一种连续油管分段压裂管柱及管柱压裂方法与流程

本发明涉及井下压裂作业技术领域，尤其涉及一种连续油管分段压裂管柱及应用该压裂管柱的分段压裂方法。

背景技术：

近年来，国内外研究表明压裂施工过程中增加裂缝的复杂程度可以有效提高低渗透油、气藏单井产量，最终提高油气藏采收率。目前，体积压裂是非常规页岩气藏开发构建复杂缝网的主要技术手段，在水力压裂过程中采用大排量、大砂量、大液量、低砂比的注入方式使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移,形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，但是采用该项工艺技术施工成本高，并不适用于致密油气藏的开发。国内外应用连续油管喷射分段压裂的一般方法是，在套管固井完井水平井内，采用连续油管下入带水力喷射工具的管柱串，从连续油管加砂喷砂射孔后，套管加砂压裂。压裂完一段后，在套管内留置一段砂塞作为隔离，拖动管柱到下一段进行喷砂射孔及压裂施工。这种方法采用套管压裂，可以实现较大规模的压裂。但是，砂塞作为分段隔离，需要较长的水平段，压裂完成后需要用连续油管将砂塞冲洗出井筒。该工艺存在着施工周期较长，压裂液返排不及时污染油层，填砂需要较长水平段，砂塞冲洗困难等问题。

另一种方法是采用连续油管下带封隔器作为隔离方法的压裂管柱，如专利号是201210182455.0的《一种连续油管分段喷砂射孔套管压裂管柱及套管压裂方法》，分段的工具采用机械式连续油管压裂封隔器，采用套管压裂，可以实现较大规模的压裂。

但是，两种连续油管压裂方法都是普通的连续加砂，依靠静压压开裂缝、然后裂缝延伸，这种施工方法不易形成复杂的裂缝缝网，对提高致密油气藏的采收率还有一定的限度。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于致密砂岩的各种直井、斜井及水平井等井型的分段压裂作业的连续油管分段压裂管柱以及利用该压裂管柱进行分段压裂的方法。

本发明的连续油管分段压裂管柱，包括依次连接在连续油管上的安全接头、水力喷射器、扶正器和机械定位器，在所述扶正器和所述机械定位器之间还连接有可控开关式脉冲喷砂器和机械式封隔器。

在一个实施方式中，所述可控开关式脉冲喷砂器包括中心体，所述中心体上设置有中心体流道口，所述中心体能在所述可控开关式脉冲喷砂器内部沿脉冲喷砂器的轴向滑动，在脉冲喷砂器本体上设置有与中心体流道口相对应的本体流道口，通过中心体沿脉冲喷射器轴线的滑动控制可控开关式脉冲喷砂器的打开与关闭。当中心体滑动到中心体流道口与滑套流道口相对的位置时，脉冲喷砂器处于打开状态，此时，中心体的下端和脉冲喷砂器本体上的密封座接触。当中心体滑动到中心体流道口与本体流道口完全错开的位置时，可控开关式脉冲喷砂器处于打开状态，此时中心体上的限位台阶和脉冲喷砂器本体上的限位台阶接触。

在一个实施方式中，所述机械定位器的末端还依次连接有导向头，以方便管柱在井下的下入。

本发明的连续油管分段裂管柱结构简单，换层施工迅速，管柱可靠性和安全性高，下放一趟管柱可以实现对致密油气藏油气井完成多级多段喷砂射孔、井底混砂压裂及环空大排量压裂的复合方式的分段压裂作业，可以形成复杂的裂缝网络，提高致密储层改造的波及体积，提高致密油气藏的分段压裂作业效率，降低开发成本和提高压裂开发效果。

本发明还提供了一种使用上述连续油管分段压裂管柱的分段压裂方法，包括以下步骤：

步骤一，将连续油管分段压裂管柱入井；

步骤二，调整连续油管分段压裂管柱入井深度，将水力喷射器调整至目的层位置并完成水力射孔；

步骤三，调整连续油管分段压裂管柱，使脉冲喷砂器位于射孔部位上方后完成机械封隔器坐封，并打开可控开关式脉冲喷砂器；

步骤四，对施工段进行脉冲加砂压裂和环空加砂压裂，待环空加砂压裂结束后，关井测压降。

步骤五：测压降结束后，进行反洗井一周，然后上提连续油管分段压裂管柱至下一施工段，重复进行步骤二、三、四，对下一施工段进行射孔、脉冲加砂压裂和环空加砂压裂；

步骤六：重复步骤五，直至完成后续段压裂施工作业。

在一个实施方式中，所述步骤四中在进行脉冲加砂压裂阶段，在脉冲加砂压裂前期，在所述连续油管内注入砂比为40％～85％的高浓度含砂压裂液，环空注入无砂压裂基液，在脉冲加砂压裂后期，在所述连续油管内注入压裂基液，顶替连续油管内含砂压裂液用压裂基液。

在一个实施方式中，所述步骤四中，在进行环空加砂压裂阶段，在环空加砂压裂前期，在所述连续油管内注入压裂基液，环空大排量注入含砂压裂液。优选的，环空大排量注入砂比为15％～50％的高浓度含砂压裂液，在环空加砂压裂后期，环空内注入压裂基液，顶替环空内的含砂压裂液用压裂基液。

在一个实施方式中，所述环空加砂压裂过程中，高浓度含砂压裂液通过大排量连续阶梯式注入环空内，压裂基液变排量或恒排量注入连续油管内。

在一个实施方式中，在环空压裂施工后期，压裂基液的顶替量为井筒容积的1.2-1.4倍。

在一个实施方式中，所述步骤四中进行脉冲加砂压裂前，还需要进行脉冲压裂参数优化，根据地层地应力数值的大小及应力差的不同情况，模拟地层破裂及转向所需净压力的数值大小，合理确定脉冲类型及脉冲模式的组合方式，确定脉冲时间长短及脉冲排量组合。

在一个实施方式中，在脉冲加砂压裂阶段，应用压裂砂为40～100目。

与现有技术相比，本发明的连续油管分段压裂管柱结构简单，换层施工迅速，管柱可靠性和安全性高，其分段压裂方法简单方便，可一趟管柱实现油气井的分段定点喷射射孔、脉冲加砂压裂及环空加砂压裂的复合压裂改造，大幅度提高致密油气藏分层、分段改造效果，提高储层改造裂缝的复杂程度、导流能力及波及体积，可大幅度提高压裂井的压裂增产效果。

上述技术特征可以各种技术上可行的方式组合以产生新的实施方案，只要能够实现本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的连续油管分段压裂管柱结构示意图；

图2显示了图1中脉冲喷砂器的结构示意图；

图3显示了图2中的脉冲喷砂器打开状态的结构示意图；

图4显示了图2中的脉冲喷砂器关闭状态的结构示意图；

图5显示了图1中的机械式封隔器的结构示意图；

图6显示了本发明实施例中环空排量为一升一降的变化模式示意图；

图7显示了本发明实施例中环空排量为升-降-升-直降-升的变化模式示意图；

图8显示了本发明实施例中环空排量为升-降-升-降-升的变化模式示意图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

其中，附图标记为：

1、连续油管；2、连续油管接头；3、安全接头；4、水力喷射器；5、扶正器；6、可控开关式脉冲喷砂器；7、机械式封隔器；8、机械定位器；9、导向头；61、中心体；62、中心体流道口；63、本体流道口；64、中心体限位台阶；65、本体限位台阶；66、本体密封座；67、中心体下端；71、上接头；72、密封胶筒；73、坐封体；74、卡瓦；75、封隔器扶正体；76、下接头；100、连续油管分段压裂管柱。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

如图1所示，本发明的连续油管分段压裂管柱100，包括依次连接在连续油管1上的安全接头3、水力喷射器4、扶正器5和机械定位器8，在扶正器5和机械定位器8之间还连接有可控开关式脉冲喷砂器6和机械式封隔器7，在机械定位器8的另一端还设置有导向头9，各部件之间通过油管螺纹连接。

如图2、图3及图4所示，在一个可选的实施例中，可控开关式脉冲喷砂器6包括中心体61，中心体61上设置有中心体流道口62，中心体61能在可控开关式脉冲喷砂器6内部沿可控开关式脉冲喷砂器6的轴向滑动，脉冲喷砂器本体上设置有与中心体流道口62相对应的本体流道口63，通过中心体61沿可控开关式脉冲喷射器6轴线的滑动控制脉冲喷砂器的打开与关闭。当中心体61滑动到中心体流道口62与本体流道口63相对的位置时，可控开关式脉冲喷砂器6处于打开状态，此时，中心体下端67和脉冲喷砂器本体上的密封座66接触。当中心体61滑动到中心体流道口62与本体流道口63完全错开的位置时，可控开关式脉冲喷砂器6处于关闭状态，此时中心体61上的中心体限位台阶64和脉冲喷砂器本体上的本体限位台阶65接触。

在机械定位器8末端还设置有导向头9，方便管柱下入。

水力喷射器4及机械封隔器7可以选用本领域常用的装置。在本实施例中，如图5所示，机械式封隔器7包括中心管、卡瓦74、坐封体73及密封胶筒72，中心管上设置有坐封轨道和解封轨道，将卡瓦74、坐封体73和密封胶筒72安装在中心管上，中心管的两端分别连接有上接头71和下接头76，下接头76通过封隔器扶正体75与卡瓦74相连。

本发明的连续油管分段压裂管柱结构简单，工具可靠性和安全性高，施工连续性好，下放一趟管柱便可实现油气井的分段定点喷射射孔、脉冲加砂压裂及环空加砂压裂的复合压裂改造，节约施工时间和降低施工成本，大幅度提高致密油气藏分层、分段改造效果，提高储层改造裂缝的复杂程度、导流能力及波及体积，可大幅度提高压裂井的压裂增产效果，提高油田开发效果。

本发明还提供了利用上述实施例中的连续油管分段压裂管柱的分段压裂方法，包括以下步骤：

步骤一，根据施工井的规格情况，选择相应工具组配成用于施工的连续油管分段压裂管柱，然后将组配好的连续油管分段压裂管柱入井；

步骤二，调整连续油管分段压裂管柱的入井深度，将水力喷射器调整至目的层位置并完成射孔；

步骤三，调整连续油管分段压裂管柱，使可控开关式脉冲喷砂器位于射孔部位上方后完成机械封隔器坐封，并打开可开关式可控开关式脉冲喷砂器；

步骤四，对施工段进行脉冲加砂压裂和环空加砂压裂，待环空加砂压裂结束后，关井测压降。

步骤五：测压降结束后，进行反洗井，然后上提连续油管分段压裂管柱至下一施工段，重复进行步骤二、三、四，对下一施工段进行射孔、脉冲加砂压裂和环空加砂压裂；

步骤六：重复步骤五，直至完成后续段压裂施工作业；

步骤七：起出连续油管分段压裂管柱，并对压裂井进行测试求产。

其具体的实施步骤可采用以下技术方案：

(1)对关键储层参数的评估

包括储层的纵横向展布特征、岩性及全岩矿物组分、物性、岩石力学参数及三向地应力特征，以及温度压力等。对相关储层参数的评估方法可综合应用地震、测井、录井、试井及导眼井岩心室内测试等方法确定。

(2)分压层段的确定

对致密砂岩油气藏而言，一般采用固井完井方式，保证井眼的稳定性不受影响。在固井完井条件下，需要依据固井质量的好坏、夹层大小及施工位置，确定措施改造层段数及具体深度数据。

(3)油气藏地质模型建立及生产历史拟合

在步骤(2)分压层段的确定的基础上，应用常用的地质建模软件petrol，建立精细的地质模型，尤其是天然裂缝的识别和精细刻画，要描述清楚。如井已生产或测试，可用生产或测试数据，进行产量或压力等的历史拟合，由此确定各施工层段有效渗透率及表皮系数等地层关键参数信息。

(4)裂缝参数系统的优化

将上述地质模型参数导入常用的致密油气藏产量预测模拟软件eclipse中，然后按等效导流能力方法，设置各改造层段不同的人工裂缝及天然裂缝系统。然后，按正交设计方法，模拟不同的压裂半缝长、裂缝导流能力、缝间距及裂缝不同分布模式下的压后产量动态，从中优选出各改造层段的最佳的裂缝参数。

(5)脉冲加砂压裂及大规模压裂施工参数的优化

进行脉冲加砂压裂参数优化，根据地层地应力数值的大小及应力差的不同情况，模拟地层破裂及转向所需净压力的数值大小，合理确定脉冲类型及脉冲模式的组合方式，确定脉冲时间长短及脉冲排量组合，尽可能使裂缝复杂化。

为了实现步骤(4)中各层段的优化的裂缝参数，应用压裂设计常用的商业模拟软件，如stimplan，fracpropt等，模拟不同的压裂施工参数下的裂缝长度及导流能力等，从中优选各改造层段最佳的压裂施工参数组合。

(6)连续油管车组装备及管柱连接入井

按步骤(2)确定的压裂井数据及施工层段深度要求，选择合适的连续油管车组(包括压力等级、管径大小及连续油管长度等)，在地面进行分段管柱的工具组配，组成连续油管分段压裂管柱后按照施工要求入井，并依据压裂施工设计进行压裂设备、压裂材料及施工液体的配置等工作。

(7)管柱校深、射孔及试挤测试

在连续油管分段压裂管柱100全部入井之后，利用机械定位器8进行管柱校深，依据校深结果调整管柱的深度，使水力喷射器4分别对准目的层段，进行水力喷射射孔。射孔结束后，关闭套管环空，连续油管1小排量注入活性水，确认射孔完善、地层压开吸液。

(8)坐封封隔器

调整连续油管分段压裂管柱100，使可控开关式脉冲喷砂器6位于射孔部位上方，后完成机械封隔器7的坐封，并打开可控开关式脉冲喷砂器6；

(9)第一段脉冲加砂压裂施工：

坐封机械式封隔器7之后，连续油管1下压，可控开关式脉冲喷砂器6打开，机械式封隔器7的卡瓦74张开，支撑于套管内壁，随着下压力的增大，机械式封隔器7密封胶筒72压缩、膨胀，密封油套环空。此时，连续油管1内注入高浓度含砂压裂液，环空注入无砂压裂基液，按照步骤(5)优化的施工参数进行不同脉冲模式、环空分阶段变排量注入，对地层进行脉冲式压裂，使裂缝发生转向，以形成多裂缝系统。优选的，此阶段注入的高浓度含砂压裂液的含砂比为40～85％。

优选的，连续油管1的排量在0.4-1.5方/分，环空排量在0-7方/分。此阶段应用压裂砂目数为40～100目，更优选的，压裂砂目数为70-100目，在此阶段，还可以根据需要加入10-30％的40-70目压裂砂组成复合粒径压裂砂。

在脉冲加砂压裂后期，在连续油管内注入无砂压裂基液，把连续油管1内的含砂压裂液用无砂压裂基液顶替干净。

具体的，环空排量可以依据步骤(5)优化的施工参数进行螺旋式变化，即排量由大到小，再由小到大或者多个循环变化进行控制变动。在实际施工过程中，可以根据具体压裂井地层情况对脉冲时间长短及脉冲排量大小的组合进行优化，如图6、图7和图8所示，图6为环空排量为升-降的变化模式，图7为环空排量为升-降-升-直降-升的变化模式，而图8为环空排量为升-降-升-降-升的变化模式。根据具体的施工参数选择不同的变化模式，这样可以在裂缝内多次形成高浓度的砂塞，增加缝内净压力，使裂缝多次发生转向，形成复杂裂缝网络。

(10)第一段环空加砂压裂施工

此阶段，连续油管1内注入无砂压裂液基液，环空大排量注入砂比为15～50％的高浓度含砂压裂液。按照步骤(5)优化的施工参数进行大排量(即排量大于4方/分)压裂施工，使裂缝尽可能延伸，增加裂缝改造体积。在环空压裂后期，环空内注入无砂压裂基液，把井筒内的高浓度含砂压裂液用无砂压裂基液顶替干净，顶替量为井筒容积v的1.2-1.4倍，然后关井进行压力扩散，测压降。

在此阶段，可以是环空大排量连续阶梯注入含砂压裂液，连续油管变排量注入压裂基液，这样可以在裂缝内形成不连续含砂液段，最终形成不连续支撑，增大裂缝导流能力；也可以是连续油管恒排量注入压裂基液形成连续支撑裂缝。这样可以在脉冲加砂压裂形成复杂裂缝的基础上，进行裂缝的空间延伸，增加裂缝改造体积。

待测压降结束，进行反洗井一周，洗井液量为井筒容积的1.5-2.0倍。

(11)解封封隔器，更换第二段施工

上提连续油管1，解封机械式封隔器7，继续上提连续油管1至第二段目的层，按照步骤(7)、(8)、(9)、(10)重新对第二层段进行分段复合压裂改造施工。

(12)后续层段压裂作业

重复步骤(11)，完成后续段压裂施工作业。

(13)最后顶替作业

采取过顶替作业，选择滑溜水作为全井施工结束后的顶替液，顶替量为当段井筒容积v再附加2-5方。

(14)关井测压降。

依据施工设计，进行关井测压降。

(15)起出施工管柱

测压降结束，反洗井一周，洗井液量为井筒容积的1.5-2.0倍，然后上提连续油管1，解封机械式封隔器7，继续上提连续油管1，起出连续油管分段压裂管柱100。

(16)对压裂井进行测试求产。

该连续油管分段压裂管柱的分段压裂方法，开始通过较低的施工排量、通过控制井底砂浓度的不断往复变化，造成缝内支撑剂暂堵，实现瞬时缝内净压力的升高，形成具有多条裂缝的复杂缝网，接着再通过环空大排量加砂压裂，延伸复杂缝网，最大程度的提高压裂体积。一段压裂施工后，通过提升连续油管来拖动封隔器，实现压裂井的多级多段压裂改造，形成多个复杂裂缝网络，提高致密储层改造的波及体积，提高致密油气藏的分段压裂作业效率，降低开发成本和提高油气藏压裂开发效益和最终采收率。

至此，本领域技术人员应该认识到，虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。