CN104929605B - 一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置及方法，装置包括井下脉冲压裂装置、可控式液压封隔器、连续油管、流体控制阀和压裂车。压裂车通过连续油管连接可控式液压封隔器和井下脉冲压裂装置，可控式液压封隔器接于井下脉冲压裂装置后端，连续油管的接口处设流体控制阀。井下脉冲压裂装置包括缸体一、缸体二、芯轴、滑套、密封圈、弹簧、喷嘴等。本发明能够在地面压裂车提供一定泵压、排量等施工参数的条件下，在井底产生大排量、低频率的脉冲流体注入，形成水锤效应。本发明结构简单、耐用、易于调节，可产生低频率、大排量脉冲能量，施工工艺简单，能够很好的利用脉冲能量破裂岩石，产生延伸范围更广的网状复杂裂缝，有效提高储层渗透率。

Description

一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置及方法

技术领域

本发明涉及一种井下产生低频率、大排量、高能量水力脉冲能量的装置和方法，应用于页岩储层或其它类似储层体积压裂改造。

背景技术

我国非常规气资源储量丰富、开发潜力大，特别是页岩气、煤层气具有广阔的开发前景。但页岩气、煤层气储层具有孔隙度低、渗透率低等特点，一般需要对储层加以改造获得商业性开发。目前，水力压裂技术是高效低成本开发页岩气、煤层气的关键技术之一，同时也存在着消耗水量大、能量利用率低、裂缝网络沟通效果不理想等瓶颈问题。水力脉冲压裂是一种页岩储层改造新方法，能高效运用高能量水力脉冲的水锤效应和循环加载方式提高储层的改造效果。在我国水资源匮乏的背景和环保压力下，研制井下实用的脉冲生成装置，建立相应的页岩气水力脉冲压裂新方法显得至关重要。

常规水力压裂主要是通过调节地面压裂车泵压力，在高泵压下致裂岩石，然后维持一定压力泵注大量液体，使裂缝延伸。使用水力脉冲压裂改造页岩气储层是一种新的改造储层方法，采用低频率、大排量、高能量的脉冲压力在井下产生具有“水锤效应”强、脉冲能量衰减慢、循环加载等施载特点，能在与常规水力压裂相比较低的压力条件下，形成更为复杂的裂缝网络，增大有效裂缝体积和连通程度，达到提高页岩气储层水力压裂改造效果的目的。

目前，国内外针对页岩储层的水力压裂，主要是采用稳态泵注水力压裂，当需要一定脉冲能量时，是通过调节地面泵来达到脉冲效果，但这样产生的脉冲能力大部分都被井筒和储层内的压裂液所消耗，真正用于致裂岩石的脉冲能量占很少一部分，效果不理想。通过国内外水力压裂的研究与比较，发现使用井下水力脉冲压裂工具的水力压裂具有以下优点：

1.能够在井下产生低频率、大排量水力脉冲能量，压力冲击波具有衰减慢、传播距离远、波峰、波谷稳定时间长，波峰与波谷之间过渡时间短、压力突变迅速等特点。不会同在地面产生的水力脉冲能量一样被压裂液所消耗，降低水力能量消耗。

2.井下水力脉冲压裂装置能够在井下把高压压裂液转换为大排量、低频率脉冲压裂液，在储层中形成井下“水锤效应”，高冲击力压裂储层，满足定向压裂储层需要。

目前，国内外还没有专门针对页岩储层的水力脉冲压裂方法。

发明内容

本发明提供一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置及方法，能够用于页岩储层、煤层或其它储层水力压裂，在井下产生定向低频率、高振幅、大排量、压裂峰谷阶跃时间短的水力脉冲能量，以及相应的水力脉冲压裂装置方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明首先提出井下水力脉冲分段压裂增渗装置，包括井下脉冲压裂装置、可控式液压封隔器、连续油管、流体控制阀和压裂车。所述压裂车通过连续油管连接井下脉冲压裂装置和可控式液压封隔器，可控式液压封隔器连接于井下脉冲压裂装置后端，连续油管与压裂车连接的接口处设流体控制阀。

所述井下水力脉冲压裂装置包括缸体一、缸体二、芯轴、滑套、密封圈、弹簧、喷嘴和接头；所述缸体一后端与缸体二前端采用梯形圆螺纹连接，缸体一中心有滑套孔，前端封闭，滑套孔的侧壁上径向设有喷嘴，缸体二中开有前后贯通的通孔；所述芯轴具有中心孔，后端开口，通入流体，前端底部密封，前端周壁对称布置径向的流体出口；芯轴穿过缸体二，后端与缸体二通过螺母固定，并通过接头与连续油管连接，前端外装滑套，并与滑套一起装进缸体一的滑套孔中，滑套内外分别与芯轴和缸体一进行密封；所述滑套后端有大于缸体一孔口的凸肩，在向前滑到极限位置时，凸肩下表面与缸体一孔口端面贴合，在向后行到极限位置时，与缸体二内壁的凸肩相抵；滑套前端外径减小，形成一级阶梯，缸体一内壁有与其配合的台阶，滑套的前端面距阶梯面的距离小于或等于缸体一上的喷嘴距台阶的距离；在缸体二内的芯轴段外装有弹簧，弹簧下端压在滑套的凸肩上表面，上端顶在缸体二的内壁上，滑套可在芯轴上通过压缩弹簧的作用前后滑动，封隔或关闭喷嘴，形成阶梯状波的水力脉冲喷射。

滑套上下滑动频率和喷嘴喷出流体压力通过合理选择弹簧性能参数、地面泵压、滑套长度、滑套前端面面积、滑套阶梯面(面积、喷嘴大小和长度、喷嘴和流体出口位置来确定。

其中滑套行程l由式(1)确定：

弹簧刚度n由式(2)确定：

滑套本征频率f由式(3)确定：

整个水力脉冲压裂装置频率K由式(4)确定：

上四式子中，K为水力脉冲压裂装置频率，f为滑套本征频率，M为滑套质量，n为弹簧刚度，S为滑套阶梯位置底面积，ρ为压裂液密度，η为压裂液流动的阻力系数，l为滑套(3)行程，p₁为喷嘴打开前滑套后端压力，p₂为喷嘴打开后滑套后端压力。

基于以上装置，本发明进一步提出的一种井下水力脉冲压裂方法，包括如下步骤：

1、井筒处理：利用通径规通井，同时使用洗井液循环洗井。

2、射孔：井筒达到射孔要求后，按照射孔设计要求对压裂段进行射孔。

3、坐封可控式液压封隔器：连续油管按设定程序连接压裂可控式液压封隔器和井下水力脉冲压裂装置并校深，井口打压，坐封可控式液压封隔器，井下水力脉冲压裂装置喷嘴朝向射孔段。

4、第一段压裂：转换地面流体控制阀，启动井下水力脉冲压裂装置，流体从油管流进芯轴，从流体出口流出，进入到缸体一，由于缸体一下端为密封装置，流体在缸体一中蹩压，产生高压，使得滑套上下端间存在压差，并在滑套前端面处产生推力，推动滑套后行，同时压缩弹簧；当滑套阶梯面后行位置超过喷嘴时，压裂液从喷嘴流出，高压压裂液同时泄压；由于惯性和压力差作用，滑套还会后行一段距离，当滑套前段压力小于弹簧恢复力时，弹簧开始推动滑套前行，滑套的阶梯面封隔喷嘴，压裂液停止喷出；当弹簧恢复力小于压裂液压力或滑套到达缸体一台阶位置处时，滑套停止下行，重复上行动作。装置由此产生脉冲流体，同时通过在底面调节压力和排量，控制井下脉冲能量产生的大小，即可产生预期水锤效应，达到压裂储层的效果。按压裂施工程序施工，地面监测施工效果，达到预定要求，该段水力脉冲压裂结束。

5、解封可控式液压封隔器：第一段压裂结束后，地面卸压，解封可控式液压封隔器。

6、第二段压裂：完成第一段压裂并解封可控式液压封隔器后，泵入桥塞到指定位置，如果需更换井下水力脉冲压裂装置或可控式液压封隔器，则上提所有管柱到地面更换；如果一切工具正常，则射孔后，下放压裂管柱，使井下水力脉冲压裂装置位于压裂的第二压裂段；再次通过地面打压坐封可控式液压封隔器，随后按照压裂设计要求进行第二段压裂。

7、剩余层段压裂：重复上步骤进行剩余层段压裂，同时注意每压裂3-5段，必须检修或更换坐封可控式液压封隔器、井下水力脉冲压裂装置。

本发明的有益效果是：能够在井下产生低频率、大排量、高振幅、压裂峰谷阶跃时间短的水力脉冲能量，形成“水锤效应”。水力脉冲能量能够使页岩储层裂缝扩展更广、更远，增加裂缝延伸长度和连通程度，形成复杂裂缝网，更易形成体积压裂效果。

附图说明

图1是本发明的井下水力脉冲分段压裂增渗装置的施工工艺示意图。

图2是其中水力脉冲压裂装置的剖视图。

图3是水力脉冲压裂装置的滑套剖视图。

图4是水力脉冲压裂装置的芯轴主视图。

图5是水力脉冲压裂装置芯轴的流体出口剖视图。

图中，1-缸体一，2-芯轴，3-滑套，4-喷嘴，5-密封圈一，6-密封圈二，7-缸体二，8-弹簧，9-接头，10-流体出口，11-压裂缝网，12-桥塞，13-井下脉冲压裂装置，14-可控式液压封隔器，15-连续油管，16-压裂车，17-滑套前端面，18-滑套阶梯面。

具体实施方式

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参阅图1，井下水力脉冲分段压裂增渗装置包括井下脉冲压裂装置13、可控式液压封隔器14、连续油管15、流体控制阀和压裂车16。压裂车16通过连续油管15连接井下脉冲压裂装置13和可控式液压封隔器14，可控式液压封隔器14布置于井下脉冲压裂装置13后端，连续油管15的接口处设流体控制阀。

参阅图2-图5，井下脉冲压裂装置主要由滑套3、芯轴2、缸体一1、缸体二7、压缩弹簧8等组成。

缸体一1与缸体二7之间使用梯形圆螺纹连接。缸体一1中心有滑套孔，前端封闭，滑套孔的侧壁上径向设有喷嘴4。缸体二7中开有前后贯通的通孔。芯轴2具有中心孔，后端开口，通入流体，前端底部密封，前端周壁对称布置4个径向的流体出口10。芯轴2穿过缸体二7，后端与缸体二7通过螺母固定，并通过接头9与连续油管连接，前端外装滑套3，并与滑套一起装进缸体一1的滑套孔中，滑套内外分别与芯轴和缸体一进行密封，密封圈一5和密封圈二6为“M”型密封圈。滑套3后端有大于缸体一1孔口的凸肩，在向前滑到极限位置时，凸肩下表面与缸体一1孔口端面贴合，在向后行到极限位置时，与缸体二7内壁的凸肩相抵；滑套3前端外径减小，形成一级阶梯，缸体一1内壁有与其配合的台阶，滑套3的前端面17距阶梯面18的距离小于或等于缸体一1上的喷嘴距台阶的距离；在缸体二7内的芯轴2段外装有弹簧8，弹簧8下端压在滑套的凸肩上表面，上端顶在缸体二7的内壁上，滑套3可在芯轴2上通过压缩弹簧8的作用前后滑动，封隔或关闭喷嘴4，形成阶梯状波的水力脉冲喷射。

井下水力脉冲压裂装置工作原理为：地面泵入的压裂液通过接头9进入芯轴2，从流体出口10流出，进入到缸体一1，由于缸体一1下端为密封装置，在缸体一1中蹩压，产生高压。使得滑套3上下端间存在压差，并在滑套前端面17处，产生推力，推动滑套3上行，同时压缩弹簧8。当滑套阶梯面18上行位置超过喷嘴4时，压裂液从喷嘴4流出，高压压裂液同时泄压。由于惯性和压力差作用，滑套3还会上行一段距离，当滑套3下段压力小于弹簧8恢复力时，弹簧8开始推动滑套3下行，滑套3封隔喷嘴4，压裂液停止喷出。当弹簧3恢复力小于压裂液压力或滑套3到达缸体一1台阶位置处时，滑套3停止下行，重复上行动作，形成阶梯状波的水力脉冲能量，达到“水锤效应”压裂储层效果。

为了确定滑套3滑动频率、脉冲产生频率、脉冲压裂液排量和形成有效的“水锤效应”，需通过计算和模拟选择合理的弹簧8参数、滑套3长度、滑套前端面17面积、滑套阶梯面18面积、喷嘴4大小和长度、喷嘴4和流体出口10位置，并配合合适的地面泵压。其形成的阶梯状水力脉冲能量波，能达到波峰、波谷稳定时间段长，波峰与波谷之间过渡时间短、压力突变迅速，起到形成“水锤效应”的效果。

本发明一种井下水力脉冲压裂装置的使用方法，主要包括以下步骤。

步骤1，井筒处理：参阅图1，固井结束，用刮削器及通井规刮屑通井，防止下工具时遇阻，再用洗井液或者清水，洗井至干净为止，防止井筒中杂物压裂时进入地层，污染储层。

步骤2，射孔：井筒达到射孔要求后，按照射孔设计要求对压裂段进行射孔。

步骤3，工具连接与入井：在地面上连接好可控式液压封隔器和井下水力脉冲压裂装置，采用连续油管把可控式液压封隔器和井下水力脉冲压裂装置送入井中目的层段。

步骤4，坐封可控式液压封隔器：连续油管按设定程序连接压裂可控式液压封隔器和井下水力脉冲压裂装置并校深，井下水力脉冲压裂装置喷嘴朝向射孔段。油管打压，坐封可控式液压封隔器。

步骤5，可控式液压封隔器验封完成后，转换地面流体控制阀，启动井下水力脉冲压裂装置产生脉冲流体。同时调节地面压力和排量，控制井下脉冲能量产生大小，达到预期“水锤效应”效果。按压裂施工程序施工，地面监测施工效果，达到预定要求，该段水力脉冲压裂结束。

步骤6，解封可控式液压封隔器：第一段压裂结束后，在压裂下一段前，解封控式液压封隔器。检查或更换井下水力脉冲压裂装置13或可控式液压封隔器14可靠性。

步骤7，泵入桥塞，第一段压裂结束后，泵入桥塞12到指定位置，并探深、试压。

步骤8，按设计要求射孔、洗井，完成后，下放压裂管柱，使井下水力脉冲压裂装置13位于压裂的第二压裂段；再次通过地面打压坐封可控式液压封隔器14，随后按照压裂设计要求进行第二段压裂。

步骤9，重复步骤2-8进行剩余层段压裂，同时注意每压裂3-5段，必须检修或更换坐封可控式液压封隔器、井下水力脉冲压裂装置。

步骤9，需要压裂的层段压裂完成，解封可控式液压封隔器14，取出连续油管15、井下水力脉冲压裂装置13，使用连续油管15和钻塞设备，钻掉桥塞12，压裂结束。

Claims (3)

1.一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置，包括井下水力脉冲压裂装置、可控式液压封隔器、连续油管、流体控制阀和压裂车；其特征在于：所述压裂车通过连续油管连接井下水力脉冲压裂装置和可控式液压封隔器，可控式液压封隔器连接在井下水力脉冲压裂装置后端，连续油管与压裂车连接的接口处设流体控制阀；

所述井下水力脉冲压裂装置包括缸体一(1)、缸体二(7)、芯轴(2)、滑套(3)、密封圈、弹簧(8)、喷嘴(4)和接头(9)；所述缸体一(1)后端与缸体二(7)前端采用梯形圆螺纹连接，缸体一(1)中心有滑套孔，前端封闭，滑套孔的侧壁上径向设有喷嘴(4)，缸体二(7)中开有前后贯通的通孔；所述芯轴(2)具有中心孔，后端开口，通入流体，前端底部密封，前端周壁对称布置径向的流体出口(10)；芯轴(2)穿过缸体二(7)，后端与缸体二(7)通过螺母固定，并通过接头(9)与连续油管连接，前端外装滑套(3)，并与滑套一起装进缸体一(1)的滑套孔中，滑套内外分别与芯轴和缸体一进行密封；所述滑套(3)后端有大于缸体一(1)孔口的凸肩，在向前滑到极限位置时，凸肩下表面与缸体一(1)孔口端面贴合，在向后行到极限位置时，与缸体二(7)内壁的凸肩相抵；滑套(3)前端外径减小，形成一级阶梯，缸体一(1)内壁有与其配合的台阶，滑套(3)的前端面(17)距阶梯面(18)的距离小于或等于缸体一(1)上的喷嘴距台阶的距离；在缸体二(7)内的芯轴(2)段外装有弹簧(8)，弹簧(8)下端压在滑套的凸肩上表面，上端顶在缸体二(7)的内壁上，滑套(3)可在芯轴(2)上通过压缩弹簧(8)的作用前后滑动，打开或关闭喷嘴(4)，形成阶梯状波的水力脉冲喷射。

2.根据权利要求1所述的井下水力脉冲分段压裂增渗装置，其特征在于，井下水力脉冲压裂装置的结构参数满足以下要求：

滑套行程l、滑套本征频率f、水力脉冲压裂装置频率K采用下式确定：

$l=\frac{{(p_1-p_2+\sqrt{(9p_1-p_2)(p_1-p_2)})}^M}{2{\mathrm{\η\ρp}}_{1}S}$

$f=\frac{\sqrt{nM+{\mathrm{\η\ρp}}_1{S}^2}\sqrt{\mathrm{\η}\mathrm{\ρ}S(p_{2}S-nl)+nM}}{\mathrm{\π}M(\sqrt{nM+{\mathrm{\η\ρp}}_1{S}^2}+\sqrt{\mathrm{\η}\mathrm{\ρ}S(p_{2}S-nl)+nM})}$

$K=\frac{f}{\sqrt{\frac{n}{M}}}$

其中M为滑套质量，n为弹簧刚度，S为滑套阶梯位置底面积，ρ为压裂液密度，η为压裂液流动的阻力系数，l为滑套行程，p₁为喷嘴打开前滑套后端压力，p₂为喷嘴打开后滑套后端压力。

3.根据使用权利要求1-2中任意一项所述的装置进行水力脉冲压裂改造页岩气储层的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、通井，目的层段射孔，射孔结束，并洗井；

B、连续油管(15)连接可控式液压封隔器(14)、井下水力脉冲压裂装置(13)，下入到设计目的层段并校深，坐封可控式液压封隔器(14)；

C、可控式液压封隔器(14)验封完成后，转换地面流体控制阀，启动井下水力脉冲压裂装置(13)，压裂液从油管流进芯轴(2)，从流体出口(10)流出，进入到缸体一(1)，由于缸体一(1)下端为密封装置，流体在缸体一(1)中蹩压，产生高压，使得滑套(3)上下端间存在压差，并在滑套前端面(17)处产生推力，推动滑套(3)后行，同时压缩弹簧(8)；当滑套阶梯面(18)后行位置超过喷嘴(4)时，压裂液从喷嘴(4)流出，高压压裂液同时泄压；由于惯性和压力差作用，滑套(3)还会后行一段距离，当滑套(3)前段压力小于弹簧(8)恢复力时，弹簧(8)开始推动滑套(3)前行，滑套的阶梯面(18)封隔喷嘴(4)，压裂液停止喷出；当弹簧(3)恢复力小于压裂液压力或滑套(3)到达缸体一(1)台阶位置处时，滑套(3)停止下行，重复上行动作；装置由此产生脉冲流体，同时通过在地面调节压力和排量，控制井下脉冲能量产生的大小，即可产生预期水锤效应，达到压裂储层的效果；

D、按压裂施工程序施工，地面监测施工效果，达到预定要求，该段水力脉冲压裂结束；

E、该段压裂结束，解封可控式液压封隔器(14)，取出连续油管(15)、井下水力脉冲压裂装置(13)、可控式液压封隔器(14)；

F、泵入桥塞(12)到指定位置，重复步骤A-E，压裂第二段；

G、重复步骤A-F，压裂剩余层段，并注意每压裂3-5段，必须检修或更换可控式液压封隔器、井下水力脉冲压裂装置；

H、所有压裂段压裂结束，形成压裂缝网(11)，取出井下压裂管柱与工具，使用连续油管(15)，配合钻塞设备，连续钻掉桥塞(12)，压裂结束。