RU2588086C2 - Electric and static fracturing - Google Patents
Electric and static fracturing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2588086C2 RU2588086C2 RU2013144995/03A RU2013144995A RU2588086C2 RU 2588086 C2 RU2588086 C2 RU 2588086C2 RU 2013144995/03 A RU2013144995/03 A RU 2013144995/03A RU 2013144995 A RU2013144995 A RU 2013144995A RU 2588086 C2 RU2588086 C2 RU 2588086C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- formation
- fracturing
- fracture
- electrodes
- electrical
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Данное изобретение относится к устройству и способу разрыва геологического углеводородного пласта, а также к способу добычи углеводородов.This invention relates to a device and method for fracturing a geological hydrocarbon reservoir, as well as to a method for producing hydrocarbons.
При добыче углеводородов проницаемость и/или пористость образующего пласт материала оказывает влияние на добычу углеводородов, в частности на скорость и, следовательно, рентабельность добычи. Об этом идет речь, например, в статье Soeder D.J. «Porosity and permeability of Eastern Devonian Shale gas», опубликованной в SPE Formation Evaluation, 1998, Vol.3, No.1, pp.116-124, где описано исследование восьми проб сланцевого газа девонского комплекса, взятых в Аппалачских горах. В этой статье разъясняется, в частности, что добыча данного сланцевого газа затруднена вследствие того, что пласт (точнее, образующий пласт материал) имеет низкую проницаемость.In hydrocarbon production, the permeability and / or porosity of the formation-forming material affects the production of hydrocarbons, in particular, the speed and, therefore, the profitability of production. This is discussed, for example, in an article by Soeder D.J. “Porosity and permeability of Eastern Devonian Shale gas” published in SPE Formation Evaluation, 1998, Vol.3, No.1, pp.116-124, which describes the study of eight samples of shale gas from the Devonian complex, taken in the Appalachian Mountains. This article explains, in particular, that the production of this shale gas is difficult due to the fact that the formation (more precisely, the material forming the formation) has low permeability.
Поэтому существуют различные технологии, направленные на облегчение добычи углеводородов, в частности, из пластов с низкой проницаемостью и низкой пористостью. Сущность данных технологии состоит в статическом или динамическом разрыве пласта.Therefore, there are various technologies aimed at facilitating the production of hydrocarbons, in particular, from reservoirs with low permeability and low porosity. The essence of technology data is static or dynamic fracturing.
Статический разрыв представляет собой направленную дислокацию пласта посредством закачки под очень высоким давлением текучей среды, предназначенной для растрескивания породы. Трещины получают путем механического «напряжения», обусловленного гидравлическим давлением, которое создают посредством текучей среды, закачиваемой под высоким давлением из пробуренной с поверхности скважины. Данную операцию также называют «гидравлический разрыв», или «гидросиликатный разрыв» (либо «гидроразрыв», или, чаще всего, «фрекинг», или же «массивный гидравлический разрыв»). Способ статического разрыва, описанный выше, раскрыт, в частности, в документе US 2009/044945 A1.Static fracture is a directed dislocation of a formation by injection at very high pressure of a fluid intended for cracking the rock. Cracks are produced by mechanical “stress” caused by hydraulic pressure, which is created by a fluid pumped under high pressure from a well drilled from the surface. This operation is also called "hydraulic fracturing", or "hydrosilicate fracture" (or "hydraulic fracturing", or, most often, "fracking", or "massive hydraulic fracturing"). The static burst method described above is disclosed in particular in US 2009/044945 A1.
Недостатком статического разрыва является то обстоятельство, что разрыв пласта является обычно однонаправленным. Таким образом, более быстрой будет добыча только того углеводорода, который залегает на участке пласта вокруг глубокой, но очень четко локализованной трещины.The disadvantage of static fracturing is that fracturing is usually unidirectional. Thus, it will be faster to produce only the hydrocarbon that lies in a section of the formation around a deep, but very clearly localized fracture.
Для достижения более пространного разрыва был разработан способ динамического, или электрического, разрыва. Электрический разрыв состоит в создании электрической дуги в скважине, пробуренной в пласте (как правило, в эксплуатационной скважине). Электрическая дуга индуцирует волну давления, которая вызывает повреждение пласта по всем направлениям вокруг волны, приводя тем самым к увеличению его проницаемости.To achieve a wider gap, a method of dynamic, or electric, gap was developed. An electric fracture consists in creating an electric arc in a well drilled in a formation (as a rule, in a production well). An electric arc induces a pressure wave, which causes damage to the formation in all directions around the wave, thereby increasing its permeability.
Электрический разрыв описан в целом ряде документов. Так, например, в документе US 4074758 раскрыт способ, состоящий в генерации электрогидравлической ударной волны в жидкости в буровой скважине для повышения скорости добычи нефти. В документе US 4164978 предложено генерировать, вслед за ударной волной, ультразвуковую волну. В документе US 5106164 также описан способ создания плазменного взрыва с последующим разрывом породы, но для применения в горном деле в случаях с неглубокими стволами и не для добычи углеводородов. В документах US 4651311 и US 4706228 раскрыто устройство для создания электрического разряда электродами в камере, содержащей электролит, в которой электроды не подвергаются коррозии под действием плазмы разряда. В документе WO 2009/073475 описан способ создания акустической волны в текучей среде, находящейся в скважине, посредством устройства, содержащего два электрода между верхним пакером и нижним пакером, определяющими ограниченное пространство. Согласно данному документу, акустическая волна удерживается в не-«ударном» состоянии для того, чтобы вызвать более сильные повреждения, однако в данном документе не разъясняются различия между «обычной» акустической волной и «ударной» волной.The electrical break is described in a number of documents. Thus, for example, US Pat. No. 4,074,758 discloses a method consisting in generating an electro-hydraulic shock wave in a fluid in a borehole to increase the rate of oil production. No. 4,164,978 proposes to generate, following a shock wave, an ultrasonic wave. US 5106164 also describes a method for creating a plasma explosion with subsequent rock breaking, but for use in mining in cases with shallow trunks and not for hydrocarbon production. In documents US 4651311 and US 4706228 disclosed a device for creating an electric discharge by electrodes in a chamber containing an electrolyte in which the electrodes are not corroded by the action of the discharge plasma. WO 2009/073475 describes a method for generating an acoustic wave in a fluid located in a well by means of a device comprising two electrodes between an upper packer and a lower packer defining a limited space. According to this document, an acoustic wave is kept in a non-“shock” state in order to cause more severe damage, however, this document does not explain the differences between a “normal” acoustic wave and a “shock” wave.
Ни в одном из данных документов не описан полностью удовлетворительный разрыв пласта. Таким образом, существует потребность в усовершенствованном способе разрыва углеводородного пласта.None of these documents describe a fully satisfactory fracture. Thus, there is a need for an improved method for fracturing a hydrocarbon reservoir.
Для этого предложен способ разрыва геологического углеводородного пласта, причем способ содержит статический разрыв пласта гидравлическим давлением и электрический разрыв пласта путем создания электрической дуги в скважине, пробуренной в пласте.To this end, a method for fracturing a geological hydrocarbon reservoir is proposed, the method comprising static fracturing by hydraulic pressure and electrical fracturing by creating an electric arc in a well drilled in the reservoir.
Согласно примерам, способ может содержать один или большее количество следующих признаков:According to examples, the method may contain one or more of the following features:
- статический разрыв предшествует электрическому разрыву;- static break precedes electrical break;
- скважина является горизонтальной;- the well is horizontal;
- электрический разрыв повторяют в разных зонах воздействия вдоль скважины;- electric fracture is repeated in different zones of impact along the well;
- в каждой зоне воздействия создают одну за другой несколько дуг, причем упомянутые дуги предпочтительно индуцируют волну давления, время нарастания которой убывает;- in each impact zone, several arcs are created one after another, said arcs preferably inducing a pressure wave whose rise time decreases;
- в каждой зоне воздействия создают дуги с частотой, равной резонансной частоте материала, подлежащего разрыву в пласте;- in each impact zone create arcs with a frequency equal to the resonant frequency of the material to be fractured in the reservoir;
- создают дуги с частотой менее 100 Гц, предпочтительно менее 10 Гц, и/или более 0,001 Гц, предпочтительно более 0,01 Гц;- create arcs with a frequency of less than 100 Hz, preferably less than 10 Hz, and / or more than 0.001 Hz, preferably more than 0.01 Hz;
- пласт имеет проницаемость менее 10 микродарси;- the reservoir has a permeability of less than 10 microdars;
- пласт представляет собой пласт сланцевого газа;- the reservoir is a shale gas reservoir;
- электрический разрыв создают посредством разрывного устройства, которое содержит два пакера, определяющих между собой ограниченное пространство в скважине, пробуренной в пласте; насос для повышения давления текучей среды в ограниченном пространстве; устройство для нагрева текучей среды; по меньшей мере одну пару из двух электродов, расположенных в ограниченном пространстве; и электрическую цепь для создания электрической дуги между двумя электродами, причем цепь содержит по меньшей мере один источник напряжения, соединенный с электродами, и элемент индуктивности между источником напряжения и одним из двух электродов;- electric fracture is created by means of a fracturing device, which contains two packers that define between themselves a limited space in the well drilled in the formation; a pump for increasing fluid pressure in a confined space; a device for heating the fluid; at least one pair of two electrodes located in a limited space; and an electric circuit for creating an electric arc between the two electrodes, the circuit comprising at least one voltage source connected to the electrodes and an inductance element between the voltage source and one of the two electrodes;
- элемент индуктивности представляет собой катушку с регулируемой индуктивностью, предпочтительно от 1 мкГн до 100 мГн, более предпочтительно от 10 мкГн до 1 мГн;- the inductance element is a coil with adjustable inductance, preferably from 1 μH to 100 mH, more preferably from 10 μH to 1 mH;
- расстояние между электродами является регулируемым, предпочтительно от 0,2 до 5 см, более предпочтительно от 1 до 3 см;- the distance between the electrodes is adjustable, preferably from 0.2 to 5 cm, more preferably from 1 to 3 cm;
- источник напряжения содержит конденсатор с регулируемой емкостью;- the voltage source contains a capacitor with an adjustable capacitance;
- источник напряжения содержит генератор Маркса.- the voltage source contains a Marx generator.
Предложен также способ разрыва геологического углеводородного пласта, предварительно подвергнутого статическому разрыву гидравлическим давлением, причем упомянутый способ содержит электрический разрыв пласта, описанный выше.A method for fracturing a geological hydrocarbon formation previously subjected to static fracturing by hydraulic pressure is also provided, said method comprising the electrical fracturing described above.
Предложен также способ добычи углеводородов, содержащий разрыв геологического углеводородного пласта согласно способу, описанному выше.Also proposed is a hydrocarbon production method comprising fracturing a geological hydrocarbon reservoir according to the method described above.
Остальные признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления изобретения, которые приводятся исключительно в качестве примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:Other features and advantages of the invention are apparent from the following detailed description of embodiments of the invention, which are given solely as examples with reference to the accompanying drawings, in which:
- на фиг.1-3 показаны схемы, иллюстрирующие предлагаемые способы разрыва;- figure 1-3 shows a diagram illustrating the proposed methods of rupture;
- на фиг.4-6 показан пример электрического разрыва согласно способу разрыва, показанному на любой из фиг.1-3;- figure 4-6 shows an example of an electrical break according to the method of breaking shown in any of figures 1-3;
- на фиг.7-10 показаны примеры конкретного устройства для создания электрической дуги;- Figures 7-10 show examples of a specific device for creating an electric arc;
- на фиг.11-16 показаны примеры выполнения измерений.- 11-16 show examples of measurements.
Как показано на фиг.1, предложен способ разрыва геологического углеводородного пласта. Способ, показанный на фиг.1, содержит статический разрыв (S20) пласта гидравлическим давлением. Способ, показанный на фиг.1, также содержит производимый до, во время или после статического разрыва (S20) (данные три возможных варианта показаны на фиг.1 пунктиром) электрический разрыв (S10) пласта путем создания электрической дуги в скважине, пробуренной в пласте. Способ, показанный на фиг.1, повышает эффективность разрыва пласта.As shown in figure 1, the proposed method of fracturing a geological hydrocarbon reservoir. The method shown in FIG. 1 comprises a static fracture (S20) of the formation by hydraulic pressure. The method shown in FIG. 1 also includes an electrical fracture (S10) of the formation produced before, during, or after the static fracture (S20) (these three possible options are shown in FIG. 1) by creating an electric arc in the well drilled in the formation . The method shown in figure 1, increases the efficiency of fracturing.
Выражение «электрическая дуга» обозначает электрический ток, создаваемый в изолирующей среде. При создании электрической дуги индуцируется «волна давления», то есть механическая волна, при прохождении которой среда, через которую проходит механическая волна, претерпевает действие давления. Создание электрической дуги позволяет добиться более пространного/разнонаправленного повреждения пласта по сравнению с повреждением, происходящим при статическом разрыве. Таким образом, создание электрической дуги приводит к образованию микротрещин по всем направлениям вокруг местоположения электрической дуги, повышая тем самым проницаемость пласта, как правило, в 10-1000 раз. Кроме того, данное увеличение проницаемости происходит без использования средства для предотвращения закрытия микротрещин, например, без закачки расклинивающего агента. Более того, электрический разрыв (S10) не требует затрат большого количества энергии или большого количества воды. Поэтому нет необходимости в наличии особой системы рециркуляции воды.The expression "electric arc" refers to the electric current generated in an insulating medium. When creating an electric arc, a “pressure wave” is induced, that is, a mechanical wave, during the passage of which the medium through which the mechanical wave passes undergoes the action of pressure. Creating an electric arc allows you to achieve more extensive / multidirectional damage to the reservoir compared to damage that occurs during a static fracture. Thus, the creation of an electric arc leads to the formation of microcracks in all directions around the location of the electric arc, thereby increasing the permeability of the formation, usually 10-1000 times. In addition, this increase in permeability occurs without the use of means to prevent the closure of microcracks, for example, without proppant injection. Moreover, the electrical break (S10) does not require a large amount of energy or a large amount of water. Therefore, there is no need for a special water recirculation system.
Таким образом, может быть получен доступ к углеводороду, содержащемуся в пласте, который труднодоступен при использовании статического разрыва. Следовательно, благодаря комбинированию статического разрыва (S20) и электрического разрыва (S10) удается добиться более эффективного совокупного разрыва пласта.Thus, access to the hydrocarbon contained in the formation, which is difficult to access using static fracturing, can be obtained. Therefore, by combining the static fracture (S20) and the electrical fracture (S10), it is possible to achieve a more effective cumulative fracture.
Электрическую дугу предпочтительно создают в текучей среде, которая находится в скважине, пробуренной в пласте. В результате этого волна давления от электрической дуги передается с меньшим ослаблением. Пробуренная скважина содержит текучую среду, как правило, представляющую собой воду. Другими словами, когда электрический разрыв (S10) следует за операцией бурения, пробуренная скважина может быть автоматически заполнена водой, находящейся в пласте. В случае, если пробуренная скважина автоматически не заполняется, можно выполнить ее искусственное заполнение.The electric arc is preferably created in a fluid that is located in a well drilled in the formation. As a result of this, the pressure wave from the electric arc is transmitted with less attenuation. A drilled well contains a fluid, typically water. In other words, when the electrical fracture (S10) follows the drilling operation, the drilled well may be automatically filled with water in the formation. If the drilled well does not automatically fill, you can perform artificial filling.
Статический разрыв (S20) может представлять собой любой тип статического разрыва, известного из предшествующего уровня техники. Как правило, статический разрыв (S20) может содержать, после возможного бурения скважины в пласте, этап закачки в скважину текучей среды под высоким давлением. При этом статический разрыв (S20) приводит к формированию одной или большего количества однонаправленных трещин, обычно более глубоких, чем трещины, формируемые при электрическом разрыве (S10).Static discontinuity (S20) can be any type of static discontinuity known in the art. Typically, a static fracture (S20) may comprise, after possibly drilling a well in a formation, a step of injecting a high pressure fluid into the well. In this case, the static fracture (S20) leads to the formation of one or more unidirectional cracks, usually deeper than the cracks formed during the electrical break (S10).
Текучая среда может представлять собой воду, буровой раствор или техническую текучую среду с контролируемой вязкостью, обогащенную твердыми веществами (зернами просеянного песка или керамическими микрошариками), которые предотвращают замыкание сети трещин в момент падения давления.The fluid may be water, a drilling fluid, or a controlled viscosity technical fluid enriched in solids (sifted sand grains or ceramic beads) that prevent the fracture network from closing when pressure drops.
Статический разрыв (S20) может содержать первую фазу, состоящую в закачке в пробуренную скважину текучей среды для гидроразрыва пласта, которая содержит загустители, и вторую фазу, предусматривающую периодическое введение закрепляющего агента (то есть опорного агента) в текучую среду для гидроразрыва пласта с тем, чтобы подавать закрепляющий агент в сформировавшийся разрыв. В результате в разрыве формируются скопления закрепляющего агента, препятствующие закрытию разрыва и способствующие образованию каналов для потока углеводородов между скоплениями. Вторая фаза или ее под-фазы предусматривают добавочное введение усиливающего и/или закрепляющего материала, что позволяет увеличить прочность скоплений закрепляющего агента, сформировавшихся в текучей среде для гидроразрыва пласта. Благодаря упомянутому статическому разрыву (S20) удается получить разрывы, имеющие, как правило, протяженность от 100 до 5000 метров.The static fracture (S20) may comprise a first phase comprising injecting a fracturing fluid into the drilled well that contains thickeners, and a second phase comprising periodically introducing a fixing agent (i.e., a supporting agent) into the fracturing fluid, to feed the fixing agent into the formed gap. As a result, clusters of fixing agent are formed in the gap, preventing the gap from closing and promoting the formation of channels for the flow of hydrocarbons between the clusters. The second phase or its sub-phases provide an additional introduction of reinforcing and / or fixing material, which allows to increase the strength of the clusters of fixing agent formed in the hydraulic fracturing fluid. Thanks to the mentioned static gap (S20), it is possible to obtain discontinuities having, as a rule, a length of 100 to 5000 meters.
Статический разрыв (S20) может предшествовать электрическому разрыву (S10). В этом случае волна давления, создаваемая вследствие электрического разрыва (S10), может следовать траектории прохождения текучей среды, введенной в трещины, сформировавшиеся при статическом разрыве (S20), повышая тем самым степень повреждений. Кроме того, при таком порядке следования разрывов (S20) и (S10) вероятность утечек довольно мала. Например, статический разрыв (S20) может быть произведен менее чем за неделю до электрического разрыва (S10).Static discontinuity (S20) may precede electrical discontinuity (S10). In this case, the pressure wave generated due to the electric discontinuity (S10) may follow the path of the fluid introduced into the cracks formed during the static discontinuity (S20), thereby increasing the degree of damage. In addition, with this sequence of discontinuities (S20) and (S10), the probability of leaks is rather small. For example, a static break (S20) can be made less than a week before an electrical break (S10).
Как показано на фиг.2, предложен способ разрыва геологического углеводородного пласта, предварительно подвергнутого статическому разрыву гидравлическим давлением. Способ, показанный на фиг.2, содержит только электрический разрыв (S10) пласта, осуществляемый в пласте, где одна скважина уже была пробурена и претерпела статический разрыв. Благодаря способу, показанному на фиг.2, возможно повреждение пластов, которые уже эксплуатируются после статического разрыва. Другими словами, способ, показанный на фиг.2, обеспечивает возможность эксплуатации заброшенного, ранее эксплуатированного, пласта с возможным повторным использованием уже пробуренной скважины. Следует заметить, что, если способ, показанный на фиг.2, комбинируется с данным предварительным статическим разрывом, то он соответствует способу, показанному на фиг.1, (где статический разрыв (S20) соответствует данному предварительному статическому разрыву). Таким образом, предварительный статический разрыв может быть произведен с использованием способа, показанного на фиг.1.As shown in figure 2, the proposed method of fracturing a geological hydrocarbon reservoir, previously subjected to static fracture by hydraulic pressure. The method shown in FIG. 2 contains only an electrical fracture (S10) of the formation, carried out in the formation, where one well has already been drilled and has undergone a static fracture. Thanks to the method shown in FIG. 2, damage to formations that are already in operation after a static fracture is possible. In other words, the method shown in FIG. 2 enables the operation of an abandoned, previously operated, formation with the possible reuse of an already drilled well. It should be noted that if the method shown in FIG. 2 is combined with this preliminary static discontinuity, then it corresponds to the method shown in FIG. 1 (where the static discontinuity (S20) corresponds to this preliminary static discontinuity). Thus, preliminary static rupture can be performed using the method shown in figure 1.
Как показано на фиг.3, предложен способ разрыва геологического углеводородного пласта, содержащий особый электрический разрыв (S10). Электрический разрыв (S10), предложенный согласно способу, показанному на фиг.3, очевидно, можно использовать в способе, показанном на фиг.1 и/или в способе, показанном на фиг.2. Способ, показанный на фиг.3, содержит, главным образом, электрический разрыв (S10) пласта путем создания электрической дуги в текучей среде, находящейся в скважине, пробуренной в пласте (а следовательно, комбинированный или не комбинированный со статическим разрывом, например статическим разрывом (S20) согласно способу, показанному на фиг.1). Электрическая дуга индуцирует волну давления, время нарастания которой превышает 0,1 мкс, предпочтительно превышает 10 мкс. Способ, показанный на фиг.3, повышает эффективность разрыва пласта.As shown in FIG. 3, a method for fracturing a geological hydrocarbon formation, comprising a specific electrical fracture (S10), is proposed. The electrical break (S10) proposed according to the method shown in FIG. 3 can obviously be used in the method shown in FIG. 1 and / or in the method shown in FIG. 2. The method shown in FIG. 3 mainly comprises an electrical fracture (S10) of the formation by creating an electric arc in a fluid located in a well drilled in the formation (and therefore, combined or not combined with a static fracture, for example a static fracture ( S20) according to the method shown in FIG. 1). An electric arc induces a pressure wave whose rise time exceeds 0.1 μs, preferably exceeds 10 μs. The method shown in figure 3, increases the efficiency of fracturing.
Время нарастания волны давления представляет собой время, необходимое для того, чтобы волна давления достигла пика давления, то есть максимальной величины волны (его называют также «пиковым давлением»). В этом случае время нарастания более 0,1 мкс, предпочтительно более 10 мкс, соответствует волне давления, которая глубже проникает в пласт. Такая волна давления особенно эффективна (то есть волна проникает глубже) при работе с малопластичными материалами, например, такими, которые составляют пласты сланцевого газа. Предпочтительно, время нарастания составляет меньше 1 мс, более предпочтительно меньше 500 мкс.The rise time of a pressure wave is the time it takes for the pressure wave to reach a peak pressure, that is, the maximum value of the wave (it is also called "peak pressure"). In this case, a rise time of more than 0.1 μs, preferably more than 10 μs, corresponds to a pressure wave that penetrates deeper into the formation. Such a pressure wave is especially effective (that is, the wave penetrates deeper) when working with low-plastic materials, for example, those that make up shale gas strata. Preferably, the rise time is less than 1 ms, more preferably less than 500 μs.
Волна давления может иметь максимальное давление до 10 кбар, предпочтительно более 100 бар и/или менее 1000 бар. Это может соответствовать накопленной энергии в пределах от 10 Дж до 2 МДж, предпочтительно от 10 кДж до 500 кДж.The pressure wave may have a maximum pressure of up to 10 kbar, preferably more than 100 bar and / or less than 1000 bar. This may correspond to stored energy ranging from 10 JJ to 2 MJ, preferably from 10 kJ to 500 kJ.
Ниже приводится описание различных возможных вариантов применительно к любому из способов, показанных на фиг.1, фиг.2 или фиг.3.The following is a description of various possible options with respect to any of the methods shown in FIG. 1, FIG. 2, or FIG. 3.
Скважина может быть горизонтальной. Например, скважина может быть горизонтальной и иметь длину предпочтительно в пределах от 500 до 5000 м, более предпочтительно от 800 до 1200 м, например, на глубине от 1000 до 10000 м, например, от 3000 до 5000 м.The well may be horizontal. For example, the well may be horizontal and have a length preferably in the range of 500 to 5000 m, more preferably 800 to 1200 m, for example, at a depth of 1000 to 10000 m, for example, 3000 to 5000 m.
Электрический разрыв (S10) может быть повторно осуществлен в разных зонах воздействия вдоль скважины. На самом деле, при электрическом разрыве (S10) волна давления обычно проникает менее глубоко, чем при статическом разрыве. Таким образом, при электрическом разрыве получают, как правило, трещины длиной менее 100 м, обычно менее 50 м и более 20 м. При наличии скважины длиной в несколько сотен метров повторное выполнение электрического разрыва (S10) вдоль скважины позволяет добиться повреждений по всей длине скважины, а следовательно, возможно более эффективной эксплуатации пласта.The electrical fracture (S10) can be re-implemented in different impact zones along the well. In fact, with an electric break (S10), a pressure wave usually penetrates less deeply than with a static break. Thus, when an electric break occurs, as a rule, cracks with a length of less than 100 m, usually less than 50 m and more than 20 m are obtained. If there is a well several hundred meters long, re-performing an electric fracture (S10) along the well allows damage along the entire length of the well and, therefore, a more efficient reservoir operation is possible.
Кроме того, в каждой зоне воздействия (или в одной зоне воздействия, если она является единственной) можно создавать одну за другой несколько дуг. В данном случае последовательность электрических дуг повторяется в практически фиксированном положении. В результате этого достигается более сильное повреждение путем повторного воздействия волной давления. Создаваемые дуги могут быть как одинаковыми, так и разными. Например, в каждой зоне воздействия создаваемые одна за другой дуги индуцируют волну давления, время нарастания которой убывает. Например, следующие друг за другом дуги могут иметь все более крутой фронт, вследствие чего индуцируется волна давления с все более коротким временем нарастания. В данном случае первые импульсы имеют более медленные фронты, проникая более глубоко, тогда как импульсы с более крутыми фронтами обеспечивают разрывы ближе к скважине и с большей плотностью. Благодаря этому оптимизируется процесс нанесения повреждений. Первые дуги могут индуцировать, например, волну давления, время нарастания которой больше 10 мкс, предпочтительно больше 100 мкс. При этом последние дуги могут индуцировать волну давления, время нарастания которой меньше времени нарастания в случае с первыми дугами, например, меньше 10 мкс или 100 мкс. Количество первых дуг составляет по меньшей мере одну дугу, предпочтительно меньше 10000 и даже 1000 дуг, и количество последних дуг составляет по меньшей мере одну дугу, предпочтительно меньше 10000 и даже 1000 дуг.In addition, in each impact zone (or in one impact zone, if it is the only one), several arcs can be created one after another. In this case, the sequence of electric arcs is repeated in a practically fixed position. As a result of this, more severe damage is achieved by repeated exposure to a pressure wave. The created arcs can be either the same or different. For example, in each impact zone, arcs created one after another induce a pressure wave whose rise time decreases. For example, arcs following one after another may have an increasingly steep front, as a result of which a pressure wave with an ever shorter rise time is induced. In this case, the first pulses have slower fronts, penetrating more deeply, while pulses with steeper fronts provide gaps closer to the well and with a higher density. This optimizes the damage process. The first arcs can induce, for example, a pressure wave whose rise time is greater than 10 μs, preferably more than 100 μs. In this case, the last arcs can induce a pressure wave whose rise time is shorter than the rise time in the case of the first arcs, for example, less than 10 μs or 100 μs. The number of first arcs is at least one arc, preferably less than 10000 and even 1000 arcs, and the number of last arcs is at least one arc, preferably less than 10000 and even 1000 arcs.
Кроме того, в каждой зоне воздействия дуги могут создаваться с частотой менее 100 Гц, предпочтительно менее 10 Гц, и/или более 0,001 Гц, предпочтительно более 0,01 Гц. Предпочтительно, частота дуг может быть (приблизительно) равна резонансной частоте материала, подлежащего разрыву в пласте. Благодаря этому обеспечивается более высокая степень повреждений.In addition, in each impact zone, arcs can be created with a frequency of less than 100 Hz, preferably less than 10 Hz, and / or more than 0.001 Hz, preferably more than 0.01 Hz. Preferably, the frequency of the arcs may be (approximately) equal to the resonant frequency of the material to be fractured in the formation. This ensures a higher degree of damage.
Пласт может иметь проницаемость менее 10 микродарси. В частности, пласт может представлять собой пласт сланцевого газа. В пластах такого типа газ, как правило, поглощен (до 85% для сланцевой структуры Lewis) и слабо удерживается в порах. Из-за низкой проницаемости пластов этого типа нельзя ожидать непосредственной добычи газов, удерживаемых в такой среде, так что возможна добыча только поверхностного газа (поглощенного газа). Так, при работе с пластом сланцевого газа, проницаемость которого равна порядка одного микродарси, электрический разрыв (S10), выполненный в радиусе 30 м вдоль горизонтальной скважины длиной 1000 м, позволит добиться коэффициента газоотдачи, который может превышать 50 МНм3 (если допустить значение 26 Нм3 на м3 породы, как рекомендуется в цитированной выше статье «Porosity and permeability of Eastern Devonian Shale gas»). Таким образом, способ разрыва, показанный на любой из фиг.1-3, может быть включен в способ добычи углеводородов из пласта, как правило пласта сланцевого газа.The formation may have a permeability of less than 10 microdars. In particular, the formation may be a shale gas formation. In formations of this type, gas is typically absorbed (up to 85% for the Lewis shale structure) and is poorly retained in the pores. Due to the low permeability of formations of this type, one cannot expect direct production of gases held in such an environment, so that only surface gas (absorbed gas) can be produced. So, when working with a shale gas reservoir, the permeability of which is of the order of one microdars, an electric fracture (S10) made in a radius of 30 m along a horizontal well 1000 m long will allow for a gas recovery coefficient that can exceed 50 MNm 3 (assuming a value of 26 Nm 3 per m 3 of rock, as recommended in the article “Porosity and permeability of Eastern Devonian Shale gas” cited above). Thus, the fracturing method shown in any of FIGS. 1-3 may be included in a method for producing hydrocarbons from a formation, typically a shale gas formation.
Благодаря созданию электрической дуги можно индуцировать температурный градиент, генерирующий волну давления в текучей среде. Электрический разрыв (S10) может содержать предварительную закачку в текучую среду агента для повышения пластичности образующего пласт материала. Данный агент может содержать химическую добавку. В качестве химической добавки можно использовать агент, индуцирующий разрыв породы. Добавка может содержать пар, что позволит еще больше повысить эффективность разрыва.By creating an electric arc, a temperature gradient can be induced to generate a pressure wave in the fluid. The electrical break (S10) may comprise pre-injecting an agent into the fluid to increase the ductility of the formation-forming material. This agent may contain a chemical additive. As a chemical additive, a rock break inducing agent can be used. The additive may contain steam, which will further increase the efficiency of the gap.
Далее, со ссылками на фиг.4-6, описан пример электрического разрыва (S10) согласно способу разрыва, показанному на любой из фиг.1-3. В данном примере, электрический разрыв (S10) выполняют в пласте 40, в котором пробурена горизонтальная скважина 43. В данном случае электрический разрыв (S10) комбинируется со статическим разрывом, не показанным отдельно и при необходимости выполняемым предварительно, в результате которого в пласте формируют основные трещины 41. Здесь при использовании предложенного способа разрыва добыча углеводорода осуществляется по эксплуатационному трубопроводу, расположенному на поверхности, у устья 45 скважины. В данном случае электрическая дуга создается в зоне расположения разрывного устройства 47.Next, with reference to FIGS. 4-6, an example of an electrical break (S10) according to a break method shown in any of FIGS. 1-3 is described. In this example, an electric fracture (S10) is performed in the
В примере, показанном на фиг.4-6, электрический разрыв (S10) индуцирует в зоне создания дуги вторичные трещины 42. В соответствии с данным примером, вторичные трещины 42 не такие длинные, как основные трещины 41, но являются более пространными. В данном примере электрический разрыв (S10) повторяют в разных зонах воздействия вдоль скважины. На фиг.4 показана, фактически, начальная фаза электрического разрыва (S10) в забое скважины. На фиг.5 показана промежуточная фаза в середине скважины. Наконец, на фиг.6 показана конечная фаза в начале скважины. Таким образом, здесь можно наблюдать распространение вторичных трещин 42 в процессе повторения электрических разрывов. Таким образом, вторичные трещины 42 рассеяны со всех сторон скважины 43. При этом может быть извлечен окружающий данные вторичные трещины 42 углеводород, который потенциально отдален от основных трещин 41 и, значит, с трудом извлекается при использовании одного только статического разрыва.In the example shown in FIGS. 4-6, an electric break (S10) induces
В общем случае, электрическая дуга согласно способу, показанному на любой из фиг.1-3 или фиг.4-6, может быть создана посредством любого устройства, предусмотренного для создания упомянутой дуги. Однако ниже описано конкретное устройство, предназначенное для создания дуги. Очевидно, что можно дополнить способ, показанный на любой из фиг.1-3, и, в частности электрический разрыв S10 согласно данному способу, различными функциональными возможностями конкретного устройства (то есть различными эффектами, которые оно способно оказать).In general, an electric arc according to the method shown in any of FIGS. 1-3 or FIGS. 4-6 can be created by any device provided for creating said arc. However, a specific device for creating an arc is described below. Obviously, it is possible to supplement the method shown in any of FIGS. 1-3, and, in particular, the electrical break S10 according to this method, with the various functionalities of a particular device (that is, the various effects that it can have).
Конкретное устройство для разрыва геологического углеводородного пласта содержит два пакера, определяющих между собой ограниченное пространство в скважине, пробуренной в пласте (то есть выполненное с возможностью его закрытия по меньшей мере тогда, когда конкретное устройство установлено в скважине, пробуренной в пласте), и электрическую цепь (конфигурированную/адаптированную/предусмотренную) для создания электрической дуги между двумя электродами, расположенными в ограниченном пространстве. Цепь содержит по меньшей мере один источник напряжения, соединенный с электродами, и элементом индуктивности между источником напряжения и одним из двух электродов. Устройство также содержит насос для повышения давления текучей среды в ограниченном пространстве и устройство для нагрева текучей среды. Конкретное устройство повышает эффективность разрыва пласта.A specific device for fracturing a geological hydrocarbon formation contains two packers defining between each other a limited space in a well drilled in the formation (that is, configured to close it at least when a particular device is installed in a well drilled in the formation) and an electrical circuit (configured / adapted / provided) to create an electric arc between two electrodes located in a limited space. The circuit comprises at least one voltage source connected to the electrodes and an inductance element between the voltage source and one of the two electrodes. The device also includes a pump for increasing the pressure of the fluid in a confined space and a device for heating the fluid. A specific device increases the efficiency of fracturing.
Могут быть предусмотрены пакеры, совпадающие по форме с формой стенки скважины, обычно цилиндрической, благодаря чему они будут определять между собой ограниченное пространство. В качестве альтернативного варианта или дополнения устройство может содержать мембрану, которая отделяет ограниченное пространство. При этом мембрана предпочтительно выполнена из материала, подобранного таким образом, чтобы он обеспечивал свободное прохождение волн давления, что позволит оптимизировать электрический разрыв (S10). Под словом «ограниченное» здесь понимается, что ограниченное пространство определено таким образом, что действующие в нем давление и температура могут быть изменены посредством насоса и нагревательного устройства, как известно специалисту в области техники. Это позволяет оптимизировать состояние текучей среды, находящейся в ограниченном пространстве, с тем, чтобы ускорить появление электрической дуги между двумя электродами, в зависимости от состояния пласта или природы текучей среды. Например, повышение температуры при постоянном давлении обычно способствует появлению электрической дуги. Таким образом, «ограничение» может означать, но не обязательно означает, полное закрытие, точно так же, как герметичность может быть, но не обязательно является, полной.Packers may be provided that match in shape with the shape of the borehole wall, usually cylindrical, so that they define a limited space between them. As an alternative or addition, the device may comprise a membrane that separates a limited space. In this case, the membrane is preferably made of a material selected in such a way as to ensure the free passage of pressure waves, which will optimize the electrical break (S10). The word "limited" here means that the limited space is defined in such a way that the pressure and temperature in it can be changed by means of a pump and a heating device, as is known to a person skilled in the technical field. This allows you to optimize the state of the fluid in a limited space in order to accelerate the appearance of an electric arc between the two electrodes, depending on the state of the formation or the nature of the fluid. For example, an increase in temperature at a constant pressure usually contributes to the appearance of an electric arc. Thus, “restriction” can mean, but does not necessarily mean, complete closure, just as tightness can be, but is not necessarily, complete.
Цепь содержит по меньшей мере один элемент индуктивности между источником напряжения и электродом, к которому он подключен. Элемент индуктивности может представлять собой любой компонент, обеспечивающий задержку тока по времени относительно напряжения. Значение индуктивности выражается в генри. Элемент индуктивности может представлять собой катушку, в качестве опции намотанную на сердечник из ферромагнитного материала или на ферриты. Для элемента индуктивности употребляются также термины «дроссель», «соленоид», если речь идет о катушке, или «собственная индуктивность». Элемент индуктивности ослабляет фронт тока в цепи. Это позволяет добиться более медленного нарастания волны давления, а следовательно, получить волну давления, которая глубже проникает в пласт. В результате повреждение пласта оказывается более глубоким. В частности, величина индуктивности может составлять более 1 мкГн или более 10 мкГн и/или менее 100 мГн или менее 1 мГн.The circuit contains at least one inductance element between the voltage source and the electrode to which it is connected. The inductance element can be any component that provides a delay in current over time relative to voltage. The inductance value is expressed in Henry. The inductance element may be a coil, optionally wound on a core of ferromagnetic material or on ferrites. For the inductance element, the terms “inductor”, “solenoid”, when it comes to the coil, or “own inductance” are also used. The inductance element weakens the current front in the circuit. This allows you to achieve a slower increase in the pressure wave, and therefore, to obtain a pressure wave, which penetrates deeper into the reservoir. As a result, formation damage is deeper. In particular, the inductance value may be more than 1 μH or more than 10 μH and / or less than 100 mH or less than 1 mH.
Устройство может быть выполнено с возможностью перемещения вдоль скважины и может быть закреплено перед созданием электрической дуги. Например, устройство может содержать средство перемещения, например, посредством дистанционного управления. Благодаря этому устройство может быть адаптировано, в частности, для способа разрыва, показанного на фиг.4-6, со всеми вытекающими из этого преимуществами. При этом устройство может получать питание от высоковольтного источника напряжения, расположенного на поверхности и соединенного с устройством электрическими кабелями, проложенными по ходу скважины. (Фактически, в примере, показанном на фиг.4-6, подвижность разрывного устройства 47, которое может представлять собой конкретное устройство, позволяет выполнять разрыв пласта по всей длине скважины. В данном примере устройство 47 получает питание от высоковольтного источника 44 напряжения, расположенного на поверхности и соединенного с устройством 47 кабелями 46.) При этом устройство также может содержать систему расцепления. Благодаря этому можно оставлять устройство в скважине в случае ее блокирования. При этом имеется возможность восстановления скважины и/или бурильной колонны.The device can be made with the possibility of movement along the well and can be fixed before creating an electric arc. For example, the device may comprise means of movement, for example, by remote control. Due to this, the device can be adapted, in particular, for the method of rupture shown in Fig.4-6, with all the ensuing advantages. In this case, the device can receive power from a high-voltage voltage source located on the surface and connected to the device with electric cables laid along the well. (In fact, in the example shown in FIGS. 4-6, the mobility of the bursting
Устройство может иметь в целом удлиненную форму, что облегчает его перемещение в скважине. Устройство также может содержать несколько пар электродов, расположенных через одинаковое расстояние. Электроды могут получать питание от нескольких накопительных конденсаторов. Это позволяет выполнять разрыв быстрее. Фактически, при этом возможно одновременное создание нескольких электрических дуг между каждой парой электродов и одновременное выполнение нескольких операций повреждения.The device may have a generally elongated shape, which facilitates its movement in the well. The device may also contain several pairs of electrodes located at the same distance. Electrodes can receive power from several storage capacitors. This allows you to break faster. In fact, it is possible to simultaneously create several electric arcs between each pair of electrodes and simultaneously perform several damage operations.
Устройство может содержать систему для закачки химической добавки, содержащую накопительный резервуар для хранения добавки и насос для закачки добавки в ограниченный объем в процессе эксплуатации устройства. Нагревательное устройство может содержать источник горячей текучей среды и подающий трубопровод, причем трубопровод имеет отверстие рядом с электродами, с тем, чтобы в процессе работы устройства можно было обеспечить подачу горячей текучей среды от источника к электродам для создания между ними температурного градиента. Подающий трубопровод может проходить через один или оба электрода. Благодаря данным различным признакам возможна оптимизация условий, способствующих формированию электрической дуги.The device may include a system for injecting a chemical additive containing a storage tank for storing the additive and a pump for pumping the additive into a limited volume during operation of the device. The heating device may comprise a source of hot fluid and a supply pipe, the pipe having an opening adjacent to the electrodes so that during the operation of the device it is possible to supply hot fluid from the source to the electrodes to create a temperature gradient between them. The supply pipe may pass through one or both electrodes. Thanks to these various features, optimization of the conditions conducive to the formation of an electric arc is possible.
Ниже приведено описание остальных потенциальных признаков конкретного устройства для разрыва геологического углеводородного пласта со ссылками на фиг.7-10, на которых показано устройство 100, представляющее собой пример рассмотренного выше конкретного устройства для разрыва геологического углеводородного пласта.The following is a description of other potential features of a particular fracturing device for a geological hydrocarbon formation with reference to FIGS. 7-10, which shows a
Устройство 100, показанное на фиг.7, содержит два пакера 102 и 103, определяющих между собой ограниченное пространство 104. В данном случае ограниченное пространство 104 дополнительно отделено мембраной 108. Устройство 100 также содержит два электрода 106, расположенных в ограниченном пространстве 104. В данном примере два электрода 106 присоединены, соответственно, к источнику напряжения посредством входного элемента 109 и к массе 103 цепи (в данном случае она совмещена с пакером 103), что позволяет сформировать между двумя электродами 106 электрическую дугу. Радиус электродов может составлять от 0,1 мм до 50 мм, предпочтительно от 1 мм до 30 мм.The
Насос для повышения давления текучей среды в ограниченном пространстве и устройство для нагрева текучей среды не показаны на фиг.7. Электрическая цепь для создания электрической дуги между двумя электродами 106, источник напряжения для нее и элемент индуктивности также не показаны, но они могут быть выполнены так, как показано на фиг.8-10, где схематично показаны примеры осуществления устройства 100.A pump for increasing the pressure of a fluid in a confined space and a device for heating a fluid are not shown in FIG. An electric circuit for creating an electric arc between two
Устройство 100, показанное на фиг.8, содержит катушку 110 индуктивности. Источник напряжения содержит конденсатор 112. Как показано на схеме на фиг.8, при разряде конденсатора 112 между электродами 106 может появиться электрическая дуга. Конденсатор 112 имеет емкость более 1 мкФ, предпочтительно более 10 мкФ. Благодаря данной емкости можно получить энергию, вызывающую появление дозвуковой дуги.The
Электрическую дугу называют «дозвуковой» или «сверхзвуковой» в зависимости от ее скорости. «Дозвуковая» дуга связана, как правило, с тепловыми процессами: дуга распространяется через пузырьки газа, образующиеся вследствие нагрева воды. В таких случаях говорят о «медленном» распространении электрического разряда, обычно порядка 10 м/с. Основные характеристики дозвукового разряда связаны со значительными задействованными энергиями (как правило, более нескольких сотен джоулей), с тепловыми процессами, обусловленными большим временем приложения напряжения, и с низкими уровнями напряжения (слабым электрическим полем). В данном режиме разряда волна давления распространяется в большом объеме газа, перед тем как она начнет распространяться в текучей среде. «Сверхзвуковая» дуга связана, как правило, с электронными процессами. Разряд распространяется в воде без участия теплового процесса в нитевидной форме. В таких случаях говорят о «быстром» распространении электрического разряда, порядка 10 км/с. Характеристики сверхзвукового разряда связаны с незначительными задействованными энергиями, с высокими напряжениями, которые связаны с малым временем приложения, и с сильными электрическими полями (МВ/см). В данном режиме разряда тепловые эффекты пренебрежимо малы. Учитывая, что разряд не может развиваться непосредственно в жидкой фазе, можно для объяснения развития данного режима разряда использовать понятие микропузырьков. Задействованный здесь объем газа меньше, чем в случае с дозвуковыми разрядами.An electric arc is called “subsonic” or “supersonic” depending on its speed. As a rule, a “subsonic” arc is associated with thermal processes: the arc propagates through gas bubbles formed as a result of heating water. In such cases, they speak of a “slow” propagation of the electric discharge, usually of the order of 10 m / s. The main characteristics of a subsonic discharge are associated with the significant energies involved (usually more than several hundred joules), with thermal processes due to the long time of application of voltage, and with low voltage levels (weak electric field). In this discharge mode, the pressure wave propagates in a large volume of gas before it begins to propagate in the fluid. A “supersonic” arc is usually associated with electronic processes. The discharge spreads in water without the participation of a thermal process in a filiform form. In such cases, they speak of a "fast" propagation of an electric discharge, of the order of 10 km / s. The characteristics of a supersonic discharge are associated with insignificant energies involved, with high voltages, which are associated with a short application time, and with strong electric fields (MV / cm). In this discharge mode, the thermal effects are negligible. Considering that a discharge cannot develop directly in the liquid phase, one can use the concept of microbubbles to explain the development of this discharge mode. The gas volume involved here is less than in the case of subsonic discharges.
Конденсатор 112 может иметь емкость меньше 1000 мкФ, предпочтительно меньше 200 мкФ.
Конденсатор 112 отделен от элемента индуктивности разрядником 114, который может срабатывать от импульсного генератора 116. Это позволяет управлять разрядами конденсатора 112 и, тем самым, волнами давления, создаваемыми электрической дугой. В частности, импульсный генератор 116 может быть конфигурирован так, чтобы обеспечивать повторное формирование волн, как описано выше.The
Источник напряжения (то есть конденсатор 112) заряжается высоковольтным зарядным устройством 120, расположенным во вспомогательной цепи 122, до напряжения U, составляющего от 1 до 500 кВ, предпочтительно от 50 до 200 кВ. Вспомогательная цепь предпочтительно расположена на поверхности, поэтому выполнена с возможностью отделения от устройства.The voltage source (i.e., capacitor 112) is charged by a
Устройство 100, показанное на фиг.9, отличается от примера, показанного на фиг.8, тем, что конденсатор 112 и узел «разрядник 114 + импульсный генератор 116» заменены генератором 118 Маркса. Благодаря генератору 118 Маркса во время его разряда возможно создавать сверхзвуковую электронную дугу, прикладывая более высокое напряжение, чем при использовании конденсатора 112.The
В устройстве 100, показанном на фиг.10, источник напряжения содержит конденсатор 112, показанный на фиг.8, и генератор 118 Маркса, показанный на фиг.9. Однако импульсный генератор 116 вызывает срабатывание первого разрядника 117 генератора 118 Маркса. Устройство 100 дополнительно содержит ферриты 119, образующие дроссель насыщения на пути, ведущем от конденсатора непосредственно к элементу индуктивности. Ферриты 119 конфигурированы таким образом, чтобы они насыщались после разряда генератора Маркса. После того, как произошло насыщение ферритов 119, разряжается только конденсатор 112. Благодаря этому обеспечивается временная изоляция конденсатора 112, а следовательно и переход (то есть переключение) от сверхзвуковой дуги к дозвуковой дуге. Таким образом, устройство обеспечивает связь между сверхзвуковым и дозвуковым разрядом. Благодаря такой комбинации двух режимов, сверхзвукового и дозвукового, удается добиться более высокого электроакустического КПД и, соответственно, более эффективного повреждения при меньших затратах электрической энергии. Что касается дозвукового разряда, создаваемого конденсатором 112, то происходит он после задержки, которая соответствует времени пробоя генератора 118 Маркса. Переключение может быть выполнено за время менее 1 с. Продолжительность разряда, создаваемого генератором 118 Маркса, как правило, очень мала, менее 1 микросекунды, а амплитуда превышает 100 кВ.In the
В соответствии с тремя примерами, показанными на фиг.8-10, и, как изображено на чертежах, различные компоненты устройства 100 имеют регулируемые характеристики, то есть их характеристики можно изменять перед использованием в зависимости от пласта или в процессе использования в зависимости от реакции или продвижения процесса разрыва. Таким образом, катушка 110 может иметь регулируемую индуктивность. Могут быть регулируемыми и характеристики генератора 118 Маркса (емкость каждого включенного параллельно конденсатора, количество работающих конденсаторов). Можно также регулировать расстояние между электродами 106, предпочтительно от 0,2 до 5 см, более предпочтительно от 1 до 3 см. Можно также регулировать емкость конденсатора 112. Это позволяет получить устройство 100, подходящее для разрыва пластов любых типов. Фактически, нет необходимости в замене устройства 100 при изменении подлежащего разрыву пласта (и когда материал оказывается другим), поскольку достаточно изменить один или большее количество регулируемых параметров. Это позволяет также оптимизировать степень повреждения посредством изменения в качестве опции дистанционно, параметров в процессе использования.In accordance with the three examples shown in FIGS. 8-10, and, as shown in the drawings, the various components of the
Представленные выше разъяснения показаны с помощью теоретических построений и испытаний, описанных со ссылками на фиг.11-16 и, в частности, в связи с устройством 100, показанным на фиг.8-10.The above explanations are shown using theoretical constructions and tests described with reference to FIGS. 11-16 and, in particular, in connection with the
Как показано на фиг.11, где представлена нормированная амплитуда напряжения на зажимах конденсатора 112, создание волны давления может быть разложено на две фазы: фазу S100 предразрядного состояния и фазу S110 послеразрядного состояния, которые разделены появлением S105 дуги.As shown in FIG. 11, where the normalized voltage amplitude at the terminals of the
На фазе S100 предразрядного состояния напряжение падает. Данное падение напряжения соответствует разряду эквивалентной емкости банка энергии или генератора Маркса в эквивалентном сопротивлении устройства 100. Чем больше эквивалентное сопротивление, тем лучше сохраняется энергия на фазе предпробоя. Таким образом, в каждом случае (дозвуковом или сверхзвуковом) конфигурация электродов может обеспечить наименьшие потери энергии. Это соответствует оптимизации нагрева воды в одном случае и электрического поля в другом случае.In the pre-discharge state phase S100, the voltage drops. This voltage drop corresponds to the discharge of the equivalent capacity of the energy bank or Marx generator in the equivalent resistance of the
На фазе разряда S110 электрическая схема может быть моделирована посредством находящейся в режиме колебаний резистивно-индуктивно-емкостной цепи (RLC-цепи).In the discharge phase S110, the circuitry can be modeled by an oscillating resistive-inductive-capacitive circuit (RLC circuit).
Ниже приведено уравнение изменения тока в последовательной RLC-цепи:The following is the equation for the change in current in a serial RLC circuit:
где Where
Здесь UВ - напряжение в момент диэлектрического пробоя воды, а параметры L, C и R - соответственно, индуктивность, емкость и сопротивление цепи.Here U B is the voltage at the time of the dielectric breakdown of water, and the parameters L, C and R are the inductance, capacitance and resistance of the circuit, respectively.
Данный ток i(t) является функцией пробивного напряжения UВ (диэлектрического пробоя среды) конденсатора, индуктивности и сопротивления цепи.This current i (t) is a function of the breakdown voltage U V (dielectric breakdown of the medium) of the capacitor, inductance and circuit resistance.
Эксперименты показали линейный характер пикового давления как функции максимального тока в момент диэлектрического пробоя воды в двух режимах пробоя. Пример результатов показан на фиг.12 и 13, где продемонстрирована зависимость измеренных пиковых давлений от максимального тока на фазе S110 пробоя, а также линейная регрессия измерений, соответственно, в дозвуковом и сверхзвуковом режимах. Следует отметить, что давление при одинаковых значениях пикового тока будет больше в случае разряда «сверхзвукового» типа. Это можно частично объяснить процессами, способствующими созданию электрической дуги в воде, и в объеме газа между электрической дугой и жидкостью в имеющемся пространстве между электродами.The experiments showed the linear nature of the peak pressure as a function of the maximum current at the time of the dielectric breakdown of water in two modes of breakdown. An example of the results is shown in FIGS. 12 and 13, where the dependence of the measured peak pressures on the maximum current in the breakdown phase S110 is shown, as well as the linear regression of the measurements, respectively, in subsonic and supersonic modes. It should be noted that the pressure at the same peak current values will be greater in the case of a “supersonic” type discharge. This can be partially explained by the processes that contribute to the creation of an electric arc in water, and in the volume of gas between the electric arc and the liquid in the available space between the electrodes.
Дополнительные эксперименты показали наличие влияния межэлектродного расстояния на пиковое значение волны давления, создаваемой в обоих режимах диэлектрического пробоя. Оказалось, что длина электрической дуги непосредственно влияет на давление. Чем больше межэлектродное расстояние, тем больше оказывается пиковое значение давления, как это показано на графике, изображенном на фиг.14.Additional experiments showed the influence of the interelectrode distance on the peak value of the pressure wave generated in both modes of dielectric breakdown. It turned out that the length of the electric arc directly affects the pressure. The larger the interelectrode distance, the greater the peak pressure value, as shown in the graph depicted in Fig. 14.
В экспериментах исследовали влияние геометрии электродов на волну давления. Результаты показаны на фиг.15. Они позволяют сделать вывод, что форма электродов, используемых для создания волны давления, не оказывает влияния на пиковое значение давления. Однако она может способствовать сведению к минимуму электрических потерь перед формированием электрической дуги.In the experiments, the influence of the geometry of the electrodes on the pressure wave was investigated. The results are shown in FIG. They allow us to conclude that the shape of the electrodes used to create the pressure wave does not affect the peak pressure value. However, it can help minimize electrical losses before the formation of an electric arc.
Кроме того, для визуализации форм генерируемых волн давления в зависимости от частотного спектра использовали датчик давления. Дело в том, что данный частотный спектр можно изменять путем использования режима диэлектрического пробоя, посредством параметров электрической схемы, посредством объема газа, а также посредством природы используемой жидкости. Было проведено испытание двух примеров частотного спектра с разрядом в дозвуковом и сверхзвуковом режимах. Как выяснилось, чем больше в спектре низких частот, тем менее пространными оказываются повреждения.In addition, a pressure sensor was used to visualize the shapes of the generated pressure waves depending on the frequency spectrum. The fact is that this frequency spectrum can be changed by using the dielectric breakdown mode, by means of the parameters of the electric circuit, by the volume of gas, and also by the nature of the liquid used. Two examples of the frequency spectrum with a discharge in subsonic and supersonic modes were tested. As it turned out, the more low-frequency spectrum, the less extensive damage.
Результаты различных проведенных экспериментов демонстрируют линейный характер соотношения dPmax/dtp в зависимости от фронта тока dimax/dti, как показано на фиг.16. Фронт тока оказывает влияние на фронт давления. Чем медленнее фронт тока, тем более низкочастотным оказывается давление.The results of various experiments performed demonstrate the linear nature of the ratio dP max / dt p depending on the current front di max / dt i , as shown in Fig. 16. The current front affects the pressure front. The slower the current front, the lower the frequency of the pressure.
Кроме того, проведенные исследования четко продемонстрировали эффект накопления повреждения в зависимости от количества ударов. Следовательно, понятие частоты повторения импульсов является, по-видимому, критерием, влияющим на степень повреждения.In addition, the studies clearly demonstrated the effect of damage accumulation depending on the number of strokes. Therefore, the concept of pulse repetition rate is, apparently, a criterion that affects the degree of damage.
Приведение к уравнению изложенных выше принциповReduction of the above principles
Расчет пикового тока, обозначаемого символом imax Calculation of peak current indicated by i max
Для расчета тока imax приняты следующие условия:To calculate the current i max the following conditions are accepted:
Если использовать уравнения (1) и (2), тоIf we use equations (1) and (2), then
В случае, когда аппроксимируется значение w (значение R крайне мало),In the case where the value of w is approximated (the value of R is extremely small),
Энергетическое отношениеEnergy ratio
где Eb - энергия и Ub - напряжение в момент действия электрической дуги.where E b - energy and U b - voltage at the time of action of the electric arc.
Если подставить уравнение (8) в (3), получим:If we substitute equation (8) in (3), we obtain:
Пиковый ток imax контролируется энергией, имеющейся в момент действия дуги и обозначенной символом Eb, и индуктивностью L цепи, и на данные два параметра должен воздействовать пользователь. Сопротивление R считается чрезвычайно малым, а емкость C является функцией энергии Eb.The peak current i max is controlled by the energy available at the time of the arc and indicated by the symbol E b and the inductance L of the circuit, and these two parameters must be influenced by the user. The resistance R is considered extremely small, and the capacitance C is a function of energy E b .
Соотношение между пиковым давлением и максимальным токомThe relationship between peak pressure and maximum current
Из результатов, представленных на фиг.12, 13 и 15, можно вывести следующее выражение:From the results presented in Figs. 12, 13 and 15, the following expression can be derived:
где k1 - функция межэлектродного расстояния и режима пробоя.where k 1 is the function of the interelectrode distance and the breakdown mode.
Чем больше межэлектродное расстояние, тем больше коэффициент k1.The greater the interelectrode distance, the greater the coefficient k 1 .
Отсюда следует:This implies:
Если подставить уравнение (11) в (9), получим:If we substitute equation (11) in (9), we obtain:
Таким образом, генерируемое пиковое давление контролируется током imax (параметры Eb и L) и коэффициентом k1 (являющимся функцией межэлектродного расстояния и режима диэлектрического пробоя воды). Таким образом, для получения нужного давления можно воздействовать на Eb, L и k1.Thus, the generated peak pressure is controlled by the current i max (parameters E b and L) and the coefficient k 1 (which is a function of the interelectrode distance and the dielectric breakdown mode of water). Thus, to obtain the desired pressure, it is possible to act on E b , L and k 1 .
Соотношение между dPmax/dtp в зависимости от dimax/dti The ratio between dP max / dt p depending on di max / dt i
Из фиг.16 можно вывести следующее выражение:From Fig.16 we can derive the following expression:
где k2 - функция межэлектродного расстояния и режима пробоя.where k 2 is the function of the interelectrode distance and the breakdown mode.
Коэффициент k2 соответствует электроакустической физической связи.Coefficient k 2 corresponds to electro-acoustic physical connection.
Если использовать уравнения (11) и (15), тоIf we use equations (11) and (15), then
Таким образом, фронт волны давления контролируется коэффициентами k1, k2 и значениями L, C (параметрами электрической цепи).Thus, the front of the pressure wave is controlled by the coefficients k 1 , k 2 and the values of L, C (parameters of the electric circuit).
Таким образом, если резюмировать эти исследования, можно отметить, что:Thus, if we summarize these studies, we can note that:
- в обоих режимах пробоя максимум волны давления, возникающий при диэлектрическом пробое воды, зависит, в основном, от значения максимального тока, имеющего обозначение Imax;- in both modes of breakdown, the maximum pressure wave that occurs during the dielectric breakdown of water depends mainly on the value of the maximum current, which has the designation I max ;
- данное значение пикового тока является функцией пробивного напряжения и полных сопротивлений электрической цепи. Когда задается конфигурация цепи, одним из способов оптимизации тока является повышение пробивного напряжения расстояния. Это приводит к максимальному увеличению электрической энергии, коммутируемой в среду;- This peak current value is a function of the breakdown voltage and the impedances of the electrical circuit. When a circuit configuration is specified, one way to optimize the current is to increase the breakdown voltage of the distance. This leads to a maximum increase in electrical energy switched to the environment;
- когда цепь не является фиксированной, но коммутируемая электрическая энергия поддерживается постоянной, амплитуду волны давления оптимизируют путем уменьшения полного сопротивления цепи;- when the circuit is not fixed, but the switched electric energy is kept constant, the amplitude of the pressure wave is optimized by reducing the impedance of the circuit;
- форма инжекции тока, режим диэлектрического пробоя и природа жидкости оказывают влияние на динамику волны давления. Данная динамика вместе с акустическим КПД устройства могут быть также изменены посредством инжекции искусственных пузырьков и посредством использования способа «двойного импульса» (дозвукового и сверхзвукового);- the form of current injection, the mode of dielectric breakdown, and the nature of the liquid affect the dynamics of the pressure wave. This dynamics together with the acoustic efficiency of the device can also be changed by injection of artificial bubbles and by using the “double pulse” method (subsonic and supersonic);
- при инжекции постоянной величины тока значение пикового давления выше в сверхзвуковом режиме, чем в дозвуковом режиме;- when a constant current is injected, the peak pressure value is higher in a supersonic mode than in a subsonic mode;
- при инжекции постоянной величины тока значение пикового давления тем выше, чем больше межэлектродное расстояние.- when a constant current is injected, the peak pressure value is higher, the greater the interelectrode distance.
Геометрия электродов при инжекции постоянной величины тока не влияет на создаваемое пиковое давление, но может сыграть роль в уменьшении электрических потерь на фазе предразрядного состояния.The geometry of the electrodes during injection of a constant current does not affect the peak pressure generated, but can play a role in reducing electric losses in the phase of the pre-discharge state.
В заключение стоит отметить, что упомянутые выше исследования подтверждают пользу введения элемента индуктивности между источником напряжения и одним из двух электродов для воздействия на волну давления, создаваемую в конечном итоге. Исследования также подтверждают преимущество наличия регулируемых параметров, например, индуктивности, емкости конденсатора, характеристик генератора Маркса. Фактически, поскольку волна давления зависит от данных параметров, возможность их регулирования обеспечит контроль волны давления.In conclusion, it is worth noting that the above studies confirm the usefulness of introducing an inductance element between the voltage source and one of the two electrodes for influencing the pressure wave created in the end. Studies also confirm the advantage of having adjustable parameters, for example, inductance, capacitor capacitance, and characteristics of a Marx generator. In fact, since the pressure wave depends on these parameters, the possibility of their regulation will provide control of the pressure wave.
Конечно, данное изобретение не ограничивается описанными выше и показанными на чертежах примерами, а может иметь множество вариантов, очевидных специалисту в данной области техники. Например, изложенные выше принципы могут быть применены к выработке сейсмических данных. Это возможно благодаря тому, что, в соответствии с одним из альтернативных вариантов, при создании электрической дуги возможна индукция волны давления с характеристиками, несколько худшими, чем те, которые необходимы для разрыва пласта. Это может быть реализовано, например, путем адаптации зарядного напряжения устройства разрыва и зарядного напряжения, а также изменением величины индуктивности. В таком случае данный способ получения сейсмических данных может содержать прием отраженной волны давления, причем отраженная волна тогда, как правило, модулируется в результате ее прохождения через материал, образующий пласт. При этом способ получения сейсмических данных может также содержать анализ отраженной волны для определения характеристик пласта. На основании полученной информации затем может быть выполнено сейсмическое исследование.Of course, this invention is not limited to the examples described above and shown in the drawings, but may have many variations that are obvious to a person skilled in the art. For example, the principles set forth above can be applied to the production of seismic data. This is possible due to the fact that, in accordance with one of the alternative options, when creating an electric arc, it is possible to induce a pressure wave with characteristics slightly worse than those necessary for fracturing. This can be realized, for example, by adapting the charging voltage of the rupture device and the charging voltage, as well as by changing the inductance value. In this case, this method of obtaining seismic data may include receiving a reflected pressure wave, and the reflected wave then, as a rule, is modulated as a result of its passage through the material forming the reservoir. The method for obtaining seismic data may also include analysis of the reflected wave to determine the characteristics of the reservoir. Based on the information received, a seismic survey can then be performed.
Claims (15)
- статический разрыв (S20) пласта гидравлическим давлением, и
- электрический разрыв (S10) пласта путем создания электрической дуги в скважине, пробуренной в пласте, причем статический разрыв (S20) предшествует электрическому разрыву (S10).1. A method of fracturing a geological hydrocarbon reservoir, the method comprising:
- static fracture (S20) of the formation by hydraulic pressure, and
- electrical fracture (S10) of the formation by creating an electric arc in the well drilled in the formation, and the static fracture (S20) precedes the electrical fracture (S10).
- два пакера (102, 103), определяющих между собой ограниченное пространство (104) в скважине, пробуренной в пласте;
- насос для повышения давления текучей среды в указанном ограниченном пространстве;
- устройство для нагрева текучей среды;
- по меньшей мере, одну пару из двух электродов (106), расположенных в указанном ограниченном пространстве (104); и
- электрическую цепь для создания электрической дуги между двумя электродами (106), причем указанная цепь содержит, по меньшей мере, один источник (112, 118) напряжения, соединенный с электродами (106), и элемент (110) индуктивности между источником напряжения и одним из двух электродов.10. The method of rupture according to any one of claims 1, 2, 4-6 or 9, in which an electrical rupture (S10) is created by a tensile device (100), which contains:
- two packers (102, 103), which define a limited space (104) between themselves in a well drilled in the formation;
- a pump for increasing the pressure of the fluid in the specified limited space;
- a device for heating the fluid;
- at least one pair of two electrodes (106) located in the specified limited space (104); and
- an electric circuit for creating an electric arc between two electrodes (106), said circuit comprising at least one voltage source (112, 118) connected to the electrodes (106), and an inductance element (110) between the voltage source and one of two electrodes.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1152063A FR2972757B1 (en) | 2011-03-14 | 2011-03-14 | ELECTRICAL AND STATIC FRACTURING OF A TANK |
FR1152063 | 2011-03-14 | ||
PCT/EP2012/054401 WO2012123461A2 (en) | 2011-03-14 | 2012-03-13 | Electrical and static fracturing of a reservoir |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013144995A RU2013144995A (en) | 2015-04-20 |
RU2588086C2 true RU2588086C2 (en) | 2016-06-27 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4343356A (en) * | 1972-10-06 | 1982-08-10 | Sonics International, Inc. | Method and apparatus for treating subsurface boreholes |
US4345650A (en) * | 1980-04-11 | 1982-08-24 | Wesley Richard H | Process and apparatus for electrohydraulic recovery of crude oil |
RU2263775C1 (en) * | 2004-07-15 | 2005-11-10 | Московский государственный горный университет (МГГУ) | Spark-discharge downhole device |
RU2349745C2 (en) * | 2003-06-24 | 2009-03-20 | Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани | Method of processing underground formation for conversion of organic substance into extracted hydrocarbons (versions) |
WO2009073475A2 (en) * | 2007-11-30 | 2009-06-11 | Chevron U.S.A. Inc. | Pulse fracturing device and method |
RU2373387C1 (en) * | 2008-07-01 | 2009-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "НОВАС" | Method for action at well bottom zone at development stage (versions) and device for its realisation |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4343356A (en) * | 1972-10-06 | 1982-08-10 | Sonics International, Inc. | Method and apparatus for treating subsurface boreholes |
US4345650A (en) * | 1980-04-11 | 1982-08-24 | Wesley Richard H | Process and apparatus for electrohydraulic recovery of crude oil |
RU2349745C2 (en) * | 2003-06-24 | 2009-03-20 | Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани | Method of processing underground formation for conversion of organic substance into extracted hydrocarbons (versions) |
RU2263775C1 (en) * | 2004-07-15 | 2005-11-10 | Московский государственный горный университет (МГГУ) | Spark-discharge downhole device |
WO2009073475A2 (en) * | 2007-11-30 | 2009-06-11 | Chevron U.S.A. Inc. | Pulse fracturing device and method |
RU2373387C1 (en) * | 2008-07-01 | 2009-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "НОВАС" | Method for action at well bottom zone at development stage (versions) and device for its realisation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2592313C2 (en) | Electric fracturing | |
US9567839B2 (en) | Electrical and static fracturing of a reservoir | |
US10746006B2 (en) | Plasma sources, systems, and methods for stimulating wells, deposits and boreholes | |
US9988888B2 (en) | Electric fracturing of a reservoir | |
US6227293B1 (en) | Process and apparatus for coupled electromagnetic and acoustic stimulation of crude oil reservoirs using pulsed power electrohydraulic and electromagnetic discharge | |
US9394776B2 (en) | Pulse fracturing device and method | |
US10309202B2 (en) | Fracturing treatment of subterranean formations using shock waves | |
US9243487B2 (en) | Electrofracturing formations | |
EP3500724B1 (en) | Acoustic stimulation | |
WO2010114415A1 (en) | Method for performing an electrohydraulic action on an oil formation and a device for carrying out said method | |
Molchanov et al. | Implementation of new technology is a reliable method of extracting reserves remaining in hydrocarbon deposits | |
RU2588086C2 (en) | Electric and static fracturing | |
RU2663770C1 (en) | Impacting bottom area method | |
RU2836799C1 (en) | Method of electrohydraulic impact on oil formation | |
RU2663766C1 (en) | Device for impacting bottom area |