CN107630691A - 水平井压裂装置、水平井压裂系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水平井压裂装置、水平井压裂系统及其操作方法，其中，水平井压裂系统的操作方法包括：将液体注入水平井压裂装置的油管内；当油管内的压力升高至锁定压力后，水平井压裂装置的多级喷枪组件在多级喷枪组件的轴向由自转状态切换至锁定状态。本发明解决了现有技术中的水平井压裂系统在射孔作业中，无法有效地控制水平井压裂装置的喷射方向，容易导致地层出砂进入环空的问题。

Description

水平井压裂装置、水平井压裂系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及油田开发技术领域，具体而言，涉及水平井压裂装置、水平井压裂系统及其操作方法。

背景技术

在油田开发的过程中，通常对油井的不同层段采用射孔压裂的方式以使地层形成水力裂缝，提高石油或天然气的产生量。

操作人员通过对水平井压裂系统的操作能够实现不动管柱射孔、压裂和隔离一体化作业，从而通过顺利完成水平井射孔压裂，达到对水平井分段改造的目的。

现有的水平井压裂系统在工作过程中，由于无法调整水平井压裂装置的喷射方向，从而无法有效地控制水平井压裂装置在水平井内射出的击穿孔的位置，容易造成水平井内出现出砂和埋砂等问题，影响了对水平井的改造效果。

发明内容

本发明的主要目的在于提供水平井压裂装置、水平井压裂系统及其操作方法，以解决现有技术中的水平井压裂系统在射孔作业中，无法有效地控制水平井压裂装置的喷射方向，容易导致地层出砂进入环空的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种水平井压裂系统的操作方法，包括：将液体注入水平井压裂装置的油管内；当油管内的压力升高至锁定压力后，水平井压裂装置的多级喷枪组件在多级喷枪组件的轴向由自转状态切换至锁定状态。

进一步地，包括：在将液体注入油管之前，向油管内投入封堵球，封堵球止挡在水平井压裂装置的单流阀处以封堵油管。

进一步地，包括：在向油管内投入封堵球之前，将水平井压裂装置下放到套管内，多级喷枪组件在自身重力作用下旋转平衡以使多级喷枪组件的喷射方向保持竖直向下。

进一步地，在将液体注入油管内的过程中，当油管内的压力升高至锚定压力后，水平井压裂装置固定在套管内。

进一步地，包括：当油管内的压力升高至射孔压力后，向油管内注入射孔砂，射孔砂由多级喷枪组件的喷枪处射出并击穿套管和地层以完成射孔作业。

进一步地，包括：完成射孔作业后，向水平井压裂装置和套管之间的环空内注入压裂液，当油管内的压力和环空内的压力升高至压裂压力后，压裂液由套管的被射孔砂的击穿处向地层喷射而压开地层以完成压裂作业。

根据本发明的另一方面，提供了一种水平井压裂装置，包括：油管；导向头；可旋转地设置在油管和导向头之间的多级喷枪组件，多级喷枪组件具有绕其轴向旋转的自转状态和被限制旋转的锁定状态。

进一步地，水平井压裂装置还包括支撑连接组件，支撑连接组件为两个，两个支撑连接组件分别设置在多级喷枪组件的轴向的两端。

进一步地，支撑连接组件包括：扶正器；与扶正器连接的转向机构，转向机构相对于扶正器靠近多级喷枪组件的一侧。

进一步地，支撑连接组件还包括连接管，连接管设置在扶正器和转向机构之间，和/或连接管设置在转向机构的靠近多级喷枪组件的一侧，和/或连接管设置在扶正器的远离多级喷枪组件的一侧。

进一步地，转向机构包括：固定部，固定部与扶正器固定连接；相对于固定部可旋转设置的旋转部，转向机构具有当旋转部相对于固定部旋转时的自由位置和当旋转部相对于固定部卡紧时的卡紧位置，当油管内的压力小于锁定压力时，转向机构处于自由位置，多级喷枪组件处于自转状态，当油管内的压力大于或等于锁定压力时，转向机构处于卡紧位置，多级喷枪组件处于锁定状态。

进一步地，转向机构为转向器。

进一步地，多级喷枪组件包括：至少一个喷枪，各喷枪沿多级喷枪组件的轴向连续设置或间隔设置；偏心管，偏心管与喷枪在多级喷枪组件的周向止转连接。

进一步地，偏心管为多个，多个偏心管沿多级喷枪组件的轴向连续设置或间隔设置。

进一步地，偏心管具有配重部，偏心管在配重部的重力的作用下旋转平衡后使喷枪的喷射方向保持竖直向下。

进一步地，水平井压裂装置还包括相连接的单流阀和筛管，单流阀和筛管位于多级喷枪组件和导向头之间，且筛管相对于单流阀靠近导向头的一侧。

进一步地，筛管上开设有多个筛孔，多个筛孔沿筛管的轴向和周向间隔设置。

根据本发明的第三方面，提供了一种水平井压裂系统，包括套管和沿套管的延伸方向可移动地设置在套管内的水平井压裂装置，套管与水平井压裂装置之间形成环空，水平井压裂装置是上述的水平井压裂装置。

应用本发明的技术方案，由于水平井压裂装置的多级喷枪组件具有在其轴向旋转的自转状态和在其周向上锁定的锁定状态，这样便能够在多级喷枪组件的周向上调整多级喷枪组件的喷射方向，通过将液体注入的油管内并控制油管内的压力，从而使多级喷枪组件完成由自转状态到锁定状态的切换，锁定了多级喷枪组件的在其周向的喷射方向，再通过调整水平井压裂装置下放到套管内的位置，能够有效地控制多级喷枪组件沿其轴向的射孔位置，进而准确地控制水平井压裂装置在水平井内射出的击穿孔的位置，避免了射孔作业无方向性从而容易造成水平井内出现出砂和埋砂等问题，改善了对水平井改造的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种可选实施例的水平井压裂系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明的另一种可选实施例的水平井压裂系统的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、套管；2、水平井压裂装置；11、环空；10、油管；20、导向头；30、多级喷枪组件；31、喷枪；32、偏心管；321、配重部；40、支撑连接组件；41、扶正器；42、转向机构；43、连接管；50、单流阀；60、筛管；61、筛孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中的水平井压裂系统在射孔作业中，无法有效地控制水平井压裂装置的喷射方向，容易导致地层出砂进入环空的问题，本发明提供了水平井压裂装置、水平井压裂系统及其操作方法，其中，水平井压裂装置是下述的水平井压裂装置，水平井压裂系统包含上述的水平井压裂装置，水平井压裂系统的操作方法是上述的水平井压裂系统的操作方法。

具体而言，如图1和图2所示，水平井压裂系统包括套管1和沿套管1的延伸方向可移动地设置在套管1内的水平井压裂装置2，套管1与水平井压裂装置2之间形成环空11。

如图1和图2所示，水平井压裂装置包括油管10、导向头20和可旋转地设置在油管10和导向头20之间的多级喷枪组件30，多级喷枪组件30具有绕其轴向旋转的自转状态和在其周向上锁定的锁定状态。

由于水平井压裂装置2的多级喷枪组件30具有在其轴向旋转的自转状态和在其周向上锁定的锁定状态，这样便能够在多级喷枪组件30的周向上调整多级喷枪组件30的喷射方向，通过将液体注入的油管10内并控制油管10内的压力，从而使多级喷枪组件30完成由自转状态到锁定状态的切换，锁定了多级喷枪组件30的在其周向的喷射方向，再通过调整水平井压裂装置2下放到套管1内的位置，能够有效地控制多级喷枪组件30沿其轴向的射孔位置，避免了射孔作业无方向性从而容易造成水平井内出现出砂和埋砂等问题，改善了对水平井改造的效果。

如图1和图2所示，水平井压裂装置2还包括支撑连接组件40，支撑连接组件40为两个，两个支撑连接组件40分别设置在多级喷枪组件30的轴向的两端。这样，两个支撑连接组件40的外周侧支撑在套管1的内侧壁，从而使位于两个支撑连接组件40之间的多级喷枪组件30处于悬空状态，避免了多级喷枪组件30与套管1接触而受到阻力，影响多级喷枪组件30的旋转，进而提高了多级喷枪组件30的旋转可靠性，确保了调整多级喷枪组件30的喷射方向的有效性。

具体而言，如图1所示，支撑连接组件40包括扶正器41和与扶正器41连接的转向机构42，转向机构42相对于扶正器41靠近多级喷枪组件30的一侧。这样，多级喷枪组件30的轴向的两端分别连接一个转向机构42，从而保证了多级喷枪组件30在两个扶正器41之间有效地旋转。

而且，扶正器41还具有抱紧套管1的内侧壁的功能，这样，能够有效地限定水平井压裂装置2在套管1内的位置。

在图2所示的可选实施例中，支撑连接组件40还包括连接管43，连接管43设置在扶正器41和转向机构42之间，和/或连接管43设置在转向机构42的靠近多级喷枪组件30的一侧，和/或连接管43设置在扶正器41的远离多级喷枪组件30的一侧。这样，通过设置连接管43相对于扶正器41和转向机构42的位置以及设置连接管43自身的长度，能够合理地调整扶正器41和转向机构42与多级喷枪组件30之间的位置关系，从而达到调整在套管1延伸方向上的射孔位置的目的。

本发明的一个未图示的可选实施例中，转向机构42包括固定部和相对于固定部可旋转设置的旋转部；固定部与扶正器41固定连接，转向机构42具有当旋转部相对于固定部旋转时的自由位置和当旋转部相对于固定部卡紧时的卡紧位置，当油管10内的压力小于锁定压力时，转向机构42处于自由位置，多级喷枪组件30处于自转状态，当油管10内的压力大于或等于锁定压力时，转向机构42处于卡紧位置，多级喷枪组件30处于锁定状态。这样，保证了多级喷枪组件30绕其轴向自转的可靠性，而且保证了多级喷枪组件30由自转状态切换到锁定状态的稳定性，进而确定了多级喷枪组件30的喷射方向，实现水平井压裂系统定向射孔作业。

可选地，转向机构42为转向器。

如图1和图2所示，多级喷枪组件30包括至少一个喷枪31和偏心管32，各喷枪31沿多级喷枪组件30的轴向连续设置或间隔设置，偏心管32与喷枪31在多级喷枪组件30的周向止转连接。这样，偏心管32能够带动喷枪31旋转，通过偏心管32的旋转平衡，能够确定喷枪31的喷嘴的喷射方向。

可选地，偏心管32为多个，多个偏心管32沿多级喷枪组件30的轴向连续设置或间隔设置。这样，能够保证偏心管32具有足够的重量而带动喷枪31旋转，当喷枪31为多个时，实现了水平井压裂系统的多簇定向射孔功能。

在本发明的一个未图示的可选实施例中，多级喷枪组件30还包括适配管，适配管与喷枪31和偏心管32连接。

需要说明的是，在本发明的一个未图示的可选实施例中，为了适配性地在套管1的延伸方向的水平层段的不同位置处(水平井的不同层段)适配性地射出击穿孔，可以选择性地采用各喷枪31沿多级喷枪组件30的轴向连续设置或间隔设置的组合方式，当各喷枪31间隔设置时，各喷枪31之间可以间隔一个或多个偏心管32，也可以间隔一个或多个适配管，还可以间隔偏心管32和适配管的组合结构。同样地，多个偏心管32间隔设置时，相邻两个偏心管32之间可以选择性地间隔一个或多个喷枪31，也可以间隔一个或多个适配管，还可以间隔喷枪31和适配管的组合结构。

如图1和图2所示，偏心管32具有配重部321，偏心管32在配重部321的重力的作用下旋转平衡后使喷枪31的喷射方向保持竖直向下。这样，配重部321为偏心管32提供了偏心力的作用，从而保证了偏心管32能够带动喷枪31旋转的可靠性。

在图1和图2所示出的两个可选实施例中，当偏心管32带动喷枪31旋转平衡后，喷枪31的喷嘴的喷射方向为竖直向下。当然，在本发明一个未图示的可选实施例中，在偏心管32的一个径向平面内过配重部321的质心的直径与喷枪31的喷嘴的喷射方向之间形成夹角，通过设置不同角度的夹角，当多级喷枪组件30旋转平衡后，能够有效地控制多级喷枪组件30在其周向上不同位置处的喷射方向。

可选地，喷嘴为多个，多个喷嘴间隔设置在喷枪31上。

如图1和图2所示，水平井压裂装置2还包括相连接的单流阀50和筛管60，单流阀50和筛管60位于多级喷枪组件30和导向头20之间，且筛管60相对于单流阀50靠近导向头20的一侧。这样，通过筛管60实现了油管10、水平井压裂装置2和环空11之间的连通。

可选地，筛管60上开设有多个筛孔61，多个筛孔61沿筛管60的轴向和周向间隔设置。

本发明还提供了一种上述的水平井压裂系统的操作方法。

如图1和图2所示，水平井压裂系统的操作方法包括将液体注入水平井压裂装置2的油管10内；当油管10内的压力升高至锁定压力后，水平井压裂装置2的多级喷枪组件30在多级喷枪组件30的轴向由自转状态切换至锁定状态。

由于水平井压裂装置2的多级喷枪组件30具有在其轴向旋转的自转状态和在其周向上锁定的锁定状态，这样便能够在多级喷枪组件30的周向上调整多级喷枪组件30的喷射方向，通过将液体注入的油管10内并控制油管10内的压力，从而使多级喷枪组件30完成由自转状态到锁定状态的切换，锁定了多级喷枪组件30的在其周向的喷射方向，再通过调整水平井压裂装置2下放到套管1内的位置，能够有效地控制多级喷枪组件30沿其轴向的射孔位置，避免了射孔作业无方向性从而容易造成水平井内出现出砂和埋砂等问题，改善了对水平井改造的效果。

可选地，水平井压裂系统的操作方法还包括：在将液体注入油管10之前，向油管10内投入封堵球，封堵球止挡在水平井压裂装置2的单流阀50处以封堵油管10。这样，封堵球止挡在水平井压裂装置2的单流阀50处，能够避免液体流过单流阀50并通过筛管60的筛孔61而进入环空11，从而使油管10内的压力有效地被提高，使射孔作业或压裂作业稳定的实现。

可选地，水平井压裂系统的操作方法还包括：在向油管10内投入封堵球之前，将水平井压裂装置2下放到套管1内，多级喷枪组件30在自身重力作用下旋转平衡以使多级喷枪组件30的喷射方向保持竖直向下。

在将液体注入油管10内的过程中，当油管10内的压力升高至锚定压力后，水平井压裂装置2固定在套管1内。

可选地，锚定压力小于等于锁定压力。这样，在油管10内的压力逐渐升高的过程中，水平井压裂装置2能够先固定在套管1内以限制多级喷枪组件30在套管1的延伸方向的位置，然后多级喷枪组件30再由自转状态切换至锁定状态；或当锚定压力等于锁定压力时，水平井压裂装置2固定在套管1内的同时，多级喷枪组件30完成由自转状态到锁定状态的切换。

可选地，锁定压力小于等于锚定压力。

可选地，水平井压裂系统的操作方法还包括：当油管10内的压力升高至射孔压力后，向油管10内注入射孔砂，射孔砂由多级喷枪组件30的喷枪31处射出并击穿套管1和地层以完成射孔作业。

可选地，射孔压力大于锁定压力。

可选地，水平井压裂系统的操作方法还包括：完成射孔作业后，向水平井压裂装置2和套管1之间的环空11内注入压裂液，当油管10内的压力和环空11内的压力升高至压裂压力后，压裂液由套管1的被射孔砂的击穿处向地层喷射而压开地层以完成压裂作业。

需要说明的是，压裂作业时需要关闭套管1，同时环空11也注入液体，相当于油管10和套管1的混合注液。环空11内的压力与液体排量和油管10内的压力与排量有一定的匹配关系。环空11注入液体而不加入射孔砂，油管10内的加入的射孔砂和液体的比例依照设计要求。压裂作业时，水平井压裂系统有自封隔作用，适用于水平井的分段压裂改造作业。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、本发明的水平井压裂系统具有射孔深，喷射力大的特点，能够穿透污染带，而且具有污染和无压实带的特点；

2、通过拖动水平井压裂装置，使水平井压裂装置在套管的延伸方向的不同位置处进行射孔作业，能够实现下放一次水平井压裂装置完成两层段或多层段的水平井射孔作业和压裂作业，从而大大地降低了水平井射孔作业和压裂作业的时间与费用，为水平井射孔作业和压裂作业提供了一种可靠的方法；

3、当水平井压裂装置的喷枪的喷嘴被堵塞后，可通过环空注入液体，液体从喷嘴处进入返向进入油管而将堵塞喷嘴的物体带出，从而通过大排量反循环清洗喷嘴，清洗合格后可继续射孔施工作业，具有实用性的特点。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种水平井压裂系统的操作方法，其特征在于，包括：

将液体注入水平井压裂装置(2)的油管(10)内；

当所述油管(10)内的压力升高至锁定压力后，所述水平井压裂装置(2)的多级喷枪组件(30)在所述多级喷枪组件(30)的轴向由自转状态切换至锁定状态。

2.根据权利要求1所述的水平井压裂系统的操作方法，其特征在于，包括：在将所述液体注入所述油管(10)之前，向所述油管(10)内投入封堵球，所述封堵球止挡在所述水平井压裂装置(2)的单流阀(50)处以封堵所述油管(10)。

3.根据权利要求2所述的水平井压裂系统的操作方法，其特征在于，包括：在向所述油管(10)内投入所述封堵球之前，将所述水平井压裂装置(2)下放到套管(1)内，所述多级喷枪组件(30)在自身重力作用下旋转平衡以使所述多级喷枪组件(30)的喷射方向保持竖直向下。

4.根据权利要求3所述的水平井压裂系统的操作方法，其特征在于，在将所述液体注入所述油管(10)内的过程中，当所述油管(10)内的压力升高至锚定压力后，所述水平井压裂装置(2)固定在所述套管(1)内。

5.根据权利要求1所述的水平井压裂系统的操作方法，其特征在于，包括：当所述油管(10)内的压力升高至射孔压力后，向所述油管(10)内注入射孔砂，所述射孔砂由所述多级喷枪组件(30)的喷枪(31)处射出并击穿套管(1)和地层以完成射孔作业。

6.根据权利要求5所述的水平井压裂系统的操作方法，其特征在于，包括：完成所述射孔作业后，向所述水平井压裂装置(2)和所述套管(1)之间的环空(11)内注入压裂液，当所述油管(10)内的压力和所述环空(11)内的压力升高至压裂压力后，所述压裂液由所述套管(1)的被所述射孔砂的击穿处向地层喷射而压开地层以完成压裂作业。

7.一种水平井压裂装置，其特征在于，包括：

油管(10)；

导向头(20)；

可旋转地设置在所述油管(10)和所述导向头(20)之间的多级喷枪组件(30)，所述多级喷枪组件(30)具有绕其轴向旋转的自转状态和被限制旋转的锁定状态。

8.根据权利要求7所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述水平井压裂装置(2)还包括支撑连接组件(40)，所述支撑连接组件(40)为两个，两个所述支撑连接组件(40)分别设置在所述多级喷枪组件(30)的轴向的两端。

9.根据权利要求8所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述支撑连接组件(40)包括：

扶正器(41)；

与所述扶正器(41)连接的转向机构(42)，所述转向机构(42)相对于所述扶正器(41)靠近所述多级喷枪组件(30)的一侧。

10.根据权利要求9所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述支撑连接组件(40)还包括连接管(43)，所述连接管(43)设置在所述扶正器(41)和所述转向机构(42)之间，

和/或所述连接管(43)设置在所述转向机构(42)的靠近所述多级喷枪组件(30)的一侧，和/或所述连接管(43)设置在所述扶正器(41)的远离所述多级喷枪组件(30)的一侧。

11.根据权利要求9所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述转向机构(42)包括：

固定部，所述固定部与所述扶正器(41)固定连接；

相对于所述固定部可旋转设置的旋转部，所述转向机构(42)具有当所述旋转部相对于所述固定部旋转时的自由位置和当所述旋转部相对于所述固定部卡紧时的卡紧位置，当所述油管(10)内的压力小于锁定压力时，所述转向机构(42)处于所述自由位置，所述多级喷枪组件(30)处于所述自转状态，当所述油管(10)内的压力大于或等于所述锁定压力时，所述转向机构(42)处于所述卡紧位置，所述多级喷枪组件(30)处于所述锁定状态。

12.根据权利要求9所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述转向机构(42)为转向器。

13.根据权利要求7所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述多级喷枪组件(30)包括：

至少一个喷枪(31)，各所述喷枪(31)沿所述多级喷枪组件(30)的轴向连续设置或间隔设置；

偏心管(32)，所述偏心管(32)与所述喷枪(31)在所述多级喷枪组件(30)的周向止转连接。

14.根据权利要求13所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述偏心管(32)为多个，多个所述偏心管(32)沿所述多级喷枪组件(30)的轴向连续设置或间隔设置。

15.根据权利要求13或14所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述偏心管(32)具有配重部(321)，所述偏心管(32)在所述配重部(321)的重力的作用下旋转平衡后使所述喷枪(31)的喷射方向保持竖直向下。

16.根据权利要求7所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述水平井压裂装置(2)还包括相连接的单流阀(50)和筛管(60)，所述单流阀(50)和所述筛管(60)位于所述多级喷枪组件(30)和所述导向头(20)之间，且所述筛管(60)相对于所述单流阀(50)靠近所述导向头(20)的一侧。

17.根据权利要求16所述的水平井压裂装置，其特征在于，所述筛管(60)上开设有多个筛孔(61)，多个所述筛孔(61)沿所述筛管(60)的轴向和周向间隔设置。

18.一种水平井压裂系统，包括套管(1)和沿所述套管(1)的延伸方向可移动地设置在所述套管(1)内的水平井压裂装置(2)，所述套管(1)与所述水平井压裂装置(2)之间形成环空(11)，其特征在于，所述水平井压裂装置(2)是权利要求7至17中任一项所述的水平井压裂装置。