专利名称：集束压裂器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到对传统的高能气体压裂装置的技术创新，具体涉及一种新型的，油气井高能气体压裂使用的集束压裂器。
背景技术：
众所周知，石油是我国国民经济发展的重要的能源材料。随着我国国民经济日益迅速的发展，各行各业对能源材料的需求越来越旺盛。因此，提高石油工业的产量是国民经济发展的迫切需要。在目前，提高石油产量的可靠途径之一就是不断采用新技术，依靠科技的力量加速石油工业的发展。
高能气体压裂是上一个世纪80年代在我国开始推广应用的采油新技术之一。其技术原理是利用火药或推进剂燃烧产生的高温高压燃烧气体对油气储集层进行动力加载，当燃气压力大于地层的破裂压力时，使地层产生多条辐射状的裂缝，改善地层的渗透率，减少油流阻力，从而使油气井得到大幅度的增产。
高能气体压裂在我国油气田的推广应用经历了几个阶段第一个阶段是推广应用分段燃烧式钢壳体套管井压裂弹。在1988年～1995年期间，分段燃烧式套管井压裂弹曾在江苏油田、玉门油田、胜利油田、长庆油田、大庆油田、辽河油田、吉林油田、华北油田、中原油田、河南油田、克拉玛依油田、吐哈油田等油田广泛推广应用。虽然不少油气井都取得了较好的压裂增产效果，但使用过程中也发生了不少的施工作业问题。其中最主要的问题是由于高能气体压裂装置的设计技术缺陷，由上至下分段燃烧的压裂弹装药会发生弹内的压力累积和叠加，因此，当火药或推进剂装药燃烧至最后几级时，弹内压力的累积和叠加产生了超过弹体连接强度的高压，致使弹壳脱落掉入井中。由此引起了高能气体压裂施工之后，需要二次施工作业打捞井内落物的作业事故。由于打捞作业费工费时，影响油气井的正常投产，所以，高能气体压裂的优点渐渐被其技术缺陷所埋没。这一技术在油田推广应用的热情逐渐消退。
第二阶段是推广应用破碎燃烧式无壳压裂弹。在1996年～本世纪初，为了改进高能气体压裂装置的性能，消除分段燃烧式钢壳体套管井压裂弹壳体易脱落掉井，常常需要二次施工打捞落物的弊端，从事高能气体压裂的技术人员又推出了破碎燃烧式无壳压裂弹。这种产品推出之后，也在各个油田进行了普遍的推广应用。但是，随着产品的不断应用，也渐渐暴露出了许多设计问题。其一就是由于压裂弹火药装药没有壳体的约束，而且火药的破碎式燃烧是不可控制的增面燃烧。因此，火药燃烧瞬间形成的压力会特别高，极有可能超过油气井套管的耐压极限，造成油气井套管的损坏，因而会酿成很大的作业事故，这是油田用户不能允许的。其二是无壳压裂弹的中心有一根点传火芯管，它是用钢材或合金铝材制作的。其纵长方向上开有4条预裂槽。当点传火芯管实施点火时，预裂槽开裂。在内部压力作用下它会变成灯笼架的形状，卡在井筒内。虽然无壳压裂弹不会有弹壳脱落物的问题。但是，其大量的变形成灯笼架状的芯管金属遗落在井内，也给油气井的后续作业工程带来了许多麻烦。在华北油田某油区，经过高能气体压裂过的油气井，后续作业过程中都打捞出了很多遗落的变形了的金属管芯。实践证明，破碎式燃烧无壳压裂弹也并没有解决异物落井问题。由于上述问题的存在，使高能气体压裂技术在我国的推广应用受到了很大的阻碍。
实用新型内容在分析了以上二种高能气体压裂装置的设计缺陷和弊端之后，我们研制开发成功了本实用新型的集束压裂器。它消除和克服了以前高能气体压裂装置的种种技术缺陷和设计弊端，使高能气体压裂的安全性，实用性及有效性大大提高，为大幅度增加油气井的产能开辟了新的技术途径。
本实用新型的技术解决方案是一种集束压裂器，由集束压裂器壳体、同步点火器、集束压裂装药、集束燃气排气装置、弹体自锁紧装置和压力测试装置组成，集束压裂器壳体内设有多段集束压裂装药，每段集束压裂装药内设有同步点火器，壳体管壁上设有集束燃气排气装置，多段壳体之间套接，壳体端部设有弹体自锁紧装置，壳体底部设有压力测试装置。
压裂器壳体由高强度的钢材制成集束压裂器壳体的耐压强度等同于油气井套管的耐压强度，壳体上设有集束燃气排气装置，集束燃气排气装置包括燃气流排泄孔，排泄孔端口设有高强度钢和耐热橡胶胶制作的复合封堵片。
所述的弹体自锁紧装置由下述部分构成两段壳体端部设有梯形螺纹套接，两段壳体之间设有密封圈。
压裂器内的集束压裂装药采用高燃速——低燃速——高燃速——低燃速推进剂的组合装药压制而成，集束压裂装药的内、外表面采用阻燃材料包复。
集束压裂装药两端设有导流孔。
压力测试装置内设有两个测压仓，每一个测压仓内都设有能测定峰值压力的铜柱测压器和贮存式P-T曲线测试器，一个测压仓的测压口朝向集束压裂器内部，另一个测压仓的测压口朝向集束压裂器外部的环空空间。
本实用新型是对传统的高能气体压裂装置的技术创新，其目的是消除和克服传统的高能气体压裂装置的技术缺陷，获得高能量的集束燃气流，对油气层实施脉冲加载压裂。使油气储集层产生多条幅射状长裂缝，有效地改善油气井近井地带的渗透性，并与地层天然裂缝有效沟通，形成裂缝网络，创造油流通道，减少油流阻力，大幅度地提高油气井的产能。本实用新型产品技术原理先进，设计结构独特、新颖，使用安全，工艺简便，不损伤油气井套管，在油气井中不遗留落物，功效高，成本低，经济效益好。是适合油气井高能气体压裂的最先进的技术产品。
图1为本实用新型结构示意图。
图2为集束燃气排气装置结构示意图。
图3为弹体自锁紧装置结构示意图。
图4为集束压裂装药结构示意图。
具体实施方式
一种集束压裂器，由集束压裂器壳体1、同步点火器2、集束压裂装药3、集束燃气排气装置4、弹体自锁紧装置5和压力测试装置6组成，集束压裂器壳体1内设有多段集束压裂装药3，每段集束压裂装药3内设有同步点火器2，壳体1的管壁上设有集束燃气排气装置4，多段壳体1之间套接，壳体1端部设有弹体自锁紧装置5，壳体1底部设有压力测试装置。
首先，为了安全地实施高能气体压裂，保护油气井套管不受损伤，本实用新型完全改变了无壳压裂弹的设计，采用了新型结构的集束压裂器的钢制壳体1，使推进剂装药完全约束在壳体之中可控制地燃烧，这样，就完全消失了不可控制燃烧产生的高压燃气对油气井套管7的破坏威胁。可确保压裂施工的安全作业。
其次，本实用新型的设计思想是从设计结构上进行技术创新，完全改变了分段燃烧的装药设计思想，并创新设计出弹体自锁紧装置5，以期完全解决压裂装置壳体脱落的问题。使压裂作业完成之后，壳体能够完整的从井中取出，不留任何遗物，不造成二次施工打捞的麻烦，确保安全施工。
本实用新型的集束压裂器壳体1采用高强度钢材制作，其耐压强度与油气井套管相当，集束压裂装药3全部约束在壳体内燃烧，因此，只要压裂器壳体1不破裂，不损伤，能从油井中完整取出，油田用户就完全可以放心油井套管7的安全性。确信压裂过程绝不会损伤套管。压裂器壳体1的约束对油井套管的安全起到了可靠的保护作用。
在压裂器壳体1的管壁上，开有供集束燃气流向外排泄的燃气排气装置4(参见图2)。与以前的高能气体压裂弹不同的是，集束燃气排气装置包括燃气流排泄孔11，排泄孔11端口设有高强度钢12和耐热橡胶13制作的复合封堵片进行封堵。复合封堵片不仅具有很高的耐压强度，可以耐受井筒中的液柱压力。而且也具有很高的耐热性能。可以耐受井筒中液体的高温，复合封堵的效果非常好。其封堵作业方便，可靠，不会发生漏水事故。
本实用新型改变了以前的套管井高能气体压裂弹分段式的燃烧的装药结构设计。认为分段式燃烧的装药设计会产生弹内的压力累积和压力叠加。特别在后几级装药中，累积和叠加的高压会造成弹体连接的破坏，发生弹壳脱落掉井事故。本实用新型的集束压裂器采用了各段集束压裂装药同时分别点火燃烧的装药模式，这样，每一段集束压裂装药都在本段壳体1内燃烧，不会出现压力逐段累积叠加的问题，弹体连接遭受损害的问题得到了根本解决。
为了实现集束压裂器内压裂装药的同时点火，在集束压裂器内每段压裂装药3内设计安装有同步点火器2，不论集束压裂器采用电缆点火方式还是撞击点火方式，点火信号都可瞬时由上而下传递至各段压裂装药的同步点火器内，引发同步点火器，将各段压裂装药同步点火。实现同步点火之后，各段压裂装药都分别在自身的壳体内燃烧，有效地避免了从上至下的堆积燃烧，也有效地防止了压力在后几级壳体内的累积和叠加，从设计结构上消除了弹壳连接发生损坏的弊端，有效地防止了掉弹壳问题地发生。
此外，为了进一步预防弹壳脱落事故的发生，本实用新型在弹体连接上采用了弹体自锁紧装置5(参见图3)的设计结构。所述的弹体自锁紧装置5由下述部分构成两段壳体1端部设有梯形螺纹15套接，两段壳体1之间设有密封圈14。其技术特点是当压裂器内压裂装药3燃烧之后，压裂器内产生的燃气压力作用到弹体壳体1上时，正压力作用到壳体器壁斜面上产生了侧向分压力。在此分压力的作用下，弹壳连接会产生自锁紧力，使弹体连接的密封圈14和梯形螺纹15的连接作用越来越紧，而不会产生滑脱拉力，这就进一步保证了弹体连接的可靠性。
为了提高和改进集束压裂器对油气井进行高能气体压裂的有效性，对集束压裂器中的集束压裂装药3也进行了较大的技术改进。传统的套管井高能气体压裂弹中的火药或推进剂装药是无约束的散装药，也就是将火药或推进剂散乱地填装在压裂弹壳体内。火药的燃烧是无序的和不可控制的。而本实用新型的压裂装药是专门压制组装而成的推进剂成型装药(参见图4)，装药体呈圆筒状结构，其内表面18和外表面19都用阻燃材料进行了包复，装药体中的火药或推进剂只能沿着燃烧面可控地燃烧。在其纵向组合结构中，推进剂是由高燃速16——低燃速17——高燃速16——低燃速17的不同燃速的推进剂组合压制而成的。在压裂装药的燃烧过程中，压裂器内的压力呈现高压力——低压力——高压力——低压力的脉动变化。这样，压裂器内的燃气向地层集束喷发时，会显现出脉冲式的压力变化。地层岩石在脉冲压力的作用下，会不断向前劈裂变化，有利于裂缝8的不断延伸、扩展和形成支叉状裂缝体系。压裂造缝效果大大提高。由此，井筒7与油气储集层10的沟通效果会根本改善，压裂增产效果会大幅的地提高。为了实现火药燃气的集束排放，有效地对地层实施动力脉冲加载压裂，在集束压裂装药周围设计了集束燃气排气装置4，集束压裂装药(3)两端设有导流孔(20)，集束燃气排气4装置采用了火箭推进器的拉瓦尔喷管设计原理，使火药燃气经导流孔20进入收敛器，然后进入扩张器，火药燃气在排气装置导流孔(20)的导引下加速成高速燃气流，集束向地层油气储集层10喷发，使火药燃气能量更加集中地对地层实施压裂做功，提高压裂做功效率。
此外，为了正确地评估集束压裂器的压裂作用，在集束压裂器的尾端设计有压力测试装置6，在压力测试装置内有两个测压仓。每一个测压仓内都装有能测定峰值压力的铜柱测压器和贮存式P-T曲线测试器。一个测压仓的测压口朝向集束压裂器内部。另一个测压仓的测压口朝向集束压裂器外部的环空空向。这样可以将压裂器内和井内的峰值压力及P-T曲线测定并记录下来。
本实用新型的集束压裂器经过上述设计改进和技术创新之后，突出地解决了以前套管井高能气体压裂弹和无壳压裂弹的许多设计技术缺陷和弊端，显示出了许多突出的技术特点，达到了技术创新的新水平，使高能气体压裂施工作业更为安全，高效。
本实用新型的集束压裂器在地面进行了性能检测试验。试验使用的是直径5米，高度为1.2米的环形混凝土靶。混凝土靶中心浇注有5英寸的油井套管。套管中放置有1米长的集束压裂器，装药量为2.5kg/m。试验时，用电缆点火，火药集束压裂装药瞬时点燃，高速燃气流集束定向喷发，使半径2.5米的混凝土靶在4个方向上完全劈裂。油井套管完好无损，集束压裂器壳体无任何变形，完全达到了设计目的。
实施例一T5131井，井深2918m，油层厚度5.8m，油层位置2512.2～2518m，岩性砂岩。该井由于渗透率低，投产后一直产量较低，日产液5M3/d，日产油2.5t/d，2004年9月采用集束压裂器进行高能气体压裂，施工作业顺利，作业后，6m长压裂器从井中完整提出，压裂器壳体无任何变形，压裂装药全部燃烧，无任何井中落物。压裂后，日产液19M3/d，日产油8.5t/d，增产效果非常显著。
实施例二y4583井，井深2319m，油层厚度8.6m，油层位置1934.5～1943.1m。岩性灰质细砂岩。该井投产后，产量逐年下降，目前产量较低，日产液8M3/d，日产油3.6t/d。2005年4月采用集束压裂器进行压裂，施工作业顺利。压裂作业后，集束压裂器从井中完整提出，无任何损坏。压裂装药燃烧完全，井内无任何落物。压裂后迅速投产，日产液达26M3/d，日产油9.5t/d。压裂增产效果非常好。
权利要求1.一种集束压裂器，其特征在于由集束压裂器壳体(1)、同步点火器(2)、集束压裂装药(3)、集束燃气排气装置(4)、弹体自锁紧装置(5)和压力测试装置(6)组成，集束压裂器壳体(1)内设有多段集束压裂装药(3)，每段集束压裂装药(3)内设有同步点火器(2)，壳体(1)上设有集束燃气排气装置(4)，多段壳体(1)之间套接，壳体(1)端部设有弹体自锁紧装置(5)，壳体(1)底部设有压力测试装置(6)。
2.根据权利要求1所述的集束压裂器，其特征在于压裂器壳体(1)由高强度的钢材制成，集束压裂器壳体(1)的耐压强度等同于油气井套管的耐压强度，壳体(1)的管壁上设有集束燃气排气装置(4)，集束燃气排气装置包括燃气流排泄孔(11)，排泄孔(11)端口设有高强度钢(12)和耐热橡胶(13)制作的复合封堵片。
3.根据权利要求1所述的集束压裂器，其特征在于所述的弹体自锁紧装置(5)由下述部分构成两段壳体(1)端部设有梯形螺纹(15)套接，两段壳体(1)之间设有密封圈(14)。
4.按照权利要求1所述得集束压裂器，其特征在于压裂器内的集束压裂装药(3)采用高燃速——低燃速——高燃速——低燃速推进剂的组合装药压制而成，集束压裂装药(3)的内、外表面(18、19)采用阻燃材料包复。
5.按照权利要求1所述的集束压裂器，其特征在于集束压裂装药(3)两端设有导流孔(20)。
6.按照权利要求1所述的集束压裂器，其特征在于压力测试装置(6)内设有两个测压仓，每一个测压仓内都设有能测定峰值压力的铜柱测压器和贮存式P-T曲线测试器，一个测压仓的测压口朝向集束压裂器内部，另一个测压仓的测压口朝向集束压裂器外部的环空空间。
专利摘要本实用新型是一种新型的、油气井压裂使用的集束压裂器。它由集束压裂器壳体、同步点火器、集束压裂装药、集束燃气排气装置、弹体自锁紧装置和压力测试装置组成。本实用新型能够获得高能量的集束燃气流，对油气层实施脉冲加载压裂。使油气储集层产生多条辐射状长裂缝，有效地改善油气井近井地带的渗透性，并与地层天然裂缝有效沟通，形成裂缝网络，创造油流通道，减少油流阻力，大幅度地提高油气井的产能。本实用新型技术原理先进，设计结构独特、新颖，使用安全，工艺简便，不损伤油气井套管，在油气井中不遗留落物，功效高，成本低，经济效益好。
文档编号E21B43/26GK2858947SQ20052007921
公开日2007年1月17日 申请日期2005年8月9日 优先权日2005年8月9日
发明者田志波 申请人:西安奥星能源技术研究所