CN2823549Y - 油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及利用化学反应动力，更深地打通地层油气通道的解堵装置。其特征是：枪身外径为88－103mm，壁厚为9－10.5mm。枪身上有横向通孔，孔的直径在18－23mm之间。尾堵与枪身之间有密封圈。枪身上端螺纹连接起爆装置，枪身内密闭装有反应药剂，在反应药剂的上部有火药。可以将2－10个枪身连接起来使用。效果是：打破了长期采用火药爆炸传统做法。反应药剂反应速度相对缓慢，能把储层压开更长更宽的裂缝，实现火药爆炸压裂达不到的深层次压裂效果，促进井下油水顺利采出。意想不到效果是，本实用新型反应后液体呈碱性，吸收地层硫化氢。药品无毒、无副作用，安全可靠。

Description

油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置

技术领域

本实用新型涉及油气井增产解堵技术领域，特别是利用化学反应产生动力，更深地打通地层油气通道的解堵装置。

背景技术

高能气体压裂是近十几年来兴起的一种新的油田油气井增产技术。其原理是利用推进剂——火药燃烧形成的高温高压气体，通过射孔孔眼作用于地层。使油藏地层形成多条径向裂缝，沟通与天然裂缝的联系，打开近井地层空隙堵塞，解除污染。高能气体压裂与爆炸增油增注技术相比，它具有对地层作用时间较长的特点，爆炸过程是以微秒级完成的，而火药燃烧只延续到毫秒级，如几十毫秒到几百个毫秒。如中国专利公告号为2506770的专利申请，就是一种在井口投棒，撞击起爆器，引燃壳弹体内火药，两级火药爆炸，利用泄气管将气体直接作用目的层，达到油井解堵目的。如中国专利公告号为2630493的专利申请，是一种多级脉冲射孔压裂装置，利用快速火药和慢速火药爆炸，对地层形成多级压裂，达到油井增加油气产量的目的。

液体火药高能气体压裂是1991年原苏联专家来西安石油大学讲学时披露的以NH4NO3、甘油和水组成的液体药高能气体压裂技术。该技术可延续40秒，裂缝可达25m以上，不能挤进地层更深层压裂；同时又存在施工工艺复杂，点火不可靠的问题。

以上技术，虽然在不断进步，对地层的作用时间越来越长，但总是与火药燃烧相联系。我们都知道火药燃速遵循以下规律：u＝u₁p^r。式中u为火药燃速，u₁为火药燃烧系数，P为燃烧时环境压力，r为压力指数。即火药会随压力升高，燃速会迅猛增加。因此在油水井中火药装药量受到了极大的限制，一般为40～80公斤，再多装炸药就会把油井套管炸坏，造成不可挽回的经济损失。

火药燃烧产生的气体为CO、CO₂、HCl、H₂O(蒸气)等，在高能气体压裂工艺过程中火药燃烧气体逸出井口，聚集在井口周围的空气中。在井口无风的环境下由于CO密度与空气相当，HCl比空气重，会使井场周围布满毒气。给后续井口周围作业人员造成伤害。如2004年5月长庆采油二厂项目组曾发生高能气体压裂后，井口地面造成后续作业工人CO中毒现象。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置，克服火药燃烧速度快，燃烧时间短，对油层不能造成宽长裂缝的不足。本实用新型采用反应药剂在油气井筒中与水反应，产生大量的气体和热量，当其达到地层破裂压力时，把地层压开多条裂缝。反应继续激烈进行，把未反应的颗粒和溶液一起挤进地层，在地层中继续进行反应，并产生高温高压，使裂缝继续往地层深处延伸。如此经过若干次的反复过程，使地层裂缝达到更大的范围，深层次地解除地层污染、沟通天然裂缝，达到增产增注的目的。反应气体为无毒的轻质气体，逸出井口后迅速升空，分散在更大的范围之内，对后续井口作业人员不会造成伤害。

本实用新型是这样实现的：

该技术是利用密闭容器把两种或两种以上固体反应药剂下置到油气井目的层位。然后利用起爆装置把密闭容器打开，使井筒中的水进入密闭容器内。密闭容器里的反应药剂溶解于水，互相之间产生激烈反应，产生大量的气体和热，当反应气体在井内达到地层破裂压力时，把地层压开多条径向裂缝。反应继续激烈进行，把未反应的反应药剂颗粒和溶液一起挤进地层，反应药剂在地层中继续和溶液进行反应，并产生高温高压，使裂缝继续往地层深处延伸。如此经过若干次的反复过程，使地层裂缝达到更大范围，解除深层地层污染、沟通地层天然裂缝，达到增产增注目的。

把固体颗粒(颗粒尺寸为100μm-1mm之间)与其它两种以上反应药剂密闭装在外径为88-103mm，壁厚为9-10.5mm的筒状枪身内，枪身上有通孔，孔的直径在18-23mm之间。孔用圆形密封垫堵塞封。枪身内装填有两种或两种以上的固体物质，分层装填或把其混合在一起。在反应药剂的上部有黑火药。枪身两端有螺纹，枪身下端螺纹连接尾堵，尾堵与枪身之间有密封圈；枪身上端螺纹连接起爆装置。

如果需要压开的地层比较厚，单个枪身长度和力量有限，可以将2-10个枪身连接起来，既枪身与枪身之间有两端带螺纹的连接体，连接体与枪身之间有密封圈。上部的枪身上端螺纹连接起爆装置；下部的枪身下端螺纹连接尾堵。

为了提高枪身孔与钢片之间的密封性，可以在圆形钢片外包有橡胶或塑料。

为了提高枪身孔与钢片之间的密封性，枪身孔可以是梯形孔。

用油管传输工艺或电缆传输工艺把枪身下到油气井的目的层位。引爆起爆装置，点燃点火药包。点火药包产生的压力把枪身壁上钢片喷出，枪身外部的水涌入枪身内，溶解了枪身内装填的可溶性反应药剂。可溶性反应药剂溶解于水后，在局部形成很大的浓度，该溶液与不溶的固体粒子激烈反应生成热量和大量轻质气体，使枪身局部温度升高，加速下部可溶性物质的溶解，可溶性物质的大量溶解，又加快与固体颗粒的反应：如此经过几个循环往复，目的层的温度与压力迅速增加，达到地层破裂压力并把地层压开多条径向裂缝。没有反应或没有反应完的固体颗粒与高浓度的溶液被推进被压开的裂缝中，继续进行化学反应。在被压开的地层裂缝中产生高温高压气体，使裂缝加深加大，如此，经过几个循环往复的过程，地层裂缝的深度和与地层的沟通范围更加广泛。因而达到增产增注的目的。

也可以在枪身内仅装填一种固体颗粒，其余两种或两种以上的可溶于水的反应药剂在地面溶于一个大罐中。用油管传输工艺把枪身下到油气井的目的层位。在井口用泵把溶液泵入油管中，用适量顶替液把溶液顶替到枪身周围及其下部附近。引爆起爆装置，点燃点火药包。点火药包产生的压力把枪身壁上密封钢片喷出，枪身外部高浓度的溶液与枪身内的固体颗粒产生激烈的反应产生热量和大量的轻质气体。由于这样的工艺过程，可以更大量地把反应物质运送到油气井的目的层位，反应猛度更大，作用时间更长，效果会更加明显。

与高能气体压裂火药燃烧生成的CO、CO₂、HCl、H₂O不同，本技术反应产生的气体为轻质气体，其分子量比高能气体压裂产生的气体分子量要小的多，因而具有更强的穿透效果。

本技术反应有少量的固体生成，但该固体是非常容易溶解于水的，不含有易于形成不溶于水的盐类的阳离子(如Ca⁺⁺、Fe⁺⁺、Al⁺⁺⁺等)。此固体溶解于水“可以减少油水井中的水粘度，增加油水在井下和近井地层的流动性。”便于油水的顺利采出。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用几种物质之间连续反应产生高压，对地层进行有效的深层次压裂，打破了长期采用的火药爆炸方式产生高压，对地层进行瞬间压裂的传统做法。本实用新型在井下地层压裂技术领域属于首创。本实用新型与火药燃烧气体压裂相比，具有相对缓慢的反应速度。火药会随压力升高，燃速会迅猛增加，油气井中火药装药量受到限制，一般为40～80公斤，再大就把套管炸坏了。

而本装置几种反应药剂反应速度相对缓慢，受压力增加反应的速度增加不大。可以更大量地增加反应物质，而增加作用时间。可以把油藏地层压开更长更宽的裂缝，而且反应过程可以把小颗粒的固体物质挤进地层，在地层内继续进行反应，使反应向地层深部推进，在地层深处继续作用，达到火药爆炸压裂达不到的深层次压裂的效果。

根据化学反应式，以每公斤固体颗粒计算，可以产生1600千卡的热量，1.24m³的轻质气体。相当于1.5公斤双基推进剂燃烧产生的热量和气体。采用本技术在井下的反应时间可达2分钟以上。

本实用新型反应后的气体产物无毒。而气体压裂的火药燃烧产生的气体为CO、CO₂、N₂、H₂O、HCl等，其中CO、HCl气体产物含量较多，有可能对后续井口施工人员造成伤害。而本实用新型反应后产生的气体产物只有氢气。氢气逸出井口很快升空，无毒、无副作用，却不能聚集井口周围，不会对井口后续作业工人造成中毒和死亡事件，安全可靠。

本技术反应有少量的固体生成，但该固体是非常容易溶解于水的，不含有易于形成不溶于水的盐类的阳离子(如Ca⁺⁺、Fe⁺⁺、Al⁺⁺⁺等)。此固体溶解于水后，可以减少油水井中的水粘度，增加油水在井下和近井地层的流动性，促进井下油水顺利采出。

如果在油气层为水敏地层(即油气层遇清水使层内粘土膨胀，减少地层渗透率)采用本技术，可使砂岩孔壁稳定并减少粘土膨胀。主要是反映后产生的反应药剂含有足够钾离子和氢氧根离子，如K⁺存在的条件下，OH^-和沙岩发生相互作用，通过下列两条机理之一使粘土稳定：第一，K⁺与粘土作用生成钾硅铝酸盐矿物(可能是钾沸石)，而沉淀在砂岩粘土上。这种沉淀物阻止淡水与粘土接触，也可把运移粘土微粒固结到砂岩孔壁上，因而使粘土稳定。第二，OH^-离子与砂岩中的粘土发生不可逆的相互作用，部分溶解油气层中粘土，引起硅氧键的断裂，这种断裂随后形成更稳定的形式。这种稳定的重新排列使可运移粘土微粒以化学键键合到砂岩孔壁而稳定并和膨胀粘土的晶层键合到一起，减少其膨胀性。

一般来讲，同类粘土对不同的离子作用不同，稳定粘土正是利用这一特点，用结合能力较强的离子(如K⁺、NH₄ ⁺)取代粘土上结合能力弱的易引起膨胀分散的离子(如Na⁺)，使粘土不易出现膨胀分散而稳定。

另外，本实用新型产生了意想不到效果。当地层被压开后，地层内的硫化氢有毒气体逸出。由于本实用新型反应后液体呈碱性，碱性液体可以吸收大量的硫化氢，而硫化氢毒气在井内被中和，不会逸出井口。

附图说明

附图1是油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置的结构示意图。

附图2是一个五件油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置连接在一起，并送到油井内需要解堵地层的示意图。

1-起爆装置；2-枪身；3-密封垫；4-反应药剂；5-尾堵；6-测压器；7-密封圈；8-连接体。

具体实施方式

如图1、2所示，该图为本实用新型装置的结构图，枪身(2)外径为102mm的优质钢管，其材料为N80优质钢材，其外壁有规律地开有直径为20mm的梯形孔，采用包有橡胶和钢片制成的密封垫(3)将梯形孔密封。枪身(2)上部是起爆装置(1)，起爆装置(1)与枪身(2)之间用螺纹连接并用合适规格的“O”型密封圈(7)密封。五节枪身(2)连接在一起，两节枪身(2)之间用双公接头的连接体(8)连接。上部的枪身(2)上端螺纹连接起爆装置(1)。起爆装置(1)下放置一个25g的黑火药药包。药包下部装满固体颗粒和数种化学反应药剂(4)。枪身(2)下部用尾堵(5)密封。尾堵(5)下部中心安装有测压器(6)。

在地面把102mm的枪身上的梯形孔用包有橡胶密封垫(3)密封。密封垫(3)是由钢片在外部先涂覆一层室温硫化硅橡胶，用木锤砸进孔中。在装药剂前可抽样检验，枪身(2)的密封性，必须保证枪身(2)在30-60Mpa不漏水的情况下才能准许使用。

在下井前把装配好的枪身(2)运抵井场，在井场把几种反应药剂(4)分层或混装在枪身(2)里，根据需要的长度把数节枪身(2)用双公接头连接体(8)连接在一起，安装尾堵(5)、起爆装置(1)。起爆装置(1)、尾堵(5)都有相应的“O”型密封圈(7)密封，切忌在下水过程中，水从连接部位进入枪身(2)内。

为了增大用药剂量，在枪身(2)内仅装一种固体物质，其余两种以上反应药剂(4)溶解在井场的一个大罐中，其浓度保证泵入井下目的层中能与装在枪身(2)的固体物质起激烈的化学反应。为保证加速两种以上的反应药剂(4)物质溶解速度，可以通过锅炉车加热，把溶解的溶液储存在井口场地备用。

用油管传输工艺(或电缆传输工艺)把装有多种反应药剂(4)的枪身(2)下到油气目的层位。通过井口投棒、引爆起爆装置(1)。起爆装置(1)引爆，点燃了枪身内的黑火药药包，黑火药药包燃烧产生的压力使枪身(2)上部的密封垫(3)喷出，井中的水迅速进入枪身(2)，使枪身(2)内装填的几种反应药剂(4)产生激烈反应，产生大量的气体和热量。

如果是枪身(2)内仅装填一种反应药剂(4)，其余反应药剂(4)是在井口溶解在一个大罐中，则施工工艺如下：把溶解在大罐中其它两种以上的化学溶液用泵车通过油管泵入。用适量的顶替液把化学溶液顶替到目的层位。投棒引爆起爆装置(1)，打开枪身(2)，使枪身(2)内的反应药剂(4)与顶入的反应药剂(4)产生激烈反应，产生大量的气体和热量。

Claims (7)

1、一种油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置，是由枪身(2)、起爆装置(1)、尾堵(5)、测压器(6)等组成，其特征在于：枪身(2)外径为88-103mm，壁厚为9-10.5mm，枪身(2)上有横向通孔，孔的直径在18-23mm之间，孔用圆形密封垫(3)堵塞，枪身(2)两端有螺纹，枪身(2)下端螺纹连接尾堵(5)，尾堵(5)与枪身(2)之间有密封圈(7)；枪身(2)上端螺纹连接起爆装置(1)，枪身(2)内密闭装有反应药剂(4)，在反应药剂(4)的上部有火药。

2、如权利要求1所述的油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置，其特征在于：将2-10个枪身(2)连接起来，枪身(2)之间有两端带螺纹的连接体(8)，连接体(8)与枪身(2)之间有密封圈(7)，上部的枪身(2)上端螺纹连接起爆装置(1)；下部的枪身(2)下端螺纹连接尾堵(5)。

3、如权利要求1或2所述的油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置，其特征在于：圆形密封垫(3)是在圆形钢片外包有橡胶。

4、如权利要求1或2所述的油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置，其特征在于：枪身(2)的横向空孔是梯形孔。

5、如权利要求1或2所述的油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置，其特征在于：枪身(2)内装填的两种反应药剂(4)，是分层装填的。

6、如权利要求1或2所述的油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置，其特征在于：枪身内装填的两种反应药剂(4)，混合在一起装填的。

7、如权利要求1或2所述的油气井化学反应气动力深穿透热解堵装置，其特征在于：在反应药剂(4)的上部的火药为20-30克之间。