用于油气储层的流体注入和引爆装置的制作方法

本发明属于油气田完井技术领域，具体涉及一种用于油气储层的流体注入和引爆装置。

背景技术：

目前，在石油天然气非常规页岩储藏开采以及其它常规高质密低渗透油气田的开采作业中，在完井过程中，水力压裂成为获得工业流量的关键手段。然而水力压裂费用高昂，其费用已占到整个完井费用的50％以上，而在缺水油田压裂费用更高，加之水力压裂对水资源的大量耗费和对环境污染，造成很多负面社会影响；而在一些地形复杂的油气田，大型水力压裂车移动困难，也限制了这些地区油气的开发。

油气储层爆炸压裂是最具潜力替代水力压裂的技术方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置，该装置包括中心钢柱、缸筒、活塞、启爆单元、压力控制器、射孔段弹性密封单元、中间接头、轴向压缩组件、引向头，所述中心钢柱和缸筒通过中间接头连接，所述活塞活动设置在缸筒内，所述启爆单元设置在活塞的右端中心孔内，所述压力控制器设置在中心钢柱内，所述中心钢柱外部套设射孔段弹性密封单元，所述轴向压缩组件设置在射孔段弹性密封单元的两侧，所述引向头通过压紧螺栓固定在中心钢柱的右端；所述射孔段弹性密封单元和中心钢柱上匹配设置有流体注入通道。

上述方案中，所述中心钢柱包括第一中心钢柱、第二中心钢柱、第三中心钢柱，所述第二中心钢柱的左右两端分别连接第一中心钢柱、第三中心钢柱，所述第二中心钢柱的左右端面分别与第一中心钢柱、第三中心钢柱之间设置有流体通道间隙，所述第二中心钢柱的径向上设置有第一流体注入孔道，所述第二中心钢柱的轴向上设置有用于连通两个流体通道间隙的第一孔道。

上述方案中，所述压力控制器包括壳体、球座、压力球、压力弹簧、调压螺母，所述壳体内的左侧设置球座，右侧设置调压螺母，所述压力球设置在球座的左端并且与壳体的进口抵接，所述压力弹簧设置在球座和调压螺母之间。

上述方案中，所述轴向压缩组件包括第一环形活塞、第二环形活塞，所述第一环形活塞、第二环形活塞均套设在中心钢柱上并且分别设置在射孔段弹性密封单元的两侧。

上述方案中，所述第一环形活塞与中间接头之间设置有用于流体流入的第一间隙，所述第二环形活塞与引向头之间设置有用于驱动液流入的第二间隙；所述中间接头至少一侧设置有用于连通缸筒内流体仓与第一间隙的第二孔道。

上述方案中，所述第二孔道内设置流体开关，所述流体开关的左端伸出至缸筒内流体仓内。

上述方案中，所述启爆单元包括压爆头、起爆撞针、启爆弹、剪切销、撞击雷管；所述压爆头通过剪切销固定在活塞的右端中心孔内，且压爆头的右端面突出活塞的右端面；所述起爆撞针设置在活塞的左端中心孔位置；所述启爆弹设置在压爆头的中心孔内的右侧，所述撞击雷管设置在压爆头的中心孔内的左侧并且其右端与启爆弹的左端抵接。

上述方案中，所述射孔段弹性密封单元包括第一弹性密封圈、支撑套筒、第二弹性密封圈；所述第一弹性密封圈、支撑套筒、第二弹性密封圈从左到右依次套设在第一中心钢柱外；所述支撑套筒上设置有与第一流体注入孔道匹配的第二流体注入孔道。

上述方案中，所述缸筒的左端设置有用于与驱动单元连接的上接头；所述上接头与缸筒之间的区域为第一压力液仓，所述上接头内设置有单向阀。

与现有技术相比，本发明通过活塞的压力传递首先实现目标射孔段的密封，然后再自动开启将液体炸药通过射孔孔道高压注入油气储层；当所要求的炸药量注入进油气储层后，并保持注入压力的瞬间状态，即时自动引爆被注入油气储层内的液体炸药，对油气层进行层内爆炸压裂；本发明能够安全、可控、可靠实现这一系列过程。

附图说明

图1为本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置中压力控制器的结构示意图；

图3为图1的局部放大图；

图4为本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置在井筒套管内，开始启动时的状态示意图；

图5为本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置在井筒套管内，液体炸药即将注入完毕的状态示意图；

其中，1-中心钢柱、101-第一中心钢柱、102-第二中心钢柱、103-第三中心钢柱、1011-第二压力液仓、1021-第一流体注入孔道、1022-第一孔道、1023-流体通道间隙、1031-中心孔、2-缸筒、21-流体仓、3-活塞、4-启爆单元、41-压爆头、42-起爆撞针、43-启爆弹、44-撞击雷管、45-剪切销、5-压力控制器、51-壳体、52-球座、53-压力球、54-压力弹簧、55-调压螺母、6-射孔段弹性密封单元、61-第一弹性密封圈、62-支撑套筒、621-第二流体注入孔道、63-第二弹性密封圈、7-中间接头、71-第二孔道、8-轴向压缩组件、81-第一环形活塞、82-第二环形活塞、811-第一间隙、821-第二间隙、9-引向头、10-压紧螺栓、11-流体开关、12-上接头、121-第一压力液仓、122-单向阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要理解的是，本发明的以下实施方式中所提及的“左”、“右”均以各图所示的方向为基准，这些用来限制方向的词语仅仅是为了便于说明，并不代表对本发明具体技术方案的限制。

本发明实施例提供一种用于油气储层的流体注入和引爆装置，如图1、2所示，该装置包括中心钢柱1、缸筒2、活塞3、启爆单元4、压力控制器5、射孔段弹性密封单元6、中间接头7、轴向压缩组件8、引向头9，所述中心钢柱1和缸筒2通过中间接头7连接，所述活塞3活动设置在缸筒2内，所述启爆单元4设置在活塞3的右端中心孔内，所述压力控制器5设置在中心钢柱1内，所述中心钢柱1外部套设射孔段弹性密封单元6，所述轴向压缩组件8设置在射孔段弹性密封单元6的两侧，所述引向头9通过压紧螺栓10固定在中心钢柱1的右端；所述射孔段弹性密封单元6和中心钢柱1上匹配设置有流体注入通道。

所述中心钢柱1包括第一中心钢柱101、第二中心钢柱102、第三中心钢柱103，所述第二中心钢柱102的左右两端分别连接第一中心钢柱101、第三中心钢柱103，所述第二中心钢柱102的左右端面分别与第一中心钢柱101、第三中心钢柱103之间设置有流体通道间隙1023，所述第二中心钢柱102的径向上设置有第一流体注入孔道1021，所述第二中心钢柱102的轴向上设置有用于连通两个流体通道间隙1023的第一孔道1022。

所述第一流体注入孔道1021和第一孔道1022为错位孔。

所述缸筒2的左端设置有用于与驱动单元连接的上接头12；所述上接头12与缸筒2之间的区域为第一压力液仓121，所述上接头12内设置有单向阀122。

所述缸筒2内处于活塞3与第三中心钢柱103之间的区域为流体仓21，所述第一中心钢柱101内处于压力控制器5与压紧螺栓10之间的区域为第二压力液仓1011。

所述流体仓21内用于存储液体炸药，所述第一压力液仓121内用于存储驱动单元通过单向阀122注入的压力液，以推动活塞3向右移动，所述第二压力液仓1011用于存储驱动轴向压缩组件8运动的压力液。

所述轴向压缩组件8包括第一环形活塞81、第二环形活塞82，所述第一环形活塞81、第二环形活塞82均套设在中心钢柱1上并且分别设置在射孔段弹性密封单元6的两侧，通过第一环形活塞81、第二环形活塞82对射孔段弹性密封单元6的轴向挤压使得射孔段弹性密封单元6实现对射孔段的密封。

所述压力控制器5包括壳体51、球座52、压力球53、压力弹簧54、调压螺母55，所述壳体51内的左侧设置球座52，右侧设置调压螺母55，所述压力球53设置在球座52的左端并且与壳体51的进口抵接，所述压力弹簧54设置在球座52和调压螺母55之间。

在驱动压力作用下，通过压力控制器5的控制，首先实现射孔段弹性密封单元6在设定压力下对射孔段两侧的密封，当驱动压力大于设定压力后(即实现耐高压密封)，所述压力控制器5内的流体通道自动打开，进而自动启动液体炸药的注入。

所述第一环形活塞81与中间接头7之间设置有用于流体流入的第一间隙811，所述第二环形活塞82与引向头9之间设置有用于驱动液流入的第二间隙821。

当活塞3向右移动时，流体仓21内的液体炸药通过流体开关11上的孔道流入第二孔道71内，再流入第一间隙811内并且推动第一环形活塞81向右移动，同时流体仓21内的液体炸药还通过第三中心钢柱103的中心孔1031流入第一孔道1022，再通过第一孔道1022流入第二压力液仓1011内，对第二压力液仓1011内的压力液传递压力，压力液通过第二间隙821流入并且推动第二环形活塞82向左移动，所述第一环形活塞81和第二环形活塞82分别对射孔段弹性密封单元6的两个方向传递压力使其实现对射孔段的密封。

所述射孔段弹性密封单元6的两个方向传递压力使其实现对射孔段的密封后，当驱动压力大于设定压力时，所述压力控制器5的压力球53向右移动并且压力弹簧54被压缩，液体炸药通过壳体51的入口流入，通过壳体51的液体炸药从调压螺母55的出口流出，最终通过第一流体注入孔道1021、第二流体注入孔道621注入到射孔密封段内，再通过井筒套管上的射孔孔眼，注入到油气储层。

所述启爆单元4包括压爆头41、起爆撞针42、启爆弹43、剪切销45、撞击雷管44；所述压爆头41通过剪切销45固定在活塞3的右端中心孔内，且压爆头41的右端面突出活塞3的右端面；所述起爆撞针42设置在活塞3的左端中心孔位置；所述启爆弹43设置在压爆头41的中心孔内的右侧，所述撞击雷管44设置在压爆头41的中心孔内的左侧并且其右侧与启爆弹43的左端抵接。

所述活塞3向右移动的同时携带压爆头41向右移动，当流体仓21内的液体炸药被全部压出时，所述压爆头41与中间接头7的左端面接触，产生的压力剪断剪切销45，这时，所述压爆头41在压力作用下，携带启爆弹43，沿活塞3的中心孔向左移动，直至所述撞击雷管44与起爆撞针42相撞，所述撞击雷管44启爆，并且引爆所述启爆弹43，启爆弹43起爆后，产生的高速射流打穿压爆头41的右端面钢板，引爆第三中心钢柱103的中心孔1031内的液体炸药，流体注入通道和射孔段存留的液体炸药作为传爆药，通过射孔孔眼引爆注入油气储层的液体炸药爆炸。

所述射孔段弹性密封单元6包括第一弹性密封圈61、支撑套筒62、第二弹性密封圈63；所述第一弹性密封圈61、支撑套筒62、第二弹性密封圈63从左到右依次套设在第一中心钢柱101外；所述支撑套筒62上设置有第二流体注入孔道621。

所述第一环形活塞81对第一弹性密封圈61传递向右的压力，第二环形活塞82对第二弹性密封圈63传递向左的压力，由于支撑套筒62位于第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63中间，所以所述第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63受到压力后产生轴向压缩和径向膨胀，最终，实现对射孔段的密封。

本发明实施例的各个单元自动启动先后顺序的工作过程如下：

(1)驱动单元的启动：

如图2所示，通过单向阀122向第一压力液仓121注入压力液，推动活塞3向右移动，产生驱动压力f，对流体仓21内的液体炸药产生压力；

液体炸药一方面通过第二孔道71流入，对第一环形活塞81传递压力；另一方面通过第二中心钢柱102的第一孔道1022流入第二压力液仓1011，对第二压力液仓1011内的压力液传递压力，此时，所述驱动单元启动，也就是本发明开启工作。

(2)射孔段的密封过程启动：

本发明的驱动单元开启后，当驱动压力f小于压力控制器5的设定压力时，所述压力控制器5处于关闭状态，在此工况下，用于密封目标射孔段的射孔段弹性密封单元6优先自动启动。

所述流体仓21内的液体炸药，通过第二孔道71流入并且推动第一环形活塞81向右移动，将压力传递给第一弹性密封圈61，同时流体仓21内的液体炸药还通过第二中心钢柱102的第一孔道1022流入第二压力液仓1011，对第二压力液仓1011内的压力液传递压力，所述第二压力液仓1011内的压力液通过第二间隙821流入，并且推动第二环形活塞82向左移动，将压力传递给第二弹性密封圈63；由于支撑套筒62位于第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63中间，在驱动压力f的持续作用下，所述第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63的轴向宽度变小，第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63向径向膨胀，直到紧密挤压到井筒套管内壁，实现对射孔段两端的耐高压密封，而且当第一弹性密封圈61和第二弹性密封圈63的轴向压缩变形达到设计要求的变形量时，也即保证了设计要求的密封耐压水平，当驱动压力f大于压力控制器5的设定压力时，所述压力控制器5才能够打开，这是从射孔段密封完成，到下一步开始注入的关键节点。

(3)液体炸药注入油气储层过程的自动启动：

射孔段密封完成后，当驱动压力f大于压力控制器5的设定压力时，所述压力控制器5的压力球53向右移动并且压力弹簧54被压缩，液体炸药通过壳体51的入口流入，通过壳体51的液体炸药从调压螺母55的出口流出，最终通过第一流体注入孔道1021、第二流体注入孔道621注入到射孔密封段内，再通过井筒套管上的射孔孔眼注入到油气储层，从而实现本发明的流体注入通道与射孔孔眼和油气储层的连通，在驱动压力f的作用下，所述活塞3继续向右移动，流体仓21内的液体炸药开始注入油气储层，如图3所示。

在驱动压力f的作用下，处于流体仓21内的液体炸药逐步通过连通的流体注入通道注入到油气储层。

(4)即时压力启爆、传爆、爆炸压裂过程的自动启动：

处于流体仓21内的液体炸药全部被压出后，这时，所述活塞3的右端面抵压到流体开关11，并传递压力，所述流体开关11向右移动至第二孔道71内，这样，流体开关11与第一环形活塞81之间的液体炸药与流体仓21内的液体炸药完全隔离；

与流体开关11向右移动至第二孔道71内同时，所述活塞3携带启爆单元4抵接在第三中心钢柱103的左端，这时，压爆头41的右端面直接和第三中心钢柱103的左端面抵接，在驱动压力f持续作用下，保持注入压力的瞬间，所述压爆头41的剪切销45被剪断，所述压爆头41在压力作用下，携带启爆弹43，沿活塞3的中心孔向左移动，直至所述撞击雷管44与起爆撞针42相撞，所述撞击雷管44启爆，并且引爆所述启爆弹43，启爆弹43起爆后产生的高速射流打穿压爆头41的右端面钢板，引爆第三中心钢柱103的中心孔1031内的液体炸药，流体注入通道和射孔段存留的液体炸药作为传爆药，通过射孔孔眼引爆注入油气储层的液体炸药爆炸，实现层内爆炸压裂。

油气储层内爆炸压裂是一个动态过程，在一定加载速率的冲击载荷作用下，在油气储层形成裂缝群，大幅度提升油气储层体积裂缝密度。爆炸的爆轰波、应力波以及产生的大量的高热高压气体的综合作用使裂缝成倍扩展延伸，同时，使岩层撕裂、错位、扭曲并产生碎石支撑，从而使裂缝卸载后不能原位恢复闭合，形成具有较高渗透率的裂缝群；同时，岩石在超过屈服极限的高压作用下，产生不可恢复的塑性变形，使裂缝在卸载后仍保持一定的残余缝宽。

如表1所示，本发明的初步试验表明层内爆炸压裂明显好于水力压裂，层内爆炸压裂可以大幅度提高油气储层的泄流面积，显著提升油气储层与井筒之间的沟通水平，并大幅提升油气储层的采收率和单井产量。

表1

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。