CN107083944A - 一种油气井水力压裂井下低频水力脉动发生装置 - Google Patents
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Abstract
一种油气井水力压裂井下低频水力脉动发生装置，包括复合锥台缸体总成，以及设置于复合锥台缸体总成上端的上接头和设置于下端的下接头，复合锥台缸体总成内设置有与其配套的复合锥台活塞，复合锥台活塞内设置有通孔，复合锥台活塞外周均布有防砂卡的半圆槽，复合锥台活塞下部设置有复位弹簧，在复位弹簧的下端设置有承托座；作业液体在复合锥台活塞上下压差达到一定值后下行，压缩复位弹簧，复合锥台活塞下行则其外周流道面积逐渐增大，复合锥台活塞上下压差降低，复位弹簧推动复合锥台活塞上行；由此产生往复式振动，在输出压裂流体中产生低频水力脉动；本发明基于水力压裂作业工作排量范围，实现了水力驱动方式的低频水力脉动输出，能整体上提高水力压裂效果。
Description
技术领域
本发明涉及油气田储层水力压裂作业井下工具类，特别涉及一种油气井水力压裂井下低频水力脉动发生装置。
背景技术
油气田开发中，水力压裂技术是致密储层油气增产的重要措施。
目前，油气储层压裂中，常规水力压裂技增产工艺技术存在一些亟待解决的技术问题。
人工水力裂缝的产生，主要依靠井筒内压裂液压力产生井壁和储层岩石的拉伸破坏，起缝并延伸扩展裂缝。人工裂缝的起缝主要受到地层破裂压力影响，人工裂缝方向和扩展主要受到储层就地地应力控制。因为个别储层地层破裂压力高，施工中泵压偏高甚至还经常出现压不开的问题；由于储层为孔隙介质，裂缝扩展中流道截面为变质量流量，加之压裂支撑剂(俗称压裂砂，为石英砂或人工陶粒)密度大于压裂液，支撑剂容易在裂缝中沉降，压裂液有效携砂和裂缝中均匀铺砂一直是制约压裂作业效果的重大技术难题，目前工艺技术难以有效控制。体积缝网压裂中，由于岩石的非均质性导致破裂压力差异，以及受到地应力控制，通常很难形成有效缝网。
常规水力压裂中如何有效降低起缝压力和裂缝中实现压裂液有效携砂、均匀铺砂是工程中亟待解决的重大技术难题。
低渗油田压裂中，老井重复压裂是油气田增产的重要技术措施，在重复压裂中，裂缝转向技术已经被证实为增产的有效手段。转向重复压裂中，重点为有效封堵老缝、在井壁或近井壁重启新缝。常规转向重复压裂工艺施工中，能否实现转向存在很大的不确定性、不可控，目前还没有有效的可行方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种油气井水力压裂井下低频水力脉动发生装置，基于水力压裂液流作用下，产生井下低频水力脉动，低频脉动作用下有效降低地层破裂压力，利于人工水力裂缝起缝；脉动压力作用下，压裂液能在裂缝延伸扩展过程中有效携砂、均匀铺砂，进而提高裂缝导流能力；而在转向重复水力压裂中，能有效封堵原有裂缝，利于产生新的人工裂缝，进而实现裂缝转向。本发明具有结构简单、实现方便的特点。
为了实现上述目的，本发明采用了技术方案如下：
一种油气井水力压裂井下低频水力脉动发生装置，包括复合锥台缸体总成2，以及设置于复合锥台缸体总成2上端的加工有API标准油管连接螺纹的上接头1和设置于复合锥台缸体总成2下端的加工有API标准油管连接螺纹下接头7，复合锥台缸体总成2内设置有与其配套的复合锥台活塞3，复合锥台活塞3内设置有通孔4，复合锥台活塞3外周均布有防砂卡的半圆槽3-1，复合锥台活塞3下部设置有复位弹簧5，在复位弹簧5的下端设置有承托座6。
所述复合锥台活塞3上部三分之一长度的锥度在1：(12～16)，下部的锥度在1：(8～10)，通孔4直径范围在16mm～20mm，长度范围在140mm～200mm。
复合锥台缸体总成2和复合锥台活塞3具有相同的配合锥度，复合锥台活塞3外周均布有防砂卡的半圆槽3-1，半圆槽3-1直径为1.5mm～2mm，半圆槽倾斜角度为20～25度。
与现有技术相比，本发明的现场应用有益效果在于：
1、本发明基于压裂工作液作用下，实现压裂作业中井下低频脉动。基于岩石损伤力学理论和模拟实验研究结果，水力压裂液流作用下，产生井下低频水力脉动，低频脉动作用能有效降低地层破裂压力，利于人工水力裂缝起缝；同时，低频脉动能在已经形成的人工裂缝面中有效传播，脉动效应下，利于压裂液携带压裂砂在裂缝中随裂缝扩展向前推进，减少压裂砂沉降，促进均匀铺砂，一定程度上解决当前常规压裂作业中无法解决的技术难题，进而提高人工裂缝导流能力，获得更好的水力压裂增产效果。
低渗特低渗油田压裂有效期通常为6个月到24个月，低频脉动应用于老井裂缝转向重复压裂中，首先，低频脉动促使堵剂注入阶段强化原有裂缝封堵，防止后续压裂继续压开原有的老裂缝；其次，基于岩石损伤力学理论和模拟实验，脉动压力作用下降低了地层破裂压力，井壁或近井壁破裂压力降低，有利于在井壁或近井壁新裂缝起缝，进而有利于裂缝转向。
2、本发明适应常规水力压裂工艺，能适应常规压裂管柱强度设计、结构设计和压裂施工设计；使用本发明后，该工具强度大于管柱强度，并且设计中特别考虑了施工安全性，即使工具失效也不会影响水力压裂施工的继续进行，该工具高度安全可靠。
3、本发明不仅结构简单，实现方便，而且可应用于常规油气井压裂、老井转向重复压裂等。特殊的复合锥台和活塞通孔设计能适应常规水力压裂工艺和压裂施工参数设计，适用范围广，具有大规模推广应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明9使用时与其余设备的安装示意图。
图3为复合锥台活塞3示意图，其中图3A为主视图，图3B为俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
参照图1，一种油气井水力压裂井下低频水力脉动发生装置，包括复合锥台缸体总成2，以及设置于复合锥台缸体总成2上端的加工有API标准油管连接螺纹的上接头1和设置于复合锥台缸体总成2下端的加工有API标准油管连接螺纹下接头7，复合锥台缸体总成2内设置有与其配套的复合锥台活塞3，复合锥台活塞3内设置有通孔4，该通孔4能克服复合锥台活塞上行关闭流道所产生的水击效应的影响，同时保证了水力压裂作业中适应大排量，允许高砂比压裂液中压裂砂、重复转向压裂中高粘稠封堵剂的顺利通过。参照图3，复合锥台活塞3外周均布有防砂卡的半圆槽3-1，复合锥台活塞3下部设置有复位弹簧5，在复位弹簧5的下端设置有承托座6。
所述复合锥台活塞3上部三分之一长度的锥度在1：(12～16)，下部的锥度在1：(8～10)，通孔4直径范围在16mm～20mm，长度范围在140mm～200mm。
复合锥台缸体总成2和复合锥台活塞3具有相同的配合锥度，复合锥台活塞3外周均布有防砂卡的半圆槽3-1，半圆槽3-1直径为1.5mm～2mm，半圆槽倾斜角度为20～25度。在该配合锥度范围、复合锥台活塞3中心的通孔4的尺寸，以及复合锥台活塞3与复合锥台缸体总成2结构尺寸匹配下，能保证在水力压裂工作排量下，复合锥台活塞3下行时能压缩复位弹簧5到设计行程，然后有效泄压与泄流，复位弹簧5推动复合锥台活塞3上行到预定行程，进而实现复合锥台活塞3往复运动，在输出压裂工作液中产生低频水力脉动。设计中,复合锥台缸体2与复合锥台活塞3配合锥度以及具体结构尺寸、复合锥台活塞通孔4尺寸、复合锥台活塞外周防砂卡槽尺寸和复位弹簧5的弹性系数等，在设计上是根据现场常规水力压裂施工作业流量、流体性能参数、弹簧刚度与活塞质量计算确定的:
活塞中心通孔的直径和复合锥台缸体、复合锥台活塞配合锥度、分段长度决定了工作液流过该工具为变截面流道。
设复合锥台活塞质量为m，有效截面积为Sp，复位弹簧刚度系数为k，工作流体密度为ρ，粘滞阻力系数为ξ，活塞行程中上下截面承受平均压差分别为P1和P2；活塞位移为x，活塞行程为h，时间为t，则活塞下行时：
活塞上行时：
在这里，P1和P2依据设计活塞尺寸及行程位置结合流体力学原理计算给出。活塞行程位置不同，其外周流道截面不同，同时活塞上下压差也不同。实际计算中，需要考虑活塞通孔与活塞外周流道截面的流量分配以及活塞外周流道的粘滞阻力系数变化，很难给出解析算法。实际设计中，结合试验测试修正，采用流体力学的数值算法来最终确定P1和P2。
由此可计算出活塞的行程长度：
复位弹簧刚度系数可以表示为：
这往复振动频率为：
上式中：经过常用压裂排量下试验模拟，结合流体力学数值算法，应用上述公式计算时，Pa取值为流体推动活塞下行前，活塞上、下截面承受的压差，大致为2.6MPa左右；Pb为流体推动活塞下行，活塞外周流道截面逐渐增大，活塞外周流道截面增大到一定程度，活塞上、下截面承受压差，大致为0.5MPa左右。但压裂施工排量、压裂砂浓度不同，计算中取值不同。
在设计计算中，需要编制计算机程序计算活塞不同行程位置的上下压差，以施工设计压裂液注入排量1.2～4.5m3/min为设计基础数据，以实现拟定低频如10Hz计算确定其它参数。
在本发明工具的实际工程设计计算中，需要结合模拟试验测试，在计算变截面流道流体参数的基础上，计算确定最终的复合锥台缸体和复合锥台活塞的结构尺寸以及复位弹簧的刚度系数。
更进一步地，为实现拟定的低频脉动，配套的缸体、活塞设计为复合锥台，实现了下行时活塞外周流道截面增大，由此实现先泄压、后泄流，进而实现复合锥台活塞的往复运动，活塞中心通孔的设计能更好地适应水力压裂施工中的大排量，控制活塞行程在一定范围，更好地实现脉动发生装置的低频脉动输出。
根据岩石疲劳损伤力学理论，低频脉动作用下，岩石破裂压力下降，利于水力压裂起缝；同时，低频脉动波动在传播中，在理论上，波的叠加将引起脉动压力波振幅的扩大—压裂液压力增大。数值分析方法模拟计算表明，在特定条件下，脉动压力波的振幅可扩大1.0～5倍；物理模拟实验对比分析给出的脉动压力幅值能够扩大2.2～4.2倍。模拟现场实施脉动水力压裂对比分析表明，脉动压力幅值能够扩大1.5～3.0倍。
所以说，应用该发明，能在水力压裂中有效降低人工裂缝起裂压力；同时，在裂缝中减少压裂砂沉降、促进均匀铺砂，提高裂缝导流能力，进而提高压裂增产效果。
本发明的工作过程如下：
如图2所示，本发明9连接于喷砂器10上部，本发明9的上部连接压裂管柱8，水力压裂工作液流过，流量达到工作排量后，复合锥台活塞3上下压差达到一定值后下行，压缩复位弹簧5，复合锥台活塞3下行则其外周流道面积逐渐增大，复合锥台活塞上下压差降低，直至复位弹簧推动复合锥台活塞上行，由此产生往复式振动，在输出压裂流体中产生低频水力脉动。
本发明所述的复合锥台活塞3下部的复位弹簧5和位于复合锥台活塞3下部的复位弹簧承托座6组成一个往复式机械振动系统，在压裂作业中，产生低频振动，进而输出压裂流体产生低频水力脉动。其中，复合锥台活塞3上的通孔4的直径和长度是根据现场压裂施工作业流量优化计算确定的，在一定的作业流量范围内，在复合锥台缸体2内，复合锥台活塞3和复位弹簧5构成一个适应油气田现场水力压裂施工作业时，在水力驱动方式下能产生低频水力脉动的往复振动系统。本发明应用于水力压裂作业中，压裂前置液、携砂液流过该装置后产生强度为2MPa左右的水力脉动压力波幅，产生井下低频水力脉动频率在10Hz左右，通过各结构参数匹配优化设计，常规作业条件下水力脉动频率大约为10Hz～20Hz，施工中控制水力压力波动幅度为1.5MPa～3MPa。
Claims (3)
1.一种油气井水力压裂井下低频水力脉动发生装置，其特征在于，包括复合锥台缸体总成(2)，以及设置于复合锥台缸体总成(2)上端的加工有API标准油管连接螺纹的上接头(1)和设置于复合锥台缸体总成(2)下端的加工有API标准油管连接螺纹下接头(7)，复合锥台缸体总成(2)内设置有与其配套的复合锥台活塞(3)，复合锥台活塞(3)内设置有通孔(4)，复合锥台活塞(3)外周均布有防砂卡的半圆槽(3-1)，复合锥台活塞(3)下部设置有复位弹簧(5)，在复位弹簧(5)的下端设置有承托座(6)。
2.根据权利要求1所述的一种油气井水力压裂井下低频水力脉动发生装置，其特征在于，所述复合锥台活塞(3)上部三分之一长度的锥度在1：(12-16)，下部的锥度在1：(8-10)，通孔4直径范围在16mm～20mm，长度范围在140mm～200mm。
3.根据权利要求1所述的一种油气井水力压裂井下低频水力脉动发生装置，其特征在于，复合锥台缸体总成(2)和复合锥台活塞(3)具有相同的配合锥度，复合锥台活塞(3)外周均布有防砂卡的半圆槽(3-1)，半圆槽(3-1)直径为1.5mm～2mm，半圆槽(3-1)倾斜角度为20～25度。
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