CN114592845B - 一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气、煤矿开采领域，是关于一种在定向井中分段压裂的方法，尤其是一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置的使用方法。一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置及使用方法，包括水压裂车、水砂混车、氮气罐、套管、连续油管、井下扶正器、射流压裂一体装置、高压气舱，氮气罐连接气体加压装置。该方法将高水压射流喷射与水力压裂工艺联合使用，且通过液压可控制两种工艺交替使用，提高了工作效率。

Description

一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置及使用方法

技术领域

本发明涉及石油、天然气、煤矿开采领域，是关于一种在定向井中分段压裂的方法，尤其是一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置的使用方法。

背景技术

我国非常规油气资源储量巨大，但其低渗、低孔的特性导致可利用率低、制作成本高。水力压裂技术作为应用最广泛的储层改造方法，一直存在储层垂向上改造效果较差的特点。 超临界二氧化碳溶剂、氮气等气体压裂方法压裂效果好，能形成更密集的缝网结构，但其制作成本一直居高不下，难以实现工业大规模应用。滑溜水压裂方法易使储层内产生复杂裂缝，但携砂能力较差，裂缝不能被固定，直接影响到后期排采过程。而高压水割缝技术在切割、破岩和钻孔等方面具有明显的优势，能够补充水力压裂技术在储层垂向上的缺陷，故水力割缝和水力压裂技术联合使用成为新的发展方向。

发明内容

为了克服上述公知技术中存在的问题，本发明提出一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置及使用方法。该方法将高水压喷射与常规水力压裂联合使用，通过液压控制实现高压水喷射和水力压裂作业交替，提高了工作效率。

本发明提供了一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置，包括水压裂车、水砂混车、氮气罐、套管、连续油管、井下扶正器、射流压裂一体装置、高压气舱，氮气罐连接气体加压装置，气体加压装置连接至套管，水压裂车连接水砂混车，水砂混车连接至连续油管，连续油管设置在套管内，高压气舱端部设有与射流压裂一体装置相连的移动滑块，在高压气舱的外侧设有进气入口和控制开关，可外连接压力计和输气管道；所述射流压裂一体装置设置在连续油管的端部，另一侧连接高压气舱，管壁壁内设有一个移动环，通过移动活塞和液压腔相连，在其径向方向设有喷射口和压裂口，所述液压腔通过液压软管连接地面液压供应站，所述射流压裂一体装置的左侧管柱内壁设置有一个内梯形圆环，其固定于射流压裂一体装置内部。

所述高压气舱内装入高压气体，通过外接装置可测得气体的压力。

所述移动滑块为一个压力阀门，当连续油管输入水砂混合液压力超过高压气舱内压力时，滑块逐渐平移，喷射口打开。

所述射流压裂一体装置的径向方向设有2个喷射口和2个压裂口，都分为上下2个方向，相隔180°，喷射口为一圆孔，直径为5mm~6mm，压裂口为一正方形孔，边长为8cm~10cm。

所述液压腔可控制射流压裂一体装置的喷射口沿水平方向进行水力喷射割缝，增大储层空腔的体积；同时，将射流压裂一体装置推移至端部时，喷射口进入管壁凹槽内，压裂口从另一侧管壁凹槽移出，实现喷射口和压裂***替作业。

所述射流压裂一体装置的左侧管柱内壁设置有一个内梯形圆环，射流压裂一体装置内部，便于控制移动滑块的位置，且内梯形圆环距凹槽边界的水平距离为0.01~0.15m。

套管和连续油管依次穿过松散层和岩层到达裂缝处，井下扶正器设置在连续油管水平段最左侧，靠近弯曲段处。

一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一，根据设计方案，将移动滑块放置于靠近射流压裂一体装置的内梯形圆环一侧，在研究目标储层的物理性质后，分别计算压裂液的喷射压力和高压气舱的气体参数，再向高压气舱内注入对应的高压气体，并通过压力计测得气体参数，注入结束后，在控制开关处分离外接压力计和阀门；

步骤二，采用管路依次连接水砂混车、氮气罐、连续油管、井下扶正器、射流压裂一体装置和高压气舱，向井筒套管内下入改进的连续油管装置，通过移动使喷射口对准井下套管的待切割区域；

步骤三，将水砂混合液通过连续油管输送至水平井端部，同时将氮气注入连续油管和套管之间的环空区域，当水砂混合液的压力逐渐增大并超出高压气舱临界压力时，水砂混合液缓慢推动移动滑块，喷射口打开；

步骤四，高压水砂混合液通过喷射口卷吸附近的环空气体形成非淹没射流，在高水压及石英砂磨损作用下逐渐射穿套管和水泥环并作用于储层，切割出一个盘状空间，然后地面液压供应站开始向井下液压腔供给液压，通过活塞推动射流压裂一体装置在水平方向慢速移动，使喷射装置沿水平方向切割储层，形成一个更宽的缝槽；

步骤五，射流0.5~1.0h后，地面停止向环空注入氮气，同时活塞推动移动环平移至端部位置，喷射口换为压裂口，此时，地面向环空注入水，连续油管继续注入水砂混合液，它们共同流入储层的缝槽并开始压裂储层；

步骤六，压裂完成后，通过顶替液将压裂液挤出油管，再关闭压裂出口，控制液压腔内的液压返回地面液压供应站，在弹簧作用下移动环射流压裂一体装置沿水平方向反向移动，压裂口进入管壁凹槽，喷射口从管壁凹槽移出；

步骤七，下入封隔器后，拖动连续油管至第二压裂段，开始下个区域水力喷射割缝压裂作业，重复进行步骤三~步骤六。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

（1）该方法将高水压射流喷射与水力压裂工艺联合使用，且通过液压可控制两种工艺交替使用，提高了工作效率；

（2）与常规水力压裂不同，该方法形成的人工裂缝***更为复杂，能提高储层渗透率，强化非常规天然气解吸与运移；

（3）该方法在水力喷射割缝过程，环空注入氮气，有利于起到射流增压的效果；

（4）与之前的水力喷射装置不同的是，该方法通过液压控制可使喷射装置沿水平方向工作，切割出一个更宽的裂缝，卸压效果更好，同时有助于煤粉及时排出；

（5）在水力压裂过程中，油管注入压裂液和石英砂，环空注入压裂液，充分利用现有设备所能提供的最大排量，扩大了压裂规模，同时解决了环空砂卡的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置的现场布置示意图；

图2为本发明提供的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置结构的前视图；

图3为本发明提供的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置中水力喷射口打开的示意图；

图4为本发明提供的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置中水力压裂口打开的示意图；

图5为本发明提供的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置结构的俯视图；

图6为本发明提供的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置中的移动环的示意图；

图7为本发明提供的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置切割储层空间的示意图。

附图标记说明：

1-水压裂车；2-水砂混车；3-液压软管；4-液压供应站；5-氮气罐；6-气体加压装置；7-松散层；8-水泥环；9-岩层；10-套管；11-连续油管；12-储层；13-井下扶正器；14-射流压裂一体装置；15-高压气舱；16-缝槽；17-压裂裂缝；18-控制开关；19-进气管道；20-高压气体；21-弹簧；22-移动环；23-活塞；24-液压腔；25-固定装置；26-射流口；27-喷嘴压帽；28-压裂口；29-移动滑块；30-内梯形圆环；31-凹槽。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

如图1所示，本发明实施例提供的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置，包括依次连接的水砂混车、氮气罐、套管、连续油管、井下扶正器、射流压裂一体装置和高压气舱；

在开展钻井作业过程中，垂直段施工依次穿过松散层、储层上部基岩，水平段则在储层内施工，通过套管拼接技术固定整个施工区域；

如图2所示，所述高压气舱端部设有与射流压裂一体装置相连的移动滑块，在所述高压气舱的外侧设有进气入口和控制开关，所述进气入口设置有螺纹，可外连接压力计和输气管道；

如图3-图6所示，所述射流压裂一体装置在连续油管的端部，另一侧连接高压气舱，管壁壁内存在一个移动环，一端通过移动活塞和液压腔相连，另一端和凹槽内弹簧相接，在其径向方向设有2个喷射口和2个压裂口，所述液压腔通过液压软管连接地面液压供应站，所述射流压裂一体装置的左侧管柱内壁设置有一个内梯形圆环，其固定于射流压裂一体装置内部。

优选地，根据工程需要提前向高压气舱装入一定量的高压气体（空气或氮气），通过外接装置测得气体的压力，计算井底温度下对应舱内气体压力。

优选地，移动滑块为一个压力阀门，当地面向连续油管注入喷射液且气体压力大于高压气舱内压力时，滑块开始缓慢移动，直至喷射口打开。

优选地，移动环的径向方向设有2个喷射口和2个压裂口，都分为上下2个方向，喷射口为一圆孔，直径为5mm，压裂口为一正方形孔，边长为9cm。

优选地，通过向液压腔注入液压可控制移动环的喷射口沿水平方向进行水力喷射割缝，增大储层空腔的体积；同时，将移动环推移至端部时，喷射口进入管壁凹槽内，压裂口从另一侧管壁凹槽移出，实现喷射口和压裂***替作业。

优选地，移动环远离活塞一侧的端部沿径向方向布置有6个弹簧，在径向方向按等角度布置，可保证液压腔的液体减少时射流压裂一体装置能够在弹簧力作用下水平移动。

优选地，射流压裂一体装置的左侧管柱内壁设置有一个内梯形圆环，其固定于射流压裂一体装置内部，便于控制移动滑块的位置，且内梯形圆环距喷射口的水平距离为0.1m。

优选地，连续油管外管壁表面每隔10m设置一个简易的固定装置，将有效固定液压软管。

优选地，井下扶正器如图1中的13，设置在连续油管水平段最左侧，靠近弯曲段。

优选地，套管是无缝钢管，和水泥环胶结在一起用于固定钻井空间，连续油管后期施工过程下放的油管，在套管空间的内侧，如图1中的10。这个管路指的是管路***，地面各种管道连接到油管上，油管包括垂直短和水平段，油管之间设置有井下扶正器，油管端部连接射流压裂一体装置，射流压裂一体装置连接高压气舱。

优选地，加压装置是现有的装置，对氮气加压的一个装置，是一种通用装置。

优选地，液压供应站应当包括大型防爆液压***、液压缸、换向阀、齿轮泵和流量计，在井壁处和液压软管相连，通过向液压腔提供液压油保障移动环的正常工作。

优选地，控制开关指的是控制阀门，控制气体的开关，如图2中的位置19。

通过地面液压供应站注入和抽出液压控制液压腔的体积，驱动移动环沿水平方向移动。如图7所示，在水力喷射过程中，喷射孔沿水平方向缓慢切割储层，形成更宽的缝槽。该空腔的空间变大，有利于被切割成细小颗粒的煤粉从储层内排出，防止压裂过程煤粉随压裂液进入裂缝堵塞通道。

一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一，根据设计方案，将移动滑块放置于靠近射流压裂一体装置的内梯形圆环一侧。研究目标储层的物理性质后，分别计算压裂液的喷射压力和高压气舱的气体参数等，再向高压气舱内注入对应的高压气体，并通过压力计测得气体参数。注入结束后，在控制开关处分离外接装置（包括压力计和阀门等）。

步骤二，采用管路依次连接水砂混车、氮气罐、连续油管、井下扶正器、射流压裂一体装置和高压气舱，向井筒套管下入改进的连续油管，通过移动使喷射口对准井下套管的待切割区域。

水压裂车和水砂混车相连，水砂混车连接连续油管，连续油管之间连接有井下扶正器，连续油管端部连接射流压裂一体装置，射流压裂一体装置的另一侧连接高压气舱；射流割缝阶段，氮气罐连接气体加压装置，高压气体通过管道进入环空；水力压裂阶段，气体停止注入环空，改为水注入，具体为水压裂车通过管道连接环空。液压供应站连接液压软管，液压软件固定在连续油管外壁，端部连接射流压裂一体装置的液压腔。

步骤三，将水砂混合液通过连续油管输送至水平井（图1中储层内水平方向的空间）端部，同时将氮气注入连续油管和套管之间的环空区域，当水砂混合液的压力逐渐增大并超出高压气舱临界压力时，水砂混合液将缓慢推动移动滑块，喷射口打开。

在水砂混合液逐渐推动移动滑块的过程中，高压气舱的压力会随着空间体积的减小而增大，水砂混合液需进一步的增压才能继续推动移动滑块，故移动滑块移动过程是缓慢进行的。当喷射口打开时，水砂混合液按原始流量继续注入10min，防止移动滑块反向移动影响喷射过程。

步骤四，高压水砂混合液通过喷射口卷吸附近的环空气体形成非淹没射流，在高水压及石英砂磨损作用下逐渐射穿套管和水泥环（在建井工程上，水泥环是一种普遍成熟技术，处于套管和地层之间的一段，使用大量水泥填充，固定套管和地层。），并作用于储层切割出一个盘状空间，同时地面液压供应站开始向井下液压腔供给液压，通过活塞推动移动环在水平方向慢速移动，使喷射装置沿水平方向切割储层，形成一个更宽的缝槽。

步骤五，射流0.8h后，地面停止向环空注入氮气，同时活塞推动移动环平移至端部位置，喷射口换为压裂口。此时，地面向环空注入水，连续油管继续注入水砂混合液，它们共同流入储层的缝槽并开始压裂储层。

向环空只注入水是为了防止环空出现砂卡和套管被磨损等现象，影响现场施工正常运行。同时，选择的连续油管直径应较大，可防止环空砂卡现象，同时喷嘴压帽离套管更近，水力喷射割缝效果将更好。

步骤六，压裂完成后，通过顶替液将压裂液挤出油管，再关闭压裂出口。控制液压腔内的液压返回地面液压供应站，在弹簧作用下移动环沿水平方向反向移动，压裂口进入管壁凹槽，喷射口从管壁凹槽移出。

步骤七，下入封隔器后，拖动连续油管至第二压裂段，开始下个区域水力喷射割缝压裂作业，重复进行步骤三~步骤六。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例， 而并非是对本发明的实施方式的限定， 对于所属领域的普通技术人员来说， 在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动， 这里无法对所有的实施方式予以穷举， 凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置，其特征在于：包括水压裂车、水砂混车、氮气罐、套管、连续油管、井下扶正器、射流压裂一体装置、移动滑块和高压气舱，氮气罐连接气体加压装置，气体加压装置连接至套管，水压裂车连接水砂混车，水砂混车连接至连续油管，连续油管设置在套管内，在高压气舱的外侧设有进气入口和控制开关，所述进气入口外连接压力计和输气管道；所述射流压裂一体装置设置在连续油管的端部，所述射流压裂一体装置的另一侧连接高压气舱，所述射流压裂一体装置的管壁壁内设有液压腔、移动活塞和一个移动环，移动环远离高压气舱的一端通过移动活塞和液压腔相连，移动环靠近高压气舱的一端设置有弹簧，沿移动环的轴向方向在移动环的环壁上设有喷射口和压裂口，所述液压腔通过液压软管连接地面液压供应站，所述射流压裂一体装置的左侧管柱内壁设置有一个内梯形圆环，所述内梯形圆环固定于射流压裂一体装置内部，移动滑块设置在高压气舱与内梯形圆环之间的射流压裂一体装置内部；工作时：将水砂混合液通过连续油管输送至连续油管的端部，同时将氮气注入连续油管和套管之间的环空区域，当水砂混合液的压力逐渐增大并超出高压气舱临界压力时，水砂混合液缓慢推动移动滑块，喷射口打开；高压水砂混合液通过喷射口卷吸附近的环空的气体形成非淹没射流，在高水压及石英砂磨损作用下逐渐射穿套管和水泥环并作用于储层，切割出一个盘状空间，然后地面液压供应站开始向液压腔供给液压，通过移动活塞推动移动环在水平方向慢速移动，使喷射口沿水平方向切割储层，形成一个更宽的缝槽；射流0.5~1.0h后，地面停止向环空注入氮气，同时移动活塞推动移动环平移至移动环的平移路径的靠近高压气舱的端部位置，喷射口关闭，压裂口打开，此时，地面向环空注入水，连续油管继续注入水砂混合液，它们共同流入储层的所述缝槽并开始压裂储层；压裂完成后，控制液压腔内的液压返回地面液压供应站，在弹簧作用下移动环沿射流压裂一体装置水平方向反向移动至初始位置。

2.根据权利要求1所述的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置，其特征在于：所述高压气舱内装入高压气体，通过所述压力计测得气体的压力。

3.根据权利要求1所述的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置，其特征在于：所述移动滑块为一个压力阀门，当连续油管输入水砂混合液压力超过高压气舱内压力时，移动滑块逐渐平移，喷射口打开。

4.根据权利要求1所述的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置，其特征在于：所述喷射口和压裂口都为2个，都分为上下2个方向，相隔180°，喷射口为一圆孔，直径为5mm~6mm，压裂口为一正方形孔，边长为8cm~10cm。

5.根据权利要求1所述的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置，其特征在于：所述液压腔控制射流压裂一体装置的喷射口沿水平方向进行水力喷射割缝，增大储层空腔的体积；将移动环向靠近高压气舱的方向平移至移动环的平移路径的靠近高压气舱的端部时，喷射口关闭，压裂口打开，实现喷射口和压裂***替作业。

6.根据权利要求1所述的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置，其特征在于：所述内梯形圆环便于控制移动滑块的位置。

7.根据权利要求1所述的一种可重复的水力喷射割缝压裂联作装置，其特征在于：井下扶正器设置在连续油管的水平段最左侧，靠近连续油管的弯曲段处。