Усовершенствованный электрический гидроразрыв пласта

Усовершенствованный электрический гидроразрыв пласта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для гидроразрыва геологического пласта углеводородов, а также к способу добычи углеводородов и способу калибровки устройства.

При добыче углеводородов проницаемость и/или пористость материала, образующего пласт, влияет на добычу углеводородов, в частности на скорость добычи и на рентабельность. Об этом, главным образом, написано в статье «Porosity and permeability of Eastern Devonian Shale gas», Soeder, D.J., опубликованной в SPE Formation Evaluation, 1988, vol. 3, №1, c. 116-124, которая представляет собой исследование восьми образцов девонского сланцевого газа бассейна Аппалачей. В данной статье объясняется, в частности, что добыча этого сланцевого газа затруднена тем, что проницаемость пласта (то есть материала, из которого состоит пласт) является низкой.

Для повышения скорости добычи углеводородов, особенно в пласте с низкой проницаемостью и низкой пористостью, существуют различные методы. В данных методах используют статический или динамический гидроразрыв пласта.

Статический разрыв представляет собой направленное смещение пласта при помощи закачки текучей среды под очень высоким давлением для появления разлома в породе. Гидроразрыв осуществляют в результате механического "напряжения", возникающего под воздействием гидравлического давления, полученного посредством текучей среды, закачанной под высоким давлением из скважины, пробуренной с поверхности. Используют также термины «ГРП», «разрыв пласта», или более общий термин «фрекинг», или «массированный гидравлический разрыв пласта». В документе US 2009/044945 A1, в частности, описан способ статического гидроразрыва пласта, как описано выше.

Статический гидроразрыв имеет недостаток, заключающийся в том, что такой гидроразрыв пласта является, как правило, однонаправленным. Таким образом, обеспечивают более быструю добычу только тех углеводородов, которые находятся в части пласта, расположенного вокруг трещины, являющейся глубокой, но очень локальной.

Для получения более широко распространяющегося разлома используют динамический или электрический гидроразрыв. При электрическом гидроразрыве генерируют электрическую дугу в скважине, пробуренной в пласте (обычно в эксплуатационной скважине). Электрическая дуга вызывает волну давления, которая обеспечивает разрыв пласта во всех направлениях вокруг волны, увеличивая тем самым его проницаемость.

Электрический гидроразрыв описан в нескольких документах. Например, в документе US 4074758 представлен способ, состоящий в генерации электрогидравлической ударной волны в жидкости ствола скважины, с целью увеличения коэффициента извлечения нефти. В документе US 4164978 предложено направлять следом за ударной волной ультразвуковую волну. В документе US 5106164 также описан способ генерации взрыва плазмы для разрыва породы, но только для отверстий небольшой глубины, для применения в горном деле, но не для добычи углеводородов. В документах US 4651311 и US 4706228 описано устройство для генерации электрического разряда посредством электродов в камере, содержащей электролит, при этом находящиеся в нем электроды не подвержены эрозии от плазменного разряда. В документе WO 2009/073475 описан способ генерации акустической волны в жидкой среде, содержащейся в скважине, с использованием устройства, содержащего два электрода между верхним пакером и нижним пакером, образующими замкнутое пространство. В данном документе раскрыто, что акустическую волну поддерживают в состоянии «не ударной волны» в целях повышения гидроразрыва пласта, не объясняя при этом различий между «обычной» акустической волной и «ударной» волной.

Ни один из этих документов не предлагает полностью удовлетворительного гидроразрыва пласта. Следовательно, существует потребность в усовершенствованном способе гидроразрыва углеводородного пласта.

Для решения данной задачи предложено устройство для гидроразрыва геологического углеводородного пласта, причем устройство содержит два пакера, образующих между собой замкнутое пространство в скважине, пробуренной в пласте, регулятор для регулирования температуры текучей среды в указанном замкнутом пространстве, пару из двух электродов, расположенных в указанном замкнутом пространстве, и электрическую цепь для генерации электрической дуги между двумя электродами. Цепь содержит по меньшей мере один источник напряжения, соединенный с электродами, и катушку индуктивности между источником напряжения и одним из двух электродов.

В разных вариантах устройство может содержать один или несколько из следующих признаков:

- температурный регулятор выполнен с возможностью регулирования температуры текучей среды для оптимизации энергетической эффективности фазы предварительного разряда во время генерации электрической дуги;

- температурный регулятор выполнен с возможностью поддержания температуры текучей среды в диапазоне значений от 45 до 67°C, предпочтительно выше 50°C и/или ниже 62°C;

- устройство дополнительно содержит регулятор для регулирования давления текучей среды таким образом, чтобы поддерживать его по существу на уровне атмосферного давления;

- температурный регулятор содержит систему охлаждения текучей среды;

- индукционная катушка имеет настраиваемую индуктивность, предпочтительно от 1 мкГн до 100 мГн, более предпочтительно от 10 мкГн до 1 мГн;

- расстояние между двумя электродами является настраиваемым, предпочтительно в диапазоне от 0,2 до 5 см, более предпочтительно от 1 до 3 см;

- источник напряжения содержит конденсатор, имеющий емкость более 1 мкФ, предпочтительно более 10 мкФ;

- мощность конденсатора является настраиваемой, предпочтительно в диапазоне менее 1000 мкФ, более предпочтительно менее 200 мкФ;

- цепь дополнительно содержит генератор Маркса и ферриты, образующие насыщающийся индуктор в канале, идущем от конденсатора непосредственно к индуктору, причем ферриты насыщаются, когда генератор Маркса разряжен;

- конденсатор отделен от индуктора искровым промежутком, инициируемым импульсным генератором;

- электроды имеют радиус от 0,1 мм до 50 мм, предпочтительно от 1 мм до 30 мм;

- устройство содержит систему сброса; и/или

- устройство содержит несколько пар электродов.

Также предложен способ гидроразрыва геологического углеводородного пласта. Способ содержит электрический гидроразрыв пласта путем генерации электрической дуги посредством описанной выше цепи, и одновременно регулирование температуры текучей среды в замкнутом пространстве устройства.

Также предложен способ добычи углеводородов, содержащий гидроразрыв геологического углеводородного пласта с использованием описанного выше способа.

Также предложен способ калибровки температурного регулятора описанного выше устройства. Способ калибровки содержит следующие этапы: обеспечение наличия устройства, определение предпробойного напряжения, при превышении которого генерируется электрическая дуга, измерение напряжения пробоя на клеммах электродов и времени пробоя в зависимости от температуры текучей среды, путем приложения предпробойного напряжения и изменения температуры текучей среды, выведение на основе предыдущего этапа энергетической эффективности фазы предварительного разряда в зависимости от температуры, и определение целевой температуры или температурного диапазона для температурного регулятора в зависимости от максимальной энергетической эффективности, выведенной на предыдущем этапе.

Другие признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления изобретения, приведенных исключительно в качестве примеров и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1-4 показаны примеры устройства;

на фиг. 5-17 показаны примеры измерений;

на фиг. 18-20 показаны блок-схемы, иллюстрирующие предложенные способы гидроразрыва; и

на фиг. 21-23 показан пример электрического гидроразрыва пласта способа гидроразрыва, проиллюстрированного на любой из фиг. 18-20.

Предложено устройство для гидроразрыва геологических углеводородных пластов. Устройство содержит два пакера, образующих между собой замкнутое пространство в скважине, пробуренной в пласте (то есть данное пространство должно быть замкнутым по меньшей мере тогда, когда устройство установлено в скважине, пробуренной в пласте). Устройство содержит регулятор для регулирования температуры текучей среды в замкнутом пространстве. Устройство содержит пару из двух электродов, расположенных в замкнутом пространстве. Устройство дополнительно содержит электрическую цепь (конфигурированную/предназначенную/предусмотренную) для генерации электрической дуги между двумя электродами. Цепь содержит по меньшей мере один источник напряжения, соединенный с электродами, и индукционную катушку между источником напряжения и одним из двух электродов.

Указанное устройство обеспечивает возможность осуществления гидроразрыва углеводородного пласта усовершенствованным способом. В частности, указанное устройство позволяет генерировать электрическую дугу между двумя электродами, и, таким образом, осуществлять электрический гидроразрыв пласта, когда устройство расположено в скважине, пробуренной в пласте. Индукционная катушка позволяет получить электрическую дугу, которая порождает волну давления, осуществляя, тем самым, усовершенствованный гидроразрыв пласта. Температурный регулятор обеспечивает настройку температуры и, тем самым, получение температуры, позволяющей создать волну давления, которая обеспечивает хороший гидроразрыв пласта.

Термин «электрическая дуга» обозначает электрический ток, созданный в изолирующей среде. Генерация электрической дуги вызывает «волну давления», то есть механическую волну, оказывающую давление на среду, через которую она проходит. Генерация дуги обеспечивает более рассеянный/разнонаправленный гидроразрыв пласта, чем при статическом гидроразрыве пласта. Таким образом, генерация электрической дуги приводит к появлению микротрещин во всех направлениях вокруг положения электрической дуги и повышает, тем самым, проницаемость пласта, как правило, с коэффициентом от 10 до 1000. Кроме того, данное увеличение проницаемости получают без использования средств для предотвращения закрытия микротрещин, например, закачки проппанта. Кроме того, электрический гидроразрыв не требует значительного количества энергии или слишком большого количества воды. Поэтому нет необходимости в наличии специальной системы рециркуляции воды.

Таким образом, возможно получить доступ к углеводородам пласта, доступ к которым затруднен при использовании статического гидроразрыва. Сочетание статического гидроразрыва и электрического гидроразрыва позволяет обеспечить усовершенствованный гидроразрыв пласта в целом.

Электрическую дугу предпочтительно генерируют в текучей среде, содержащейся в скважине, пробуренной в пласте. Таким образом, волна давления, порождаемая электрической дугой, передается с меньшим затуханием. Скважина содержит текучую среду, которая, как правило, представляет собой воду. Другими словами, при успешном применении электрического гидроразрыва после бурения буровая скважина может быть автоматически заполнена водой, присутствующей в пласте. Если буровая скважина автоматически не заполняется водой, возможно ее искусственное заполнение.

Перед описанием указанного способа электрического гидроразрыва будет описано устройство. Однако, данный способ будет упомянут при описании устройства, при этом очевидно, что различные рабочие функции устройства (например, различные действия, которые оно позволяет выполнить) могут быть включены в способ, даже если они не включены в описание способа.

Цепь содержит по меньшей мере одну индукционную катушку между источником напряжения и электродом, с которым она соединена. Индукционная катушка представляет собой компонент, который вызывает временную задержку тока по отношению к напряжению. Значение индуктивности выражается в Генри. Индукционная катушка, как вариант, может быть намотана вокруг сердечника из ферромагнитного материала или ферритов. Индукционная катушка также известна под названиями «индуктивность» или «соленоид» или «катушка самоиндукции». Индуктивность сглаживает фронт тока в цепи. Это позволяет добиться увеличения времени нарастания волны давления, при этом такая волна давления лучше проникает в пласт. Таким образом, достигается более глубокий гидроразрыв пласта. В частности, индуктивность может быть больше 1 мкГн или 10 мкГн, и/или меньше 100 мГн или 1 мГн.

Пакеры могут быть выполнены так, чтобы повторять форму стенок ствола скважины, как правило цилиндрическую, образуя, тем самым, замкнутое пространство. В альтернативном или дополнительном варианте осуществления изобретения устройство может содержать мембрану, которая ограничивает замкнутое пространство. Мембрана может быть герметичной (или водонепроницаемой) и жесткой. Это обеспечивает возможность отделения давления в замкнутом пространстве от давления окружающей среды, например, от гидростатического давления в стволе скважины, если он затоплен (например, в результате гидравлического разрыва пласта). В этом случае мембрана предпочтительно выполнена из материала, обеспечивающего хорошую проводимость волны давления, для оптимизации электрического гидроразрыва. Таким образом, текучая среда может представлять собой текучую среду (например, воду), присутствующую в стволе скважины, или уже содержащуюся в устройстве перед его использованием. В последнем случае текучая среда может представлять собой деминерализованную воду (например, с проводимостью σ=40 мкСм/см). Это позволяет увеличить значение эквивалентного сопротивления замкнутой области и, таким образом, ограничить энергию пробоя. В устройстве может быть предусмотрено отверстие для пополнения запасов воды.

Под «замкнутым» пространством подразумевается, что данное замкнутое пространство выполнено таким образом, что температура внутри него может быть изменена посредством температурного регулятора, и, опционально, таким образом, что давление внутри него также может быть изменено опционально посредством регулятора давления, выполненного с возможностью регулирования давления текучей среды в замкнутом пространстве (например, регулятора давления, содержащего насос, например, насос для повышения давления текучей среды). Данная(ые) регулировка(и) позволяет(ют) оптимизировать текучую среду, находящуюся в замкнутом пространстве, для облегчения возникновения электрической дуги между двумя электродами и/или для того, чтобы полученная электрическая дуга привела к возникновению хорошей волны давления относительно условий пласта или типа текучей среды. Таким образом, «замкнутость» может, но не обязательно, означать полное закрытие, и аналогично, герметизация может, но не обязательно, означать полную герметизацию.

Температурный регулятор представляет собой устройство, которое поддерживает (по меньшей мере приблизительно) температуру текучей среды равной целевому значению или в пределах целевого диапазона. Таким образом, температурный регулятор может содержать термостат. Целевое значение может быть предварительно задано или вычислено, опционально в зависимости от входных значений, например, значений, полученных на основании измерений, например, давления текучей среды. В частности, целевое значение может быть подобрано к условиям пласта и/или текучей среды в замкнутом пространстве и/или характеристикам устройства гидроразрыва и/или текучей среды таким образом, чтобы получить «наилучшую» температуру или «наилучший» температурный диапазон в зависимости от этих условий и/или характеристик. Таким образом, температурный регулятор может содержать температурный датчик и/или модуль управления с процессором, соединенным с запоминающим устройством, которое регистрирует целевое значение, или содержащим программу, обеспечивающую возможность вычисления целевого значения. Дополнительно, температурный регулятор может содержать систему нагревания текучей среды и/или систему охлаждения текучей среды для осуществления настройки. Данные компоненты известны специалисту в области техники.

Под «наилучшей» температурой или «наилучшим» температурным диапазоном подразумевается температура(ы), которая(ые), с учетом характеристик устройства и текучей среды, а также давления текучей среды, позволяет(ют) получить волну давления (возникающую в результате генерации электрической дуги), приводящую к более глубокому и/или более обширному гидроразрыву пласта. В результате испытаний, в том числе тех, что представлены ниже, неожиданно выяснилось, что указанная оптимальная температура существует, в то время, как можно было ожидать, что чем больше температуру текучей среды приближают к температуре кипения, при этом не достигая ее, тем эффективнее должен быть гидроразрыв пласта. Таким образом, температурный регулятор обеспечивает возможность регулирования температуры для ее поддержания в значении, близком к целевому значению, например, намного ниже температуры кипения текучей среды, и неожиданного получения усовершенствованного гидроразрыва пласта.

В частности, температурный регулятор может настраивать (может быть выполнен с возможностью настройки) температуру(ы) текучей среды для оптимизации энергетической эффективности фазы предварительного разряда во время генерации электрической дуги. Энергетическая эффективность фазы предварительного разряда представляет собой соотношение (или результат измерения, пропорциональный этому соотношению) между электрической энергией, необходимой для возбуждения волны давления, порождаемой электрической дугой, и электрической энергией, вырабатываемой экспериментальным устройством (данная электрическая энергия определяется размером устройства). Чем выше энергетическая эффективность фазы предварительного разряда, тем больше после фазы предварительного разряда «остается» доступной энергии для самой фазы разряда, в результате чего волна давления является более мощной. Другими словами, целевое значение выбирают так, чтобы оптимизировать (по меньшей мере приблизительно) данный результат измерения.

Например, этого можно достичь путем использования способа калибровки (то есть конфигурации перед использованием) температурного регулятора устройства. Прежде всего, можно обеспечить наличие устройства, например, в реальных условиях в скважине, или же воспроизвести в лаборатории давление текучей среды, при котором предполагается использование устройства (другими словами, также обеспечивают наличие текучей среды). Также можно определить предпробойное напряжение устройства (то есть пороговое напряжение, приложенное между электродами, выше которого генерируется электрическая дуга). Это может быть выполнено различными способами, один из которых приведен ниже при описании испытаний, в частности со ссылками на фиг. 11-17. Затем можно измерить напряжение пробоя на клеммах электродов (то есть напряжение на клеммах электродов, необходимое для инициирования электрической дуги) и время пробоя (то есть промежуток времени, в течение которого должно быть приложено напряжение, необходимое для инициирования электрической дуги) в зависимости от температуры текучей среды (то есть осуществляют изменение температуры для выполнения различных измерений). Для этого прикладывают предпробойное напряжение (определенное ранее) и изменяют температуру текучей среды. После этого из предыдущего этапа можно вывести энергетическую эффективность фазы предварительного разряда в зависимости от температуры (один из вариантов выполнения данного этапа описан ниже, в частности, со ссылками на фиг. 11-17). Наконец, можно определить целевую температуру или температурный диапазон для температурного регулятора в зависимости от (то есть согласно) максимальной энергетической эффективности, выведенной из предыдущего этапа.

В одном примере температурный регулятор может поддерживать температуру текучей среды в диапазоне значений от 45 до 67°C, предпочтительно выше 50°C и/или ниже 62°C. Данные значения температуры текучей среды в замкнутом пространстве позволяют получить энергетическую эффективность фазы предварительного разряда больше 80% при атмосферном давлении. Таким образом, устройство соответственно содержит регулятор для регулирования давления текучей среды таким образом, чтобы поддерживать его по существу на уровне атмосферного давления.

Как указано выше, температурный регулятор может содержать систему охлаждения текучей среды. Это позволяет более эффективно использовать устройство, в частности поддерживая оптимальную температуру. Так как каждая сгенерированная электрическая дуга повышает температуру до значения выше целевого значения в результате выделения тепла, необходимо охлаждать воду после некоторого количества сгенерированных электрических дуг для того, чтобы поддерживать оптимальную температуру.

Устройство может быть выполнено с возможностью перемещения вдоль скважины и закрепления перед генерацией электрической дуги. Например, устройство может содержать средство перемещения, например, путем радиоуправления. Затем на устройство может быть подано напряжение из высоковольтного источника питания, расположенного на поверхности и соединенного с устройством посредством электрических кабелей, проложенных вдоль ствола скважины. Устройство может также содержать систему сброса. Она позволяет оставлять устройство в стволе скважины, если оно оказывается заблокированным. После этого возможно восстановление скважины и/или бурильной колонны.

Устройство может иметь в целом вытянутую форму, что облегчает его перемещение внутри скважины. Устройство может также содержать несколько пар электродов, расположенных на расстоянии друг от друга. На электроды может быть подано питание от различных накопительных конденсаторов. Это обеспечивает возможность более быстрого выполнения гидроразрыва. Одновременно может быть сгенерировано несколько электрических дуг между каждой парой электродов и выполнено несколько гидроразрывов пласта одновременно.

Устройство, может содержать систему закачки химической добавки, содержащую резервуар для хранения добавки и насос для закачки добавки в замкнутый объем во время использования устройства. Устройство для нагревания может содержать источник горячей текучей среды и подающий трубопровод, при этом указанный трубопровод имеет отверстие рядом с электродами, расположенное таким образом, чтобы во время работы устройства горячую текучую среду можно было направить от источника к электродам. Подающий трубопровод может проходить через один или оба электрода. Эти различные признаки позволяют оптимизировать условия для облегчения возникновения электрической дуги.

Ниже представлены другие потенциальные характеристики устройства гидроразрыва геологического углеводородного пласта со ссылками на фиг. 1-4, на которых показано устройство 100, представляющее собой пример описанного выше устройства для гидроразрыва геологического углеводородного пласта.

Показанное на фиг. 1 устройство 100 содержит два пакера 102 и 103, образующих замкнутое пространство 104. Замкнутое пространство 104 ограничено здесь также мембраной 108. Устройство 100 также содержит два электрода 106, расположенных в замкнутом пространстве 104. Эти два электрода 106 в данном примере соединены, соответственно, с источником напряжения через вход 109 и с заземлением 103 (здесь совпадает с пакером 103) цепи, что позволяет создать электрическую дугу между двумя электродами 106. Электроды могут иметь радиус от 0,1 мм до 50 мм, предпочтительно от 1 мм до 30 мм. Вход 109 может представлять собой изолированный кабель.

На фиг. 1 также схематично изображен температурный регулятор 105 для регулирования температуры текучей среды в замкнутом пространстве и регулятор 107 давления. Электрическая цепь для генерации электрической дуги между двумя электродами 106, ее источник напряжения и индуктор не показаны, но могут соответствовать показанным на фиг. 2-4, на которых схематично показаны примеры устройства 100.

Устройство 100, показанное на фиг. 2, содержит индукционную катушку 110. Источник напряжения содержит конденсатор 112. Как показано на схеме на фиг. 2, когда конденсатор 112 разряжается, между электродами 106 может быть образована электрическая дуга. Конденсатор 112 может иметь емкость более 1 мкФ, предпочтительно более 10 мкФ. Указанная емкость обеспечивает возможность получения энергии, приводящей к появлению дозвуковой дуги.

Электрический разряд называется «дозвуковым» или «сверхзвуковым» в зависимости от скорости его образования. «Дозвуковой» разряд, как правило, связан с тепловыми процессами: дуга распространяется через пузырьки газа, созданные путем нагрева воды. Распространение электрического разряда называют «медленным», если оно происходит со скоростью, как правило, порядка 10 м/с. Основные характеристики дозвукового разряда связаны с высокими значениями используемой энергии (как правило, более нескольких сотен джоулей), с тепловыми процессами, связанными с длительным временем приложения напряжения, и с низкими уровнями напряжения (слабое электрическое поле). В этом режиме разряда волна давления распространяется в большом объеме газа до распространения в текучей среде. «Сверхзвуковой» разряд обычно ассоциируется с электронными процессами. Разряд распространяется в воде без термического процесса, имея нитевидную форму. Распространение электрического разряда называют «быстрым», если его скорость составляет порядка 10 км/с. Характеристики сверхзвукового разряда связаны с низкими значениями используемой энергии, с высокими напряжениями, связанными с коротким временем их приложения, и с сильными электрическими полями (МВ/см). Для данного режима разряда тепловыми эффектами можно пренебречь. Так как разряд не может развиваться непосредственно в жидкой фазе, для объяснения развития данного режима разряда может быть принято во внимание понятие микропузырьков. Объем используемого газа ниже, чем в случае дозвукового разряда.

Конденсатор 112 может иметь емкость менее 1000 мкФ, предпочтительно менее 200 мкФ.

Конденсатор 112 отделен от индуктора искровым промежутком 114, инициируемым импульсным генератором 116. Это обеспечивает возможность управления разрядом конденсатора 112 и, следовательно, волнами давления, создаваемыми посредством электрической дуги. В частности, импульсный генератор 116 может быть выполнен с возможностью повторения волн, как описано ниже.

Источник напряжения (то есть конденсатор 112) заряжается от зарядного устройства 120 высокого напряжения, расположенного во вспомогательной цепи 122, с напряжением U от 1 до 500 кВ, предпочтительно от 50 до 200 кВ. Вспомогательная цепь предпочтительно расположена на поверхности и, следовательно, может быть отделена от устройства.

Устройство 100, показанное на фиг. 3, отличается от примера, показанного на фиг. 2, тем, что конденсатор 112 и узел (искровой промежуток 114 + импульсный генератор 116) заменен генератором 118 Маркса. Генератор 118 Маркса во время своего разряда позволяет создать сверхзвуковую электронную дугу путем подачи более высокого напряжения, чем конденсатор 112.

В устройстве 100, показанном на фиг. 4, источник напряжения содержит конденсатор 112, показанный на фиг. 2, и генератор 118 Маркса, показанный на фиг. 3. Однако, импульсный генератор 116 инициирует первый искровой промежуток 117 генератора 118 Маркса. Устройство 100 дополнительно содержит ферриты 119, образующие насыщающийся индуктор в канале, идущем от конденсатора непосредственно к индуктору. Ферриты 119 выполнены с возможностью насыщения после разряда генератора 118 Маркса. После насыщения ферритов 119 разряжается только конденсатор 112. Это обеспечивает возможность временной изоляции конденсатора 112 и, следовательно, прохождения (то есть переключения) сверхзвуковой дуги к дозвуковой дуге. Таким образом; устройство обеспечивает связь между сверхзвуковым и дозвуковым разрядом. Указанная комбинация двух режимов, дозвукового и сверхзвукового, обеспечивает возможность лучшей электроакустической эффективности, и, следовательно, усовершенствованный» гидроразрыв пласта при меньшей электрической силе. Дозвуковой разряд, создаваемый конденсатором 112, происходит после задержки, соответствующей времени пробоя генератора 118 Маркса. Переключение может произойти за время, меньшее, чем 1 секунда. Как правило, продолжительность разряда, полученного от генератора 118 Маркса, очень мала, и составляет менее 1 микросекунды, а амплитуда составляет более 100 кВ.

Во всех трех примерах, показанных на фиг. 2-4, и как показано на чертежах, различные компоненты устройства 100 имеют настраиваемые характеристики, то есть их характеристики могут быть изменены перед использованием в зависимости от пласта, или во время использования, в соответствии с реакцией или протеканием гидроразрыва. Например, катушка 110 может иметь настраиваемую индуктивность. Характеристики генератора 118 Маркса (емкость каждого подключенного параллельно конденсатора, количество конденсаторов в работе) могут быть настраиваемыми. Расстояние между электродами 106, предпочтительно составляющее от 0,2 до 5 см, более предпочтительно от 1 до 3 см, также может быть настраиваемым. Емкость конденсатора 112 также может быть настраиваемой. Это позволяет получить устройство 100, выполненное с возможностью осуществления гидроразрыва любого типа пласта. Фактически, нет необходимости заменять устройство 100 в случае изменения пласта, подлежащего гидроразрыву (в случае отличия в материале), так как достаточно изменить один или несколько настраиваемых параметров. Это позволяет также оптимизировать гидроразрыв пласта путем изменения применяемых в данный момент параметров, опционально дистанционным образом.

Представленные выше разъяснения далее проиллюстрированы при помощи теоретических выкладок и испытаний, описанных со ссылками на фиг. 5-17 и, в частности, относящихся к устройству 100, показанному на фиг. 1-4.

Прежде всего, описан гидроразрыв пласта, усовершенствованный благодаря наличию индукционной катушки, со ссылками на фиг. 5-10.

Как показано на фиг. 5, где изображена нормализованная амплитуда напряжения на клеммах конденсатора 112, генерация волны давления может быть разложена на две фазы: фазу S100 предварительного разряда и фазу S110 послеразрядного состояния, разделенные появлением S105 дуги.

Во время фазы S100 предварительного разряда напряжение падает. Это падение соответствует разряду эквивалентной емкости электрической батареи или генератора Маркса на эквивалентном сопротивлении устройства 100. Чем больше эквивалентное сопротивление, тем лучше поддерживается уровень энергии в фазе предпробоя. Таким образом, конфигурация электродов в каждом случае (дозвуковом или сверхзвуковом) может обеспечить минимальные возможные потери энергии. Это соответствует оптимизации нагрева воды в одном случае и электрического поля в другом.

Во время фазы S110 разряда электрическая цепь может быть смоделирована с помощью RLC-цепи в режиме колебаний.

Уравнение изменения тока в последовательной RLC-цепи представлено ниже:

где U_B представляет собой напряжение во время диэлектрического пробоя воды. Параметры L, C и R представляют собой, соответственно, индуктивность, емкость и сопротивление цепи.

Данный ток i(t) зависит от напряжения пробоя U_B (диэлектрический пробой среды) конденсатора, индуктора и сопротивления цепи.

Опыты позволили продемонстрировать линейность пикового давления, создаваемого в зависимости от максимального тока в момент диэлектрического пробоя воды в двух режимах пробоя. Пример результатов приведен на фиг. 6 и 7, на которых показаны результаты измерения пикового давления, полученные в зависимости от максимального тока во время фазы S110 разряда и линейная регрессия измерений, соответственно в дозвуковом и сверхзвуковом режиме. Очевидно, что при одинаковом пиковом токе давление больше для «сверхзвукового» типа разряда. Это может быть частично объяснено процессами генерации электрической дуги в воде и объемом газа между электрической дугой и жидкостью, содержащейся в межэлектродном пространстве.

Дополнительные эксперименты показали влияние межэлектродного расстояния на пиковое значение волны давления, генерируемой в двух режимах диэлектрического пробоя. Выяснилось, что длина электрической дуги имеет прямое влияние на давление. Чем больше расстояние между электродами, тем большим представляется пиковое значение давления, как показано на графике на фиг. 8.

Некоторые эксперименты. также выявили влияние геометрии электродов на волну давления. Результаты представлены на фиг. 9. Они позволяют сделать вывод, что форма электродов, используемых для генерации волны давления, по-видимому, не оказывает влияния на пиковое значение давления. С другой стороны, она может минимизировать электрические потери перед появлением электрической дуги.

Для визуализации форм волны давления, генерируемой в зависимости от частотного спектра, был использован датчик давления. Этот частотный спектр может быть изменен с помощью режима диэлектрического пробоя, параметров электрической цепи, объема газа и типа используемой жидкости. Были проведены испытания с двумя примерами частотного спектра, связанного с разрядом в дозвуковом и сверхзвуковом режимах. Оказалось, что чем больше низких частот содержит спектр, тем менее распространенным является гидроразрыв.

Результат различных проведенных экспериментов показывает линейную зависимость dP_max/dt_p в зависимости от фронта тока di_max/dt_i, как показано на фиг. 10. Фронт тока оказывает влияние на фронт давления. Чем медленнее фронт тока, тем более низкую частоту имеет давление.

Выполненные исследования также четко показывают эффект накопления гидроразрыва в зависимости от количества ударов. Таким образом, понятие повторения импульсов представляет собой критерий, влияющий на гидроразрыв.

Описанные выводы представлены ниже в виде уравнений.

Расчет пикового тока i_max.

Для расчета тока i_max ставятся следующие условия:

если и

то , где

Используя уравнения (1) и (2), получаем:

Если значение w является приблизительным (очень низкое значение R):

Соотношение энергии:

где E_b представляет собой энергию, а U_b представляет собой напряжение во время электрической дуги.

Подставляя уравнение (8) в (3), получаем:

Пиковый ток i_max контролируется энергией, доступной во время появления электрической дуги, обозначенной E_b, и индуктивностью L цепи, они являются двумя параметрами, на которые должен воздействовать пользователь. Сопротивление R считается очень слабым, а емкость C зависит от энергии E_b.

Соотношение между пиковым давлением и максимальным током.

На основании результатов, приведенных на фиг. 6, 7 и 9, можно вывести следующее выражение:

где k₁ зависит от межэлектродного расстояния и режима пробоя.

Чем больше межэлектродное расстояние, тем больше коэффициент k₁

Отсюда:

Подставляя уравнение (11) в (9), получаем:

Таким образом, полученное пиковое давление контролируется током i_max (параметры Eb и L) и коэффициентом k₁ (зависимость от межэлектродного рассто