ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И СТАТИЧЕСКИЙ РАЗРЫВ ПЛАСТА
ELECTRIC AND STATIC FRACTURING

Данное изобретение относится к устройству и способу разрыва геологического углеводородного пласта, а также к способу добычи углеводородов.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ни в одном из данных документов не описан полностью удовлетворительный разрыв пласта. Таким образом, существует потребность в усовершенствованном способе разрыва углеводородного пласта.
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.
Согласно примерам, способ может содержать один или большее количество следующих признаков:
- статический разрыв предшествует электрическому разрыву;
- скважина является горизонтальной;
- электрический разрыв повторяют в разных зонах воздействия вдоль скважины;
- в каждой зоне воздействия создают одну за другой несколько дуг, причем упомянутые дуги предпочтительно индуцируют волну давления, время нарастания которой убывает;
- в каждой зоне воздействия создают дуги с частотой, равной резонансной частоте материала, подлежащего разрыву в пласте;
- создают дуги с частотой менее 100 Гц, предпочтительно менее 10 Гц, и/или более 0,001 Гц, предпочтительно более 0,01 Гц;
- пласт имеет проницаемость менее 10 микродарси;
- пласт представляет собой пласт сланцевого газа;
- 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;
- элемент индуктивности представляет собой катушку с регулируемой индуктивностью, предпочтительно от 1 мкГн до 100 мГн, более предпочтительно от 10 мкГн до 1 мГн;
- расстояние между электродами является регулируемым, предпочтительно от 0,2 до 5 см, более предпочтительно от 1 до 3 см;
- источник напряжения содержит конденсатор с регулируемой емкостью;
- источник напряжения содержит генератор Маркса.
Предложен также способ разрыва геологического углеводородного пласта, предварительно подвергнутого статическому разрыву гидравлическим давлением, причем упомянутый способ содержит электрический разрыв пласта, описанный выше.
Предложен также способ добычи углеводородов, содержащий разрыв геологического углеводородного пласта согласно способу, описанному выше.
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:
- на фиг.1-3 показаны схемы, иллюстрирующие предлагаемые способы разрыва;
- на фиг.4-6 показан пример электрического разрыва согласно способу разрыва, показанному на любой из фиг.1-3;
- на фиг.7-10 показаны примеры конкретного устройства для создания электрической дуги;
- на фиг.11-16 показаны примеры выполнения измерений.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
Ниже приводится описание различных возможных вариантов применительно к любому из способов, показанных на фиг.1, фиг.2 или фиг.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.
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.
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.
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.
3
3
3
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 МНм (если допустить значение 26 Нм на м 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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
На фазе разряда S110 электрическая схема может быть моделирована посредством находящейся в режиме колебаний резистивно-индуктивно-емкостной цепи (RLC-цепи).
Ниже приведено уравнение изменения тока в последовательной RLC-цепи:
где
В
Здесь U - напряжение в момент диэлектрического пробоя воды, а параметры L, C и R - соответственно, индуктивность, емкость и сопротивление цепи.
В
Данный ток i(t) является функцией пробивного напряжения U (диэлектрического пробоя среды) конденсатора, индуктивности и сопротивления цепи.
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.
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.
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.
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.
max
p
max
i
Результаты различных проведенных экспериментов демонстрируют линейный характер соотношения dP/dt в зависимости от фронта тока di/dt, как показано на фиг.16. Фронт тока оказывает влияние на фронт давления. Чем медленнее фронт тока, тем более низкочастотным оказывается давление.
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.
Приведение к уравнению изложенных выше принципов
max
Расчет пикового тока, обозначаемого символом i
max
Для расчета тока i приняты следующие условия:
Если использовать уравнения (1) и (2), то
В случае, когда аппроксимируется значение w (значение R крайне мало),
Энергетическое отношение
b
b
где E - энергия и U - напряжение в момент действия электрической дуги.
Если подставить уравнение (8) в (3), получим:
max
b
b
Пиковый ток i контролируется энергией, имеющейся в момент действия дуги и обозначенной символом E, и индуктивностью L цепи, и на данные два параметра должен воздействовать пользователь. Сопротивление R считается чрезвычайно малым, а емкость C является функцией энергии E.
Соотношение между пиковым давлением и максимальным током
Из результатов, представленных на фиг.12, 13 и 15, можно вывести следующее выражение:
1
где k - функция межэлектродного расстояния и режима пробоя.
1
Чем больше межэлектродное расстояние, тем больше коэффициент k.
Отсюда следует:
Если подставить уравнение (11) в (9), получим:
max
b
1
b
1
Таким образом, генерируемое пиковое давление контролируется током i (параметры E и L) и коэффициентом k (являющимся функцией межэлектродного расстояния и режима диэлектрического пробоя воды). Таким образом, для получения нужного давления можно воздействовать на E, L и k.
max
p
max
i
Соотношение между dP/dt в зависимости от di/dt
Из фиг.16 можно вывести следующее выражение:
2
где k - функция межэлектродного расстояния и режима пробоя.
2
Коэффициент k соответствует электроакустической физической связи.
Если использовать уравнения (11) и (15), то
1
2
Таким образом, фронт волны давления контролируется коэффициентами k, k и значениями L, C (параметрами электрической цепи).
Таким образом, если резюмировать эти исследования, можно отметить, что:
max
- в обоих режимах пробоя максимум волны давления, возникающий при диэлектрическом пробое воды, зависит, в основном, от значения максимального тока, имеющего обозначение I;
- 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;
- когда цепь не является фиксированной, но коммутируемая электрическая энергия поддерживается постоянной, амплитуду волны давления оптимизируют путем уменьшения полного сопротивления цепи;
- 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);
- при инжекции постоянной величины тока значение пикового давления выше в сверхзвуковом режиме, чем в дозвуковом режиме;
- при инжекции постоянной величины тока значение пикового давления тем выше, чем больше межэлектродное расстояние.
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.
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.
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.