CN106468157B - 投球式压裂滑套和压裂管柱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种投球式压裂滑套和压裂管柱。该投球式压裂滑套包括外管，在外管上设置有第一压裂孔。内套，在内套上设置有第二压裂孔。在外管的内壁上在第一压裂孔的上游构造有沿轴向间隔分布的多个内槽，与多个内槽中的任一个形成接合的中空的变级体。在外管的内壁的处于内套下游的区域构造有一个球座槽，在球座槽内设置有弹性球座。根据本发明的投球式压裂滑套，能够使用同一规格的憋压球打开多级滑套，使得压裂级数不受限制憋压球和球座尺寸的限制。

Description

投球式压裂滑套和压裂管柱

技术领域

本发明涉及石油勘探开发领域，特别涉及一种投球式压裂滑套。本发明还涉及由多个这种压裂滑套串联在一起形成的压裂管柱。

背景技术

随着油气田勘探开发的深入，低渗、特低渗致密油气田大量被发现和开发。在这种油气田的开发中，分段压裂开采过程中非常重要的过程，并且为了广泛开采，压裂级数呈现大幅度增长态势。

通常的分段压裂方法是投球式滑套分段压裂，该方法通过投球式滑套压裂装置、裸眼封隔器、憋压球等工具来实现，其中投球式滑套压裂装置是该分段压裂的核心装置之一。目前，投球式滑套分段压裂的实施方法为从井口投入逐级投入不同尺寸的憋压球，当憋压球落入到滑套的球座位置后，打开相应的滑套并对该层进行压裂施工，最终实现多段压裂。

投球式滑套分段压裂技术成熟，设备也较为简单，因此应用很广泛。但是，在这种投球式滑套分段压裂技术中，球座和憋压球设计为从井底至井口，直径必须从小到大满足一定的级差，以使得每一级憋压球仅能打开一级滑套，进行一级压裂。由此，分段压裂段数及施工规模会因球座直径的受限而大幅受限。

因此，急需一种能够用于压裂级数不受憋压球和球座尺寸限制的压裂装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种投球式压裂滑套。根据本发明的投球式压裂滑套，能够使用同一规格的憋压球打开多级滑套，使得压裂级数不受限制憋压球和球座尺寸的限制。另外，本发明还提出了包括这种投球式压裂滑套的压裂管柱。

根据本发明的第一方面的投球式压裂滑套，包括，外管，在外管上设置有第一压裂孔，在外管的内壁上在第一压裂孔的上游构造有沿轴向间隔分布的多个内槽，与多个内槽中的任一个形成接合的中空的变级体，变级体能被推动向下游运动并与下游相邻的内槽形成接合，能滑动地设置在外管内的内套，内套通过剪钉与外管相连，在内套上设置有能与第一压裂孔对齐的第二压裂孔，在内套与外管相重叠区域内存在有至少一个内槽，在外管的内壁的处于内套下游的区域构造有一个球座槽，在球座槽内设置有弹性球座，在弹性球座被推动到球座槽之外后直径会变小。投球式压裂滑套构造为，变级体与一个内槽接合并且在变级体与内套之间存在有至少一个内槽，所投入的每个憋压球能在压力下穿过变级体、内套和弹性球座的同时推动变级体向下游运动，当变级体与内套相接触后，剪钉被剪断，憋压球推动变级体和内套向下游运动，在第二压裂孔与第一压裂孔对齐后，弹性球座被内套推动到球座槽之外，憋压球坐入直径变小的弹性球座内，建立压裂通道。

根据本发明的投球式压裂滑套，在外管的内壁上设置多个内槽并且安装变级体，使得在压裂通道建立之前，多个相同规格憋压球都能够穿过变级体、内套和弹性球座，并且仅在建立压裂通道之后才封住滑套。由此，在使用本发明的投球式压裂滑套进行压裂时，压裂级数就不受限制憋压球和球座尺寸的限制。

在一个实施例中，变级体包括安装在外管内的一个移动套，在移动套上沿轴向设置有两排通孔，在两排通孔内活动式安装有挡块，并且在任一位置仅一排的挡块与一个内槽接合，以使得变级体能与一个内槽接合。当挡块与内槽接合时，挡块径向向外凸出以使憋压球穿过；当挡块移出内槽时，挡块径向向里凸出以使憋压球与挡块坐接而推动变级体向下游运动。在这种结构中，移动套整体式带动两排挡块运动，确保了挡块与内槽的接合方式。优选地，每排挡块包括沿变级体的周向均匀布置的至少三个挡块，以稳定支撑憋压球。

在一个实施例中，挡块构造成具有尺寸大于通孔的卡接台和尺寸小于通孔的凸起，凸起能穿过相应的通孔而运动，卡接台处于移动套和外管之间并且与内槽相匹配。当卡接台凸出到内槽的内部时，挡块与内槽形成接合；当卡接台移出内槽时，挡块移出内槽。在一个优选的实施例中，内槽的下游边缘构造成朝向下游倾斜的斜面，卡接台的下游边缘构造为与内槽的下游边缘相匹配的斜面。这种形式的内槽和卡接台有助于卡接台或挡块顺利地从内槽内滑出。

在一个实施例中，球座槽的下游边缘构造成朝向下游倾斜的斜面，弹性球座为带缺口的环形件并且其下游边缘构造为与球座槽的下游边缘相匹配的斜面。这种形状的弹性球座不但具有较大的弹性以易于从球座槽中滑出，而且能够稳定地承接憋压球并可尽量减小憋压球和弹性球座之间的间隙，由此提高压裂时的升压速度。

在一个实施例中，还包括相邻地设置在移动套下游的一个移位卡簧，移位卡簧能与多个内槽中的任一个形成接合，在其被推动到内槽之外后直径会变小。当移位卡簧与内槽接合时，憋压球能穿过移位卡簧，当移位卡簧移出内槽时，憋压球与移位卡簧坐接而推动移位卡簧向下游运动，在移位卡簧与内套接触后，憋压球会推动变级体、移位卡簧和内套向下游运动直到第二压裂孔与第一压裂孔对齐。移位卡簧可与内套与外管的重叠区域内的一个内槽接合并阻挡内套意外朝向上游运动而使压裂通道关闭。

在一个实施例中，内槽的下游边缘构造成朝向下游倾斜的斜面，移位卡簧为带缺口的环形件并且其下游边缘构造为与内槽的下游边缘相匹配的斜面。

在一个实施例中，憋压球的材质为Al或Al-Mg合金。这种材质的憋压球能够在井下环境中自然降解，避免了在压裂施工之后的钻除作业。

根据本发明的第二方面的压裂管柱，其包括多个上文所述的投球式压裂滑套。该多个投球式压裂滑套彼此串联在一起，并且上游的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量大于下游的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量。在向本发明的这种压裂管柱内投入多个憋压球后，处于下游的投球式压裂滑套先打开，处于上游的投球式压裂滑套后打开，但是投球式压裂滑套的数量并不受憋压球和弹性球座的尺寸的限制，只需要将外管上的内槽的数量构造为投球式压裂滑套的数量相匹配。因此，使用者可根据需要来构造具有不同数量的投球式压裂滑套的压裂管柱，而无需考虑憋压球和弹性球座的尺寸。

在一个优选的实施例中，上游的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量与下游相邻的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量之差为 1，并且最末端的投球式压裂滑套的变级体与内套相邻。由此，每投入一个憋压球，就能使一个投球式压裂滑套的第一压裂孔和第二压裂孔对齐并且建立一个压裂通道，这大大提高了施工效率。

在本申请中，用语“下游”、“上游”、“下部”以及“上部”规定为靠近井口为上，远离井口为下。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)根据本发明的投球式压裂滑套，在外管的内壁上设置多个内槽并且安装变级体，使得在压裂通道建立之前，多个相同规格憋压球都能够穿过变级体、内套和弹性球座，并且仅在建立压裂通道之后才封住滑套。这样，压裂级数就不受限制憋压球和球座尺寸的限制。(2)在建立压裂通道之后，能够通过变级体防止压裂通道意外关闭，保证了压裂施工能顺畅进行。(3)使用发明的投球式压裂滑套和压裂管柱进行压裂施工的快速、可靠性高，施工周期短，而且压裂结束后憋压球可在井内降解，无需钻除作业。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性地显示了根据本发明的投球式压裂滑套的第一实施例。

图2示意性地显示了根据本发明的投球式压裂滑套的第二实施例。

图3到9示意性地显示了本发明第二实施例的投球式压裂滑套的使用过程。

图10示意性地显示了根据本发明的弹性球座的结构。

图11示意性地显示了根据本发明的移位卡簧的结构。

图12是图1 中B区域的放大视图。

图13示意性地显示了根据本发明第一实施例的投球式压裂滑套建立压裂通道时的状态。

附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1是根据本发明第一实施例的投球式压裂滑套100(以下简称为滑套100) 的结构示意图。如图1所示，滑套100包括外管7，在外管7上设置有第一压裂孔21。在外管7的内壁上在第一压裂孔21的上游构造有多个内槽15，这些内槽 15在轴向上间隔分布，也就是说在相邻的内槽15之间存在有间隔区14。与间隔区14相比，内槽15为凹陷。

在外管7内还设置有内套8，在内套8上设置有第二压裂孔16。在初始状态中，内套8和外管7通过剪钉10相连，并且第一压裂孔21被内套8覆盖且第二压裂孔16处于第一压裂孔21的上游。因此，在初始状态中，没有建立压裂通道。当剪钉10被剪断后，内套8朝向下游运动，使得第二压裂孔16与第一压裂孔21 对齐，这样才能够建立压裂通道。具体过程见下文详细描述。应注意地是，在初始状态中，在内套8与外管7相重叠区域内存在有至少一个内槽，例如内槽15a。内槽15a与其余的内槽15的结构和尺寸完全相同，但是在建立压裂通道的过程中，内槽15a还具有其他作用，见下文描述。为此，这里对内槽15a使用不同的附图标记，仅是为了便于描述。

在外管7的内壁的处于内套8下游的区域构造有一个球座槽18，在球座槽 18内可设置弹性球座11。如图10所示，弹性球座11为带缺口的环形件，以使得易于将其沿径向压缩。从整体来看，弹性球座11为手镯形状。在初始状态中，弹性球座11安装在球座槽18内。当内套8向下游运动时，会将弹性球座11从球座槽18中推出，因此弹性球座11受外管7的挤压而直径变小。优选地，球座槽18的下游边缘构造成朝向下游倾斜的斜面，而弹性球座11的下游边缘与球座槽18的下游边缘相匹配。

在外管7内还设置有一个变级体17。变级体17可与多个内槽15中的任一个形成接合。在变级体17被往下游推动时，还可以与下游相邻的内槽形成接合，应注意地是，在任一位置仅与一个内槽接合。

在图1所示的实施例中，变级体17包括移动套3和挡块4。如图12显示了这种移动套3和挡块4的结构。移动套3构造为圆柱形筒，在移动套3上沿轴向设置有两排通孔5，挡块4则分别活动式安装在通孔5中。这里的用语“两排”是指通孔5沿移动套3的周向分布成两个圆。为了方便起见，将处于下游的挡块称之为下挡块19，将处于上游的挡块称之为上挡块20。下挡块19和上挡块20 完全相同，这里仍以挡块4来描述其结构。挡块4具有尺寸大于通孔5的卡接台 41和尺寸小于通孔5的凸起42。这样凸起42可穿过通孔5而运动，卡接台41 处于移动套3和外管7之间，以避免挡块4从通孔5中掉落。卡接台41还构造为与内槽15的尺寸向匹配。这样，在任一位置仅一排的挡块与一个内槽接合，以使得变级体17与一个内槽接合。

当卡接台41进入到内槽15内时，挡块4与内槽15相接合，相对的挡块之间的距离就增大了。当卡接台41移出内槽15时，挡块4也就移出内槽15，相对的挡块之间的距离就减小了。如图12所示，优选地，内槽15的下游边缘构造成朝向下游倾斜的斜面，而卡接台41的下游边缘与内槽15的下游边缘相匹配；更优选地，在移动套3的外表面上还构造有与卡接台41相匹配的槽120，以使得当卡接台41移出内槽15后，能完全缩回到槽120内。这样，移动套3的外表面就形成了整体式的滑动表面而易于沿着外管7滑动。

如上文所述，在初始状态中(即图1)，内套8和外管7通过剪钉10相连，并且第一压裂孔21被内套8覆盖且第二压裂孔16处于第一压裂孔21的上游。弹性球座11安装在球座槽18内。变级体17与一个内槽接合并且在变级体17与内套8之间存在有至少一个内槽。在一个具体实施例中，如图1所示，下挡块19 偏离内槽15，而上挡块20与内槽15接合。用语“初始状态”是指在投入憋压球之前内套8、外管7以及变级体17的状态。

在投入第一个憋压球13后，憋压球13与下挡块19坐接。在压力下，推动变级体17向下游运动。当下挡块19运动到与下一个内槽15接合时，上挡块20 移出内槽并且憋压球13则运动穿过内套8和弹性球座11。随后，可继续投入憋压球，直到变级体17与内套8相接触。在压力下，剪钉10被剪断，憋压球22 推动变级体17和内套8向下游运动。在第二压裂孔16与第一压裂孔21对齐后，弹性球座11被内套8推动到球座槽18之外，这时憋压球22坐入直径变小的弹性球座18内，从而建立压裂通道，如图13所示。

由此可知在整个过程中，所有的憋压球的尺寸都相等，也就是说，建立压裂通道的过程不需要不同尺寸的憋压球。

下面来描述本发明第二实施例的投球式压裂滑套200(以下简称为滑套200)。滑套200的结构与滑套100的结构基本相同，这里仅描述两者的不同之处。如图 2所示，滑套200还包括相邻地设置在移动套3下游相邻内槽中的一个移位卡簧 6。移位卡簧6的宽度与内槽15的尺寸相匹配，以使得其能与多个内槽中的任一个形成接合。另外，移位卡簧6具有较大的厚度，以使得其与内槽接合时，仍然能够凸出高于内套8，但是其厚度小于弹性球座18的厚度。如图11所示，移位卡簧6为带缺口的环形件形式，以使得易于将其沿径向压缩。移位卡簧6能够在压力下被推出当前的内槽而向下运动直到与下游相邻的内槽接合，甚至在此之后能够被进一步推向下游。为此，移位卡簧6的下游边缘构造为与内槽15的下游边缘相匹配的斜面，以有助于移位卡簧6的运动。

h] 在初始状态中，移位卡簧6安装在处于变级体17下游相邻的一个内槽15中。当变级体17向下游运动时，会将移位卡簧6从内槽15中推出，因此移位卡簧6 受外管7的挤压而直径变小。当然，当变级体17进一步向下游运动时，还会将移位卡簧6推入到下一级的内槽15中，这时移位卡簧6的直径会再次变大。

在移位卡簧6与内套8接触后，在压力下移变级体17、移位卡簧6和内套8 三者会被推动向下游运动，直到第二压裂孔16与第一压裂孔21对齐。此时，移位卡簧6与内槽15a接合，这样移位卡簧6就会在轴向上阻挡内套8逆向向上游运动。

下面，根据图3-9来详细描述滑套200的使用过程。

在初始状态中(即图3)，内套8和外管7通过剪钉10相连，并且第一压裂孔21被内套8覆盖且第二压裂孔16处于第一压裂孔21的上游。弹性球座11安装在球座槽18内。变级体17与一个内槽接合并且在变级体17与内套8之间存在有至少一个内槽。具体来说，如图3所示，下挡块19偏离内槽15，而上挡块 20与内槽15接合。移位卡簧6安装在变级体17下游相邻的内槽内。

在投入第一个憋压球131后，憋压球131与下挡块19坐接。在压力下，憋压球131推动变级体17向下游运动。当下挡块19运动到与下游内槽15接合时，上挡块20移出内槽并且移位卡簧6被推出内槽，这时由移位卡簧6承接憋压球 131，如图4所示。在压力下，憋压球131继续推动移位卡簧6向下游运动，直到移位卡簧6再次与下游的内槽接合时，憋压球131运动穿过内套8和弹性球座 11，如图5所示。

随后，可继续投入下一个憋压球132，憋压球132与上挡块20坐接，如图6 所示。在压力下，憋压球132推动变级体17向下游运动。当上挡块20运动到与下游的内槽接合时，下挡块20移出内槽，此时憋压球132与下挡块19坐接，并推动变级体17和移位卡簧6继续向下游运动，如图7所示。在移位卡簧6被推出内槽后，移位卡簧6承接憋压球132。当移位卡簧6与再下游的内槽接合后，憋压球132运动穿过内套8和弹性球座11，这个过程未以图示出。

接下来，再次投入一个憋压球133。憋压球133的运动过程与憋压球131、 132的运动过程大体类似，下面仅描述不同之处。如图8所示，憋压球133推动移位卡簧6推出内槽并向下游运动到与内套8相接触。继续施加压力，剪钉10 被剪断，憋压球133推动移位卡簧6和内套8向下游运动。在第二压裂孔16与第一压裂孔21对齐后，弹性球座11被内套8推动到球座槽18之外，这时憋压球133坐入直径变小的弹性球座11内，从而建立压裂通道，如图9所示。在图9 所示的情况中，移位卡簧6与内槽15a接合，这样移位卡簧6就会在轴向上阻挡内套8逆向向上游运动。

由此可知，在整个过程中，所有的憋压球的尺寸都相等，也就是说，建立压裂通道的过程不需要不同尺寸的憋压球。

应理解地是，图3到9仅示意性地描述了建立一个压裂通道的过程。当变级体17与内套8之间的内槽数量更多时，需要投入更多的憋压球来建立压裂通道，而憋压球、变级体、移位卡簧、内套以及弹性球座的运动过程与上文描述相同。

根据本发明的压裂管柱可包含多个根据上文所述的投球式压裂滑套，并且并且上游的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量大于下游的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量。例如，上游的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量与下游相邻的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量之差为1，并且最末端的投球式压裂滑套的变级体与内套相邻。这样，每投入一个憋压球，就能建立一个压裂通道，这大大提高了施工效率。

虽然，没有以具体的实施例来描包括这种压裂管柱的工作过程，但是对于本领域的技术人员来说，所有滑套的动作过程均可根据图1到13以及相应的文字说明而得知。例如，来自上游滑套的憋压球可看做为投入下游滑套的憋压球。为了简单起见，这里不再赘述。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种投球式压裂滑套，包括，

外管，在所述外管上设置有第一压裂孔，

在所述外管的内壁上在第一压裂孔的上游构造有沿轴向间隔分布的多个内槽，与所述多个内槽中的任一个形成接合的中空的变级体，所述变级体能被推动向下游运动并与下游相邻的内槽形成接合，

能滑动地设置在所述外管内的内套，所述内套通过剪钉与所述外管相连，在所述内套上设置有能与所述第一压裂孔对齐的第二压裂孔，在所述内套与所述外管相重叠区域内存在有至少一个内槽，

在所述外管的内壁的处于内套下游的区域构造有一个球座槽，在所述球座槽内设置有弹性球座，在所述弹性球座被推动到球座槽之外后直径会变小，

所述投球式压裂滑套构造为，所述变级体与一个内槽接合并且在所述变级体与所述内套之间存在有至少一个内槽，所投入的每个憋压球能在压力下穿过所述变级体、内套和弹性球座的同时推动所述变级体向下游运动，

当所述变级体与内套相接触后，所述剪钉被剪断，憋压球推动所述变级体和内套向下游运动，在所述第二压裂孔与第一压裂孔对齐后，所述弹性球座被所述内套推动到球座槽之外，憋压球坐入直径变小的弹性球座内，从而建立压裂通道。

2.根据权利要求1所述的投球式压裂滑套，其特征在于，所述变级体包括安装在所述外管内的一个移动套，在所述移动套上沿轴向设置有两排通孔，在所述两排通孔内活动式安装有挡块，并且在任一位置仅一排的挡块与一个内槽接合，以使得所述变级体能与一个内槽接合，

当挡块与内槽接合时，挡块径向向外凸出以使憋压球穿过，当挡块移出内槽时，挡块径向向里凸出以使憋压球与挡块坐接而推动变级体向下游运动。

3.根据权利要求2所述的投球式压裂滑套，其特征在于，所述挡块构造成具有尺寸大于通孔的卡接台和尺寸小于通孔的凸起，所述凸起能穿过相应的通孔而运动，所述卡接台处于所述移动套和外管之间并且与所述内槽相匹配，

当所述卡接台凸出到内槽的内部时，所述挡块与内槽形成接合；当所述卡接台移出内槽时，所述挡块移出内槽。

4.根据权利要求3所述的投球式压裂滑套，其特征在于，所述内槽的下游边缘构造成朝向下游倾斜的斜面，所述卡接台的下游边缘构造为与所述内槽的下游边缘相匹配的斜面。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的投球式压裂滑套，其特征在于，所述球座槽的下游边缘构造成朝向下游倾斜的斜面，所述弹性球座为带缺口的环形件并且其下游边缘构造为与所述球座槽的下游边缘相匹配的斜面。

6.根据权利要求2到4中任一项所述的投球式压裂滑套，其特征在于，还包括相邻地设置在所述移动套下游的一个移位卡簧，所述移位卡簧能与所述多个内槽中的任一个形成接合，在其被推动到内槽之外后直径会变小，

当所述移位卡簧与内槽接合时，所述憋压球能穿过所述移位卡簧，当所述移位卡簧移出内槽时，所述憋压球与移位卡簧坐接而推动移位卡簧向下游运动，在所述移位卡簧与内套接触后，所述憋压球会推动变级体、移位卡簧和内套向下游运动直到第二压裂孔与第一压裂孔对齐。

7.根据权利要求6所述的投球式压裂滑套，其特征在于，所述内槽的下游边缘构造成朝向下游倾斜的斜面，所述移位卡簧为带缺口的环形件并且其下游边缘构造为与所述内槽的下游边缘相匹配的斜面。

8.根据权利要求1到4中任一项所述的投球式压裂滑套，其特征在于，所述憋压球的材质为Al或Al-Mg合金。

9.一种压裂管柱，其包括多个根据权利要求1到8中任一项所述的投球式压裂滑套，所述多个投球式压裂滑套彼此串联在一起，并且上游的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量大于下游的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量。

10.根据权利要求9所述的压裂管柱，其特征在于，上游的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量与下游相邻的投球式压裂滑套的变级体与内套之间的内槽的数量之差为1，并且最末端的投球式压裂滑套的变级体与内套相邻。