一种水平井脉冲压裂加砂装置

摘要

本发明公开了一种水平井脉冲压裂加砂装置，由压裂枪组件、加砂枪组件、夹层枪组件通过中间接头连接组成。压裂枪组件内装有不同燃速的压裂火药；夹层枪组件用于不产油气的夹层，起传火作用；加砂枪组件内装有集砂筒和驱砂火药，用于向地层裂缝中输送支撑剂，根据产层和夹层的分布适当组合上述组件，形成数十米至数百米长的水平井压裂加砂装置。该压裂加砂装置将支撑剂引入高能气体压裂工艺，提高了裂缝的稳定性，延长了增产时间，具有成本低，增产效果明显，工艺简单，使用安全可靠的特点。适用于不同完井方式的水平井、垂直井或斜井，如套管井、筛管井或裸眼井。

权利要求

1.一种水平井脉冲压裂加砂装置，包括点火器（1）、枪尾（6），其特征在于，还包括有由压裂枪组件（2）、加砂枪组件（3）、夹层枪组件（4）和中间接头（5）组成的枪身；

所述的压裂枪组件（2）、加砂枪组件（3）和夹层枪组件（4）均包括有形状、直径相同的筛管（23），该筛管（23）上有均匀分布的通孔；筛管（23）的轴向两端设有与中间接头（5）相连接的内螺纹，筛管（23）中心装有线性点火具（22）；其中：压裂枪组件（2）的筛管（23）内部还设置有压裂火药（21），压裂火药（21）套装在线性点火具（22）上；

在加砂枪组件（3）的筛管（23）内部还装有驱砂火药（31）和集砂筒（32），驱砂火药（31）和集砂筒（32）套装在线性点火具（22）上；

压裂枪组件（2）、加砂枪组件（3）、夹层枪组件（4）由中间接头（5）根据需要组合，压裂枪组件（2）通过中间接头（5）与点火器（1）连接，枪尾（6）通过中间接头（5）与夹层枪组件（4）连接，构成不同长度的脉冲压裂加砂装置。

2.如权利要求1所述的水平井脉冲压裂加砂装置，所述的压裂火药(21)由快燃速火药和慢燃速火药交替组装。

3.如权利要求1所述的水平井脉冲压裂加砂装置，所述的驱砂火药(31)和集砂筒(32)上下交替相接套装在线性点火具(22)外部，该集砂筒(32)内装填支撑剂(321)，集砂筒（32）的筒体内、外表面有1～6条预裂槽。

4.如权利要求1所述的水平井脉冲压裂加砂装置，所述的线性点火具(22)包括中心管(221)、导爆索(222)、引火药块(223)和传爆管(224)，导爆索(222)两端安装有传爆管(224)，引火药块(223)套装在导爆索(222)和传爆管（224）外部，中心管(221)套装在最外层，该中心管（221）的外表面有1～6条预裂槽，中心管（221）的轴向两端有密封轴面；

中心管（221）通过O形密封圈与中间接头（5）连接构成自密封体系。

5.如权利要求1所述的水平井脉冲压裂加砂装置，其特征在于，所述的筛管（23）上均匀分布的通孔为喇叭形口或圆形口，通孔的线密度为20孔/m～40孔/m，通孔的直径为

10mm～40mm。

6.如权利要求4所述的水平井脉冲压裂加砂装置，其特征在于，所述的中心管(221)的材质是铝、钢、尼龙或ABS塑料。

7.如权利要求1所述的水平井脉冲压裂加砂装置，其特征在于，所述的引火药块(223)为黑火药或复合火药。

8.如权利要求3所述的水平井脉冲压裂加砂装置，其特征在于，所述的支撑剂(321)选择粒径为30目~50目的石英砂、覆膜砂或陶粒，或它们的混合物。

说明书

一种水平井脉冲压裂加砂装置

技术领域

[0001] 本发明属于石油开采技术领域，涉及一种气体压裂装置，特别是一种水平井脉冲压裂加砂装置。

背景技术

[0002] 目前针对低渗透低孔隙度水平井的增产改造措施主要是实施水力压裂和酸化，但水力压裂和酸化动用设备多、作业周期长、成本高、对地层容易造成二次污染，只能形成一至数条双翼裂缝，对高致密地层而言因压力偏低，难以压开地层。水敏地层、强亲水地层、致密砂岩低渗储层等油气藏以及筛管完井的水平井也不适用水力压裂。酸化需要大量酸液，费用昂贵，而且对管柱腐蚀污染严重。

[0003] 高能气体压裂在国内外已有近四十年的发展历史，钢壳式、无壳式、模块式等多种压裂弹产品或技术在油田垂直井或斜井的主产层得到广泛使用，取得了较好的增产增注效果，但都存在增产时间偏短的问题，其主要原因是气体裂缝没有引入支撑剂，仅靠裂缝面的剪切位移及碎屑支撑难以阻挡裂缝的自动闭合趋势。为改变这一现状，中国专利CN2467793在成缝器(配合射孔的压裂弹的一种形式)上安装高硬度金属球，尝试将支撑剂镶嵌在气体裂缝里；美国Marathon oil公司在氮气超正压射孔工艺也引入了自开孔式的陶粒释放器，用氮气驱动陶粒进入地层。中国专利ZL93108854.2提出了一种无壳结构的压裂弹，适用于垂直井或斜井，压裂增产增注效果显著，但由于结构设计的局限，无法一次连接成数十米以上的压裂弹组，并且压裂弹组由于弹体强度低无法输送至水平井需要处理的层位，此外还没有实现加砂支撑裂缝的作用。中国专利CN101358519A提出了一种电缆传输的带有夹层段压裂弹组，适用于垂直井，解决了电缆烧蚀问题，由于传输工艺的限制和主装药没有特定保护，不适应水平井长产层的增产处理。

[0004] 综上所述，国内外现有气体压裂技术或产品存在不足：或是由于压裂弹结构和工艺设计不适应水平井特殊的井身结构，或者没有实现加砂支撑裂缝的作用效果。

发明内容

[0005] 为了克服现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供了一种适用于水平井的具备长井段脉冲压裂和加砂支撑的增产装置，不但能够产生裂缝，又加入支撑剂使裂缝不易闭合，提高裂缝稳定性，延长增产时间。

[0006] 为了实现上述任务，本发明采用如下技术解决方案：

[0007] 一种水平井脉冲压裂加砂装置，包括点火器、枪尾，其特征在于，还包括有由压裂枪组件、加砂枪组件、夹层枪组件和中间接头组成的枪身；

[0008] 所述的压裂枪组件、加砂枪组件和夹层枪组件均包括有形状、直径相同的筛管，该筛管上有均匀分布的通孔；筛管的轴向两端设有和与中间接头相连接的内螺纹，筛管中心装有线性点火具；其中：

[0009] 压裂枪组件的筛管内部还设置有压裂火药，压裂火药套装在线性点火具上；

[0010] 在加砂枪组件的筛管内部还装有驱砂火药和集砂筒，驱砂火药和集砂筒套装在线性点火具上；

[0011] 压裂枪组件、加砂枪组件、夹层枪组件由中间接头根据需要组合，压裂枪组件通过中间接头与点火器连接，枪尾通过中间接头与夹层枪组件连接，构成不同长度的脉冲压裂加砂装置。

[0012] 本发明的水平井脉冲压裂加砂装置，根据产层和夹层的分布适当组合压裂枪、加砂枪、夹层枪等组件，将多级脉冲气体压裂造缝和加砂支撑工艺复合用于水平井的增产，对地层没有任何污染，有效提高了火药的利用率，提高了裂缝的稳定性，延长了增产时间，且各组件的枪身和中间接头等部件可重复使用，具有成本低，工艺简单，增产效果明显，使用安全可靠的特点，适用于不同完井方式的水平井、垂直井或斜井，如套管井、筛管井或裸眼井。

附图说明

[0013] 附图1是水平井脉冲压裂加砂装置结构示意图；

[0014] 附图2是压裂枪组件结构示意图；

[0015] 附图3是加砂枪组件的结构示意图；

[0016] 附图4是线性点火具的结构示意图；

[0017] 附图5是附图3的A-A剖面结构示意图。

[0018] 以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

[0019] 参见附图1，本发明的水平井脉冲压裂加砂装置，由点火器1、压裂枪组件2、加砂枪组件3、夹层枪组件4、中间接头5和枪尾6依次连接而成；其中，压裂枪组件2、加砂枪组件3、夹层枪组件4和中间接头5按需要组合成不同长度的枪身，压裂枪组件2通过中间接头5与点火器1连接，枪尾6通过中间接头5与夹层枪组件4连接，构成不同长度的脉冲压裂加砂装置。

[0020] 压裂枪组件2、加砂枪组件3和夹层枪组件4均包括有形状、直径相同的筛管23，该筛管23上有均匀分布的通孔；通孔便于火药气体或支撑剂释放到地层，筛管23的轴向两端设有和与中间接头5相连接的内螺纹，筛管23中心装有线性点火具22。参见附图2、附图3和附图4。

[0021] 压裂枪组件2的筛管23内部设置有压裂火药21，压裂火药21套装在线性点火具22上；压裂火药21由快燃速火药和慢燃速火药交替组装；

[0022] 加砂枪组件3内设置有驱砂火药31和集砂筒32，驱砂火药31和集砂筒32上下交替相接套装在线性点火具22外部，该集砂筒32内装填支撑剂321，集砂筒32筒体内、外表面有1～6条预裂槽，预裂槽能使筒体在线性点火具22激发下能按预裂方式快速破碎，释放出支撑剂，该集砂筒32采用开放设计，使筒体内外压力能在井下达到平衡。参见图3、图5。

[0023] 夹层枪组件4内部只安装线性点火具22。线性点火具22包括中心管221、导爆索222、引火药块223和传爆管224，导爆索222两端安装有传爆管224，引火药块223套装在导爆索222和传爆管224外部，中心管221套装在最外层，该中心管221的外表面有1～6条预裂槽，两端有密封面，该中心管221通过O形密封圈与中间接头5连接构成自密封体系，线性点火具22的作用是给压裂火药21、驱砂火药31实现传爆和传火，采用的火工材料要求与井液隔绝，以保证传爆和传火的安全可靠性。参见图4、图5。

[0024] 筛管23上均匀分布的通孔为喇叭形口或圆形口，通孔在筛管23上线密度为20孔/m～40孔/m，通孔的直径为10mm～40mm。

[0025] 组成枪身的压裂枪组件2、加砂枪组件3和夹层强组件4均采用32CrMo或35CrMo或40Cr或N80等钢管材加工，使得连接后不同长度的水平井脉冲压裂加砂装置具有足够的强度能顺利地输送到需要处理的水平产层，并且为压裂火药21、驱砂火药31的火药药柱，集砂筒等脆弱部件提供可靠的保护；能保证压裂枪组件2、加砂枪组件3、夹层枪组件4和中间接头5组成的枪身在传输过程中所有部件不因摩擦碰撞发生损伤或意外点火，也能保证各筛管在通过造斜段时能具有足够的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度。

[0026] 筛管23和中间接头5能实现重复使用，降低了成本。

[0027] 线性点火具22的长度规格分别与压裂枪组件2、加砂枪组件3、夹层枪组件4的长度规格相匹配。

[0028] 中心管221的材质是不锈钢、铝、钢、尼龙或ABS塑料，要求其能承受60MPa以下的井液压强而不变形。

[0029] 压裂火药21和驱砂火药31的主要功能分别是压裂地层和驱动支撑剂进入地层裂缝，各种火药的燃烧速度经特别设计相互匹配，能将支撑剂50％以上压入地层。引火药块223为黑火药或复合火药，其作用是接收导爆索222爆轰能量并发生爆燃，点燃压裂火药21和驱砂火药31。

[0030] 支撑剂321为粒径30目～50目的石英砂、覆膜砂或陶粒，或它们的混合物。

[0031] 在实际应用时，依据水平井、垂直井、斜井要压裂处理产层厚度、夹层厚度、地层参数及井筒参数(套管规格、钢级、射孔孔密、孔径等)灵活进行压裂枪组件2、加砂枪组件3、夹层枪组件4等单元组合；

[0032] 压裂枪组件2、加砂枪组件3的材料选用32CrMo、35CrMo、40Cr、N80，但不限于此；压裂枪组件2、加砂枪组件3、夹层枪组件4的组成的枪身，可以采用不同直径(68mm、73mm、
89mm、102mm、127mm)的钢管加工而成，两端加工有T型丝扣，筛管壁厚6mm～11mm，最佳壁厚9mm，筛管长度：1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m、5.5m或6m。筛管上加工均匀分
2 2
布的通孔，用于排气或喷砂，通孔的直径Φ20mm～Φ40mm，孔密20孔/m ～40孔/m。

[0033] 使用过程中，可以根据需要选择合理的压裂枪组件、加砂枪组件和夹层枪组件的直径，组成不同长度的脉冲压裂加砂装置的规格(直径可以是Φ68、Φ73、Φ89、Φ102、Φ127)，长度在1m～500m之间。

[0034] 集砂筒32材料选用铝或耐热工程塑料；导爆索224为塑料导爆索或铅皮导爆索。

[0035] 火药的选择：本发明所提供的压裂火药21，驱砂火药31均和井液直接接触，要求这些火药均有耐油水介质的性质，并且在井下介质和压力温度环境下组分不发生任何变化。在井温100℃以下时，可直接选择双基、三基火药药柱；在井温100℃以上，可选择复合火药，其耐温耐压有效期48小时以上，复合火药选择耐水包覆型无壳药柱，包覆材料优先选择环氧树脂或聚氨酯，其耐水性好，且燃烧后无残渣，对地层无污染，但包覆材料不限于此。

[0036] 压裂火药21由快燃速火药和慢燃速火药交替组装，驱砂火药31为最慢燃速火药，三种火药可以是复合推进剂，也可以是双基推进剂或三基推进剂。其燃速范围如表1所示。

[0037] 表1：压裂火药和驱砂火药的燃速范围

[0038]火药种类 燃速(mm/s) 测试条件
快燃速火药 8～12 10MPa，25℃
慢燃速火药 4～8 10MPa，25℃
驱砂火药 3～5 10MPa，25℃

[0039] 火药为管状结构，双基或三基推进剂采用螺压工艺生产，复合推进剂采用浇注、包覆工艺生产；火药的装药量(2kg/m～4kg/m)。

[0040] 引火药块223采用模具-压机工艺制备。引火药块223的主要组分配比为：3#小粒黑：97％～99％，氟橡胶FPM2603：1％～3％。

[0041] 支撑剂的选择：爆燃压裂裂缝宽度范围0.1mm～1.0mm，候选品种有压裂砂、覆膜砂或陶粒，或它们的混合物，较小粒度的支撑剂更容易导入爆燃裂缝，适宜爆燃加砂的粒径范围为30目～50目。在爆燃快速加砂的过程中，高强度高密度的陶粒能冲击磨蚀裂缝面，形成更多的岩屑以支撑更宽更稳定的裂缝，导流能力比石英砂更大，此外陶粒更适应地层的高闭合压力，不宜破碎。支撑剂用量理论上越大越好，但受枪内空间的限制，加砂浓度控制在2dm3/m～9dm3/m。

[0042] 在筛管井应用中要视筛管割缝宽度是否满足加砂工艺要求，割缝宽度小于3mm的筛管只进行脉冲压裂而不加砂。

[0043] 水平井脉冲压裂加砂装置施工时，采用油管传输方式将脉冲压裂加砂装置送入井下目的层段，用电缆车校深定位后，水平井用加压起爆，垂直井或斜井用投棒起爆，通过点火器1点火，引燃线性点火具22中的导爆索222，引火药块223接收导爆索222爆轰能量发生爆燃，点燃压裂火药21和驱砂火药31，压裂火药燃烧产生多级脉冲气体作用到地层产生裂缝，驱砂火药滞后燃烧产生高压气体驱动井液携带支撑剂通过射孔孔道进入新生裂缝完成支撑作用。

[0044] 现场组装、操作程序如下：

[0045] 1)线性点火具的组装：现场使用时，首先根据压裂枪组件2及加砂枪组件3的数量装配好相应数量的线性点火具22，线性点火具22装配时，先根据压裂枪组件2或加砂枪组件3的长度裁定导爆索222的长度，然后装引火药块223并固定，最后在导爆索222两端安装传爆管224，完成后装入中心管，组成线性点火具222；

[0046] 2)集砂筒的组装：将选好的支撑剂321注满集砂筒32，并封装待用。按地层条件选用不同粒度的石英砂、覆膜砂或陶粒；

[0047] 3)压裂枪组件(加砂枪组件)组装：将线性点火具22一端插入中间接头5中并和压裂枪组件2(或加砂枪组件3)相连接。在压裂枪组件2内沿线性点火具22中心管221套装快慢燃速相交替的压裂火药21。在加砂枪组件3内的中心管221上依次套入驱砂火药31和集砂筒32，依次交替装满；

[0048] 4)夹层枪组件组装：夹层枪组件4中只安装线性点火具22。视地质夹层的长度准备夹层枪组件4的长度和数量；

[0049] 5)井口联枪：依据处理地层长度和夹层要求现场组装各组件，压裂枪组件2、加砂枪组件3和夹层枪组件4依照施工设计组合连接。并在压裂枪组件2通过中间接头5连接点火器1，夹层枪组件4通过中间接头5连接枪尾6，组装成水平井脉冲压裂加砂装置；

[0050] 6)传输与点火方式：采用油管传输方式将本发明的脉冲压裂加砂装置送入井下目的层段，用电缆车校深定位后，水平井加压起爆，垂直井或斜井投棒起爆。为保证大多数支撑剂能进入地层，压裂期间井口防喷器的开度应在0～50％；

[0051] 7)点火后1min～10min，为水平井脉冲压裂加砂装置能量释放时间，通过井口管线释放井压，10min后关闭井口，30min后在井口观测管线压力表，显示为0MPa时，可起出压裂装置下泵投产，回收压裂枪组件2、加砂枪组件3及夹层枪组件4的筛管和中间接头5等可重复使用部件。当压力表显示大于0MPa时则不起管柱直接投产。