壓裂設(shè)備

背景技術(shù)：
水力壓裂已經(jīng)成為用于刺激成熟儲層和更新的頁巖油氣儲量的主要方法。壓裂后射孔井筒的益處是眾所周知的，并且這種方法已能夠提高生產(chǎn)力或者獲得先前不可開采的儲量。然而，伴隨這些益處而來的是成本以及環(huán)境問題。在水力壓裂深水平井期間需要大量水。會消耗數(shù)百萬加侖的水來刺激一口深水平井。水力壓裂的典型成本包括增壓、泵送和作業(yè)完成之后的水處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
當(dāng)前系統(tǒng)存在的上述問題將通過本發(fā)明的實施例解決，并且將通過閱讀和研究以下說明書而被理解。以示例而非限制的方式描述以下發(fā)明內(nèi)容。其僅僅是為了輔助閱讀者理解本發(fā)明的一些方面而被提供。在一個實施例中，壓裂設(shè)備設(shè)置成包括殼體、注射流體供應(yīng)接口和至少一個高壓燃燒器。殼體構(gòu)造成定位在井筒下。殼體具有至少一個注射口。注射流體供應(yīng)接口為水力壓裂設(shè)備提供注射流體。所述至少一個高壓燃燒器被接納在殼體內(nèi)。殼體具有可燃介質(zhì)接口，所述可燃介質(zhì)接口與所述至少一個高壓燃燒器流體連通。所述至少一個高壓燃燒器構(gòu)造并且布置成提供了重復(fù)的點火周期，所述點火周期包括點燃可燃介質(zhì)的燃燒周期和將可燃介質(zhì)輸送到燃燒器的燃料輸送周期，其中，源自燃燒周期的壓力將注射流體推出到所述至少一個注射口之外，以致使壓裂井筒周圍的地層的一部分。在另一個實施例中，另一種壓裂設(shè)備設(shè)置成包括殼體、注射流體供應(yīng)接口、注射流體管道和至少一個高壓燃燒器。殼體構(gòu)造成定位在井筒下。殼體具有多個間隔開的注射口。另外，殼體還具有注射體積保持室，所述注射體積保持室構(gòu)造成保持輸入流體體積。注射流體供應(yīng)接口用于為水力壓裂設(shè)備提供注射流體。注射體積保持室與注射流體供應(yīng)接口流體連通。注射流體管道提供了位于殼體內(nèi)并位于注射流體供應(yīng)接口和殼體的注射體積保持室之間的路徑。所述至少一個高壓燃燒器被接納在殼體內(nèi)。殼體還具有可燃介質(zhì)接口，所述可燃介質(zhì)接口與所述至少一個高壓燃燒器流體連通。所述至少一個高壓燃燒器構(gòu)造并且布置成提供重復(fù)的點火周期，所述重復(fù)的點火周期包括燃燒可燃介質(zhì)的燃燒周期和將可燃介質(zhì)輸送到燃燒器的燃料輸送周期，其中，源自燃燒周期的壓力將注射流體推出到所述至少一個注射口之外，在該處導(dǎo)致壓裂井筒周圍的地層的一部分。在再一個方面中，提供了井下壓裂方法。這種方法包括：將具有至少一個高壓燃燒器的殼體下放到井筒下；和利用所述至少一個高壓燃燒器產(chǎn)生振蕩壓力，以致使井筒周圍的地層區(qū)域中微壓裂。附圖說明當(dāng)考慮到詳細描述和以下附圖考慮，可以更為容易地理解本發(fā)明并且本發(fā)明的其它優(yōu)勢和使用將變得更加顯而易見，其中：圖1是井下壓裂設(shè)備的一個實施例的橫截面?zhèn)纫晥D；圖2是井下壓裂設(shè)備的另一個實施例的橫截面?zhèn)纫晥D；圖3是描繪了在圖2中示出的實施例的工作的方塊圖；圖4A和圖4B示出了描繪了活塞運動的方向的圖2的橫截面?zhèn)纫晥D；圖5是本發(fā)明的一個實施例的燃燒器的側(cè)透視圖；圖6A是圖5的燃燒器的沿著線3A-3A的剖視圖；圖6B是圖5的燃燒器的沿著線3B-3B的剖視圖；圖7是圖解了通過燃燒器的氣流的圖5的燃燒器的橫截面?zhèn)纫晥D。根據(jù)慣例，所描述的多種特征沒有按照比例繪制，而是被描繪成突出與本發(fā)明有關(guān)的特定特征。在整個附圖和文字中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。具體實施方式在以下詳細描述中，參照附圖，所述附圖形成描述的一部分并且其中，通過圖解的方式示出了可以實踐本發(fā)明的具體實施例。充分詳細地描述這些實施例，以使得本領(lǐng)域中的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明并且應(yīng)當(dāng)理解的是也可以利用其它實施例并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出改變。因此以下詳細描述并不是限制性的，本發(fā)明的范圍僅僅由權(quán)利要求和其等效物限定。本發(fā)明的實施例提供了一種壓裂設(shè)備或者用于啟動以及傳播裂隙的設(shè)備。實施例采用了井下燃燒室來產(chǎn)生振蕩壓力脈沖以傳播裂隙。在一些實施例中，壓裂設(shè)備是系統(tǒng)的一部分，所述系統(tǒng)包括燃料、反應(yīng)器或者位于地表的其它燃料重整器(例如，催化部分氧化(CPOX))、用于輸送燃料的控制系統(tǒng)和井下氧化劑和點火源。燃料，諸如但不局限于天然氣、丙烷、甲烷、柴油行進通過反應(yīng)器，使得最終成分為氣態(tài)并且在井下環(huán)境中預(yù)計可燃。這允許產(chǎn)生合成燃料，所述合成燃料主要包括氣態(tài)一氧化碳、氫氣和簡單烴，用于高效且穩(wěn)定地燃燒。氣態(tài)燃料將提高與氣態(tài)氧化劑(諸如，空氣)的混合并且使得能夠?qū)Χ喾N燃料進行表面處理，以便輸送到壓裂設(shè)備100。壓裂設(shè)備100可以在地層(未示出)中的井筒中(未示出)使用。參照圖1，壓裂設(shè)備100包括殼體或者本體102，所述殼體或者本體102大體為管狀并且封閉，除了一個端部上的諸如入口或者管道的輸送接口104之外。輸送接口104可以允許氣體和流體(例如，空氣、燃料和諸如可燃介質(zhì)的其它流體)以及用以啟動點火系統(tǒng)200(燃燒室)的能量通過并且輸送到壓裂設(shè)備100中?？梢员惠斎氲綒んw中的流體包括例如壓裂注射流體。殼體102還具有多個注射口106，所述注射口106定位在與輸送接口104相反的端部中。注射口106允許排出或者輸送燃燒后的氣體和壓裂流體(注射流體)。封裝在圖1的實施例的殼體102中的是燃燒管108。燃燒管108沿著殼體102的選定長度延伸并且朝向排出口106的方向漸縮或者變窄，以便形成噴管或者文丘里管110。在文丘里管110和排出口或注射口106之間存在空間或者區(qū)域，即注射體積保持室111，在這個實施例中，所述注射體積保持室111允許燃燒后的氣體和流體在通過排出口106被排出之前混合。在一些實施例中，排出口106包括流量控制閥或者由流量控制閥覆蓋，就圖2中描繪的實施例在下文討論了該閥。燃燒室200(諸如關(guān)于圖5、6A和7在下文描述的點火系統(tǒng)200)定位成燃燒燃燒管108中的可燃介質(zhì)。在一些實施例中，殼體包括通道112，所述通道112與輸送接口104對準(zhǔn)。通道112可以形成在缸體114的外側(cè)或外部部分和殼體116的內(nèi)部部分之間并且延伸通過一段殼體102。氣體和燃料的燃燒升高了燃燒室中的溫度。由熱氣體形成的熱量致使氣體膨脹并且運動向文丘里管。在一個實施例中，氣體將在文丘里管中達到音速。在其它實施例中，氣體的速度將保持低于音速。缸體的溫度升高還使沿著通道112行進的流體的溫度升高。溫升的一個重要益處是升高了注射流體(或壓裂流體)的溫度，這減小了位于其中的注射流體的密度，從而允許更少的每單位刺激體積的液體輸送(即，更熱的液體占據(jù)的空間大于更低溫度條件下相同液體占據(jù)的空間)。加熱的流體還具有更低的粘度，這可以是重要優(yōu)勢。溫度增加100F可以使粘度降低大約50％。這可以消除或者減小在多種壓裂操作中使用的減阻劑的量。高溫高壓的排出產(chǎn)物排出文丘里管100并且進入到注射體積保持室111中，其在所述注射體積保持室11中與液壓流體(注射體積)混合。然后推動混合物流出排出口106，以便壓裂壓裂設(shè)備附近的地層區(qū)域。以重復(fù)方式操作燃燒，以便產(chǎn)生脈沖力從而引發(fā)壓裂。參照圖2，其圖解了壓裂設(shè)備400的另一個實施例。壓裂設(shè)備400通常為殼體或者本體402，所述殼體或者本體402封裝活塞404?；钊?04具有燃燒活塞頭406和注射流體活塞頭408，活塞頭406和408經(jīng)由軸或者桿410連接?；钊?04將缸體細分成兩個室：一次燃燒室412和二次燃燒室414。活塞404可滑動地布置在一次燃燒室412內(nèi)并且在注射行程期間可滑動地運動到二次燃燒室414。一次燃燒室412限定了第一壓縮級而二次燃燒室414限定了第二壓縮級。一次燃燒室412和二次燃燒室414可以相互毗鄰并且可以具有相同的尺寸或者不同尺寸。兩個燃燒室可以通過管道和控制閥(未示出)連通。每個燃燒室均具有其自己的點火系統(tǒng)200。在殼體402的一個端部處包括入口或者注射流體供應(yīng)接口416。入口416提供空氣、燃料(可燃介質(zhì))和壓裂流體，所述壓裂流體可以包括水和推進劑及加上多種化學(xué)添加劑；以及用以向點火系統(tǒng)200輸送能量的連接件或者接口(未示出)。在與入口416相反的端部處設(shè)置有注射口或者排放口418。注射口或者排放口418構(gòu)造成具有單向流量控制閥420。在一實施例中，井下壓裂設(shè)備400具有被動控制系統(tǒng)，所述被動控制系統(tǒng)利用正壓差將氣體注射到一次燃燒室412中。參照圖3、4A和4B，利用下述高壓點火系統(tǒng)200的修改版本點燃氣體。在點燃氣體混合物時，活塞502沿著箭頭500的方向?qū)嵤┳⑸湫谐?，由此壓縮彈簧(未示出)并且使得活塞502沿著朝向出口504的方向運動(經(jīng)由隔離閥506)，這使得井下流體移動并且升高儲層壓力以便啟動和傳播裂縫。根據(jù)井筒條件設(shè)置一次燃燒室506中的壓力和燃空比以及壓裂設(shè)備中存在的面積比，使得施加在活塞上的功充分冷卻燃燒氣體以便注射到井筒中。熱的燃燒后的氣體經(jīng)由出口504被排放到儲層507中。一次燃燒室506因燃燒而造成的膨脹對液壓流體或者注射流體加壓。在加壓行程時，活塞502將在高壓條件下推動流體進入儲層507中。止回閥用于控制流動方向。與注射體積相對的低壓室509(1atm)保持差動力，所述差動力用于一旦提取所有可用功就壓縮一次燃燒室506。在開始返回行程期間，一次燃燒室506被壓縮并且壓裂流體(注射流體)被引入到注射體積511中。一次燃燒室506的這種壓縮驅(qū)動廢氣和燃料(流出物)排出二次室508的排出口512之外。返回行程由低壓室啟動并且在一些情況中由壓縮彈簧(未示出)啟動，這增加了二次燃燒室508的體積，從而將新鮮的燃料和空氣(或者另一種氧化劑)516拉入到二次燃燒室中，所述二次燃燒室將被點火從而驅(qū)動活塞返回到其初始位置。在點火時，二次燃燒室508增壓。作用在活塞上的合力壓縮一次燃燒室中的盤簧(未示出)。同樣的冷卻和排氣方案應(yīng)用于二次燃燒室。在從二次燃燒室排放充分的氣體壓力時，一次燃燒室中的彈簧恢復(fù)到其初始狀態(tài)，從而活塞退回。一次燃燒室506的膨脹產(chǎn)生了吸力。這將燃料和空氣抽吸到一次燃燒室506中。一旦充分填充一次燃燒室之后，點火系統(tǒng)致使另外的燃燒波為一次燃燒室加壓并且過程重復(fù)。殼體402具有出口，所述出口將結(jié)合在一起的液壓流體和燃燒副產(chǎn)品排放到地層中。該周期重復(fù)，其凈效應(yīng)是利用來自燃燒過程的高壓/中等溫度的氣體和抽吸自地層的井筒流體對井筒進行受控增壓以液壓地壓裂地層。在一個實施例中，在6000psi的條件下實施高壓燃燒。在另一個實施例中，井筒壓力可以為大約5500psi至6000psi而輸送壓力相應(yīng)地為5900psi至6400psi。上述壓裂工具由來自燃燒室的熱廢氣和井筒附近的注射流體的組合物產(chǎn)生暖的高氣體含量的泡沫，以便開始微壓裂，所述泡沫的氣體含量按體積大于50％。在另一個實施例中，通過調(diào)節(jié)空氣-燃料和液體供應(yīng)產(chǎn)生低氣體含量的泡沫。另外，這種泡沫將通過冷凝和冷卻具有大的高分子的熱廢氣而轉(zhuǎn)換成低氣體含量泡沫，以便當(dāng)泡沫進一步遠離壓裂設(shè)備時支持裂隙更深入到地層中。在其它實施例中，壓裂工具100或者400可以增加有已知固體推進系統(tǒng)。通過組合壓裂工具100或者400與推進系統(tǒng)，可以針對所需的井筒條件定制壓力曲線。與提供了單一壓力脈沖的已知系統(tǒng)(例如，氣槍)相比，兩個系統(tǒng)的組合還提供了持續(xù)壓力。在一個實施例中，組合的系統(tǒng)或者所公開的系統(tǒng)可以用于有效地應(yīng)用針對疲勞裂紋增長的帕里斯定律。帕里斯定律傳統(tǒng)上用于確定當(dāng)部件(例如，儲層或者井筒)承受重復(fù)疲勞條件時的裂紋增長率。換言之，當(dāng)儲層或者井筒承受重復(fù)疲勞或周期疲勞或者重復(fù)力或周期力(諸如重復(fù)壓力或者周期壓力)時，裂紋能夠在儲層或者井筒中發(fā)展。帕里斯定律可以在數(shù)學(xué)上描述為表達式da/dN＝C(ΔK)m，其中，a是一半裂紋長度，N是疲勞周期的次數(shù)，da/dN是一半裂紋長度相對于疲勞周期的次數(shù)的變化率，C是裂紋增長方程和裂紋幾何形狀的材料常數(shù)，m是可以基于待分析的材料類型選擇的常數(shù)。ΔK是應(yīng)力強度因數(shù)K的范圍，其中，K可以基于負荷狀態(tài)。在圖5至圖7中圖解了上述點火系統(tǒng)和燃燒室200。圖5是燃燒室200的側(cè)透視圖，所述燃燒室200包括注射器本體202。注射器本體202通常為筒狀，所述注射器本體202具有第一端部202a和第二端部202b。燃料進口管206進入到注射器本體202的第一端部，以便將燃料提供到燃燒室200。還如圖5和圖6B所示，預(yù)混合空氣進口管204穿過注射器本體202，以便將空氣流提供到燃燒室200。燃燒器(諸如但不局限于空氣旋流板208)緊鄰地連接到注射器本體202的第二端部?？諝庑靼?08包括多條傾斜的空氣通道207，所述空氣通道207致使空氣通過空氣通道207以流動成旋渦。在圖5中還示出了射流延長器210，所述射流延長器210從注射器本體202的第二端部202b延伸。特別地，管狀射流延長器210從燃料注射器板217的中央通道延伸越過注射器本體202的第二端部202b。射流延長器210將用于初始點火的預(yù)混合空氣/燃料流與在主燃燒室300中使用的空氣/燃料流分離開一選擇距離。點火室240中的初始點火需要精確的空燃比。射流延長器210防止輸送自燃料注射器板217的燃料流入到點火室中從而在點火室中無意地改變點火室240中的空燃比。在射流延長器210的這個實施例中，射流延長器包括通過射流延長器本體的中間部分的多行對準(zhǔn)的通道211。通過射流延長器本體210的中間部分的多行對準(zhǔn)的通道211用于實現(xiàn)點火室240和主燃燒室300之間理想的空燃比。這提供了在主燃燒室300的所需空燃料比的條件下對點火的被動控制。如上所述，射流延長器210從燃料注射器板217的中央通道延伸。如圖6A和圖6B所示，注射器板217通常為具有選定高度的盤狀，所述注射器板217具有中央通道。在注射器本體202的第二端部202b附近并與該第二端部相距選定距離處，注射器板217的外表面與注射器本體202的內(nèi)表面接合。特別地，注射器板217的側(cè)部的一部分抵接注射器本體202的內(nèi)壁架202c，以便將注射器板217定位在與注射器本體202的第二端部202b相關(guān)的理想位置處。注射器板217包括內(nèi)通道217a和217b，所述內(nèi)通道217a和217b通往燃料排出通道215。阻氣門221和223定位在注射器板217的內(nèi)通道217a和217b中的相應(yīng)開口219a和219b中。阻氣門221和223限制燃料流量并且通過相應(yīng)的阻氣門燃料排放通道221a和223a分布燃料流量，所述阻氣門燃料排放通道離開注射器板217以及經(jīng)由多個開口221b和223b進入到注射器板217的內(nèi)通道217a和217b中。進入到內(nèi)通道217a和217b中的燃料經(jīng)由注射器通道215離開注射器板217。燃料進口管206向燃燒室200提供燃料。特別地，如在圖6A中所示，燃料進口管206的端部接納預(yù)混合燃料構(gòu)件209的一部分。預(yù)混合燃料構(gòu)件209包括內(nèi)腔209a，所述內(nèi)腔209a通到預(yù)混合室212中。特別地，預(yù)混合燃料構(gòu)件209包括第一部分209b，所述第一部分209b裝配在燃料進口管206內(nèi)部。預(yù)混合燃料構(gòu)件209的第一部分209b包括通到內(nèi)腔209a的預(yù)混合燃料通道入口210a和210b。來自燃料進口管206的燃料通過預(yù)混合燃料通道入口210a和210b，然后進入到通到預(yù)混合室212的內(nèi)腔209a。預(yù)混合燃料構(gòu)件209還包括第二部分209c，所述第二部分209c定位在燃料進口管206外。預(yù)混合構(gòu)件209的第二部分209c聯(lián)接到預(yù)混合室212。第二部分209c還包括接合凸緣209d，所述接合凸緣209d從燃料進口管206的表面延伸。接合凸緣209d接合燃料進口管206的端部。在一個實施例中，密封件定位在接合凸緣209d和進口管206的端部之間。盡管沒有示出，但是燃料進口管206的另一個端部聯(lián)接到井下燃燒室100的殼體中的內(nèi)通道，以便接納燃料。還如圖6A所示，聯(lián)接到燃料進口管206的分支燃料輸送管道205a和205b提供了流至燃料注射器板217中的相應(yīng)阻氣門221和223的燃料流。如圖6B所示，預(yù)混合空氣入口204向預(yù)混合燃燒室212提供了空氣?？諝?燃料混合物隨后流到空氣/燃料預(yù)混合注射器214，所述空氣/燃料預(yù)混合注射器214將燃料/空氣混合物分配到初始點火室240中。初始點火室240襯有絕熱體220，以使熱損耗最小化。經(jīng)由一個或者多個熱線點火塞230a和230b點燃來自預(yù)混合注射器214的空氣/燃料混合物。參照圖7，描述燃燒室200的操作。在壓力作用下諸如但不局限于甲烷的燃料被輸送通過殼體102中的通道抵達燃料進口管206。如圖所示，燃料通過燃料進口管206進入到多個分支燃料輸送管道205a和205b中并且進入到預(yù)混合燃料進入構(gòu)件209的預(yù)混合燃料入口210a和210b。盡管僅僅示出了兩個分支燃料輸送管道205a和205b和預(yù)混合燃料入口構(gòu)件109的兩個預(yù)混合燃料入口210a和210b，但是可以使用任何數(shù)量的燃料輸送管道和預(yù)混合燃料入口并且本發(fā)明不受數(shù)量限制。進入到預(yù)混合燃料入口構(gòu)件209的預(yù)混合燃料入口210a和210b的燃料被輸送到預(yù)混合室212，在所述預(yù)混合室212處，燃料與來自預(yù)混合空氣入口204的空氣混合，如下所述。通過分支燃料輸送管道205a和205b的燃料被輸送到阻氣門221和223并且被輸送出燃料注射器216a和216b和燃料注射器板217中的燃料通道215，以便向主燃燒室300提供燃料流。在壓力下的空氣還通過殼體102中的通道被輸送到燃燒室200。在這個實施例中，壓力下的空氣位于注射器本體202和殼體102之間?？諝膺€通過空氣旋流板208中的空氣通道207，在其中向主燃燒室300提供空氣流。如圖所示，一些空氣進入到預(yù)混合空氣入口204并且被輸送到預(yù)混合室212。在預(yù)混合室212中混合的空氣和燃料流到空氣/燃料預(yù)混合注射器214，所述空氣/燃料預(yù)混合注射器214構(gòu)造并且布置成輸送空氣/燃料混合物，使得來自空氣/燃料預(yù)混合注射器214的空氣/燃料混合物以相對較低的速度圍繞初始點火室240渦旋。一個或者多個熱線點火塞230a和230b加熱這種相對低速的空氣/燃料混合物至自動點燃溫度，其中發(fā)生點火。通過射流延長器210的、初始點火室240中的燃燒點燃來自主燃燒室300中的燃料注射器板217和空氣旋流板208的空氣/燃料流。一旦在主燃燒室300中已經(jīng)實現(xiàn)燃燒，則中斷供應(yīng)至熱線點火塞230a和230b的能量。因此，初始點火室240中的燃燒是瞬時事件，使得產(chǎn)生的熱量不會融化部件。熱線點火塞230a和230b被致動以點燃初始點火腔240中的空氣/燃料混合物的時間可被縮短。在一個實施例所述時間為大約8至10秒。在一實施例中，在初始點火期間經(jīng)由空氣/燃料預(yù)混合注射器214在初始點火室240中實現(xiàn)處于0.5至2.0范圍內(nèi)的空燃當(dāng)量比。同時，通過空氣旋流板208和燃料注射器板217實現(xiàn)處于0.04至0.25范圍內(nèi)的主燃燒室300中的空燃當(dāng)量比。在點燃初始燃燒室240和主燃燒室300中的流之后，關(guān)閉熱線點火塞230a和230b。然后在初始點火室240中實現(xiàn)處于5.0至25.0范圍內(nèi)的空燃當(dāng)量比，與此同時，通過空氣旋流板208和燃料注射器板217在主燃燒室300中實現(xiàn)處于0.1至3.0范圍內(nèi)的空燃當(dāng)量比。這種布置方案允許來自初始點火室240的瞬時爆燃點燃主室300中的空氣/燃料，此后，通過實現(xiàn)過于富燃料的空燃當(dāng)量比來熄滅初始點火室240中的任何燃燒，以便支持繼續(xù)燃燒。為了停止主燃燒室300中的燃燒，截斷通向燃燒器200的空氣和燃料中的任意一種或者兩種。盡管已經(jīng)在此圖解以及描述了具體實施例，但是本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員能夠理解的是被預(yù)計實現(xiàn)相同目的的任何布置方案均可以替代示出的具體實施例。本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何調(diào)整方案或者變形方案。因此，目的清楚地在于，本發(fā)明僅由權(quán)利要求以及其等效物限制。