专利名称：磨料射流喷射装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种磨料射流喷射装置。本发明特别适用于石油、天燃气开采领域。
背景技术：
1947年，在美国KANSAS西南部的HUG0T0N气田的一口垂直井中首次实施了水力压裂增产技术，经过了近半个世纪的发展，特别是上世纪80年代末以来，在压裂设计、压裂液和添加剂、支撑剂、压裂设备和监测仪器以及裂缝监测等方面都获得了迅速的发展，使水力压裂技术在缝高控制技术、高渗层防砂压裂、重复压裂、深穿透压裂以及大砂量多级压裂等方面都出现了新的突破。现在水力压裂技术作为油水井增产增注的主要措施，已广泛应用于低渗透油气田的开发中。近年来，国内外的专家学者虽在压裂液、支撑剂、压裂工艺等方面取得了长足进展，但水力压裂的基本工艺并未发生根本变化，即地面笼统加压，在井下地层形成裂缝，裂缝起裂位置及方向难以控制。特别在压裂裸眼水平井时，大的井壁暴露面积会造成大量压裂液漏失，井下有天然裂缝时这种情况更为严重；同时，由于压裂液的活塞效应，压裂裸眼水平井时往往只在井眼端部开裂，很大程度上降低了压裂效果。因此，直井分层压裂和水平井段分段压裂是目前压裂增产技术的发展方向。目前，现场常用的分层(段)压裂方法主要有限流法压裂、暂堵剂分层压裂、机械封隔器分层压裂、填砂分层压裂等。限流法压裂要求的射孔密度较低，将会妨碍射孔对有效井筒半径的扩大；作业期间，在射孔通道和裂缝入口处可能出现过大的压力降，并会影响携砂压裂液在层间的分布；限流法进行射孔提供的裂缝入口面积较小，在返排和生产期间，易使支撑剂返出。在裸眼水平井压裂时，最简单的隔离方法是使用暂堵剂，暂堵剂可以用岩盐、苯甲酸片或樟脑丸等。但这种方法最大的问题是难以控制沿井筒的裂缝起裂点之间的距离；另一个重要的问题是在暂堵阶段对裂缝在近井地带的支撑剂的充填无法控制。在套管井可以实施封隔器分层或分段压裂工艺，但是，施工完一个层位后，封隔器常常发生砂卡，导致井下事故。填砂分层压裂的问题是施工周期过长。中国专利申请第200510072121. 8号，公开了一种“水平井压裂方法”，该方法主要的缺陷在于在水平井段无法控制裂缝起裂位置、不能实现分段压裂。此外，通过阶梯降排量分析孔眼摩阻、由此判断进液孔数，这在现场施工中难以操作，从而导致投入的暂堵剂数量不准，不能有效封堵已经压开的裂缝；再者，封堵剂的工作可靠性也会严重影响对已压开裂缝的封堵效果。近年来，我国高压水射流技术不断发展，在切割、破岩、钻孔等方面都取得了长足进步。如中国专利公开号CN100999989A中，公开了一种高压水射流深穿透射孔及辅助压裂方法及其装置，该申请即为本案申请人的先申请，上述申请的基本原理是在一定粘度的流体中加入一定比例的磨料(常用石英砂)，从而形成磨料射流，由地面泵车加压至 30-40MPa，通过油管输送到井下的射孔装置及喷嘴(该装置可以根据需要确定层位和方位)，在地层射出深度为0. 78-1. 09米、直径20mm左右的清洁孔道；或者移动管柱及喷嘴， 在井下实现割缝。该技术的优点主要有穿透深度大于常规射孔；不会造成象常规射孔那样的油层压实伤害；开孔的孔径较大；可以根据分层和地应力的要求，有选择的定向射孔和割缝。该技术已在现场应用了 10多口井，施工效果良好。本发明就是在此基础上提出的进一步的新的技术解决方案。
发明内容
为了克服上述公知技术中存在的油田直井或水平井中分层或分段压裂问题，实现地层中的裂缝仅在水力喷射形成的孔眼位置破裂、扩展，但在其它层位由于环空压力低于地层起裂压力，裂缝将不再开裂、扩展，本发明提供一种磨料射流喷射装置，所述磨料射流喷射装置具有喷射磨料射流的喷枪，所述喷枪上设有至少两个喷嘴；所述喷枪与油管相连接。进一步地，所述喷枪为中空柱状体，其一端连接油管，另一端设有预压力单向阀， 所述预压力单向阀连接一筛管。此外，所述喷枪与油管之间连接有上扶正器，所述筛管的前端部设有引鞋，在筛管和引鞋之间连接有下扶正器。如上所述的磨料射流喷射装置，其中，所述喷枪的外周壁上均勻设有与中空柱状体相连通的通孔，所述喷嘴嵌置在所述通孔内，并通过喷嘴压帽与所述喷枪相固定。本发明的磨料射流井下射孔、割缝分层压裂的方法是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产措施，实施过程中，不需要现场额外准备材料和地面设备，在基液中加入常规压裂作业中使用的磨料和支撑剂即可实现本发明的射流成孔和后续的分层压裂作业。在作业过程中，喷射进入地层孔眼的流体在压裂开地层前要返回井筒，返回的流体在套管壁面孔眼处起到了“水力密封环”的作用，致使孔眼内压力将高于环空压力，因此，只有在喷射位置的孔眼内裂缝才可能最先起裂、扩展，支撑剂此时将沿着起裂的裂缝进入地层，即实现地层中的裂缝仅在水力喷射形成的孔眼位置破裂、扩展，但在其它层位由于环空压力低于地层起裂压力，裂缝将不再开裂、扩展。由于下入一次磨料射流喷射装置即可实现一口井中多个层位的压裂，且能够达到较为精确的定点分层压裂，可以根据需要控制每个层位的压裂规模， 避免了压裂的盲目性，达到了节约压裂成本、提高压裂效果的目的，进而节约了投资。同时， 本发明不需机械封隔器，避免了常规分层压裂中下入机械封隔器可能带来的砂卡问题，降低了作业风险。本发明的磨料射流喷射装置，结构简单，易于组装和维修；装置中的关键部件(喷嘴)寿命较长，可以满足射孔和压裂两项作业的要求。由于设置了单向阀和筛管，使喷射装置的喷嘴被砂卡的现象大大降低，同时当装置出现砂卡故障时，能够向套管环空内泵入基液，使基液由筛管经单向阀进入喷射装置内，方便对装置进行冲洗，即能够通过反洗井而确保作业顺利进行。由于无需封隔器，减化了施工设备。本发明的成孔、压裂方法和装置，克服了公知技术存在的缺陷，把磨料射流成孔和压裂结合起来，能够较为精确的在直井中分层或在水平井段分段压裂。
我国低渗透石油资源量约为210. 7X108吨，占总资源量的22. 4%，其中中油股份公司已经探明的未动用储量就高达32X108吨，占总探明储量的50%以上，扣除各种不确定因素后，低渗透已探明未动用储量至少为26X IO8吨储量；胜利油区低渗透油藏已探明储量就有4X108t，其中仅3. 56X 108t得到了动用，动用储量的采出程度仅有13%左右。低渗透地质储量较多的有新疆、大庆、胜利、吉林、辽河、大港、中原、延长、长庆等油区，特别是近几年来新疆准葛尔盆地新发现的小拐油田和玛北油田是典型的低渗透油田。低渗透油田采收率相对较低，如果依靠天然能量开采，特低渗透油田采收率一般在10 %以下，注水开发油田采收率为20% 25%。压裂改造是开发低渗透油田最根本的工艺技术。因此，开发新型高效的压裂技术，将对提高油气这一重要战略资源的产量具有重大意义。
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是本发明的磨料射流井下射孔、割缝分层压裂方法的流程图；图2是本发明的磨料射流喷射装置的结构示意图；图3是本发明的磨料射流喷射装置的喷枪结构示意图；图4是本发明的磨料射流喷射装置的预压力单向阀的结构示意图；图5是本发明的磨料射流喷射装置的喷嘴压帽结构示意图。
具体实施例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
本发明的具体实施方式
。请参见图1，本发明的磨料射流井下射孔、割缝分层压裂方法，包括如下步骤(1)通过油管将图2所示的磨料射流喷射装置送入到井内规定层位；(2)通过油管1向磨料射流喷射装置供给加压的射孔液，由所述喷射装置的喷嘴向所述套管侧壁和地层高速(例如，喷嘴出口流速不低于230米/秒)喷射所述射孔液，在地层中形成孔眼；(3)向所述孔眼内泵入压裂液，使所述孔眼内的地层形成压裂裂缝；(4)完成一个层位的压裂后，将所述磨料射流喷射装置移动到另一规定层位，重复步骤(1)至(3)，实现分层压裂。本发明适用于套管直井或水平井。其中，所述步骤O)中所述的射孔液内加入有磨料；优选的是，所述磨料占所述射孔液5-10%的体积百分比；所述磨料可采用石英砂或陶粒，粒径以20-40目为最佳。在所述步骤O)的喷射过程中，在喷嘴直径不变的条件下，通过改变地面供给的射孔液的流量而使所述油管内的压力随之改变，实现油管的伸长量的变化，所述油管长度的变化量和油管内的压力成正比。在所述油管的伸长量变化过程中，所述喷嘴的位置也随着油管的移动而沿井深方向往复移动(在水平井中，则通过改变射孔液的流量，使喷嘴的位置随着油管的移动而沿井长方向前后往复移动)，由此在套管及地层中形成割缝，从而能够增加压裂液通过套管壁的过流面积、减小流动阻力。在完成步骤O)的形成孔眼作业后，停止射孔液的喷射，向喷射装置供给基液，关闭所述油管与套管之间的环空，之后进行步骤(3)的作业。
优选的实施方式是，所述步骤C3)进一步包括a、向喷射装置供给前置液，压裂地层形成裂缝；b、根据当前层位的压裂规模，即现场根据生产需要、确定当前层位应该泵入的压裂液量，通过油管向喷射装置供给携有支撑剂的压裂液，同时向油管与套管之间的环空泵送基液，并维持环空压力略低于地层起裂压力，以免压开喷射装置所处层位以外的其它地层；C、泵注压裂液之后，地面人员停止加入支撑剂，通过倒换阀门，即关闭装有压裂液的罐、同时打开装有基液的罐，为泵车供给基液，接着向喷射装置泵入基液，将所述压裂液挤入(顶替入)地层。其中，在所述分层压裂过程中使用的压裂液，以支撑剂占压裂液30 %的体积百分比为最佳。且优选所述支撑剂为陶粒，其粒径为20-40目。在所述步骤(3)的喷射过程中，高速流体(基液或压裂液)通过套管壁、水泥环以及地层孔眼端部后，势必要返回环空。由于套管壁面上的孔眼较小(例如直径约为IOmm 左右)，而地层中的孔眼直径较大，例如可超过50mm，当喷嘴喷射的高速流体进入地层中的孔眼内，在地层被压裂前会返回套管环空内。套管壁面上的孔眼一方面是高速流体进入的通道，另一方面也是返出流体的通道。高速返出流体处于射入流体的外围，则所述返回的射流在靠近所述套管壁面的孔眼端部由水力起到了密封环的作用，在此我们称之为水力密封环，该水力密封环致使返回的流体难以及时流入环空，从而导致地层孔眼内压力升高，且孔眼内压力高于环空内的压力，因此，只有在喷射位置的孔眼内裂缝才可能最先起裂、扩展， 支撑剂此时将沿着起裂的裂缝进入地层，即地层中的裂缝将仅在水力喷射形成的孔眼位置破裂、扩展，但在其它层位由于环空压力低于地层起裂压力，裂缝将不再开裂、扩展。本发明的磨料射流井下射孔、割缝分层压裂方法，为了保证压裂质量，在将喷射装置送入井内之前，先进行洗井循环，冲洗出井内的杂质。当射孔液中加入的磨料与压裂液中所携的支撑剂的材质不同时，如磨料为石英砂，支撑剂为陶粒时，二者的强度不同，在完成步骤( 形成孔眼后、进行压裂之前，应再次进行洗井循环，其目的是冲洗出在形成孔眼过程中的石英砂粒，以避免形成孔眼过程中的石英砂和压裂过程中的陶粒混合进入地层。防止由于未充分洗井，使抗压强度低于陶粒的石英砂随陶粒混入地层后，导致石英砂被压碎，使裂缝闭合。在将所述磨料射流喷射装置送入井内的过程中，油管内没有液体，而在套管环空内有一定的液面高度。为了不使套管环空中的液体(可能含有大直径的固体颗粒杂质)在压差的作用下，有可能顶开单向阀进入油管内，堵塞喷嘴，在进行步骤(1)时，需将环空打开，向油管内低排量泵入基液，使基液充满油管，从而使油管内的压力大于外部的压力，达到防止套管环空中的杂质堵塞喷嘴的目的。如图2-5所示，本发明还提供一种磨料射流喷射装置，所述装置具有喷射磨料射流的喷枪3，所述喷枪上设有至少两个喷嘴5 ；所述喷枪3被径向居中保持在所述套管内； 所述喷枪3与油管1相连接。优选所述喷枪3为中空柱状体，其一端连接油管1，另一端与一预压力单向阀9相连接，所述预压力单向阀9的另一端连接一筛管10。所述筛管10为一中空柱状体，管壁上设有多个贯通孔101。所述筛管10，在磨料射流喷射装置送入井内的过程中，由于环空压力可能高于管内压力，导致液体通过筛管进入喷射装置及油管内。管壁上设有多个贯通孔 101，该孔一般小于井中固体颗粒的直径，仅能够允许液体通过，例如该贯通孔101的直径可为5-10mm，从而能防止井中的固体颗粒进入工具串内、堵塞喷嘴，而在反洗井时又能确保液体顺利通过上面的孔眼进入磨料射流喷射装置内。如图4所示，在本实施方式中，优选所述预压力单向阀9的结构包括有阀体90，所述阀体90的一端为射流出口端，其内设有阀座91，一阀球93可闭合所述出口端地设置在所述阀座91处；所述阀体90的另一端为射流入口端92，一过流孔板7固定在所述射流入口端92处；一弹簧8的一端顶抵所述阀球93，另一端顶抵所述过流孔板7。由于设置了预压力单向阀9，因此只允许液体从套管与油管的环空中进入油管内，而不允许油管内的液体进入所述环空中。具体是，在将所述磨料射流喷射装置送入井内的过程中，在弹簧8的作用下，所述单向阀9处于截止状态，因此在井筒内的压力小于油管及喷射装置内的压力时，可避免或减少井筒中的机械杂质进入喷枪3及油管1内。同时，在需要环空反循环洗井时，向所述套管与油管之间的环空内泵入压力大于施加在单向阀9的阀球93上的预压力的循环液体，该液体可通过所述筛管10的贯通孔101进入喷射装置内，并顶开单向阀的阀球93，使单向阀9处于打开状态，则该液体由所述单向阀的阀座91经所述过流孔板7、射流入口端 92进入油管1内，实施反循环洗井。为了便于使所述磨料射流喷射装置居中保持在所述套管内，优选在所述喷枪3与油管1之间连接有上扶正器2，在筛管10的下部连接有下扶正器11。此外，在所述筛管10的前端部设置引鞋12，在本实施方式中，所述引鞋12是一个带有大倒角的倒锥形丝堵，且与所述下扶正器11的一端固定连接。通过该引鞋12能够引导本发明的磨料射流喷射装置顺利地进入井内，同时堵塞筛管10的下端。所述过流孔板7，能够阻挡单向阀中的弹簧8上移，同时，在所述过流孔板7上设置的多个通孔构成了流体通道。所述单向阀9，确保了从油管1泵入液体时该阀处于关闭状态，液体由喷嘴5喷向地层，实现射孔和压裂作业；一旦磨料射流喷射装置发生砂卡，向套管内泵入液体时(反洗井)该阀能顺利打开。所述油管1、上扶正器2、喷枪3、预压力单向阀9、筛管10、下扶正器11和引鞋12 之间以公知的方式通过螺纹连接成一整体。所述喷枪3上设置的喷嘴5是射孔及压裂时含有磨料的两相流通过的唯一通道， 其数量可根据地面泵的供液能力来确定喷嘴个数，并可根据需要布置成不同的相位和间距。所述喷嘴5在所述喷枪3的周向均勻设置，各喷嘴5不在同一平面内。所述喷嘴5由高强度耐冲蚀材料制成，如可由硬质合金或陶瓷材料制成。使喷嘴5最下部位于待压裂层位。通过喷嘴5的设置方式达到所要求的射孔或割缝的密度和方位。由于各喷嘴5在周向上均布且不在同一平面内，因此有利于保持压裂方向与地层最大水平主应力方向一致，提高压裂效率。如图3所示，在本实施方式中，所述喷枪3的外周壁上均勻设有与中空柱状体相连通的通孔31，所述喷嘴5嵌置在所述通孔31内，并通过喷嘴压帽4与所述喷枪3相固定。 在该具体实施方式
中，设置了三个喷嘴5，每个具有120度的相位差，且不在同一平面内。如图5所示，优选所述喷嘴压帽4由硬质合金材料制成，沿轴线的横截面形成为T 形，并具有沿轴线设置的贯通孔41，所述贯通孔具有扩径的容置部42，所述喷嘴固定在所述容置部内。并在所述喷嘴压帽的外围的所述喷枪表面涂覆有喷涂层6，所述喷涂层6为耐冲蚀材料，所述耐冲蚀材料优选为碳化钨。由于在喷嘴压帽外围的喷枪表面涂覆了耐冲蚀的喷涂层，从而进一步保护了喷枪本体，防止在喷射过程中返溅射流的冲蚀破坏。所述喷嘴5优选采用公知的双射流喷嘴或自振空化喷嘴。下面以一个具体实施例进一步说明本发明的方法和装置本发明的施工过程分为两步，即磨料射流射孔、割缝，以及喷射压裂。前一个过程用的磨料为粒径20 40目的石英砂或陶粒，喷射压裂的支撑剂为粒径20 40目的陶粒。 具体步骤为起出原井管柱，洗井，循环；下入普通油管或连续油管及磨料射流喷射装置， 在本实施例中，在所述喷枪3上设了三个喷嘴5，每一喷嘴按120°的相位均布，高度间距 60mm，并使喷枪3位于待压裂层位；对地面管线、井口及设备进行试压70MPa，环空管线试压 35MPa;另外，在将所述磨料射流喷射装置送入井内的同时，通过油管1向所述磨料射流喷射装置低排量泵入基液，将所述基液充满连续油管。然后进行喷砂射孔在所述基液中加入磨料100-110kg/m3构成射孔液，如以陶粒做为磨料，并向喷射装置内泵入射孔液，建立喷嘴5的压降为30-35MPa，进行射孔作业，射孔时间15分钟左右，期间可改变喷嘴压降以改变油管伸长量，实现喷嘴的移动割缝，然后顶替基液，把射孔液顶替出油管，顶替过程中射孔液可继续喷射地层、加深射孔深度；关闭油管与套管间的环空，从油管内泵入前置液压开地层；向该环空内泵入基液，保持油管与套管间的环空内的压力略低于地层破裂压力2 3MPa。加砂压裂逐步提高支撑剂比例至600kg/m3，根据当前层位预定的压裂规模从油管注入支撑剂(该支撑例如为陶粒)；加砂压裂完成后，从油管泵入顶替液，把支撑剂完全挤入地层，完成一个层位的压裂。最后停泵，上提油管和磨料射流喷射装置，使喷嘴5位于下一位置，重复上述步骤，分别对上部各井段进行磨料射流射孔、割缝压裂作业。另外，停泵之前，在作业中，油管1内的压力基本维持不变，只有当需要进行割缝作业时，才改变油管压力，达到对地层进行割缝的目的。上述基液、顶替液以及前置液均为技术领域公知的液体，S卩，所述基液是在清水里加入增稠剂(一般是胍胶)，用来增加喷砂射孔过程中流体的携砂能力。所述顶替液可以用基液，也可以用清水，作用是把混合有陶粒的压裂液从油井中的油管内顶替进入地层，避免陶粒在油管内沉淀。所述前置液是在清水中加入液体高分子材料(一般是冻胶)。本发明中所述的油管可以是连续油管，也可以是普通油管。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的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种磨料射流喷射装置，其特征在于，所述装置具有喷射磨料射流的喷枪，所述喷枪上设有至少两个喷嘴；所述喷枪与油管相连接。
2.如权利要求1所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，所述喷枪为中空柱状体，其一端连接油管，另一端设有预压力单向阀，所述预压力单向阀连接一筛管。
3.如权利要求2所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，所述喷枪与油管之间连接有上扶正器，所述筛管的前端部设有引鞋，在筛管和引鞋之间连接有下扶正器。
4.如权利要求2所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，所述喷枪的外周壁上均勻设有与中空柱状体相连通的通孔，所述喷嘴嵌置在所述通孔内，并通过喷嘴压帽与所述喷枪相固定。
5.如权利要求4所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，所述喷嘴压帽由硬质合金材料制成，沿轴线的横截面形成为T形，并具有沿轴线设置的贯通孔，所述贯通孔具有扩径的容置部，所述喷嘴固定在所述容置部内。
6.如权利要求4或5所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，在所述喷嘴压帽的外围的所述喷枪表面，涂覆有耐冲蚀喷涂层。
7.如权利要求6所述的磨料射流喷射装置，其特征在于所述耐冲蚀喷涂层为碳化钨涂层。
8.如权利要求2所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，所述预压力单向阀包括有阀体，所述阀体的一端为射流出口端，其内设有阀座，一阀球设置在所述阀座处，且能够闭合所述出口端；所述阀体的另一端为射流入口端，一过流孔板固定在所述射流入口端处；一弹簧的一端顶抵所述阀球，另一端顶抵所述过流孔板。
9.如权利要求3所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，所述油管、上扶正器、喷枪、预压力单向阀、筛管、下扶正器和引鞋之间通过螺纹连接成一整体。
10.如权利要求3所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，所述筛管为一中空柱状体， 管壁上设有多个贯通孔。
11.如权利要求10所述的磨料射流喷射装置，其特征在于所述贯通孔的直径为 5-10mmo
12.如权利要求3所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，所述引鞋的下部形成为倒锥形，以引导所述磨料喷射装置顺利下井，并封闭所述筛管下端。
13.如权利要求1所述的磨料射流喷射装置，其特征在于，所述喷嘴在所述喷枪的周向均勻设置，各喷嘴不在同一平面内。
全文摘要
本发明涉及一种磨料射流喷射装置，所述装置具有喷射磨料射流的喷枪，所述喷枪上设有至少两个喷嘴；所述喷枪与油管相连接。本发明结构简单，易于组装和维修；装置中的关键部件(喷嘴)寿命较长，可以满足射孔和压裂两项作业的要求。由于设置了单向阀和筛管，使喷射装置的喷嘴被砂卡的现象大大降低，同时当装置出现砂卡故障时，能够向套管环空内泵入基液，使基液由筛管经单向阀进入喷射装置内，方便对装置进行冲洗，即能够通过反洗井而确保作业顺利进行。由于无需封隔器，减化了施工设备。本发明克服了公知技术的缺陷，把磨料射流成孔和压裂结合起来，能够较为精确的在直井中分层或在水平井段分段压裂。
文档编号E21B43/114GK102493791SQ20111039132
公开日2012年6月13日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者李根生, 沈忠厚, 牛继磊, 罗洪斌, 黄中伟 申请人:中国石油大学(北京)