CN112012707B - 可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法，该工具包括，可溶喷嘴，用于向井内喷射顶替液冲刷沉砂；可溶叶轮结构，连接于所述可溶喷嘴的一端，用于转动产生涡流推动携砂液；可溶胶塞，能转动地连接于所述可溶叶轮结构远离所述可溶喷嘴的一端，用于刮掉井内余砂且将余砂顶替到压裂裂缝内；顶替液通道，贯通设置于所述可溶胶塞、所述可溶叶轮结构和所述可溶喷嘴内，用于输入顶替液；所述可溶喷嘴、所述可溶叶轮结构和所述可溶胶塞均由可溶材料单元构成。该可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法中采用的零部件由可溶材料构成，所需顶替液量少，顶替效率高，施工效率高，能有效提高油气井的产量。

Description

可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法

技术领域

本发明涉及石油工业技术领域，尤其涉及一种可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法。

背景技术

在水平井分段改造工艺中应用最多的是桥塞分段改造工艺，一般情况下，桥塞采用电缆方式下入，为了施工安全，在压裂过程中往往需要进行过顶替作业，而过顶替作业会将井筒附近的沉砂推向裂缝深处，造成压力下降，使井筒附近的裂缝闭合，造成“包饺子”现象，导致裂缝缝口的导流能力降低，从而降低压裂井的产能。因此需要研究顶替作业新工艺，减少过顶替量。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法，克服现有技术中存在的过顶替作业导致压力下降、导流能力低、顶替效率低、产能低等问题，该可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法中采用的零部件由可溶材料构成，所需顶替液量少，顶替效率高，施工效率高，能有效提高油气井的产量。

本发明的目的是这样实现的，一种可溶压裂顶替冲砂工具，包括，

可溶喷嘴，用于向井内喷射顶替液冲刷沉砂；

可溶叶轮结构，固定连接于所述可溶喷嘴的一端，用于转动产生涡流推动携砂液；

可溶胶塞，用于刮掉井内余砂且将余砂顶替到压裂裂缝内，所述可溶叶轮结构与所述可溶胶塞能转动地连接；

顶替液通道，贯通设置于所述可溶胶塞、所述可溶叶轮结构和所述可溶喷嘴内，用于输入顶替液；

所述可溶喷嘴、所述可溶叶轮结构和所述可溶胶塞均由可溶材料单元构成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述可溶喷嘴远离所述可溶叶轮结构的一端呈封闭设置，所述可溶喷嘴上沿轴向设置一端开口的喷嘴中心孔，所述喷嘴中心孔的侧壁上间隔设置多个喷孔，所述喷孔沿所述喷嘴中心孔的侧壁切向设置，所述顶替液通道与所述喷孔连通设置，顶替液经所述顶替液通道和所述喷孔向井内喷射。

在本发明的一较佳实施方式中，所述可溶叶轮结构包括叶轮本体，所述叶轮本体的外壁上设置多个叶片。

在本发明的一较佳实施方式中，所述可溶喷嘴的一端设置喷嘴内螺纹，所述叶轮本体的一端外壁上设置能与所述喷嘴内螺纹密封连接的叶轮外螺纹。

在本发明的一较佳实施方式中，所述叶轮本体内能转动地穿设轴向固定的叶轮转轴，所述叶轮转轴远离所述可溶喷嘴的一端位于所述叶轮本体的外侧且构成连接端，所述连接端上固定连接所述可溶胶塞；所述叶轮转轴上沿轴向设置用于过液的转轴中心孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述叶轮转轴的连接端密封连接有连接轴套，所述连接轴套上套设所述可溶胶塞，所述可溶胶塞的外壁上设置倾斜设置刮齿。

在本发明的一较佳实施方式中，所述连接轴套的外壁上设置外凸的卡接凸齿，所述可溶胶塞的内壁上设置能卡套于所述卡接凸齿上的卡接凹槽，所述可溶胶塞通过所述卡接凹槽和所述卡接凸齿连接于所述连接轴套的外壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述连接轴套上设置轴向贯通的连接轴套中心孔，所述连接轴套中心孔靠近所述可溶叶轮结构的一端设置连接套内螺纹，所述叶轮转轴的连接端设有与所述连接套内螺纹匹配的连接端外螺纹。

在本发明的一较佳实施方式中，所述可溶喷嘴上沿轴向设置喷嘴中心孔，所述可溶叶轮结构沿轴向贯通设置叶轮结构中心孔，所述可溶胶塞的内部沿轴向贯通设置胶塞中心孔，所述胶塞中心孔、所述叶轮结构中心孔和所述喷嘴中心孔连通构成所述顶替液通道。

本发明的目的还可以这样实现，使用前述的可溶压裂顶替冲砂工具的压裂方法，包括以下步骤：

步骤a、第一级压裂加砂结束后，向井下的套管内预定位置下入可溶压裂顶替冲砂工具，泵入顶替液；

步骤b、顶替液通过顶替液通道后经前端的可溶喷嘴喷出，冲刷套管沉砂；位于中部的可溶叶轮结构在套管内产生涡流，推动携砂液；位于后端的可溶胶塞刮掉套管内的余砂，将套管内余砂顶替到压裂裂缝中；

步骤c、顶替结束后，将可溶压裂顶替冲砂工具推至井筒末端自然溶解；

步骤d、向井内下入可溶桥塞工具，下至预定位置后可溶桥塞工具坐封，进行射孔及套管压裂；

步骤e、第二级压裂作业完成后，重复步骤a至c，再继续下一级射孔及压裂；

步骤f、压裂全部结束后进行放喷，将可溶压裂顶替冲砂工具和可溶桥塞工具的碎块返排出地面；

步骤g、向井内下入后续生产工具，完井。

由上所述，本发明提供的可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法具有如下有益效果：

本发明提供的可溶压裂顶替冲砂工具中，用于可溶桥塞压裂作业中的顶替作业，所需顶替液量少，顶替效率高，避免过顶替现象对压裂效果的影响，从而能有效提高油气井的产量；可溶喷嘴、可溶叶轮结构和可溶胶塞均由可溶材料单元构成，能在井液中可以自然溶解，压裂施工完毕后，通过放喷将可溶压裂顶替冲砂工具剩余碎块返排至地面，施工效率高，可保证套管生产通道的顺畅无阻；本发明提供的压裂方法中，顶替效率高，避免过顶替现象对压裂效果的影响，可溶压裂顶替冲砂工具采用的零部件由可溶材料构成，施工效率高。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的可溶压裂顶替冲砂工具的等轴测图。

图2：为本发明的可溶压裂顶替冲砂工具的侧视图。

图3：为图2中A-A剖视图。

图4：为图3中B-B剖视图。

图中：

100、可溶压裂顶替冲砂工具；

1、可溶喷嘴；10、喷嘴中心孔；11、喷孔；

2、可溶叶轮结构；

21、叶轮本体；22、叶片；23、叶轮转轴；230、转轴中心孔；

3、可溶胶塞；

31、连接轴套；310、连接轴套中心孔；311、卡接凸齿；32、刮齿。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图4所示，本发明提供一种可溶压裂顶替冲砂工具100，包括，

可溶喷嘴1，用于向井内喷射顶替液冲刷沉砂；

可溶叶轮结构2，固定连接于可溶喷嘴1的一端，用于转动产生涡流推动携砂液；

可溶胶塞3，用于刮掉井内余砂且将余砂顶替到压裂裂缝内，可溶叶轮结构2与可溶胶塞3能转动地连接；

顶替液通道，贯通设置于可溶胶塞3、可溶叶轮结构2和可溶喷嘴1内，用于输入顶替液；

可溶喷嘴1、可溶叶轮结构2和可溶胶塞3均由可溶材料单元构成，在井液中可以自然溶解。可溶材料单元为可溶合金材料，一般采用熔炼和热挤压工艺制成；可溶合金材料制成的结构件，除了具备良好的溶解性能外，还兼备高强度和一定的塑性。可溶合金材料组成不同，力学性能及溶解速率各异，可以根据实际需求确定具体材质。现有技术中存在一种可溶合金材料，其基本参数如下：可溶合金材料密度约1.86g/cm³左右，为钢材料的1/4；耐温150/120℃，抗拉强度大于430MPa；可在含有电解质的水溶液中溶解，溶解速度与使用温度及环境有关。在本发明的一具体实施例中，可溶材料单元耐压80MPa，耐温50-120℃，在90℃压裂液浸泡15天后可完全溶解，溶解残留物为颗粒状或絮状固相物。

本发明提供的可溶压裂顶替冲砂工具中，用于可溶桥塞压裂作业中的顶替作业，所需顶替液量少，顶替效率高，避免过顶替现象对压裂效果的影响，从而能有效提高油气井的产量；可溶喷嘴、可溶叶轮结构和可溶胶塞均由可溶材料单元构成，能在井液中可以自然溶解，压裂施工完毕后，通过放喷将可溶压裂顶替冲砂工具剩余碎块返排至地面，施工效率高，可保证套管生产通道的顺畅无阻。

进一步，如图1、图3、图4所示，可溶喷嘴1远离可溶叶轮结构2的一端呈封闭设置，可溶喷嘴1上沿轴向设置一端开口的喷嘴中心孔10，喷嘴中心孔10的侧壁上间隔设置多个喷孔11，喷孔11沿喷嘴中心孔10的侧壁切向设置，顶替液通道与喷孔11连通设置，顶替液经顶替液通道和喷孔11向井内喷射。在本发明的一具体实施例中，可溶喷嘴1的侧壁上间隔设置8个喷孔11。顶替液能够经过多个喷孔11均匀喷射向井内，均匀冲刷套管沉砂。

进一步，如图1、图2、图3所示，可溶叶轮结构2包括叶轮本体21，叶轮本体21的外壁上设置多个叶片22。在本实施方式中，可溶喷嘴1的一端设置喷嘴内螺纹，叶轮本体21的一端外壁上设置能与喷嘴内螺纹密封连接的叶轮外螺纹。

进一步，如图3所示，叶轮本体21内能转动地穿设轴向固定的叶轮转轴23，叶轮转轴23远离可溶喷嘴1的一端位于叶轮本体21的外侧且构成连接端，连接端上固定连接可溶胶塞3；叶轮转轴23上沿轴向设置用于过液的转轴中心孔230。可溶胶塞3主要用于轴向刮掉井内余砂且将余砂顶替到压裂裂缝内，其运动为轴向移动；可溶叶轮结构2在井内液体的冲击下产生涡流，推动携沙液，其运动主要为周向转动，叶轮转轴23能够实现可溶叶轮结构2与可溶胶塞3之间的相对转动。

进一步，如图3所示，叶轮转轴23的连接端密封连接有连接轴套31，连接轴套31上套设可溶胶塞3，可溶胶塞3的外壁上设置倾斜设置刮齿32。可溶胶塞3主要用于轴向刮掉井内余砂且将余砂顶替到压裂裂缝内，其运动为轴向移动，连接轴套31与叶轮转轴23连接，叶轮转轴23可以保持周向不动，叶轮本体21在液流冲击作用下能相对叶轮转轴23转动，从而实现可溶叶轮结构2相对可溶胶塞3的相对转动。

在本实施方式中，如图3所示，连接轴套31的外壁上设置外凸的卡接凸齿311，可溶胶塞3的内壁上设置能卡套于卡接凸齿311上的卡接凹槽，可溶胶塞3通过卡接凹槽和卡接凸齿连接于连接轴套31的外壁上。

进一步，如图3所示，连接轴套31上设置轴向贯通的连接轴套中心孔310，连接轴套中心孔310用于顶替液流通；连接轴套中心孔310靠近可溶叶轮结构2的一端设置连接套内螺纹，叶轮转轴23的连接端设有与连接套内螺纹匹配的连接端外螺纹。

进一步，如图3所示，可溶喷嘴1上沿轴向设置喷嘴中心孔10，可溶叶轮结构2沿轴向贯通设置叶轮结构中心孔，在本实施方式中，转轴中心孔230构成叶轮结构中心孔；可溶胶塞3的内部沿轴向贯通设置胶塞中心孔，在本实施方式中，可溶胶塞3的内腔和连接轴套中心孔310连通构成胶塞中心孔；胶塞中心孔、叶轮结构中心孔和喷嘴中心孔连通构成顶替液通道。

本发明还提供一种前述的可溶压裂顶替冲砂工具100的压裂方法，包括以下步骤：

步骤a、第一级压裂(可溶压裂顶替冲砂工具100的使用环境是已经存在压裂后的油井，使用可溶压裂顶替冲砂工具100的时机，不限制于第一级压裂之后，可以是认为必要的任一级压裂之后)加砂结束后，向井下的套管内预定位置下入可溶压裂顶替冲砂工具100，泵入顶替液；

步骤b、顶替液通过顶替液通道后经前端(本文中的前端指图1中所述可溶喷嘴的自由端方向)的可溶喷嘴1喷出，冲刷套管沉砂；位于中部的可溶叶轮结构2在顶替液的冲刷下，带动前端的可溶喷嘴1转动，在套管内产生涡流，推动携砂液；位于后端的可溶胶塞3推动套管内的携砂液，刮掉套管内的余砂，将套管内余砂顶替到压裂裂缝中，防止余砂沉积井底形成砂卡；

步骤c、顶替结束后，将可溶压裂顶替冲砂工具100推至井筒末端自然溶解；

步骤d、向井内下入可溶桥塞工具(现有技术，能够在井下与井液反应实现自然溶解)，下至预定位置后可溶桥塞工具坐封，进行射孔及套管压裂(现有技术)；

具体地，使用磁定位仪对井下进行实时校深，保证下入位置准确。

步骤e、第二级压裂作业完成后，重复步骤a至c，再继续下一级射孔及压裂；

步骤f、压裂全部结束后进行放喷，将可溶压裂顶替冲砂工具和可溶桥塞工具的碎块返排出地面；

步骤g、向井内下入后续生产工具，完井。

由上所述，本发明提供的可溶压裂顶替冲砂工具及压裂方法具有如下有益效果：

本发明提供的可溶压裂顶替冲砂工具中，用于可溶桥塞压裂作业中的顶替作业，所需顶替液量少，顶替效率高，避免过顶替现象对压裂效果的影响，从而能有效提高油气井的产量；可溶喷嘴、可溶叶轮结构和可溶胶塞均由可溶材料单元构成，能在井液中可以自然溶解，压裂施工完毕后，通过放喷将可溶压裂顶替冲砂工具剩余碎块返排至地面，施工效率高，可保证套管生产通道的顺畅无阻；本发明提供的压裂方法中，顶替效率高，避免过顶替现象对压裂效果的影响，可溶压裂顶替冲砂工具采用的零部件由可溶材料构成，施工效率高。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种可溶压裂顶替冲砂工具，其特征在于，包括，

可溶喷嘴，用于向井内喷射顶替液冲刷沉砂；所述可溶喷嘴上沿轴向设置一端开口的喷嘴中心孔，所述喷嘴中心孔的侧壁上间隔设置多个喷孔，所述喷孔沿所述喷嘴中心孔的侧壁切向设置，顶替液通道与所述喷孔连通设置，顶替液经所述顶替液通道和所述喷孔向井内喷射；

可溶叶轮结构，固定连接于所述可溶喷嘴的一端，用于转动产生涡流推动携砂液；所述可溶喷嘴远离所述可溶叶轮结构的一端呈封闭设置；

可溶胶塞，用于刮掉井内余砂且将余砂顶替到压裂裂缝内，所述可溶叶轮结构与所述可溶胶塞能转动地连接；

顶替液通道，贯通设置于所述可溶胶塞、所述可溶叶轮结构和所述可溶喷嘴内，用于输入顶替液；

所述可溶喷嘴、所述可溶叶轮结构和所述可溶胶塞均由可溶材料单元构成，可溶材料单元为可溶合金材料，可溶合金材料密度为1.86g/cm³，为钢材料的1/4；耐温150/120℃，抗拉强度大于430MPa；在含有电解质的水溶液中溶解。

2.如权利要求1所述的可溶压裂顶替冲砂工具，其特征在于，所述可溶叶轮结构包括叶轮本体，所述叶轮本体的外壁上设置多个叶片。

3.如权利要求2所述的可溶压裂顶替冲砂工具，其特征在于，所述可溶喷嘴的一端设置喷嘴内螺纹，所述叶轮本体的一端外壁上设置能与所述喷嘴内螺纹密封连接的叶轮外螺纹。

4.如权利要求2所述的可溶压裂顶替冲砂工具，其特征在于，所述叶轮本体内能转动地穿设轴向固定的叶轮转轴，所述叶轮转轴远离所述可溶喷嘴的一端位于所述叶轮本体的外侧且构成连接端，所述连接端上固定连接所述可溶胶塞；所述叶轮转轴上沿轴向设置用于过液的转轴中心孔。

5.如权利要求4所述的可溶压裂顶替冲砂工具，其特征在于，所述叶轮转轴的连接端密封连接有连接轴套，所述连接轴套上套设所述可溶胶塞，所述可溶胶塞的外壁上设置倾斜设置刮齿。

6.如权利要求5所述的可溶压裂顶替冲砂工具，其特征在于，所述连接轴套的外壁上设置外凸的卡接凸齿，所述可溶胶塞的内壁上设置能卡套于所述卡接凸齿上的卡接凹槽，所述可溶胶塞通过所述卡接凹槽和所述卡接凸齿连接于所述连接轴套的外壁上。

7.如权利要求5所述的可溶压裂顶替冲砂工具，其特征在于，所述连接轴套上设置轴向贯通的连接轴套中心孔，所述连接轴套中心孔靠近所述可溶叶轮结构的一端设置连接套内螺纹，所述叶轮转轴的连接端设有与所述连接套内螺纹匹配的连接端外螺纹。

8.如权利要求1所述的可溶压裂顶替冲砂工具，其特征在于，所述可溶叶轮结构沿轴向贯通设置叶轮结构中心孔，所述可溶胶塞的内部沿轴向贯通设置胶塞中心孔，所述胶塞中心孔、所述叶轮结构中心孔和所述喷嘴中心孔连通构成所述顶替液通道。

9.使用如权利要求1至8任一项所述的可溶压裂顶替冲砂工具的压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、第一级压裂加砂结束后，向井下的套管内预定位置下入可溶压裂顶替冲砂工具，泵入顶替液；

步骤b、顶替液通过顶替液通道后经前端的可溶喷嘴喷出，冲刷套管沉砂；位于中部的可溶叶轮结构在套管内产生涡流，推动携砂液；位于后端的可溶胶塞刮掉套管内的余砂，将套管内余砂顶替到压裂裂缝中；

步骤c、顶替结束后，将可溶压裂顶替冲砂工具推至井筒末端自然溶解；

步骤d、向井内下入可溶桥塞工具，下至预定位置后可溶桥塞工具坐封，进行射孔及套管压裂；

步骤e、第二级压裂作业完成后，重复步骤a至c，再继续下一级射孔及压裂；

步骤f、压裂全部结束后进行放喷，将可溶压裂顶替冲砂工具和可溶桥塞工具的碎块返排出地面；

步骤g、向井内下入后续生产工具，完井。

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