专利名称：一种油气井下液电压裂复合射孔装置及射孔方法
技术领域：
本发明涉及一种石油生产领域的油气井下射孔装置及射孔方法，特别是涉及一种 利用液电效应的石油生产领域油气井下液电压裂复合射孔装置及射孔方法。
背景技术：
高压大电流的强脉冲在液体中放电时能产生极高的温度和压力，这就是液电效 应。在密闭的容器中应用液电效应，能产生强大的冲击波。油气井下液电压裂射孔装置是 根据目前射孔技术的发展提出的一种新型射孔技术，该技术把高压大电流在油水中产生的 液电效应与射孔弹技术(或射孔压裂技术，射孔是石油勘探成熟的技术。压裂是本专利提 到的液电效应对岩层的压力增加后使之断裂)有机结合起来。通过精密控制液电效应产生 时间，可以达到射孔和压裂双重目的，有效解决射孔弹作用后形成的射孔粘结堵塞射孔裂 缝问题，并能拓宽延伸射孔形成的裂缝，使之与自然裂缝相交，在井筒周围形成裂缝网络， 有效提高油气产能。中国专利文献专利号02117213. 7，公开了名称为《液电效应锅炉》，采用了高压脉 冲在水中连续放电使锅炉加热。中国专利文献专利号200820027872. 7，公开了名称为《液 电效应洗井除垢装置》，采用高压放电产生冲击波产生的物理方法除垢。这两者都是采用连 续脉冲，不需要对放电时刻作精确控制，另外与本装置相比，两者的脉冲功率要小很多，不 能有效解决射孔弹作用后形成的射孔粘结堵塞射孔裂缝问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中油气井下射孔弹技术作用于岩石形成的射孔粘 结阻塞射孔裂缝问题，提供一种油气井下液电压裂复合射孔装置，通过结合高压大电流在 油水中产生的液电效应与射孔弹技术(或射孔压裂技术)，通过精密控制液电效应产生时 间，有效解决现有技术存在的问题，提高油气井产能。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种油气井下液电压裂复合射孔装置，包括井上延时同步控制模块、液电压裂复 合射孔枪模块、井下耐压及吸热模块，井上延时同步控制模块包括设置触发延迟时间、脉冲宽度、并发送控制射孔枪发 射的触发信号的人机交互控制模块、发送精确控制开关S通断的延迟脉冲的计数延迟电路 模块；液电压裂复合射孔枪模块包括产生液电效应的液电压裂装置、普通射孔装置，普 通射孔装置包括发射射孔弹的射孔枪、压力传感器；井下耐压及吸热模块包括使液电压裂复合射孔模块不与外界高温高压流体直接 接触而处于一个相对密闭的环境的钢制容器；井上延时同步控制模块与液电压裂复合射孔枪模块电连接，液电压裂复合射孔枪 模块内置于耐压及吸热模块，其中人机交互控制模块与计数延迟电路模块电连接，计数延迟电路模块与液电压裂装置模块电连接，计数延迟电路模块、射孔枪、压力传感器顺序电连 接，压力传感器信号输出端与计数延迟电路模块输入端电连接。所述油气井下液电压裂复合射孔装置还包括连接井上延时同步控制模块与液电 压裂复合射孔枪模块的具有承重结构的通讯电缆。所述液电压裂复合射孔枪模块的液电压裂装置模块与普通射孔装置模块可以进 行一体化设计，也可以单独作为两个部件使用。一种油气井下液电压裂装置射孔方法，对现有油气井下射孔装置的射孔弹技术 进行改进，其通过延时脉冲精确控制液电效应产生时间，形成IO4 IO5A的放电电流、IO2 IO4MPa的强大冲击波，使尚未粘结的射孔弹腔体扩大。步骤(1)人机交互控制模块在t0时刻发出触发信号，信号经过通信电缆送与射孔枪， 启动射孔枪发射射孔弹，然后压力传感器返回压力信号给计数延迟电路模块，计数延迟电 路模块通过压力传感器压力的变化，来记录发射弹发射时刻tl ；(2)计数延迟电路模块根据射孔形成时刻t2和粘接时刻t4，由人机交互控制模块 预设触发延迟时间At= (t4+U)/2_tl，作为射孔枪发射时间与射孔形成时间差，设定脉 冲宽度W;(3)当计数延迟电路模块检测到射孔枪发射tl时，计数延迟电路模块开始计数， 并同时与At比较相对大小，来控制开关S的闭合与断开。当计数值数据t< At时，开关 S断开，系统不产生液电效应；当计数值数据Δ t彡t彡Δ t+W时，开关S闭合，系统产生液 电效应；当计数值数据t > Δ t+ff,开关S断开，系统不产生液电效应，利用这个原理保证强 脉冲放电时刻t3在t2和t4之间。从上述本发明的结构特征可以看出，其优点是有效解决射孔弹作用后形成的射孔粘结堵塞射孔裂缝问题，并能拓宽延伸射孔形 成的裂缝，使之与自然裂缝相交，在井筒周围形成裂缝网络，有效提高油气产能。
本发明将通过附图比较以及结合实例的方式说明图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的原理框；图3是本发明的液电压裂装置模块电路原理图；图4是本发明的液电压裂复合射孔模块工作时间示意图
具体实施例方式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用以解释本发明，并不 用于限定本发明。设计原理分析在石油生产中，射孔弹穿过岩层会形成射孔，但普通的射孔大小仅 由射孔弹直径决定，射孔腔壁在射孔弹穿过后的短时间内保持高温液态，之后开始粘接，使 射孔有效直径逐渐减小甚至堵塞射孔。如果在射孔腔壁尚未粘结的时间段受到压力波的冲 击，射孔的液态腔体将会扩大。有效解决射孔弹作用后形成的射孔粘结堵塞射孔裂缝问题，并能拓宽延伸射孔形成的裂缝，使之与自然裂缝相交，在井筒周围形成裂缝网络，有效提高 油气产能。总体设计油气井下液电压裂装置包括井上系统控制模块、液电压裂复合射孔枪 模块、井下耐压及吸热模块、通信电缆。如图1本发明的结构示意图，其中井上延时同步控 制模块用于精确控制强脉冲的产生时刻，发送触发信号，液电压裂复合射孔枪模块用于发 射射孔弹和控制开关用以产生强电脉冲，井下耐压及吸热模块用于保护液电压裂复合射孔 枪模块，通信电缆包括其承力结构，用于信号通讯及承力。井上延时同步控制模块通过通 信电缆与液电压裂复合射孔枪装置连接。液电压裂复合射孔枪模块固定于耐压及吸热模块 中。井上延时同步控制模块产生触发信号控制射孔枪发射时刻，再以液电压裂射孔枪 模块中的射孔枪发射时刻做精确延迟。延迟步进可达1ns，延迟精度可达士5ns。在射孔形 成，尚未粘结的时间段，通过高压大电流在油水中瞬时放电产生液电效应，在地下岩层的密 闭空间中，油水混合液体产生高压脉冲压力波，作用于尚未粘结的射孔，进一步扩大液电 压裂射孔枪射击形成的射孔的液态腔体。如图2为本发明的原理框图。1.井上延时同步控制模块井上延时同步控制模块包括人机交互控制模块、计数延迟电路模块。人机交互控 制模块设置触发延迟时间和脉冲宽度、并发送触发信号，通过485串行控制总线与计数延 迟电路模块通讯，计数延迟电路模块通过FPGA利用VHDL语言与原理图混合编程进行设计， 计数延迟电路模块完成计数与数据比较，并输出控制信号来控制井下液电压裂复合射孔模 块的液电压裂装置产生液电效应。计数延迟电路模块以压力传感器信号(或射孔弹发射时刻信号)为基准，在确定 的发射枪发射时间后，通过与人机交互控制模块设置的触发延迟时间对比，发出控制信号 控制开关S闭合或断开。对装置进行延迟控制时，需要通过调试系统得到射孔枪的抖动，射 孔弹在液体中的速度等，进而获得tl、t2、t4时间等，其中tl时间的取决于射孔枪的反应时 间，t2时间取决于射孔弹的飞行时间，t4时间取决于射孔腔体的粘结速度，脉冲宽度取决 于产生液电效应需要的能量。2.液电压裂复合射孔模块液电压裂复合射孔模块包括液电压裂装置、普通射孔装置，其中普通射孔装置包 括射孔枪、压力传感器。井下液电压裂装置与普通射孔装置可连接成一个整体，进行一体化 设计，组成液电压裂复合射孔枪模块；也可以单独作为两个部件使用。计数延迟电路模块 通过发送精确延迟脉冲来控制开关S (采用氢闸流管等高压大电流开关)闭合与断开，液电 压裂装置利用强脉冲放电电极，使得电容放电产生高压大电流，产生液电效应。当高压脉冲 放电在液体中发生时，液体内会产生强烈的爆炸，其冲击压力可达IO7 IO9Pa MPa，这就 是所谓的液电效应。图3是井下液电压裂装置模块电路原理图。其工作过程是预先对电 容Cl充电到指定值，然后人机交互控制模块发送触发信号后，计数延迟电路模块经过精密 延时时间后，输出控制开关S的信号，使得开关S闭合，通过强脉冲放电电极，在负载Rl (实 际为井下的油水混合液体)上短路放电产生高压大电流，形成液电效应。脉冲大电流通过 尖端电极放电，其放电时间在微秒量级，放电电流在IO4 IO5A量级，因此尖端电极之间的 油水混合液体在很短的时间内获得很大的能量，温度可达IO4K量级，压力可达IO7 IOi3Pa量级。由于井下油水混合液体不可压缩，液电效应产生定向的冲击压力波，波峰压力可达 IO4 IOitm量级，使尚未粘结的射孔弹墙体扩大。3.井下耐压及吸热模块井下耐压及吸热模块是一个内壁采用吸能材料及隔热材料设计的钢制容器。液电 压裂复合射孔模块放在该钢制容器中，使液电压裂复合射孔模块不与外界高温高压流体直 接接触而处于一个相对密闭的环境，其中隔热材料可选用绝热材料“泡沫陶瓷”，吸热材料 可选用含有铋、锡、铅等材料的储热合金。图4是液电压裂复合射孔模块工作时间示意图。井上延时同步控制模块的人机 交互控制模块在时刻to发出触发信号，信号经过通信电缆送与射孔枪，由于通信电缆的传 输延迟与射孔枪的反应延迟，使得信号传输产生一定的延时时间，射孔枪在发射射孔弹时 由压力传感器返回压力信号给计数延迟电路模块，计数延迟电路模块通过压力传感器压 力的变化，来记录发射弹发射时刻tl，计数延迟电路模块根据射孔形成时刻t2和粘接时 刻t4，由人机交互控制模块预设触发延迟时间At= (t4+U)/2-tl，作为射孔枪发射时 间与射孔形成时间差，设定脉冲延迟量At。在开关S保持闭合状态时，液电效应维持的 时间主要决定于电容放电的时间，因此为保证电容在适合的时间段内放电，设定的脉冲宽 度W即开关保持闭合时间，一般选取几百ns到几百μ S。当计数延迟电路模块检测到射孔 枪发射tl时，计数延迟电路模块开始计数，并同时与At比较相对大小，来控制开关S的 闭合与断开。当计数值数据t< At时，开关S断开，系统不产生液电效应；当计数值数据 Δ t彡t彡Δ t+W时，开关S闭合，系统产生液电效应；当计数值数据t > Δ t+ff,开关S断 开，系统不产生液电效应，利用这个原理保证强脉冲放电时刻t3在t2和t4之间。本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙 述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只 是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
权利要求
1.一种油气井下液电压裂复合射孔装置，其特征在于包括井上延时同步控制模块、 液电压裂复合射孔枪模块、井下耐压及吸热模块，井上延时同步控制模块包括设置触发延 迟时间、脉冲宽度、并发送控制射孔枪发射的触发信号的人机交互控制模块、发送精确控制 开关S通断的延迟脉冲的计数延迟电路模块；液电压裂复合射孔枪模块包括产生液电效应的液电压裂装置、普通射孔装置，普通射 孔装置包括发射射孔弹的射孔枪、压力传感器；井下耐压及吸热模块包括使液电压裂复合射孔模块与外界高温高压流体隔离而处于 一个相对密闭环境的钢制容器；井上延时同步控制模块与液电压裂复合射孔枪模块电连接，液电压裂复合射孔枪模块 内置于耐压及吸热模块，其中人机交互控制模块与计数延迟电路模块电连接，计数延迟电 路模块与液电压裂装置模块电连接，计数延迟电路模块、射孔枪、压力传感器顺序电连接， 压力传感器信号输出端与计数延迟电路模块输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种油气井下液电压裂复合射孔装置，其特征在于所述油气 井下液电压裂复合射孔装置还包括连接井上延时同步控制模块与液电压裂复合射孔枪模 块的具有承重结构的通讯电缆。
3.根据权利要求1所述的一种油气井下液电压裂复合射孔装置，其特征在于所述液电 压裂复合射孔枪模块的液电压裂装置模块与普通射孔装置模块为整体结构，或分离结构。
4.一种油气井下液电压裂装置射孔方法，其特征在于通过延时脉冲精确控制液电效应 产生时间，形成IO4 IO5A的放电电流、IO2 IO4MPa的强大冲击波，使尚未粘结的射孔弹 腔体扩大，其步骤包括(1)采用人机交互控制模块在to时刻发出触发信号，信号经过通信电缆送与射孔枪， 启动射孔枪发射射孔弹，然后压力传感器返回压力信号给计数延迟电路模块，计数延迟电 路模块通过压力传感器压力的变化，来记录发射弹发射时刻tl ；(2)计数延迟电路模块根据射孔形成时刻t2和粘接时刻t4，由人机交互控制模块预设 触发延迟时间At= (t4+t2)/2-tl，作为射孔枪发射时间与射孔形成时间差，设定脉冲宽 度W;(3)当计数延迟电路模块检测到射孔枪发射时刻tl时，计数延迟电路模块开始计数， 并同时与At比较相对大小，来控制开关S的闭合与断开；当计数值数据〖< At时，开关 S断开，系统不产生液电效应；当计数值数据Δ t彡t彡Δ t+W时，开关S闭合，系统产生液 电效应；当计数值数据t > Δ t+ff,开关S断开，系统不产生液电效应，利用这个原理保证强 脉冲放电时刻t3在t2和t4之间。
全文摘要
本发明涉及一种石油生产领域的油气井下射孔装置及射孔方法，特别是涉及一种利用液电效应的石油生产领域油气井下液电压裂复合射孔装置及射孔方法。目的是解决现有技术中油气井下射孔弹技术作用于岩石形成的射孔粘结阻塞射孔裂缝问题，提高提高油气井产能。解决方案是包括井上延时同步控制模块、液电压裂复合射孔枪模块、井下耐压及吸热模块、通讯电缆及承重结构，其中井上延时同步控制模块包括人机交互控制模块、技术延迟电路模块，液电压裂复合射孔枪模块包括液电压裂装置、普通射孔装置，普通射孔装置包括射孔枪、压力传感器，井上延时同步控制模块与液电压裂复合射孔枪模块通过通讯电缆连接。液电压裂复合射孔枪模块内置于耐压及吸热模块。本发明应用于石油生产领域以解决油气井下射孔堵塞等问题场合。
文档编号E21B43/116GK102094604SQ20101055204
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者丁明军, 于志国, 代刚, 任青毅, 冯宗明, 冯莉, 叶超, 吴红光, 张振涛, 曹宁翔, 曹科峰, 李亚维, 李晏敏, 李玺钦, 梁川, 王卫, 王浩, 立巨, 谢敏, 贾兴, 赵娟, 邓维军, 马军, 马勋, 马成刚, 高平, 黄斌, 黄雷, 龙燕 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所