一种基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置 |
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| 申请号 | CN201610471227.3 | 申请日 | 2016-06-23 | 公开(公告)号 | CN105952426A | 公开(公告)日 | 2016-09-21 |
| 申请人 | 华中科技大学; | 发明人 | 刘毅; 林福昌; 李化; 张钦; 戴玲; 潘垣; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置，包括地面供电控制装置、 测井 电缆 及井下液电脉冲激波发射器。工作时测井电缆将液电脉冲激波发射器置于井下油层射孔处，通过控制地面供电控制装置设置液电脉冲激波的次数及重复 频率 。液电脉冲激波轰击油层射孔处的堵塞物，使其 破碎 进入油筒内，解除射孔处的堵塞。同时液电脉冲激波通过护套向径向方向传播，作用于射孔处的储油岩层，增加其裂缝，进而增强 原油 的渗透性。射孔堵塞解除及岩层裂缝增加均能显著增加油井的原油产量。本发明的液电脉冲激波油井解堵增产方法与传统的化学解堵、压裂解堵等方法相比，属于纯物理手段的解堵增产方法，具有作业简单、效果显著、环境友好型及成本低廉等特点，并有望拓展到 页岩 气、矿产等开采领域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置，其特征在于，包括：位于地面的供电控制装置(101)、设置于井下的液电脉冲激波发射器(103)、以及用于连接所述供电控制装置(101)和所述液电脉冲激波发射器(103)的测井电缆(102)；所述液电脉冲激波发射器(103)用于产生高强度激波并通过聚焦空腔向外辐射聚焦传播，经过胶膜后轰击油井，实现油井增产。 |
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| 说明书全文 | 一种基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置技术领域背景技术[0002] 石油开采过程中，由于原油中含有大量砂石及胶类物质，长时间开采后易出现射孔堵塞，造成油井产油量下降。部分油井由于油含量低并且堵塞严重，采用常规的解堵方法成本较高，被舍弃成为枯井。目前世界上30年以上的老油田年产量约占全球产量的70％，石油新增储量中75％来自老油田。新老油田不同程度地存在因污染堵塞而减产的情况，在老油田中尤其严重。我国油井地质多沙，油层薄且开采深度较深，据统计我国已有上万口油井因堵塞无产油。 [0003] 常规的油井解堵增产手段主要包括化学解堵、压裂解堵、超声波解堵等。化学解堵增产方法实施工艺复杂，化学物品存储、运输较为危险，需要较长的作业时间，以及带来的生态问题(如地下水污染等)制约了该方法的广泛应用。压裂解堵增产方法作业工艺复杂，带来严重的地下水污染，目前水力压裂解堵方法已被法国等欧盟国家禁止使用。超声波解堵方法结构较为简单，作业工艺简单，但是在深井内部难以产生强有力的超声波，解堵效果有限。 发明内容[0005] 本发明提供了一种基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置，包括：位于地面的供电控制装置、设置于井下的液电脉冲激波发射器、以及用于连接供电控制装置和液电脉冲激波发射器的测井电缆；液电脉冲激波发射器用于产生高强度激波并向外辐射聚焦传播，作用油井周围，实现油井增产。 [0006] 其中，具体工作过程如下：根据油井状况及现场需求制定解堵增产作业规范；利用测井电缆将井下液电脉冲激波发射器输送到油层射孔处；通过地面供电控制装置控制井下液电脉冲激波发射器至少输出一次液电脉冲激波，轰击射孔堵塞及周边岩层；利用测井电缆将井下液电脉冲激波发射器升出井口，完成该次解堵增产作业。 [0007] 更进一步地，液电脉冲激波发射器包括：同轴依次设置的高温电容单元、脉冲压缩单元和液电脉冲激波产生单元；其中，高电压转换单元用于将低压交流电通过全桥或半桥整流方式输出直流高压；高温电容单元用于储存液电脉冲放电的全部电能量；脉冲压缩单元用于将高温电容单元的能量瞬间施加到液电脉冲激波产生单元；液电脉冲激波产生单元用于产生高强度激波并向外辐射聚焦传播，作用油井周围，实现油井增产。 [0009] 其高温电容单元可以采用多级级联的形式，可根据不同油井的作业需求灵活选择电容量等参数，选择合适的激波强度。 [0010] 更进一步地，高温电容单元包括多级级联的脉冲电容器。 [0011] 更进一步地，脉冲压缩单元包括脉冲压缩开关及其控制回路；控制回路用于当高温电容单元充电至设定电压时输出使得脉冲压缩开关迅速导通的触发信号；脉冲压缩开关用于在其导通后将高温电容单元的能量瞬间施加到液电脉冲激波产生单元。 [0012] 更进一步地，脉冲压缩开关为气体开关、真空触发开关或其它高电压固体开关。 [0013] 更进一步地，其液电脉冲激波产生单元放电电极可以采用棒-板电极形式，电极材料可采用不锈钢、钨铜电极或其它耐烧蚀电极材料。放电间隙周围设计成旋转抛物面，可起到激波聚焦定向效果，使激波向径向传播，可提高激波解堵造缝效果。 [0014] 其中，液电脉冲激波产生单元的工作过程为：液电激波放电间隙在高电压作用下击穿，通过脉冲大电流，在胶膜护套内弱压缩性的放电液体内产生强力激波，并向外传播；胶膜护套在强力激波作用下膨胀，将激波传递到油井内，作用于堵塞射孔和周边岩层。 [0015] 更进一步地，所述液电脉冲激波产生单元包括同轴设置的金属外筒、棒电极、板电极、绝缘固定件、胶膜护套和放电液体；金属外筒与板电极的几何中心以棒电极的中轴线为轴心同轴分布，且板电极作为阴极恰好可置于所述金属外筒的底端内部并通过螺纹固定，金属外筒、板电极、棒电极均浸于放电液体，放电液体通过胶膜护套密封使其与外接环境可靠隔离；棒电极与绝缘固定件通过螺纹紧密连接；胶膜护套用于将所述金属外筒、棒电极、板电极和绝缘固定件严格封闭以使得所述放电液体不受油井复杂液体环境的影响。 [0017] 更进一步地，所述板电极和所述绝缘固定件均为旋转抛物面结构，满足抛物面方程y2＝a(x+b)；其中y为放电电极的中轴线，x为抛物面的对称水平轴线，a、b为常数，根据激波的作用范围及作用距离优化确定。 [0018] 更进一步地，在绝缘固定件底端的抛物面增加了沿面击穿距离，用于提高电气绝缘强度；且放电间隙的水平中轴线恰好位于板电极和绝缘固定件组成的抛物面的焦点上。 [0019] 更进一步地，胶膜护套采用耐油腐蚀，工作温度高于200℃，且伸长率大于200％的材料。 [0020] 更进一步地，胶膜护套的材料为氟橡胶或聚乙烯膜。 [0021] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果： [0022] (1)本发明基于液电脉冲放电产生激波，属于纯物理解堵增产手段，不存在环境污染等问题。 [0023] (2)本发明的液电脉冲激波发射器位于胶膜护套内，能够有效防止砂石等对液电放电间隙的堵塞，安全可靠。放电间隙周围设计成旋转抛物面，可起到激波聚焦定向效果，使激波向径向传播，可提高激波解堵造缝效果。 [0024] (3)本发明的电容单元可级联电容单元，能够满足不同静压、不同成分液体介质下的液电脉冲放电特性，根据需要产生不同强度的激波。 [0026] 图1是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置的结构示意图。 [0027] 图2是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置中井下液电脉冲激波发射器的结构示意图。 [0028] 图3是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置中液电放电间隙与胶膜护套的结构示意图。 [0029] 图4是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波油井解堵增产装置典型的电压、电流及激波波形示意图。 [0030] 图5(a)是现有技术中在实验室模拟油井解堵效果的示意图；(b)是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波油井解堵增产装置在实验室模拟油井解堵效果的示意图。 具体实施方式[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0032] 基于液电脉冲激波原理的石油大幅度增产技术是将近代高新技术理论——脉冲功率技术应用于油气领域的开发技术，通过在井下油层段产生强力液电脉冲激波，解除油田射孔堵塞，增加岩层裂缝促进油的渗透，实现增产。该方法为纯粹的物理增产手段，较传统的解堵方法而言，不存在环境污染问题，同时具有安全高效、施工工艺简单、作业时间短等特点。该方法在煤层气、页岩气的开发中也具有广阔的应用前景。 [0033] 图1示出了本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，现详述如下： [0034] 本发明提供的一种基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置，包括位于地面的供电控制装置101、测井电缆102及设置于井下的液电脉冲激波发射器103；液电脉冲激波发射器103通过测井电缆102连接供电控制装置101。 [0035] 在本发明实施例中，基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置的工作流程为： [0036] 根据油井状况及现场需求制定解堵增产作业规范； [0037] 利用测井电缆102将井下液电脉冲激波发射器103输送到油层射孔104处； [0038] 通过地面供电控制装置101控制井下液电脉冲激波发射器103至少输出一次液电脉冲激波，轰击射孔堵塞及周边岩层； [0039] 利用测井电缆102将井下液电脉冲激波发射器103升出井口，完成该次解堵增产作业。 [0040] 在本发明实施例中，地面供电控制装置101可采用220V/50Hz、380V/50Hz或其它交、直流电源，将其转换为中频电压通过测井电缆102传输到井下液电脉冲激波发射器103。 [0042] 在本发明实施例中，可以利用测井电缆102自身的电感和电阻作为保护元件，无需施加新的限流保护元件。 [0043] 在本发明实施例中，井下液电脉冲激波发射器103包括高电压转换单元201、高温电容单元202、脉冲压缩单元203及液电脉冲激波产生单元204；各个单元两端开有特质的接口，该接口不仅可通过接口的螺纹配合将各个单元严格密封，保证各个单元处于同轴结构，增加其机械强度；而且保证液电脉冲激波发射器103各个单元间良好的电气连接。 [0044] 其中，高电压转换单元201采用中频升压变压器结合全桥或半桥整流方案，利用高温电容单元202作为滤波单元，在设计时间内将高温电容单元202充电至设定电压。 [0045] 高温电容单元202采用脉冲电容器，能够耐受80℃以上的井下高温。在后一具体实施例中，采用金属化膜电容器，最高工作温度为120℃，对应整个油井解堵增产装置的最大作业深度为4000m。 [0046] 脉冲压缩单元203包括脉冲压缩开关及其控制回路。 [0047] 作为本发明的一个实施例，脉冲压缩开关可采用气体开关、真空触发开关或其它高电压固体开关。一旦高温电容单元202充电至设定电压，控制回路输出触发信号，使脉冲压缩开关迅速导通，将高温电容单元202的能量瞬间施加到液电脉冲激波产生单元204。 [0048] 液电脉冲激波产生单元204基于液电间隙放电方式，外部采用胶膜护套，能够避免井下作业时泥沙堵塞激波发生间隙。胶膜具有耐油腐蚀，工作温度高于200℃，伸长率大于200％。 [0049] 液电脉冲激波产生单元204放电电极可以采用棒-板电极形式，电极材料可采用不锈钢、钨铜电极或其它耐烧蚀电极材料。液电脉冲激波产生单元204的典型结构组成包括金属外筒301、棒电极302、板电极303、绝缘固定件304、胶膜护套305及放电液体306。高效液电脉冲激波产生单元204的各个单元为同轴结构，便于与脉冲压缩单元203实现无缝对接，减小脉冲传输损耗以及提高机械强度。 [0050] 其中板电极303、绝缘固定件304设计成旋转抛物面，且棒电极302与绝缘固定件304通过螺纹紧密连接。绝缘固定件304底端的抛物面增加了沿面击穿距离，提高电气绝缘强度；放电间隙的水平中轴线恰好位于板电极303和绝缘固定件304组成的抛物面的焦点，根据线性反射定律，液电脉冲电弧放电产生的直达激波与反射激波可沿径向辐射，有效提高激波聚焦定向处的冲激波强度，同时棒电极302、板电极303和绝缘固定件304的同轴结果能提升激波发射器的整体机械强度，减少对绝缘结构件的损坏。抛物面方程为y2＝a(x+b)……(1)；其中，a，b为常数，根据激波的作用范围及作用距离优化确定。 [0051] 其中胶膜护套305采用耐油腐蚀，工作温度高于200℃，伸长率大于200％的材料，比如氟橡胶、聚乙烯膜等，胶膜护套305可将金属外筒301、棒电极302、板电极303以及绝缘固定件304严格封闭，保证抛物面空腔内的放电液体306不受油井复杂液体环境的影响，可减小预击穿过程的能量泄露，提高液电脉冲电弧放电的稳定性及其激波的强度。 [0052] 液电脉冲激波产生单元204的工作过程为： [0053] 液电激波放电间隙在高电压作用下击穿，通过脉冲大电流，在胶膜护套内弱压缩性的放电液体内产生强力激波，并向外传播； [0054] 胶膜护套在强力激波作用下膨胀，将激波传递到油井内，作用于堵塞射孔和周边岩层。 [0055] 为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置，现结合附图和具体实例详述如下： [0056] 如图1所示，本发明基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置包括地面供电控制装置101、测井电缆102及井下液电脉冲激波发射器103。地面供电控制装置101可采用220V/50Hz的交流发电机作为供电电源，发电机的功率不小于10kW，运输、操作方便。地面供电控制装置101将220V/50Hz的工频电压转变为1.8kV/1kHz的中频电压。测井电缆102采用FEP绝缘承荷探测电缆，型号为WFEP-16.5，额定电压为6kV，电缆电阻为30Ω/km。测井电缆102另一端通过马龙头与井下液电脉冲激波发射器103相连。 [0057] 井下液电脉冲激波发射器103的外径为102mm，总长度为5.7m。其中高电压转换单元201输出直流电压为30kV。高温电容单元202的单级电容量为1.5μF，额定电压为30kV。本实施例中采用2级级联，高温电容单元的电容量为3.0μF，额定储能为1.35kJ，额定工作温度为120℃，寿命大于10000次。脉冲压缩单元203采用真空触发开关，额定电压为30kV，最大电流峰值为50kA，电荷转移量大于100kC。触发控制单元的输出控制信号幅值为15kV，上升沿小于0.5μs。 [0058] 液电脉冲激波产生单元204采用不锈钢放电电极。胶膜护套的材料伸长率为350％，稳定工作温度为300℃。如图3所示，其放电电极周围设计成旋转抛物面，抛物面方程为：y2＝20(x+5)……(2)；井下液电脉冲激波发射器103的基本参数为：额定电压为30kV、额定储能为1.35kJ、外径为102mm、长度为5.7m、工作频率为5-10次/分、最大作业深度为4km、寿命大于10000次(更换部分器件可延长寿命)。 [0059] 图4所示为本实施例的基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置的典型液电放电电压、电流及激波波形。放电电流的最大峰值为14kA，振荡周期为33μs。其中激波测量探头距离激波发射器正中位置的水平距离为17cm，测量得到的激波强度为6MPa，脉宽约为40μs，激波在液体中的传递速率约为1500m/s。 [0060] 图5所示为本实施例的基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置在实验室模拟油井解堵增产效果图。水泥筒模拟油井结构，内部为不锈钢内筒，表面开有直径为20mm的孔，模拟射孔。外面水泥层的厚度为12mm，经过一次液电脉冲激波作用后，作用范围内的堵塞孔100％被疏通。 [0061] 本实施例的基于液电脉冲激波的油井解堵增产装置，其工作流程为： [0062] 根据油井状况及现场需求制定解堵增产作业规范； [0063] 利用测井电缆102将井下液电脉冲激波发射器103输送到油层射孔104处； [0064] 通过地面供电控制装置101控制井下液电脉冲激波发射器至少输出一次液电脉冲激波，轰击射孔堵塞及周边岩层； [0065] 利用测井电缆102将井下液电脉冲激波发射器103升出井口，完成该次解堵增产作业。 |
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