水力定向喷砂射孔与割缝一体化装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种油气田开发领域中的完井装置及使用方法，特别涉及一种水力定向喷砂射孔与割缝一体化装置及其使用方法。

背景技术：

射孔、压裂是提高油气采收率的一种常见方法，目前大部分射孔都基于常规聚能射孔（炮弹射孔），且布孔方式一般为均匀的螺旋布孔，这就导致后续的压裂作业时，储层裂缝走向不可预测，进而使不同段之间裂缝出现重合穿插现象，导致压裂效果较差、射孔完井程度低、产量低以及射孔穿深不足等后果，造成投产效果有限，因此常规射孔技术正在被淘汰，取而代之的是定向射孔技术，与此同时，为了进一步增大渗流面积，提高储层渗透率，也可采用定向割缝技术；

上述两种技术方式并不能互相取代，而是各自具备其优缺点：

（1）定向射孔技术：其优点是作业时间短、用液量少、成本较低，且对强度影响很小；缺点是可能存在孔眼堵塞、储层与井筒连通面积小、油气流动阻力大等问题。

（2）定向割缝技术：其优点是储层与井筒连通面积大，对储层的控制体积要优于定向射孔技术，且能够进一步减小油气流动阻力，储层渗透率的提升幅度更大；缺点是作业时间较长、用液量大、成本较高，且在一定程度上对强度产生不利影响。

因此，需要将定向射孔技术与定向割缝技术进行优化集成，开发一体化技术装备，根据井身结构与储层特性，可在不同层位灵活选择适用的技术，为油气资源的高效开发提供一种全新的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种水力定向喷砂射孔与割缝一体化装置及其使用方法。

本发明提到的一种水力定向喷砂射孔与割缝一体化装置，其技术方案是：包括扶正器（1）、变扣接头（2）、井下高压移动及速度控制系统（3）、高压旋转伸缩式扶正器（4）、定向喷枪（5）、油管短节（6）、单向阀（7）、滤砂管与导向器（8）构成；上述部件通过油管扣串接，扶正器（1）通过变扣接头（2）连接井下高压移动及速度控制系统（3），井下高压移动及速度控制系统（3）的下端连接一组或一组以上的切割组件，每组切割组件由高压旋转伸缩式扶正器（4）、定向喷枪（5）和高压旋转伸缩式扶正器（4）组成，每组切割组件通过油管短节（6）连接，且末端通过单向阀（7）连接到滤砂管与导向器（8）。

优选的，上述井下高压移动及速度控制系统（3）由连接端盖（3-1）、回复弹簧短节（3-6）、中心转轴（3-8）构成其外部结构，同时，在其内部构建形成可容纳液压油的左腔室（3-2）与右腔室（3-4），在两两相连的回复弹簧短节（3-6）之间安装有多节回复弹簧（3-7），在中心转轴（3-8）上安装有带簧单向阀（3-3）与可调式节流阀（3-9），与回复弹簧（3-7）接触面上安装有弹簧压板（3-5），通过带簧单向阀（3-3）使液压油由左腔室（3-2）单向流动至右腔室（3-3）。

优选的，上述高压旋转伸缩式扶正器（4）由前端盖（4-1）、本体（4-2）、后端盖（4-7）与转轴（4-8）构成轴承（4-6）的安装场所，并且在轴承（4-6）与转轴（4-8）之间的空腔中注满润滑油，通过轴承（4-6）可以大幅降低转轴（4-8）旋转需要的驱动扭矩；多个侧翼（4-3）焊接在本体（4-2）外壁，扶正块（4-5）嵌在侧翼（4-3）的凹槽中，两者之间安装有复位弹簧（4-4）。

优选的，上述定向喷枪（5）包括定向喷枪本体（5-2）、喷嘴套（5-3）、喷嘴（5-4）、喷嘴压帽（5-5），所述定向喷枪（5）的两端油管扣的几何中心与定向喷枪本体（5-2）的几何中心存在较大偏差，定向喷枪（5）整体重心偏向于下部；所述定向喷枪本体（5-2）内设有多个喷嘴（5-4），喷嘴（5-4）通过粘接方式与喷嘴套（5-3）固结，喷嘴套（5-3）用螺纹旋接在定向喷枪本体（5-2）上，喷嘴（5-4）入口段与喷嘴套（5-3）之间旋合有喷嘴压帽（5-5）。

优选的，上述定向喷枪本体（5-2）的外壁设有硬质合金防溅套筒（5-1）。

所述喷嘴（5-4）在定向喷枪上的排布方式可以是圆周布置或螺旋布置。

优选的，上述单向阀（7）包括单向阀主体（7-1）、球座（7-2）、密封球（7-3），单向阀主体（7-1）的内腔设有球座（7-2），通过密封球（7-3）与球座（7-2）配合，且所述密封球（7-3）与球座（7-2）接触处需要渗氮处理，且粗糙度控制在ra0.8以内。

优选的，上述滤砂管与导向器（8）由滤砂管（8-1）和导向器（8-3）连接组成，在滤砂管（8-1）和导向器（8-3）之间加工有多个孔眼（8-2），反循环洗井作业时，洗井液通过孔眼（8-2）进入到水力定向喷砂射孔、割缝一体化装置中并返回地面。

优选的，割缝组数由串接的定向喷枪（5）的个数控制，每组的割缝数量由定向喷枪（5）上喷嘴的安装个数控制，缝间距由油管短节（6）的长度决定；缝长由井下高压移动及速度控制系统（3）上回复弹簧（3-7）的工作行程以及左腔室（3-2）与右腔室（3-4）的长度决定。

本发明的有益效果是：可实现多个层位的水力喷砂定向射孔以及定长、定向割缝，且定向射孔与定向割缝工作方式可自由切换；另外，水力喷砂射孔与割缝不会造成近井地层的压实损伤，大幅增加储层的采收率；水力定向喷砂射孔、割缝一体化装置及其使用方法适用于常规油气、页岩油气、煤层气以及天然气水合物开发的各个领域。

附图说明

图1为本发明全域结构示意图；

图2为井下高压移动及速度控制系统结构原理示意图；

图3为高压旋转伸缩式扶正器的结构示意图；

图4为高压旋转伸缩式扶正器的侧视图；

图5为定向喷枪的结构示意图；

图6为定向喷枪的侧视示意图；

图7为定向喷枪的a-a截面图；

图8为单向阀结构示意图；

图9为滤砂管与导向器结构原理示意图；

上图中：扶正器1、变扣接头2、井下高压移动及速度控制系统3、高压旋转伸缩式扶正器4、定向喷枪5、油管短节6、单向阀7、滤砂管与导向器8；

连接端盖3-1、左腔室3-2、带簧单向阀3-3、右腔室3-4、弹簧压板3-5、回复弹簧短节3-6、回复弹簧3-7、中心转轴3-8、可调式节流阀3-9，

前端盖4-1、本体4-2、侧翼4-3、复位弹簧4-4、扶正块4-5、轴承4-6、后端盖4-7、转轴4-8，硬质合金防溅套筒5-1、定向喷枪本体5-2、喷嘴套5-3、喷嘴5-4、喷嘴压帽5-5，单向阀主体7-1、球座7-2、密封球7-3、滤砂管8-1、孔眼8-2和导向器8-3。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1，本发明提到的一种水力定向喷砂射孔与割缝一体化装置，其技术方案是：包括扶正器1、变扣接头2、井下高压移动及速度控制系统3、高压旋转伸缩式扶正器4、定向喷枪5、油管短节6、单向阀7、滤砂管与导向器8构成；上述部件通过油管扣串接，扶正器1通过变扣接头2连接井下高压移动及速度控制系统3，井下高压移动及速度控制系统3的下端连接一组或一组以上的切割组件，每组切割组件由高压旋转伸缩式扶正器4、定向喷枪5和高压旋转伸缩式扶正器4组成，每组切割组件通过油管短节6连接，且末端通过单向阀7连接到滤砂管与导向器8。

参照附图2，井下高压移动及速度控制系统3由连接端盖3-1、回复弹簧短节3-6、中心转轴3-8构成其外部结构，同时，在其内部构建形成可容纳液压油的左腔室3-2与右腔室3-4，在两两相连的回复弹簧短节3-6之间安装有多节回复弹簧3-7，在中心转轴3-8上安装有带簧单向阀3-3与可调式节流阀3-9，与回复弹簧3-7接触面上安装有弹簧压板3-5，通过带簧单向阀3-3使液压油由左腔室3-2单向流动至右腔室3-3。通过调节液压油的过流面积控制割缝速度；回复弹簧将中心转轴、高压旋转伸缩式扶正器、定向喷枪、油管短节、单向阀、滤砂管与导向器缩回至初始位置，且带簧单向阀保证其快速回收；回复弹簧可根据高压旋转伸缩式扶正器与套管或井眼裸眼井的摩擦力大小串联多节，以有效增加安装预压缩力，保证回收的可靠性，同时，在实施割缝方式时，保证在较低泵压下，定向喷枪不产生位移，压力增加后，再产生位移。

参照附图3-4，高压旋转伸缩式扶正器4由前端盖4-1、本体4-2、后端盖4-7与转轴4-8构成轴承4-6的安装场所，并且在轴承4-6与转轴4-8之间的空腔中注满润滑油，通过轴承4-6可以大幅降低转轴4-8旋转需要的驱动扭矩；六个侧翼4-3焊接在本体4-2外壁，扶正块4-5嵌在侧翼4-3的凹槽中，两者之间安装有复位弹簧4-4；在下入及割缝作业过程中，六个扶正块4-5受压，压缩复位弹簧4-4，在弹簧弹力作用下支撑在套管或井眼内壁上，起到扶正作用，且转轴4-8可自由转动。

参照附图5-7，上述定向喷枪5包括定向喷枪本体5-2、喷嘴套5-3、喷嘴5-4、喷嘴压帽5-5，所述定向喷枪5的两端油管扣的几何中心与定向喷枪本体5-2的几何中心存在较大偏差，定向喷枪5整体重心偏向于下部；所述定向喷枪本体5-2内设有多个喷嘴5-4，喷嘴5-4通过粘接方式与喷嘴套5-3固结，喷嘴套5-3用螺纹旋接在定向喷枪本体5-2上，喷嘴5-4入口段与喷嘴套5-3之间旋合有喷嘴压帽5-5。其作用是防止反洗井过程中，洗井液将喷嘴5-4冲掉；同时，为了杜绝射孔或割缝过程中高速返回流对定向喷枪5的冲蚀磨损，在定向喷枪本体5-2的外壁设有硬质合金防溅套筒5-1，以延长使用寿命。

参照附图8，单向阀7包括单向阀主体7-1、球座7-2、密封球7-3，单向阀主体7-1的内腔设有球座7-2，通过密封球7-3与球座7-2配合，为保证密封效果并减少磨损，所述密封球7-3与球座7-2接触处需要渗氮处理，且粗糙度控制在ra0.8以内。

参照附图9，滤砂管与导向器8由滤砂管8-1和导向器8-3连接组成，在滤砂管8-1和导向器8-3之间加工有多个孔眼8-2，反循环洗井作业时，洗井液通过孔眼8-2进入到水力定向喷砂射孔、割缝一体化装置中并返回地面。

优选的，割缝组数由串接的定向喷枪5的个数控制，每组的割缝数量由定向喷枪5上喷嘴的安装个数控制，缝间距由油管短节6的长度决定；缝长由井下高压移动及速度控制系统3上回复弹簧3-7的工作行程以及左腔室3-2与右腔室3-4的长度决定。

本发明提到的一种水力定向喷砂射孔与割缝一体化装置的使用方法，包括以下过程：

（1）定向割缝实施例

按照附图1所述方式连接，根据割缝组数的需求，选择定向喷枪5的数量；根据每组割缝数量的需求，选择定向喷枪5上喷嘴5-4的安装个数；根据缝间距的需求，选择油管短节6的长度；根据缝长要求，选择井下高压移动及速度控制系统3上回复弹簧3-7的工作行程以及左腔室3-2与右腔室3-4的长度；连接完毕后，在扶正器1（标准件）的左端连接钻杆或者油管，将整套工具串由地面入井后下放至作业层位，高压旋转伸缩式扶正器4上的六个扶正块4-5受压，压缩复位弹簧4-4，在弹簧弹力作用下支撑在套管或井眼内壁上，起到扶正作用；定向喷枪5在偏心扭矩的作用下，保证喷嘴5-4始终分别朝向的预设割缝位置，实现定向割缝的功能；投密封球7-3后启动地面泵，密封球7-3坐封于单向阀座7-1的球座7-2处；随后地面泵升压至泵压p1，高压磨料浆体逐渐通过钻杆或油管内腔进入定向喷枪5上的喷嘴5-4中；同时，泵压p1作用在球座7-2处，产生压力f1，但f1的值小于井下高压移动及速度控制系统2中多节回复弹簧3-7的预压缩力总和f总，因此，定向喷枪5保持静止，以保证高压磨料浆体有足够的时间进入喷嘴5-4中；达到一定时间后，将地面泵的压力提升至p2，此时在球座7-2处产生的压力f2＞f总，井下高压移动及速度控制系统3上的中心转轴3-8与高压旋转伸缩式扶正器4、定向喷枪5、油管短节6、单向阀7、滤砂管与导向器8缓慢移动，逐渐压缩井下高压移动及速度控制系统3上的回复弹簧3-7，同时喷嘴5-4将高压磨料浆体调制形成高速磨料射流，对进行割缝，其中，割缝速度由井下高压移动及速度控制系统3决定，其技术特征为：带簧单向阀3-3只允许液压油由左腔室3-2流动至右腔室3-3，不允许反向流动，液压油只能由可调式节流阀3-9由右腔室3-3流动至左腔室3-2，改变可调式节流阀3-9的过流面积即可精确控制流量，进而控制定向喷枪5的移动速度。

割缝完毕后，地面泵停机卸压，中心转轴3-8与高压旋转伸缩式扶正器4、定向喷枪5、油管短节6、单向阀7、滤砂管与导向器8在回复弹簧3-7储存的弹力作用下缩回至初始位置，此过程中，液压油由左腔室3-2流动至右腔室3-3，由于带簧单向阀3-3的过流面积远大于可调式节流阀3-9，因此，上述部件缩回的时间很短；需要特别指出的是：为保证上述部件缩回的可靠性，可根据高压旋转伸缩式扶正器4与的摩擦力大小，串联多节回复弹簧3-7，以增加安装预压缩力，且多节回复弹簧3-7必须互相隔离（即，首尾不相接）才能有效增加安装预压缩力。

一个层位作业完毕后，使用顶替液将井下的高压磨料浆体进行正循环顶替；另外，也可在与工具串环空之间泵入洗井液进行反循环洗井，并将密封球7-3回收，上提整套工具串至下一层位继续重复以上过程，直至割缝全部完成。

（2）定向射孔实施例

将井下高压移动及速度控制系统3上的可调式节流阀3-9完全关闭，或将井下高压移动及速度控制系统3拆除。

根据射孔组数的需求，选择定向喷枪5的数量；根据每组射孔数量的需求，选择定向喷枪5上喷嘴5-4的安装个数；根据每组射孔之间相隔距离的需求，选择油管短节6的长度；连接完毕后，在扶正器1（标准件）的左端连接钻杆或者油管，将整套工具串由地面入井后下放至作业层位，高压旋转伸缩式扶正器4上的六个扶正块4-5受压，压缩复位弹簧4-4，在弹簧弹力作用下支撑在套管或井眼内壁上，起到扶正作用；定向喷枪5在偏心扭矩的作用下，保证喷嘴5-4始终分别朝向的预设射孔位置，实现定向射孔的功能；投密封球7-3后启动地面泵，密封球7-3坐封于单向阀座7-1的球座7-2处；随后高压磨料浆体逐渐通过钻杆或油管内腔进入定向喷枪5上的喷嘴5-4中，喷嘴5-4将高压磨料浆体调制形成高速磨料射流，对进行射孔；射孔完毕后，地面泵使用顶替液将井下的高压磨料浆体进行正循环顶替；另外，也可在与工具串环空之间泵入洗井液进行反循环洗井，并将密封球7-3回收，上提整套工具串至下一层位继续重复以上过程，直至射孔全部完成。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，在此基础上可进行灵活变通，例如，根据井身结构的差异，高压旋转伸缩式扶正器4可根据尺寸，选择3~6个或更多侧翼4-3；定向喷枪5上的喷嘴5-4的朝向可以是任意位置；喷嘴5-4的数量可任意增减；喷嘴5-4在定向喷枪5上的排布方式可以是圆周布置、螺旋布置等任意方式。任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的实施方式加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的实施方式所进行的任何简单修改或等同置换，均属于本发明要求保护的范围。