CN100562645C - 高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法以及用于该方法的装置，该装置包括一护套，在护套的上端为释放接头，下端为导向丝堵，护套内的设有一活塞，该活塞下端连接一楔体，楔体连接一冲头，活塞、楔体和冲头为中空形状，一顶端带喷嘴的喷射软管可穿在活塞、楔体和冲头中，喷射软管与芯管及控制杆连接，控制杆连接到抽油杆，在活塞上连接体上设有限制活塞运动的上位锁，在活塞下连接体设有限制芯管运动的下位锁。本发明与现有技术相比高压水射流深穿透射孔较高压水射流喷砂射孔/割缝技术的处理深度进一步加深，孔眼长而大，增大了泄油面积和产能，孔眼无污染，简化射孔-压裂工艺，节约了油田生产成本。

Description

高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法及其装置

技术领域

本发明涉及到石油开采方法及其设备，特别是一种用于打通油流通道的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法及其装置。

背景技术

在石油开采中，打通油流通道是一项重要工艺。在现有技术中，打通油流通道包括利用聚能弹射孔打通油流通道，半个多世纪来主要的射孔方式未发生根本的变化，射孔工艺技术方面，相继开发了射孔安全自控系统、水平井射孔工艺、超正压射孔工艺、电缆输送带压射孔技术、电缆射孔分级点火射孔技术、管传输多层射孔分级起爆技术、定方位射孔技术等，提高了射孔效果。

聚能弹射孔装备和工艺虽然取得了上述进展，但射孔压实带的问题无法克服。资料显示，射孔壁面上的压实带厚度只有1.2～1.3cm，但地层渗透率却因此下降72％～78％，对原油生产极为不利。为此，人们开始水力喷砂射孔的可行性试验研究，但由于喷嘴材料、高压泵等条件限制，未能大规模推广应用。

90年代以来，人们对水力喷砂射孔各项参数在室内进行了大量优化实验，包括喷砂材料(石英砂、石榴石等)、喷砂颗粒直径、浓度、喷射时间、喷射压力、围压等参数对射孔效果的影响。在吸取公知技术的经验教训的基础上，设计了井下水力喷砂射孔装置，可根据油层厚度、数量把工具任意分级组合，喷嘴可180度(每组工具上两个喷嘴)或120度(每组工具上三个喷嘴)安装，工作压力40MPa，工具在地面绞车的带动下上下移动，实现割缝。目前，已现场应用10多口井，其中最大应用井深4800m，可对厚度1.0米的油层进行喷砂射孔改造。

和水力喷砂射孔不同，早在上世纪70年代末80年代初，前苏联岩石力学及矿山测量研究院就提出了水力喷砂造缝的设想，并制造成一种用掺砂高压水对井壁及围岩切割成缝的工具。该割缝工具全长27m，圆形截面的直径平均为0.12m，由喷枪、复位器、移动器三部分组成。其中喷枪两侧分别各有一个直径为4mm的孔，用于喷射掺砂的高压水流。该技术原理系水力喷砂连续射孔，在喷射过程中，由于水压的作用，喷枪自行沿井深方向由上向下以3～5mm/min速度移动，对套管和地层实施连续割缝。但存在喷嘴复位器故障、切割深度较浅等问题。

无论是聚能弹射孔还是水力射孔，应用在低渗透油藏时油井的产能大都难以满足生产需要。如国内低渗透油田石油地质储量非常丰富，且分布广泛，尤以西部最为明显。开发低渗超低渗油田，是一项紧迫而重要的任务。

另外，在水力压裂增产技术方面，国内外的专家学者虽在压裂液、支撑剂、压裂工艺等方面取得了长足进展，但水力压裂的基本工艺并未发生根本变化，即：地面笼统加压，在井下地层形成裂缝，裂缝位置及方向难以控制。特别在压裂裸眼水平井时，大的井壁暴露面积会造成大量压裂液漏失，井下有天然裂缝时这种情况更为严重；同时，由于压裂液的活塞效应，压裂裸眼水平井时往往只在井眼端部开裂，很大程度上降低了压裂效果。在套管固井的水平段如果实施双封隔器间单点压裂工艺，则可避免由于液体活塞效应引起的仅在水平段端部起裂及降低对地面排量的要求，实现在预定井段压裂，但裂缝在近井眼地带转向及起裂压力较高等问题仍难以克服。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法及其装置，以解决油田聚能弹射孔和水力喷砂射孔中射孔深度较浅、孔眼直径较小、孔眼壁面压实带等问题，本发明的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法及其装置能够对不同油藏选择水力参数进行定向射孔，考虑地应力条件下，实施水力深穿透射孔辅助压裂工艺，可有效地控制裂缝起裂位置和发展方向，提高在低渗透地层中特别是水平井中的压裂效果。

为此，本发明的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法包括以下步骤：

步骤1：由井口送入井下装置，该装置为高压水射流深穿透射孔及辅助压裂装置，其具有一外套管、可被上位锁控制的冲头，冲头中设有顶端带喷嘴的喷射软管；

步骤2：喷射软管将通过芯管及控制杆和抽油杆相连接；

步骤3：通过油管给水加压；

步骤4：冲头在预定位置顶开油层套管；

步骤5：顶端带喷嘴的喷射软管实施高压水射流深穿透射孔；

步骤6：通过上提抽油杆，回收喷射软管和冲头。

如上所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，在步骤1中，利用常规油管从井口送入井下装置，井下装置为中空形式，内设有活塞，在活塞的下端连接有楔体和冲头。

如上所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，在步骤2中，当井下装置通过油管下入油层套管的预定层段时，再下入抽油杆，并使抽油杆与控制杆脱接器对接。

如上所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，在步骤3中，通过油管给水加压，地面泵车升压到45Mpa以上。

如上所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，在步骤4中，通过上位锁的解锁，在预定位置冲头首先顶开油层套管。

如上所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，在步骤5中，通过下位锁的解锁，顶端带喷嘴的喷射软管边喷射边进入地层。

如上所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，使泵压保持在45MPa以上、流量保持在每分钟70升左右，直至射孔喷射枪穿透油层2m的全过程为止。

如上所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，在步骤6中，地面泵车停泵，提拉抽油杆把冲头和喷射软管收回到井下装置里，下位锁首先闭锁，到预定位置后，上位锁再闭锁，完成高压水射流深穿透射孔。

如上所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，在步骤5的同时，对于需要压裂的地层，根据地层破裂压力，控制水力射孔时的施工压力和套管环空压力，实施一边射孔一边压裂，由此可以控制裂缝的起裂位置和裂缝发展方向。

本发明提供一种水射流深穿透射孔及辅助压裂的方法，即：根据地应力资料中的最大水平主应力方向，确保水射流深穿透射孔方位和最大水平主应力方向一致，根据能量最小原则，此时起裂压力最低；根据油田实际需要和油气井产能最优原则确定射孔间距和孔数实施水力射孔，确保在随后的压裂作业中起裂压力较低、单一主裂缝扩展距离较远，并使裂缝按照水射流射孔的方位扩展。

本发明的用于上述高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法的装置包括一护套，在护套的上端为释放接头，下端为导向丝堵，护套内的设有一活塞，该活塞下端连接一楔体，楔体连接一冲头，活塞、楔体和冲头为中空形状，一顶端带喷嘴的喷射软管可穿在活塞、楔体和冲头中，喷射软管与芯管及控制杆连接，控制杆连接到抽油杆，在活塞上连接体上设有限制活塞运动的上位锁，在活塞下连接体设有限制芯管运动的下位锁。

如上所述的装置，其中，该护套内设有一凹槽，该凹槽位于护套的上部，对应回收状态下活塞位于顶端，上位锁处于闭锁状态，上位锁卡在护套的凹槽内。

如上所述的装置，其中，活塞下连接体设有可径向伸缩移动的下位锁，芯管的下部同时设有凹槽，施工前下位锁处于闭锁状态，卡住芯管上的凹槽，避免芯管下移。

如上所述的装置，其中，在护套的中部设有可阻挡活塞下移的活塞限位接头。

如上所述的装置，其中，在护套上设有一冲头座。

如上所述的装置，其中，在护套内还设有过滤器，控制杆穿过过滤器，控制杆通过一脱接器与抽油杆连接。

如上所述的装置，其中，装置最大外径为110mm；装置总长：12m；喷射软管长度：2m；适用井深：＜3000m；施工压力：＞60MPa；工作介质：清水或压裂液。

与现有技术相比，本发明的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法及其装置具有的优点和特点是：高压水射流深穿透射孔较高压水射流喷砂射孔/割缝技术的处理深度进一步加深，并具有以下作用和优点：孔眼长而大，目前可造出深达2m、孔径为25-35mm的孔眼，属于一种典型的小曲率半径径向钻孔技术，增大了泄油面积和产能；孔眼无污染，利用水力冲刷原理射孔不会对地层造成伤害，地层原始结构基本不变，有利于原油溢出；消除污染，一般认为钻井造成的近井地带污染半径深达半米以上，有的达到2m。高压水射流深穿透射孔技术可穿透地层2m，超过了钻井污染带，能形成近井带高导流区；套管强度受损小，公知的聚能弹射孔时装弹数可达数百发，引爆后使井内套管千疮百孔，强度受损，腐蚀加快，而本发明孔数少，一般不会造成套管强度受损，腐蚀也相对缓慢，油井寿命较长；定向射孔，可以根据分层和地应力的要求，有选择地定向射孔，适合射孔位置精度要求高的薄油层；在实施水力深穿透射孔的同时进行压裂，既能控制裂缝起裂位置和发展方向，又可简化射孔-压裂工艺，节约了油田生产成本。

附图说明

图1为本发明的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法的流程原理图；

图2为本发明的采用图1方法的装置位于回收状态下的示意图；

图3为本发明的采用图1方法的装置位于喷射状态下的示意图。

具体实施方式

现对照附图详细说明本发明的具体实施方式，相信通过以下说明，对本发明的特征、技术效果和所要解决的技术问题有更加准确和全面的理解。

请首先参见图1，其为本发明的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法的流程原理图。本发明的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法包括以下步骤：

1、由井口送入井下装置，该装置具有一外套管、可被上位锁控制的冲头，冲头中设有顶端带喷嘴的喷射软管；

2、连接该控制杆和抽油杆；

3、通过油管给水加压；

4、冲头在预定位置顶开油层套管；

5、顶端带喷嘴的喷射软管实施高压水射流深穿透射孔；

6、通过上提抽油杆，回收冲头和喷射软管。

其中，在步骤1中，利用常规油管从井口送入井下装置，井下装置为中空形式，内设有活塞，在活塞的下端连接有冲头。

在步骤2中，当井下装置通过油管下入油层套管的预定层段时，再下入抽油杆，并使抽油杆与控制杆脱接器对接。

在步骤3中，通过油管给水加压，地面泵车升压到45Mpa以上。

在步骤4中，通过上位锁的解锁，在预定位置冲头首先顶开油层套管；

在步骤5中，通过下位锁的解锁，顶端带喷嘴的喷射软管边喷射边进入地层；

在步骤6中，地面泵车停泵，提拉抽油杆把冲头和喷射软管收回到井下装置里，下位锁首先闭锁，到预定位置后，上位锁再闭锁，完成高压水射流深穿透射孔。同时对于需要压裂的地层，根据地层破裂压力，控制水力射孔时的施工压力和套管环空压力，实施一边射孔一边压裂，由此可以控制裂缝的起裂位置和裂缝发展方向。

现说明实现上述方法的装置，请同时参见图2和3，其分别为位于回收状态下的示意图和位于喷射状态下的示意图。

本发明的装置概括地说由一套高压水射流深穿透射孔装置，该装置主要由过滤、控制、冲顶、喷射等四大部分组成，具体包括一护套5，在护套5的上端为释放接头2，下端为导向丝堵23，护套5内设有一活塞12，该活塞12下端连接一楔体19，楔体19顶置一冲头20，活塞12、楔体19和冲头为中空形状，一顶端带喷嘴的喷射软管18可穿设在活塞12、楔体19和冲头20中，喷射软管18通过一芯管17与一控制杆6连接，控制杆6可连接到抽油杆3，在活塞上连接体9上设有限制活塞12运动的上位锁8，在活塞下连接体上设有限制芯管17运动的下位锁16。

如图2和3所示，该护套5内设有一凹槽24，该凹槽24位于护套5的上部，对应回收状态下活塞上连接体9的顶端，上位锁8处于弹出位置时，卡在护套5的凹槽24内。在护套5的中部设有活塞限位接头13，可限制活塞12的下行位置。

活塞下连接体14的下部设有可径向伸缩移动的下位锁16，芯管17的下部同时设有凹槽，施工前下位锁16处于收回状态，卡在芯管上的凹槽，见图2，避免芯管17下移。

对应冲头20，在护套5上设有一冲头座21，控制杆6通过一脱接器4与抽油杆3连接。在护套5内还设有过滤器7，控制杆6穿过过滤器7。各部件的连接关系为：释放接头2上端和油管1(根据井深，数百根油管首尾相连，把装置送入井下指定位置；施工时高压水的通道)相连，下端和外护套(外径110mm)通过丝扣连接。活塞12下端和楔体19相连，并在高压水的作用下可在护套5内上下移动，但向下只能移动到活塞限位接头13的位置。上位锁8安装在活塞上连接体9上端，可径向伸缩移动，装置下井时，为避免活塞带动楔体向下移动，上位锁8处于弹出位置，卡在外护套的凹槽24内。同理，下位锁16安装在活塞下连接体的内孔，也可径向伸缩移动，施工前处于收回状态，卡住芯管17上的凹槽，避免控制杆6和芯管17下移。控制杆6上端和脱接器4连接，下端连芯管17及喷射喷射软管18，装置下井前，这四个部件已经安装在了装置内。冲头20端部加工有凹槽，和楔体19斜面上的凹槽配合连接，保证楔体19上下移动时，冲头20能径向移动。

工作原理是，根据地应力资料，确定水射流深穿透射孔方位和间距，然后实施射孔，确保在随后的压裂作业中起裂压力较低、扩展距离较远，并使裂缝按照水射流射孔的方位扩展。施工时装置(如图2回收状态下)通过油管下入油层套管的指定层段，再下入抽油杆3，并使抽油杆3与脱接器4对接。地面泵车对清水或压裂液加压，地面泵车升压到45Mpa，上位锁8解锁，冲顶液压缸体，即活塞12下行，与之相连的楔体19随之向下运动，推动冲头20顶开套管，此时下位锁16处于闭锁状态，而且楔体19和冲头20的中空孔眼正好对应，以保证喷射软管18通过。地面下放抽油杆3，下位锁16解锁，芯管17推动喷射软管18喷射进入地层。喷射软管18的行进速度由地面抽油杆控制，使泵压保持在45MPa以上、流量保持在每分钟70升左右，直止射孔喷射枪穿透油层2m的全过程为止。射孔完成后，地面停泵，压力降至0MPa，上提抽油杆3，收回喷射软管18，下位锁16关闭，继续上提，收回冲头20，上位锁8关闭，完成一个孔眼的喷射施工。将该工具移位至下一个待射孔点，可重复射孔。对于需要压裂的地层，根据地层破裂压力，控制水力射孔时的施工压力和套管环空压力，可望实施一边射孔一边压裂，由此可以控制裂缝的起裂位置和裂缝发展方向。

井下装置和施工参数为：装置最大外径：110mm；装置总长：12m；喷射软管长度：2m；适用井深：＜3000m；施工压力：＞45MPa；工作介质：清水或压裂液。

Claims (9)

1、一种高压水射流深穿透射孔及辅助压裂装置，其特征在于：包括一护套，在护套的上端为释放接头，下端为导向丝堵，护套内设有一活塞，该活塞下端连接一楔体，楔体连接一冲头，活塞、楔体和冲头为中空形状，一顶端带喷嘴的喷射软管可穿在活塞、楔体和冲头中，喷射软管与芯管及控制杆连接，控制杆连接到抽油杆，在活塞上连接体上设有限制活塞运动的上位锁，在活塞下连接体设有限制芯管运动的下位锁。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于：在护套内还设有过滤器，控制杆穿过过滤器，控制杆通过一脱接器与抽油杆连接。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于：装置最大外径为110mm；装置总长：12m；喷射软管长度：2m；适用井深：＜3000m；施工压力：＞45MPa；工作介质：清水或压裂液。

4、一种高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：由井口送入井下装置，该装置为权利要求1至3任一项所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂装置；

步骤2：喷射软管将通过芯管及控制杆和抽油杆相连接；

步骤3：通过油管给水加压；

步骤4：冲头在预定位置顶开油层套管；

步骤5：顶端带喷嘴的喷射软管实施高压水射流深穿透射孔；

步骤6：通过上提抽油杆，回收喷射软管和冲头。

5、如权利要求4所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，其特征在于：在步骤1中，利用常规油管从井口送入井下装置，井下装置为中空形式，内设有活塞，在活塞的下端连接有楔体和冲头。

6、如权利要求4所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，其特征在于：在步骤2中，当井下装置通过油管下入油层套管的预定层段时，再下入抽油杆，并使抽油杆与控制杆脱接器对接，通过油管给水加压，地面泵车升压到45Mpa以上，通过上位锁的解锁，在预定位置冲头首先顶开油层套管，通过下位锁的解锁，顶端带喷嘴的喷射软管边喷射边进入地层。

7、如权利要求6所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，其特征在于：使泵压保持在45MPa以上、流量保持在每分钟70升左右，直至射孔喷射枪穿透油层2m的全过程为止。

8、如权利要求4所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，其特征在于：在步骤6中，地面泵车停泵，提拉抽油杆把冲头和喷射软管收回到井下装置里，下位锁首先闭锁，到预定位置后，上位锁再闭锁，完成高压水射流深穿透射孔。

9、如权利要求4所述的高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法，其特征在于：在步骤5的同时，对于需要压裂的地层，根据地层破裂压力，控制水力射孔时的施工压力和套管环空压力，实施一边射孔一边压裂，由此可以控制裂缝的起裂位置和裂缝发展方向。

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