液流空化器、液流空化系统及液流空化方法与流程

本发明涉及石油、天然气、煤层气、铀矿开采领域，特别地,涉及一种液流空化器、液流空化系统以及液流空化方法。

背景技术：

当前石油开采主要采用两种技术，一是水力压裂技术，二是超声空化技术。

水力压裂是将压裂液注入油层制造一条主干裂缝，以达到改变油流流态的增油技术。20世纪80年代是水力压裂发展史上较为重要的阶段，后逐渐成为油气，特别是低渗透油气勘探开发领域的重要技术手段。水力压裂增产机理：当地面高压泵组将高粘度液体以超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底产生的压力超过井壁附近地应力和岩石抗张强度的压后，即在地层中形成裂缝。随着带支撑剂的液体注入地层中，裂缝逐渐向前延伸形成具有一定长度、宽度和高度的填砂裂缝。该裂缝有较高的导流能力，改变了油气渗流流态。

然而，水力压裂存在如下缺点：(1)工艺复杂，作业成本高。水力压裂是一项严谨的系统工程，如果对储层地质情况认识不足、选井选层不当、压裂液选择不当、支撑剂选择不当、压裂施工参数设计不合理、施工规模不当、压后排液措施不当都可能导致压裂施工失败或降低增产效果，更有甚者可能对油气田后期的开发调整带来严重影响。储层改造技术也是一项高投入、高风险的技术，单井的作业成本一般在数十万至数百万元之间，深井作业成本甚至千万余元。(2)对油井和地层污染严重。如果压裂液选择不当，引起地层粘土矿物膨胀，原油乳化、机械杂质带入到地层、与地层水不配伍生成沉淀等都可能对地层造成伤害；对于酸压而言，液体也会对储层造成伤害，酸液的缓蚀性能差还会对施工设备和管柱造成严重的腐蚀。压裂作业是一种高压作业，施工用的各种化学剂还会对人的生命财产以及生态环境造成严重威胁。(3)对油井和地层的破坏作用极大。若压裂不当，会造成油井暴性水淹和无功注水的严重后果，或把邻近的含水层或含有气顶的油藏上部压开。另外，不当的排液可能给储层的伤害程度加大，可能导致支撑剂回流，进而对地层和油井造成永久性的破坏。(4)人工主干裂缝的引入加剧了储层的非均质性，这又可能给油气藏的开发带来不利影响。

超声波采油技术是近几十年发展起来的三次采油技术之一。超声空化解堵增油技术即大功率超声波解堵技术。新型超声波增油系统主要由磁定位系统、特种传输电缆、大功率超声波电信号发射机和超声波电声转换器等组成。它利用地面车载大功率超声波发射机产生的大功率脉冲电振荡信号，通过特种传输电缆，将脉冲电振荡信号传输到油层的压电陶瓷电声转换器上，经电声转换器转换成超声波，射入含油地层中。通过超声波处理生产油井、注水井的近井油层，使油层中流体的物性及流态发生变化，改善井底近井地带的流通条件及渗透性，解除采油井、注水井的堵塞，提高采液量、原油产量和注水量，以达到增产目的。

然而，超声空化存在如下缺点：(1)超声空化只能用于近井地带的解堵。液体介质产生空化气泡，要求超声波具有一定的强度，超声波功率越大解堵效果越好。然而超声波的衰减速度极快，有研究表明，声强在井壁处衰减为声源处的45％，孔隙介质几何模型半径为1米处的声强衰减至井壁处的10％。因此，超声波产生的空化效果只能作用于近井地带，最大作用半径仅15米，因此作用效果有限。(2)空化区域处在非流动状态，在空化器周边形成的空化区域(或气穴)范围有限，随着静水(外部)压力的升高，在深油井中在静水高压下无法打断液流形成气穴。根据空化数值要求，为使液流产生间隙，必须以极高的速度压送液体，但并不是在所有的情况下都能得到这种极高速，尤其在深井或加长管道中；在很高的外部静水压力下，比如在深井中，利用超声波无法获得空化效应。(3)受处理时间限制，作业效果受限。超声波累计处理时间对解堵效果影响较大，但处理时间超过60分钟后，解堵效果增加并不显著；超声波频率越高传播过程中衰减越大，解堵效果变差。(4)技术配套设备复杂，作业成本高，对作业环境要求比较高。(5)不适用于斜度大于45度的油井。

当今,天然气和煤层气开采主要采用如上所述的水力压裂技术，当然,也存在上面提及的问题。另外，水力压裂用在煤层气井造成煤粉漂移形成堵塞，目前无法解决。

当今,铀矿开采主要采用溶浸采矿法，主要的技术瓶颈是储层渗透率低，溶液注入困难，因而采收率低下。而且目前尚无手段解决该技术瓶颈。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种通用于石油、天然气、煤层气和铀层开采并提高采收率的液流空化器、系统，用于解决背景技术中的至少一个技术问题。

本发明第一方面提供一种液流空化器，包括壳体，具有第一开口和第二开口；工质，在进行液流空化时其运动被限制在该壳体中但在该壳体内自由活动，从第二开口流入的液体流经该工质从而被空化并从第一开口流出。

在一个优选实施例中，该壳体包括第一壳体和与第一壳体可拆卸连接的第二壳体，其中第一开口设置在第一壳体底部，第二开口设置在第二壳体顶部；或者该壳体包括彼此可拆卸连接的顶部壳体、腹部壳体和底部壳体，其中第一开口设置在底部壳体底部，第二开口设置在顶部壳体顶部。

在另一个优选实施例中，该第一开口的开口尺寸被配置为阻止该工质从该第一开口离开该壳体；和该第二开口的开口尺寸被配置为阻止该工质从该第二开口离开该壳体。

在又一个优选实施例中，液流空化器还包括第一挡板，从临近该第一开口的壳体内壁向内突出，用于阻止该工质从第一开口离开该壳体。

在又一个优选实施例中，液流空化器还包括第二挡板，从临近该第二开口的壳体内壁向内突出，用于阻止该工质从第二开口离开该壳体。

在又一个优选实施例中，液流空化器还包括垫片和垫簧，设置在该工质下方、该第一挡板上方的壳体中，在对液流空化时随工质一起运动。

在又一个优选实施例中，该工质为多个，并且该空化器还包括多个隔室，设置于该壳体中，彼此沿液流方向隔开，其中各个隔室将该多个工质分组容纳在其中。

在又一个优选实施例中，该工质为实心的或其上设有液流通过的贯穿孔；和/或该工质表面为光滑的或为凹凸不平面。

在又一个优选实施例中，液流空化器还包括引流槽，设置于该第一壳体或底部壳体内壁上，用于加速液流流出该液流空化器。

本发明第二方面提供一种液流空化系统，用于生产管路中，其中生产管路包括生产管柱和套管，该液流空化系统包括泵送装置、储液罐、根据第一方面的液流空化器以及用于监控液流作业参数的计量仪表，其中

该泵送装置用于将储液罐中的循环液经过该计量仪表泵送到生产管柱；

该液流空化器连接于该生产管柱底端，对应于储层中待处理点的位置，该循环液从第二开口流入该液流空化器并从第一开口流出；

该泵送装置将循环液经该套管泵回该储液罐中。

在一个优选实施例中，该生产管路为采石油、采天然气、采煤层气或采铀矿的管路。

本发明的系统可以将液流空化器作用于储层(如油层)，可以提高生产井的产量及渗透率，也可作用于井底以强化碎岩过程，同时可用来消灭微生物，清除接触面的积层，对金属进行侵蚀性损坏，加速化学反应，分散液体中固相粒子及高分子化合物，乳化不溶解物质，在其它过程中还可用来进行有效的内部质量交换。

本发明的第三方面提供一种利用第二方面的系统进行液流空化的方法，包括如下步骤：

由泵送装置将储液罐中的循环液经过计量仪表泵送到生产管路中的生产管柱；

循环液经过液流空化器进行空化；以及

该泵送装置将循环液经套管泵回储液罐中。

本发明的方法可以适用于油田、天然气田、煤层气田以及铀矿开采新井投产和老井“复活”，利用液体循环属于纯物理方法，液体中不必添加任何添加剂，没有任何污染，工艺简单易操作，绿色环保，在油层选点作业，保证地层的安全性；安全可靠，同一油井可以反复作业，效果持续期长。另一方面，本发明的系统由于采用了液体循环方式，使得作业效果辐射范围扩大，从而克服了超声空化在静水压力大空化效果不佳甚至不能产生空化的缺陷。进一步，本发明的系统由于空化器体积小，可以直接设置于生产管柱的底部，管柱能到达之处，其也能到达，所以不仅适用于直井，还适用于定向井及水平井。本发明的系统还适用于不同属性的井，例如油井、天然气井、煤层气井、铀矿开采井等。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本发明一个实施例的液流空化系统的示意图。

图2a示出根据本发明一个实施例的尾端散流式液流空化器的剖面图。

图2b示出根据本发明的一个实施例的仅设置下部挡板的液流空化器的剖面图。

图2c示出图2a所示结构的一个变体，其中工质为实心的。

图2d-f分别示出图2a所示结构的一个变体，其中工质的形状不同。

图3示出图2a所示结构的一个变体，其中与图2a的区别在于用尾端垫簧式结构替代了尾端散流式结构。

图4示出根据本发明一个实施例的多工质结构的剖面图。

图5示出根据本发明一个实施例的混合形状工质结构的剖面图。

图6示出图4所示结构的一个变体，其中与图4的区别在于具有隔室。

图7-9示出根据本发明一个实施例的具有加固件的液流空化器。

应当注意的是，本说明书附图并非按照比例绘制，而仅为示意性的目的，因此，不应被理解为对本发明范围的任何限制和约束。在附图中，相似的组成部分以相似的附图标号标识。

具体实施方式

以下参照附图进行详细的描述，所述附图形成本发明的一部分，且在本发明中，附图通过对实施本发明的具体实施例的解释表示出来。应当理解的是在不偏离本发明的范围的情况下可以采用其它的实施例且可以进行结构上或逻辑上的改变。例如，对于一个实施例解释或描述的特征可被用于其它实施例或与其它实施例结合来生成另一个实施例。其意图在于本发明包括这样的修改和变化。这些示例用特定的语句描述，但它们不应被理解为对所附的权利要求范围的限制。附图仅出于解释性目的且并非按比例绘制。除非特别说明，出于清楚的目的，相应的元件在不同的附图中采用同样的附图标记表示。

术语"具有","含有","包括","包含"等是开放性的，它们表示所描述的结构，元件或者特征的存在，但并不排除额外元件或特征。

液流空化储层改造技术，是通过空化器在液体中产生空化，释放出强大的液体内部能量，产生的激波在储层中传导贯通大量微裂缝，从而增加储层孔喉通道，有效提升储层渗流能力，提高采收率。

以油层空化为例,油层中的石油储量主要有两种：裂缝储量(～0.3)和毛细管孔隙储量(～0.7)。毛细管孔隙储量不易开采，这是目前全球平均采收率在30％左右的原因所在。流体冲击波空化方法主要是通过采集毛细管孔隙储量来提高采收率，即由专用装置(空化器)产生空化作用，使形成的气泡在液体中快速挤压并连续爆裂，在爆裂点造成水力冲击，冲击波向周围扩散，在油层制造大量微裂缝，从而打开油流通道，提高渗透率进而提高石油采收率。

基于这种原理，如图1所示，本发明的液流空化系统包括泵送装置100、储液罐105、液流空化器110以及计量仪表115。

其中，泵送装置100将储液罐105中的循环液经过计量仪表115泵送到现有管路中的生产管柱116(在采油的场景下即为油管)。

在实际作业前，首先，根据作业井(例如油井)条件以及各种作业参数(排量、每个作业点的作业时间)变化，设定循环液排量。在作业中，根据计量仪表115表征的度数对各种参数进行实时调整。

液流空化器110连接于该生产管柱116底端，对应于储层125(例如在采油时即为油层)中待处理点130的位置。液流空化器110将从生产管柱底端进入液流空化器110的液流进行空化。之后，液流进入管路120的套管135。泵送装置100将循环液经套管135泵回储液罐105中。

其中待处理点130是指事先选择的作业点，在图1中示出了多个。在一个具体示例中，空化器110随着生产管柱116先下到最低处理点的位置，在此对液体进行空化，待完成作业后，上移空化器至上一个作业点，重复作业。当然，本领域技术人员根据本发明容易理解，可以反方向操作，即先在最上面的处理点位置进行空化，之后下移空化器，接着空化。

本发明的液流空化系统利用液流循环，液流空化器110震荡产生一个冲击波场，空化作业使形成的气泡在液体中快速挤压并连续爆裂，在爆裂点造成液力冲击。冲击波的作用力远非一般的超声波所能比拟。冲击波的波源是液流空化器。冲击波在经过储层基岩时在毛细管孔隙空间制造出疏波区和密波区，冲击波在气体混合物中经过疏密波的交替传导，使储层中产生微小的空化气泡。空化气泡在爆炸点爆炸，反过来又引起下一波，如此产生链式反应。此时储层里边形成微裂缝，微裂缝沿着储层外侧不断增加，有效提升渗流能力。

在一个具体实施例中，为了便于现场作业，泵送装置100为泵车，储液罐105放置在泵车上。

在一个具体实施例中，循环液为水。

在一个具体实施例中，为简化深井下液流间隙的形成过程，可向所压送的循环液输入空化核，其形式有气泡、弥散固相粒子或者不溶解乳胶体等。

虽然上述实施例以直井为例，然而本领域技术人员能够理解，在本公开的教导下，本发明的系统还适用于定向井及水平井，通用于不同属性的井，例如油井、天然气井、煤层气井、铀矿开采井等。

接下来，将重点描述本发明的液流空化器110的构成。

图2a给出了本发明的液流空化器110的一个具体实施例，其中该液流空化器110包括壳体，具体地，该壳体由顶部壳体1000、与顶部壳体1000可拆卸连接的腹部壳体1005、与腹部壳体1005可拆卸连接的底部壳体1010。在一个具体示例中，顶部壳体1000、腹部壳体1005和底部壳体1010可采用卡接的方式，具体地，两个壳体之间形成同向斜面，如图2a所示，嵌套之后自然咬合。壳体安装时现将接纳插入的壳体加热，膨胀后将被插入壳体插入即可。在另一个具体示例中，壳体为螺口连接或铆接。

在顶部壳体1000的顶部和底部壳体1010的底部分别具有开口1001和1011。

该液流空化器110还包括：设置于腹部壳体1005中工质1015，工质可在腹部壳体1005中自由活动(即与壳体没有任何机械上的连接关系)，用于作用于从开口1001流入该液流空化器的液流以使其产生空化并从开口1011流出。工质震荡产生一个冲击波场，空化作业使形成的气泡在液体中快速挤压并连续爆裂，在爆裂点造成液力冲击。冲击波在经过油层基岩时在毛细管孔隙空间制造出疏波区和密波区，冲击波在气体混合物中经过疏密波的交替传导，使储层中产生微小的空化气泡。空化气泡在爆炸点爆炸，反过来又引起下一波，如此产生链式反应。此时硬地层里边形成微裂缝，微裂缝沿着储层外侧不断增加，有效提升渗流能力。

如图2a所示，该工质1015上设有液流通过的贯穿孔1020，能够使得空化效果更佳。更优选地，贯穿孔的方向不仅为液流进入的方向，还可以在其他方向上。当然为了降低工艺难度及降低成本，该工质1015可以为实心的，如图2c所示。

工质1015表面可以是光滑的或是不光滑的例如呈凹凸面。光滑表面的工质的主要作用是增加液体流速，而凹凸不平的表面作用是为了增加设备振动频率。工质的选择依据不同储层条件而定，以使解堵和储层精细改造效果达到最佳。

在图2a的具体示例中，工质1015为球形，图中示出了该球形的剖面图。

该液流空化器110还包括：顶部挡板1025，从顶部壳体的内壁向内突出，用于阻止该工质从顶部离开该腹部壳体，也就是说用于在液流入射到工质上激发工质运动时防止工质从上部离开壳体；底部挡板1030，从腹部壳体的内壁向内突出，用于阻止该工质从底部离开该腹部壳体，也就是说用于在液流入射到工质上激发工质运动时防止工质从下部离开壳体。显然，该底部挡板也可以设置于底部壳体上。在一个具体示例中，顶部挡板与顶部壳体一体形成。在一个具体示例中，底部挡板与底部壳体一体形成。

在一个替代示例中，液流空化器110可以仅包括下部挡板1030，而不必设置顶部挡板，如图2b所示。原因在于由于液流是从开口1001进入并进而向下冲击工质的，所以一般情况下工质不易从开口1001离开壳体。这样做的益处是加工简单，降低生产成本。

在一个替换实施例中，壳体可以由上壳体和下壳体两部分组成(未以图示出)，这两部分彼此可拆卸连接。本领域技术人员能够理解，经过长时间的使用，工质会被磨损，壳体设置为可拆卸的，方便工质的替换。然而，工质封装在一体的壳体中的方案也在本发明的保护范围内，在这种情况下，工质被磨损不能再使用时需要整体连同壳体一起替换。

本发明描述的以上和以下针对壳体由三个可拆卸部件组成的结构的各种实施例在不违反逻辑的情况下也同样适用于壳体由两个可拆卸部件组成或是一体的情况。

在图2a的具体示例中，该液流空化器110还包括：引流槽1035，设置于底部壳体内壁上，用于加速液流流出该液流空化器。

在图2a的具体示例中，该液流空化器110的外形为圆柱形。

在上述实施例中，在进行液流空化时工质的运动被限制在壳体中是通过挡板的方式来实现的。可替换地，也可以通过将开口1001和/或1011的孔径(即开口尺寸)设置为能够阻止该工质从对应开口离开壳体即可。壳体容纳工质的部分足够大以使得工质能自由活动而开口孔径小于工质的尺寸。

在壳体由顶部、腹部以及底部壳体组成的实施例中，底部壳体的底部向壳体内部突出，充当下部挡板，如图2、图4和图5所示。

如图2c所示，在腹部壳体和底部壳体卡接的位置处，形成贯穿壳体的散流孔1065，可以进一步增加空化效果。

图2d、2e和2f是图2a结构的变体，区别仅仅在于工质的形状。具体地，图2d中的工质1015为圆柱形，优选地，沿液流方向的圆柱形。图2e中的工质为锥形，优选地，沿液流方向逐渐变细。图2f中的工质为环形，优选地，是在与液流方向垂直的平面上的环形，类似面包圈的形状。

本领域技术人员明白，尽管在图2d、2e和2f中的工质具有贯穿孔1020，但其可以是实心的。

图3是图2a结构的变体，区别在于在工质下游设有自由活动的垫片1040和垫簧1045，也就是说，在工质1015下方、底部挡板1030上方的壳体中设置有垫片1040和垫簧1045。在本发明中，我们称这种带有垫片和垫簧的结构为尾端垫簧式结构。相对而言，称图2a-f中的结构为尾端散流式结构。在尾端垫簧式结构中，当对液流空化时，工质1015、垫片1040和垫簧1045一起振动，从而增强空化的效果。

在图3的具体示例中，也可以增加引流槽。

图4示出了工质1015可以为多个的实施例。多个工质被限制在顶部挡板和底部挡板之间的壳体内，在实施液流空化作业时，多个工质相互作用，增强了空化效果。需要说明的是，为了让本领域技术人员更明了，其中一部分工质以完整体的形式示出，而另一部分以剖面形式示出。

本领域技术人员应明白，该多个工质可以为球形、柱形、锥形和环形工质或其组合。如图5所示，即为环形工质与球形工质的组合。其中，球形工质设置于环形工质的环中。

图6是图4结构的变体，区别在于该液流空化器110还包括多个隔室1050，设置于腹部壳体中，彼此沿液流方向用隔壁1055隔开，其中各个隔室将该多个工质分组容纳在其中。这样，仅仅使得同一分组内的各个工质相互碰撞，加快沿液流方向的空化效果。

在本发明的一个具体实施例中，壳体外壁包括但不限于圆柱形、多边形(例如，六边形或八边形)。也就是说，图2a-f、3-6中所示的结构及其变体中的壳体外壁可以为圆柱形或多边形。

在本发明的一个具体实施例中，特别是用于深井的示例中，由于随着深度越深，井内部的压力越大，壳体外壁上可以设置有用于增强该壳体强度的加固件。也就是说，图2a-f、3-6中所示的结构及其变体中的壳体外壁可以设置有用于增强该壳体强度的加固件。图7、8和9分别示处了三种加固件1055的结构，其中图7示出的加固件为螺纹形，图8示出的加固件为沿液流流动方向的板筋形，图9示出的加固件为六角形。

本领域技术人员应当明白，在不违反逻辑的情况下，上述各种结构的特征可以相互组合。

本发明还公开了一种利用上述装置、系统进行液流空化的方法，包括如下步骤：由泵送装置将储液罐中的循环液经过计量仪表泵送到管路中的生产管柱；液流经过液流空化器进行空化；以及该泵送装置将循环液经套管泵回储液罐中。

在一个具体实施例中，该方法还包括向所泵送的液体输入空化核。优选地，该空化核为气泡、弥散固相粒子、不溶解乳胶体或其组合。

本发明的系统可以将液流空化器作用于储层，可以有效提高储层的渗流能力和生产井的产量,也可作用于井底以强化碎岩过程，同时可用来消灭微生物，清除接触面的积层，对金属进行侵蚀性损坏，加速化学反应，分散液体中固相粒子及高分子化合物，乳化不溶解物质，在其它过程中还可用来进行有效的内部质量交换。

本发明的技术可以适用于油藏、天然气藏、煤层气藏以及铀矿储藏新井投产和老井“复活”，利用液体循环属于纯物理方法，液体中不必添加任何添加剂，没有任何污染，工艺简单易操作，绿色环保，在储层选点作业，保证地层的安全性；安全可靠，同一生产井可以反复作业，效果持续期长。另一方面，本发明的系统由于采用了液体循环方式，使得作业效果辐射范围扩大，从而克服了超声空化在静水压力大空化效果不佳甚至不能产生空化的缺陷。进一步，本发明的空化器结构简单，因此体积可以制作的小，从而可以直接设置于生产管柱的底部，管柱能到达之处，其也能到达，所以不仅适用于直井，还适用于定向井及水平井。本发明的系统还适用于不同属性的井，例如油井、天然气井、煤层气井、铀矿开采井等。

以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。