專利名稱：高能氣體壓裂工藝方法及控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用火藥推進劑(發射藥)對套管井實施壓裂的油層改造的工藝方法及其控制裝置。
當前在采油過程中，對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油層，用于壓裂施工的設備龐大，需要寬大的施工場地、費用也比較昂貴。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，只能在儲油層中建立一條與巖石最小應力相垂直的雙翼裂縫，不易與儲油層天然裂縫相交，壓裂在近井地帶的導流能力受到很大限制。曾試驗過的用炸藥爆炸壓裂方法，由于其作用時間短(在微秒級)，且壓力峰值很高，只能擴大井筒，在套管外近井環形地帶形成破碎帶，滯阻油流，并且對油井套管有嚴重損壞性而被淘汰。
本發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有壓裂方法給儲層、井筒及近井周圍造成污染和破壞以及使用設備多、成本高，而壓裂效果不理想的缺陷和不足。
本發明是采用推進劑在儲層部位燃燒產生高能氣體并建立可控的增壓速度和峰值壓力來進行壓裂的工藝方法。本發明是使用油管將裝有推進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火機械手控制點火。壓裂彈在受控狀態下點燃后釋放出來的化學能作為壓裂能源，采用帶封堵預留孔彈殼的孔板節流的原理均化所產生的高能氣體的峰值壓力和其升壓速度。高能氣體推動井筒內的液體或氣體，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層部位和它的近井地帶巖層。這個能量大大超過了儲層巖石中原有裂縫
放速度和巖石的彈性應力，并且作用時間較長，使巖起裂產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層堵塞，改善油層的滲透性，達到增加油井產量或增加注水井注水量的目的、本發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，這種脈沖加載對巖巖不但存在擴張，而且可產生剪切錯位，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。本發明的工藝方法壓裂時，產生的峰值壓力遠遠小于爆炸壓裂方法，作用時間較之為長。而且升壓速度比其與水力壓裂來要明顯的均衡。因高能氣體來自推進劑的燃燒，因而使升壓速度受到壓裂彈自身結構的控制，同時它的聲阻抗率只有水的聲阻抗率的幾千分之一，使套管的內外壁的壓力較快地達到平衡，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.高能氣體壓裂點火井口機械手結構示意4.高能氣體壓裂緩沖器結構示意5.高能氣體壓裂平衡回收器結構示意圖以下結合附圖詳細說明本發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，使用儀器測井檢查套管工作狀況→清理井筒準備實施壓裂→將控制裝置的井下部分包括緩沖器、測試裝置、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火井口機械手→正循環使套管注滿水，蹩壓，啟動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所受的壓力→啟動點火井口機械手，釋放點火棒，同時打開雙頻道監測儀→壓裂完成后起出油管柱及井下控制裝置→測井檢查套管工況→洗井清除壓裂時井中液體→下采油泵和油管投入采油生產→投產后可進行效果觀察。
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和點火機械手11。點火機械手11一側接頭連接單流閥2和水泥車1。井口套管的高壓閘門處設有雙頻道監測儀8。下入井中的油管12與套管9之間設有封隔器3。在欲壓裂儲層10處油管12下端順序連接緩沖器4、壓裂彈5、測試裝置6和平衡回收器7。
如圖3，高能氣體壓裂點火井口機械手結構示意圖。殼體39的外圓設有三個加強凸臺，在三個凸臺外圓的一側設有點火棒控制機構。上凸臺連接有支撐桿26，下凸臺連接帶有定位銷35的定位桿36。在中間凸臺開有通孔并連接扶正套29和密封圈30。在下凸臺外圓的另一側開有通孔并設有接頭38。在點火機械手殼體39的頂部連接有帽21，其喉部連接有放空調壓閥。放空調壓閥由閥體22及其內部通孔中的調壓螺栓23連接調壓彈簧24和鋼球25構成。閥的底部設有與閥中心孔連通的錐孔。在殼體39喉部的放空調壓閥下設有點火棒41，其上端為錐矛并與放空調壓閥下端面的錐孔相對應，其中上部有一與主銷31對應的銷孔43，其中下部設有十字交叉的導向塊40，數量在兩組以上，其下端設有沖擊墊42。點火棒41由主銷31銷定鎖在殼體39腔內。點火制機構的支撐桿26的另一端設有開口槽27并由銷釘28鉸連啟動手柄37的一端。主銷31的一端插入扶正套29并銷入點火棒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鉸接啟動手柄37，銷釘34可在啟動手柄37上的弧形槽中滑移。定位銷35對啟動手柄37定位。虛框為啟動手柄37啟動位置。
如圖4，緩沖器結構示意圖。緩沖器4的殼體52內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內裝有盤根56。中心管59穿過頂帽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，平衡回收器結構示意圖。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環壁設有若干個孔65。扶正桿61為三根均布。上接頭60內設有螺紋并于外圓上設有工藝孔。
本發明的工藝方法其特點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劑藥量W和其所處封隔空間V(即藥腔比W/V)的計算來實現。
最大峰值壓力Pm的計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荷相對應且安全系數須大于等于1.2(K≥1.2)。封堵以上部分承受的最大負荷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-油管柱內徑)F0-封隔器與套管摩擦力F1-水力錨咬合力。(不設水力錨時可不計入)壓裂作用時，產生的峰值壓力對封隔器以上部分的上頂力P頂應為P頂＝Pm· (π)/4 (D2-d2)＝Pm·S式中Pm-壓裂時的峰值壓力D-套管內徑，d-油管外徑S-受力面積由于壓裂時的峰值壓力產生向上的作用力即P頂應小于、等于封堵以上部分的最大負荷才可使井筒內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。S-受力面積。
從而能夠在需要實施本發明工藝方法的油井的技術參數中確定所需要的峰值壓力Pm。為使套管在實施壓裂過程中不受損壞并且充分地實現對壓裂地層的壓裂，當Pm≤100MPa時，藥腔比M應為M＝ (W)/(V) ≤0.010。由于隨著井深增加的變化，液體對壓裂彈的靜壓力增大，藥腔比M應隨之減小才能保證將峰值壓力Pm控制在100MPa范圍內，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。
本發明的工藝方法設定的井下封堵空間主要采用兩種封堵方法獲得。根據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米以內的淺井、中深井以封隔器封堵為主，可設置雙封隔器，在封隔器的上方可配設定壓凡爾，或在封隔器的下方配設水力錨，或同時選配上述兩者。在封隔器上方均設有水眼短節。上述封堵方法及其形成的管柱結構可保證本發明的工藝方法在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系統始終保持正常工作狀態。
本發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脈沖作用，在儲層部位形成間隔性負壓，使儲層在負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的高能氣體推動井筒內液體作用于壓裂層。這種布彈方法適用于深井或泥質含量高、巖石致密堅硬、裂縫不發育的套管井。
本發明工藝方法的點火方法，為點火井口機械手于井口控制點火向外側拉動啟動手柄37從而使主銷31從點火棒41的銷孔43中拔出，點火棒41自井口自由落下，點火棒41撞擊壓裂彈的觸發點火裝置點燃壓裂彈。點火可在密閉高壓循環條件下進行。
本發明控制裝置的緩沖器連接在油管柱下端。當井下壓裂彈產生壓力時，其受力后由于緩沖膠皮筒和彈簧的設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和沖頂而損壞。
本發明控制裝置的平衡回收器連接在井下管柱的最下端，由于其形狀象個吊籃在壓力作用時使井下管柱產生一個拉力，能有效地防止管柱及上述井下控制裝置在懸掛狀態中劇烈晃動，使壓裂彈在較穩定狀態下燃燒，同時減小壓力上頂作用保護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，減少井下污染。
實施例實施本發明工藝方法時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，完成測井及清理井筒，做壓裂施工準備。連接好包括緩沖器、平衡回收器在內的井下控制裝置和壓裂彈、測試裝置并與油管柱連接。在下入井中管柱的適當位置連接封隔器和其他配設器材如水眼短節、定壓凡爾、水力錨等。最后于井口連接點火機械手。使整個井筒封閉。敞開套管閘門、水泥車開泵，正循環使套管灌滿水，然后關閉套管閘門蹩壓至10～12MPa使封隔器坐封。同時打好平衡壓力P以保護封堵以上部分油管及井口裝置。向外側拉動啟動手柄釋放點火棒，從而引燃壓裂彈使推進劑燃燒釋放高能量氣體并通過井下的液體或氣體的作用實現壓裂的目的。在壓裂時也通過井下的測試裝置及井口的監測儀對壓裂進行檢測。
本發明工藝方法的優點在于1)壓裂形成的裂縫不受就地應力的影響，可形成各方位徑向裂縫，增大近井地帶的導流能力;2)能量釋放過程是可控的;3)推進劑燃燒產生的二氧化碳氣體不會污染儲層，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)作業時間短，不需龐大設備，不受施工場地限制，施工簡便，費用低;7)由于不向儲層擠壓大量液體，投產后不需排液見效快。
權利要求
1.一種高能氣體壓裂工藝方法，其特征在于采用火藥推進劑燃燒產生的高能氣體為壓裂能，并可控制其峰值壓力；采用管柱結構、封堵方法、布彈方法及井口投棒點火方法，其中管柱結構及封堵方法油管柱下端順序依次連接緩沖器、壓裂彈、測試裝置、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米以內的淺井、中深井以封隔器封堵，可設置雙封隔器，在封隔器上方可配設定壓凡爾，或在封隔器下方配設水力錨，或同時選配定壓凡爾和水力錨，在封隔器上方均設有水眼短節；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；井口點火方法由井口設置的點火機械手在高壓密閉循環狀態下釋放點火棒點火。
2.根據權利要求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荷，K-安全系數(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
、盤根構成，其特征在于控制裝置主要由點火井口機械手、緩沖器、平衡回收器組成，在井口法蘭14上端連接閘門13和點火機械手11，點火機械手11的一側接頭連接單流閥2和水泥車1，井口套管的高壓閘門處設有雙頻道監測儀8，下入井中的油管12與套管9之間設有封隔器3，在欲壓裂儲層10處油管12下端順序連接緩沖器4、壓裂彈5，測試裝置6和平衡回收器7。
4.根據權利要求3所述的控制裝置，其特征在于高能氣氣壓裂點火井口機械手殼體39的外圓設有三個加強凸臺，在三個凸臺的一側設有點火棒控制機構，上凸臺連接支撐桿26的一端，下凸臺連接帶有定位銷35的定位桿36的一端，在中間凸臺開有通孔并連接扶正套29和密封圈30，在下凸臺外圓的另一側開有通孔并設有接頭38，在點火機械手殼體39的頂部連接有帽21，其喉部連接有放空調壓閥，放空調壓閥由閥體22及其內部通孔中連接的調壓螺栓23連接調壓彈簧24和鋼球25構成，閥的底部設有與閥中心孔連通的錐孔，在殼體39喉部的放空調壓閥下設有點火棒41，其上端為錐矛并與上述錐孔相應，其中上部有一與主銷31對應的銷孔43，其中下部設有十字交叉的導向塊40，數量在兩組以上，其下端設有沖擊墊42，點火棒41由主銷31銷定鎖掛在腔內，點火棒控制機構的支撐桿26的另一端設有開口槽27并由銷釘28鉸接啟動手柄37，主銷31插入扶正套29并銷入點火棒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鉸接啟動手柄37，銷釘34可在啟動手柄37上的弧形槽中滑移，定位銷35對啟動手柄37定位。
5.根據權利要求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內裝有盤根56，中心管59穿過頂帽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.根據權利要求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環壁設有孔65，扶正桿61為三根均布，上接頭60內設有螺紋并于外圓上設有工藝孔。
全文摘要
本發明涉及一種采用火藥推進劑(發射藥)對套管井實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、作用時間較長、升壓速度可控的特點，以100MPa的壓力實施壓裂。并配套設計有點火井口機械手、緩沖器、平衡回收器等控制裝置，以獨特的管柱結構確保壓裂實施，克服了現有壓裂方法的峰值壓力低、升壓速度慢，以及使用設備多、費用高等缺陷和不足。
文檔編號E21B43/17GK1063527SQ9110019
公開日1992年8月12日 申請日期1991年1月16日 優先權日1991年1月16日
發明者王毓賢, 張世勇, 李國誠, 曹繼明 申請人:玉門石油管理局石油溝油礦