CN109723419A - 一种多功能火箭动力的地层改造装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气开采设备技术领域，具体涉及一种多功能火箭动力的地层改造装置，包括：地层改造主体，所述地层改造主体内具有燃烧负压一体室（2），所述燃烧负压一体室（2）内具有燃料（5）或空腔，所述地层改造主体的外侧为井筒，所述井筒外侧为地层；所述燃烧负压一体室（2）通过导爆索系统爆炸形成的通道窗口与井筒连通；所述燃料（5），用于通过所述地层改造主体向井筒输出能量，对所述地层造缝；所述燃烧负压一体室（2），其空腔用于吸收井筒内的能量，降低井内压力，解除油流通道堵塞。燃烧负压一体室即可作为燃烧室释放高能气体，对地层压裂造缝，也可充当负压腔吸收能量即呈现负压解堵效果，疏通渗流通道。本装置结构简单，费用低廉，功能多样，适用性强。

Description

一种多功能火箭动力的地层改造装置

技术领域

本发明属于油气开采技术领域，涉及一种油气水井增产的工具，特别是一种多功能火箭动力的地层改造装置。

背景技术

井筒建立完毕后，通过射孔打开油气层，沟通井筒和地层，形成油流通道。开采过程的各种因素均能造成渗流状况的恶化，影响油流通道的畅通。而通道的堵塞和地层渗透性能的改变，需要通过专业手段恢复和改造，如压裂、高能气体压裂、负压解堵等。

射孔形成油流通道，通过射孔器完成，特别是有枪身射孔器。有枪身射孔器是由能够承受爆炸冲击的两端有螺纹的高强度合金钢管（如32GrMo4）的射孔枪枪身和螺纹密封连接件（中接、枪头、枪尾）共同构成的腔体，与由聚能装药（如RDX炸药）驱动的射孔弹等共同组成的油气井用民用爆破器材。陆大卫主编的油气井射孔技术（2012.4石油工业出版社），详细介绍了各种射孔器材结构、加工和使用，其中第二章第三节射孔枪的描述中记载有枪身射孔枪通常由枪头、枪身、连接接头和枪尾形成一个完全密封的空腔。其作用是保护射孔枪腔内的射孔弹、弹架、导爆索、雷管等部件，不受井下高压、酸碱及施工时的震动撞击影响，保证火工器件的可靠工作，并承受射孔弹炸药爆炸冲击的影响。

油气井用导爆索指用在石油射孔系统中主要用于射孔弹与射孔弹的连接，起到传爆作用的爆破器材。2007年国防工业出版社出版，张国顺主编《民用爆炸物品及安全》第6章第6.3节对油气井用导爆索有专门论述。石油射孔中可根据导爆索型号中的导爆索装药量、炸药类型及导爆索特性进行选用（参见SY/6411标准）。本申请提及的导爆索皆为油气井用导爆索。

高能气体压裂（High Energy Gas Fracture ,简称HEGF）是利用火药或复合固体火箭推进剂在井筒中快速燃烧产生的大量的高温高压气体在地下产层上压出辐射状多裂缝体系，改善近井地带的渗透性能，从而增加油气井产量和注水井注入量的一项地层改造措施。复合固体火箭推进剂简称复合推进剂，是由无机氧化剂(高氯酸铵、硝酸铵等)、燃烧剂(铝粉等)和高分子粘结剂混合固化制成的火药。通常按高分子粘结剂的种类分为聚硫橡胶复合推进剂、聚氨酯复合推进剂、端羟基聚丁二烯复合推进剂和端羧基聚丁二烯复合推进剂等。目前以复合固体火箭推进剂为能量的高能气体地层改造装置有很多形式，有单纯的复合推进剂药柱，有复合推进剂药柱置于开放的筛管内（申请号：CN200910023430.4），有将复合推进剂药柱置于封闭的钢管内用专门的开孔弹开出泄压孔（申请号：CN201210327368.X）一种用于超高温高压井的脉冲爆燃压裂装置，此外还有与射孔技术结合的（USP 5775426）射孔枪外包覆复合推进剂的StimGun系统及各种复合射孔。用于井下产生高能气体的燃料药剂，与井液接触就需要耐温防水，需要特别调制；而密封条件下虽然不需要药剂防水，但需要专门火工元件（开孔弹等）开出泄压孔，与射孔器部件相结合需要对药的形态进行特定的设计。其中内置式复合射孔器将火药与射孔弹同时置于射孔枪枪身中，枪身腔体要同时承载射孔弹爆炸和火药爆燃冲击，需要有专门设计的泄压通道，结构复杂，且输出的气体能量有限，影响了地层改造效果。

动态负压解堵是另一种疏通渗流通道的方法，其原理是通过负压装置的空腔快速吸收井筒内的介质，使井筒内压力瞬间下降，产生瞬时冲击回流，冲洗射孔孔道及孔道周围压实带，通常与射孔结合使用。目前国内外采用的负压装置大多是冲孔弹开孔泄压及活塞开孔泄压两种。专利CN201439709公开了一种动态负压射孔器，该射孔器中的弹架上安装有冲孔弹，冲孔弹是一种只对枪身开孔，并不伤害油气井套管及水泥环的专用弹，也称为“开孔弹”。射孔器起爆后，枪身上被射穿的孔眼数量较原射孔器多，扩大了泄压空间，从而释放井筒压力，实现动态负压。专利CN101994493公开了一种动态降压装置，它安装在射孔器的下端，射孔器起爆后产生的爆轰压力推动撞击杆下行，随后推动活塞下行，将降压装置的内腔与位于开孔中接中部的侧向通孔连通起来，使井筒内的井液通过开孔中接进入泄压腔内部，进而使井筒内压力降低，实现动态负压。 现有负压装置主要有以下缺点：（1）采用冲孔弹进行开孔泄压的泄压装置， 在射孔器中增加大量的冲孔弹，额外产生大量爆生气体，降低负压效果，提高了成本。（2）采用活塞进行开孔泄压的泄压装置，结构复杂，撞击杆、活塞等中间环节较多，在泄压装置上开孔速度较慢，且泄流孔道面积较小；另外，在射孔作业的同时建立负压的效果不明显，使动态负压射孔的整体工艺效果降低，无法充分体现动态负压射孔作业的优势。

以上解堵和地层改造技术，或受限于药剂性能，或受置于装置的复杂效果不理想，进而使其产品成本和作业成本提高，操作繁琐，应用受限。

发明内容

针对以上技术存在的不足，本发明提供一种结构简单，普遍适用的解堵和地层改造装置。

本发明提供一种多功能火箭动力的地层改造装置，包括：地层改造主体，其特征在于：所述地层改造主体内具有燃烧负压一体室，所述燃烧负压一体室内具有燃料或空腔，所述地层改造主体的外侧为井筒，所述井筒外侧为地层；所述燃烧负压一体室通过导爆索系统爆炸形成的通道窗口与井筒连通；所述燃料，用于通过所述地层改造主体向井筒输出能量，对地层造缝；所述燃烧负压一体室，其空腔用于吸收井筒内的能量，降低井内压力，解除油流通道堵塞。

优选地，所述导爆索系统包括导爆索和导爆索结（炸药条），所述导爆索结由导爆索叠加聚集而成，用于形成的所述通道窗口。

优选地，所述燃烧负压一体室内具有内管；所述燃料在所述内管内。

优选地，所述燃烧负压一体室的外部具有外壳；所述外壳上具有凹槽区域；

所述凹槽区域（薄弱区域）是与外壳的壁厚相对而言，通过减少部分外壳材料厚度(1/2壁厚以上)，在特定冲击下相对易受力变形的部份；

所述凹槽区域内壁内侧具有所述导爆索结，所述导爆索结爆炸击穿凹槽区域形成通道窗口，将所述燃烧负压一体室与所述井筒连通。

优选地，所述内管外侧具有外壳；所述内管和所述外壳之间具有间隙；所述导爆索系统，穿过所述间隙。

优选地，所述内管的外侧和/或所述外壳的内侧具有隔热层。

优选地，所述地层改造主体的两端分别具有连接接头；2个所述连接接头内分别具有第一导爆索孔和第二导爆索孔；所述导爆索从所述第一导爆索孔进入，从所述第二导爆索孔穿出；所述导爆索用于传递爆轰能量。

本发明的有益效果：根据井下条件和井筒状况，本发明通过调节燃料的量，从无到有，使地层改造装置由能量吸收转变到能量输出，进而在功能上实现负压解堵到高能气体压裂造缝的变化。本发明，便于与其他火工装置连接，适配性强，可与多种工艺配合。

附图说明

图1是本发明一种多功能火箭动力的地层改造装置结构示意图。

图2是本发明一种多功能火箭动力的地层改造装置工作原理图。

图3是本发明图1中无燃料可接入空腔的负压解堵工具结构示意图。

图4是本发明图1中导爆索系统中导爆索结的示意图。

图5是图1中导爆索结与外壳凹槽区域相组合的局部放大图。

图6是本发明一种多功能火箭动力的地层改造装置与射孔器结合示意图。

图7是射孔枪中接（图1中的连接接头）剖示图。

图8是射孔枪身（图1中的外壳）剖示图。

图9是射孔枪空腔（图1燃烧负压一体室）示意图。

图10是射孔器结构示意图。

图中，连接接头1、燃烧负压一体室2、导爆索3、内管4、燃料5、导爆索结6（炸药条）、隔热层7，凹槽区域8（薄弱区域），外壳9。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参照图1给出的一种多功能火箭动力地层改造装置的结构示意图，一种多功能火箭动力的地层改造装置，包括：地层改造主体，地层改造主体内具有燃烧负压一体室2，燃烧负压一体室2内具有燃料5或空腔，地层改造主体的外侧为井筒，井筒外侧为地层；所述燃烧负压一体室2通过导爆索系统爆炸形成的通道窗口与井筒连通；燃料5，用于通过所述地层改造主体向井筒输出能量，对地层造缝；燃烧负压一体室2，其空腔用于吸收井筒内的能量，降低井内压力，解除油流通道堵塞。根据井下条件和井筒状况，本发明通过调节部分装置燃料的量，从无到有，使地层改造主体由能量吸收转变到能量输出，进而在功能上实现负压解堵到高能气体压裂造缝的变化。

在图1中，导爆索系统包括导爆索3和导爆索结6（炸药条），所述导爆索结6由导爆索3叠加聚集而成，用于形成的所述通道窗口。

在图1中，燃烧负压一体室2的内侧具有内管4；燃料5在内管4内。

在图1中，燃烧负压一体室2的外侧具有外壳9；外壳9上具有凹槽区域8；凹槽区域（薄弱区域）是与外壳的壁厚相对而言，通过减少部分外壳材料厚度(1/2壁厚以上)，在特定冲击下相对易受力变形的部份；

凹槽区域8通过导爆索系统炸开的通道窗口将燃烧负压一体室2与井筒连通。

在图1中，内管4外侧具有外壳9；内管4和外壳9之间具有间隙；导爆索系统，穿过间隙。

在图1中，内管4的外侧和/或外壳9的内侧具有隔热层7。

在图1中，地层改造主体的两端分别具有连接接头1；2个连接接头1内分别具有第一导爆索孔和第二导爆索孔；导爆索从第一导爆索孔进入，从第二导导爆索孔穿出。

参照图2给出的本发明一种多功能火箭动力的地层改造装置工作原理图，外部爆轰能量（起爆或传爆）经由连接接头1中心孔（第一导爆索孔）进入装置中（如箭头Ⅱ），由导爆索3的一端传入（如箭头Ⅰ），并沿缠绕于内管4上的导爆索3传播，到达凹槽区域8（薄弱区域）激发导爆索结6爆炸（如Ⅲ），并继续向后传播由导爆索3的另一端经由第二导爆索孔输出（如箭头Ⅴ）。导爆索结6爆炸，爆炸能量径向切割凹槽区域8（薄弱区域），炸碎凹槽区域8（薄弱区域）处的外壳壁形成通道窗口，同时爆炸能量激发此处的燃料5燃烧，并由此处向两端燃烧（如箭头Ⅵ指示），产生的气体能量由通道窗口（喷火口）向外喷出（箭头Ⅳ），进入井筒，对地层改造。通道窗口的数量根据燃料及产生气体量设定。

需要指出的是，燃烧负压一体室2在用于能量输出时应称为燃烧室，用于能量吸入时应称为负压腔，对应的通道窗口分别称作喷火口和负压窗口。

实施例1：结合图1，具体地说作为能量输出的一种多功能火箭动力地层改造装置，包括：连接接头1、燃烧负压一体室2（燃烧室）、导爆索3、内管4、燃料5、导爆索结6（炸药条）、隔热层7。燃烧负压一体室2是由两端有螺纹密封结构的厚壁高强度合金钢管与连接接头1共同圈闭的装置腔体空间，其中固定有的内管4；燃料5（复合固体火箭推进剂）填充于内管4中，内管4与燃烧负压一体室2外壳9之间有隔热层7（介质）；导爆索3从内管4与燃烧负压一体室2外壳9的间隙穿过，于燃烧负压一体室2外壳凹槽区域8（薄弱区域）的内壁处结成导爆索结6，导爆索3两端从连接接头1中心孔穿过连接其他火工器材（传爆装置或起爆装置）传递爆轰能量。凹槽区域8（薄弱区域）是与燃烧负压一体室2外壳的厚壁相对而言，通过减少部分外壳材料厚度形成，通常在原厚度的1/3，在特定冲击下受力易变形的部份，数量、大小和位置根据具体情况设置；隔热层7（介质）可为真空或任何气态或固态的绝热材料。燃烧负压一体室2设计可采用射孔枪身（图8）的螺纹密封结构；连接接头1可为射孔枪头、枪尾、中接或其类似结构，根据接入部件具体确定，连接接头一般可以采用中接（图7）结构，或在此基础上进行微调（如扩大内孔）。

实施例2：如图3所示，本实施例给出一种产生负压的动态负压解堵工具，包括燃烧负压一体室2（负压腔）、导爆索3、内管4、导爆索结6、连接接头1；装置构成中无燃料5、无隔热层，仅作为形成井筒负压的降压空腔，通道窗口作为负压通道。通过两侧的连接接头1（中空）实现多个负压腔串接，或与射孔器（图10）相连，其使用方式符合射孔工艺流程。这样在作业中，外部爆轰能量由导爆索3的一端传入激发导爆索结6爆炸打开凹槽区域8形成通道窗口，井内介质进入燃烧负压一体室2空腔，导致井筒内压力下降，产生动态负压的效果，即成为动态负压射孔。

实施例3：如图6所示，本实施例给出一种与射孔器相结合的方式，即装填燃料5的装置通过两侧的连接接头1与射孔器（图10）相连，由导爆索3统一传爆；在射孔的同时，燃料5燃烧的能量通过导爆索结6爆炸打开凹槽区域8形成通道窗口释放到井筒中，增加井筒内压力对地层造缝，产生地层改造效果。其使用方式符合通常的射孔工艺流程，与复合射孔施工方式基本相同。此种方式，由于本发明的燃烧负压一体室2能够容纳更多的火药量，因此由高能气体形成的地层改造效果远好于普通复合射孔。

需要说明的，图7～图10为现有技术中射孔工具普遍采用的设计，其中射孔器（图10）由左到右依次为导爆索、枪头、枪身、定位盘、弹架、射孔弹、枪尾，图9为连接有中接（图7）与枪身（图8）的射孔枪，连接接头结构普遍采用图7所示的，枪身管体密封体承压的设计应用图8结构，枪身（图8）普遍采用32GrMo4合金钢管材料，能承受射孔爆炸的冲击而不会造成工具结构性破坏。本发明提及的材料和设计、连接接头结构及内部连接皆可延用射孔枪的相关材料和结构。

本发明涉及的火工品仅为燃料和导爆索，燃料为复合固体火箭推进剂火药，导爆索为油田通用必备火工材料，可以不用视为本发明专用材料，如此可认为本发明仅涉及一种火工品（复合固体火箭推进剂），便于管理和使用。本发明隔热层和密封燃烧室的存在，使推进剂的防水耐温性能大大降低，进而降低了材料成本。

连接接头和腔体部分采用现有射孔枪结构，适于与现有管串组合使用，增加了本发明装置的通用性。装置爆轰网络统一由导爆索传爆，通过导爆索完成输入输出，便于与其他火工装置连接，适配性强，可与多种工艺配合。

最后要说明的是，显然实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法进行穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种多功能火箭动力的地层改造装置，包括：地层改造主体，其特征在于：

所述地层改造主体内具有燃烧负压一体室（2），所述燃烧负压一体室（2）内具有燃料（5）或空腔，所述地层改造主体的外侧为井筒，所述井筒外侧为地层；

所述燃烧负压一体室（2）通过导爆索系统爆炸形成的通道窗口与井筒连通；

所述燃料（5），用于通过所述地层改造主体向所述井筒输出能量，对地层造缝；

所述燃烧负压一体室（2），其空腔用于吸收所述井筒内的能量，降低井内压力，解除油流通道堵塞。

2.根据权利要求1所述一种多功能火箭动力的地层改造装置，其特征在于：

所述爆炸系统包括导爆索（3）和导爆索结（6），所述导爆索结（6）由导爆索（3）叠加聚集而成，用于形成所述通道窗口。

3.根据权利要求1所述一种多功能火箭动力的地层改造装置，其特征在于：

所述燃烧负压一体室（2）内具有内管（4）；

所述燃料（5）在所述内管（4）内。

4.根据权利要求1、2所述一种多功能火箭动力的地层改造装置，其特征在于：

所述燃烧负压一体室（2）的外部具有外壳（9）；

所述外壳（9）上具有凹槽区域（8）；

所述凹槽区域（8）内壁内侧具有所述导爆索结（6），所述导爆索结（6）爆炸击穿形成通道窗口将所述燃烧负压一体室（2）与所述井筒连通。

5.根据权利要求3所述一种多功能火箭动力的地层改造装置，其特征在于：

所述内管（4）外侧具有外壳（9）；

所述内管（4）和所述外壳（9）之间具有间隙；

所述导爆索系统，穿过所述间隙。

6.根据权利要求5所述一种多功能火箭动力的地层改造装置，其特征在于：

所述内管（4）的外侧和/或所述外壳（9）的内侧具有隔热层（7）。

7.根据权利要求1所述一种多功能火箭动力的地层改造装置，其特征在于：

所述地层改造主体的两端分别具有连接接头（1）；

2个所述连接接头（1）内分别具有第一导爆索孔和第二导爆索孔；

所述导爆索（3）从所述第一导爆索孔进入，从所述第二导爆索孔穿出；

所述导爆索（3）用于传递爆轰能量。