CN113464113B - 一种用于形成人工复杂缝网的装置、系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于形成人工复杂缝网的缝网装置、系统及方法，包括：柔性杆，所述柔性杆的底部弯折形成弯折部；金属球，所述金属球固定在所述弯折部的端部位置处。将柔性杆从地面井口下入到套管环空中存在人工裂缝的位置；将金属球经套管射孔伸入到人工裂缝主缝内部，使金属球距离主缝尖端一定距离；压裂液从柔性杆周围流过，在裂缝壁面形成周期变化且沿裂缝长度非均匀分布的缝内载荷，在所述裂缝载荷的作用下裂缝壁面围岩发生疲劳损伤，形成支缝。本发明中采用上述装置和方法能够形成复杂的缝网，提高了支缝形成的成功率、实现定点形成支缝、形成多条支缝的目的。

Description

一种用于形成人工复杂缝网的装置、系统以及方法

技术领域

本发明属于石油与天然气储层改造技术领域，具体涉及一种用于形成人工复杂缝网的装置、系统以及方法。

背景技术

随着世界经济的快速发展，各个国家地区对于石油与天然气的需求也与日俱增。目前传统油气资源的开采已难以满足现阶段的需求，石油工业步入从常规油气开发转换到非常规油气开发的新阶段，低渗，页岩，致密储层等非常规油气的开采受到了广泛的关注。

水力压裂是一项有广泛应用前景的油气井增产措施。该项技术是通过向储层中注入高粘度压裂液。随着低渗，页岩，致密的储层油气开采占比越来越大，应用传统的水力压裂技术面临着地层起裂压力高的问题，导致难以在储层中产生复杂缝网，储层改造体积的增大困难重重；而且地面工作人员和压裂设备面临着来自地面压裂泵高泵压的安全隐患。

为了解决上述问题，目前压裂改进的一个方向是疲劳水力压裂，该技术能够使岩石疲劳破坏，累积损伤，降低岩石的抗拉强度，引起地层起裂压力的降低。疲劳水力压裂的三种形式包括：

(1)循环压裂:周期性通过压裂泵注加压，停泵卸压，再泵注加压。频繁启动和停止加载的循环处理会使油气储层岩石发生疲劳破坏。

(2)脉动压裂：一种是通过地面变频改变压裂泵的转速，将排量的稳定输出转为周期性的脉冲压力波，继而的脉动压力使得井底油气储层受到交变应力发生疲劳破坏。另一种是在井底设置脉动转化器将管柱中压力液转化成脉动的压裂液，实现岩石疲劳损伤。

(3)波动注入：通过快速改变压裂泵的工作转速形成不稳定的排量，在井底产生一个振动源，诱发油气储层微地震事件和对其作用交变应力造成破坏。

以上三种改进的水力压裂方法虽然能够产生疲劳荷载，但其弊端也很明显，循环压裂频繁的启动和停止会对泵造成一定损伤，脉动压裂和波动注入都对变频压裂泵的要求极高，目前不易研发。而在井底设置脉动转化装置在实施和维护上都存在一定难度，上述方法产生的疲劳荷载是在从地面到井底整个管柱中流动，这就导致井筒也可能发生疲劳损伤。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于形成人工复杂缝网的装置、系统及方法，能够形成复杂缝网，且不需要频繁启动或停止压裂泵，也不会损坏井筒。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于形成人工复杂缝网的装置，包括：

柔性杆，所述柔性杆的杆尖穿过套管并通过所述套管上的射孔深入到储层压裂形成的主缝中，所述柔性杆被配置为保证压裂液能够从所述柔性杆周围流过，以在所述柔性杆的杆尖处引起卡门涡街效应；

球状件，所述球状件固定在所述柔性杆的杆尖处，所述球状件被配置为扩大所述柔性杆的杆尖处的卡门涡街效应。

进一步地，所述柔性杆的直径小于所述主缝的宽度，所述球状件的直径略大于所述柔性杆的直径。

进一步地，所述柔性杆为钢丝，所述球状件为金属球。

进一步地，包括所述的装置、传感器、计算机系统以及驱动机构；

所述传感器固定安装在所述柔性杆上且靠近杆尖处，用于检测所述球状件向主缝内移动的距离，并将检测到的信号发送给位于地面上的计算机系统；

所述计算机系统用于接收所述传感器检测到的所述信号，并根据所述检测到的信号生成控制信号，发送给所述驱动机构；

所述驱动机构用于接收所述控制信号并控制所述柔性杆深入至主缝内的距离。

进一步地，所述驱动机构为微型马达。

一种用于形成人工复杂缝网的方法，基于所述的装置，包括：

将柔性杆从地面井口下入到套管环空中存在人工裂缝的位置；

将球状件经套管射孔伸入到人工裂缝主缝内部，使球状件距离主缝尖端一定距离；

压裂液从柔性杆周围流过，在裂缝壁面形成周期变化且沿裂缝长度非均匀分布的缝内载荷，在所述裂缝载荷的作用下裂缝壁面围岩发生疲劳损伤，形成支缝；

将所述柔性杆向后移动以使所述球状件移动至下一个位置处，重复上述步骤，直至沿着主缝的长度方形成多条支缝；

退出柔性杆且增大压裂液排量，使各分支缝充分扩展，达到形成复杂人工缝网。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)避免井筒的疲劳损伤，从而避免套损。井筒的泵注方式与常规压裂的泵注方式一致，而且变载荷只在杆尖部分区域产生，因此，不会引起井筒的疲劳损伤。

(2)实现定点改造，精度高。缝内变载荷只在杆尖附近小区域产生，因此，只要控制住杆的长度，即可准确控制住支缝产生的位置，提高了支缝形成的成功率、实现定点形成支缝、形成多条支缝的目的。

(3)实现装置简单，对现有压裂工艺影响较小。可利用细钢丝作为本专利中的柔性杆。人工裂缝主缝的宽度通常大于1cm，而细钢丝的直径为毫米级别，常用的细钢丝有直径为0.1mm的，完全能够进入人工裂缝主缝。利用微型马达，将细钢丝伸入主缝之中，并在主缝中移动。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的人工复杂缝网的装置的使用状态视图；

附图标记说明

1-柔性杆、2-金属球、3-射孔、4-套管、5-套管环空、F-压裂液的流动方向、6-主缝、7-缝内载荷、8-支缝。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种用于形成人工复杂缝网的装置，包括柔性杆1和金属球2，所述柔性杆1的底部弯折形成弯折部；所述金属球2固定在所述弯折部的端部位置处。所述柔性杆1的直径小于主缝6的宽度，所述金属球2的直径略大于所述柔性杆1的直径。

钻进过程中套管4内形成的空间为套管环空5，射孔弹在所述套管4上穿设形成射孔3，压裂泵将压裂液泵入至套管4中，并在所述套管环空5中流过，通过所述射孔3在储层中压裂形成主缝6。

所述柔性杆1的直径要小于主缝6宽度，以保证压裂液能够从柔性杆1周围流过，引起卡门涡街效应。所述柔性杆1占用空间很小，几乎不占用套管环空5内部空间。所述柔性杆1可以是直径为毫米级别的细钢丝等，主缝6的宽度通常大于1cm，常用的毫米级别细钢丝完全可以进入主缝6，这种程度的柔性杆1下入套管环空5中几乎不会对现有压裂工艺产生影响。所述柔性杆1的杆尖处连接着直径略大于柔性杆1截面直径的金属球2，以扩大杆尖处的卡门涡街效应。

当压裂液从柔性杆1周围流过后，会发生卡门涡街现象，杆尖流场将发生改变，形成周期变化的漩涡，进而在主缝6壁面形成周期变化的缝内载荷7，所述缝内载荷7沿主缝6的长度方向非均匀分布，在缝内载荷的作用下，裂缝壁面围岩将发生疲劳损伤。此外，杆尖载荷比主缝6尖端载荷大，因此在疲劳损伤和较大的载荷共同作用下，可压开杆尖附近区域的围岩，形成支缝8。向后拖动柔性杆1，可实现定点致裂围岩的目的，多次操作后，沿主缝6将形成多条支缝8，达到形成复杂缝网的目的。图1中的W指代的是支缝形成的方向。

基于上述装置，本发明还提供了一种用于形成人工复杂缝网的方法，包括步骤：

(1)在油气藏开发的储层改造过程中，初次压裂形成主缝6后，利用暂堵球将主缝6堵住，再利用地面升降机械设备将柔性杆1从地面井口下入到套管环空5中存在人工裂缝的位置；

(2)将柔性杆1伸入到主缝6内，使金属球2距离主缝6尖端一段距离；

(3)压裂液从柔性杆1以及所述柔性杆1的完弯折部周围流过，图1中的F指代的是压裂液的流动方向，金属球2处流场将发生改变，压裂液在金属球2周围发生卡门涡街现象，在其周围形成周期变化的缝内载荷7，在所述缝内载荷7的作用下，裂缝壁面围岩将发生疲劳损伤。此外，由于柔性杆1的杆尖载荷比主缝6的尖端载荷大，在疲劳损伤和较大的载荷共同作用下，可压开杆尖附近区域的围岩，形成分支缝8。

(4)多次拖拽柔性杆1令金属球处于不同位置后，再持续定排量注入压裂液，沿主缝6将形成多条支缝8，直至形成所有设计的支缝8，图1中W指代的是支缝8的形成方向；

(5)退出柔性杆1，增大压裂液排量，使各分支缝8充分扩展，达到形成复杂人工缝网，增大储层改造体积的目的。

采用本发明提供的方法，能够避免井筒的疲劳损伤，从而避免套损。现有的常规方法是在井筒内形成变载荷，并传到至裂缝中，由于流体的损耗，井筒内的变载荷强度和频率都比裂缝中的强烈，有引发井筒疲劳损伤而造成套损的风险，制约了变载荷压裂技术的现场实施。本发明提出的方法，井筒的泵注方式与常规压裂的泵注方式一致，而且变载荷只在杆尖部分区域产生，因此，不会引起井筒的疲劳损伤；

所述方法可在指定位置形成高频变载荷，增强了围岩的疲劳损伤程度，而且，在局部形成非均匀分布载荷，可在局部范围内，形成多处载荷峰值，提高了支缝9形成的成功率、实现定点形成支缝9、形成多条支缝9的目的。实现定点改造，精度高。受控于卡门涡街现象，缝内变载荷只在杆尖附近小区域产生，因此，只要控制住杆的长度，即可准确控制住支缝9产生的位置，实现定点形成支缝9的目的。

本发明另一个实施例，还包括一种用于形成人工复杂缝网的系统，包括上述实施例提供的用于形成人工复杂缝网的装置、传感器、计算机系统以及驱动机构。

所述传感器固定安装在所述柔性杆1的弯折部上，用于检测所述金属球2向主缝6内移动的距离，并将检测到的信号发送给位于地面上的计算机系统；

所述计算机系统用于接收所述传感器检测到的所述信号，并根据所述检测到的信号生成控制信号，发送给所述驱动机构；

所述驱动机构用于接收所述控制信号并控制所述柔性杆1深入至主缝6内的距离。

所述驱动机构优选为微型马达。

本发明中通过将柔性杆1与位置传感器等装置配合使用，以测量柔性杆1向主缝6内移动的距离，记录杆尖位置，并将所记录的位置信息反馈给地面计算机系统，以实现对改造位置的实时监测。所述柔性杆1的移动可由地面计算机系统远程控制微型马达装置不断拖拽柔性杆从主缝内退出以实现定点造缝，使杆尖位于主缝6内的不同位置以实现裂缝壁面的定点改造。

所述微型马达装置将柔性杆1折叠嵌入其中，所述柔性杆1从所述微型马达装置右端伸出，并在使用的过程中向后拖拽嵌入其中的柔性杆1，改变柔性杆1向主缝6内移动的距离。

本发明提供的用于形成人工复杂缝网的装置、系统及方法：

(1)避免井筒的疲劳损伤，从而避免套损，井筒的泵注方式与常规压裂的泵注方式一致，而且变载荷只在杆尖部分区域产生，因此，不会引起井筒的疲劳损伤。

(2)实现定点改造，精度高。缝内变载荷只在杆尖附近小区域产生，因此，只要控制住杆的长度，即可准确控制住支缝产生的位置，提高了支缝形成的成功率、实现定点形成支缝、形成多条支缝的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于形成人工复杂缝网的装置，其特征在于，包括：

柔性杆，所述柔性杆的杆尖穿过套管并通过所述套管上的射孔深入到储层压裂形成的主缝中，所述柔性杆被配置为保证压裂液能够从所述柔性杆周围流过，以在所述柔性杆的杆尖处引起卡门涡街效应；

球状件，所述球状件固定在所述柔性杆的杆尖处，所述球状件被配置为扩大所述柔性杆的杆尖处的卡门涡街效应。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性杆的直径小于所述主缝的宽度，所述球状件的直径略大于所述柔性杆的直径。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述柔性杆为钢丝，所述球状件为金属球。

4.一种用于形成人工复杂缝网的系统，其特征在于，包括传感器、计算机系统、驱动机构以及如权利要求1～3中任一项所述的装置；

所述传感器固定安装在所述柔性杆上且靠近杆尖处，用于检测所述球状件向主缝内移动的距离，并将检测到的信号发送给位于地面上的计算机系统；

所述计算机系统用于接收所述传感器检测到的所述信号，并根据所述检测到的信号生成控制信号，发送给所述驱动机构；

所述驱动机构用于接收所述控制信号并控制所述柔性杆深入至主缝内的距离。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述驱动机构为微型马达。

6.一种用于形成人工复杂缝网的方法，基于如权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，包括：

将柔性杆从地面井口下入到套管环空中存在人工裂缝的位置；

将球状件经套管射孔伸入到人工裂缝主缝内部，使球状件距离主缝尖端一定距离；

压裂液从柔性杆周围流过，在裂缝壁面形成周期变化且沿裂缝长度非均匀分布的缝内载荷，在裂缝载荷的作用下裂缝壁面围岩发生疲劳损伤，形成支缝；

将所述柔性杆向后移动以使所述球状件移动至下一个位置处，重复上述步骤，直至沿着主缝的长度方形成多条支缝；

退出柔性杆且增大压裂液排量，使各分支缝充分扩展，达到形成复杂人工缝网。

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