本發(fā)明涉及油氣田儲(chǔ)層水力壓裂作業(yè)井下工具類，特別涉及一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈動(dòng)發(fā)生裝置。

背景技術(shù)：

油氣田開發(fā)中，水力壓裂技術(shù)是致密儲(chǔ)層油氣增產(chǎn)的重要措施。

目前，油氣儲(chǔ)層壓裂中，常規(guī)水力壓裂技增產(chǎn)工藝技術(shù)存在一些亟待解決的技術(shù)問題。

人工水力裂縫的產(chǎn)生，主要依靠井筒內(nèi)壓裂液壓力產(chǎn)生井壁和儲(chǔ)層巖石的拉伸破壞，起縫并延伸擴(kuò)展裂縫。人工裂縫的起縫主要受到地層破裂壓力影響，人工裂縫方向和擴(kuò)展主要受到儲(chǔ)層就地地應(yīng)力控制。因?yàn)閭€(gè)別儲(chǔ)層地層破裂壓力高，施工中泵壓偏高甚至還經(jīng)常出現(xiàn)壓不開的問題；由于儲(chǔ)層為孔隙介質(zhì)，裂縫擴(kuò)展中流道截面為變質(zhì)量流量，加之壓裂支撐劑(俗稱壓裂砂，為石英砂或人工陶粒)密度大于壓裂液，支撐劑容易在裂縫中沉降，壓裂液有效攜砂和裂縫中均勻鋪砂一直是制約壓裂作業(yè)效果的重大技術(shù)難題，目前工藝技術(shù)難以有效控制。體積縫網(wǎng)壓裂中，由于巖石的非均質(zhì)性導(dǎo)致破裂壓力差異，以及受到地應(yīng)力控制，通常很難形成有效縫網(wǎng)。

常規(guī)水力壓裂中如何有效降低起縫壓力和裂縫中實(shí)現(xiàn)壓裂液有效攜砂、均勻鋪砂是工程中亟待解決的重大技術(shù)難題。

低滲油田壓裂中，老井重復(fù)壓裂是油氣田增產(chǎn)的重要技術(shù)措施，在重復(fù)壓裂中，裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)為增產(chǎn)的有效手段。轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂中，重點(diǎn)為有效封堵老縫、在井壁或近井壁重啟新縫。常規(guī)轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂工藝施工中，能否實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向存在很大的不確定性、不可控，目前還沒有有效的可行方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈動(dòng)發(fā)生裝置，基于水力壓裂液流作用下，產(chǎn)生井下低頻水力脈動(dòng)，低頻脈動(dòng)作用下有效降低地層破裂壓力，利于人工水力裂縫起縫；脈動(dòng)壓力作用下，壓裂液能在裂縫延伸擴(kuò)展過程中有效攜砂、均勻鋪砂，進(jìn)而提高裂縫導(dǎo)流能力；而在轉(zhuǎn)向重復(fù)水力壓裂中，能有效封堵原有裂縫，利于產(chǎn)生新的人工裂縫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便的特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了技術(shù)方案如下：

一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈動(dòng)發(fā)生裝置，包括復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2，以及設(shè)置于復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2上端的加工有api標(biāo)準(zhǔn)油管連接螺紋的上接頭1和設(shè)置于復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2下端的加工有api標(biāo)準(zhǔn)油管連接螺紋下接頭7，復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2內(nèi)設(shè)置有與其配套的復(fù)合錐臺(tái)活塞3，復(fù)合錐臺(tái)活塞3內(nèi)設(shè)置有通孔4，復(fù)合錐臺(tái)活塞3外周均布有防砂卡的半圓槽3-1，復(fù)合錐臺(tái)活塞3下部設(shè)置有復(fù)位彈簧5，在復(fù)位彈簧5的下端設(shè)置有承托座6。

所述復(fù)合錐臺(tái)活塞3上部三分之一長度的錐度在1：(12～16)，下部的錐度在1：(8～10)，通孔4直徑范圍在16mm～20mm，長度范圍在140mm～200mm。

復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2和復(fù)合錐臺(tái)活塞3具有相同的配合錐度，復(fù)合錐臺(tái)活塞3外周均布有防砂卡的半圓槽3-1，半圓槽3-1直徑為1.5mm～2mm，半圓槽傾斜角度為20～25度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的現(xiàn)場應(yīng)用有益效果在于：

1、本發(fā)明基于壓裂工作液作用下，實(shí)現(xiàn)壓裂作業(yè)中井下低頻脈動(dòng)?；趲r石損傷力學(xué)理論和模擬實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，水力壓裂液流作用下，產(chǎn)生井下低頻水力脈動(dòng)，低頻脈動(dòng)作用能有效降低地層破裂壓力，利于人工水力裂縫起縫；同時(shí)，低頻脈動(dòng)能在已經(jīng)形成的人工裂縫面中有效傳播，脈動(dòng)效應(yīng)下，利于壓裂液攜帶壓裂砂在裂縫中隨裂縫擴(kuò)展向前推進(jìn)，減少壓裂砂沉降，促進(jìn)均勻鋪砂，一定程度上解決當(dāng)前常規(guī)壓裂作業(yè)中無法解決的技術(shù)難題，進(jìn)而提高人工裂縫導(dǎo)流能力，獲得更好的水力壓裂增產(chǎn)效果。

低滲特低滲油田壓裂有效期通常為6個(gè)月到24個(gè)月，低頻脈動(dòng)應(yīng)用于老井裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂中，首先，低頻脈動(dòng)促使堵劑注入階段強(qiáng)化原有裂縫封堵，防止后續(xù)壓裂繼續(xù)壓開原有的老裂縫；其次，基于巖石損傷力學(xué)理論和模擬實(shí)驗(yàn)，脈動(dòng)壓力作用下降低了地層破裂壓力，井壁或近井壁破裂壓力降低，有利于在井壁或近井壁新裂縫起縫，進(jìn)而有利于裂縫轉(zhuǎn)向。

2、本發(fā)明適應(yīng)常規(guī)水力壓裂工藝，能適應(yīng)常規(guī)壓裂管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壓裂施工設(shè)計(jì)；使用本發(fā)明后，該工具強(qiáng)度大于管柱強(qiáng)度，并且設(shè)計(jì)中特別考慮了施工安全性，即使工具失效也不會(huì)影響水力壓裂施工的繼續(xù)進(jìn)行，該工具高度安全可靠。

3、本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，而且可應(yīng)用于常規(guī)油氣井壓裂、老井轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂等。特殊的復(fù)合錐臺(tái)和活塞通孔設(shè)計(jì)能適應(yīng)常規(guī)水力壓裂工藝和壓裂施工參數(shù)設(shè)計(jì)，適用范圍廣，具有大規(guī)模推廣應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明9使用時(shí)與其余設(shè)備的安裝示意圖。

圖3為復(fù)合錐臺(tái)活塞3示意圖，其中圖3a為主視圖，圖3b為俯視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。

參照?qǐng)D1，一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈動(dòng)發(fā)生裝置，包括復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2，以及設(shè)置于復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2上端的加工有api標(biāo)準(zhǔn)油管連接螺紋的上接頭1和設(shè)置于復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2下端的加工有api標(biāo)準(zhǔn)油管連接螺紋下接頭7，復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2內(nèi)設(shè)置有與其配套的復(fù)合錐臺(tái)活塞3，復(fù)合錐臺(tái)活塞3內(nèi)設(shè)置有通孔4，該通孔4能克服復(fù)合錐臺(tái)活塞上行關(guān)閉流道所產(chǎn)生的水擊效應(yīng)的影響，同時(shí)保證了水力壓裂作業(yè)中適應(yīng)大排量，允許高砂比壓裂液中壓裂砂、重復(fù)轉(zhuǎn)向壓裂中高粘稠封堵劑的順利通過。參照?qǐng)D3，復(fù)合錐臺(tái)活塞3外周均布有防砂卡的半圓槽3-1，復(fù)合錐臺(tái)活塞3下部設(shè)置有復(fù)位彈簧5，在復(fù)位彈簧5的下端設(shè)置有承托座6。

所述復(fù)合錐臺(tái)活塞3上部三分之一長度的錐度在1：(12～16)，下部的錐度在1：(8～10)，通孔4直徑范圍在16mm～20mm，長度范圍在140mm～200mm。

復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2和復(fù)合錐臺(tái)活塞3具有相同的配合錐度，復(fù)合錐臺(tái)活塞3外周均布有防砂卡的半圓槽3-1，半圓槽3-1直徑為1.5mm～2mm，半圓槽傾斜角度為20～25度。在該配合錐度范圍、復(fù)合錐臺(tái)活塞3中心的通孔4的尺寸，以及復(fù)合錐臺(tái)活塞3與復(fù)合錐臺(tái)缸體總成2結(jié)構(gòu)尺寸匹配下，能保證在水力壓裂工作排量下，復(fù)合錐臺(tái)活塞3下行時(shí)能壓縮復(fù)位彈簧5到設(shè)計(jì)行程，然后有效泄壓與泄流，復(fù)位彈簧5推動(dòng)復(fù)合錐臺(tái)活塞3上行到預(yù)定行程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合錐臺(tái)活塞3往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在輸出壓裂工作液中產(chǎn)生低頻水力脈動(dòng)。設(shè)計(jì)中,復(fù)合錐臺(tái)缸體2與復(fù)合錐臺(tái)活塞3配合錐度以及具體結(jié)構(gòu)尺寸、復(fù)合錐臺(tái)活塞通孔4尺寸、復(fù)合錐臺(tái)活塞外周防砂卡槽尺寸和復(fù)位彈簧5的彈性系數(shù)等，在設(shè)計(jì)上是根據(jù)現(xiàn)場常規(guī)水力壓裂施工作業(yè)流量、流體性能參數(shù)、彈簧剛度與活塞質(zhì)量計(jì)算確定的:

活塞中心通孔的直徑和復(fù)合錐臺(tái)缸體、復(fù)合錐臺(tái)活塞配合錐度、分段長度決定了工作液流過該工具為變截面流道。

設(shè)復(fù)合錐臺(tái)活塞質(zhì)量為m，有效截面積為sp，復(fù)位彈簧剛度系數(shù)為k，工作流體密度為ρ，粘滯阻力系數(shù)為ξ，活塞行程中上下截面承受平均壓差分別為p1和p2；活塞位移為x，活塞行程為h，時(shí)間為t，則活塞下行時(shí)：

活塞上行時(shí)：

在這里，p1和p2依據(jù)設(shè)計(jì)活塞尺寸及行程位置結(jié)合流體力學(xué)原理計(jì)算給出?；钊谐涛恢貌煌渫庵芰鞯澜孛娌煌?，同時(shí)活塞上下壓差也不同。實(shí)際計(jì)算中，需要考慮活塞通孔與活塞外周流道截面的流量分配以及活塞外周流道的粘滯阻力系數(shù)變化，很難給出解析算法。實(shí)際設(shè)計(jì)中，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試修正，采用流體力學(xué)的數(shù)值算法來最終確定p1和p2。

由此可計(jì)算出活塞的行程長度：

復(fù)位彈簧剛度系數(shù)可以表示為：

這往復(fù)振動(dòng)頻率為：

上式中：經(jīng)過常用壓裂排量下試驗(yàn)?zāi)M，結(jié)合流體力學(xué)數(shù)值算法，應(yīng)用上述公式計(jì)算時(shí)，pa取值為流體推動(dòng)活塞下行前，活塞上、下截面承受的壓差，大致為2.6mpa左右；pb為流體推動(dòng)活塞下行，活塞外周流道截面逐漸增大，活塞外周流道截面增大到一定程度，活塞上、下截面承受壓差，大致為0.5mpa左右。但壓裂施工排量、壓裂砂濃度不同，計(jì)算中取值不同。

在設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要編制計(jì)算機(jī)程序計(jì)算活塞不同行程位置的上下壓差，以施工設(shè)計(jì)壓裂液注入排量1.2～4.5m³/min為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)擬定低頻如10hz計(jì)算確定其它參數(shù)。

在本發(fā)明工具的實(shí)際工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要結(jié)合模擬試驗(yàn)測(cè)試，在計(jì)算變截面流道流體參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算確定最終的復(fù)合錐臺(tái)缸體和復(fù)合錐臺(tái)活塞的結(jié)構(gòu)尺寸以及復(fù)位彈簧的剛度系數(shù)。

更進(jìn)一步地，為實(shí)現(xiàn)擬定的低頻脈動(dòng)，配套的缸體、活塞設(shè)計(jì)為復(fù)合錐臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了下行時(shí)活塞外周流道截面增大，由此實(shí)現(xiàn)先泄壓、后泄流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合錐臺(tái)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞中心通孔的設(shè)計(jì)能更好地適應(yīng)水力壓裂施工中的大排量，控制活塞行程在一定范圍，更好地實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)發(fā)生裝置的低頻脈動(dòng)輸出。

根據(jù)巖石疲勞損傷力學(xué)理論，低頻脈動(dòng)作用下，巖石破裂壓力下降，利于水力壓裂起縫；同時(shí)，低頻脈動(dòng)波動(dòng)在傳播中，在理論上，波的疊加將引起脈動(dòng)壓力波振幅的擴(kuò)大—壓裂液壓力增大。數(shù)值分析方法模擬計(jì)算表明，在特定條件下，脈動(dòng)壓力波的振幅可擴(kuò)大1.0～5倍；物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析給出的脈動(dòng)壓力幅值能夠擴(kuò)大2.2～4.2倍。模擬現(xiàn)場實(shí)施脈動(dòng)水力壓裂對(duì)比分析表明，脈動(dòng)壓力幅值能夠擴(kuò)大1.5～3.0倍。

所以說，應(yīng)用該發(fā)明，能在水力壓裂中有效降低人工裂縫起裂壓力；同時(shí)，在裂縫中減少壓裂砂沉降、促進(jìn)均勻鋪砂，提高裂縫導(dǎo)流能力，進(jìn)而提高壓裂增產(chǎn)效果。

本發(fā)明的工作過程如下：

如圖2所示，本發(fā)明9連接于噴砂器10上部，本發(fā)明9的上部連接壓裂管柱8，水力壓裂工作液流過，流量達(dá)到工作排量后，復(fù)合錐臺(tái)活塞3上下壓差達(dá)到一定值后下行，壓縮復(fù)位彈簧5，復(fù)合錐臺(tái)活塞3下行則其外周流道面積逐漸增大，復(fù)合錐臺(tái)活塞上下壓差降低，直至復(fù)位彈簧推動(dòng)復(fù)合錐臺(tái)活塞上行，由此產(chǎn)生往復(fù)式振動(dòng)，在輸出壓裂流體中產(chǎn)生低頻水力脈動(dòng)。

本發(fā)明所述的復(fù)合錐臺(tái)活塞3下部的復(fù)位彈簧5和位于復(fù)合錐臺(tái)活塞3下部的復(fù)位彈簧承托座6組成一個(gè)往復(fù)式機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，在壓裂作業(yè)中，產(chǎn)生低頻振動(dòng)，進(jìn)而輸出壓裂流體產(chǎn)生低頻水力脈動(dòng)。其中，復(fù)合錐臺(tái)活塞3上的通孔4的直徑和長度是根據(jù)現(xiàn)場壓裂施工作業(yè)流量優(yōu)化計(jì)算確定的，在一定的作業(yè)流量范圍內(nèi)，在復(fù)合錐臺(tái)缸體2內(nèi)，復(fù)合錐臺(tái)活塞3和復(fù)位彈簧5構(gòu)成一個(gè)適應(yīng)油氣田現(xiàn)場水力壓裂施工作業(yè)時(shí)，在水力驅(qū)動(dòng)方式下能產(chǎn)生低頻水力脈動(dòng)的往復(fù)振動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明應(yīng)用于水力壓裂作業(yè)中，壓裂前置液、攜砂液流過該裝置后產(chǎn)生強(qiáng)度為2mpa左右的水力脈動(dòng)壓力波幅，產(chǎn)生井下低頻水力脈動(dòng)頻率在10hz左右，通過各結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)，常規(guī)作業(yè)條件下水力脈動(dòng)頻率大約為10hz～20hz，施工中控制水力壓力波動(dòng)幅度為1.5mpa～3mpa。