CN109339761A - 用于油气储层的流体注入和引爆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油气储层的流体注入和引爆装置，该装置包括中心钢柱、缸筒、第一活塞、启爆单元、钢柱活塞、射孔段弹性密封单元、中间接头、轴向压缩组件、引向头，所述中心钢柱和缸筒通过中间接头连接，所述第一活塞活动设置在缸筒内，所述启爆单元设置在第一活塞的右端，所述钢柱活塞活动设置在中心钢柱内，所述中心钢柱外部套设射孔段弹性密封单元，所述轴向压缩组件设置在射孔段弹性密封单元的两侧，所述引向头通过压紧螺栓固定在中心钢柱的右端；所述射孔段弹性密封单元和中心钢柱上匹配设置有流体注入通道。本发明能够安全、可控、可靠实现对油气层进行层内爆炸压裂。

Description

用于油气储层的流体注入和引爆装置

技术领域

本发明属于油气田完井技术领域，具体涉及一种用于油气储层的流体注入和引爆装置。

背景技术

目前，在石油天然气非常规页岩储藏开采以及其它常规高质密低渗透油气田的开采作业中，在完井过程中，水力压裂成为获得工业流量的关键手段。然而水力压裂费用高昂，其费用已占到整个完井费用的50％以上，而在缺水油田压裂费用更高，加之水力压裂对水资源的大量耗费和对环境污染，造成很多负面社会影响；而在一些地形复杂的油气田，大型水力压裂车移动困难，也限制了这些地区油气的开发。

地层爆炸压裂是最具潜力替代水力压裂的技术方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置，该装置包括中心钢柱、缸筒、第一活塞、启爆单元、钢柱活塞、射孔段弹性密封单元、中间接头、轴向压缩组件、引向头，所述中心钢柱和缸筒通过中间接头连接，所述第一活塞活动设置在缸筒内，所述启爆单元设置在第一活塞的右端，所述钢柱活塞活动设置在中心钢柱内，所述中心钢柱外部套设射孔段弹性密封单元，所述轴向压缩组件设置在射孔段弹性密封单元的两侧，所述引向头通过压紧螺栓固定在中心钢柱的右端；所述射孔段弹性密封单元和中心钢柱上匹配设置有流体注入通道。

上述方案中，所述轴向压缩组件包括第一环形活塞、第二环形活塞，所述第一环形活塞、第二环形活塞均套设在中心钢柱上并且分别设置在射孔段弹性密封单元的两侧。

上述方案中，所述第一环形活塞与中间接头之间设置有用于流体流入的第一间隙，所述第二环形活塞与引向头之间设置有用于驱动液流入的第二间隙。

上述方案中，还包括用于阻隔流体仓内流体的流体阻隔件，所述流体阻隔件设置在启爆单元的右端。

上述方案中，所述流体阻隔件为空心钢柱，所述空心钢柱上设置有通孔。

上述方案中，所述启爆单元包括压爆头、起爆撞针、启爆弹、剪切销；所述压爆头通过剪切销固定在第一活塞上；所述起爆撞针设置在第一活塞的左端中心孔位置；所述启爆弹设置在压爆头的左端。

上述方案中，所述射孔段弹性密封单元包括第一弹性密封圈、支撑套筒、第二弹性密封圈；所述第一弹性密封圈、支撑套筒、第二弹性密封圈从左到右依次套设在中心钢柱外；所述支撑套筒上设置有第二流体注入孔道。

上述方案中，所述中心钢柱上设置有第一流体注入孔道，所述第一流体注入孔道与第二流体注入孔道配合构成流体注入通道。

上述方案中，所述缸筒的左端设置有用于与驱动单元连接的上接头。

与现有技术相比，本发明通过第一活塞的压力传递首先实现目标射孔段的密封，然后再自动开启将液体炸药通过射孔孔道高压注入地层；当所要求的炸药量注入进地层后，并保持注入压力的瞬间状态，即时自动引爆被注入油气地层内的液体炸药，对油气层进行层内爆炸压裂；本发明能够安全、可控、可靠实现这一系列过程。

附图说明

图1为本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置在井筒套管内，开始启动时的状态示意图；

图3为本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置在井筒套管内，液体炸药即将注入完毕的状态示意图；

其中，1-中心钢柱、101-第一流体注入孔道、2-缸筒、21-流体仓、3-第一活塞、4-启爆单元、41-压爆头、42-起爆撞针、43-启爆弹、5-钢柱活塞、51- 驱动流体仓、6-射孔段弹性密封单元、61-第一弹性密封圈、62-支撑套筒、621- 第二流体注入孔道、63-第二弹性密封圈、7-中间接头、8-轴向压缩组件、81- 第一环形活塞、82-第二环形活塞、811-第一间隙、821-第二间隙、9-引向头、 10-压紧螺栓、11-流体阻隔件、12-上接头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要理解的是，本发明的以下实施方式中所提及的“左”、“右”均以各图所示的方向为基准，这些用来限制方向的词语仅仅是为了便于说明，并不代表对本发明具体技术方案的限制。

本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置，如图1所示，该该装置包括中心钢柱1、缸筒2、第一活塞3、启爆单元4、钢柱活塞5、射孔段弹性密封单元6、中间接头7、轴向压缩组件8、引向头9，所述中心钢柱 1和缸筒2通过中间接头7连接，所述第一活塞3活动设置在缸筒2内，所述启爆单元4设置在第一活塞3的右端，所述钢柱活塞5活动设置在中心钢柱1 内，所述中心钢柱1外部套设射孔段弹性密封单元6，所述轴向压缩组件8设置在射孔段弹性密封单元6的两侧，所述引向头9通过压紧螺栓10固定在中心钢柱1的右端；所述射孔段弹性密封单元6和中心钢柱1上匹配设置有流体注入通道。

所述缸筒2内处于第一活塞3与钢柱活塞5之间的区域为流体仓21，所述中心钢柱1内处于钢柱活塞5与压紧螺栓10之间的区域为驱动流体仓51。

所述流体仓21内用于存储液体炸药，所述驱动流体仓51内，存储用于驱动第二环形活塞82的驱动液。

所述轴向压缩组件8包括第一环形活塞81、第二环形活塞82，所述第一环形活塞81、第二环形活塞82均套设在中心钢柱1上并且分别设置在射孔段弹性密封单元6的两侧，通过第一环形活塞81、第二环形活塞82对射孔段弹性密封单元6的轴向挤压使得射孔段弹性密封单元6实现对射孔段的密封。

所述第一环形活塞81与中间接头7之间设置有用于流体流入的第一间隙 811，所述第二环形活塞82与引向头9之间设置有用于驱动液流入的第二间隙 821。

当第一活塞3向右移动时，流体仓21内的液体炸药通过第一间隙811流入并且推动第一环形活塞81向右移动，同时流体仓21内的液体炸药还推动钢柱活塞5向右移动，驱动流体仓51内的驱动液通过第二间隙821流入并且推动第二环形活塞82向左移动，所述第一环形活塞81和第二环形活塞82分别对射孔段弹性密封单元6的两个方向施加压力使其实现对射孔段的密封。

同时，随着钢柱活塞5向右的移动，当钢柱活塞5的左端面通过第一流体注入孔道101时，所述流体仓21与流体注入通道连通，流体仓21内的液体炸药在第一活塞3的压力下通过流体注入通道注入到地层。

所述中心钢柱1上设置有第一流体注入孔道101，所述第一流体注入孔道 101与第二流体注入孔道621配合构成流体注入通道。

进一步地，还包括用于阻隔流体仓21内流体的流体阻隔件11，所述流体阻隔件11设置在启爆单元4的右端，通过流体阻隔件11，一方面能够使得流体仓21内的液体炸药被全部挤出流体仓21，另一方面，隔离残留在第一间隙 811内的液体炸药。

所述流体阻隔件11为空心钢柱，所述空心钢柱上设置有通孔，这样，空心钢柱在第一活塞3带动下向右移动至中心钢柱1内后，所述空心钢柱外部、缸筒2内、第一活塞3、中间接头7围成的密封区域，处于该密封区域内的液体炸药通过空心钢柱左端设置的通孔进入到空心钢柱的中心通道，并且通过流体注入通道注入到地层，这样使得液体炸药被第一活塞3全部注入地层。

所述启爆单元4包括压爆头41、起爆撞针42、启爆弹43、剪切销；所述压爆头41通过剪切销固定在第一活塞3上；所述起爆撞针42设置在第一活塞 3的左端中心孔位置；所述启爆弹43设置在压爆头41的左端。

所述第一活塞3向右移动的同时带动压爆头41向右移动，当流体仓21内的液体炸药被全部压出时，所述压爆头41与中间接头7的左端面接触，产生的压力剪断剪切销，这时，所述压爆头41在压力作用下，携带启爆弹43，沿第一活塞3的中心孔向左移动，直至所述启爆弹43与起爆撞针42相撞，所述启爆弹43启爆，打穿压爆头41，引爆空心钢柱的中心通孔内的液体炸药，流体注入通道和射孔段存留的液体炸药作为传爆药，引爆注入地层的液体炸药爆炸。

所述射孔段弹性密封单元6包括第一弹性密封圈61、支撑套筒62、第二弹性密封圈63；所述第一弹性密封圈61、支撑套筒62、第二弹性密封圈63从左到右依次套设在中心钢柱1外；所述支撑套筒62上设置有第二流体注入孔道 621。

所述第一环形活塞81对第一弹性密封圈61施加向右的压力，第二环形活塞82对第二弹性密封圈63施加向左的压力，由于支撑套筒62位于第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63中间，所以所述第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63受到压力后产生轴向压缩和径向膨胀，最终，实现对射孔段的密封。

所述缸筒2的左端设置有用于与驱动单元连接的上接头12。

本发明实施例的各个单元自动启动先后顺序的工作过程如下：

(1)驱动单元的启动：

如图2所示，所述驱动单元产生驱动压力F，推动第一活塞3向右移动，对之前注入到流体仓21内的液体炸药产生压力；

液体炸药一方面通过第一间隙811流入对第一环形活塞81施加压力，另一方面对钢柱活塞5施加压力，此时，流体注入通道与流体仓21不连通，这时，所述驱动单元启动，也就是本发明开启工作。

(2)射孔段的密封过程启动：

本发明的驱动单元开启后，在驱动压力F的作用下，用于封闭目标射孔段的射孔段弹性密封单元6优先自动启动。

所述流体仓21内的液体炸药，通过第一间隙811流入并且推动第一环形活塞81向右移动，将压力传递给第一弹性密封圈61，同时流体仓21内的液体炸药还推动钢柱活塞5向右移动，驱动流体仓51内的驱动液通过第二间隙821 流入，并且推动第二环形活塞82向左移动，将压力传递给第二弹性密封圈63；由于支撑套筒62位于第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63中间，在驱动压力F的持续作用下，所述第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63的轴向宽度变小，第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63向径向膨胀，直到紧密挤压到井筒套管内壁，实现对射孔段两端的耐高压密封，而且当第一弹性密封圈61 和第二弹性密封圈63的轴向压缩变形达到设计要求的变形量时，也即保证了达到设计要求的密封耐压水平，这是从射孔段密封完成，到下一步开始注入的关键节点。

(3)液体炸药注入地层过程的自动启动：

当第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63的轴向压缩变形达到设计要求的变形量时，所述钢柱活塞5的左端面已经移动到所述中心钢柱1上的第一流体注入孔道101的右侧，此时，所述流体仓21与流体注入通道连通，进而实现本发明的流体注入通道与射孔孔眼和油气地层的连通，在驱动压力F的作用下，所述第一活塞3继续向右移动，流体仓21内的液体炸药开始注入地层，如图3 所示。

在驱动压力F的作用下，处于流体仓21内的液体炸药逐步通过连通的流体注入通道注入到地层。

(4)即时压力启爆、传爆、爆炸压裂过程的自动启动：

处于流体仓21内的液体炸药全部被压出后，这时，所述启爆单元4抵接在中间接头7的左端，在驱动压力F持续作用下，保持注入压力的瞬间，所述压爆头41的剪切销被剪断，所述压爆头41在压力作用下，携带启爆弹43，沿第一活塞3的中心孔向左移动，起爆撞针42与启爆弹43相撞，启爆弹43启爆，打穿压爆头43，引爆空心钢柱的中心通孔内的液体炸药，流体注入通道和射孔段存留的液体炸药作为传爆药，引爆已注入到油气地层内的液体炸药，实现层内爆炸压裂。

地层内爆炸压裂是一个动态过程，在一定加载速率的冲击载荷作用下，在储层形成裂缝群，大幅度提升储层体积裂缝密度。爆炸的爆轰波、应力波以及产生的大量的高热高压气体的综合作用使裂缝成倍扩展延伸，同时，使岩层撕裂、错位、扭曲并产生碎石支撑，从而使裂缝卸载后不能原位恢复闭合，形成具有较高渗透率的裂缝群；同时，岩石在超过屈服极限的高压作用下，产生不可恢复的塑性变形，使裂缝在卸载后仍保持一定的残余缝宽。

如表1所示，本发明的初步试验表明层内爆炸压裂明显好于水力压裂，层内爆炸压裂可以大幅度提高油气储层的泄流面积，显著提升油气储层与井筒之间的沟通水平，并大幅提升油气储层的采收率和单井产量。

表1

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于油气储层的流体注入和引爆装置，其特征在于，该装置包括中心钢柱、缸筒、第一活塞、启爆单元、钢柱活塞、射孔段弹性密封单元、中间接头、轴向压缩组件、引向头，所述中心钢柱和缸筒通过中间接头连接，所述第一活塞活动设置在缸筒内，所述启爆单元设置在第一活塞的右端，所述钢柱活塞活动设置在中心钢柱内，所述中心钢柱外部套设射孔段弹性密封单元，所述轴向压缩组件设置在射孔段弹性密封单元的两侧，所述引向头通过压紧螺栓固定在中心钢柱的右端；所述射孔段弹性密封单元和中心钢柱上匹配设置有流体注入通道。

2.根据权利要求1所述的用于油气储层的流体注入和引爆装置，其特征在于，所述轴向压缩组件包括第一环形活塞、第二环形活塞，所述第一环形活塞、第二环形活塞均套设在中心钢柱上并且分别设置在射孔段弹性密封单元的两侧。

3.根据权利要求2所述的用于油气储层的流体注入和引爆装置，其特征在于，所述第一环形活塞与中间接头之间设置有用于流体流入的第一间隙，所述第二环形活塞与引向头之间设置有用于驱动液流入的第二间隙。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的用于油气储层的流体注入和引爆装置，其特征在于，还包括用于阻隔流体仓内流体的流体阻隔件，所述流体阻隔件设置在启爆单元的右端。

5.根据权利要求4所述的用于油气储层的流体注入和引爆装置，其特征在于，所述流体阻隔件为空心钢柱，所述空心钢柱上设置有通孔。

6.根据权利要求5所述的用于油气储层的流体注入和引爆装置，其特征在于，所述启爆单元包括压爆头、起爆撞针、启爆弹、剪切销；所述压爆头通过剪切销固定在第一活塞上；所述起爆撞针设置在第一活塞的左端中心孔位置；所述启爆弹设置在压爆头的左端。

7.根据权利要求6所述的用于油气储层的流体注入和引爆装置，其特征在于，所述射孔段弹性密封单元包括第一弹性密封圈、支撑套筒、第二弹性密封圈；所述第一弹性密封圈、支撑套筒、第二弹性密封圈从左到右依次套设在中心钢柱外；所述支撑套筒上设置有第二流体注入孔道。

8.根据权利要求7所述的用于油气储层的流体注入和引爆装置，其特征在于，所述中心钢柱上设置有第一流体注入孔道，所述第一流体注入孔道与第二流体注入孔道配合构成流体注入通道。

9.根据权利要求8所述的用于油气储层的流体注入和引爆装置，其特征在于，所述缸筒的左端设置有用于与驱动单元连接的上接头。