CN102996104A - 水平井定面射孔方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于套管完井水平井分段压裂的定面射孔方法及装置，它可使岩层裂缝的走向尽可能地沿井筒径向扩展，避免段与段之间压裂裂缝的交叉串通。本发明的水平井定面射孔方法包括以下步骤：1)根据需要实施作业的储层特性确定射孔作业要满足的对地层开孔的数量；2)根据射孔作业要满足对地层开孔的数量确定射孔弹的数量，在射孔装置中按预定的角度设置多发射孔弹；3)对水平井套管及地层进行射孔，射孔弹爆轰后产生的射流在套管同一横截面的套管壁上形成多个按圆周分布的孔眼；4)多个孔眼以及与多个孔眼对应的地层中的孔道在地层形成了沿井筒径向的应力集中，该应力集中引导压裂时裂缝向井筒径向扩展，以控制裂缝的走向。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于油气井开发的射孔方法及装置，尤其是一种水平井定面射孔方法及装置。
背景技术
在套管完井水平井分段压裂中，缝网系统的完善程度决定了在储层中是否能够获得最大的泄油面积，而储层裂缝的走向对缝网系统的完善程度影响很大。实践证明，对于水平井分段压裂，如果裂缝的走向垂直于井筒轴向并沿井筒径向进行扩展，就可有效避免段与段之间压裂裂缝的交叉串通，从而提高压裂效果，进而提高泄油面积。
在水平井的分段压裂工艺中，实施压裂前必须对套管进行射孔作业，目前在大多数情况下射孔都是采用常规聚能射孔技术。以往，常规聚能射孔通常采用在射孔枪内弹架上螺旋状排布射孔弹，射孔弹引爆后在井筒套管壁上形成螺旋状排列的多个孔眼，然后再实施压裂。由于套管上的射孔孔眼分布是呈螺旋状均匀排布的，多数情况下压裂裂缝只能沿垂直于岩层(储油层)天然最小主应力的方向扩展，裂缝走向不能控制，裂缝的走向并非沿井筒径向扩展，因而极易造成段与段之间压裂裂缝的交叉串通，影响压裂效果和泄油面积。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点，其提供一种用于套管完井水平井分段压裂的定面射孔方法及装置，它可使岩层裂缝的走向尽可能地沿井筒径向扩展，避免段与段之间压裂裂缝的交叉串通。
本发明的基本思路是：采用定面射孔方法对水平井井筒套管及地层进行射孔，在套管同一横截面的套管壁上形成多个孔眼并按圆周分布。这些同一截面上的多个孔眼，形成了沿井筒径向的应力集中，可以有效引导裂缝向井筒径向扩展，控制裂缝的走向。关于应力集中及裂缝扩展机理属于公知常识，记载在很多公开资料中，例如可列举出例如《材料力学教程》(机械工业出版社1993年9月出版，刘鸿文主编)中的正文第43～44页“§2-9应力集中的概念”的内容及附图，以及该书正文第321页“§12-4影响持久极限的因素”中的“一、应力集中的影响”的内容，故在此不作赘述。
本发明的水平井定面射孔方法，包括以下步骤：
1)作为水平井水力压裂工艺的前序作业，射孔作业要先根据需要实施作业的储层特性(含各种参数)来确定射孔作业要满足的对地层开孔的数量；
2)根据射孔作业要满足对地层开孔的数量确定射孔弹的数量，在射孔装置中按预定的角度设置多发射孔弹；
3)对水平井套管及地层进行射孔，射孔弹爆轰后产生的射流在套管同一横截面的套管壁上形成多个按圆周分布的孔眼；
4)多个孔眼以及与多个孔眼对应的地层中的孔道在地层形成了沿井筒径向的应力集中，该应力集中引导压裂时裂缝向井筒径向扩展，以控制裂缝的走向。
通过对多个垂直于井筒轴向的具有若干射孔孔眼的套管壁截面进行压裂，可获得沿井筒轴向分布的缝网系统，最终提高压裂效果。
按照本发明水平井定面射孔方法的射孔装置，包括射孔枪身以及设置在射孔枪身中的至少一组射孔单元，射孔单元包括弹架以及安装在弹架上的多发射孔弹，多发射孔弹分别沿弹架轴向间隔布置，重要的是，每发射孔弹的轴线分别与射孔装置的轴线成预定的夹角，同一组射孔单元中各射孔弹轴线的延长线与水平井套管壁的交点在套管同一横截面上分布。
其中，对于射孔弹的安装方式，可以使多发射孔弹沿弹架周向交错分布，所述射孔单元中各射孔弹的轴线分别与所述射孔装置的轴线斜交成预定的角度5°～45°。
此外，对于射孔弹的安装方式，优选为：多发射孔弹沿弹架周向交错分布，所述射孔单元中有一发射孔弹的轴线垂直于所述射孔装置的轴线，其余射孔弹的轴线分别与所述射孔装置的轴线斜交成预定的角度5°～45°。
另外为了将射孔弹更牢固地固定在弹架上，优选的技术方案为：弹架上设置有弹套，先将弹套插入后自锁固定在弹架上。
此外，可以在弹套中插入射孔弹，弹套上设置的自锁结构可将射孔弹固定在弹套上，来确保射孔弹不会脱落。
对于本发明的水平井定面射孔装置，优选方案为：所述射孔装置设有偶数组射孔单元，相邻两组射孔单元组成一簇射孔单元，每一簇射孔单元的第一组射孔单元的各射孔弹所产生的射流在水平井套管壁上形成的孔眼位于水平井套管的第一横截面的半圆周上，第二组射孔单元的各射孔弹所产生的射流在水平井套管壁上形成的孔眼位于水平井套管的第二横截面的半圆周上，沿水平井的轴向观察：第一横截面的半圆周和第二横截面的半圆周组成一个整圆周，且每一簇射孔单元的各射孔弹在水平井套管壁上形成的孔眼以等分整个圆周范围的方式均匀分布。
此外，在上述的技术方案中，所述每一组射孔单元具有3～6发射孔弹。
此外，在上述的技术方案中，所述每一簇射孔单元具有6～12发射孔弹。
此外，在上述的技术方案中，各射孔弹所产生的射流在水平井套管壁上形成的所述孔眼直径为15～30mm。
与现有技术相比，本发明由于可以使裂缝走向沿井筒径向扩展，不但避免了段与段之间压裂裂缝的交叉串通，提高缝网系统的完善程度，而且也降低了地层破裂压力。本发明可以在现有射孔装置的基础上加以改进即可实现水平井的定面射孔。
附图说明
图1为说明性地示出本发明的水平井定面射孔方法，以及定面射孔装置的射孔单元的立体结构图。
图2为示出图1的射孔单元的分解立体结构图。
图3为示出图2的射孔单元的弹架上的装弹孔的位置的图。
图4为说明性地示出射孔弹的射孔方向的图。
图5为示出本发明的水平井定面射孔装置在射孔后在水平井套管上形成的孔眼分布图。
图6为概略地示出本发明的水平井定面射孔装置的结构图。
标号说明
1：弹架，2、3、4：射孔弹，2a、3a、4a：装弹孔，2b、3b、4b：弹套，21、31、41：孔眼，22、32、42：射流，5：水平井套管，6：地层的横截面，61：套管壁横截面，9：射孔枪身，10：射孔单元，202、203、204：外盲孔。
具体实施方式
图1为说明性地示出本发明的水平井定面射孔方法，以及定面射孔装置的射孔单元的立体结构图。本发明的水平井定面射孔方法包括以下步骤：
1)作为水平井水力压裂工艺的前序作业，射孔作业要先根据需要实施作业的储层特性(含各种参数)来确定射孔作业要满足的对地层开孔的数量；
2)根据射孔作业要满足对地层开孔的数量确定射孔弹的数量，在射孔装置中按预定的角度设置多发射孔弹；
3)对水平井套管及地层进行射孔，射孔弹爆轰后产生的射流在套管同一横截面的套管壁上形成多个按圆周分布的孔眼；
4)多个孔眼以及与多个孔眼对应的地层中的孔道在地层形成了沿井筒径向的应力集中，该应力集中引导压裂时裂缝向井筒径向扩展，以控制裂缝的走向。
通过对多个垂直于井筒轴向的具有若干射孔孔眼的套管壁截面进行压裂，可获得沿井筒轴向分布的缝网系统，最终提高压裂效果。
由于按照上述方法的水平井定面射孔装置的改进之处主要涉及射孔单元，因此为了方便起见，对于其它与现有技术的射孔装置相同的结构，在本发明中省略说明。
图2为示出图1的射孔单元的分解结构图。其中，为了充分表达射孔弹及弹套的装配关系，将图1中的弹架1绕射孔弹2的轴线旋转了180°，再绕弹架1的轴线顺时针旋转90°，就形成了图2的结构。如图1、图2所示，所述射孔单元10包括筒状的弹架1，安装在弹架1的装弹孔2a(因角度原因未能完整示出)、3a、4a中的弹套2b、3b、4b，以及分别固定在弹套2b、3b、4b中的射孔弹2、3、4组成。装弹孔2a、3a、4a以沿射孔装置的轴向间隔设置，并沿射孔装置的周向呈放射状分布的方式开设在所述弹架1的筒壁上的一侧。
图3为示出开设在图2的射孔单元10的弹架1上的装弹孔2a、3a、4a的位置的图。从面对装弹孔2a的位置(即沿着图2的箭头O的方向)进行观察，如图3所示，1a为弹架1的中心轴线，装弹孔2a位于弹架1的中部的横截面A上，装弹孔3a、4a在轴向分别位于装弹孔2a上的与横截面A隔开有一定距离的右侧和左侧的横截面B、C上，并在周向分别位于相对于装弹孔2a的下侧和上侧的位置。
如图2所示，所述射孔单元10设置有圆筒状的弹套2b、3b、4b。将弹套2b、3b、4b分别插入后自锁固定在装弹孔2a、3a、4a上，然后在弹套2b、3b、4b中分别插入射孔弹2、3、4，弹套2b、3b、4b上设置的自锁结构可将射孔弹2、3、4固定在弹套2b、3b、4b上，由此实现了射孔弹2、3、4相对于弹架1的安装。由于射孔弹2的轴线与弹架1的轴线垂直，而射孔弹3、4的轴线分别与弹架1的轴线斜交的夹角为35°，因而射孔弹2、3、4轴线的延长线与水平井套管壁的交点在套管同一横截面上分布。
如上所述，通过在射孔装置的一个轴向位置只安装一发射孔弹，这样就有足够的空间安装大尺寸的高能射孔弹(如超大孔径聚能射孔弹)，以便产生较大的射孔孔眼。如果在同一轴向位置(即套管壁同一横截面上)安装多发射孔弹来实现定面射孔，由于受水平井套管直径的限制，射孔弹的直径不可能较大，其能量较低，射孔所产生的孔眼直径很小，难以满足压裂要求，更不能保证有大的水力压裂泄流面积。
下面，再次通过图1对本发明的水平井定面射孔装置的射孔方式进行说明。
如图1所示，三发射孔弹2、3、4的标号线是从射孔弹尾端引出的。第一发射孔弹2的轴线与弹架1的轴线1a垂直相交，所以射孔弹2引爆后产生的射流22沿着垂直于弹架1轴线1a的方向射出，在水平井套管5上形成孔眼21。第二发射孔弹3的轴线与弹架1的轴线1a斜交的夹角为35°，引爆后产生的射流32在水平井套管5上形成孔眼31，第三发射孔弹4的轴线也与弹架1的轴线1a斜交的夹角为35°，引爆后在水平井套管5上形成孔眼41。孔眼21、孔眼31和孔眼41的中心位于套管5内壁的同一横截面61上，该截面61与地层的横截面6为同一平面，相邻孔眼间的夹角为60°。
上述同一组的各射孔弹2、3、4所产生的射流22、32、42在水平井套管5的壁上形成的孔眼21、31、41直径优选为15～30mm。
图4为说明性地示出射孔弹2、3、4的射孔方向的图。从面对装弹孔2a的位置(即沿着图2中的箭头O的方向)进行观察，如图4所示，射孔弹2位于横截面A(也是图2中横截面A)的位置，安装在图2所示的装弹孔2a中，其轴线垂直于弹架1的轴线1a，所以是沿弹架1的径向(垂直于纸面向外)射孔，来形成孔眼21。射孔弹3和射孔弹4分别安装在图2所示的装弹孔3a和装弹孔4a中，它们的轴线与弹架1的轴线1a斜交成预定的角度，来使它们的轴线与套管5的交点均位于横截面A上，从而在射孔后在套管5上形成孔眼31和孔眼41。由此，孔眼21、孔眼31和孔眼41的中心位于同一横截面A上，横截面A与图1的横截面61是同一平面。
图5为示出了通过本发明的水平井定面射孔方法射孔后在水平井套管5上形成的孔眼分布图。如图5所示，所述三发射孔弹2、3、4射孔后在水平井套管5上形成的孔眼21、孔眼31和孔眼41在套管5的右半圆周均布，相互间的夹角为60°。
由此，由于在套管5的同一横截面位置上形成了多个孔眼，相应地在与该横截面上多个孔眼对应的地层中也形成了多个具有一定深度的孔道，这些沿套管壁同一圆周排布的多个孔眼以及与多个孔眼对应的地层中的孔道，在地层中形成了沿井筒径向的应力集中，降低了地层的破裂压力。实施压裂时，在不受地应力的影响下，可有效引导在井筒径向产生裂缝，进而控制裂缝沿井筒径向扩展，形成完善的缝网系统。
图6为概略地示出本发明的一个实施方式的水平井定面射孔装置20的结构图。如图6所示，在射孔装置的枪身9中设置至少一组射孔单元10，并在枪身9的外壁上与各射孔弹的开口端相对应的位置分别设有外盲孔(如图6中的202、203、204)，更有利于各射孔弹产生的射流穿透枪身外壁。除此之外，本发明所涉及的水平井定面射孔装置20的其它结构与现有技术的射孔装置相同，故不再赘述。
此外，在实际应用中，优选为射孔装置20具备偶数组射孔单元。其中，将所述设有三发射孔弹2、3、4的射孔单元10作为第一组射孔单元，将另一个具备三发射孔弹的射孔单元作为第二组射孔单元，第一组射孔单元和第二组射孔单元构成一簇射孔单元。第一组射孔单元射孔后形成的三个孔眼21、31、41位于套管壁的第一横截面的半圆周上，第二组射孔单元射孔后形成的三个孔眼位于套管壁的第二横截面的半圆周上。沿套管5的轴向观察：第一横截面的半圆周和第二横截面的半圆周组成一个整圆周，且每一簇射孔单元的各射孔弹在套管壁上形成的孔眼以等分圆周的方式均匀分布，相邻孔眼间的夹角为60°。
由此，通过采用本发明的射孔方法对水平井套管及地层进行射孔，使射孔后形成的多个孔眼位于套管的同一横截面上并按套管圆周分布。在井筒轴向多个位置实施定面射孔，就可形成多个垂直于井筒轴向的具有若干射孔孔眼的截面。由于同一截面具有多个圆周分布的孔眼，在套管附近地层中建立起应力集中，降低了地层的破裂压力。实施压裂时，在不受地应力的影响下，可有效引导裂缝向井筒径向扩展，裂缝走向得到控制。对多个垂直于井筒轴向的具有若干射孔孔眼的截面进行压裂，可获得沿井筒轴向分布的缝网系统，最终提高压裂效果。
以上述的实施方式为例示意性地说明了本发明涉及的水平井定面射孔方法及装置，但本发明并不限定于此。
例如，在上述实施方式的射孔单元10中，优选为射孔弹2的轴线垂直于弹架1的轴线，而射孔弹3、4的轴线与弹架1的轴线斜交成预定的角度(5°～45°，在上述实施方式中为35°)。但也可以是在每一个射孔单元中，各射孔弹的轴线均与弹架的轴线斜交成预定的角度5°～45°，来使同一组射孔单元的各个射孔弹的轴线的延长线与水平井套管壁的交点在套管同一横截面上分布。
此外，在上述实施方式中，每个射孔单元10具备三发射孔弹。但也可以为每个射孔单元具备4～6发射孔弹。因此，每簇射孔单元可以具备6～12发射孔弹，每一簇射孔弹在水平井套管上形成的孔眼以等分圆周的方式均匀分布。
此外，每簇射孔单元内射孔弹的数量及布置方式可按照单井的水力压裂设计要求配套设计。本发明可用于水平井全井段整体射孔后再分段压裂，也可用于电缆输送分段选发射孔与压裂联作工艺。
Claims (10)
1.一种水平井定面射孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)作为水平井水力压裂工艺的前序作业，射孔作业要先根据需要实施作业的储层特性(含各种参数)来确定射孔作业要满足的对地层开孔的数量；
2)根据射孔作业要满足对地层开孔的数量确定射孔弹的数量，在射孔装置中按预定的角度设置多发射孔弹；
3)对水平井套管及地层进行射孔，射孔弹爆轰后产生的射流在套管同一横截面的套管壁上形成多个按圆周分布的孔眼；
4)多个孔眼以及与多个孔眼对应的地层中的孔道在地层形成了沿井筒径向的应力集中，该应力集中引导压裂时裂缝向井筒径向扩展，以控制裂缝的走向。
2.按照权利要求1所述方法的水平井定面射孔装置，包括射孔枪身以及设置在射孔枪身中的至少一组射孔单元，射孔单元包括弹架以及安装在弹架上的多发射孔弹，多发射孔弹分别沿弹架轴向间隔布置，其特征在于：每发射孔弹的轴线与射孔装置的轴线成预定的夹角，同一组射孔单元中各射孔弹轴线的延长线与水平井套管壁的交点在套管同一横截面上分布。
3.根据权利要求2所述的水平井定面射孔装置，其特征在于：多发射孔弹沿弹架周向交错分布，所述射孔单元中各射孔弹的轴线分别与所述射孔装置的轴线斜交成预定的角度，角度为5°～45°。
4.根据权利要求2所述的水平井定面射孔装置，其特征在于：多发射孔弹沿弹架周向交错分布，所述射孔单元中有一发射孔弹的轴线垂直于所述射孔装置的轴线，其余射孔弹的轴线分别与所述射孔装置的轴线斜交成预定的角度，角度为5°～45°。
5.根据权利要求2所述的水平井定面射孔装置，其特征在于：所述弹架上设置有弹套，便于将射孔弹固定在弹架上。
6.根据权利要求5所述的水平井定面射孔装置，其特征在于：所述弹套设置有自锁结构，自锁结构可将射孔弹固定在弹套上。
7.根据权利要求2～6中任意一项所述的水平井定面射孔装置，其特征在于：所述射孔装置具备偶数组射孔单元，相邻两组射孔单元组成一簇射孔单元，每一簇射孔单元的第一组射孔单元的各射孔弹所产生的射流在水平井套管壁上形成的孔眼位于套管壁的第一横截面的半圆周上，第二组射孔单元的各射孔弹所产生的射流在水平井套管壁上形成的孔眼位于套管壁的第二横截面的半圆周上，沿水平井的轴向观察：第一横截面的半圆周和第二横截面的半圆周组成一个整圆周，且每一簇射孔单元的各射孔弹在水平井套管壁上形成的孔眼以等分圆周的方式均匀分布。
8.根据权利要求2～6中任意一项所述的水平井定面射孔装置，其特征在于：所述一组射孔单元具有3～6发射孔弹。
9.根据权利要求7所述的水平井定面射孔装置，其特征在于：所述一簇射孔单元具有6～12发射孔弹。
10.根据权利要求2～6中任意一项所述的水平井定面射孔装置，其特征在于：各射孔弹所产生的射流在水平井套管壁上形成的孔眼直径为15～30mm。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130327 |