一种防止支撑剂滑脱沉降的阻障压裂管柱及其应用的制作方法

本发明涉及油气开采领域，具体的说，本发明涉及一种防止支撑剂滑脱沉降的阻障压裂管柱及其应用，更具体的说，本发明涉及一种超临界二氧化碳压裂过程中防止支撑剂滑脱沉降的阻障压裂管柱及其应用。

背景技术：

超临界二氧化碳(sc-co2)压裂作为一种新型无水压裂技术，为页岩气等非常规油气资源的开发提供了新思路。sc-co2具有高密度、低黏度和高扩散性等独特性质，压裂时易使岩石产生多而复杂的微裂缝，有望成为非常规油气增产的重要技术手段。然而，由于sc-co2流体黏度低(大约为水黏度的1/10)，压裂过程中，支撑剂在井筒内出现滑脱而迅速沉降堆积到井底，造成井底和射孔孔眼堵塞，导致无法完成加砂作业。因此，sc-co2压裂过程中支撑剂的携带是一个亟待解决的问题。迄今已有很多专家学者对此做了相关的研究，目前主要的解决思路是从化学的角度出发，在sc-co2压裂液中添加增黏剂，以提高其黏度而更好地携带支撑剂，但增黏剂会破坏掉sc-co2的部分原有性质，而且会对环境造成潜在的污染。因此，该类方法并不是理想的方式。

本发明从物理的思路出发，提出用物理的方法减缓支撑剂在sc-co2中的沉降速度，以解决目前sc-co2压裂携砂所面临的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种防止支撑剂滑脱沉降的阻障压裂管柱。

本发明的另一目的在于提供一种防止支撑剂滑脱沉降的压裂管装置。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种防止支撑剂滑脱沉降的阻障压裂管柱，其中，所述阻障压裂管柱2包括中空管柱本体21、设置在管柱内部的阻障器22，所述阻障器为流线型轮辐装置221和/或筛网装置222；当阻障器为流线型轮辐装置时，所述阻障压裂管柱为轮辐型阻障压裂管柱23，当阻障器为筛网装置时，所述阻障压裂管柱为筛网型阻障压裂管柱24。

根据本发明一些具体实施方案，其中，每个管柱2内部设置1个阻障器22。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述管柱本体21长度为0.5-1.5m。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述管柱本体21长度为1m。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述流线型轮辐装置221横截面积占管柱本体21的总横截面积的1/4-1/3。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述流线型轮辐装置221包括8片以管柱本体21的轴心为圆心呈辐射状均匀分布的叶片2211，所述叶片根部分别连接在管柱本体内壁上，顶部在管柱本体的圆心处相互连接。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述流线型轮辐装置221在管柱本体21的轴心位置为中空圆环2212，所述叶片2211的顶部分别连接在中空圆环的外边缘。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述中空圆环2212内直径为管柱本体21内直径的1/8-1/7。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述叶片为流线型，截面为椭圆形(如图3所示)，叶片宽度(w，即椭圆形的短轴)和高度(h，即椭圆形的长轴)从中空圆环2212处至管柱内壁均匀渐变增大，其中叶片在中空圆环处的高度(h1)与中空圆环外直径相当，叶片在管柱内壁处的高度(h2)为管柱本体21内直径的3/16倍，在叶片宽度和高度均匀增大过程中叶片宽度(w)均为高度(h)的2/3。

其中，叶片宽度(w，即椭圆形的短轴)为管柱本体轴心方向，叶片高度(h，即椭圆形的长轴)为管柱本体横切面的圆周方向。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述筛网装置222为沿与管柱本体21轴心相垂直的平面设置的筛网，所述筛网的边缘与管柱本体内壁相连接；所述筛网的孔径为所使用的支撑剂粒径的4-5倍。

根据本发明一些具体实施方案，其中，在管柱本体21两端分别设置用于和压裂管柱连接的连接装置211优选在管柱本体一端设置内螺纹2111、另一端设置外螺纹2112。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述阻障压裂管柱用于超临界二氧化碳压裂法。

另一方面，本发明还提供了一种防止支撑剂滑脱沉降的压裂管装置，其中，所述压裂装置由多个常规压裂管柱1和至少一个本发明前面任意一项所述的阻障压裂管柱2相互首尾连接而成。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述阻障压裂管柱2包括多个轮辐型阻障压裂管柱和多个筛网型阻障压裂管柱，轮辐型阻障压裂管柱设置在从井口开始往下至占井下的压裂管装置长度2/3处的范围内，筛网型阻障压裂管柱设置在从井底开始往上至占井下的压裂管装置长度1/4处的范围内。

其中可以理解的是，本发明所述的“从井口开始往下至占井下的压裂管装置长度2/3处的范围内”，是指从井口开始，往下至占井下所有压裂管柱总长度(包括普通压裂管柱和阻障压裂管柱总长度)的2/3处。在这一段范围内，这种阻障压裂管柱全部用轮辐型阻障压裂管柱。

本发明所述的“从井底开始往上至占井下的压裂管装置长度1/4处的范围内”，是指从井底开始，往上至占井下所有压裂管柱总长度(包括普通压裂管柱和阻障压裂管柱总长度)的1/4处。在这一段范围内，这种阻障压裂管柱全部用筛网型阻障压裂管柱。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述轮辐型阻障压裂管柱为每间隔1-5根常规压裂管柱设置一个轮辐型阻障压裂管柱或者连续设置。

根据本发明一些具体实施方案，其中，每一百米的压裂管装置设置2-5个轮辐型阻障压裂管柱。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述筛网型阻障压裂管柱为每间隔1-5根常规压裂管柱设置一个筛网型阻障压裂管柱或者连续设置。

根据本发明一些具体实施方案，其中，每一百米的压裂管装置设置2-5个筛网型阻障压裂管柱。

综上所述，本发明提供了一种防止支撑剂滑脱沉降的阻障压裂管柱及其应用。本发明的阻障压裂管柱具有如下优点：

(1)本发明主要应用于sc-co2压裂过程中，解决该过程中支撑剂滑脱沉降而堆积井底造成的堵塞问题；

(2)本发明装置结构简单，采用压裂管柱短节的形式，易加工、成本低。

(3)本发明装置操作简单，在下放压裂管柱过程中以短节的形式连接于压裂管柱中，操作安全可靠性高。

(4)本发明装置可在压裂过程重复使用，可有效解决sc-co2压裂过程中出现所携带支撑剂的滑脱与沉降等问题。

附图说明

图1连接总装置图；

图2轮辐型阻障压裂管柱剖面图；

图3流线型轮辐装置结构局部放大剖面图；

图4筛网型阻障压裂管柱剖面图。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

参考图1至图4，本发明提出一种防止支撑剂滑脱沉降的阻障压裂管柱。

在sc-co2流体携支撑剂压裂过程中，经过本发明所述连接在压裂管柱中的轮辐型阻障压裂管柱23和筛网型阻障压裂管柱24。sc-co2流体由井口进入压裂管柱，在向井底的流动过程中先流经本发明所述轮辐型阻障压裂管柱23，在该过程中，支撑剂与本发明所述流线型轮辐叶片2211发生概率性碰撞，以达到阻碍支撑剂自由下落的效果。

本发明所述流线型轮辐叶片2211是采用渐变式流线型设计，从中心圆环2212处渐变增大至管柱内壁上连接，本发明所述流线型轮辐叶片2211与本发明所述中心圆环2212形成流线型轮辐装置221，其中圆环2212处叶片2211高度与与圆环本体直径相当，管柱内壁处叶片高度渐变增大至圆环处的3d/16倍(d为管柱直径)，均匀增大过程中叶片宽度均为该处高度的2/3。

本发明所述叶片2211在圆心处连接在中心小圆环2212上，主要考虑的是如果某一个叶片出现连接断裂而不会影响其余叶片的连接情况，而且制造过程也比较容易实现。

本发明所述流线型轮辐装置221中心圆环2212内径设置为管柱内径的1/8-1/7之间，这样能保证流体顺利通过。

本发明所述轮辐型阻障压裂管柱23中的流线型轮辐装置221，在制造过程采用15°的相位差，目的是使每三节本发明所述轮辐型阻障压裂管柱23可以减速到管柱中除中心圆环2212之外的所有位置，并且由于支撑剂与本发明所述叶片2211发生碰撞之后会产生回弹现象，回弹过程会与其余支撑剂发生概率性碰撞，达到减速所有支撑剂的目的。

当压裂流体通过靠近井口的本发明所述轮辐型阻障压裂管柱23，所携带的支撑剂在本发明所述叶片2211的作用下，已经有了初步的减速作用，为了加强减速效果，进一步改善支撑剂滑脱自由沉降的现象，在压裂管住靠近井口的部分采用本发明所述的筛网型阻障压裂管柱24。当sc-co2流体携支撑剂经过本发明所述轮辐型阻障压裂管柱23时，支撑剂与本发明所述轮辐型阻障压裂管柱23中本发明所述筛网装置222发生概率性碰撞，以进一步达到减速目的。

本发明所述筛网装置222采用4-5倍支撑剂粒径的筛网，可防止支撑剂出现桥堵现象。

如图1所示，本图为本装置与压裂管柱连接总示意图，本装置管柱本体21以螺纹连接的方式连接于压裂管柱之中。靠近井口的上部压裂管柱连接自上而下分别是常规压裂管柱1，轮辐型阻障压裂管柱23，可以每隔一节或者多节压裂管柱连接一节本装置；靠近压裂装置3部分的连接顺序是：筛网型阻障压裂管柱24，常规压裂管柱1，为加强减速效果，可以在压裂管柱上部连接多个筛网型阻障压裂管柱24。

如图2所示，轮辐型阻障压裂管柱23(图2左)主要包括与常规压裂管柱1的扣型及尺寸相一致的母扣内螺纹2111，与常规压裂管柱材料以及强度相一致的管柱本体21，与常规压裂管柱扣型及尺寸相一致的公扣外螺纹2112，以及本装置的核心发明部分——流线型轮辐装置221，流线型轮辐截面积约占压裂管柱截面积的1/3。图2右为轮辐型阻障压裂管柱23的a-a截面情况，主要体现叶片2211的排布情况。

如图3所示，本图为流线型轮辐装置221的局部放大图，其中b-b截面为叶片2211的截面图，主要体现其流线型设计。

如图4所示，筛网型阻障压裂管柱24(图4左)主要包括与常规压裂管柱1扣型及尺寸相一致的母扣内螺纹2111，与常规压裂管柱材料以及强度相一致的管柱本体21，与常规压裂管柱的扣型及尺寸相一致的公扣外螺纹2112，以及本装置的核心发明部分——筛网装置222。为防止有水而出现桥堵现象，所以采用孔径为支撑剂粒径的4-5倍的筛网。图4右为筛网状结构短节的c-c截面情况，主要体现筛网孔隙大小情况。

本发明的具体工作流程为：支撑剂随sc-co2流体进入常规压裂管柱中，从井口向井底运移。在靠近井口的上部常规压裂管柱中，支撑剂每下沉一节或几节常规压裂管柱便会遇到如图2所示的轮辐型阻障压裂管柱，支撑剂与该轮辐型阻障压裂管柱中的流线型轮辐发生碰撞，碰撞后会反弹，在反弹过程中，会与下降的支撑剂发生碰撞，相互扰动，使之减速。在靠近压裂装置部位，为增强减速效果，在常规压裂管柱中接入如图4所示的筛网型阻障压裂管柱，支撑剂在通过筛网时，有50％以上的支撑剂与筛网发生碰撞，反弹后影响上部下落的支撑剂，从而达到减速的效果。在从井口到井底的流动过程中，由于轮辐采用流线型设计，在减速支撑剂的同时，sc-co2流体会绕流通过，对sc-co2流体的流动不会产生过大影响；筛网丝直径很小，对sc-co2流体的流动也不会产生过大影响。因此，本装置短节在减速支撑剂下沉速度的同时对sc-co2流体流动的影响可以忽略。