專利名稱：高能氣體壓裂工藝方法及控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用火藥推進(jìn)劑(發(fā)射藥)對(duì)套管井實(shí)施壓裂的油層改造的工藝方法及其控制裝置。
當(dāng)前在采油過(guò)程中，對(duì)油層改造使用的水力壓裂方法，是一種可控壓裂方法，是目前最成熟、有效，也是應(yīng)用最廣泛的壓裂方法。但是水力壓裂方法采用的壓裂液容易污染儲(chǔ)油層，用于壓裂施工的設(shè)備龐大，需要寬大的施工場(chǎng)地、費(fèi)用也比較昂貴。此外，水力壓裂因受到泵入排量的限制增壓速度慢，峰值壓力較低及水力損失大諸因素影響，只能在儲(chǔ)油層中建立一條與巖石最小應(yīng)力相垂直的雙翼裂縫，不易與儲(chǔ)油層天然裂縫相交，壓裂在近井地帶的導(dǎo)流能力受到很大限制。曾試驗(yàn)過(guò)的用炸藥爆炸壓裂方法，由于其作用時(shí)間短(在微秒級(jí))，且壓力峰值很高，只能擴(kuò)大井筒，在套管外近井環(huán)形地帶形成破碎帶，滯阻油流，并且對(duì)油井套管有嚴(yán)重?fù)p壞性而被淘汰。
本發(fā)明的高能氣體壓裂工藝方法及控制裝置，目的在于克服上述現(xiàn)有壓裂方法給儲(chǔ)層、井筒及近井周圍造成污染和破壞以及使用設(shè)備多、成本高，而壓裂效果不理想的缺陷和不足。
本發(fā)明是采用推進(jìn)劑在儲(chǔ)層部位燃燒產(chǎn)生高能氣體并建立可控的增壓速度和峰值壓力來(lái)進(jìn)行壓裂的工藝方法。本發(fā)明是使用油管將裝有推進(jìn)劑的壓裂彈及井下控制裝置(控制裝置的井下部分)下入井入儲(chǔ)層部位。并封堵井下壓裂作用空間及油管與套管，由控制裝置中的井口點(diǎn)火機(jī)械手控制點(diǎn)火。壓裂彈在受控狀態(tài)下點(diǎn)燃后釋放出來(lái)的化學(xué)能作為壓裂能源，采用帶封堵預(yù)留孔彈殼的孔板節(jié)流的原理均化所產(chǎn)生的高能氣體的峰值壓力和其升壓速度。高能氣體推動(dòng)井筒內(nèi)的液體或氣體，以比水力壓裂方法大幾倍至十幾倍以上的壓力作用于被處理油井儲(chǔ)層部位和它的近井地帶巖層。這個(gè)能量大大超過(guò)了儲(chǔ)層巖石中原有裂縫
放速度和巖石的彈性應(yīng)力，并且作用時(shí)間較長(zhǎng)，使巖起裂產(chǎn)生多條新的輻射狀的裂縫。從而有效地溝通油流孔道和清除儲(chǔ)層堵塞，改善油層的滲透性，達(dá)到增加油井產(chǎn)量或增加注水井注水量的目的、本發(fā)明工藝方法壓裂作用形成的裂縫，是由于高壓脈沖加載而造成的，這種脈沖加載對(duì)巖巖不但存在擴(kuò)張，而且可產(chǎn)生剪切錯(cuò)位，使裂縫巖石的表面凸凹不平相互支撐，所以雖未加支撐劑而裂縫卻不易閉合。本發(fā)明的工藝方法壓裂時(shí)，產(chǎn)生的峰值壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于爆炸壓裂方法，作用時(shí)間較之為長(zhǎng)。而且升壓速度比其與水力壓裂來(lái)要明顯的均衡。因高能氣體來(lái)自推進(jìn)劑的燃燒，因而使升壓速度受到壓裂彈自身結(jié)構(gòu)的控制，同時(shí)它的聲阻抗率只有水的聲阻抗率的幾千分之一，使套管的內(nèi)外壁的壓力較快地達(dá)到平衡，而不使套管損壞。近井地帶巖石壓裂而不破碎損壞。


圖1.高能氣體壓裂工藝方法流程圖2.高能氣體壓裂工藝方法示意3.高能氣體壓裂點(diǎn)火井口機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意4.高能氣體壓裂緩沖器結(jié)構(gòu)示意5.高能氣體壓裂平衡回收器結(jié)構(gòu)示意圖以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的工藝方法及控制裝置、如圖1，高能氣體壓裂工藝方法流程。首先起出油井中的采油泵，使用儀器測(cè)井檢查套管工作狀況→清理井筒準(zhǔn)備實(shí)施壓裂→將控制裝置的井下部分包括緩沖器、測(cè)試裝置、平衡回收器以及壓裂彈、封隔器隨油管管柱一起下入井中，并連接井口裝置及點(diǎn)火井口機(jī)械手→正循環(huán)使套管注滿水，蹩壓，啟動(dòng)封隔器封隔欲壓裂油層→從油管打入壓力以平衡封隔以上部分壓裂時(shí)所受的壓力→啟動(dòng)點(diǎn)火井口機(jī)械手，釋放點(diǎn)火棒，同時(shí)打開雙頻道監(jiān)測(cè)儀→壓裂完成后起出油管柱及井下控制裝置→測(cè)井檢查套管工況→洗井清除壓裂時(shí)井中液體→下采油泵和油管投入采油生產(chǎn)→投產(chǎn)后可進(jìn)行效果觀察。
如圖2，高能氣體壓裂工藝方法示意圖。井口法蘭14上端連接閘門13和點(diǎn)火機(jī)械手11。點(diǎn)火機(jī)械手11一側(cè)接頭連接單流閥2和水泥車1。井口套管的高壓閘門處設(shè)有雙頻道監(jiān)測(cè)儀8。下入井中的油管12與套管9之間設(shè)有封隔器3。在欲壓裂儲(chǔ)層10處油管12下端順序連接緩沖器4、壓裂彈5、測(cè)試裝置6和平衡回收器7。
如圖3，高能氣體壓裂點(diǎn)火井口機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖。殼體39的外圓設(shè)有三個(gè)加強(qiáng)凸臺(tái)，在三個(gè)凸臺(tái)外圓的一側(cè)設(shè)有點(diǎn)火棒控制機(jī)構(gòu)。上凸臺(tái)連接有支撐桿26，下凸臺(tái)連接帶有定位銷35的定位桿36。在中間凸臺(tái)開有通孔并連接扶正套29和密封圈30。在下凸臺(tái)外圓的另一側(cè)開有通孔并設(shè)有接頭38。在點(diǎn)火機(jī)械手殼體39的頂部連接有帽21，其喉部連接有放空調(diào)壓閥。放空調(diào)壓閥由閥體22及其內(nèi)部通孔中的調(diào)壓螺栓23連接調(diào)壓彈簧24和鋼球25構(gòu)成。閥的底部設(shè)有與閥中心孔連通的錐孔。在殼體39喉部的放空調(diào)壓閥下設(shè)有點(diǎn)火棒41，其上端為錐矛并與放空調(diào)壓閥下端面的錐孔相對(duì)應(yīng)，其中上部有一與主銷31對(duì)應(yīng)的銷孔43，其中下部設(shè)有十字交叉的導(dǎo)向塊40，數(shù)量在兩組以上，其下端設(shè)有沖擊墊42。點(diǎn)火棒41由主銷31銷定鎖在殼體39腔內(nèi)。點(diǎn)火制機(jī)構(gòu)的支撐桿26的另一端設(shè)有開口槽27并由銷釘28鉸連啟動(dòng)手柄37的一端。主銷31的一端插入扶正套29并銷入點(diǎn)火棒41的銷孔43，其另一端由銷釘32鉸接連接塊33，連接塊33的另一端由銷釘34鉸接啟動(dòng)手柄37，銷釘34可在啟動(dòng)手柄37上的弧形槽中滑移。定位銷35對(duì)啟動(dòng)手柄37定位。虛框?yàn)閱?dòng)手柄37啟動(dòng)位置。
如圖4，緩沖器結(jié)構(gòu)示意圖。緩沖器4的殼體52內(nèi)由上向下順序套接有上接頭50、彈簧51、彈簧座53和緩沖膠皮筒54，其下端連接盤根盒55，盤根盒55外套接頂帽58，在其端部的壓緊套57內(nèi)裝有盤根56。中心管59穿過(guò)頂帽58、盤根56、盤根盒55、緩沖膠皮筒54與彈簧座53連接，并與上接頭50的中心孔同軸連通，其下端有螺紋。
如圖5，平衡回收器結(jié)構(gòu)示意圖。平衡回收器7的上接頭60與扶正桿61和中心桿62連接，扶正桿61的另一端與打撈筒64上口連接，并在此連接處套裝有口向上的皮碗63。打撈筒64下端連接有下接頭66，中心桿62的另一端與打撈筒64底部連接。打撈筒64環(huán)壁設(shè)有若干個(gè)孔65。扶正桿61為三根均布。上接頭60內(nèi)設(shè)有螺紋并于外圓上設(shè)有工藝孔。
本發(fā)明的工藝方法其特點(diǎn)在于壓裂所需峰值壓力和增壓速度的確定。主要在于壓裂用推進(jìn)劑藥量W和其所處封隔空間V(即藥腔比W/V)的計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。
最大峰值壓力Pm的計(jì)算所選用的最大峰值壓力要與封堵以上部分的平衡壓力及井口裝置負(fù)荷相對(duì)應(yīng)且安全系數(shù)須大于等于1.2(K≥1.2)。封堵以上部分承受的最大負(fù)荷P總P總＝F+G+W+F0+F1(單位噸)式中F-套管抗滑扣力G-下井全部管柱重量W-封堵以上井筒內(nèi)液體重量。
(W＝ (π)/4 h·T〔D2-(
)〕.h-封隔器深度。
D-套管直徑，d-油管柱外徑d1-油管柱內(nèi)徑)F0-封隔器與套管摩擦力F1-水力錨咬合力。(不設(shè)水力錨時(shí)可不計(jì)入)壓裂作用時(shí)，產(chǎn)生的峰值壓力對(duì)封隔器以上部分的上頂力P頂應(yīng)為P頂＝Pm· (π)/4 (D2-d2)＝Pm·S式中Pm-壓裂時(shí)的峰值壓力D-套管內(nèi)徑，d-油管外徑S-受力面積由于壓裂時(shí)的峰值壓力產(chǎn)生向上的作用力即P頂應(yīng)小于、等于封堵以上部分的最大負(fù)荷才可使井筒內(nèi)封堵空間上下的壓力趨于平衡，安全可靠地施工。所以P總≥K·P頂＝K·Pm·S，即Pm≤ (P總)/(K·S)式中K-安全系數(shù)。S-受力面積。
從而能夠在需要實(shí)施本發(fā)明工藝方法的油井的技術(shù)參數(shù)中確定所需要的峰值壓力Pm。為使套管在實(shí)施壓裂過(guò)程中不受損壞并且充分地實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂地層的壓裂，當(dāng)Pm≤100MPa時(shí)，藥腔比M應(yīng)為M＝ (W)/(V) ≤0.010。由于隨著井深增加的變化，液體對(duì)壓裂彈的靜壓力增大，藥腔比M應(yīng)隨之減小才能保證將峰值壓力Pm控制在100MPa范圍內(nèi)，即M＝ (W·h)/(1000V)
式中h-壓裂井深，W-藥量V-壓裂作用空間，M-藥腔比。
本發(fā)明的工藝方法設(shè)定的井下封堵空間主要采用兩種封堵方法獲得。根據(jù)井深以及需要壓裂層位深淺的不同一般取1500米以上深井，以封隔器封堵油管與套管空間，并在井口配用限壓閥的封堵方法。1500米以內(nèi)的淺井、中深井以封隔器封堵為主，可設(shè)置雙封隔器，在封隔器的上方可配設(shè)定壓凡爾，或在封隔器的下方配設(shè)水力錨，或同時(shí)選配上述兩者。在封隔器上方均設(shè)有水眼短節(jié)。上述封堵方法及其形成的管柱結(jié)構(gòu)可保證本發(fā)明的工藝方法在100MPa峰值壓力、藥腔比為0.010的壓裂條件下使井下管柱及井口裝置不受破損。并使封堵層上下有可靠的隔離保障，使井口的密閉壓力循環(huán)系統(tǒng)始終保持正常工作狀態(tài)。
本發(fā)明的工藝方法的壓裂彈布置有兩種情形掏空布彈方法，這種方法是通過(guò)氣舉或排液、套管不灌水等方法在壓裂彈所處封堵空間的頂部留出20～30米的空氣腔，利用空氣體積能被壓縮膨脹的特征形成多次反復(fù)脈沖作用，在儲(chǔ)層部位形成間隔性負(fù)壓，使儲(chǔ)層在負(fù)壓作用下解除油層堵塞。這種方法適用于淺層、低滲透套管井、致密油層裸眼井及油層污染堵塞嚴(yán)重的油井。全充液布彈方法，這種布彈方法是把壓裂彈所處封堵空間充滿液體，使壓裂彈浸于液體之中。利用壓裂彈燃燒釋放出來(lái)的高能氣體推動(dòng)井筒內(nèi)液體作用于壓裂層。這種布彈方法適用于深井或泥質(zhì)含量高、巖石致密堅(jiān)硬、裂縫不發(fā)育的套管井。
本發(fā)明工藝方法的點(diǎn)火方法，為點(diǎn)火井口機(jī)械手于井口控制點(diǎn)火向外側(cè)拉動(dòng)啟動(dòng)手柄37從而使主銷31從點(diǎn)火棒41的銷孔43中拔出，點(diǎn)火棒41自井口自由落下，點(diǎn)火棒41撞擊壓裂彈的觸發(fā)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃?jí)毫褟?。點(diǎn)火可在密閉高壓循環(huán)條件下進(jìn)行。
本發(fā)明控制裝置的緩沖器連接在油管柱下端。當(dāng)井下壓裂彈產(chǎn)生壓力時(shí)，其受力后由于緩沖膠皮筒和彈簧的設(shè)置能伸縮可減緩連接在其下方的壓裂彈直接作用于油管柱以至井口的壓力，避免油管柱和井口遭受劇烈震動(dòng)和沖頂而損壞。
本發(fā)明控制裝置的平衡回收器連接在井下管柱的最下端，由于其形狀象個(gè)吊籃在壓力作用時(shí)使井下管柱產(chǎn)生一個(gè)拉力，能有效地防止管柱及上述井下控制裝置在懸掛狀態(tài)中劇烈晃動(dòng)，使壓裂彈在較穩(wěn)定狀態(tài)下燃燒，同時(shí)減小壓力上頂作用保護(hù)管柱及井口裝置不受損害。其還可以回收壓裂彈燃燒后殘余的彈孔封堵物及其他雜質(zhì)，減少井下污染。
實(shí)施例實(shí)施本發(fā)明工藝方法時(shí)按工藝流程首先確定所需壓裂油層位置，從而確定藥腔比和最大峰值壓力，完成測(cè)井及清理井筒，做壓裂施工準(zhǔn)備。連接好包括緩沖器、平衡回收器在內(nèi)的井下控制裝置和壓裂彈、測(cè)試裝置并與油管柱連接。在下入井中管柱的適當(dāng)位置連接封隔器和其他配設(shè)器材如水眼短節(jié)、定壓凡爾、水力錨等。最后于井口連接點(diǎn)火機(jī)械手。使整個(gè)井筒封閉。敞開套管閘門、水泥車開泵，正循環(huán)使套管灌滿水，然后關(guān)閉套管閘門蹩壓至10～12MPa使封隔器坐封。同時(shí)打好平衡壓力P以保護(hù)封堵以上部分油管及井口裝置。向外側(cè)拉動(dòng)啟動(dòng)手柄釋放點(diǎn)火棒，從而引燃?jí)毫褟検雇七M(jìn)劑燃燒釋放高能量氣體并通過(guò)井下的液體或氣體的作用實(shí)現(xiàn)壓裂的目的。在壓裂時(shí)也通過(guò)井下的測(cè)試裝置及井口的監(jiān)測(cè)儀對(duì)壓裂進(jìn)行檢測(cè)。
本發(fā)明工藝方法的優(yōu)點(diǎn)在于1)壓裂形成的裂縫不受就地應(yīng)力的影響，可形成各方位徑向裂縫，增大近井地帶的導(dǎo)流能力;2)能量釋放過(guò)程是可控的;3)推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w不會(huì)污染儲(chǔ)層，4)建立多方位徑向裂縫為水平方向，而縱向延伸小;5)地面不承受高壓部分，施工比較安全;6)作業(yè)時(shí)間短，不需龐大設(shè)備，不受施工場(chǎng)地限制，施工簡(jiǎn)便，費(fèi)用低;7)由于不向儲(chǔ)層擠壓大量液體，投產(chǎn)后不需排液見(jiàn)效快。
權(quán)利要求
1.一種高能氣體壓裂工藝方法，其特征在于采用火藥推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的高能氣體為壓裂能，并可控制其峰值壓力；采用管柱結(jié)構(gòu)、封堵方法、布彈方法及井口投棒點(diǎn)火方法，其中管柱結(jié)構(gòu)及封堵方法油管柱下端順序依次連接緩沖器、壓裂彈、測(cè)試裝置、和平衡回收器，并在壓裂作用空間選定位置上連接封隔器，在1500米以上深井以封隔器封堵油管與套管空間；并在井口配用限壓閥，在1500米以內(nèi)的淺井、中深井以封隔器封堵，可設(shè)置雙封隔器，在封隔器上方可配設(shè)定壓凡爾，或在封隔器下方配設(shè)水力錨，或同時(shí)選配定壓凡爾和水力錨，在封隔器上方均設(shè)有水眼短節(jié)；布彈方法掏空布彈，在壓裂彈所處空間的頂部有20～30米的空氣腔；全充液布彈，將壓裂彈所處空間充滿液體，壓裂彈浸于液體之中；井口點(diǎn)火方法由井口設(shè)置的點(diǎn)火機(jī)械手在高壓密閉循環(huán)狀態(tài)下釋放點(diǎn)火棒點(diǎn)火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能氣體壓裂工藝方法，其特征在于峰值壓力Pm≤ (P總)/(K·S) ≤100MPa，式中Pm-最大峰值壓力，P總-封堵以上部分承受最大負(fù)荷，K-安全系數(shù)(K≥1.2) S-受力面積藥腔比 M＝ (W·h)/(1000V) ≤0.010式中M-藥腔比、W-藥量、h-壓裂井深V-壓裂作用空間
3.一種用于高能氣體壓裂工藝方法的控制裝置，包括殼體，彈簧橡膠皮
、盤根構(gòu)成，其特征在于控制裝置主要由點(diǎn)火井口機(jī)械手、緩沖器、平衡回收器組成，在井口法蘭14上端連接閘門13和點(diǎn)火機(jī)械手11，點(diǎn)火機(jī)械手11的一側(cè)接頭連接單流閥2和水泥車1，井口套管的高壓閘門處設(shè)有雙頻道監(jiān)測(cè)儀8，下入井中的油管12與套管9之間設(shè)有封隔器3，在欲壓裂儲(chǔ)層10處油管12下端順序連接緩沖器4、壓裂彈5，測(cè)試裝置6和平衡回收器7。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制裝置，其特征在于高能氣氣壓裂點(diǎn)火井口機(jī)械手殼體39的外圓設(shè)有三個(gè)加強(qiáng)凸臺(tái)，在三個(gè)凸臺(tái)的一側(cè)設(shè)有點(diǎn)火棒控制機(jī)構(gòu)，上凸臺(tái)連接支撐桿26的一端，下凸臺(tái)連接帶有定位銷35的定位桿36的一端，在中間凸臺(tái)開有通孔并連接扶正套29和密封圈30，在下凸臺(tái)外圓的另一側(cè)開有通孔并設(shè)有接頭38，在點(diǎn)火機(jī)械手殼體39的頂部連接有帽21，其喉部連接有放空調(diào)壓閥，放空調(diào)壓閥由閥體22及其內(nèi)部通孔中連接的調(diào)壓螺栓23連接調(diào)壓彈簧24和鋼球25構(gòu)成，閥的底部設(shè)有與閥中心孔連通的錐孔，在殼體39喉部的放空調(diào)壓閥下設(shè)有點(diǎn)火棒41，其上端為錐矛并與上述錐孔相應(yīng)，其中上部有一與主銷31對(duì)應(yīng)的銷孔43，其中下部設(shè)有十字交叉的導(dǎo)向塊40，數(shù)量在兩組以上，其下端設(shè)有沖擊墊42，點(diǎn)火棒41由主銷31銷定鎖掛在腔內(nèi)，點(diǎn)火棒控制機(jī)構(gòu)的支撐桿26的另一端設(shè)有開口槽27并由銷釘28鉸接啟動(dòng)手柄37，主銷31插入扶正套29并銷入點(diǎn)火棒41的銷孔43，其另一端由銷釘32鉸接連接塊33，連接塊33的另一端由銷釘34鉸接啟動(dòng)手柄37，銷釘34可在啟動(dòng)手柄37上的弧形槽中滑移，定位銷35對(duì)啟動(dòng)手柄37定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制裝置，其特征在于緩沖器4的殼體52內(nèi)由上向下順序套接有上接頭50、彈簧51、彈簧座53和緩沖膠皮筒54，其下端連接盤根盒55，盤根盒55外套接頂帽58，在其端部的壓緊套57內(nèi)裝有盤根56，中心管59穿過(guò)頂帽58、盤根56、盤根盒55、緩沖膠皮筒54與彈簧座53連接，并與上接頭50的中心孔同軸連通，其下端有螺紋。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制裝置，其特征在于平衡回收器7的上接頭60與扶正桿61和中心桿62連接，扶正桿61的另一端與打撈筒64連接，并在此連接處套裝有口向上的皮碗63，打撈筒64下端連接有下接頭66，中心桿62的另一端與打撈筒64底部連接，打撈筒64環(huán)壁設(shè)有孔65，扶正桿61為三根均布，上接頭60內(nèi)設(shè)有螺紋并于外圓上設(shè)有工藝孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用火藥推進(jìn)劑(發(fā)射藥)對(duì)套管井實(shí)施壓裂的油層改造工藝方法及其控制裝置。利用其峰值壓力高、作用時(shí)間較長(zhǎng)、升壓速度可控的特點(diǎn)，以100MPa的壓力實(shí)施壓裂。并配套設(shè)計(jì)有點(diǎn)火井口機(jī)械手、緩沖器、平衡回收器等控制裝置，以獨(dú)特的管柱結(jié)構(gòu)確保壓裂實(shí)施，克服了現(xiàn)有壓裂方法的峰值壓力低、升壓速度慢，以及使用設(shè)備多、費(fèi)用高等缺陷和不足。
文檔編號(hào)E21B43/17GK1063527SQ9110019
公開日1992年8月12日 申請(qǐng)日期1991年1月16日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月16日
發(fā)明者王毓賢, 張世勇, 李國(guó)誠(chéng), 曹繼明 申請(qǐng)人:玉門石油管理局石油溝油礦