CN102839956A - 滑套式压裂组件、使用该组件的装置及该装置的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑套式压裂组件，包括：复合滑套和打开工具。其中，复合滑套和打开工具能通过布置在各自上齿形件自动配合而实现打开复合滑套。本发明还涉及一种滑套式压裂装置，其包括多个复合滑套和打开工具，其中复合滑套和打开工具之间仅能实现唯一性配合。本发明还涉及使用滑套压裂装置的方法。

Description

滑套式压裂组件、使用该组件的装置及该装置的使用方法

技术领域

本发明涉及一种滑套式压裂组件，特别是一种能选择性开关的滑套式压裂组件。本发明还涉及使用该组件的装置及该装置的使用方法。

背景技术

转层喷砂滑套是在油气田中对直井、水平井分段压裂改造的关键工具。这类喷砂滑套包括滑套外筒和布置在滑套外筒内的芯管，其中滑套外筒和芯管之间为滑动配合，在滑套外筒的壁上布置有喷砂口，并且在其上端口具有用于承接启动球的密封配合面。滑套外筒和芯管之间的滑动配合通过启动球开启，启动球和密封配合面按照一定梯度顺序增大，每个启动球的直径大于与其配合的密封配合面的内径，从而每个启动球仅能与相应的密封配合面唯一配合。在施工时，依次投入对应启动球，并且在井口加压以剪断销钉，实现滑套开启。

目前，石油天然气水平井、直井的转向压裂方法有限流压裂和分级压裂两种。其中，主流是分级法压裂，其包括化学分段压裂、封隔器分段压裂、水力喷射分段压裂、连续油管分段压裂和组合式完井方法。在分级压裂中，应用最广的是封隔器分段压裂，有泵送桥塞分段压裂、投球+滑套封隔器分段、环空封隔器、双封单压分段压裂等方式。

其中，环空封隔器、泵送桥塞分段压裂分段数没有限制，但压裂作业不能连续，每段作业后需要重新射孔，作业完成后需要压井钻塞，作业周期长，费用高。双封单压分段压裂需要拖动管柱，封隔器需要多次座封，施工周期长。投球+滑套封隔器分段压裂采用不同级差的球和球座组合，不动管柱一次性可以完成多段压裂，但由于不同球按照一定级差设计，因此封隔器分段数受限于管柱尺寸，分段压裂、酸化级数都会受到限制。

近年来，相续开发出了针对不同储层特征的喷砂滑套。如1992年4月1日公告授权的中国专利2100480U《压裂用导压喷砂滑套》，其主要用于油井压裂。2008年11月5日公告授权的中国专利200820061922《压裂滑套喷砂器》，其主要用于气井压裂。两类滑套开启基本原理都是采用顺序增大启动球开启滑套，分段压裂级数受限。

另外，为了解决压裂装置的缺点，也开发出了多种滑套式压裂装置。如在2010年2月3日公开的中国专利申请CN201396131《水平井分段压裂管柱》中的装置包括油管柱、压差封隔器、安全接头、滑套封隔器，压差封隔器和滑套封隔器安装在油管柱上，两者之间还安装有安全接头。这种装置仅适用于油田，并且在使用过程中容易损伤封隔器，造成密封不严、压裂失效。此外，这种装置的操作复杂，操作人员的劳动强度大，安全性也较差。

在2009年1月7日公开的中国专利申请CN101338663《水平井机械分段压裂防卡工艺管柱》中的装置包括油管、安全接头、扶正器、水力锚、封隔器、导压喷砂器及导向丝堵；其中油管下端依次连接安全接头、扶正器、水力锚、封隔器、扶正器、导压喷砂器、封隔器及导向丝堵。这种装置只能用于油田水平井的压裂，而且不能实现不动管柱就进行多层压裂并合层开采，也不能进行不动管柱不限级数分段压裂。

在2009年10月21日公开的中国专利申请CN101560877《水平井封隔器分段压裂工艺管柱》中的装置包括油管柱、水力锚、座封控制器、跨隔式封隔器A、跨隔式封隔器B、跨隔式封隔器C、滑套喷砂器、喷砂器、导向器和毛细管线。所述油管柱上顺次安装连接有水力锚、座封控制器、跨隔式封隔器A、滑套喷砂器、跨隔式封隔器B、喷砂器、跨隔式封隔器C和导向器，所述毛细管线在油管柱的一侧与座封控制器和跨隔式封隔器A、跨隔式封隔器B、跨隔式封隔器C相连接。这种装置不能实现不限级数分段压裂。

另外，在中国专利申请CN101418681公开的《油气井分层压裂合采一次管柱工艺》，在中国专利申请CN201144682公开的《石油、天然气井多层压裂管柱》均采用了投球开滑套方式，不能进行不动管柱不限级数分段，也不能关闭滑套。

因此，急需一种能实现在水平井、直井及定向井中不需要拖动管柱即可实现不限级数的分段压裂的压裂装置，而且根据需要打开或关闭任意滑套的压裂装置。

发明内容

针对上述的问题，本发明提出了一种滑套压裂组件，其能够根据需要对滑套进行任意定点打开和关闭。本发明还提出了使用该组件的装置及该装置的使用方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种滑套式压裂组件，包括：

复合滑套，其包括固定的外筒和通过剪切销连接在外筒内壁上的内筒，其中在外筒上设置有喷砂孔，在内筒的内壁设有第一齿形件；

打开工具，其包括主体和与主体相连接的第二齿形件，所述打开工具能插入所述内筒内且封闭井筒，所述第二齿形件能与第一齿形件形成配合，

其中，当所述滑套式压裂组件处于初始状态时，所述内筒挡住了喷砂孔；当下入打开工具时，所述内筒与打开工具通过第一齿形件和第二齿形件彼此接合，在所述套管内憋压到预定的压力时，所述剪切销被剪断，打开工具带动内筒向下运动以使喷砂孔露出，进而建立压裂通道。

在本申请中，用语“初始状态”是指在滑套式压裂组件打开之前的状态。

在一个实施例中，还包括用于关闭复合滑套的关闭工具，其包括中心拉杆和与中心拉杆相连接的第三齿形件，所述关闭工具能插入所述内筒中，使得所述第三齿形件能与第一齿形件形成配合，由此能通过上提关闭工具来使所述内筒上移，从而重新盖住喷砂孔以关闭压裂通道。

在一个实施例中，在复合滑套的内筒和外筒的配合面上布置有选位槽和选位件，当滑套式压裂组件处于打开状态和在关闭压裂通道状态时，所述选位槽和选位件处于不同的接合位置。这种选位槽和选位件在压裂组件不同状态下不同的接合位置能防止流体作用以及取出打开工具时，复合滑套被意外关闭。

在一个实施例中，在所述复合滑套的外筒和内筒的配合面上布置有能彼此接合的定位机构，以保证内筒与外筒接合并盖住泵开阀，从而关闭压裂通道。这种定位机构能够确保仅在投入打开工具并且加压之后，复合滑套的外筒和内筒才能彼此分开，并且在使用关闭工具将内筒上提时，能确保该复合滑套的外筒和内筒重新接合而关闭压裂通道。

根据本发明的第二方面，提供了一种滑套式压裂装置，包括多个根据上文所述的滑套式压裂组件。其中，各个打开工具的第二齿形件设置成与其它打开工具的第二齿形件互不相同，使得各个打开工具仅能与其所配属的压裂组件中的内筒相配合。各个关闭工具的第三齿形件设置成与其它关闭工具的第三齿形件互不相同，使得各个关闭工具仅能与其所配属的压裂组件中的内筒相配合。

通过这种设置，配属于某一压裂组件的打开工具的第二齿形件只能与该压裂组件中的复合滑套的第一齿形件形成配合。即便在下入期间，该打开工具经过其它的压裂组件时，由于齿形件的不同，打开工具的第二齿形件也无法径向向外运动而与复合滑套的第一齿形件形成接合。同样，关闭工具上的第三齿形件也只能与所配属的复合滑套的第一齿形件形成接合。因此，根据本发明的装置，下入特定的打开工具仅能够打开相应的复合滑套，并且下入特定的关闭工具仅能够关闭相应的复合滑套。也就是说，本发明的滑套式压裂装置能够实现根据需要而选择性打开和/或关闭特定的复合滑套。

在一个实施例中，所有复合滑套的内径均相同。这种结构使得复合滑套的数量不受限制，可实现不限级数的分段压裂。

在一个实施例中，各所述齿形件通过各自独特的轮廓参数和/或设置在每个齿形件上的引导结构而实现与唯一一个相应的齿形件接合。在一个优选的实施例中，轮廓参数选自中的齿数、齿形和齿距中的一个或多个。

在一个实施例中，打开工具的第二齿形件设置在主体外壁上，并且在主体和第二齿形件之间还设置有第一弹性机构，其中所述第二齿形件能在第一弹性机构的作用下径向向外地运动，从而与第一齿形件形成配合。在另一个实施例中，打开工具的第二齿形件通过弹性构件设置在主体上方，该弹性构件的与主体相连的端部的直径小于其与第二齿形件相连的端部的直径。

在一个实施例中，关闭工具的第三齿形件设置在中心拉杆外壁上，并且在中心拉杆和第三齿形件之间还设置有第二弹性机构，其中所述第三齿形件能在第二弹性机构的作用下径向向外地运动，从而与第一齿形件形成配合。在另一个实施例中，关闭工具的第三齿形件为弹片件，其下游端部与中心拉杆相连，上游端与中心拉杆分开。

在一个实施例中，上述弹性机构均包括能施加径向向外的作用力的弹性件，以及限制相应的齿形件的径向向外运动距离的限位件。

这种具有弹性的齿形件和带有弹性机构的弹性件使得齿形件在遇到与之匹配的齿形件时，能自动弹出与之配合，从而实现复合滑套的内筒与打开工具以及内筒与关闭工具在井下自动配合，大大提高了复合滑套的操作便利程度。而限位工具用于限制齿形件向外运动的距离，以既能够保证该齿形件与相应的齿形件接合，而且能够保证该齿形件不脱离其所连接的本体，例如打开工具的主体和关闭工具的中心拉杆。

在本申请中，用语“下”和“上”规定为靠近井口为上，远离井口为下。

在一个实施例中，在各齿形件的上端和下端处设置有斜面式引导结构，以引导相对应的齿形件形成配合或脱开。这种斜面式引导结构使得能够通过“挤入”、“挤出”的方式实现相应的齿形件形成配合或脱开，方便了复合滑套的打开或关闭操作。

在一个实施例中，打开工具的主体包括具有不同横截面尺寸的贯穿空心结构，在贯穿空心结构的具有更大截面的下部部分内布置有憋压机构，并且憋压机构不能从贯穿空心结构的下部部分内脱出，尤其是无法进入到更小截面的上部部分中。

在一个优选的实施例中，憋压机构包括球笼和设置在所述球笼内的球体。其中，所述球笼具有封闭的上端和敞开的下端，在封闭的上端外部设置有打捞柄，在球笼的周向壁上设置有流体通道；所述球体仅能在球笼内运动，并且在处于球笼的上端和下端处时不会阻挡球笼周向壁上的流体通道。

球体对贯穿中心结构的封堵使得这种中空结构的打开工具能实现井筒内加压。由于球笼仅能在贯穿空心结构的具有更大截面的下部部分内运动，因此通过设置在球笼封闭上端外部的打捞柄可将打开工具从复合滑套中打捞出来。

在一个优选的实施例中，球笼周向壁上的流体通道总面积不小于球笼下端的开口面积，使得流体的流动更加顺畅。

在一个实施例中，滑套式压裂装置还包括能插入打开工具贯穿中空结构的柱形打捞工具，在其一个端部处设置有打捞头，以与球笼上的打捞柄连接。从而通过提拉球笼即可将打开工具打捞出来，打捞更加方便。

在一个实施例中，在打开工具主体的下部还设置有朝向下方延伸的导向机构，其中该导向机构具有与主体相连通的中空结构。在打开工具与复合滑套的内筒接合后，在加压时这种导向机构能够使打开工具和复合滑套的内筒的运动更稳定。

根据本发明的第三方面，还涉及一种使用上述滑套式压裂装置的方法，包括：

步骤一：在套管或油管串的最下端安装压差式打开机构，然后依次安装各压裂组件中的复合滑套；

步骤二：井筒内加压，打开最下端的压差式打开机构，建立套管或油管串与地层之间的连通通道；

步骤三：依次下入各个打开工具，按照从下到上的顺序依次打开复合滑套，进行分段压裂。

在一个实施例中，还包括步骤四：通过打开工具上的打捞结构回收打开工具，套管或油管串内恢复贯通。在另一个实施例中，当需要关闭特定的压裂通道时，下入配属于该复合滑套的关闭工具以关闭该压裂通道。

由于打开工具、关闭工具与复合滑套之间仅能实现唯一性配合，因此每投入一个打开工具，仅能打开相应的复合滑套，建立压裂通道。同时，每一个关闭工具也只能将一个压裂通道关闭。由此，可以实现水平井、直井等的任一复合滑套的开关，实现分段压裂。

与现有技术相比，本发明的优点在于，在本发明的滑套式压裂装置中通过复合滑套与打开工具或关闭工具的齿形件之间唯一性接合能够实现复合滑套可任意定点打开或关闭。特别是当需要打开特定的复合滑套时，仅需要下入相应的打开工具将其打开，而当需要关闭特定滑套或压裂通道时，仅需要下入相应的关闭工具将其关闭，而不影响其他的滑套或压裂通道。各个齿形件通过弹性作用在井下自动接合和分开即可实现复合滑套、打开工具以及关闭工具的接合和分开，使得操作更加方便。由于所有复合滑套的内径均相同，所以本发明复合滑套的数量不受限制，可实现不限级数的分段压裂。取出打开工具后，可实现套管内的全通，克服了常规压裂由于启动球滞留在套管内而影响产量、后期测井等工作的弊病。此外，根据本发明的滑套式压裂组件、装置以及使用方法不限于石油水平井的压裂施工，还适合于需要定点开关滑套的地层压裂领域中。

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1a是根据本发明的滑套式压裂组件的复合滑套的示意图；

图1b是根据图1a的复合滑套内筒上的选位槽的示意图；

图2a、2b和2c是根据本发明的滑套式压裂组件的打开工具的示意图；

图3是图2c的滑套式压裂组件的打开工具的俯视图；

图4a和4b是根据本发明的滑套式压裂组件的关闭工具的示意图；

图5是根据本发明的齿形件的引导结构的示意图；

图6a-6c是根据本发明的齿形件唯一性接合的原理图；

图7是根据本发明的滑套式压裂组件的打捞工具的示意图；

图8是显示了根据本发明的复合滑套与图2a所示的打开工具之间的位置关系的示意图；

图9是显示了根据本发明的复合滑套与图2b所示的打开工具之间的位置关系的示意图；

图10是显示了根据本发明的复合滑套与图2b所示的打开工具和打捞工具之间的位置关系的示意图；

图11是显示了根据本发明的复合滑套与关闭工具之间的位置关系的示意图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1a显示了根据本发明的滑套式压裂组件的复合滑套10，其包括固定的外筒11和通过剪切销13连接在外筒11内壁上的内筒12。其中，在外筒11上设置有喷砂孔14，在内筒12的内壁设有第一齿形件15。在图1a所示的实施例中，第一齿形件15与内筒12形成为一个整体。在一个实施例中，在外筒11和内筒12的配合面上还置有定位槽16和定位件17。定位槽16和定位件17设置成在图1a所示的初始状态中不相互接合，而仅在如下文所述的关闭压裂通道的步骤中彼此接合，以确保外筒11和内筒12能彼此连接，从而保证压裂通道被关闭。在一个实施例中，定位件17和定位槽16例如可采取引退式销钉和钉槽的形式。在另一个实施例中，在外筒11和内筒12的配合面上还设置有选位槽19和选位件18。选位槽19包括沿复合滑套10的轴向间隔布置的第一部分L1和第三部分L3，其中第三部分L3的长度大于第一部分L1并且第三部分L3的上游端部与第一部分L1的上游端部对齐，第二部分L2将第一部分L1和第三部分L3对齐的端部连接起来而形成选位槽19，如图1b所示。在打开和关闭复合滑套时，选位件18能沿如图1b所示的选位槽19而运动。

图2a显示了根据本发明的滑套式压裂组件的打开工具20的第一实施例，其包括主体21和通过第一弹性机构连接在主体21的外壁上的第二齿形件22。该第一弹性机构能径向向外地推动第二齿形件22。在一个实施例中，如图2所示，第一弹性机构包括用于推动第二齿形件22向外运动的弹簧24和用于限制第二齿形件22向外运动的距离的限位螺钉25。限位螺钉25不但用于限制第二齿形件22的向外运动距离，而且还用于使第二齿形件22始终连接于主体21。优选地，在靠近第二齿形件22的两个端部处均布置有弹簧24和限位螺钉25。在另一个可选实施例中，在第二齿形件22与主体21之间还设置有相互啮合的凸起和凹槽结构26。优选地是，当第二齿形件22向外运动之后，第二齿形件22与主体21之间仍存这种在凸起和凹槽连接，从而提高第二齿形件22与主体21的连接强度。

当滑套式压裂组件处于初始状态时，复合滑套10的内筒12与外筒11通过剪切销13连接在一起，并且选位槽19与选位件18接合在选位槽19的D1处。此时内筒12完全覆盖了喷砂孔14，定位槽16处于定位件17的下方而不彼此接合，如图1a所示。当下入如图2a所示的打开工具20时，复合滑套10的内筒12与打开工具20通过第一齿形件15和第二齿形件22彼此接合，如图8所示。当套管内憋压到预定的压力时，剪切销13被剪断，打开工具20带动内筒12向下运动，露出泵开阀14，从而建立起压裂通道，同时选位槽19和选位件18接合在选位槽19的D2处。

图2b显示了根据本发明的滑套式压裂组件的打开工具20’的第二实施例。打开工具20’除了包括图2a中的所有部件，还包括导向机构30。在打开工具与复合滑套的内筒接合后，加压时，这种导向机构30能够使打开工具和复合滑套内筒的运动更稳定。在一个优选的实施方案中，在导向机构30与复合滑套10的内筒12和外筒11的接触面之间还布置有密封件，如图2b和9中所示的31和32以防止加压液体的渗漏，提高工作效率。

图2c显示了根据本发明的滑套式压裂组件的打开工具20”的第三实施例。这种实施例与图2a和2b的区别仅在于多个第二齿形件22”通过弹性构件35，例如弹片连接在主体21”的上部端部。这些弹性构件35的与主体21”相连的端部的直径小于其与第二齿形件22”相连的端部的直径。图3是根据图2c所示的打开工具20”的俯视图，从图中可看出，打开工具20”包括多个围成圆筒状的第二齿形件22”。这种形式的第二齿形件22”使得打开工具20”的制造更加简单。

在一个实施例中，打开工具20具有不同横截面尺寸的贯穿空心结构。如图2a到2c所示，打开工具20的贯穿空心结构例如包括两个部分，即尺寸较大的下部部分33和尺寸较小的上部部分34。下部部分33的开口尺寸朝向下游方向逐渐减小，即整体呈现小端朝向下游的圆锥形。通过这种布置，设置在下部部分33内的憋压机构无法从下部部分33内脱出。

如图2a到2c所示，憋压机构包括球笼27和布置在球笼27内的球体29。球笼27包括封闭的上端和敞开的下端，在球笼27封闭的上端外部设置有打捞柄23，在球笼27的周向壁上设置有流体通道28。在一个实施例中，球笼27的外径尺寸大于贯穿中空结构的上部部分34的尺寸，并且也大于下部部分33的开口尺寸。因此，球笼27不会从下部部分33内脱出。在一个特定的实施例中，球笼27的下端开口部分形成与贯穿中空结构的下部部分33开口的圆锥形结构相匹配的圆锥形结构，以确保球笼27不会从下游部分33内脱出。球体29的直径大于球笼27的下端开口的尺寸，因此球体29不会从球笼27中脱出，并且在套管内加压时，球体29会封住套管而实现憋压。优选地，当球体29位于球笼27的上端和下端处时，球体29不会阻挡球笼27的周向壁上的流体通道28。在一个优选的实施例中，球笼27下端开口的面积小于或等于球笼27的周向壁上的流体通道28的总面积。

图4a显示了根据本发明的滑套式压裂组件的关闭工具40的第一实施例的示意图。关闭工具40包括中心拉杆41、设置在中心拉杆41外壁上的第三齿形件42，以及设置在中心拉杆41和第三齿形件42之间的第二弹性机构。这种第二弹性机构与图2a所示的打开工具20的第一弹性机构完全相同，为了简单起见这里不再赘述。与打开工具20相似地是，在第三齿形件42与中心拉杆41之间也设置有相互啮合的凸起和凹槽结构，其功能与打开工具20的凸起和凹槽结构相同，为了简单起见这里也不再赘述。在弹力作用下，这种第三齿形件42能够在井下与相应的复合滑套10的内筒12自动接合，以便于接下来关闭该压裂通道。

图4b显示了根据本发明的滑套式压裂组件的关闭工具40’的第二实施例的示意图。关闭工具40’包括中心拉杆41’和弹片件形式的第三齿形件42’，其中第三齿形件42’仅在下游端部处与中心拉杆41’的相连，而上游端部与中心拉杆41’分开一定距离。在使用中，由于第三齿形件42’的弹性作用，其能够与复合滑套的内筒12自动接合，以便于接下来关闭该压裂通道。

图7显示了根据本发明的打捞工具70的示意图，其能够插入上文所述的打开工具的贯穿中空结构内。打捞工具70的下端设置有打捞头73，例如卡簧以能够抓住设置在打开工具20的球笼27上的打捞柄23，图10示意性地显示了这种接合形式。打捞工具70的上端72可与油管串（未示出）相连接，以通过拖动油管串带动打捞工具并将打开工具拖出复合滑套。

下面以图4b所示的关闭工具40’为例说明关闭压裂通道的过程。首先下入打捞工具70将打开工具20从复合滑套10处打捞出来。接着将相应的关闭工具40’下入该滑套处，并且使第三齿形件42’与复合滑套的内筒12上的第一齿形件15相接合，如图11所示。之后通过转动关闭工具40’而带动内筒12转动，直到选位槽19与选位件18接合在选位槽19的D3处，上提关闭工具40’的中心拉杆41’，当选位槽19与选位件18接合在选位槽19的D4处时，定位槽16和定位件17接合在一起。此时，内筒12盖住泵开阀14，才能将复合滑套10关闭并关闭该压裂通道，从而防止在取出下文所述的打开工具时，打开状态的复合滑套10被意外关闭。

在一个优选的实施例中，在所有齿形件的端部处均具有斜面式引导结构或坡形引导结构，如图5中的标记51示意性地显示。这种引导结构能促进齿形件“挤入”到与之配合的齿形件中和/或从中“挤出”，以便于操作。

根据本发明的滑套式压裂装置包括多个根据本发明的滑套式压裂组件。其中每个复合滑套设计为其第一齿形件与其它复合滑套的第一齿形件互不相同，使得每个复合滑套仅能与唯一一个、即其所配属的那个滑套组件中的打开工具相匹配，并且每个复合滑套也只能与唯一一个、即其所配属的那个滑套组件中的关闭工具相匹配。

在根据图2a和2b所示的打开工具下入之前，在第一弹性机构的弹簧和限位螺钉的作用下，打开工具的第二齿形件凸出在主体之外。在打开工具下入过程中，在第二齿形件与其所配属的滑套组件的第一齿形件接合之前，由于受到其他复合滑套的内筒挤压作用而不弹出。直到当该打开工具到达其所配属的滑套组件的第一齿形件时，打开工具的第二齿形件才会在弹簧作用下从打开工具的主体上弹出与滑套组件的第一齿形件接合。

在将打开工具20”下入到复合滑套之前，在这些第二齿形件22”之间设置有一定间隙，由此这种打开工具20”整体成喇叭状并且第二齿形件22”所围成的“喇叭口”的直径大于复合滑套的内筒的直径。在打开工具20”下入过程中，打开工具20”未与其所配属的滑套组件的第一齿形件接合之前，第二齿形件22”会受到其他复合滑套的挤压。当打开工具20”到达其所配属的复合滑套时，第二齿形件22”会在弹性构件35的弹力作用下自动张开并与复合滑套的内筒相接合，从而实现打开工具20”与复合滑套的接合。

容易理解地是，关闭工具的第三齿形件与复合滑套的第一齿形件的接合也是如此。由此实现“一把钥匙开一把锁”的操作。

图6a到6c示意性显示了各齿形件与唯一一个其他齿形件接合的原理。各齿形件通过各自独特的轮廓参数实现与唯一一个相应的齿形件接合，这些轮廓参数例如为图6a中的齿形、图6b中的齿距以及图6c中的齿数中的一个或多个。优选地，每个齿形件上引导结构51也可设置为仅能与唯一一个相应结构52相匹配从而实现每个齿形件与唯一一个相应的齿形件接合，如图5示意性地显示。容易理解地是，也可以将齿形件轮廓参数与引导结构结合在一起使用。优选地，在齿形件中至少有一个齿和/或齿槽的侧面与其底面的角度为90°或小于90°，即形成矩形齿或钩形齿，使得齿形件能够稳定接合在一起而不会由于齿形件受力过大而脱开。

根据本发明，齿形件的轮廓参数和/或引导结构应当设置成能使该齿形件辨认出与该齿形件唯一配合的对应的齿形件。当一个齿形件的轮廓参数和/或引导结构与另一个齿形件的轮廓参数和/或引导结构完全配合时，其中一个齿形件会在弹力下接合进入另一齿形件中，使得两个相应的工具接合在一起以打开或关闭复合滑套，从而实现任意定点打开或关闭复合滑套。

下面根据附图来描述使用本发明的滑套式压裂装置进行压裂的过程。首先，在套管或或油管串的最下端安装压差式打开机构，然后依次安装各压裂组件中的复合滑套。在一个实施例中，该压差式打开机构可使用如现有技术中所熟知的压差式滑套或泵开阀。然后，井内加压，打开最下端的压差式打开机构，从而建立套管或油管串与地层之间的连通通道。接着，依次下入各个打开工具以按照从下到上的顺序逐一打开复合滑套，进行分段压裂作业。

分段压裂作业结束后，通过打捞工具70按照从井口到井底的方向将各个打开工具打捞出来，套管内或油管串内又恢复油、气通道。当需要关闭特定的压裂通道时，下入与该滑套匹配的关闭工具并且根据上文描述的关闭工具的操作关闭该滑套，从而关闭该特定的压裂通道。

根据本发明的压裂装置不限于石油水平井的压裂施工，其还适合于类似地需要定点开关滑套的地层压裂领域中。

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。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 (21)

1.一种滑套式压裂组件，包括：

复合滑套，其包括固定的外筒和通过剪切销连接在外筒内壁上的内筒，其中在外筒上设置有喷砂孔，在内筒的内壁设有第一齿形件；

打开工具，其包括主体和与主体相连接的第二齿形件，所述打开工具能插入所述内筒内且封闭井筒，并且第二齿形件能与第一齿形件形成配合，

其中，当所述滑套式压裂组件处于初始状态时，所述内筒挡住了喷砂孔；当下入打开工具时，所述内筒与打开工具通过第一齿形件和第二齿形件彼此接合，在所述套管内憋压到预定的压力时，所述剪切销被剪断，打开工具带动内筒向下运动以使喷砂孔露出，从而建立压裂通道。

2.根据上述权利要求1所述的组件，其特征在于，还包括用于关闭复合滑套的关闭工具，其包括中心拉杆和与中心拉杆相连接的第三齿形件，所述关闭工具能插入所述内筒中，使得所述第三齿形件能与第一齿形件形成配合，由此能通过上提关闭工具来使所述内筒上移，重新盖住喷砂孔以关闭压裂通道。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述打开工具的第二齿形件设置在主体外壁上，并且在主体和第二齿形件之间还设置有第一弹性机构，其中所述第二齿形件能在第一弹性机构的作用下径向向外地运动，从而与第一齿形件形成配合。

4.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述打开工具的第二齿形件通过弹性构件设置在主体上方，所述弹性构件的与主体相连的端部的直径小于其与第二齿形件相连的端部的直径。

5.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述关闭工具的第三齿形件设置在中心拉杆外壁上，并且在中心拉杆和第三齿形件之间还设置有第二弹性机构，其中所述第三齿形件能在第二弹性机构的作用下径向向外地运动，从而与第一齿形件形成配合。

6.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述关闭工具的第三齿形件为弹片件，其下端与中心拉杆相连，上端与中心拉杆分开。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的组件，其特征在于，在所述复合滑套的内筒和外筒的配合面上布置有选位槽和选位件，当滑套式压裂组件处于打开状态和在关闭压裂通道状态时，所述选位槽和选位件处于不同的接合位置。

8.根据上述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，在各齿形件的上端和下端处设置有斜面式引导结构，以引导相对应的齿形件形成配合或脱开。

9.根据权利要求3或5所述的组件，其特征在于，所述弹性机构均包括能施加径向向外的作用力的弹性件，以及限制相应齿形件的径向向外运动距离的限位件。

10.根据权利要求1到4中任一项所述的组件，其特征在于，所述打开工具的主体包括具有不同横截面尺寸的贯穿空心结构，在所述贯穿空心结构的具有更大截面的下部部分内布置有憋压机构，并且所述憋压机构不能从贯穿空心结构的下部部分内脱出。

11.根据权利要求10所述的组件，其特征在于，所述憋压机构包括球笼和设置在所述球笼内的球体，

其中，所述球笼具有封闭的上端和敞开的下端，在封闭的上端外部设置有打捞柄，在球笼的周向壁上设置有流体通道；所述球体仅能在球笼内运动，并且在处于球笼的上端和下端处时不会阻挡球笼周向壁上的流体通道。

12.根据权利要求11所述的组件，其特征在于，所述球笼周向壁上的流体通道总面积不小于球笼下端的开口面积。

13.根据权利要求10到12中任一项所述的组件，其特征在于，在打开工具主体的下部还设置有朝向下方延伸的导向机构，其中所述导向机构具有与主体相连通的中空结构。

14.根据上述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，在所述复合滑套的外筒和内筒的配合面上布置有能彼此接合的定位机构，以保证内筒与外筒接合并盖住泵开阀，从而关闭压裂通道。

15.一种滑套式压裂装置，其包括多个根据权利要求中任一项所述的滑套式压裂组件，

其特征在于，各个打开工具的第二齿形件设置成与其它打开工具的第二齿形件互不相同，使得各个打开工具仅能与其所配属的压裂组件中的内筒相配合；各个关闭工具的第三齿形件设置成与其它关闭工具的第三齿形件互不相同，使得各个关闭工具仅能与其所配属的压裂组件中的内筒的第一齿形件相配合。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，各所述齿形件通过各自独特的轮廓参数和/或设置在每个齿形件上的引导结构而实现与唯一一个相应的齿形件接合。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述轮廓参数选自齿数、齿形和齿距中的一个或多个。

18.根据权利要求15到17中任一项所述的装置，其特征在于，所有复合滑套的内径均相同。

19.一种使用根据权利要求15到18中任一项所述的滑套式压裂装置的方法，包括：

步骤一：在套管或油管串的最下端安装压差式打开机构，然后依次安装各压裂组件中的复合滑套；

步骤二：井筒内加压，打开最下端的压差式打开机构，建立套管或油管串与地层之间的连通通道；

步骤三：依次下入各个打开工具，按照从下到上的顺序依次打开复合滑套，进行分段压裂。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括步骤四：通过打开工具上的打捞结构回收打开工具，套管或油管串内恢复贯通。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，当需要关闭特定的压裂通道时，下入配属于该复合滑套的关闭工具以关闭该压裂通道。

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