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电致裂地层
申请号	CN201380017774.9	申请日	2013-03-27	公开(公告)号	CN104204405B	公开(公告)日	2017-10-24
申请人	国际壳牌研究有限公司;			发明人	M·F·克霍达维迪安; M·B·吉里克曼; E·R·F·奥坎波斯; J·M·卡拉尼卡斯; 黄少伟;
摘要	提供一种用以从地层产出烃的方法，该方法包括以下步骤：在地层内放置一对电极；在电极对间施加差分电压，其中电极间电压差大于至少10000伏；并且从该地层或相邻地层产出烃，其中该地层具有小于10毫达西的初始渗透率。该发明还包括如下设备，该设备有效地以此频率和电压将电能量脉冲释放到地层内，直到该地层已经达到电位从一个电极到至少一个其它电极成弧的程度。
权利要求	1.一种从具有小于10毫达西的初始渗透率的地层产出烃的方法，该方法包括以下步骤：在所述地层中两个井筒内各放置一个电极，使得两个电极之间的线在所述地层内的最小应力的方向上；在电极间施加大于10000伏的差分电压，使得电极间的所述地层的至少一部分蒸发，并且使得电极间的所述地层的体积的有效渗透率增加10％到10000％，其中有效渗透率被定义为电极间体积中的平均渗透率，其中，电极间的地层的体积被定义为在直径等于电极的长度的、围绕连接电极中心的线的圆柱体内的体积；以及从所述地层产出烃。 2.如权利要求1所述的方法，其中电极被移到所述两个井筒内的不同位置，并且电极对间的差分电压的脉冲被重复。 3.如权利要求1所述的方法，其中所述两个井筒基本平行。 4.如权利要求1所述的方法，其中移除电极间的地层的矿物质的10-6到10-4，电极间的物质被定义为在直径等于电极的长度的、围绕连接电极中心的线的圆柱体内的物质。 5.如权利要求1所述的方法，其中所述两个井筒被分开30到90米的距离。 6.如权利要求1所述的方法，其中所述两个井筒的至少一部分在地层内是基本水平的。 7.如权利要求1所述的方法，其中电极包括在水力压裂形成的裂缝中的导电支撑剂。 8.如权利要求7所述的方法，其中水力压裂形成的裂缝从不同位置沿水平井延伸。 9.如权利要求7所述的方法，其中水力压裂形成的裂缝从不同井筒延伸。 10.如权利要求7所述的方法，其中水力压裂裂缝是平行的。 11.如权利要求7所述的方法，其中水力压裂裂缝位于基本同一垂直面中。 12.如权利要求1所述的方法，其中两个电极间的线垂直于地层内的天然裂缝的平面。 13.如权利要求1所述的方法，其中电极间的电压差大于100000伏。 14.如权利要求1所述的方法，其中差分电压被以持续时间小于500纳秒的多个脉冲的形式被施加。 15.如权利要求1所述的方法，其中产出的烃基本由天然气构成。
说明书全文	电致裂地层 [0001] 本申请要求2012年3月29日提交的美国临时申请61/617221的权益，该美国临时申请的公开通过引用被全文并入此。技术领域 [0002] 本发明涉及增加相对低渗透率地层的烃产出率的方法。技术背景 [0003] 通过在地层内的电极间传递电流脉冲以使岩石断裂已被例如Melton和Cross,Quarterly,Colorado School of Mines(July,1967)，62,No.3,45-60(“Melton”)讨论，该文章讨论了使短的高能量电脉冲通过绿河油页岩以为随后的火驱处理创建水平可渗透路径，该火驱处理加热油页岩且通过油母岩的热裂解生产烃。已公开了现场检验，其中高电压电脉冲在分开达115英寸的井筒之间创建渗透率增加的区域。 [0004] 水力压裂典型地被用于提高从具有低渗透率的地层的产出。水力压裂裂缝由支撑剂(比如具有特定尺寸分布的砂粒)支撑开。通过提供水力压裂裂缝，烃被提供相当较大的表面区域以迁移穿过低渗透率地层。水力压裂技术的进步已经允许从先前被认为不可产出的地层中产出天然气和轻烃液体。虽然水力压裂已经使得能够从许多低渗透率地层进行经济产出，但是水力压裂裂缝由于为裂缝创造体积的地层压缩而引起地层应力增大。该增大的应力导致地层渗透率减小。此外，提供水力压裂裂缝可能占钻井和完成井的总成本的相对大部分，且需要向地层泵送并随后从地层移除大量的水。 [0005] 位于莫斯科Kievskoe Highway，“Rumyantsevo”商业中心“G”座的诺威能源服务(Novas Energy Services)为油田产油和注入井提供服务，包括在井中使用等离子脉冲作用以提高排水良好区域的渗透率。据称该处理增加了流入井内的油的流速和从注入井的吸水性(injectivity)。3000到5000伏、持续50到53微秒的电脉冲被应用，释放相当数量的能量产生冲击波。据称在产油层创建的共振使得能够清理已有过滤通道并在距离正被处理的井超过1500米处创建新的过滤通道。由诺威能源服务创建的等离子脉冲似乎被用于产生机械冲击波，该机械冲击波意在打开地层中的已有孔隙。由于在井筒中的电脉冲的释放被引向电源地，电流密度随着远离井筒而迅速减小，因此诺威能源服务的机制不是通过矿物质的蒸发来从地层中移除物质(mass)。 [0006] 电动岩石破裂在B.S.Harper,“Nederburt Nimer”,The Southern African Institute of Mining and Metallurgy,Narrow Vein and Reef2008中被讨论。出于为了之后的金矿小矿岩而移除岩石的目的，电等离子弧被考虑。 [0007] 在地层内水力压裂裂缝中放置电极从例如美国专利7,631,691是已知的。在该专利中，电压被跨裂缝施加，以向地层提供热以用于地层内的油母岩的高温分解。发明内容 [0008] 提供一种用于从地层产出烃的方法，该方法包括以下步骤：在地层内放置一对电极；在电极对之间施加差分电压脉冲，其中电极间电压差大于至少10000伏或在其他实施例中，大于100000伏；并且从该地层或相邻地层产出烃，其中该地层具有小于10毫达西的初始渗透率。电压可以被以多个脉冲施加，例如，该脉冲的持续时间小于大约500纳秒。电极可以例如分开10米到300米。该方法通过移除物质来提供渗透率，该移除还导致地层应力减小。该方法在具有低的初始渗透率(比如在0.00001到10.0毫达西范围内)的地层中可以是有用的。产出的烃可以基本上是天然气、轻的致密油(light tight oil)或两者的结合。该高电压脉冲可以引起等离子放电，该放电可以沿电极间的任意路径进行。 [0009] 在本发明的一个实施例中，可以通过将导电支撑剂放置在水力压裂裂缝中以提供大的可从中发射电力脉冲的区域，形成电极。来自例如水平井筒的交替裂缝可以被配备以作为带有相反电荷的电极。然后，可以从这两个电极间的地层中移除物质。附图说明 [0010] 图1是示出用于实践本发明的平行水平井筒中的电极的放置的示例图。 [0011] 图2是示出用于实践本发明的可用作电极的被导电支撑剂支撑的两个平行裂缝的示意图。 [0012] 图3是在含烃地层之下的水平井筒的示意图，其中本发明被用于在该含烃地层中造成裂缝。 [0013] 图4是两个平行井筒的示意图，其中本发明被用于在地层中的两个平面之间造成滑脱(slippage)。 [0014] 图5是本发明的替代实施例的示意图。具体实施方式 [0015] 本发明通过多种机制在地层中创建渗透率。通过由电极间的差分电压脉冲产生的等离子弧对岩石的一部分进行分解和蒸发来物理移除岩石物质是一种机制。岩石的分解可以是例如分解白云石或分解方解石。分解白云石可以例如在至少530℃的温度根据反应式发生，导致白云石固体质量减少21％： [0016] CaMg(CO3)2--->MgO+CaCO3+CO2 [0017] 方解石的分解可以在大约900到1000℃发生，并导致最初方解石质量减少44％： [0018] 对每一对电极的位置，岩石将会基本在电极位置之间的路径中被移除。由于地层是不均质的，所以岩石的移除的路径将不会是直线，而是沿着电极间最小电阻的路径。在煤或油页岩地层中，碳的存在将会导致第一弧形成导电性更好的路径，并且更多的弧倾向于跟随该路径。在不含有高含量的烃的地层(比如致密气地层)中，结果是不同的。弧倾向于沿着矿物固体的表面被传送。当弧导致这样的矿物固体被移除，而不是继续跟随相似路径时，不同的路径将会倾向于成为最小电阻的路径，并且因此电弧将会倾向于沿着电极间的线移除岩石物质，不过此移除是在多条路径中进行的。 [0019] 一般地，从地层移除物质将会减少地层上的应力并增加地层的渗透率和孔隙度。地层应力被减小的程度以及渗透率和孔隙度增加的程度将取决于来自过载的多少应力被转移到其他地方。这一效应被称为“起拱”。在一种关于非延性的且具有非常低的压缩率的地层从小区域移除大量物质的极端情况下，因为岩石不朝向失去的物质向内压缩，所以应力可显著地减小。相反的极端情况是极弱结合地层。因为将具有很少(如果有的话)起拱，所以从具有弱结合过载的弱结合地层移除物质将会对应力、渗透率或孔隙度产生非常小的影响，本发明优选地移除足够的物质以导致地层应力减少初始应力的至少5％。 [0020] 现在参照图1，示出两个平行水平井筒101和102，每一个都含有电极103和104，以及等离子脉冲发生系统105和106。井筒可以是裸眼完井或下套管完井。如果井筒在将从其创建电裂缝的地层中被下套管，该井筒可以被用导电胶合剂粘结，或可以是扩展的套管，其中该套管扩展以与地层形成接触。当井筒被下套管时，套管可以被与地层外的套管和管状物电隔离，该地层将经受本发明的处理。在另一个实施例中，该套管可以包括导电套管部分，导电套管部分由不导电套管部分连接。不导电套管部分可以是例如足够长的玻璃纤维部分以使得等离子脉冲不会弧形越过不导电部分。电极103和104可以通过例如被向外压向例如封隔器组件或可膨胀芯棒而与井筒或套管具有大的接触面积以在向外辐射方向上减少电阻，其中可膨胀芯棒可以是例如美国专利7,131,498中的芯棒。在电极和井筒或套管之间提供良好电接触将减少导致在两电极间地层矿物传导电流所需的电压。在本发明的一个优选实施例中，井筒可以是裸眼完井。 [0021] 可以提供如下电极，在该电极的每一端部具有电隔离部分，电隔离部分包括弹性可膨胀包装，以使得从电极流向井筒流体的电流的损失最小。 [0022] 等离子脉冲产生系统105和106可以位于邻近电极的位置以最小化两个元件间的功率损失，但是在两者之间具有足够低电阻的电气连接情况下，等离子脉冲发生系统可以被远程定位。电引入线107和108从电源到等离子脉冲发生系统105和106提供电功率，并且在所示的实施例中还提供用于在井筒中移动电极的手段。该电引入线还可支持用于到该系统的控制信号的导管。 [0023] 等离子脉冲发生系统可类似于由Melton公开的系统或由诺威能源服务使用的系统。一般地，这些系统捕捉在一组储能电容器中的高电压电荷，然后通过被校准导体以短持续时间脉冲向电极释放该电荷。 [0024] 当在电极103和104之间提供足够高电压的电脉冲时，在电极103和104之间形成等离子弧109。该电弧将在两个电极间最小电阻的路径中沿矿物表面传播。沿着这一路径，通过从地层蒸发水以及分解和蒸发矿物组分将会生成蒸汽。特别地，二氧化碳可以从在地层矿物中存在的碳酸盐形成。烃也可以分解，根据烃的组分形成碳和氢、以及硫化氢、二氧化碳和其他产物。在存在足够大数量的烃的情况下，残留的碳可以形成电阻较小的路径，并使得随后的弧通过同一的路径。在存在较少烃或碳的情况下，在弧从初始的最小电阻路径移除某些矿物材料之后，该路径的电阻将倾向于增大而不是减小。因此不是一条路径变得更加显著，而是多条路径将会被接连创建，每一条路径基本沿着电极间的线，但随着组分和孔隙体积以及电阻变化而绕该线蜿蜒。 [0025] 地层的有效渗透率不仅由于物质移除而增加，而且还由于从碳酸盐或烃的水和/或二氧化碳的快速蒸发而增加，造成了可在等离子路径周围创建微小裂缝的局部高孔隙压力。 [0026] 根据本发明，将被创建电致裂裂缝的地层中的水平平行井筒可以被用于提供电极的放置。作为替代地，井筒可以是垂直的或被定位为不平行。本发明可以被用于在一对井筒内的位于一组位置处的一对电极间创造电致裂裂缝，之后电极移动且电致裂裂缝在两个不同位置间被创建。被电致裂的地层的不同线可设置为距离被电致裂的地层的相邻线足够近，以使得该地层将基本包含在两井筒间的被电致裂的地层的平面。 [0027] 在本发明的一个实施例中，连接电极位置的电致裂裂缝的路径可以基本垂直于天然裂缝110的平面。虽然天然裂缝的平面并不总是垂直于最小应力的方向，但是天然裂缝典型地位于垂直于最小应力的方向的大致方向。位于地层中的任何水力压裂裂缝也可以倾向于在垂直于最小应力方向的平面内传播。基本垂直于最小应力方向的电致裂裂缝因此趋向于然后连接更多天然裂缝和水力压裂裂缝，并为朝向井筒的烃流提供具有更多连接裂缝的系统。连接电极位置的电致裂裂缝的线因此可以被有利地基本平行于地层中最小应力的方向放置。作为替代地，如果已知天然裂缝的平面，连接电极位置的电致裂裂缝的线因此可以被有利地基本平行于这种天然裂缝的方向放置。 [0028] 在其中根据本发明提供电致裂裂缝的地层111可以是含烃地层。在形成电致裂裂缝之后，可以从含烃地层中产出烃。 [0029] 本发明可以被应用于已知为致密气地层的地层。与大多数具有20％到35％孔隙度的储烃地层相反，致密气地层可以具有2％到10％的孔隙度。致密气储层的渗透率可以在0.00001到0.001毫达西之间。在过去，只有提供很多水力压裂裂缝以增加朝向产出井筒的烃流才从这些地层经济地产出烃。提供水力压裂裂缝不利的一方面在于提供这些水力压裂裂缝压缩了地层中的矿物，引起应力增加。应力的增加对渗透率有不利的影响。本发明通过移除矿物质减少地层上的应力，这倾向于打开天然裂缝并增加渗透率。在地层中提供电致裂裂缝之后，地层的有效渗透率可以增加10％到10000％，“有效渗透率”被定义为电极间体积中的平均渗透率，电极间的体积被定义为在直径等于电极长度的、围绕连接电极中心的线的圆柱体内的体积。 [0030] 之后，地层经受足够长时间的等离子能量(可选地为等离子脉冲)从电极间的地层移除例如矿物质的10-6到10-4的一小部分，电极间物质定义为在直径等于电极长度的、围绕连接电极中心的线的圆柱体内的物质。 [0031] 在地层中提供电致裂裂缝且从井筒中回收电极之后，可以使用井筒作产出井来产出地层中的烃。该烃可以是天然气。 [0032] 现在参考图2，井筒201被示出在具有两个水力压裂裂缝204和205的地层200中具有水平部分202，水力压裂裂缝由导电支撑剂206支撑开。基本在地层中最小应力方向上提供井筒，从而水力压裂裂缝将倾向于垂直于水平井筒。井筒中的一对电源207和208与两个水力压裂裂缝对齐，并与水力压裂裂缝内的导电支撑剂电连接。等离子脉冲发生系统209和210位于井筒内邻近电极的位置。电引入线211从电源向等离子脉冲发生系统209和210提供电功率，并且还可以提供用于在井筒中移动电极的手段。 [0033] 电脉冲被从电源传导经过支撑剂以提供电极，该电极基本填充水力压裂裂缝204和205。因为裂缝中的电阻被认为显著小于地层本身中的电阻，所以高电压可以被施加到裂缝的大区域。两电极间的地层212可以经受等离子脉冲传输，其使得地层中的某些矿物组分蒸发。 [0034] 此后，地层经受等离子脉冲能量一段时间以从电极间地层移除矿物质的10-6到10-4的一小部分(如上定义)。电源可以被重新放置在井筒中的不同位置，优选地邻近另一组由导电支撑剂填充的相邻裂缝，且该过程重复。在地层中的裂缝经受电脉冲之后，井筒可以被转化为产烃井，且烃可以从地层被产出。 [0035] 不同于从水平井筒被实现的图2的实施例，裂缝也可以从垂直井被提供。 [0036] 现在参考图3，垂直部分被示出具有垂直于视线平面的水平井301、302和303。水平井位于烃将从其中产出的地层304的下面，位于在烃将从其中产出的地层之下的地层305中。电脉冲可以根据本发明在水平井筒间被提供，导致从位于烃将从其产出的地层之下的地层移除物质。物质的移除导致从烃将从其产生的地层应力减小。该应力的减小导致由于天然裂缝打开而造成渗透率增加，天然裂缝打开是由应力减轻和由于沉降造成的拉伸破坏而导致的。在电脉冲被施加之后，烃可以从地层304被产出。 [0037] 现在参照图4，两个井筒401和402被示出，井筒是水平的且垂直于视线。该水平井筒被示出在不同深度，且垂直于最大地层应力方向，如403所示出的。在根据本发明将电脉冲应用到两井筒之间之后，在两井筒之间存在物质减少的区域404。由于地层应力403，地层将倾向于沿着地层物质减少的方向沿方向405和406滑脱。 [0038] 现在参照图5，示出了如下实施例，其中本发明的电致裂裂缝被用于延伸水力压裂裂缝以增加总裂缝尺寸，并从地层移除物质。水平减井501和502被示出具有由导电支撑剂504填充的裂缝503。两个井被示出，但是可提供基本平行的井的行或矩阵。提供电致裂裂缝 506，电致裂裂缝连接裂缝顶端。该实施例的优点在于它提供了在最小化耗水量的同时延伸水力压裂的机制。由于在充电顶端的电荷和电流的聚集，因此电致裂裂缝也可以从这些地方更容易地前进。

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