CN2630493Y - 多级脉冲射孔压裂复合装置 - Google Patents

Abstract

一种深穿透复合射孔技术和袖套式射孔压裂复合技术集以一体的多级脉冲射孔压裂复合装置，包括起爆器1、上挡板2、慢速火药3、快速火药4、枪身内装火药5、弹架6、射孔弹7、导爆索8、射孔枪管9、尾堵10、下挡板11、测压器12，射孔枪管9内置有弹架7，在射孔枪管9上分别置有慢速火药3、快速火药4，在弹架6上分别装有射孔弹7、枪身内装火药5，有足够的耐压能力，形成高温、高压的气流，冲刷射孔孔眼，对地层实施一定的压裂，继而形成对地层二级压裂、三级压裂，这样集对地层冲刷，多级压裂的效果必然更大范围地沟通地层，更好地增加油气产量。

Description

多级脉冲射孔压裂复合装置

涉及领域

本实用新型涉及一种深穿透复合射孔技术和袖套式射孔压裂复合技术集以一体的新型复合射孔技术，具体地说，是多级脉冲射孔压裂复合装置。

背景技术

目前国内外新型射孔压裂复合技术大体有两种。

一种是深穿透复合射孔技术，系在射孔弹架两个射孔弹中间装填发射药团或药片，射孔弹射孔时，引燃射孔弹架间的发射药团(药片)。发射药团(药片)在枪身内燃烧，形成高温高压气体，顺射孔孔眼从枪身内射出高速气流，对射孔孔眼通道冲刷，清除射孔孔道岩石碎屑，加深加宽射孔孔道，并在射孔孔径前沿形成多条裂缝。

该技术的不足之处是装药量少：由于是在枪内燃烧，装药量大，容易使枪身产生账枪、炸枪事故。使枪身卡在作业井套管内，发生灾难性事故。该技术目前国内的装药是0.8-1kg/m，由于装药量少，对地层压裂效果有限，影响了该技术的使用效果。

另一种技术是袖套式射孔压裂复合技术，该技术系在枪内外套一个火药药套，射孔弹射孔时射流引燃枪身外的药套，药套燃烧形成高温、高压气体，作用于油层，在地层形成多条裂缝。

由于该技术是在射孔后引起药套燃烧，燃烧气体是在套管空间里，甚至是在沟通的油层环境里，药室容积的增大容许装填更多的药量。该技术的装药量每米可达3-5kg。由于药量的增大，对地层压裂效果比深穿透复合射孔要好一些。

单纯的袖套式射孔压裂复合技术，又少了液气流对地层孔眼的冲刷作用。根据乌克兰基辅地球物理研究所米哈依留克在西安石油学院讲学时披露，当枪身压力达到150MPa时，射流速度可达2000m/s，可使孔深加长1-5m。

技术内容

本实用新型的目的在于提供一种兼得深穿透复合射孔和袖套式射孔压裂复合技术两种技术的优点而聚于一体的多级脉冲射孔压裂复合装置。

本实用新型是这样实现的：包括起爆器1、上档板2、慢速火药3、快速火药4、枪身内装火药5、弹架6、射孔弹7、导爆索8、射孔枪管9、尾堵10、下档板11、测压器12，，射孔枪管9内置有弹架7，在射孔枪管9上分别置有慢速火药3、快速火药4，在弹架6上分别装有射孔弹7、枪身内装火药5。

本实用新型还采用如下技术方案：

该装置的上、下分别设有上挡板2、下挡板11。

在装置的底部有测压器12。

在装置的上部有起爆器1。

本实用新型的优点在于：多级脉冲射孔压裂复合技术的特色，就是利用优质钢作为射孔枪的枪身，使其有足够的耐压能力。在弹架内装填发射药团(药片)，同时在枪身外包复两种以上燃速的袖套药筒。在射孔弹射孔时，引燃枪身内的药团(药片)，枪身内药团(药片)的燃烧，形成高温、高压的气流，冲刷射孔孔眼，对地层实施一定的压裂。同时射孔弹射流和枪身火药燃烧气流，引燃枪身外的袖套药筒，枪身外袖套药筒有两级燃速不同的火药，快燃速火药迅速燃烧，形成对地层二级压裂，尔后是燃烧枪身外燃速较慢火药，形成对地层的三级压裂，这样集对地层冲刷，多级压裂的效果必然更大范围地沟通地层，更好地增加油气产量。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

起爆器1引爆导爆索8，导爆索8引爆射孔7，射孔弹7被引爆后射穿射孔枪管9，同时引燃枪身内火药5，射孔弹7射流和枪内火药燃烧产生高温气流引燃枪身外包复的慢速火药3和快速火药4，快速火药4燃烧形成一级压力脉冲，紧接着慢速火药3燃烧形成二级压力脉冲。弹架6系装填射孔弹7的支架，尾堵10系射孔枪下密封器，测压器12系测试系统整个过程的压力一时间曲线。上档板2和下档板11系保护枪身外包复火药在下井过程中避免和油气井套管碰撞，使火药损坏之保护器。

它的结构是在枪身内装填药团和药片，射孔弹射流引燃枪身内装药，形成高速气流冲刷地层，同时在枪身外包复两种燃速的火药袖套，射孔弹射流同时引燃枪身外两种袖套装药，形成两次压力峰作用于地层，这样在射孔同时形成三级压力脉冲冲击地层。

射流速度与枪力内压力

多级脉冲射孔压裂复合装置，由于火药在枪身内形成高压、其压力越大，火药燃烧气体对地层射流的速度越大，对地层的刺激越强裂。

其喷射速度取决于枪身内的压力和射流的质量，其关系如下：

$v=\sqrt{\frac{2\mathrm{gP}}{\mathrm{\ρ}}}$

式中v为射流速度，g为重力加速度，P为枪身内压力，ρ为射流质量

                                   表1不同压力下水流喷射速度

压差(mpa)	30	50	70	90	110	130	150	170	190
										速度(m/s)	242.49	313.05	370.41	420.00	464.33	504.78	542	577.23	610.25

射流速度越大，需要枪身强度越强

根据薄壁圆筒的耐压公式

$p_{\max }={\mathrm{\σ}}_s\frac{r_1^2-r_2^2}{r_1^2+r_2^2}$

式中σ_s为管子屈服强度，r₁为管子的外半径，r₂为管子的内半径。从式中可以看出，在内、外半径一定的情况下，σ_s越大，管子的耐压强度越强。

地面强度破坏试验证明：89枪身，壁厚为9.92mm厚的管子，只有N80，P110材质，才能适应多级脉冲射孔压裂枪身强度的需要。

枪身内装药品号选择

根据计算火箭发动机燃烧室内压力计算原理，可以把射孔枪的枪身看做一个火箭发动机药室，射孔弹在枪身内射开的孔眼面积总和看做是发动机的喷喉。那么根据计算火箭发动机燃烧室内压力公式：

$p_{\max }={\left({\mathrm{\ρc}}^{*}{u}_1\frac{s}{s_1}\right)}^{\frac{1}{1-r}}$

式中ρ为枪身内装药的密度，c^*装药的特征速度，s为枪身内装药的总表面面积，s₁为枪身射孔孔眼的总面积和，r为装药的压力指数，u₁装药燃烧速度系数，p为压力，r为燃速压力指数。

经理论计算与现场实验表明内装特制复合药和单基药。经2^#氟橡胶包复均符合使用要求，但每米装药不得大于0.9kg。

外包复高燃速装药选择

枪身外包复高燃速火药，应选择易点燃，燃速相对快的火药，经计算和实验室试验选择下列性能的火药：能量系示性数(计算值)

火药力(公斤·分米/公斤)	定容爆热(水液态)(千卡/公斤)	定容爆温(°K)	比重(升/公斤)	燃气平均分子量
					100.45×104	844.34	2747	966.57	23.19

化学安定性

①106.5℃维也里安定性，普通法试验时间不少于7小时。

②106.5℃  维也里安定性加速或正常重复法十次试验时间不少于60小时。

燃烧生成气体为CO、CO₂、N₂、H₂O等对地层无伤害的气体。

枪身外包复低燃速火药选择燃速相对慢的火药，其性能如下：

火药力(公斤·分米/公斤)	比容(升/公斤)	爆热(千焦/公斤)	分解度℃
				76×104	420	3700	350

该火药配方不是国内已有的单基药、双基药、三基药等传统的军用火药和推进剂配方，而是用可燃粘结剂、氧化剂和其它添料按一定比例组配的新配方，用模具固定在枪身上，同时把枪身外包复的高燃速火药牢牢的粘结固定在枪身上，外表涂复一层防水漆。

该配方的最大特点是燃烧速度慢，燃烧持续时间长。如国内已有的传统的军用火药和推进剂，在20MPa压力条件下，燃烧只需500ms左右，而该配方可达1分钟以上。

该技术是有深穿透复合射孔和袖套式复合射孔的双重特征，由于枪身强度好，枪身内射孔弹架内装药，燃烧对地层具有强烈的冲击作用，射流速度可达500~1000m/s，顺着射孔孔眼射入地层内，加大加深射孔孔眼，并在射孔孔眼前沿形成多条径向裂缝。

该技术也有袖套式复合射孔技术的特征，由于射孔枪身外的火药是在射孔弹射孔后燃烧，其整个燃烧室可以考虑为整个套管空间，与深穿透复合射孔技术在枪身内燃烧相比，其燃烧空间大。根据公式

式中P为火药燃烧压力，f为火药力，为火药燃烧的质量，

为火药燃烧时的药室容积。假如在

套管燃烧，套管内径为124mm，深穿透复合射孔枪身(89枪)内径为70mm，假如射孔段L一定，那么套管内容积是枪身内容积的3倍以上，按理论推算：袖套式射孔压裂复合装置装药量是深穿透复合射孔的3倍以上，另外，由于袖套式复合射孔的火药燃烧是在整个井筒中，却套管与地层已沟通，火药在套管中燃烧还可以向地层和井的上层扩展，压力可把井中液柱托起，因此装药量还可以增大。

多级脉冲射孔压裂复合技术，其火药燃烧形成的高温高压气体，侧面直向射孔井段，通过射孔孔道，直接施压于地层，同时通过液压传递，对下层射孔段施加压力，由于火药分级燃烧，形成迭加施压效果，对地层的压裂效果会更好。

Claims (4)

1.多级脉冲射孔压裂复合装置，包括起爆器(1)、上档板(2)、慢速火药(3)、快速火药(4)、枪身内装火药(5)、弹架(6)、射孔弹(7)、导爆索(8)、射孔枪管(9)、尾堵(10)、下档板(11)、测压器(12)，其特征在于：射孔枪管(9)内置有弹架(7)，在射孔枪管(9)上分别置有慢速火药(3)、快速火药(4)，在弹架(6)上分别装有射孔弹(7)、枪身内装火药(5)。

2.根据权利要求1所述的多级脉冲射孔压裂复合装置，其特征在于：该装置的上、下分别设有上挡板(2)、下挡板(11)。

3.根据权利要求1所述的多级脉冲射孔压裂复合装置，其特征在于：在装置的底部有测压器(12)。

4.根据权利要求1所述的多级脉冲射孔压裂复合装置，其特征在于：在装置的上部有起爆器(1)。

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