CN118187792A - 一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置及方法，属于油气田开发的水力压裂技术领域。该装置包括筒状主体，筒状主体表面分布有直径能调节的孔眼，两端依次对称设有弹簧、胶筒和卡瓦，弹簧和胶筒均套设于筒状主体上。使用时，首先估算压裂冲蚀后的射孔孔眼的等效直径，计算相邻压裂段之间的储层压差以及压力相对较高位置所需的孔眼直径；投放上述装置至拟优化处理的水平井筒段，使孔眼与水平井射孔位置重合，解锁卡瓦，弹簧伸长，胶筒膨胀密封装置与水平井筒间的空间；调整孔眼直径至参考值，最后测试井口产量并调整孔眼的等效直径，直至产量增加。该方法能解决水平井分段压裂段间产液量分布不均匀甚至部分压裂段无产量的问题。

Description

一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置及方法

技术领域

本发明属于油气田开发的水力压裂技术领域，具体涉及一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置及方法。

背景技术

随着致密油气、页岩油气等非常规储层的开发，水平井分段多簇压裂技术在油气开发中的重要地位越来越凸显。水平井分段压裂技术是利用桥塞等封隔工具将几千米长的水平井筒密封分隔成多个小段，每一段内都优选位置进行射孔作业将井筒与地层连通，随后从井口泵注高压液体，液体经射孔孔眼流入地层，当压力大于地层破裂压力后，地层破裂形成裂缝，后续泵注的高压液体促进裂缝继续延伸扩展。

目前，水平井水平段长度平均2000～3000m，长水平井可达到5000m以上；每隔50～150m压裂一段，每段中射孔3～5簇，甚至8～10簇，则单井射孔上百簇。若每个射孔簇位置上裂缝都成功扩展，则单井可形成裂缝上百条，但水平井筒沿程2000～3000m的范围内，储层的非均质性通常较强、压裂段之间的地层压力各不相同，这将导致每条裂缝中流体的流动状态出现差别。有研究利用光纤测试技术，多次测试发现，无论单段3～5簇还是8～10簇，绝大多数射孔簇都可以正常进液，虽然每一簇的进液强度不同，但仍能够推测每一个压裂段都产生了裂缝则近井筒周围形成裂缝几十至几百条。对于非均质性明显的致密气和页岩油气储层，随着单井压裂段数和射孔簇数的增加，压裂段之间的产液量分布非常不均匀甚至部分压裂段无产量，这不仅会降低压裂液的返排率，而且加重储层伤害，降低油气产量，而且会造成经济浪费。分析认为，油气井生产阶段，水平井筒是一个压力连通的系统，裂缝“失效”的部分原因在于压裂段之间的应力干扰，地层压力越高的区域液体越容易流出并且增加井筒压力，当井筒压力高于低压区域的储层压力时，则导致低压区的裂缝“失效”。此外，孔眼直径越小，流体流动所需克服的节流压差越大(公式1)，压后孔眼直径可利用井下摄像机测得。

式中，Δp为高压区域所需的孔眼节流压差；q为流量；ρ_l为流体粘度；n为孔眼个数；D为孔眼直径；C_D为孔眼的流量系数。

因此，需要依靠技术手段发挥每一条裂缝的作用，提高油气产量，改善经济效益。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置及方法，解决水平井分段压裂段间产液量分布不均匀的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，包括筒状主体，筒状主体表面分布有若干个直径能调节的孔眼；筒状主体两端依次对称设置有弹簧、胶筒和卡瓦，卡瓦固定于筒状主体两端，弹簧和胶筒均套设于筒状主体上，弹簧远离胶筒的一端固定于筒状主体的外壁上不动，并在卡瓦解锁前处于压缩状态；胶筒为能够膨胀的胶筒，待卡瓦解锁后，胶筒能够在筒状主体的外壁上滑动。

优选地，孔眼表面设置有调节垫片，调节垫片由对称的A垫片和B垫片组成，所述A垫片和B垫片为中心挖去半圆形的空心结构，A垫片和B垫片能够通过相对运动调节孔眼的直径。

进一步优选地，A垫片和B垫片内部均嵌有集成电路芯片，A垫片和B垫片通过滑轨对称布置于孔眼表面。

优选地，孔眼的位置与水平井射孔位置一致。

优选地，筒状主体的外径小于水平井筒内径1～5mm，筒状主体的长度为10～100m。

优选地，卡瓦为筒状结构，壁厚1～2cm，卡瓦的外径与筒状主体外径一致，卡瓦外侧周向分布有卡瓦片，卡瓦在受到震动或能量震击后解锁，卡瓦片向侧面展开，咬合水平井筒内壁。

优选地，胶筒内部装有缓释剂，缓释剂能够在80℃～150℃环境下反应生成气体，使胶筒膨胀贴紧水平井筒内壁。

本发明还公开了上述一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置的产液方法，步骤如下：

1)依据排量、液量或砂量对孔眼冲蚀的规律，估算压裂冲蚀后的射孔孔眼的等效直径，并计算液体从地层到水平井筒流过射孔孔眼的平均节流压差；

2)结合评价地层压力的方法，计算相邻压裂段之间的储层压差；

3)根据液体从地层到水平井筒流过射孔孔眼的平均节流压差和相邻压裂段之间的储层压差，计算高压区域所需的孔眼节流压差；结合高压区域所需的孔眼节流压差计算相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径；

4)投放所述装置至拟优化处理的水平井筒段，使装置的孔眼与水平井射孔位置重合，解锁卡瓦，固定装置；

5)胶筒在井下膨胀；在卡瓦拉力的作用下弹簧伸长，压缩胶筒，使胶筒密封装置与水平井筒之间的环形空间；

6)调整孔眼的直径至步骤3)计算的相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径；

7)测试井口产量，继续调整步骤6)中孔眼的直径，直至产量增加。

优选地，步骤2)中，评价地层压力的方法包括依据井下压力计、每一段压裂施工完成后的井口停泵压力或压裂段周围邻近直井的地层压力测试结果。

优选地，相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径的计算公式为：

其中，Δp为高压区域所需的孔眼节流压差，d₂为相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径，q为流量，ρ_l为流体粘度，n为孔眼个数，D为孔眼直径，C_D为孔眼的流量系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，筒状主体上设置的直径能够调节的孔眼，通过调节孔眼直径来调节流量压差；胶筒能够膨胀，结合卡瓦、弹簧和胶筒的联动设计，即随着卡瓦的解锁，压缩的弹簧伸长，推动并压缩胶筒，胶筒进一步密封筒状主体与水平井筒之间形成的环状结构，从而实现段间压力封隔。此外，该装置为全通径结构，不影响其他作业，该装置通过胶筒膨胀以及卡瓦、弹簧和胶筒的联动对筒状主体与水平井筒间进行密封，结合可调节直径的孔眼，降低水平井筒中的压力，从而增加压力相对较低的裂缝中流体顺利流出的概率，能够解决水平井分段压裂段间产液量分布不均匀的问题。

本发明提供的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的方法，采用集成极限射孔和井下节流器的工作原理，利用孔眼直径越小节流压差越大的基本原理，通过减小压力相对较高的裂缝出口处孔眼的直径，增大节流压差，从而降低水平井筒中的压力，进而增加压力相对较低的裂缝中流体顺利流出的概率。该方法符合非均质性强的致密气和页岩油气储层的现场需求，全通径结构不影响其他作业过程，操作简单，成本低，能够解决水平井分段多簇压裂压后段间产液不均和单井产量低的问题。

附图说明

图1为本发明的提高段间均匀产液的装置整体结构示意图；

图2为本发明的调节垫片的结构示意图。

其中：1-上卡瓦；2-上胶筒；3-上弹簧；4-筒状主体；5-孔眼；6-下弹簧；7-下胶筒；8-下卡瓦；9-调节垫片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本发明中的术语“水平井筒”即石油领域中的“套管”。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提供的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，包括筒状主体4，筒状主体4两端依次对称设置有弹簧、胶筒和卡瓦，卡瓦固定于筒状主体4两端，弹簧和胶筒均套设于筒状主体4上，弹簧远离胶筒的一端固定于筒状主体4的外壁上不动，并在卡瓦解锁前处于压缩状态；待卡瓦解锁后，胶筒能够在筒状主体4的外壁上滑动。

筒状主体4，筒状主体4为全通径结构，其外径小于水平井筒内径1～5mm，长度10～100m；筒状主体4表面螺旋状分布有多个孔眼5，孔眼5的孔密/方位角设计均与水平井筒的射孔方案一致，孔径5～10cm；每个孔眼5的外面配套有直径可调的调节垫片9，调节垫片9由A垫片和B垫片组成，所述A垫片和B垫片为中心挖去半圆形的空心结构，垫片内部嵌有由三极管组成的集成电路芯片，A垫片和B垫片通过滑轨对称布置于孔眼5表面。在使用时，通过控制A垫片和B垫片相对运动，改变缝内流体流出到水平井筒的出口直径。

卡瓦，用于连接水平井筒并拉伸弹簧。筒状主体4两侧的卡瓦分别为上卡瓦1和下卡瓦8，上卡瓦1和下卡瓦8均为筒状结构，壁厚1～2cm，外径略小于水平井筒内径1～5mm；卡瓦外侧周向分布有6片卡瓦片，卡瓦在受到震动或能量震击后解锁，卡瓦片向侧面展开，咬合水平井筒内壁，从而固定本装置在水平井筒中的位置。

胶筒，用于密封水平井筒与本装置之间形成的环形空间，隔离相邻的压裂段。筒状主体4两侧的胶筒分别为上胶筒2和下胶筒7，上胶筒2和下胶筒7均为带状胶筒，环绕在筒状主体4的外壁，上胶筒2和下胶筒7的内部均装有适量的颗粒状或粉末状的化学缓释剂，化学缓释剂能够在井下80℃～150℃的高温环境下反应生成气体，使上胶筒2和下胶筒7膨胀贴紧水平井筒内壁，从而实现射孔段之间的封隔；所述化学缓释剂优选高锰酸钾或铵盐类的缓释剂。

弹簧，用于压缩胶筒。筒状主体4两侧的弹簧分为上弹簧3和下弹簧6，上弹簧3和下弹簧6均环绕在筒状主体4的外壁。待卡瓦解锁后，压缩状态的弹簧因卡瓦片向侧面展开而伸长，伸长的弹簧推动胶筒向卡瓦一侧移动，直至胶筒压缩，使胶筒横向延展，从而提高胶筒的密封封隔效果。

本发明提供的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的方法，包括以下步骤：

(1)依据井下摄像或前期已取得的排量/液量/砂量对孔眼冲蚀的规律，估算压裂冲蚀后的射孔孔眼的等效直径d₁，根据下式计算液体从地层到水平井筒流过射孔孔眼的平均节流压差Δp₁；

(2)依据井下压力计、每一段压裂施工完成后的井口停泵压力或该压裂段周围邻近直井的地层压力测试结果等评价地层压力的有效方法，计算相邻压裂段之间的储层压差Δp_s；

(3)为了克服段间的压力干扰，实现相邻井压裂段均匀出液，高压区域克服储层压差与孔眼节流压差后的出口压力应与低压区域尽可能接近，根据下式计算高压区域所需的孔眼节流压差Δp：

Δp＝Δp_s+Δp₁

(3)

式中，Δp_s为相邻压裂段之间的储层压差；Δp为高压区域所需的孔眼节流压差；

然后再根据下式计算相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径d₂：

(4)投放上述装置，使其定位在拟优化处理的水平井筒段，使装置上的孔眼5与水平井射孔位置重合，利用震动、点火或快速下抛等方式使卡瓦解锁，向侧面展开咬合水平井筒内壁，固定装置位置；

(5)在卡瓦拉力的作用下弹簧伸长，压缩胶筒使其贴紧水平井筒内壁；胶筒内的缓释剂在高温环境下发生化学反应产生气体，胶筒膨胀，完全密封装置与水平井筒之间的环形空间，实现将邻近的射孔簇/段封隔的效果(其中，胶筒膨胀与胶筒被压缩不分先后，两种方式共同作用提高密封效果)；

(6)采用遥控等方式控制A垫片和B垫片相对运动，将流体出口孔眼5的直径由原始状态调整至步骤(3)计算的参考值d₂；

(7)根据产液/气剖面测试或井口产量，继续精细调整步骤(6)的出口孔眼5的直径，直至两个压裂段之间出口压差优化到最小，实现产量增加。

实施例1

如图1和图2所示，一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，沿水平方向依次设置有上卡瓦1、上胶筒2、上弹簧3、筒状主体4、下弹簧6、下胶筒7和下卡瓦8。上卡瓦1和下卡瓦8均为筒状结构，并固定于筒状主体4两端，上卡瓦1和下卡瓦8壁厚1～2cm，外径略小于水平井筒内径1～5mm；上卡瓦1和下卡瓦8外侧均周向分布有6片卡瓦片，上卡瓦1和下卡瓦8在受到震动或能量震击后解锁，卡瓦片向侧面展开，咬合水平井筒内壁，从而固定本装置在水平井筒中的位置。上胶筒2和下胶筒7均为带状胶筒，并环绕于筒状主体4的外壁上，待上卡瓦1和下卡瓦8解锁后，上胶筒2和下胶筒7能够筒状主体4的外壁上滑动；上胶筒2和下胶筒7内部均装有适量的高锰酸钾，能够在井下高温环境下反应生成气体，使上胶筒2和下胶筒7膨胀贴紧水平井筒内壁，从而实现射孔段之间的封隔；上弹簧3和下弹簧6环绕在筒状主体4的外壁，并且远离胶筒的一端固定于筒状主体4外壁上不动，上弹簧3和下弹簧6初始时(即卡瓦解锁前)处于压缩状态；胶筒主体4为全通径结构，外径小于水平井筒内径1～5mm，长度10～100m；筒身表面螺旋状分布多个孔径5～10cm的孔眼5，孔眼5的孔密/方位角设计均与水平井筒的射孔方案一致；每个孔眼5的外面配套有调节垫片9，调节垫片9由对称的A垫片和B垫片构成，所述A垫片和B垫片为中心挖去半圆形的空心结构，垫片内部嵌有由三极管组成的集成电路芯片，A垫片和B垫片通过滑轨对称布置于孔眼5表面。在使用时，通过A垫片和B垫片内部嵌入的集成电路芯片接收地面控制器发射的脉冲信号后解码，通过遥控控制A垫片和B垫片的相对运动，从而改变缝内流体流出到水平井筒的出口直径。

一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的方法，步骤如下：

(1)依据井下摄像技术观察射孔孔眼经过压裂施工过程中的冲蚀后的直径变化，估算压裂冲蚀后的射孔孔眼的等效直径d₁，确定流量系数C_D和射孔孔眼数量n；

根据下式计算液体从地层到水平井筒流过射孔孔眼的平均节流压差Δp₁；

(2)利用每个压裂段周围邻近直井的地层压力测试结果估算每一个压裂段位置处的地层压力，选择压力差异大的两个相邻压裂段作为优化目标，计算相邻压裂段之间的储层压差Δp_s；

(3)为了克服段间的压力干扰，实现邻井压裂段均匀出液，高压区域克服储层压差与孔眼节流压差后的出口压力应与低压区域尽可能接近，根据下式计算高压区域所需的孔眼节流压差Δp：

Δp＝Δp_s+Δp₁

(3)

式中，Δp_s为相邻压裂段之间的储层压差；Δp为高压区域所需的孔眼节流压差；

然后再根据下式计算相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径d₂：

(4)将本发明的装置投放在步骤(2)作为优化目标的两个压裂段之间，安装时保证装置上的孔眼5与水平井射孔位置重合，利用震动的方式使上卡瓦1和下卡瓦8解锁，向侧面展开咬合水平井筒内壁，固定装置位置；

(5)在上卡瓦1和下卡瓦8拉力的分别作用下，上弹簧3和下弹簧6伸长，分别压缩上胶筒2和下胶筒7，使上胶筒2和下胶筒7径向变形贴紧水平井筒内壁；上胶筒2和下胶筒7内的高锰酸钾在井底高温环境下发生化学反应产生气体，上胶筒2和下胶筒7膨胀后，完全密封所述装置与水平井筒之间的环形空间，实现将两个压裂段封隔的效果；

(6)采用遥控的方式控制A垫片和B垫片相对运动，调整流体出口孔眼直径减小到d₂；孔眼直径变小后，水平井的产量相应变化，根据井口产量q的变化，利用公式(2)再次精细调整出口孔眼的直径，继续减小两个压裂段之间出口压差，当出口压差优化到最小后，实现水平井产量的最优化。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，其特征在于，包括筒状主体(4)，筒状主体(4)表面分布有若干个直径能调节的孔眼(5)；筒状主体(4)两端依次对称设置有弹簧、胶筒和卡瓦，卡瓦固定于筒状主体(4)两端，弹簧和胶筒均套设于筒状主体(4)上，弹簧远离胶筒的一端固定于筒状主体(4)的外壁上不动，并在卡瓦解锁前处于压缩状态；胶筒为能够膨胀的胶筒，待卡瓦解锁后，胶筒能够在筒状主体(4)的外壁上滑动。

2.根据权利要求1所述的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，其特征在于，孔眼(5)表面设置有调节垫片(9)，调节垫片(9)由对称的A垫片和B垫片组成，所述A垫片和B垫片为中心挖去半圆形的空心结构，A垫片和B垫片能够通过相对运动调节孔眼(5)的直径。

3.根据权利要求2所述的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，其特征在于，A垫片和B垫片内部均嵌有集成电路芯片，A垫片和B垫片通过滑轨对称布置于孔眼(5)表面。

4.根据权利要求1所述的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，其特征在于，孔眼(5)的位置与水平井射孔位置一致。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，其特征在于，筒状主体(4)的外径小于水平井筒内径1～5mm，筒状主体(4)的长度为10～100m。

6.根据权利要求1～4任意一项所述的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，其特征在于，卡瓦为筒状结构，壁厚1～2cm，卡瓦的外径与筒状主体(4)外径一致，卡瓦外侧周向分布有卡瓦片，卡瓦在受到震动或能量震击后解锁，卡瓦片向侧面展开，咬合水平井筒内壁。

7.根据权利要求1～4任意一项所述的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置，其特征在于，胶筒内部装有缓释剂，缓释剂能够在80℃～150℃环境下反应生成气体，使胶筒膨胀贴紧水平井筒内壁。

8.基于权利要求1～7任意一项所述的一种提高水平井分段压裂压后段间均匀产液的装置的产液方法，其特征在于，步骤如下：

1)依据排量、液量或砂量对孔眼冲蚀的规律，估算压裂冲蚀后的射孔孔眼的等效直径，并计算液体从地层到水平井筒流过射孔孔眼的平均节流压差；

2)结合评价地层压力的方法，计算相邻压裂段之间的储层压差；

3)根据液体从地层到水平井筒流过射孔孔眼的平均节流压差和相邻压裂段之间的储层压差，计算高压区域所需的孔眼节流压差；结合高压区域所需的孔眼节流压差计算相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径；

4)投放所述装置至拟优化处理的水平井筒段，使装置的孔眼(5)与水平井射孔位置重合，解锁卡瓦，固定装置；

5)胶筒在井下膨胀；在卡瓦拉力的作用下弹簧伸长，压缩胶筒，使胶筒密封装置与水平井筒之间的环形空间；

6)调整孔眼(5)的直径至步骤3)计算的相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径；

7)测试井口产量，继续调整步骤6)中孔眼(5)的直径，直至产量增加。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤2)中，评价地层压力的方法包括依据井下压力计、每一段压裂施工完成后的井口停泵压力或压裂段周围邻近直井的地层压力测试结果。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤3)中，相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径的计算公式为：

其中，Δp为高压区域所需的孔眼节流压差，d₂为相邻压裂段之间压力相对较高位置所需的孔眼直径，q为流量，ρ_l为流体粘度，n为孔眼个数，D为孔眼直径，C_D为孔眼的流量系数。