《高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置》是中國石油大學（北京）於2006年1月13日申請的發明專利，該專利的申請號為2006100011285，公布號為CN100999989，公布日為2007年7月18日，發明人是李根生、沈忠厚、黃中偉、牛繼磊。
《高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置》包括一護套，在護套的上端為釋放接頭，下端為導向絲堵，護套內的設有一活塞，該活塞下端連線一楔體，楔體連線一衝頭，活塞、楔體和沖頭為中空形狀，一頂端帶噴嘴的噴射軟管可穿在活塞、楔體和沖頭中，噴射軟管與芯管及控制桿連線，控制桿連線到抽油桿，在活塞上連線體上設有限制活塞運動的上位鎖，在活塞下連線體設有限制芯管運動的下位鎖。
2014年11月6日，《高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置
- 公布號：CN100999989
- 公布日：2007年7月18日
- 申請號：2006100011285
- 申請日：2006年1月13日
- 申請人：中國石油大學（北京）
- 地址：北京市昌平府學路
- 發明人：李根生、沈忠厚、黃中偉、牛繼磊
- 分類號：E21B43/117（2006.01）、E21B43/26（2006.01）
- 代理機構：北京三友智慧財產權代理有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：董惠石
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2006年1月，在石油開採中，打通油流通道是一項重要工藝。打通油流通道包括利用聚能彈射孔打通油流通道，半個多世紀來主要的射孔方式未發生根本的變化，射孔工藝技術方面，相繼開發了射孔安全自控系統、水平井射孔工藝、超正壓射孔工藝、電纜輸送帶壓射孔技術、電纜射孔分級點火射孔技術、管傳輸多層射孔分級起爆技術、定方位射孔技術等，提高了射孔效果。
聚能彈射孔裝備和工藝雖然取得了上述進展，但射孔壓實帶的問題無法克服。資料顯示，射孔壁面上的壓實帶厚度只有1.2～1.3厘米，但地層滲透率卻因此下降72％～78％，對原油生產極為不利。為此，人們開始水力噴砂射孔的可行性試驗研究，但由於噴嘴材料、高壓泵等條件限制，未能大規模推廣套用。
從20世紀90年代截至2006年1月，人們對水力噴砂射孔各項參數在室內進行了大量最佳化實驗，包括噴砂材料（石英砂、石榴石等）、噴砂顆粒直徑、濃度、噴射時間、噴射壓力、圍壓等參數對射孔效果的影響。在吸取公知技術的經驗教訓的基礎上，設計了井下水力噴砂射孔裝置，可根據油層厚度、數量把工具任意分級組合，噴嘴可180度（每組工具上兩個噴嘴）或120度（每組工具上三個噴嘴）安裝，工作壓力40兆帕，工具在地面絞車的帶動下上下移動，實現割縫。已現場套用10多口井，其中最大套用井深4800米，可對厚度1.0米的油層進行噴砂射孔改造。
和水力噴砂射孔不同，早在20世紀70年代末80年代初，前蘇聯岩石力學及礦山測量研究院就提出了水力噴砂造縫的構想，並製造成一種用摻砂高壓水對井壁及圍岩切割成縫的工具。該割縫工具全長27米，圓形截面的直徑平均為0.12米，由噴槍、復位器、移動器三部分組成。其中噴槍兩側分別各有一個直徑為4毫米的孔，用於噴射摻砂的高壓水流。該技術原理系水力噴砂連續射孔，在噴射過程中，由於水壓的作用，噴槍自行沿井深方向由上向下以3～5毫米/分鐘速度移動，對套管和地層實施連續割縫。但存在噴嘴復位器故障、切割深度較淺等問題。
無論是聚能彈射孔還是水力射孔，套用在低滲透油藏時油井的產能大都難以滿足生產需要。如中國國內低滲透油田石油地質儲量非常豐富，且分布廣泛，尤以西部最為明顯。開發低滲超低滲油田，是一項緊迫而重要的任務。
另外，在水力壓裂增產技術方面，中國國內外的專家學者雖在壓裂液、支撐劑、壓裂工藝等方面取得了長足進展，但水力壓裂的基本工藝並未發生根本變化，即：地面籠統加壓，在井下地層形成裂縫，裂縫位置及方向難以控制。特別在壓裂裸眼水平井時，大的井壁暴露面積會造成大量壓裂液漏失，井下有天然裂縫時這種情況更為嚴重；同時，由於壓裂液的活塞效應，壓裂裸眼水平井時往往只在井眼端部開裂，很大程度上降低了壓裂效果。在套管固井的水平段如果實施雙封隔器間單點壓裂工藝，則可避免由於液體活塞效應引起的僅在水平段端部起裂及降低對地面排量的要求，實現在預定井段壓裂，但裂縫在近井眼地帶轉向及起裂壓力較高等問題仍難以克服。
發明內容
專利目的
《高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置》要解決的技術問題是提供一種高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置，以解決油田聚能彈射孔和水力噴砂射孔中射孔深度較淺、孔眼直徑較小、孔眼壁面壓實帶等問題，該發明的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置能夠對不同油藏選擇水力參數進行定向射孔，考慮地應力條件下，實施水力深穿透射孔輔助壓裂工藝，可有效地控制裂縫起裂位置和發展方向，提高在低滲透地層中特別是水平井中的壓裂效果。
技術方案
《高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置》包括以下步驟：
步驟1：由井口送入井下裝置，該裝置具有一外套管、可被上位鎖控制的沖頭，沖頭中設有頂端帶噴嘴的噴射軟管；
步驟2：連線該控制桿和抽油桿；
步驟3：通過油管給水加壓；
步驟4：在預定位置頂開油層套管；
步驟5：沖頭實施高壓水射流深穿透射打孔；
步驟6：通過上提抽油桿，回收噴射軟管和沖頭。
如上所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，在步驟1中，利用常規油管從井口送入井下裝置，井下裝置為中空形式，內設有活塞，在活塞的下端連線有楔體和沖頭。
如上所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，在步驟2中，當井下裝置通過油管下入油層套管的預定層段時，再下入抽油桿，並使抽油桿與控制桿脫接器對接。
如上所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，在步驟3中，通過油管給水加壓，地面泵車升壓到45兆帕以上。
如上所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，在步驟4中，通過上位鎖的解鎖，在預定位置沖頭首先頂開油層套管。
如上所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，在步驟5中，通過下位鎖的解鎖，頂端帶噴嘴的噴射軟管邊噴射邊進入地層。
如上所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，使泵壓保持在45兆帕以上、流量保持在每分鐘70升左右，直至射孔噴射槍穿透油層2米的全過程為止。
如上所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，在步驟6中，地面泵車停泵，提拉抽油桿把沖頭和噴射軟管收回到井下裝置里，下位鎖首先閉鎖，到預定位置後，上位鎖再閉鎖，完成高壓水射流深穿透射孔。
如上所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，在步驟5的同時，對於需要壓裂的地層，根據地層破裂壓力，控制水力射孔時的施工壓力和套管環空壓力，實施一邊射孔一邊壓裂，由此可以控制裂縫的起裂位置和裂縫發展方向。
該發明提供一種水射流深穿透射孔及輔助壓裂的方法，即：根據地應力資料中的最大水平主應力方向，確保水射流深穿透射孔方位和最大水平主應力方向一致，根據能量最小原則，此時起裂壓力最低；根據油田實際需要和油氣井產能最優原則確定射孔間距和孔數實施水力射孔，確保在隨後的壓裂作業中起裂壓力較低、單一主裂縫擴展距離較遠，並使裂縫按照水射流射孔的方位擴展。
該發明的用於上述高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法的裝置包括一護套，在護套的上端為釋放接頭，下端為導向絲堵，護套內的設有一活塞，該活塞下端連線一楔體，楔體連線一衝頭，活塞、楔體和沖頭為中空形狀，一頂端帶噴嘴的噴射軟管可穿在活塞、楔體和沖頭中，噴射軟管與芯管及控制桿連線，控制桿連線到抽油桿，在活塞上連線體上設有限制活塞運動的上位鎖，在活塞下連線體設有限制芯管運動的下位鎖。
如上所述的裝置，其中，該護套內設有一凹槽，該凹槽位於護套的上部，對應回收狀態下活塞位於頂端，上位鎖處於閉鎖狀態，上位鎖卡在護套的凹槽內。
如上所述的裝置，其中，活塞下連線體設有可徑向伸縮移動的下位鎖，芯管的下部同時設有凹槽，施工前下位鎖處於閉鎖狀態，卡住芯管上的凹槽，避免芯管下移。
如上所述的裝置，其中，在護套的中部設有可阻擋活塞下移的活塞限位接頭。
如上所述的裝置，其中，在護套上設有一衝頭座。
如上所述的裝置，其中，在護套內還設有過濾器，控制桿穿過過濾器，控制桿通過一脫接器與抽油桿連線。
如上所述的裝置，其中，裝置長度可以為110毫米；裝置總長：12米；噴射軟管長度：2米；適用井深：＜3000米；施工壓力：＞60兆帕；工作介質：清水或壓裂液。
改善效果
與2006年1月前已有技術相比，該發明的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置具有的優點和特點是：高壓水射流深穿透射孔較高壓水射流噴砂射孔/割縫技術的處理深度進一步加深，並具有以下作用和優點：孔眼長而大，可造出深達2米、孔徑為25-35毫米的孔眼，屬於一種典型的小曲率半徑徑向鑽孔技術，增大了泄油麵積和產能；孔眼無污染，利用水力沖刷原理射孔不會對地層造成傷害，地層原始結構基本不變，有利於原油溢出；消除污染，一般認為鑽井造成的近井地帶污染半徑深達半米以上，有的達到2米。高壓水射流深穿透射孔技術可穿透地層2米，超過了鑽井污染帶，能形成近井帶高導流區；套管強度受損小，公知的聚能彈射孔時裝彈數可達數百發，引爆後使井內套管千瘡百孔，強度受損，腐蝕加快，而該發明孔數少，一般不會造成套管強度受損，腐蝕也相對緩慢，油井壽命較長；定向射孔，可以根據分層和地應力的要求，有選擇地定向射孔，適合射孔位置精度要求高的薄油層；在實施水力深穿透射孔的同時進行壓裂，既能控制裂縫起裂位置和發展方向，又可簡化射孔-壓裂工藝，節約了油田生產成本。
附圖說明
圖1為該發明的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法的流程原理圖；
圖2為該發明的採用圖1方法的裝置位於回收狀態下的示意圖；
圖3為該發明的採用圖1方法的裝置位於噴射狀態下的示意圖。
權利要求
1、《高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置》其特徵在於：包括一護套，在護套的上端為釋放接頭，下端為導向絲堵，護套內的設有一活塞，該活塞下端連線一楔體，楔體連線一衝頭，活塞、楔體和沖頭為中空形狀，一頂端帶噴嘴的噴射軟管可穿在活塞、楔體和沖頭中，噴射軟管與芯管及控制桿連線，控制桿連線到抽油桿，在活塞上連線體上設有限制活塞運動的上位鎖，在活塞下連線體設有限制芯管運動的下位鎖。
2、如權利要求1所述的裝置，其特徵在於：在護套內還設有過濾器，控制桿穿過過濾器，控制桿通過一脫接器與抽油桿連線。
3、如權利要求1所述的裝置，其特徵在於：裝置長度可以為110毫米；裝置總長：12米；噴射軟管長度：2米；適用井深：＜3000米；施工壓力：＞45兆帕；工作介質：清水或壓裂液。
4、一種高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，其特徵在於：包括以下步驟：
步驟1：由井口送入井下裝置，該裝置具有一外套管、可被上位鎖控制的沖頭，沖頭中設有頂端帶噴嘴的噴射軟管；
步驟2：連線該控制桿和抽油桿；
步驟3：通過油管給水加壓；
步驟4：在預定位置頂開油層套管；
步驟5：沖頭實施高壓水射流深穿透射打孔；
步驟6：通過上提抽油桿，回收噴射軟管和沖頭。
5、如權利要求4所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，其特徵在於：在步驟1中，利用常規油管從井口送入井下裝置，井下裝置為中空形式，內設有活塞，在活塞的下端連線有楔體和沖頭。
6、如權利要求4所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，其特徵在於：在步驟2中，當井下裝置通過油管下入油層套管的預定層段時，再下入抽油桿，並使抽油桿與控制桿脫接器對接，通過油管給水加壓，地面泵車升壓到45兆帕以上，通過上位鎖的解鎖，在預定位置沖頭首先頂開油層套管，通過下位鎖的解鎖，頂端帶噴嘴的噴射軟管邊噴射邊進入地層。
7、如權利要求6所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，其特徵在於：使泵壓保持在45兆帕以上、流量保持在每分鐘70升左右，直至射孔噴射槍穿透油層2米的全過程為止。
8、如權利要求4所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，其特徵在於：在步驟6中，地面泵車停泵，提拉抽油桿把沖頭和噴射軟管收回到井下裝置里，下位鎖首先閉鎖，到預定位置後，上位鎖再閉鎖，完成高壓水射流深穿透射孔。
9、如權利要求4所述的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法，其特徵在於：在步驟5的同時，對於需要壓裂的地層，根據地層破裂壓力，控制水力射孔時的施工壓力和套管環空壓力，實施一邊射孔一邊壓裂，由此可以控制裂縫的起裂位置和裂縫發展方向。
實施方式
首先參見圖1，其為該發明的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法的流程原理圖。該發明的高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法包括以下步驟：
1、由井口送入井下裝置，該裝置具有一外套管、可被上位鎖控制的沖頭，沖頭中設有頂端帶噴嘴的噴射軟管；
2、連線該控制桿和抽油桿；
3、通過油管給水加壓；
4、在預定位置頂開油層套管；
5、沖頭實施高壓水射流深穿透射打孔；
6、通過上提抽油桿，回收沖頭和噴射軟管。
其中，在步驟1中，利用常規油管從井口送入井下裝置，井下裝置為中空形式，內設有活塞，在活塞的下端連線有沖頭。
在步驟2中，當井下裝置通過油管下入油層套管的預定層段時，再下入抽油桿，並使抽油桿與控制桿脫接器對接。
在步驟3中，通過油管給水加壓，地面泵車升壓到45兆帕以上。
在步驟4中，通過上位鎖的解鎖，在預定位置沖頭首先頂開油層套管；
在步驟5中，通過下位鎖的解鎖，頂端帶噴嘴的噴射軟管邊噴射邊進入地層；
在步驟6中，地面泵車停泵，提拉抽油桿把沖頭和噴射軟管收回到井下裝置里，下位鎖首先閉鎖，到預定位置後，上位鎖再閉鎖，完成高壓水射流深穿透射孔。同時對於需要壓裂的地層，根據地層破裂壓力，控制水力射孔時的施工壓力和套管環空壓力，實施一邊射孔一邊壓裂，由此可以控制裂縫的起裂位置和裂縫發展方向。
實現上述方法的裝置，同時參見圖2和3，其分別為位於回收狀態下的示意圖和位於噴射狀態下的示意圖。
該發明的裝置概括地說由一套高壓水射流深穿透射孔裝置，該裝置主要由過濾、控制、沖頂、噴射等四大部分組成，具體包括一護套5，在護套5的上端為釋放接頭2，下端為導向絲堵23，護套5內設有一活塞12，該活塞12下端連線一楔體19，楔體19頂置一衝頭20，活塞12、楔體19和沖頭為中空形狀，一頂端帶噴嘴的噴射軟管18可穿設在活塞12、楔體19和沖頭20中，噴射軟管18通過一芯管17與一控制桿6連線，控制桿6可連線到抽油桿3，在活塞上連線體9上設有限制活塞12運動的上位鎖8，在活塞下連線體上設有限制芯管17運動的下位鎖16。
如圖2和3所示，該護套5內設有一凹槽24，該凹槽24位於護套5的上部，對應回收狀態下活塞上連線體9的頂端，上位鎖8處於彈出位置時，卡在護套5的凹槽24內。在護套5的中部設有活塞限位接頭13，可限制活塞12的下行位置。
活塞下連線體14的下部設有可徑向伸縮移動的下位鎖16，芯管17的下部同時設有凹槽，施工前下位鎖16處於收回狀態，卡在芯管上的凹槽，見圖2，避免芯管17下移。
對應沖頭20，在護套5上設有一衝頭座21，控制桿6通過一脫接器4與抽油桿3連線。在護套5內還設有過濾器7，控制桿6穿過過濾器7。各部件的連線關係為：釋放接頭2上端和油管1（根據井深，數百根油管首尾相連，把裝置送入井下指定位置；施工時高壓水的通道）相連，下端和外護套（外徑110毫米）通過絲扣連線。活塞12下端和楔體19相連，並在高壓水的作用下可在護套5內上下移動，但向下只能移動到活塞限位接頭13的位置。上位鎖8安裝在活塞上連線體9上端，可徑向伸縮移動，裝置下井時，為避免活塞帶動楔體向下移動，上位鎖8處於彈出位置，卡在外護套的凹槽24內。同理，下位鎖16安裝在活塞下連線體的內孔，也可徑向伸縮移動，施工前處於收回狀態，卡住芯管17上的凹槽，避免控制桿6和芯管17下移。控制桿6上端和脫接器4連線，下端連芯管17及噴射噴射軟管18，裝置下井前，這四個部件已經安裝在了裝置內。沖頭20端部加工有凹槽，和楔體19斜面上的凹槽配合連線，保證楔體19上下移動時，沖頭20能徑向移動。
工作原理是，根據地應力資料，確定水射流深穿透射孔方位和間距，然後實施射孔，確保在隨後的壓裂作業中起裂壓力較低、擴展距離較遠，並使裂縫按照水射流射孔的方位擴展。施工時裝置（如圖2回收狀態下）通過油管下入油層套管的指定層段，再下入抽油桿3，並使抽油桿3與脫接器4對接。地面泵車對清水或壓裂液加壓，地面泵車升壓到45兆帕，上位鎖8解鎖，沖頂液壓缸體，即活塞12下行，與之相連的楔體19隨之向下運動，推動沖頭20頂開套管，此時下位鎖16處於閉鎖狀態，而且楔體19和沖頭20的中空孔眼正好對應，以保證噴射軟管18通過。地面下放抽油桿3，下位鎖16解鎖，芯管17推動噴射軟管18噴射進入地層。噴射軟管18的行進速度由地面抽油桿控制，使泵壓保持在45兆帕以上、流量保持在每分鐘70升左右，直止射孔噴射槍穿透油層2米的全過程為止。射孔完成後，地面停泵，壓力降至0兆帕，上提抽油桿3，收回噴射軟管18，下位鎖16關閉，繼續上提，收回沖頭20，上位鎖8關閉，完成一個孔眼的噴射施工。將該工具移位至下一個待射孔點，可重複射孔。對於需要壓裂的地層，根據地層破裂壓力，控制水力射孔時的施工壓力和套管環空壓力，可望實施一邊射孔一邊壓裂，由此可以控制裂縫的起裂位置和裂縫發展方向。
井下裝置和施工參數為：裝置最大外徑：110毫米；裝置總長：12米；噴射軟管長度：2米；適用井深：＜3000米；施工壓力：＞45兆帕；工作介質：清水或壓裂液。
榮譽表彰
2014年11月6日，《高壓水射流深穿透射孔及輔助壓裂方法及其裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
