CN101004133A - 声波震荡及脉冲燃烧式压裂器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声波震荡及脉冲燃烧式压裂器，它是由两个点火药柱和数个主装药柱叠放在一起构成的药柱串，每个点火药柱和主装药柱均是用含有过氯酸铵氧化剂、聚硫橡胶燃烧剂的固体推进剂浇铸成的圆柱形药柱，在该点火药柱和主装药柱上设置有相互导通的轴向中心孔和径向通孔，在点火药柱的下端部埋有电点火器。本发明的主要优点是，不仅火药燃烧时间长，作用地层的压力峰值持续时间长，增产效果明显；而且结构简单、成本低，施工周期短，环保性能好。
Description
技术领域
本发明属于油、气井高能气体增产增效作业技术领域，尤其涉及一种适用于油、气井压裂增效工艺的固体火药非稳定燃烧式压裂器。
技术背景
油气井在射孔过程中，射孔聚能金属射流和高温高压气体在穿孔的同时，在射孔聚能金属射流穿孔区形成“介质压实区”。这种压实区阻碍或堵塞了油气通道。另外，油气井在生产过程中，由于不断的连续性开采，在油岩层中会沉积大量的石蜡、沥青和煤焦油等胶体物质，加之盐的析出，乳浊液的形成，黏土的膨胀，泥浆的污染，杂质的侵入等等都将导致近井地带的“渗透性变差”，使油气产能下降。如何使新井增收，使老井增产成为一个现实的而必须解决的紧迫问题。
为了使油气井获得增产增收的效果，通常采用的方法是，对原射孔孔道施加很高的压力，以此扩展和增加射孔孔道的裂缝，使射孔后的孔道与天然裂缝沟通，以便石油和天然气顺利溢出。现有技术的压裂工艺有三种，即水利压裂、爆炸压裂及高能气体压裂。上述三种压裂工艺当属高能气体压裂工艺最有效。
目前实施高能气体压裂工艺的压裂弹种类很多。中国专利申请2005公开了一种投方式压裂弹，其基本结构组成包括点火器、金属中心管、多个药柱、连接管，连接管将点火器和多个药柱串接在一起。该压裂弹的发火原理是，点火器作用后点燃金属中心管中的点火药，金属中心管燃烧或气化后再点燃多个由发射药火推进剂构成的药柱。这种传统的高能气体压裂工艺存在的主要缺陷是：点火时间长，火药燃烧时间短；燃烧压力峰值上升速度快，压力峰值持续时间短。因此这类压裂弹的压裂效果尚难满足要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服高能气体压裂工艺现有技术压裂弹的不足，提供一种压裂效果好，可使油气井采收率明显提高的声波震荡及脉冲燃烧式压裂器
为解决上述技术问题，本发明提供的声波震荡及脉冲燃烧式压裂器包括上盖、下盖、点火药柱、数个主装药柱、电点火器、钢绳索和吊环；所述的上盖和下盖均在其端面上设置了四个均布的圆形通孔；点火药柱和每个主装药柱均是由固体推进剂浇铸而成的圆柱体药柱，点火药柱和主装药柱均带有轴向中心孔和径向通孔且外壁带有四个互为90°的半圆形沟槽，所述的轴向中心孔和径向通孔相互导通；所述的电点火器由金属桥丝与耐温导线焊接而成并埋入点火药柱，其耐温导线由所述点火药柱的轴向中心孔引出；所述的点火药柱和数个主装药柱沿轴向叠放在一起且所述的四个半圆形沟槽均沿轴向对齐，点火药柱放在最下层，点火药柱的导线由所述的中心孔引到药柱串的上端，并与井口放下来缆线相连接；所述的上盖和下盖分别放置在药柱串的上端和下端且四个圆孔与药柱串的四个半圆沟槽对齐；钢绳索通过上盖和下盖的四个圆孔以及药柱串的四个半圆形沟槽将所述药柱串固紧，且其上端紧紧绑扎在吊环上。
根据本发明，所述的固体剂推进剂是由过氯酸铵氧化剂、聚硫橡胶燃烧剂、及胶体状粘结剂/稳定剂机械混合而成，其各组分的配比为：氯酸铵氧化剂占54～68％，聚硫橡胶占24～17％，粘结剂/稳定剂占22～15％。
根据本发明，还包括一个点火药柱，该点火药柱放置在所述药柱串的最上层，其电点火器的导线也与所述电缆连接。
根据本发明，所述每个点火药柱、主装药柱的长度与所述轴向中心孔的直径之比为20～40；所述径向通孔的直径是轴向中心孔直径的0.25～1倍；所述药柱串各径向通孔之间的孔间距是所述轴向中心孔直径的20～40倍，每个主装药柱的重量为10～15kg，每个点火药柱重量是主装药柱重量的0.5倍。
本发明的有益效果可以归纳为如下几点：
(一)本发明不仅主装药柱外部无任何包袱，而且也没有装点火药的金属中心管，更没有任何金属连接件，是完全的裸体药柱，燃烧后钢绳索随电缆一同被提出，井内无任何残留物，地层无任何污染。
(二)本发明点火药柱的长度尺寸是主装药柱的一半，只是将电点火器直接浇铸在主装药柱4底部150毫米处，电点火器和药柱之间没有任何的密封件，省去了电点火器和药柱的密封设计，比现有任何一种压裂弹的结构都简单，现场施工操作简便，施工费用少，从而缩短了施工周期，提高了施工效率。
(三)本发明采用多个同种主装药柱构成古典声腔式圆柱形装药，可产生不稳定燃烧声波振荡和脉冲式燃烧状态，这种脉冲、振荡压力不仅利于(目的层)原有细小的裂缝的延伸，也利于产生新的裂缝，从而使油气井采收率明显提高。
(四)采用主装药柱底部点火或底部和顶部同时点火，克服了传统压裂弹中心管点火带来的缺陷，延长了药柱的燃烧时间，使得其作用地层的压力持续时间长，有利于扩大目的层原有细小的裂缝和产生新的裂缝，达到使油气井增产增效的目的。
(五)本发明可以单独用电缆送入目的层进行施工，很适合用于老油井；另外，本发明也可以直接与射孔枪的底部连接，实现射孔、增效联合作业。
附图说明
图1是本发明优选实施例的组成示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是主装药柱示意图。
图4是点火药柱的通孔示意图。
图5是下盖和上盖的通孔示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
正如图1所示，本发明的优选实施例包括两个点火药柱2、两个主装药柱4、下盖1、上盖7、两个电点火器3、钢绳索9和吊环10。点火药柱和主装药柱4均是由固体推进剂浇铸成的圆柱体药柱，该药柱带有轴向中心孔6和径向通孔5且外壁带有四个互为90°的半圆形沟槽11，中心孔6和径向通孔5相互导通(参见图2)。根据图3所示，点火药柱2和主装药柱4的药柱直径D＝102mm，单个主装药柱4的长度L＝1.2mm，轴向中心孔6的直径d＝30mm，径向通孔5的直径dk＝0.6d＝18；单个点火药柱2的长度L＝0.6mm，其余参数与主装药柱4相同。固体推进剂是由氧化剂、燃烧剂和胶体状粘结剂/稳定剂机械混合而成，其中：氧化剂为过氯酸铵(NH4CO4)，燃烧剂为聚硫橡胶，固体推进剂的燃烧速度主要取决于过氯酸铵的热分解特性，而本发明的燃烧特性与过氯酸铵和聚硫橡胶的含量有直接关系，其燃烧效率则取决于粘结剂/稳定剂的含量。在本优选实施例中，固体推进剂各组分的配比为：NH4CO4占60％，聚硫橡胶占24％，粘结剂/稳定剂占16％。电点火器3是由一个半圆型的镍—铬金属桥丝与耐温导线8焊接而成，电点火器3的电阻值为18Ω；每个点火药柱2的重量是单个主装药柱4的0.5～1倍，电点火器3可以直接埋在距离药柱底部150mm的位置上(参见图4)。两个主装药柱4沿轴向叠放在一起且半圆形沟槽11对正，两个点火药柱2分别放在主装药柱4的最下层和最上层，电点火器3的耐温导线8由轴向中心孔6引到药柱串的上方，与缆线连接牢固。根据图5所示，上、下盖7、1均由金属材料制作，其端面有四个分部均匀且互为90°的圆孔13，上盖7和下盖1分别放在上下点火药柱的上端和下端，其作用①是固定点火药柱2和主装药柱4，②保护点火药柱2和主装药柱4在下井过程中免受碰撞而损坏。钢绳索9穿过下盖1和上盖7的四个圆孔13并卡在点火药柱2和主装药柱4的四个半圆形沟槽11内，紧紧绑扎在吊环10上。使用时，将电点火器3的耐温导线8与井口放下来的电缆线12相连接，并通过电缆12将本发明送入油、气井中。
当然，本发明也可以只在主装药柱串的最下层放一个点火药柱2，使本发明实现一端点火。为了保证本发明的非稳态燃烧效应，通常，主装药柱的长度与轴向中心孔6的直径之比为20～40，径向孔5的直径是轴向中心孔6直径的0.25～1倍，主装药柱4各径向通孔之间的孔间距是轴向中心孔直径的20～40倍；固体推进剂中各组分的配比为：NH4CO4占54～68％，聚硫橡胶占24～17％，粘结剂/稳定剂占22～15％，每个主装药柱4的重量为10～15kg。
本发明的工作机理是，当其通过电缆9直接送到目的层时，地面给电缆12通电，电点火器3发火，并点燃点火药柱2。燃烧波和燃烧火焰气体产物穿过中心孔6和径向通孔11时，在中心孔6和径向通孔5内出现气流扰动，破坏了原有的静止状态，就产生非稳定燃烧声波振荡和脉冲式燃烧。这种脉冲、震荡式非稳定燃烧释放出大量的高温高压气体，对目的层产生径向振荡和纵向振荡冲击，伴随的高频振荡燃烧，产生的振荡波可穿透10m厚的岩层，径向和纵向振荡冲击加载的能量沿射孔孔道作用于地层，使射孔孔道和地层中原有的细微的裂纹增大、加宽，并净化岩层渗流通道，提高目的层岩石的渗透率，最终提高了石油和天燃气产量。
Claims (4)
1.一种声波震荡及脉冲燃烧式压裂器，包括数个主装药柱[4]、电点火器[3]、钢绳索[9]和吊环[10]，其特征在于：还包括上盖[7]、下盖[1]、点火药柱[2]，所述的上盖[1]和下盖[7]均在其端面上发置了四个均布的圆形通孔[13]；点火药柱[2]和每个主装药柱[4]均是由固体推进剂浇铸而成的圆柱体药柱，点火药柱[2]和主装药柱[4]均带有轴向中心孔[6]和径向通孔[5]且外壁带有四个互为90°的半圆形沟槽[11]，所述的轴向中心孔[6]和径向通孔[5]相互导通；所述的电点火器[3]由金属桥丝与耐温导线[8]焊接而成并埋入点火药柱[2]中，其耐温导线[8]由所述点火药柱[2]的轴向中心孔[6]引出；所述的点火药柱[2]和数个主装药柱[4]沿轴向叠放在一起且所述的四个半圆形沟槽[11]均沿轴向对齐，点火药柱[2]放在最下层，点火药柱[2]的耐温导线[8]由所述的轴向中心孔[6]引到药柱串的上端，并与井口放下来缆线相连接；所述的上盖[7]和下盖[1]分别放置在药柱串的上端和下端且四个圆孔[13]与药柱串的四个半圆沟槽[11]对齐；钢绳索[9]通过上盖[7]和下盖[1]的四个圆孔[13]以及药柱串的四个半圆形沟槽[11]将所述药柱串固紧，且其上端紧紧绑扎在吊环[10]上。
2.根据权利要求1所述的声波震荡及脉冲燃烧式压裂器，其特征在于：所述的固体剂推进剂是由过氯酸铵氧化剂、聚硫橡胶燃烧剂、及胶体状粘结剂/稳定剂机械混合而成，其各组分的配比为：氯酸铵氧化剂占54～68％，聚硫橡胶占24～17％，粘结剂/稳定剂占22～15％。
3.根据权利要求1或2所述的声波震荡及脉冲燃烧式压裂器，其特征在于：还包括一个点火药柱[2]，该点火药柱[2]放置在所述药柱串的最上层，其电点火器[3]的导线也与所述电缆连接。
4.根据权利要求3所述的声波震荡及脉冲燃烧式压裂器，其特征在于：所述每个点火药柱[2]、主装药柱[4]的长度与所述轴向中心孔[6]的直径之比为20～40；所述径向通孔[5]的直径是轴向中心孔[6]直径的0.25～1倍；所述药柱串各径向通孔[5]之间的孔间距是轴向中心孔[6]直径的20～40倍，每个主装药柱[4]的重量为10～15kg，每个点火药柱[2]的重量是主装药柱[4]重量的0.5倍。
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