投球式高能气体压裂装置的制作方法

本发明属于煤层气井压裂技术，具体涉及一种投球式高能气体压裂装置。

背景技术：

在煤层气井压裂增产措施中，水力压裂仍占据主导地位，但水的分子较大，难以进入煤层气所在的基质微孔系统中，且形成的常规破裂裂隙所占比例低，煤层气很难有效地开采，增产效果有限。

鉴于氮气震动压裂在加拿大应用较为广泛，被认为是一项比较有效的煤层气增产措施，因此经过调研目前的氮气震动压裂工艺，深入了解整个氮气震动压裂工具的用途，并结合已有的压裂设备及工艺，对高能气体压裂工具进行初步设计，通过一期水力试验、二期空气试验，以及现场8口井的施工应用情况，结合现场施工中所发现的问题，不断改进高能气体压裂工具，最终研发出适应我国特殊煤储层条件下的投球式高能气体压裂工具。

技术实现要素：

本发明为了解决水力压裂方式形成的破裂裂隙所占比例低，导致煤层气很难有效地开采，增产效果有限的问题，进而提供了一种投球式高能气体压裂装置。

本发明采用如下技术方案：

一种投球式高能气体压裂装置，包括由上到下依次连接的上封隔单元、震动触发单元、能量释放单元、压力记录单元、下封隔单元和导向引鞋，震动触发单元完成对投球密封球的震动，能量释放单元完成对密封球爆裂所产生的高能气体的释放，上封隔单元的顶端通过连续油管与地面压裂车泵车连接。

所述的上封隔单元和下封隔单元分别至少包括两组杯型封隔器，上封隔单元的两组杯型封隔器的皮碗开口向下，下封隔单元的两组杯型封隔器的皮碗开口向上，上封隔单元和下封隔单元构成对高能气体的密封单元。

所述的震动触发单元是一个具有缓冲性能的锥形球座，锥形球座的两端通道宽、中间通道窄，中间窄通道直径小于投球密封球直径，两端宽通道直径大于投球密封球直径。

所述能量释放单元是一个两侧各有一个泄压孔的短节。

所述压力记录单元包括承载体和存储式压力传感器，承载体采用实心油管，存储式压力传感器安装于实心油管端头。

所述密封球的直径为38.1mm或34.9mm。

本发明具有如下有益效果：

1、该装置可利用氮气作为压裂介质，可实现对含有黏土矿物的煤储层中的压裂；

2、该装置的震动触发单元能实现对密封球的震动触发作用，密封球爆炸释放的高能通过能量释放单元的泄压孔进入目的煤储层，引起近井地带的震动，能够在煤基质中发展异常微裂缝网络系统并与原始裂隙沟通，提高煤储层渗透率，改造储层，实现增产；

3、单次下放该压裂装置，可完成单井多层多次拖动式氮气震动压裂工艺（只需要重复投放密封球、拖动该压裂装置即可），实现每口井的每个目的层均实现了多次震动压裂，既节省了时间，也降低了工具串的消耗强度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为震动触发单元的结构示意图；

图3为能量释放单元的结构示意图；

图中：51-上封隔单元、52-震动触发单元、53-能量释放单元、54-压力记录单元、55-下封隔单元、56-导向引鞋、57-母扣、58-锥形球座、59-公扣、60-泄压孔。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示的投球式高能气体压裂装置，包括由上到下依次连接的上封隔单元51、震动触发单元52、能量释放单元53、压力记录单元54、下封隔单元55和导向引鞋56，震动触发单元52完成对投球密封球的震动，能量释放单元53完成对密封球爆裂所产生的高能气体的释放，上封隔单元51的顶端通过连续油管与地面压裂车泵车连接。该装置能满足震动、释放两项主要内容，且释放出的气体能进入到目的层位，各单元所起的作用如下：

1）上、下杯型封隔器单元

上封隔单元51和下封隔单元55分别至少包括两组杯型封隔器，上封隔单元51的两组杯型封隔器的皮碗开口向下，下封隔单元55的两组杯型封隔器的皮碗开口向上，上封隔单元51和下封隔单元55构成对高能气体的密封单元。上封隔器的作用是当震动触发单元动作，高压气体（n2）由连续油管向上下封隔器之间释放时，阻止气体向上泄漏的密封单元，下封隔器的作用是当震动触发单元动作，高压气体（n2）由连续油管向上下封隔器之间释放时，阻止气体向下泄漏的密封单元。

2）震动触发单元

如图2所示，该单元的设计为一个具有缓冲性能的锥形球座，锥形球座的两端通道宽、中间通道窄，中间窄通道直径小于投球密封球直径，两端宽通道直径大于投球密封球直径。在未投球前，因锥形球座只是一个缩径的通道，允许氮气n2自连续油管向杯形封隔器之间及煤层（套管已射孔）流动或扩散；在投球后，密封球卡于锥形球座的中间窄通道处，阻止了n2向下扩散的通道，使地面压裂泵车及该震动触发单元形成密闭空间，在地面压裂泵车的作用下，这个密闭单元储存高压氮气n2，当氮气n2压力达到额定值时，使得密封球体爆裂，连续油管及地面泵车系统中储存的高压n2向煤储层释放（上下封隔器的作用），形成瞬间高压震动，从而改造储层。

3）能量释放单元

能量释放单元的结构如图3所示，主要为一个两侧各有一个泄压孔的短节，当球体破裂时，高压氮气通过该泄压孔进入目的层，引起近井地带的震动，从而形成新的裂缝，改造储层。

4）压力记录单元

压力记录单元是在能量释放单元的下部，位于下封隔器之上，其中包括一段压力记录短节，拟采用一小段实心油管作为压力记录设备的承载体，安装存储式压力传感器，以测量、记录并保存在震动压裂过程中井底压力的变化情况，便于后期数据分析及不同井氮气震动压裂试验成果的比较。

5）密封球的设计

用于坐封及开启的密封球是最关键的一个部件，要求该密封球具有一定的抗压能力，采用特殊的材料制成，既有抗压能力又能在指定的压力范围内爆裂从而开启气体通道，坐封球的大小选择11/2″（38.1mm）或13/8″（34.9mm）。密封球为成熟产品，只需要根据煤层条件选择合适抗压值和直径的密封球即可。

该装置用于井下震动压裂工艺施工时，压裂装置的顶端通过注入头与地面连续油管相连，连续油管与地面压裂泵车相连，具体施工工艺如下：

1）井口投球

氮气震动压裂过程中，先通过连续油管自井口向井下的该压裂装置进行投球，同时注入高能气体（n2）。

2）投球到位，持续加压

当投球到位（即锥形球座处）后，震动触发单元阻止了高能气体（n2）向下扩散，使地面压裂车及震动触发单元形成密闭空间，在地面压裂车的作用下，密闭震动触发单元储存高压气体（n2）。

3）高压震动，改造储层

当高压气体（n2）压力达到额定值时球体爆裂，连续油管及地面泵车系统中储存的高压气体（n2）向煤储层释放（上、下封隔器的作用），形成瞬间高压震动，从而改造储层。

4）压力记录

采用一小段实心油管作为压力记录设备的承载体，安装存储式压力传感器，以测量、记录并保存在震动压裂过程中井底压力的变化情况，便于后期数据分析及不同井氮气震动压裂试验成果的比较。