一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈動發生裝置的製作方法
2023-11-09 06:55:12
本發明涉及油氣田儲層水力壓裂作業井下工具類，特別涉及一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈動發生裝置。
背景技術：
油氣田開發中，水力壓裂技術是緻密儲層油氣增產的重要措施。
目前，油氣儲層壓裂中，常規水力壓裂技增產工藝技術存在一些亟待解決的技術問題。
人工水力裂縫的產生，主要依靠井筒內壓裂液壓力產生井壁和儲層巖石的拉伸破壞，起縫並延伸擴展裂縫。人工裂縫的起縫主要受到地層破裂壓力影響，人工裂縫方向和擴展主要受到儲層就地地應力控制。因為個別儲層地層破裂壓力高，施工中泵壓偏高甚至還經常出現壓不開的問題；由於儲層為孔隙介質，裂縫擴展中流道截面為變質量流量，加之壓裂支撐劑(俗稱壓裂砂，為石英砂或人工陶粒)密度大於壓裂液，支撐劑容易在裂縫中沉降，壓裂液有效攜砂和裂縫中均勻鋪砂一直是制約壓裂作業效果的重大技術難題，目前工藝技術難以有效控制。體積縫網壓裂中，由於巖石的非均質性導致破裂壓力差異，以及受到地應力控制，通常很難形成有效縫網。
常規水力壓裂中如何有效降低起縫壓力和裂縫中實現壓裂液有效攜砂、均勻鋪砂是工程中亟待解決的重大技術難題。
低滲油田壓裂中，老井重複壓裂是油氣田增產的重要技術措施，在重複壓裂中，裂縫轉向技術已經被證實為增產的有效手段。轉向重複壓裂中，重點為有效封堵老縫、在井壁或近井壁重啟新縫。常規轉向重複壓裂工藝施工中，能否實現轉向存在很大的不確定性、不可控，目前還沒有有效的可行方法。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈動發生裝置，基於水力壓裂液流作用下，產生井下低頻水力脈動，低頻脈動作用下有效降低地層破裂壓力，利於人工水力裂縫起縫；脈動壓力作用下，壓裂液能在裂縫延伸擴展過程中有效攜砂、均勻鋪砂，進而提高裂縫導流能力；而在轉向重複水力壓裂中，能有效封堵原有裂縫，利於產生新的人工裂縫，進而實現裂縫轉向。本發明具有結構簡單、實現方便的特點。
為了實現上述目的，本發明採用了技術方案如下：
一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈動發生裝置，包括複合錐臺缸體總成2，以及設置於複合錐臺缸體總成2上端的加工有api標準油管連接螺紋的上接頭1和設置於複合錐臺缸體總成2下端的加工有api標準油管連接螺紋下接頭7，複合錐臺缸體總成2內設置有與其配套的複合錐臺活塞3，複合錐臺活塞3內設置有通孔4，複合錐臺活塞3外周均布有防砂卡的半圓槽3-1，複合錐臺活塞3下部設置有復位彈簧5，在復位彈簧5的下端設置有承託座6。
所述複合錐臺活塞3上部三分之一長度的錐度在1：(12～16)，下部的錐度在1：(8～10)，通孔4直徑範圍在16mm～20mm，長度範圍在140mm～200mm。
複合錐臺缸體總成2和複合錐臺活塞3具有相同的配合錐度，複合錐臺活塞3外周均布有防砂卡的半圓槽3-1，半圓槽3-1直徑為1.5mm～2mm，半圓槽傾斜角度為20～25度。
與現有技術相比，本發明的現場應用有益效果在於：
1、本發明基於壓裂工作液作用下，實現壓裂作業中井下低頻脈動。基於巖石損傷力學理論和模擬實驗研究結果，水力壓裂液流作用下，產生井下低頻水力脈動，低頻脈動作用能有效降低地層破裂壓力，利於人工水力裂縫起縫；同時，低頻脈動能在已經形成的人工裂縫面中有效傳播，脈動效應下，利於壓裂液攜帶壓裂砂在裂縫中隨裂縫擴展向前推進，減少壓裂砂沉降，促進均勻鋪砂，一定程度上解決當前常規壓裂作業中無法解決的技術難題，進而提高人工裂縫導流能力，獲得更好的水力壓裂增產效果。
低滲特低滲油田壓裂有效期通常為6個月到24個月，低頻脈動應用於老井裂縫轉向重複壓裂中，首先，低頻脈動促使堵劑注入階段強化原有裂縫封堵，防止後續壓裂繼續壓開原有的老裂縫；其次，基於巖石損傷力學理論和模擬實驗，脈動壓力作用下降低了地層破裂壓力，井壁或近井壁破裂壓力降低，有利於在井壁或近井壁新裂縫起縫，進而有利於裂縫轉向。
2、本發明適應常規水力壓裂工藝，能適應常規壓裂管柱強度設計、結構設計和壓裂施工設計；使用本發明後，該工具強度大於管柱強度，並且設計中特別考慮了施工安全性，即使工具失效也不會影響水力壓裂施工的繼續進行，該工具高度安全可靠。
3、本發明不僅結構簡單，實現方便，而且可應用於常規油氣井壓裂、老井轉向重複壓裂等。特殊的複合錐臺和活塞通孔設計能適應常規水力壓裂工藝和壓裂施工參數設計，適用範圍廣，具有大規模推廣應用前景。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖。
圖2為本發明9使用時與其餘設備的安裝示意圖。
圖3為複合錐臺活塞3示意圖，其中圖3a為主視圖，圖3b為俯視圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。本發明的實施方式包括但不限於下列實施例。
參照圖1，一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈動發生裝置，包括複合錐臺缸體總成2，以及設置於複合錐臺缸體總成2上端的加工有api標準油管連接螺紋的上接頭1和設置於複合錐臺缸體總成2下端的加工有api標準油管連接螺紋下接頭7，複合錐臺缸體總成2內設置有與其配套的複合錐臺活塞3，複合錐臺活塞3內設置有通孔4，該通孔4能克服複合錐臺活塞上行關閉流道所產生的水擊效應的影響，同時保證了水力壓裂作業中適應大排量，允許高砂比壓裂液中壓裂砂、重複轉向壓裂中高粘稠封堵劑的順利通過。參照圖3，複合錐臺活塞3外周均布有防砂卡的半圓槽3-1，複合錐臺活塞3下部設置有復位彈簧5，在復位彈簧5的下端設置有承託座6。
所述複合錐臺活塞3上部三分之一長度的錐度在1：(12～16)，下部的錐度在1：(8～10)，通孔4直徑範圍在16mm～20mm，長度範圍在140mm～200mm。
複合錐臺缸體總成2和複合錐臺活塞3具有相同的配合錐度，複合錐臺活塞3外周均布有防砂卡的半圓槽3-1，半圓槽3-1直徑為1.5mm～2mm，半圓槽傾斜角度為20～25度。在該配合錐度範圍、複合錐臺活塞3中心的通孔4的尺寸，以及複合錐臺活塞3與複合錐臺缸體總成2結構尺寸匹配下，能保證在水力壓裂工作排量下，複合錐臺活塞3下行時能壓縮復位彈簧5到設計行程，然後有效洩壓與洩流，復位彈簧5推動複合錐臺活塞3上行到預定行程，進而實現複合錐臺活塞3往復運動，在輸出壓裂工作液中產生低頻水力脈動。設計中,複合錐臺缸體2與複合錐臺活塞3配合錐度以及具體結構尺寸、複合錐臺活塞通孔4尺寸、複合錐臺活塞外周防砂卡槽尺寸和復位彈簧5的彈性係數等，在設計上是根據現場常規水力壓裂施工作業流量、流體性能參數、彈簧剛度與活塞質量計算確定的:
活塞中心通孔的直徑和複合錐臺缸體、複合錐臺活塞配合錐度、分段長度決定了工作液流過該工具為變截面流道。
設複合錐臺活塞質量為m，有效截面積為sp，復位彈簧剛度係數為k，工作流體密度為ρ，粘滯阻力係數為ξ，活塞行程中上下截面承受平均壓差分別為p1和p2；活塞位移為x，活塞行程為h，時間為t，則活塞下行時：
活塞上行時：
在這裡，p1和p2依據設計活塞尺寸及行程位置結合流體力學原理計算給出。活塞行程位置不同，其外周流道截面不同，同時活塞上下壓差也不同。實際計算中，需要考慮活塞通孔與活塞外周流道截面的流量分配以及活塞外周流道的粘滯阻力係數變化，很難給出解析算法。實際設計中，結合試驗測試修正，採用流體力學的數值算法來最終確定p1和p2。
由此可計算出活塞的行程長度：
復位彈簧剛度係數可以表示為：
這往復振動頻率為：
上式中：經過常用壓裂排量下試驗模擬，結合流體力學數值算法，應用上述公式計算時，pa取值為流體推動活塞下行前，活塞上、下截面承受的壓差，大致為2.6mpa左右；pb為流體推動活塞下行，活塞外周流道截面逐漸增大，活塞外周流道截面增大到一定程度，活塞上、下截面承受壓差，大致為0.5mpa左右。但壓裂施工排量、壓裂砂濃度不同，計算中取值不同。
在設計計算中，需要編制電腦程式計算活塞不同行程位置的上下壓差，以施工設計壓裂液注入排量1.2～4.5m3/min為設計基礎數據，以實現擬定低頻如10hz計算確定其它參數。
在本發明工具的實際工程設計計算中，需要結合模擬試驗測試，在計算變截面流道流體參數的基礎上，計算確定最終的複合錐臺缸體和複合錐臺活塞的結構尺寸以及復位彈簧的剛度係數。
更進一步地，為實現擬定的低頻脈動，配套的缸體、活塞設計為複合錐臺，實現了下行時活塞外周流道截面增大，由此實現先洩壓、後洩流，進而實現複合錐臺活塞的往復運動，活塞中心通孔的設計能更好地適應水力壓裂施工中的大排量，控制活塞行程在一定範圍，更好地實現脈動發生裝置的低頻脈動輸出。
根據巖石疲勞損傷力學理論，低頻脈動作用下，巖石破裂壓力下降，利於水力壓裂起縫；同時，低頻脈動波動在傳播中，在理論上，波的疊加將引起脈動壓力波振幅的擴大—壓裂液壓力增大。數值分析方法模擬計算表明，在特定條件下，脈動壓力波的振幅可擴大1.0～5倍；物理模擬實驗對比分析給出的脈動壓力幅值能夠擴大2.2～4.2倍。模擬現場實施脈動水力壓裂對比分析表明，脈動壓力幅值能夠擴大1.5～3.0倍。
所以說，應用該發明，能在水力壓裂中有效降低人工裂縫起裂壓力；同時，在裂縫中減少壓裂砂沉降、促進均勻鋪砂，提高裂縫導流能力，進而提高壓裂增產效果。
本發明的工作過程如下：
如圖2所示，本發明9連接於噴砂器10上部，本發明9的上部連接壓裂管柱8，水力壓裂工作液流過，流量達到工作排量後，複合錐臺活塞3上下壓差達到一定值後下行，壓縮復位彈簧5，複合錐臺活塞3下行則其外周流道面積逐漸增大，複合錐臺活塞上下壓差降低，直至復位彈簧推動複合錐臺活塞上行，由此產生往復式振動，在輸出壓裂流體中產生低頻水力脈動。
本發明所述的複合錐臺活塞3下部的復位彈簧5和位於複合錐臺活塞3下部的復位彈簧承託座6組成一個往復式機械振動系統，在壓裂作業中，產生低頻振動，進而輸出壓裂流體產生低頻水力脈動。其中，複合錐臺活塞3上的通孔4的直徑和長度是根據現場壓裂施工作業流量優化計算確定的，在一定的作業流量範圍內，在複合錐臺缸體2內，複合錐臺活塞3和復位彈簧5構成一個適應油氣田現場水力壓裂施工作業時，在水力驅動方式下能產生低頻水力脈動的往復振動系統。本發明應用於水力壓裂作業中，壓裂前置液、攜砂液流過該裝置後產生強度為2mpa左右的水力脈動壓力波幅，產生井下低頻水力脈動頻率在10hz左右，通過各結構參數匹配優化設計，常規作業條件下水力脈動頻率大約為10hz～20hz，施工中控制水力壓力波動幅度為1.5mpa～3mpa。