CN115596422B - 连续油管水平井页岩油定向压裂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气田开发技术领域，是一种连续油管水平井页岩油定向压裂装置及方法，前者包括从上至下依次连接在一起的连接器、马达头总成、扶正器、脉冲发生装置、自调节定向器、喷枪和引鞋。本发明结构合理而紧凑，脉冲发生装置使得在喷嘴出口端的脉冲流体在压裂过程中脉冲射流能够实现射孔孔眼内增能，流体对轨道管上部内侧作用使得轨道管在上外筒内向下移动，自调节定向器进入水平井段后，导向球先在重力作用下滚落至外环槽的最低点，当导向球移动至导向槽远离外环槽的一端时，导向球和轨道管内流体共同对轨道管作用，使得和轨道管连接的喷枪和喷嘴发生转动。

Description

连续油管水平井页岩油定向压裂装置及方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，是一种连续油管水平井页岩油定向压裂装置及方法。

背景技术

在现有技术中，水平井定向射孔和压裂工具串包括炮弹定向射孔和水平喷射定向射孔两大类，其中炮弹定向射孔工具串仅仅能够完成定向射孔，无法在后续压裂过程中进行定向压裂，而定向水力喷射工具串大部分采用陀螺仪进行定向，此类仅能够在直井中进行定向，如公开号为CN109931042A，名称为“一种定向水力喷砂射孔压裂装置及方法”的专利，此类工具串及压裂方法仅仅能够在直井中应用，而能够实现水平井定向工具串大部分采用偏心结构，利用重力效应定向，且需要辅助传感器来确定定向准确性和精度，公告号为CN214007128U，名称为“一种定向喷射压裂工具串”的专利，该项工具串主要是解决水平井压裂过程中定向射孔的问题，但该工具串需要辅助以传感器来确定工具定向角度，工具串在井下复杂情况下的稳定性有待考究，且该项技术仅能实现定向射孔，对于后续压裂裂缝延伸方向缺少控制手段。

发明内容

本发明提供了一种连续油管水平井页岩油定向压裂装置及方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有压裂工具串存在无法在后续压裂过程中进行定向压裂和对于后续压裂裂缝延伸方向缺少控制手段的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种连续油管水平井页岩油定向压裂装置，包括从上至下依次连接在一起的连接器、马达头总成、扶正器、脉冲发生装置、自调节定向器、喷枪和引鞋，自调节定向器包括上接头、上外筒、下外筒、轨道管、导向球和下接头，上接头上端与脉冲发生装置下端固定安装在一起，上接头下部外侧与上外筒上部内侧密封固定安装在一起，上外筒下部内侧与下外筒上部外侧固定安装在一起，对应上接头下端位置的上外筒内侧套装有下端密封穿过下外筒后位于下外筒下方的轨道管，轨道管上端外侧与上外筒上部内侧密封接触，轨道管内有上下贯通且上部呈上大下小的锥形节流通道，对应下外筒上方位置的轨道管上部外侧设有外环槽，外环槽内安装有导向球，轨道管上部外侧沿圆周间隔均布有至少一个螺旋形导向槽，每个导向槽下端均与外环槽上端连通，对应外环槽下侧和下外筒上端之间位置的轨道管外侧固定有外环台，下外筒上端内侧设有与导向槽下端相对应且开口向内的弧形限位槽，对应下外筒下方位置的轨道管下端外侧与下接头上部内侧固定安装在一起，下接头下端与喷枪上端固定连接，喷枪外侧间隔均布有至少一个喷嘴。

下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述脉冲发生装置可包括盖板、内芯和管体，管体上端内侧与扶正器下端外侧固定安装在一起，管体下端与上接头上端固定安装在一起，管体中央有上下贯通的主流道，管体中部外侧沿圆周间隔均布有若干个开口向外的安装槽，每个安装槽的底壁上均设有开口向外的射流槽，每个安装槽内均固定安装有盖板，每个盖板和对应位置的射流槽内壁均形成射流腔，对应每个射流槽上方位置的安装槽上部均设有径向贯通的进液口，位于进液口下侧的主流道直径小于位于进液口上侧的主流道直径，每个射流槽上部和对应位置的进液口下部均通过竖向设置的汇流槽连通，汇流槽的宽度小于进液口的直径，对应每个盖板位置的管体下部内侧均间隔设有若干个与射流腔连通的出液口，每个射流腔内均固定有能够使得射流腔内的流体流出出液口时具有脉冲效果的内芯，位于前方的内芯包括左导流块、右导流块和分流块，左导流块前侧、右导流块前侧和分流块前侧均与盖板后侧接触，左导流块和右导流块左右对称固定于射流槽左部和右部，左导流块上侧、左导流块左侧与射流槽左部内壁形成倒置L形左回流槽，右导流块上侧、右导流块右侧与射流槽右部内壁形成与左回流槽对称的右回流槽，左回流槽拐角处和右回流槽拐角处均圆弧过渡，左导流块右侧和右导流块左侧形成上窄下宽的脉冲发生槽，脉冲发生槽包括由上至下依次连通的分流槽和涡流槽，分流槽呈上窄下宽的八字形，涡流槽呈矩形，涡流槽下部固定有从上至下逐渐变宽的分流块，分流块上端左侧和上端右侧圆弧过渡，位于其它位置的内芯和前方的内芯结构相同。

上述分流块可包括从上至下依次固定在一起且逐渐变宽的第一分流块、第二分流块和第三分流块，第一分流块上端固定有截面为等腰三角形的分流锥，分流锥上端两侧圆弧过渡，第一分流块下端左侧和第二分流块左部上侧之间以及第一分流块下端右侧和第二分流块右部上侧之间均形成有第一圆弧过渡面，第二分流块下端左侧和第三分流块左部上侧之间以及第二分流块下端右侧和第三分流块右部上侧之间均形成有第二圆弧过渡面。

上述第三分流块下端左侧和左回流槽下端左侧之间以及第三分流块下端右侧和右回流槽下端右侧之间均可形成有第三圆弧过渡面，左导流块下端左右两侧和右导流块下端左右两侧均圆弧过渡。

上述对应第二分流块上侧和下侧位置的管体下部内侧均可左右对称设置有圆形出液口，位于上方的出液口投影与对应位置的第一圆弧过渡面内相切，位于下方的出液口投影与对应位置的第二圆弧过渡面内相切。

上述盖板外侧面可呈与管体相匹配的弧面。

上述下外筒下端外侧可固定有内环台，内环台上部内侧与轨道管外侧之间、轨道管上端外侧与上外筒上部内侧之间均上下间隔设有至少一个密封圈，轨道管下部外侧设有位于最下方密封圈下方的剪切孔，对应剪切孔位置的下外筒下部外侧设有径向贯通的剪切螺孔，剪切螺孔内螺接有端部位于剪切孔内的剪切销钉。

上述对应外环槽位置的上外筒外侧设有径向贯通的安装螺孔，安装螺孔内安装有安装销钉。

上述对应内环台上方位置的下外筒下部内侧可沿圆周间隔均布有若干个内外连通的水眼孔。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种连续油管水平井页岩油定向压裂方法包括以下步骤：

步骤一，确定定向射孔和定向压裂的方向：判断原始地层压力、裂缝发育及地应力分布特征，根据三轴应力特征，同时结合钻井轨迹贴顶或贴底情况以及地质改造需求，确定定向射孔和定向压裂的方向；

步骤二，储层岩石模态分析：利用测井数据计算储层岩石的岩石力学参数并进行模态分析，得出储层岩石主频率和介质波阻抗，所述岩石力学参数包括岩石密度、杨氏模量和泊松比；

步骤三，优化脉冲发生装置：根据储层岩石模态分析数据，优化设计脉冲发生装置的尺寸参数，使得脉冲发生装置脉冲频率达到储层岩石主频率，并根据不同位置的储层岩石介质波阻抗值优化设计脉冲发生装置出口的脉冲射流排量，所述脉冲发生装置的尺寸参数包括进出口直径比、雷诺数、左回流槽和右回流槽截面积；

步骤四，井筒准备：进行洗井、通井刮削，确保工具串通过性；

步骤五，组装工具串：在连续油管的尾端依次连接连接器、马达头总成、扶正器、脉冲发生装置、自调节定向器、喷枪和引鞋；

步骤六，调节喷枪喷嘴的喷射方向：根据储层地质条件和步骤一中确定的定向射孔和定向压裂方向，调节喷枪喷嘴的喷射方向与自调节定向器基准方位线之间的夹角，使得所述夹角符合井筒内射孔和定向压裂方位角的要求；

步骤七，确定射孔及压裂位置：工具串入井后，定位喷枪喷嘴，确定水力喷射射孔及定向压裂的位置；

自调节定向器进入水平井段后，导向球先在重力作用下滚落至外环槽的最低点，轨道管在轨道管内流体的作用下向远离井口的一端移动，然后导向球在外环槽的作用下滚动至对应位置的限位槽内，轨道管继续移动，导向球移动至对应位置的导向槽内，然后导向球在限位槽的约束下继续在导向槽内相对轨道管移动，由于导向球被限位槽约束，导向球在轨道管的导向槽内相对移动时使得轨道管转动，当导向球移动至导向槽远离外环槽的一端时，导向球和轨道管内流体共同对轨道管作用，对轨道管起到定向作用，也使得和轨道管连接的喷枪和喷嘴发生转动，在水平井段内实现轨道管按设定的角度转动，实现喷枪喷嘴角度的定位；

步骤八，喷砂射孔和定向压裂：确定射孔方位角后，从连续油管泵入射孔液进行喷砂射孔，完成喷射射孔后油套环空同注，根据步骤三中脉冲发生装置出口的脉冲射流排量调整连续油管的排量，在喷嘴的脉冲射流引导下实现定向压裂；

步骤九，本簇压裂施工结束后上提连续油管，至需要进行下一簇射孔和压裂位置，重复步骤六至八，直至施工结束。

本发明结构合理而紧凑，脉冲发生装置使得在喷嘴出口端的脉冲流体在压裂过程中脉冲射流能够实现射孔孔眼内增能，流体对轨道管上部内侧作用使得轨道管在上外筒内向下移动，自调节定向器进入水平井段后，导向球先在重力作用下滚落至外环槽的最低点，当导向球移动至导向槽远离外环槽的一端时，导向球和轨道管内流体共同对轨道管作用，使得和轨道管连接的喷枪和喷嘴发生转动。

附图说明

附图1为实施例一的主视结构示意图。

附图2为实施一中自调节定向器的主视剖视结构示意图。

附图3为实施一中下外筒的俯视结构示意图。

附图4为实施例一中脉冲发生装置的主视结构示意图。

附图5为附图4的右视剖视结构示意图。

附图6为脉冲发生装置拆掉盖板和连接螺栓后的主视结构示意图。

附图7为实施例二的主视结构示意图。

附图中的编码分别为：1为盖板，2为连接螺栓，3为管体，4为主流道，5为安装槽，6为汇流槽，7为进液口，8为出液口，9为左导流块，10为右导流块，11为分流锥，12为第一分流块，13为第二分流块，14为第三分流块，15为分流槽，16为涡流槽，17为左回流槽，18为右回流槽，19为第一圆弧过渡面，20为第二圆弧过渡面，21为第三圆弧过渡面，22为螺孔，23为连接器，24为马达头总成，25为扶正器，26为喷枪，27为喷嘴，28为引鞋，29为上接头，30为上外筒，31为下外筒，32为轨道管，33为下接头，34为导向球，35为节流通道，36为外环槽，37为导向槽，38为外环台，39为内环台，40为密封圈，41为剪切销钉，42为安装销钉，43为水眼孔，44为限位槽，45为连续油管，46为射流槽。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例一：如附图1、2、3、4、5、6所示，该连续油管水平井页岩油定向压裂装置包括从上至下依次连接在一起的连接器23、马达头总成24、扶正器25、脉冲发生装置、自调节定向器、喷枪26和引鞋28，自调节定向器包括上接头29、上外筒30、下外筒31、轨道管32、导向球34和下接头33，上接头29上端与脉冲发生装置下端固定安装在一起，上接头29下部外侧与上外筒30上部内侧密封固定安装在一起，上外筒30下部内侧与下外筒31上部外侧固定安装在一起，对应上接头29下端位置的上外筒30内侧套装有下端密封穿过下外筒31后位于下外筒31下方的轨道管32，轨道管32上端外侧与上外筒30上部内侧密封接触，轨道管32内有上下贯通且上部呈上大下小的锥形节流通道35，对应下外筒31上方位置的轨道管32上部外侧设有外环槽36，外环槽36内安装有导向球34，轨道管32上部外侧沿圆周间隔均布有至少一个螺旋形导向槽37，每个导向槽37下端均与外环槽36上端连通，对应外环槽36下侧和下外筒31上端之间位置的轨道管32外侧固定有外环台38，下外筒31上端内侧设有与导向槽37下端相对应且开口向内的弧形限位槽44，对应下外筒31下方位置的轨道管32下端外侧与下接头33上部内侧固定安装在一起，下接头33下端与喷枪26上端固定连接，喷枪26外侧间隔均布有至少一个喷嘴27。

根据需求，连接器23、马达头总成24、扶正器25、喷枪26和引鞋28均为现有公知技术。在使用过程中，脉冲发生装置使得在喷嘴27出口端的脉冲流体在压裂过程中能够实现射孔孔眼内增能，增大射流压力波沿着射孔方向的传播距离，引导油套环空压裂液沿着预设定方向延伸，从而实现定向压裂，节流通道35上部呈上大下小的锥形，能够对进入轨道管32上部内侧的流体起到节流作用，流体对轨道管32上部内侧作用使得轨道管32在上外筒30内向下移动，自调节定向器进入水平井段后，导向球34先在重力作用下滚落至外环槽36的最低点，然后轨道管32在轨道管32内流体的作用下剪断剪切销钉41后向远离井口的一端移动，然后导向球34在外环槽36的作用下滚动至对应位置的限位槽44内，轨道管32继续移动，导向球34移动至对应位置的导向槽37内，然后导向球34在限位槽44的约束下继续在导向槽37内相对轨道管32移动，同时由于导向球34被限位槽44约束，导向球34在轨道管32的螺旋形导向槽37内相对移动时使得轨道管32转动，当导向球34移动至导向槽37远离外环槽36的一端时，导向球34和轨道管32内流体共同对轨道管32作用，对轨道管32起到定向作用，也使得和轨道管32连接的喷枪26和喷嘴27发生转动，实现喷枪26喷嘴27角度的定位，轨道管32上部外侧沿圆周间隔均布有至少一个螺旋形导向槽37，对应外环台38下端位置的下外筒31上端内侧设有与导向槽37下端相对应且开口向内的弧形限位槽44，这样的设置，既能够在水平井段内实现轨道管32按设定的角度转动，而且在直井内也能够实现轨道管32按设定的角度转动，适用范围广。本发明结构合理而紧凑，使用方便。

可根据实际需要，对上述连续油管水平井页岩油定向压裂装置作进一步优化或/和改进：

如附图4、5、6所示，脉冲发生装置包括盖板1、内芯和管体3，管体3上端内侧与扶正器25下端外侧固定安装在一起，管体3下端与上接头29上端固定安装在一起，管体3中央有上下贯通的主流道4，管体3中部外侧沿圆周间隔均布有若干个开口向外的安装槽5，每个安装槽5的底壁上均设有开口向外的射流槽46，每个安装槽5内均固定安装有盖板1，每个盖板1和对应位置的射流槽46内壁均形成射流腔，对应每个射流槽46上方位置的安装槽5上部均设有径向贯通的进液口7，位于进液口7下侧的主流道4直径小于位于进液口7上侧的主流道4直径，每个射流槽46上部和对应位置的进液口7下部均通过竖向设置的汇流槽6连通，汇流槽6的宽度小于进液口7的直径，对应每个盖板1位置的管体3下部内侧均间隔设有若干个与射流腔连通的出液口8，每个射流腔内均固定有能够使得射流腔内的流体流出出液口8时具有脉冲效果的内芯，位于前方的内芯包括左导流块9、右导流块10和分流块，左导流块9前侧、右导流块10前侧和分流块前侧均与盖板1后侧接触，左导流块9和右导流块10左右对称固定于射流槽46左部和右部，左导流块9上侧、左导流块9左侧与射流槽46左部内壁形成倒置L形左回流槽17，右导流块10上侧、右导流块10右侧与射流槽46右部内壁形成与左回流槽17对称的右回流槽18，左回流槽17拐角处和右回流槽18拐角处均圆弧过渡，左导流块9右侧和右导流块10左侧形成上窄下宽的脉冲发生槽，脉冲发生槽包括由上至下依次连通的分流槽15和涡流槽16，分流槽15呈上窄下宽的八字形，涡流槽16呈矩形，涡流槽16下部固定有从上至下逐渐变宽的分流块，分流块上端左侧和上端右侧圆弧过渡，位于其它位置的内芯和前方的内芯结构相同。

根据需求，安装槽5的数量为4个，内芯与管体3一体设置，位于进液口7下侧的主流道4上部内壁呈上大下小的锥面。在使用过程中，位于进液口7下侧的主流道4直径小于位于进液口7上侧的主流道4直径，能够保证进入进液口7内流体的流量，流体在射流腔内形成脉冲流体经出液口8再次流入管体3内，在管体3下端内部形成脉冲射流，最终经过自调节定向器和喷枪26以及喷嘴27流出，实现射孔和压裂作业，汇流槽6的宽度小于进液口7的直径，能够使得经进液口7进入汇流槽6内的流体流速增加，便于在分流槽15内产生附壁效果，继而在涡流槽16内产生涡旋流体，左回流槽17拐角处和右回流槽18拐角处均圆弧过渡，能够减少进入左回流槽17和右回流槽18内的流体与回流槽槽壁碰撞后损失能量，左回流槽17或者右回流槽18内的流体对分流槽15上方的流体作用后能够保证附壁效果，右导流块10上侧、右导流块10右侧与射流槽46右部内壁形成与左回流槽17对称的右回流槽18，流体能够周期性的对分流槽15上方的流体作用，在出液口8处形成脉冲射流，脉冲发生装置使得在喷嘴27出口端的脉冲流体产生纵波大于横波的射流冲击，在压裂过程中脉冲射流能够实现射孔孔眼内增能，增大射流压力波沿着射孔方向的传播距离，引导油套环空压裂液沿着预设定方向延伸，从而实现定向压裂。

如附图5、6所示，分流块包括从上至下依次固定在一起且逐渐变宽的第一分流块12、第二分流块13和第三分流块14，第一分流块12上端固定有截面为等腰三角形的分流锥11，分流锥11上端两侧圆弧过渡，第一分流块12下端左侧和第二分流块13左部上侧之间以及第一分流块12下端右侧和第二分流块13右部上侧之间均形成有第一圆弧过渡面19，第二分流块13下端左侧和第三分流块14左部上侧之间以及第二分流块13下端右侧和第三分流块14右部上侧之间均形成有第二圆弧过渡面20。根据需求，分流锥11上端与分流槽15下端之间设有间距，分流锥11前侧和盖板1后侧接触，分流锥11、第一分流块12、第二分流块13和第三分流块14一体成型。使用过程中，通过这样的设置，能够增强流体在涡流槽16内的涡旋效果，使得涡旋后的一小部分流体继续向下流动，大部分流体经出液口8和喷嘴27流出，改善流体的射流效果。

如附图5、6所示，第三分流块14下端左侧和左回流槽17下端左侧之间以及第三分流块14下端右侧和右回流槽18下端右侧之间均形成有第三圆弧过渡面21，左导流块9下端左右两侧和右导流块10下端左右两侧均圆弧过渡。在使用过程中，通过这样的设置，小部分的流体在经涡流槽16流入左回流槽17和右回流槽18时能够避免由于内壁转角发生紊流导致能量损失，提高左回流槽17和右回流槽18内的流体对分流槽15上方流体的冲击效果，增强流出出液口8流体的脉冲效果。

如附图5、6所示，对应第二分流块13上侧和下侧位置的管体3下部内侧均左右对称设置有圆形出液口8，位于上方的出液口8投影与对应位置的第一圆弧过渡面19内相切，位于下方的出液口8投影与对应位置的第二圆弧过渡面20内相切。根据需求，位于上方的出液口8在竖直面上的投影与对应位置的第一圆弧过渡面19内相切，位于下方的出液口8在竖直面上的投影与对应位置的第二圆弧过渡面20内相切。这样，流体在第一圆弧过渡面19和第二圆弧过渡面20的作用下产生的涡旋流体快速进入出液口8，降低涡旋流体的冲击能量损失。

如附图4、5所示，盖板1外侧面呈与管体3相匹配的弧面。根据需求，对应射流槽46上方和下方位置的安装槽5内壁上均间隔设有至少一个螺孔22，对应每个螺孔22位置的盖板1外侧均设有阶梯通孔，每个阶梯通孔内均设有螺杆端螺接于对应位置的螺孔22内的连接螺栓2，位于前方的阶梯通孔前后向设置且呈前大后小的阶梯状，前方的安装槽5左右贯通，前方的盖板1前侧面与管体3的外壁相匹配。这样使得射流槽46和盖板1分开加工，能够便于加工射流槽46，降低本发明的加工难度，还能够便于射流槽46和内壁后续的维护和修复，盖板1外侧面呈与管体3相匹配的弧面能够减小管体3下入井内的阻力，还能够增强管体3的美观，管体3上端内侧和下端内侧均设有连接螺纹，便于管体3和扶正器25以及上接头29之间快速拆装。

如附图2、3所示，下外筒31下端外侧固定有内环台39，内环台39上部内侧与轨道管32外侧之间、轨道管32上端外侧与上外筒30上部内侧之间均上下间隔设有至少一个密封圈40，轨道管32下部外侧设有位于最下方密封圈40下方的剪切孔，对应剪切孔位置的下外筒31下部外侧设有径向贯通的剪切螺孔，剪切螺孔内螺接有端部位于剪切孔内的剪切销钉41。在使用过程中，通过设置剪切销钉41，能够对轨道管32起到更好的固定作用，还能够对轨道管32起到定位作用，也能够便于自调节定向器基准方位线的标记，防止工具串下入井内时发生转动，提高定位的准确性。

如附图2所示，对应外环槽36位置的上外筒30外侧设有径向贯通的安装螺孔，安装螺孔内安装有安装销钉42。根据需求，安装螺孔的内径大于导向球34的截面直径。在使用过程中，通过这样的设置，便于导向球34的安装和取出。

如附图2、3所示，对应内环台39上方位置的下外筒31下部内侧沿圆周间隔均布有若干个内外连通的水眼孔43。在使用过程中，通过这样的设置，套管环空内的流体能够进入导向槽37，对导向球34和导向槽37起到润滑作用。

实施例二：如附图2、3、4、5、6、7所示，该连续油管水平井页岩油定向压裂方法包括以下步骤：

步骤一，确定定向射孔和定向压裂的方向：判断原始地层压力、裂缝发育及地应力分布特征，根据三轴应力特征，同时结合钻井轨迹贴顶或贴底情况以及地质改造需求，确定定向射孔和定向压裂的方向；

步骤二，储层岩石模态分析：利用测井数据计算储层岩石的岩石力学参数并进行模态分析，得出储层岩石主频率和介质波阻抗，所述岩石力学参数包括岩石密度、杨氏模量和泊松比；

步骤三，优化脉冲发生装置：根据储层岩石模态分析数据，优化设计脉冲发生装置的尺寸参数，使得脉冲发生装置脉冲频率达到储层岩石主频率，并根据不同位置的储层岩石介质波阻抗值优化设计脉冲发生装置出口的脉冲射流排量，所述脉冲发生装置的尺寸参数包括进出口直径比、雷诺数、左回流槽17和右回流槽18截面积；

步骤四，井筒准备：进行洗井、通井刮削，确保工具串通过性；

步骤五，组装工具串：在连续油管45的尾端依次连接连接器23、马达头总成24、扶正器25、脉冲发生装置、自调节定向器、喷枪26和引鞋28；

步骤六，调节喷枪26喷嘴27的喷射方向：根据储层地质条件和步骤一中确定的定向射孔和定向压裂方向，调节喷枪26喷嘴27的喷射方向与自调节定向器基准方位线之间的夹角，使得所述夹角符合井筒内射孔和定向压裂方位角的要求；

步骤七，确定射孔及压裂位置：工具串入井后，可以通过现有公知的套管接箍定位器精确定位喷枪26喷嘴27，确定水力喷射射孔及定向压裂的位置；

自调节定向器进入水平井段后，导向球34先在重力作用下滚落至外环槽36的最低点，然后轨道管32在轨道管32内流体的作用下后向远离井口的一端移动，然后导向球34在外环槽36的作用下滚动至对应位置的限位槽44内，轨道管32继续移动，导向球34移动至对应位置的导向槽37内，然后导向球34在限位槽44的约束下继续在导向槽37内相对轨道管32移动，由于导向球34被限位槽44约束，导向球34在轨道管32的螺旋形导向槽37内相对移动时使得轨道管32转动，当导向球34移动至导向槽37远离外环槽36的一端时，导向球34和轨道管32内流体共同对轨道管32作用，对轨道管32起到定向作用，也使得和轨道管32连接的喷枪26和喷嘴27发生转动，在水平井段内实现轨道管按设定的角度转动，实现喷枪26喷嘴27角度的定位；

步骤八，喷砂射孔和定向压裂：确定射孔方位角后，从连续油管45泵入射孔液进行喷砂射孔，完成喷射射孔后油套环空同注，根据步骤三中脉冲发生装置出口的脉冲射流排量调整连续油管45的排量，在喷嘴27的脉冲射流引导下实现定向压裂；

步骤九，本簇压裂施工结束后上提连续油管45，至需要进行下一簇射孔和压裂位置，重复步骤六至八，直至施工结束，若此过程需要更换射孔和定向压裂方向，则需提出连续油管45重新调整自调节定向器和喷枪26喷嘴27角度，重新入井完成定向射孔和压裂施工。

本发明实施例的使用过程：以新疆地区油田压裂施工为例，本发明定向压裂改造方法采取以下步骤：

步骤一，该井为水平井，完钻井深为3178.0m，水平段长度为929.0m，该井轨迹中部和B点附近井段出油层顶界，轨迹A点附近井段轨迹贴底，中部井段有钻入泥岩段，经过岩石力学计算软件对该井储层三轴应力进行计算，垂向应力为39.9-40.7MPa，最大水平主应力范围为40.9-45.1MPa，最小水平主应力为30.3-34.5MPa，地质要求全井段充分改造，结合上述情况确定定向射孔和定向压裂的方向，出油层顶界的轨迹中部和B点附近井段、钻入泥岩段的中部井段采用向下定向射孔和定向压裂，轨迹A点附近井段采用垂直向上定向射孔和向上定向压裂，其余井段采用不定向360°全方向改造；

步骤二，储层岩石模态分析：利用测井数据，计算储层岩石的岩石力学参数，包括岩石密度、杨氏模量和泊松比，并进行模态分析，得出储层岩石一阶模态主频率在25-30Hz，介质波阻抗为7.52×10⁷MPa/s；

步骤三，根据储层岩石模态数据，优化设计脉冲发生装置的进出口直径比、雷诺数、左回流槽17和右回流槽18截面积，使得脉冲发生装置脉冲频率达到28Hz，优化设计排量为0.8-1.3m³/min；

步骤四，井筒准备：采用外径60.3mm连续油管45进行洗井，并携带通井规通井至人工井底，确保工具串通过性；

步骤五，当对出油层顶界的轨迹中部和B点附近井段、钻入泥岩段的中部井段进行定向射孔和定向压裂时，在连续油管45的尾端依次连接由有连接器23、马达头总成24、扶正器25、脉冲发生装置、自调节定向器、单向喷枪和引鞋28；

步骤六，根据储层地质条件和步骤一确定的定向射孔和定向压裂的方向要求，采用垂直向下定向射孔和垂直向下定向压裂，调节单向喷枪喷嘴27的喷射方向与自调节定向器基准方位线之间的夹角，使得其定向射孔和定向压裂方向为180°，即保障单向喷枪喷嘴27方向垂直向下；

步骤七，工具串入井后，可通过安装在单向喷枪和引鞋28之间的套管接箍定位器精确定位单向喷枪，也可通过其它现有公知技术实现对单向喷枪的精确定位，确定水力喷射射孔及定向压裂的位置；

步骤八，从连续油管45泵入射孔液，射孔排量为1.0-1.3m³/min，射孔时间为15min，完成定向射孔后油套环空同注，连续油管45排量为0.8-1.0m³/min，套管环空为8-10m³/min，脉冲发生装置生成的脉冲射流使得人工裂缝继续沿着定向射孔方向延伸，实现在脉冲射流引导下定向压裂；

步骤九，本簇压裂施工结束后上提连续油管45，然后重复上述步骤六至八完成需要进行下一簇射孔和压裂位置，最终完成出油层顶界的轨迹中部和B点附近井段、钻入泥岩段的中部井段进行的垂直向下定向射孔和定向压裂。

步骤六中：当对轨迹A点附近井段进行定向射孔和定向压裂时，采用垂直向上定向射孔和向上定向压裂，调节单向喷枪喷嘴27的喷射方向与自调节定向器基准方位线之间的夹角，使得其定向射孔和定向压裂方向为0°，即保障单向喷枪喷嘴27方向垂直向上；按照步骤七和八进行，本簇压裂施工结束后上提连续油管45，至需要进行下一簇射孔和压裂位置，重复步骤六至八直至完成对轨迹A点附近井段进行的垂直向上定向射孔和定向压裂。

当需要对其它井段进行不定向360°全方向改造时，先按步骤一至四进行，在步骤五中将自调节定向器、单向喷枪和引鞋28拆除后安装全角度喷枪，即在连续油管45的尾端依次连接由有连接器23、马达头总成24、扶正器25、脉冲发生装置和全角度喷枪；步骤六：根据储层地质条件和步骤一确定的定向射孔和定向压裂的方向要求，调节全角度喷枪喷嘴的喷射方向；将工具串入井至目标位置，从连续油管45泵入射孔液，射孔排量为1.0-1.3m³/min，射孔时间为15min，完成定向射孔后油套环空同注，连续油管45排量为0.8-1.0m³/min，套管环空为8-10m³/min，脉冲发生装置生成的脉冲射流使得人工裂缝继续沿着定向射孔方向延伸，实现在脉冲射流引导下定向压裂；本簇压裂施工结束后上提连续油管45，至需要进行下一簇射孔和压裂位置，重复上述步骤六直至完成其它井段不定向360°全方向改造。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (4)

1.一种连续油管水平井页岩油定向压裂装置，其特征在于包括从上至下依次连接在一起的连接器、马达头总成、扶正器、脉冲发生装置、自调节定向器、喷枪和引鞋，自调节定向器包括上接头、上外筒、下外筒、轨道管、导向球和下接头，上接头上端与脉冲发生装置下端固定安装在一起，上接头下部外侧与上外筒上部内侧密封固定安装在一起，上外筒下部内侧与下外筒上部外侧固定安装在一起，对应上接头下端位置的上外筒内侧套装有下端密封穿过下外筒后位于下外筒下方的轨道管，轨道管上端外侧与上外筒上部内侧密封接触，轨道管内有上下贯通且上部呈上大下小的锥形节流通道，对应下外筒上方位置的轨道管上部外侧设有外环槽，外环槽内安装有导向球，轨道管上部外侧沿圆周间隔均布有至少一个螺旋形导向槽，每个导向槽下端均与外环槽上端连通，对应外环槽下侧和下外筒上端之间位置的轨道管外侧固定有外环台，下外筒上端内侧设有与导向槽下端相对应且开口向内的弧形限位槽，对应下外筒下方位置的轨道管下端外侧与下接头上部内侧固定安装在一起，下接头下端与喷枪上端固定连接，喷枪外侧间隔均布有至少一个喷嘴；脉冲发生装置包括盖板、内芯和管体，管体上端内侧与扶正器下端外侧固定安装在一起，管体下端与上接头上端固定安装在一起，管体中央有上下贯通的主流道，管体中部外侧沿圆周间隔均布有若干个开口向外的安装槽，每个安装槽的底壁上均设有开口向外的射流槽，每个安装槽内均固定安装有盖板，每个盖板和对应位置的射流槽内壁均形成射流腔，对应每个射流槽上方位置的安装槽上部均设有径向贯通的进液口，位于进液口下侧的主流道直径小于位于进液口上侧的主流道直径，每个射流槽上部和对应位置的进液口下部均通过竖向设置的汇流槽连通，汇流槽的宽度小于进液口的直径，对应每个盖板位置的管体下部内侧均间隔设有若干个与射流腔连通的出液口，每个射流腔内均固定有能够使得射流腔内的流体流出出液口时具有脉冲效果的内芯，位于前方的内芯包括左导流块、右导流块和分流块，左导流块前侧、右导流块前侧和分流块前侧均与盖板后侧接触，左导流块和右导流块左右对称固定于射流槽左部和右部，左导流块上侧、左导流块左侧与射流槽左部内壁形成倒置L形左回流槽，右导流块上侧、右导流块右侧与射流槽右部内壁形成与左回流槽对称的右回流槽，左回流槽拐角处和右回流槽拐角处均圆弧过渡，左导流块右侧和右导流块左侧形成上窄下宽的脉冲发生槽，脉冲发生槽包括由上至下依次连通的分流槽和涡流槽，分流槽呈上窄下宽的八字形，涡流槽呈矩形，涡流槽下部固定有从上至下逐渐变宽的分流块，分流块上端左侧和上端右侧圆弧过渡，位于其它位置的内芯和前方的内芯结构相同；分流块包括从上至下依次固定在一起且逐渐变宽的第一分流块、第二分流块和第三分流块，第一分流块上端固定有截面为等腰三角形的分流锥，分流锥上端两侧圆弧过渡，第一分流块下端左侧和第二分流块左部上侧之间以及第一分流块下端右侧和第二分流块右部上侧之间均形成有第一圆弧过渡面，第二分流块下端左侧和第三分流块左部上侧之间以及第二分流块下端右侧和第三分流块右部上侧之间均形成有第二圆弧过渡面；第三分流块下端左侧和左回流槽下端左侧之间以及第三分流块下端右侧和右回流槽下端右侧之间均形成有第三圆弧过渡面，左导流块下端左右两侧和右导流块下端左右两侧均圆弧过渡；对应第二分流块上侧和下侧位置的管体下部内侧均左右对称设置有圆形出液口，位于上方的出液口投影与对应位置的第一圆弧过渡面内相切，位于下方的出液口投影与对应位置的第二圆弧过渡面内相切；盖板外侧面呈与管体相匹配的弧面。

2.根据权利要求1所述的连续油管水平井页岩油定向压裂装置，其特征在于下外筒下端外侧固定有内环台，内环台上部内侧与轨道管外侧之间、轨道管上端外侧与上外筒上部内侧之间均上下间隔设有至少一个密封圈，轨道管下部外侧设有位于最下方密封圈下方的剪切孔，对应剪切孔位置的下外筒下部外侧设有径向贯通的剪切螺孔，剪切螺孔内螺接有端部位于剪切孔内的剪切销钉。

3.根据权利要求1或2所述的连续油管水平井页岩油定向压裂装置，其特征在于于对应外环槽位置的上外筒外侧设有径向贯通的安装螺孔，安装螺孔内安装有安装销钉；对应内环台上方位置的下外筒下部内侧沿圆周间隔均布有若干个内外连通的水眼孔。

4.一种使用如权利要求1至3中任意一项所述连续油管水平井页岩油定向压裂装置的连续油管水平井页岩油定向压裂方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，确定定向射孔和定向压裂的方向：判断原始地层压力、裂缝发育及地应力分布特征，根据三轴应力特征，同时结合钻井轨迹贴顶或贴底情况以及地质改造需求，确定定向射孔和定向压裂的方向；

步骤二，储层岩石模态分析：利用测井数据计算储层岩石的岩石力学参数并进行模态分析，得出储层岩石主频率和介质波阻抗，所述岩石力学参数包括岩石密度、杨氏模量和泊松比；

步骤三，优化脉冲发生装置：根据储层岩石模态分析数据，优化设计脉冲发生装置的尺寸参数，使得脉冲发生装置脉冲频率达到储层岩石主频率，并根据不同位置的储层岩石介质波阻抗值优化设计脉冲发生装置出口的脉冲射流排量，所述脉冲发生装置的尺寸参数包括进出口直径比、雷诺数、左回流槽和右回流槽截面积；

步骤四，井筒准备：进行洗井、通井刮削，确保工具串通过性；

步骤五，组装工具串：在连续油管的尾端依次连接连接器、马达头总成、扶正器、脉冲发生装置、自调节定向器、喷枪和引鞋；

步骤六，调节喷枪喷嘴的喷射方向：根据储层地质条件和步骤一中确定的定向射孔和定向压裂方向，调节喷枪喷嘴的喷射方向与自调节定向器基准方位线之间的夹角，使得所述夹角符合井筒内射孔和定向压裂方位角的要求；

步骤七，确定射孔及压裂位置：工具串入井后，定位喷枪喷嘴，确定水力喷射射孔及定向压裂的位置；

自调节定向器进入水平井段后，导向球先在重力作用下滚落至外环槽的最低点，轨道管在轨道管内流体的作用下向远离井口的一端移动，然后导向球在外环槽的作用下滚动至对应位置的限位槽内，轨道管继续移动，导向球移动至对应位置的导向槽内，然后导向球在限位槽的约束下继续在导向槽内相对轨道管移动，由于导向球被限位槽约束，导向球在轨道管的导向槽内相对移动时使得轨道管转动，当导向球移动至导向槽远离外环槽的一端时，导向球和轨道管内流体共同对轨道管作用，对轨道管起到定向作用，也使得和轨道管连接的喷枪和喷嘴发生转动，在水平井段内实现轨道管按设定的角度转动，实现喷枪喷嘴角度的定位；

步骤八，喷砂射孔和定向压裂：确定射孔方位角后，从连续油管泵入射孔液进行喷砂射孔，完成喷射射孔后油套环空同注，根据步骤三中脉冲发生装置出口的脉冲射流排量调整连续油管的排量，在喷嘴的脉冲射流引导下实现定向压裂；

步骤九，本簇压裂施工结束后上提连续油管，至需要进行下一簇射孔和压裂位置，重复步骤六至八，直至施工结束。

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