一种用于井压裂的压力扰动短节装置及井压裂设备和方法与流程

1.本发明属于压裂技术领域，适用于压裂增产作业，总体涉及一种提高压裂裂缝复杂性的高频扰动短节及其应用方法。具体地，本发明涉及一种用于井压裂的压力扰动短节装置及井压裂设备和方法。


背景技术：

2.目前，井压裂技术、例如水平井体积压裂技术已被广泛应用于不同岩性油气藏的勘探与开发中，并取得了显著的效果。在分段压裂的基础上，期望水平井的体积压裂能实现更好的压裂效果，尤其是实现每簇裂缝的复杂化，最好是使得每簇裂缝的复杂性程度达到最大化。如果裂缝的复杂性程度不够，为了实现体积压裂的效果，那么每簇裂缝的间距必须足够小，如3-5m，显然这需要进行更多段的压裂施工，这样给压裂成本的增加带来了不可承受之重。有人认为可以不增加段数而一味地增加簇数，来实现所谓的密切割效果，但随着段内簇数的增加，却不能保证每簇都能被压开裂缝，且由于单簇排量的降低，每簇裂缝的造缝高度及裂缝几何尺寸等，都会相应地降低。换言之，就当前的压裂技术水平而言，每段内的簇数是有界限的，并非簇数越多越好。而且，簇数越多，簇间裂缝的非均衡延伸程度就越大，会导致局部套变及段内裂缝失去诱导应力的作用机制，从而也失去了提高裂缝复杂性及改造体积的基础。因此，适当的簇间距和最大限度地提高每簇裂缝的复杂性程度，是目前进行水平井体积压裂的经济有效的途径。
3.当前，提高裂缝的复杂性程度的手段主要是采取变黏度和变排量的措施。现场裂缝微地震监测结果也证实了这种方法确实可以增加微地震事件数量。但这种方法据信目前已发挥到了极致，而压裂效果仍未得到根本性改变。另外，变排量的次数毕竟有限，因此产生的改善压裂效应相对较弱。
4.因此，希望研究提出一种新的改善井压裂效果的解决方法，以解决上述问题的局限性。例如提出一种能大幅度促进裂缝复杂性程度提升的新技术。
5.以上的内容为本发明人对其所了解的当前技术的描述，并不视作对现有技术的承认。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种提高压裂裂缝复杂性的高频扰动短节装置及其压裂设备和方法，以简单的解决方案实现水平井分段压裂的段内各簇裂缝延伸的程度及裂缝的复杂程度，提高水平井分段压裂改造的改造体积，提高水平井压裂作业效率，降低开发成本和提高水平井分段压裂开发效果。
7.根据本发明的实施例，提供了一种用于井压裂的压力扰动短节装置，其被构造成能在管内造成脉冲液流以对井施加压力扰动。
8.在一个实施例中，所述压力扰动短节装置包括外壳体；可转动地设置在所述外壳体内的螺旋体；以及固定在所述外壳体内的空心圆环体，所述圆环体设置在所述螺旋体的
下游。
9.优选地，圆环体的空心部分占比在30％至60％的范围内。
10.在一个实施例中，所述螺旋体包括筒体和固定在所述筒体中的多个轴向延伸的螺旋叶片。
11.在一个实施例中，所述压力扰动短节装置还包括一对滚动轴承，即第一滚动轴承和第二滚动轴承。该对滚动轴承的外圈固定至所述外壳体，所述螺旋体不可相对转动地固定至该对滚动轴承的内圈。在一个实施例中，螺旋叶片具有用于配合安装如过盈配合至内圈的端部安装部。在一个实施例中，第一组的多个螺旋叶片具有与第一滚动轴承的内圈配合安装的第一端部安装部；第二组的多个螺旋叶片具有与第二滚动轴承的内圈配合安装的第二端部安装部。
12.在一个实施例中，所述圆环体包括中心通孔和周向上非连续的多个周边缺口和/或周边通孔。在一个优选的实施例中，叶片高度和中心通孔内径相对应，从而可形成稳定的中心连续流。
13.优选地，所述圆环体是旋转对称的。本发明人发现，借助于旋转对称的中心通孔以及周边缺口和/或周边通孔，能够非常有利地实现高效的高频脉冲扰动的同时避免短节装置振动影响与其连接的部件。
14.在一个实施例中，所述压力扰动短节装置还包括分别连接至所述外壳体两端的第一接头和第二接头。所述第一接头和第二接头优选为锥形螺纹连接。
15.根据本发明的实施例，提供了一种井压裂设备，包括可切换的管汇系统，其包括：压力扰动管路，安装有根据本发明实施例所述的压力扰动短节装置；至少一个普通管路；以及切换阀机构，配置成可切换地开启和关闭所述普通管路和压力扰动管路。
16.在一个实施例中，所述管汇系统具有一个居中布置的压力扰动管路和一对对称布置在两侧的普通管路。
17.在一个实施例中，所述井压裂设备还包括牢固固定至地面的支座，所述支座具有用于支撑并固定所述压力扰动管路和/或普通管路的多个管路支撑凹座。
18.在一个实施例中，所述管路支撑凹座借助固定卡箍支撑并固定所述压力扰动管路和/或普通管路。
19.根据本发明的实施例，提供了一种分段压裂的井压裂方法。针对各段压裂采用的步骤包括：
20.通过普通管路输送预处理液进入地层；
21.通过压力扰动管路输送前置压裂液进入地层，其中所述前置压裂液流经所述压力扰动管路产生脉冲液流以对井周地层施加压力扰动；
22.通过所述普通管路施加第一段含砂压裂液；
23.通过压力扰动管路输送隔离压裂液进入地层，其中所述隔离压裂液流经所述压力扰动管路产生脉冲液流以对井周地层施加压力扰动；
24.通过所述普通管路施加第二段含砂压裂液压裂砂。
25.在一个实施例中，所述预处理液是酸。
26.在一个实施例中，所述隔离压裂液优选是滑溜水。
27.在一个实施例中，前置压裂液的黏度小于隔离压裂液的黏度。
28.在一个实施例中，施加第一段含砂压裂液的流量小于施加第二段含砂压裂液压裂砂的流量。
29.借助于压裂液流经所述压力扰动管路产生脉冲液流，能够对井施加高频压力扰动，从而获得脉冲压裂效果并促成压裂裂缝复杂化。
30.在一个实施例中，所述井压裂方法利用根据本发明实施例所述的井压裂设备实施。在一个实施例中，借助于切换阀机构实现切换启闭普通管路和压力流动管路以实现所述液体或含砂压裂液的输送。
31.在一个实施例中，在压力扰动管路中设置根据本发明实施例所述的压力扰动短节装置。
32.在一个实施例中，在实施分段压裂之前，还包括：测试步骤，包括对压力扰动管路所产生的压力扰动进行测试。
33.本发明实施例通过一种提高压裂裂缝复杂性的高频扰动短节装置及其压裂设备和方法，可实现水平井段内各簇裂缝均匀延伸，大幅度提高裂缝的复杂性，增大水平井分段压裂改造的压裂体积。本发明原理清晰，压力扰动短节易于加工、组装，施工连续性好，可以提高水平井的压裂开发效果。
34.本发明的其他优选特征部分在下文描述，部分可通过阅读本文而明白。
附图说明
35.以下，结合附图来详细说明本公开的实施例，其中：
36.图1是根据本发明实施例的压力扰动短节装置的结构示意图。
37.图2a和图2b是根据本发明实施例的螺旋体的结构示意图。
38.图3a是根据本发明的一个实施例的圆环体的结构示意图。
39.图3b是根据本发明的另一个实施例的圆环体的结构示意图。
40.图3c是根据本发明的又一个实施例的圆环体的结构示意图。
41.图4是根据本发明实施例的管汇系统及其支座的结构示意图。
42.图5是根据本发明实施例的用于管汇系统的支座的结构示意图。
43.图6是根据本发明实施例的分段压裂的井压裂方法流程图。
44.附图标记列表
45.1-第一接头、2-滚动轴承、3-外壳体、4-螺旋体、5-滚动轴承、6-圆环体、7-第二接头、11-锥形外螺纹连接部、12-螺纹连接部、41-筒体、42-螺旋叶片、61-中心通孔、62-周边缺口、63-周边通孔、71-锥形外螺纹连接部、72-螺纹连接部、100-管汇系统、110-压力扰动管路、120-普通管路、130-普通管路、140-阀门、150-阀门、160-阀门、170-阀门、180-阀门、190-阀门、200-支座、210-管路支撑凹座、421-端部安装部。
具体实施方式
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
47.在本文中“短节装置”和“短节”可以替换使用。
48.本发明实施例总体涉及用于井压裂的高频压力扰动短节及应用高频压力扰动的井压裂设备和方法。在一定程度上，本发明的实施例寻求提高压裂裂缝复杂性，适用于水平井的体积压裂施工作业。
49.在本发明的一个实施例中，提供了一种提高压裂裂缝复杂性的高频扰动短节解决方案，其借助短节的管内结构使液流自身形成高频脉冲扰动。具体地，提供一种用于井压裂的压力扰动短节装置，被构造成能在管内造成脉冲液流以对井施加压力扰动。利用短节装置产生的压力扰动，可传递到井底的裂缝中，可以单独地或结合已有的变排量及变黏度措施，产生一个压力脉冲效应，从而最大限度地促进裂缝复杂性的形成。
50.在一些实施例中，压力扰动短节可以结合到井压裂设备中，例如结合到地面的高压管汇中。结合图1和图4，在一些实施例中，该压力扰动短节可安装至单独的一路流体通路中，结合下文的进一步描述。
51.现参考图1来描述根据本发明实施例的压力扰动短节装置，其优选长度约0.6-1.5m，其内径可以与地面高压管汇的内径一致(例如为65mm或76mm)。如图1所示的实施例中，压力扰动短节装置可包括第一接头1、滚动轴承2、外壳体3、螺旋体4、滚动轴承5、圆环体6和第二接头7。
52.如图1所示，螺旋体4可转动地设置在所述外壳体内。螺旋体包括筒体41和固定在所述筒体中的多个轴向延伸的螺旋叶片42。
53.在一些实施例中，螺旋体4沿短节轴线方向设计成一个带螺旋叶片的形式。结合参考图1和图2a、图2b，可对螺旋体4进行优化设计，包含叶片数量、叶片螺旋角度和叶片长度、叶片高度和叶片厚度等参数。在一些实施例中，叶片数量可选择3片、4片、5片或6片，在所示的实施例中为6片。在一些实施例中，叶片长度可选取为约450mm-550mm，叶片高度可选取为约65mm，叶片厚度可选取为6mm-12mm，叶片螺旋角度可以在6
°-
24
°
的范围内，优选为12
°-
16
°
。在一些实施例中，可以初步设计制造多种叶片构造的螺旋体以进行测试，以测试结果为依据，选取满足压裂设计排量注入量下产生扰动效果最好的作为设计方案。
54.参考图1，螺旋体4两端装配在两个轴承2、5；再和外壳体3装配在一起，装配后螺旋体4可以自由转动。螺旋叶片可以设计为3片、4片、5片或6片，螺旋叶片的螺距和螺旋角度依据实验结果选取最优值。
55.参考图1和图2，螺旋体4两端固定装配在滚动轴承2和5的内圈上，滚动轴承2、5的外圈与外壳体3固定装配。由此，螺旋体4(筒体41)套叠在外壳体3内并可绕外壳体3的轴线自由旋转，从而流经压力扰动短节装置的液流能够驱动螺旋体4转动。
56.参考图1和图2，在所示的实施例中，螺旋体4借助螺旋叶片42的端部安装部421例如通过过盈配合的方式不可相对转动地固定至该对滚动轴承2、5的内圈。在所示实施例中，第一组的3个螺旋叶片42具有与第一滚动轴承2的内圈配合安装的第一端部安装部(未示出)，第二组的3个螺旋叶片42具有与第二滚动轴承5的内圈51配合安装的第二端部安装部421，在图2中仅示出两个螺旋叶片的端部安装部421。
57.继续参考图1，圆环体6具有空心部分并且例如通过焊接固定在外壳体3内。在所示的实施例中，圆环体6设置在螺旋体4的下游。在一些实施例中，为调控压力的高频扰动，在圆环体6的设计中考虑圆环体的空心部分的面积和留存面积。例如，这可以基于地面实验的压力扰动幅度结果来确定。
58.在一些实施例中，所述圆环体6包括中心通孔61和周向上非连续的多个周边缺口62和/或周边通孔。优选地，所述圆环体是旋转对称的。
59.参考图3a，示出了圆环体6的一个实施例，圆环体6包括圆形的中心通孔61和多个(5个)扇形的周边缺口62。周边缺口62与中心通孔61相连。
60.参考图3b，示出了圆环体6的另一个实施例，圆环体6包括圆形的中心通孔和多个(8个)长圆形(腰形)周边缺口62。此外，圆环体6还包括位于外周与中心通孔/周边缺口隔开的多个(4个)长圆形(腰形)周边通孔63。
61.参考图3c，示出了圆环体6的又一个实施例，圆环体6包括圆形的中心通孔、多个(4个)圆弧形的周边缺口62以及多个(4个)长圆形(腰形)周边通孔63。
62.在不同的实施例中，空心部分的形状可以不同，例如采用圆孔、扇形孔、半圆孔、圆环等形状，这可以根据测试效果确定最优的形状及面积大小。在不同的实施例中，空心部分中的中心通孔、周边缺口、周边通孔可以有选择地取舍或组合或选取不同的形状或面积大小。
63.在一些实施例中，圆环体6的优化设计是为了优化空心部分的面积大小和形状及平面分布，并以最优化螺旋体旋转造成的压力波动幅度为最优目标。在一些实施例中，空心部分的面积占圆环体横截面面积的比例达一定比例，如30-60％，优选30-50％。
64.考虑到地面高压管汇中的压力很高，产生的压力扰动幅度又很大，因此，作为承压部件的螺旋体4和圆环体6的强度最好足够大，尤其当支撑剂加入后，对螺旋体4和圆环体6的磨蚀效应也大幅度增加。在一些实施例中，螺旋体4和圆环体6的材质选取耐磨材料，优选还可进行表面强度增强处理。
65.作为解释而非限制，结合螺旋体4的螺旋叶片42以及圆环体6的空心部分，可以造成在螺旋体4转动过程中，液体流动出现断续的不连续过程，即产生脉冲液流的过程，并可通过流量或设计调节脉冲的幅度大小。随着施工液体的注入，不同的施工排量，会使得螺旋体4以不同的速度转动，螺旋式叶片的转动造成叶片以不同的速率扫过圆环体的空心部分，使得液流、例如压裂液的流动速度由最大到最小，然后再由最小到最大不断的发生变化，造成压力由最小到最大，再由最大到最小不断发生变化。总之，注入的排量越大，螺旋式叶片转动的速度越快，则产生的压力扰动的频率也越快。
66.继续参考图1，第一接头1和第二接头7的外端分别具有外部的锥形外螺纹连接部11、71，用来和高压法兰连接，高压法兰与其他管汇连接。第一接头1和第二接头7另一端具有螺纹连接部12、72，例如为公螺纹，用来和外壳体3的对应的螺纹连接部、例如母螺纹连接并密封。
67.在一些实施例中，高频扰动短节的耐压等级可以与目前高压管汇耐压等级(例如35mpa、70mpa、105mpa)一致或更高。在一些实施例中，考虑到压力扰动引起的压力波动幅度较大，压力级别可适当放宽。
68.在一些实施例中，压力扰动短节组装后可先进行净压力强度测试，测试压力为额定压力的1.5倍至2倍。高频压力扰动短节组装后，可在地面进行动载试验，确保该扰动短节产生的压力脉动既能促进裂缝复杂性的形成，又不至于导致地面施工的困难。
69.结合参考图1和图4，根据本发明的实施例，提供了一种井压裂设备，包括可切换的管汇系统100。管汇系统100可包括压力扰动管路110、至少一个普通管路120、130以及切换
阀机构，配置成可切换地开启和关闭压力扰动管路110和普通管路120。在压力扰动管路110可安装有根据本发明实施例所述的压力扰动短节装置(图4未标示)。
70.在所示的实施例中，压力扰动管路110居中布置，一对普通管路120、130对称布置在压力扰动管路110两侧。
71.在图4所示的实施例中，切换阀机构可包括多个阀门140、150、160、170、180、190。阀门140、150分别设置在压力扰动管路110的前端和后端。阀门160、170分别设置在第一普通管路120的前端和后端。阀门180、190分别设置在第二普通管路130的前端和后端。
72.在一些实施例中，使用压力扰动工艺时，可操作切换阀机构(打开阀门140、150，关闭阀门160、170、180、190)，使注入流体经过扰动短节注入井筒，当在其他注入环节中，可操作切换阀机构(关闭阀门140、150，打开阀门160、170和/或180、190)流体经过普通管路注入井筒。
73.结合参考图4和图5，在所示的实施例中，井压裂设备还可包括牢固固定至地面的支座200。支座200具有用于支撑并固定所述压力扰动管路和/或普通管路的多个管路支撑凹座210。在一个实施例中，管路支撑凹座210借助固定卡箍支撑并固定所述压力扰动管路和/或普通管路。
74.作为解释而非限制，为了防止因高频扰动短节产生的压力频率及扰动幅度对地面高压管汇造成的不利影响，提供该压裂管汇的支座，如图5所示。在一些实施例中，现场施工时，还可针对该支座预制深嵌入地基的水泥墩，将支座牢固固定在水泥墩中。
75.参考图6，在本发明的一个实施例还提供了一种分段压裂的井压裂方法。
76.在本发明的一个实施例中，井压裂方法可利用根据本发明实施例所述的井压裂设备实施。在一个实施例中，借助于切换阀机构实现切换启闭普通管路和压力流动管路以实现所述液体或压裂砂的输送。
77.在本发明的一个实施例中，在压力扰动管路中设置根据本发明实施例所述的压力扰动短节装置。
78.在一个实施例中，在实施分段压裂之前，还包括：测试步骤，包括对压力扰动管路所产生的压力扰动进行测试。
79.在一个实施例中，高频扰动短节可依据设计要求在地面按照设计组装，静压测试。然后，高频扰动短节可安装至管汇进行动态测试。测试结果达到设计要求后，然后可进行压裂现场试验，现场试验时，高频扰动短节安装到地面压裂管汇支座上，支座要求和现场固定墩固定牢靠，安装就位。
80.在一些实施例中，可通过预选参数组合，加工制造样机，然后组装样机并进行室内静压测试，满足强度要求。
81.在一些实施例中，在动态测试时，与高压管汇连接，地面进行实验，在入口及出口处分别安装压力计及流量计。如压力扰动的幅度低于设计值，可进行重新设计及静压测试，直到压力扰动幅度满足设计要求为止。
82.在一些实施例中，现场进行试验时在短节的下部安装牢固的管汇支座，如图5所示。
83.以上三种测试可以择一或选择全部，此外还可以选择与上下文描述的测试相结合或进行替换。
84.针对各段压裂可包括如下步骤s601-s605。
85.s601：通过普通管路输送预处理液进入地层。
86.s602：通过压力扰动管路输送前置压裂液进入地层，其中所述前置压裂液流经所述压力扰动管路产生脉冲液流以对井周地层施加压力扰动。
87.s603：通过普通管路施加第一段含砂压裂液。
88.s604：通过压力扰动管路输送隔离压裂液进入地层，其中所述隔离压裂液流经所述压力扰动管路产生脉冲液流以对井周地层施加压力扰动。
89.s605：通过普通管路施加第二段含砂压裂液。
90.在一个实施例中，所述预处理液是酸。
91.在一个实施例中，所述前置压裂液优选是滑溜水。
92.在一个实施例中，前置压裂液的黏度小于隔离压裂液的黏度。
93.在一个实施例中，施加第一段含砂压裂液的流量小于施加第二段含砂压裂液的流量。
94.借助于压裂液流经所述压力扰动管路产生脉冲液流，能够对井施加高频压力扰动，从而获得脉冲压裂效果并促成压裂裂缝复杂化。
95.在一些实施例中，进行现场压裂施工的同时进行裂缝监测，观察加高频扰动短节与不加高频扰动短节的裂缝形态及复杂性程度的变化。
96.在一些实施例中，施工结束后，检查短节的磨损情况，如磨损程度大，应更换耐冲蚀更强的材质制造关键零部件。
97.在一些实施例中，可编写高频扰动短节的现场施工作业规程。
98.实施例
99.在一个实施例中，某水平井，埋藏深度约为3200m，水平段长约为1500m，闭合压力约为52mpa，分22段压裂，设计单段液量为1800m3，前几段预计15m3/min排量下地面施工压力约为60-70mpa，因此采用105mpa压裂井口和压裂装备进行压裂，此次施工在地面压裂管汇中采用了提高压裂裂缝复杂性的高频扰动短节及相应的管汇系统(如图1和图5及图6所示)，该高频扰动短节可用来提高压力的扰动性，类似形成脉冲压裂方式，以此来提高裂缝复杂性。
100.该技术详细的实施步骤如下：
101.保持阀门140、150关闭，阀门160、170、180、190打开，先挤压输送预处理酸进入地层，酸进入地层后，提排量至8-12m3/min；
102.此时打开阀门140、150，关闭阀门160、170、180、190，采用滑溜水顶替酸液注入，液体进入高频扰动短节，产生高频扰动，获得脉冲压裂效果，促使压裂裂缝复杂化；
103.前置液量达到设计的200m3液量时，切换阀门，先打开阀门160、170、180、190，随后关闭阀门140、150，进入加砂阶段，排量提至15m3/min。高频扰动短节此时停止工作，避免因为压力的扰动，导致施工压力无法预判，而致使复杂事件发生；
104.当液量(流量)达到1400m3时，主裂缝基本形成，此时打开阀门140、150，关闭阀门160、170、180、190，高频扰动短节重新开始工作，注入另外的压裂液，液体进入高频扰动短节产生的压力频率及扰动继续促使人工裂缝复杂化；
105.当液量达到1550m3后，先打开160、170、180、190，关闭阀门140、150，高频扰动短节
此时停止工作，进入最后一段主压裂加砂阶段，一直到施工结束。
106.各段压裂时均采用上述流程步骤，从而采用高频扰动短节来提高各段的裂缝复杂性。
107.该井压裂后，监测效果显示形成了大范围复杂裂缝，与邻井相比，压后无阻流量也较邻井提高了20％以上，证实该高频扰动短节具有较好的适用性。
108.利用本发明实施例的高频扰动短节能够对水平井目的层进行裂缝复杂化压裂改造，可以大幅度提高改造的效果，提高了改造裂缝的复杂程度及波及体积。本发明高频扰动短节结构简单，可靠性和安全性高，施工连续性好，大幅度降低施工成本，提高水平井提高压裂的开发效果。
109.在本文中，针对本发明的多个实施例进行了描述，但为简明起见，各实施例的描述并不是详尽的，各个实施例之间相同相似的特征或部分可能会被省略。在本文中，各实施例的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
110.在本文中，术语“包括”、“包含”或者其变体意在涵盖式，而非穷尽式，从而包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备可包括这些要素，而不排除还可包括没有明确列出的其他要素。
111.已参考上述实施例具体示出并描述了本发明的示例性系统及方法，其仅为实施本系统及方法的最佳模式的示例。本领域的技术人员可以理解的是可以在实施本系统及/或方法时对这里描述的系统及方法的实施例做各种改变而不脱离界定在所附权利要求中的本发明的精神及范围。所附权利要求意在界定本系统及方法的范围，故落入这些权利要求中及与其等同的系统及方法可被涵盖。对本系统及方法的以上描述应被理解为包括这里描述的全部的新的及非显而易见的元素的结合，而本技术或后续申请中可存在涉及任何新的及非显而易见的元素的结合的权利要求。此外，上述实施例是示例性的，对于在本技术或后续申请中可以要求保护的全部可能特征及元素组合中，没有一个单一特征或元素是必不可少的。