拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置及方法与流程

本发明属于油田开采领域，具体地，涉及一种在油气井中进行一体化压裂及冲砂的装置及方法，更具体地，涉及一种利用高速射流及投球滑套装置在直井与水平井中进行拖动的管柱式喷射压裂及冲砂联作装置和方法。

背景技术：

随着全球油气资源的持续开采，低渗透地质储量占剩余储量的比例持续增长，此外部分老油田储层逐步进入低压衰竭期，储层的压裂改造已成为新增低渗透区块及老油田衰竭储层油气开发的基本工艺。同时，由于大位移井及水平井单井产量高，经济效益明显，油田水平井数量逐渐增加，水平井储层压裂改造成为常态。通常，在水平井中需沿井筒间隔一定距离对储层进行多段压裂，裂缝达到足够的尺寸及渗透率，方可最大限度通过井筒开采储层中的油气。

常规的压裂技术利用机械封隔器对储层封隔后进行分层压裂。机械封隔器可在套管井、裸眼井等进行分层或多段压裂，但是易发生砂卡管柱导致井下事故，同时，封隔器受压裂液及本身工作寿命影响，多次座封解封后封隔效果变差。在高砂比，低顶替的情况下，压裂及返排过程中井筒沉砂较多，一则影响压裂后的开采效果，二则产生砂卡工作管柱的风险。目前国内压裂管柱不具备冲砂功能，需在压裂作业完成后，再下入冲砂管柱，进行冲砂作业，致使施工程序多，周期长且成本较高，而且水平井压裂后冲砂，由于砂沉降方向垂直于井筒内冲砂流方向，冲洗液在水平段及斜井段的携砂能力低，容易产生沉降，砂子不易被清除干净。

①一篇实用新型专利公开了一种连续油管射孔、压裂和冲砂一体化管柱，是为实现射孔、压裂及压后冲砂的一体化操作而设计的，由连续油管、连接器、剪切丢手、机械式套管接箍定位器、喷射器和尾管连接而成，喷射器外部设有扶正块及由压帽固定的喷嘴，尾管外部设有斧正块，内部设有十字挡板和钢球，尾管下部为均布有流体小通孔的引鞋。该管柱利用尾管替代并承担常规连续油管压裂 管柱扶正器、单流阀和引鞋的全部功能，能缩短喷嘴距砂面的距离，使喷射器具备正冲砂能力，可一趟管柱实现油气层的射孔、压裂及冲砂。该管柱通过连续油管带压拖动进行层间填砂封隔，使施工段数不受限制，采用连续油管射孔和环空压裂，利于增大压裂施工规模，压裂结束后能保持大通径，便于油气井的后期二次改造作业。

但该方法仍存在较多问题：(1)该工具仅适用于直井中纵向多层压裂，对于水平井的横向多层压裂无法有效实现层间沉砂封隔。(2)工具通过喷射器上的喷嘴进行射孔，同时要利用其射流将下部沉积砂粒冲起，但是该喷嘴为水平方向，对于下部沉积砂粒的冲击扰动效果差。(3)该管柱需要先正循环扰动砂粒，然后反循环将砂粒携带出井筒，而压裂作业层间间距通常为几米，十几米甚至几十米，沉砂深度较厚，该管柱一次正循环仅能扰动表层砂粒，反循环出井的砂粒仅是沉砂一部分，按照该技术所述工作过程5难以完成冲砂。实际上，要使用该管柱冲砂，只有不断正循环、反循环，才能逐步将各压裂层间沉砂冲洗出井筒，作业过程繁琐，不断地正反循环对井口设备产生较大损耗。(4)该方法使用环空压裂，压裂完下部储层后，需要进行沉砂作业(1小时)、探砂面、正反循环调整砂面，使得压裂作业程序过多繁缛，作业周期长。

②另一篇实用新型公开了一种带冲砂笔尖的压裂管柱。其特征是用滑套和冲砂笔尖的配合，在同一管柱上能够进行冲砂作业，也能进行压裂作业，这样可以减去压裂前单独下放冲砂管柱进行的冲砂作业，简化了压裂技术，降低了作业成本，缩短施工周期，提高生产效益。该技术可以单层和分层压裂，特别适用于老井压裂前冲砂与压裂作业中。

但是这一工艺管柱存在以下问题：(1)管柱上水力锚及封隔器导致环空空间减小，冲砂时返排效果受影响；(2)冲砂笔尖仅能在压裂作业前应用，比较适用于存在沉砂的老井，无法用于压裂后的沉砂冲洗作业；(3)水平井中冲砂流方向和砂沉降防线垂直于井筒，水平段携砂能力低，易在管柱后方产生沉积。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置及方法，将水力喷射压裂与水力冲砂相结合，利用高速射流实现直井、水平井中无封隔器的多层段压裂，同时进行压裂后水力冲砂作业，一趟管柱实现 压裂、冲砂两种作业，从而达到使施工过程更加简单高效，同时有效避免压裂后井底沉砂及砂卡管柱风险的目的。

为达上述目的，本发明提供一种拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置，其包括压裂冲砂体，所述压裂冲砂体具有同轴设置的内管和外管，内管的上端连接于外管上端内部，内管的下端是封闭的且位于外管下端的内部，内管与外管之间具有腔体，所述腔体在内管的上端设有至少一个开口，且内管内部设有滑套，所述滑套通过销钉固定于所述内管上且封闭所述开口；

所述内管和外管的中部贯通设有多个压裂喷嘴，并且所述外管的下端设有多个冲砂喷嘴；

当向压裂冲砂体内投入匹配的钢球时，钢球能够座封于滑套上端，并剪断销钉，使滑套下移至封闭所述压裂喷嘴，并打开所述开口。

所述的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置，其中，还包括转换短节和扶正器，所述转换短节的下端与所述压裂冲砂体的上端连接，所述扶正器套装在所述转换短节上并由所述转换短节和所述压裂冲砂体限位。

所述的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置，其中，所述内管和外管布置有数量相同且位置对应的水眼，内管和外管上每两个位置对应的水眼上安装一个压裂喷嘴。

所述的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置，其中，所述外管的下端为锥面导向头，在锥面导向头的底端设有多个冲砂喷嘴。

所述的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置，其中，所述锥面导向头的底端中央设有一个冲砂喷嘴，且围绕冲砂喷嘴均布有另外三个冲砂喷嘴。

所述的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置，其中，所述锥面导向头的侧面布置有三个与所述压裂冲砂体的轴线成150°角的反向喷嘴。

所述的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置，其中，所述腔体在压裂喷嘴的上部分为三个分体腔，三个分体腔与压裂喷嘴是错开的，所述腔体在压裂喷嘴的下部为一体式腔体且与冲砂喷嘴相连通。

所述的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置，其中，所述内管和外管上均布置有两排水眼，每排水眼的数量为三个，且每排水眼相位为120°，两排水眼的间隔为100mm。

本发明还提供一种拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作方法，其包括以 下步骤：

(1)组装上述的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置，并将所述压裂冲砂体的上端与转换短节的下端连接，将扶正器套装在所述转换短节上并由所述转换短节和所述压裂冲砂体限位；

(2)将所述转换短节连接到工作管柱上，并下入水平井内预定施工层位底部；

(3)通过工作管柱将射孔液泵至所述压裂冲砂体，通过所述压裂喷嘴形成高速射流冲击套管及井壁，产生的高滞止压力能够快速形成射孔孔眼；

(4)射孔完成后，通过工作管柱将压裂液泵至压裂冲砂体，通过压裂喷嘴形成高速射流射入孔眼，在水力卷吸自封隔作用下在地层孔眼内憋压，压裂地层形成裂缝；

(5)完成底部层位压裂之后，上提工作管柱将所述拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置上移到下一个施工层位；

(6)从下至上，依次完成所有层位水力压裂改造之后，对压裂液进行返排，压裂返排结束后，在工作管柱中投入与压裂冲砂体中滑套相匹配的钢球，泵入加压洗井液，钢球在压力作用下座封于装置内的滑套上，当压力达到一定值即可剪断销钉，打开滑套并座封下部的压裂喷嘴，洗井液由压裂冲砂体的分腔体流至下端，并从冲砂喷嘴和反向喷嘴喷出，同时形成正向及反向高速射流，进行冲砂作业；

(7)冲砂作业中，逐步下放工作管柱至井底，利用压裂冲砂体上的冲砂喷嘴进行冲砂作业，作业完成后上提工作管柱从井内取出所述拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置。

所述的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作方法，其中，在所述步骤(5)和步骤(6)之间还包括步骤(5’),步骤(5’)为多次依序重复步骤(3)至步骤(5)。

本发明的有益效果是：本发明利用水力喷射压裂结合水力冲砂，发明了一种水力压裂及投球滑套冲砂联作装置及方法，能够实现直井、水平井中无封隔器的多层段压裂，同时进行压裂后水力冲砂作业，可一趟管柱实现压裂、冲砂两种作业，施工过程简单，效率高，可有效避免压裂后井底沉砂及砂卡管柱的风险。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1A是根据本发明的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置的主视图；

图1B是根据本发明的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置的剖视图；

图2是根据本发明的转换短节的剖视图；

图3A是根据本发明的扶正器的纵向剖视图；

图3B是根据本发明的扶正器的横向截面图；

图4是压裂冲砂体压裂时滑套封闭的剖视图；

图5是压裂冲砂体冲砂时滑套打开的剖视图；

图6是根据本发明的装置在水平井中拖动时的压裂示意图；

图7是根据本发明的装置在水平井中压裂后的冲砂示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

首先如图1A和图1B所示，其分别是根据本发明的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置的主视图和剖视图；本发明提供一种拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置(以下简称“压裂冲砂装置”)，主要包括：转换短节1、扶正器2以及压裂冲砂体3。所述转换短节1的上端(图中左侧)与工作管柱4连接，转换短节1的下端(图中右侧)与所述压裂冲砂体3的上端连接；扶正器2套装在转换短节1上并由转换短节1和压裂冲砂体3限位。

所述扶正器2用于固定压裂冲砂装置，使之处于井筒中心且不与套管、井壁接触，保证了压裂的对称性及作业稳定性，同时，避免了井内水平段中装置在重力作用下沉于井眼下壁，保证了冲砂作业时环空空间的对称性及环空流动的均匀性，保证了作业管柱及装置下方的冲砂效果。

再如图2所示，其是根据本发明的转换短节的剖视图。所述转换短节1为中空圆管，且转换短节1上接头的外径大且具有内螺纹，转换短节1下接头的外径小且具有外螺纹，转换短节1通过上接头的内螺纹与工作管柱4连接并通过下接 头的外螺纹与压裂冲砂体3的上端相连。转换短节1上、下接头处的螺纹密封性高、强度高，施工中既可保证密封性又不会发生管柱刺漏、断裂事故。

再如图3A和图3B所示，分别是根据本发明的扶正器的纵向剖视图和横向截面图。扶正器2为具有6个翼的圆管，实现压裂作业工具扶正居中效果的同时，保证了冲砂作业时环空流动空间最大化；6个翼平行轴向设置并沿圆管外周以相位60°角均布；为便于工具在井眼内平滑起下，6个翼上下两端设置有倒角，倒角面与竖直面的倒角角度为30°，倒角面长度30mm，翼的高度为15mm。扶正器2的内径等于转换短节1下部的外径，且扶正器2长度略小于转换短节1上、下接头之间的长度，使扶正器2套装在转换短节1的中间管体上；转换短节1上部的外径大于扶正器2内径保证了扶正器2不会向上移动。此外，转换短节1的下接头通过外螺纹与压裂冲砂体3的上端连接后，压裂冲砂体3的外径大于扶正器2的内径，保证了扶正器2不会向下移动，实现了扶正器2套装于转换短节1上的固定。

再请如图4和图5所示，分别是压裂冲砂体压裂时滑套封闭的剖视图和滑套打开的剖视图。所述压裂冲砂体3具有大体同轴设置的内管31和外管32，内管31的上端连接于外管32上端内部的台阶上，内管31的下端是封闭的且位于外管32下端的内部，内管31与外管32之间具有腔体33。

所述内管31和外管32的中部接近下端处均围绕管体布置有数量相同且位置对应的水眼。在一个优选实施例中，所述内管31和外管32上均布置有两排水眼，每排水眼的数量为三个，且每排水眼相位为120°，两排水眼的间隔优选为100mm(但不以此为限)，且两排水眼上下对应。其中，水眼内设有内螺纹，且内管31和外管32的每两个对应的水眼安装一个压裂喷嘴34。

此外，压裂冲砂体3的下端设为锥面导向头，便于压裂冲砂装置顺利下入井内。在锥面导向头的底端上设有多个冲砂喷嘴35。在一个优选实施例中，锥面导向头的底端中央设有一个冲砂喷嘴35，且围绕冲砂喷嘴35均布有另外三个冲砂喷嘴35，流体流过这四个喷嘴后形成的高速射流冲击扰动压裂后井底沉砂使其悬浮。需要说明的是，冲砂喷嘴35的数量并不以此为限。

再者，在锥面导向头的侧面，布置有三个与装置的轴线A成150°角的反向喷嘴36，反向喷嘴36向外延伸的方向逐渐远离锥面导向头，用于实现水平井压裂后反向的水力射流冲砂。

内管31与外管32之间所具有的腔体33在压裂喷嘴34的上部分为三个分体腔，三个分体腔与压裂喷嘴34应是错开的，例如以60度的角度错开，但不以此为限，采用分腔体可以避免冲砂时对压裂喷嘴的冲蚀，也避免了在内外管水眼处发生刺漏；该腔体33在压裂喷嘴34的下部为一体式腔体且与冲砂喷嘴35相连通。

所述三个分体腔在内管31的上端设有对应的开口37，且内管31内设有滑套38，滑套38将三个开口37封闭且通过剪断销钉39将滑套38固定于内筒31上。优选为，滑套37的外径等于内筒31的内径，从而对开口37提供较佳的封闭效果。

压裂冲砂体3总长设计为800mm。流体从工作管柱4经转换短节1进入压裂冲砂体3，从压裂冲砂体3上的压裂喷嘴34高速喷出，形成高速射流可迅速射穿套管并在地层形成孔眼，而压裂时高速射流卷吸地层孔眼周围的流体一同进入地层，实现了水力作用下的封隔，可快速进行储层压裂。压裂完成后(如图5所示)，通过在工作管柱4内投入匹配的钢球5，在压力作用下钢球5座封于滑套38上端，可以剪断剪断销钉39打开滑套38，使压裂冲砂体3的冲砂喷嘴35与流体通道通过开口37连通，同时钢球5与滑套38配合下落，封闭了压裂冲砂体3中部的压裂喷嘴34，此时可进行压裂后的冲砂施工。

压裂冲砂体3所使用的压裂喷嘴34可采用合金耐磨喷嘴，用于实现水力喷射射孔与压裂；而所使用的反向喷嘴36可采用大孔径的反向喷嘴，用于实现水平井压裂后反向的水力射流冲砂。

本发明还提供一种拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作方法，包括以下施工步骤：

(1)将拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置(以下简称“压裂冲砂装置”)的各部件进行连接安装，组合压裂冲砂装置；

(2)将压裂冲砂装置的转换短节1接装到工作管柱4，下入水平井内预定施工层位底部；

(3)通过工作管柱4将射孔液泵至压裂冲砂装置，通过装置上布置的压裂喷嘴34形成高速射流，冲击套管及井壁，产生的高滞止压力可快速形成射孔孔眼；

(4)射孔完成后，通过工作管柱4将压裂液泵至压裂冲砂装置，通过压裂 喷嘴34形成高速射流射入孔眼，在水力卷吸自封隔作用下在地层孔眼内憋压，压裂地层形成裂缝；

(5)完成底部层位压裂之后，上提工作管柱4将压裂冲砂装置上移到下一个施工层位；

(6)多次依序重复步骤(3)至步骤(5)；

(7)从下至上，依次完成所有层位水力压裂改造之后，对压裂液进行返排，此时井底会有压裂及返排过程中的沉积砂；压裂返排结束后，在工作管柱4中投入与压裂冲砂装置中滑套相匹配的钢球5，泵入加压洗井液，钢球5在压力作用下座封于装置内的滑套38上，当压力达到一定值即可剪断销钉39打开滑套38并座封下部的压裂喷嘴34，洗井液由装置上部腔体流至下部冲砂喷嘴35和反向喷嘴36喷出，同时形成正向及反向高速射流，进行冲砂作业。

(8)冲砂作业中，逐步下放工作管柱4至井底，利用压裂冲砂装置上的冲砂喷嘴35进行冲砂作业，作业完成后上提工作管柱4从井内取出压裂冲砂装置。

图6是拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂装置在水平井中压裂的示意图。将拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂装置下入井内，通过工作管柱向拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂装置泵入射孔液，此时装置内滑套封闭上上部射流孔道，射孔液从下部经射流压裂喷嘴喷出，形成高速射流，迅速切割套管，在井壁形成射孔孔眼。之后，通过工作管柱向井下装置泵入压裂液，经喷嘴形成高速射流喷入射孔孔道内，同时卷吸环空中部分流体进入射孔孔眼，使孔眼内憋压，孔眼内压力大于地层破裂压力时开始在孔眼端部形成裂缝且持续扩展。完成井内下端一个层位压裂之后，上提工作管柱将水力喷射压裂及投球滑套冲砂装置上移至下一施工层位，依次重复施工既可完成所有层段的压裂。

图7是拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂装置在水平井中冲砂的示意图。压裂施工完成，对压裂液进行返排，返排结束之后，向工作管柱内投入滑套钢球并注液，钢球在流体压力作用下座封于滑套上，当压力达到一定值后，滑套与枪体之间的销钉剪断，滑套向前推移与喷枪本体底面配合，限制位移，由此封闭水力喷射压裂及投球滑套冲砂装置下部的压裂喷嘴，装置上部的冲砂孔道则实现开启，冲砂液由上部冲砂孔道经腔体流至底部冲砂喷嘴喷出形成反向高速射流，同时缓慢下放工作管柱便可实现压裂后井内冲砂作业。

综上所述，本发明的拖动式水力喷射压裂及投球滑套冲砂联作装置及方法相 对于常规水平井压裂技术，具有如下优点：

(1)利用高速射流产生的水力卷吸封隔作用实现水力自封隔，不需要传统机械式压裂工具的封隔器，避免了传统工具中封隔器多次座封解封易失效的问题。

(2)将水力喷射压裂与射流冲砂结合起来，可同时实现水力射孔、水力自封隔、水力压裂及压裂后射流冲砂；现场施工中不需增加额外的地面设备就能够轻易实现直井、水平井的分层、分段拖动管柱的水力压裂，而通过投球滑套打开工具腔体的同时封闭了压裂喷嘴，既可进行射流冲砂作业，不再需要起出压裂工具单独下入冲砂工具，节省作业时间与成本。

(3)压裂冲砂装置的上下部冲砂喷嘴布置方向为斜后方，可在冲砂时形成旋流，有效搅动并运移水平井段的砂粒，避免了砂粒在工具后端沉积造成砂卡的风险；另外，对于水平井段周围有水层时，可通过调整喷枪上喷嘴的布置方向避免压裂过程中穿透水层造成水侵。

(4)本发明装置结构简单，安全可靠，施工方法成熟，施工成本较常规技术更低。

相关技术术语的名词解释虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。