[发明专利]一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种井下产生低频率、大排量、高能量水力脉冲能量的装置和方法，应用于页岩储层或其它类似储层体积压裂改造。

背景技术

我国非常规气资源储量丰富、开发潜力大，特别是页岩气、煤层气具有广阔的开发前景。但页岩气、煤层气储层具有孔隙度低、渗透率低等特点，一般需要对储层加以改造获得商业性开发。目前，水力压裂技术是高效低成本开发页岩气、煤层气的关键技术之一，同时也存在着消耗水量大、能量利用率低、裂缝网络沟通效果不理想等瓶颈问题。水力脉冲压裂是一种页岩储层改造新方法，能高效运用高能量水力脉冲的水锤效应和循环加载方式提高储层的改造效果。在我国水资源匮乏的背景和环保压力下，研制井下实用的脉冲生成装置，建立相应的页岩气水力脉冲压裂新方法显得至关重要。

常规水力压裂主要是通过调节地面压裂车泵压力，在高泵压下致裂岩石，然后维持一定压力泵注大量液体，使裂缝延伸。使用水力脉冲压裂改造页岩气储层是一种新的改造储层方法，采用低频率、大排量、高能量的脉冲压力在井下产生具有“水锤效应”强、脉冲能量衰减慢、循环加载等施载特点，能在与常规水力压裂相比较低的压力条件下，形成更为复杂的裂缝网络，增大有效裂缝体积和连通程度，达到提高页岩气储层水力压裂改造效果的目的。

目前，国内外针对页岩储层的水力压裂，主要是采用稳态泵注水力压裂，当需要一定脉冲能量时，是通过调节地面泵来达到脉冲效果，但这样产生的脉冲能力大部分都被井筒和储层内的压裂液所消耗，真正用于致裂岩石的脉冲能量占很少一部分，效果不理想。通过国内外水力压裂的研究与比较，发现使用井下水力脉冲压裂工具的水力压裂具有以下优点：

1.能够在井下产生低频率、大排量水力脉冲能量，压力冲击波具有衰减慢、传播距离远、波峰、波谷稳定时间长，波峰与波谷之间过渡时间短、压力突变迅速等特点。不会同在地面产生的水力脉冲能量一样被压裂液所消耗，降低水力能量消耗。

2.井下水力脉冲压裂装置能够在井下把高压压裂液转换为大排量、低频率脉冲压裂液，在储层中形成井下“水锤效应”，高冲击力压裂储层，满足定向压裂储层需要。

目前，国内外还没有专门针对页岩储层的水力脉冲压裂方法。

发明内容

本发明提供一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置及方法，能够用于页岩储层、煤层或其它储层水力压裂，在井下产生定向低频率、高振幅、大排量、压裂峰谷阶跃时间短的水力脉冲能量，以及相应的水力脉冲压裂装置方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明首先提出井下水力脉冲分段压裂增渗装置，包括井下脉冲压裂装置、可控式液压封隔器、连续油管、流体控制阀和压裂车。所述压裂车通过连续油管连接井下脉冲压裂装置和可控式液压封隔器，可控式液压封隔器连接于井下脉冲压裂装置后端，连续油管与压裂车连接的接口处设流体控制阀。

所述井下水力脉冲压裂装置包括缸体一、缸体二、芯轴、滑套、密封圈、弹簧、喷嘴和接头；所述缸体一后端与缸体二前端采用梯形圆螺纹连接，缸体一中心有滑套孔，前端封闭，滑套孔的侧壁上径向设有喷嘴，缸体二中开有前后贯通的通孔；所述芯轴具有中心孔，后端开口，通入流体，前端底部密封，前端周壁对称布置径向的流体出口；芯轴穿过缸体二，后端与缸体二通过螺母固定，并通过接头与连续油管连接，前端外装滑套，并与滑套一起装进缸体一的滑套孔中，滑套内外分别与芯轴和缸体一进行密封；所述滑套后端有大于缸体一孔口的凸肩，在向前滑到极限位置时，凸肩下表面与缸体一孔口端面贴合，在向后行到极限位置时，与缸体二内壁的凸肩相抵；滑套前端外径减小，形成一级阶梯，缸体一内壁有与其配合的台阶，滑套的前端面距阶梯面的距离小于或等于缸体一上的喷嘴距台阶的距离；在缸体二内的芯轴段外装有弹簧，弹簧下端压在滑套的凸肩上表面，上端顶在缸体二的内壁上，滑套可在芯轴上通过压缩弹簧的作用前后滑动，封隔或关闭喷嘴，形成阶梯状波的水力脉冲喷射。

滑套上下滑动频率和喷嘴喷出流体压力通过合理选择弹簧性能参数、地面泵压、滑套长度、滑套前端面面积、滑套阶梯面(面积、喷嘴大小和长度、喷嘴和流体出口位置来确定。

其中滑套行程l由式(1)确定：

弹簧刚度n由式(2)确定：

滑套本征频率f由式(3)确定：

整个水力脉冲压裂装置频率K由式(4)确定：