脉冲水平井体积压裂装置和水平井体积压裂方法与流程

本发明涉及油气田开采技术领域，是一种脉冲水平井体积压裂装置和水平井体积压裂方法。

背景技术：

随着连续油管井下作业技术的推广及普及应用，越来越多的连续油管被应用于油气田井下作业现场，然而伴随着该作业技术的广泛应用，流体稳定流动状态下的工艺参数越来越难以满足现场精细化作业的需求，其中，地面泵入流体压能的利用率不高是重要原因之一，增加井底水力能量或提高其利用率，对提高作业效率及效果重要意义。目前产生井底流体脉冲压力的主要方式是利用特殊的结构在井底实现流体的通阻变化或周期性振动，但其不能充分解决井底水力能量匹配不合理的问题，连续油管在水平井体积压裂作业过程中常遇到地层破裂压力高导致的无法压开地层。由于连续油管强度、套管抗内压强度、井口装置承压等级、大排量环空压裂过程沿程摩阻高、施工设备限制等影响因素，一旦地层破裂压力较高，传统体积压裂改造方法都比较局限，同时喷射器定位不准确，也不能使脉冲流体通过喷射器射入目标地层，导致压裂效果不理想。

技术实现要素：

本发明提供了一种脉冲水平井体积压裂装置和水平井体积压裂方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决井底水力能量匹配不合理、喷射器定位不准确以及传统体积压裂改方法比较局限的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种脉冲水平井体积压裂装置，包括连续油管，在连续油管的水平段上依次连接有连接器、马达头总成、扶正器、能够生成高压流体的脉冲工具、喷射器、定位器和引鞋，所述的连接器、马达头总成、扶正器、脉冲工具、喷射器、定位器和引鞋之间的连接方式均为丝扣连接，喷射器外侧沿圆周间隔均布有若干个喷嘴。

下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述脉冲工具可包括上接头、外筒和内芯，外筒呈下上向设置的圆套状，外筒右部内侧设有限位环台，外筒左部内侧固定安装有左端位于外筒左方的上接头，扶正器的右部外侧螺接于上接头内侧，喷射器左部内侧螺接于外筒右部外侧，对应限位环台与上接头之间位置的外筒内侧设有内芯，内芯内设有高压脉冲生成流道，高压脉冲生成流道包括射流生成流道、出水腔、出水孔、下环形通道、下出水通道、上环形通道、上出水通道、下反馈通道、下通道、上通道和上反馈通道，内芯左部内侧设有射流生成流道，射流生成通道呈“y”形，对应射流生成流道右方位置的内芯右部内侧设有呈圆形且中心轴线为前后向的出水腔，内芯右部前侧和后侧均设有与出水腔中部前侧和后侧相连通的出水孔，每个出水孔均与外筒右部内侧相连通，对应射流生成通道与出水腔之间位置的内芯中部内侧上下间隔设有上通道和下通道，对应下通道与出水腔之间位置的内芯下部内侧设有下环形通道，下环形通道的中心轴线呈前后向，下环形通道下部右侧与出水腔下部左侧通过下出水通道相连通，下环形通道上部左侧与射流生成通道下部右端通过下通道相连通，对应下通道下方位置的内芯下部设有下反馈通道，下环形通道下部左侧与射流生成通道中部下侧通过下反馈通道相连通；对应下环形通道左方上侧位置的内芯上部内侧设有上环形通道，上环形通道的中心轴线呈前后向，上环形通道上部右侧与出水腔上部左侧通过上出水通道相连通，上环形通道下部左侧与射流生成通道上部右端通过上通道相连通，对应上通道上方位置的内芯上部设有上反馈通道，上环形通道上部左侧与射流生成通道中部上侧通过上反馈通道相连通。

上述射流生成流道可包括由左至右依次连通的收缩通道、导流通道、喷射通道和射流通道，对应上接头出口位置的内芯左部内侧设有与其相连通且呈左大右小的锥形的收缩通道，收缩通道右端设有与其相连通的导流通道，导流通道右端设有与其相连通的喷射通道，喷射通道中部下侧和上侧分别设有下反馈出口和上反馈出口，下反馈通道通过下反馈出口与喷射通道连通，上反馈通道通过上反馈出口与喷射通道连通，喷射通道右端设有与其相连通的且呈左小右大的锥形的射流通道，射流通道下部右端为下射流进口，射流通道上部右端为上射流进口。

上述下通道可包括由左至右依次连通在一起的下水平段和下倾斜段，下环形通道下部左侧和上部左侧分别设有下反馈进口和下射流出口，下水平段左端与下射流进口相连通，下倾斜段右端与下射流出口相连通，下倾斜段呈左低右高状倾斜且其内壁右侧与下环形通道内壁的上部左侧对应位置相切，下反馈进口与下反馈出口通过下反馈通道相连通；上通道包括由左至右依次连通在一起的上水平段和上倾斜段，上环形通道下部左侧和上部左侧分别设有上射流出口和上反馈进口，上水平段左端与上射流进口相连通，上倾斜段右端与上射流出口相连通，上倾斜段呈左高右低状倾斜且其内壁右侧与上环形通道内壁的下部左侧对应位置相切，上反馈进口与上反馈出口通过上反馈通道相连通。

上述收缩通道、导流通道、喷射通道、射流通道、下环形通道、下出水通道、上环形通道、上出水通道、下反馈通道、下水平段、下倾斜段、上水平段、上倾斜段和上反馈通道在垂直于流体流速方向上的截面均可为矩形。

上述内芯可包括结构相同且对称布置的前内芯和后内芯，前内芯后侧中央和后内芯前侧中央分别设有结构相同的前高压脉冲生成流道和后高压脉冲生成流道，前高压脉冲生成流道和后高压脉冲生成流道形成高压脉冲生成流道。

上述脉冲工具还可包括连接螺栓，对应射流生成通道、下通道、下环形通道、下出水通道、出水腔、上出水通道、上环形通道和上通道之间位置的前内芯中部和后内芯中部分别形成前分流劈和后分流劈，前分流劈后侧上下间隔设有两个前后贯通的前连接螺孔，对应每个前连接孔位置的后分流劈前侧均设有前后贯通的后连接螺孔，每个前连接螺孔内均设有后端位于对应位置后连接螺孔内的连接螺栓，前内芯和后内芯通过连接螺栓固定安装在一起。

上述对应限位环台外侧位置的外筒右部可固定有呈上大下小的圆台，圆台外侧设有连接螺纹，喷射器左部内侧螺接于圆台外侧。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种使用上述脉冲水平井体积压裂装置的水平井体积压裂方法，包括步骤如下：

（1）下钻并确定射孔位置：通过地面设备下入连续油管和脉冲水平井体积压裂装置至指定射孔深度位置以下井段，根据定位器的信号指示和地面计数显示深度，上提连续油管至射孔点；

（2）脉冲辅助射孔：向连续油管内泵注射孔液体，缓慢调整排量大小，泵注液体量与连续油管内容积相等时，开始加砂射孔；携砂液经连续油管、连接器、马达头总成和扶正器流入脉冲工具时，形成脉冲流体，脉冲流体以液体冲击波形式进入喷射器后，进一步形成高压脉冲流体通过喷嘴冲击携砂液射流，开始冲蚀套管内壁，直至射穿套管、水泥环和地层；

（3）脉冲辅助压开产层：继续保持连续油管内液体泵注，从套管环空进行泵注压裂液，缓慢调整环空、管内排量，环空液体进入射孔孔眼；同时管内液体经过脉冲工具进行脉冲增能，增能后的液体通过喷嘴以高压脉冲波形式传递进入射孔孔眼；当射孔孔眼内部岩石表面单位面积所受到的压力超过其屈服压力极限时，岩石开始破裂；

（4）脉冲辅助压裂：继续向环空泵注携砂液体和管内泵注压裂液体，携砂液体进入射孔孔眼内部，从连续油管内部泵注的压裂液体经过脉冲工具和喷射工具喷嘴后，形成高压脉冲冲击射流；冲击射流进入射孔孔眼，射孔孔眼内压力呈波动变化，携沙液中的砂粒随压裂液体被快速携带至裂缝远端；

（5）起钻：提出脉冲水平井体积压裂装置，完成脉冲辅助水平井体积压裂施工；

（6）若水平井体积压裂过程中，出现地面超压：降低环空排量，缓慢增大连续油管管内排量使地层裂缝进一步起裂，形成复杂缝网结构，增大地层吸液面积，进一步降低地面同排量下的施工压力。

本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过这样的设置，能够快速拆装，能够降低施工成本，通过脉冲工具能够生成脉冲流体，脉冲流体通过喷嘴能够在体积压裂过程中提高射孔效率，增强射孔孔眼内微裂缝的产生，也能实现射孔孔眼内增能，地层快速起裂，降低施工压力，解决地层破裂压力较高时传统体积压裂改造工艺对目的层段实施改造的方法比较局限的问题。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

附图2为本发明中脉冲工具的剖视结构示意图。

附图中的编码分别为：1为上接头，2为外筒，3为限位环台，4为连接螺栓，5为后内芯，6为第一密封圈，7为第二密封圈，8为后分流劈，9为收缩通道，10为导流通道，11为喷射通道，12为射流通道，13为下反馈出口，14为上反馈出口，15为下射流进口，16为上射流进口，17为出水腔，18为出水孔，19为下环形通道，20为下出水通道，21为下反馈通道，22为下水平段，23为下倾斜段，24为上环形通道，25为上出水通道，26为上水平段，27为上倾斜段，28为上反馈通道，29为下出口，30为上出口，31为下进口，32为下反馈进口，33为下射流出口，34为上进口，35为上射流出口，36为上反馈进口，37连续油管，38为连接器，39为马达头总成，40为扶正器，41为喷射器，42为定位器，43为引鞋，44为喷嘴。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1、2所示，该脉冲水平井体积压裂装置包括连续油管37，在连续油管37的水平段上依次连接有连接器38、马达头总成39、扶正器40、能够生成高压流体的脉冲工具、喷射器41、定位器42和引鞋43，所述的连接器38、马达头总成39、扶正器40、脉冲工具、喷射器41、定位器42和引鞋43之间的连接方式均为丝扣连接，喷射器41外侧沿圆周间隔均布有若干个喷嘴44。

根据需求，连接器38、马达头总成39、扶正器40、喷射器41、定位器42、引鞋43和喷嘴44均为现有公知技术。在使用过程中，通过这样的设置，能够快速拆装，能够降低维护成本，降低施工成本，通过脉冲工具能够生成脉冲流体，充分解决井底水力能量匹配不合理的问题，脉冲流体通过喷射器41、喷嘴44和定位器42能够在体积压裂过程中提高射孔效率，增强射孔孔眼内微裂缝的产生，也能实现射孔孔眼内增能，地层快速起裂，降低施工压力，同时能够使射孔孔眼内砂粒被快速携带至地层裂缝远端，解决地层破裂压力较高时传统体积压裂改造工艺对目的层段实施改造的方法比较局限的问题。

可根据实际需要，对上述脉冲水平井体积压裂装置作进一步优化或/和改进：

如附图1、2所示，脉冲工具包括上接头1、外筒2和内芯，外筒2呈下上向设置的圆套状，外筒2右部内侧设有限位环台3，外筒2左部内侧固定安装有左端位于外筒2左方的上接头1，扶正器40的右部外侧螺接于上接头内侧，喷射器41左部内侧螺接于外筒右部外侧，对应限位环台3与上接头1之间位置的外筒2内侧设有内芯，内芯内设有高压脉冲生成流道，高压脉冲生成流道包括射流生成流道、出水腔17、出水孔18、下环形通道19、下出水通道20、上环形通道24、上出水通道25、下反馈通道21、下通道、上通道和上反馈通道28，内芯左部内侧设有射流生成流道，射流生成通道呈“y”形，对应射流生成流道右方位置的内芯右部内侧设有呈圆形且中心轴线为前后向的出水腔17，内芯右部前侧和后侧均设有与出水腔17中部前侧和后侧相连通的出水孔18，每个出水孔18均与外筒2右部内侧相连通，对应射流生成通道与出水腔17之间位置的内芯中部内侧上下间隔设有上通道和下通道，对应下通道与出水腔17之间位置的内芯下部内侧设有下环形通道19，下环形通道19的中心轴线呈前后向，下环形通道19下部右侧与出水腔17下部左侧通过下出水通道20相连通，下环形通道19上部左侧与射流生成通道下部右端通过下通道相连通，对应下通道下方位置的内芯下部设有下反馈通道21，下环形通道19下部左侧与射流生成通道中部下侧通过下反馈通道21相连通；对应下环形通道19左方上侧位置的内芯上部内侧设有上环形通道24，上环形通道24的中心轴线呈前后向，上环形通道24上部右侧与出水腔17上部左侧通过上出水通道25相连通，上环形通道24下部左侧与射流生成通道上部右端通过上通道相连通，对应上通道上方位置的内芯上部设有上反馈通道28，上环形通道24上部左侧与射流生成通道中部上侧通过上反馈通道28相连通。

根据需求，上接头1可为现有公知的技术，出水腔17下部左侧和上部左侧分别设有下出口29和上出口30，下环形通道19下部右侧设有下进口31，上环形通道24上部右侧设有上进口34，下进口31与下出口29通过下出水通道20相连通，上进口34与上出口30通过上出水通道25相连通，下环形通道19和上环形通道24相同。在使用过程中，通过设置射流生成流道，能够使流体流过射流生成流道后形成射流，通过设置下环形通道19、下通道、上环形通道24和上通道，流体分别经下通道和上通道流入下环形通道19和上环形通道24后能够产生回转效果，通过设置出水腔17，能够使下环形通道19和上环形通道24内的流体分别经下出水通道20和上出水通道25后进入出水腔17做高速回旋运动，进一步提高流体的流速，通过设置下反馈通道21和上反馈通道28，能够使下环形通道19和上环形通道24内的一部分流体分别经下反馈通道21和上反馈通道28后交替对该处射流生成通道内的流体作用，迫使流体在射流生成通道下部之间交替偏转，继而使流体产生脉冲效果，从而提高地面高压泵入流体的利用率，改善储层改造、射孔、钻塞、解堵等作业的效果。

如附图2所示，射流生成流道包括由左至右依次连通的收缩通道9、导流通道10、喷射通道11和射流通道12，对应上接头1出口位置的内芯左部内侧设有与其相连通且呈左大右小的锥形的收缩通道9，收缩通道9右端设有与其相连通的导流通道10，导流通道10右端设有与其相连通的喷射通道11，喷射通道11中部下侧和上侧分别设有下反馈出口13和上反馈出口14，下反馈通道21通过下反馈出口13与喷射通道11连通，上反馈通道28通过上反馈出口14与喷射通道11连通，喷射通道11右端设有与其相连通的且呈左小右大的锥形的射流通道12，射流通道12下部右端为下射流进口15，射流通道12上部右端为上射流进口16。

在使用过程中，通过这样的设置，流体流过收缩通道9、导流通道10与喷射通道11后能够形成射流，射流在通过喷射通道11右端进入射流通道12，由于射流本身存在的紊乱，射流的卷吸和射流通道12两侧壁面之间的干涉效应将不对称，在射流两侧产生压差，这一压差推动射流的偏转，将产生附壁效应，贴附于射流空间的一侧壁面上，沿壁面流动，到达该侧的射流出口。

如附图2所示，下通道包括由左至右依次连通在一起的下水平段22和下倾斜段23，下环形通道19下部左侧和上部左侧分别设有下反馈进口32和下射流出口33，下水平段22左端与下射流进口15相连通，下倾斜段23右端与下射流出口33相连通，下倾斜段23呈左低右高状倾斜且其内壁右侧与下环形通道19内壁的上部左侧对应位置相切，下反馈进口32与下反馈出口13通过下反馈通道21相连通；上通道包括由左至右依次连通在一起的上水平段26和上倾斜段27，上环形通道24下部左侧和上部左侧分别设有上射流出口35和上反馈进口36，上水平段26左端与上射流进口16相连通，上倾斜段27右端与上射流出口35相连通，上倾斜段27呈左高右低状倾斜且其内壁右侧与上环形通道24内壁的下部左侧对应位置相切，上反馈进口36与上反馈出口14通过上反馈通道28相连通。

在使用过程中，通过这样的设置，能够使流体在下环形通道19或上环形通道24内产生更强烈的涡旋效果，使涡旋后的一小部分流体向上流入下反馈通道21或上反馈通道28。大部分流体进而在底部出水腔17做高速回旋运动，增加出水孔18出流体的流速，改善流体的脉冲射流效果。

如附图2所示，收缩通道9、导流通道10、喷射通道11、射流通道12、下环形通道19、下出水通道20、上环形通道24、上出水通道25、下反馈通道21、下水平段22、下倾斜段23、上水平段26、上倾斜段27和上反馈通道28在垂直于流体流速方向上的截面均为矩形。

在使用过程中，通过这样的设置，能够便于改变加工尺寸，以改变脉冲流动的频率和脉冲的幅值，能够适用不同类型的作业环境。

如附图2所示，内芯包括结构相同且对称布置的前内芯和后内芯5，前内芯后侧中央和后内芯5前侧中央分别设有结构相同的前高压脉冲生成流道和后高压脉冲生成流道，前高压脉冲生成流道和后高压脉冲生成流道形成高压脉冲生成流道。

在使用过程中，通过这样的设置，便于加工高压脉冲生成流道，能够提高高压脉冲生成流道的尺寸精度，能够提高地面高压泵入流体的利用率。

如附图2所示，脉冲工具还包括连接螺栓4，对应射流生成通道、下通道、下环形通道19、下出水通道20、出水腔17、上出水通道25、上环形通道24和上通道之间位置的前内芯中部和后内芯5中部分别形成前分流劈和后分流劈8，前分流劈后侧上下间隔设有两个前后贯通的前连接螺孔，对应每个前连接孔位置的后分流劈8前侧均设有前后贯通的后连接螺孔，每个前连接螺孔内均设有后端位于对应位置后连接螺孔内的连接螺栓4，前内芯和后内芯5通过连接螺栓固定安装在一起。

根据需求，连接螺栓4可为现有公知的技术，如沉头螺栓。在使用过程中，通过这样的设置，能够将前内芯和后内芯5可靠的固定安装在一起，提高前高压脉冲生成流道和后高压脉冲生成流道之间的密封性。

如附图2所示，对应限位环台3外侧位置的外筒2右部固定有呈上大下小的圆台，圆台外侧设有连接螺纹，喷射器41左部内侧螺接于圆台外侧。

根据需求，内芯左部外侧与外筒2左部内侧之间设有第一密封圈6，上接头1右部外侧与对应位置的外筒2左部内侧之间设有第二密封圈7。第一密封圈6和第二密封圈7均可为现有公知的技术，如o型密封圈。在使用过程中，通过这样的设置，能够便于将喷射器41和脉冲工具连接在一起。

如附图1、2所示，一种使用上述脉冲水平井体积压裂装置的水平井体积压裂方法，包括步骤如下：

（1）下钻并确定射孔位置：通过地面设备下入连续油管37和脉冲水平井体积压裂装置至指定射孔深度位置以下井段，根据定位器42的信号指示和地面计数显示深度，上提连续油管37校核深度位置至射孔点；

（2）脉冲辅助射孔：向连续油管37内泵注射孔液体，缓慢调整排量大小，泵注液体量与连续油管37内容积相等时，开始加砂射孔；携砂液经连续油管37、连接器38、马达头总成39和扶正器40流入脉冲工具时，形成脉冲流体，脉冲流体以液体冲击波形式进入喷射器41后，进一步形成高压脉冲流体通过喷嘴44冲击携砂液射流，开始冲蚀套管内壁，直至射穿套管、水泥环和地层；

（3）脉冲辅助压开产层：继续保持连续油管37内液体泵注，从套管环空进行泵注压裂液，缓慢调整环空、管内排量，环空液体进入射孔孔眼；同时管内液体经过脉冲工具进行脉冲增能，增能后的液体通过喷嘴44以高压脉冲波形式传递进入射孔孔眼，对射孔孔眼形成了局部增压增能作用；当射孔孔眼内部岩石表面单位面积所受到的压力超过其屈服压力极限时，岩石开始破裂，实现水平井体积压裂压开产层目的；

（4）脉冲辅助压裂：继续向环空泵注携砂液体和管内泵注压裂液体，携砂液体进入射孔孔眼内部，从连续油管37内部泵注的压裂液体经过脉冲工具和喷射工具喷嘴44后，形成高压脉冲冲击射流；冲击射流进入射孔孔眼，射孔孔眼内压力呈波动变化，携沙液中的砂粒随压裂液体被快速携带至裂缝远端；

（5）起钻：提出脉冲水平井体积压裂装置，完成脉冲辅助水平井体积压裂施工；

（6）若水平井体积压裂过程中，出现地面超压：降低环空排量，缓慢增大连续油管37管内排量使地层裂缝进一步起裂，形成复杂缝网结构，增大地层吸液面积，进一步降低地面同排量下的施工压力。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。