CN111878053A - 一种分离式高能气体压裂装置及压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分离式高能气体压裂装置及压裂方法，属于采油工艺技术领域，其方法是将环状聚能弹药、圆台凹槽、筛孔挡板及射孔外壳连接在油管柱底端下入井中目的层位，从井口下入点火装置包括承压板、弹药接头、圆台塞体、引燃弹药等，利用泵车向井中泵入液体，施加泵压，通过泵送的方式将点火装置送入井下并于圆台凹槽吻合，销钉发生剪切断裂，引燃弹药被推入环状聚能弹药中空，点火开关受到撞针挤压，其内部材料释放大量热能，引燃弹药被点燃并发生爆炸，进而环状聚能弹药被点火，产生高速气流经射孔冲击作用地层。整个过程点火装置与燃爆装置分别先后下入井中，极大增加了施工的安全性能。本发明构造简单、操作简便、压裂效果好且安全高效。
Description
技术领域
本发明涉及一种分离式高能气体压裂装置及压裂方法，适用于低产低渗的复杂油藏，属于采油工艺技术领域。
背景技术
随着勘探技术的日益成熟，以及勘探工作的不断加深，近年来我国不断发现新的石油储备量，在我国的东部、西北等地又发现探明了蕴含丰富油气资源的大油田。与此同时，我国的石油消费量愈年增加，而石油产量却徘徊不前，作为一个石油消费大国，石油的供给，关乎着我国经济的发展，因此，如何经济高效安全的开发这些已探明的油气藏是解决我国石油供需矛盾问题的关键。传统的水力冲击压裂工艺对我国的油气生产起到了促进作用，但随着部分油田的开发进入中后期，单一的水力冲击对提高油气采收率的效果不再显著；另一方面，我国新探明的油田多为非常规油气藏，复杂的地质储层结构使得单一水力冲击效果不再明显。近年来井下高能气体压裂工艺越来越受到人们的关注，聚能弹药在井下发生被引燃后，在几个毫秒内发生燃爆，迅速产生高能冲击气流作用目的层，形成多条径向裂缝，极大提高地层渗透率，此外高能气体压裂工艺具有对地层污染小、施工设备少、成本低效益高等特点，目前在现场已有许多应用。由于聚能弹药在引爆时产生的气流能量巨大，井下施工时的安全性能是我们首要考虑的重点，如何安全完成压裂过程是推广高能气体压裂应用的关键，因此需要开发一种安全、高效的新型高能气体压裂装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种分离式高能气体压裂装置，本发明还提供上述装置的工作方法。
本发明的技术方案如下：
一种分离式高能气体压裂装置，包括点火装置和燃爆装置；
燃爆装置包括射孔外壳，射孔外壳内部中空，射孔外壳侧壁下端设有射孔，射孔外壳内部底端放置环状聚能弹药，环状聚能弹药上方设有圆台凹槽，圆台凹槽顶面倾斜、圆心处设有中空通孔；
点火装置包括圆台塞体，圆台塞体底面形状与圆台凹槽顶面形状相匹配，圆台塞体圆心处设有中空通孔，圆台塞体的中空通孔底端设有点火开关、点火开关上方设有引燃弹药，圆台塞体的中空通孔顶端与弹药接头一端连接，弹药接头另一端设有承压板。弹药接头上端与承压板衔接，下端与引燃弹药连接。
优选的，射孔数量为至少三个，孔径各不相同，相邻两个射孔间距不同。
优选的，圆台塞体中空通孔顶端设有凸起层，凸起层内置内螺纹，弹药接头一端与凸起层螺纹连接。
优选的，点火装置还包括销钉，销钉贯穿弹药接头装置下方，卡在凸起层外侧。
进一步优选的，销钉抗剪强度为30MPa。
优选的，射孔外壳底部为筛孔挡板，筛孔挡板中心位置设置撞针，撞针周围的筛孔挡板上设有筛孔。筛孔挡板上放置环状聚能弹药，当撞针与点火开关接触并挤压后点燃引燃弹药。
优选的，圆台凹槽的中空通孔与圆台塞体的中空通孔、环状聚能弹药的内径直径相同。当圆台塞体与圆台凹槽移动配合后，圆台塞体中空通孔中的引燃弹药、点火开关可以顺利通过圆台凹槽的中空通孔进入环状聚能弹药中。
优选的，井深3000m～5000m的油层段，井深每增加600m，引燃弹药长度和环状聚能弹药长度分别增加100mm-150mm。
利用上述分离式高能气体压裂装置的压裂方法，包括步骤如下：
(1)安装燃爆装置：将筛孔挡板放在射孔外壳最底端，然后再将环状聚能弹药放在筛孔挡板上，调整水平后再放入圆台凹槽，保证各部分紧密接触；
(2)将安装好的燃爆装置连接在油管下端，随着油管下入井中的目的层位；
(3)安装点火装置：弹药接头上端与承压板相连接，下端安装着引燃弹药，引燃弹药下端携带着点火开关，圆台塞体上的凸起层内置螺纹并与弹药接头啮合，并用销钉使弹药接头和圆台塞体牢固，此时引燃弹药及点火开关内置于圆台塞体中空；
(4)从井口下入点火装置，然后利用泵车向井内泵液加压，通过泵送的方式将点火装置送达井底，圆台塞体与圆台凹槽成功吻合；
(5)继续增加泵压至30MPa，直至销钉发生剪切破坏，此时引燃弹药及点火开关进入环状聚能弹药中空位置，点火开关与筛孔挡板撞针接触；
(6)继续施加泵压至60MPa，点火开关内部材料受筛孔挡板上的撞针挤压而释放巨大热量，引燃弹药被点燃；
(7)引燃弹药发生爆炸连接着环状聚能弹药被成功点火，产生高速气流经射孔冲击压裂地层；
(8)高能气体压裂作业结束，打捞井内装置，检查油气井。
本发明的有益效果在于：
(1)所采用的环状聚能弹药需要引燃弹药引爆，在下入井中的过程中，二者是分离的，直至环状聚能弹药下放到目的层位，引燃弹药才由地面泵送的方式下入井下引爆环状聚能弹药，极大提高了压裂过程的安全性。
(2)所采用的引燃弹药在泵送至井底的过程中被安装在弹药接头上，由于弹药接头下端携带着点火开关，此时引燃弹药被内置在圆台塞体中，引燃弹药在下放至井底的过程中被充分保护起来，不会因与管壁接触或挤压提前发生爆炸。
(3)所采用的圆台塞体与圆台凹槽能够充分吻合，此时引燃弹药在压力的作用下准确进入环状聚能弹药的中空位置。
(4)该装置壳体下端与环状聚能弹药贴合部分四周布满射孔，由于射孔孔径大小不一，且两相邻射孔距离不同，环状聚能弹药燃爆产生的高速气流经过不同射孔后会形成不同频率的冲击波动，近井地带岩石在不同频率的冲击波交替作用下，破岩效果更加明显，更易产生宏观裂缝。
(5)所采用的环状聚能弹药发生燃爆瞬间释放大量热能，地层流体在热作用下会改变渗流状态，进一步提高地层渗透率。
(6)所采用的分离式高能气体压裂装置结构简单、设计合理且安装使用方便、工作性能安全可靠、使用效果好。
附图说明
图1为分离式高能气体压裂装置的结构示意图；
图2为筛孔挡板示意图；
图3为射孔外壳示意图。
附图标记说明：
1-承压板；2-弹药接头；3-凸起层；4-销钉；5-圆台塞体；6-引燃弹药；7-点火开关；8-圆台凹槽；9-环状聚能弹药；10-射孔外壳；11-筛孔挡板；12-撞针；13-筛孔。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种分离式高能气体压裂装置，包括点火装置和燃爆装置。
燃爆装置包括射孔外壳10，射孔外壳内部中空，射孔外壳侧壁下端设有多个射孔，孔径各不相同，相邻两个射孔间距不同，环状聚能弹药9被点燃后产生的气流经过不同射孔形成不同频率的冲击波动，交替作用地层。射孔外壳内部底端放置环状聚能弹药9，环状聚能弹药上方设有圆台凹槽8，圆台凹槽顶面倾斜、圆心处设有中空通孔。
点火装置包括圆台塞体5，圆台塞体5底面形状与圆台凹槽8顶面形状相匹配，圆台塞体5圆心处设有中空通孔，圆台塞体5的中空通孔底端设有点火开关7、点火开关上方设有引燃弹药6，圆台塞体的中空通孔顶端与弹药接头一端连接，弹药接头另一端设有承压板1。弹药接头上端与承压板衔接，下端与引燃弹药连接。
圆台凹槽的中空通孔与圆台塞体的中空通孔、环状聚能弹药的内径直径相同。当圆台塞体与圆台凹槽移动配合后，圆台塞体中空通孔中的引燃弹药、点火开关可以顺利通过圆台凹槽的中空通孔进入环状聚能弹药中。
实施例2：
一种分离式高能气体压裂装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，圆台塞体中空通孔顶端设有凸起层3，凸起层内置内螺纹，弹药接头2一端与凸起层3螺纹连接。
实施例3：
一种分离式高能气体压裂装置，其结构如实施例2所述，所不同的是，点火装置还包括销钉4，销钉贯穿弹药接头装置下方，卡在凸起层外侧。销钉抗剪强度为30MPa。
实施例4：
一种分离式高能气体压裂装置，其结构如实施例3所述，所不同的是，射孔外壳底部为筛孔挡板11，如图2所示，筛孔挡板中心位置设置撞针12，撞针周围的筛孔挡板上设有筛孔13。筛孔挡板上放置环状聚能弹药，当撞针与点火开关接触并挤压后点燃引燃弹药。
承压板1及圆台塞体5在向井内输送下行过程中，管柱内的液体从筛孔挡板11的筛孔13中进入地层中，不会产生憋压。
实施例5：
利用实施例4所述分离式高能气体压裂装置的压裂方法，包括步骤如下：
(1)安装燃爆装置：将筛孔挡板放在射孔外壳最底端，然后再将环状聚能弹药放在筛孔挡板上，调整水平后再放入圆台凹槽，保证各部分紧密接触；
(2)将安装好的燃爆装置连接在油管下端，随着油管下入井中的目的层位；
(3)安装点火装置：弹药接头上端与承压板相连接，下端安装着引燃弹药，引燃弹药下端携带着点火开关，圆台塞体上的凸起层内置螺纹并与弹药接头啮合，并用销钉使弹药接头和圆台塞体牢固，此时引燃弹药及点火开关内置于圆台塞体中空；
(4)从井口下入点火装置，然后利用泵车向井内泵液加压，推动连接着圆台塞体5及引燃弹药6的承压板1向下运动，直至圆台塞体5下至目的层位，通过泵送的方式将点火装置送达井底，圆台塞体与圆台凹槽成功吻合；
(5)继续增加泵压至30MPa，直至销钉发生剪切破坏，销钉4发生断裂，承压板1带动连接着引燃弹药6的弹药接头2下行，直至完全填入环状聚能弹药9的中空，此时引燃弹药及点火开关进入环状聚能弹药中空位置，点火开关与筛孔挡板撞针接触；
(6)继续施加泵压至60MPa，点火开关内部材料受筛孔挡板上的撞针挤压而释放巨大热量，引燃弹药被点燃；
(7)引燃弹药发生爆炸连接着环状聚能弹药被成功点火，产生高速气流经射孔冲击压裂地层；
(8)高能气体压裂作业结束，打捞井内装置，检查油气井。
实验例1
以油层段井深3000m、地层破裂压力65MPa为例所采用的分离式高能气体压裂工艺施工过程如下：
1、本实例中个别器件尺寸：油管直径73mm；引燃弹药长450mm,直径30mm；点火开关长100mm，直径30mm；射孔外壳直径71mm；环状聚能弹药内径30mm；外径70mm，长550mm；筛孔挡板厚15mm，直径70mm。
2、环状聚能弹药配方：硝酸铵：48％，尿素：8％，甘油：11％，清水：30％，硝酸钾：3％，该弹药为常规弹药。
3、具体施工步骤：
(1)安装燃爆装置：将筛孔挡板放在射孔外壳最底端，然后再将环状聚能弹药放在筛孔挡板上，调整水平后再放入圆台凹槽，保证各部分紧密接触。
(2)将安装好的燃爆装置连接在油管下端，随着油管下入井中的目的层位。
(3)安装点火装置：弹药接头上端与承压板相连接，下端安装着引燃弹药，引燃弹药下端携带着点火开关，圆台塞体上的凸起层内置螺纹并与弹药接头啮合，并用销钉使弹药接头和圆台塞体牢固，此时引燃弹药及点火开关内置于圆台塞体中空。
(4)从井口下入点火装置，然后利用泵车向井内泵液加压，通过泵送的方式将点火装置送达井底，圆台塞体与圆台凹槽成功吻合。
(5)继续增加泵压至30MPa，直至销钉发生剪切破坏，此时引燃弹药及点火开关进入环状聚能弹药中空位置，点火开关与筛孔挡板撞针接触。
(6)继续施加泵压至60MPa，点火开关内部材料受筛孔挡板上的撞针挤压而释放巨大热量，引燃弹药被点燃。
(7)引燃弹药发生爆炸连接着环状聚能弹药被成功点火，产生高速气流经射孔冲击压裂地层。
(8)高能气体压裂作业结束，打捞井内装置，检查油气井。
本次实例中点火装置与燃爆装置分别顺次下入井中，直至到达目的层位才实现接触，避免了在下井过程中发生提前燃爆的可能；引燃弹药被内置在圆台塞体中且下端携带点火开关，下井过程中引燃弹药不会因碰撞井壁或发生挤压而产生爆炸；点火装置向下运移，油管中的液体通过底部筛孔挡板的筛孔计入地层，避免产生憋压；射孔外壳底部布满不同孔径的射孔，高速气流经过射孔后产生不同频率的冲击波动，交替作用地层，进一步提高了破岩造缝作用。
实验例2
以油层段井深3600m、地层破裂压力75MPa为例所采用的分离式高能气体压裂工艺施工过程如下：
1、本实例中个别器件尺寸：油管直径73mm；引燃弹药长550mm,直径30mm；点火开关长100mm，直径30mm；射孔外壳直径71mm；环状聚能弹药内径30mm；外径70mm，长650mm；筛孔挡板厚15mm，直径70mm。
2、环状聚能弹药配方：硝酸铵：50％，尿素：7％，甘油：11％，清水：29％，硝酸钾：3％，该弹药为常规弹药。
除此之外，本实施例的其它参数和具体施工工艺与实验例1相同。
实验例3
以气层段井深4200m、破例压力85MPa为例所采用的分离式高能气体压裂工艺施工过程如下：
1、本实例中个别器件尺寸：油管直径73mm；引燃弹药长650mm,直径30mm；点火开关长100mm，直径30mm；射孔外壳直径71mm；环状聚能弹药内径30mm；外径70mm，长750mm；筛孔挡板厚15mm，直径70mm。
2、环状聚能弹药配方：硝酸铵：56％，尿素：5％，甘油：9％，清水：27％，硝酸钾：3％，该弹药为常规弹药。
除此之外，本实施例的其它参数和具体施工工艺与实验例1相同。
Claims (9)
1.一种分离式高能气体压裂装置，其特征在于，包括点火装置和燃爆装置；
燃爆装置包括射孔外壳，射孔外壳内部中空，射孔外壳侧壁下端设有射孔，射孔外壳内部底端放置环状聚能弹药，环状聚能弹药上方设有圆台凹槽，圆台凹槽顶面倾斜、圆心处设有中空通孔；
点火装置包括圆台塞体，圆台塞体底面形状与圆台凹槽顶面形状相匹配，圆台塞体圆心处设有中空通孔，圆台塞体的中空通孔底端设有点火开关、点火开关上方设有引燃弹药，圆台塞体的中空通孔顶端与弹药接头一端连接，弹药接头另一端设有承压板。
2.根据权利要求1所述的分离式高能气体压裂装置，其特征在于，射孔数量为至少三个，孔径各不相同，相邻两个射孔间距不同。
3.根据权利要求1所述的分离式高能气体压裂装置，其特征在于，圆台塞体中空通孔顶端设有凸起层，凸起层内置内螺纹，弹药接头一端与凸起层螺纹连接。
4.根据权利要求3所述的分离式高能气体压裂装置，其特征在于，点火装置还包括销钉，销钉贯穿弹药接头装置下方，卡在凸起层外侧。
5.根据权利要求4所述的分离式高能气体压裂装置，其特征在于，销钉抗剪强度为30MPa。
6.根据权利要求4所述的分离式高能气体压裂装置，其特征在于，射孔外壳底部为筛孔挡板，筛孔挡板中心位置设置撞针，撞针周围的筛孔挡板上设有筛孔。
7.根据权利要求1所述的分离式高能气体压裂装置，其特征在于，圆台凹槽的中空通孔与圆台塞体的中空通孔、环状聚能弹药的内径直径相同。
8.根据权利要求1所述的分离式高能气体压裂装置，其特征在于，井深3000m～5000m的油层段，井深每增加600m，引燃弹药长度和环状聚能弹药长度分别增加100mm-150mm。
9.利用权利要求6所述分离式高能气体压裂装置的压裂方法，包括步骤如下：
(1)安装燃爆装置：将筛孔挡板放在射孔外壳最底端，然后再将环状聚能弹药放在筛孔挡板上，调整水平后再放入圆台凹槽；
(2)将安装好的燃爆装置连接在油管下端，随着油管下入井中的目的层位；
(3)安装点火装置：弹药接头上端与承压板相连接，下端安装着引燃弹药，引燃弹药下端携带着点火开关，圆台塞体上的凸起层内置螺纹并与弹药接头啮合，并用销钉使弹药接头和圆台塞体牢固，此时引燃弹药及点火开关内置于圆台塞体中空；
(4)从井口下入点火装置，然后利用泵车向井内泵液加压，通过泵送的方式将点火装置送达井底，圆台塞体与圆台凹槽成功吻合；
(5)继续增加泵压至30MPa，直至销钉发生剪切破坏，此时引燃弹药及点火开关进入环状聚能弹药中空位置，点火开关与筛孔挡板撞针接触；
(6)继续施加泵压至60MPa，点火开关内部材料受筛孔挡板上的撞针挤压而释放巨大热量，引燃弹药被点燃；
(7)引燃弹药发生爆炸连接着环状聚能弹药被成功点火，产生高速气流经射孔冲击压裂地层；
(8)高能气体压裂作业结束，打捞井内装置，检查油气井。
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