CN1332120C - 投放式压裂器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投放式压裂器，适用于油、气井投放式压裂增效工艺。该压裂器由压力点火器和高能气体发生器构成。其主要特点是，本发明的压力点火器在井下目的储层的液柱压力作用下可以剪断承压销钉，使活塞运动并推动击针撞击火帽，由此火帽点燃点火管、火药、药柱；压力点火器输出火焰依次点燃高能气体发生器中的数个火药柱，火药柱燃烧产生的大量高温高压气体对目的储层进行压裂。采用本发明的投放式压裂工艺不仅克服了电缆传输工艺中遇阻打结和电缆损坏等弊端，同时也克服了油管传输工艺中施工复杂、周期长等缺陷。本发明的主要优点是工艺成本低，操作简便，使用灵活，成功率高，可极大地减少人力、物力的消耗。

Description

投放式压裂器

技术领域

本发明属于油、气井高能气体增产增效作业技术领域，尤其涉及一种适用于油、气井压裂增效工艺的投放式压裂器。

背景技术

老油井在不断开采过程中，油岩层中会出现石油煤焦油胶质、沥青质的沉淀，石蜡、盐的析出，乳状液，粘土与淡水反应膨胀；此外，在钻井和试油过程中，油岩层还会受到泥浆的污染；修井时各种杂质也会侵入到油岩层。上述情况综合导致近井地带渗透性能变差，油产能下降。为此，可根据井下地质构造而采用不同的压裂增产措施。

高能气体压裂工艺就是其中一种增产措施。该工艺利用发射药或推进剂燃烧产生的高温高压气体在原已射过孔的孔眼中进行高压作用，对套管与地层造成强脉冲冲击，在井壁周围形成多条辐射状裂缝；将目的层中不交叉的裂缝扩张，使其与井壁相连接；疏通出油、气通道，改善地层的渗油性，使更深的原油被渗出，由此提高老油井的采收率，达到增产的目的。

目前，高能气体压裂工艺分为电缆输送起下压裂弹和油管传输起下压裂弹两种。电缆输送压裂工艺是利用车载电缆将压裂弹送到目的层，通过磁性定位器使高能气体压裂弹准确放置在要压裂的部位，然后将高频、高压电流通过缆芯传送给压裂弹，以电引爆方式点燃压裂弹的电点火器并最终点燃压裂弹的主药柱(固体推进剂)。电缆输送压裂工艺存在的主要缺陷有：(1)每次施工作业都需配备电缆车和磁性定位器等设备，施工现场还必须对用电和高频通讯设备进行控制；(2)在施工过程中，电缆遇阻会打结，造成停工或返工；(3)电缆随着时间和温度的变化其伸长率不确定，使电点火器的作用位置偏离目的层；(4)该工艺受时间和气候条件制约较大，不能在夜间以及大风、沙尘、雨雪等恶劣气候条件下施工；(5)在压裂施工作业过程中，高温高压气体会对电缆造成损害，从而耗费较大的人力、物力。

油管传输压裂工艺是用数千米的油管将点火器和压裂弹输送到井下目的层，可以采用机械投棒式或加压激发式点火。加压激发式点火需要配备井架和泵车对点火器加压，使点火器受到压力发火，最终引燃压裂弹而实施压裂作业。这种压裂工艺存在的主要缺陷有：(1)每次实施压裂作业时须将油管一根一根放入井中，结束时再一根一根地从井中取出，不仅工艺复杂，作业周期长达数日，而且该工艺不适用于井下已经有油管的低产井和老油井；(2)压力激发式点火器在下井过程中，由于要从井口对其逐段加水，在加水过程中，水对点火器冲击有可能改变点火器的发火值，从而造成点火器未到目的储层就提前发火的事故；(3)在施工作业中，起下油管的速度或落物对施工质量和施工过程中的安全性都有影响。

为了克服电缆输送压裂施工作业和油管传输压裂施工作业的不足，可以采用一种新的压裂增效施工作业即投放式压裂施工作业，该作业方式是从井口向井内直接投放压裂弹，或用钢丝将压裂弹输送到目的储层。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为投放式压裂施工作业提供一种投放式压裂器，而且采用本发明所进行的压裂施工作业，施工成本低、周期短、  精度高、安全性好。

为解决上述技术问题，本发明包括压力点火器和高能气体发生器，所述的压力点火器含有本体、尾盖、压力释放机构、击针组件、发火机构，所述本体为带有多个中心阶梯通孔的圆柱形壳体；所述的尾盖带有通孔；所述的压力释放机构包括活塞、承压环、数个承压销钉，承压环通过数个承压销钉固连在活塞的外圆上；所述的击针组件包括固定销、击针套、击针，击针通过固定销固连在击针套内且击针的针头露在击针套外部；所述的发火机构包括含有火帽和点火管的点火组件、火药、药柱、连接体，所述连接体为带有多个中心阶梯孔的凸形壳体，所述药柱、火药、点火组件由连接体的小头端依次放置在连接体的相应阶梯孔中；所述的压力释放机构、击针组件安置在所述本体中部的阶梯孔中，所述的尾盖和发火机构分别与本体的两端固连，尾盖与压力释放机构相邻，发火机构与击针组件相邻且击针的针头位于所述连接体大头端的阶梯孔中，连接体的小头端则位于本体之外；所述的高能气体发生器包括尾塞、点火药柱、n个火药柱和n-1个连接管，n≥3，所述的火药柱由固体推进剂与中心管经热成型法压为一体，点火药柱位于中心管内并通过n-1个连接管将n个火药柱串接在一起，串接后的火药柱一端的中心管与尾塞固连，另一端则与所述发火机构连接体的小端固连。

根据本发明，所述的点火药柱由高能点火药压制而成；所述的火帽由耐温击发药压制而成，所述的点火管由硅点火药压制而成。

本发明的工作原理及工作过程如下：

当将本发明从井口向井筒内投放或用钢丝输送时，井下液柱压力通过尾塞通孔作用在压力点火器的活塞端面，使活塞与承压销钉之间产生剪切力，随着液柱深度的增加，剪切力也在不断增大，当本发明到达要进行压裂作业的储层时，剪切力等于承压销钉预设的剪切极限值，承压销钉被剪断，活塞在本体中运动并推动击针使击针与固定销之间产生剪切力，当固定销被剪断之后，击针头撞击火帽，火帽依次点燃点火管、火药和药柱。压力点火器输出的火焰将高能气体发生器火药柱中心管里的点火药柱点燃，并依次传递点燃各个火药柱中心管中的点火药柱。点火药柱燃烧后产生的火焰和放出的热量使中心管升温并烧穿，从而点燃火药柱的固体推进剂。火药柱燃烧产生大量高温高压气体，高温高压气体使井筒内压力急剧上升，对套管与地层造成强脉冲冲击，使套管、地层和原产能孔道周围形成裂缝并使裂缝扩张，形成新的产能通道；高能气体和地层压力返排井筒又将近井地带的堵塞物和污染物带入井筒，疏通渗流通道，使油、气顺利产出，从而提高老油井、气井和低渗透井段产油、产气量。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(一)本发明很好地利用了油井内原有液体这一天然环境条件作为其压力点火器的发火能源，并根据液体压力随液体深度和液体比重的变化规律，巧妙地设计了在受到目的储层液体压力作用而能使活塞运动的压力释放机构，通过活塞的运动推动击针组件的击针撞击火帽，由此实现压力点火器的点火功能；此外，根据活塞在目的储层受到的液体总压力来确定承压销钉的规格和数量，从而保证了压力点火器可以在目的储层精确而可靠的实施点火。

(二)采用本发明进行压裂施工作业，只需一个人在井口投放或用钢丝输送即可，既不需要任何设备，也不需要任何外加能源，而且从准备到施工作业结束仅用几个小时，因此，操作简单，可节约大量的人力和物力，大大降低了压裂施工作业的成本，同时也提高了施工作业的安全性。

(三)由于本发明改变了已有技术的施工方式和点火方式，不仅避免了电缆遇阻打结等事故，提高了压裂施工作业的成功率，同时，本发明的适用范围也比较宽。

附图说明

图1是本发明总体构成示意图。

图2是本发明压力点火器构成示意图。

图3是本发明第一优选实施例承压销钉排列形式示意图。

图4是本发明高能气体发生器构成示意图。

图5是本发明第三优选实施例的第一圈承压销钉排列形式示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1所示，本发明第一优选实施例由压力点火器A和高能气体发生器B构成。压力点火器A通过其发火机构的连接体与高能气体发生器B连接。

参见图2，本优选实施例的压力点火器A包括尾盖1、本体2、压力释放机构、击针组件、发火机构。本体2是由钢材制成的带有多个中心阶梯通孔的圆柱形壳体，其一端设有外螺纹另一端设有内螺纹。尾盖1带有内螺纹和径向通孔。压力释放机构含有承压销钉3、承压环4、活塞5，承压环4通过承压销钉3固连在活塞5一端的外圆上。活塞5和承压环4由优质钢材制成，以保证可靠剪断承压销钉3。承压销钉3的选材及直径的确定是本发明的核心技术，根据多方选材及大量的试验结果，在保证剪切力τ值稳定性的前提下，承压销钉3选用20Cr钢材料制作，本优选实施例共使用八个销钉并分两圈排列，其中第一圈有3-1销钉和3-3销钉各一个(参见图3)，第二圈有六个3-5销钉，八个承压销钉的承压值为32.5MPa，因此可使本实施例的压力点火器在液面以下3250m处实施点火。击针组件含有固定销6、击针套8、击针11，击针套8、击针11均选用钢材制作。击针11的主体部分通过固定销6安装在击针套8之内，击针11的针头露在击针套8的外部。发火机构含有座体、火帽9、点火管10、火药12、药柱13、连接体14。连接体14是由钢材制作的带有四个中心阶梯孔的壳体且壳体外径中部带有定位突沿，定位突沿两侧的壳体外径不等且均带有外螺纹和密封槽；壳体大头一端与本体2连接，小头一端与高能气体发生器B连接。座体由钢材制作，火帽9由耐温击发药压制而成，点火管10由硅点火药压制而成。为了保证火帽9在受撞击时不产生位移并提供足够的支持力，火帽9通过固化胶固化在座体的一个内孔中，点火管10则放置在座体的另一个内孔中，这两个内孔之间开有传火通道，以确保点火管10被火帽9可靠点燃。药柱13、火药12、座体均用固化胶依次固定在连接体14中的第一、第二、第三中心阶梯孔中(从小端到大端排列)。

根据图2所示，压力点火器A的装配工艺为：第一步安装压力释放机构，将压力释放机构放入本体2的阶梯孔中，通过承压环4的端面与本体2的阶梯端面定位，本体2的内孔与活塞5的外径之间用两个橡胶密封圈7进行密封，然后将本体2一端拧入尾盖1的螺纹孔中，井内原液可以通过尾盖1的径向通孔将压力作用在活塞面上；第二步安装击针组件，由本体2的另一端将击针组件装入本体2中间的阶梯孔中，并通过击针套8的端面与阶梯孔端面定位，击针的尾部与压力释放机构相邻；第三步安装发火机构，将连接体14大头端的外螺纹与本体2中的内螺纹进行连接，连接体14上的定位突沿与本体2的端面接触，本体2的内孔与连接体14的大端头外径之间用三个橡胶密封圈7进行密封，击针11的针头位于连接体14的第四中心阶梯孔中。

参见图4，本优选实施例的高能气体发生器B包括尾塞19、三个火药柱15、两个点火药柱16和两个连接管18。火药柱15由固体推进剂与中心管17采用热成型法结合为一体，按使用环境和最佳产气量的要求制作成柱体形状。中心管17由硬铝制成，两端制有内螺纹。连接管18由硬铝制成，两端的外螺纹可与中心管17的内螺纹连接，由此可将三个火药柱15串接在一起。串接火药柱一端的中心管17与压力点火器连接体14的小端外螺纹连接并装配两个密封圈7，另一端与尾塞19螺纹连接。中心管17、连接管18和尾塞19均采用硬铝制作，不仅保证了螺纹连接强度，更重要的是铝可作为火药柱15的燃烧剂。点火药柱16由高能点火药压制而成并装在中心管17中，由于中心管17空腔较小且升温需要一段时间，故中心管17内的点火药柱16应选用低比容和高热值材料。点火药柱16的小端头伸进连接管18的内孔中。

本发明在压力点火器A的活塞5受力面积确定的前提下，通过变换承压销钉3的规格(见表1)和使用数量，就可以构成本发明针对多种目的储层的各种实施例。例如：本发明第二优选实施例选择一个3-1销钉、两个3-2销钉、六个3-5销钉，上述九个承压销钉的承压值为32.5MPa，第二优选实施例可以在液面下3250米进行压裂工艺；本发明第三优选实施例选用三个3-5销钉以及3-1销钉、3-2销钉、3-3销钉、3-4销钉各两个，而且规格相同的销钉对称安装(参见图5)，上述十一个承压销钉的承压值为33MPa，第三优选实施例可以在液面下3300米处准确实施压裂工艺。此外，通过增加或减少高能气体发生器B所用火药柱15的数量，或根据设计要求将各种燃速的火药柱15进行多种组合，就可以使本发明达到最佳的压裂效果。

表1  各种规格承压销钉剪切值一览表

承压销钉	3-1销钉	3-2销钉	3-3销钉	3-4销钉	3-5销钉
						剪切值(MPa)	0.5+0.05％	1+0.1％	2+0.1％	5.5+0.1％	5+0.1％

Claims (3)

1.一种投放式压裂器，包括压力点火器[A]和高能气体发生器[B]，所述的高能气体发生器[B]包括尾塞[19]、点火药柱[16]、n个火药柱[15]和n-1个连接管[18]，n≥3，所述的火药柱[15]由固体推进剂与中心管[17]经热成型法压为一体，点火药柱[16]位于中心管[17]内并通过n-1个连接管[18]将n个火药柱[15]串接在一起，其特征在于：所述的压力点火器[A]含有本体[2]、尾盖[1]、压力释放机构、击针组件、发火机构，所述本体[2]为带有多个中心阶梯通孔的圆柱形壳体；所述的尾盖[1]带有通孔；所述的压力释放机构包括活塞[5]、承压环[4]、数个承压销钉[3]，承压环[4]通过数个承压销钉[3]固连在活塞[5]的外圆上；所述的击针组件包括固定销[6]、击针套[8]、击针[11]，击针[11]通过固定销[6]固连在击针套[8]内且击针[11]的针头露在击针套[8]的外部；所述的发火机构包括含有火帽[9]和点火管[10]的点火组件、火药[12]、药柱[13]、连接体[14]，所述连接体[14]为带有多个中心阶梯孔的凸形壳体，所述药柱[13]、火药[12]、点火组件由连接体[14]的小头端依次放置在连接体[14]的相应阶梯孔中；所述的压力释放机构、击针组件安置在所述本体[2]中部的阶梯孔中，所述的尾盖[1]和发火机构分别与本体[2]的两端固连，尾盖[1]与压力释放机构相邻，发火机构与击针组件相邻且击针[11]的针头位于所述连接体[14]大头端的阶梯孔中，连接体[14]的小头端则位于本体[2]之外；所述串接后的火药柱一端的中心管[17]与所述尾塞[19]固连，另一端则与所述发火机构连接体[14]的小端固连。

2.根据权利要求1所述的投放式压裂器，其特征在于：所述的数个承压销钉[3]分两圈排列将所述承压环[4]与所述活塞[5]固连，且承压销钉[3]至少有两种规格。

3.根据权利要求1或2所述的投放式压裂器，其特征在于：所述的点火药柱[16]由高能点火药压制而成；所述的火帽[9]由耐温击发药压制而成；所述的点火管[10]由硅点火药压制而成。

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