CN101539007A

CN101539007A - 磨料喷射装置及磨料射流射孔、分层压裂方法

Info

Publication number: CN101539007A
Application number: CN200910082408A
Authority: CN
Inventors: 李根生; 黄中伟; 牛继磊; 田守嶒
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: CN101539007B

Abstract

本发明涉及一种磨料喷射装置及磨料射流射孔、分层压裂方法，其中，该磨料喷射装置，具有多级串联连接的喷枪；所述喷枪均为中空柱状体，其侧壁上设有至少两个喷嘴；所述每级喷枪的下部均设一封隔器，所述封隔器的侧壁上设有在高压液体的作用下能够向外部膨胀的密封套；所述喷枪包括设在所述磨料喷射装置下部的第一级底部喷枪，以及位于底部喷枪上部的多级上部喷枪，其中各上部喷枪内均设有能够封闭该级喷枪喷嘴及密封套的滑套，且所述滑套在外力作用下能够滑移至所述密封套的下部，打开所述喷嘴和密封套。本发明可用于套管直井或水平井，其解决了油田直井或水平井中分层或分段压裂问题，达到了节约压裂成本、提高压裂效果、降低施工风险的目的。

Description

磨料喷射装置及磨料射流射孔、分层压裂方法

技术领域

本发明是关于一种磨料喷射装置及磨料射流射孔、分层压裂方法，该装置及压裂方法特别适用于石油、天燃气等领域的地下开采作业。

背景技术

1947年，在美国KANSAS西南部的HUGOTON气田的一口垂直井中首次实施了水力压裂增产技术，经过了近半个世纪的发展，特别是上世纪80年代末以来，在压裂设计、压裂液和添加剂、支撑剂、压裂设备和监测仪器以及裂缝监测等方面都获得了迅速的发展，使水力压裂技术在缝高控制技术、高渗层防砂压裂、重复压裂、深穿透压裂以及大砂量多级压裂等方面都出现了新的突破。现在水力压裂技术作为油水井增产增注的主要措施，已广泛应用于低渗透油气田的开发中。

近年来，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，裂缝起裂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。因此，直井分层压裂和水平井段分段压裂是目前压裂增产技术的发展方向。目前，现场常用的分层(段)压裂方法主要有：限流法压裂、暂堵剂分层压裂、机械封隔器分层压裂、填砂分层压裂等。限流法压裂要求的射孔密度较低，将会妨碍射孔对有效井筒半径的扩大；作业期间，在射孔通道和裂缝入口处可能出现过大的压力降，并会影响携砂压裂液在层间的分布；限流法进行射孔提供的裂缝入口面积较小，在返排和生产期间，易使支撑剂返出。在裸眼水平井压裂时，最简单的隔离方法是使用暂堵剂，暂堵剂可以用岩盐、苯甲酸片或樟脑丸等。但这种方法最大的问题是难以控制沿井筒的裂缝起裂点之间的距离；另一个重要的问题是在暂堵阶段对裂缝在近井地带的支撑剂的充填无法控制。在套管井可以实施封隔器分层或分段压裂工艺，但是，施工完一个层位后，封隔器常常发生砂卡，导致井下事故。填砂分层压裂的问题是施工周期过长。

近年来，随着高压水射流技术不断发展，在切割、破岩、钻孔等方面都有了很大的进步。如中国专利公开号CN100999989A中，公开了一种高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法及其装置，该申请即为本案申请人的先申请，上述申请的基本原理是在一定粘度的流体中加入一定比例的磨料(常用石英砂)，从而形成磨料射流，由地面泵车加压至30-40MPa，通过油管输送到井下的射孔装置及喷嘴(该装置可以根据需要确定层位和方位)，在地层射出深度为0.78-1.09米、直径20mm左右的清洁孔道；或者移动管柱及喷嘴，在井下实现割缝。该技术的优点主要有：穿透深度大于常规射孔；不会造成象常规射孔那样的油层压实伤害；开孔的孔径较大；可以根据分层和地应力的要求，有选择的定向射孔和割缝。该技术已在现场应用了10多口井，施工效果良好。在此基础上本案申请人又提出了一种新的压裂方法及装置，并记载在中国专利申请第200710179500.6号中。

在中国专利申请第200710179500.6号中公开的一种磨料射流井下射孔、割缝分层压裂的方法及装置，是集磨料射孔、水力封隔和压裂一体化的新技术，虽然不用下入机械式封隔器，但每次压裂完成一个层段后，需要移动井下的磨料射流喷射装置，而且，在对地层的压裂过程完全依靠水力封隔，因此不能保证在压裂下一个层段时压裂液和支撑剂不进入已压开层段。

发明内容

本发明的目的是提供一种磨料喷射装置及磨料射流射孔、分屋压裂方法，尤其是一种不需移动喷射装置、无需常规机械封隔器，下入一次管柱即可在多个预定位置实施水力封隔和机械封隔相结合的分层压裂的磨料喷射装置及磨料射流射孔、分屋压裂方法。

为此，本发明提供一种磨料喷射装置，具有多级串联连接的喷枪；所述喷枪均为中空柱状体，其侧壁上设有至少两个喷嘴；所述每级喷枪的下部均设一封隔器，所述封隔器的侧壁上设有在高压液体的作用下能够向外部膨胀的密封套；所述喷枪包括设在所述磨料喷射装置下部的第一级底部喷枪，以及位于底部喷枪上部的多级上部喷枪，其中各上部喷枪内均设有能够封闭该级喷枪喷嘴及密封套的滑套，且所述滑套在外力作用下能够滑移至所述密封套的下部，打开所述喷嘴和密封套。

本发明还提供一种磨料射流射孔、分层压裂方法，所述方法包括如下步骤：

(1)通过油管将多级串联连接喷枪组成的磨料喷射装置沿套管送入到井内规定层位；

(2)通过油管向磨料喷射装置供给加压的射孔液，所述射孔液通过所述喷射装置的其中一级喷枪的喷嘴向所述套管侧壁和地层高速喷射，在地层中形成孔眼，同时在所述射孔液的推抵下，使设置在该级喷枪喷嘴下部的封隔器的密封套向外部膨胀密封该级喷枪和所述套管之间的环空；

(3)向所述孔眼内泵入压裂液，使所述孔眼内的地层形成压裂裂缝；

(4)完成一个层位的压裂后，自所述油管向下投入钢球，推动位于上部的另一级喷枪内的滑套向下移动，打开被所述滑套封闭的该级喷枪的喷嘴和密封套，在上一个层位重复所述步骤(2)至(3)。

本发明的磨料喷射装置通过采用多级喷枪串联、并设置多级滑套，从而避免了公知技术中，在压裂不同层段时需移动井下管柱的缺陷。并且，通过与滑套联动的可伸缩式封隔器，加上水力封隔环的作用，提高了压裂不同层段时的封隔效果，确保在压裂下一个层段时压裂液和支撑剂不进入已压开层段。

本发明装置中的封隔器和滑套联动，在销钉剪断之前处于收缩状态，一旦钢球达到滑套端部的密封座，销钉剪断、滑套移动，和封隔器弹性套相连的活塞柱和高压液体接触，此时封隔器弹性套在活塞柱的推动下带动封隔密封套膨胀，从而密封喷枪和套管之间的环空、防止流体通过。当前层位压裂完成后，投入直径稍大的球、打开上一级滑套，同时封堵高压流体不能再通过该级喷枪向下流动，此时，下一级喷枪上的封隔器由于活塞柱不再和高压液体接触而收缩，避免了砂卡的风险。

本发明在作业过程中，高速流体通过套管壁、水泥环以及地层孔眼端部后，势必要返回环空。由于套管壁面上的孔眼较小(直径约为10mm左右)，而地层中的孔眼直径较大，可超过50mm，套管壁面上的孔眼一方面是高速流体进入的通道，另一方面也是返出流体的通道。高速返出流体处于射入流体的外围，在靠近套管壁面的孔眼端部起到了类似密封环的作用，致使返回的流体难以及时流入环空，从而导致地层孔眼内压力升高。

本发明可用于套管直井或水平井，其解决了油田直井或水平井中分层或分段压裂问题。本发明不需移动磨料喷射装置(管柱)、无需常规机械封隔器，下入一次管柱即可多个预定位置实施水力封隔和机械封隔相结合的分层压裂，从而达到了节约压裂成本、提高压裂效果、降低施工风险的目的。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1是本发明的磨料喷射装置的结构示意图；

图2是本发明的磨料喷射装置第一级底部喷枪结构示意图；

图3是本发明的磨料喷射装置上部(第二级、第三级…)喷枪结构示意图，为喷枪关闭状态；

图4是本发明的磨料喷射装置上部(第二级、第三级…)喷枪结构示意图，为喷枪开启状态；

图5是本发明的滑套结构示意图；

图6是本发明的销钉结构示意图；

图7是本发明的单向阀的结构示意图；

图8是本发明的磨料喷射装置位于套管内时，第一级底部喷枪未工作状态的结构示意图；

图9是本发明的磨料喷射装置位于套管内时，第一级底部喷枪工作状态的结构示意图；

图10A、图10B、图10C是本发明的磨料喷射装置的第二级上部喷枪工作过程示意图；

图11A、图11B是本发明的磨料喷射装置的第三级上部喷枪工作过程示意图；

图12是图2中I处的局部放大示意图；

图13是喷嘴压帽的结构示意图；

图14A、图14B、图14C是本发明的磨料喷射装置使用状态示意图，其中，图14A为第一级喷枪处于工作状态，图14B为第二级喷枪处于工作状态，图14C为第三级喷枪处于工作状态。

图15是本发明的磨料射流射孔、分层压裂方法的流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明的磨料喷射装置的结构示意图；图2是本发明的磨料喷射装置第一级底部喷枪结构示意图；图3是本发明的磨料喷射装置第二级上部喷枪结构示意图，为喷枪关闭状态；图4是本发明的磨料喷射装置第二级上部喷枪结构示意图，为喷枪开启状态。如图所示，本发明的磨料喷射装置，具有多级串联连接的喷枪，串联连接的喷枪级数可以根据需要压裂层位数量而定，在本实施例中以三级喷枪串联连接构成的喷射装置为例进行说明，且各级喷枪之间由油管短节3相连接，其间距根据设定的待压裂层段的井深通过所述油管短节进行调节。所述磨料喷射装置设置在最上部的一级喷枪与油管相连接。

所述喷枪包括设在所述磨料喷射装置下部的第一级底部喷枪1，以及位于底部喷枪上部的多级上部喷枪2。所述喷枪1、2均为中空柱状体，其侧壁上设有至少两个喷嘴11、21；所述每级喷枪的下部均设一封隔器12、22，所述封隔器12、22的侧壁上设有在高压液体的作用下能够向外部膨胀的密封套121、221。其中各上部喷枪2内均设有能够封闭该级喷枪喷嘴21及密封套221的滑套20，且所述滑套20在外力作用下能够滑移至所述密封套的下部，打开所述喷嘴和密封套。

图5是本发明的滑套结构示意图；图6是本发明的销钉结构示意图。如图1-6所示，所述滑套20呈圆柱状筒体，可以由钢材制成，其外周壁与所述喷枪1、2的内周壁相配合，在滑套20的外周壁上设有至少环密封圈槽204，其内可容置密封圈23，通过该环密封圈23实现对喷枪内周壁的密封，同时封堵喷嘴21。在本实施例中在所述滑套20的上、下两端部分别设置的两个密封圈23，以达到更好的密封效果。

如图4、5、6所示，所述滑套20内设有密封座201，优选该密封座201设置在所述滑套20的上部，一钢球202能落座于所述滑套的密封座201，并密封所述滑套20。所述滑套20的外周壁上还设有一环嵌合凹槽203。请配合参见图3，所述喷枪2的侧壁上沿径向设有至少一个容置通孔24，其内设有剪切销钉4，例如，可以将销钉4通过喷枪2侧壁上设置的容置通孔24旋入，使所述剪切销钉4的头部41卡合于所述滑套外周壁上设置的嵌合凹槽203内，从而借助于该剪切销钉4固定所述滑套20，避免滑套20在不需要打开被密封的喷嘴21、密封套221时上下移动。为了在剪切力的作用下使销钉4的头部41能够断裂，所述销钉4可以由黄铜制成。

另一个可行的实施例是，在所述喷枪2侧壁上沿径向设置的至少一个容置通孔24内设有能卡合于所述滑套外周壁上设置的嵌合凹槽203内的圆球，所述圆球的后部设有弹簧，一固定螺钉螺固在所述容置通孔24内并顶抵于所述弹簧，从而达到将所述滑套20固定在密封喷嘴21和密封套221位置的目的。

如图1-4所示，本发明的所述封隔器12、22通过螺纹连接在所述喷枪1、2的下部，其连接部通过公知的密封件进行密封。采用该结构能够减小喷枪1、2的整体长度，便于运输；对于磨损的部件可进行部分更换，提高设备的利用率，降低使用成本。当然，也可以将所述封隔器一体设置在所述喷枪1、2的下部，提高设备的组装效率。

所述封隔器12、22的外周壁上设有一环凹槽122、222，所述凹槽122、222的上、下两侧沿封隔器的轴向延伸，并与所述封隔器的外壁之间形成嵌合部123、223所述密封套121、221套设于所述凹槽122、222，且密封套121、221的上、下两侧分别嵌入所述嵌合部123、223内。所述凹槽122、222内设有多个径向贯通封隔器侧壁的通孔，所述通孔内设有能沿径向滑动的活塞柱124、224，所述活塞柱与所述通孔之间设有密封圈，且活塞柱124、224的外侧顶抵于所述密封套121、221。其中，当所述封隔器12、22通过螺纹连接在所述喷枪1、2的下部时，可以在所述喷枪1、2与封隔器12、22的连接端设置一内径大于所述封隔器12、22外径的阶梯槽，该阶梯槽与封隔器的外径之间形成能使所述密封套121、221的上部嵌入的嵌合部123、223。

另外，为增加所述活塞柱124、224与所述密封套121、221的接触面积，有利于密封套的向外膨胀，可以在所述密封套121、221的内侧设有一环凹陷部，将一弹性套125、225套设在所述封隔器外周壁上的凹槽122、222内，且位于所述活塞柱124、224的外部，并嵌设在所述密封套的凹陷部内。

所述上部喷枪2的封隔器22的底部内侧设有台阶部25，该台阶部25构成了滑移后的所述滑套20的止挡部。且所述滑套20的长度大于所述喷嘴和所述密封套之间的间距，小于所述封隔器底部至所述密封套之间的距离；且设置在上一级所述喷枪内的滑套内径大于设置在下一级喷枪内的滑套内径。

图7是本发明的单向阀的结构示意图，即图1中III处的局部放大示意图。如图所示，单向阀5设置在所述第一级底部喷枪1的底端，该单向阀5包括有阀体50，所述阀体50上沿轴向设有贯通孔51，在所述阀体内侧对应所述贯通孔51设有阀座53，一阀球52能落座于所述阀座53内，封闭该贯通孔51，所述阀体50远离所述贯通孔51的一端为连接端54，在本实施例中为在阀体50的连接端54形成与第一级底部喷枪1相配合的内螺丝，从而能够将单向阀5方便地与第一级喷枪1相固定连接。

在需要环空反循环洗井时，此时各级喷枪均处于非工作状态(各封隔器均处于收缩状态)，请配合参见图8，向所述套管6与油管之间的环空内泵入液体，该液体可通过单向阀5上设置的贯通孔51并顶开单向阀的阀球52进入第一级底部喷枪内，此时，单向阀5处于打开状态，则该液体就能够经由所述单向阀5进入各级喷枪及油管内，实施反循环洗井。

所述喷枪1、2上设置的喷嘴11、21是射孔及压裂时含有磨料的两相流通过的唯一通道，其数量可根据地面泵的供液能力来确定喷嘴个数，并可根据需要布置成不同的相位和间距。所述喷嘴11、21在所述喷枪1、2的周向设置，各喷嘴11、21每两只为一对，设置在同一平面内(180°相位)，但和其它每对喷嘴成一定角度分布。所述喷嘴11、21由高强度耐冲蚀材料制成，如可由硬质合金或陶瓷材料制成。使喷嘴11、21最下部位于待压裂层位。通过喷嘴11、21的设置方式达到所要求的射孔或割缝的密度。由于每一对喷嘴11、21在周向上均布且不在同一平面内，因此有利于保持压裂方向与地层最大水平主应力方向一致，提高压裂效率。

由于在发明的各级喷枪上设置的喷嘴结构相同，以下仅以第一级的喷嘴11为例进行说明。

如图12所示，在本实施方式中，所述喷枪1的侧壁上在同一平面内相隔180度相位对称设有与中空柱状体相连通的一对通孔10，所述喷嘴11嵌置在所述通孔10内，并通过喷嘴压帽110与所述喷枪1相固定。在该具体实施方式中，设置了三～四对喷嘴11，每对具有120度的相位差，且不在同一平面内。

如图13所示，优选所述喷嘴压帽110由硬质合金材料制成，沿轴线的横截面形成为T形，并具有沿轴线设置的贯通孔111，所述贯通孔具有扩径的容置部112，所述喷嘴11固定在所述容置部内。并在所述喷嘴压帽的外围的所述喷枪表面涂覆有喷涂层，所述喷涂层为耐冲蚀材料，所述耐冲蚀材料优选为碳化钨。由于在喷嘴压帽外围的喷枪表面涂覆了耐冲蚀的喷涂层，从而进一步保护了喷枪本体，防止在喷射过程中返溅射流的冲蚀破坏。

所述喷嘴11优选采用公知的双射流喷嘴或自振空化喷嘴。请配合参见图15，本发明的磨料射流射孔、分层压裂方法，包括如下步骤：

(1)通过油管将图1所示的由多级串联连接喷枪组成的磨料喷射装置沿套管送入到井内规定层位。

(2)通过油管向磨料喷射装置供给加压的射孔液，所述射孔液通过所述喷射装置的其中一级喷枪的喷嘴向所述套管侧壁和地层高速喷射(例如，所述射孔液通过喷嘴出口的流速不低于230米/秒)，在地层中形成孔眼，同时在所述射孔液的推抵下，使设置在该级喷枪喷嘴下部的封隔器的密封套向外部膨胀密封该级喷枪和所述套管之间的环空。

其中，图14A、图14B、图14C是以三级喷枪串联构成的一套磨料喷射装置在套管中依次工作的示意图，并请同时配合参见图8、图9、图10A-图10C、图11A-图11B。以下将喷枪自下而上分别称为第一级、第二级和第三级喷枪。

通过普通油管在将本发明的磨料喷射装置下到指定层位，其中，各级喷枪之间的间距根据待压裂层段的井深，通过连接两个喷枪的油管短节的长度进行调节。如图8所示，未开始射流射孔作业时，第一级底部喷枪1处于不工作状态。通过油管向磨料喷射装置供给加压的射孔液后，如图9所示，所述步骤(2)进一步包括，所述射孔液首先到达所述喷射装置的第一级喷枪1，并经其上设置的喷嘴11向所述套管侧壁和地层高速喷射，在地层中形成一定直径和深度的孔眼，同时在高速、高压的所述射孔液的推抵下，推动设置在第一级喷枪喷嘴11下部的封隔器12侧壁上的活塞柱124向外移动，在所述活塞柱124向外移动的同时通过弹性套125推动设置的封隔器12外部的密封套121向外部膨胀并紧密地抵顶在所述套管的内壁上，密封第一级喷枪1和所述套管之间的环空。

其中，被投入的所述钢球直径与欲推动的滑套直径相配合，且能密封设置在所述滑套内的密封座，使所述射孔液不流入下一级喷枪内。所述步骤(4)进一步包括：被投入的所述钢球在推动所述滑套向下移动的过程中，将穿过所述喷枪的侧壁、头部卡合于所述滑套外周壁上设置的嵌合凹槽内的剪切销钉剪断，并将所述滑套推动至其底端顶抵于该级喷枪的所述封隔器底部内侧设置的台阶部，所述滑套的顶部位于该级喷枪的密封套的下部。

请配合参见图10A、10B、10C，其中，图10A表示了第二级喷枪2未开始工作时的状态；图10B表示了第二级喷枪2工作状态；图10C表示了第二级喷枪2完成对应层位的压裂作业后的状态。如图所示，在第一级喷枪1完成对应层位的压裂后，停泵，打开油管向油管内投入直径与第二级滑套内径相配合的钢球202，由于设置在第二级喷枪2内的滑套20的内径小于设置在上部的第三级喷枪内的滑套的内径，因此被投入钢球202穿过第三级喷枪到达第二级喷枪的滑套20并嵌合落座于设置在所述滑套20上部的密封座201内，并将所述滑套20密封，能够使射孔液不流入到第一级喷枪1内。同时，在流体压力的推动下，使滑套20向下移动，在移动过程中将穿过所述喷枪2侧壁、头部41卡合于所述滑套20外周壁上设置的嵌合凹槽203内的剪切销钉4剪断，从而使所述滑套20继续向下移动至其底端顶抵于第二级喷枪2的所述封隔器22底部内侧设置的台阶部25，此时，所述滑套20的顶部位于第二级喷枪2的密封套221的下部，使第二级喷枪2的喷嘴21、封隔器22的活塞柱224与喷枪2中空的供液通道相连通。在该第二级喷枪2所在层位重复上述步骤(2)至(3)，进行该层位的压裂作业。其中，对于喷枪2的喷嘴21、封隔器22的活塞柱224和密封套221的动作过程与第一级喷枪相同，在此不再赘述。

请配合参见图11A、11B，其中，图11A表示了第三级喷枪2未开始工作时的状态；图11B表示了第三级喷枪2工作状态。如图所示，在第二级喷枪2完成对应层位的压裂后，停泵，打开油管向油管内再投入一个直径稍大于被投入到第二级喷枪2内的钢球202的另一钢球，且该钢球的直径与第三级喷枪的滑套内径相配合，因此被投入的钢球嵌合落座于设置在第三级喷枪的所述滑套上部的密封座内，并将该滑套密封，使射孔液不能流入到下部第二级2、第一级喷枪1内。由于，第三级喷枪内的滑套在钢球的作用下向下移动的过程，以及打开所述第三级喷枪的喷嘴、封隔器的活塞柱和密封套的动作过程与第一、二级喷枪相同，因此，不再赘述。

以下对本发明的一个层位的压裂方法进行详细的描述。

所述步骤(2)中所述的射孔液内加入有磨料；优选的是，所述磨料占所述射孔液5-10％的体积百分比；所述磨料可采用石英砂或陶粒，粒径以20-40目为最佳。

在完成步骤(2)的形成孔眼作业后，停止射孔液的喷射，向喷射装置供给基液，同时在地面关闭所述油管与套管之间的环空，之后进行步骤(3)的作业。

优选的实施方式是，所述步骤(3)进一步包括：

a、向喷射装置供给前置液，压裂地层形成裂缝；

b、根据当前层位的压裂规模，即现场根据生产需要、确定当前层位应该泵入的压裂液量，通过油管向喷射装置供给携有支撑剂的压裂液，同时向油管与套管之间的环空泵送基液，并维持环空压力略低于地层起裂压力，以免压开喷射装置所处层位以外的其它地层；

c、泵注压裂液之后，地面人员停止加入支撑剂，通过倒换阀门，即关闭装有压裂液的罐、同时打开装有基液的罐，为泵车供给基液，接着向喷射装置泵入基液，将所述压裂液挤入(顶替入)地层。

其中，在所述分层压裂过程中使用的压裂液，以支撑剂占压裂液30％的体积百分比为最佳。且优选所述支撑剂为陶粒，其粒径为20-40目。

在所述步骤(3)的喷射过程中，高速流体(基液或压裂液)通过套管壁、水泥环以及地层孔眼端部后，势必要返回环空。由于套管壁面上的孔眼较小(例如直径约为10mm左右)，而地层中的孔眼直径较大，例如可超过50mm，当喷嘴喷射的高速流体进入地层中的孔眼内，在地层被压裂前会返回套管环空内。套管壁面上的孔眼一方面是高速流体进入的通道，另一方面也是返出流体的通道。高速返出流体处于射入流体的外围，则所述返回的射流在靠近所述套管壁面的孔眼端部由水力起到了密封环的作用，在此我们称之为水力密封环，该水力密封环致使返回的流体难以及时流入环空，从而导致地层孔眼内压力升高，且孔眼内压力高于环空内的压力，因此，只有在喷射位置的孔眼内裂缝才可能最先起裂、扩展，支撑剂此时将沿着起裂的裂缝进入地层，即地层中的裂缝将仅在水力喷射形成的孔眼位置破裂、扩展，但在其它层位由于环空压力低于地层起裂压力，裂缝将不再开裂、扩展。

本发明的磨料射流井下射孔、割缝分层压裂方法，为了保证压裂质量，在将喷射装置送入井内之前，先进行洗井循环，冲洗出井内的杂质。

当射孔液中加入的磨料与压裂液中所携的支撑剂的材质不同时，如磨料为石英砂，支撑剂为陶粒时，二者的强度不同，在完成步骤(2)形成孔眼后、进行压裂之前，应再次进行洗井循环，其目的是冲洗出在形成孔眼过程中的石英砂粒，以避免形成孔眼过程中的石英砂和压裂过程中的陶粒混合进入地层。防止由于未充分洗井，使抗压强度低于陶粒的石英砂随陶粒混入地层后，导致石英砂被压碎，使裂缝闭合。

在将所述磨料射流喷射装置送入井内的过程中，油管内没有液体，而在套管环空内有一定的液面高度。为了不使套管环空中的液体(可能含有大直径的固体颗粒杂质)在压差的作用下，有可能顶开单向阀进入油管内，堵塞喷嘴，在进行步骤(1)时，需将环空打开，向油管内低排量泵入基液，使基液充满油管，从而使油管内的压力大于外部的压力，达到防止套管环空中的杂质堵塞喷嘴的目的。

下面以一个具体实例进一步说明本发明：

本发明的施工过程分为两步，即磨料射流射孔和喷射压裂，前一个过程用的磨料为粒径20～40目的石英砂或陶粒，喷射压裂的支撑剂为粒径20～40目的陶粒。具体步骤为：起出原井管柱，洗井，循环；下入普通油管及井下工具串(各级喷枪的间距用油管短节根据油层深度适当调节)；地面管线、井口及设备试压70MPa，环空管线试压35MPa；从油管低排量泵入基液充满油管及环空；喷砂射孔：加入磨料100～110kg/m³，泵入射孔液，建立喷嘴压降为30～35MPa，进行射孔作业，射孔时间15分钟左右，然后关闭油管与套管的环空；继续从油管和环空同时泵入前置液压开地层；加砂压裂：逐步提高支撑剂比例至600kg/m³，根据当前层位预定的压裂规模从油管注入支撑剂，加砂压裂过程中从环空同步注入基液，维持环空压力略低于当前层位的起裂压力2～3MPa；加砂压裂完成后，从油管泵入顶替液，把支撑剂完全挤入地层；停泵，打开井口，投球，打开滑套，同时启动封隔器，重复上述的射孔和压裂过程。

上述基液、顶替液以及前置液均为技术领域公知的液体，即，所述基液是在清水里加入增稠剂(一般是胍胶)，用来增加喷砂射孔过程中流体的携砂能力。所述顶替液可以用基液，也可以用清水，作用是把混合有陶粒的压裂液从油井中的油管内顶替进入地层，避免陶粒在油管内沉淀。所述前置液是在清水中加入液体高分子材料(一般是冻胶)。

本发明中所述的油管可以是连续油管，也可以是普通油管。

其中，本发明的射流射孔、分层压裂方法，第一级喷枪下部的单向立阀、筛管等结构，可以采用在先申请的中国专利申请第200710179500.6号中记载的压裂方法和结构，在此将上述中国专利申请第200710179500.6号的相关内容并入本案。

综上所述，本发明是一种集射孔、水力封隔及机械封隔、压裂一体化的新型增产措施，实施过程中，不需要现场额外准备材料和地面设备，常规压裂中使用的支撑剂即可用于水力喷射射孔和后续的分层压裂；水力封隔和机械封隔方法相结合，可以实现较为精确的定点分层压裂，确保压裂液不进入非目的层；可以根据需要控制每个层位的压裂规模，避免了压裂的盲目性，达到节约压裂材料用量的目的，进而节约投资；同时，避免了常规分层压裂中下入常规机械封隔器可能带来的砂卡问题，降低了作业风险。

我国低渗透石油资源量约为210.7×10⁸吨，占总资源量的22.4％，其中中油股份公司已经探明的未动用储量就高达32×10⁸吨，占总探明储量的50％以上，扣除各种不确定因素后，低渗透已探明未动用储量至少为26×10⁸吨储量；胜利油区低渗透油藏已探明储量就有4×10⁸t，其中仅3.56×10⁸t得到了动用，动用储量的采出程度仅有13％左右。低渗透地质储量较多的有新疆、大庆、胜利、吉林、辽河、大港、中原、延长、长庆等油区，特别是近几年来新疆准葛尔盆地新发现的小拐油田和玛北油田是典型的低渗透油田。低渗透油田采收率相对较低，如果依靠天然能量开采，特低渗透油田采收率一般在10％以下，注水开发油田采收率为20％～25％。压裂改造是开发低渗透油田最根本的工艺技术。因此，本发明的装置和方法，对提高油气这一重要战略资源的产量具有重大意义。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1、一种磨料喷射装置，其特征在于，所述磨料喷射装置具有多级串联连接的喷枪；所述喷枪均为中空柱状体，其侧壁上设有至少两个喷嘴；所述每级喷枪的下部均设一封隔器，所述封隔器的侧壁上设有在高压液体的作用下能够向外部膨胀的密封套；所述喷枪包括设在所述磨料喷射装置下部的第一级底部喷枪，以及位于底部喷枪上部的多级上部喷枪，其中各上部喷枪内均设有能够封闭该级喷枪喷嘴及密封套的滑套，且所述滑套在外力作用下能够滑移至所述密封套的下部，打开所述喷嘴和密封套。

2、如权利要求1所述的磨料喷射装置，其特征在于，所述滑套呈圆柱状筒体，其外周壁与所述喷枪的内周壁相配合，且二者之间设有至少一环密封圈；所述滑套内设有密封座，一钢球能落座于所述滑套的密封座，并密封所述滑套；所述滑套的外周壁上还设有一环嵌合凹槽。

3、如权利要求2所述的磨料喷射装置，其特征在于，所述喷枪的侧壁上沿径向设有至少一个容置通孔，其内设有剪切销钉，所述剪切销钉的头部卡合于所述滑套外周壁上设置的嵌合凹槽内。

4、如权利要求1所述的磨料喷射装置，其特征在于，所述喷嘴每两只为一对，相隔180度设置在同一平面内，每一对喷嘴在喷枪侧壁的周向均匀分布，且沿喷枪轴向设置在不同的平面内；所述喷嘴嵌置在贯通所述喷枪侧壁的喷嘴容置孔，通过喷嘴压帽与所述喷枪相固定。

5、如权利要求4所述的磨料喷射装置，其特征在于，所述喷嘴压帽由硬质合金材料制成，沿轴线的横截面形成为T形，并具有沿轴线设置的贯通孔，所述贯通孔具有扩径的容置部，所述喷嘴固定在所述容置部内。

6、如权利要求1所述的磨料喷射装置，其特征在于，所述第一级底部喷枪的底端设有单向阀，所述单向阀包括有阀体，所述阀体上沿轴向设有贯通孔，在所述阀体内侧对应于所述贯通孔设有阀座，一阀球能落座于所述阀座内，封闭该贯通孔。

7、如权利要求1所述的磨料喷射装置，其特征在于，所述封隔器通过螺纹连接在所述喷枪的下部。

8、如权利要求1所述的磨料喷射装置，其特征在于，所述封隔器的外周壁上设有一环凹槽，所述凹槽的上、下两侧沿封隔器的轴向延伸，并与所述封隔器的外壁之间形成嵌合部；所述凹槽内设有多个径向贯通封隔器侧壁的通孔；所述通孔内密封设有能沿径滑动的活塞柱，所述活塞柱的外侧顶抵于所述密封套；所述密封套套设于所述凹槽，且上、下两侧分别嵌入所述嵌合部内。

9、如权利要求8所述的磨料喷射装置，其特征在于，所述密封套的内侧设有一环凹陷部，一弹性套套设在所述封隔器外周壁上的凹槽内，且位于所述活塞柱的外部，并嵌设在所述密封套的凹陷部内。

10、如权利要求1或8或9所述的磨料喷射装置，其特征在于，所述封隔器的底部内侧设有台阶部，该台阶部构成了滑移后的所述滑套的止挡部；所述滑套的长度大于所述喷嘴和所述密封套之间的间距，小于所述封隔器底部至所述密封套之间的距离；且设置在上一级所述喷枪内的滑套内径大于设置在下一级喷枪内的滑套内径。

11、一种磨料射流射孔、分层压裂方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

12、如权利要求11所述的磨料射流射孔、分层压裂方法，其特征在于，所述步骤(2)进一步包括：所述射孔液推抵设置在封隔器侧壁上的活塞柱，所述活塞向外推动设置在其外部的密封套，使所述密封套膨胀抵顶在所述套管的内壁。

13、如权利要求11所述的磨料射流射孔、分层压裂方法，其特征在于，所述步骤(4)进一步包括：被投入的所述钢球直径与欲推动的滑套直径相配合，且能密封设置在所述滑套内的密封座，使所述射孔液不流入下一级喷枪内，之后，在油管内压力作用下剪断销钉，并将所述滑套推动至其底端顶抵于该级喷枪的所述封隔器底部内侧设置的台阶部，所述滑套的顶部位于该级喷枪的密封套的下部。

14、如权利要求11所述的磨料射流射孔、分层压裂方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括：

a、向喷射装置供给前置液，压裂地层形成裂缝；

b、根据当前层位的压裂规模，向喷射装置供给携有支撑剂的压裂液；

c、泵注压裂液之后，接着向喷射装置泵入基液，将所述压裂液挤入地层。

15、如权利要求14所述的磨料射流射孔、分层压裂方法，其特征在于，在所述步骤(3)的喷射过程中，由于套管壁面上的孔眼直径小于地层中形成的孔眼直径，当喷嘴喷射的前置液或压裂液进入地层中的孔眼内，在地层被压裂前会返回套管环空内，则所述返回的前置液或压裂液在所述套管壁面孔眼处形成了水力密封环，使孔眼内压力高于环空内的压力，地层中的裂缝仅在形成的孔眼位置破裂、扩展。