CN105064961B - 一种对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，套管沿其径向由内而外具有独立的内腔和外腔，内腔和外腔沿套管轴向贯穿；充排液阀包括阀体和化学热反应装置，阀体上具有电极引入结构以及向内腔和外腔充液的充液结构；化学热反应装置与阀体连接，且位于外腔内；释能装置包括释能本体，释能本体上具有通孔和泄能孔，该通孔与内腔连通，泄能孔与释能装置轴线具有30°‑120°的夹角，并且泄能孔与通孔连通；外电级用于给电缆射孔器接电，内电极用于将外电引入化学热反应装置内。该电缆射孔器安全可靠；利用了工业废气CO₂代替炸药不仅节约化工原料，而且具有环保价值；还可根据不同地形，控制相应的爆破压力。

Description

一种对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器

技术领域

本发明涉及一种页岩气层开采时初步造缝装置，特别涉及一种对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器。

背景技术

页岩气是指赋存于富有机质泥岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主。近几年来，美国页岩气勘探开发技术突破，产量快速增长，实现其“天然气革命”，对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响，极大的改写了世界能源格局。但是页岩层岩石具有结构致密、坚硬、超低渗透率等特性，因而页岩气开发非常困难。

目前世界上开发页岩气井初步造缝较为成熟的技术方案是在铺设的水平油管井中用聚能射孔器作为初步造缝的装置来击穿油管和岩石，形成页岩层岩石的初步造缝。其原理是用电缆将射孔器送到套管要射孔的部位，由电雷管引爆射孔子弹。子弹是高效火药压制成聚能的致密锥形体，外包以铜皮。火药爆燃沿锥形面的中心，瞬间以每秒8000米的高速和2000℃以上高温的喷射流，射穿套管壁和水泥层，在地层中再穿透300～500毫米。每个射孔枪向四周沿螺旋线装置多发子弹，每米长度射孔密度不少于15～20个孔，以保证出油的裸露面积。高效力的射孔，有时再加上油层的压裂措施，使射孔完井在完井方法中占主导地位。现在已发展到过油管和接油管射孔。但是采用聚能射孔器装置初步造缝还是存在以下不足：

1、该装置射孔原理属于火药引爆，是化学剂，在储存和运输上存在不安全和有污染的影响。

2、聚能射孔弹的成形药柱爆炸后，产生出高温、高压的冲击波，使凹槽内、紫铜金属罩的部分微粒变为速度达1000m/s的微粒金属流。这股高速的金属流遇到障碍物时，击穿套管、水泥环及油气层岩石，形成一个孔眼，同时在孔眼周围形成一个渗透率极低的压实带，将极大地降低射孔井的差能，常规射孔工艺技术尚无法消除它的影响。此外，若射孔弹的性能不良，还将形成杵堵。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种能够适应各类页岩层、能够替代聚能射孔弹的用于页岩气初步造缝用的电缆射孔器。该电缆射孔器可以根据不同地区的页岩气层岩石的致密程度调节岩石欲裂时爆破压力和爆破速度、提高了页岩气层的开采率、安全可靠特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，包括套管、释能装置、充排液阀内电极和外电极；

所述充排液阀和释能装置分别连接在套管的左右两端；

所述套管沿其径向由内而外具有独立的内腔和外腔，所述内腔和外腔沿套管轴向贯穿；

所述充排液阀包括阀体和化学热反应装置，所述阀体上具有电极引入结构以及向内腔和外腔充液的充液结构；化学热反应装置与阀体连接，且位于外腔内；

所述释能装置包括释能本体，所述释能本体上具有通孔和泄能孔，该通孔与内腔连通，泄能孔与释能装置轴线具有30°-120°的夹角，并且泄能孔与通孔连通；

所述外电级用于给电缆射孔器接电，内电极用于将外电引入化学热反应装置内。

作为优化，所述电极引入结构包括外电极安装孔、内电极安装孔和内电极安装体；所述外电极安装孔与阀体轴线垂直，外电极安装孔的两端分别安装有外电极引出体，内电极安装孔与外电极安装孔连通，内电极安装体固定在内电极安装孔的端部。

作为优化，所述充液结构包括内腔充液孔、外腔充液孔和用于封堵内腔充液孔、外腔充液孔的压紧密封螺钉；内腔充液孔与内腔连通，外腔充液孔与外腔连通。

作为优化，所述阀体为圆柱形结构，其两端分别具有内螺纹，阀体与套管的左端螺纹连接。

作为优化，所述化学热反应装置包括金属网孔管，该金属网孔管内设有化学反应料隔水袋，该反应料隔水袋内设有发火头；所述内电极与发火头连接。

作为优化，所述释能本体为圆柱形凸台结构，其左端具有与套管连接的套管连接体，右端具有与充排液阀阀体连接的阀体连接体；套管连接体上内螺纹，用于与套管的右侧螺纹连接，阀体连接体上具有与阀体上的内螺纹配合的外螺纹。

作为优化，所述套管的右侧具有凹腔，套管连接体位于凹腔内。

作为优化，所述内腔与释能本体上的通孔通过过渡管连通，所述过渡管内设有定压泄能片。

作为优化，在凹腔与套管连接体之间设有切割圈。

作为优化，所述切割圈为凸台形结构，其内部具有工艺凸点。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：电缆射孔器具有安全可靠、操作简单的特点。由于爆破原理属于物理变化又称为物理爆破师是理想、高效率的安全性爆破。其一、安全可靠。其二、利用了工业废气CO₂代替炸药不仅节约化工原料，而且具有环保价值；其三、可根据不同地形，控制相应的爆破压力。

附图说明

图1为电缆射孔器的结构示意图。

图2为套管的结构示意图。

图3为充排液阀的结构示意图。

图4为压紧密封螺钉的结构示意图。

图5为释能装置的结构示意图。

图6为内电极安装体的结构示意图。

图7为外电极引出体的结构示意图。

图8为切割圈的结构示意图。

图9为外电极保护盖的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1-图9，一种对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，包括套管20、释能装置、充排液阀内电极和外电极。

充排液阀和释能装置分别连接在套管20的左右两端；

套管20沿其径向由内而外具有独立的内腔21和外腔23，所述内腔21和外腔23沿套管20轴向贯穿。内腔21用于盛放混合液态临界CO₂，混合液态临界CO₂包括临界液态CO₂与射流用的磨料相互混合得到混合流体，磨料优选细度为60目-120目的石榴石砂磨料的添加量可以控制为占混合流体重量的5-8wt%；外腔23用于盛放易在电极条件产生热化学反应的液体。

充排液阀包括阀体10和化学热反应装置，阀体10上具有电极引入结构以及向内腔21和外腔23充液的充液结构；化学热反应装置与阀体连接，且位于外腔23内。

阀体10优选圆柱形结构，其两端分别具有内螺纹12，阀体10与套管20的左端螺纹连接。两端内螺纹的设置一方面方便将其与套管20连接，另一方面可方便地与释能装置（以下详述）连接，从而可以多个独立的电缆射孔器可以首尾相连，组成多段式的造缝放射器，这样可以一次性进行多段岩石欲裂爆破。

化学热反应装置包括金属网孔管14，该金属网孔管14内设有化学反应料隔水袋16，该反应料隔水袋16内设有发火头；内电极与发火头连接。金属网孔管14可以是环形金属网孔管，在环形金属网孔管内，上下对称的位置分别设置一个化学反应料隔水袋16，当其发热反应时，能更迅速加热位于内腔21内的液态CO₂。金属网孔管优选采用螺栓连接在阀体上，这种连接方便连接和拆卸都很方便，从而便于检查和更换化学热反应装置内的化学反应料隔水袋16。

化学反应料隔水袋16中装有的化学药剂在电火花的催化下，剧烈反应放出热量散发到主体外腔的化学液体；外腔的化学液体受热发生化学反应进一步散发热量使得内腔的液态CO₂迅速汽化。

电极引入结构可以采用任何方便将电极引入，给化学热反应装置通电的结构，优选采用如下结构：电极引入结构包括外电极安装孔11、内电极安装孔13和内电极安装体15；

外电极安装孔11与阀体10轴线垂直，具体实施时，外电极安装孔11设置在阀体的中部，外电极安装孔11的两端分别各安装一个外电极引出体11a，外电极引出体11a与电缆线的接线相连接。

外电极引出体11a结构形态是一种高强螺栓结构，在螺帽上的部位开有双向喇叭口用来接入引线，使用时把引线从任一喇叭口穿过，然后将引线头折成双股后再往回拉使引线头在双向喇叭口的瓶颈处憋紧卡死，然后引线接入螺杆内通道中，进入阀体与内电极相连接，在螺杆个外电极引出体孔中放置垫片，然后扭紧螺栓。

阀体10的外电极引出体处有外电极护盖60，用来保护外电极的使用，也可以用来放水、防潮。

内电极安装孔13与外电极安装孔11连通，内电极安装体15固定在内电极安装孔13的端部，内电极安装孔可与阀体轴向平行。

向内腔21和外腔23充液的充液结构可以采用任何方便将液体注入内腔21和外腔23的结构，优选采用如下结构，充液结构包括内腔充液孔17、外腔充液孔19和用于封堵内腔充液孔17、外腔充液孔19的压紧密封螺钉18；内腔充液孔17与内腔21连通，外腔充液孔19与外腔23连通。压紧密封螺钉18用来封堵注内腔充液孔17和外腔充液孔19主要是为了防止注入内腔21和外腔23的液体泄漏。

释能装置包括释能本体30，所述释能本体30上具有通孔31和泄能孔33，该通孔31与内腔21连通，泄能孔33与释能装置轴线具有30°-120°的夹角，并且泄能孔33与通孔31连通；具体实施时，泄能孔33与释能装置轴线最好垂直设置。

释能本体30最好为圆柱形凸台结构，其左端具有与套管20连接的套管连接体32，右端具有与充排液阀阀体10连接的阀体连接体34；套管连接体32上内螺纹32a，用于与套管20的右侧螺纹连接，阀体连接体34上具有与阀体10上的内螺纹12配合的外螺纹34a。

外电级用于给电缆射孔器接电，内电极用于将外电引入化学热反应装置内。

套管20的右侧具有凹腔25，套管连接体32位于凹腔25内。这种连接结构使套管20与释能装置的连接更加紧密和牢固。在凹腔25与套管连接体32之间设有切割圈28。

切割圈28为凸台形结构，其内部具有工艺凸点26。工艺凸点26为半圆螺帽形结构，

切割圈28的内通孔，通过调节压力和泄放速度来实现多种要求，其内通孔工艺凸点26用于在定压泄能片受压断裂时保持局部连接，实现无金属碰撞，保护装置。

内腔21与释能本体30上的通孔31通过过渡管27连通，过渡管27内设有定压泄能片29。定压泄能片的压力调节还可以根据不同地形的页岩层设定不同的爆破压力，通过相关地形参数和计算公式确定最佳爆破压力，使得岩石欲裂效率更高。

本发明电缆射孔器的安装过程如下:将定压泄能片与过渡管27内壁压紧，并设定泄能片的泄能压力。再将化学药剂反应料袋放入环形金属网孔管内，将发火头放入化学药剂反应料袋中，从发火头引出接线与内电极连接，内电极与外电极连接，最后将阀体与套管连接加力压紧。此时，完成密封后，开始注液工作：松开封堵内腔充液孔和外腔充液孔的压紧密封螺钉，液体经阀体内的孔道分别进入外腔和内腔，由于压紧密封螺钉末端装有密封件，液体不会外漏；液体充满后，拧紧密封螺钉，即可完成充液任务，当需处理故障排掉管体内的液体时，松开密封螺钉即可排出。

现在油井作业一般都采用负压射孔工艺。所谓负压射孔是指射孔时，井底液柱压力低于储层压力条件下的射孔。在负压射孔的瞬间，由于负压力的存在，可使地层流体产生一个反向回流，冲洗射孔孔眼，避免孔眼堵塞和射孔液对储层的损害，同时还有可能减轻压实作用程度。因此负压射孔是一种保护储层、提高产能、降低成本的射孔方法。然而一方面要保证孔眼清洁、冲刷出孔眼周围的破碎压实带的细小颗粒，也就是满足这一小要求的最小负压；另一方面，过大负压的射孔可能会造成物性较差地层微粒运移、堵塞喉道，并使疏松地层出砂和坍塌，从而产生极大的地层伤害，也就是需要考虑最大负压。只有选择合适的负压差射孔才可以避免有害流体的侵入，还可以使地层流体在射孔的瞬间由负压差作用形成较强的冲洗回流，冲洗射孔孔道，减轻压实影响，从而提高射孔井产能。负压值过大会引起地层出砂并损害套管，负压值过低又不能确保孔眼的清洁。选取合适的负压值是负压设计的关键。所以我们可以通过定压泄能片来调节射孔压力（即泄能孔33）。其中确定射孔压力的计算公式如下：

若储层无出砂史

若储层有出砂史

K<10^-3um

K>10^-3um

由邻近泥岩声波时差确定：

若DT_as>300ms/m,

若DT_as<300ms/m,井下管柱和水泥环的最大安全压力，表示合理负压差，表示最小负压差，表示最大负压差。

本发明电缆射孔器的工作原理：

先安装电缆射孔器，过程如下:将定压泄能片与过渡管27内壁压紧，并设定泄能片的泄能压力。再将化学药剂反应料袋放入环形金属网孔管内，将发火头放入化学药剂反应料袋中，从发火头引出接线与内电极连接，内电极与外电极连接，最后将阀体与套管连接加力压紧。此时，完成密封后，开始注液工作：松开封堵内腔充液孔和外腔充液孔的压紧密封螺钉，液体经阀体内的孔道分别进入外腔和内腔，由于压紧密封螺钉末端装有密封件，液体不会外漏；液体充满后，拧紧密封螺钉，即可完成充液任务，当需处理故障排掉管体内的液体时，松开密封螺钉即可排出。

整套设备装置完毕后，注入液态CO₂和化学液体，拧紧密封螺钉。通过电缆将电缆射孔器输送到目的页岩层并定位，然后下放电缆用引线将内外电极接通，将化学反应料隔水袋中的化学药剂激活，使得套管内腔的温度升高，液态CO₂迅速升温、汽化达到定压泄能片设定的压力，泄能片被打开，高压气体通过释能装置上多个泄能孔，多方向的向页岩层告诉喷出，产生一些列的高压空气震动脉冲，使岩石产生较为良好的裂纹，液态CO₂的细磨料进入岩石从充当了支撑剂和破胶剂，防止岩石的裂文进行闭合。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：包括套管（20）、释能装置、充排液阀内电极和外电极；

所述充排液阀和释能装置分别连接在套管（20）的左右两端；

所述套管（20）沿其径向由内而外具有独立的内腔（21）和外腔（23），所述内腔（21）和外腔（23）沿套管（20）轴向贯穿；

所述充排液阀包括阀体（10）和化学热反应装置，所述阀体（10）上具有电极引入结构以及向内腔（21）和外腔（23）充液的充液结构；化学热反应装置与阀体连接，且位于外腔（23）内；

所述释能装置包括释能本体（30），所述释能本体（30）上具有通孔（31）和泄能孔（33），该通孔（31）与内腔（21）连通，泄能孔（33）与释能装置轴线具有30°-120°的夹角，并且泄能孔（33）与通孔（31）连通；

所述外电极用于给电缆射孔器接电，内电极用于将外电引入化学热反应装置内。

2.如权利要求1所述的对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：所述电极引入结构包括外电极安装孔（11）、内电极安装孔（13）和内电极安装体（15）；

所述外电极安装孔（11）与阀体（10）轴线垂直，外电极安装孔（11）的两端分别安装有外电极引出体（11a），内电极安装孔（13）与外电极安装孔（11）连通，内电极安装体（15）固定在内电极安装孔（13）的端部。

3.如权利要求1所述的对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：所述充液结构包括内腔充液孔（17）、外腔充液孔（19）和用于封堵内腔充液孔（17）、外腔充液孔（19）的压紧密封螺钉（18）；

内腔充液孔（17）与内腔（21）连通，外腔充液孔（19）与外腔（23）连通。

4.如权利要求1-3任一项所述的对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：所述阀体（10）为圆柱形结构，其两端分别具有内螺纹（12），阀体（10）与套管（20）的左端螺纹连接。

5.如权利要求1-3任一项所述的对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：所述化学热反应装置包括金属网孔管（14），该金属网孔管（14）内设有化学反应料隔水袋（16），该反应料隔水袋（16）内设有发火头；所述内电极与发火头连接。

6.如权利要求1所述的对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：所述释能本体（30）为圆柱形凸台结构，其左端具有与套管（20）连接的套管连接体（32），右端具有与充排液阀阀体（10）连接的阀体连接体（34）；

套管连接体（32）上内螺纹（32a），用于与套管（20）的右侧螺纹连接，阀体连接体（34）上具有与阀体（10）上的内螺纹（12）配合的外螺纹（34a）。

7.如权利要求6所述的对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：所述套管（20）的右侧具有凹腔（25），套管连接体（32）位于凹腔（25）内。

8.如权利要求7所述的对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：所述内腔（21）与释能本体（30）上的通孔（31）通过过渡管（27）连通，所述过渡管（27）内设有定压泄能片（29）。

9.如权利要求7-8任一项所述的对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：在凹腔（25）与套管连接体（32）之间设有切割圈（28）。

10.如权利要求9所述的对页岩层岩石初步造缝的电缆射孔器，其特征在于：所述切割圈（28）为凸台形结构，其内部具有工艺凸点（26）。