CN1098163A - 破碎燃烧无壳压裂弹 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种破碎燃烧无壳压裂弹，由弹头、弹
身和弹尾组成，是为了解决能产生多裂缝、长裂缝的
升压速度和脉冲式压力加载及深井的点火和装药耐
热问题。采用密闭式点火器和两种燃速火药分层装
药，通过点火管胀裂点火，装药破碎燃烧，使点火后
5ms即能达到产油地层破裂压力，维持峰值压力
500ms以上，装药量可达到3—10kg/m。本发明采
用电缆施工，油井无封堵，适用于5000m以下各种深
度油井压裂，为我国油田开采推向新台阶。
Description
本发明是属于压裂地下岩石的高能压裂装置，是一种用于油田井下油层改造和石油开发的破碎燃烧无壳压裂弹，该弹由弹头、弹身和弹尾组成。
在石油开采中，提高低渗透油田石油产量的有效措施是实施压裂，改善油层的渗透性，降低油流阻力，从而增加油井的石油产量。
目前在石油开采中普遍使用的压裂方法是水力压裂，实施水力压裂需要很多大型压裂设备，还需大量的压裂液和支撑剂，施工费用十分昂贵，除此之外，水力压裂只产生1-2条裂缝，且水力压裂还受水源、地形和道路条件的限制，它不适用于水敏性地层。
另一种压裂方法是***压裂，***压裂虽然也可以用于地下岩层的压裂，但缺陷很多。首先，***压裂容易使油井的套管造成破裂，使油井无法正常生产，甚至使油井报废。其次，***压裂很不安全，***在运输和使用过程中容易受撞击而发生***。
近年来，国内外发展了一种高能气体压裂弹，其结构采用了钢制弹壳，存在着装药量少，使用不方便，压力波动大，最大恒定压力持续时间短，容易发生掉弹和卡弹等事故。为了克服金属壳体存在的问题，苏联在七十年代生产了一种AДC型无壳高能气体压裂弹，其特点在药柱的侧表面对称地布置有纵向沟槽，以便嵌入钢丝绳，并利用钢丝绳把药柱串在一起，后来又发展了一种在AДC型药柱侧表面缠有浸过树脂的棉丝带。美国专利U.S.P4，823，876（1989.5.25）报导无壳气体发生器结构与上述的基本一致，不同的是增加了一种抗加速装置。国外的无壳高能气体压裂弹共同存在结构复杂、加工工艺难度大，钢丝绳不能重复使用。中国专利93102559.0采用了中轴连接，结构简单能重复使用。但到目前为止，现有的无壳压裂弹装药都采用端面燃烧或侧面与端面同时燃烧的工作原理，由于初始燃烧面太小，压力上升时间长，其结果对产油地层造成的裂缝小而短，压裂有效成功率太低，而且需要在油井封堵条件下进行压裂施工，否则，产生的压力难以达到设计要求。由于点火和装药结构等技术原因，无法用于深井压裂，从而使高能气体压裂技术的发展和应用受到了很大的限制。
本发明的目的在于克服背景技术的不足，设计一种能产生多裂缝、长裂缝、无封堵、点火可靠和装药耐热的破碎燃烧无壳压裂弹。
本发明的构思：要实现上述目的，按现有压裂弹结构是无法解决的，因为现有的无壳压裂弹中装药都是端面燃烧，必须封堵气体压力才能循序上升到高压状态。现在利用火药燃烧产生的高温使油水汽化和火药气体向两端压缩，当气体压缩速度远远大于泄压速度时就形成了瞬时的液柱封堵。现有的传火管，点火速度慢，不能使压裂弹的整体装药同时点燃。现有的火药，即使选用速燃药，因装药结构的限制，端面或侧面燃烧也达不到暧间（5-50ms）产生高压这一目的，而现有的***压裂，压力上升太快，产生压实、崩裂问题。要解决上述问题，必须打破常规的点火和装药结构，采用火药破碎燃烧的形式来构思设计点火器和装药结构。为使无壳压裂弹整体装药在工作时按设计要求破碎，点火器的中心传火管（也是连接管）需预制径向槽或盲孔薄弱环节。管内装有比表面很大的易燃点火药，点火采用***引爆中心导爆索或***条，点火药只燃烧不***，这种***点火方式比火药点火速度快，尤其对几节装药几乎同时点火，使升压速度更快，特别适用于克服深井中高围压对造缝的影响。点火药可在几毫秒内燃烧产生大于100MPa压力的高温气体，把传火管的薄弱位置胀开，与此同时，主装药破裂，高温高压气体把破碎的药面点燃，实现破碎燃烧，借助油井液柱自身封堵，在5ms内达到产油地层破裂压力，造成多条径向裂缝。另一方面，本点火器属密闭式结构，从根本上解决了孔式点火器在深井使用时因装药挤入传火孔内造成点火不畅和瞎火的致命缺点。
为了提高压裂效果，必须使峰值压力保持有效的持续时间，使岩石裂缝伸长，在装药中应选择耐热180℃以上的火药和耐压可燃包覆层，采用速燃药和缓燃药进行级配，破碎燃烧无壳压裂弹在工作时，速燃药快速燃烧起到瞬时升压作用，缓燃火药燃烧滞后起到维持峰值恒定压力的作用。
本发明的破碎燃烧无壳压裂弹（A型），以下简称A型弹，由弹头12、弹身3-11和弹尾1-2组成：
弹头12是钢制的圆锥体，圆锥体中心为M36×2螺纹用于弹身的连接。
弹身3-11由包覆层8，装药6、9、10，点火器4、5和连接件3、11组成。
包覆层8是布、粘结剂和氧化剂组成，起防水和耐压作用。
装药是由缓燃药6、10和速燃药9组成，采用耐热的复合推进剂，或采用双基改性双基推进剂。分层铸装耐热的上下两层缓燃药和中间一层速燃药。
点火器由传火管5、点火药7、导爆索或***条4组成，传火管由钢制成，中部有2-3道予制槽，点火药均为黑火药。导爆索和***条中***为黑索金。
连接件3由钢制成内螺纹M36×2，连接件11由钢制成M36×2起连接密封作用，连接件3、11均有中心孔。
弹身的组装：连接件11与传火管5螺纹连接，包覆层8与连接件11一端紧配合，先铸入一层缓燃药10，再铸入一层速燃药9。最后铸入一层缓燃药6，铸药完毕后，连接件3底部与传火管5螺纹连接，包覆层8与连接件11同时粘结即构成一节弹身。
弹尾1-2由钢制成M36×2螺纹壳体1，壳体内有中心孔，内装***2。
根据施工设计要求，弹身由1-5节组装，螺纹连接弹头和弹尾即装配成一个完整的A型弹。
本发明的另一目的就是为了实现可控脉冲压裂，达到在井筒周围压出数条沿井筒径向延伸的裂缝，把井筒与周围地层沟通，裂缝愈长，沟通的地层区域就越大，就愈有利油气增产，为了实现可控脉冲压裂，只要将本发明的A型弹中的***改换成点火头，导爆索或***条改换成点火药就能达到可控脉冲压裂。
本发明的破碎燃烧无壳压裂弹（B型），以下简称B型弹，由弹头12、弹身3、14、5-12和弹尾1、13组成：
弹身中的单向阀14由钢制成的带有对称的2-6个传火孔，装在传火管端部，当传火管内点火药燃烧时，单向阀堵塞连接件的中心孔起到了控制B型弹传火管的内压，连接件的中心孔内装有传火药，其它的制造、装配完全和A型弹一样。根据施工要求B型弹的弹身由3-8节组装，螺纹连接上弹头和弹尾即装配成一个完整的B型弹。
本发明的A型弹或B型弹可以制成φ50-φ120各种外径的弹、传火管直径为φ10-30，其中以φ80外径的弹，传火管直径为φ22压裂效果最佳，φ50-φ60外径的弹用于油井经过油管进行压裂。
本发明为了利用A型弹快速升压和B型弹脉冲式的压力加载可以把A型弹和B型弹组合成AB型弹。
本发明的优点如下：
1 本发明的破碎燃烧无壳压裂弹具有快速升压，峰值压力可维持500ms的特点，在油井压裂中可采用电缆施工，不须封堵，工艺简单，而且在压裂施工中最大峰值压力小于100MPa，套管不受损坏，具有可靠的施工安全性。
2 采用密闭式点火器，点火性能安全可靠。
3 无壳体整体装药结构，装药量能达到10kg/m。
4 装药耐热180℃，能用于油田深井压裂。
本发明的附图说明如下：
附图1是A型弹的剖面图：
1-弹尾、2-***、3-连接件、4-导爆索、5-传火管、6-缓燃药、7-点火药、8-包覆层、9-速燃药、10-缓燃药、11-连接件、12-弹头。
附图2是B型弹的剖面图：
13-点火头;14-单向阀。
实施例：
1 本发明的A型弹的制造按照附图1实施：
1.1弹尾1-2的制造
弹尾用钢制成M36×2螺纹，内有中心孔，孔内装***2。
1.2弹身3-11的制造
1.2.1连接件3、11的制造
连接件3由钢制成内螺纹M36×2，外径φ80，长90mm，有中心孔。连接件11由钢制M36×2螺纹，外径φ80，长90mm，有中心孔。
1.2.2包覆层8的制造
环氧树酯55份，固化剂5份，硝酸钾40份混合搅拌均匀涂到布上，经硫化处理后，模具热压成型，即可制成φ80的筒状可燃包覆层。
1.2.3传火管5的制造
传火管5用Φ22钢管制造，内径Φ18，长度95mm，两端为M21×1.5螺纹，中部纵向对称车洗宽1-1.5mm、深1.5-1.8mm、长600mm的予制槽。
1.2.4弹身的组装
连接件11与传火管5螺纹连接，包覆层8一端与连接件紧配合，先铸入缓燃药1kg，再铸入速燃药4kg，接着铸入缓燃药1kg，最后将连接件3与传火管另一端螺纹连接，与包覆层另一端连接封口即完成装药。缓燃药与速燃药装填比1∶2。
装配A型弹时将导爆索或***条穿过连接件3中心孔引入传火管，从连接件11中心孔引出，在连接件3中心孔处将导爆索或***条胶结固定，从连接件11中心孔处装入点火药200g，最后将导爆索和点火药密封固定就完成了弹身的装配。
在油井压裂施工中将按上述方法制造的三节A型弹身螺纹连接，导爆索衔接，配上弹头和弹尾，弹尾中心孔装上***，装配成的A型弹用于1500米深的京715井实施压裂，测得的峰值压力60MPa（该井岩石破裂压力37MPa），未压裂前该油井为不产油井，压裂后日产原油7-8吨。在施工中采用电缆投放，未做封堵，1小时即完成压裂施工。
2 按照实施例1制造，用五节弹身连接，配上弹头和弹尾构成的A型弹在北5予探油井进行压裂，该井深4936米，井下温度173℃，井下静压55MPa，实施压裂测的峰值压力为93MPa，压裂后第二天井下液面上涨400米，显示出很好的压裂效果。
3 本发明的B型弹的制造按附图2实施：参照实施1的制造不同的是连接件11中心孔处装入点火药200g，然后在传火管5端头加上带有4个对称传火孔的单向阀14，即完成了弹身的装配。由三节弹身螺纹连接，配上弹头和弹尾，弹尾中心孔装上点火头构成B型弹，用于京608油井压裂，该井深1550米，实施压裂后测取的峰值压力54MPa（该井岩石破裂压力36MPa）未压裂前该油井日产石油0.4吨，压裂后日产石油达8-10吨。
4 按实施例3实施不同的是弹身由三节改成六节的B型弹。用于前84油井压裂，该油井深2148米，实施压裂后测取的峰值压力为72MPa，未压裂前该井日产石油0.7吨，压裂后日产石油7-8吨。
Claims (2)
1、一种破碎燃烧无壳压裂弹(A型)由弹头(12)、弹身(3-11)和弹尾(1、2)组成，其特征在于点火器(4、5、7)由导爆索(4)、点火管(5)和点火药(7)组成，点火管外侧有2-3道预制槽，其周围分层铸装耐热的上下两层缓燃药和中间一层速燃药，点火管两端用连接件(3、11)把1-5节弹身、弹头和弹尾螺纹连接。
2、一种破碎燃烧无壳压裂弹（B型）由弹头（12）、弹身（3、14、5-11）和弹尾（1、13）组成，其特征在于点火器（5、7、14）由点火管（5）、点火药（7）和单向阀（14）组成，点火管外侧有2-3道预制槽，其周围分层铸装耐热的上下两层缓燃药和中间一层速燃药，点火管一端装有单向阀14，点火管两端用在中心孔装有传火药的连接件（3、11）把3-8节弹身、弹头和弹尾螺纹连接。
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