CN116335615A - 一种底水油藏井下聚能射流控高改造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种底水油藏井下聚能射流控高改造装置及方法，包括自上而下依次设置在油管中的管柱、脉冲发生器和喷枪；管柱、脉冲发生器和喷枪依次连通，管柱顶端连接至地面，脉冲发生器的脉冲方向为向下方向；喷枪上设置有多个喷嘴，多个喷嘴均布在喷枪周面，喷嘴的喷射方向为垂直于管柱方向，喷嘴位于油层区域。将地面泵注的稳定流体流动经脉冲发生器调制为脉冲流动，脉冲流动流经喷枪并在喷嘴形成高速脉冲射流，可将井下水力瞬间能量增强3.5‑4.5倍，利用脉冲射流孔内增压间接弥补由于储隔层应力差偏小导致的纵向遮挡偏弱的问题，可有效延伸水平裂缝，通过定向改造实现定方位起裂，从而控制裂缝方位，控制裂缝垂向延伸。

Description

一种底水油藏井下聚能射流控高改造装置及方法

技术领域

本发明属于油藏压裂领域，涉及一种底水油藏井下聚能射流控高改造装置及方法。

背景技术

边底水油藏储量丰富，但边底水油藏压裂时缝高缝长难以控制，储层难以改造。现有的技术方案是在油井压裂过程中通过制造人工隔层的方法来阻碍和减缓压裂裂缝向高含水层延伸，工作原理是注入前置液时加入缝高控制剂，利用其沉淀在地层底部制造一个低渗透特殊人工隔层，从而降低压穿水层的机率，达到控水增油的目的。但该方式具有不确定性，无法使支撑剂均匀平铺储层，从而造成隔层无法有效遮挡，易形成单点突破，同时材料价格昂贵，是普通石英砂支撑剂的10倍以上，因此难以有效改造和推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种底水油藏井下聚能射流控高改造装置及方法，有效延伸裂缝水平方向长度，减小裂缝垂向延伸。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种底水油藏井下聚能射流控高改造装置，包括自上而下依次设置在油管中的管柱、脉冲发生器和喷枪；

管柱、脉冲发生器和喷枪依次连通，管柱顶端连接至地面，脉冲发生器的脉冲方向为向下方向；喷枪上设置有多个喷嘴，多个喷嘴均布在喷枪周面，喷嘴的喷射方向为垂直于管柱方向，喷嘴位于油层区域。

优选的，脉冲发生器包括壳体和内芯，壳体顶底部分别与管柱和喷枪连接；内芯设置在壳体内部，内芯包括自上而下依次连通的收缩通道、导流通道、喷射通道、射流通道和出水口，导流通道直径小于收缩通道和喷射通道直径；射流通道和喷射通道共同形成锥形，射流通道顶部直径小于底部直径，射流通道底部内径大于出水口内径；

射流通道两侧分别设置有一个导流块，每个导流块顶底部及外侧均与内芯内壁间隙设置，形成通道，导流块底部通道为换向通道，换向通道与射流通道底部连通；导流块中部和顶部通道为反馈通道，反馈通道与射流通道顶部连通。

优选的，管柱和脉冲发生器之间以及喷枪下方均设置有扶正器，扶正器周面上均布有多个扶正块，扶正块与油管内壁接触。

优选的，喷嘴采用直径为4-8mm的直井喷嘴。

优选的，喷嘴数量为两个，分别位于喷枪两侧。

优选的，喷枪下方设置有单向阀，单向阀进口连通油管内区域，出口连通喷枪。

一种基于上述任意一项所述装置的底水油藏井下聚能射流控高改造方法，其特征在于，包括以下过程：

S1，将管柱、脉冲发生器和喷枪组装固定在油管中，脉冲发生器和喷枪位于油管底部，喷枪的喷嘴朝向射孔孔眼；

S2，从管柱顶端泵入压裂液，压裂液经管柱进入脉冲发生器中，形成脉冲流体，脉冲流体以液体冲击波形式进入喷枪后，进一步形成高压脉冲流体通过喷嘴以高压脉冲波形式喷出，将岩石破碎，直到达到改造要求；

S3，对井内压裂液进行返排，返排至井内无压力后，关闭井口，再将管柱、脉冲发生器和喷枪取出。

优选的，向管柱泵入压裂液的过程为：先从管柱顶端泵入前置液，直到前置液体量与油管内容积相等，加入为前置液体量7％的混砂液，形成压裂液。

优选的，对井内压裂液进行返排前，先等待压裂液完成破胶。

优选的，在避水高度为1.5-8m时，喷嘴的喷射射速为220m/s-270m/s；在避水高度为8-16m时，喷嘴的喷射射速为170m/s-220m/s；在避水高度大于16m时，喷嘴的喷射射速为140m/s-170m/s。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将地面泵注的稳定流体流动经脉冲发生器调制为脉冲流动，脉冲流动流经喷枪并在喷嘴形成高速脉冲射流，可将井下水力瞬间能量增强3.5-4.5倍，利用脉冲射流孔内增压间接弥补由于储隔层应力差偏小导致的纵向遮挡偏弱的问题，可有效延伸水平裂缝，通过定向改造实现定方位起裂，从而控制裂缝方位，控制裂缝垂向延伸。

进一步，脉冲发生器通过收缩通道至导流通道的直径减小，形成高速射出的流体，高速射出的流体与周边流体发生动量交换，产生卷吸效应，导流块形成的反馈流道使压力不平衡，导致射流向流体体积偏少的一侧偏转，即产生附壁效应，最终形成高速射流。

进一步，扶正器能够将管串扶正，使喷枪减少抖动，能够始终正对油层，减少不必要的能量损耗和对管串的破坏。

进一步，采用单向阀能够方便在改造完成后的返排。

附图说明

图1为本发明的改造装置的结构示意图；

图2为本发明的脉冲发生器的结构示意图。

其中：1-管柱；2-扶正器；3-脉冲发生器；4-喷枪；5-单向阀；6-紧定螺钉；7-上接头；8-上接头密封圈；9-外筒；10-内芯；11-内芯上密封圈；12-内芯下密封圈；13-连接螺栓；14-限位环台；15-收缩通道；16-导流通道；17-喷射通道；18-射流通道；19-反馈通道；20-换向通道；21-出水口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，为本发明所述的底水油藏井下聚能射流控高改造装置，包括自上而下依次设置在油管中的管柱1、脉冲发生器3、喷枪4和单向阀5。

管柱1和脉冲发生器3之间以及喷枪4和单向阀5之间均设置有扶正器2，扶正器2为圆筒状，周面上均布有大小相等的多个扶正块，扶正块与油管内壁接触。

管柱1、扶正块、脉冲发生器3、喷枪4和单向阀5之间相互连通，且均为螺纹连接。

单向阀5带有倒角，单向阀5进口连通油管内区域，出口连通喷枪4和单向阀5之间的扶正器2，能够阻止油管内的压裂液流向油管与套管间的环形空间，不影响油管与套管间的环形空间的压裂液流向油管内部。

喷枪4呈下上向设置的圆筒状，其外侧沿圆周间隔均布有若干个喷嘴，本实施例中，喷嘴数量为两个，分别位于喷枪4两侧，喷嘴采用直径为4-8mm的直井喷嘴；喷枪4顶部内侧螺接于脉冲发生器3底部外侧，底部外侧螺接于扶正器2顶部内侧。喷嘴的喷射方向为垂直于管柱方向，喷嘴位于油层区域。

脉冲发生器3包括壳体和内芯10，壳体包括外筒9和上接头7，外筒9顶部与上接头7底部螺纹连接，外筒9顶部与上接头7底部之间设置有上接头密封圈8；上接头7顶部与位于管柱1和脉冲发生器3之间的扶正器2底部连接，上接头7内设置有通孔，并且通孔内径由上接头7顶部至上接头7底部呈台阶型逐渐减小，上接头7顶部设置有径向的紧定螺钉6，上接头7通孔靠近顶部设置有内螺纹，上接头7通过紧定螺钉6与内螺纹和位于管柱1和脉冲发生器3之间的扶正器2底部连接；外筒9靠近底部部分直径变小并设置有限位环台14，外筒9底部设置有外螺纹，喷枪4顶部内侧螺接于外筒9底部的外螺纹。

内芯10通过连接螺栓13固定在外筒9内部，内芯10顶部与上接头7底部连通，内芯10顶端与外筒9内壁之间设置有内芯上密封圈11，内芯10底端与外筒9内壁之间设置有内芯下密封圈12。

内芯10包括自上而下依次连通的收缩通道15、导流通道16、喷射通道17、射流通道18和出水口21，收缩通道15顶部与上接头7通孔底部连通，并且收缩通道15直径与上接头7通孔底部直径相同，导流通道16直径小于收缩通道15和喷射通道17直径；射流通道18和喷射通道17共同形成锥形，射流通道18顶部直径小于底部直径，射流通道18底部内径大于出水口21内径。

射流通道18两侧分别设置有一个导流块，每个导流块顶底部及外侧均与内芯10内壁间隙设置，形成通道，导流块底部通道为换向通道20，换向通道20与射流通道18底部连通，内芯10位于换向通道20处设置有弧形缺口；导流块中部和顶部通道为反馈通道19，反馈通道19与射流通道18顶部连通。

当流体从脉冲发生器3顶部进入内芯10过程中，流体在收缩通道15加速，形成高速射出的流体，高速射出的流体与周边流体发生动量交换，产生卷吸效应，由于内芯10内部流体空间有限，动量交换不能持续进行，当射流两侧反馈流道动量产生不对称时，进一步导致压力平衡状态被打破，导致射流向流体体积偏少的一侧偏转，即产生附壁效应。射流附壁至导流块一侧壁面后，流体将沿导流块壁面进一步向下流动，在流道形状的制约下，流体最终将在射流通道18底部形成高速射流。高速射流一部分流体从出水口21流出，另一部分流体通过换向通道20沿反馈通道19向上流动，并在射流通道18顶部冲击高速射流，发生动量交换迫使其换向附壁至另一导流块侧壁面，即完成射流附壁切换。

本发明是通过地面泵注高压流体，经管柱1传至脉冲发生器3，产生脉冲效应，再经喷枪4对油层进行水力喷射，将水力能量传导至油层，起裂油层，从而达到对油层改造的目的。

使用本发明所述装置进行控高改造时，与常规压裂方式一致分为前置液、携砂液、顶替液阶段，破裂压力和延伸压力根据前期计算的或邻井历史施工井数据作为参考值，结合储层隔层应力分布情况，按照控高要求，选用最佳的脉冲增能射流参数，主要包括：喷嘴直径，射流速度，以及射流速度引起的孔内增压等。水力喷射储层改造阶段施工排量0.3-0.7m³/min，加砂强度0.3-0.7m³/m，平均砂比8-10％，具体施工参数根据每口井地质参数进行调整，施工过程中结合延伸压力确定单井脉冲增能射流参数。

施工主体流程：

根据前期地质资料显示避水高度，匹配相应喷嘴。

将上述工具串按顺序连接后下入至目的层，喷嘴位置对应油层定界，并调整喷射方位至地质要求的喷射方位，从而控制裂缝方位。

水力喷砂射孔时套管打开，正循环通路，打开与地层之间的通路。

储层改造时，关闭套管，对地层憋压实施压裂改造，控制方式根据避水高度决定，地层破裂压力依据为测井的岩石力学计算或邻井历史施工井参考值。

在避水高度为1.5-8m之间范围内时，水力喷射采用两个4mm喷嘴组合喷枪4，喷射改造时根据油管压力显示控制排量，在启裂阶段油压不超过地层破裂压力，超过时降低排量，压力降低后再提高排量，通过阶段性缓启排量以延展裂缝通路，排量逐渐提高到喷嘴喷射射速220m/s-270m/s范围同时油压稳定在裂缝延伸压力范围时，稳定施工排量，再进行前置液-携砂液-顶替液的压裂流程，完成全部施工。

在避水高度在8-16m之间范围内时，水力喷射采用两个4mm喷嘴组合喷枪4，喷射改造时根据油管压力显示控制排量，在启裂阶段油压不超过地层破裂压力，超过时降低排量，压力降低后再提高排量，通过阶段性缓启排量以延展裂缝通路，排量逐渐提高到喷嘴喷射射速170m/s-220m/s范围同时油压稳定在裂缝延伸压力范围时，稳定施工排量，再进行前置液-携砂液-顶替液的压裂流程，完成全部施工。

在避水高大于16m时，水力喷射采用两个4mm喷嘴组合喷枪4，喷射改造时根据油管压力显示控制排量，在启裂阶段油压不超过地层破裂压力，超过时降低排量，压力降低后再提高排量，通过阶段性缓启排量以延展裂缝通路，排量逐渐提高到喷嘴喷射射速140m/s-170m/s范围同时油压稳定在裂缝延伸压力范围时，稳定施工排量，再进行前置液-携砂液-顶替液的压裂流程，完成全部施工。

具体施工步骤为：

下管柱1至射孔点：将单向阀5、扶正器2、喷枪4、脉冲发生器3和扶正器2由下至上依次连接在管柱1底部。通过地面设备下入管柱1和喷枪4至指定射孔孔眼深度位置。

2.循环、试压：连接地面设备，将压裂液循环至充满泵车、地面管线。保持井口关闭，缓慢提高泵压至施工最高压力，保持最高压力不少于10min，地面管线无渗漏，压降不超过0.7MPa为试压合格。

3.脉冲辅助射孔：向油管内泵注前置液，缓慢调整排量大小，泵注前置液体量与油管内容积相等时，开始加7％体积百分比的石英砂或陶粒的高压混砂液进行射孔，形成压裂液；压裂液经管柱1、扶正器2流入脉冲发生器3时，形成脉冲流体，脉冲流体以液体冲击波形式进入喷枪4后，进一步形成高压脉冲流体通过喷嘴冲击压裂液射流，开始冲蚀套管内壁，直至射穿套管、水泥环和地层；

4.脉冲辅助压开产层：继续保持管柱1泵注压裂液，管内液体经过脉冲发生器3进行脉冲增能，增能后的液体通过喷嘴以高压脉冲波形式传递进入射孔孔眼；当射孔孔眼内部岩石表面单位面积所受到的压力超过其屈服压力极限时，岩石开始破裂；

5.脉冲辅助压裂：继续保持管柱1泵注压裂液，压裂液进入射孔孔眼内部，从管柱1内部泵注的压裂液经过脉冲发生器3和喷嘴后，形成高压脉冲冲击射流；冲击射流进入射孔孔眼，射孔孔眼内压力呈波动变化，压裂液中的砂粒随压裂液体被快速携带至裂缝远端。

6.返排：当达到改造要求后，待井内压裂液完成破胶后，对井内压裂液进行返排，返排至井内无压力后，关闭井口。

7.提出管柱1：提出管柱1、单向阀5、扶正器2、喷枪4、脉冲发生器3和扶正器2，完成聚能射流控高改造。

本方法目前可达到最小控高距离1.5m，控高距离短。已在边底水油藏储层改造成功实施114井次，措施总增油10.5×104t，平均单井日增油：3.56t，改造后平均含水率68％。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种底水油藏井下聚能射流控高改造装置，其特征在于，包括自上而下依次设置在油管中的管柱(1)、脉冲发生器(3)和喷枪(4)；

管柱(1)、脉冲发生器(3)和喷枪(4)依次连通，管柱(1)顶端连接至地面，脉冲发生器(3)的脉冲方向为向下方向；喷枪(4)上设置有多个喷嘴，多个喷嘴均布在喷枪(4)周面，喷嘴的喷射方向为垂直于管柱(1)方向，喷嘴位于油层区域。

2.根据权利要求1所述的底水油藏井下聚能射流控高改造装置，其特征在于，脉冲发生器(3)包括壳体和内芯(10)，壳体顶底部分别与管柱(1)和喷枪(4)连接；内芯(10)设置在壳体内部，内芯(10)包括自上而下依次连通的收缩通道(15)、导流通道(16)、喷射通道(17)、射流通道(18)和出水口(21)，导流通道(16)直径小于收缩通道(15)和喷射通道(17)直径；射流通道(18)和喷射通道(17)共同形成锥形，射流通道(18)顶部直径小于底部直径，射流通道(18)底部内径大于出水口(21)内径；

射流通道(18)两侧分别设置有一个导流块，每个导流块顶底部及外侧均与内芯(10)内壁间隙设置，形成通道，导流块底部通道为换向通道(20)，换向通道(20)与射流通道(18)底部连通；导流块中部和顶部通道为反馈通道(19)，反馈通道(19)与射流通道(18)顶部连通。

3.根据权利要求1所述的底水油藏井下聚能射流控高改造装置，其特征在于，管柱(1)和脉冲发生器(3)之间以及喷枪(4)下方均设置有扶正器(2)，扶正器(2)周面上均布有多个扶正块，扶正块与油管内壁接触。

4.根据权利要求1所述的底水油藏井下聚能射流控高改造装置，其特征在于，喷嘴采用直径为4-8mm的直井喷嘴。

5.根据权利要求1所述的底水油藏井下聚能射流控高改造装置，其特征在于，喷嘴数量为两个，分别位于喷枪(4)两侧。

6.根据权利要求1所述的底水油藏井下聚能射流控高改造装置，其特征在于，喷枪(4)下方设置有单向阀(5)，单向阀(5)进口连通油管内区域，出口连通喷枪(4)。

7.一种基于权利要求1-6任意一项所述装置的底水油藏井下聚能射流控高改造方法，其特征在于，包括以下过程：

S1，将管柱(1)、脉冲发生器(3)和喷枪(4)组装固定在油管中，脉冲发生器(3)和喷枪(4)位于油管底部，喷枪(4)的喷嘴朝向射孔孔眼；

S2，从管柱(1)顶端泵入压裂液，压裂液经管柱(1)进入脉冲发生器(3)中，形成脉冲流体，脉冲流体以液体冲击波形式进入喷枪(4)后，进一步形成高压脉冲流体通过喷嘴以高压脉冲波形式喷出，将岩石破碎，直到达到改造要求；

S3，对井内压裂液进行返排，返排至井内无压力后，关闭井口，再将管柱(1)、脉冲发生器(3)和喷枪(4)取出。

8.根据权利要求7所述的底水油藏井下聚能射流控高改造方法，其特征在于，向管柱(1)泵入压裂液的过程为：先从管柱(1)顶端泵入前置液，直到前置液体量与油管内容积相等，加入为前置液体量7％的混砂液，形成压裂液。

9.根据权利要求7所述的底水油藏井下聚能射流控高改造方法，其特征在于，对井内压裂液进行返排前，先等待压裂液完成破胶。

10.根据权利要求7所述的底水油藏井下聚能射流控高改造方法，其特征在于，在避水高度为1.5-8m时，喷嘴的喷射射速为220m/s-270m/s；在避水高度为8-16m时，喷嘴的喷射射速为170m/s-220m/s；在避水高度大于16m时，喷嘴的喷射射速为140m/s-170m/s。

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