一种水力喷射无限级压裂装置及压裂方法与流程

本发明涉及油气田压裂技术领域，尤其涉及一种用于石油天然气开采过程中增产的水力喷射无限级压裂装置及压裂方法。

背景技术：

随着经济的快速发展，常规天然气资源的开发已不能满足经济发展的需要。非常规天然气资源以其储量巨大、分布集中、开发技术日趋进步等特点成为世界石油市场的新宠。中国非常规天然气储量十分丰富，其中页岩气的地质资源量约为134×10¹²m³，可采资源量约为25×10¹²m³，基本与常规天然气相当。煤层气也具有非常可观的勘探开发前景，地质资源量达到了36.8×10¹²m³，可采资源量为10.9×10¹²m³。因此，实现非常规天然气的工业化开采，将对缓解能源供应形势、保障国家能源安全具有重要意义。

水力压裂技术是高效开发非常规天然气和维持其经济开采的必要手段。其中水力喷射分段压裂技术集水力喷砂射孔、压裂、隔离一体化，无需机械封隔即可实现一趟管柱定点压裂多个层段，为解决筛管/衬管完井、套变井、固井质量较差等常规封隔难以实现分段压裂的问题提供了一种可行的技术手段，并可节约新井的射孔成本，是目前国内外油气井增产改造研究的热点之一。但受限于滑套尺寸，该技术仅能完成有限级数的压裂作业，无法满足大规模压裂作业需求。

为了高效的开发非常规天然气，国外公司纷纷研发出各具特色的无限级分段水力压裂系统。现有的无限级分段水力压裂系统主要有：multistageunlimited压裂系统、zoneselectmonobore压裂系统、tap压裂系统和optiport压裂系统。

(1)multistageunlimited压裂系统

multistageunlimited压裂系统是由ncs公司研发的，该系统采用连续油管拖动，由可重复座封封隔器与可开关压裂滑套以及水力喷砂射孔器组成的压裂-隔离系统构成。但由于使用连续油管作业，因此不适用于较深地层。同时，使用连续油管无限级压裂必须使用套管完井。这些问题都制约了该技术的应用与发展。

(2)zoneselectmonobore压裂系统

weatherford公司的zoneselectmonobore压裂系统，主要由：套管滑套和连续管开关工具等构成。利用连续管将配套的开关工具下入井内滑套安装位置，通过井口开泵循环，工具产生节流压差，开关工具锁块外露，与内滑套台肩配合并锁紧，通过上提下放管柱开启、关闭滑套。停泵后，锁块收回，开关工具与内滑套脱离即可提出管串。但该技术需从完井阶段介入，工艺复杂，周期较长，对于已完井的油气井并不适用。

(3)tap压裂系统

schlumberger公司的tap压裂系统，主要包括：预置套管管柱上的坐封短节和elemental可溶解分体式球座2部分。分体式球座由4瓣组成，通过特殊的支撑架将4瓣球座连接、支撑，并与送入坐封工具相连。但该系统也存在tap阀对井斜角和储层厚度要求较为苛刻，同时对金属球溶解速率要求较高的问题。

(4)optiport压裂系统

bj公司的optiport压裂系统，主要包括：套管滑套和井下组合工具(bha)。滑套采用液压开启方式，外壳与本体之间形成液缸，内滑套在液压力驱动下滑动，开启滑套。bha主要包括接箍定位器、节流阀、锚定装置和封隔器，可实现压裂管串定位、锚定以及管串与套管环空封隔。但该系统同样存在需在完井阶段介入，机械封隔等问题。

综上所述，现有无限级压裂工具普遍存在技术难度高，且通用性较差的现象，而水力喷射多级压裂技术存在压裂级数有限的问题。为满足非常规油气资源开发的需求，克服现有技术的优点与缺点，本发明人根据多年从事水力压裂施工的实践和压裂工具研发的经验，提出了本发明的一种水力喷射无限级压裂装置及压裂方法，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水力喷射无限级压裂装置及压裂方法，克服现有技术中存在的技术难度高、通用性较差的问题，该压裂装置集射孔、压裂和隔离于一体，实现了结构简单且操作方便、压裂作业效率高的目的。

本发明的目的是这样实现的，一种水力喷射无限级压裂装置；所述水力喷射无限级压裂装置包括两端能与油管连接的圆筒状的喷枪本体，所述喷枪本体内密封套设有能轴向固定、且能沿所述喷枪本体的内壁轴向滑动的无限级压裂滑套，所述喷枪本体的侧壁上设置有能连通所述无限级压裂滑套的内腔和所述喷枪本体的外部环空的喷射喷嘴，所述无限级压裂滑套能轴向滑动封闭所述喷射喷嘴的一端；所述无限级压裂滑套的一端设置有能由密封球抵靠密封的球座，所述喷枪本体内固定设置有能顶抵所述密封球离开所述球座、中空的滑套开关器，所述无限级压裂滑套位于所述球座一端的端面能顶抵于所述滑套开关器一端的端面上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述无限级压裂滑套包括能轴向滑动封闭所述喷射喷嘴的一端的第一滑套圆筒，所述第一滑套圆筒的一端通过至少两个沿轴向设置的连接杆固定连接第二滑套圆筒，相邻两个所述连接杆之间构成镂空部，所述喷射喷嘴的一端能通过镂空部连通所述无限级压裂滑套的内腔，所述第一滑套圆筒和所述第二滑套圆筒的外径尺寸相同、且与所述喷枪本体的内径相同，所述第二滑套圆筒的另一端设置所述球座。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一滑套圆筒的侧壁靠近另一端的位置能通过沿周向设置的多个剪切销钉固定连接于所述喷枪本体内；所述第二滑套圆筒的侧壁靠近另一端的位置能通过沿周向设置的多个所述剪切销钉固定连接于所述喷枪本体内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一滑套圆筒的外壁与所述喷枪本体的内壁之间设置有第一密封圈，所述第二滑套圆筒的外壁与所述喷枪本体的内壁之间设置有第二密封圈。

在本发明的一较佳实施方式中，所述滑套开关器包括能固定于所述喷枪本体内部的、中空的开关器套环，所述无限级压裂滑套的内腔能与所述开关器套环的内腔连通，所述开关器套环上设置有沿轴向、且向靠近所述无限级压裂滑套的方向延伸设置的三角肋板结构，所述三角肋板结构的尖角部能顶抵所述密封球离开所述球座，所述无限级压裂滑套位于所述球座一端的端面能顶抵于所述开关器套环一端的端面上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷枪本体的内部设置有第一台阶部，所述开关器套环另一端的端面能顶抵于所述第一台阶部上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷枪本体的侧壁上设置有用于密封设置所述喷射喷嘴的喷嘴安装孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷枪本体远离所述滑套开关器的一端的侧壁上套设有扶正器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷枪本体的两端的内壁上均设置有螺纹连接部。

本发明的目的还可以这样实现，一种使用水力喷射无限级压裂装置的压裂方法，其包括以下步骤：

步骤a、首先完成水力喷射无限级压裂装置的组装，其中镂空部与喷射喷嘴的一端相对时，使用剪切销钉轴向固定无限级压裂滑套，之后向无限级压裂滑套内投入密封球；

步骤b、根据水力喷射压裂的实际情况，在油管上串接多级水力喷射无限级压裂装置，将组装好的油管及其上的多级水力喷射无限级压裂装置下入需要水力喷射压裂的地层的套管中；

步骤c、自地面向油管内泵送高压流体，密封球在流体压力作用下密封抵靠在球座上，密封球坐封无限级压裂滑套，高压流体通过喷射喷嘴形成高速射流；

步骤d、开始水力喷射压裂作业：首先泵入磨料，进行套管开窗作业，然后泵入压裂液，同时控制环空压力接近地层破裂压力，高压射流在地层内形成增压，复合环空压力实现地层起裂，完成喷射压裂；

步骤e、完成第一级水力喷射压裂作业后，瞬时增大地面排量，使油管压力升高，在高压力的作用下，无限级压裂滑套上承受的轴向力大于剪切销钉的许用剪切力，剪切销钉被剪断，无限级压裂滑套及密封球向滑套开关器方向快速滑动，三角肋板结构的尖角部顶抵密封球使密封球与球座间产生缝隙，密封球对无限级压裂滑套坐封失效，高压流体经过无限级压裂滑套的内腔、开关器套环的内腔流向下一级，水力喷射无限级压裂装置；

步骤f、第一级坐封失效后地面压力降低，在惯性、压差与拖拽力的作用下，无限级压裂滑套继续沿轴向滑动，直至尖角部顶抵密封球完全离开球座，无限级压裂滑套轴向滑动至其位于球座一端的端面顶抵于滑套开关器一端的端面上，镂空部与喷射喷嘴错开，第一滑套圆筒的外壁封闭喷射喷嘴的一端；

步骤g、当地面压力再次升高时，开始进行下一级水力喷射无限级压裂装置的喷射压裂作业，重复步骤c至步骤f，完成全部的水力喷射压裂作业。

由上所述，本发明的水力喷射无限级压裂装置具有如下有益效果：

(1)本发明的水力喷射无限级压裂装置使用时采用多级压裂装置串接于油管上的结构形式，高压流体能通过喷射喷嘴形成高速射流进行水力喷射压裂作业，在压裂结束后，提高高压流体的压力使无限级压裂滑套轴向移动，直至其端面顶抵于滑套开关器一端的端面上，此时密封球被滑套开关器顶抵离开球座，无限级压裂滑套的内腔通过中空的滑套开关器连通下一级的水力喷射无限级压裂装置，所有密封球都是提前放置到无限级压裂滑套中，不受密封球尺寸的限制，可以实现一趟管柱多层位的压裂，进而能够实现无限级的水力压裂，并能缩短作业时间、提高水力压裂效率、降低工人的劳动强度；

(2)本发明的水力喷射无限级压裂装置集射孔、压裂和隔离于一体，结构简单，尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性；

(3)本发明的水力喷射无限级压裂装置施工操作方便，安全性高，由于压裂过程中不需要移动管柱同时也不需要投球操作，增加了安全系数；

(4)本发明的水力喷射无限级压裂装置采用水力喷射压裂，无需封隔器，特别适用于裸眼井、筛管完井等特殊井。

(5)本发明的水力喷射无限级压裂装置从近井端开始压裂，在多级压裂过程中，保证压裂有序开展。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的水力喷射无限级压裂装置等轴测图。

图2：为本发明的水力喷射无限级压裂装置压裂作业前剖视图。

图3：为本发明的水力喷射无限级压裂装置压裂作业后剖视图。

图4：为本发明的喷枪本体的等轴测图。

图5：为本发明的喷枪本体的剖视图。

图6：为本发明的无限级压裂滑套的等轴测图。

图7：为本发明的无限级压裂滑套的剖视图。

图8：为本发明的滑套开关器的等轴测图。

图9：为本发明的无限级压裂滑套的剖视图。

图中：

100、水力喷射无限级压裂装置；

1、喷枪本体；

10、螺纹连接部；11、喷嘴安装孔；12、销钉孔；13、第一台阶部；

2、无限级压裂滑套；

21、第一滑套圆筒；211、第一密封环槽；

22、连接杆；

23、第二滑套圆筒；231、第二密封环槽；

24、剪切销钉；

25、销钉卡环槽；

3、喷射喷嘴；

4、密封球；

5、球座；

6、滑套开关器；

61、开关器套环；

62、三角肋板结构；621、尖角部；

71、第一密封圈；72、第二密封圈；

8、扶正器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图1至图9所示，本发明提供一种水力喷射无限级压裂装置100，包括两端能与油管(现有技术，图中未示出)连接的圆筒状的喷枪本体1，在本实施方式中，喷枪本体1的两端的内壁上均设置有螺纹连接部10，喷枪本体1通过螺纹连接部10密封串接于油管上。喷枪本体1内密封套设有能轴向固定、且能沿喷枪本体1的内壁轴向滑动的无限级压裂滑套2，喷枪本体1的侧壁上设置有能连通无限级压裂滑套2的内腔和喷枪本体1的外部环空的喷射喷嘴3，在本实施方式中，如图4、图5所示，喷枪本体1的侧壁上设置有用于密封设置喷射喷嘴3的喷嘴安装孔11，喷射喷嘴3通过螺纹密封连接于喷嘴安装孔11内，在本实施方式中，喷射喷嘴3的数量为3～6个，喷嘴安装孔11的数量与喷射喷嘴3的数量相同。无限级压裂滑套2能轴向滑动封闭喷射喷嘴3的一端；无限级压裂滑套2的一端设置有能由密封球4抵靠密封的球座5，喷枪本体1内固定设置有能顶抵密封球4离开球座5、中空的滑套开关器6，无限级压裂滑套2位于球座5一端的端面能顶抵于滑套开关器6一端的端面上。在本实施方式中，喷枪本体1远离滑套开关器6的一端的侧壁上套设有扶正器8，扶正器8(也称稳定器)是稳定井下钻具、起防斜作用的工具，保证了装置工作过程中的稳定性。

本发明的水力喷射无限级压裂装置100使用时采用多级压裂装置串接于油管上的结构形式，高压流体能通过喷射喷嘴3形成高速射流进行水力喷射压裂作业，在压裂结束后，提高高压流体的压力使无限级压裂滑套2轴向移动，直至其端面顶抵于滑套开关器6一端的端面上，此时密封球4被滑套开关器6顶抵离开球座5，无限级压裂滑套2的内腔通过中空的滑套开关器6连通下一级的水力喷射无限级压裂装置100，所有密封球都是提前放置到无限级压裂滑套2中，不受密封球尺寸的限制，可以实现一趟管柱多层位的压裂，进而能够实现无限级的水力压裂，并能缩短作业时间、提高水力压裂效率、降低工人的劳动强度；本发明的水力喷射无限级压裂装置100集射孔、压裂和隔离于一体，结构简单，尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性；本发明的水力喷射无限级压裂装置100施工操作方便，安全性高，由于压裂过程中不需要移动管柱同时也不需要投球操作，增加了安全系数；本发明的水力喷射无限级压裂装置采用水力喷射压裂，无需封隔器，特别适用于裸眼井、筛管完井等特殊井；本发明的水力喷射无限级压裂装置从近井端开始压裂，在多级压裂过程中，保证压裂有序开展。

进一步，如图6、图7所示，无限级压裂滑套2包括能轴向滑动封闭喷射喷嘴3的一端的第一滑套圆筒21，第一滑套圆筒21的一端通过至少两个沿轴向设置的连接杆22固定连接第二滑套圆筒23，相邻两个连接杆22之间构成镂空部，喷射喷嘴3的一端能通过镂空部连通无限级压裂滑套2的内腔，镂空部的轴向长度需要满足以下两个条件：(1)无限级压裂滑套2轴向固定时，镂空部与喷射喷嘴3的一端相对，喷射喷嘴3连通无限级压裂滑套2的内腔和喷枪本体1的外部；(2)无限级压裂滑套2轴向滑动至其位于球座5一端的端面顶抵于滑套开关器6一端的端面上时，镂空部与喷射喷嘴3错开，第一滑套圆筒21的外壁封闭喷射喷嘴3的一端。第一滑套圆筒21和第二滑套圆筒23的外径尺寸相同、且与喷枪本体1的内径相同，第二滑套圆筒23的另一端设置球座5。在本实施方式中，第一滑套圆筒21、连接杆22和第二滑套圆筒23一体构成，该结构可以采用一圆筒通过铣削侧壁形成连接杆和镂空部，也可以采用焊接连接构成。

进一步，如图2、图3所示，第一滑套圆筒21的侧壁靠近另一端的位置能通过沿周向设置的多个剪切销钉24固定连接于喷枪本体1内。为了无限级压裂滑套2轴向固定更加稳定，第二滑套圆筒23的侧壁靠近另一端的位置能通过沿周向设置的多个剪切销钉24固定连接于喷枪本体1内。在本实施方式中，如图2、图3、图4、图5所示，喷枪本体1的侧壁上设置有贯通的、用于穿设剪切销钉的销钉孔12，第一滑套圆筒21、第二滑套圆筒23的侧壁上均环设有用于卡设剪切销钉的一端的销钉卡环槽25，在本发明的一具体实施例中，轴向固定第一滑套圆筒21、第二滑套圆筒23的剪切销钉24的数量分别为3～6个，喷枪本体1上设置的销钉孔12的数量与剪切销钉24的数量相同。装置组装时，先将无限级压裂滑套2套装于喷枪本体1内，当销钉卡环槽25与销钉孔12相对时，将剪切销钉24穿设通过销钉孔12并使其一端卡设于销钉卡环槽25中，实现无限级压裂滑套2的轴向固定。当油管内的压力升高，无限级压裂滑套2承受的高压流体的轴向力大于剪切销钉24的剪切力时，剪切销钉24被剪断，无限级压裂滑套2沿喷枪本体1的内壁滑动。

在本实施方式中，如图2、图3、图6、图7所示，为了保证无限级压裂滑套2能够密封套设于喷枪本体1内，第一滑套圆筒21的外壁与喷枪本体1的内壁之间设置有第一密封圈71，第二滑套圆筒23的外壁与喷枪本体1的内壁之间设置有第二密封圈72。在本发明的一具体实施例中，第一密封圈71和第二密封圈72均为o型密封圈，第一密封圈71的数量为3个，3个第一密封圈71沿轴向间隔设置，第二密封圈72的数量为1个。在本发明的一具体实施例中，第一滑套圆筒21的外壁上设置有用于设置第一密封圈71的第一密封环槽211，第二滑套圆筒23的外壁上设置有用于设置第二密封圈72的第二密封环槽231。

进一步，如图2、图3、图8、图9所示，滑套开关器6包括能固定于喷枪本体1内部的、中空的开关器套环61，在本实施方式中，开关器套环61通过螺纹密封连接于喷枪本体1内部，无限级压裂滑套2的内腔能与开关器套环61的内腔连通，开关器套环61上设置有沿轴向、且向靠近无限级压裂滑套2的方向延伸设置的偏心的三角肋板结构62，三角肋板结构62的尖角部621能顶抵密封球4离开球座5，三角肋板结构62偏心设置能够使顶抵密封球4离开球座5需要的力比较小，有利于提高效率，无限级压裂滑套2位于球座5一端的端面能顶抵于开关器套环61一端的端面上，无限级压裂滑套2轴向滑动至三角肋板结构62的尖角部621将密封球4顶抵离开球座5时，注入的高压流体经无限级压裂滑套2的内腔、开关器套环61的内腔流向下一级水力喷射无限级压裂装置100。在本实施方式中，喷枪本体1的内部设置有第一台阶部13，开关器套环61另一端的端面能顶抵于第一台阶部13上，第一台阶部13能够保证开关器套环61的轴向定位稳定，避免在高压流体的作用下，开关器套环61出现轴向滑动。

使用本发明的水力喷射无限级压裂装置100的压裂方法，其包括以下步骤：

步骤a、首先将滑套开关器6密封连接于喷枪本体1内部，然后将套设了第一密封圈和第二密封圈的无限级压裂滑套2穿设进入喷枪本体1内，镂空部与喷射喷嘴3的一端相对时，使用剪切销钉24轴向固定无限级压裂滑套2，之后向无限级压裂滑套2内投入密封球，将扶正器8安装于喷枪本体1的一端，完成水力喷射无限级压裂装置100的组装；

步骤b、根据水力喷射压裂的实际情况，在油管上通过螺纹连接部10串接多级水力喷射无限级压裂装置100，将组装好的油管及其上的多级水力喷射无限级压裂装置100下入需要水力喷射压裂的地层的套管(现有技术，图中未示出)中；

步骤c、自地面向油管内泵送高压流体(现有技术，此处高压流体为纯流体，该流体为射孔准备阶段常用流体，其压力范围上限为达到套管开窗的压力)，密封球4在流体压力作用下密封抵靠在球座5上，密封球4坐封无限级压裂滑套2；高压流体通过喷射喷嘴3形成高速射流；

步骤d、开始水力喷射压裂作业：首先泵入射孔液(现有技术，射孔液为一种混合液，是在液体中混合磨料构成，射孔液通过地面泵车混合均匀后泵入油管中)，进行套管开窗作业(现有技术)，然后泵入压裂液(现有技术，一般为纯液体)，同时控制环空压力接近地层破裂压力，高压射流在地层内形成增压，复合环空压力实现地层起裂，完成喷射压裂(通过监控套管压力来判定喷射压裂工作是否完成)；

步骤e、完成第一级水力喷射压裂作业后，瞬时增大压裂液的地面排量，使油管压力升高，在高压力的作用下，无限级压裂滑套2上承受的轴向力大于剪切销钉24的许用剪切力，剪切销钉24被剪断，无限级压裂滑套2及密封球4向滑套开关器6方向快速滑动，三角肋板结构62的尖角部621顶抵密封球4使密封球4与与球座5间产生缝隙，密封球4对无限级压裂滑套2坐封失效，高压流体经过无限级压裂滑套2的内腔、开关器套环61的内腔流向下一级，水力喷射无限级压裂装置100；

步骤f、第一级坐封失效后地面压力降低(相同排量下，本级水力喷射无限级压裂装置100失去密封时，油管压力会下降，现有技术)，此时降低地面排量至正常压裂水平的一半左右，在惯性、压差与拖拽力的作用下，无限级压裂滑套2继续沿轴向滑动，直至尖角部621顶抵密封球4完全离开球座5，无限级压裂滑套2轴向滑动至其位于球座5一端的端面顶抵于滑套开关器6一端的端面上，镂空部与喷射喷嘴3错开，第一滑套圆筒21的外壁封闭喷射喷嘴3的一端。

步骤g、当地面压力再次升高时，开始进行下一级水力喷射无限级压裂装置100的喷射压裂作业，重复步骤c至步骤f，完成全部的水力喷射压裂作业。

由上所述，本发明的水力喷射无限级压裂装置具有如下有益效果：

(1)本发明的水力喷射无限级压裂装置使用时采用多级压裂装置串接于油管上的结构形式，高压流体能通过喷射喷嘴形成高速射流进行水力喷射压裂作业，在压裂结束后，提高高压流体的压力使无限级压裂滑套轴向移动，直至其端面顶抵于滑套开关器一端的端面上，此时密封球被滑套开关器顶抵离开球座，无限级压裂滑套的内腔通过中空的滑套开关器连通下一级的水力喷射无限级压裂装置，所有密封球都是提前放置到无限级压裂滑套中，不受密封球尺寸的限制，可以实现一趟管柱多层位的压裂，进而能够实现无限级的水力压裂，并能缩短作业时间、提高水力压裂效率、降低工人的劳动强度；

(2)本发明的水力喷射无限级压裂装置集射孔、压裂和隔离于一体，结构简单，尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性；

(3)本发明的水力喷射无限级压裂装置施工操作方便，安全性高，由于压裂过程中不需要移动管柱同时也不需要投球操作，增加了安全系数；

(4)本发明的水力喷射无限级压裂装置采用水力喷射压裂，无需封隔器，特别适用于裸眼井、筛管完井等特殊井。

(5)本发明的水力喷射无限级压裂装置从近井端开始压裂，在多级压裂过程中，保证压裂有序开展。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。