激發工質運動時防止工質從上部離開殼體；底部擋板1030，從腹部殼體的內壁向內突出，用于阻止該工質從底部離開該腹部殼體，也就是說用于在液流入射到工質上激發工質運動時防止工質從下部離開殼體。顯然，該底部擋板也可以設置于底部殼體上。在一個具體示例中，頂部擋板與頂部殼體一體形成。在一個具體示例中，底部擋板與底部殼體一體形成。

在一個替代示例中，液流空化器110可以僅包括下部擋板1030，而不必設置頂部擋板，如圖2b所示。原因在于由于液流是從開口1001進入并進而向下沖擊工質的，所以一般情況下工質不易從開口1001離開殼體。這樣做的益處是加工簡單，降低生產成本。

在一個替換實施例中，殼體可以由上殼體和下殼體兩部分組成(未以圖示出)，這兩部分彼此可拆卸連接。本領域技術人員能夠理解，經過長時間的使用，工質會被磨損，殼體設置為可拆卸的，方便工質的替換。然而，工質封裝在一體的殼體中的方案也在本發明的保護范圍內，在這種情況下，工質被磨損不能再使用時需要整體連同殼體一起替換。

本發明描述的以上和以下針對殼體由三個可拆卸部件組成的結構的各種實施例在不違反邏輯的情況下也同樣適用于殼體由兩個可拆卸部件組成或是一體的情況。

在圖2a的具體示例中，該液流空化器110還包括：引流槽1035，設置于底部殼體內壁上，用于加速液流流出該液流空化器。

在圖2a的具體示例中，該液流空化器110的外形為圓柱形。

在上述實施例中，在進行液流空化時工質的運動被限制在殼體中是通過擋板的方式來實現的。可替換地，也可以通過將開口1001和/或1011的孔徑(即開口尺寸)設置為能夠阻止該工質從對應開口離開殼體即可。殼體容納工質的部分足夠大以使得工質能自由活動而開口孔徑小于工質的尺寸。

在殼體由頂部、腹部以及底部殼體組成的實施例中，底部殼體的底部向殼體內部突出，充當下部擋板，如圖2、圖4和圖5所示。

如圖2c所示，在腹部殼體和底部殼體卡接的位置處，形成貫穿殼體的散流孔1065，可以進一步增加空化效果。

圖2d、2e和2f是圖2a結構的變體，區別僅僅在于工質的形狀。具體地，圖2d中的工質1015為圓柱形，優選地，沿液流方向的圓柱形。圖2e中的工質為錐形，優選地，沿液流方向逐漸變細。圖2f中的工質為環形，優選地，是在與液流方向垂直的平面上的環形，類似面包圈的形狀。

本領域技術人員明白，盡管在圖2d、2e和2f中的工質具有貫穿孔1020，但其可以是實心的。

圖3是圖2a結構的變體，區別在于在工質下游設有自由活動的墊片1040和墊簧1045，也就是說，在工質1015下方、底部擋板1030上方的殼體中設置有墊片1040和墊簧1045。在本發明中，我們稱這種帶有墊片和墊簧的結構為尾端墊簧式結構。相對而言，稱圖2a-f中的結構為尾端散流式結構。在尾端墊簧式結構中，當對液流空化時，工質1015、墊片1040和墊簧1045一起振動，從而增強空化的效果。

在圖3的具體示例中，也可以增加引流槽。

圖4示出了工質1015可以為多個的實施例。多個工質被限制在頂部擋板和底部擋板之間的殼體內，在實施液流空化作業時，多個工質相互作用，增強了空化效果。需要說明的是，為了讓本領域技術人員更明了，其中一部分工質以完整體的形式示出，而另一部分以剖面形式示出。

本領域技術人員應明白，該多個工質可以為球形、柱形、錐形和環形工質或其組合。如圖5所示，即為環形工質與球形工質的組合。其中，球形工質設置于環形工質的環中。

圖6是圖4結構的變體，區別在于該液流空化器110還包括多個隔室1050，設置于腹部殼體中，彼此沿液流方向用隔壁1055隔開，其中各個隔室將該多個工質分組容納在其中。這樣，僅僅使得同一分組內的各個工質相互碰撞，加快沿液流方向的空化效果。

在本發明的一個具體實施例中，殼體外壁包括但不限于圓柱形、多邊形(例如，六邊形或八邊形)。也就是說，圖2a-f、3-6中所示的結構及其變體中的殼體外壁可以為圓柱形或多邊形。

在本發明的一個具體實施例中，特別是用于深井的示例中，由于隨著深度越深，井內部的壓力越大，殼體外壁上可以設置有用于增強該殼體強度的加固件。也就是說，圖2a-f、3-6中所示的結構及其變體中的殼體外壁可以設置有用于增強該殼體強度的加固件。圖7、8和9分別示處了三種加固件1055的結構，其中圖7示出的加固件為螺紋形，圖8示出的加固件為沿液流流動方向的板筋形，圖9示出的加固件為六角形。

本領域技術人員應當明白，在不違反邏輯的情況下，上述各種結構的特征可以相互組合。

本發明還公開了一種利用上述裝置、系統進行液流空化的方法，包括如下步驟：由泵送裝置將儲液罐中的循環液經過計量儀表泵送到管路中的生產管柱；液流經過液流空化器進行空化；以及該泵送裝置將循環液經套管泵回儲液罐中。

在一個具體實施例中，該方法還包括向所泵送的液體輸入空化核。優選地，該空化核為氣泡、彌散固相粒子、不溶解乳膠體或其組合。

本發明的系統可以將液流空化器作用于儲層，可以有效提高儲層的滲流能力和生產井的產量,也可作用于井底以強化碎巖過程，同時可用來消滅微生物，清除接觸面的積層，對金屬進行侵蝕性損壞，加速化學反應，分散液體中固相粒子及高分子化合物，乳化不溶解物質，在其它過程中還可用來進行有效的內部質量交換。

本發明的技術可以適用于油藏、天然氣藏、煤層氣藏以及鈾礦儲藏新井投產和老井“復活”，利用液體循環屬于純物理方法，液體中不必添加任何添加劑，沒有任何污染，工藝簡單易操作，綠色環保，在儲層選點作業，保證地層的安全性；安全可靠，同一生產井可以反復作業，效果持續期長。另一方面，本發明的系統由于采用了液體循環方式，使得作業效果輻射范圍擴大，從而克服了超聲空化在靜水壓力大空化效果不佳甚至不能產生空化的缺陷。進一步，本發明的空化器結構簡單，因此體積可以制作的小，從而可以直接設置于生產管柱的底部，管柱能到達之處，其也能到達，所以不僅適用于直井，還適用于定向井及水平井。本發明的系統還適用于不同屬性的井，例如油井、天然氣井、煤層氣井、鈾礦開采井等。

以上參照本發明的實施例對本發明予以了說明。但是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而并非為了限制本發明的范圍。本發明的范圍由所附權利要求及其等價物限定。不脫離本發明的范圍，本領域技術人員可以做出多種替換和修改，這些替換和修改都應落在本發明的范圍之內。