CN116044358A - 一种油气层压裂装置及油气压裂生产方法 - Google Patents

Abstract

一种油气层压裂装置，包括主管、切割单元、支撑单元、封隔单元、第一连接组件、第二连接组件、光纤管束、内封管。主管包括多段压裂部，各压裂部一端均开设有用于连接相邻压裂部或横井一端的端口，压裂部外周侧开设有多个液体口与压裂部匹配的多个切割单元，内封管设于主管内。采用油气层压裂装置的一种油气压裂生产方法，包括步骤：吊装主管、激光在油气层中切割出多个扇形区域、通过支撑单元控制封隔单元紧密贴到横井内壁、吊装内封管并从主管头部开始压裂再进行油气生产、回收主管。本发明的油气压裂装置及油气压裂生产方法可以提高压裂效率，增加油气产量，节约水资源。

Description

一种油气层压裂装置及油气压裂生产方法

技术领域

本发明涉及油气压裂技术领域，尤其涉及一种油气层压裂装置及油气压裂生产方法。

背景技术

压裂是指在采油或采气生产时，将油气层在液压作用下产生裂缝，再通过油气回流进行采集的技术。目前进行压裂时通常在横井中进行压裂，并具有以下步骤：将工具组吊入横井后，先通过射孔枪进行射孔，聚能弹穿过横井的混凝土井壁后，在地层内建立连通渠道，使用大量的压裂液在井内添加多次并增加液压后，在油气层中压出裂缝，再回流进行油气生产。现有的压裂液通常包括破裂液、含砂支撑液、冲洗液等，在生产时依次添加入井内，其中含砂支撑液在压裂液中占的比例最大。

现有的油气压裂生产技术存在一些问题：射孔枪进行喷射时，产生的能量可能引起混凝土井壁破裂，堵塞孔眼，甚至导致横井塌方并无法取出工具组；目前的压裂作业需要大量压裂液，从而消耗大量用于配置压裂液的水资源。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种油气层压裂装置及油气压裂生产方法，可以提高压裂效率，增加油气产量，节约水资源。

为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：

一种油气层压裂装置，包括：

主管，包括用于连接吊装设备的第一连接部，其一端设有多段压裂部，各压裂部一端均开设有用于连接相邻压裂部或横井一端的端口，压裂部外周侧开设有多个液体口；

与压裂部匹配的多个切割单元，包括设于压裂部外周侧的第一直线机构，其输出轴一端设有第一套环，第一套环外周侧套设有与其转动配合的第二套环，第二套环外周侧上还设有多个激光头，其下端设有光纤，光纤一端与外部激光发生器连接；

设于主管外周侧且与切割单元匹配的多组支撑单元；

多组设于支撑单元外周侧的封隔单元，用于隔开各段压裂部；

设于主管外周侧预定距离处且与压裂部匹配的多个第一连接组件；

多个设于第一连接组件一端的第二连接组件，用于与第一连接组件共同封闭切割单元和支撑单元；

设于相邻压裂部外周侧预定距离处之间的多组光纤管束，用于保护光纤；

内封管，设于主管内，包括用于连接吊装设备的第二连接部，第二连接部一端设有第一密封塞，其侧面穿设有一对进液管，第一密封塞一侧面还设有第二直线机构，其输出轴一端设有第二密封塞。

进一步，第一套环外周侧开设有多条第一滑槽，第一套环一端设有第一旋转电机，其输出轴一端设有第一齿轮，第二套环内周侧设有多个与第一滑槽匹配的第一滑块，第二套环外周侧设有啮合于第一齿轮的第一齿条。

进一步，每组的若干支撑单元均设于一切割单元一侧，支撑单元包括设于压裂部外周侧的多个充气泵，其输出端设有充气管。

进一步，封隔单元包括刚性部，其内周侧开设有多个充气口，充气管穿设于充气口内，刚性部上端面两侧设有一对第一伸缩部，其上端设有一分隔部，封隔单元还包括穿设于刚性部的空气阀。

采用油气层压裂装置的一种油气压裂生产方法，包括步骤：

S100：将主管吊装入油气横井，使主管的头部接触横井内端部；

S200：通过第一直线机构推动第一套环，使其覆盖在液体口外周侧，启动外部激光发生器，激光通过光纤从激光头射出，穿过横井的混凝土层后继续穿入油气层，转动各激光头，使激光在油气层中切割出多个扇形区域；

S300：通过第一直线机构拉动第一套环，使其不覆盖液体口外周侧，通过支撑单元控制封隔单元紧密贴到横井内壁；

S400：将内封管吊装入油气横井，从主管头部开始依次对每段压裂部对应的油气层进行压裂，然后进行油气生产；

S500：作业区域油气采尽后，通过支撑单元控制封隔单元不再紧贴横井内壁，吊出主管进行回收。

进一步，S400步骤包括以下步骤：

S401：将第一密封塞移动到第n+1段压裂部的液体口内周侧，将其封闭；

S402：启动第二直线机构，推动第二密封塞到第n段压裂部的液体口前，使第二密封塞不封闭该液体口；

S403：通过一进液管向第一密封塞和第二密封塞之间所形成的空间注入破裂液并增加液体压力，破裂液通过第n段压裂部的液体口流出压裂部后，进入油气层，通过S200步骤中切割出的扇形区域对油气层进行破裂；

S404：通过另一进液管向第一密封塞和第二密封塞之间所形成的空间注入含砂支撑液并增加液体压力，含砂支撑液通过第n段压裂部的液体口流出压裂部后，进入油气层，充填S403步骤中破裂形成的裂缝；

S405：通过第一直线机构推动第一套环，关闭第n段压裂部的液体口；

S406：将第一密封塞移动到第n+2段压裂部的液体口内周侧，将其封闭，启动第二直线机构，推动第二密封塞到第n+1段压裂部的液体口前，使第二密封塞不封闭该液体口；

S407：重复S401~S406步骤n次，完成油气层压裂，其中对最后一段压裂部对应的油气层进行压裂时，S401步骤为：将第一密封塞移动到该段压裂部的液体口内周侧后端预定距离；

S408：将内封管完全取出，向主管内充入冲洗液，通过各切割单元的第一直线机构拉动第一套环，打开所有压裂部的液体口，增加冲洗液的压力，使冲洗液替换含砂支撑液；

S409：停止增压，回流冲洗液，进行油气生产。

本技术方案的有益效果在于：

1、油气层压裂装置的切割单元通过激光切割的方式代替传统的射孔方式，可以避免横井的混凝土井壁破裂，并且能够精确控制切割深度，防止切割过深而射开地下水层；在切割的同时，可将激光头整体旋转，在油气层中切割出多个扇形区域，使得在压裂时，高压液体更容易在油气层中压出更多裂缝，提高油气产量。

2、采用本申请油气层压裂装置的油气压裂生产方法，可将每一段压裂位置单独分隔，并压入破裂液、含砂支撑液。在一段压裂位置压入后，可通过切割单元的第一套环封闭液体口，将高压含砂支撑液在该段压裂位置的裂缝中存留一段时间，由于含砂支撑液在压裂液中占的比例最大，这种方式相对于现有的需要同时向整个横井内的裂缝中同时大量压入含砂支撑液的方式相比，节省了含砂支撑液的用量，从而大大节约了用于配置含砂支撑液的水的用量。

附图说明

图1示出了本申请实施例一整体立体图。

图2示出了本申请实施例一整体内部结构立体图。

图3示出了本申请实施例一压裂部和液体口示意立体图。

图4示出了本申请实施例一单个压裂部及其外周侧的切割单元、支撑单元、封隔单元立体图。

图5示出了本申请实施例一图1的A部分放大立体图。

图6示出了本申请实施例一切割单元的内圈部分立体图。

图7示出了本申请实施例一切割单元的外圈部分立体图。

图8示出了本申请实施例一单个支撑单元和与其匹配的封隔单元立体图。

图9示出了本申请实施例一除空气阀以外的封隔单元立体图。

图10示出了本申请实施例一封隔单元剖视立体图。

图11示出了本申请实施例一封隔单元、第一连接组件、第二连接组件外部连接关系立体图。

图12示出了本申请实施例一从另一角度观察的封隔单元、第一连接组件、第二连接组件外部连接关系立体图。

图13示出了本申请实施例一从内侧观察的第二连接组件立体图。

图14示出了本申请实施例一展示各组光纤管束数量及连接位置的立体图。

图15示出了本申请实施例一图14的B部分放大立体图。

图16示出了本申请实施例一内封管立体图。

图17示出了本申请实施例二对一压裂部对应的油气层进行压裂时的装置横截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步说明。

实施例一

如图1~图16所示的一种油气层压裂装置，包括主管1、切割单元2、支撑单元3、封隔单元4、第一连接组件、第二连接组件6、光纤管束7、内封管8。

如图3所示，主管1包括用于连接吊装设备的第一连接部，第一连接部一端设有多段压裂部11，在本实施例中，压裂部11数量为五段。各压裂部11一端均开设有用于连接相邻压裂部11或横井一端的端口，具体地，头部的压裂部11的端口连接横井一端，其他的压裂部11的端口连接下一个压裂部11，压裂部11外周侧开设有多个液体口12，压裂部11一端的外周侧还设有多个第一支架13，第一支架13上设有弹簧14。

如图5所示，弹簧14外周侧套设有用于防止弹簧14被腐蚀的封闭套15，弹簧14上端设有U型架16，U型架16内设有轮轴，轮轴上转动配合有滚轮17。

弹簧14和滚轮17的设置，便于在吊装主管1时，避免主管1外周侧的部件与横井壁接触损坏。

切割单元2的数量与压裂部11数量匹配。

如图4、图6、图7所示，切割单元2包括设于压裂部11外周侧的第二支架20，第二支架20上设有沿主管1轴线方向设置的第一直线机构21，其输出轴一端设有吊板，吊板下端设有第一套环22，其外周侧开设有多条第一滑槽23，第一套环22一端设有第三支架24，第三支架24上设有第一旋转电机25，其输出轴一端设有第一齿轮251，第一套环22外周侧套设有第二套环26，第二套环26内周侧设有多个与第一滑槽23匹配的第一滑块261，第二套环26外周侧设有啮合于第一齿轮251的第一齿条262，第二套环26外周侧上还开设有多个与第一滑块261位置匹配的中空架263，中空架263上端设有垂直于主管1轴线向外设置的激光头27，激光头27下端设有从中空架263内通过的光纤28。

设于主管1外周侧的支撑单元3数量为多组，每组的若干个支撑单元3均设于一切割单元2一侧。

如图8所示，支撑单元3包括设于压裂部11外周侧的多个第四支架31，第四支架31上设有充气泵32，其输出端设有垂直于主管1轴线向外设置的充气管33。

用于隔开各段压裂部11的封隔单元4数量也为多组，如图8所示，每组封隔单元4各设于每组支撑单元3外周侧。

如图9、图10所示，封隔单元4包括刚性部41，其内周侧开设有多个充气口411，充气管33穿设于充气口411内，刚性部41上端面两侧设有一对第一伸缩部42，第一伸缩部42由耐压橡胶制成，第一伸缩部42上端设有一分隔部43。

如图8所示，封隔单元4还包括穿设于刚性部41的空气阀44，在本实施例中，空气阀44为电磁阀。

通过对封隔单元4充气，能方便在压裂时实现隔开各个压裂部11；通过对封隔单元4排气，接触分隔，方便取出主管1。

设于主管1外周侧预定距离处的第一连接组件的数量与压裂部11数量匹配。

如图11、图12所示，第一连接组件包括设于各组支撑单元3尾部的第一密封部51，其侧面开设有用于主管1穿过的第一套口511，第一连接组件还包括用于同一组封隔单元4的相邻刚性部41之间连接的第二密封部52，以及设于各组支撑单元3头部的第三密封部53，第三密封部53一端设有第二伸缩部54，第二伸缩部54由耐压橡胶制成。

第二连接组件6数量为多个，第二连接组件6设于第一连接组件一端。

如图11所示，第二连接组件6一端开设有用于主管1穿过的第二套口61，第二连接组件6另一端与第二伸缩部54一端连接。

第二套口61内周侧与第一套环22固定连接。

如图13所示，第二连接组件6外周侧开设有多个与激光头27匹配的出光口62，第二连接组件6内周侧设有第五支架63，第五支架63上设有第二旋转电机64，其输出轴一端设有第二齿轮641，第二连接组件6内周侧还设有滑环65，滑环65内周侧设有啮合于第二齿轮641的第二齿条651，滑环65一端设有多个与出光口62匹配的弧块66。

通过第一连接组件和第二连接组件6的保护，对切割单元2和支撑单元3进行封闭，防止腐蚀。

用于保护光纤28的光纤管束7数量为多组，每组光纤管束7一端均固定于第一密封部51一侧面，另一端穿设于第二连接组件6一侧面。

如图15所示，每个光纤管束7内均对应穿设一组切割单元2的所有光纤28，头部的第一密封部51上设有一个光纤管束7，每组光纤管束7的数量依次增加一个，尾部光纤管束7中的光纤28与外部激光发生器连接。

如图14所示，在本实施例中，头部压裂部11对应的第一密封部51侧面设有一个光纤管束7，第二段段压裂部11对应的第一密封部51侧面设有二个光纤管束7，……，依次类推，第五段压裂部11对应的第一密封部51侧面设有五个光纤管束7。也就是说，头部的切割单元2内的光纤28要经过五个光纤管束7，第二个切割单元2内的光纤28要经过四个光纤管束7，……，依次类推，第五个切割单元2内的光纤28要经过一个光纤管束7。

注意，在附图中未展示光纤28从切割单元2连接到光纤管束7的连接方式，附图中也未展示第一密封部51和第二连接组件6上用于光纤管束7穿过的开口。

内封管8设于主管1内。

如图16所示，内封管8包括用于连接吊装设备的第二连接部，第二连接部一端设有若干第六支架82，第六支架82一端设有第一密封塞83，其侧面穿设有一对进液管84，第一密封塞83一侧面还设有第二直线机构85，其也设于第六支架82内侧面，第二直线机构85输出轴一端设有第二密封塞86。

在本实施例中，第一直线机构21为第一液压缸，第二直线机构85为第二液压缸。

实施例二

采用实施例一的油气层压裂装置的油气压裂生产方法，按以下步骤操作：

S100：将主管1吊装入油气横井，使主管1的头部接触横井内端部；

S200：通过第二旋转电机64转动第二齿轮641，带动滑环65转动，使弧块66转动，打开出光口62，通过第一直线机构21推动第一套环22，使其覆盖在液体口12外周侧，启动外部激光发生器，激光通过光纤28从激光头27射出，穿过横井的混凝土层后继续穿入油气层，通过第一旋转电机25转动第一齿轮251，带动第二套环26转动，使得各第一滑块261在对应的第一滑槽23中从一端滑动到另一端，激光在油气层中切割出多个扇形区域；

S300：通过第二旋转电机64转动第二齿轮641，带动滑环65转动，使弧块66转动，关闭出光口62，通过第一直线机构21拉动第一套环22，使其不覆盖液体口12外周侧，启动所有充气泵32，通过充气管33向各封隔单元4内部充气，第一伸缩部42展开，分隔部43紧密贴到横井内壁；

S400：将内封管8吊装入油气横井，如图17所示，从主管1头部开始依次对每段压裂部11对应的油气层进行压裂，然后进行油气生产，包括步骤：

S401：将第一密封塞83移动到第n+1段压裂部11的液体口12内周侧，将其封闭；

S402：启动第二直线机构85，推动第二密封塞86到第n段压裂部11的液体口12前，使第二密封塞86不封闭该液体口12；

S403：通过一进液管84向第一密封塞83和第二密封塞86之间所形成的空间注入破裂液并增加液体压力，破裂液通过第n段压裂部11的液体口12流出压裂部11后，进入油气层，通过S200步骤中切割出的扇形区域对油气层进行破裂；

S404：通过另一进液管84向第一密封塞83和第二密封塞86之间所形成的空间注入含砂支撑液并增加液体压力，含砂支撑液通过第n段压裂部11的液体口12流出压裂部11后，进入油气层，充填S403步骤中破裂形成的裂缝；

S405：通过第一直线机构21推动第一套环22，关闭第n段压裂部11的液体口12；

S406：将第一密封塞83移动到第n+2段压裂部11的液体口12内周侧，将其封闭，启动第二直线机构85，推动第二密封塞86到第n+1段压裂部11的液体口12前，使第二密封塞86不封闭该液体口12；

S407：重复S401~S406步骤n次，完成油气层压裂，其中对最后一段压裂部11对应的油气层进行压裂时，S401步骤为：将第一密封塞83移动到该段压裂部11的液体口12内周侧后端预定距离；

S408：将内封管8完全取出，向主管1内充入冲洗液，通过各切割单元2的第一直线机构21拉动第一套环22，打开所有压裂部11的液体口12，增加冲洗液的压力，使冲洗液替换含砂支撑液；

S409：停止增压，回流冲洗液，进行油气生产；

S500：作业区域油气采尽后，启动所有空气阀44，将各封隔单元4内部空气排出，第一伸缩部42收缩，分隔部43不再紧贴横井内壁，吊出主管1进行回收。

以上仅为本申请列举的部分实施例，并不用于限制本申请。

Claims (10)

1.一种油气层压裂装置，其特征在于，包括：

主管（1），包括用于连接吊装设备的第一连接部，其一端设有多段压裂部（11），各压裂部（11）一端均开设有用于连接相邻压裂部（11）或横井一端的端口，压裂部（11）外周侧开设有多个液体口（12）；

与压裂部（11）匹配的多个切割单元（2），包括设于压裂部（11）外周侧的第一直线机构（21），其输出轴一端设有第一套环（22），第一套环（22）外周侧套设有与其转动配合的第二套环（26），第二套环（26）外周侧上还设有多个激光头（27），其下端设有光纤（28），光纤（28）一端与外部激光发生器连接；

设于主管（1）外周侧且与切割单元（2）匹配的多组支撑单元（3）；

多组设于支撑单元（3）外周侧的封隔单元（4），用于隔开各段压裂部（11）；

设于主管（1）外周侧预定距离处且与压裂部（11）匹配的多个第一连接组件；

多个设于第一连接组件一端的第二连接组件（6），用于与第一连接组件共同封闭切割单元（2）和支撑单元（3）；

设于相邻压裂部（11）外周侧预定距离处之间的多组光纤管束（7），用于保护光纤（28）；

内封管（8），设于主管（1）内，包括用于连接吊装设备的第二连接部，第二连接部一端设有第一密封塞（83），其侧面穿设有一对进液管（84），第一密封塞（83）一侧面还设有第二直线机构（85），其输出轴一端设有第二密封塞（86）。

2.根据权利要求1所述的油气层压裂装置，其特征在于，压裂部（11）一端的外周侧还设有多个弹簧（14），弹簧（14）外周侧套设有用于防止其被腐蚀的封闭套（15），弹簧（14）上端设有U型架（16），U型架（16）内设有轮轴，轮轴上转动配合有滚轮（17）。

3.根据权利要求1所述的油气层压裂装置，其特征在于，第一套环（22）外周侧开设有多条第一滑槽（23），第一套环（22）一端设有第一旋转电机（25），其输出轴一端设有第一齿轮（251），第二套环（26）内周侧设有多个与第一滑槽（23）匹配的第一滑块（261），第二套环（26）外周侧设有啮合于第一齿轮（251）的第一齿条（262）。

4.根据权利要求1所述的油气层压裂装置，其特征在于，每组的若干支撑单元（3）均设于一切割单元（2）一侧，支撑单元（3）包括设于压裂部（11）外周侧的多个充气泵（32），其输出端设有充气管（33）。

5.根据权利要求4所述的油气层压裂装置，其特征在于，封隔单元（4）包括刚性部（41），其内周侧开设有多个充气口（411），充气管（33）穿设于充气口（411）内，刚性部（41）上端面两侧设有一对第一伸缩部（42），其上端设有一分隔部（43），封隔单元（4）还包括穿设于刚性部（41）的空气阀（44）。

6.根据权利要求1所述的油气层压裂装置，其特征在于，第一连接组件包括设于各组支撑单元（3）尾部的第一密封部（51），其侧面开设有用于主管（1）穿过的第一套口（511），第一连接组件还包括用于同一组封隔单元（4）中的各封隔单元（4）之间连接的第二密封部（52），以及设于各组支撑单元（3）头部的第三密封部（53），其一端设有第二伸缩部（54）。

7.根据权利要求1所述的油气层压裂装置，其特征在于，第二连接组件（6）一端开设有用于主管（1）穿过的第二套口（61），第二套口（61）内周侧与第一套环（22）固定连接，第二连接组件（6）外周侧开设有多个与激光头（27）匹配的出光口（62），第二连接组件（6）内周侧设有第二旋转电机（64），其输出轴一端设有第二齿轮（641），第二连接组件（6）内周侧还设有滑环（65），滑环（65）内周侧设有啮合于第二齿轮（641）的第二齿条（651），滑环（65）一端设有多个与出光口（62）匹配的弧块（66）。

8.根据权利要求1所述的油气层压裂装置，其特征在于，每组光纤管束（7）一端均固定于第一连接组件一侧，另一端穿设于第二连接组件（6）一侧面，一光纤管束（7）内对应穿设一组切割单元（2）的所有光纤（28），头部的第一连接组件一侧设有一个光纤管束（7），每组光纤管束（7）的数量依次增加一个。

9.一种油气压裂生产方法，其特征在于，采用权利要求1~8中任意一项所述的油气层压裂装置，包括步骤：

S100：将主管（1）吊装入油气横井，使主管（1）的头部接触横井内端部；

S200：通过第一直线机构（21）推动第一套环（22），使其覆盖在液体口（12）外周侧，启动外部激光发生器，激光通过光纤（28）从激光头（27）射出，穿过横井的混凝土层后继续穿入油气层，转动各激光头（27），使激光在油气层中切割出多个扇形区域；

S300：通过第一直线机构（21）拉动第一套环（22），使其不覆盖液体口（12）外周侧，通过支撑单元（3）控制封隔单元（4）紧密贴到横井内壁；

S400：将内封管（8）吊装入油气横井，从主管（1）头部开始依次对每段压裂部（11）对应的油气层进行压裂，然后进行油气生产；

S500：作业区域油气采尽后，通过支撑单元（3）控制封隔单元（4）不再紧贴横井内壁，吊出主管（1）进行回收。

10.根据权利要求9所述的油气压裂生产方法，其特征在于，S400步骤包括以下步骤：

S401：将第一密封塞（83）移动到第n+1段压裂部（11）的液体口（12）内周侧，将其封闭；

S402：启动第二直线机构（85），推动第二密封塞（86）到第n段压裂部（11）的液体口（12）前，使第二密封塞（86）不封闭该液体口（12）；

S403：通过一进液管（84）向第一密封塞（83）和第二密封塞（86）之间所形成的空间注入破裂液并增加液体压力，破裂液通过第n段压裂部（11）的液体口（12）流出压裂部（11）后，进入油气层，通过S200步骤中切割出的扇形区域对油气层进行破裂；

S404：通过另一进液管（84）向第一密封塞（83）和第二密封塞（86）之间所形成的空间注入含砂支撑液并增加液体压力，含砂支撑液通过第n段压裂部（11）的液体口（12）流出压裂部（11）后，进入油气层，充填S403步骤中破裂形成的裂缝；

S405：通过第一直线机构（21）推动第一套环（22），关闭第n段压裂部（11）的液体口（12）；

S406：将第一密封塞（83）移动到第n+2段压裂部（11）的液体口（12）内周侧，将其封闭，启动第二直线机构（85），推动第二密封塞（86）到第n+1段压裂部（11）的液体口（12）前，使第二密封塞（86）不封闭该液体口（12）；

S407：重复S401~S406步骤n次，完成油气层压裂，其中对最后一段压裂部（11）对应的油气层进行压裂时，S401步骤为：将第一密封塞（83）移动到该段压裂部（11）的液体口（12）内周侧后端预定距离；

S408：将内封管（8）完全取出，向主管（1）内充入冲洗液，通过各切割单元（2）的第一直线机构（21）拉动第一套环（22），打开所有压裂部（11）的液体口（12），增加冲洗液的压力，使冲洗液替换含砂支撑液；

S409：停止增压，回流冲洗液，进行油气生产。

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