CN101737026A - 可控脉冲气能压裂器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油气井开采所用的可控脉冲气能压裂器，其由气能压裂装置及分设于气能压裂装置两端的点火器/起爆器和尾堵构成，气能压裂装置由气能压裂组件构成。点火器/起爆器与气能压裂组件内的内药柱通过点火通道连在一起。气能压裂组件包括中心管、装填于中心管内的内药柱及安装于中心管外部的外药筒，中心管的管壁上设置有泄压传火通道及通道密封盖。本发明解决了现有技术中压裂过程不可控、不能实现地层与井筒的有效连通而导致产能低的技术问题。本发明通过控制气能压裂的升压速率、峰值压力、压力平台及总体能量，可在目的层近井地带形成有效延伸的网状多裂缝构造与井筒的连通，从而可大幅度提高油、气井的产能。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下油、气、水等勘探开采中所用的压裂装置，具体涉及一种尤其适用于油气井开采所用的可控脉冲气能压裂器。
背景技术
提高油、气井产能的关键在于井筒与地层的连通程度。
高能气体压裂技术是油气井增产措施之一，其作用是在目的层近井地带形成网状多裂缝格局，使井筒与地层形成高导流连通。高能气体压裂技术主要分为有壳高能气体压裂和无壳高能气体压裂两大类。
现有的有壳高能气体压裂装置，其结构限制了装药量，而装药量小，影响井下压裂效果，无法有效实现裂缝的有效延伸以及网状多裂缝的地层与井筒的连通，使油气井产能较低。如果增加装药量，则易发生炸枪事故，存在安全隐患。
现有的无壳高能气体压裂装置，点火传热机理存在缺陷，其一是通过热传导对药柱传热点火，速度慢，导致气能压裂升压速率低，气体压裂升压速率不可控，影响压裂效果，无法有效实现裂缝的有效延伸，也无法实现网状多裂缝的地层与井筒的连通，制约了油气井产能的提高。其二是药柱燃烧之后，中心传火导热铝管会熔断落入井底，形成井下落物污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可控脉冲气能压裂器，其解决了现有技术中压裂过程不可控、不能实现地层与井筒的有效连通而导致产能低的技术问题。
本发明采用高、低燃速和具有压力平台效应的高能装药，通过药型合理搭配，并在各药柱之间采用延时传爆装置，实现了一次起爆，依次点燃内药柱和外套高能药筒，使压裂过程可控制，形成多脉冲压力平台，裂缝的有效延伸使压裂裂缝与地层原生裂缝充分连通，从而大幅度提高油、气井的产能。
本发明的技术实现方案如下：
一种可控脉冲气能压裂器，包括气能压裂装置3，该气能压裂装置3一端设有点火器/起爆器1，另一端设有尾堵5；所述的气能压裂装置3由气能压裂组件300构成，所述的点火器/起爆器1与气能压裂组件300内的内药柱302通过点火通道7连在一起，其特征在于：所述的气能压裂组件300包括中心管301、装填于中心管301内的内药柱302及安装于中心管301外部的外药筒305，所述中心管301的管壁上设置有用于内药柱302引燃外药筒305的泄压传火通道303，所述的泄压传火通道303设置有通道密封盖304。该方案通过内外装药，实现两级传火，由内药产生的火焰直接引燃外药，产生高能气体。
以上所述的点火通道7可以由贯穿于内药柱302轴心的通道701以及装于其内的导爆索702构成，所述的点火/起爆器1为起爆器；所述的导爆索702贯穿于内药柱302的轴心，或所述的导爆索702设置于内药柱302的靠近点火/起爆器1一端的端部且部分贯穿于内药柱302的轴心通道701。
以上所述导爆索702的外部可设置贯穿于内药柱302轴心的护管6。
以上所述的点火通道7也可以由贯穿于内药柱302轴心的通道701构成，当所述的点火器/起爆器1采用点火器1，省去了导爆索，经由中心的点火通道7进行后续若干节气能压裂装置的引燃。
以上所述的泄压传火通道303为二个至多个时，所述的泄压传火通道303沿中心管301的轴向等距设置，所述的泄压传火通道303沿中心管301的径向均布设置。
以上所述的气能压裂装置3可以由一节、二节或多节气能压裂组件300构成，所述的二节或多节气能压裂组件300之间通过中间接头4相连接。
以上所述的中间接头4内可设置延时传爆装置或传爆管401。延时传爆装置可以更好地形成压力脉冲，以控制燃烧。
以上所述的外药筒305可由药筒3051或者由药筒3051和压裂砂筒3052构成；所述的压裂砂筒3052可以位于药筒3051的一端或位于药筒3051之间，或所述的压裂砂筒3052与药筒3051间隔设置，或所述的二节或多节气能压裂组件300之一的外药筒305由压裂砂筒3052构成。压裂砂筒3052的长短、位置可根据需要设置，压裂砂筒3052具体可采用钢砂或石英砂等制成。以上所述外药筒也可以是由含能材料或含能材料与压裂砂按一定比例均匀混合制成。砂粒随高压气流进入裂缝，可以起到冲刷孔道、支撑裂缝的作用。
以上所述的通道密封盖304以仅可通过中心管301内的压力将其打开的单向密封盖为佳。
以上所述的泄压传火通道303可以是螺纹台阶孔，所述螺纹台阶孔的小孔3031靠近中心管301的管壁内侧设置、且小孔3031设有内螺纹；所述的螺纹台阶孔内设置的通道密封盖304与之形状相应，该通道密封盖304由空心螺塞3041和密封垫3043构成，所述空心螺塞3041的中心孔内设置有密封塞3042。
以上所述的泄压传火通道303也可以是台阶孔3044，所述台阶孔3044的大孔3032靠近中心管301的管壁外侧设置；所述大孔3032内设置有锥台形密封塞3045。
以上所述的泄压传火通道303还可以是锥形孔，该锥形孔的大孔端靠近中心管301管壁的外侧设置；所述的通道密封盖304是与该锥形孔形状相应、设置于锥形孔内的锥形塞堵。
以上所述外药筒305的外表面可设置防水密封保护层306。或所述的外药筒305整体设置于防水密封保护层306内，即外药筒305表面完全封闭。
以上所述的外药筒305以采用具有高、低燃速以及具有平台效应的推进剂或火药制成为佳。
以上所述的中心管301以采用壁厚为6-20mm的合金钢管为宜，所述中心管301的上端或下端可设置测试仪器9或射孔器10。
本发明通过优化内药体的性能参数、中心管的密封泄压传火通道的孔径和孔数以及外药筒的性能参数，借助延时传爆装置，可准确控制气能压裂的升压速率、峰值压力、压力平台及总体能量，在目的层近井地带形成有效延伸的网状多裂缝构造与井筒的连通机制，从而可大幅度提高油、气井的产能。具体优点如下：
1.本发明采用内外装药，两级传火，形成高压多脉冲压力平台，燃气压力可控，压裂效果显著，可在地层形成有效延伸的网状多裂缝，且能使压裂裂缝与地层原生裂缝充分连通，从而可大幅度提高油、气井的产能。根据需要设置压裂砂筒，砂粒随高压气流进入裂缝，冲刷孔道、支撑裂缝，进一步提高油、气井产能。
2.装药量大，并且施工安全可靠。
3.本发明药体燃烧充分，中心管等承载主体部件可完整提出井口，无井下落物污染。
4.中心管等承载主体部件可重复使用，降低了产品成本。
5.本发明连接射孔器、测试仪器，可实现与射孔、测试等工艺的联作，以提高施工作业效率。
6.本发明广泛适用于地下开采油、气、水等领域，尤其适用于石油、天然气等的勘探开采。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明气能压裂组件的结构示意图。
图3-5分别是本发明外药筒设有压裂砂筒的实施例的结构示意图。
图6是本发明泄压传火通道的结构示意图。
图7、8是本发明螺纹台阶孔式泄压传火通道及通道密封盖的结构示意图。
图9是本发明台阶孔式泄压传火通道及通道密封盖的结构示意图。
图10是本发明设有射孔枪及测试仪器的结构示意图。
附图图面说明：1-点火/起爆器，2-上端接头，3-气能压裂装置，300-气能压裂组件，301-中心管，302-内药柱，303-泄压传火通道，3031-小孔，3032-大孔，304-通道密封盖，3041-空心螺塞，3042-密封塞，3043-密封垫，3044-台阶孔，3045-锥台形密封塞，305-外药筒，3051-药筒，3052-压裂砂筒，306-保护层，4-中间接头，401-隔板延时传爆器或传爆管，5-尾堵，6-护管，7-点火通道，701-通道，702-导爆索，8-定位环，9-测试仪器，10-射孔枪。
具体实施方式：
本发明根据隔板传爆原理、爆轰转燃烧机理以及两级点火原理，雷管或点火/起爆器1引爆，通过点火通道7快速激发中心管301内的内药柱302，被点燃的内药柱302爆燃或燃烧，形成高压气体和炽热金属粒子，产生一次高压爆燃气体。一次高压气体推开中心管301上泄压传火通道303的通道密封盖304，炽热金属粒子随高压气流点燃外药筒305，形成二次脉冲高能燃烧气体。内药柱302、外药筒305及由含能材料制成的防水密封保护层306依次燃烧，有效延长压力平台，在井筒内产生的持续的超高压脉冲燃气进入射孔孔道，对地层实施有效的压裂。本发明采用多级装药结构，通过合理配置不同性能的外药筒实现多级脉冲交替的压裂过程。采用密封泄压传火通道结构，通过调整密封泄压传火通道面积实现动态压力可控。
参见图1，本发明气能压裂装置3的一端通过上端接头2与点火/起爆器1相连接，另一端连接尾堵5。气能压裂装置3可由一节气能压裂组件300构成，一般多由二节或多节气能压裂组件300构成。各气能压裂组件300之间通过中间接头4相连接，中间接头4内可设置隔板延时传爆器或传爆管401。隔板延时传爆器可以更好地形成压力脉冲，以控制燃烧。
参见图2，气能压裂组件300主要由承载的中心管301、装填于中心管301内的内药柱302及安装于中心管301外表面的筒状外药筒305组成。外药筒305以采用具有高、低燃速及具有平台效应的推进剂或火药制成为佳。通过内外装药可实现两级传火，由内药产生的火焰直接燃爆外药，产生高压气体火焰。中心管301宜采用厚壁大直径的合金钢材料，可多次重复使用。中心管301壁厚一般以6-20mm为宜。
中心管301的管壁上设置有用于内药柱302引燃外药筒305的泄压传火通道303，泄压传火通道303设置有通道密封盖304。当内药柱302被点火通道7点燃后，形成的爆燃气体要顺利地把通道密封盖304推出泄压传火通道303，并将外药筒305点燃，所以，通道密封盖304是仅可通过中心管301内压力向外打开的单向密封盖，即通道密封盖304可承载中心管301外部的压力，同时中心管301内部高压气体可将其打开。通道密封盖304还具有防止外部液体进入的作用。调整推进剂与火药的配比及泄压传火通道303的面积，可控制外药筒305的燃速、升压速率、总能量等，实现可控的动态压裂过程。
点火/起爆器1与气能压裂组件300内的内药柱302通过点火通道7连接在一起。点火通道7贯穿于内药柱302的轴心设置。点火通道7可以由贯穿于内药柱302轴心的OO′通道701及装于其内的导爆索702构成。采用导爆索702时，点火/起爆器1采用起爆器。导爆索702可贯穿于内药柱302的轴心OO′设置，导爆索702也可仅设置于内药柱302的靠近点火/起爆器1一端的端部。较佳的结构是导爆索702通过设于其外部的护管6并贯穿于内药柱302的轴心OO′设置，护管6通过定位环8支撑于中心管301内。护管6起隔板传爆作用，防止引起内药柱302爆轰，衰减导爆索702形成的冲击波，达到以爆燃或燃烧的形式点燃内药柱302。护管6以采用塑料或铝材质为宜。内药柱302和外药筒305通常可采用推进剂或火药等。点火通道7也可以仅由贯穿于内药柱302轴心OO′的通道701构成，点火/起爆器1采用点火器，省去导爆索，在端头用点火器点燃起爆，经由中心的点火通道7进行后续若干节气能压裂装置的起爆。
为确保外药筒305的燃烧过程稳定，避免其被井液浸泡，在外药筒305的外表面可设置防水密封保护层306，也可在外药筒305的内外表面均设置防水密封保护层306使之整体位于防水密封保护层306内。防水密封保护层306具体以采用防水含能密封材料为佳。
参见图3，本发明外药筒305可以完全由药筒3051构成，外药筒305也可以由药筒3051和压裂砂筒3052构成。压裂砂筒3052可位于药筒3051的一端。压裂砂筒3052也可位于药筒3051之间，参见图4。压裂砂筒3052与药筒3051还可相间设置，参见图5。当采用二节或多节气能压裂组件300时，气能压裂组件300之一的外药筒305可完全由压裂砂筒3052构成。压裂砂筒3052的长短、位置可根据需要设置，压裂砂筒3052具体可采用钢砂或石英砂等制成。砂粒随高压气流进入裂缝，可以起到冲刷孔道、支撑裂缝的作用。
参见图6，泄压传火通道303可以采用二个或多个。多个泄压传火通道303一般是沿中心管301的轴心OO′方向等距设置，沿中心管301的径向均布设置。泄压传火通道303的常用的数量一般是沿中心管301的轴向每米4-100孔，泄压传火通道303的孔径一般在φ3mm-φ30mm之间。密封泄压传火通道303可有多种结构形式，可以是带有密封面的螺纹孔、锥型孔或台阶孔等。图6所示泄压传火通道303是锥形孔，该锥形孔的大孔端靠近中心管301管壁的外侧设置；与之对应的通道密封盖304采用形状相应的锥形塞堵。泄压传火通道303也可由中心管301管壁上的预置槽构成，通道密封盖304由预置槽的槽底构成。
参见图7、8，泄压传火通道303采用螺纹台阶孔，螺纹台阶孔的小孔3031靠近中心管301的管壁内侧设置、且小孔3031设有内螺纹，螺纹台阶孔内设置的通道密封盖304与螺纹台阶孔形状相应，该通道密封盖304由空心螺塞3041和密封垫3043构成，空心螺塞3041的中心孔内设置有密封塞3042。密封塞3042可采用现有的例如锥形、柱形等密封塞。该结构的优点是中心管301及通道密封盖304能够多次重复使用，大大降低产品成本。
参见图9，泄压传火通道303也可采用台阶孔3044，台阶孔3044的大孔3032靠近中心管301的管壁外侧设置，大孔3032内设置有锥台形密封塞3045。
参见图10，中心管301的上端或下端可设置测试仪器9或射孔枪10。中心管301在施工后可完整提出井口，因此，可在气能压裂装置3或气能压裂组件300上方或下方设置射孔枪10，以实现可控脉冲气能压裂与射孔的联作。在气能压裂装置3或气能压裂组件300的上方、下方或上下方同时连接测试仪器9，可对作业效果实施动态监测，从而提高射孔压裂的应用效果。
Claims (12)
1.一种可控脉冲气能压裂器，包括气能压裂装置(3)，该气能压裂装置(3)一端设有点火器/起爆器(1)，另一端设有尾堵(5)；所述的气能压裂装置(3)由气能压裂组件(300)构成，所述的点火器/起爆器(1)与气能压裂组件(300)内的内药柱(302)通过点火通道(7)连在一起，其特征在于：所述的气能压裂组件(300)包括中心管(301)、装填于中心管(301)内的内药柱(302)及安装于中心管(301)外部的外药筒(305)，所述中心管(301)的管壁上设置有用于内药柱(302)引燃外药筒(305)的泄压传火通道(303)，所述的泄压传火通道(303)设置有通道密封盖(304)。
2.根据权利要求1所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述的点火通道(7)是由贯穿于内药柱(302)轴心的通道(701)及装于其内的导爆索(702)构成，所述的点火/起爆器(1)为起爆器；所述的导爆索(702)贯穿于内药柱(302)的轴心，或所述的导爆索(702)设置于内药柱(302)的靠近点火/起爆器(1)一端的端部。
3.根据权利要求2所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述导爆索(702)的外部设置有贯穿于内药柱(302)轴心的护管(6)。
4.根据权利要求1所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：当所述的点火器/起爆器(1)采用点火器(1)，所述的点火通道(7)由贯穿于内药柱(302)轴心的通道(701)构成。
5.根据权利要求1-4之任一项所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述的泄压传火通道(303)为二个至多个，所述的泄压传火通道(303)沿中心管(301)的轴向等距设置，所述的泄压传火通道(303)沿中心管(301)的径向均布设置。
6.根据权利要求5所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述的气能压裂装置(3)由一节、二节或多节气能压裂组件(300)构成，所述的二节或多节气能压裂组件(300)之间通过中间接头(4)相连接。
7.根据权利要求6所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述的中间接头(4)内设置有延时传爆装置或传爆管(401)。
8.根据权利要求6所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述的外药筒(305)由药筒(3051)或由药筒(3051)和压裂砂筒(3052)构成；所述的压裂砂筒(3052)位于药筒(3051)的一端，或所述的压裂砂筒(3052)位于药筒(3051)之间，或所述的压裂砂筒(3052)与药筒(3051)间隔设置，或所述的二节或多节气能压裂组件(300)之一的外药筒(305)由压裂砂筒(3052)构成。
9.根据权利要求6所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述的外药筒(305)由含能材料或含能材料与压裂砂均匀混合制成。
10.根据权利要求6所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述的通道密封盖(304)是仅可通过中心管(301)内的压力将其打开的单向密封盖。
11.根据权利要求6所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述外药筒(305)的外表面设置有防水密封保护层(306)，或所述的外药筒(305)整体设置于防水密封保护层(306)内。
12.根据权利要求6所述的可控脉冲气能压裂器，其特征在于：所述的中心管(301)是厚壁合金钢管，所述中心管(301)的上端或下端设置有测试仪器(9)或射孔器(10)。
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