磨料射流噴射分層壓裂裝置的製作方法

2023-06-26 12:05:31

專利名稱：磨料射流噴射分層壓裂裝置的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種磨料射流噴射分層壓裂裝置，尤其是一種能提高噴槍使用壽命 的磨料射流噴射分層壓裂裝置，該裝置特別適用於石油、天然氣等地下開採領域的作業。
背景技術：
低滲透油氣田儲量佔國內已探明儲量的28%，每年新增加低滲透探明儲量佔新 探明總儲量的50%以上，水力壓裂是動用和提高低滲透儲量的有效途徑。1947年，在美國 KANSAS西南部的HUG0T0N氣田的一口垂直井中首次實施了水力壓裂增產技術，經過了近半 個世紀的發展，特別是上世紀80年代末以來，在壓裂設計、壓裂液和添加劑、支撐劑、壓裂 設備和監測儀器以及裂縫監測等方面都獲得了迅速的發展。為精確控制裂縫起裂位置和裂縫條數，國內外開展了分段壓裂技術研究。目前，現 場常用的分層(段)壓裂方法主要有限流法壓裂、暫堵劑分層壓裂、機械封隔器分層壓裂、 填砂分層壓裂等。限流法壓裂要求的射孔密度較低，將會妨礙射孔對有效井筒半徑的擴大； 作業期間，在射孔通道和裂縫入口處可能出現過大的壓力降，並會影響攜砂壓裂液在層間 的分布；限流法進行射孔提供的裂縫入口面積較小，在返排和生產期間，易使支撐劑返出。 在裸眼水平井壓裂時，最簡單的隔離方法是使用暫堵劑，暫堵劑可以用巖鹽、苯甲酸片或樟 腦丸等。但這種方法最大的問題是難以控制沿井筒的裂縫起裂點之間的距離；另一個重要 的問題是在暫堵階段對裂縫在近井地帶的支撐劑的充填無法控制。在套管井可以實施封隔 器分層或分段壓裂工藝，但是，施工完一個層位後，封隔器常常發生砂卡，導致井下事故。填 砂分層壓裂的問題是施工周期過長。近年來，我國高壓水射流技術不斷發展，在切割、破巖、鑽孔等方面都取得了長足 進步。如中國專利公開號CN100999989A中，公開了一種高壓水射流深穿透射孔及輔助 壓裂方法及其裝置，該申請即為本案申請人的先申請，上述申請的基本原理是在一定粘 度的流體中加入一定比例的磨料(常用石英砂)，從而形成磨料射流，由地面泵車加壓至 30-40MPa，通過油管輸送到井下的射孔裝置及噴嘴(該裝置可以根據需要確定層位和方 位)，在地層射出深度為0. 78-1. 09米、直徑20mm左右的清潔孔道；或者移動管柱及噴嘴， 在井下實現割縫。該技術的優點主要有穿透深度大於常規射孔；不會造成象常規射孔那 樣的油層壓實傷害；開孔的孔徑較大；可以根據分層和地應力的要求，有選擇的定向射孔 和割縫。該技術已在現場應用了 10多口井，施工效果良好。中國專利申請第200510072121. 8號，公開了一種「水平井壓裂方法」，該方法主要 的缺陷在於在水平井段無法控制裂縫起裂位置、不能實現分段壓裂。此外，通過階梯降排 量分析孔眼摩阻、由此判斷進液孔數，這在現場施工中難以操作，從而導致投入的暫堵劑數 量不準，不能有效封堵已經壓開的裂縫；再者，封堵劑的工作可靠性也會嚴重影響對已壓開 裂縫的封堵效果。在上述公知技術的基礎上，本案申請人提出了一種新的壓裂方法和裝置，並記載 在了中國專利申請第200710179500. 6號中，闡述了一種磨料射流井下射孔、割縫分層壓裂的方法及裝置，該方法是集磨料射孔、水力封隔和壓裂一體化的新技術，雖然不用下入機械 式封隔器，但每次壓裂完成一個層段後，需要移動井下管柱，因此需要反覆拆卸、安裝井口， 施工工序較為繁瑣。而在本案申請人提出的第200910082408. 7號中國專利申請中，公開了一種「磨料 噴射裝置及磨料射流射孔、分層壓裂方法」，該磨料噴射裝置，具有多級串聯連接的噴槍；所 述噴槍均為中空柱狀體，其側壁上設有至少兩個噴嘴；所述每級噴槍的下部均設一封隔器， 所述封隔器的側壁上設有在高壓液體的作用下能夠向外部膨脹的密封套；所述噴槍包括設 在所述磨料噴射裝置下部的第一級底部噴槍，以及位於底部噴槍上部的多級上部噴槍，其 中各上部噴槍內均設有能夠封閉該級噴槍噴嘴及密封套的滑套，且所述滑套在外力作用下 能夠滑移至所述密封套的下部，打開所述噴嘴和密封套。該公知技術中，封隔器和滑套聯 動，在銷釘剪斷之前處於收縮狀態，一旦鋼球達到滑套端部的密封座，銷釘剪斷、滑套移動， 和封隔器彈性套相連的活塞柱和高壓液體接觸，此時封隔器彈性套在活塞柱的推動下帶動 封隔密封套膨脹，從而密封噴槍和套管之間的環空、防止流體通過。當前層位壓裂完成後， 投入直徑稍大的球、打開上一級滑套，同時封堵高壓流體不能再通過該級噴槍向下流動。雖 然該公知技術通過採用多級噴槍串聯、並設置多級滑套，實現了下入一次管柱就能在多個 預定位置實施水力封隔和機械封隔相結合的分層壓裂。但仍然存在結構複雜、噴槍易於損 壞的缺陷。

發明內容
本發明的目的是提供一種磨料噴射分層壓裂裝置，尤其是一種不需要移動管柱、 無需常規機械封隔器，下入一次作業管柱、不需移動即可在一 口井中的多個預定位置實施 分層壓裂，且能夠提高噴槍使用壽命的磨料噴射分層壓裂裝置。為此，本發明提出一種磨料射流噴射分層壓裂裝置，具有多級串聯連接的噴槍；所 述噴槍均為中空柱狀體，其側壁上設有至少兩個噴嘴；所述噴槍包括設在所述磨料噴射裝 置下部的第一級底部噴槍，以及位於底部噴槍上部的多級上部噴槍，其中各上部噴槍內均 設有能夠封閉該級噴槍噴嘴的滑套，且所述滑套在外力作用下能夠在所述噴槍內滑移，打 開所述噴嘴；其特徵在於，所述噴槍側壁上設有容置所述噴嘴的容置孔，一噴嘴壓帽套設在 所述噴嘴的外部，其內孔與所述噴嘴的外壁相配合，所述噴嘴壓帽與所述容置孔通過螺紋 連接將所述噴嘴固定在所述噴槍的側壁上；在所述噴嘴附近的所述噴槍的外側壁上設有防 濺塊，所述防濺塊覆蓋在所述噴嘴壓帽上，並具有與所述噴嘴的噴射口同心的通孔。如上所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其中，所述容置孔朝向噴槍外側壁的一 側形成為直徑大於所述噴嘴壓帽外徑的擴徑孔，所述防濺塊容置在所述擴徑孔內。如上所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其中，所述擴徑孔的深度與所述防濺塊 的外周緣厚度相配合，所述防濺塊粘結固定在所述擴徑孔內。如上所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其中，所述防濺塊為一等厚塊體。如上所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其中，所述防濺塊的中心部的厚度大於 外周緣厚度。如上所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其中，所述噴嘴呈錐形，所述噴嘴壓帽的 內孔為與所述噴嘴相配合的內錐孔。
如上所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其中，所述噴嘴與噴嘴壓帽之間塗覆有 粘結密封劑。如上所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其中，所述噴嘴由複合陶瓷材料製成。如上所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其中，所述噴嘴的噴射口由直孔段和朝 向噴槍中心一側錐形孔段構成。如上所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其中，所述防濺塊由硬質合金材料製成。本發明的磨料噴射分層壓裂裝置，通過在噴嘴壓帽的外圍設置了由耐磨損能力高 於噴槍本體的硬質合金製成的防濺塊，在各級噴槍的噴射作業過程中，能效地防止了返濺 射流對噴槍本體的衝蝕破壞，提高了噴槍的使用壽命，同時也降低了噴槍的製造成本。本發明的噴嘴與噴嘴壓帽之間採用了錐配合，並在錐面塗覆粘結密封劑，施工時， 高壓流體通過噴嘴噴出，在流體壓力的作用下可將錐面越壓越緊，從而增加了噴嘴壓帽與 噴嘴連接緊密性和牢固度。


以下附圖僅旨在於對本發明做示意性說明和解釋，並不限定本發明的範圍。其中，圖1是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置第一級底部噴槍的結構示意圖；圖2是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置各級上部噴槍的結構示意圖，為噴槍 關閉狀態；圖3是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置各級上部噴槍的結構示意圖，為噴槍 開啟狀態；圖4是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置的噴嘴結構示意圖；圖5是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置的噴嘴壓帽結構示意圖；圖6是噴嘴與噴嘴壓帽組合狀態示意圖；圖7A、圖7B是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置的防濺塊的結構示意圖，其 中，圖7A為主視示意圖，圖7B為剖面示意圖；圖8A、圖8B、圖8C是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置的各級噴槍工作狀態示 意圖，其中，圖8A為第一級噴槍處於工作狀態，圖8B為第二級噴槍處於工作狀態，圖8C為 第三級噴槍處於工作狀態附圖標號說明1、第一級底部噴槍 2、上部噴槍21、滑套22、銷釘3、噴嘴30、容置孔 31、噴嘴壓帽 32、噴射口 33、擴徑孔4、防濺塊41、通孔 5、油管短節 6、單向閥7、多孔管8、導向頭 81、通孔9、鋼球
具體實施例方式為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照

本發 明的具體實施方式
。圖1是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置第一級底部噴槍的結構示意圖；圖2 是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置各級上部噴槍的結構示意圖，為噴槍關閉狀態；圖3是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置各級上部噴槍的結構示意圖，為噴槍開啟狀態； 圖4是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置的噴嘴結構示意圖；圖5是本發明的磨料射流 噴射分層壓裂裝置的噴嘴壓帽結構示意圖；圖6是噴嘴與噴嘴壓帽組合狀態示意圖；圖7A、 圖7B是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置的防濺塊的結構示意圖，其中，圖7A為主視示 意圖，圖7B為剖面示意圖。如圖所示，本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置，包括多級串聯 連接的噴槍，具體噴槍的級數根據需要壓裂層位數量而定，在本實施例中以三級噴槍串聯 連接構成的壓裂裝置為例進行說明，各級噴槍之間通過油管短節5相連接，最上部的一級 噴槍與油管相連接。根據設定的待壓裂層段的井深位置，通過所述油管短節來調節各級噴 槍之間的距離。請配合參見圖1-圖6，本發明提出的磨料射流噴射分層壓裂裝置，具有多級串聯 連接的噴槍，所述噴槍均為中空柱狀體，其側壁上設有至少兩個噴嘴3，設置噴嘴3的數量， 以及各噴嘴3之間的相互位置和間距根據需要設置。所述噴槍包括設在所述磨料噴射裝置 下部的第一級底部噴槍1，以及位於底部噴槍上部的多級上部噴槍2，其中各上部噴槍2內 均設有能夠封閉該級噴槍噴嘴的滑套21，且所述滑套21在外力作用下能夠在所述噴槍2內 滑移，打開所述噴嘴3。其中，所述噴槍側壁上設有容置所述噴嘴的容置孔30，一噴嘴壓帽 31套設在所述噴嘴3的外部，噴嘴壓帽31的內孔310與所述噴嘴3的外壁相配合，所述噴 嘴壓帽31與所述容置孔30通過螺紋連接將所述噴嘴3固定在所述噴槍的側壁上。在所述 噴嘴3附近的所述噴槍的外側壁上設有防濺塊4，所述防濺塊4覆蓋在所述噴嘴壓帽31上， 並具有與所述噴嘴3的噴射口 32同心的通孔41。所述容置孔30朝向噴槍外側壁的一側形成為直徑大於所述噴嘴壓帽31外徑的擴 徑孔33，所述防濺塊4容置在所述擴徑孔33內。所述擴徑孔33的深度與所述防濺塊4的 外周緣厚度相配合，所述防濺塊4粘結固定在所述擴徑孔33內。當所述防濺塊4為一等厚 的塊體時，防濺塊4嵌合在擴徑孔33內其表面與噴槍外壁面平齊。在另一個優選的實施例 中，如圖7A、7B所示，可以將所述防濺塊4製成中心部的厚度大於外周緣的厚度，當防濺塊4 嵌合在擴徑孔33內時，防濺塊4的中部凸出噴槍外壁面，以進一步提高對噴槍外壁面的防 護作用。為了使噴嘴壓帽31與噴嘴3的連接更加緊密、牢固，將所述噴嘴3的外形製成錐 形，而所述噴嘴壓帽31的內孔310則為與所述噴嘴3相配合的內錐孔。安裝時，在噴嘴壓 帽31的內錐面與所述噴嘴3的外錐面上均塗覆粘結密封劑，如高強度的膠液，以確保二者 之間密封良好，施工時，高壓流體通過噴嘴噴出，在流體壓力的作用下可將錐面越壓越緊。本發明的噴嘴3的噴射口 32由直孔段和朝向噴槍中心一側的錐形孔段構成，該結 構可減小射流出口後能量擴散，提高在地層中的射孔深度。所述防濺塊4由耐磨損能力高於噴槍本體的硬質合金材料製成。所述噴嘴3由耐 磨性能較高的複合陶瓷材料製成，從而能夠保證在通過較多的支撐劑後，對噴嘴3的磨損
較小圖8A、圖8B、圖8C是本發明的磨料射流噴射分層壓裂裝置的各級噴槍工作狀態示 意圖，其中，圖8A為第一級噴槍處於工作狀態，圖8B為第二級噴槍處於工作狀態，圖8C為 第三級噴槍處於工作狀態。請配合參見圖8，圖8A、圖8B、圖8C是以三級噴槍串聯構成的一套磨料射流噴射分層壓裂裝置在井內依次工作的示意圖。所述的噴槍自下而上分別稱為第一級底部噴槍1、 第二級和第三級上部噴槍2。其中，為了避免或減少所述壓裂裝置在下井過程中井筒中的 機械雜質進入噴槍及油管內，在第一級噴槍的下部設有單向閥。而在需要環空反循環洗井 時，此時各級噴槍均處於非工作狀態，向井筒與油管之間的環空內泵入液體，該液體可打開 單向閥6進入各級噴槍及油管內，實施反循環洗井。此外，本發明的壓裂裝置，第一級底部 噴槍的下部依次連接有多孔管7和導向頭8，所述導向頭8的底端具有較大的倒角結構，通 過該安裝在最下部的導向頭8可以避免由多級噴槍構成的工具串下井過程中刮蹭井壁，而 導向頭8上與其底部貫通的通孔81為反循環洗井提供了通道。本發明的工作原理是通過普通油管將圖8所示的由多級串聯連接噴槍組成的磨 料射流噴射分層壓裂裝置送入到井內指定層位。各級噴槍之間的間距根據設計的待壓裂層 段的進深由油管短節5進行調節。通過油管向磨料射流噴射分層壓裂裝置供給加壓的一定 砂比的射孔液，所述射孔液通過所述壓裂裝置的其中一級底部噴槍1的噴嘴3向地層高速 噴射，在地層中形成一定直徑和深度的孔眼；隨後關閉油套環空，並從環空泵入基液，保持 環空壓力略低於地層破裂壓力，同時提高支撐劑濃度繼續通過噴嘴噴射第一級底部噴槍1對應的層位壓裂完成後，停泵，打開油管向下投入鋼球9，鋼球9 到達第二級上部噴槍2內的滑套21時，固定滑套的銷釘22被剪斷，滑套21向下移動，該級 噴槍2上的噴嘴3和油管之間的通道連通。由於鋼球9和滑套21上的球座之間密封，射孔 液將不能向下流入第一級底部噴槍1 ；將第一級底部噴槍1封閉後，重複上述射孔步驟，第 二級上部噴槍2完成該層段壓裂後，停泵打開油管，再投入一個直徑稍大的鋼球9至第三級 上部噴槍2內，打開設置在其內的滑套21，重複射孔、壓裂步驟。由於在噴槍上噴嘴壓帽31的外圍安裝有由硬質合金製成的防濺塊4，因此在各級 噴槍的噴射作業過程中，有效地防止了返濺射流對噴槍本體的衝蝕破壞，提高了噴槍的使 用壽命，同時也降低了噴槍的製造成本。以上所述僅為本發明示意性的具體實施方式
，並非用以限定本發明的範圍。任何 本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均 應屬於本發明保護的範圍。
權利要求
一種磨料射流噴射分層壓裂裝置，具有多級串聯連接的噴槍；所述噴槍均為中空柱狀體，其側壁上設有至少兩個噴嘴；所述噴槍包括設在所述磨料噴射裝置下部的第一級底部噴槍，以及位於底部噴槍上部的多級上部噴槍，其中各上部噴槍內均設有能夠封閉該級噴槍噴嘴的滑套，且所述滑套在外力作用下能夠在所述噴槍內滑移，打開所述噴嘴；其特徵在於，所述噴槍側壁上設有容置所述噴嘴的容置孔，一噴嘴壓帽套設在所述噴嘴的外部，其內孔與所述噴嘴的外壁相配合，所述噴嘴壓帽與所述容置孔通過螺紋連接將所述噴嘴固定在所述噴槍的側壁上；在所述噴嘴附近的所述噴槍的外側壁上設有防濺塊，所述防濺塊覆蓋在所述噴嘴壓帽上，並具有與所述噴嘴的噴射口同心的通孔。
2.如權利要求1所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其特徵在於，所述容置孔朝向噴 槍外側壁的一側形成為直徑大於所述噴嘴壓帽外徑的擴徑孔，所述防濺塊容置在所述擴徑 孔內。
3.如權利要求2所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其特徵在於，所述擴徑孔的深度 與所述防濺塊的外周緣厚度相配合，所述防濺塊粘結固定在所述擴徑孔內。
4.如權利要求2所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其特徵在於，所述防濺塊為一等 厚塊體。
5.如權利要求2所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其特徵在於，所述防濺塊的中心 部的厚度大於外周緣厚度。
6.如權利要求1至5任一項所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其特徵在於，所述噴嘴 呈錐形，所述噴嘴壓帽的內孔為與所述噴嘴相配合的內錐孔。
7.如權利要求1至5任一項所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其特徵在於，所述噴嘴 與噴嘴壓帽之間塗覆有粘結密封劑。
8.如權利要求1所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其特徵在於，所述噴嘴由複合陶 瓷材料製成。
9.如權利要求1所述的磨料射流噴射分層壓裂裝置，其特徵在於，所述噴嘴的噴射口 由直孔段和朝向噴槍中心一側錐形孔段構成。
10.如權利要求1所述的磨料射注噴射分層壓裂裝置，其特徵在於，所述防濺塊由硬質 合金材料製成。
全文摘要
本發明提出一種磨料射流噴射分層壓裂裝置，具有多級串聯連接的噴槍；所述噴槍均為中空柱狀體，其側壁上設有至少兩個噴嘴；所述噴槍包括設在所述磨料噴射裝置下部的第一級底部噴槍，以及位於底部噴槍上部的多級上部噴槍，其中各上部噴槍內均設有能夠封閉該級噴槍噴嘴的滑套；其中，所述噴槍側壁上設有容置所述噴嘴的容置孔，一噴嘴壓帽套設在所述噴嘴的外部，其內孔與所述噴嘴的外壁相配合，所述噴嘴壓帽與所述容置孔通過螺紋連接將所述噴嘴固定在所述噴槍的側壁上；在所述噴嘴附近的所述噴槍的外側壁上設有防濺塊。本發明的磨料噴射分層壓裂裝置，能效地防止了返濺射流對噴槍本體的衝蝕破壞，提高了噴槍的使用壽命，同時也降低了噴槍的製造成本。
文檔編號E21B43/26GK101942986SQ20101028349
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月16日 優先權日2010年9月16日
發明者李根生, 牛繼磊, 田守嶒, 秦玉英, 邢景寶, 鄭峰輝, 黃中偉 申請人:中國石油化工股份有限公司華北分公司工程技術研究院;中國石油大學(北京)