CN110295869B - 一种用于重复压裂的膨胀衬管和重复压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于重复压裂的膨胀衬管和重复压裂方法。膨胀衬管为空心圆管，其内设置有膨胀芯轴，膨胀芯轴沿膨胀衬管轴向运动并挤压，膨胀衬管发生径向塑性变形后与已射孔套管接触后形成新的密闭井筒，密闭井筒用于重复压裂。相比现有的重复压裂技术，本发明中采用膨胀衬管重复压裂，降低了膨胀难度，提高了衬管膨胀后的强度和密封性能，同时还克服了接头容易脱离的缺陷，能够通过重建井筒完整性提高油气产量。

Description

一种用于重复压裂的膨胀衬管和重复压裂方法

技术领域

本发明及一种油气田开发技术领域，尤其涉及一种用于重复压裂的膨胀衬管和重复压裂方法。

背景技术

低渗透油气藏对于我国乃至全球的能源格局都至关重要，低渗储层的超低孔，超低渗特性，致使其必须依靠水力压裂才能实现工业化开采。但低渗储层特别是页岩气井经过水力压裂后很容易因为生产过程而导致裂缝失效。一般在半年内产量就能下降到峰值的一半。重复压裂技术作为一种较为经济且高效的手段正在被重视。

国内外大量研究表明，重复压裂是提高地产井产量的有效措施之一。将已经运用一次及一次以上压裂改造措施的井段再次利用压裂施工改造的工艺就是重复压裂。由于再次压裂可能打开初次压裂未沟通的储层，且可以使近井段的裂缝得到重新改造，一般而言重复压裂可以使得产量大致恢复到初始状态。

重复压裂的时间点通常处于气藏开发的后期。井筒周围的应力场随着油气的生产不断地发生着变化，此时压裂液的流向难以控制和预测。施工方很难凭借现有技术精确监测裂缝延伸动向，这导致了重复压裂施工的高风险和不确定性。如果井眼附近有高含水层，裂缝可能穿过含水层，导致井眼出水。在布井较为密集的区域，还可能使压裂液流入临井，导致两口井的自然压力消散并产液，最终报废。

在重复压裂时，重建井筒的完整性具有重要的作用，而现有技术中在建立新的井筒时存在施工难度大、工具可靠性低、密封性能不好、接头容易脱离等缺陷。

发明内容

为实现上述目标，本发明提供了一种用于重复压裂的膨胀衬管和重复压裂方法，所述技术方案如下：

根据本发明的第一方面，提供一种用于重复压裂的膨胀衬管，所述膨胀衬管为空心圆管，

所述膨胀衬管内设置有膨胀芯轴，所述膨胀芯轴沿所述膨胀衬管轴向运动并挤压所述膨胀衬管，所述膨胀衬管发生径向塑性变形后与已射孔套管接触后形成新的密闭井筒，所述密闭井筒用于重复压裂。

可选地，所述膨胀衬管内壁面涂覆有涂层。

可选地，所述膨胀衬管两端外表面设置第一弹性密封机构，所述膨胀衬管产生径向变形后通过所述第一弹性密封机构与已射孔套管密封。

可选地，所述膨胀芯轴包括沿轴线依次连接的润滑辅助段、膨胀段和定径段，所述润滑辅助段和所述定径段为外径一定的柱体，其中所述润滑辅助段的外径小于所述定径段的外径，所述膨胀段为变径锥体，所述膨胀段两端分别连接所述润滑辅助段和所述定径段。

可选地，所述膨胀芯轴的所述定径段设置有环形凹槽，在所述环形凹槽中安装第二密封装置，所述第二密封装置实现所述膨胀芯轴与所述膨胀衬管之间的密封。

可选地，所述膨胀芯轴的所述膨胀段外表面均匀镶嵌合金块，在所述合金块之间涂覆润滑液。

可选地，所述膨胀芯轴轴向设置有导流通孔。

可选地，所述膨胀衬管两端分别设置有公接头与母接头，所述公接头与所述母接头用于连接相邻的膨胀衬管，所述公接头外表面设置有阳螺纹，所述母接头内表面设置有阴螺纹，所述阳螺纹和所述阴螺纹采用倒钩型梯形齿。

可选地，在所述母接头的所述阴螺纹根部设置密封凹槽，所述密封凹槽中设置弹性密封圈。

可选地，在所述公接头的所述阳螺纹根部设置密封凹槽，所述密封凹槽中设置弹性密封圈。

可选地，在所述膨胀衬管的所述阳螺纹的尾端设置有凸起，所述凸起与所述阴螺纹根部对应的凹槽配合。

可选地，在所述倒钩型梯形齿上涂覆有弹性密封层。

根据本发明的第二方面，提供一种重复压裂方法，用于第一方面所述的用于重复压裂的膨胀衬管，所述方法包括：

a、根据井筒内径确定所述膨胀衬管型号；

b、根据原射孔孔眼位置及储层深度、水平段长度确定所述膨胀衬管封堵位置及封堵长度；

c、在安装所述膨胀衬管之前，使用匹配井筒内径的管柱刮铣器、短节及锥形刮铣器钻具组合，刮铣掉套管内壁上的水泥残渣；

d、将所述膨胀衬管下至所述井筒预定位置，并开始加压，使膨胀衬管膨胀；

e、根据施工需要下入多段膨胀衬管；

f、关闭井口，使用清水对上部密封进行低压测试，稳压5min，压力不降则表明试压合格。

g、使用匹配膨胀衬管内径的管柱铣刀、短节即锥形铣刀的钻具组合将膨胀管底堵附件铣掉，使整个膨胀管连通；

h、胀管连通后，采用压裂液进行全井目标压力测试，所述目标压力为重复压裂的最高施工压力加上5MPa的安全余量，稳压5min，压力不降则表明所述全井目标压力测试合格，起钻；

i、试压完成，根据射孔设计及压裂设计进行射孔及重复压裂施工。

本发明的有益效果是：

1)膨胀衬管能对原有无产能射孔位置完全封堵，重建井筒内压的完整性。相比传统转向技术封堵更彻底，提高了压裂的成功率。

2)膨胀衬管实现封堵后，作业人员能像初次完井一样，对每条裂缝的压裂过程进行单独处理，这样就能更加精确地预测压裂液的流向，控制裂缝的发育。

3)膨胀衬管的使用大幅减少了井眼内径的损失，节约了宝贵的井眼空间。

4)相比现有的重复压裂技术，本发明中采用膨胀衬管重复压裂，降低了膨胀难度，提高了衬管膨胀后的强度和密封性能，同时还克服了接头容易脱离的缺陷。

附图说明

图1根据一示例性实施例示出的用于重复压裂的可膨胀衬管的结构示意图；

图2根据一示例性实施例示出的膨胀芯轴的结构示意图；

图3根据一示例性实施例示出的膨胀衬管接头的结构示意图。

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1为根据一示例性实施例示出的用于重复压裂的可膨胀衬管的结构示意图。一种用于重复压裂的可膨胀衬管，包括：

膨胀衬管1，膨胀衬管1为空心圆管，膨胀衬管1内设置有膨胀芯轴3，膨胀芯轴3沿膨胀衬管1轴向运动并挤压膨胀衬管1，膨胀衬管1发生径向塑性变形后与已射孔套管2接触后形成新的密闭井筒，密闭井筒可用于重复压裂。

需要说明的是，膨胀衬管1材料的选择需要考虑在井下高温环境中具有较低的屈服强度、较高的均匀伸长率、良好的加工硬化能力和较高的抗拉强度，因此本领域技术人员可以选择满足上述要求的高强度DP钢或高锰奥氏体TWIP/TRIP钢。

可选地，膨胀衬管1内壁面涂覆有涂层。

涂层一方面能够避免膨胀衬管1在井下环境产生腐蚀，降低强度，另一方面涂层也能够为膨胀芯轴3与膨胀衬管1之间提供润滑作用，重而起到降低膨胀力、提高作业成功率的作用。鉴于石墨的抗腐蚀性能较好，且能够起到较好的润滑作用，因此可以选用石墨作为涂层，此外本领域技术人员也可以结合本领域的普通技术手段选用能够适应井下高温高压环境的其他涂层。

可选地，膨胀衬管1两端外表面设置有第一弹性密封机构4，膨胀衬管1产生径向变形后通过第一弹性密封机构4与已射孔套管2密封。

为了适应井下的高温高压环境，第一弹性密封机构4的材料可以选用腈橡胶材料、氟化橡胶材料、旭硝子氟橡胶材料或者氰化丁晴橡胶中的一种，上述材料具有良好的变形能力和耐高压性能。为了保证第一弹性密封机构4与膨胀衬管1外表面的本体粘接强度，可以选取热硫化粘接工艺粘接第一弹性密封机构4与膨胀衬管1。

可选地，如图2所示，膨胀芯轴3包括沿轴线依次连接的润滑辅助段6、膨胀段7和定径段8，润滑辅助段6和定径段8为外径一定的柱体，其中的润滑辅助段6的外径小于定径段8的外径，膨胀段7为变径锥体，膨胀段7两端分别连接润滑辅助段6和定径段8。

需要说明的是，当膨胀衬管1变形时，定径段8会局部圆度修正膨胀衬管1，使其不再大变形。膨胀段7的轴向移动致使膨胀衬管1永久环向塑性变形，增加膨胀衬管1直径。润滑辅助段6以保证膨胀芯轴3在膨胀衬管1内居中，以保证膨胀衬管1变形均匀。

可选地，膨胀芯轴3的定径段8设置有设置环形凹槽9，在环形凹槽9中安装第二密封装置5，第二密封装置5实现膨胀芯轴3与膨胀衬管1之间的密封。由于第二密封装置5的存在，流体不会从膨胀芯轴3与膨胀衬管1管壁的缝隙中泄露，从而在膨胀芯轴3的定径段8形成了良好的密封，从而避免了液体流失造成压力下降从而使得膨胀芯轴3无法轴向运动的现象发生。

可选地，膨胀芯轴3的膨胀段7外表面均匀镶嵌合金块10，在合金块10之间涂覆润滑液。由于合金块10硬度大，因此可以避免膨胀芯轴3由于所受应力过大而产生破裂，此外，在合金块之间可以涂覆润滑液，从而降低膨胀过程中定径段8与膨胀管壁面的摩擦力，避免膨胀衬管1壁面膨胀失效。

可选地，膨胀芯轴3轴向设置有导流通孔11，导流通孔11能够让液体流过膨胀芯轴3，高压流体通过导流通孔后能够在膨胀芯轴3端部提供压力，从而推动轴向芯轴3的轴向运动。通过设置轴向通孔11可以实现膨胀芯轴两端的压差较小，从而避免膨胀芯轴3损坏，同时也可以减小轴向运动的力，使得施工难度降低。在衬管膨胀时，在轴向拖动力与液体压力的双重他作用下，衬管膨胀更容易发生。

需要说明的是，膨胀芯轴3的材料可以优选为人造聚晶金刚石、表面镀铬的钢，也可选用碳化钨为基础的硬质合金中加入一定量的碳化钛，上述材料具有非常高的硬度，且耐磨性能较好，能够满足膨胀芯轴3的性能要求。

在本领域中，相邻套管之间连接时一般采用接箍连接，但是接箍的存在会导致膨胀衬管在连接时需要更大的膨胀力，因此在本发明中不采用接箍连接。本发明中对接头的连接方式也进行了改进与优化。

图3为根据一示例性实施例示出的接头的结构示意图。

膨胀衬管1在连接后需要保证相互膨胀衬管1之间的接头处具有良好连接强度和密封性，否则液体会进入公母接头之间的缝隙腐蚀膨胀衬管1，从而导致膨胀衬管1强度下降，可能引起重复压裂失效。因此针对膨胀衬管1连接强度和密封性问题，本发明从以下几方面进行了改进。

可选地，从螺纹齿形方面进行了设计。

优选地，膨胀衬管1两端分别设置有公接头15与母接头12，公接头15与母接头12用于连接相邻的膨胀衬管1，公接头15外表面设置有阳螺纹16，母接头12内表面设置有阴螺纹13，阳螺纹16、阴螺纹13采用倒钩型梯形齿。

可选地，为了保证密封，在连接部位采用了密封圈，而对于密封圈安装的位置，为了保证螺纹连接处的强度，本领域技术人员对其安装位置进行了优化，将密封圈的安装位置选取在螺纹的根部，从而减小了密封凹槽对连接强度的影响。

具体地，在母接头12的阴螺纹13根部设置密封凹槽14，密封凹槽14中设置弹性密封圈，弹性密封圈在与公接头15的阳螺纹16端部挤压产生接触压力，从而实现接头的密封。

在公接头15的阳螺纹16根部设置密封凹槽17，密封凹槽17中设置弹性密封圈，弹性密封圈在与母接头12的阴螺纹13端部挤压产生接触压力，从而实现接头的密封。

可选地，由于膨胀衬管1在膨胀过程中阳螺纹16过度变形，可能导致相邻膨胀衬管1之间的阴阳螺纹分离，产生接头脱离的情况。因此为了避免这种情况的发生，采用ansisy软件预先进行室内模拟和优化，然后进行室外实验的方式，提出来在接口处设置凸起的方式，能够在满足膨胀强度的条件下防止相邻之间的接头脱离。因此本发明通过在膨胀衬管1阳螺纹16的尾端设置有凸起18，并与阴螺纹根部对应的凹槽嵌入配合的方式，实现了防止接头脱离。

可选地，由于在加工螺纹时由于加工精度等因此，公接头的阳螺纹与母接头的阴螺纹在相互配合时，梯形齿之间会存在一些孔隙，这些空隙的存在也会造成密封性的下降。因此，在本发明中，在螺纹齿涂覆有弹性密封层。弹性密封层在衬管膨胀之前表现为非固化状态，为粘性膏状体或者粘性液体，在衬管膨胀之后固化为胶装固体，通过胶装固体弹性变形为螺纹之间提供径向压力，从而提高密封性。弹性密封层可以选用聚硫密封胶或聚氨酯密封胶。

本发明还提供了一种重复压裂方法，用于第一方面所述的用于重复压裂的膨胀衬管，所述方法包括：

根据井筒内径确定膨胀衬管型号；

根据原射孔孔眼位置及储层深度、水平段长度确定膨胀衬管封堵位置及封堵长度；

在安装膨胀衬管之前，使用匹配井筒内径的管柱刮铣器、短节及锥形刮铣器钻具组合，刮铣掉套管内壁上的水泥残渣，保证衬管顺畅到达预定位置；

将膨胀衬管下至井筒预定位置，并开始加压，使膨胀衬管膨胀；

根据施工需要下入多段膨胀衬管，膨胀衬管通过接头对接在一起；

关闭井口，使用清水对上部密封进行低压测试，稳压5min压力不降则试压合格；

使用匹配膨胀衬管内径的管柱铣刀、短节即锥形铣刀的钻具组合将膨胀管底堵附件铣掉，使整个膨胀管连通；

膨胀管连通后，采用压裂液进行全井目标压力测试，所述目标压力为重复压裂的最高施工压力加上5MPa的安全余量，稳压5min，压力不降则表明所述全井目标压力测试合格，起钻；

根据射孔设计及压裂设计进行射孔及重复压裂施工。

需要说明的是，目标压力测试要检测的不仅仅是膨胀后管体抗内压强度是否合格，还要检测膨胀后的螺纹及管外密封机构密封性是否能达到重复压裂的密封要求。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内，提出其他实施例，但实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (1)

1.一种重复压裂方法，使用膨胀衬管进行重复压裂，所述膨胀衬管为空心圆管，所述膨胀衬管内设置有膨胀芯轴，所述膨胀芯轴沿所述膨胀衬管轴向运动并挤压所述膨胀衬管，所述膨胀衬管发生径向塑性变形后与已射孔套管接触后形成新的密闭井筒，所述密闭井筒用于重复压裂；所述膨胀衬管两端分别设置有公接头与母接头，所述公接头与所述母接头用于连接相邻的膨胀衬管，所述公接头外表面设置有阳螺纹，所述母接头内表面设置有阴螺纹，所述阳螺纹和所述阴螺纹采用倒钩型梯形齿；在所述膨胀衬管的所述阳螺纹的尾端设置有凸起，所述凸起与所述阴螺纹根部对应的凹槽配合；

所述方法包括：

a、根据井筒内径确定所述膨胀衬管型号；

b、根据原射孔孔眼位置及储层深度、水平段长度确定所述膨胀衬管封堵位置及封堵长度；

c、在安装所述膨胀衬管之前，使用匹配井筒内径的管柱刮铣器、短节及锥形刮铣器钻具组合，刮铣掉套管内壁上的水泥残渣；

d、将所述膨胀衬管下至所述井筒预定位置，并开始加压，使膨胀衬管膨胀；

e、根据施工需要下入多段膨胀衬管；

f、关闭井口，使用清水对上部密封进行低压测试，稳压5min，压力不降则表明试压合格；

g、使用匹配膨胀衬管内径的管柱铣刀、短节即锥形铣刀的钻具组合将膨胀管底堵附件铣掉，使整个膨胀管连通；

h、胀管连通后，采用压裂液进行全井目标压力测试，所述目标压力为重复压裂的最高施工压力加上5MPa的安全余量，稳压5min，压力不降则表明所述全井目标压力测试合格，起钻；

i、试压完成，根据射孔设计及压裂设计进行射孔及重复压裂施工。

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