用于冲击压力生成的方法和系统的制作方法

用于冲击压力生成的方法和系统的制作方法
【专利摘要】介绍了一种用于从储层中采收烃类的方法。所述方法包括设置通过至少一条管路与所述储层流体连通的腔室，并且使所述腔室包括可以彼此相对运动的第一壁部和第二壁部。通过所述管路在所述流体中提供向所述储层传播的冲击压力，其中所述冲击压力通过设置在所述流体的外侧的物体和所述第一壁部之间的碰撞过程来生成，以用于使所述第一壁部冲击所述腔室中的流体。此外，所述腔室设置用于避免气体夹杂物在所述第一壁部冲击所述流体的地方积聚。这可以通过将所述管路设置在通过重力的影响自然地聚集气体夹杂物的区域中或该区域附近，或者通过将冲击流体的所述第一壁部布置成远离该区域来实现。本发明进一步涉及一种用于如上所述生成冲击压力的系统。
【专利说明】用于冲击压力生成的方法和系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于烃类采收作业的方法和系统，所述烃类采收作业包括冲击压力的 生成。本发明进一步涉及使用所述方法或系统以用于从地下储层内的多孔介质中采收烃类 流体。

【背景技术】
[0002] 烃类采收作业通常会涉及范围广泛的工艺，涉及用于从地层中采收烃类的流体流 动作业的使用和控制，包括例如向地层中引入或注入流体譬如处理液、固结液或水力压裂 液，注水作业，钻井作业，出油管和井眼的清洗作业，以及在井眼中的注水泥（cementing) 作业。
[0003] 地下储层是多孔介质，包括与不同直径和长度的孔喉有关的孔隙容积网络。为了 获得改进的烃类采收，已经对将流体注入储层以置换储层内的多孔地质结构中的流体的流 体动力学进行了广泛研究。
[0004] 多孔地质结构是多孔介质的固体骨架。弹性波能够在固体骨架中传播，但是不能 在流体中传播，原因在于弹性是固体而非液体的性质。固体的弹性和流体的粘性是限定固 体和液体之间的区别的性质。弹性固体中的应力与形变成正比，而粘性流体中的应力与形 变的变化率成正比。
[0005] 储层中的流体（在注水期间）将在流过孔喉时由于流体和孔喉的润湿状态的壁面 之间的表面张力而承受毛细管阻力或推送力。毛细管阻力促使在多孔介质中建立起优选的 流体路径（贯通），这就明显地限制了烃类采收。因此，毛细管阻力限制了流体在储层中的 活动性。
[0006] 人们认为烃类采收将在地震类事件例如地震之后有所增加。因此，人们相信对地 层造成的显著的动态激励将增加流体相在多孔介质中的活动性。已经有人声称在地震期间 通过（在固体骨架中）跨越储层传播的弹性波造成了活动性的改善。基于通过应用人工震 源而在储层中引发弹性波的地震激发方法已经在进行深入研究。一般而言，人工震源需要 布置成尽可能地靠近有效储层，并且因此通常布置在井眼的底部或井眼的底部附近。例如 在RU2171345、SU1710709或W02008/054256中已经介绍了这样的井下地震激发工具，其中 公开了通过负载下落到固定至井底的砧台上并由此下落到储层上的碰撞而在固体中产生 弹性波的不同的系统。这些系统的缺点在于地质结构破碎的风险以及控制冲击的难度和方 法的有限效果。
[0007] 涉及例如通过在地下利用爆炸和含能材料的规则爆破来模仿地震事件的动态激 励的、用于烃类采收的方法也一直在进行开发并且已经广泛使用。但是，这些通过爆炸、地 震等手段实现的强烈激励也经常被认为会造成地质结构的恶化，这可能会减少长时间内的 烃类采收。
[0008] 用于烃类采收的其他方法涉及通过交替时段的强行从地层抽出流体和/或强 行向地层中注入流体实现的压力脉冲。已经有人报告压力脉冲的应用提高了流过多孔 介质的流速，但是也仍然有报告说增加了流体注入作业中的水突进和粘性指进（viscous fingering)的风险。
[0009] 依赖于时间的压力现象例如压力冲击波或液压冲击主要是在其例如在管道系统 中意外发生时的潜在破坏或者甚至是灾难性效果的相关方面、或者是在由于对平台的海水 冲击或波浪破坏而对水坝或离岸建筑物造成的潜在破坏或者甚至是灾难性效果的相关方 面进行报告和分析。水击作用（Water Ha_ering)在例如通过管道系统中的阀突然关闭造 成运动中的流体强行停止或突然改变方向时可能会经常出现。在管道系统中，水击作用会 导致从噪声和振动到破损和管塌陷等各种问题。管道系统经常装有蓄集器、旁通管和减震 器等，目的是避免水击作用。
[0010] 另一种压力现象（在本文中称作冲击压力）通过利用了冲击动力学的碰撞过程来 生成，这就使得可以产生依赖于时间的冲击压力，该冲击压力具有大幅值以及可与碰撞接 触时间相比较的非常短的时间宽度（时长）。
[0011] 与压力波相比，压力脉冲能够被视为在流体中相对陡锋式地传播。在比较冲击压 力与压力脉冲时，有人注意到冲击压力具有更尖一些的陡锋并且像冲击波锋一样地传输。 冲击压力因此表现出一些与压力脉冲相同的重要特性，但是这些重要特性由于冲击压力的 产生方式而具备明显更强的、具有高压力幅值的陡锋和短上升时间的这种关键效果。此外， 本文中介绍的压力脉冲和冲击压力应与弹性波区分开，原因在于这些首次提及的压力现象 是在流体中传播，相比之下，弹性波是在固体材料中传播。


【发明内容】

[0012] 因此，本发明的实施例的一个目标是通过提供提高烃类采收率的规程来克服或者 至少是减少用于烃类采收作业的已知方法中的一部分或全部的上述缺点。
[0013] 本发明的实施例的另一个目标是提供一种用于烃类采收作业的方法，所述方法可 以在多孔介质中得到增加的流体活动性。
[0014] 本发明的实施例的另一个目标是提供用于产生冲击压力的可选方法和系统，所述 冲击压力例如可以在烃类采收作业的领域中应用并且可应用于地下储层或井眼中的流体。
[0015] 本发明的实施例的又一个目标是提供一种可以相对简单和廉价地在现有的烃类 采收场所实施而又有效的方法。
[0016] 本发明的实施例的一个目标是提供用于以更高的效率在流体中产生冲击压力、并 且降低了系统中的气蚀风险的主流系统。
[0017] 根据本发明获得了一种用于从储层中采收烃类的方法，所述方法包括设置通过至 少一条管路与所述储层流体连通的、至少一个部分充注流体的腔室的步骤，其中所述腔室 包括可以彼此相对运动的第一壁部和第二壁部。通过所述管路在所述流体中提供向所述储 层传播的冲击压力，其中所述冲击压力通过碰撞过程来生成，所述碰撞过程包括设置在所 述流体的外侧的物体和所述第一壁部之间的碰撞，所述第一壁部由此冲击所述腔室中的流 体。所述方法进一步包括将所述腔室设置成避免气体夹杂物在所述第一壁部冲击所述流体 的地方积聚，通过将所述管路设置在腔室的某一区域中或所述区域附近，和/或通过将所 述腔室设置为使得冲击流体的所述第一壁部布置成远离所述区域，所述气体夹杂物通过重 力的影响而自然地聚集在所述区域中。
[0018] 通过将所述管路布置成靠近气体夹杂物的区域，即可通过相对于碰撞过程连续或 有间隔的流体高效且快速地从腔室中完全或部分地移除气体夹杂物。任何气体夹杂物都可 能在所述区域中继续聚集，但是通过如上所述的以简单而又有效的方式设置管路而避免了 积聚。通过将所述腔室设置为使得冲击在流体上的第一壁部布置成远离所述区域，实现了 主要对流体执行冲击而不对存在于腔室中的任何气体夹杂物执行冲击或者仅对存在于腔 室中的任何气体夹杂物执行不明显的冲击。用这种方式获得对于流体中存在的气体夹杂物 或形成的气体夹杂物不敏感的方法，并且流体系统不需要在启动任何冲击压力过程之前或 者在任何冲击压力过程期间进行仔细地排空。
[0019] 通过碰撞过程，来自物体的能量以及动量被转化为流体中的冲击压力。冲击压力 在流体中以声速传输和传播。
[0020] 通过碰撞过程引发的冲击压力的产生可以是有利的，原因在于由此可以获得非常 尖锐或陡峭的压力锋，与可以通过常规的压力脉冲技术获得的压力脉冲相比，所述压力锋 具有高幅值和非常短的上升时间。此外，例如与单一频率或单一正弦的压力波相比，通过碰 撞过程引发的冲击压力可以被视为包括更多的高频成分。
[0021] 这在不同的烃类采收作业中例如在注水、引入处理液中或者在固结处理中可以是 有利的，原因在于高频成分可以被视为增加了流体在多孔介质中的活动性，在多孔介质中 不同材料性质的材料和不同尺寸的液滴可以用其他方式限制或降低流体的活动性。这在避 免或降低对于任何堵塞趋势的风险以及保持储层处于良好流动状态方面也可以是有利的。 增加活动性可以类似地在注入固结液的作业和固结作业中的后冲洗的相关方面都是有利 的。
[0022] 此外，由提出的碰撞过程引发的冲击压力可以有利地应用于清洗流体的流动通道 或井眼，得到改善的且更加有效的表面清洗。提出的方法例如可以应用于清洗流体，此时用 于建立冲击压力的系统可以被插入出油管或井眼中。
[0023] 此外，由提出的碰撞过程引发的冲击压力可以有利地应用于井眼中的注水泥作 业。在此，向未固化的水泥中引入冲击压力可以实现减少向水泥中转移和注入流体或气体。
[0024] 根据上述内容的冲击压力的应用可以进一步在向地下储层中注入压裂液的作业 方面是有利的，其中冲击压力可以用于提高在地下储层中造成断裂以允许烃类逸出和流出 的效率。
[0025] 根据上述内容提出的方法可以进一步在钻井作业中是有利的，其中由碰撞过程引 发的冲击压力可以提高钻探效率并用于帮助推送钻头穿透地层。
[0026] 与其他常规的压力脉冲方法相比，根据本发明的方法的优点在于冲击压力在此可 以用连续的流体流动产生而无需显著地影响流速。此外，冲击压力可以通过非常简单而又 有效的装置引发且无需像现有技术中那样为了这样做而关闭和打开任何的阀和控制设备。
[0027] 通过提出的方法可以进一步获得可引发用于流体的冲击压力且流速没有增加或 只有很少的增加，原因是第一壁部不运动且不像在常规的压力脉冲中那样通过流体加压。 相反，在碰撞期间从运动的物体对第一壁部的冲击可以被视为仅促成壁部最小或不明显地 移动，该移动主要对应于流体在冲击区域中的压缩。例如在烃类采收作业中的期望流体流 速因此可以通过例如在作业中使用的泵送设备来更加精确地控制，并且作为示例可以与冲 击压力的引发无关地在期望的流动下被保持一致或接近一致。根据上述内容的方法因此可 以例如在流体喷入和注入作业中是有利的，其中在所述流速方面波动最小的适度的流体流 速可以是期望的，目的是降低地层中流体早突进和粘性指进的风险。关于注水作业，已经完 成的实验室规模的实验表明：与恒定静压驱动的流动相比，通过由碰撞过程引发的冲击压 力的应用，将烃类采收率提高了 5-15%。提高的采收率通过未改变的流速获得。
[0028] 所述流体可以进一步包括以下分组中的一种或多种：主要是水、固结液、处理液、 清洗液、钻井液、压裂液或水泥。所述流体可以包括一种或多种溶剂、颗粒物和/或气体夹 杂物。
[0029] 在涉及流体传输的流体系统中，流体在一些时候几乎不可避免地包括气体夹杂 物，例如形式为来自起点的、系统中截留的空气。而且，流体中可以由于湍流或者由于第一 壁部冲击在流体上的碰撞过程而形成气泡。任何这样的气体夹杂物由于重力而自然地升高 并聚集在腔室中的一个或多个区域，在这些区域气体夹杂物不能再继续升高。这最常出现 在腔室的最上部。由于所述方法包括设置腔室例如以避免气体夹杂物的积聚，因此在第一 壁部冲击流体的地方实现了对流体执行冲击而不对气体夹杂物执行冲击或者仅对气体夹 杂物执行最小冲击。由此减小了第一壁部的位移，原因是流体的可压缩性明显低于气体夹 杂物的可压缩性。
[0030] 由于从冲击物体到流体的能量转化更好，因此减少或避免气体夹杂物在冲击区域 附近积聚就导致了更高幅值的冲击压力、更短的上升时间和更短的接触时间。
[0031] 此外，通过减少或避免气体夹杂物在冲击区域附近积聚而导致降低了流体中的气 蚀风险，气蚀经常会导致流体系统中的磨损和损坏。这些效果的获得是由于冲击能量主要 被转化为流体中而不是气体夹杂物中的冲击压力。
[0032] 由于物体设置在流体外侧以与第一壁部碰撞，因此可以实现物体的不是全部也是 绝大部分的动量被转化为流体中的冲击压力。另外，在碰撞过程是在流体中向下引导的情 况下，物体的一部分动量将在碰撞之前的流体位移中损失。
[0033] 运动的物体可以直接用第一壁部或者间接地通过其他的碰撞来碰撞或冲击。腔室 和壁部可以包括不同的形状。腔室可以包括装有活塞的圆筒，其中物体与活塞或圆筒碰撞。 腔室可以包括彼此插入的两个圆筒部分。例如是活塞形状的第一壁部可以包括位于腔室中 的流体上方或完全浸没在流体中的头部。此外，第一壁部可以相对于腔室的周围部分布置 在轴承中或者可以松散地保持就位。腔室可以连接至一条或多条管路，所述管路设置用于 在腔室中的流体和储层之间流体连通，其中流体例如可以在譬如地层或井眼的烃类采收作 业中施加。另外，腔室可以设置为使得流体通过腔室传输。
[0034] 碰撞过程可以通过促使一个或多个物体从指定高度下落到第一壁部上而简单地 产生。引发的冲击压力的规模可以相应地由下落物体的质量、下落的高度以及主体与流体 相接触的横截面积决定。因此，引发的冲击压力的幅值和引发冲击压力的时间可以轻易地 进行控制。类似地，可以通过调节例如碰撞过程中的物体的质量、下落高度、碰撞物体的相 对速度或第一壁部与流体相接触的横截面积（例如直径）来轻易地调节、改变或定制压力 幅值。这些调节的可能性可以证实在流体注入和流体灌入方面特别有利，原因在于正常的 储层压力和破裂压力之间的压差经常会比较窄。
[0035] 由于无需任何直接的气动式动力源即可执行碰撞过程，因此提出的方法可以通过 更小和更为紧凑的设备执行。此外，与例如常规的压力脉冲技术相比，提出的方法的动力要 求较低，原因是通过碰撞过程或冲击可以将更多的能量转化为流体中的冲击压力。
[0036] 提出的施加冲击压力的方法可以有利地在需要的场所或其附近作业而没有对冷 却、清洁环境、稳定性或类似特殊条件的任何特定要求，这就使得提出的方法有利于在恶劣 条件下的现场应用。例如，在烃类采收作业中，所述方法可以有利地从平台或更接近地表的 位置作业。与地震激发中工具作用在固体结构上并且需要在被激发的固体上也就是直接在 井眼的底部上执行下落的负载和砧台之间的冲击相比，用于执行根据本发明实施例的方法 的系统并不局限于任何特定的位置且无需一定要布置成浸没到井眼的底部中或向下布置 在海床上。
[0037] 通过更加靠近或者例如就在地面上或平台上等布置系统和应用提出的方法，即可 有利地只需比较廉价的设备并获得更简单和更廉价的维护，特别是在考虑离岸作业时更是 如此。
[0038] 此外，由于确信冲击压力能够以最小的损失长距离地传输，因此建议的方法如果 需要即可类似地与要施加冲击压力的储层离开一定的距离来执行。
[0039] 此外，由于根据本发明的方法并不在井眼内或井眼以下或接近于地层实施，因此 冲击压力完全可以同时引入多个井眼或流体注入场所。
[0040] 此外，提出的冲击压力产生方法通过冲击压力产生设备的简单装配即可有利地在 已有的流体系统上执行而无需或仅需最小的调整。
[0041] 通常，压力脉冲的使其适合于在烃类采收作业中应用的特征是压力脉冲如上所述 类似于陡锋地在流体中传播。由于冲击压力具有更尖一些的陡锋或者更短一些的上升时 间，因此冲击压力表现出与压力脉冲相同但是明显更高程度的重要特性。
[0042] 关于从多孔介质中采收烃类，人们相信高压和可以通过根据本发明的方法和系统 获得的、（并且与可以通过其他的压力激发方法获得的上升时间相比之下）非常短的上升 时间相结合在孔喉的长度上提供了能够克服毛细管阻力的足够的压差。压差被保持足够 长的时间，该足够长的时间是与瑞利时间相同的数量级（或者比瑞利时间更长）。与此同 时，相对较短的时长确保冲击压力的时间平均值不会显著影响用于多孔介质的达西关系式 (Darcy relation)，由此降低早突进和粘性指进的风险。
[0043] 在这方面，由本发明建议的冲击动力学（碰撞过程）的应用提供了一种简单和有 效的方法，用于在接近于瑞利时间的一定时段内保持足够的压差。此外，碰撞过程期间的接 触上升时间可以如图所示在随后通过应用Hertz碰撞理论来进行估算，并且可以很短且与 瑞利时间是相同的数量级，有利地用于从多孔介质中获得增加的烃类采收率。通常，冲击压 力的上升时间（压力从零增加至最大幅值的时间）是1毫秒（〇· 〇〇1秒）的数量级或更短。 短的上升时间使得冲击压力在应用于采收烃类流体时是特定的。
[0044] 根据一个实施例，碰撞过程包括通过重力促使物体下落到第一壁部上。如前所 述，这样即可由此通过简单的装置获得造成相当大规模的冲击压力的碰撞过程。引发的压 力的幅值可以作为物体的下落高度、物体的冲击速度、物体质量、第一壁部的质量及其与流 体接触的横截面积的函数来确定和控制。有利地可以获得在50-600Bar的范围内，例如在 100-300Bar的范围内，例如在150-200Bar的范围内的压力幅值。上述参数影响冲击压力的 上升时间，测量点处的冲击压力的上升时间有利地可以在0. 1-100晕秒的范围内，例如在 0. 5-10毫秒的范围内，例如约为几毫秒譬如约为0. 01-5. 0毫秒。
[0045] 根据一个实施例，物体在空气中与第一壁部相撞。
[0046] 在本发明的进一步的实施例中，根据上述任何一部分内容所述的方法还包括按照 一定的时间间隔产生多次所述的碰撞过程。这可以用于增强在流体中引发的冲击压力的效 果。冲击压力可以用规则的时间间隔或不相等的时间间隔引发。作为一个示例，冲击压力 可以在烃类采收作业的早期较频繁且以较短的时间间隔引发，并且在后期以较长的时间间 隔引发。冲击压力之间的时间间隔例如可以根据在相同的时间对地层执行的测量（例如压 力测量）来控制和调节。
[0047] 根据本发明的实施例，生成碰撞过程的时间间隔在2-20秒的范围内，例如在4-10 秒的范围内，例如约为5秒。最优的时间间隔可以取决于多种因素例如地层的类型、地层的 孔隙度、破裂的风险等。优选的时间间隔可以取决于多种因素例如施加的压力幅值和上升 时间。
[0048] 在一个实施例中，所述方法包括产生第一序列的碰撞过程、然后产生第二序列的 碰撞过程的步骤，所述第一序列的碰撞过程具有压力幅值、压力上升时间和碰撞间隔时间 的第一设定，所述第二序列的碰撞过程具有压力幅值、压力上升时间和碰撞间隔时间的不 同设定。例如，爆发的冲击压力可以用这种方式周期性地传输。这在增强冲击压力的效果 方面可以是有利的。如前所述，例如通过调节运动物体的重量或者通过调节物体的下落高 度即可相对简单地修改和控制引发的冲击压力的幅值和时间间隔。
[0049] 在本发明的实施例中，通过改变运动物体的质量和/或改变运动物体在碰撞之前 相对于所述第一壁部的速度来改变压力幅值和上升时间的所述设定。冲击压力的参数例如 压力幅值或上升时间由此即可根据需要用简单而又有效并且可控的方式来改变。
[0050] 本发明进一步的应用涉及一种用于在流体中生成冲击压力的冲击压力生成系统， 所述流体对储层使用以用于从储层中采收烃类，所述系统包括通过至少一条管路与所述储 层流体连通的、至少一个部分充注流体的腔室，并且所述腔室包括可以彼此相对运动的第 一壁部和第二壁部。所述系统进一步包括设置在所述流体的外侧的物体，用于在碰撞过程 中与所述第一壁部碰撞，由此冲击所述腔室中的流体，在所述流体中生成通过所述管路向 所述储层传播的冲击压力。所述腔室相对于腔室中的某一区域设置，气体夹杂物通过重力 的影响而自然地聚集在所述区域中，使得通过将所述管路设置在任何气体夹杂物自然聚集 的所述区域中或所述区域附近，和/或通过将冲击流体的所述第一壁部布置成远离所述区 域，避免气体夹杂物在所述第一壁部冲击所述流体的地方积聚。所述系统的优点与先前参 照用于生成冲击压力的方法所述的优点相同。
[0051] 在本发明的实施例中，第一壁部形成有活塞，且所述腔室进一步包括所述活塞和 所述第二壁部之间的轴承。由此即可获得一种能够承受与物体的很多次碰撞的可靠系统。 此外，轴承可以确保活塞和第二壁部元件之间紧密的密封，同时允许活塞在碰撞过程期间 有一定的位移。
[0052] 在本发明的实施例中，所述腔室包括通过第一壁部分隔的第一腔室和第二腔室， 并且所述第一壁部包括在所述腔室之间的开口。由于所述开口，在第一壁部的两侧存在相 同的流体压力。与第一壁部碰撞的物体因此无需克服流体压力，并且更大量的碰撞能量可 以转化为冲击压力。
[0053] 在本发明的实施例中，所述物体具有的质量在10-10000千克的范围内，例如在 10-2000千克的范围内，例如在100-1500千克的范围内或者在200-2000千克的范围内， 例如在500-1200千克的范围内。可以被促使下落到第一壁部上的所述物体的下落高度在 0. 02-2. 0米的范围内，例如在0. 02-1. 0米的范围内，例如在0. 05-1. 0米的范围内，例如在 0. 05-0. 5米的范围内。由此可以在流体中获得在非常短的上升时间上有大幅值的冲击压 力。而且，所述冲击压力生成系统可以通过该物体获得，并且在上述范围内的下落高度可以 是可控的尺寸且符合可控的结构要求。
[0054] 在本发明的一个实施例中，所述系统通过另一条管路连接至第二储层，并且所述 系统进一步包括从所述第二储层提供流体流动通过所述腔室并流入第一储层的泵送装置。 由此即可通过所述泵送装置简单地控制和调节流速。
[0055] 在本发明的一个实施例中，所述系统的管路连接至从地面通向储层的井眼，并且 其中所述腔室布置在井眼的外侧。地面例如可以是海床或者在平地上。由此获得的所述系 统可以比布置在井眼以下更加方便地布置，例如对空间的要求比较宽松、布置在不太严苛 的环境中或者更加易于进行维护和维修的操作。
[0056] 本发明的另一方面涉及根据先前所述用于从地下储层内的多孔介质中采收烃类 流体的烃类采收所用的方法或系统，所述地下储层与管路流体连通以使冲击压力在至少部 分地流入多孔介质的流体中传播。
[0057] 其优点与先前参照用于在流体中生成冲击压力的方法和系统所述的优点相同。

【专利附图】

【附图说明】
[0058] 在下文中将参照附图介绍本发明不同的实施例，在附图中：
[0059] 图1A-D示出了可应用于理解冲击压力的冲击的物理原理，
[0060] 图2-3示出了用于在流体中产生冲击压力的、与地下储层流体连通的装置的实施 例，
[0061] 图4A示出了在伯里亚（Berea)砂岩岩心上的实验期间获得的冲击压力的典型形 状，
[0062] 图4B更加详细地示出了在伯里亚砂岩岩心上的注水实验中获得和测量的单次冲 击压力，
[0063] 图5-6提供了在伯里亚砂岩岩心上使用冲击压力的实验测试期间应用的构造的 示意性概视图，
[0064] 图7是在有和没有冲击压力的注水实验中获得的一些结果的概述，以及
[0065] 图8-14示出了根据本发明的冲击压力产生装置的不同实施例。

【具体实施方式】
[0066] 冲击压力类似于在流体中传播的压力波并且通过运动的固体物体与流体相撞或 者流动的流体与固体相撞的碰撞过程产生。后者描述了水击现象，其中流动的流体的动量 被转化为流体中的冲击压力。
[0067] 固体和流体之间的碰撞过程的物理特性在下文中通过首先根据理想的撞球模型 分析研究固体物体之间的碰撞来更加详细地介绍。
[0068] 在图1A中列举了撞球模型，图中示出了在两个撞球1和2之间的碰撞过程期间的 不同阶段。图中所示的阶段从头开始是：1)球1以速度U向静止的球2运动的阶段，2)最 初接触时间，3)最大压缩时间（有所放大），4)最终接触时间，以及5)球2以速度U运动 且球1静止的阶段。阶段2-4是冲击阶段的部分（或者仅仅是冲击）。冲击在最初接触时 间（第二阶段）开始并且在最终接触时间（第四阶段）结束，并且接触时间是从最初接触 到最终接触的时长。
[0069] 撞球模型将碰撞过程作为在压缩（加载）和复原（卸载）的循环期间没有动能损 失的完美弹性过程来建模。撞球模型假设碰撞过程期间在球之间没有渗透也没有材料部分 的交换。球1的相对速度U是冲击速度，并且在最初接触时间（第二阶段）之后，如果不是 在两个球之间的接触区域出现的接触作用力，那么两个球也会有互相的渗透。
[0070] 接触作用力随着接触和压缩面积的增加而增加。在碰撞期间的某一时刻，由接触 作用力做的功足以使两个球的接近速度变为零。该时刻就是最大压缩时间（第三阶段）。球 1在压缩循环期间的位移（压缩量）可以通过使用能量守恒MU 2 = 2FA s和动量守恒FA t =MU来估算，其中As是用于让功FAS与动能相等所必须的位移。接触时间是At，并且 因此位移被描述为Δ s = U Δ t/2。
[0071] 接触时间的估算可以通过应用Hertz的碰撞理论来获得，该理论解决了完全刚性 的球体和完全刚性的平面的碰撞问题。Hertz定律可以表达为： Λ J-f· / μ2 \ ；
[0072] ik = 2.86 f -- J ψεΨ?υ/
[0073] 其中El皮描述为： i 1 _ cr著 1 - cTg
[0074] - s --- -|--- r Et e2
[0075] E是弹性模量且σ是用于球体（1)和平面（2)的泊松比。Landau和Lifschitz 修改了 Hertz定律以得到用于质量为Μ且半径为R的两个理想球的公式： /(1 ? σ2)2Μ2\1/5 _] Μ = 329 --;- \ re2u /
[0077] 其中E是弹性模量且σ是用于两个球的泊松比（参见Landuh和Lifschitz的 Theory of elasticity, Theoretical Physics, Vol. 7, 3rd edition, 1999, Butterworth-He inemann，Oxford)〇
[0078] 由酚醛树脂制成的撞球具有约5. 84GPa的弹性模量和约0. 34的泊松比。两个相 同的、R = 2. 86厘米且Μ = 170克的撞球以U = lm/s的冲击速度相撞，具有0. 13ms数量 级的接触时间，并且因此Λ s将是0. 065mm的数量级。接触作用力可以通过使用公式F = MU/ Λ t和上述的数值来估算，由此获得与质量约130kg的物体的重量相等的1. 3kN数量级 的接触作用力。与两个撞球的质量（170g)相比，这是一个巨大的数值。这些观测结果形成 了刚性体碰撞理论的基本前提。尽管接触作用力大（1.3kN)，但是在非常短暂的接触时段 (0. 13ms)期间发生的移动非常小（0. 065mm)。
[0079] 图1B列举的碰撞过程涉及五个撞球的链条，并且图中示出了从头开始的以下阶 段：1)球1以速度U向全部处于静止的球2-5运动的阶段，2)冲击阶段以及3)球5以速度 U运动且球1-4处于静止的阶段。球1和2之间的压缩循环在球1和2之间的最初接触时 间处开始，并且所述压缩循环在球1和2之间的最大压缩时间处结束。复原循环在所述最 大压缩时间处开始，但是球2和3之间的另一个压缩循环在与所述复原循环相同的时间开 始。由此，球1和2之间的复原循环与球2和3之间的压缩循环并行发展。
[0080] 复原和压缩的这种对称性沿着撞球1-5的链条传播，直到球4和5之间的复原循 环为止。最后一个复原循环以球5用速度U运动而结束，并且由此通过球链传播对称的复 原和压缩而将动量MU从球1传递至球5。对称的复原和压缩在球5处被打破，并且由此所 述传播使球5产生运动。要注意的是用于图1B所示系统的总接触时间不是4 △ t而是等于 例如在Eur.J.Phys. 9,323(1988)中公开的3. 5 At，其中At是参照图1A介绍的系统所用 的接触时间。这就表明压缩循环和复原循环如上所述在时间上是重叠的，并且用于3个、4 个和5个撞球的链条的接触时间分别是1. 5 Λ t、2. 5 Λ t和3. 5 Λ t。
[0081] 图1C列举了与参照图1Β介绍的系统相类似的碰撞过程，区别在于此处涉及固体 和流体介质之间的碰撞。球1在此与活塞2相撞，活塞2冲击流体，相应地再冲击活塞4,由 冲击压力带来的动量的至少一小部分被转化为球5的运动。活塞2和4能够在注有两种液 体的缸中运动，缸通过管路3流体连通。球1和活塞2之间的压缩循环在最初接触时开始。 活塞2和第一液压缸中的流体之间的压缩循环也在冲击期间出现，但是该压缩循环是在所 述球1和所述活塞2之间的最大压缩时间之前开始，原因是与固体相比，流体的可压缩性较 小。
[0082] 参照图1B介绍的复原和压缩的对称循环通过撞球链条的传播类似地在此存在于 图1C所示的系统中，在流体中具有另外的复原和压缩的对称循环。流体中的传播是作为 冲击压力传输，这就在冲击压力通过流体传输时引发了流体中的压缩循环和随后的复原循 环。
[0083] 在管路3中的某一点测量的冲击压力的时间宽度或时长可以通过对接触时间应 用Hertz定律来估算： / Μ2
[0084] Δ? = 2 86 I ----- 1 {re^uJ
[0085] 用于冲击压力的时间宽度的相关数值可以通过应用如上所述针对E*的表达式、 为流体使用〇. 5的泊松比并将流体的体积模量用作弹性模量来获得。但是，要注意的是时 间宽度应该是3. 5 Λ t的数量级，原因是总的碰撞过程涉及5个物体（两个撞球、两个活塞 和一种流体）。
[0086] 如上所写的E#的总弹性模量通过对水应用0. 22GPa的体积模量而变为0. 37GPa。 这就表明具有最小弹性模量的材料决定了 E#的总弹性模量的值。作为一个示例，R = 2. 86cm且M = 170g的球1以U = lm/s的冲击速度碰撞到活塞2上，得到0. 37ms数量级的 接触时间。因此管路3中的冲击压力的时间宽度可以估算为1. 3ms (0. 37*3. 5)的数量级。 [0087] 球1与活塞2相撞的事件和球5的突然运动在时间上分离，并且所述分离可以根 据管路3的长度而相当明显。图1C中的冲击物理特性并未介绍其全部细节。但是，关键点 在于通过碰撞过程产生的冲击压力涉及固体物体（球1)的运动，并且冲击压力带有（或包 含）能够被转化为固体物体（球5)的运动（和动量）的动量。
[0088] 图1D列举了与参照图1C介绍的系统相类似的碰撞过程，其中示出了在流体中产 生冲击压力的各个阶段。球1以速度U向（上方的）液压缸中的活塞2运动，并且冲击可 运动地安置在（下方的）注入流体的缸中的活塞2。液压缸通过管路3与地下储层6流体 连通，以使冲击产生传播到地下储层中的冲击压力。冲击压力可以在地下储层中引发运动， 并且可以由此使得地下储层中在正常情况下由于各种作用力例如毛细管作用力而不能运 动的流体进行运动。
[0089] 图2示出了用于在流体中产生冲击压力的装置200的可行实施例，流体在此注入 到地下储层中。装置在此包括置于液压缸201中的活塞202,液压缸201具有开口 104并 且通过管路110流体连通至容器232以及例如通过将管路110连接至井的井口而流体连通 至地下储层332。具有活塞的液压缸在注有流体的腔室中形成可以彼此相对运动的两个壁 部。装置可以可选地或附加地连接至任何其他类型的、但不必置于地下的容器。在本实施 例中，阀121、122设置在管路中以使流体可以仅沿从容器232到地下储层332的方向位移， 由此流体例如可以用于置换烃类和/或其他流体。在其他的实施例中，管路中不设置阀或 者仅在部分管路中设置阀。为了降低冲击压力沿任何不需要的方向例如朝向容器232传播 的可能性，可以使用一个或多个阀。阀可以是在其入口和出口之间存在压差时关闭的止回 阀。阀也可以是普通的阀，装有用于在碰撞过程期间将阀关闭的某种装置。
[0090] 在物体208碰撞流体外侧且活塞202冲击液压缸中的流体时，冲击压力通过所述 装置产生。与来自容器232的流体一起，冲击压力以声速向地下储层232中传播。以下参 照图3、图5和图8-14更加详细地介绍装置200的不同实施例。
[0091] 从一个容器到地下储层的流动可以简单地通过两者之间的静压差产生，或者可以 可选地或附加地通过泵送装置产生。用于产生冲击压力的装置可以类似地被用于在非流动 性的流体中产生冲击压力。
[0092] 容器232和液压缸201之间或者可选地或附加地容器232和泵送装置之间的静压 头用于在通过物体的每一次冲击之间将活塞202推向其极端位置。用于在碰撞之后使活塞 202运动返回其起始位置的其他装置如有必要也可以使用。图示实施例中的活塞极端位置 是其最上方的位置。系统中可以包括用于阻止活塞202从液压缸201移出的装置。活塞 202的一个端侧与流体相接触。活塞202可以置于液压缸201中，并用密封装置限制流体在 液压缸201和活塞202之间漏出。
[0093] 由于活塞与流体相接触，因此物体与活塞的冲击引发活塞202在缸中的位移，该 位移与物体208和活塞202之间的冲击期间的接触时间以及物体208的冲击速度成正比， 正如以上参照图1A介绍的那样。因此，如果与活塞为了通过流体脉动而形成可测量幅值的 压力脉冲而应该强行向上和向下的位移相比，活塞的位移非常小、几乎不可见和不明显。此 夕卜，与例如通常用负载来冲击抵靠固体骨架放置的某种砧台的地震激发工具相比，所述装 置使用了完全不同的原理。在此情况下，冲击由此传递至固体，而在此被冲击的活塞冲击流 体以在流体中产生冲击压力。由物体的冲击造成的活塞位移实际上是由于恰好在活塞下方 的流体的压缩而不是由于流体的任何受迫运动。
[0094] 容器232和液压缸201之间相当大的静压头以及通向和来自缸的管路中的大流动 阻力也可以影响到接触时间的缩短。这样的流动阻力可以缘于管路的很多特征，例如管路 中具有小横截面积的分段、管路的长度、管路的壁部处的流动摩擦以及沿管路的弯曲。
[0095] 但是，对于短接触时间来说最重要的原因是在冲击期间阻止流体运动（或活塞 202的位移）有任何明显改变的流体惯性。冲击因此主要是在流体中引发了压缩循环，该压 缩循环作为来自液压缸201的冲击压力传输，也正如参照图1C所介绍的那样。
[0096] 冲击压力自身在流体中以声速向储层332和容器232运动（除非被阻止这样做） 而并不在容器232和储层332之间提供任何的净流体传输。图2因此示出了用于产生冲击 压力的装置200的一个可行实施例，其中装置自身并不引发任何的净流体传输。
[0097] 短的接触时间导致冲击压力的大正压幅值和非常短的上升时间。接触时间（以及 由此活塞位移）的缩短或最小化是提高冲击压力产生系统在可获取的压力幅值、上升时间 和时长方面的效率方面所需要的。
[0098] 冲击压力的高幅值和短上升时间被认为在烃类采收作业中有利于提高地下储层 332中的穿透速率并抑制用于在高压流动状态中阻挡和保持地下储层的任何趋势。这种高 压流动状态增加了来自容器232的流体能够注入到地下储层332中的速率和面积。烃类采 收作业经常涉及用在图2中来自于容器232的另一种流体来置换地下储层中的烃类，并且 这种流体交换通过传播到地下储层中的冲击压力而得到增强。
[0099] 具有负压幅值的冲击压力可以产生作为在流体中传播并且被促使在系统中有所 反映的冲击压力。这样的负幅值能够导致系统中不合需要的气蚀，这一点可以通过使来自 容器的流体充分内流而避免。
[0100] 图3列举了冲击压力产生装置200的另一个实施例。在此，装置被进一步耦合至 流体输送设备340 (例如泵）以及在阀224和容器232之间插入管路212中的蓄压器350。 与先前的图2中相类似，所述装置通过连接至井312的井口 311的管路211流体连接至地 下储层332。
[0101] 容器232中的流体流过管路212、流体输送设备340、蓄压器350、阀224、液压缸 201、管路211、井口 311、井312并流入地下储层332。流体输送设备340有助于从容器232 输送流体并送入地下储层332中。来自容器232的流体被注入地下储层332,或者来自容器 323的流体置换地下储层332中的其他流体。物体208在活塞202上的冲击产生传播到地 下储层332中的冲击压力。
[0102] 蓄压器350用于衰减从液压缸201通过阀224并朝向流体输送设备340传递的任 何冲击压力，并由此阻止具有较大幅值的冲击压力干扰到流体输送设备340的作业。蓄压 器350也可以容纳在碰撞过程期间由于流体输送设备340的连续输送模式而可能在管路系 统中累积的任意少量的流体。
[0103] 但是，图2和图3所述系统的缺点在于需要经常去除系统中截留的气体夹杂物。通 常，流向液压缸201以及从液压缸201流出的流体可以包含流体或其他溶解流体的混合物。 在大多数情况下，系统将不可避免地包括气体夹杂物例如溶解在水流体中的气泡。这样的 气体夹杂物几乎从流体系统的起点开始一直存在，并且如果不通过例如排气而仔细地去除 那就能够与流体一起围绕系统行进。而且，气泡可以在水中由于湍流或者由于物体208对 活塞202的冲击而生成。这样的气体夹杂物通常由于重力的影响使得气泡在流体中上升而 倾向于聚集在装置的最上方区域中。在图2和3简要示出的装置中，这些小气体夹杂物例 如气泡将自然地聚集在活塞202下方的缸最上部的区域中。在此，除非被阻止，否则气体夹 杂物可以随着时间而积聚并形成气体夹杂物的聚集，最终产生大气泡。如果未被去除，那么 由活塞施加的冲击可以造成气泡靠近活塞的气蚀，这可能会损坏设备。而且，气泡被确信会 降低碰撞过程的效果，减小产生的冲击压力的幅值并增加上升时间。
[0104] 图4A和4B示出了通过在图5所示的装置上产生冲击压力以及根据图6简要示出 的实验装置获得的压力随时间变化的示例。
[0105] 图4A将流体中的压力P，400示出为在固定位置测量以及在产生3次冲击压力402 的时段内的时间t，401的函数。图4B中更加详细地示出了单次的冲击压力，还示出了从产 生冲击压力到经过压力峰值的时段或时间宽度404中的冲击压力402的典型形状，以及从 检测到冲击压力开始直到获得其最大值（幅值，403)为止的上升时间405。通常，与可以通 过常规的压力脉冲技术获得的压力相比，冲击压力得到非常高和尖锐的压力幅值，也就是 说，冲击压力通常得到明显更高的压力幅值和明显缩短的上升时间以及明显缩短的冲击压 力时长。
[0106] 图4A和4B中经实验获得的压力曲线是通过将图5所示的构造用于在伯里亚砂岩 岩心上的注水实验中产生冲击压力而获得。
[0107] 在此，冲击压力通过物体208和活塞202之间的冲击缸201中流体的碰撞过程产 生。在实验装置中，流体泵送设备540连接至管线212和513。贮液器531容纳有用于岩心 注水实验的盐水。伯里亚砂岩岩心栓安装在连接至管线211和512的容器532中。单向阀 522连接至两个管线512和514,并且管533基本坚直地安置并用于测量在岩心注水实验期 间采收的油的体积。管533通过管线515连接至在其中收集盐水的贮液器534。
[0108] 在实验期间，盐水从贮液器531中通过置于容器532中的芯材泵送。在这些实验 中，使用了具有约100 -500mDarcy (毫达西）的不同渗透性的伯里亚砂岩岩心，它们在实验 之前根据标准方法用油饱和。从通过盐水的注水法采收的油在实验期间将在管533的上部 累积，并且在贮液器534中收集的盐水的体积则等于通过泵送装置540从贮液器531传输 的体积。在这些实验中应用的更具体程序遵照关于在伯里亚砂岩岩心上的注水实验的标准 方法。
[0109] 管线212是柔性的以容纳任何小体积的流体，该小体积流体可能是由于通过泵送 装置540连续输送流体导致的在活塞202与物体208之间的碰撞过程期间在管线中累积 的。
[0110] 活塞502在支架中置于缸201中，且活塞下方的缸空间用流体填充。在实验中，使 用用于约20ml水的液压缸。流过容器532的盐水的总体积看成近似对应于泵送装置的固 定流量。因此包括液压缸201、活塞202和物体208的设备在这些实验中对盐水的传输几乎 无明显贡献。物体与活塞的碰撞发生在非常短的时间间隔期间。因此，流体不能通过导致 流动增加且因此代替所述固定流量的位移而响应于该高冲冲击作用力。更确切地，流体是 由活塞冲击，并且活塞的动量转化为冲击压力。
[0111] 在进行实验期间的冲击压力是通过将重量为5kg的物体208提升至17cm的高度 并使其下落到缸上，从而与处于静止的活塞202碰撞而产生。使用的液压缸201的体积为 约20ml且内径为25mm，其对应于活塞202的直径。
[0112] 图6是略图，示出了用于在伯里亚砂岩岩心上的实验中的碰撞过程中采用的用于 移动物体的设备，以及如前描述的在伯里亚砂岩岩心上的岩心注水实验中应用的实验装 置。
[0113] 这里通过在流体填充的液压缸202中的活塞202上的冲击负载产生冲击压力。在 坚直放置的杆802上设置物块801，其借助于马达803而被提升至一定高度，从该处允许其 下落到活塞202上并冲击活塞202。因此冲击力通过下落物块的重量和下落高度确定。可 以在杆上安置更多物块并调节冲击负载。液压缸201经由管212连接至流体泵540,该泵从 贮液器804(未示出）将盐水泵送通过缸并通过置于容器532中的初始油饱和的伯里亚砂 岩岩心。在不同的位置连续测量压力。在泵和缸之间的止回阀121 (未示出）确保单向流 动。当已通过伯里亚砂岩岩心时，流体（开始时流体仅是油，而在水突破后，流体几乎仅是 盐水）被泵送至用于收集所采收的油的管和用于盐水的贮液器，正如图5中概述的那样。
[0114] 在许多小时的时间跨度上，用以约6秒（10次冲击/分钟）的间隔产生的冲击压 力来进行实验。
[0115] 通过碰撞导致的活塞202的移动相比于活塞202的直径和液压缸201的容积是可 忽略的，仅导致总流体体积的压缩且并不影响固定的流速。这也可以从下文中导出。液压缸 201的体积为约20ml，并且容器中的伯里亚砂岩岩心中的流体体积为约20-40ml (使用不同 尺寸的岩心）。因此通过与活塞202碰撞的物体208能够压缩的总体积是约50-100ml (包 括一些管线的体积）。约0. 5%的这样的体积的压缩（需要约110巴的压力，因为水的体积 模量为约22000巴）表示体积减少约0. 25-0. 5ml，对应于活塞202向下的位移为约1mm或 更小。因此，活塞502在约5毫秒的时间间隔内移动约1_，在此期间冲击压力能够传播约 5-10m。这种运动相比于活塞202的直径和液压缸201的体积而言是可忽略的。
[0116] 如上所述，图4A示出了作为对于所进行的实验之一的时间函数，在容器532的入 口处测得的流体中的压力。通过使质量为5kg的物体208从17cm的高度落到活塞上而产 生冲击压力。碰撞（以及由此冲击压力）在约6秒的时间间隔内产生。产生的冲击压力的 压力幅值在70-180巴或甚至更高的范围内测量，因为实验中使用的压力计仅能测量到最 多180巴。相比而言，为了向下推动或压缩（不是锤击）活塞以产生仅约10巴的静压力，将 需要质量约50kg的物体。由于在伯里亚砂岩中的流体状态（湍流等）和条件对于各次冲 击各不相同，因此通过在实验过程期间改变这些条件就可以解释测得的冲击压力的变化。
[0117] 图4B中更详细地显示了单次的冲击压力，也示出了如在伯里亚砂岩岩心上的实 验室注水实验中所获得和测得的压力瞬变的典型形状。注意到在这些实验中的每一次冲击 压力的幅值是约170巴（约2500psi)，并且时间宽度是近似或大约5毫秒，由此产生非常陡 峭的压力锋以及非常短的上升和下降时间。相比而言，通过快速打开阀门导致的压力脉冲 所获得的压力振幅的宽度为数秒并且通常小于10巴。
[0118] 图7是在之前描述的在伯里亚砂岩岩心上的注水实验中所获得的一部分结果的 总结。进行了在没有冲击压力（标记为"A"）和有冲击压力（标记为"B"）下的对比实验， 并且彼此分别列在图7的表中，且对应于不同的注水速度。
[0119] 在没有冲击压力下进行的实验（标记为"A"）是用静压力驱动流体流来进行的，其 中泵送装置540直接耦接于芯缸532。换言之，包括活塞202和物体208的液压缸201中的 冲击压力产生装置200被断开或绕过。在两个系列的实验中，使用相同的Decan油类型。
[0120] 平均（在岩心栓的横截面上）注水速度（按μ m/秒计）通过泵送装置的流量给 出。在所有实验中，用于产生压力瞬变的装置对总流量及因此对注水速度的贡献都是可忽 略的，这是期望的，因为高注水速度可能导致被注入的水更不均匀渗透，并因此导致早期的 水突破。在实验3B中，实验装置还包括置于液压缸501和流体泵送装置540之间的蓄压器。 蓄压器中的超压提供了导致表中报告的30-40 μ m/秒的高注水速度的额外泵送效果。理想 地，该超压应该被消除。图7中包括的结果3B可以被视作表明了即使在高注入速度的情况 下也能获得改进的油采收。通常，大流速导致粘性指进并由此导致较低的油采收。该实验 结果因此表明冲击压力阻止了粘性指进的形成，这可以通过冲击压力具有的上升时间和幅 值能够得到克服伯里亚砂岩岩心中的毛细管阻力的压差来解释。
[0121] 如从实验数据可看到的，对注水法施加冲击压力导致油采收率的显著提高，范围 在约5. 3-13. 6% (分别在实验2和4中），因此明确地证实了根据本发明所提出的烃类采 收方法的潜力。
[0122] 物体和活塞之间的接触时间以及由此得到的碰撞接触时间的估算可以根据与如 上参照图1C列举的相同的导出方式来获得，不过在此是用于5kg的钢球（R = 5. 25cm且泊 松比约为0. 28)和水之间的理论碰撞过程。通过对水使用0. 22GPa的体积模量以及对钢使 用215GPa的弹性模量，如上所写的总弹性模量变为0. 39GPa。通过使用Hertz碰撞理论获 得3. 17ms数量级的接触时间和约4. 8ms的时间宽度。这可以与实验中根据经验性的压力 对时间的曲线测量的冲击压力的约5ms的测量时间宽度相比较。
[0123] 实验测量的冲击压力的时间宽度因此与根据Hertz碰撞理论确定的用于接触时 间和时间宽度的估算值很好地吻合。但是，Hertz碰撞理论仅适用于具有弹性的固体。使 用体积模量来代替弹性模量将只能提供固体（有弹性）和流体（没有弹性）之间的碰撞过 程所用的接触时间的估算值。
[0124] 总之，在注水期间使用压力激发例如冲击压力在要获取改进的油采收时是有利 的。这可以通过高压力结合冲击压力的短上升时间（和时长）在孔喉长度上提供了足以能 够克服毛细管阻力的压差而得到解释。此外，压差可以保持足够长的时间（接近于瑞利时 间），使得（造成毛细管阻力的）流体接触面通过毛细管喉。而且，冲击压力的短上升时间 确保了冲击压力的时间平均值不会在Darcy关系式中做出显著贡献。使用冲击动力学（碰 撞过程）是一种简单且有效的方法，用于产生具有短上升时间的压力激发且用于在接近于 瑞利时间的时段内保持足够的压差，这可以通过短接触时间（通过应用Hertz碰撞理论来 估算）并且是与瑞利时间相同数量级的接触时间来解释。
[0125] 图8A和8B列举了用于产生冲击压力的装置200的不同实施例。装置200包括以 下的部件：注有流体的腔室，其可以是具有两个开口的缸201的形状；可移动地放置在腔室 201中的活塞；连接至液压缸201中的开口的第一管路211和第二管路212 ;以及能够碰撞 活塞202由此冲击主要在腔室的一部分801中的流体的物体208。液压缸201可以螺栓连 接至重型平台或接地。在本实施例中，活塞202被放置在缸中以使其下端（在其最上方的 位置）被刚好放置在或者接近于液压缸201中的开口的上边缘。图8B中的装置200包括 与图8A所述的系统相同的部件，只是在此腔室及其中放置的活塞相对于地面被翻转，以使 得物体208被促使与腔室碰撞以冲击其中的流体。液压缸201在物体208冲击期间的小坚 直位移不会导致对水流的限制。为了适应液压缸201的任何可能的坚直位移，管路211和 212的分段可以制成为柔性的。
[0126] 通常，从管路212(通过液压缸201)流出并流向管路211的流体可以包含流体或 其他溶解流体的混合物。在大多数情况下，系统将不可避免地包括气体夹杂物例如溶解在 水流体中的气泡。这样的气体夹杂物几乎从流体系统的起点开始一直存在，并且如果不通 过例如排气而仔细地去除那就能够与流体一起围绕系统行进。而且，气泡可以在水中由于 湍流或者由于物体208对活塞202的冲击而生成。
[0127] 这样的气体夹杂物通常由于重力的影响使得气泡在流体中上升而倾向于聚集在 装置的最上方区域中。在图8A和8B简要示出的装置中，这些小气体夹杂物例如气泡将自 然地聚集在活塞202下方的缸最上部的区域800中。在此，除非被阻止，否则气体夹杂物可 以随着时间而积聚并形成气体夹杂物的聚集，最终产生大气泡。
[0128] 由于气体夹杂物与流体相比的较高的可压缩性，位于冲击腔室内流体的活塞202 的下方的气体夹杂物将在冲击期间延长接触时间和增加活塞202的位移。存在的气体夹杂 物的量越大，所获得的活塞的位移就越大并且接触时间就越长。这在产生具有大幅值以及 短上升时间和时长的冲击压力方面是不利的，其中关键点在于保持接触时间尽可能的短。
[0129] 因此，气体夹杂物在区域800中的任何聚集和积聚在流体直接冲击的一部分腔室 801中都应该减少或避免。在图8A和图8B的实施例中，这通过从紧邻区域800的、气体夹 杂物将汇集于此的腔室中设置出口 211来实现。由此，气体夹杂物例如气泡将通过水从管 路212流出并流向管路211而被推送到液压缸201以外。在这些实施例中，还通过紧邻或 接近于流体被碰撞过程冲击的位置设置入口，由此改善在腔室的这一部分801中的流通来 减少甚至避免气体夹杂物在腔室中的积聚。
[0130] 图9A和9B示出了用于冲击压力产生的装置200的两个实施例，其中腔室的相对 于彼此可移动的两个壁部901、902通过彼此插入的缸来形成。系统中包括密封装置以限制 流体在缸901和902之间漏出。此外，系统中可以包括由于流体压力克服了缸901的重量 和密封装置中的任何摩擦而用于阻止缸901从缸902移出的装置。
[0131] 在图9A的实施例中，入口 212和出口 211都设置在被物体208冲击的缸901中。 入口和出口相对于气体夹杂物区域800的位移减少或避免了这些气体夹杂物在流体被冲 击的位置801处的任何积聚。在图9B的实施例中，入口 212设置在缸902中且出口 211设 置在被物体208冲击的缸901中。
[0132] 图10A、10B和10C列举了根据本发明产生冲击压力的另一个实施例。装置200在 此包括设置在缸601内的活塞602,活塞602由此将缸601分为两个腔室1001、1002。活塞 602通过第二腔室1002中的开口 605伸出液压缸601。第一管路211和第二管路212连接 至注入流体的第一腔室1001中的两个开口。物体208被设置用于碰撞活塞602,由此冲击 第一腔室1001中的流体，产生传播到管路211和212中的冲击压力，这与先前公开的实施 例相对应。系统中可以包括活塞602和缸壁之间的密封装置以限制流体在腔室之间漏出。
[0133] 此外，系统中可以包括用于阻止活塞602移动超出抵消流体压力的极端位置的装 置。这样的装置可以简单地是活塞602在缸内的一些部分不能移动通过开口 605。
[0134] 开口 604允许流体（例如空气）在作业模式期间流动或被引导流入和流出第二腔 室1002以调节或控制第二腔室1002中的压力。开口 604在一个实施例中可以在作业模式 期间关闭，由此压缩和释放第二腔室中的流体。
[0135] 用这种方式，活塞后方的压力例如可以控制成譬如在被物体碰撞之前完全或部分 超过流体中的压力。这就相应地增加了能够转化为冲击压力的能量总量。
[0136] 图10B示出了可以与图10A中的装置相比较的装置的实施例，只是在此系统的取 向不同且物体208被促使与液压缸相撞。
[0137] 图10B示出了可以与图10A中的装置相比较的装置的实施例，只是在此活塞602 包括流动通道1003,以使得流体能够在腔室1001、1002之间流动，从而可以在第二腔室 1002中设置入口 212。单向阀1004安装在流动通道中，仅允许从第二腔室流出并流入第一 腔室。由于活塞中的流动通道1003,因此在活塞两侧的两个腔室中的压力相同，并且活塞因 此与系统中的静压力无关地不会被流体中的压力移动。物体208对活塞的碰撞仅仅引发向 下的运动，并且因此可以使用其他的装置用于在下一次冲击之前将活塞向其初始的最上方 位置移动。
[0138] 图11-14示出了用于根据本发明产生冲击压力的装置的不同实施例。在这些实施 例中，由于重力而在流体中聚集的任何气体夹杂物所在的区域800已经定位在远离腔室中 被流体冲击的部分801的装置中。
[0139] 在图11中，物体被促使与设置在注有流体的腔室的非水平侧的第一壁部相撞，而 任何气体夹杂物则在腔室最上部的区域800中聚集。
[0140] 在图12中，整个腔室被促使下落到物体（例如地面）上。流体由此在碰撞过程期 间主要在腔室的最下部801被冲击，而任何气体夹杂物则自然地在腔室最上部的区域800 中聚集。
[0141] 在图13中，活塞包括流动通道1003。此外其朝向流体冲击区域1301的下表面凹 陷以使第一腔室1001中的气体夹杂物将沿流动通道向上移动以在远离冲击区域801的第 二腔室内的区域800中聚集。
[0142] 在图14中，活塞朝向流体冲击区域1301的表面相对于水平方向偏移，以使得气体 夹杂物将升高并移动到活塞冲击流体801的位置外侧的区域800。
[0143] 尽管已经介绍了本发明的优选实施例，但是应该理解本发明并不局限于此，而且 可以做出并不背离本发明的多种修改。本发明的保护范围由所附的权利要求限定，并且无 论是字面上还是等价地落入权利要求含义中的所有设备都应认为被涵盖在本发明中。
【权利要求】
1. 一种用于在流体中生成冲击压力的冲击压力生成系统，所述流体对储层使用以用于 从所述储层中采收烃类，所述系统包括通过至少一条管路与所述储层流体连通的、至少部 分充注流体的腔室，所述腔室包括可以彼此相对运动的第一壁部和第二壁部，所述系统进 一步包括设置在所述流体外侧的物体，所述物体用于在碰撞过程中与所述第一壁部碰撞， 由此冲击所述腔室中的流体，在所述流体中生成通过所述管路向所述储层传播的冲击压 力，其中所述腔室包括气体夹杂物通过重力的影响而自然地聚集于此的某一区域，并且其 中所述腔室设置成：通过将所述管路布置在所述区域中或所述区域附近，或者通过将冲击 所述流体的所述第一壁部布置成远离所述区域，从而避免气体夹杂物在所述第一壁部冲击 所述流体的地方积聚。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第一壁部形成有活塞，且所述腔室进一步包 括在所述活塞和所述第二壁部之间的轴承。
3. 根据先前权利要求中的任意一项所述的系统，其中所述腔室包括通过所述第一壁部 分隔的第一腔室和第二腔室，并且所述第一壁部包括在所述腔室之间的开口。
4. 根据先前权利要求中的任意一项所述的系统，其中所述物体具有的质量在 10-10000千克的范围内，例如在10-2000千克的范围内，例如在100-1500千克的范围内或 者在200-2000千克的范围内，例如在500-1200千克的范围内。
5. 根据先前权利要求中的任意一项所述的系统，其中促使所述物体下落到所述第一壁 部上的下落高度在0. 02-2. 0米的范围内，例如在0. 02-1. 0米的范围内，例如在0. 05-1. 0 米的范围内，例如在0. 05-0. 5米的范围内。
6. 根据先前权利要求中的任意一项所述的系统，其中所述系统通过另一条管路连接至 第二储层，并且其中所述系统进一步包括从所述第二储层提供流体流动通过所述腔室并流 入所述第一储层的泵送装置。
7. 根据先前权利要求中的任意一项所述的系统，其中所述管路连接至从地面通向所述 储层的井眼，并且其中所述腔室布置在所述井眼的外侧。
8. -种用于从储层中采收烃类的方法，所述方法包括： -设置通过至少一条管路与所述储层流体连通的、至少部分充注流体的腔室，其中所述 腔室包括可以彼此相对运动的第一壁部和第二壁部， -在所述流体的外侧设置物体， -通过所述管路在所述流体中提供向所述储层传播的冲击压力，其中所述冲击压力通 过碰撞过程来生成，所述碰撞过程包括所述物体和所述第一壁部之间的碰撞，所述第一壁 部由此冲击所述腔室中的流体， -气体夹杂物通过重力的影响而自然地聚集在所述腔室的某一区域中，将所述腔室设 置成：通过将所述管路布置在所述区域中或所述区域附近以由此输送所述气体夹杂物离开 所述腔室，和/或通过设置所述腔室以使冲击所述流体的所述第一壁部被布置成远离所述 区域，从而避免所述气体夹杂物在所述第一壁部冲击所述流体的地方积聚。
9. 根据权利要求8所述的用于采收烃类的方法，其中所述碰撞过程包括通过重力促使 所述物体下落到所述第一壁部上。
10. 根据权利要求8或9所述的用于采收烃类的方法，其中所述物体在空气中与所述第 一壁部碰撞。
11. 根据权利要求8至10中的任意一项所述的用于采收烃类的方法，进一步包括按照 一定的时间间隔产生多次所述的碰撞过程。
12. 根据权利要求11所述的用于采收烃类的方法，其中产生所述碰撞过程的时间间隔 在1-20秒的范围内，例如在4-10秒的范围内，例如约为5秒。
13. 根据权利要求11或12所述的用于采收烃类的方法，包括产生第一序列的碰撞过 程、然后产生第二序列的碰撞过程的步骤，所述第一序列的碰撞过程具有压力幅值、上升时 间和碰撞间隔时间的第一设定，所述第二序列的碰撞过程具有压力幅值、上升时间和碰撞 间隔时间的不同设定。
14. 根据权利要求13所述的用于采收烃类的方法，其中通过改变所述物体的质量和/ 或改变所述物体在碰撞之前相对于所述第一壁部的速度来改变压力幅值和上升时间的所 述设定。
15. 根据权利要求1至14中的任意一项所述的用于从地下储层内的多孔介质中采收烃 类流体的烃类采收方法或烃类采收系统的用途，其中所述地下储层与管路流体连通以使冲 击压力在至少部分地流入所述多孔介质的流体中传播。
【文档编号】E21B43/00GK104114807SQ201280068778
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月19日
【发明者】J-V·保尔森 申请人:压力技术系统公司