本发明涉及一种采用火药推进剂（发射药）对套管井实施压裂的油层改造的工艺方法及其控制装置。 当前在采油过程中，对油层改造使用的水力压裂方法，是一种可控压裂方法，是目前最成熟、有效，也是应用最广泛的压裂方法。但是水力压裂方法采用的压裂液容易污染储油层，用于压裂施工的设备庞大，需要宽大的施工场地、费用也比较昂贵。此外，水力压裂因受到泵入排量的限制增压速度慢，峰值压力较低及水力损失大诸因素影响，只能在储油层中建立一条与岩石最小应力相垂直的双翼裂缝，不易与储油层天然裂缝相交，压裂在近井地带的导流能力受到很大限制。曾试验过的用炸药爆炸压裂方法，由于其作用时间短（在微秒级），且压力峰值很高，只能扩大井筒，在套管外近井环形地带形成破碎带，滞阻油流，并且对油井套管有严重损坏性而被淘汰。
本发明的高能气体压裂工艺方法及控制装置，目的在于克服上述现有压裂方法给储层、井筒及近井周围造成污染和破坏以及使用设备多、成本高，而压裂效果不理想的缺陷和不足。
本发明是采用推进剂在储层部位燃烧产生高能气体并建立可控的增压速度和峰值压力来进行压裂的工艺方法。本发明是使用油管将装有推进剂的压裂弹及井下控制装置（控制装置的井下部分）下入井入储层部位。并封堵井下压裂作用空间及油管与套管，由控制装置中的井口点火机械手控制点火。压裂弹在受控状态下点燃后释放出来的化学能作为压裂能源，采用带封堵预留孔弹壳的孔板节流地原理均化所产生的高能气体的峰值压力和其升压速度。高能气体推动井筒内的液体或气体，以比水力压裂方法大几倍至十几倍以上的压力作用于被处理油井储层部位和它的近井地带岩层。这个能量大大超过了储层岩石中原有裂缝放速度和岩石的弹性应力，并且作用时间较长，使岩起裂产生多条新的辐射状的裂缝。从而有效地沟通油流孔道和清除储层堵塞，改善油层的渗透性，达到增加油井产量或增加注水井注水量的目的、本发明工艺方法压裂作用形成的裂缝，是由于高压脉冲加载而造成的，这种脉冲加载对岩岩不但存在扩张，而且可产生剪切错位，使裂缝岩石的表面凸凹不平相互支撑，所以虽未加支撑剂而裂缝却不易闭合。本发明的工艺方法压裂时，产生的峰值压力远远小于爆炸压裂方法，作用时间较之为长。而且升压速度比其与水力压裂来要明显的均衡。因高能气体来自推进剂的燃烧，因而使升压速度受到压裂弹自身结构的控制，同时它的声阻抗率只有水的声阻抗率的几千分之一，使套管的内外壁的压力较快地达到平衡，而不使套管损坏。近井地带岩石压裂而不破碎损坏。
图1.高能气体压裂工艺方法流程
图2.高能气体压裂工艺方法示意图
图3.高能气体压裂点火井口机械手结构示意图
图4.高能气体压裂缓冲器结构示意图
图5.高能气体压裂平衡回收器结构示意图
以下结合附图详细说明本发明的工艺方法及控制装置、如图1，高能气体压裂工艺方法流程。首先起出油井中的采油泵，使用仪器测井检查套管工作状况→清理井筒准备实施压裂→将控制装置的井下部分包括缓冲器、测试装置、平衡回收器以及压裂弹、封隔器随油管管柱一起下入井中，并连接井口装置及点火井口机械手→正循环使套管注满水，蹩压，启动封隔器封隔欲压裂油层→从油管打入压力以平衡封隔以上部分压裂时所受的压力→启动点火井口机械手，释放点火棒，同时打开双频道监测仪→压裂完成后起出油管柱及井下控制装置→测井检查套管工况→洗井清除压裂时井中液体→下采油泵和油管投入采油生产→投产后可进行效果观察。
如图2，高能气体压裂工艺方法示意图。井口法兰14上端连接闸门13和点火机械手11。点火机械手11一侧接头连接单流阀2和水泥车1。井口套管的高压闸门处设有双频道监测仪8。下入井中的油管12与套管9之间设有封隔器3。在欲压裂储层10处油管12下端顺序连接缓冲器4、压裂弹5、测试装置6和平衡回收器7。
如图3，高能气体压裂点火井口机械手结构示意图。壳体39的外圆设有三个加强凸台，在三个凸台外圆的一侧设有点火棒控制机构。上凸台连接有支撑杆26，下凸台连接带有定位销35的定位杆36。在中间凸台开有通孔并连接扶正套29和密封圈30。在下凸台外圆的另一侧开有通孔并设有接头38。在点火机械手壳体39的顶部连接有帽21，其喉部连接有放空调压阀。放空调压阀由阀体22及其内部通孔中的调压螺栓23连接调压弹簧24和钢球25构成。阀的底部设有与阀中心孔连通的锥孔。在壳体39喉部的放空调压阀下设有点火棒41，其上端为锥矛并与放空调压阀下端面的锥孔相对应，其中上部有一与主销31对应的销孔43，其中下部设有十字交叉的导向块40，数量在两组以上，其下端设有冲击垫42。点火棒41由主销31销定锁在壳体39腔内。点火制机构的支撑杆26的另一端设有开口槽27并由销钉28铰连启动手柄37的一端。主销31的一端插入扶正套29并销入点火棒41的销孔43，其另一端由销钉32铰接连接块33，连接块33的另一端由销钉34铰接启动手柄37，销钉34可在启动手柄37上的弧形槽中滑移。定位销35对启动手柄37定位。虚框为启动手柄37启动位置。
如图4，缓冲器结构示意图。缓冲器4的壳体52内由上向下顺序套接有上接头50、弹簧51、弹簧座53和缓冲胶皮筒54，其下端连接盘根盒55，盘根盒55外套接顶帽58，在其端部的压紧套57内装有盘根56。中心管59穿过顶帽58、盘根56、盘根盒55、缓冲胶皮筒54与弹簧座53连接，并与上接头50的中心孔同轴连通，其下端有螺纹。
如图5，平衡回收器结构示意图。平衡回收器7的上接头60与扶正杆61和中心杆62连接，扶正杆61的另一端与打捞筒64上口连接，并在此连接处套装有口向上的皮碗63。打捞筒64下端连接有下接头66，中心杆62的另一端与打捞筒64底部连接。打捞筒64环壁设有若干个孔65。扶正杆61为三根均布。上接头60内设有螺纹并于外圆上设有工艺孔。
本发明的工艺方法其特点在于压裂所需峰值压力和增压速度的确定。主要在于压裂用推进剂药量W和其所处封隔空间V（即药腔比W/V）的计算来实现。
最大峰值压力Pm的计算：所选用的最大峰值压力要与封堵以上部分的平衡压力及井口装置负荷相对应且安全系数须大于等于1.2（K≥1.2）。封堵以上部分承受的最大负荷P总：
P总＝F+G+W+F0+F1（单位：吨）
式中：F-套管抗滑扣力
G-下井全部管柱重量
W-封堵以上井筒内液体重量。
（W＝ (π)/4 h·T〔D2-（）〕.h-封隔器深度。
D-套管直径，d-油管柱外径
d1-油管柱内径）
F0-封隔器与套管摩擦力
F1-水力锚咬合力。（不设水力锚时可不计入）
压裂作用时，产生的峰值压力对封隔器以上部分的上顶力P顶应为：P顶＝Pm· (π)/4 （D2-d2）＝Pm·S
式中：Pm-压裂时的峰值压力
D-套管内径，d-油管外径
S-受力面积
由于压裂时的峰值压力产生向上的作用力即P顶应小于、等于封堵以上部分的最大负荷才可使井筒内封堵空间上下的压力趋于平衡，安全可靠地施工。所以P总≥K·P顶＝K·Pm·S，即：
Pm≤ (P总)/(K·S)
式中：K-安全系数。S-受力面积。
从而能够在需要实施本发明工艺方法的油井的技术参数中确定所需要的峰值压力Pm。为使套管在实施压裂过程中不受损坏并且充分地实现对压裂地层的压裂，当Pm≤100MPa时，药腔比M应为：M＝ (W)/(V) ≤0.010。由于随着井深增加的变化，液体对压裂弹的静压力增大，药腔比M应随之减小才能保证将峰值压力Pm控制在100MPa范围内，即：M＝ (W·h)/(1000V)
式中：h-压裂井深，W-药量
V-压裂作用空间，M-药腔比。
本发明的工艺方法设定的井下封堵空间主要采用两种封堵方法获得。根据井深以及需要压裂层位深浅的不同一般取1500米以上深井，以封隔器封堵油管与套管空间，并在井口配用限压阀的封堵方法。1500米以内的浅井、中深井以封隔器封堵为主，可设置双封隔器，在封隔器的上方可配设定压凡尔，或在封隔器的下方配设水力锚，或同时选配上述两者。在封隔器上方均设有水眼短节。上述封堵方法及其形成的管柱结构可保证本发明的工艺方法在100MPa峰值压力、药腔比为0.010的压裂条件下使井下管柱及井口装置不受破损。并使封堵层上下有可靠的隔离保障，使井口的密闭压力循环系统始终保持正常工作状态。
本发明的工艺方法的压裂弹布置有两种情形：掏空布弹方法，这种方法是通过气举或排液、套管不灌水等方法在压裂弹所处封堵空间的顶部留出20～30米的空气腔，利用空气体积能被压缩膨胀的特征形成多次反复脉冲作用，在储层部位形成间隔性负压，使储层在负压作用下解除油层堵塞。这种方法适用于浅层、低渗透套管井、致密油层裸眼井及油层污染堵塞严重的油井。全充液布弹方法，这种布弹方法是把压裂弹所处封堵空间充满液体，使压裂弹浸于液体之中。利用压裂弹燃烧释放出来的高能气体推动井筒内液体作用于压裂层。这种布弹方法适用于深井或泥质含量高、岩石致密坚硬、裂缝不发育的套管井。
本发明工艺方法的点火方法，为点火井口机械手于井口控制点火向外侧拉动启动手柄37从而使主销31从点火棒41的销孔43中拔出，点火棒41自井口自由落下，点火棒41撞击压裂弹的触发点火装置点燃压裂弹。点火可在密闭高压循环条件下进行。
本发明控制装置的缓冲器连接在油管柱下端。当井下压裂弹产生压力时，其受力后由于缓冲胶皮筒和弹簧的设置能伸缩可减缓连接在其下方的压裂弹直接作用于油管柱以至井口的压力，避免油管柱和井口遭受剧烈震动和冲顶而损坏。
本发明控制装置的平衡回收器连接在井下管柱的最下端，由于其形状象个吊篮在压力作用时使井下管柱产生一个拉力，能有效地防止管柱及上述井下控制装置在悬挂状态中剧烈晃动，使压裂弹在较稳定状态下燃烧，同时减小压力上顶作用保护管柱及井口装置不受损害。其还可以回收压裂弹燃烧后残余的弹孔封堵物及其他杂质，减少井下污染。
实施例：实施本发明工艺方法时按工艺流程首先确定所需压裂油层位置，从而确定药腔比和最大峰值压力，完成测井及清理井筒，做压裂施工准备。连接好包括缓冲器、平衡回收器在内的井下控制装置和压裂弹、测试装置并与油管柱连接。在下入井中管柱的适当位置连接封隔器和其他配设器材如水眼短节、定压凡尔、水力锚等。最后于井口连接点火机械手。使整个井筒封闭。敞开套管闸门、水泥车开泵，正循环使套管灌满水，然后关闭套管闸门蹩压至10～12MPa使封隔器坐封。同时打好平衡压力P以保护封堵以上部分油管及井口装置。向外侧拉动启动手柄释放点火棒，从而引燃压裂弹使推进剂燃烧释放高能量气体并通过井下的液体或气体的作用实现压裂的目的。在压裂时也通过井下的测试装置及井口的监测仪对压裂进行检测。
本发明工艺方法的优点在于：1）压裂形成的裂缝不受就地应力的影响，可形成各方位径向裂缝，增大近井地带的导流能力;2）能量释放过程是可控的;3）推进剂燃烧产生的二氧化碳气体不会污染储层，4）建立多方位径向裂缝为水平方向，而纵向延伸小;5）地面不承受高压部分，施工比较安全;6）作业时间短，不需庞大设备，不受施工场地限制，施工简便，费用低;7）由于不向储层挤压大量液体，投产后不需排液见效快。