CN113123770A - 一种定面水力喷射压裂喷嘴、喷射管串及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种定面水力喷射压裂喷嘴、喷射管串及其应用，属于油气增产改造领域。该定面水力喷射压裂喷嘴包括：连接成一体且同轴线设置的喷嘴本体和喷嘴头；所述喷嘴本体为两端开口的圆筒状结构，一端为首端，另一端为尾端；所述喷嘴头为弧形圆面结构，其直径与圆筒状结构的直径相同；所述喷嘴头的边缘与所述喷嘴本体的首端连接，两者的内腔连通；在所述喷嘴本体上开有动力孔眼；在所述喷嘴头上开有喷射缝和喷射孔眼。本发明的新型喷嘴结构简单、运动轨迹便于控制，形成的纵向喷射裂缝的宽度可控，而且本发明方法实现了压裂液的循环使用。

Description

一种定面水力喷射压裂喷嘴、喷射管串及其应用
技术领域
本发明属于油气增产改造领域，具体涉及一种定面水力喷射压裂喷嘴、喷射管串及其应用。
背景技术
目前，水力喷射压裂技术从单簇向多簇演变，实现了段内多簇诱导应力干扰及体积裂缝的目的。之后，出现了远井水力喷射技术，喷射深度可达几十米甚至上百米。在此基础上，提出了远井定面水力喷射技术。所谓远井定面喷射技术就是在远井喷射的基础上，在喷射的同时，喷嘴除了有平行前移的功能外，同时还有上下运动的功能，最终形成的喷射轨迹是一个平面。考虑到没有支撑剂支撑，为了最大限度地实现裂缝自支撑的效率，可采用变排量喷射的方法，实现裂缝宽度的非均匀性(凸凹不平的裂缝面)，从而可大幅度提高裂缝的导流能力。具体的，中国专利公开文献CN109826597A公开了一种直井定面水力射孔压裂装置和方法，文献“定面射孔新工艺对水力裂缝扩展影响研究”(岩土力学2016(12))提出了一种新的射孔方案、文献“水平井定面射孔近井筒的破裂形态”(天然气工业2015(4))建立了流固耦合形式的近井筒破裂力学模型。
但上述技术仍存在技术局限性，如在喷射形成裂缝的同时，套管闸门开放，以将喷射造成的储层岩石碎屑携带出地表，否则，会影响喷射成缝的效率。同时，也会造成压裂液的极大浪费，这对长水平段水平井多段压裂而言更是如此；此外，以往的喷嘴上下运动难以控制，需要研制新的喷嘴，以实现喷嘴上下及平行方向的综合运动，同时实现凸凹不平的裂缝面。因此，需要研究提出一种新的远井定面喷射压裂喷嘴，以解决上述局限性。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，针对目前现有远井定面水力喷射技术造成压裂液浪费，及定面喷嘴上下运动轨迹较难控制等缺点，提供一种定面水力喷射压裂喷嘴、喷射管串及其应用，其结构简单、运动轨迹便于控制，形成的纵向喷射裂缝的宽度可控。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种定面水力喷射压裂喷嘴，所述定面水力喷射压裂喷嘴包括：连接成一体且同轴线设置的喷嘴本体和喷嘴头；
所述喷嘴本体为两端开口的圆筒状结构，一端为首端，另一端为尾端；
所述喷嘴头为弧形圆面结构，其直径与圆筒状结构的直径相同；
所述喷嘴头的边缘与所述喷嘴本体的首端连接，两者的内腔连通；
在所述喷嘴本体上开有动力孔眼；
在所述喷嘴头上开有喷射缝和喷射孔眼。
在一个优选的实施例中，所述定面水力喷射压裂喷嘴的中心轴截面的形状为长方形外接弧形的形状。
在一个优选的实施例中，在所述喷嘴头上开有喷射缝和多个喷射孔眼；
所述喷射缝位于所述喷嘴头的中心轴截面上，其形状为弧形；
在所述喷射缝的两侧分别设置有多个喷射孔眼，且喷射缝两侧的喷射孔眼对称设置。
优选的，每个所述喷射孔眼的形状为圆形，各个喷射孔眼的圆心位于同一个圆周上；
所有喷射孔眼的中心轴线相交于喷嘴的中心轴线上。
在一个优选的实施例中，在所述喷射本体的壁上开有多个动力孔眼；
每个所述动力孔眼的入口端与喷嘴本体的内腔连通，出口端与喷嘴本体的外部连通，且入口端比出口端靠近所述喷嘴头；
每个动力孔眼的中心轴线与喷嘴本体的中心轴线相交；
多个动力孔眼在圆周上均布。
本发明还提供了一种喷射管串，所述喷射管串包括依次连接的连续油管、高压软管和上述喷嘴；
所述连续油管的下端与高压软管的后端连接，所述高压软管的前端与上述喷嘴的喷嘴本体的尾端连接。
本发明进一步提供了一种应用所述喷射管串进行定面水力喷射压裂的方法，所述方法包括：
(1)将套管与地面沉降系统连接，将地面沉降系统与泵车的低压管汇连接；
(2)利用常规普通油管送深度导向器入井，再用电缆送定位仪入井，测定深度导向器的位置，最后用电缆送陀螺仪入井，确定套管上的开孔方位；
(3)将携带磨铣钻头的连续油管下入到步骤(2)确定的套管上的开孔方位处，开泵启动井下马达带动磨铣钻头旋转，在套管上开孔；
(4)将上述喷射管串下入到深度导向器所在的位置处；
(5)地面启动泵注系统，利用所述喷嘴进行喷射施工；
(6)判断是否所有裂缝施工完毕，如果是，则进入步骤(7)，如果否，则提出所述喷射管串，然后返回步骤(2)；
(7)压后钻塞、返排、测试及生产。
所述步骤(1)中的所述地面沉降系统包括位于地面上的一次沉降罐、二次沉降罐；
在所述一次沉降罐的壁上开有孔，在该孔内安装有闸门；在所述二次沉降罐的壁上开有孔，在该孔内安装有闸门；
将套管的放喷口与一次沉降罐的顶部连接；将一次沉降罐的闸门与所述二次沉降罐的顶部连接；将二次沉降罐的闸门与泵车的低压管汇连接。
所述步骤(5)的操作包括：
按照从最小排量到最大排量，再从最大排量到最小排量的形式多次循环往复进行喷射施工；
每个排量的注入时间为1.5-2min；
在进行喷射施工的同时，不断下入喷射管串，直到连续油管伸入到井中的长度达到50m以上。
所述步骤(5)进一步包括：在进行喷射施工的同时，从套管放喷口排出的带岩屑的压裂液经过所述地面沉降系统后进入泵车的低压管汇中，实现了压裂液的循环使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的新型喷嘴结构简单、运动轨迹便于控制，形成的纵向喷射裂缝的宽度可控，而且本发明方法实现了压裂液的循环使用。
附图说明
图1本发明定面水力喷射压裂喷嘴的等轴侧视图；
图2本发明定面水力喷射压裂喷嘴的左视图；
图3本发明定面水力喷射压裂喷嘴的剖视图；
图4本发明定面水力喷射压裂喷嘴的右视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明的定面水力喷射压裂喷嘴如图1到图4所示，所述喷嘴包括连接成一体且同轴线设置的喷嘴本体和喷嘴头，所述喷嘴本体为两端开口的圆筒状结构，一端为首端，另一端为尾端，所述喷嘴头为弧形圆面结构，即球面的一部分，该球面的直径与圆筒状结构的直径相同，两者的内腔连通，所述喷嘴头的边缘与所述喷嘴本体的首端连接，形成一个中心轴截面形状为长方形加弧形的形状，如图3所示。
在所述喷嘴头上开有喷射缝和多个喷射孔眼，所述喷射缝位于所述喷嘴头的中心轴截面上，为弧形，在所述喷射缝的两侧均布有多个喷射孔眼，优选的，喷射孔眼为圆形，各个喷射孔眼的圆心位于同一个圆周上，且所有喷射孔眼的中心轴线相交于喷嘴的中心轴线上。
在所述喷射本体的另一端的壁上开有多个动力孔眼，每个动力孔眼的入口端与喷嘴的内腔连通，出口端与喷嘴的外部连通，且入口端比出口端靠近所述喷嘴头。每个动力孔眼的中心轴线与喷嘴的中心轴线相交，多个动力孔眼在圆周上均布。
本发明的喷射缝形成的扇形裂缝宽度可控，侧向后的动力孔眼为喷嘴提供前进的动力，喷嘴前端的喷射孔眼向前喷射，喷射形成的孔眼足够大，侧向后的动力孔眼的直径大于喷嘴前端的喷射孔眼的直径，出射流体流量大，提供动力大于前面的喷射孔眼喷射的阻力，因此将喷嘴向前推进，送入喷射管串时可以顺畅地进入。
利用本发明的喷嘴能形成扇面裂缝。本发明的喷嘴与常规的喷嘴不同，该喷嘴不是安装在枪体的侧面方向而是通过现有的连续管专用的软管接头安装在软管的前端，且纵向喷射缝为扇形，纵向喷射缝的弧线长度及宽度可控(在设计时根据实际需要涉及弧线的长度和宽度)，只要满足设计排量条件下，喷射速度应达130m/s以上，且速度越高越好。这样在喷射的同时，可形成扇形分布的裂缝面。喷嘴的纵向喷射缝的中心角越大，则形成的扇形裂缝的近井缝高越大。而且，随着喷嘴不断向前推进，则形成的裂缝基本可最大限度地覆盖有效的储层厚度范围。
本发明的实施例如下：
实施例一：
根据实际需要确定参数，喷嘴扇形缝的弧线对应角度为120°、宽度0.5mm，前端布局6个圆形喷射孔眼，孔眼直径为1.5mm，喷嘴斜向后侧的动力喷嘴孔眼4个，直径2.5mm，设计排量0.6-0.9m3/min下，喷射速度应达130m/s以上。这样在喷射的同时，可形成扇形分布的裂缝面。随着喷嘴不断向前推进，则形成的裂缝基本可最大限度地覆盖有效的储层厚度范围。
实施例二：
本发明还提供了一种喷射管串，所述喷射管串包括依次连接的连续油管、高压软管和上述喷嘴。所述连续油管的下端与高压软管的后端连接，将高压软管的前端与上述喷嘴的喷嘴本体的尾端连接，形成喷射管串。
实施例三：
为了重复利用压裂液，本发明还设计了一种地面沉降系统，使用后的压裂液经过地面沉降系统后回到泵车内，即可进行重复使用。所述地面沉降系统包括一次沉降罐、二次沉降罐。将套管的放喷口与位于地面上的一次沉降罐的顶部连接，以将返出的带岩屑的返排液沉降，先经过一次沉降罐进行沉降，将携带的不同粒径的岩屑沉降到罐底，可在距离一次沉降罐的罐底一定高度上(例如距离罐底1/2高度的位置)开孔，在该孔内安装闸门，闸门采用普通的球阀即可，然后将闸门连接到泵车的低压管汇中。为了增加沉降效果，将一次沉降罐上的闸门与二次沉降罐的顶部连接，在距离二次沉降罐的罐底一定高度上(例如距离罐底1/2高度的位置)开孔，在该孔内安装闸门，将闸门与泵车的低压管汇相连接，从而实现压裂液的实时循环利用，而且经过两次沉降，提高了沉降效果。
实施例四：
应用本发明喷嘴进行定面水力喷射压裂的方法如下：
(1)将套管与上述地面沉降系统连接，将沉降系统与泵车的低压管汇连接；
(2)导向器入井。用常规普通油管送深度导向器入井，再用电缆送定位仪入井，测定深度导向器的位置，最后用电缆送陀螺仪入井，确定套管上的开孔方位。该步骤的操作方法均为常规方法，在此不再赘述。
(3)套管开孔，将携带磨铣钻头的连续油管下入到步骤(2)确定的套管上的开孔方位处，开泵启动井下马达带动磨铣钻头旋转，在套管上开孔。
(4)喷射管串入井：将喷射管串下入到深度导向器所在的位置处。
(5)喷射钻进作业。地面启动泵注系统(采用现有的系统即可)，水力喷射钻进，喷射形成喷射面。
基于目标井层的井深、地应力等条件，按设计排量(本实施例中是指“设计排量0.6-0.9m3/min”)，不断在最大与最小排量之间变化排量，按从最小排量到最大排量，再从最大排量到最小排量，如此多次循环往复进行(是按照设定的步长依次增加排量或者减小排量，步长根据实际需要进行设计，例如步长设为0.05，即依次从0.6、0.65、0.7一直到0.9，反之亦然)。每个排量的注入时间可为1.5-2min。在喷射的同时，不断下入喷射管串。只要喷射形成的裂缝宽度可容纳喷射管串，则喷射动作本身可以携带管串向前运移。以此一直施工，最终将伸入的管串长度达到50m以上，即连续油管伸入到井下的深度达到50m以上。
在喷射施工的同时，从套管放喷口排出的带岩屑的压裂液经过一次沉降罐、二次沉降罐后，最终进入泵车的低压管汇中。
(6)判断是否所有裂缝施工完毕，如果是，则进入步骤(7)，如果否，则提出喷射管串，然后返回步骤(2)，即进行下一条裂缝的施工；
(7)压后钻塞、返排、测试及生产等，参照常规流程及参数执行即可。
本发明提出一种压裂液实时循环利用的远井定面喷射压裂技术，新设计的喷嘴喷射形成的扇形裂缝宽度可控，侧动力喷嘴孔眼为喷嘴前进提供动力，喷嘴前端的喷射孔眼向前喷射，喷射形成的孔眼足够大，以便于喷嘴向前推进，喷嘴结构简单运动轨迹便于控制，压裂作业中设置了地面沉降系统，实现压裂液循环利用。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种定面水力喷射压裂喷嘴，其特征在于：所述定面水力喷射压裂喷嘴包括：
连接成一体且同轴线设置的喷嘴本体和喷嘴头；
所述喷嘴本体为两端开口的圆筒状结构，一端为首端，另一端为尾端；
所述喷嘴头为弧形圆面结构，其直径与圆筒状结构的直径相同；
所述喷嘴头的边缘与所述喷嘴本体的首端连接，两者的内腔连通；
在所述喷嘴本体上开有动力孔眼；
在所述喷嘴头上开有喷射缝和喷射孔眼。
2.根据权利要求1所述的定面水力喷射压裂喷嘴，其特征在于：所述定面水力喷射压裂喷嘴的中心轴截面的形状为长方形外接弧形的形状。
3.根据权利要求1所述的定面水力喷射压裂喷嘴，其特征在于：在所述喷嘴头上开有喷射缝和多个喷射孔眼；
所述喷射缝位于所述喷嘴头的中心轴截面上，其形状为弧形；
在所述喷射缝的两侧分别设置有多个喷射孔眼，且喷射缝两侧的喷射孔眼对称设置。
4.根据权利要求3所述的定面水力喷射压裂喷嘴，其特征在于：每个所述喷射孔眼的形状为圆形，各个喷射孔眼的圆心位于同一个圆周上；
所有喷射孔眼的中心轴线相交于喷嘴的中心轴线上。
5.根据权利要求1所述的定面水力喷射压裂喷嘴，其特征在于：在所述喷射本体的壁上开有多个动力孔眼；
每个所述动力孔眼的入口端与喷嘴本体的内腔连通，出口端与喷嘴本体的外部连通，且入口端比出口端靠近所述喷嘴头；
每个动力孔眼的中心轴线与喷嘴本体的中心轴线相交；
多个动力孔眼在圆周上均布。
6.一种喷射管串，其特征在于：所述喷射管串包括依次连接的连续油管、高压软管和如权利要求1-5任一项所述的定面水力喷射压裂喷嘴；
所述连续油管的下端与高压软管的后端连接，所述高压软管的前端与所述定面水力喷射压裂喷嘴的喷嘴本体的尾端连接。
7.一种定面水力喷射压裂的方法，其特征在于：所述方法包括：
(1)将套管与地面沉降系统连接，将地面沉降系统与泵车的低压管汇连接；
(2)利用常规普通油管送深度导向器入井，再用电缆送定位仪入井，测定深度导向器的位置，最后用电缆送陀螺仪入井，确定套管上的开孔方位；
(3)将携带磨铣钻头的连续油管下入到步骤(2)确定的套管上的开孔方位处，开泵启动井下马达带动磨铣钻头旋转，在套管上开孔；
(4)将如权利要求6所述的喷射管串下入到深度导向器所在的位置处；
(5)地面启动泵注系统，利用如权利要求1-5任一项所述的定面水力喷射压裂喷嘴进行喷射施工；
(6)判断是否所有裂缝施工完毕，如果是，则进入步骤(7)，如果否，则提出所述喷射管串，然后返回步骤(2)；
(7)压后钻塞、返排、测试及生产。
8.根据权利要求7所述的定面水力喷射压裂方法，其特征在于：
所述步骤(1)中的所述地面沉降系统包括位于地面上的一次沉降罐、二次沉降罐；
在所述一次沉降罐的壁上开有孔，在该孔内安装有闸门；在所述二次沉降罐的壁上开有孔，在该孔内安装有闸门；
将套管的放喷口与一次沉降罐的顶部连接；将一次沉降罐的闸门与所述二次沉降罐的顶部连接；将二次沉降罐的闸门与泵车的低压管汇连接。
9.根据权利要求7所述的定面水力喷射压裂方法，其特征在于：所述步骤(5)的操作包括：
按照从最小排量到最大排量，再从最大排量到最小排量的形式多次循环往复进行喷射施工；
每个排量的注入时间为1.5-2min；
在进行喷射施工的同时，不断下入喷射管串，直到连续油管伸入到井中的长度达到50m以上。
10.根据权利要求7所述的定面水力喷射压裂方法，其特征在于：所述步骤(5)进一步包括：在进行喷射施工的同时，从套管放喷口排出的带岩屑的压裂液经过所述地面沉降系统后进入泵车的低压管汇中。
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