CN105484721A - 一种水平井高效压裂施工工艺管柱及压裂施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水平井高效压裂施工工艺管柱及压裂施工工艺，其管柱连接从下至上依次包括：导向眼管、球座二、TDY封隔、导压喷砂器、球座一、多簇高效喷枪三、油管短节、第二级分流器、多簇高效喷枪二、油管短节一、第一级分流及多簇高效喷枪一；多簇高效喷枪一与油管连接至井口。本发明的高效喷枪专用于喷砂射孔，不参予压裂施工；压裂施工中压入地层的大量砂子，通过导压喷砂器压入地层，起到通过降低喷砂射孔流量、砂比及砂液量，提高喷枪使用寿命的作用，并将喷砂射孔的砂液量，暂存在套管之中。当把油气层压开后，将暂存在套管中的砂子压入地层内，不让其返出地面，达到高效多簇喷射工艺要求，起到一趟钻完成水平井压裂的工艺要求。

Description

一种水平井高效压裂施工工艺管柱及压裂施工工艺

技术领域

本发明属于井下作业的水平井压裂工艺技术领域，具体是一种水平井高效压裂施工工艺管柱及压裂施工工艺。

背景技术

当前水平井体积压裂及常规压裂中出现了如下情况，需从工艺技术及管柱结构方面进行改进。

(1)当水平井进行多簇水力喷砂喷射孔时，需用大量的液体及砂量；液体约为600-700方，用砂量约为40-50方，给砂液的分离处理，存储带来了很大的困难，当一口井施工完后，其积存的大量砂子，也给清洁化生产带来了很大的困难。

(2)由于水力喷射的喷枪既要满足喷砂射孔，又要满足正常的压裂，过砂量太大，喷枪的质量不能满足一趟钻压裂完井的需要，喷枪的损坏量大。

(3)为了满足工艺及环保的要求，地面需要有分离装置及大量的存砂装置，要对返出的砂子进行处理，这是生产费用最大的支出。

当前施工管柱及工艺存在问题分析：

1.水力喷枪的问题：

水力喷枪上的喷孔，是采用螺旋排列方式，将4-8个喷孔，分别安装在喷枪的壳体上，每个孔在轴向上最少有5-10mm的距离，每个喷孔的直径约为4.5-6.3mm；由于水力喷射过程中，水和砂的质量比约为1：2.2，砂液在喷孔中的流速要达到170-210m/s；而这个喷射流速的方向是与管柱内流体的方向垂直的；砂液要在第一个喷孔处实现突然的转向，因砂子的质量大于液体质量，液体会从轴向第一个喷孔中喷出，砂子会在其惯性力的作用下，继续向下到最下部的喷孔喷出。因此，当长时间喷射后，会发生水力喷枪下部严重损坏的情况。这种喷孔的排列方式有严重问题。

2.多簇射孔存在问题：

当管柱上有两至三个喷枪，对每一水平段的套管同时喷砂射孔时，称为多簇水力喷砂射孔，每个喷枪之间有7-10米的距离。同理，由于砂子与液体的质量不同，当采用3-5％的砂比喷射时，大量的砂子会进入最下一级喷枪，上部的喷枪基本上只出液体不出砂子，射孔时间长，射孔效果差，下部的喷枪损坏严重；当喷射砂比提高到5-10％时，则下部喷枪的孔眼基本上被高砂比封堵，少量的砂子从上部喷枪中喷出，射孔效果差，上部喷枪损坏严重。

3.喷射流量问题：

由于原管柱上的多级喷枪，要满足水力喷砂射孔，又要通过每个段50-100方的压裂砂，每个喷枪喷孔的孔径设计比较大(5.5-6.3mm)，水力喷射射孔时所需要的流量就要大(2.8-3.2m³/min)，因喷砂效果比较差，所需的喷射时间就达20分钟以上，所用的砂液量达到50-60m³，每个段返出的砂量达到4-5m³,这些砂液需要全部返出套管，来到地面进行砂液分离，再循环利用，给清洁化生产，带来了很大的处理费用。

由于以上原因，水力喷枪本体在施工几个段之后，就被冲蚀损坏，需要进行更换井内工具，又给井控带来了一定的风险。

发明内容

本发明的目的是提高水力喷枪的使用寿命，防止大量砂液返出井外，造成大量的固体费物无法处理，造成环境污染。

为此，本发明提供了一种水平井高效压裂施工工艺管柱及压裂施工工艺，其技术方案是：一种水平井高效压裂施工工艺管柱，包括多簇高效喷枪一、第一级分流器、多簇高效喷枪二、第二级分流器、多簇高效喷枪三、球座一、导压喷砂器、TDY封隔器、球座二、导向眼管，所述多簇高效喷枪一的上端连接通向井口的油管，多簇高效喷枪一的内部连接第一级分流器，多簇高效喷枪一的下端通过油管短节一与多簇高效喷枪二连接，多簇高效喷枪二的内部连接第二级分流器，多簇高效喷枪二通过油管短节二与多簇高效喷枪三连接，多簇高效喷枪三与球座一连接，球座一与导压喷砂器连接，导压喷砂器与TDY封隔器连接，TDY封隔器与球座二连接，球座二与导向眼管连接。

上述多簇高效喷枪一、多簇高效喷枪二以及多簇高效喷枪三各自喷咀的组数为一组或多组；每组喷咀的数量为多个，且每组喷咀沿径向分布在所在喷枪的同一圆周面上。

上述多簇高效喷枪一、多簇高效喷枪二或多簇高效喷枪三的喷咀组数为一组，该组喷咀的数量为4个且沿径向均匀分布在各自的喷枪圆周面上。

上述第一级分流器的分流管直径和多簇高效喷枪一的喷咀直径、或者第二级分流器的分流管直径和多簇高效喷枪二的喷咀直径的计算如下：

(a)分流管直径为d_i

假设有n组喷咀n-1个分流管，则第i级分流管的直径计算公式为：

$d_i^2=\frac{n-i}{n-i+1}\[D^2-4{(\frac{d_i}{2}+\mathrm{\δ})}^2\]$

$d_i=\frac{\mathrm{\δ}\·\[\sqrt{1-4\·(2+\frac{1}{n-i})\·(1-\frac{D^2}{{\mathrm{\δ}}^2})}-1\]}{2\·(2+\frac{1}{n-i})}$

其中，d_i—分流管直径，单位：mm；

n—喷咀组数，每组有4个喷咀；

D—油管内径，单位：mm；

δ—分流管壁厚，单位：mm；

(b)喷咀直径为d

其中， $d=\sqrt{\frac{Q}{\mathrm{\π}\·n\·v}}=0.0399\sqrt{\frac{Q}{n}}$

Q—油管内总流量，m³/s；

n—喷咀组数，每组有4个喷咀；

v—液体在喷咀内流动的速度，200m/s。

上述喷咀上设有喷咀套。

该水平井高效压裂施工工艺管柱中有连接关系的部件之间的连接均为螺纹连接。

一种基于权利要求1所述的一种水平井高效压裂施工工艺管柱的压裂施工工艺，包括如下步骤：

步骤1：按目前现有施工要求做好相关的洗井及试压工序；

步骤2：连接水平井高效压裂施工工艺管柱，将连接好的施工管柱缓慢下入井内的施工段要求的深度；

步骤3：水力喷砂射孔

(1)在正循环正常的情况下，从井口投入第一个钢球，以500-1000L/min流量将其泵送到球座附近，并降低流量至300L/min；

(2)当第一个钢球到球座后，油管施工压力升到15-20MPa；

(3)此时提高施工流量达到水力喷射要求的流量600-1000L/min；

(4)以3-5％的砂比，向油管内高压注入混砂液，当泵注时间达到3-5min时，从井口投入第二个钢球到油管之中，投球时不能停泵；

(5)当混砂液注入量达10分钟时，停止加砂，继续进行泵送混砂液进行水力喷砂射孔，直至将混砂液全部通过喷射器顶替出油管后停泵；

(6)关套管循环阀门开始预压；当地层压开后，油管内泵注流量达到1000升/分以上时停泵；

(7)通过油管阀门放压，并让连接在井口上的捕捉器将两个钢球捕捉；

步骤4：将套管内的暂存砂注入地层之中

1)当油管内注入地层的流量≥2000L/min以上，且注入液量≥30方时，再从套管内以600L/min的流量注入压裂液；并观察套管压力变化情况；

2)5分钟后，若套管压力变化平稳，提高套管流量到800L/min，再过5分钟，若套管压力保持平稳或略有上升时，提高套注排液到压裂施工要求的排量，持续将套管中暂存的砂子压入地层；

步骤5：正常压裂

按设计要求的油、套管注入流量，砂比，液量，砂量，完成本段的压裂施工；

步骤6：关井扩散地层压力40分钟；

步骤7：以低于300L/min的流量释放地层压力，并防止地层吐砂；

步骤8：当地层压力降为零后，以≥800L/min以上的流量反循环出井内余砂；

步骤9：上提钻具到新的施工段；

步骤10：重复步骤3-步骤9对井内所有水平段进行喷砂射孔压裂作业。本发明的有益效果：本发明利用连续油管喷砂射孔的原理，采用小流量，小砂比，进行水力喷砂射孔，使水力喷射的液量及砂量下降为一半以下，利用环空容积暂存在其中，当地层压开且进入一定的前置液后，将射孔的砂子通过套管注入地层之中，使喷砂射孔不向地面返出砂子。本发明让喷枪只用于喷砂射孔，不参予加砂压裂工序，延长了喷枪的使用寿命，压裂砂液通过导压喷砂器压入地层，起到保护套管及管柱的作用。本发明提高了水力喷枪的使用寿命，可以一趟钻完成水平井内所有段的压裂施工；降低了水力喷射的流量和砂比及喷射时间，提高了喷射效率。并利用环空作为射孔砂量的缓存，可以将射孔砂，在地层压开后，泵入地层，防止了射孔砂返出地面。

本发明适用于水平井的新井多簇分段拖动分层压裂，其适应排量可以从常规到体积压裂工艺技术；可以进一步解决水平井压裂过程中喷枪的寿命问题，达到一趟钻完成所有压裂施工的工艺要求；防止大量砂子返出井外，影响清洁化生产，可以替代当前的水平井压裂工艺技术。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是水平井高效压裂施工工艺管柱结构图；

图2是多簇高效喷枪二结构示意图；

图3是多簇高效喷枪二剖视图；

图4是多簇高效喷枪三结构示意图；

图5是多簇高效喷枪三剖视图。

附图标记说明：1、油管；2、多簇高效喷枪一；3、第一级分流器；4、油管短节一；5、多簇高效喷枪二；6、第二级分流器；7、油管短节二；8、多簇高效喷枪三；9、球座一；10、导压喷砂器；11、TDY封隔器；12、球座二；13、导向眼管；14、喷咀套；15、喷咀。

具体实施方式

实施例1：

参见图1所示，本发明提供了一种水平井高效压裂施工工艺管柱及压裂施工工艺，其压裂施工工艺管柱包括多簇高效喷枪一2、第一级分流器3、多簇高效喷枪二5、第二级分流器6、多簇高效喷枪三8、球座一9、导压喷砂器10、TDY封隔器11、球座二12、导向眼管13，所述多簇高效喷枪一2的上端连接通向井口的油管1，多簇高效喷枪一2的内部连接第一级分流器3，多簇高效喷枪一2的下端通过油管短节一4与多簇高效喷枪二5连接，多簇高效喷枪二5的内部连接第二级分流器6，多簇高效喷枪二5通过油管短节二7与多簇高效喷枪三8连接，多簇高效喷枪三8与球座一9连接，球座一9与导压喷砂器10连接，导压喷砂器10与TDY封隔器11连接，TDY封隔器11与球座二12连接，球座二12与导向眼管13连接。

本发明提供的水平井高效压裂施工工艺管柱的压裂施工工艺，包括如下步骤：

步骤1：按目前现有施工要求做好相关的洗井及试压工序；

步骤2：连接水平井高效压裂施工工艺管柱并将其下入井内的施工段要求的深度；

步骤3：水力喷砂射孔

(1)在正循环正常的情况下，从井口投入第一个钢球，以500-1000L/min流量将其泵送到球座附近，并降低流量至300L/min；

(2)当第一个钢球到球座后，油管施工压力升到15-20MPa；

(3)此时提高施工流量达到水力喷射要求的流量600-1000L/min；

(4)以3-5％的砂比，向油管内高压注入混砂液，当泵注时间达到3-5min时，从井口投入第二个钢球到油管之中，投球时不能停泵；

(5)当混砂液注入量达10分钟时，停止加砂，继续进行泵送混砂液进行水力喷砂射孔，直至将混砂液全部通过喷射器顶替出油管后停泵；

(6)关套管循环阀门开始预压；当地层压开后，油管内泵注流量达到1000升/分以上时停泵；

(7)通过油管阀门放压，并让连接在井口上的捕捉器将两个钢球捕捉；

步骤4：将套管内的暂存砂注入地层之中

1)当油管内注入地层的流量≥2000L/min以上，且注入液量≥30方时，再从套管内以600L/min的流量注入压裂液；并观察套管压力变化情况；

2)5分钟后，若套管压力变化平稳，提高套管流量到800L/min，再过5分钟，若套管压力保持平稳或略有上升时，提高套注排液到压裂施工要求的排量，持续将套管中暂存的砂子压入地层；

步骤5：正常压裂

按设计要求的油、套管注入流量，砂比，液量，砂量，完成本段的压裂施工；

步骤6：关井扩散地层压力40分钟；然后以低于300L/min的流量释放地层压力，并防止地层吐砂；

步骤8：当地层压力降为零后，以≥800L/min以上的流量反循环出井内余砂；

步骤9：上提钻具到新的施工段；

步骤10：重复步骤3-步骤9对井内所有水平段进行喷砂射孔压裂作业。

本发明安装在管柱上的水力高效喷枪专用于喷砂射孔，不参予压裂施工；压裂施工中压入地层的大量砂子，通过导压喷砂器压入地层，起到通过降低喷砂射孔流量、砂比及砂液量，以提高喷枪的使用寿命的作用，并将喷砂射孔的砂液量，暂存在套管之中。当把油气层压开后，可将暂存在套管中的砂子压入地层内，不让其返出地面，达到高效多簇喷射的工艺要求。其管柱结构可以提高喷枪的使用寿命，防止大量喷射砂子返出地面，起到一趟钻完成水平井压裂的工艺要求。

实施例2：

在实施例1的基础上，该水平井高效压裂施工工艺管柱中有连接关系的部件之间的连接均为螺纹连接。所述多簇高效喷枪一2、多簇高效喷枪二5以及多簇高效喷枪三8各自喷咀的组数为一组或多组；每组喷咀15的数量为多个，且每组喷咀15沿径向分布在所在喷枪的同一圆周面上，同时喷咀15上还设有喷咀套14。如图2-图5所示，当多簇高效喷枪一2、多簇高效喷枪二5或多簇高效喷枪三8的喷咀组数为一组时，可设该组喷咀15的数量为4个且沿径向均匀分布在各自的喷枪圆周面上。

所述第一级分流器3的分流管直径和多簇高效喷枪一2的喷咀直径、或者第二级分流器6的分流管直径和多簇高效喷枪二5的喷咀15直径的计算如下：

(a)分流管直径为d_i

假设有n组喷咀n-1个分流管，则第i级分流管的直径计算公式为：

$d_i^2=\frac{n-i}{n-i+1}\[D^2-4{(\frac{d_i}{2}+\mathrm{\δ})}^2\]$

$d_i=\frac{\mathrm{\δ}\·\[\sqrt{1-4\·(2+\frac{1}{n-i})\·(1-\frac{D^2}{{\mathrm{\δ}}^2})}-1\]}{2\·(2+\frac{1}{n-i})}$

其中，d_i—分流管直径，单位：mm；

n—喷咀组数，每组有4个喷咀；

D—油管内径，单位：mm；

δ—分流管壁厚，单位：mm；

(b)喷咀直径为d

其中， $d=\sqrt{\frac{Q}{\mathrm{\π}\·n\·v}}=0.0399\sqrt{\frac{Q}{n}}$

Q—油管内总流量，m³/s；

n—喷咀组数，每组有4个喷咀；

v—液体在喷咀内流动的速度，200m/s。

本实施例提供的水平井高效压裂施工工艺管柱的压裂施工工艺，包括如下步骤：

步骤1：按要求做好相关的洗井及试压工序，即按目前现有现有技术的施工要求做好相关的洗井及试压工序；

步骤2：按本发明提供的水平井高效压裂施工工艺管柱的连接方式，连接好施工管柱，将连接好的施工管柱缓慢下入井内的施工段要求的深度；

步骤3：水力喷砂射孔

(1)在正循环正常的情况下，从井口投入第一个钢球，以500-1000L/min流量将其泵送到球座附近，并降低流量至300L/min；

(2)当第一个钢球到球座后，油管施工压力升到15-20MPa；

(3)此时提高施工流量达到水力喷射要求的流量600-1000L/min；

(4)以3-5％的砂比，向油管内高压注入混砂液，当泵注时间达到3-5min时，从井口投入第二个钢球到油管之中，投球时不能停泵；

(5)当混砂液注入量达10分钟时，停止加砂，继续进行泵送混砂液进行水力喷砂射孔，直至将混砂液全部通过喷射器顶替出油管后停泵；

(6)关套管循环阀门开始预压；当地层压开后，油管内泵注流量达到1000升/分以上时停泵；

(7)通过油管阀门放压，并让连接在井口上的捕捉器将两个钢球捕捉；

步骤4：将套管内的暂存砂注入地层之中

1)当油管内注入地层的流量≥2000L/min以上，且注入液量≥30方时，再从套管内以600L/min的流量注入压裂液；并观察套管压力变化情况；

2)5分钟后，若套管压力变化平稳，提高套管流量到800L/min，再过5分钟，若套管压力保持平稳或略有上升时，提高套注排液到压裂施工要求的排量，持续将套管中暂存的砂子压入地层；

步骤5：正常压裂

按设计要求的油、套管注入流量，砂比，液量，砂量，完成本段的压裂施工；

步骤6：关井扩散地层压力40分钟；

步骤7：以低于300L/min的流量释放地层压力，并防止地层吐砂；

步骤8：当地层压力降为零后，以≥800L/min以上的流量反循环出井内余砂；

步骤9：上提钻具到新的施工段；

步骤10：重复步骤3-步骤9对井内所有水平段进行喷砂射孔压裂作业。

以下进一步叙述本发明的工艺原理及技术参数内容：

本发明的主体工艺思路：水力喷枪专用于喷砂射孔，不参予压裂施工；压裂施工中压入地层的大量砂子，通过导压喷砂器压入地层。通过降低喷射的流量、砂比及砂液量提高喷枪的使用寿命，能使水力喷射的砂液量减少，并可以暂存在套管之中。当喷砂射孔成功后，把油气层压开，并将暂存在套管中的砂子压入地层内，不让其返出地面，达到高效多簇喷射的工艺要求。

1、高效水力喷射的工艺原理

(1)水力喷枪的喷孔径向分布在一个圆周面上。

本发明的高效水力喷枪是将安装在枪体上的水力喷射孔分布在一个径向园周面上。现用喷枪是将喷孔沿轴向的螺旋分布，喷孔之间在轴向上，也就是在砂液流动的方向上有一定的距离，由于这个距离及砂、液的质量比不同，使砂、液在喷枪中发生了分离，质量大的砂子从下面喷孔中喷出，质量小的液体从喷枪的上部喷孔中喷出，改变了最优的喷射砂比(3-5％)，使下部喷射砂比高达50％以上，降低了喷孔砂液的流速，降低了喷射效果。

当水力喷射孔分布在一个圆周面上后，由于喷枪下部再没有其它出口，砂液只能从喷孔喷出，确保了最优喷射砂比，所以喷枪的效能比原来提高。

(2)管柱上的高效喷枪一和高效喷枪二通过分流管，将砂液强制分配在每个喷枪中。

通过喷枪上喷孔的螺旋分布形式分析，也能说明在一根施工管柱上，安装两个水力喷枪时，若让其同时进行水力喷砂射孔，就会出现大量的砂子在惯性力的作用下，流向了下部的喷枪；当下部喷枪的砂比高达50％以上时，同样也降低了砂液的流速，降低了喷射效果。当砂比达到一定程度后，下部喷枪会基本上不出砂液。大量的砂液从前面一级喷枪中喷出，所以现场能够看到施工后的管柱上，上部的喷枪损坏很严重，下部的喷枪基本上完好。

高效水力喷枪，在喷枪的内部设置了分流管，强制砂液均匀地分配给每个喷枪，阻止了砂子在喷枪中沿管柱轴向惯性运动的问题，使砂液按每个喷枪所需的过流面积分配到每个喷嘴。

(3)管柱上的导压喷砂器和球座，使水力喷枪只用于水力喷砂射孔

当球座内有钢球时，液流通过高效水力喷枪喷射；当喷砂射孔工完成后，将钢球返出井外，在压裂施工时，不让大量的砂子通过水力喷枪，就可以提高水力喷枪及整个管柱的寿命。

(4)采用小流量进行水力喷射

根据水力喷枪喷砂射孔的最优砂比及流速要求，只要喷射流速达到170-210米/秒，含砂比达到3-5％，3-5分钟就能将套管及水泥环射开。所以，只要水力喷枪喷孔的数量及直径参数能够满足喷射流速的要求即可，不需要太大的喷射流量。其喷射流量应在600-1000L/min。

该喷射流量所用的砂液量较少，最多约为5-10方，可以在套管喷射成功的情况下，将喷射砂液暂存在环空之间，当油、气层压开后，将其加入地层之中，可以防止砂子返出地面。

2、水平井高效压裂施工工艺管柱

其结构从下至上主要包括：导向眼管13、球座二12、TDY封隔11、导压喷砂器10、球座一9、多簇高效喷枪三8、油管短节7、第二级分流器6、多簇高效喷枪二5、油管短节一4、第一级分流3以及多簇高效喷枪一2；多簇高效喷枪一2与油管1连接至井口。

其中：

(1)导向眼管：是现有技术中原施工管柱上的施工工具。

(2)TDY封隔器：TDY封隔器为现有技术封隔器，本发明采用中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司生产并销售的TDY封隔器，该封隔器的结构与专利号为201320626032.3或201310472098.6所提供封隔器结构相同，在此不再详述。

(3)导压喷砂器：是现有成熟的压裂施工工具。

(4)球座短节(球座一、二)：球座的孔径需根据喷枪内通径进行设计，其通径约等于喷枪的内通径。

(5)高效喷枪(多簇高效喷枪一、二、三)：是本发明结构部件，其具体结构见图2-图5。

(6)油管短节：是根据簇间距的距离，连接的一节油管。

(7)油管：是压裂施工时下入井内的油管。

3、分流管直径及喷嘴直径计算公式

(1)分流管直径d_i

假设有n组喷咀n-1个分流管，则第i级分流管的直径计算公式为：

$d_i^2=\frac{n-i}{n-i+1}\[D^2-4{(\frac{d_i}{2}+\mathrm{\δ})}^2\]$

$d_i=\frac{\mathrm{\δ}\·\[\sqrt{1-4\·(2+\frac{1}{n-i})\·(1-\frac{D^2}{{\mathrm{\δ}}^2})}-1\]}{2\·(2+\frac{1}{n-i})}$

d_i—分流管直径，mm；

n—喷咀组数，每组有4个喷咀；

D—油管内径，mm；

δ—分流管壁厚，mm。

(2)喷咀直径d

$d=\sqrt{\frac{Q}{\mathrm{\π}\·n\·v}}=0.0399\sqrt{\frac{Q}{n}}$

Q—油管内总流量，m³/s。

n—喷咀组数，每组有4个喷咀；

v—液体在喷咀内流动的速度，200m/s。

4、技术参数及技术要求

(1)喷孔的射流速度：170-210m/s

(2)喷射砂比：3-5％

(3)每簇喷射时间：3-5min.

(4)每簇喷射前当压力及流量正常后，才能投入钢球。

(5)在油管注入流量大于1000L/min后，利用压入地层液体的能量，将钢球返出井外。

(6)井口应安装钢球捕捉器，应将两个钢球捕捉后，才能正式加砂压裂。

(7)只有当油管流量达到2000L/min以上时，前置液注入液量大于30方后，才能在套管注入压裂液，且套管注入流量应从500L/min逐步提高至要求的注入流量，每次提高套管注入流量和时间间隔应根据地层压力变化确定，且注入间隔时间不应小于5分钟，防止将套管暂存砂子注入地层后形成砂堵，或致使压裂施工形成高压。

油套管应分别有注入系统，地层返出液有放喷回收系统。

综上，本发明利用连续油管喷砂射孔的原理，采用小流量，小砂比，进行水力喷砂射孔，使水力喷射的液量及砂量下降为一半以下，利用环空容积暂存在其中，当地层压开且进入一定的前置液后，将射孔的砂子通过套管注入地层之中，使喷砂射孔不向地面返出砂子。本发明让喷枪只用于喷砂射孔，不参予加砂压裂工序，延长了喷枪的使用寿命，压裂砂液通过导压喷砂器压入地层，起到保护套管及管柱的作用。本发明提高了水力喷枪的使用寿命，可以一趟钻完成水平井内所有段的压裂施工；降低了水力喷射的流量和砂比及喷射时间，提高了喷射效率。并利用环空作为射孔砂量的缓存，可以将射孔砂，在地层压开后，泵入地层，防止了射孔砂返出地面。

本发明的适用范围：适用于水平井的新井多簇分段拖动分层压裂，其适应排量可以从常规到体积压裂工艺技术。

本发明的应用前景：可以进一步解决水平井压裂过程中喷枪的寿命问题，达到一趟钻完成所有压裂施工的工艺要求；防止大量砂子返出井外，影响清洁化生产，可以替代当前的水平井压裂工艺技术。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水平井高效压裂施工工艺管柱，包括多簇高效喷枪一(2)、第一级分流器(3)、多簇高效喷枪二(5)、第二级分流器(6)、多簇高效喷枪三(8)、球座一(9)、导压喷砂器(10)、TDY封隔器(11)、球座二(12)、导向眼管(13)，其特征在于：所述多簇高效喷枪一(2)的上端连接通向井口的油管(1)，多簇高效喷枪一(2)的内部连接第一级分流器(3)，多簇高效喷枪一(2)的下端通过油管短节一(4)与多簇高效喷枪二(5)连接，多簇高效喷枪二(5)的内部连接第二级分流器(6)，多簇高效喷枪二(5)通过油管短节二(7)与多簇高效喷枪三(8)连接，多簇高效喷枪三(8)与球座一(9)连接，球座一(9)与导压喷砂器(10)连接，导压喷砂器(10)与TDY封隔器(11)连接，TDY封隔器(11)与球座二(12)连接，球座二(12)与导向眼管(13)连接。

2.如权利要求1所述的一种水平井高效压裂施工工艺管柱，其特征在于：所述多簇高效喷枪一(2)、多簇高效喷枪二(5)以及多簇高效喷枪三(8)各自喷咀的组数为一组或多组；每组喷咀(15)的数量为多个，且每组喷咀(15)沿径向分布在所在喷枪的同一圆周面上。

3.如权利要求2所述的一种水平井高效压裂施工工艺管柱，其特征在于：所述多簇高效喷枪一(2)、多簇高效喷枪二(5)或多簇高效喷枪三(8)的喷咀组数为一组，该组喷咀(15)的数量为4个且沿径向均匀分布在各自的喷枪圆周面上。

4.如权利要求2所述的一种水平井高效压裂施工工艺管柱，其特征在于：所述第一级分流器(3)的分流管直径和多簇高效喷枪一(2)的喷咀直径、或者第二级分流器(6)的分流管直径和多簇高效喷枪二(5)的喷咀(15)直径的计算如下：

(a)分流管直径为d_i

假设有n组喷咀n-1个分流管，则第i级分流管的直径计算公式为：

$d_i^2=\frac{n-i}{n-i+1}\[D^2-4{(\frac{d_i}{2}+\mathrm{\δ})}^2\]$

$d_i=\frac{\mathrm{\δ}\·\[\sqrt{1-4\·(2+\frac{1}{n-i})\·(1-\frac{D^2}{{\mathrm{\δ}}^2})}-1\]}{2\·(2+\frac{1}{n-i})}$

其中，d_i—分流管直径，单位：mm；

n—喷咀组数，每组有4个喷咀；

D—油管内径，单位：mm；

δ—分流管壁厚，单位：mm；

(b)喷咀直径为d

其中， $d=\sqrt{\frac{Q}{\mathrm{\π}\·n\·v}}=0.0399\sqrt{\frac{Q}{n}}$

Q—油管内总流量，m³/s；

n—喷咀组数，每组有4个喷咀；

v—液体在喷咀内流动的速度，200m/s。

5.如权利要求2或3所述的一种水平井高效压裂施工工艺管柱，其特征在于：所述喷咀(15)上设有喷咀套(14)。

6.如权利要求1所述的一种水平井高效压裂施工工艺管柱，其特征在于：该水平井高效压裂施工工艺管柱中有连接关系的部件之间的连接均为螺纹连接。

7.一种基于权利要求1所述的一种水平井高效压裂施工工艺管柱的压裂施工工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：按目前现有施工要求做好相关的洗井及试压工序；

步骤2：连接水平井高效压裂施工工艺管柱，将连接好的施工管柱缓慢下入井内的施工段要求的深度；

步骤3：水力喷砂射孔

(1)在正循环正常的情况下，从井口投入第一个钢球，以500-1000L/min流量将其泵送到球座附近，并降低流量至300L/min；

(2)当第一个钢球到球座后，油管施工压力升到15-20MPa；

(3)此时提高施工流量达到水力喷射要求的流量600-1000L/min；

(4)以3-5％的砂比，向油管内高压注入混砂液，当泵注时间达到3-5min时，从井口投入第二个钢球到油管之中，投球时不能停泵；

(5)当混砂液注入量达10分钟时，停止加砂，继续进行泵送混砂液进行水力喷砂射孔，直至将混砂液全部通过喷射器顶替出油管后停泵；

(6)关套管循环阀门开始预压；当地层压开后，油管内泵注流量达到1000升/分以上时停泵；

(7)通过油管阀门放压，并让连接在井口上的捕捉器将两个钢球捕捉；

步骤4：将套管内的暂存砂注入地层之中

1)当油管内注入地层的流量≥2000L/min以上，且注入液量≥30方时，再从套管内以600L/min的流量注入压裂液；并观察套管压力变化情况；

2)5分钟后，若套管压力变化平稳，提高套管流量到800L/min，再过5分钟，若套管压力保持平稳或略有上升时，提高套注排液到压裂施工要求的排量，持续将套管中暂存的砂子压入地层；

步骤5：正常压裂

按设计要求的油、套管注入流量，砂比，液量，砂量，完成本段的压裂施工；

步骤6：关井扩散地层压力40分钟；

步骤7：以低于300L/min的流量释放地层压力，并防止地层吐砂；

步骤8：当地层压力降为零后，以≥800L/min以上的流量反循环出井内余砂；

步骤9：上提钻具到新的施工段；

步骤10：重复步骤3-步骤9对井内所有水平段进行喷砂射孔压裂作业。