CN112576215A - 一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置及施工方法 - Google Patents

一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置及施工方法，包括依次连接的钻杆、连接短节、悬挂封隔器、压裂管柱、裸眼封隔器和多个超声波振动投球滑套，所述钻杆的端部连接有注水装置，所述的超声波振动投球滑套包括滑套外壳，所述的滑套外壳内安装有球座，球座内分布有多个超声波振动器，所述的滑套外壳上设有压裂液喷口。本发明利用超声波振动在液体中产生空化作用及其本身能量密度高、定向性强的特点，一方面可快速对油页岩层产生大量的微裂纹，另一方面可设定振动方向，实现定向压裂，该方法效率高，可节省压裂过程中所需要的注水量，同时可对指定区域进行定向压裂，提高了油气产量。

Description

一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置及施工方法
技术领域
本发明涉及一种超声波装置及施工方法，尤其涉及一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置及施工方法。
背景技术
非常规油气藏开采难度大，开发成本高，原有的水平井管内投球固井分段压裂技术主要存在以下几个问题：(1)压裂效率低：由于油页岩的渗透率极低，即使压裂了，天然气从基质或天然裂缝到压裂裂缝的可流动距离较短。(2)定向性差：由于油页岩的非均质性，造成压裂所形成的裂缝不能很好的按照预定的方向发展，进而无法在油气区域充分覆盖，造成了开采效率的降低。(3)耗水量大：为了提高开采效率，往往会通过提高水力压裂压力即增大注水量的方法，但该方法消耗了大量的水资源，且容易增加地下水资源污染的概率。
超声波振动是一种频率高于20KHz的振动，由于其方向性强，振动频率高，单位面积能量强，在油页岩层传播的过程中，由于压裂液体的存在产生空化现象，局部压力剧增，同时伴有强烈的冲击波和微射流，可对油页岩进行快速、大量造微裂纹，形成应力集中区域，进而为宏观裂纹的扩展提供了良好的形成条件。同时由于其方向性强的特点，解决了常规水力压裂方法定位能力差的缺点，可精确地控制造裂方向，使得生成的裂纹充分覆盖含油气区域，提高生产效率。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置及施工方法，提高了油页岩地层开采油气资源效率。
技术方案：本发明包括依次连接的钻杆、连接短节、悬挂封隔器、压裂管柱、裸眼封隔器和多个超声波振动投球滑套，所述钻杆的端部连接有注水装置，所述的超声波振动投球滑套包括滑套外壳，所述的滑套外壳内安装有球座，球座内分布有多个超声波振动器，所述的滑套外壳上设有压裂液喷口。
所述的超声波振动器包括超声波压电陶瓷，所述的超声波压电陶瓷底部安装有固定板，所述的固定板与球座外壳过盈配合。
所述超声波振动投球滑套内的超声波振动器的振动方向排布在统一轴线上。
所述超声波振动投球滑套的端部连接有引鞋，引导套管顺利下至孔底。
所述的滑套外壳上插接有孔底电池。
一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置的施工方法，包括以下步骤：
(1)进行孔内处理、设备连接、孔底电源设备充电等准备工作；
(2)对孔底电池进行充电；
(3)进行通井、刮管，保证井筒内干净、畅通；
(4)按照设计分段压裂距离安装上述超声波水力压裂装置；
(5)将压裂管柱推送到已部署在工作面顶板预定范围内的第一裸眼水平井中，直至第一超声波振动投球滑套对准第一压裂段并在压裂管柱内投入第一压裂球，并保证超声波振动器产生的超声波振动传播方向指向富油富气区；
(6)将钻杆与地面的高压注水装置相连接，向压裂管柱内注入压裂液，将第一压裂球推至第一球座，继续加压使悬挂封隔器和裸眼封隔器完全座封，当所有的裸眼封隔器和悬挂封隔器完全座封后，继续注水加压直至第一超声波振动投球滑套的限位钉被剪断，第一超声波振动投球滑套发生滑动，露出压裂液喷口，形成压裂通道，同时，球座的高压防水公接头与孔底电池的高压防水母接头对接，形成电流通路，超声波振动器开始激发出超声波振动；
(7)当高压注水装置压力上升到达顶板岩层破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，直至高压注水装置的排量压力值从压力持续稳定至排量压力值出现突然下降直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业；
(8)向压裂管柱内投入第二压裂球，重复步骤(6)和步骤(7)以使第二压裂球位于与第二压裂段对应的第二球座，并通过注入压裂液以使与第二压裂段对应的第二超声波振动投球滑套开启以完成对第二压裂段的压裂作业；
(9)待各段压裂完成后，各段的压裂球被返回的液体冲开，第一口压裂井实现生产；
(10)重复步骤(2)～(8)，完成第二口压裂井。
有益效果：本发明利用超声波振动在液体中产生空化作用及其本身能量密度高、定向性强的特点，一方面可快速对油页岩层产生大量的微裂纹，另一方面可设定振动方向，实现定向压裂，该方法效率高，可节省压裂过程中所需要的注水量，同时可对指定区域进行定向压裂，提高了油气产量。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的超声波振动投球滑套半剖面示意图；
图3为本发明的球座及超声波振动器示意图；
图4为本发明的超声波振动器分布图；
图5为本发明孔底电池的正剖面和侧剖面示意图；
图6为本实施例第一口压裂井中超声波振动器朝向及压裂效果示意图；
图7为本实施例第二口压裂井中超声波振动器朝向及压裂效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括依次连接的高压注水装置1、钻杆2、连接短节3、悬挂封隔器4、压裂管柱5、裸眼封隔器6、多个超声波振动投球滑套7及引鞋8，以上部件之间均采用丝扣连接。
如图2所示，超声波振动投球滑套7包括上接头71、滑套外壳72、压裂球73、压裂液喷口74、球座75、限位钉76、孔底电池77和超声波振动器78。球座75与孔底电池77插接于滑套外壳72内，球座75内分布有三个超声波振动器78，三个超声波振动器78总的辐射角度为120°。超声波振动器78的振动频率根据所压裂地层岩石特性进行确定，坚硬地层，超声波振动器78的振动频率选择为30HKz，偏硬地层，超声波振动器78的振动频率为20KHz。安装超声波振动投球滑套7时，需要将每一节超声波振动投球滑套7内的超声波振动器78的振动方向排布在统一轴线上，以保证定向压裂方向相同。超声波振动投球滑套7中的通电导线752和超声波振动器连接导线784外侧包裹有绝缘层。
如图3所示，球座75由球座外壳751、通电导线752及高压防水公接头753组成。如图5所示，孔底电池77由高压防水母接头771、充电接头772及储电体773组成。如图3和图4所示，超声波振动器78由超声波压电陶瓷781、销钉782、固定板783及超声波振动器连接导线784组成，通过销钉782将固定板783与超声波压电陶瓷781相连接，固定板783与球座外壳751之间过盈配合。通过超声波振动器连接导线784将不同位置处的超声波压电陶瓷781相互连接实现开路，保证通电后同时运作。通过超声波压电陶瓷781激发出超声波振动，利用超声波振动的空化作用及单位面积能量高的特性，达到快速萌生大量微裂纹的作用。同时由于其方向性强的特性，可对预定方向处的岩石进行破坏，形成应力集中区域，进而在水力压裂作用下形成分布良好、数量大的宏观裂纹，有利于油气的开采。
在某沉积地层区域，通过物探、化探和钻探手段，圈定了富油富气区11，利用超声波辅助造裂水力压裂设备进行地层压裂，对油气资源开采，具体步骤如下：
(1)根据要求，本次富油区位于孔底100-150m深度区域，需对此区域进行压裂，为了提高开采效率，分两层多段进行压裂；
(2)在开始压裂前，将外置电源接头与孔底电池77的充电接头772对接，对孔底电池77进行充电；
(3)进行通井、刮管，保证井筒内干净、畅通；
(4)按照设计分段压裂距离对水力压裂装置进行安装，包括钻杆2、连接短节3、悬挂封隔器4、压裂管柱5、裸眼封隔器6、超声波振动投球滑套7及引鞋8；
(5)用钻机将压裂管柱5推送到已部署在工作面顶板预定范围内的第一裸眼水平井9中，直至第一超声波振动投球滑套对准第一压裂段并在压裂管柱5内投入第一压裂球，在此过程中，保证超声波振动器78产生的超声波振动传播方向指向富油富气区11，即在第一口水平井中，朝向为向下；
(6)将钻杆2与地面的高压注水装置1相连接，开启高压注水装置1，向压裂管柱5内注入压裂液以将第一压裂球推至第一球座，继续加压使悬挂封隔器4和裸眼封隔器6完全座封，当所有的裸眼封隔器6和悬挂封隔器4完全座封后，继续注水加压直至第一超声波振动投球滑套的限位钉76被剪断，第一超声波振动投球滑套发生滑动，露出压裂液喷口74，形成压裂通道，同时，球座75的高压防水公接头753与孔底电池77的高压防水母接头771对接，形成电流通路，超声波振动器78开始激发出超声波振动，超声波振动频率选择为20KHz；
(7)当高压注水装置1压力上升到达顶板岩层破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，直至高压注水装置1的排量压力值从压力持续稳定至排量压力值出现突然下降直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业；
(8)向压裂管柱5内投入第二压裂球，重复步骤(6)和步骤(7)以使第二压裂球位于与第二压裂段对应的第二球座，并通过注入压裂液以使与第二压裂段对应的第二超声波振动投球滑套开启，以完成对第二压裂段的压裂作业；
(9)待各段压裂完成后，各段的压裂球73被返回的液体冲开，第一口压裂井实现生产，由于超声波振动方向性强，因此在水平井下方产生的裂纹多；
(10)重复步骤(2)～(4)，将组装后的设备用钻机推送到已部署在工作面顶板预定范围内的第二裸眼水平井10中，直至第一超声波振动投球滑套对准第一压裂段并在压裂管柱5内投入第一压裂球，在此过程中，保证超声波振动器78产生的超声波振动传播方向指向富油富气区11，即在第二口水平井中，朝向为向上；
(11)重复步骤(6)～(8)，待各段压裂完成后，压裂球73被返回的液体冲开，第二口压裂井实现生产，由于超声波振动方向性强，因此在水平井上方产生的裂纹多，因此实现了第一口压裂井和第二口压裂井之间的贯通，提高了生产效率。

Claims (6)

1.一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置，其特征在于，包括依次连接的钻杆(2)、连接短节(3)、悬挂封隔器(4)、压裂管柱(5)、裸眼封隔器(6)和多个超声波振动投球滑套(7)，所述钻杆(2)的端部连接有注水装置(1)，所述的超声波振动投球滑套(7)包括滑套外壳(72)，所述的滑套外壳(72)内安装有球座(75)，球座(75)内分布有多个超声波振动器(78)，所述的滑套外壳(72)上设有压裂液喷口(74)。
2.根据权利要求1所述的一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置，其特征在于，所述的超声波振动器(78)包括超声波压电陶瓷(781)，所述的超声波压电陶瓷(781)底部安装有固定板(783)，所述的固定板(783)与球座外壳(751)过盈配合。
3.根据权利要求1所述的一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置，其特征在于，所述超声波振动投球滑套(7)内的超声波振动器(78)的振动方向排布在统一轴线上。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置，其特征在于，所述超声波振动投球滑套(7)的端部连接有引鞋(8)。
5.根据权利要求1所述的一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置，其特征在于，所述的滑套外壳(72)上插接有孔底电池(77)。
6.一种用于油页岩分段水力压裂的超声波装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)进行孔内处理、设备连接、孔底电源设备充电等准备工作；
(2)对孔底电池进行充电；
(3)进行通井、刮管，保证井筒内干净、畅通；
(4)按照设计分段压裂距离安装上述超声波水力压裂装置；
(5)将压裂管柱推送到已部署在工作面顶板预定范围内的第一裸眼水平井中，直至第一超声波振动投球滑套对准第一压裂段并在压裂管柱内投入第一压裂球，并保证超声波振动器产生的超声波振动传播方向指向富油富气区；
(6)将钻杆与地面的高压注水装置相连接，向压裂管柱内注入压裂液，将第一压裂球推至第一球座，继续加压使悬挂封隔器和裸眼封隔器完全座封，当所有的裸眼封隔器和悬挂封隔器完全座封后，继续注水加压直至第一超声波振动投球滑套的限位钉被剪断，第一超声波振动投球滑套发生滑动，露出压裂液喷口，形成压裂通道，同时，球座的高压防水公接头与孔底电池的高压防水母接头对接，形成电流通路，超声波振动器开始激发出超声波振动；
(7)当高压注水装置压力上升到达顶板岩层破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，直至高压注水装置的排量压力值从压力持续稳定至排量压力值出现突然下降直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业；
(8)向压裂管柱内投入第二压裂球，重复步骤(6)和步骤(7)以使第二压裂球位于与第二压裂段对应的第二球座，并通过注入压裂液以使与第二压裂段对应的第二超声波振动投球滑套开启以完成对第二压裂段的压裂作业；
(9)待各段压裂完成后，各段的压裂球被返回的液体冲开，第一口压裂井实现生产；
(10)重复步骤(2)～(8)，完成第二口压裂井。
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