一种电脉冲强化脉动水力压裂的装置及其应用方法与流程

本发明属于水力压裂装置技术领域，具体涉及一种电脉冲强化脉动水力压裂的装置及其应用方法。

背景技术：

我国煤层气资源潜力大，具有广阔的开发前景。但煤储层具有低孔隙度、低渗透的特点，制约了煤层气大规模商业化开采。传统的储层改造技术为水力压裂，可在煤层中形成较宽大的裂缝。单一的裂缝结构使水力压裂技术在部分煤层气井中改造效果不明显，不能大幅提高煤层气产能。传统的储层改造技术与煤层特殊的地质条件间的不匹配成为制约煤层气行业发展的技术瓶颈。结构完整的煤层相比于围岩，力学强度低，脆性较大。实验中发现动态冲击载荷可在煤层中形成密集的裂隙网络结构，裂隙结构复杂，能有效沟通原生孔裂隙。

脉动水力压裂技术是目前储层改造的新方法，通过向储层间歇式注入压裂液，实现类似水锤的冲击作用，利用冲击载荷作用在储层，进而改善储层的裂隙网络结构和渗透性，提高煤层气采收率。目前的脉动水力压裂技术受设备容积限制，无法实现单次大排量压裂液注入，因而射流强度低，冲击力较小，对远距离的储层裂隙改造有限。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种电脉冲强化脉动水力压裂的装置及其应用方法。该装置可大幅提高高压流体可容空间和单次压裂液排放量，同时辅以电脉冲技术提高水射流冲量，实现低频率、大排量、高强度、强冲击作用力的“水锤效应”，适用于煤储层及其他储层的体积改造工程，有利于储层形成密度大且复杂的裂隙网络结构，提高储层的渗透性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电脉冲强化脉动水力压裂的装置，其特征在于，包括井下水力脉动发生系统和电脉冲发生系统；

所述井下水力脉动发生系统包括缸体，所述缸体上上开设有用于连接压裂液油管的开口，所述缸体下部的侧壁上开设有用于通过压裂液的射流口；所述缸体内设置有承压活塞、承压弹簧、承压板和用于控制承压板开闭的电磁开关组件，所述承压弹簧设置于承压活塞的下方，所述承压活塞上开设有与开口连通且正对的通孔，所述承压板设置于所述通孔内；

所述电脉冲发生系统包括设置于缸体内的电脉冲发生器。

上述的电脉冲强化脉动水力压裂的装置，其特征在于，所述电磁开关组件包括具有导电绕组的电磁体和用于控制供应给所述导电绕组电流的触动控制装置；所述触动控制装置包括触动开关、与触动开关电连接的高压电容器，和用于控制触动开关闭合通电的开关弹簧，以及用于触碰触动开关使触动开关开路断电的触发杆；所述触动开关和开关弹簧设置于承压活塞内，所述开关弹簧的一端固定在承压活塞上，所述开关弹簧的另一端固定于触动开关上；所述触发杆的一端固定于缸体内，所述触发杆的另一端向承压活塞延伸且用于触碰触动开关；所述电磁体设置于通孔内。

上述的电脉冲强化脉动水力压裂的装置，其特征在于，所述电磁体为环形电磁体，所述电磁体安装于通孔壁面上；所述高压电容器位于地面上。

上述的电脉冲强化脉动水力压裂的装置，其特征在于，所述高压电容器通过电缆与电脉冲发生器连接。

上述的电脉冲强化脉动水力压裂的装置，其特征在于，所述井下水力脉动发生系统还包括设置于油管与井壁之间用于密封预压裂工段的封隔器。

上述的电脉冲强化脉动水力压裂的装置，其特征在于，所述承压活塞上还安装有用于混匀压裂液的超声波探头。

上述的电脉冲强化脉动水力压裂的装置，其特征在于，所述承压板下固定连接有浮力板，所述浮力板上且远离电磁开关组件的一侧设置有回复弹簧；所述回复弹簧一端固定于浮力板上，所述回复弹簧的另一端固定于承压活塞上。

上述的电脉冲强化脉动水力压裂的装置，其特征在于，所述承压板的材质为钢材质。

上述的电脉冲强化脉动水力压裂的装置，其特征在于，所述缸体内的下部且正对开口处设置有用于将压裂液分流的分流器；所述电脉冲发生器包括发射极和与所述发射极正对的接收极，所述发射极且远离接收极的一端与缸体的底板连接，所述接收极且远离发射极的一端固定连接于分流器上。

此外，本发明还提供一种应用上述装置进行电脉冲强化脉动水力压裂的方法，其特征在于，该方法包括：

压裂液经油管和开口进入通孔，进入通孔内的压裂液压载承压板，承压板带动承压活塞运动并压缩承压弹簧，电磁开关组件控制承压板打开，电脉冲发生系统产生冲击波冲击压裂液，形成电脉冲强化脉动水力压裂液，经射流口冲入储层。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的电脉冲强化脉动水力压裂的装置将井下水力脉动发生系统和电脉冲发生系统有机结合，大幅提高了高压流体可容空间和单次压裂液排放量，提高水射流冲量，在合理的脉冲压裂方法下实现了低频率、大排量、高强度和强冲击作用力的“水锤效应”，适用于煤储层及其他储层的体积改造工程，有利于储层形成密度大且复杂的裂隙网络结构，提高储层的渗透性。

2、本发明的电脉冲强化脉动水力压裂的装置将承压弹簧与承压活塞结合用于形成压差，通孔内的承压板既可封隔油管内压裂液与井底流体，同时又作为压裂冲击的启动装置，以电磁开关组件作为承压板开闭的控制装置，通过电磁体强磁性的存在和消失来控制承压板的开闭，更容易控制，更利于形成水力冲击。

3、本发明的电脉冲强化脉动水力压裂的装置内包括超声波探头，通过与超声波发生器连接并持续产生超声波，使压裂液处于悬浊状态，有利于压裂液混合均匀。

4、本发明的电脉冲强化脉动水力压裂的装置结构简单，易于操作，具有潜在的应用前景。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电脉冲强化脉动水力压裂的装置的结构示意图；

图2为本发明电磁开关组件的结构示意图；

图3为本发明电脉冲强化脉动水力压裂装置的应用方法的方法流程框图。

附图标记说明

1—缸体；1-1—开口；1-2—弹簧室；

1-3—分流器；1-4—射流口；1-5—通孔；

2—承压弹簧；3—承压活塞；3-1—触动开关室；

3-2—杆室；4—油管；5—承压板；

6—浮力板；7—电磁体；8—回复弹簧；

9—触发杆；10—触动开关；11—开关弹簧；

12—电缆；13—电脉冲发生器；14—高压电容器；

15—压裂车；16—超声波探头；17—封隔器；

18—储层；19—井筒。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的电脉冲强化脉动水力压裂的装置，包括井下水力脉动发生系统和电脉冲发生系统；

所述井下水力脉动发生系统包括缸体1，所述缸体上1上开设有用于连接压裂液油管4的开口1-1，所述缸体1下部的侧壁上开设有用于通过压裂液的射流口1-4；所述缸体1内设置有承压活塞3、承压弹簧2、承压板5和用于控制承压板5开闭的电磁开关组件，所述承压弹簧2设置于承压活塞3的下方，所述承压活塞3上开设有与开口1-1连通且正对的通孔1-5，所述承压板5设置于所述通孔1-5内；

所述电脉冲发生系统包括设置于缸体1内的电脉冲发生器13。油管4内泵入的压裂液带动承压板5和承压活塞3向下运动，承压活塞3压缩承压弹簧2，压裂液与井底流体形成压差。

本实施例中，如图1和图2所示，所述电磁开关组件包括具有导电绕组的电磁体7和用于控制供应给所述导电绕组电流的触动控制装置；所述触动控制装置包括触动开关10、与触动开关10电连接的高压电容器14，和用于控制触动开关10闭合通电的开关弹簧11，以及用于触碰触动开关10使触动开关10开路断电的触发杆9；所述触动开关10和开关弹簧11设置于承压活塞3内，所述开关弹簧11的一端固定在承压活塞3上，所述开关弹簧11的另一端固定于触动开关10上；所述触发杆9的一端固定于缸体1内，所述触发杆9的另一端向承压活塞3延伸且用于触碰触动开关10；所述电磁体7设置于通孔1-5内。开口1-1位于缸体1顶面中心处；所述承压活塞3内设置有用于容置触动开关10和开关弹簧11的触动开关室3-1，所述触动开关室3-1下连通有杆室3-2；当承压活塞3向下运动时，触发杆9在杆室3-2内且相对杆室3-2向上延伸与触动开关10接触；缸体1内设置有用于容置承压弹簧2的弹簧室1-2；承压活塞3与缸体1内壁紧贴，承压活塞3活动设置于缸体1内。

本实施例中，所述电磁体7为环形电磁体，所述电磁体7安装于通孔1-5壁面上；所述高压电容器14位于地面上。当油管4内泵入的压裂液带动承压板5和承压活塞3向下运动时，触发杆9接触并顶开触动开关10，触动开关10打开，电磁体7磁性消失，承压板5失力，处于打开状态；一次压裂结束后，承压活塞3向上运动，触发杆9远离触动开关10，在开关弹簧11回复力的作用下，触动开关10闭合，通电后的电磁体7具有强磁性，与承压板5贴合，使承压板5处于闭合状态；环形电磁体可以提高电磁开关组件的使用寿命。

本实施例中，所述高压电容器14通过电缆12与电脉冲发生器13连接。高压电容器14能够提高电脉冲发生器13和触动控制装置长期工作的可靠性和稳定性。

本实施例中，如图1所示，所述井下水力脉动发生系统还包括设置于油管4与井壁之间用于密封预压裂工段的封隔器17。

本实施例中，如图1所示，所述承压活塞3上还安装有用于混匀压裂液的超声波探头16。超声波探头16位于承压板5和封隔器17之间；超声波探头16与位于地面上的超声波发生器连接，超声波发生器由地面电源供电。

本实施例中，如图1所示，所述承压板5下固定连接有浮力板6，所述浮力板6上且远离电磁开关组件的一侧设置有回复弹簧8；所述回复弹簧8一端固定于浮力板6上，所述回复弹簧8的另一端固定于承压活塞3上。浮力板6粘结在承压板5的下表面上，用于提供承压板5的浮力；一次压裂结束后，承压板5在浮力板6和回复弹簧8共同作用下恢复至闭合状态。

本实施例中，所述承压板5的材质为钢材质。

本实施例中，所述缸体1内的下部且正对开口1-1处设置有用于将压裂液分流的分流器1-3；所述电脉冲发生器13包括发射极和与所述发射极正对的接收极，所述发射极且远离接收极的一端与缸体1的底板连接，所述接收极且远离发射极的一端固定连接于分流器1-3上。伸入探井内的油管4、开口1-1、通孔1-5和缸体1的内腔的中心线均处于同一直线上；压裂车15泵入压裂液的速度不宜过快，防止井下水力脉动发生器发生故障；电脉冲发生器13的发射极和接收极连线的中点为a，射流口1-4中心线与缸体1内腔中心线的交点为b，中点a与交点b重合；高压电容器14蓄能后放电，电脉冲发生器13的发射极和接收极两极之间被击穿，形成液电效应，产生冲击波，提供给压裂液水平方向的动能，脉冲压裂液射流过程中，冲击波作用于脉冲压裂液上，提供给脉冲压裂液水平冲量，提高脉冲压裂液的冲击强度和作用距离。

本发明的电脉冲强化脉动水力压裂装置的应用方法，包括以下步骤：

步骤一、固井，洗井以清理井筒19内杂物，然后根据设计要求对预压裂段进行射孔；洗井的目的是防止井筒19中杂物进入储层18；

步骤二、根据压裂液脉动压差和弹簧压缩系数，选定承压弹簧2；确定单次脉动过程中电脉冲放电次数；

步骤三、将油管4与开口1-1相连，在油管4与井壁间安装用于密封预压裂段的封隔器17；通过油管4将电脉冲发生器13送至缸体1内的下部；

步骤四、启动压裂车15，调节地面压力和排量，向油管4中泵入压裂液；对高压电容器14进行储能，超声波探头16持续发射超声波，使承压板5上部压裂液始终处于悬浊状态；

步骤五、泵入压裂液，压裂液经油管4和开口1-1进入通孔1-5，进入通孔1-5内的压裂液压载承压板5，承压板5带动承压活塞3下移，压缩承压弹簧2，同时触发杆9接触并顶开触动开关10，触动开关10打开，环形电磁体7磁性消失，承压板5失去磁吸力，承压板5处于打开状态，压裂液冲向分流器1-3，经分流器1-3分流后从射流口1-4冲出，冲击储层18，形成水平脉动水射流；

步骤六、地面监测油管压力降低瞬间，高压电容器14放电，电脉冲发生器13形成冲击波，推动步骤五冲向分流器1-3的压裂液，压裂液加速冲击，高压电容器14循环充放电，形成电脉冲强化脉动水力压裂液，经冲击波冲击后的压裂液经射流口1-4冲入储层18，形成强化冲击；

步骤七、承压板5在浮力板6和回复弹簧8作用下向上移动，触发杆9远离触动开关10，在开关弹簧11回复力作用下触动开关10闭合，电磁体7恢复磁力，吸引承压板5，承压板5恢复至闭合状态，完成一次电脉冲强化脉动水力压裂；

步骤八、重复步骤四～步骤七，直到井底压力达到预定最大压裂压力；

步骤九、解封封隔器17，取出油管4、井下水力脉动发生系统和电脉冲发生器13，压裂结束。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。