用於衝擊壓力生成的方法和系統的製作方法

2023-06-01 15:04:31 2

用於衝擊壓力生成的方法和系統的製作方法
【專利摘要】介紹了一種用於從儲層中採收烴類的方法。所述方法包括設置通過至少一條管路與所述儲層流體連通的腔室，並且使所述腔室包括可以彼此相對運動的第一壁部和第二壁部。通過所述管路在所述流體中提供向所述儲層傳播的衝擊壓力，其中所述衝擊壓力通過設置在所述流體的外側的物體和所述第一壁部之間的碰撞過程來生成，以用於使所述第一壁部衝擊所述腔室中的流體。此外，所述腔室設置用於避免氣體夾雜物在所述第一壁部衝擊所述流體的地方積聚。這可以通過將所述管路設置在通過重力的影響自然地聚集氣體夾雜物的區域中或該區域附近，或者通過將衝擊流體的所述第一壁部布置成遠離該區域來實現。本發明進一步涉及一種用於如上所述生成衝擊壓力的系統。
【專利說明】用於衝擊壓力生成的方法和系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用於烴類採收作業的方法和系統，所述烴類採收作業包括衝擊壓力的 生成。本發明進一步涉及使用所述方法或系統以用於從地下儲層內的多孔介質中採收烴類 流體。

【背景技術】
[0002] 烴類採收作業通常會涉及範圍廣泛的工藝，涉及用於從地層中採收烴類的流體流 動作業的使用和控制，包括例如向地層中引入或注入流體譬如處理液、固結液或水力壓裂 液，注水作業，鑽井作業，出油管和井眼的清洗作業，以及在井眼中的注水泥（cementing) 作業。
[0003] 地下儲層是多孔介質，包括與不同直徑和長度的孔喉有關的孔隙容積網絡。為了 獲得改進的烴類採收，已經對將流體注入儲層以置換儲層內的多孔地質結構中的流體的流 體動力學進行了廣泛研究。
[0004] 多孔地質結構是多孔介質的固體骨架。彈性波能夠在固體骨架中傳播，但是不能 在流體中傳播，原因在於彈性是固體而非液體的性質。固體的彈性和流體的粘性是限定固 體和液體之間的區別的性質。彈性固體中的應力與形變成正比，而粘性流體中的應力與形 變的變化率成正比。
[0005] 儲層中的流體（在注水期間）將在流過孔喉時由於流體和孔喉的潤溼狀態的壁面 之間的表面張力而承受毛細管阻力或推送力。毛細管阻力促使在多孔介質中建立起優選的 流體路徑（貫通），這就明顯地限制了烴類採收。因此，毛細管阻力限制了流體在儲層中的 活動性。
[0006] 人們認為烴類採收將在地震類事件例如地震之後有所增加。因此，人們相信對地 層造成的顯著的動態激勵將增加流體相在多孔介質中的活動性。已經有人聲稱在地震期間 通過（在固體骨架中）跨越儲層傳播的彈性波造成了活動性的改善。基於通過應用人工震 源而在儲層中引發彈性波的地震激發方法已經在進行深入研究。一般而言，人工震源需要 布置成儘可能地靠近有效儲層，並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中已經介紹了這樣的井下地震激發工具，其中 公開了通過負載下落到固定至井底的砧臺上並由此下落到儲層上的碰撞而在固體中產生 彈性波的不同的系統。這些系統的缺點在於地質結構破碎的風險以及控制衝擊的難度和方 法的有限效果。
[0007] 涉及例如通過在地下利用爆炸和含能材料的規則爆破來模仿地震事件的動態激 勵的、用於烴類採收的方法也一直在進行開發並且已經廣泛使用。但是，這些通過爆炸、地 震等手段實現的強烈激勵也經常被認為會造成地質結構的惡化，這可能會減少長時間內的 烴類採收。
[0008] 用於烴類採收的其他方法涉及通過交替時段的強行從地層抽出流體和/或強 行向地層中注入流體實現的壓力脈衝。已經有人報告壓力脈衝的應用提高了流過多孔 介質的流速，但是也仍然有報告說增加了流體注入作業中的水突進和粘性指進（viscous fingering)的風險。
[0009] 依賴於時間的壓力現象例如壓力衝擊波或液壓衝擊主要是在其例如在管道系統 中意外發生時的潛在破壞或者甚至是災難性效果的相關方面、或者是在由於對平臺的海水 衝擊或波浪破壞而對水壩或離岸建築物造成的潛在破壞或者甚至是災難性效果的相關方 面進行報告和分析。水擊作用（Water Ha_ering)在例如通過管道系統中的閥突然關閉造 成運動中的流體強行停止或突然改變方向時可能會經常出現。在管道系統中，水擊作用會 導致從噪聲和振動到破損和管塌陷等各種問題。管道系統經常裝有蓄集器、旁通管和減震 器等，目的是避免水擊作用。
[0010] 另一種壓力現象（在本文中稱作衝擊壓力）通過利用了衝擊動力學的碰撞過程來 生成，這就使得可以產生依賴於時間的衝擊壓力，該衝擊壓力具有大幅值以及可與碰撞接 觸時間相比較的非常短的時間寬度（時長）。
[0011] 與壓力波相比，壓力脈衝能夠被視為在流體中相對陡鋒式地傳播。在比較衝擊壓 力與壓力脈衝時，有人注意到衝擊壓力具有更尖一些的陡鋒並且像衝擊波鋒一樣地傳輸。 衝擊壓力因此表現出一些與壓力脈衝相同的重要特性，但是這些重要特性由於衝擊壓力的 產生方式而具備明顯更強的、具有高壓力幅值的陡鋒和短上升時間的這種關鍵效果。此外， 本文中介紹的壓力脈衝和衝擊壓力應與彈性波區分開，原因在於這些首次提及的壓力現象 是在流體中傳播，相比之下，彈性波是在固體材料中傳播。


【發明內容】

[0012] 因此，本發明的實施例的一個目標是通過提供提高烴類採收率的規程來克服或者 至少是減少用於烴類採收作業的已知方法中的一部分或全部的上述缺點。
[0013] 本發明的實施例的另一個目標是提供一種用於烴類採收作業的方法，所述方法可 以在多孔介質中得到增加的流體活動性。
[0014] 本發明的實施例的另一個目標是提供用於產生衝擊壓力的可選方法和系統，所述 衝擊壓力例如可以在烴類採收作業的領域中應用並且可應用於地下儲層或井眼中的流體。
[0015] 本發明的實施例的又一個目標是提供一種可以相對簡單和廉價地在現有的烴類 採收場所實施而又有效的方法。
[0016] 本發明的實施例的一個目標是提供用於以更高的效率在流體中產生衝擊壓力、並 且降低了系統中的氣蝕風險的主流系統。
[0017] 根據本發明獲得了一種用於從儲層中採收烴類的方法，所述方法包括設置通過至 少一條管路與所述儲層流體連通的、至少一個部分充注流體的腔室的步驟，其中所述腔室 包括可以彼此相對運動的第一壁部和第二壁部。通過所述管路在所述流體中提供向所述儲 層傳播的衝擊壓力，其中所述衝擊壓力通過碰撞過程來生成，所述碰撞過程包括設置在所 述流體的外側的物體和所述第一壁部之間的碰撞，所述第一壁部由此衝擊所述腔室中的流 體。所述方法進一步包括將所述腔室設置成避免氣體夾雜物在所述第一壁部衝擊所述流體 的地方積聚，通過將所述管路設置在腔室的某一區域中或所述區域附近，和/或通過將所 述腔室設置為使得衝擊流體的所述第一壁部布置成遠離所述區域，所述氣體夾雜物通過重 力的影響而自然地聚集在所述區域中。
[0018] 通過將所述管路布置成靠近氣體夾雜物的區域，即可通過相對於碰撞過程連續或 有間隔的流體高效且快速地從腔室中完全或部分地移除氣體夾雜物。任何氣體夾雜物都可 能在所述區域中繼續聚集，但是通過如上所述的以簡單而又有效的方式設置管路而避免了 積聚。通過將所述腔室設置為使得衝擊在流體上的第一壁部布置成遠離所述區域，實現了 主要對流體執行衝擊而不對存在於腔室中的任何氣體夾雜物執行衝擊或者僅對存在於腔 室中的任何氣體夾雜物執行不明顯的衝擊。用這種方式獲得對於流體中存在的氣體夾雜物 或形成的氣體夾雜物不敏感的方法，並且流體系統不需要在啟動任何衝擊壓力過程之前或 者在任何衝擊壓力過程期間進行仔細地排空。
[0019] 通過碰撞過程，來自物體的能量以及動量被轉化為流體中的衝擊壓力。衝擊壓力 在流體中以聲速傳輸和傳播。
[0020] 通過碰撞過程引發的衝擊壓力的產生可以是有利的，原因在於由此可以獲得非常 尖銳或陡峭的壓力鋒，與可以通過常規的壓力脈衝技術獲得的壓力脈衝相比，所述壓力鋒 具有高幅值和非常短的上升時間。此外，例如與單一頻率或單一正弦的壓力波相比，通過碰 撞過程引發的衝擊壓力可以被視為包括更多的高頻成分。
[0021] 這在不同的烴類採收作業中例如在注水、引入處理液中或者在固結處理中可以是 有利的，原因在於高頻成分可以被視為增加了流體在多孔介質中的活動性，在多孔介質中 不同材料性質的材料和不同尺寸的液滴可以用其他方式限制或降低流體的活動性。這在避 免或降低對於任何堵塞趨勢的風險以及保持儲層處於良好流動狀態方面也可以是有利的。 增加活動性可以類似地在注入固結液的作業和固結作業中的後衝洗的相關方面都是有利 的。
[0022] 此外，由提出的碰撞過程引發的衝擊壓力可以有利地應用於清洗流體的流動通道 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應用於清洗流體，此時用 於建立衝擊壓力的系統可以被插入出油管或井眼中。
[0023] 此外，由提出的碰撞過程引發的衝擊壓力可以有利地應用於井眼中的注水泥作 業。在此，向未固化的水泥中引入衝擊壓力可以實現減少向水泥中轉移和注入流體或氣體。
[0024] 根據上述內容的衝擊壓力的應用可以進一步在向地下儲層中注入壓裂液的作業 方面是有利的，其中衝擊壓力可以用於提高在地下儲層中造成斷裂以允許烴類逸出和流出 的效率。
[0025] 根據上述內容提出的方法可以進一步在鑽井作業中是有利的，其中由碰撞過程引 發的衝擊壓力可以提高鑽探效率並用於幫助推送鑽頭穿透地層。
[0026] 與其他常規的壓力脈衝方法相比，根據本發明的方法的優點在於衝擊壓力在此可 以用連續的流體流動產生而無需顯著地影響流速。此外，衝擊壓力可以通過非常簡單而又 有效的裝置引發且無需像現有技術中那樣為了這樣做而關閉和打開任何的閥和控制設備。
[0027] 通過提出的方法可以進一步獲得可引發用於流體的衝擊壓力且流速沒有增加或 只有很少的增加，原因是第一壁部不運動且不像在常規的壓力脈衝中那樣通過流體加壓。 相反，在碰撞期間從運動的物體對第一壁部的衝擊可以被視為僅促成壁部最小或不明顯地 移動，該移動主要對應於流體在衝擊區域中的壓縮。例如在烴類採收作業中的期望流體流 速因此可以通過例如在作業中使用的泵送設備來更加精確地控制，並且作為示例可以與衝 擊壓力的引發無關地在期望的流動下被保持一致或接近一致。根據上述內容的方法因此可 以例如在流體噴入和注入作業中是有利的，其中在所述流速方面波動最小的適度的流體流 速可以是期望的，目的是降低地層中流體早突進和粘性指進的風險。關於注水作業，已經完 成的實驗室規模的實驗表明：與恆定靜壓驅動的流動相比，通過由碰撞過程引發的衝擊壓 力的應用，將烴類採收率提高了 5-15%。提高的採收率通過未改變的流速獲得。
[0028] 所述流體可以進一步包括以下分組中的一種或多種：主要是水、固結液、處理液、 清洗液、鑽井液、壓裂液或水泥。所述流體可以包括一種或多種溶劑、顆粒物和/或氣體夾 雜物。
[0029] 在涉及流體傳輸的流體系統中，流體在一些時候幾乎不可避免地包括氣體夾雜 物，例如形式為來自起點的、系統中截留的空氣。而且，流體中可以由於湍流或者由於第一 壁部衝擊在流體上的碰撞過程而形成氣泡。任何這樣的氣體夾雜物由於重力而自然地升高 並聚集在腔室中的一個或多個區域，在這些區域氣體夾雜物不能再繼續升高。這最常出現 在腔室的最上部。由於所述方法包括設置腔室例如以避免氣體夾雜物的積聚，因此在第一 壁部衝擊流體的地方實現了對流體執行衝擊而不對氣體夾雜物執行衝擊或者僅對氣體夾 雜物執行最小衝擊。由此減小了第一壁部的位移，原因是流體的可壓縮性明顯低於氣體夾 雜物的可壓縮性。
[0030] 由於從衝擊物體到流體的能量轉化更好，因此減少或避免氣體夾雜物在衝擊區域 附近積聚就導致了更高幅值的衝擊壓力、更短的上升時間和更短的接觸時間。
[0031] 此外，通過減少或避免氣體夾雜物在衝擊區域附近積聚而導致降低了流體中的氣 蝕風險，氣蝕經常會導致流體系統中的磨損和損壞。這些效果的獲得是由於衝擊能量主要 被轉化為流體中而不是氣體夾雜物中的衝擊壓力。
[0032] 由於物體設置在流體外側以與第一壁部碰撞，因此可以實現物體的不是全部也是 絕大部分的動量被轉化為流體中的衝擊壓力。另外，在碰撞過程是在流體中向下引導的情 況下，物體的一部分動量將在碰撞之前的流體位移中損失。
[0033] 運動的物體可以直接用第一壁部或者間接地通過其他的碰撞來碰撞或衝擊。腔室 和壁部可以包括不同的形狀。腔室可以包括裝有活塞的圓筒，其中物體與活塞或圓筒碰撞。 腔室可以包括彼此插入的兩個圓筒部分。例如是活塞形狀的第一壁部可以包括位於腔室中 的流體上方或完全浸沒在流體中的頭部。此外，第一壁部可以相對於腔室的周圍部分布置 在軸承中或者可以鬆散地保持就位。腔室可以連接至一條或多條管路，所述管路設置用於 在腔室中的流體和儲層之間流體連通，其中流體例如可以在譬如地層或井眼的烴類採收作 業中施加。另外，腔室可以設置為使得流體通過腔室傳輸。
[0034] 碰撞過程可以通過促使一個或多個物體從指定高度下落到第一壁部上而簡單地 產生。引發的衝擊壓力的規模可以相應地由下落物體的質量、下落的高度以及主體與流體 相接觸的橫截面積決定。因此，引發的衝擊壓力的幅值和引發衝擊壓力的時間可以輕易地 進行控制。類似地，可以通過調節例如碰撞過程中的物體的質量、下落高度、碰撞物體的相 對速度或第一壁部與流體相接觸的橫截面積（例如直徑）來輕易地調節、改變或定製壓力 幅值。這些調節的可能性可以證實在流體注入和流體灌入方面特別有利，原因在於正常的 儲層壓力和破裂壓力之間的壓差經常會比較窄。
[0035] 由於無需任何直接的氣動式動力源即可執行碰撞過程，因此提出的方法可以通過 更小和更為緊湊的設備執行。此外，與例如常規的壓力脈衝技術相比，提出的方法的動力要 求較低，原因是通過碰撞過程或衝擊可以將更多的能量轉化為流體中的衝擊壓力。
[0036] 提出的施加衝擊壓力的方法可以有利地在需要的場所或其附近作業而沒有對冷 卻、清潔環境、穩定性或類似特殊條件的任何特定要求，這就使得提出的方法有利於在惡劣 條件下的現場應用。例如，在烴類採收作業中，所述方法可以有利地從平臺或更接近地表的 位置作業。與地震激發中工具作用在固體結構上並且需要在被激發的固體上也就是直接在 井眼的底部上執行下落的負載和砧臺之間的衝擊相比，用於執行根據本發明實施例的方法 的系統並不局限於任何特定的位置且無需一定要布置成浸沒到井眼的底部中或向下布置 在海床上。
[0037] 通過更加靠近或者例如就在地面上或平臺上等布置系統和應用提出的方法，即可 有利地只需比較廉價的設備並獲得更簡單和更廉價的維護，特別是在考慮離岸作業時更是 如此。
[0038] 此外，由於確信衝擊壓力能夠以最小的損失長距離地傳輸，因此建議的方法如果 需要即可類似地與要施加衝擊壓力的儲層離開一定的距離來執行。
[0039] 此外，由於根據本發明的方法並不在井眼內或井眼以下或接近於地層實施，因此 衝擊壓力完全可以同時引入多個井眼或流體注入場所。
[0040] 此外，提出的衝擊壓力產生方法通過衝擊壓力產生設備的簡單裝配即可有利地在 已有的流體系統上執行而無需或僅需最小的調整。
[0041] 通常，壓力脈衝的使其適合於在烴類採收作業中應用的特徵是壓力脈衝如上所述 類似於陡鋒地在流體中傳播。由於衝擊壓力具有更尖一些的陡鋒或者更短一些的上升時 間，因此衝擊壓力表現出與壓力脈衝相同但是明顯更高程度的重要特性。
[0042] 關於從多孔介質中採收烴類，人們相信高壓和可以通過根據本發明的方法和系統 獲得的、（並且與可以通過其他的壓力激發方法獲得的上升時間相比之下）非常短的上升 時間相結合在孔喉的長度上提供了能夠克服毛細管阻力的足夠的壓差。壓差被保持足夠 長的時間，該足夠長的時間是與瑞利時間相同的數量級（或者比瑞利時間更長）。與此同 時，相對較短的時長確保衝擊壓力的時間平均值不會顯著影響用於多孔介質的達西關係式 (Darcy relation)，由此降低早突進和粘性指進的風險。
[0043] 在這方面，由本發明建議的衝擊動力學（碰撞過程）的應用提供了一種簡單和有 效的方法，用於在接近於瑞利時間的一定時段內保持足夠的壓差。此外，碰撞過程期間的接 觸上升時間可以如圖所示在隨後通過應用Hertz碰撞理論來進行估算，並且可以很短且與 瑞利時間是相同的數量級，有利地用於從多孔介質中獲得增加的烴類採收率。通常，衝擊壓 力的上升時間（壓力從零增加至最大幅值的時間）是1毫秒（〇· 〇〇1秒）的數量級或更短。 短的上升時間使得衝擊壓力在應用於採收烴類流體時是特定的。
[0044] 根據一個實施例，碰撞過程包括通過重力促使物體下落到第一壁部上。如前所 述，這樣即可由此通過簡單的裝置獲得造成相當大規模的衝擊壓力的碰撞過程。引發的壓 力的幅值可以作為物體的下落高度、物體的衝擊速度、物體質量、第一壁部的質量及其與流 體接觸的橫截面積的函數來確定和控制。有利地可以獲得在50-600Bar的範圍內，例如在 100-300Bar的範圍內，例如在150-200Bar的範圍內的壓力幅值。上述參數影響衝擊壓力的 上升時間，測量點處的衝擊壓力的上升時間有利地可以在0. 1-100暈秒的範圍內，例如在 0. 5-10毫秒的範圍內，例如約為幾毫秒譬如約為0. 01-5. 0毫秒。
[0045] 根據一個實施例，物體在空氣中與第一壁部相撞。
[0046] 在本發明的進一步的實施例中，根據上述任何一部分內容所述的方法還包括按照 一定的時間間隔產生多次所述的碰撞過程。這可以用於增強在流體中引發的衝擊壓力的效 果。衝擊壓力可以用規則的時間間隔或不相等的時間間隔引發。作為一個示例，衝擊壓力 可以在烴類採收作業的早期較頻繁且以較短的時間間隔引發，並且在後期以較長的時間間 隔引發。衝擊壓力之間的時間間隔例如可以根據在相同的時間對地層執行的測量（例如壓 力測量）來控制和調節。
[0047] 根據本發明的實施例，生成碰撞過程的時間間隔在2-20秒的範圍內，例如在4-10 秒的範圍內，例如約為5秒。最優的時間間隔可以取決於多種因素例如地層的類型、地層的 孔隙度、破裂的風險等。優選的時間間隔可以取決於多種因素例如施加的壓力幅值和上升 時間。
[0048] 在一個實施例中，所述方法包括產生第一序列的碰撞過程、然後產生第二序列的 碰撞過程的步驟，所述第一序列的碰撞過程具有壓力幅值、壓力上升時間和碰撞間隔時間 的第一設定，所述第二序列的碰撞過程具有壓力幅值、壓力上升時間和碰撞間隔時間的不 同設定。例如，爆發的衝擊壓力可以用這種方式周期性地傳輸。這在增強衝擊壓力的效果 方面可以是有利的。如前所述，例如通過調節運動物體的重量或者通過調節物體的下落高 度即可相對簡單地修改和控制引發的衝擊壓力的幅值和時間間隔。
[0049] 在本發明的實施例中，通過改變運動物體的質量和/或改變運動物體在碰撞之前 相對於所述第一壁部的速度來改變壓力幅值和上升時間的所述設定。衝擊壓力的參數例如 壓力幅值或上升時間由此即可根據需要用簡單而又有效並且可控的方式來改變。
[0050] 本發明進一步的應用涉及一種用於在流體中生成衝擊壓力的衝擊壓力生成系統， 所述流體對儲層使用以用於從儲層中採收烴類，所述系統包括通過至少一條管路與所述儲 層流體連通的、至少一個部分充注流體的腔室，並且所述腔室包括可以彼此相對運動的第 一壁部和第二壁部。所述系統進一步包括設置在所述流體的外側的物體，用於在碰撞過程 中與所述第一壁部碰撞，由此衝擊所述腔室中的流體，在所述流體中生成通過所述管路向 所述儲層傳播的衝擊壓力。所述腔室相對於腔室中的某一區域設置，氣體夾雜物通過重力 的影響而自然地聚集在所述區域中，使得通過將所述管路設置在任何氣體夾雜物自然聚集 的所述區域中或所述區域附近，和/或通過將衝擊流體的所述第一壁部布置成遠離所述區 域，避免氣體夾雜物在所述第一壁部衝擊所述流體的地方積聚。所述系統的優點與先前參 照用於生成衝擊壓力的方法所述的優點相同。
[0051] 在本發明的實施例中，第一壁部形成有活塞，且所述腔室進一步包括所述活塞和 所述第二壁部之間的軸承。由此即可獲得一種能夠承受與物體的很多次碰撞的可靠系統。 此外，軸承可以確保活塞和第二壁部元件之間緊密的密封，同時允許活塞在碰撞過程期間 有一定的位移。
[0052] 在本發明的實施例中，所述腔室包括通過第一壁部分隔的第一腔室和第二腔室， 並且所述第一壁部包括在所述腔室之間的開口。由於所述開口，在第一壁部的兩側存在相 同的流體壓力。與第一壁部碰撞的物體因此無需克服流體壓力，並且更大量的碰撞能量可 以轉化為衝擊壓力。
[0053] 在本發明的實施例中，所述物體具有的質量在10-10000千克的範圍內，例如在 10-2000千克的範圍內，例如在100-1500千克的範圍內或者在200-2000千克的範圍內， 例如在500-1200千克的範圍內。可以被促使下落到第一壁部上的所述物體的下落高度在 0. 02-2. 0米的範圍內，例如在0. 02-1. 0米的範圍內，例如在0. 05-1. 0米的範圍內，例如在 0. 05-0. 5米的範圍內。由此可以在流體中獲得在非常短的上升時間上有大幅值的衝擊壓 力。而且，所述衝擊壓力生成系統可以通過該物體獲得，並且在上述範圍內的下落高度可以 是可控的尺寸且符合可控的結構要求。
[0054] 在本發明的一個實施例中，所述系統通過另一條管路連接至第二儲層，並且所述 系統進一步包括從所述第二儲層提供流體流動通過所述腔室並流入第一儲層的泵送裝置。 由此即可通過所述泵送裝置簡單地控制和調節流速。
[0055] 在本發明的一個實施例中，所述系統的管路連接至從地面通向儲層的井眼，並且 其中所述腔室布置在井眼的外側。地面例如可以是海床或者在平地上。由此獲得的所述系 統可以比布置在井眼以下更加方便地布置，例如對空間的要求比較寬鬆、布置在不太嚴苛 的環境中或者更加易於進行維護和維修的操作。
[0056] 本發明的另一方面涉及根據先前所述用於從地下儲層內的多孔介質中採收烴類 流體的烴類採收所用的方法或系統，所述地下儲層與管路流體連通以使衝擊壓力在至少部 分地流入多孔介質的流體中傳播。
[0057] 其優點與先前參照用於在流體中生成衝擊壓力的方法和系統所述的優點相同。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0058] 在下文中將參照附圖介紹本發明不同的實施例，在附圖中：
[0059] 圖1A-D示出了可應用於理解衝擊壓力的衝擊的物理原理，
[0060] 圖2-3示出了用於在流體中產生衝擊壓力的、與地下儲層流體連通的裝置的實施 例，
[0061] 圖4A示出了在伯裡亞（Berea)砂巖巖心上的實驗期間獲得的衝擊壓力的典型形 狀，
[0062] 圖4B更加詳細地示出了在伯裡亞砂巖巖心上的注水實驗中獲得和測量的單次衝 擊壓力，
[0063] 圖5-6提供了在伯裡亞砂巖巖心上使用衝擊壓力的實驗測試期間應用的構造的 示意性概視圖，
[0064] 圖7是在有和沒有衝擊壓力的注水實驗中獲得的一些結果的概述，以及
[0065] 圖8-14示出了根據本發明的衝擊壓力產生裝置的不同實施例。

【具體實施方式】
[0066] 衝擊壓力類似於在流體中傳播的壓力波並且通過運動的固體物體與流體相撞或 者流動的流體與固體相撞的碰撞過程產生。後者描述了水擊現象，其中流動的流體的動量 被轉化為流體中的衝擊壓力。
[0067] 固體和流體之間的碰撞過程的物理特性在下文中通過首先根據理想的撞球模型 分析研究固體物體之間的碰撞來更加詳細地介紹。
[0068] 在圖1A中列舉了撞球模型，圖中示出了在兩個撞球1和2之間的碰撞過程期間的 不同階段。圖中所示的階段從頭開始是：1)球1以速度U向靜止的球2運動的階段，2)最 初接觸時間，3)最大壓縮時間（有所放大），4)最終接觸時間，以及5)球2以速度U運動 且球1靜止的階段。階段2-4是衝擊階段的部分（或者僅僅是衝擊）。衝擊在最初接觸時 間（第二階段）開始並且在最終接觸時間（第四階段）結束，並且接觸時間是從最初接觸 到最終接觸的時長。
[0069] 撞球模型將碰撞過程作為在壓縮（加載）和復原（卸載）的循環期間沒有動能損 失的完美彈性過程來建模。撞球模型假設碰撞過程期間在球之間沒有滲透也沒有材料部分 的交換。球1的相對速度U是衝擊速度，並且在最初接觸時間（第二階段）之後，如果不是 在兩個球之間的接觸區域出現的接觸作用力，那麼兩個球也會有互相的滲透。
[0070] 接觸作用力隨著接觸和壓縮面積的增加而增加。在碰撞期間的某一時刻，由接觸 作用力做的功足以使兩個球的接近速度變為零。該時刻就是最大壓縮時間（第三階段）。球 1在壓縮循環期間的位移（壓縮量）可以通過使用能量守恆MU 2 = 2FA s和動量守恆FA t =MU來估算，其中As是用於讓功FAS與動能相等所必須的位移。接觸時間是At，並且 因此位移被描述為Δ s = U Δ t/2。
[0071] 接觸時間的估算可以通過應用Hertz的碰撞理論來獲得，該理論解決了完全剛性 的球體和完全剛性的平面的碰撞問題。Hertz定律可以表達為： Λ J-f· / μ2 \ ；
[0072] ik = 2.86 f -- J ψεΨ?υ/
[0073] 其中El皮描述為： i 1 _ cr著 1 - cTg
[0074] - s --- -|--- r Et e2
[0075] E是彈性模量且σ是用於球體（1)和平面（2)的泊松比。Landau和Lifschitz 修改了 Hertz定律以得到用於質量為Μ且半徑為R的兩個理想球的公式： /(1 ? σ2)2Μ2\1/5 _] Μ = 329 --;- \ re2u /
[0077] 其中E是彈性模量且σ是用於兩個球的泊松比（參見Landuh和Lifschitz的 Theory of elasticity, Theoretical Physics, Vol. 7, 3rd edition, 1999, Butterworth-He inemann，Oxford)〇
[0078] 由酚醛樹脂製成的撞球具有約5. 84GPa的彈性模量和約0. 34的泊松比。兩個相 同的、R = 2. 86釐米且Μ = 170克的撞球以U = lm/s的衝擊速度相撞，具有0. 13ms數量 級的接觸時間，並且因此Λ s將是0. 065mm的數量級。接觸作用力可以通過使用公式F = MU/ Λ t和上述的數值來估算，由此獲得與質量約130kg的物體的重量相等的1. 3kN數量級 的接觸作用力。與兩個撞球的質量（170g)相比，這是一個巨大的數值。這些觀測結果形成 了剛性體碰撞理論的基本前提。儘管接觸作用力大（1.3kN)，但是在非常短暫的接觸時段 (0. 13ms)期間發生的移動非常小（0. 065mm)。
[0079] 圖1B列舉的碰撞過程涉及五個撞球的鏈條，並且圖中示出了從頭開始的以下階 段：1)球1以速度U向全部處於靜止的球2-5運動的階段，2)衝擊階段以及3)球5以速度 U運動且球1-4處於靜止的階段。球1和2之間的壓縮循環在球1和2之間的最初接觸時 間處開始，並且所述壓縮循環在球1和2之間的最大壓縮時間處結束。復原循環在所述最 大壓縮時間處開始，但是球2和3之間的另一個壓縮循環在與所述復原循環相同的時間開 始。由此，球1和2之間的復原循環與球2和3之間的壓縮循環並行發展。
[0080] 復原和壓縮的這種對稱性沿著撞球1-5的鏈條傳播，直到球4和5之間的復原循 環為止。最後一個復原循環以球5用速度U運動而結束，並且由此通過球鏈傳播對稱的復 原和壓縮而將動量MU從球1傳遞至球5。對稱的復原和壓縮在球5處被打破，並且由此所 述傳播使球5產生運動。要注意的是用於圖1B所示系統的總接觸時間不是4 △ t而是等於 例如在Eur.J.Phys. 9,323(1988)中公開的3. 5 At，其中At是參照圖1A介紹的系統所用 的接觸時間。這就表明壓縮循環和復原循環如上所述在時間上是重疊的，並且用於3個、4 個和5個撞球的鏈條的接觸時間分別是1. 5 Λ t、2. 5 Λ t和3. 5 Λ t。
[0081] 圖1C列舉了與參照圖1Β介紹的系統相類似的碰撞過程，區別在於此處涉及固體 和流體介質之間的碰撞。球1在此與活塞2相撞，活塞2衝擊流體，相應地再衝擊活塞4,由 衝擊壓力帶來的動量的至少一小部分被轉化為球5的運動。活塞2和4能夠在注有兩種液 體的缸中運動，缸通過管路3流體連通。球1和活塞2之間的壓縮循環在最初接觸時開始。 活塞2和第一液壓缸中的流體之間的壓縮循環也在衝擊期間出現，但是該壓縮循環是在所 述球1和所述活塞2之間的最大壓縮時間之前開始，原因是與固體相比，流體的可壓縮性較 小。
[0082] 參照圖1B介紹的復原和壓縮的對稱循環通過撞球鏈條的傳播類似地在此存在於 圖1C所示的系統中，在流體中具有另外的復原和壓縮的對稱循環。流體中的傳播是作為 衝擊壓力傳輸，這就在衝擊壓力通過流體傳輸時引發了流體中的壓縮循環和隨後的復原循 環。
[0083] 在管路3中的某一點測量的衝擊壓力的時間寬度或時長可以通過對接觸時間應 用Hertz定律來估算： / Μ2
[0084] Δ? = 2 86 I ----- 1 {re^uJ
[0085] 用於衝擊壓力的時間寬度的相關數值可以通過應用如上所述針對E*的表達式、 為流體使用〇. 5的泊松比並將流體的體積模量用作彈性模量來獲得。但是，要注意的是時 間寬度應該是3. 5 Λ t的數量級，原因是總的碰撞過程涉及5個物體（兩個撞球、兩個活塞 和一種流體）。
[0086] 如上所寫的E#的總彈性模量通過對水應用0. 22GPa的體積模量而變為0. 37GPa。 這就表明具有最小彈性模量的材料決定了 E#的總彈性模量的值。作為一個示例，R = 2. 86cm且M = 170g的球1以U = lm/s的衝擊速度碰撞到活塞2上，得到0. 37ms數量級的 接觸時間。因此管路3中的衝擊壓力的時間寬度可以估算為1. 3ms (0. 37*3. 5)的數量級。 [0087] 球1與活塞2相撞的事件和球5的突然運動在時間上分離，並且所述分離可以根 據管路3的長度而相當明顯。圖1C中的衝擊物理特性並未介紹其全部細節。但是，關鍵點 在於通過碰撞過程產生的衝擊壓力涉及固體物體（球1)的運動，並且衝擊壓力帶有（或包 含）能夠被轉化為固體物體（球5)的運動（和動量）的動量。
[0088] 圖1D列舉了與參照圖1C介紹的系統相類似的碰撞過程，其中示出了在流體中產 生衝擊壓力的各個階段。球1以速度U向（上方的）液壓缸中的活塞2運動，並且衝擊可 運動地安置在（下方的）注入流體的缸中的活塞2。液壓缸通過管路3與地下儲層6流體 連通，以使衝擊產生傳播到地下儲層中的衝擊壓力。衝擊壓力可以在地下儲層中引發運動， 並且可以由此使得地下儲層中在正常情況下由於各種作用力例如毛細管作用力而不能運 動的流體進行運動。
[0089] 圖2示出了用於在流體中產生衝擊壓力的裝置200的可行實施例，流體在此注入 到地下儲層中。裝置在此包括置於液壓缸201中的活塞202,液壓缸201具有開口 104並 且通過管路110流體連通至容器232以及例如通過將管路110連接至井的井口而流體連通 至地下儲層332。具有活塞的液壓缸在注有流體的腔室中形成可以彼此相對運動的兩個壁 部。裝置可以可選地或附加地連接至任何其他類型的、但不必置於地下的容器。在本實施 例中，閥121、122設置在管路中以使流體可以僅沿從容器232到地下儲層332的方向位移， 由此流體例如可以用於置換烴類和/或其他流體。在其他的實施例中，管路中不設置閥或 者僅在部分管路中設置閥。為了降低衝擊壓力沿任何不需要的方向例如朝向容器232傳播 的可能性，可以使用一個或多個閥。閥可以是在其入口和出口之間存在壓差時關閉的止回 閥。閥也可以是普通的閥，裝有用於在碰撞過程期間將閥關閉的某種裝置。
[0090] 在物體208碰撞流體外側且活塞202衝擊液壓缸中的流體時，衝擊壓力通過所述 裝置產生。與來自容器232的流體一起，衝擊壓力以聲速向地下儲層232中傳播。以下參 照圖3、圖5和圖8-14更加詳細地介紹裝置200的不同實施例。
[0091] 從一個容器到地下儲層的流動可以簡單地通過兩者之間的靜壓差產生，或者可以 可選地或附加地通過泵送裝置產生。用於產生衝擊壓力的裝置可以類似地被用於在非流動 性的流體中產生衝擊壓力。
[0092] 容器232和液壓缸201之間或者可選地或附加地容器232和泵送裝置之間的靜壓 頭用於在通過物體的每一次衝擊之間將活塞202推向其極端位置。用於在碰撞之後使活塞 202運動返回其起始位置的其他裝置如有必要也可以使用。圖示實施例中的活塞極端位置 是其最上方的位置。系統中可以包括用於阻止活塞202從液壓缸201移出的裝置。活塞 202的一個端側與流體相接觸。活塞202可以置於液壓缸201中，並用密封裝置限制流體在 液壓缸201和活塞202之間漏出。
[0093] 由於活塞與流體相接觸，因此物體與活塞的衝擊引發活塞202在缸中的位移，該 位移與物體208和活塞202之間的衝擊期間的接觸時間以及物體208的衝擊速度成正比， 正如以上參照圖1A介紹的那樣。因此，如果與活塞為了通過流體脈動而形成可測量幅值的 壓力脈衝而應該強行向上和向下的位移相比，活塞的位移非常小、幾乎不可見和不明顯。此 夕卜，與例如通常用負載來衝擊抵靠固體骨架放置的某種砧臺的地震激發工具相比，所述裝 置使用了完全不同的原理。在此情況下，衝擊由此傳遞至固體，而在此被衝擊的活塞衝擊流 體以在流體中產生衝擊壓力。由物體的衝擊造成的活塞位移實際上是由於恰好在活塞下方 的流體的壓縮而不是由於流體的任何受迫運動。
[0094] 容器232和液壓缸201之間相當大的靜壓頭以及通向和來自缸的管路中的大流動 阻力也可以影響到接觸時間的縮短。這樣的流動阻力可以緣於管路的很多特徵，例如管路 中具有小橫截面積的分段、管路的長度、管路的壁部處的流動摩擦以及沿管路的彎曲。
[0095] 但是，對於短接觸時間來說最重要的原因是在衝擊期間阻止流體運動（或活塞 202的位移）有任何明顯改變的流體慣性。衝擊因此主要是在流體中引發了壓縮循環，該壓 縮循環作為來自液壓缸201的衝擊壓力傳輸，也正如參照圖1C所介紹的那樣。
[0096] 衝擊壓力自身在流體中以聲速向儲層332和容器232運動（除非被阻止這樣做） 而並不在容器232和儲層332之間提供任何的淨流體傳輸。圖2因此示出了用於產生衝擊 壓力的裝置200的一個可行實施例，其中裝置自身並不引發任何的淨流體傳輸。
[0097] 短的接觸時間導致衝擊壓力的大正壓幅值和非常短的上升時間。接觸時間（以及 由此活塞位移）的縮短或最小化是提高衝擊壓力產生系統在可獲取的壓力幅值、上升時間 和時長方面的效率方面所需要的。
[0098] 衝擊壓力的高幅值和短上升時間被認為在烴類採收作業中有利於提高地下儲層 332中的穿透速率並抑制用於在高壓流動狀態中阻擋和保持地下儲層的任何趨勢。這種高 壓流動狀態增加了來自容器232的流體能夠注入到地下儲層332中的速率和面積。烴類採 收作業經常涉及用在圖2中來自於容器232的另一種流體來置換地下儲層中的烴類，並且 這種流體交換通過傳播到地下儲層中的衝擊壓力而得到增強。
[0099] 具有負壓幅值的衝擊壓力可以產生作為在流體中傳播並且被促使在系統中有所 反映的衝擊壓力。這樣的負幅值能夠導致系統中不合需要的氣蝕，這一點可以通過使來自 容器的流體充分內流而避免。
[0100] 圖3列舉了衝擊壓力產生裝置200的另一個實施例。在此，裝置被進一步耦合至 流體輸送設備340 (例如泵）以及在閥224和容器232之間插入管路212中的蓄壓器350。 與先前的圖2中相類似，所述裝置通過連接至井312的井口 311的管路211流體連接至地 下儲層332。
[0101] 容器232中的流體流過管路212、流體輸送設備340、蓄壓器350、閥224、液壓缸 201、管路211、井口 311、井312並流入地下儲層332。流體輸送設備340有助於從容器232 輸送流體並送入地下儲層332中。來自容器232的流體被注入地下儲層332,或者來自容器 323的流體置換地下儲層332中的其他流體。物體208在活塞202上的衝擊產生傳播到地 下儲層332中的衝擊壓力。
[0102] 蓄壓器350用於衰減從液壓缸201通過閥224並朝向流體輸送設備340傳遞的任 何衝擊壓力，並由此阻止具有較大幅值的衝擊壓力幹擾到流體輸送設備340的作業。蓄壓 器350也可以容納在碰撞過程期間由於流體輸送設備340的連續輸送模式而可能在管路系 統中累積的任意少量的流體。
[0103] 但是，圖2和圖3所述系統的缺點在於需要經常去除系統中截留的氣體夾雜物。通 常，流向液壓缸201以及從液壓缸201流出的流體可以包含流體或其他溶解流體的混合物。 在大多數情況下，系統將不可避免地包括氣體夾雜物例如溶解在水流體中的氣泡。這樣的 氣體夾雜物幾乎從流體系統的起點開始一直存在，並且如果不通過例如排氣而仔細地去除 那就能夠與流體一起圍繞系統行進。而且，氣泡可以在水中由於湍流或者由於物體208對 活塞202的衝擊而生成。這樣的氣體夾雜物通常由於重力的影響使得氣泡在流體中上升而 傾向於聚集在裝置的最上方區域中。在圖2和3簡要示出的裝置中，這些小氣體夾雜物例 如氣泡將自然地聚集在活塞202下方的缸最上部的區域中。在此，除非被阻止，否則氣體夾 雜物可以隨著時間而積聚並形成氣體夾雜物的聚集，最終產生大氣泡。如果未被去除，那麼 由活塞施加的衝擊可以造成氣泡靠近活塞的氣蝕，這可能會損壞設備。而且，氣泡被確信會 降低碰撞過程的效果，減小產生的衝擊壓力的幅值並增加上升時間。
[0104] 圖4A和4B示出了通過在圖5所示的裝置上產生衝擊壓力以及根據圖6簡要示出 的實驗裝置獲得的壓力隨時間變化的示例。
[0105] 圖4A將流體中的壓力P，400示出為在固定位置測量以及在產生3次衝擊壓力402 的時段內的時間t，401的函數。圖4B中更加詳細地示出了單次的衝擊壓力，還示出了從產 生衝擊壓力到經過壓力峰值的時段或時間寬度404中的衝擊壓力402的典型形狀，以及從 檢測到衝擊壓力開始直到獲得其最大值（幅值，403)為止的上升時間405。通常，與可以通 過常規的壓力脈衝技術獲得的壓力相比，衝擊壓力得到非常高和尖銳的壓力幅值，也就是 說，衝擊壓力通常得到明顯更高的壓力幅值和明顯縮短的上升時間以及明顯縮短的衝擊壓 力時長。
[0106] 圖4A和4B中經實驗獲得的壓力曲線是通過將圖5所示的構造用於在伯裡亞砂巖 巖心上的注水實驗中產生衝擊壓力而獲得。
[0107] 在此，衝擊壓力通過物體208和活塞202之間的衝擊缸201中流體的碰撞過程產 生。在實驗裝置中，流體泵送設備540連接至管線212和513。貯液器531容納有用於巖心 注水實驗的鹽水。伯裡亞砂巖巖心栓安裝在連接至管線211和512的容器532中。單向閥 522連接至兩個管線512和514,並且管533基本堅直地安置並用於測量在巖心注水實驗期 間採收的油的體積。管533通過管線515連接至在其中收集鹽水的貯液器534。
[0108] 在實驗期間，鹽水從貯液器531中通過置於容器532中的芯材泵送。在這些實驗 中，使用了具有約100 -500mDarcy (毫達西）的不同滲透性的伯裡亞砂巖巖心，它們在實驗 之前根據標準方法用油飽和。從通過鹽水的注水法採收的油在實驗期間將在管533的上部 累積，並且在貯液器534中收集的鹽水的體積則等於通過泵送裝置540從貯液器531傳輸 的體積。在這些實驗中應用的更具體程序遵照關於在伯裡亞砂巖巖心上的注水實驗的標準 方法。
[0109] 管線212是柔性的以容納任何小體積的流體，該小體積流體可能是由於通過泵送 裝置540連續輸送流體導致的在活塞202與物體208之間的碰撞過程期間在管線中累積 的。
[0110] 活塞502在支架中置於缸201中，且活塞下方的缸空間用流體填充。在實驗中，使 用用於約20ml水的液壓缸。流過容器532的鹽水的總體積看成近似對應於泵送裝置的固 定流量。因此包括液壓缸201、活塞202和物體208的設備在這些實驗中對鹽水的傳輸幾乎 無明顯貢獻。物體與活塞的碰撞發生在非常短的時間間隔期間。因此，流體不能通過導致 流動增加且因此代替所述固定流量的位移而響應於該高衝衝擊作用力。更確切地，流體是 由活塞衝擊，並且活塞的動量轉化為衝擊壓力。
[0111] 在進行實驗期間的衝擊壓力是通過將重量為5kg的物體208提升至17cm的高度 並使其下落到缸上，從而與處於靜止的活塞202碰撞而產生。使用的液壓缸201的體積為 約20ml且內徑為25mm，其對應於活塞202的直徑。
[0112] 圖6是略圖，示出了用於在伯裡亞砂巖巖心上的實驗中的碰撞過程中採用的用於 移動物體的設備，以及如前描述的在伯裡亞砂巖巖心上的巖心注水實驗中應用的實驗裝 置。
[0113] 這裡通過在流體填充的液壓缸202中的活塞202上的衝擊負載產生衝擊壓力。在 堅直放置的杆802上設置物塊801，其藉助於馬達803而被提升至一定高度，從該處允許其 下落到活塞202上並衝擊活塞202。因此衝擊力通過下落物塊的重量和下落高度確定。可 以在杆上安置更多物塊並調節衝擊負載。液壓缸201經由管212連接至流體泵540,該泵從 貯液器804(未示出）將鹽水泵送通過缸並通過置於容器532中的初始油飽和的伯裡亞砂 巖巖心。在不同的位置連續測量壓力。在泵和缸之間的止回閥121 (未示出）確保單向流 動。當已通過伯裡亞砂巖巖心時，流體（開始時流體僅是油，而在水突破後，流體幾乎僅是 鹽水）被泵送至用於收集所採收的油的管和用於鹽水的貯液器，正如圖5中概述的那樣。
[0114] 在許多小時的時間跨度上，用以約6秒（10次衝擊/分鐘）的間隔產生的衝擊壓 力來進行實驗。
[0115] 通過碰撞導致的活塞202的移動相比於活塞202的直徑和液壓缸201的容積是可 忽略的，僅導致總流體體積的壓縮且並不影響固定的流速。這也可以從下文中導出。液壓缸 201的體積為約20ml，並且容器中的伯裡亞砂巖巖心中的流體體積為約20-40ml (使用不同 尺寸的巖心）。因此通過與活塞202碰撞的物體208能夠壓縮的總體積是約50-100ml (包 括一些管線的體積）。約0. 5%的這樣的體積的壓縮（需要約110巴的壓力，因為水的體積 模量為約22000巴）表示體積減少約0. 25-0. 5ml，對應於活塞202向下的位移為約1mm或 更小。因此，活塞502在約5毫秒的時間間隔內移動約1_，在此期間衝擊壓力能夠傳播約 5-10m。這種運動相比於活塞202的直徑和液壓缸201的體積而言是可忽略的。
[0116] 如上所述，圖4A示出了作為對於所進行的實驗之一的時間函數，在容器532的入 口處測得的流體中的壓力。通過使質量為5kg的物體208從17cm的高度落到活塞上而產 生衝擊壓力。碰撞（以及由此衝擊壓力）在約6秒的時間間隔內產生。產生的衝擊壓力的 壓力幅值在70-180巴或甚至更高的範圍內測量，因為實驗中使用的壓力計僅能測量到最 多180巴。相比而言，為了向下推動或壓縮（不是錘擊）活塞以產生僅約10巴的靜壓力，將 需要質量約50kg的物體。由於在伯裡亞砂巖中的流體狀態（湍流等）和條件對於各次衝 擊各不相同，因此通過在實驗過程期間改變這些條件就可以解釋測得的衝擊壓力的變化。
[0117] 圖4B中更詳細地顯示了單次的衝擊壓力，也示出了如在伯裡亞砂巖巖心上的實 驗室注水實驗中所獲得和測得的壓力瞬變的典型形狀。注意到在這些實驗中的每一次衝擊 壓力的幅值是約170巴（約2500psi)，並且時間寬度是近似或大約5毫秒，由此產生非常陡 峭的壓力鋒以及非常短的上升和下降時間。相比而言，通過快速打開閥門導致的壓力脈衝 所獲得的壓力振幅的寬度為數秒並且通常小於10巴。
[0118] 圖7是在之前描述的在伯裡亞砂巖巖心上的注水實驗中所獲得的一部分結果的 總結。進行了在沒有衝擊壓力（標記為"A"）和有衝擊壓力（標記為"B"）下的對比實驗， 並且彼此分別列在圖7的表中，且對應於不同的注水速度。
[0119] 在沒有衝擊壓力下進行的實驗（標記為"A"）是用靜壓力驅動流體流來進行的，其 中泵送裝置540直接耦接於芯缸532。換言之，包括活塞202和物體208的液壓缸201中的 衝擊壓力產生裝置200被斷開或繞過。在兩個系列的實驗中，使用相同的Decan油類型。
[0120] 平均（在巖心栓的橫截面上）注水速度（按μ m/秒計）通過泵送裝置的流量給 出。在所有實驗中，用於產生壓力瞬變的裝置對總流量及因此對注水速度的貢獻都是可忽 略的，這是期望的，因為高注水速度可能導致被注入的水更不均勻滲透，並因此導致早期的 水突破。在實驗3B中，實驗裝置還包括置於液壓缸501和流體泵送裝置540之間的蓄壓器。 蓄壓器中的超壓提供了導致表中報告的30-40 μ m/秒的高注水速度的額外泵送效果。理想 地，該超壓應該被消除。圖7中包括的結果3B可以被視作表明了即使在高注入速度的情況 下也能獲得改進的油採收。通常，大流速導致粘性指進並由此導致較低的油採收。該實驗 結果因此表明衝擊壓力阻止了粘性指進的形成，這可以通過衝擊壓力具有的上升時間和幅 值能夠得到克服伯裡亞砂巖巖心中的毛細管阻力的壓差來解釋。
[0121] 如從實驗數據可看到的，對注水法施加衝擊壓力導致油採收率的顯著提高，範圍 在約5. 3-13. 6% (分別在實驗2和4中），因此明確地證實了根據本發明所提出的烴類採 收方法的潛力。
[0122] 物體和活塞之間的接觸時間以及由此得到的碰撞接觸時間的估算可以根據與如 上參照圖1C列舉的相同的導出方式來獲得，不過在此是用於5kg的鋼球（R = 5. 25cm且泊 松比約為0. 28)和水之間的理論碰撞過程。通過對水使用0. 22GPa的體積模量以及對鋼使 用215GPa的彈性模量，如上所寫的總彈性模量變為0. 39GPa。通過使用Hertz碰撞理論獲 得3. 17ms數量級的接觸時間和約4. 8ms的時間寬度。這可以與實驗中根據經驗性的壓力 對時間的曲線測量的衝擊壓力的約5ms的測量時間寬度相比較。
[0123] 實驗測量的衝擊壓力的時間寬度因此與根據Hertz碰撞理論確定的用於接觸時 間和時間寬度的估算值很好地吻合。但是，Hertz碰撞理論僅適用於具有彈性的固體。使 用體積模量來代替彈性模量將只能提供固體（有彈性）和流體（沒有彈性）之間的碰撞過 程所用的接觸時間的估算值。
[0124] 總之，在注水期間使用壓力激發例如衝擊壓力在要獲取改進的油採收時是有利 的。這可以通過高壓力結合衝擊壓力的短上升時間（和時長）在孔喉長度上提供了足以能 夠克服毛細管阻力的壓差而得到解釋。此外，壓差可以保持足夠長的時間（接近於瑞利時 間），使得（造成毛細管阻力的）流體接觸面通過毛細管喉。而且，衝擊壓力的短上升時間 確保了衝擊壓力的時間平均值不會在Darcy關係式中做出顯著貢獻。使用衝擊動力學（碰 撞過程）是一種簡單且有效的方法，用於產生具有短上升時間的壓力激發且用於在接近於 瑞利時間的時段內保持足夠的壓差，這可以通過短接觸時間（通過應用Hertz碰撞理論來 估算）並且是與瑞利時間相同數量級的接觸時間來解釋。
[0125] 圖8A和8B列舉了用於產生衝擊壓力的裝置200的不同實施例。裝置200包括以 下的部件：注有流體的腔室，其可以是具有兩個開口的缸201的形狀；可移動地放置在腔室 201中的活塞；連接至液壓缸201中的開口的第一管路211和第二管路212 ;以及能夠碰撞 活塞202由此衝擊主要在腔室的一部分801中的流體的物體208。液壓缸201可以螺栓連 接至重型平臺或接地。在本實施例中，活塞202被放置在缸中以使其下端（在其最上方的 位置）被剛好放置在或者接近於液壓缸201中的開口的上邊緣。圖8B中的裝置200包括 與圖8A所述的系統相同的部件，只是在此腔室及其中放置的活塞相對於地面被翻轉，以使 得物體208被促使與腔室碰撞以衝擊其中的流體。液壓缸201在物體208衝擊期間的小堅 直位移不會導致對水流的限制。為了適應液壓缸201的任何可能的堅直位移，管路211和 212的分段可以製成為柔性的。
[0126] 通常，從管路212(通過液壓缸201)流出並流向管路211的流體可以包含流體或 其他溶解流體的混合物。在大多數情況下，系統將不可避免地包括氣體夾雜物例如溶解在 水流體中的氣泡。這樣的氣體夾雜物幾乎從流體系統的起點開始一直存在，並且如果不通 過例如排氣而仔細地去除那就能夠與流體一起圍繞系統行進。而且，氣泡可以在水中由於 湍流或者由於物體208對活塞202的衝擊而生成。
[0127] 這樣的氣體夾雜物通常由於重力的影響使得氣泡在流體中上升而傾向於聚集在 裝置的最上方區域中。在圖8A和8B簡要示出的裝置中，這些小氣體夾雜物例如氣泡將自 然地聚集在活塞202下方的缸最上部的區域800中。在此，除非被阻止，否則氣體夾雜物可 以隨著時間而積聚並形成氣體夾雜物的聚集，最終產生大氣泡。
[0128] 由於氣體夾雜物與流體相比的較高的可壓縮性，位於衝擊腔室內流體的活塞202 的下方的氣體夾雜物將在衝擊期間延長接觸時間和增加活塞202的位移。存在的氣體夾雜 物的量越大，所獲得的活塞的位移就越大並且接觸時間就越長。這在產生具有大幅值以及 短上升時間和時長的衝擊壓力方面是不利的，其中關鍵點在於保持接觸時間儘可能的短。
[0129] 因此，氣體夾雜物在區域800中的任何聚集和積聚在流體直接衝擊的一部分腔室 801中都應該減少或避免。在圖8A和圖8B的實施例中，這通過從緊鄰區域800的、氣體夾 雜物將匯集於此的腔室中設置出口 211來實現。由此，氣體夾雜物例如氣泡將通過水從管 路212流出並流向管路211而被推送到液壓缸201以外。在這些實施例中，還通過緊鄰或 接近於流體被碰撞過程衝擊的位置設置入口，由此改善在腔室的這一部分801中的流通來 減少甚至避免氣體夾雜物在腔室中的積聚。
[0130] 圖9A和9B示出了用於衝擊壓力產生的裝置200的兩個實施例，其中腔室的相對 於彼此可移動的兩個壁部901、902通過彼此插入的缸來形成。系統中包括密封裝置以限制 流體在缸901和902之間漏出。此外，系統中可以包括由於流體壓力克服了缸901的重量 和密封裝置中的任何摩擦而用於阻止缸901從缸902移出的裝置。
[0131] 在圖9A的實施例中，入口 212和出口 211都設置在被物體208衝擊的缸901中。 入口和出口相對於氣體夾雜物區域800的位移減少或避免了這些氣體夾雜物在流體被衝 擊的位置801處的任何積聚。在圖9B的實施例中，入口 212設置在缸902中且出口 211設 置在被物體208衝擊的缸901中。
[0132] 圖10A、10B和10C列舉了根據本發明產生衝擊壓力的另一個實施例。裝置200在 此包括設置在缸601內的活塞602,活塞602由此將缸601分為兩個腔室1001、1002。活塞 602通過第二腔室1002中的開口 605伸出液壓缸601。第一管路211和第二管路212連接 至注入流體的第一腔室1001中的兩個開口。物體208被設置用於碰撞活塞602,由此衝擊 第一腔室1001中的流體，產生傳播到管路211和212中的衝擊壓力，這與先前公開的實施 例相對應。系統中可以包括活塞602和缸壁之間的密封裝置以限制流體在腔室之間漏出。
[0133] 此外，系統中可以包括用於阻止活塞602移動超出抵消流體壓力的極端位置的裝 置。這樣的裝置可以簡單地是活塞602在缸內的一些部分不能移動通過開口 605。
[0134] 開口 604允許流體（例如空氣）在作業模式期間流動或被引導流入和流出第二腔 室1002以調節或控制第二腔室1002中的壓力。開口 604在一個實施例中可以在作業模式 期間關閉，由此壓縮和釋放第二腔室中的流體。
[0135] 用這種方式，活塞後方的壓力例如可以控制成譬如在被物體碰撞之前完全或部分 超過流體中的壓力。這就相應地增加了能夠轉化為衝擊壓力的能量總量。
[0136] 圖10B示出了可以與圖10A中的裝置相比較的裝置的實施例，只是在此系統的取 向不同且物體208被促使與液壓缸相撞。
[0137] 圖10B示出了可以與圖10A中的裝置相比較的裝置的實施例，只是在此活塞602 包括流動通道1003,以使得流體能夠在腔室1001、1002之間流動，從而可以在第二腔室 1002中設置入口 212。單向閥1004安裝在流動通道中，僅允許從第二腔室流出並流入第一 腔室。由於活塞中的流動通道1003,因此在活塞兩側的兩個腔室中的壓力相同，並且活塞因 此與系統中的靜壓力無關地不會被流體中的壓力移動。物體208對活塞的碰撞僅僅引發向 下的運動，並且因此可以使用其他的裝置用於在下一次衝擊之前將活塞向其初始的最上方 位置移動。
[0138] 圖11-14示出了用於根據本發明產生衝擊壓力的裝置的不同實施例。在這些實施 例中，由於重力而在流體中聚集的任何氣體夾雜物所在的區域800已經定位在遠離腔室中 被流體衝擊的部分801的裝置中。
[0139] 在圖11中，物體被促使與設置在注有流體的腔室的非水平側的第一壁部相撞，而 任何氣體夾雜物則在腔室最上部的區域800中聚集。
[0140] 在圖12中，整個腔室被促使下落到物體（例如地面）上。流體由此在碰撞過程期 間主要在腔室的最下部801被衝擊，而任何氣體夾雜物則自然地在腔室最上部的區域800 中聚集。
[0141] 在圖13中，活塞包括流動通道1003。此外其朝向流體衝擊區域1301的下表面凹 陷以使第一腔室1001中的氣體夾雜物將沿流動通道向上移動以在遠離衝擊區域801的第 二腔室內的區域800中聚集。
[0142] 在圖14中，活塞朝向流體衝擊區域1301的表面相對於水平方向偏移，以使得氣體 夾雜物將升高並移動到活塞衝擊流體801的位置外側的區域800。
[0143] 儘管已經介紹了本發明的優選實施例，但是應該理解本發明並不局限於此，而且 可以做出並不背離本發明的多種修改。本發明的保護範圍由所附的權利要求限定，並且無 論是字面上還是等價地落入權利要求含義中的所有設備都應認為被涵蓋在本發明中。
【權利要求】
1. 一種用於在流體中生成衝擊壓力的衝擊壓力生成系統，所述流體對儲層使用以用於 從所述儲層中採收烴類，所述系統包括通過至少一條管路與所述儲層流體連通的、至少部 分充注流體的腔室，所述腔室包括可以彼此相對運動的第一壁部和第二壁部，所述系統進 一步包括設置在所述流體外側的物體，所述物體用於在碰撞過程中與所述第一壁部碰撞， 由此衝擊所述腔室中的流體，在所述流體中生成通過所述管路向所述儲層傳播的衝擊壓 力，其中所述腔室包括氣體夾雜物通過重力的影響而自然地聚集於此的某一區域，並且其 中所述腔室設置成：通過將所述管路布置在所述區域中或所述區域附近，或者通過將衝擊 所述流體的所述第一壁部布置成遠離所述區域，從而避免氣體夾雜物在所述第一壁部衝擊 所述流體的地方積聚。
2. 根據權利要求1所述的系統，其中所述第一壁部形成有活塞，且所述腔室進一步包 括在所述活塞和所述第二壁部之間的軸承。
3. 根據先前權利要求中的任意一項所述的系統，其中所述腔室包括通過所述第一壁部 分隔的第一腔室和第二腔室，並且所述第一壁部包括在所述腔室之間的開口。
4. 根據先前權利要求中的任意一項所述的系統，其中所述物體具有的質量在 10-10000千克的範圍內，例如在10-2000千克的範圍內，例如在100-1500千克的範圍內或 者在200-2000千克的範圍內，例如在500-1200千克的範圍內。
5. 根據先前權利要求中的任意一項所述的系統，其中促使所述物體下落到所述第一壁 部上的下落高度在0. 02-2. 0米的範圍內，例如在0. 02-1. 0米的範圍內，例如在0. 05-1. 0 米的範圍內，例如在0. 05-0. 5米的範圍內。
6. 根據先前權利要求中的任意一項所述的系統，其中所述系統通過另一條管路連接至 第二儲層，並且其中所述系統進一步包括從所述第二儲層提供流體流動通過所述腔室並流 入所述第一儲層的泵送裝置。
7. 根據先前權利要求中的任意一項所述的系統，其中所述管路連接至從地面通向所述 儲層的井眼，並且其中所述腔室布置在所述井眼的外側。
8. -種用於從儲層中採收烴類的方法，所述方法包括： -設置通過至少一條管路與所述儲層流體連通的、至少部分充注流體的腔室，其中所述 腔室包括可以彼此相對運動的第一壁部和第二壁部， -在所述流體的外側設置物體， -通過所述管路在所述流體中提供向所述儲層傳播的衝擊壓力，其中所述衝擊壓力通 過碰撞過程來生成，所述碰撞過程包括所述物體和所述第一壁部之間的碰撞，所述第一壁 部由此衝擊所述腔室中的流體， -氣體夾雜物通過重力的影響而自然地聚集在所述腔室的某一區域中，將所述腔室設 置成：通過將所述管路布置在所述區域中或所述區域附近以由此輸送所述氣體夾雜物離開 所述腔室，和/或通過設置所述腔室以使衝擊所述流體的所述第一壁部被布置成遠離所述 區域，從而避免所述氣體夾雜物在所述第一壁部衝擊所述流體的地方積聚。
9. 根據權利要求8所述的用於採收烴類的方法，其中所述碰撞過程包括通過重力促使 所述物體下落到所述第一壁部上。
10. 根據權利要求8或9所述的用於採收烴類的方法，其中所述物體在空氣中與所述第 一壁部碰撞。
11. 根據權利要求8至10中的任意一項所述的用於採收烴類的方法，進一步包括按照 一定的時間間隔產生多次所述的碰撞過程。
12. 根據權利要求11所述的用於採收烴類的方法，其中產生所述碰撞過程的時間間隔 在1-20秒的範圍內，例如在4-10秒的範圍內，例如約為5秒。
13. 根據權利要求11或12所述的用於採收烴類的方法，包括產生第一序列的碰撞過 程、然後產生第二序列的碰撞過程的步驟，所述第一序列的碰撞過程具有壓力幅值、上升時 間和碰撞間隔時間的第一設定，所述第二序列的碰撞過程具有壓力幅值、上升時間和碰撞 間隔時間的不同設定。
14. 根據權利要求13所述的用於採收烴類的方法，其中通過改變所述物體的質量和/ 或改變所述物體在碰撞之前相對於所述第一壁部的速度來改變壓力幅值和上升時間的所 述設定。
15. 根據權利要求1至14中的任意一項所述的用於從地下儲層內的多孔介質中採收烴 類流體的烴類採收方法或烴類採收系統的用途，其中所述地下儲層與管路流體連通以使衝 擊壓力在至少部分地流入所述多孔介質的流體中傳播。
【文檔編號】E21B43/00GK104114807SQ201280068778
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年12月19日 優先權日:2011年12月19日
【發明者】J-V·保爾森 申請人:壓力技術系統公司