一种筛管爆燃压裂实验装置及方法

摘要

本发明公开了一种筛管爆燃压裂实验装置，包括由外而内依次设置的水泥靶、套管、充填层、筛管、内管和火药柱，所述套管底部设置有下端盖帽，所述套管顶部设置有带中心孔的上端盖帽，所述套管管壁外侧垂直设置有射孔孔眼模拟管，所述射孔孔眼模拟管一端与套管内部相连通，另一端密封，所述内管侧壁上均匀设置有通孔，所述火药柱连接有电雷管，所述电雷管通过引爆电线连接有设置于水泥靶外部的引爆装置。本发明用于评价爆燃压裂过程对筛管损伤的影响，弥补该领域的研究空白，为爆燃压裂技术在筛管完井领域的应用提供科学依据。

权利要求

1.一种筛管爆燃压裂实验装置，其特征在于，包括由外而内依次设置的水泥靶、套管、充填层、筛管、内管和火药柱，所述套管底部设置有下端盖帽，所述套管顶部设置有带中心孔的上端盖帽，所述套管管壁外侧垂直设置有射孔孔眼模拟管，所述射孔孔眼模拟管一端与套管内部相连通，另一端密封，所述内管侧壁上均匀设置有通孔，所述火药柱连接有电雷管，所述电雷管通过引爆电线连接有设置于水泥靶外部的引爆装置。

2.根据权利要求1所述的一种筛管爆燃压裂实验装置，其特征在于，所述套管上下两端分别设置有公扣，所述水泥靶上端面位于套管上端公扣的下部。

3.根据权利要求1所述的一种筛管爆燃压裂实验装置，其特征在于，所述射孔孔眼模拟管由无缝钢管构成，所述射孔孔眼模拟管分别沿周向和轴向均匀垂直设置于套管管壁上。

4.根据权利要求1所述的一种筛管爆燃压裂实验装置，其特征在于，所述筛管为绕丝筛管或复合筛管或星形筛管，所述筛管长度小于套管长度。

5.根据权利要求1所述的一种筛管爆燃压裂实验装置，其特征在于，所述充填层由建筑用砂构成，充填高度与筛管长度一致。

6.根据权利要求1所述的一种筛管爆燃压裂实验装置，其特征在于，所述内管由无缝钢管构成，所述内管的通孔以螺旋状均匀分布于内管侧壁上。

7.根据权利要求1所述的一种筛管爆燃压裂实验装置，其特征在于，所述引爆装置由起爆器构成。

8.一种根据权利要求1至7任意一项所述筛管爆燃压裂实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)预加工套管、筛管和内管，在套管外壁垂直设置与其内部相连通的射孔孔眼模拟管，制作与套管配套的下端盖帽和带中心孔的上端盖帽；

(2)制作水泥靶靶壳，将加工好的套管和下端盖帽拧紧，垂直放置于水泥靶靶壳中部，在套管和水泥靶壳间环空浇筑混凝土，进行养护；

(3)水泥靶养护后，拆除水泥靶靶壳，将步骤(1)中的筛管居中放置于套管内，在所述筛管和套管间的环空设置充填层，将内管居中放置于筛管内部，将连接有电雷管的火药柱居中放置于内管中，电雷管通过引爆电线连接设置于水泥靶外部的引爆装置，引爆电线穿过上端盖帽中心孔，套管内灌水，将上端盖帽与套管拧紧，引爆装置通电，起爆内管中的电雷管及火药柱；

(4)引爆后取出筛管，在所述筛管的一端焊接堵头，另一端焊接螺纹接头，将加工好的筛管装入海上油田水平井防砂完井物模试验装置中，将含砂液由外而内通过筛管，收集通过筛管的含砂液，进行过滤、烘干，得到砂样，对砂样进行粒径分布筛析，根据筛析结果对实验后的筛管进行挡砂精度评价。

说明书

一种筛管爆燃压裂实验装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种装置及方法，更具体的说，是涉及一种筛管爆燃压裂实验装置及方法。

背景技术

[0002] 爆燃压裂是采用特制火药在井筒中燃烧或爆燃，在几毫秒或几百毫秒内产生动态高温高压气体，对地层进行压裂，又称为高能气体压裂。爆燃压裂在井筒中形成的压力相比水力压裂具有压力上升速度快、压力峰值高的特点，该压力作用于地层，会在井筒附近地层形成不受地应力影响的辐射状多裂缝油气流通道，解除堵塞污染，实现增产的目的。所以该技术不同于水力压裂，也不同于井筒爆炸压裂。

[0003] 爆燃压裂技术广泛应用于油气田低渗透储层开发，具有成本低廉、工艺简单及经济效益好等优点，目前该技术广泛应用于套管射孔完井领域。针对部分中高渗储层，由于地层疏松出砂，多采用筛管完井方式开发，筛管近井堵塞影响了油田的正常开发，常规的解堵增产措施效果有限，特别针对部分注采井有机无机复合堵塞，以及多轮次酸化解堵措施井，常规酸化解堵效果不理想。爆燃压裂形成的高温、高压、高频气流波，通过机械造缝、高压冲刷、高温热及产生气体的化学作用等，能有效解除筛管及近井污染，同时在近井地层形成微裂缝，能有效改善近井渗流环境。

[0004] 结合爆燃压裂技术在套管射孔完井开发井中的广泛应用和成功经验，爆燃压裂技术在筛管完井解堵及增产领域理论可行。区别简单的套管射孔完井，筛管完井主要考虑地层出砂及防砂，故在井筒中下入筛管挡砂，爆燃压裂技术要应用于筛管完井领域，就不能对筛管挡砂性能造成影响。目前国内外爆燃压裂技术主要应用于套管射孔完井领域，针对筛管完井领域，该技术的应用尚属空白。

[0005] 为确保爆燃压裂技术在筛管完井领域的成功应用，需通过大量地面模拟实验，研究爆燃压裂过程对筛管损伤的影响，为爆燃压裂技术在筛管完井领域应用提供科学依据，而目前尚未见筛管爆燃压裂实验装置及方法报导。

发明内容

[0006] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种筛管爆燃压裂实验装置及方法，用于评价爆燃压裂过程对筛管损伤的影响，弥补该领域的研究空白，为爆燃压裂技术在筛管完井领域的应用提供科学依据。

[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

[0008] 本发明的一种筛管爆燃压裂实验装置，包括由外而内依次设置的水泥靶、套管、充填层、筛管、内管和火药柱，所述套管底部设置有下端盖帽，所述套管顶部设置有带中心孔的上端盖帽，所述套管管壁外侧垂直设置有射孔孔眼模拟管，所述射孔孔眼模拟管一端与套管内部相连通，另一端密封，所述内管侧壁上均匀设置有通孔，所述火药柱连接有电雷管，所述电雷管通过引爆电线连接有设置于水泥靶外部的引爆装置。

[0009] 所述套管上下两端分别设置有公扣，所述水泥靶上端面位于套管上端公扣的下部。

[0010] 所述射孔孔眼模拟管由无缝钢管构成，所述射孔孔眼模拟管分别沿周向和轴向均匀垂直设置于套管管壁上。

[0011] 所述筛管为绕丝筛管或复合筛管或星形筛管，所述筛管长度小于套管长度。

[0012] 所述充填层由建筑用砂构成，充填高度与筛管长度一致。

[0013] 所述内管由无缝钢管构成，所述内管的通孔以螺旋状均匀分布于内管侧壁上。

[0014] 所述引爆装置由起爆器构成。

[0015] 本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

[0016] 一种筛管爆燃压裂实验装置的实验方法，包括以下步骤：

[0017] (1)预加工套管、筛管和内管，在套管外壁垂直设置与其内部相连通的射孔孔眼模拟管，制作与套管配套的下端盖帽和带中心孔的上端盖帽；

[0018] (2)制作水泥靶靶壳，将加工好的套管和下端盖帽拧紧，垂直放置于水泥靶靶壳中部，在套管和水泥靶壳间环空浇筑混凝土，进行养护；

[0019] (3)水泥靶养护后，拆除水泥靶靶壳，将步骤(1)中的筛管居中放置于套管内，在所述筛管和套管间的环空设置充填层，将内管居中放置于筛管内部，将连接有电雷管的火药柱居中放置于内管中，电雷管通过引爆电线连接设置于水泥靶外部的引爆装置，引爆电线穿过上端盖帽中心孔，套管内灌水，将上端盖帽与套管拧紧，引爆装置通电，起爆内管中的电雷管及火药柱；

[0020] (4)引爆后取出筛管，在所述筛管的一端焊接堵头，另一端焊接螺纹接头，将加工好的筛管装入海上油田水平井防砂完井物模试验装置中，将含砂液由外而内通过筛管，收集通过筛管的含砂液，进行过滤、烘干，得到砂样，对砂样进行粒径分布筛析，根据筛析结果对实验后的筛管进行挡砂精度评价。

[0021] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

[0022] (1)本发明中，包括由外而内依次设置的水泥靶、套管、充填层、筛管、内管，套管底部设置有下端盖帽，顶部设置有上端盖帽，模拟矿场射孔相位角，在套管管壁外侧垂直设置有射孔孔眼模拟管，内管侧壁上设置有通孔，所述内管内设置有连接电雷管的火药柱，电雷管连接引爆装置，可以实现爆燃压裂施工过程中高温高压环境对筛管损伤的地面模拟，地面模拟实验后筛管的评价结果能直观反应爆燃压裂施工对筛管损伤的影响；

[0023] (2)本发明原理可靠、方法可行，指导筛管完井爆燃压裂工艺设计，可对爆燃压裂火药用量及火药类型等参数进行优选，为爆燃压裂技术在筛管完井领域推广应用提供了科学依据。

附图说明

[0024] 图1是本发明的结构示意图。

[0025] 附图标记:1水泥靶；2套管；3射孔孔眼模拟管；4上端盖帽；5下端盖帽；6充填层；7筛管；8内管；9火药柱；10引爆电线；11引爆装置；12掩体；13电雷管。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。

[0027] 如图1所示，本发明的一种筛管爆燃压裂实验装置，包括由外而内依次设置的水泥靶1、套管2、充填层6、筛管7、内管8和火药柱9。所述套管2为油田常规用完井套管，所述套管2上下两端分别设置有公扣，公扣长度15cm-20cm，所述套管2底部设置有与其配套的带母扣的下端盖帽5，所述套管2顶部设置有与其配套的带中心孔和母扣的上端盖帽4，居中设置于所述水泥靶1内，所述上端盖帽4和下端盖帽5壁厚15cm-20cm。在套管2下端公扣螺纹退刀槽以上5cm-10cm，模拟矿场射孔相位角，开常规射孔弹孔径的孔眼，轴向间距15cm-20cm，在孔眼外焊接模拟射孔孔道的射孔孔眼模拟管3，所述射孔孔眼模拟管3由长度15cm-20cm、内径与套管2上开孔孔眼一致、壁厚0.8cm-1.2cm的无缝钢管构成，所述射孔孔眼模拟管3分别沿周向和轴向均匀垂直焊接于套管2管壁上，周向相邻所述射孔孔眼模拟管3一端与套管2内部相连通，另一端用塑料胶带密封。

[0028] 所述水泥靶1的制作参考《油气井射孔检测用混凝土靶制作规范》，由混凝土浇筑而成，所述水泥靶1设置为外径1.5m-3.0m的空心圆柱体，高度以露出套管2上端公扣为准，也就是所述水泥靶1上端面位于套管2上端公扣的下部。所述充填层6为在套管2内壁与筛管7外壁环空，用建筑用砂充填而成，充填高度与筛管7长度一致。所述筛管7为油田常规用绕丝筛管、复合筛管或星形筛管，筛管7外径应小于套管2内径2cm以上，切取筛管带筛网段，两端切割平整，筛管7外径小于套管2内径，长度略小于套管2长度5-10cm，居中置于套管2内。

[0029] 所述内管8由直径小于筛管内径1cm以上、壁厚0.8cm-1.2cm的常规无缝钢管构成，所述内管8侧壁上均匀设置有通孔，所述通孔以螺旋状轨迹均匀分布于内管8侧壁上，所述内管8居中设置于所述筛管7内。所述内管8内设置有火药柱9，所述火药柱为襄阳航天42所或西安兵器工业部204研究所生产，所述火药柱9连接有电雷管13，所述电雷管13上部通过引爆电线10连接有引爆装置11，所述引爆电线10穿过上端盖帽4的中心孔，所述引爆装置11由起爆器构成，设置于水泥靶1外部，为了实验人员的安全应该在引爆装置11处设置有掩体12。

[0030] 本发明所采用的技术方案是通过地面水泥靶打靶实验，模拟矿场筛管完井井筒环境及爆燃压裂施工过程，检验实验前后筛管挡砂精度变化，评价爆燃压裂施工过程对筛管损伤的影响。本发明的一种筛管爆燃压裂实验方法，是通过上述筛管爆燃压裂实验装置，进行爆燃压裂施工过程对筛管损伤地面模拟实验，考察不同火药用量及不同火药类型等条件下筛管损伤情况，本实施例中选用海上油田常规用9-5/8”套管、5-1/2”的优质复合筛管、襄阳航天42所生产的复合型爆燃压裂火药柱，考察4.0kg、2.5kg及2.0kg重量爆燃压裂火药柱条件下，爆燃压裂对筛管挡砂精度的影响。筛管爆燃压裂实验方法，包括以下步骤：

[0031] 步骤一，预加工三套实验管柱，包括套管2、筛管7和内管8等。取油田常用9-5/8”套管，切割成长度1m，两端车BTC套管公扣，公扣长度15cm，制作配套的带母扣的上端盖帽4和下端盖帽5，上端盖帽4中心处钻4mm中心孔，在套管2下端公扣螺纹退刀槽以上10cm处，沿轴向和周向分别开直径1cm的孔眼，孔眼的轴向间距为15cm，周向相邻孔眼间的相位角90°，在孔眼外垂直焊接射孔孔眼模拟管3，所述射孔孔眼模拟管3由长度15cm、内径1cm、外径2.6cm的无缝钢管构成，射孔孔眼模拟管3一端垂直焊接于套管2开孔处与其内部连通，另一端用塑料胶带密封。取油田常用挡砂精度120μm全新的5-1/2”的优质复合筛管，切取筛管带筛网段，长度90cm，两端断面切割平整。取壁厚1.2cm、外直径2-7/8”的无缝钢管制作内管8，切成长度90cm，两端端面平整，在无缝钢管上开27个直径1cm的径向通孔，所述通孔均匀螺旋分布。

[0032] 步骤二，预制三个水泥靶1。制作直径1.5米、高度1米的水泥靶靶壳，将基坑内放置水泥靶靶壳的位置铲平、夯实，放上水泥靶靶壳，在水泥靶靶壳内撒上一层细砂，将加工好的套管2和下端盖帽5拧紧，居中放置于水泥靶靶壳中心。参考《油气井射孔检测用混凝土靶制作规范》，按水泥：干河砂：水质量比1:2:0.5的配比，配制混凝土，在水泥靶靶壳和套管2之间的环空浇筑混凝土，浇筑高度以露出套管2上端公扣为准，浇筑过程不停振动混凝土确保气泡挤出，水泥靶1浇筑成型后保持24小时，在水泥靶1面上加入清洁淡水，温度高于0摄氏度时，养护28天。

[0033] 步骤三，待水泥靶1养护合格后，拆除水泥靶靶壳，将加工好的筛管7居中放置于套管2内，在套管2和筛管7之间的环空用目数10目至90目的常规建筑用砂充填满，将加工好的内管8居中放置于筛管7内，在三个水泥靶1的内管8内分别放置含4.0kg、2.5kg及2.0kg重量连接有电雷管13的爆燃压裂火药柱9，进行后续实验：

[0034] (1)4.0kg爆压压裂火药柱打靶实验

[0035] 1#水泥靶打靶实验：将连接有电雷管13的4.0kg爆燃压裂火药柱9居中放入内管8中，引爆电线10一端连接电雷管13，穿过上端盖帽4中心孔，另一端连接引爆装置11，套管2内灌满水，拧紧上端盖帽4。清理靶场，实验人员撤离至安全场地，引爆装置11通电，再次确认实验区没有人员后，倒计时三秒后起爆。

[0036] (2)2.5kg爆压压裂火药柱打靶实验

[0037] 2#水泥靶打靶实验：将连接有电雷管13的2.5kg爆燃压裂火药柱9居中放入内管8中，引爆电线10一端连接电雷管13，穿过上端盖帽4中心孔，另一端连接引爆装置11，套管2内灌满水，拧紧上端盖帽4。清理靶场，实验人员撤离至安全场地，引爆装置11通电，再次确认实验区没有人员后，倒计时三秒后起爆。

[0038] (3)2.0kg爆压压裂火药柱打靶实验

[0039] 3#水泥靶打靶实验：将连接有电雷管13的2.0kg爆燃压裂火药柱9居中放入内管8中，引爆电线10一端连接电雷管13，穿过上端盖帽4中心孔，另一端连接引爆装置11，套管2内灌满水，拧紧上端盖帽4。清理靶场，实验人员撤离至安全场地，引爆装置11通电，再次确认实验区没有人员后，倒计时三秒后起爆。

[0040] 步骤四，实验后，清理靶场，取出筛管7，在所述筛管7的一端焊接堵头，另一端焊接步骤一中切割下的筛管螺纹接头。将加工好的筛管继续装入海上油田水平井防砂完井物模试验装置中，使用40/60目、60/80目、80/100目、100/120目、120/150目、150/200目、200/250目及250/300目8种不同型号的石英砂各4千克，均匀混合，持续倒入容积1方的加满清水的搅拌罐中，保持清水和石英砂持续均匀加入与混合，控制砂比5％以内，启动海上油田水平井防砂完井物模试验装置，水平井防砂完井模拟试验装置系统，定排量35L/min，限压5MPa，含砂液体由外向内通过筛管7，收集通过筛管7的含砂流体，对产出砂进行过滤、烘干，烘干后的砂样用音波振动式全自动筛分粒度仪进行粒径分布筛析，根据筛析结果，确定筛管挡砂精度，见表1。筛管挡砂精度定义为：通过筛管的含砂液体中，其砂粒累计体积分布90％所对应的砂粒粒径d90即为挡砂精度。

[0041] 表1.爆燃压裂前后5-1/2”的优质复合筛管挡砂精度评价结果

[0042]火药柱质量kg 火药柱直径mm 火药柱长度mm 实验后筛管挡砂精度μm
0 0 500 144.4
4.0 85 500 195.1
2.5 69 500 172.7
2.0 65 500 149.5

[0043] 表1中，火药柱质量为0千克这组数据作为空白对比样，就是未进行本实验之前，5-1/2”的优质复合筛管的挡砂精度为144.4μm。通过表1中空白对比样与不同质量火药柱爆燃压裂后筛管挡砂精度评价结果可以得出，爆燃压裂会对筛管挡砂精度造成影响，随着火药用量的降低，筛管挡砂精度趋于空白对比样，通过实验优选与空白样接近的火药参数，就能实现爆燃压裂对筛管挡砂精度的损坏在可控范围内，为爆燃压裂在筛管完井领域应用提供科学依据，进一步证明本发明装置的可行性。

[0044] 综上，通过本发明一种筛管爆燃压裂实验装置可以实现爆燃压裂施工过程中高温高压环境对筛管损伤的地面模拟，地面模拟实验后筛管的评价结果能直观反应爆燃压裂施工对筛管损伤的影响。本发明可对爆燃压裂火药用量及火药类型等参数进行优选，指导筛管完井爆燃压裂工艺设计，为爆燃压裂技术在筛管完井领域应用提供科学依据。

[0045] 尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。