用于地层水力压裂和水平井检测的钻孔喷射装置及其操作方法

摘要

本发明装置包括喷射泵(2)和封隔器(3)。喷射泵(2)的主体(4)包括同轴排列的活动喷嘴(5)和带扩散器(7)的混合室(6)，还具有从顶部向下锥斜的台阶式通道(8)且在台阶之间有座(9)。通道(8)与管柱(1)同轴相连。用于供应井中泵出液和活性介质的各通道(10，11)具有单向阀(13，14)和限制单向阀(13，14)的锁止单元(17，18)相对于座(19，20)上移的限制器(15，16)。带密封元件(22)的空心台阶式主体形式的密封单元(21)布置在通道(8)中。供带测井仪器(25)的刚性测井电缆(24)穿过的轴向通道(23)位于密封元件(22)中。导向分离衬套(26)顶端悬臂安装至泵(2)主体(4)顶部，并在泵(2)主体(4)的内部轴向对齐地安装在通道(8)上方。纵向裂缝开口(27)位于分离衬套(26)的壁上。本发明能改善装置的可靠性和在测井期间最优化运行序列。

说明书

技术领域

本发明涉及泵工程领域，主要涉及用于地层(formation)水力压裂、试井和勘测的钻孔喷射装置。

背景技术

已经公知的钻孔喷射装置包括具有中央通道的封隔器(packer)以及喷射泵，喷射泵的主体具有活动喷嘴和带扩散器的混合室，以及用于提供工作介质的通道和用于提供从井中泵出的流体的通道，封隔器和泵布置在管柱上，喷射泵主体还具有可能在其中安装可替换插件和密封单元的通道(参见RU专利No.2176336C1，F04F 5/02，27.11.2001)。

同一专利中教导了一种用于操作钻孔喷射装置的方法，包括在井中在采油管柱上布置喷射泵，通过采油管柱泵送化学试剂进入地层，随后从地层中泵送出反应产物，首先具有通道的阻断插件安装进形成于喷射泵主体中的通道中，然后阻断插件用沉陷插件替换，此后工作介质通过采油管柱供给到喷射泵喷嘴，因此在封隔器下部的区域产生可调的底部孔压力，并保证地层排水的可能性和执行其它的维护工作。

该钻孔喷射装置使得在井下能够处理低于喷射泵水平线的地层，包括在密封单元上部和下部的区域之间产生压差。然而，该钻孔喷射装置可能不能完全使用因为更换插件需要大量的时间，该时间经常大于酸性溶液和生产地层的矿物之间反应的预计时间。

在技术本质和达到的效果方面最接近本发明主题所要求保护的装置的是这样一种钻孔喷射装置，其包括具有中央通道的封隔器以及喷射泵，该喷射泵具有布置在采油管柱上的活动喷嘴、混合室和具有用于安装密封单元的座的通道，其中该密封单元具有轴向通道，该装置具有用于物理场的发射器和接收器-转换器，它们在从井中泵出的流体进入喷射泵的一侧上布置在封隔器下部的区域中，并且安装在穿过密封单元的轴向通道的测井电缆上(参见RU专利No.2121610，F04F 5/02，10.11.1998)。

同一专利教导了一种用于操作所述钻孔喷射装置的方法，其包括在采油管柱上布置具有通道的喷射泵和封隔器，下放该组件进入井中，释放封隔器，并利用喷射泵通过泵出封隔器下部的区域的流体而在封隔器下部的区域产生所需的低压(depression)。

该钻孔喷射装置及其操作方法使得在井下低于喷射泵水平面下能够进行多种生产操作，包括那些在减小密封单元上部和下部的区域之间的压差之后进行的操作。然而，该装置不能够完全地使用，因为它仅允许在近乎垂直的井孔中进行生产岩石的勘测，因此这缩窄了其要求保护的方法及实施该方法的钻孔喷射装置的应用范围。此外，一般地，要重新布置喷射泵时，需要释放封隔器和随后在新位置进行安装，这是很耗费劳动力的操作，这增加了执行全面勘测需要的时间。

发明内容

本发明的目的是加强勘测、试验和预备钻井的工作，尤为重要的是水平井和具有较大曲率的井。

通过该发明实现的技术效果在于测试井时能改善所要求保护的钻孔喷射装置的可靠性和生产率，并在勘测和试验井期间最优化操作程序。

关于本发明主体的装置的所述目标和技术效果通过提供一种用于地层水力压裂和勘测水平井的钻孔喷射装置来实现，该装置包括布置在管柱上的喷射泵和封隔器，活动喷嘴和具有扩散器的混合室同轴地布置在喷射泵主体中，喷射器主体还具有：从顶部向下变窄的台阶式通道并在台阶之间具有座；用于供应从井中泵出的流体的通道，该通道连通位于座下面的台阶式通道；和用于供应活性工作介质的通道，该通道在出口侧与活动喷嘴相通并在入口侧与环绕管柱的井眼环形空间相通，台阶式通道与管柱同轴并与其相通，用于供应从井中泵出的流体的通道和用于供应活性工作介质的通道各具有单向阀和在单向阀停止元件例如球体相对于单向阀座向上运动时用于限制单向阀停止元件的限制止动件，台阶式通道被做成能安装密封单元，该密封单元被制成覆盖密封元件的中空台阶式圆柱形壳体，该密封元件具有供刚性测井电缆从中穿过的轴向通道，测井仪器通过喷射泵主体下方的电缆头悬挂在电缆上，圆柱形的导向分离衬套在喷射泵主体内布置在台阶式通道的上方并与其同轴，该衬套通过螺纹连接在其顶端悬臂结合至喷射泵主体的顶部，在导向分离衬套的壁内具有纵向裂缝状的开口，导向分离衬套的下部自由端距台阶式通道的上端的距离S为台阶式通道上端的直径D₁的0.05-0.2倍，导向分离衬套的内径d为台阶式通道上端的直径D₁的1.05-1.2倍，导向分离衬套中的裂缝状开口的宽度h不大于相邻的裂缝状开口之间的距离H，座下面的通道的直径D₂在台阶式通道上端的直径D₁的0.90到0.96倍的范围内，刚性测井电缆的直径D₃在台阶式通道上端的直径D₁的0.2到0.7倍范围内。

台阶式通道被做成能使柔性管穿过台阶式通道经过管柱下放至井底部。

关于本发明主题的方法的所述目的和技术效果通过一种操作用于地层水力压裂和勘测水平井的钻孔喷射装置的方法来实现，所述方法包括：通过在管柱上布置喷射泵和封隔器来组装管柱，下放该组装件至井中，封隔器释放，然后水力压裂液体或化学试剂，例如酸性溶液，通过管柱和喷射泵的台阶式通道被泵送，之后柔性管穿过管柱至井底部，穿过柔性管泵送一种液体用于清洗从井底脱离的支撑剂(propant)。然后柔性管从井中移除，套在刚性测井电缆上的密封单元和通过电缆头连接至刚性测井电缆上的测井仪器下放至井中。密封单元安装在喷射泵台阶式通道的座上，在下放期间，测井仪器用于记录从管柱的进口漏斗至水平井底部的地球物理场特别是温度场的背景值。然后测井仪器定位在井中生产地层的区域内，通过环绕管柱的井眼环形空间供应工作介质至活动喷嘴并利用喷射泵产生相对于生产地层的压力降，因此通过移除具有脱离的支撑剂或用例如酸性溶液的化学试剂处理地层而产生的反应产物的水力压裂液体来对生产地层进行排放，并且在排放期间，有规律地测定底部压力和井流速。然后套在刚性测井电缆上的测井仪器上升至管柱的入口漏斗处，测量岩石中物理场的电流值和进入井中的地层流体的电流值，然后当喷射泵运行时，测井仪器在相对于地层的不同压降值下被下降和上升至少三次，并且岩石中物理场的电流值和进入井中的地层流体的电流值被记录，所述参数在供应至活动喷嘴的工作介质的不同压力下以及在测井仪器的不同下降和上升速度下被记录。然后测井仪器定位在生产地层的区域中，对喷射泵活动喷嘴的工作介质的供应突然停止，因此保证单向阀的关闭，并使封隔器上方的井眼环形空间和密封单元上方的管柱内部空腔与封隔器下方的区域分隔开，测井仪器用于记录在井中封隔器下方的空间内的地层压力复位曲线，记录结果用于得出该进准备转换为操作模式的结论，然后测井仪器和密封单元一起通过使用刚性测井电缆从井中移除。

在从井中移除测井仪器后，刚性测井电缆可用于下放超声波发射器进入井中，以便以压力降模式在声学上作用于生产地层的非工作间隔，以对其接近钻孔的区域进行脱泥(demud)。

不同钻孔喷射装置的分析显示了可通过在勘测和测试井期间增加它们的功能性而使它们运行的可靠性得到提高。

应当认识到的是，钻孔喷射装置设计中使用的上述元件组能够组织执行操作钻孔喷射装置方法期间的一序列动作，这保证在执行水平井中生产层的勘测、测试和开发工作期间安装在管柱上的设备的最有效利用。设置这些条件也是为了获得关于生产地层的情况的完全和可靠的信息以及在勘测期间处理生产层。本发明的钻孔喷射装置借助于喷射泵在封隔器下方的井区域中以特定的压差能够产生多个压降值，清洗井底部用于移除脱离的支撑剂，使用测井仪器记录从井中泵出的流体以及井本身的压力、温度及其它物理参数，为封隔器下方的井区域记录地层压力复位曲线而无须使用特定功能插件。同时，具有通过控制活性工作介质的泵送速度来监测压力降值的可能性。当测试地层时，有可能通过改变供给到喷射泵的活动喷嘴的活性工作介质的压力来调节泵出模式。同时，当喷射泵无论是运行还是不运行时工作介质自发溢流进入封隔器下方的区域的可能性被排除。

此外，具有不用在喷射泵中预先安装任何功能性插件就能执行水力压裂或地层酸处理的可能，因此，由于不使用这些插件而节省了时间。

同时，有可能消除在台阶式通道内的座上安装密封单元期间密封单元在喷射泵主体内的任何倾斜或卡住。为此，导向分离衬套在与管柱同轴的台阶式通道上面悬臂安装在喷射泵主体内。结果，当水力压裂液体供给进入地层时，有可能出现在水力压裂液体中的大的机械杂质不会可能进入喷嘴和具有扩散器的混合室，因此，具有扩散器的混合室和喷射泵喷嘴被堵塞的可能性被排除。

同样的任务也可这样解决，即，导向分离衬套的下部自由端距台阶式通道的上端的距离S为台阶式通道的上端的直径D₁的0.05-0.2倍，导向分离衬套的内径d为台阶式通道上端的直径D₁的1.05-0.2倍，导向分离衬套中的裂缝状开口的宽度h不大于相邻裂缝状开口之间的距离H，座下方通道的直径D₂在台阶式通道上端的直径D₁的0.90到0.96倍的范围内，刚性测井电缆的直径D₃在台阶式通道上端的直径D₁的0.2到0.7倍范围内。

考虑水力压裂液体包含支撑剂，其是难熔的球粒状材料并制成直径0.4到2.0毫米范围大小的球的形状，一方面，已经认识到用于各类型喷射泵的尺寸按照上述的比率设定，有可能阻止支撑剂进入喷嘴流动部分和进入具有扩散器的混合室，另一方面，排除在扩散器出口处较大的流体阻力，该阻力将干涉喷射泵的正常运行并将需要足够的能量源以克服这样的流体阻力。

这样的结果是强化勘测、测试和开发钻井的工作，其能够在钻孔后和修井作业期间执行井的质量勘测和测试，以及通过以各种模式进行井的完整勘测和测试来准备将井用于运行，因此提高钻孔喷射装置的可靠性。

附图说明

图1显示了当水力压裂液体或化学试剂被泵入地层时的本发明的钻孔喷射装置的纵向剖视图。

图2显示了当井利用柔性管被冲洗时本发明的钻孔喷射装置的纵向剖视图。

图3显示了当密封单元布置在用于勘测和测试井的台阶式通道中时本发明的钻孔喷射装置的纵向剖视图。

图4显示了当地层压力复位曲线被记录时本发明的钻孔喷射装置的纵向剖视图。

具体实施方式

钻孔喷射装置包括安装在管柱1上的喷射泵2和封隔器3。喷射泵2的主体4具有同轴布置的活动喷嘴5和带扩散器7的混合室6，还具有从顶部向下变窄的台阶式通道8(在其台阶之间具有座9)、用于供应从井中泵出的流体且与座9下面的台阶式通道8相通的通道10、和用于提供活性工作介质并在其出口处与活动喷嘴5相通且在其入口处与围绕管柱1的井眼环形空间12相通的通道11。台阶式通道8与管柱1同轴并与其相通。用于供应从井中泵出的流体的通道10和用于提供活性工作介质的通道11分别具有单向阀13、14和用于限制相应单向阀13、14的停止元件17、18(例如球体)分别相对于相应单向阀13和14的座19、20的向上运动的限制止动件15、16。台阶式通道8可以形成为能将密封单元21安装到其中，该密封单元以覆盖密封元件22的中空台阶式圆柱壳体的形式制成，密封元件22具有供刚性测井电缆24穿过的轴向通道23，并且测井仪器25通过喷射泵2的主体4下面的电缆头28悬挂在所述电缆上。圆柱形导向分离衬套26在喷射泵2的主体4内布置在台阶式通道8上方并与台阶式通道同轴，其中所述衬套通过其顶端用螺纹连接方式悬臂结合至喷射泵主体的顶部。纵向裂缝状的开口27形成于导向分离衬套26的壁上。导向分离衬套26的下部自由端距离台阶式通道8的上端的距离S为台阶式通道8的上端的直径D₁的0.05-0.2倍。导向分离衬套26的内部直径d为台阶式通道8的上端的直径D₁的1.05-1.2倍。导向分离衬套26内的裂缝状开口27的宽度h不大于相邻的裂缝状开口27之间的距离H。座下面的台阶式通道的直径D₂在台阶式通道8的上端的直径D₁的0.90到0.96倍的范围内，刚性测井电缆26的直径D₃在台阶式通道8的上端的直径D₁的0.2到0.7倍范围内。

台阶式通道8被制成为能使柔性管29通过管柱1穿过台阶式通道下到井底部。

操作用于地层水力压裂和勘测水平井的钻孔喷射装置的本发明方法包括：通过在管柱1上安装喷射泵2和封隔器3来组装管柱1。该组装件下放至井中，封隔器3释放。然后水力压裂液体或化学试剂，例如酸性溶液通过管柱1和喷射泵2的台阶式通道8被泵送，之后柔性管29穿过管柱1至井底部，一种液体通过柔性管29被泵送用于清洗从井底脱离的支撑剂。在清洗完成后柔性管29从井中移出，套在刚性测井电缆24上的密封单元21和通过电缆头28连接于刚性测井电缆24的测井仪器25被下放至井中。密封单元21安装在喷射泵2的台阶式通道8的座9上。在下放期间，测井仪器25用于记录从管柱1的进口漏斗至水平井的底部的地球物理场特别是温度场的背景值。测井仪器25位于井中的生产地层区域内，之后通过环绕管柱1的井眼环形空间12向活动喷嘴5提供工作介质并使用喷射泵2来产生相对于生产地层的压力降，由此，通过移除具有脱离的支撑剂或用化学试剂(例如酸性溶液)处理地层而产生的反应产物的水力压裂液体来对生产地层进行排放。在排放期间，有规律地测量底部压力和井流速，然后套在刚性测井电缆24上测井仪器25上升至管柱的入口漏斗处，测量岩石中物理场的电流值和进入井中的地层流体的电流值。然后当喷射泵2运行时，测井仪器25在相对于地层的不同压力降值下被下降和上升至少三次，在岩石中物理场的电流值和进入井中的地层流体的电流值被记录，所述参数在供至活动喷嘴的不同工作介质压力下以及在测井仪器25的不同下降和上升速度下被记录。然后测井仪器25放置在生产地层的区域内，工作介质向喷射泵2的活动喷嘴5的供应突然地停止，因此保证单向阀13、14的闭合，并使封隔器上方的井眼环形空间12和密封单元21上方的管柱1的内部空腔与封隔器下方的区域分隔开，且测井仪器25用于记录封隔器下方的井空间中地层压力复位曲线，记录结果用于得出该井将准备转换到运行模式的结论，然后测井仪器25和密封单元21一起通过使用刚性测井电缆24从井中移除。

在从井中移除测井仪器25后，刚性测井电缆24可用于下放超声波发射器(附图中未示出)进入井中，以便以压降模式在声学上作用于生产地层的非工作间隔，从而对其接近钻孔的区域进行脱泥。

工业实用性

本发明可在油气工业中用于在钻孔后开发井或在任何形式的井中进行测井操作。