CN220748235U - 一种自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，包括：缸体，其为中空筒状结构；活塞，设置于所述缸体的空腔中，所述活塞整体呈锥台状结构，所述活塞内开设有沿其轴向延伸且贯穿其上、下两端的导流通道；承托座以及设置于所述承托座上的堵头，所述承托座亦设置于所述缸体的空腔中且位于所述活塞的下端，所述堵头呈圆锥体形结构，且与所述导流通道适时接触，沿所述承托座的周向方向间隔均匀布置有若干导流孔；复位件，套设在所述堵头上。该装置通过工作液推动机械活塞，导致工作液产生脉动作用，促使压裂砂向前推进，减少压裂砂沉降，降低了能量消耗及地面作业成本。

Description

一种自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置

技术领域

本实用新型涉及一种自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，属于压裂作业井下工具技术领域。

背景技术

压裂是低渗透油气储层最具进攻性的增产措施，然而压裂改造的成功率和有效率低一直是世界级难题，困扰国内外石油勘探与开发，至今也没有完全解决此问题。在水力压裂施工作业过程中，易出现高压封孔困难，裂缝孔隙不易控制且成功率低，以及砂堵等问题。

目前，已有大量的研究人员针对低渗裂缝储层的封堵及造缝进行研究，提出了各种措施以及方法。但是在现有技术中的脉动水力压裂技术的动力装置是通过放置在地面的脉动泵，将电能转化为机械能，使得工作液获得一定的脉动频率，作用于储层岩石。这种方法会造成大量的能量损耗，并且在超低渗储层中造缝效果不是很显著，压裂砂也到达不了裂缝尖端，可能发生砂堵现象。

发明内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种完全处于井下的自激式低频高压脉动式水力压裂发生装置，该装置通过工作液推动机械活塞，导致工作液产生脉动作用，促使压裂砂向前推进，减少压裂砂沉降，降低了能量消耗及地面作业成本。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，包括：

缸体，其为中空筒状结构；

活塞，设置于所述缸体的空腔中，所述活塞整体呈锥台状结构，所述活塞内开设有沿其轴向延伸且贯穿其上、下两端的导流通道；

承托座以及设置于所述承托座上的堵头，所述承托座亦设置于所述缸体的空腔中且位于所述活塞的下端，所述堵头呈圆锥体形结构，且与所述导流通道适时接触，沿所述承托座的周向方向间隔均匀布置有若干导流孔；

复位件，套设在所述堵头上。

所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，优选地，还包括上接头和下接头，二者均为中空筒状结构，所述上接头与所述缸体的上端连接，所述下接头与所述缸体的下端连接，所述上接头、所述导流通道、所述导流孔、所述下接头相互连通。

所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，优选地，所述活塞的底部外周开设有凹槽，所述凹槽内套有胶圈。

所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，优选地，所述缸体的空腔由三段空腔组成，锥台段空腔以及位于锥台段空腔两端的小圆柱段空腔和大圆柱段空腔，所述活塞位于所述锥台段空腔中，所述承托座位于大圆柱段空腔中。

所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，优选地，所述堵头的锥度为2：(10-12)，高度为120mm～180mm，直径范围为0～20mm。

所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，优选地，所述缸体与所述活塞的配合锥度范围为1：(20～25)。

所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，优选地，所述导流通道的直径为15mm～20mm，长度为180mm～200mm。

所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，优选地，所述导流孔为弧形孔，弧长为20～40mm。

所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，优选地，所述小圆柱段空腔的长度占所述活塞总长度的四分之一，所述活塞下部的锥度为1：(10-12)。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本实用新型装置所产生的低频脉动水力作用能够在堵剂注入阶段强化储层老裂缝的封堵，避免后续水力压裂工程中老裂缝被压开，为新裂缝的产生创造条件。

2、本实用新型基于岩石力学损伤理论和模拟试验研究结果发现，脉动作用产生脉动波会发生反射、叠加等作用，在裂隙末端产生了交变应力，对储层进行岩石疲劳损伤破坏，在水力压裂中，岩石起裂压力显著降低，能够有效降低地层破裂压力，有利于人工裂缝产生，容易在老裂缝的基础上重开新缝。

3、在水力压裂过程中，工作液携带压裂砂在裂缝中推进，推进过程中易发生沉降，造成砂堵，脉动作用下，压裂砂会受到低频脉动水力作用，抑制压裂砂的沉降，扩大压裂砂的推进范围，达到均匀铺砂，携砂能力增强，裂缝远端也能得到有效支撑，从而有效提高了裂缝导流能力。

4、本实用新型装置是基于低频脉动水力压裂机理研究确定的一种自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，此装置工作可不改变原有压裂施工设计，便可实现水力驱动方式的低频脉动水力输出，能够在主裂缝周围压开多分支裂缝，整体上提高水力压裂效果，降低裂缝导流能力。

5、本实用新型装置所产生的低频脉动作用也会对井下钻具造成轻微脉动效果，在钻进过程中，减小钻具与井壁间的动摩擦力，能够有效降低沿程摩阻

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的自激式井下低频高压脉动式水力压裂发生装置的剖面图；

图2为本实用新型该实施例提供的该水力压裂发生装置与其余设备的安装剖面图；

图3为本实用新型该实施例提供的活塞的剖面图；

图4为本实用新型该实施例提供的缸体的剖面图；

图5为本实用新型该实施例提供的承托座与堵头的立体图；

图6为本实用新型该实施例提供的水力压裂发生装置的俯视图；

图中各标记如下：

1-上接头；2-缸体；3-活塞；4-导流通道；5-胶圈；6-堵头；7-复位弹簧；8-承托座；9-下接头；10-压裂管柱；11-喷砂器；12-导流孔。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。

除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

目前，已有大量的研究人员针对低渗裂缝储层的封堵及造缝进行研究，提出了各种措施以及方法。但是在现有技术中的脉动水力压裂技术的动力装置是通过放置在地面的脉动泵，将电能转化为机械能，使得工作液获得一定的脉动频率，作用于储层岩石。这种方法会造成大量的能量损耗，并且在超低渗储层中造缝效果不是很显著，压裂砂也到达不了裂缝尖端，可能发生砂堵现象。

为了克服现有技术的缺陷，针对常规水力压裂技术施工中存在的问题，本实用新型在不改变原有水力压裂施工设计的基础上，形成了自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，该装置基于水力压裂工作液的流动驱动，作用于储层裂缝的压裂液经过该装置产生低频脉动水力作用。

如图1所示，本实用新型所涉及的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置包括：缸体2，以及设置于缸体2上端的上接头1和设置于缸体2下端的下接头9(螺纹连接)，缸体2内设置有与其配套的复合锥台形活塞3，活塞3的内部设置有导流通道4，该导流通道4能够减小活塞3上行时顶部产生的水击效应的影响，同时确保了水力压裂过程中适用大排量，能够高砂比压裂液中压裂砂、重复转向压裂中高黏度稠封堵剂的顺利通过。参照图3，活塞3底部外周套有胶圈5以防止压力从外周卸压，活塞3下部设置有复位弹簧7，在复位弹簧7内部套有堵头6，堵头6的下端设置有承托座8。

具体地，如5所示，沿承托座8的周向方向均匀布置有若干导流孔12，上接头1、导流通道4、导流孔12、下接头9相互连通。

如图2所示，本实用新型还提供该井下低频脉动式水力压裂发生装置的发生方法，将本实用新型的低频高压脉动式水力压裂发生装置的上端连接在压裂管柱10下部和喷砂器11的上部，在压裂前置液注入阶段，活塞3上部的过流通道与活塞3内的导流通道4起到节流的作用，活塞3受到水压下行，压缩复位弹簧7，复位弹簧7压缩导致承托座8中心的圆锥体形堵头6进入活塞3内部的导流通道4，当活塞3压缩复位弹簧7到最大压缩位置时，堵头6完全进入活塞3的导流通道4，此时，活塞3上部流体产生的压力小于复位弹簧7的复位力，这时复位弹簧7开始推动活塞3上行，直到活塞3上部流体产生的压力再次大于复位弹簧7的复位力时，活塞3下行，由此产生往复式脉动水力，能够在小排量水力压裂工作液流体中产生低频脉动水力。

本实用新型所涉及的这种自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置在携砂液注入阶段，通过活塞3压缩复位弹簧7下行与复位弹簧7推动活塞3上行，构成完整的往复式机械脉动系统，并以此产生低频脉动水力作用，这种脉动作用推动工作液产生脉动频率，通过脉动波的叠加效应，有利于裂缝的延伸与扩展，在一定排量下的压裂液，脉动系统产生的低频脉动在地层压开的裂缝面内传播，传播效果会逐渐衰减(通常传播衰减与脉动频率的平方或更高次方成正比)，在裂缝面中，产生的脉动水力作用以工作液为媒介，作用在储层岩石上或压裂砂上，能够有效的抑制压裂砂的沉降，防止砂堵的发生，有效携砂，实现均匀铺砂的目的。

基于岩石力学损伤理论和模拟试验研究结果发现，脉动作用产生脉动波会发生反射、叠加等作用，在裂隙末端产生了交变应力，对储层进行岩石疲劳损伤破坏，在水力压裂中，岩石起裂压力显著降低，能够有效降低地层破裂压力，有利于人工裂缝产生，容易在老裂缝的基础上重开新缝；本实用新型装置所产生的低频脉动水力作用能够在堵剂注入阶段强化储层老裂缝的封堵，避免后续水力压裂工程中老裂缝被压开，为新裂缝的产生创造条件。

另外一方面，在水力压裂过程中，工作液携带压裂砂在裂缝中推进，推进过程中易发生沉降，造成砂堵；但是压裂砂在低频脉动水力作用，抑制压裂砂的沉降，扩大压裂砂的推进范围，达到均匀铺砂，携砂能力增强，裂缝远端也能得到有效支撑，从而有效提高了裂缝导流能力；而且，低频脉动作用也会对井下钻具形成轻微脉动效果，在钻进过程中，减小钻具与井壁间的动摩擦力，能够有效降低沿程摩阻。

应用本实用新型的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，在水力压裂工作液脉动作用下，岩石破裂压力降低，有利于降低岩石起裂压力，达到起缝的目的；低频脉动过程中，研究发现，脉动压力波初始传播时大致的变化波形，基本接近余弦波，相对平稳，但其振幅己扩大了3倍，在特定条件下脉动压力波的反射、叠加、往复等，规律的传播波形，振幅最大到达5倍，由此而引起脉动压力波振幅的扩大、压力增加。在现场施工中表明，低频脉动作用下，脉动压力幅值能够增大3～5倍。

因此，本实用新型的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置产生的脉动水力能够在原有的裂缝面中传播延伸，随传播过程脉动作用逐渐衰减，在原有裂缝周围压支裂缝，在脉动水力作用下，压裂液的携砂得到有效控制，避免砂堵，抑制了压裂砂的沉降，提高人工水力压裂裂缝导流能力，达到增产的效果。

本实用新型装置所产生的低频脉动水力压裂脉动作用的产生及结构尺寸，是基于水力学理论计算和现场模拟计算。

缸体2与活塞3的具体结构尺寸、导流通道4尺寸、复位弹簧7的弹性系数、胶圈5的尺寸等，都是理论结合现场测试得出的相关流体性能参数、弹性系数及刚度等。

设活塞3的质量为m，有效截面积为S_L，复位弹簧7的刚度系数为k，工作液密度为ρ，工作液粘滞阻力系数为δ，活塞3行程中上下截面承受平均压差分别为P₁和P₂；活塞3上下活动位移为x，活塞3上下活动行程为L，时间为t，往复振动频率为f，则活塞3下行时：

P₁S_L＝mx”+kx+δS_Lρ(x')² (1-1)

x|_t＝0＝0 (1-2)

x'|_t＝0＝0 (1-3)

式中，x”为活塞3上下活动加速度；x’为活塞3上下活动速度；

活塞3上行时：

P₂S_L＝mx”+kx+δS_Lρ(x')² (1-4)

x|_t＝0＝h (1-5)

x'|_t＝0＝0 (1-6)

式中，h为活塞行程；

此处，活塞3行程中上下截面承受平均压差分别为P₁和P₂是根据活塞3的尺寸和行程位置利用流体力学原理计算得出。活塞3行程位置不同，其外周流道截面也就不同，并且活塞3上下压差也不同。在实际计算中，需要考虑活塞3通孔和活塞3外周流道截面的流量分配，活塞3外周流道的粘滞阻力系数变化，所以解析算法不易得出。因此。本试验测试中公式进行修正，采用流体力学的数值分析算法来确定P₁和P₂。

活塞3的行程为：

复位弹簧7的刚度系数表示为：

往复振动频率为：

上式中：经过常规压裂排量下试验模拟，结合流体力学数值算法，采用上述公式计算时，P_a为工作液推动活塞3下行时，活塞3上、下截面承受的压差，约在2.6MPa；P_b为作液推动活塞3下行时，活塞3的外周流道截面逐渐增大，当活塞3外周流道截面增大一定程度时，活塞3上、下截面承受压差约在0.5MPa。但是因压裂砂的浓度不同，实际计算中取值不同。

在试验计算中，需要利用MATLAB编制计算程序来计算活塞3在不同行程位置的上下压差，设计中压裂液的注入排量为1.2～4.5m³/min，以实现假定脉动频率为15Hz时，计算其他参数。

在本实用新型的实际工程设计计算中，需要结合模拟试验测试，在计算活塞3内的变截面流道流体参数的基础上，计算确定缸体2与活塞3等的结构尺寸和复位弹簧7的刚度系数。

为进一步实现拟定的脉动频率，配套的缸体2、活塞3与承托座8上的堵头6，达到活塞3下行时，活塞3的外周流道截面增大，由此实现先卸压与后泄流，活塞3的往复运动与活塞3中导流通道4能够适应水力压裂施工中的大排量，控制活塞3行程在一定范围，从而更好的实现低频高压脉动式水力压裂发生装置的低频脉动输出。

根据岩石疲劳损伤力学研究理论，在低频脉动作用下，岩石裂缝的起裂压力降低，促进了水力压裂造缝；当低频脉动波动在裂缝传播过程中，低频脉动波在理论上会发生叠加，引起脉动压力波振幅扩大。数值分析方法模拟计算表明，在特定条件下，脉动压力波振幅能够扩大约1.0～5.0倍；物理模拟试验对比分析给出的脉动压力幅值能够扩大约2.0～4.0倍。模拟现场试验脉动水力压裂对比分析表明，脉动压力幅值能够扩大1.5～3.0倍。

本实用新型所提出的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置是完全处于井下的自激式脉动装置，压裂砂通过导流通道4与堵头6接触，堵头6将压裂砂均分到位于承托座8上的四个导流孔12，避免出现水击作用；因为在工作液压力作用下，活塞3下行，复合承托座8上的堵头6逐渐进入导流通道4，致导流通道4逐渐关闭，直到活塞3上下压差小于弹簧复位力，致复位弹簧7开始推动活塞3上行，直到活塞3上部流体产生的压力再次大于复位弹簧7的复位力时，活塞3再次下行；在活塞3上行时，活塞3内导流通道4的打开瞬间产生高的水力冲击力作用岩石；通过活塞3的间歇式的打开与关闭，可使工作液产生低频脉动水力波作用于井底岩石，起到高效压裂作用；同时，在低频脉动水力波的作用下，有效的抑制了压裂砂的沉降。

因此，应用该本实用新型装置，能够在水力压裂中有效降低人工裂缝起裂压力，提高裂缝导流能力；不仅如此，还能在裂缝中减少压裂砂沉降、促进均匀铺砂，提高压裂增产效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，其特征在于，包括：

缸体(2)，其为中空筒状结构；

活塞(3)，设置于所述缸体(2)的空腔中，所述活塞(3)整体呈锥台状结构，所述活塞(3)内开设有沿其轴向延伸且贯穿其上、下两端的导流通道(4)；

承托座(8)以及设置于所述承托座(8)上的堵头(6)，所述承托座(8)亦设置于所述缸体(2)的空腔中且位于所述活塞(3)的下端，所述堵头(6)呈圆锥体形结构，且与所述导流通道(4)适时接触，沿所述承托座(8)的周向方向间隔均匀布置有若干导流孔(12)；

复位件，套设在所述堵头(6)上。

2.根据权利要求1所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，其特征在于，还包括上接头(1)和下接头(9)，二者均为中空筒状结构，所述上接头(1)与所述缸体(2)的上端连接，所述下接头(9)与所述缸体(2)的下端连接，所述上接头(1)、所述导流通道(4)、所述导流孔(12)、所述下接头(9)相互连通。

3.根据权利要求1所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，其特征在于，所述活塞(3)的底部外周开设有凹槽，所述凹槽内套有胶圈(5)。

4.根据权利要求1所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，其特征在于，所述缸体(2)的空腔由三段空腔组成，包括：锥台段空腔以及位于锥台段空腔两端的小圆柱段空腔和大圆柱段空腔，所述活塞(3)位于所述锥台段空腔中，所述承托座(8)位于大圆柱段空腔中。

5.根据权利要求1所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，其特征在于，所述堵头(6)的锥度为2：(10-12)，高度为120mm～180mm，直径范围为0～20mm。

6.根据权利要求1所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，其特征在于，所述缸体(2)与所述活塞(3)的配合锥度范围为1：(20～25)。

7.根据权利要求1所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，其特征在于，所述导流通道(4)的直径为15mm～20mm，长度为180mm～200mm。

8.根据权利要求1所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，其特征在于，所述导流孔(12)为弧形孔，弧长为20～40mm。

9.根据权利要求4所述的自激式井下低频高压脉动水力压裂发生装置，其特征在于，所述小圆柱段空腔的长度占所述活塞(3)总长度的四分之一，所述活塞(3)下部的锥度为1：(10-12)。