專利名稱：磨料噴射裝置及磨料射流射孔、分層壓裂方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種磨料噴射裝置及磨料射流射孔、分層壓裂方法，該裝置 及壓裂方法特別適用于石油、天燃氣等領域的地下開采作業(yè)。
背景技術：
1947年，在美國KANSAS西南部的HUGOTON氣田的一口垂直井中首次 實施了水力壓裂增產技術，經過了近半個世紀的發(fā)展，特別是上世紀80年代末 以來，在壓裂設計、壓裂液和添加劑、支撐劑、壓裂設備和監(jiān)測儀器以及裂縫 監(jiān)測等方面都獲得了迅速的發(fā)展，使水力壓裂技術在縫高控制技術、高滲層防 砂壓裂、重復壓裂、深穿透壓裂以及大砂量多級壓裂等方面都出現(xiàn)了新的突破。 現(xiàn)在水力壓裂技術作為油水井增產增注的主要措施，已廣泛應用于低滲透油氣 田的開發(fā)中。
近年來，國內外的專家學者雖在壓裂液、支撐劑、壓裂工藝等方面取得了 長足進展，但水力壓裂的基本工藝并未發(fā)生根本變化，即地面籠統(tǒng)加壓，在 井下地層形成裂縫，裂縫起裂位置及方向難以控制。特別在壓裂裸眼水平井時， 大的井壁暴露面積會造成大量壓裂液漏失，井下有天然裂縫時這種情況更為嚴 重；同時，由于壓裂液的活塞效應，壓裂裸眼水平井時往往只在井眼端部開裂， 很大程度上降低了壓裂效果。因此，直井分層壓裂和水平井段分段壓裂是目前
壓裂增產技術的發(fā)展方向。目前，現(xiàn)場常用的分層(段)壓裂方法主要有限 流法壓裂、暫堵劑分層壓裂、機械封隔器分層壓裂、填砂分層壓裂等。限流法 壓裂要求的射孔密度較低，將會妨礙射孔對有效井筒半徑的擴大；作業(yè)期間， 在射孔通道和裂縫入口處可能出現(xiàn)過大的壓力降，并會影響攜砂壓裂液在層間 的分布；限流法進行射孔提供的裂縫入口面積較小，在返排和生產期間，易使支撐劑返出。在裸眼水平井壓裂時，最簡單的隔離方法是使用暫堵劑，暫堵劑 可以用巖鹽、苯甲酸片或樟腦丸等。但這種方法最大的問題是難以控制沿井筒 的裂縫起裂點之間的距離；另一個重要的問題是在暫堵階段對裂縫在近井地帶 的支撐劑的充填無法控制。在套管井可以實施封隔器分層或分段壓裂工藝，但 是，施工完一個層位后，封隔器常常發(fā)生砂卡，導致井下事故。填砂分層壓裂 的問題是施工周期過長。
近年來，隨著高壓水射流技術不斷發(fā)展，在切割、破巖、鉆孔等方面都有
了很大的進步。如中國專利公開號CN100999989A中，公開了一種高壓水射流深 穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置，該申請即為本案申請人的先申請，上述申 請的基本原理是在一定粘度的流體中加入一定比例的磨料(常用石英砂)，從而 形成磨料射流，由地面泵車加壓至30-40MPa，通過油管輸送到井下的射孔裝置 及噴嘴(該裝置可以根據(jù)需要確定層位和方位)，在地層射出深度為0.78-1. 09 米、直徑20mm左右的清潔孔道；或者移動管柱及噴嘴，在井下實現(xiàn)割縫。該技 術的優(yōu)點主要有穿透深度大于常規(guī)射孔；不會造成象常規(guī)射孔那樣的油層壓 實傷害；開孔的孔徑較大；可以根據(jù)分層和地應力的要求，有選擇的定向射孔 和割縫。該技術已在現(xiàn)場應用了 IO多口井，施工效果良好。在此基礎上本案申
請人又提出了一種新的壓裂方法及裝置，并記載在中國專利申請第 200710179500. 6號中。
在中國專利申請第20071G179500. 6號中公開的一種磨料射流井下射孔、割 縫分層壓裂的方法及裝置，是集磨料射孔、水力封隔和壓裂一體化的新技術， 雖然不用下入機械式封隔器，但每次壓裂完成一個層段后，需要移動井下的磨 料射流噴射裝置，而且，在對地層的壓裂過程完全依靠水力封隔，因此不能保 證在壓裂下一個層段時壓裂液和支撐劑不進入已壓開層段。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種磨料噴射裝置及磨料射流射孔、分屋壓裂方法，尤其是一種不需移動噴射裝置、無需常規(guī)機械封隔器，下入一次管柱即可在多 個預定位置實施水力封隔和機械封隔相結合的分層壓裂的磨料噴射裝置及磨料 射流射孔、分屋壓裂方法。
為此，本發(fā)明提供一種磨料噴射裝置，具有多級串聯(lián)連接的噴槍；所述噴 槍均為中空柱狀體，其側壁上設有至少兩個噴嘴；所述每級噴槍的下部均設一 封隔器，所述封隔器的側壁上設有在高壓液體的作用下能夠向外部膨脹的密封 套；所述噴槍包括設在所述磨料噴射裝置下部的第一級底部噴槍，以及位于底 部噴槍上部的多級上部噴槍，其中各上部噴槍內均設有能夠封閉該級噴槍噴嘴 及密封套的滑套，且所述滑套在外力作用下能夠滑移至所述密封套的下部，打 開所述噴嘴和密封套。
本發(fā)明還提供一種磨料射流射孔、分層壓裂方法，所述方法包括如下步驟
(1) 通過油管將多級串聯(lián)連接噴槍組成的磨料噴射裝置沿套管送入到井內 規(guī)定層位；
(2) 通過油管向磨料噴射裝置供給加壓的射孔液，所述射孔液通過所述噴 射裝置的其中一級噴槍的噴嘴向所述套管側壁和地層高速噴射，在地層中形成 孔眼，同時在所述射孔液的推抵下，使設置在該級噴槍噴嘴下部的封隔器的密 封套向外部膨脹密封該級噴槍和所述套管之間的環(huán)空；
(3) 向所述孔眼內泵入壓裂液，使所述孔眼內的地層形成壓裂裂縫；
(4) 完成一個層位的壓裂后，自所述油管向下投入鋼球，推動位于上部的 另一級噴槍內的滑套向下移動，打開被所述滑套封閉的該級噴槍的噴嘴和密封 套，在上一個層位重復所述步驟(2)至(3)。
本發(fā)明的磨料噴射裝置通過采用多級噴槍串聯(lián)、并設置多級滑套，從而避 免了公知技術中，在壓裂不同層段時需移動井下管柱的缺陷。并且，通過與滑 套聯(lián)動的可伸縮式封隔器，加上水力封隔環(huán)的作用，提高了壓裂不同層段時的 封隔效果，確保在壓裂下一個層段時壓裂液和支撐劑不進入已壓開層段。
本發(fā)明裝置中的封隔器和滑套聯(lián)動，在銷釘剪斷之前處于收縮狀態(tài)， 一旦鋼球達到滑套端部的密封座，銷釘剪斷、滑套移動，和封隔器彈性套相連的活 塞柱和高壓液體接觸，此時封隔器彈性套在活塞柱的推動下帶動封隔密封套膨 脹，從而密封噴槍和套管之間的環(huán)空、防止流體通過。當前層位壓裂完成后， 投入直徑稍大的球、打開上一級滑套，同時封堵高壓流體不能再通過該級噴槍 向下流動，此時，下一級噴槍上的封隔器由于活塞柱不再和高壓液體接觸而收 縮，避免了砂卡的風險。
本發(fā)明在作業(yè)過程中，高速流體通過套管壁、水泥環(huán)以及地層孔眼端部后，
勢必要返回環(huán)空。由于套管壁面上的孔眼較小(直徑約為10mm左右)，而地層 中的孔眼直徑較大，可超過50mm，套管壁面上的孔眼一方面是高速流體進入的 通道，另一方面也是返出流體的通道。高速返出流體處于射入流體的外圍，在 靠近套管壁面的孔眼端部起到了類似密封環(huán)的作用，致使返回的流體難以及時 流入環(huán)空，從而導致地層孔眼內壓力升高。
本發(fā)明可用于套管直井或水平井，其解決了油田直井或水平井中分層或分 段壓裂問題。本發(fā)明不需移動磨料噴射裝置(管柱)、無需常規(guī)機械封隔器，下入 一次管柱即可多個預定位置實施水力封隔和機械封隔相結合的分層壓裂，從而 達到了節(jié)約壓裂成本、提高壓裂效果、降低施工風險的目的。


以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。 其中，
圖1是本發(fā)明的磨料噴射裝置的結構示意圖； 圖2是本發(fā)明的磨料噴射裝置第一級底部噴槍結構示意圖； 圖3是本發(fā)明的磨料噴射裝置上部(第二級、第三級…)噴槍結構示意圖，為 噴槍關閉狀態(tài)；
圖4是本發(fā)明的磨料噴射裝置上部(第二級、第三級…)噴槍結構示意圖，為 噴槍開啟狀態(tài)；圖5是本發(fā)明的滑套結構示意圖； 圖6是本發(fā)明的銷釘結構示意圖； 圖7是本發(fā)明的單向閥的結構示意圖8是本發(fā)明的磨料噴射裝置位于套管內時，第一級底部噴槍未工作狀態(tài)的 結構示意圖9是本發(fā)明的磨料噴射裝置位于套管內時，第一級底部噴槍工作狀態(tài)的結 構示意圖10A、圖10B、圖IOC是本發(fā)明的磨料噴射裝置的第二級上部噴槍工作過 程示意圖11A、圖IIB是本發(fā)明的磨料噴射裝置的第三級上部噴槍工作過程示意圖； 圖12是圖2中I處的局部放大示意圖； 圖13是噴嘴壓帽的結構示意圖14A、圖14B、圖14C是本發(fā)明的磨料噴射裝置使用狀態(tài)示意圖，其中， 圖14A為第一級噴槍處于工作狀態(tài)，圖14B為第二級噴槍處于工作狀態(tài)，圖14C 為第三級噴槍處于工作狀態(tài)。
圖15是本發(fā)明的磨料射流射孔、分層壓裂方法的流程圖。
具體實施例方式
為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖說 明本發(fā)明的具體實施方式
。
圖1是本發(fā)明的磨料噴射裝置的結構示意圖；圖2是本發(fā)明的磨料噴射裝 置第一級底部噴槍結構示意圖；圖3是本發(fā)明的磨料噴射裝置第二級上部噴槍 結構示意圖，為噴槍關閉狀態(tài)；圖4是本發(fā)明的磨料噴射裝置第二級上部噴槍 結構示意圖，為噴槍開啟狀態(tài)。如圖所示，本發(fā)明的磨料噴射裝置，具有多級 串聯(lián)連接的噴槍，串聯(lián)連接的噴槍級數(shù)可以根據(jù)需要壓裂層位數(shù)量而定，在本 實施例中以三級噴槍串聯(lián)連接構成的噴射裝置為例進行說明，且各級噴槍之間由油管短節(jié)3相連接，其間距根據(jù)設定的待壓裂層段的井深通過所述油管短節(jié) 進行調節(jié)。所述磨料噴射裝置設置在最上部的一級噴槍與油管相連接。
所述噴槍包括設在所述磨料噴射裝置下部的第一級底部噴槍1，以及位于
底部噴槍上部的多級上部噴槍2。所述噴槍l、 2均為中空柱狀體，其側壁上設 有至少兩個噴嘴ll、 21;所述每級噴槍的下部均設一封隔器12、 22，所述封隔 器12、22的側壁上設有在高壓液體的作用下能夠向外部膨脹的密封套121、221。 其中各上部噴槍2內均設有能夠封閉該級噴槍噴嘴21及密封套221的滑套20， 且所述滑套20在外力作用下能夠滑移至所述密封套的下部，打開所述噴嘴和密 封套。
圖5是本發(fā)明的滑套結構示意圖；圖6是本發(fā)明的銷釘結構示意圖。如圖 l-6所示，所述滑套20呈圓柱狀筒體，可以由鋼材制成，其外周壁與所述噴槍 1、 2的內周壁相配合，在滑套20的外周壁上設有至少環(huán)密封圈槽204，其內可 容置密封圈23，通過該環(huán)密封圈23實現(xiàn)對噴槍內周壁的密封，同時封堵噴嘴 21。在本實施例中在所述滑套20的上、下兩端部分別設置的兩個密封圈23， 以達到更好的密封效果。
如圖4、 5、 6所示，所述滑套20內設有密封座201，優(yōu)選該密封座201設 置在所述滑套20的上部， 一鋼球202能落座于所述滑套的密封座201，并密封 所述滑套20。所述滑套20的外周壁上還設有一環(huán)嵌合凹槽203。請配合參見圖 3，所述噴槍2的側壁上沿徑向設有至少一個容置通孔24，其內設有剪切銷釘4， 例如，可以將銷釘4通過噴槍2側壁上設置的容置通孔24旋入，使所述剪切銷 釘4的頭部41卡合于所述滑套外周壁上設置的嵌合凹槽203內，從而借助于該 剪切銷釘4固定所述滑套20，避免滑套20在不需要打開被密封的噴嘴21、密 封套221時上下移動。為了在剪切力的作用下使銷釘4的頭部41能夠斷裂，所 述銷釘4可以由黃銅制成。
另一個可行的實施例是，在所述噴槍2側壁上沿徑向設置的至少一個容置 通孔24內設有能卡合于所述滑套外周壁上設置的嵌合凹槽203內的圓球，所述圓球的后部設有彈簧， 一固定螺釘螺固在所述容置通孔24內并頂?shù)钟谒鰪?br> 簧，從而達到將所述滑套20固定在密封噴嘴21和密封套221位置的目的。
如圖1-4所示，本發(fā)明的所述封隔器12、 22通過螺紋連接在所述噴槍1、 2 的下部，其連接部通過公知的密封件進行密封。采用該結構能夠減小噴槍l、 2 的整體長度，便于運輸；對于磨損的部件可進行部分更換，提高設備的利用率， 降低使用成本。當然，也可以將所述封隔器一體設置在所述噴槍l、 2的下部， 提高設備的組裝效率。
所述封隔器12、 22的外周壁上設有一環(huán)凹槽122、 222，所述凹槽122、 222 的上、下兩側沿封隔器的軸向延伸，并與所述封隔器的外壁之間形成嵌合部123、 223;所述密封套121、 221套設于所述凹槽122、 222，且密封套121、 221的 上、下兩側分別嵌入所述嵌合部123、 223內。所述凹槽122、 222內設有多個 徑向貫通封隔器側壁的通孔，所述通孔內設有能沿徑向滑動的活塞柱124、 224， 所述活塞柱與所述通孔之間設有密封圈，且活塞柱124、 224的外側頂?shù)钟谒?密封套121、 221。其中，當所述封隔器12、 22通過螺紋連接在所述噴槍1、 2 的下部時，可以在所述噴槍1、 2與封隔器12、 22的連接端設置一內徑大于所 述封隔器12、 22外徑的階梯槽，該階梯槽與封隔器的外徑之間形成能使所述密 封套121、 221的上部嵌入的嵌合部123、 223。
另外，為增加所述活塞柱124、 224與所述密封套121、 221的接觸面積， 有利于密封套的向外膨脹，可以在所述密封套121、 221的內側設有一環(huán)凹陷部， 將一彈性套125、 225套設在所述封隔器外周壁上的凹槽122、 222內，且位于 所述活塞柱124、 224的外部，并嵌設在所述密封套的凹陷部內。
所述上部噴槍2的封隔器22的底部內側設有臺階部25，該臺階部25構成 了滑移后的所述滑套20的止擋部。且所述滑套20的長度大于所述噴嘴和所述 密封套之間的間距，小于所述封隔器底部至所述密封套之間的距離；且設置在 上一級所述噴槍內的滑套內徑大于設置在下一級噴槍內的滑套內徑。
圖7是本發(fā)明的單向閥的結構示意圖，即圖1中III處的局部放大示意圖。如圖所示，單向閥5設置在所述第一級底部噴槍1的底端，該單向閥5包括有
閥體50，所述閥體50上沿軸向設有貫通孔51，在所述閥體內側對應所述貫通 孔51設有閥座53， 一閥球52能落座于所述閥座53內，封閉該貫通孔51，所 述閥體50遠離所述貫通孔51的一端為連接端54，在本實施例中為在閥體50 的連接端54形成與第一級底部噴槍1相配合的內螺絲，從而能夠將單向閥5方 便地與第一級噴槍1相固定連接。
在需要環(huán)空反循環(huán)洗井時，此時各級噴槍均處于非工作狀態(tài)(各封隔器均 處于收縮狀態(tài))，請配合參見圖8，向所述套管6與油管之間的環(huán)空內泵入液體， 該液體可通過單向閥5上設置的貫通孔51并頂開單向閥的閥球52進入第一級 底部噴槍內，此時，單向閥5處于打開狀態(tài)，則該液體就能夠經由所述單向閥 5進入各級噴槍及油管內，實施反循環(huán)洗井。
所述噴槍l、 2上設置的噴嘴11、 21是射孔及壓裂時含有磨料的兩相流通 過的唯一通道，其數(shù)量可根據(jù)地面泵的供液能力來確定噴嘴個數(shù)，并可根據(jù)需 要布置成不同的相位和間距。所述噴嘴ll、 21在所述噴槍1、 2的周向設置， 各噴嘴ll、 21每兩只為一對，設置在同一平面內(180°相位)，但和其它每對 噴嘴成一定角度分布。所述噴嘴ll、 21由高強度耐沖蝕材料制成，如可由硬質 合金或陶瓷材料制成。使噴嘴11、 21最下部位于待壓裂層位。通過噴嘴11、 21的設置方式達到所要求的射孔或割縫的密度。由于每一對噴嘴11、 21在周 向上均布且不在同一平面內，因此有利于保持壓裂方向與地層最大水平主應力 方向一致，提高壓裂效率。
由于在發(fā)明的各級噴槍上設置的噴嘴結構相同，以下僅以第一級的噴嘴11 為例進行說明。
如圖12所示，在本實施方式中，所述噴槍1的側壁上在同一平面內相隔 180度相位對稱設有與中空柱狀體相連通的一對通孔10，所述噴嘴11嵌置在所 述通孔10內，并通過噴嘴壓帽110與所述噴槍1相固定。在該具體實施方式
中， 設置了三 四對噴嘴11，每對具有120度的相位差，且不在同一平面內。如圖13所示，優(yōu)選所述噴嘴壓帽110由硬質合金材料制成，沿軸線的橫截 面形成為T形，并具有沿軸線設置的貫通孔111，所述貫通孔具有擴徑的容置 部112，所述噴嘴ll固定在所述容置部內。并在所述噴嘴壓帽的外圍的所述噴 槍表面涂覆有噴涂層，所述噴涂層為耐沖蝕材料，所述耐沖蝕材料優(yōu)選為碳化 鎢。由于在噴嘴壓帽外圍的噴槍表面涂覆了耐沖蝕的噴涂層，從而進一步保護 了噴槍本體，防止在噴射過程中返濺射流的沖蝕破壞。
所述噴嘴11優(yōu)選采用公知的雙射流噴嘴或自振空化噴嘴。請配合參見圖 15，本發(fā)明的磨料射流射孔、分層壓裂方法，包括如下步驟
(1) 通過油管將圖1所示的由多級串聯(lián)連接噴槍組成的磨料噴射裝置沿套 管送入到井內規(guī)定層位。
(2) 通過油管向磨料噴射裝置供給加壓的射孔液，所述射孔液通過所述噴
射裝置的其中一級噴槍的噴嘴向所述套管側壁和地層高速噴射(例如，所述射
孔液通過噴嘴出口的流速不低于230米/秒)，在地層中形成孔眼，同時在所述 射孔液的推抵下，使設置在該級噴槍噴嘴下部的封隔器的密封套向外部膨脹密 封該級噴槍和所述套管之間的環(huán)空。
其中，圖14A、圖14B、圖14C是以三級噴槍串聯(lián)構成的一套磨料噴射裝 置在套管中依次工作的示意圖，并請同時配合參見圖8、圖9、圖10A-圖10C、 圖11A-圖11B。以下將噴槍自下而上分別稱為第一級、第二級和第三級噴槍。
通過普通油管在將本發(fā)明的磨料噴射裝置下到指定層位，其中，各級噴槍 之間的間距根據(jù)待壓裂層段的井深，通過連接兩個噴槍的油管短節(jié)的長度進行 調節(jié)。如圖8所示，未開始射流射孔作業(yè)時，第一級底部噴槍1處于不工作狀 態(tài)。通過油管向磨料噴射裝置供給加壓的射孔液后，如圖9所示，所述步驟(2) 進一步包括，所述射孔液首先到達所述噴射裝置的第一級噴槍1，并經其上設 置的噴嘴ll向所述套管側壁和地層高速噴射，在地層中形成一定直徑和深度的 孔眼，同時在高速、高壓的所述射孔液的推抵下，推動設置在第一級噴槍噴嘴 11下部的封隔器12側壁上的活塞柱124向外移動，在所述活塞柱124向外移動的同時通過彈性套125推動設置的封隔器12外部的密封套121向外部膨脹并緊
密地抵頂在所述套管的內壁上，密封第一級噴槍1和所述套管之間的環(huán)空。
(3) 向所述孔眼內泵入壓裂液，使所述孔眼內的地層形成壓裂裂縫；
(4) 完成一個層位的壓裂后，自所述油管向下投入鋼球，推動位于上部的
另一級噴槍內的滑套向下移動，打開被所述滑套封閉的該級噴槍的噴嘴和密封
套，在上一個層位重復所述步驟(2)至(3)。
其中，被投入的所述鋼球直徑與欲推動的滑套直徑相配合，且能密封設置 在所述滑套內的密封座，使所述射孔液不流入下一級噴槍內。所述步驟(4)進一 步包括被投入的所述鋼球在推動所述滑套向下移動的過程中，將穿過所述噴
槍的側壁、頭部卡合于所述滑套外周壁上設置的嵌合凹槽內的剪切銷釘剪斷， 并將所述滑套推動至其底端頂?shù)钟谠摷墖姌尩乃龇飧羝鞯撞績葌仍O置的臺階 部，所述滑套的頂部位于該級噴槍的密封套的下部。
請配合參見圖IOA、 IOB、 IOC，其中，圖10A表示了第二級噴槍2未開始 工作時的狀態(tài)；圖10B表示了第二級噴槍2工作狀態(tài)；圖10C表示了第二級噴 槍2完成對應層位的壓裂作業(yè)后的狀態(tài)。如圖所示，在第一級噴槍1完成對應 層位的壓裂后，停泵，打開油管向油管內投入直徑與第二級滑套內徑相配合的 鋼球202，由于設置在第二級噴槍2內的滑套20的內徑小于設置在上部的第三 級噴槍內的滑套的內徑，因此被投入鋼球202穿過第三級噴槍到達第二級噴槍 的滑套20并嵌合落座于設置在所述滑套20上部的密封座201內，并將所述滑 套20密封，能夠使射孔液不流入到第一級噴槍1內。同時，在流體壓力的推動 下，使滑套20向下移動，在移動過程中將穿過所述噴槍2側壁、頭部41卡合 于所述滑套20外周壁上設置的嵌合凹槽203內的剪切銷釘4剪斷，從而使所述 滑套20繼續(xù)向下移動至其底端頂?shù)钟诘诙墖姌?的所述封隔器22底部內側 設置的臺階部25，此時，所述滑套20的頂部位于第二級噴槍2的密封套221 的下部，使第二級噴槍2的噴嘴21、封隔器22的活塞柱224與噴槍2中空的 供液通道相連通。在該第二級噴槍2所在層位重復上述步驟(2)至(3)，進行該層位的壓裂作業(yè)。其中，對于噴槍2的噴嘴21、封隔器22的活塞柱224和密封 套221的動作過程與第一級噴槍相同，在此不再贅述。
請配合參見圖IIA、 11B,其中，圖11A表示了第三級噴槍2未開始工作 時的狀態(tài)；圖11B表示了第三級噴槍2工作狀態(tài)。如圖所示，在第二級噴槍2 完成對應層位的壓裂后，停泵，打開油管向油管內再投入一個直徑稍大于被投 入到第二級噴槍2內的鋼球202的另一鋼球，且該鋼球的直徑與第三級噴槍的 滑套內徑相配合，因此被投入的鋼球嵌合落座于設置在第三級噴槍的所述滑套 上部的密封座內，并將該滑套密封，使射孔液不能流入到下部第二級2、第一 級噴槍1內。由于，第三級噴槍內的滑套在鋼球的作用下向下移動的過程，以 及打開所述第三級噴槍的噴嘴、封隔器的活塞柱和密封套的動作過程與第一、 二級噴槍相同，因此，不再贅述。
以下對本發(fā)明的一個層位的壓裂方法進行詳細的描述。
所述步驟(2)中所述的射孔液內加入有磨料；優(yōu)選的是，所述磨料占所述 射孔液5 — 10%的體積百分比；所述磨料可采用石英砂或陶粒，粒徑以20—40 目為最佳。
在完成步驟(2)的形成孔眼作業(yè)后，停止射孔液的噴射，向噴射裝置供給基 液，同時在地面關閉所述油管與套管之間的環(huán)空，之后進行步驟(3)的作業(yè)。 優(yōu)選的實施方式是，所述步驟(3)進一步包括
a、 向噴射裝置供給前置液，壓裂地層形成裂縫；
b、 根據(jù)當前層位的壓裂規(guī)模，即現(xiàn)場根據(jù)生產需要、確定當前層位應該泵 入的壓裂液量，通過油管向噴射裝置供給攜有支撐劑的壓裂液，同時向油管與 套管之間的環(huán)空泵送基液，并維持環(huán)空壓力略低于地層起裂壓力，以免壓開噴 射裝置所處層位以外的其它地層；
c、 泵注壓裂液之后，地面人員停止加入支撐劑，通過倒換閥門，即關閉裝 有壓裂液的罐、同時打開裝有基液的罐，為泵車供給基液，接著向噴射裝置泵 入基液，將所述壓裂液擠入(頂替入)地層。其中，在所述分層壓裂過程中使用的壓裂液，以支撐劑占壓裂液30%的體
積百分比為最佳。且優(yōu)選所述支撐劑為陶粒，其粒徑為20-40目。
在所述步驟(3)的噴射過程中，高速流體(基液或壓裂液)通過套管壁、水 泥環(huán)以及地層孔眼端部后，勢必要返回環(huán)空。由于套管壁面上的孔眼較小(例 如直徑約為10mm左右)，而地層中的孔眼直徑較大，例如可超過50mm，當噴 嘴噴射的高速流體進入地層中的孔眼內，在地層被壓裂前會返回套管環(huán)空內。 套管壁面上的孔眼一方面是高速流體進入的通道，另一方面也是返出流體的通 道。高速返出流體處于射入流體的外圍，則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環(huán)的作用，在此我們稱之為水力密封環(huán)，該水 力密封環(huán)致使返回的流體難以及時流入環(huán)空，從而導致地層孔眼內壓力升高， 且孔眼內壓力高于環(huán)空內的壓力，因此，只有在噴射位置的孔眼內裂縫才可能 最先起裂、擴展，支撐劑此時將沿著起裂的裂縫進入地層，即地層中的裂縫將 僅在水力噴射形成的孔眼位置破裂、擴展，但在其它層位由于環(huán)空壓力低于地 層起裂壓力，裂縫將不再開裂、擴展。
本發(fā)明的磨料射流井下射孔、割縫分層壓裂方法，為了保證壓裂質量，在 將噴射裝置送入井內之前，先進行洗井循環(huán)，沖洗出井內的雜質。
當射孔液中加入的磨料與壓裂液中所攜的支撐劑的材質不同時，如磨料為 石英砂，支撐劑為陶粒時，二者的強度不同，在完成步驟(2)形成孔眼后、進行 壓裂之前，應再次進行洗井循環(huán)，其目的是沖洗出在形成孔眼過程中的石英砂 粒，以避免形成孔眼過程中的石英砂和壓裂過程中的陶粒混合進入地層。防止 由于未充分洗井，使抗壓強度低于陶粒的石英砂隨陶?；烊氲貙雍?，導致石英 砂被壓碎，使裂縫閉合。
在將所述磨料射流噴射裝置送入井內的過程中，油管內沒有液體，而在套 管環(huán)空內有一定的液面高度。為了不使套管環(huán)空中的液體(可能含有大直徑的固 體顆粒雜質)在壓差的作用下，有可能頂開單向閥進入油管內，堵塞噴嘴，在進 行步驟(l)時，需將環(huán)空打開，向油管內低排量泵入基液，使基液充滿油管，從而使油管內的壓力大于外部的壓力，達到防止套管環(huán)空中的雜質堵塞噴嘴的目 的。
下面以一個具體實例進一步說明本發(fā)明
本發(fā)明的施工過程分為兩步，即磨料射流射孔和噴射壓裂，前一個過程用
的磨料為粒徑20 40目的石英砂或陶粒，噴射壓裂的支撐劑為粒徑20 40目 的陶粒。具體步驟為起出原井管柱，洗井，循環(huán)；下入普通油管及井下工具 串(各級噴槍的間距用油管短節(jié)根據(jù)油層深度適當調節(jié))；地面管線、井口及設 備試壓70MPa,環(huán)空管線試壓35MPa;從油管低排量泵入基液充滿油管及環(huán)空； 噴砂射孔加入磨料100 110kg/m3，泵入射孔液，建立噴嘴壓降為30 35MPa， 進行射孔作業(yè)，射孔時間15分鐘左右，然后關閉油管與套管的環(huán)空；繼續(xù)從油 管和環(huán)空同時泵入前置液壓開地層；加砂壓裂逐步提高支撐劑比例至 600kg/m3，根據(jù)當前層位預定的壓裂規(guī)模從油管注入支撐劑，加砂壓裂過程中 從環(huán)空同步注入基液，維持環(huán)空壓力略低于當前層位的起裂壓力2 3MPa;加 砂壓裂完成后，從油管泵入頂替液，把支撐劑完全擠入地層；停泵，打開井口， 投球，打開滑套，同時啟動封隔器，重復上述的射孔和壓裂過程。
上述基液、頂替液以及前置液均為技術領域公知的液體，g卩，所述基液是 在清水里加入增稠劑(一般是胍膠)，用來增加噴砂射孔過程中流體的攜砂能力。 所述頂替液可以用基液，也可以用清水，作用是把混合有陶粒的壓裂液從油井 中的袖管內頂替進入地層，避免陶粒在油管內沉淀。所述前置液是在清水中加 入液體髙分子材料(一般是凍膠)。
本發(fā)明中所述的油管可以是連續(xù)油管，也可以是普通油管。 其中，本發(fā)明的射流射孔、分層壓裂方法，第一級噴槍下部的單向立閥、 篩管等結構，可以采用在先申請的中國專利申請第200710179500. 6號中記載的 壓裂方法和結構，在此將上述中國專利申請第200710179500. 6號的相關內容并 入本案。
綜上所述，本發(fā)明是一種集射孔、水力封隔及機械封隔、壓裂一體化的新型增產措施，實施過程中，不需要現(xiàn)場額外準備材料和地面設備，常規(guī)壓裂中 使用的支撐劑即可用于水力噴射射孔和后續(xù)的分層壓裂；水力封隔和機械封隔 方法相結合，可以實現(xiàn)較為精確的定點分層壓裂，確保壓裂液不進入非目的層； 可以根據(jù)需要控制每個層位的壓裂規(guī)模，避免了壓裂的盲目性，達到節(jié)約壓裂 材料用量的目的，進而節(jié)約投資；同時，避免了常規(guī)分層壓裂中下入常規(guī)機械 封隔器可能帶來的砂卡問題，降低了作業(yè)風險。
我國低滲透石油資源量約為210.7X1()S噸，占總資源量的22.4°/。，其中中 油股份公司已經探明的未動用儲量就高達32X 108噸，占總探明儲量的50%以 上，扣除各種不確定因素后，低滲透已探明未動用儲量至少為26X1()S噸儲量； 勝利油區(qū)低滲透油藏已探明儲量就有4X 108t，其中僅3.56X 108t得到了動用， 動用儲量的采出程度僅有13%左右。低滲透地質儲量較多的有新疆、大慶、勝 利、吉林、遼河、大港、中原、延長、長慶等油區(qū)，特別是近幾年來新疆準葛 爾盆地新發(fā)現(xiàn)的小拐油田和瑪北油田是典型的低滲透油田。低滲透油田采收率 相對較低，如果依靠天然能量開采，特低滲透油田釆收率一般在10%以下，注 水開發(fā)油田采收率為20% 25%。壓裂改造是開發(fā)低滲透油田最根本的工藝技 術。因此，本發(fā)明的裝置和方法，對提高油氣這一重要戰(zhàn)略資源的產量具有重 大意義。
以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實施方式
，并非用以限定本發(fā)明的范圍。 任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的構思和原則的前提下所作的等同變 化與修改，均應屬于本發(fā)明保護的范圍。
權利要求
1、一種磨料噴射裝置，其特征在于，所述磨料噴射裝置具有多級串聯(lián)連接的噴槍；所述噴槍均為中空柱狀體，其側壁上設有至少兩個噴嘴；所述每級噴槍的下部均設一封隔器，所述封隔器的側壁上設有在高壓液體的作用下能夠向外部膨脹的密封套；所述噴槍包括設在所述磨料噴射裝置下部的第一級底部噴槍，以及位于底部噴槍上部的多級上部噴槍，其中各上部噴槍內均設有能夠封閉該級噴槍噴嘴及密封套的滑套，且所述滑套在外力作用下能夠滑移至所述密封套的下部，打開所述噴嘴和密封套。
2、 如權利要求1所述的磨料噴射裝置，其特征在于，所述滑套呈圓柱狀筒 體，其外周壁與所述噴槍的內周壁相配合，且二者之間設有至少一環(huán)密封圈； 所述滑套內設有密封座， 一鋼球能落座于所述滑套的密封座，并密封所述滑套； 所述滑套的外周壁上還設有一環(huán)嵌合凹槽。
3、 如權利要求2所述的磨料噴射裝置，其特征在于，所述噴槍的側壁上沿 徑向設有至少一個容置通孔，其內設有剪切銷釘，所述剪切銷釘?shù)念^部卡合于 所述滑套外周壁上設置的嵌合凹槽內。
4、 如權利要求1所述的磨料噴射裝置，其特征在于，所述噴嘴每兩只為一 對，相隔180度設置在同一平面內，每一對噴嘴在噴槍側壁的周向均勻分布， 且沿噴槍軸向設置在不同的平面內；所述噴嘴嵌置在貫通所述噴槍側壁的噴嘴 容置孔，通過噴嘴壓帽與所述噴槍相固定。
5、 如權利要求4所述的磨料噴射裝置，其特征在于，所述噴嘴壓帽由硬質 合金材料制成，沿軸線的橫截面形成為T形，并具有沿軸線設置的貫通孔，所 述貫通孔具有擴徑的容置部，所述噴嘴固定在所述容置部內。
6、 如權利要求l所述的磨料噴射裝置，其特征在于，所述第一級底部噴槍 的底端設有單向閥，所述單向閥包括有閥體，所述閥體上沿軸向設有貫通孔， 在所述閥體內側對應于所述貫通孔設有閥座， 一閥球能落座于所述閥座內，封 閉該貫通孔。
7、 如權利要求1所述的磨料噴射裝置，其特征在于，所述封隔器通過螺紋 連接在所述噴槍的下部。
8、 如權利要求1所述的磨料噴射裝置，其特征在于，所述封隔器的外周壁 上設有一環(huán)凹槽，所述凹槽的上、下兩側沿封隔器的軸向延伸，并與所述封隔 器的外壁之間形成嵌合部；所述凹槽內設有多個徑向貫通封隔器側壁的通孔； 所述通孔內密封設有能沿徑滑動的活塞柱，所述活塞柱的外側頂?shù)钟谒雒芊?套；所述密封套套設于所述凹槽，且上、下兩側分別嵌入所述嵌合部內。
9、 如權利要求8所述的磨料噴射裝置，其特征在于，所述密封套的內側設 有一環(huán)凹陷部， 一彈性套套設在所述封隔器外周壁上的凹槽內，且位于所述活 塞柱的外部，并嵌設在所述密封套的凹陷部內。
10、 如權利要求1或8或9所述的磨料噴射裝置，其特征在于，所述封隔 器的底部內側設有臺階部，該臺階部構成了滑移后的所述滑套的止擋部；所述 滑套的長度大于所述噴嘴和所述密封套之間的間距，小于所述封隔器底部至所 述密封套之間的距離；且設置在上一級所述噴槍內的滑套內徑大于設置在下一 級噴槍內的滑套內徑。
11、 一種磨料射流射孔、分層壓裂方法，其特征在于，所述方法包括如下 步驟(1) 通過油管將多級串聯(lián)連接噴槍組成的磨料噴射裝置沿套管送入到井內 規(guī)定層位；(2) 通過油管向磨料噴射裝置供給加壓的射孔液，所述射孔液通過所述噴 射裝置的其中一級噴槍的噴嘴向所述套管側壁和地層高速噴射，在地層中形成 孔眼，同時在所述射孔液的推抵下，使設置在該級噴槍噴嘴下部的封隔器的密 封套向外部膨脹密封該級噴槍和所述套管之間的環(huán)空；(3) 向所述孔眼內泵入壓裂液，使所述孔眼內的地層形成壓裂裂縫；(4) 完成一個層位的壓裂后，自所述油管向下投入鋼球，推動位于上部的 另一級噴槍內的滑套向下移動，打開被所述滑套封閉的該級噴槍的噴嘴和密封套，在上一個層位重復所述步驟(2)至(3)。
12、 如權利要求ll所述的磨料射流射孔、分層壓裂方法，其特征在于，所述步驟(2)進一步包括所述射孔液推抵設置在封隔器側壁上的活塞柱，所述活 塞向外推動設置在其外部的密封套，使所述密封套膨脹抵頂在所述套管的內壁。
13、 如權利要求ll所述的磨料射流射孔、分層壓裂方法，其特征在于，所述步驟(4)進一步包括被投入的所述鋼球直徑與欲推動的滑套直徑相配合，且 能密封設置在所述滑套內的密封座，使所述射孔液不流入下一級噴槍內，之后， 在油管內壓力作用下剪斷銷釘，并將所述滑套推動至其底端頂?shù)钟谠摷墖姌尩?所述封隔器底部內側設置的臺階部，所述滑套的頂部位于該級噴槍的密封套的 下部。
14、 如權利要求ll所述的磨料射流射孔、分層壓裂方法，其特征在于，所 述步驟(3)進一步包括a、 向噴射裝置供給前置液，壓裂地層形成裂縫；b、 根據(jù)當前層位的壓裂規(guī)模，向噴射裝置供給攜有支撐劑的壓裂液；C、泵注壓裂液之后，接著向噴射裝置泵入基液，將所述壓裂液擠入地層。
15、 如權利要求14所述的磨料射流射孔、分層壓裂方法，其特征在于，在 所述步驟(3)的噴射過程中，由于套管壁面上的孔眼直徑小于地層中形成的孔 眼直徑，當噴嘴噴射的前置液或壓裂液進入地層中的孔眼內，在地層被壓裂前 會返回套管環(huán)空內，則所述返回的前置液或壓裂液在所述套管壁面孔眼處形成 了水力密封環(huán)，使孔眼內壓力高于環(huán)空內的壓力，地層中的裂縫僅在形成的孔 眼位置破裂、擴展。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磨料噴射裝置及磨料射流射孔、分層壓裂方法，其中，該磨料噴射裝置，具有多級串聯(lián)連接的噴槍；所述噴槍均為中空柱狀體，其側壁上設有至少兩個噴嘴；所述每級噴槍的下部均設一封隔器，所述封隔器的側壁上設有在高壓液體的作用下能夠向外部膨脹的密封套；所述噴槍包括設在所述磨料噴射裝置下部的第一級底部噴槍，以及位于底部噴槍上部的多級上部噴槍，其中各上部噴槍內均設有能夠封閉該級噴槍噴嘴及密封套的滑套，且所述滑套在外力作用下能夠滑移至所述密封套的下部，打開所述噴嘴和密封套。本發(fā)明可用于套管直井或水平井，其解決了油田直井或水平井中分層或分段壓裂問題，達到了節(jié)約壓裂成本、提高壓裂效果、降低施工風險的目的。
文檔編號E21B43/11GK101539007SQ200910082408
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權日2009年4月15日
發(fā)明者李根生, 牛繼磊, 田守嶒, 黃中偉 申請人:中國石油大學(北京)