CN113622890A - 一种喷射器、入井管柱、三叉接头及交替喷射压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种喷射器、入井管柱、三叉接头及交替喷射压裂方法，属于油气增产改造领域。所述喷射器包括喷射器本体，在所述喷射器本体上设置有多个喷嘴；多个喷嘴设置在所述喷射器本体上的同一轴向位置处，且在周向上均匀分布。本发明利用设置有周向加密小喷嘴的喷射器，集中喷射能量扩展一条主缝，有利于主缝扩展和延伸，同时裂缝中冷热交替注入温差较大的不同液体，产生了极大的热应力，从而使不同尺度裂缝快速开启，提高了主缝长度与分支缝复杂程度。

Description

一种喷射器、入井管柱、三叉接头及交替喷射压裂方法

技术领域

本发明属于油气增产改造领域，具体涉及一种喷射器、入井管柱、三叉接头及交替喷射压裂方法。

背景技术

目前，水力喷射压裂技术已获得推广应用，并在中石油、中石化等主力油田区块取得了一定的效果。现在的水力喷射压裂主要分为两种方式，一种是不动管柱，可实现10段以上的施工作业能力；另一种是可动管柱，可实现的分段能力还可进一步增加。此外，单个喷嘴的过砂数量目前为10余方，如按6个喷嘴则一次施工的总加砂量可达60方左右，基本满足目前储层条件对加砂量的需求。

水力喷射压裂的基本原理是通过高速水射流(喷射速度在130m/s以上)同时携带一定比例的支撑剂增加打磨穿透效果，实现射孔、压裂的一体化，通过注入油管高速喷射带来的负压效果，吸收环孔注入的压裂液，只要环空注入的排量设计得当，会形成该段压裂的水力封隔效果，同时在喷射等速核(淹没射流条件下，一般长度可达0.5-0.6m左右)之外，靠水力作用继续延伸裂缝。

中国专利公开文献201510451674.8公开了增加页岩气压裂裂缝复杂性的方法,其包括：随地层脆性指数提高，降低压裂液的粘度；根据天然裂缝的缝长及缝宽延伸的范围，控制加砂时机；以及增加压裂液粘度、液量、排量及施工啥也比中的一者或多者，以促使主裂缝多次转向。该方法能够增大压裂裂缝体积，提高分段压裂的效果；中国专利公开文献201711428558.X公开了一种提高深层页岩气裂缝复杂性的压裂方法，采用前置高粘胶液+低粘滑溜水+高粘胶液模式，用140-230目及70-140目支撑剂将各尺度裂缝充填饱和，提高深层页岩气压裂裂缝复杂性及有效改造体积。本发明利用压裂前期优化设计确定液体性能参数、裂缝参数及相应的施工参数，采用前置高粘胶液+低粘滑溜水+高粘胶液模式，利用优化快速及同步破胶技术，利用140-230目及70-140目支撑剂，最终提高了深层页岩气压裂裂缝复杂性及有效改造体积，利于页岩气井的增产及稳产；中国专利公开文献201780055126.0公开了使用远场转向体系增强裂缝复杂性的方法，其通过使用包含可溶解转向剂微粒和支撑剂的转向体系，可以将井处理流体的流动从地下地层内的裂缝网络内的高渗透区带转向到低渗透区带。用所述转向体系的所述支撑剂将所述高渗透区带的至少一部分支撑敞开，并用所述转向剂微粒封堵所述高渗透区带的至少一部分。然后将流体泵入所述地下地层中并进入距离所述井筒更远的所述地层的较低渗透区带中。然后，可以将所述高渗透区带中的所述转向剂微粒在原位储层条件下溶解，并且从所述裂缝网络的所述高渗透支撑区域中开采烃类。所述转向体系特别适用于增强烃类从位于井筒远场的裂缝网络中的高渗透区带中的开采；中国专利公开文献201810722680.6公开了深部干热岩高低温流体交替喷射辅助水力压裂造缝的方法，其包括：布置井网，初次水力压裂形成主裂缝；以较短的交替时间向主裂缝中交替进行高温高压流体和低温水的注入；通过极大温差的热力作用和射流产生的冲击作用使主裂缝表面的岩石产生微裂隙；通过多级压裂，促使微裂隙在低温水基压裂液和高压作用下进一步扩张形成更多微裂缝，反复循环，直至主裂缝和微裂缝相互搭接连通，最终使注入井与生产井之间形成裂缝群和/或裂缝带；最后注入携砂液、支撑剂和顶替液，关井完成造缝，构建出高效换热储层。该方法利用温差产生的热应力作用能够显著提高裂缝的数量，形成裂隙网络，增加热储空间提高换热效率。

但上述技术仍存在局限性，如由于井口限压的约束，注入排量受限，而导致裂缝延伸条件不佳，尤其是裂缝的复杂性程度由于净压力难以有效快速提升而大受影响。因此，压后的效果也一般不尽人意。亟需研究提出一种新的水力喷射技术，以解决上述局限性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种喷射器、入井管柱、三叉接头及交替喷射压裂方法，通过周向加密小喷嘴喷射器集中喷射能量扩展一条主缝，有利于主缝的扩展和延伸，同时裂缝中冷热交替注入温差较大的不同液体，会产生极大的热应力，从而使不同尺度裂缝快速开启，实现提高主缝长度与分支缝复杂程度的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一个方面，提供了一种喷射器，所述喷射器包括喷射器本体，在所述喷射器本体上设置有多个喷嘴；

多个喷嘴设置在所述喷射器本体上的同一轴向位置处，且在周向上均匀分布。

本发明的进一步改进在于，每个所述喷嘴的直径为2-4mm。

本发明的进一步改进在于，在一个所述喷射器本体上设置的喷嘴的数量为8-16个。

本发明的进一步改进在于：每个所述喷嘴的直径为2-4mm；在一个所述喷射器本体上设置的喷嘴的数量为8-16个。

本发明的第二个方面，提供了一种入井管柱，所述入井管柱包括从下往上依次连接的：导向头、单向阀、喷射器、油管、安全接头、油管；

所述喷射器采用上述喷射器。

本发明的第三个方面，提供了一种三叉接头，所述三叉接头包括：第一入口、第二入口和出口，三者形成Y字形的三通结构。

所述三叉接头的出口与高压管汇的入口连接，所述高压管汇的出口与压裂井口连接，上述入井管柱连接在所述压裂井口上；

所述第一入口与压裂泵车的出口连接；

所述第二入口与液氮泵车的出口连接。

本发明的进一步改进在于，在所述第一入口内设置有单向阀，该单向阀内的介质流动方向为从压裂泵车的出口流入第一入口。

本发明的进一步改进在于，在所述第二入口内设置有单向阀，该单向阀内的介质流动方向为从液氮泵车的出口流入第二入口。

本发明的进一步改进在于，在所述第一入口内设置有单向阀，该单向阀内的介质流动方向为从压裂泵车的出口流入第一入口；在所述第二入口内设置有单向阀，该单向阀内的介质流动方向为从液氮泵车的出口流入第二入口。

本发明的第四个方面提供了一种交替喷射压裂方法，所述方法包括：

将上述三叉接头的出口与高压管汇的入口连接、第一入口与压裂泵车的出口连接、第二入口与液氮泵车的出口连接；将所述高压管汇的出口与压裂井口连接，将上述入井管柱连接在所述压裂井口上；将所述入井管柱入井，并使入井管柱上的喷射器到达目标层位处；

在压裂过程中交替泵注滑溜水与支撑剂混合液、液氮。

本发明的进一步改进在于，所述在压裂过程中交替泵注滑溜水与支撑剂混合液、液氮是这样实现的：

利用压裂泵车通过所述三叉接头的第一入口向高压管汇泵注滑溜水与支撑剂混合液时，液氮泵车不工作，第二入口内的单向阀阻止高压液体进入到液氮泵车内；

利用液氮泵车通过所述三叉接头的第二入口向高压管汇泵注液氮时，压裂泵车不工作，第一入口内的单向阀阻止高压液氮进入到压裂泵车内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用设置有周向加密小喷嘴喷射器，集中喷射能量扩展一条主缝，有利于主缝扩展和延伸，同时裂缝中冷热交替注入温差较大的不同液体，产生了极大的热应力，从而使不同尺度裂缝快速开启，提高了主缝长度与分支缝复杂程度。

附图说明

图1三叉接头的接头示意图；

图2(a)为喷射器正视结构示意图；

图2(b)为图2(a)中的AA截面剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

【实施例一】

目前常规喷射器上的喷嘴是呈螺旋状按对称的方位角分布于喷射器本体上的，喷嘴的内通径为4-6mm，在一个喷射器本体上设置的喷嘴5的数量为4-8个，采用现有喷射器的螺旋布局喷射，由于每个喷嘴5对应一个横切面，多个喷嘴5对应了多个横切面，这样喷射压裂能量就被分散了，不利于裂缝的合并延伸，无法形成周向缝，也就无法形成一条主缝。

因此，为使每个喷嘴5产生的裂缝完全合并延伸，本发明提供了一种周向加密小喷嘴喷射器，如图2(a)和图2(b)所示，在喷射器本体上设置的喷嘴5的直径为2-4mm，在一个喷射器本体上设置的喷嘴5的数量为8-16个，而且所有的喷嘴5设置在喷射器本体上的同一轴向位置处，且在周向上均匀分布，即在圆周上均匀分布，这样在喷射压裂时，通过在同一轴向位置处周向均布的多个喷嘴5能够在套管同一深度位置处形成8-16个孔眼。压裂作业时所有孔眼起裂连通形成同一个周向缝，即主缝。所形成的主缝是一个横切面主缝，这样喷射压裂能量集中，有利于主缝的延伸与扩展，实际使用时，通过具体井的地应力、井深及井口限压等分析计算，选择合理的喷嘴数目与喷嘴直径，保证喷射速度达到130m/s—220m/s即可。具体的，每个喷嘴的结构采用现有喷射器中喷嘴的结构即可。

【实施例二】

本发明还提供了一种入井管柱，所述入井管柱包括从下往上依次连接的：导向头、单向阀、喷射器、油管、安全接头、油管，所述喷射器采用实施例一所述的喷射器。

【实施例三】

如图1所示，本发明还提供了一种三叉接头，所述三叉接头包括第一入口2、第二入口3和出口1，三者形成Y字形的三通结构。所述三叉接头的出口1与高压管汇的入口连接，高压管汇的出口与压裂井口连接，实施例二所述的入井管柱连接在压裂井口上。

所述第一入口2与压裂泵车的出口连接，经压裂泵车泵注的滑溜水与支撑剂的混合液从该第一入口2进入。所述第二入口3与液氮泵车的出口连接。

优选的，在所述第一入口2和第二入口3内分别设置有单向阀4，第一入口2内的单向阀4的介质流动方向为从压裂泵车的出口流入第一入口2，第二入口3内的单向阀4的介质流动方向为从液氮泵车的出口流入第二入口。

本发明还提供了一种提高裂缝复杂性的液氮与滑溜水交替喷射压裂方法，所述方法包括：

压裂过程中交替泵注滑溜水与支撑剂混合液、液氮。具体的，利用压裂泵车通过第一入口2泵注滑溜水与支撑剂混合液时，液氮泵车不工作，由于第二入口3内的单向阀的存在，高压液体不会进入到液氮泵车内；利用液氮泵车通过第二入口3泵注液氮时，压裂泵车不工作，同样由于第一入口2内的单向阀的存在，高压液氮不会进入到压裂泵车内(即两种情况下，相应液体只能从对应泵车通过三叉接头进入到高压管汇，而不会进入到其它的泵车内)中，保证了两套泵注系统互不干涉。

由于在1个大气压下液氮的温度低至-196℃，即使在注入过程中的加温效应，到达裂缝中的温度也应低于-100℃，由于裂缝中冷热交替注入不同的压裂液(即滑溜水与支撑剂混合液、液氮的交替注入)，会产生极大的热应力，进而导致不同尺度裂缝的快速开启。本发明的交替泵注方法利用了液氮的超低温与储层的温度差产生的热应力效应，促进了复杂裂缝的大幅度形成。

此外，液氮的密度为0.81g/cm³，即使交替注入喷射，对3000m左右垂深的井层而言，密度差造成的井口压力上升幅度在6mpa左右，也不至于对施工造成很大的操作性问题。同时在高速喷射时产生的负压效应，会促进一部分液氮发生气化，进一步降低了温度。且液氮的喷射速度在同等条件下大于滑溜水的喷射速度(根据伯努利方程可知，喷嘴前后压差

同等压差条件下，密度越小，喷射速度越大，因为液氮的密度小，所以喷射速度快。)，这对裂缝内液氮的快速分布及热应力对复杂缝的促进效应都具有积极的作用。而气泡的形成及破灭(气泡在后续加压过程中必然破灭)，又进一步产生了空化效应，可进一步产生压力冲击波，促进裂缝复杂性程度的提升。

【实施例四】

利用本发明方法对某油田进行水利喷射，具体如下：

(1)某油田一口改造目标层位深度为3000米的低渗透致密砂岩气井，经过论证采用喷射压裂作业能够提高采收率，选用本发明提供的滑溜水及液氮交替注入的水力喷射方法。

(2)参数优化设计。采用常规压裂设计方法，依据本井层的温度、压力、应力及岩石力学参数等条件，结合滑溜水及液氮的密度与摩阻等数据，模拟计算不同排量下的井口压力、井底喷射速度等，以井底喷射速度在130-220m/s为目标函数，尽量接近190m/s，确定现场施工的注入模式及工艺参数：喷射压裂增产改造方式，喷嘴直径4mm，喷射器布局喷嘴个数为12，施工排量1.5-2m³/min，其中最佳排量1.75m³/min。

(3)模拟滑溜水及液氮交替泵注过程中的裂缝温度场，应用压裂设计常用的商业模拟软件(如fracpro pt、stimplan及gofher等)进行压裂设计。压裂设计就是确定压裂施工详细的泵注程序，排量、用液量、液体类型、泵注时间、泵注浓度、泵注量等。

本口井设计采用gofher软件，模拟滑溜水及液氮在既定的注入模式及阶段液量与设计排量的条件下，模拟井筒及裂缝中的温度场，由此进一步模拟确定滑溜水在不同注入阶段的配方。结合本井温度场模拟研究含砂液的流变性，确定砂液比1％-3％。

(4)工具入井。组装好实施例二所述的入井管柱，将入井管柱入井，确保喷射器在3000m井深位置。

(5)地面压裂设备摆放及管汇连接。按常规要求进行压裂液罐、支撑剂罐及压裂泵车、液氮泵车、仪表车等的摆放。本井要进行滑溜水与液氮交替泵注，地面管线连接时，入井管柱的一端(即“导向头—单向阀—喷射器—油管—安全接头—油管”中的最后一个油管)与压裂井口连接，压裂井口与高压管汇的出口连接，高压管汇的入口与三叉接头的出口1连接，三叉接头的第一入口2与压裂泵车的出口连接，第二入口3与液氮泵车的出口连接。

(6)射孔、压裂联作施工。在以上基础上，按步骤(2)优化的注入模式及参数，进行射孔及压裂联作施工注入。射孔时要打开环空闸门，且液氮射孔时随着压力及温度的降低，可促进射孔带来的岩屑颗粒的携带能力。泵注时进行交替泵注，交替泵注用液体量与泵注时间均是根据第2步的压裂设计得到的。为提高泵注的稳定性，在泵注的中后期全部用滑溜水，在最后采用了少量高黏度的压裂液。而现有的工艺是只泵注滑溜水与支撑剂混合液，而本发明是交替泵注滑溜水与支撑剂混合液、液氮。

(7)顶替作业。按本井泵注设计程序，进行顶替作业，液量、排量及顶替液的黏度，均按设计参数进行注入。本井为直井，采用了欠顶替作业方式(对水平井分段压裂可采用适度过顶替作业方式)。顶替作业采用常规作业方法完成，在此不再赘述。

(8)压后返排、测试及正式生产等，参照常规流程及参数执行。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (12)

1.一种喷射器，其特征在于：所述喷射器包括喷射器本体，在所述喷射器本体上设置有多个喷嘴；

多个喷嘴设置在所述喷射器本体上的同一轴向位置处，且在周向上均匀分布。

2.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于：每个所述喷嘴的直径为2-4mm。

3.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于：在一个所述喷射器本体上设置的喷嘴的数量为8-16个。

4.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于：每个所述喷嘴的直径为2-4mm；

在一个所述喷射器本体上设置的喷嘴的数量为8-16个。

5.一种入井管柱，其特征在于：所述入井管柱包括从下往上依次连接的：导向头、单向阀、喷射器、油管、安全接头、油管；

所述喷射器采用如权利要求1到4任一项所述的喷射器。

6.一种三叉接头，其特征在于：所述三叉接头包括：第一入口、第二入口和出口，三者形成Y字形的三通结构。

7.根据权利要求6所述的三叉接头，其特征在于：所述三叉接头的出口与高压管汇的入口连接，所述高压管汇的出口与压裂井口连接，如权利要求5所述的入井管柱连接在所述压裂井口上；

所述第一入口与压裂泵车的出口连接；

所述第二入口与液氮泵车的出口连接。

8.根据权利要求7所述的三叉接头，其特征在于：在所述第一入口内设置有单向阀，该单向阀内的介质流动方向为从压裂泵车的出口流入第一入口。

9.根据权利要求7所述的三叉接头，其特征在于：在所述第二入口内设置有单向阀，该单向阀内的介质流动方向为从液氮泵车的出口流入第二入口。

10.根据权利要求7所述的三叉接头，其特征在于：在所述第一入口内设置有单向阀，该单向阀内的介质流动方向为从压裂泵车的出口流入第一入口；

在所述第二入口内设置有单向阀，该单向阀内的介质流动方向为从液氮泵车的出口流入第二入口。

11.一种交替喷射压裂方法，其特征在于：所述方法包括：

将如权利要求6-10任一项所述的三叉接头的出口与高压管汇的入口连接、第一入口与压裂泵车的出口连接、第二入口与液氮泵车的出口连接；将所述高压管汇的出口与压裂井口连接，将如权利要求5所述的入井管柱连接在所述压裂井口上；将所述入井管柱入井，并使入井管柱上的喷射器到达目标层位处；

在压裂过程中交替泵注滑溜水与支撑剂混合液、液氮。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述在压裂过程中交替泵注滑溜水与支撑剂混合液、液氮是这样实现的：

利用压裂泵车通过所述三叉接头的第一入口向高压管汇泵注滑溜水与支撑剂混合液时，液氮泵车不工作，第二入口内的单向阀阻止高压液体进入到液氮泵车内；

利用液氮泵车通过所述三叉接头的第二入口向高压管汇泵注液氮时，压裂泵车不工作，第一入口内的单向阀阻止高压液氮进入到压裂泵车内。

Images