專利名稱:集束壓裂器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及到對(duì)傳統(tǒng)的高能氣體壓裂裝置的技術(shù)創(chuàng)新,具體涉及一種新型的,油氣井高能氣體壓裂使用的集束壓裂器。
背景技術(shù):
眾所周知,石油是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要的能源材料。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)日益迅速的發(fā)展,各行各業(yè)對(duì)能源材料的需求越來越旺盛。因此,提高石油工業(yè)的產(chǎn)量是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要。在目前,提高石油產(chǎn)量的可靠途徑之一就是不斷采用新技術(shù),依靠科技的力量加速石油工業(yè)的發(fā)展。
高能氣體壓裂是上一個(gè)世紀(jì)80年代在我國開始推廣應(yīng)用的采油新技術(shù)之一。其技術(shù)原理是利用火藥或推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃燒氣體對(duì)油氣儲(chǔ)集層進(jìn)行動(dòng)力加載,當(dāng)燃?xì)鈮毫Υ笥诘貙拥钠屏褖毫r(shí),使地層產(chǎn)生多條輻射狀的裂縫,改善地層的滲透率,減少油流阻力,從而使油氣井得到大幅度的增產(chǎn)。
高能氣體壓裂在我國油氣田的推廣應(yīng)用經(jīng)歷了幾個(gè)階段第一個(gè)階段是推廣應(yīng)用分段燃燒式鋼殼體套管井壓裂彈。在1988年~1995年期間,分段燃燒式套管井壓裂彈曾在江蘇油田、玉門油田、勝利油田、長慶油田、大慶油田、遼河油田、吉林油田、華北油田、中原油田、河南油田、克拉瑪依油田、吐哈油田等油田廣泛推廣應(yīng)用。雖然不少油氣井都取得了較好的壓裂增產(chǎn)效果,但使用過程中也發(fā)生了不少的施工作業(yè)問題。其中最主要的問題是由于高能氣體壓裂裝置的設(shè)計(jì)技術(shù)缺陷,由上至下分段燃燒的壓裂彈裝藥會(huì)發(fā)生彈內(nèi)的壓力累積和疊加,因此,當(dāng)火藥或推進(jìn)劑裝藥燃燒至最后幾級(jí)時(shí),彈內(nèi)壓力的累積和疊加產(chǎn)生了超過彈體連接強(qiáng)度的高壓,致使彈殼脫落掉入井中。由此引起了高能氣體壓裂施工之后,需要二次施工作業(yè)打撈井內(nèi)落物的作業(yè)事故。由于打撈作業(yè)費(fèi)工費(fèi)時(shí),影響油氣井的正常投產(chǎn),所以,高能氣體壓裂的優(yōu)點(diǎn)漸漸被其技術(shù)缺陷所埋沒。這一技術(shù)在油田推廣應(yīng)用的熱情逐漸消退。
第二階段是推廣應(yīng)用破碎燃燒式無殼壓裂彈。在1996年~本世紀(jì)初,為了改進(jìn)高能氣體壓裂裝置的性能,消除分段燃燒式鋼殼體套管井壓裂彈殼體易脫落掉井,常常需要二次施工打撈落物的弊端,從事高能氣體壓裂的技術(shù)人員又推出了破碎燃燒式無殼壓裂彈。這種產(chǎn)品推出之后,也在各個(gè)油田進(jìn)行了普遍的推廣應(yīng)用。但是,隨著產(chǎn)品的不斷應(yīng)用,也漸漸暴露出了許多設(shè)計(jì)問題。其一就是由于壓裂彈火藥裝藥沒有殼體的約束,而且火藥的破碎式燃燒是不可控制的增面燃燒。因此,火藥燃燒瞬間形成的壓力會(huì)特別高,極有可能超過油氣井套管的耐壓極限,造成油氣井套管的損壞,因而會(huì)釀成很大的作業(yè)事故,這是油田用戶不能允許的。其二是無殼壓裂彈的中心有一根點(diǎn)傳火芯管,它是用鋼材或合金鋁材制作的。其縱長方向上開有4條預(yù)裂槽。當(dāng)點(diǎn)傳火芯管實(shí)施點(diǎn)火時(shí),預(yù)裂槽開裂。在內(nèi)部壓力作用下它會(huì)變成燈籠架的形狀,卡在井筒內(nèi)。雖然無殼壓裂彈不會(huì)有彈殼脫落物的問題。但是,其大量的變形成燈籠架狀的芯管金屬遺落在井內(nèi),也給油氣井的后續(xù)作業(yè)工程帶來了許多麻煩。在華北油田某油區(qū),經(jīng)過高能氣體壓裂過的油氣井,后續(xù)作業(yè)過程中都打撈出了很多遺落的變形了的金屬管芯。實(shí)踐證明,破碎式燃燒無殼壓裂彈也并沒有解決異物落井問題。由于上述問題的存在,使高能氣體壓裂技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用受到了很大的阻礙。
實(shí)用新型內(nèi)容在分析了以上二種高能氣體壓裂裝置的設(shè)計(jì)缺陷和弊端之后,我們研制開發(fā)成功了本實(shí)用新型的集束壓裂器。它消除和克服了以前高能氣體壓裂裝置的種種技術(shù)缺陷和設(shè)計(jì)弊端,使高能氣體壓裂的安全性,實(shí)用性及有效性大大提高,為大幅度增加油氣井的產(chǎn)能開辟了新的技術(shù)途徑。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種集束壓裂器,由集束壓裂器殼體、同步點(diǎn)火器、集束壓裂裝藥、集束燃?xì)馀艢庋b置、彈體自鎖緊裝置和壓力測試裝置組成,集束壓裂器殼體內(nèi)設(shè)有多段集束壓裂裝藥,每段集束壓裂裝藥內(nèi)設(shè)有同步點(diǎn)火器,殼體管壁上設(shè)有集束燃?xì)馀艢庋b置,多段殼體之間套接,殼體端部設(shè)有彈體自鎖緊裝置,殼體底部設(shè)有壓力測試裝置。
壓裂器殼體由高強(qiáng)度的鋼材制成集束壓裂器殼體的耐壓強(qiáng)度等同于油氣井套管的耐壓強(qiáng)度,殼體上設(shè)有集束燃?xì)馀艢庋b置,集束燃?xì)馀艢庋b置包括燃?xì)饬髋判箍?,排泄孔端口設(shè)有高強(qiáng)度鋼和耐熱橡膠膠制作的復(fù)合封堵片。
所述的彈體自鎖緊裝置由下述部分構(gòu)成兩段殼體端部設(shè)有梯形螺紋套接,兩段殼體之間設(shè)有密封圈。
壓裂器內(nèi)的集束壓裂裝藥采用高燃速——低燃速——高燃速——低燃速推進(jìn)劑的組合裝藥壓制而成,集束壓裂裝藥的內(nèi)、外表面采用阻燃材料包復(fù)。
集束壓裂裝藥兩端設(shè)有導(dǎo)流孔。
壓力測試裝置內(nèi)設(shè)有兩個(gè)測壓倉,每一個(gè)測壓倉內(nèi)都設(shè)有能測定峰值壓力的銅柱測壓器和貯存式P-T曲線測試器,一個(gè)測壓倉的測壓口朝向集束壓裂器內(nèi)部,另一個(gè)測壓倉的測壓口朝向集束壓裂器外部的環(huán)空空間。
本實(shí)用新型是對(duì)傳統(tǒng)的高能氣體壓裂裝置的技術(shù)創(chuàng)新,其目的是消除和克服傳統(tǒng)的高能氣體壓裂裝置的技術(shù)缺陷,獲得高能量的集束燃?xì)饬?,?duì)油氣層實(shí)施脈沖加載壓裂。使油氣儲(chǔ)集層產(chǎn)生多條幅射狀長裂縫,有效地改善油氣井近井地帶的滲透性,并與地層天然裂縫有效溝通,形成裂縫網(wǎng)絡(luò),創(chuàng)造油流通道,減少油流阻力,大幅度地提高油氣井的產(chǎn)能。本實(shí)用新型產(chǎn)品技術(shù)原理先進(jìn),設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)獨(dú)特、新穎,使用安全,工藝簡便,不損傷油氣井套管,在油氣井中不遺留落物,功效高,成本低,經(jīng)濟(jì)效益好。是適合油氣井高能氣體壓裂的最先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品。
圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為集束燃?xì)馀艢庋b置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為彈體自鎖緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為集束壓裂裝藥結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
一種集束壓裂器,由集束壓裂器殼體1、同步點(diǎn)火器2、集束壓裂裝藥3、集束燃?xì)馀艢庋b置4、彈體自鎖緊裝置5和壓力測試裝置6組成,集束壓裂器殼體1內(nèi)設(shè)有多段集束壓裂裝藥3,每段集束壓裂裝藥3內(nèi)設(shè)有同步點(diǎn)火器2,殼體1的管壁上設(shè)有集束燃?xì)馀艢庋b置4,多段殼體1之間套接,殼體1端部設(shè)有彈體自鎖緊裝置5,殼體1底部設(shè)有壓力測試裝置。
首先,為了安全地實(shí)施高能氣體壓裂,保護(hù)油氣井套管不受損傷,本實(shí)用新型完全改變了無殼壓裂彈的設(shè)計(jì),采用了新型結(jié)構(gòu)的集束壓裂器的鋼制殼體1,使推進(jìn)劑裝藥完全約束在殼體之中可控制地燃燒,這樣,就完全消失了不可控制燃燒產(chǎn)生的高壓燃?xì)鈱?duì)油氣井套管7的破壞威脅??纱_保壓裂施工的安全作業(yè)。
其次,本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思想是從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,完全改變了分段燃燒的裝藥設(shè)計(jì)思想,并創(chuàng)新設(shè)計(jì)出彈體自鎖緊裝置5,以期完全解決壓裂裝置殼體脫落的問題。使壓裂作業(yè)完成之后,殼體能夠完整的從井中取出,不留任何遺物,不造成二次施工打撈的麻煩,確保安全施工。
本實(shí)用新型的集束壓裂器殼體1采用高強(qiáng)度鋼材制作,其耐壓強(qiáng)度與油氣井套管相當(dāng),集束壓裂裝藥3全部約束在殼體內(nèi)燃燒,因此,只要壓裂器殼體1不破裂,不損傷,能從油井中完整取出,油田用戶就完全可以放心油井套管7的安全性。確信壓裂過程絕不會(huì)損傷套管。壓裂器殼體1的約束對(duì)油井套管的安全起到了可靠的保護(hù)作用。
在壓裂器殼體1的管壁上,開有供集束燃?xì)饬飨蛲馀判沟娜細(xì)馀艢庋b置4(參見圖2)。與以前的高能氣體壓裂彈不同的是,集束燃?xì)馀艢庋b置包括燃?xì)饬髋判箍?1,排泄孔11端口設(shè)有高強(qiáng)度鋼12和耐熱橡膠13制作的復(fù)合封堵片進(jìn)行封堵。復(fù)合封堵片不僅具有很高的耐壓強(qiáng)度,可以耐受井筒中的液柱壓力。而且也具有很高的耐熱性能??梢阅褪芫仓幸后w的高溫,復(fù)合封堵的效果非常好。其封堵作業(yè)方便,可靠,不會(huì)發(fā)生漏水事故。
本實(shí)用新型改變了以前的套管井高能氣體壓裂彈分段式的燃燒的裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。認(rèn)為分段式燃燒的裝藥設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生彈內(nèi)的壓力累積和壓力疊加。特別在后幾級(jí)裝藥中,累積和疊加的高壓會(huì)造成彈體連接的破壞,發(fā)生彈殼脫落掉井事故。本實(shí)用新型的集束壓裂器采用了各段集束壓裂裝藥同時(shí)分別點(diǎn)火燃燒的裝藥模式,這樣,每一段集束壓裂裝藥都在本段殼體1內(nèi)燃燒,不會(huì)出現(xiàn)壓力逐段累積疊加的問題,彈體連接遭受損害的問題得到了根本解決。
為了實(shí)現(xiàn)集束壓裂器內(nèi)壓裂裝藥的同時(shí)點(diǎn)火,在集束壓裂器內(nèi)每段壓裂裝藥3內(nèi)設(shè)計(jì)安裝有同步點(diǎn)火器2,不論集束壓裂器采用電纜點(diǎn)火方式還是撞擊點(diǎn)火方式,點(diǎn)火信號(hào)都可瞬時(shí)由上而下傳遞至各段壓裂裝藥的同步點(diǎn)火器內(nèi),引發(fā)同步點(diǎn)火器,將各段壓裂裝藥同步點(diǎn)火。實(shí)現(xiàn)同步點(diǎn)火之后,各段壓裂裝藥都分別在自身的殼體內(nèi)燃燒,有效地避免了從上至下的堆積燃燒,也有效地防止了壓力在后幾級(jí)殼體內(nèi)的累積和疊加,從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上消除了彈殼連接發(fā)生損壞的弊端,有效地防止了掉彈殼問題地發(fā)生。
此外,為了進(jìn)一步預(yù)防彈殼脫落事故的發(fā)生,本實(shí)用新型在彈體連接上采用了彈體自鎖緊裝置5(參見圖3)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。所述的彈體自鎖緊裝置5由下述部分構(gòu)成兩段殼體1端部設(shè)有梯形螺紋15套接,兩段殼體1之間設(shè)有密封圈14。其技術(shù)特點(diǎn)是當(dāng)壓裂器內(nèi)壓裂裝藥3燃燒之后,壓裂器內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫ψ饔玫綇楏w殼體1上時(shí),正壓力作用到殼體器壁斜面上產(chǎn)生了側(cè)向分壓力。在此分壓力的作用下,彈殼連接會(huì)產(chǎn)生自鎖緊力,使彈體連接的密封圈14和梯形螺紋15的連接作用越來越緊,而不會(huì)產(chǎn)生滑脫拉力,這就進(jìn)一步保證了彈體連接的可靠性。
為了提高和改進(jìn)集束壓裂器對(duì)油氣井進(jìn)行高能氣體壓裂的有效性,對(duì)集束壓裂器中的集束壓裂裝藥3也進(jìn)行了較大的技術(shù)改進(jìn)。傳統(tǒng)的套管井高能氣體壓裂彈中的火藥或推進(jìn)劑裝藥是無約束的散裝藥,也就是將火藥或推進(jìn)劑散亂地填裝在壓裂彈殼體內(nèi)?;鹚幍娜紵菬o序的和不可控制的。而本實(shí)用新型的壓裂裝藥是專門壓制組裝而成的推進(jìn)劑成型裝藥(參見圖4),裝藥體呈圓筒狀結(jié)構(gòu),其內(nèi)表面18和外表面19都用阻燃材料進(jìn)行了包復(fù),裝藥體中的火藥或推進(jìn)劑只能沿著燃燒面可控地燃燒。在其縱向組合結(jié)構(gòu)中,推進(jìn)劑是由高燃速16——低燃速17——高燃速16——低燃速17的不同燃速的推進(jìn)劑組合壓制而成的。在壓裂裝藥的燃燒過程中,壓裂器內(nèi)的壓力呈現(xiàn)高壓力——低壓力——高壓力——低壓力的脈動(dòng)變化。這樣,壓裂器內(nèi)的燃?xì)庀虻貙蛹鴩姲l(fā)時(shí),會(huì)顯現(xiàn)出脈沖式的壓力變化。地層巖石在脈沖壓力的作用下,會(huì)不斷向前劈裂變化,有利于裂縫8的不斷延伸、擴(kuò)展和形成支叉狀裂縫體系。壓裂造縫效果大大提高。由此,井筒7與油氣儲(chǔ)集層10的溝通效果會(huì)根本改善,壓裂增產(chǎn)效果會(huì)大幅的地提高。為了實(shí)現(xiàn)火藥燃?xì)獾募欧牛行У貙?duì)地層實(shí)施動(dòng)力脈沖加載壓裂,在集束壓裂裝藥周圍設(shè)計(jì)了集束燃?xì)馀艢庋b置4,集束壓裂裝藥(3)兩端設(shè)有導(dǎo)流孔(20),集束燃?xì)馀艢?裝置采用了火箭推進(jìn)器的拉瓦爾噴管設(shè)計(jì)原理,使火藥燃?xì)饨?jīng)導(dǎo)流孔20進(jìn)入收斂器,然后進(jìn)入擴(kuò)張器,火藥燃?xì)庠谂艢庋b置導(dǎo)流孔(20)的導(dǎo)引下加速成高速燃?xì)饬?,集束向地層油氣?chǔ)集層10噴發(fā),使火藥燃?xì)饽芰扛蛹械貙?duì)地層實(shí)施壓裂做功,提高壓裂做功效率。
此外,為了正確地評(píng)估集束壓裂器的壓裂作用,在集束壓裂器的尾端設(shè)計(jì)有壓力測試裝置6,在壓力測試裝置內(nèi)有兩個(gè)測壓倉。每一個(gè)測壓倉內(nèi)都裝有能測定峰值壓力的銅柱測壓器和貯存式P-T曲線測試器。一個(gè)測壓倉的測壓口朝向集束壓裂器內(nèi)部。另一個(gè)測壓倉的測壓口朝向集束壓裂器外部的環(huán)空空向。這樣可以將壓裂器內(nèi)和井內(nèi)的峰值壓力及P-T曲線測定并記錄下來。
本實(shí)用新型的集束壓裂器經(jīng)過上述設(shè)計(jì)改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新之后,突出地解決了以前套管井高能氣體壓裂彈和無殼壓裂彈的許多設(shè)計(jì)技術(shù)缺陷和弊端,顯示出了許多突出的技術(shù)特點(diǎn),達(dá)到了技術(shù)創(chuàng)新的新水平,使高能氣體壓裂施工作業(yè)更為安全,高效。
本實(shí)用新型的集束壓裂器在地面進(jìn)行了性能檢測試驗(yàn)。試驗(yàn)使用的是直徑5米,高度為1.2米的環(huán)形混凝土靶?;炷涟兄行臐沧⒂?英寸的油井套管。套管中放置有1米長的集束壓裂器,裝藥量為2.5kg/m。試驗(yàn)時(shí),用電纜點(diǎn)火,火藥集束壓裂裝藥瞬時(shí)點(diǎn)燃,高速燃?xì)饬骷ㄏ驀姲l(fā),使半徑2.5米的混凝土靶在4個(gè)方向上完全劈裂。油井套管完好無損,集束壓裂器殼體無任何變形,完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
實(shí)施例一T5131井,井深2918m,油層厚度5.8m,油層位置2512.2~2518m,巖性砂巖。該井由于滲透率低,投產(chǎn)后一直產(chǎn)量較低,日產(chǎn)液5M3/d,日產(chǎn)油2.5t/d,2004年9月采用集束壓裂器進(jìn)行高能氣體壓裂,施工作業(yè)順利,作業(yè)后,6m長壓裂器從井中完整提出,壓裂器殼體無任何變形,壓裂裝藥全部燃燒,無任何井中落物。壓裂后,日產(chǎn)液19M3/d,日產(chǎn)油8.5t/d,增產(chǎn)效果非常顯著。
實(shí)施例二y4583井,井深2319m,油層厚度8.6m,油層位置1934.5~1943.1m。巖性灰質(zhì)細(xì)砂巖。該井投產(chǎn)后,產(chǎn)量逐年下降,目前產(chǎn)量較低,日產(chǎn)液8M3/d,日產(chǎn)油3.6t/d。2005年4月采用集束壓裂器進(jìn)行壓裂,施工作業(yè)順利。壓裂作業(yè)后,集束壓裂器從井中完整提出,無任何損壞。壓裂裝藥燃燒完全,井內(nèi)無任何落物。壓裂后迅速投產(chǎn),日產(chǎn)液達(dá)26M3/d,日產(chǎn)油9.5t/d。壓裂增產(chǎn)效果非常好。
權(quán)利要求1.一種集束壓裂器,其特征在于由集束壓裂器殼體(1)、同步點(diǎn)火器(2)、集束壓裂裝藥(3)、集束燃?xì)馀艢庋b置(4)、彈體自鎖緊裝置(5)和壓力測試裝置(6)組成,集束壓裂器殼體(1)內(nèi)設(shè)有多段集束壓裂裝藥(3),每段集束壓裂裝藥(3)內(nèi)設(shè)有同步點(diǎn)火器(2),殼體(1)上設(shè)有集束燃?xì)馀艢庋b置(4),多段殼體(1)之間套接,殼體(1)端部設(shè)有彈體自鎖緊裝置(5),殼體(1)底部設(shè)有壓力測試裝置(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集束壓裂器,其特征在于壓裂器殼體(1)由高強(qiáng)度的鋼材制成,集束壓裂器殼體(1)的耐壓強(qiáng)度等同于油氣井套管的耐壓強(qiáng)度,殼體(1)的管壁上設(shè)有集束燃?xì)馀艢庋b置(4),集束燃?xì)馀艢庋b置包括燃?xì)饬髋判箍?11),排泄孔(11)端口設(shè)有高強(qiáng)度鋼(12)和耐熱橡膠(13)制作的復(fù)合封堵片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集束壓裂器,其特征在于所述的彈體自鎖緊裝置(5)由下述部分構(gòu)成兩段殼體(1)端部設(shè)有梯形螺紋(15)套接,兩段殼體(1)之間設(shè)有密封圈(14)。
4.按照權(quán)利要求1所述得集束壓裂器,其特征在于壓裂器內(nèi)的集束壓裂裝藥(3)采用高燃速——低燃速——高燃速——低燃速推進(jìn)劑的組合裝藥壓制而成,集束壓裂裝藥(3)的內(nèi)、外表面(18、19)采用阻燃材料包復(fù)。
5.按照權(quán)利要求1所述的集束壓裂器,其特征在于集束壓裂裝藥(3)兩端設(shè)有導(dǎo)流孔(20)。
6.按照權(quán)利要求1所述的集束壓裂器,其特征在于壓力測試裝置(6)內(nèi)設(shè)有兩個(gè)測壓倉,每一個(gè)測壓倉內(nèi)都設(shè)有能測定峰值壓力的銅柱測壓器和貯存式P-T曲線測試器,一個(gè)測壓倉的測壓口朝向集束壓裂器內(nèi)部,另一個(gè)測壓倉的測壓口朝向集束壓裂器外部的環(huán)空空間。
專利摘要本實(shí)用新型是一種新型的、油氣井壓裂使用的集束壓裂器。它由集束壓裂器殼體、同步點(diǎn)火器、集束壓裂裝藥、集束燃?xì)馀艢庋b置、彈體自鎖緊裝置和壓力測試裝置組成。本實(shí)用新型能夠獲得高能量的集束燃?xì)饬?,?duì)油氣層實(shí)施脈沖加載壓裂。使油氣儲(chǔ)集層產(chǎn)生多條輻射狀長裂縫,有效地改善油氣井近井地帶的滲透性,并與地層天然裂縫有效溝通,形成裂縫網(wǎng)絡(luò),創(chuàng)造油流通道,減少油流阻力,大幅度地提高油氣井的產(chǎn)能。本實(shí)用新型技術(shù)原理先進(jìn),設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)獨(dú)特、新穎,使用安全,工藝簡便,不損傷油氣井套管,在油氣井中不遺留落物,功效高,成本低,經(jīng)濟(jì)效益好。
文檔編號(hào)E21B43/26GK2858947SQ20052007921
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月9日
發(fā)明者田志波 申請(qǐng)人:西安奧星能源技術(shù)研究所