本發(fā)明屬于煤層氣井壓裂技術，具體涉及一種投球式高能氣體壓裂裝置。

背景技術：

在煤層氣井壓裂增產(chǎn)措施中，水力壓裂仍占據(jù)主導地位，但水的分子較大，難以進入煤層氣所在的基質微孔系統(tǒng)中，且形成的常規(guī)破裂裂隙所占比例低，煤層氣很難有效地開采，增產(chǎn)效果有限。

鑒于氮氣震動壓裂在加拿大應用較為廣泛，被認為是一項比較有效的煤層氣增產(chǎn)措施，因此經(jīng)過調研目前的氮氣震動壓裂工藝，深入了解整個氮氣震動壓裂工具的用途，并結合已有的壓裂設備及工藝，對高能氣體壓裂工具進行初步設計，通過一期水力試驗、二期空氣試驗，以及現(xiàn)場8口井的施工應用情況，結合現(xiàn)場施工中所發(fā)現(xiàn)的問題，不斷改進高能氣體壓裂工具，最終研發(fā)出適應我國特殊煤儲層條件下的投球式高能氣體壓裂工具。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決水力壓裂方式形成的破裂裂隙所占比例低，導致煤層氣很難有效地開采，增產(chǎn)效果有限的問題，進而提供了一種投球式高能氣體壓裂裝置。

本發(fā)明采用如下技術方案：

一種投球式高能氣體壓裂裝置，包括由上到下依次連接的上封隔單元、震動觸發(fā)單元、能量釋放單元、壓力記錄單元、下封隔單元和導向引鞋，震動觸發(fā)單元完成對投球密封球的震動，能量釋放單元完成對密封球爆裂所產(chǎn)生的高能氣體的釋放，上封隔單元的頂端通過連續(xù)油管與地面壓裂車泵車連接。

所述的上封隔單元和下封隔單元分別至少包括兩組杯型封隔器，上封隔單元的兩組杯型封隔器的皮碗開口向下，下封隔單元的兩組杯型封隔器的皮碗開口向上，上封隔單元和下封隔單元構成對高能氣體的密封單元。

所述的震動觸發(fā)單元是一個具有緩沖性能的錐形球座，錐形球座的兩端通道寬、中間通道窄，中間窄通道直徑小于投球密封球直徑，兩端寬通道直徑大于投球密封球直徑。

所述能量釋放單元是一個兩側各有一個泄壓孔的短節(jié)。

所述壓力記錄單元包括承載體和存儲式壓力傳感器，承載體采用實心油管，存儲式壓力傳感器安裝于實心油管端頭。

所述密封球的直徑為38.1mm或34.9mm。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1、該裝置可利用氮氣作為壓裂介質，可實現(xiàn)對含有黏土礦物的煤儲層中的壓裂；

2、該裝置的震動觸發(fā)單元能實現(xiàn)對密封球的震動觸發(fā)作用，密封球爆炸釋放的高能通過能量釋放單元的泄壓孔進入目的煤儲層，引起近井地帶的震動，能夠在煤基質中發(fā)展異常微裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)并與原始裂隙溝通，提高煤儲層滲透率，改造儲層，實現(xiàn)增產(chǎn)；

3、單次下放該壓裂裝置，可完成單井多層多次拖動式氮氣震動壓裂工藝（只需要重復投放密封球、拖動該壓裂裝置即可），實現(xiàn)每口井的每個目的層均實現(xiàn)了多次震動壓裂，既節(jié)省了時間，也降低了工具串的消耗強度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為震動觸發(fā)單元的結構示意圖；

圖3為能量釋放單元的結構示意圖；

圖中：51-上封隔單元、52-震動觸發(fā)單元、53-能量釋放單元、54-壓力記錄單元、55-下封隔單元、56-導向引鞋、57-母扣、58-錐形球座、59-公扣、60-泄壓孔。

具體實施方式

結合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明：

如圖1所示的投球式高能氣體壓裂裝置，包括由上到下依次連接的上封隔單元51、震動觸發(fā)單元52、能量釋放單元53、壓力記錄單元54、下封隔單元55和導向引鞋56，震動觸發(fā)單元52完成對投球密封球的震動，能量釋放單元53完成對密封球爆裂所產(chǎn)生的高能氣體的釋放，上封隔單元51的頂端通過連續(xù)油管與地面壓裂車泵車連接。該裝置能滿足震動、釋放兩項主要內(nèi)容，且釋放出的氣體能進入到目的層位，各單元所起的作用如下：

1）上、下杯型封隔器單元

上封隔單元51和下封隔單元55分別至少包括兩組杯型封隔器，上封隔單元51的兩組杯型封隔器的皮碗開口向下，下封隔單元55的兩組杯型封隔器的皮碗開口向上，上封隔單元51和下封隔單元55構成對高能氣體的密封單元。上封隔器的作用是當震動觸發(fā)單元動作，高壓氣體（n2）由連續(xù)油管向上下封隔器之間釋放時，阻止氣體向上泄漏的密封單元，下封隔器的作用是當震動觸發(fā)單元動作，高壓氣體（n2）由連續(xù)油管向上下封隔器之間釋放時，阻止氣體向下泄漏的密封單元。

2）震動觸發(fā)單元

如圖2所示，該單元的設計為一個具有緩沖性能的錐形球座，錐形球座的兩端通道寬、中間通道窄，中間窄通道直徑小于投球密封球直徑，兩端寬通道直徑大于投球密封球直徑。在未投球前，因錐形球座只是一個縮徑的通道，允許氮氣n2自連續(xù)油管向杯形封隔器之間及煤層（套管已射孔）流動或擴散；在投球后，密封球卡于錐形球座的中間窄通道處，阻止了n2向下擴散的通道，使地面壓裂泵車及該震動觸發(fā)單元形成密閉空間，在地面壓裂泵車的作用下，這個密閉單元儲存高壓氮氣n2，當?shù)獨鈔2壓力達到額定值時，使得密封球體爆裂，連續(xù)油管及地面泵車系統(tǒng)中儲存的高壓n2向煤儲層釋放（上下封隔器的作用），形成瞬間高壓震動，從而改造儲層。

3）能量釋放單元

能量釋放單元的結構如圖3所示，主要為一個兩側各有一個泄壓孔的短節(jié)，當球體破裂時，高壓氮氣通過該泄壓孔進入目的層，引起近井地帶的震動，從而形成新的裂縫，改造儲層。

4）壓力記錄單元

壓力記錄單元是在能量釋放單元的下部，位于下封隔器之上，其中包括一段壓力記錄短節(jié)，擬采用一小段實心油管作為壓力記錄設備的承載體，安裝存儲式壓力傳感器，以測量、記錄并保存在震動壓裂過程中井底壓力的變化情況，便于后期數(shù)據(jù)分析及不同井氮氣震動壓裂試驗成果的比較。

5）密封球的設計

用于坐封及開啟的密封球是最關鍵的一個部件，要求該密封球具有一定的抗壓能力，采用特殊的材料制成，既有抗壓能力又能在指定的壓力范圍內(nèi)爆裂從而開啟氣體通道，坐封球的大小選擇11/2″（38.1mm）或13/8″（34.9mm）。密封球為成熟產(chǎn)品，只需要根據(jù)煤層條件選擇合適抗壓值和直徑的密封球即可。

該裝置用于井下震動壓裂工藝施工時，壓裂裝置的頂端通過注入頭與地面連續(xù)油管相連，連續(xù)油管與地面壓裂泵車相連，具體施工工藝如下：

1）井口投球

氮氣震動壓裂過程中，先通過連續(xù)油管自井口向井下的該壓裂裝置進行投球，同時注入高能氣體（n2）。

2）投球到位，持續(xù)加壓

當投球到位（即錐形球座處）后，震動觸發(fā)單元阻止了高能氣體（n2）向下擴散，使地面壓裂車及震動觸發(fā)單元形成密閉空間，在地面壓裂車的作用下，密閉震動觸發(fā)單元儲存高壓氣體（n2）。

3）高壓震動，改造儲層

當高壓氣體（n2）壓力達到額定值時球體爆裂，連續(xù)油管及地面泵車系統(tǒng)中儲存的高壓氣體（n2）向煤儲層釋放（上、下封隔器的作用），形成瞬間高壓震動，從而改造儲層。

4）壓力記錄

采用一小段實心油管作為壓力記錄設備的承載體，安裝存儲式壓力傳感器，以測量、記錄并保存在震動壓裂過程中井底壓力的變化情況，便于后期數(shù)據(jù)分析及不同井氮氣震動壓裂試驗成果的比較。