CN106285606B - 一种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱和压裂方法 - Google Patents
一种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱和压裂方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱和压裂方法，在常规水力喷射器内腔结构上设计了阿基米德双螺旋结构，4个球形喷嘴分布在喷射器本体内腔双螺旋槽上，使携砂流体的流态和流向改变到有利于均匀进入每个喷嘴中，有效解决了水平井双簇水力喷射器各喷嘴无法调整方位的问题，同时解决了带底封拖动双簇水力喷射压裂管柱上、下游喷嘴间砂浓度、流量、压力不均匀的问题，有效防止了带底封拖动双簇水力喷射压裂管柱因上、下游喷射器非均匀性冲蚀而导致某个喷射器提前失效，极大地提高了双簇水力喷射压裂管柱定向射孔压裂成功率，现场实用性强，应用效果显著，适合应用于水平井带底封拖动分级双簇水力喷射压裂工艺中。
Description
技术领域
本发明属于油气井压裂技术领域，具体涉及一种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱和压裂方法，适用于水平井带底封拖动分级双簇水力喷射压裂工艺中。
背景技术
水力喷射环空加砂分段压裂工艺是长庆油田低渗透油气藏增储上产的主流技术，实施这项技术的关键工具串为多级水力喷射压裂管柱，借此完成低渗透油气藏储层改造、试油、完井一体化施工。目前，在水平井带底封拖动双簇水力喷射压裂施工前，由于喷射压裂管柱下入至水平井段目的层时，双簇水力喷射器基本上与井筒套管内壁接触，致使水力喷射器某个喷嘴或某两个喷嘴与井筒套管内壁之间间隙很小，仅仅预留2～3mm，从而无法有效进行水力定向射孔压裂作业，有时还不能完全射开设计的孔道数，因此有必要进行双簇水力喷射器喷嘴角度的调整，尽可能使双簇水力喷射器各喷嘴能对准最小地应力方向或原始地层裂缝延伸方向射孔，以满足现场射孔压裂需要。同时，双簇水力喷射压裂管柱上、下游喷射器之间出现了严重的砂浓度、流量、压力不均匀现象，并导致上游喷射器射不开套管和地层或射孔时间长、下游喷射器提前射开套管和地层且发生冲蚀损坏，从而造成水平井带底封拖动双簇水力喷射压裂管柱提前失效，给现场施工带来了很大困难和挑战。因此，为解决上述关键性难题，自主创新设计了可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱。
发明内容
本发明的目的是克服现有的用于压裂射孔作业的多级水力喷射压裂管柱上的喷射器喷嘴无法调整方位，导致多级水力喷射压裂管柱上、下游喷射器间砂浓度、流量、压力不均匀的问题。
为此，本发明提供了一种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱，包括自上而下依次连接的油管、安全接头、水力喷射装置一、水力喷射装置二、单流阀9、伸缩补偿器和底封拖动压裂封隔器，所述的水力喷射装置一和水力喷射装置二结构相同，均是由自上而下依次螺纹连接的调整短节、阿基米德双螺旋短节和可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器组成；
可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器包括喷射器本体，喷射器本体内腔壁上开设有阿基米德双螺旋流道，阿基米德双螺旋流道内均匀分布有四个喷嘴套，喷嘴套螺纹连接在阿基米德双螺旋流道内，每一个喷嘴套内安装有一个圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承的内圈安装有球形喷嘴，球形喷嘴连通至喷射器本体的外表面。
所述阿基米德双螺旋流道的表面镀有镍基合金材料。
所述圆锥滚子轴承与喷嘴套之间是过盈配合，圆锥滚子轴承与球形喷嘴之间通过密封副密封连接。
所述球形喷嘴径向可旋转角度范围是±45°。
所述球形喷嘴和喷嘴套采用耐冲蚀硬质合金碳化钨YG8材料制成，圆锥滚子轴承采用高碳铬轴承钢GCr15材料制成。
所述阿基米德双螺旋流道的双螺旋线沿顺时针方向，螺旋角是45°，双螺旋线螺距是120mm，间距是30mm。
所述喷射器本体长度380mm，外径100mm，内径40mm，球形喷嘴直径6.3mm，喷嘴套直径42mm，圆锥滚子轴承的型号32904，外径37mm，内径20mm，厚度12mm。
一种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂方法，包括如下步骤：
步骤一，将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱组装好，并下入至设计井深位置，然后井口释放管柱悬重，坐封底封拖动压裂封隔器，确保可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱入井坐封锚定；
步骤二，启动泵车，以0.6～1.0m3/min排量清水循环洗井，直至井筒机械杂质含量小于0.2％，井筒清洁干净；
步骤三，提高泵车排量至1.8～2.0m3/min，将砂浓度为130～150kg/m3的携砂液沿可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱泵入，当携砂液流经阿基米德双螺旋短节时，阿基米德双螺旋短节内的双螺旋结构使携砂液产生螺旋分流效应，进而依靠螺旋分流效应的离心力作用将部分旋流的携砂液旋入可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器内腔，从而使旋流的携砂液沿喷射器本体内壁上的阿基米德双螺旋流道流到每个球形喷嘴内，球形喷嘴的节流作用在球形喷嘴处产生高的动压力，迫使圆锥滚子轴承旋转，实现球形喷嘴方位实时动态可调，有效进行定位射孔压裂，从而使高速携砂液定向喷射到套管内壁达到射开套管和地层的目的，形成井筒与地层连通的射孔通道；
步骤四，射开套管和地层后，继续提高泵车排量至2.4～3.0m3/min进行水力压裂，压裂完成后，再用顶替液将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱中的压裂液全部替入地层；
步骤五，井口上提可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱，解封底封拖动压裂封隔器，按照施工设计泵注规定，上提压裂管柱至井深位置，释放悬重，二次坐封底封拖动压裂封隔器，重复步骤二～步骤四，完成设计段数水力压裂施工；
步骤六，将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱提出井口，下入采油气管柱完井，并拆卸、检查阿基米德双螺旋短节和可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的使用情况，对其进行保养或者更换。
本发明的有益效果：本发明提供的这种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱和压裂方法，与常规双簇水力喷射压裂管柱相比，不仅可以调整双簇水力喷射器各喷嘴的定向射孔方位，还可以使携砂液的流态和流向改变到有利于均匀进入每个喷嘴中，有效解决了水平井双簇水力喷射器各喷嘴无法调整方位的问题，同时解决了带底封拖动双簇水力喷射压裂管柱上、下游喷嘴间砂浓度、流量、压力不均匀的问题，有效防止了带底封拖动双簇水力喷射压裂管柱因上、下游喷射器非均匀性冲蚀而导致某个喷射器提前失效，极大地提高了双簇水力喷射压裂管柱定向射孔压裂成功率，现场实用性强，应用效果显著，适合应用于水平井带底封拖动分级双簇水力喷射压裂工艺中。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱的结构示意图。
图2是可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的结构示意图。
图3是阿基米德双螺旋短节顺时针双螺旋槽展开图。
图4是图2的B-B向阿基米德双螺旋流道顺时针展开示意图。
图5是图2 的A-A向示意图。
附图标记说明：1、油管；2、安全接头；3、调整短节；4、阿基米德双螺旋短节；5、可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器；6、喷射器本体；7、喷嘴套；8、球形喷嘴；9、单流阀；10、伸缩补偿器；11、底封拖动压裂封隔器；12、圆锥滚子轴承； 13、阿基米德双螺旋流道。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供了一种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱，如图1所示，包括自上而下依次连接的油管1、安全接头2、水力喷射装置一、水力喷射装置二、单流阀9、伸缩补偿器10和底封拖动压裂封隔器11，其特征在于：所述的水力喷射装置一和水力喷射装置二结构相同，均是由自上而下依次螺纹连接的调整短节3、阿基米德双螺旋短节4和可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5组成；
如图2、图4和图5所示，可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5包括喷射器本体6，喷射器本体6内腔壁上开设有阿基米德双螺旋流道13，阿基米德双螺旋流道13内均匀分布有四个喷嘴套7，喷嘴套7螺纹连接在阿基米德双螺旋流道13内，每一个喷嘴套7内安装有一个圆锥滚子轴承12，圆锥滚子轴承12的内圈安装有球形喷嘴8，球形喷嘴8连通至喷射器本体6的外表面。
需要说明的是，阿基米德双螺旋短节4采用的是专利号为201620186258.X的结构，阿基米德双螺旋短节4采用35CrMo材料加工，经热处理硬度达HBW197～235，内腔特殊加工阿基米德双螺旋梯形槽，并在双螺旋梯形槽表面镀有镍基合金材料以防止流体由于旋向的改变而引起螺旋梯形槽局部冲蚀，如图3所示，阿基米德双螺旋短节4长度2000mm，外径80mm，内径40mm。
4个球形喷嘴(含圆锥滚子轴承和喷嘴套)均匀分布在喷射器本体6内腔双螺旋槽上，可以保证携砂液在喷射器本体6的内腔中沿双螺旋槽流道流到每个喷嘴中；球形喷嘴8位于圆锥滚子轴承12内，圆锥滚子轴承12位于喷嘴套7内，携砂液通过球形喷嘴8时由于节流压差的动压力(冲力)作用带动圆锥滚子轴承12旋转，考虑到圆锥滚子轴承12限制轴向旋转，从而迫使球形喷嘴8沿径向旋转，实现球形喷嘴8方位调整。
可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱的工作原理和使用方法如下：
步骤一，将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱组装好，并下入至设计井深位置，然后井口释放管柱悬重，坐封底封拖动压裂封隔器11，确保可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱入井坐封锚定；
步骤二，启动泵车，以0.6～1.0m3/min排量清水循环洗井，直至井筒机械杂质含量小于0.2％，井筒清洁干净；
步骤三，提高泵车排量至1.8～2.0m3/min，将砂浓度为130～150kg/m3的携砂液沿可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱泵入，当携砂液流经阿基米德双螺旋短节4 时，阿基米德双螺旋短节4内的双螺旋结构使携砂液产生螺旋分流效应，进而依靠螺旋分流效应的离心力作用将部分旋流的携砂液旋入可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5内腔，从而使旋流的携砂液沿喷射器本体6内壁上的阿基米德双螺旋流道13流到每个球形喷嘴8内，同时携砂液经球形喷嘴8产生流速高达200m/s的高速射流，球形喷嘴8的节流作用在球形喷嘴8处产生高的动压力(动态载荷)，迫使圆锥滚子轴承12旋转，实现球形喷嘴8方位实时动态可调，有效进行定位射孔压裂，从而使高速携砂液定向喷射到套管内壁达到射开套管和地层的目的，形成井筒与地层连通的射孔通道；
步骤四，射开套管和地层后，继续提高泵车排量至2.4～3.0m3/min进行水力压裂，压裂完成后，再用顶替液将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱中的压裂液全部替入地层；
步骤五，井口上提可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱，解封底封拖动压裂封隔器11，按照施工设计泵注规定，上提压裂管柱至井深位置，释放悬重，二次坐封底封拖动压裂封隔器11，重复步骤二～步骤四，完成设计段数水力压裂施工；
步骤六，将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱提出井口，下入采油气管柱完井，并拆卸、检查阿基米德双螺旋短节4和可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5的使用情况(检查外壁、双螺旋内腔、喷嘴冲蚀和轴承的灵活性)，对其进行保养或者更换。
所有工具串连接方式为螺纹连接，特别是阿基米德双螺旋短节4和可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5连接时要求接头处的阿基米德双螺旋槽要衔接完整，不允许错位。其中底封拖动压裂封隔器为机械压缩式封隔器。
本实施例通过可旋转的喷嘴来调整双簇水力喷射器定向射孔的方位，采用阿基米德双螺旋线结构来改变双簇水力喷射压裂管柱上、下游喷射器前面油管内部和上、下游喷射器内部流体的流态和流向，有效解决了水平井水平段双簇水力喷射器各喷嘴无法调整方位的问题，解决了带底封拖动双簇水力喷射压裂管柱上、下游喷射器间砂浓度、流量、压力不均匀的问题，有效防止了带底封拖动双簇水力喷射压裂管柱因上、下游喷射器非均匀性冲蚀而导致某个喷射器提前损坏，显著地提高了双簇水力喷射压裂管柱定向射孔压裂成功率。
实施例2：
在实施例1的基础上，所述阿基米德双螺旋流道13的表面镀有镍基合金材料。可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5和阿基米德双螺旋短节4内腔均设计有相同的阿基米德双螺旋梯形结构，且槽内镀有抗磨耐蚀材料，防止了因流体旋向的改变而造成双螺旋槽流道的局部冲蚀，提高了双螺旋旋流的效果。
实施例3：
在实施例1的基础上，所述圆锥滚子轴承12与喷嘴套7之间是过盈配合，圆锥滚子轴承12与球形喷嘴8之间通过密封副密封连接。所述球形喷嘴8径向可旋转角度范围是±45°。喷嘴套7与喷射器本体6通过喷嘴套7外螺纹方式连接，便于喷嘴维护或损坏时更换。
所述球形喷嘴8和喷嘴套7采用耐冲蚀硬质合金碳化钨YG8材料制成，经热处理硬度达HRC92～95；圆锥滚子轴承12采用高碳铬轴承钢GCr15材料制成，具有很高的接触疲劳强度、高耐磨性和尺寸稳定性。阿基米德双螺旋短节4和可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5采用35CrMo材料加工，经热处理硬度达HBW197～235。
所述阿基米德双螺旋流道13的双螺旋线沿顺时针方向，螺旋角是45°，双螺旋线螺距是120mm，间距是30mm，螺旋梯形槽长120mm，槽深5mm，槽底部宽度 10mm，梯形角60°；所述喷射器本体6长度380mm，外径100mm，内径40mm，球形喷嘴8直径6.3mm，喷嘴套7直径42mm，圆锥滚子轴承12的型号32904，外径37mm，内径20mm，厚度12mm，动态额定负载3.5kN，喷嘴套直径42mm。阿基米德双螺旋短节4内腔双螺旋线参数与可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5结构相同。
实施例4：
一种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂方法，包括如下步骤：
步骤一，将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱组装好，并下入至设计井深位置，然后井口释放管柱悬重，坐封底封拖动压裂封隔器11，确保可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱入井坐封锚定；
步骤二，启动泵车，以0.6～1.0m3/min排量清水循环洗井，直至井筒机械杂质含量小于0.2％，井筒清洁干净；
步骤三，提高泵车排量至1.8～2.0m3/min，将砂浓度为130～150kg/m3的携砂液沿可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱泵入，当携砂液流经阿基米德双螺旋短节4 时，阿基米德双螺旋短节4内的双螺旋结构使携砂液产生螺旋分流效应，进而依靠螺旋分流效应的离心力作用将部分旋流的携砂液旋入可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5内腔，从而使旋流的携砂液沿喷射器本体6内壁上的阿基米德双螺旋流道13流到每个球形喷嘴8内，球形喷嘴8的节流作用在球形喷嘴8处产生高的动压力，迫使圆锥滚子轴承12旋转，实现球形喷嘴8方位实时动态可调，有效进行定位射孔压裂，从而使高速携砂液定向喷射到套管内壁达到射开套管和地层的目的，形成井筒与地层连通的射孔通道；
步骤四，射开套管和地层后，继续提高泵车排量至2.4～3.0m3/min进行水力压裂，压裂完成后，再用顶替液将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱中的压裂液全部替入地层；
步骤五，井口上提可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱，解封底封拖动压裂封隔器11，按照施工设计泵注规定，上提压裂管柱至井深位置，释放悬重，二次坐封底封拖动压裂封隔器11，重复步骤二～步骤四，完成设计段数水力压裂施工；
步骤六，将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱提出井口，下入采油气管柱完井，并拆卸、检查阿基米德双螺旋短节4和可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器5的使用情况，对其进行保养或者更换。
本发明提供的这种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱和压裂方法，与常规双簇水力喷射压裂管柱相比，不仅可以调整双簇水力喷射器各喷嘴的定向射孔方位，还可以使携砂液的流态和流向改变到有利于均匀进入每个喷嘴中，有效解决了水平井双簇水力喷射器各喷嘴无法调整方位的问题，同时解决了带底封拖动双簇水力喷射压裂管柱上、下游喷嘴间砂浓度、流量、压力不均匀的问题，有效防止了带底封拖动双簇水力喷射压裂管柱因上、下游喷射器非均匀性冲蚀而导致某个喷射器提前失效，极大地提高了双簇水力喷射压裂管柱定向射孔压裂成功率，现场实用性强，应用效果显著，适合应用于水平井带底封拖动分级双簇水力喷射压裂工艺中。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (1)
1.一种可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂方法，其特征在于，该方法采用的可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱，包括自上而下依次连接的油管(1)、安全接头(2)、水力喷射装置一、水力喷射装置二、单流阀(9)、伸缩补偿器(10)和底封拖动压裂封隔器(11)，所述的水力喷射装置一和水力喷射装置二结构相同，均是由自上而下依次螺纹连接的调整短节(3)、阿基米德双螺旋短节(4)和可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器(5)组成；可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器(5)包括喷射器本体(6)，喷射器本体(6)内腔壁上开设有阿基米德双螺旋流道(13)，阿基米德双螺旋流道(13)内均匀分布有四个喷嘴套(7)，喷嘴套(7)螺纹连接在阿基米德双螺旋流道(13)内，每一个喷嘴套(7)内安装有一个圆锥滚子轴承(12)，圆锥滚子轴承(12)的内圈安装有球形喷嘴(8)，球形喷嘴(8)连通至喷射器本体(6)的外表面；所述阿基米德双螺旋流道(13)的表面镀有镍基合金材料；所述圆锥滚子轴承(12)与喷嘴套(7)之间是过盈配合，圆锥滚子轴承(12)与球形喷嘴(8)之间通过密封副密封连接；所述球形喷嘴(8)径向可旋转角度范围是±45°；所述球形喷嘴(8)和喷嘴套(7)采用耐冲蚀硬质合金碳化钨YG8材料制成，圆锥滚子轴承(12)采用高碳铬轴承钢GCr15材料制成；所述阿基米德双螺旋流道(13)的双螺旋线沿顺时针方向，螺旋角是45°，双螺旋线螺距是120mm，间距是30mm；所述喷射器本体(6)长度380mm，外径100mm，内径40mm，球形喷嘴(8)直径6.3mm，喷嘴套(7)直径42mm，圆锥滚子轴承(12)的型号32904，外径37mm，内径20mm，厚度12mm；
包括如下步骤：
步骤一，将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱组装好，并下入至设计井深位置，然后井口释放管柱悬重，坐封底封拖动压裂封隔器(11)，确保可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱入井坐封锚定；
步骤二，启动泵车，以0.6～1.0m3/min排量清水循环洗井，直至井筒机械杂质含量小于0.2％，井筒清洁干净；
步骤三，提高泵车排量至1.8～2.0m3/min，将砂浓度为130～150kg/m3的携砂液沿可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱泵入，当携砂液流经阿基米德双螺旋短节(4)时，阿基米德双螺旋短节(4)内的双螺旋结构使携砂液产生螺旋分流效应，进而依靠螺旋分流效应的离心力作用将部分旋流的携砂液旋入可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器(5)内腔，从而使旋流的携砂液沿喷射器本体(6)内壁上的阿基米德双螺旋流道(13)流到每个球形喷嘴(8)内，球形喷嘴(8)的节流作用在球形喷嘴(8)处产生高的动压力，迫使圆锥滚子轴承(12)旋转，实现球形喷嘴(8)方位实时动态可调，有效进行定位射孔压裂，从而使高速携砂液定向喷射到套管内壁达到射开套管和地层的目的，形成井筒与地层连通的射孔通道；
步骤四，射开套管和地层后，继续提高泵车排量至2.4～3.0m3/min进行水力压裂，压裂完成后，再用顶替液将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱中的压裂液全部替入地层；
步骤五，井口上提可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱，解封底封拖动压裂封隔器(11)，按照施工设计泵注规定，上提压裂管柱至井深位置，释放悬重，二次坐封底封拖动压裂封隔器(11)，重复步骤二～步骤四，完成设计段数水力压裂施工；
步骤六，将可旋转喷嘴式双簇水力喷射压裂管柱提出井口，下入采油气管柱完井，并拆卸、检查阿基米德双螺旋短节(4)和可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器(5)的使用情况，对其进行保养或者更换。
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