CN106948801B - 一种煤层智能分级压裂装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤层智能分级压裂装置及方法，所述的装置包括压裂液源、处理单元、套管和套设于套筒内部的基管，套筒和基管之间预留有间隙；间隙内设有两个封隔器和可控封隔部；两个封隔器分别设于间隙两个端部上；可控封隔部包括压裂控制阀和两个可控分割器，两个可控分割器之间设有外出口和内出口，压裂控制阀设置于内出口上；所述的方法包括如下步骤：1）在煤层中放置套管；2）确定煤层中需要压裂位置对应的套管上的外出口；3）将压裂控制阀打开、可控分割器外表面与套管内表面贴合；4）开启压裂液源使得压裂液进入到基管中；5）压裂液从套管中出来；6）压裂液作用于煤层，实现压裂；7）重复步骤，直至煤层各段均压裂合格。
Description
技术领域
本发明属于煤层压裂技术领域，尤其涉及一种煤层智能分级压裂装置及方法。
背景技术
水力压裂是煤层气开采过程必须的步骤，水力压裂是油气并增产、水井增注的一项重要技术措施。利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过煤层吸收能力的排量注入井中，随即在井底附近造成高压。此压力超过井壁附近地应力及岩石的抗张强度后，在煤层中形成裂缝。继续将带有支撑剂的压裂液注入缝中，此缝向前延伸，在缝中填以支撑剂。这样，停泵后即可在煤层中形成足够长度、一定宽度及高度的填砂裂缝。它具有很高的渗流能力，可大大地改善油气层的渗透性，使油气畅流入并，起到增产、增注的作用。压裂作业可以对不同层段进行水力压裂以增大泻油通道，提高该层段的采收效果。
目前，压裂作业常用的方法为一次性投球逐级压裂、压裂后各层段合并开采，但是当某一层压裂效果不佳时，无法再次进行压裂作业，进而影响压裂效果；同时，合采时层段间互相影响，也无法对单层段进行单独操作，当单层段出现问题时会影响该井的整体产量，甚至导致该井报废，无法长期增产。除一次性投球逐级压裂外，已出现少量多级压裂方法，但往往具有对层段定位精度不高，操作工艺复杂，可靠性不高等缺点，难以满足智能完井所需的多级压裂作业需求。
发明内容
本发明旨在提供一种使用效果好的煤层智能分级压裂装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种煤层智能分级压裂装置，包括压裂液源，还包括处理单元、套管和套设于套管内部的基管，基管与压裂液源连通，套管和基管之间预留有间隙；间隙内设有两个封隔器和至少1个位于两个封隔器之间的可控封隔部，各个可控封隔部沿间隙长度方向分布；两个封隔器分别设于间隙两个端部上；可控封隔部包括压裂控制阀和两个可控分割器，处理单元输出信号控制压裂控制阀的工作，两个可控分割器之间设有位于套管上的外出口和位于基管上的内出口，外出口和内出口均与间隙连通，压裂控制阀设置于内出口上，可控分割器包括套设于基管外部的基座，基座上套设有弹性套，弹性套两端封闭，基座上设有沿基座周向分布的推杆，推杆端部与弹性套内壁贴合，处理单元输出信号控制推杆的工作。
内出口上设有流量传感器，流量传感器将采集到的流量信息传输到处理单元。
压裂控制阀包括电机和阀座，阀座上设有与内出口连通的流道，流道内转动设有阀板，阀板与电机传动连接，处理单元输出信号控制电机的工作。
压裂液源包括压裂车，压裂车的压裂液出口连接基管；或压裂液源包括泵体，泵体的出液口连接基管。
一种上述装置进行的煤层气智能分级压裂方法，包括如下步骤：
1)根据需要压裂的地层，选择两个可控分隔部之间的距离合适的压裂装置；
2)在煤层中横向放置套管；
3)确定煤层中需要压裂位置对应的套管上的外出口；
4)将需要压裂位置两侧的压裂控制阀打开、可控分割器外表面与套管内表面贴合；
5)开启压裂液源使得压裂液进入到基管中；
6)压裂液依次通过内出口和外出口从套管中出来；
7)压裂液作用于煤层，实现压裂，压裂完成后，先后进行如下操作：压裂控制阀关闭、可控分割器外表面与套管内表面分离；
8)重复步骤，直至煤层各段均压裂合格；
在步骤3)、4)、5)、6)、7)的过程中，实时检测判断是否有新增的需要压裂的位置，如有则进行步骤3)。
在步骤5)之前需要设定需要压裂位置需要的压裂流量，在步骤6)过程中，当需要的压裂流量达到设定值时，关闭压裂控制阀。
需要压裂位置需要的压裂流量由公式(7)确定：
Vhf＝lwh (1)
Vprop＝aVhf (2)
Vpref＝bVprop (3)
Vcarr＝cVpref (4)
Vdisp＝dVpref (5)
Vfilt＝nVhf (6)
Vtff＝Vpref+Vcarr+Vdisp+Vfilt (7)
其中，Vhf为预计单条压裂裂缝体积；l为预计裂缝长度；w为预计裂缝宽度；h为预计裂缝高度；Vprop为支撑剂体积；Vpref为前置液体积；Vcarr为携砂液体积；Vdisp为顶替液体积；Vfilt为压裂液滤失体积；Vtff为压裂液总体积；a、b、c、d和n分别为各项体积的计算与校正系数，为经验参数，a取值0.7～0.8；b取值1.2～1.5；c取值1.3～1.5；d取值0.05～0.1；n取值0.3～0.8。
判断两个可控分隔部之间的距离是否合适的方法为：两个可控分隔部之间的合适距离可以由公式(8)计算得出：
Lpack＝jLcase (8)
其中Lpack为相邻两个可控分隔部之间的距离，Lcase为煤层段水平套管长度，j为间距计算系数，取值范围为0.05～0.1，煤层厚度<5m或渗透率>0.1mD时，j取值范围为0.75～0.1；煤层厚度>5m或渗透率K<0.1mD时，j取值范围为0.05～0.1。
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：1、本发明通过在套管内设沿套管长度方向分布的可控封隔部，从而实现了煤层各段的单独压裂，使用起来比较灵活。2、内出口上设有流量传感器，从而实现了流经流量传感器的压裂液的定量控制。3、可控分割器包括套设于基管外部的弹性套，弹性套内设有沿弹性套周向分布的推杆，通过推杆实现弹性套与套管内壁的贴合性，便于压裂过程中分割的控制，设计新颖，使用起来比较方便。4、压裂控制阀包括电机和阀座，从而便于实现压裂液的控制，通过电机带动阀板，不易出现堵塞的现象，截止和导通均比较迅速。5、本发明所述的方法实现了煤层的压裂，最终压裂效果好，通过本方法可以进行煤层的初级压裂，也可以进行煤层的补充压裂，相对于现有技术中，只能对煤层整体压裂，本发明所述的方法具有显著的技术进步。压裂完成后，首先关闭压裂控制阀，随后，将可控分割器外表面与套管内表面分离，一方面实现了压裂液的控制，另一方面，保证了各个可控分割器承受的压力基本相同，可以不必每次压裂完对套管内清液，使用效果好。6、在步骤4)之前需要设定需要压裂位置需要的压裂流量，在步骤6)过程中，当需要的压裂流量达到设定值时，关闭压裂控制阀，从而实现了压裂过程的自动控制。7、需要压裂位置需要的压裂流量可以通过公式确定，从而方便了压裂所需流量的确定，简便，高效，准确度高。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为套管结构示意图；
图3为压裂控制阀结构示意图；
图4为可控分割器结构示意图；
图5为本发明所述方法流程图。
具体实施方式
一种煤层智能分级压裂装置，如图1所示，包括压裂液源9，压裂液源9用于提供压裂液，实现煤层的压裂。实施的时候，压裂液源包括压裂车，通过压裂车实现压裂液的供应；或压裂液源包括泵体，泵体连接源头，从而实现具有压力的压裂液的供应，压裂车和泵体均为成熟的现有技术。
在压裂液源9上连接有套管1，如图2所示，套管1内套接有基管8，其中，基管8与压裂液源9连通，从而压裂液通过压裂液源9进入到基管8中。为了使得压裂液可以从套管1中出来，在套管1上设有外出口11，基管8上设有内出口12，其中，外出口11配合内出口12设置，各个外出口11沿套管1长度方向均匀分布；各个内出口12沿基管8长度方向均匀分布。
在内出口12上设有流量传感器7，流量传感器7用于采集流经内出口12的压裂液的流量，为市售产品。在流量传感器7的信号输出端上连接有处理单元，处理单元包括单片机，流量传感器7的信号输出端连接处理单元的信号输入端，从而流量传感器7将采集到的流量信息传输到单片机，进而实现内出口12上流经流量的定量控制。
套管1和基管8之间预留有间隙10，通过该间隙10可以实现压裂煤层的横向分割。内出口12和外出口11通过间隙10连通。
在间隙内设有两个封隔器，两个封隔器分别位于间隙的两个端部上。其中，位于间隙上部的为上部分割器2，位于下部的为下部分割器3，上部分割器2和下部分割器3将间隙两端封闭起来。实施的时候选用密封性好的块状物即可，为成熟的现有技术。
在上部分割器2和下部分割器3之间设有少1个可控封隔部，各个可控封隔部沿间隙10的长度方向均匀分布，实施的时候，各相邻两个可控分隔部之间的距离可根据煤层厚度和储层物性条件来确定，其中，可控分隔部的数量根据套管1的长度确定。
分段压裂过程中，各相邻两个可控分隔部之间的距离可通过公式(8)计算得出：
Lpack＝jLcase (8)
其中Lpack为相邻两个可控分隔部之间的距离，Lcase为煤层段水平套管长度，j为间距计算系数，取值范围为0.05～0.1，与煤层厚度H和渗透率K关系密切。通常，煤层越厚，距离越近；渗透率越低，距离越近。H<5m或渗透率K>0.1mD时，取值范围为0.75～0.1；H>5m或渗透率K<0.1mD时，取值范围为0.05～0.1。
可控封隔部包括压裂控制阀4，压裂控制阀4设置于内出口12上，通过压力控制阀控制内出口12与间隙10是否连通。如图3所示，压力控制阀包括电机13和阀座14。在阀座14内设有流道142。流道142与内出口12连通。在流道内设有阀板141，阀板141与电机13传动连接，在电机13的作用下，阀板141相对于流道转动，从而使得流道导通或截止，进而实现压裂控制阀的导通或截止，最终实现压裂液是否可以从基管进入间隙的控制。
为了实现阀板141的控制，本装置还包括处理单元，工作的时候，处理单元输出信号控制电机的工作。处理单元输出信号控制电机的工作为成熟的现有技术，实现方式为：处理单元包括继电器驱动电路，单片机输出信号到继电器驱动电路，在继电器驱动电路作用下实现继电器常开触点的动作，继电器的常开触点串联于电机的电源电路中，最终实现电机工作的控制。
可控封隔部还包括两个可控分割器5，两个可控分割器5分别位于内出口12的两侧，从而实现压裂煤层的分割。如图4所示，可控分割器包括基座17，基座17套设于基管8上，在基座17上套设有弹性套16，弹性套16的两端封闭，在基座17上设有沿基座17周向分布的推杆18，推杆18端部与弹性套16内壁贴合，推杆18伸长，从而可以对弹性套16进行挤压，弹性套在挤压的过程中扩大，最终弹性套外表面与套管1内壁贴合，从而实现间隙的截止。
工作的时候，为了实现推杆18的自动工作，处理单元输出信号控制推杆18的工作，处理单元输出信号控制推杆18的工作为成熟的现有技术，实现方式为：推杆18上连接有液压缸，处理单元包括继电器驱动电路，单片机输出信号到继电器驱动电路，在继电器驱动电路作用下实现继电器常开触点的动作，继电器的常开触点串联于液压缸的电源电路中，最终实现液压缸工作的控制。
工作的时候，压裂源15通过管道与基管相连，压裂液进入基管；通过控制压裂控制阀和可控分割器中推杆的工作精确控制压裂液从套管的哪个外出口出来，进行煤层压裂，使用起来比较方便，可以实现各个不同煤层的单独压裂，也可以实现煤层的逐级压裂，提高压裂效果和压裂过程中的灵活性。
本发明还公开了一种利用上述装置进行的煤层气智能分级压裂方法，如图5所示，该方法依次包括如下步骤：
1)根据需要压裂的地层，选择两个可控分隔部之间的距离合适的压裂装置；
两个可控分隔部之间的合适距离可以由公式(8)计算得出：
Lpack＝jLcase (8)
其中Lpack为相邻两个可控分隔部之间的距离，Lcase为煤层段水平套管长度，j为间距计算系数，取值范围为0.05～0.1，煤层厚度<5m或渗透率>0.1mD时，j取值范围为0.75～0.1；煤层厚度>5m或渗透率K<0.1mD时，j取值范围为0.05～0.1。
2)在煤层中横向放置套管。
3)确定煤层中需要压裂位置对应的套管上的外出口；在将套管放置于煤层中后，因已经事先得出了煤层需要压裂的位置，此处仅需将需要压裂的位置与套管上的某个外出口对应。
4)将需要压裂位置两侧的压裂控制阀打开、可控分割器外表面与套管内表面贴合；通过此步骤，可以实现压裂液的定向喷出，一方面保证压裂液的压裂压力，另一方面保证了各段煤层的单独压裂，可以实现压裂后的补充压裂，也可以根据煤层情况实施单独的压裂。
5)开启压裂液源使得压裂液进入到基管中。
在此步骤前需要设定需要压裂位置所需的压裂流量，将该设定值传输到处理单元，需要压裂位置需要的压裂流量的确定方法为：需要压裂位置需要的压裂流量由公式(7)确定：
Vhf＝lwh (1)
Vprop＝aVhf (2)
Vpref＝bVprop (3)
Vcarr＝cVpref (4)
Vdisp＝dVpref (5)
Vfilt＝nVhf (6)
Vtff＝Vpref+Vcarr+Vdisp+Vfilt (7)
其中，Vhf为预计单条压裂裂缝体积；l为预计裂缝长度；w为预计裂缝宽度；h为预计裂缝高度；Vprop为支撑剂体积；Vpref为前置液体积；Vcarr为携砂液体积；Vdisp为顶替液体积；Vfilt为压裂液滤失体积；Vtff为压裂液总体积；a、b、c、d和n分别为各项体积的计算与校正系数，为经验参数，a取值0.7～0.8；b取值1.2～1.5；c取值1.3～1.5；d取值0.05～0.1；n取值0.3～0.8。
6)压裂液依次通过内出口和外出口从套管中出来，流量传感器采集流经的流量。
7)压裂液作用于煤层，实现压裂。当压裂液的流量达到设定值时，关闭压裂控制阀，随后，推杆缩短，使得可控分割器外表面与套管内壁脱离。在此步骤中，先关闭压裂控制阀，随后使得推杆缩短，一方面可以实现压裂液的截止，避免压裂液进入到间隙其他部位；另一方面，可以保证各个分割器所受压力基本相同，保证套管的使用寿命。
8)重复步骤3)，直至煤层各段均压裂合格。
在步骤3)、4)、5)、6)、7)的过程中，实时检测判断是否有新增的需要压裂的位置，如有则进行步骤3)。
本发明所述的方法压裂效果好，实现了煤层各段的单独压裂或逐级压裂，工作灵活。
Claims (8)
1.一种煤层智能分级压裂装置，包括压裂液源，其特征在于：还包括处理单元、套管和套设于套管内部的基管，基管与压裂液源连通，套管和基管之间预留有间隙；间隙内设有两个封隔器和至少1个位于两个封隔器之间的可控封隔部，各个可控封隔部沿间隙长度方向分布；两个封隔器分别设于间隙两个端部上；可控封隔部包括压裂控制阀和两个可控分割器，处理单元输出信号控制压裂控制阀的工作，两个可控分割器之间设有位于套管上的外出口和位于基管上的内出口，外出口和内出口均与间隙连通，压裂控制阀设置于内出口上，可控分割器包括套设于基管外部的基座，基座上套设有弹性套，弹性套两端封闭，基座上设有沿基座周向分布的推杆，推杆端部与弹性套内壁贴合，处理单元输出信号控制推杆的工作。
2.如权利要求1所述的煤层智能分级压裂装置，其特征在于：内出口上设有流量传感器，流量传感器将采集到的流量信息传输到处理单元。
3.如权利要求2所述的煤层智能分级压裂装置，其特征在于：压裂控制阀包括电机和阀座，阀座上设有与内出口连通的流道，流道内转动设有阀板，阀板与电机传动连接，处理单元输出信号控制电机的工作。
4.如权利要求3所述的煤层智能分级压裂装置，其特征在于：压裂液源包括压裂车，压裂车的压裂液出口连接基管；或压裂液源包括泵体，泵体的出液口连接基管。
5.一种利用权利要求1所述装置进行的煤层气智能分级压裂方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)根据需要压裂的地层，选择两个可控分隔部之间的距离合适的压裂装置；
2)在煤层中横向放置套管；
3)确定煤层中需要压裂位置对应的套管上的外出口；
4)将需要压裂位置两侧的压裂控制阀打开、可控分割器外表面与套管内表面贴合；
5)开启压裂液源使得压裂液进入到基管中；
6)压裂液依次通过内出口和外出口从套管中出来；
7)压裂液作用于煤层，实现压裂，压裂完成后，先后进行如下操作：压裂控制阀关闭、可控分割器外表面与套管内表面分离；
8)重复步骤，直至煤层各段均压裂合格；
在步骤3)、4)、5)、6)、7)的过程中，实时检测判断是否有新增的需要压裂的位置，如有则进行步骤3)。
6.如权利要求5所述的煤层气智能分级压裂方法，其特征在于：在步骤5)之前需要设定需要压裂位置需要的压裂流量，在步骤6)过程中，当需要的压裂流量达到设定值时，关闭压裂控制阀。
7.如权利要求6所述的煤层气智能分级压裂方法，其特征在于：需要压裂位置需要的压裂流量由公式(7)确定：
Vhf＝lwh (1)
Vprop＝aVhf (2)
Vpref＝bVprop (3)
Vcarr＝cVpref (4)
Vdisp＝dVpref (5)
Vfilt＝nVhf (6)
Vtff＝Vpref+Vcarr+Vdisp+Vfilt (7)
其中，Vhf为预计单条压裂裂缝体积；l为预计裂缝长度；w为预计裂缝宽度；h为预计裂缝高度；Vprop为支撑剂体积；Vpref为前置液体积；Vcarr为携砂液体积；Vdisp为顶替液体积；Vfilt为压裂液滤失体积；Vtff为压裂液总体积；a、b、c、d和n分别为各项体积的计算与校正系数，为经验参数，a取值0.7～0.8；b取值1.2～1.5；c取值1.3～1.5；d取值0.05～0.1；n取值0.3～0.8。
8.如权利要求7所述的煤层气智能分级压裂方法，其特征在于：判断两个可控分隔部之间的距离是否合适的方法为：两个可控分隔部之间的合适距离可以由公式(8)计算得出：
Lpack＝jLcase (8)
其中Lpack为相邻两个可控分隔部之间的距离，Lcase为煤层段水平套管长度，j为间距计算系数，取值范围为0.05～0.1，煤层厚度<5m或渗透率>0.1mD时，j取值范围为0.75～0.1；煤层厚度>5m或渗透率K<0.1mD时，j取值范围为0.05～0.1。
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