CN103775047A - 滑套开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑套开关装置，其包括阶梯轴状的筒状本体，安装在所述本体的第一端部上的锁块组件，在所述壳体的下游设置有筒状支撑套，在所述支撑套和本体之间设置有端盖。根据本发明的滑套开关装置，滑套打开级数不受限制、返排方便、工作性能可靠。

Description

滑套开关装置

技术领域

本发明涉及一种压裂装置，更具体地涉及一种滑套开关装置。

背景技术

近年来，页岩气、煤层气等非常规油气资源已成为常规油气资源的有力接替。滑套式分段压裂装置是非常规油气资源开采的一种重要装置，其广泛应用于页岩气、低渗透产层、薄油层的直井、定向井、水平井的压裂增产改造。

滑套开关技术是滑套式分段压裂的关键技术。目前通常使用的滑套包括投球打开式滑套、液压打开式打开滑套和机械开关式滑套。投球打开式滑套通常与裸眼封隔器配合使用，其工作原理是在井口投放憋压球，当憋压球到达滑套位置时与滑套内的球座形成密封，实现憋压。压力达到一定值时剪断剪钉，滑套外筒上的压裂孔槽开启建立压裂通道。投球打开式滑套的压裂级数由接入的滑套装置的个数决定。由于各级滑套和憋压球的结构尺寸必须存在级差，滑套的通径会因此逐级递减，压裂级数受到限制。并且压裂完成后，需下入钻具钻除滑套球座，增加了作业周期和作业成本。此外，投球式打开滑套采用球和球座贴合的密封方式，密封接触面小对装置的耐压性能和加工精度要求高，增加了装置的加工制造难度。

液压打开式打开滑套通常安装在分段压裂管柱的最下一级，其工作原理是坐封完所有裸眼封隔器后继续打压，达到滑套开启压力后滑套打开，管内外循环建立，进行压裂施工。机械开关式滑套的特点是不需要投球，和压裂管柱一起下入井内，通过专用的开关装置进行滑套的打开和关闭。液压式打开滑套只能单独用于一级，需要与投球式滑套配套使用完成多级压裂。

机械式开关滑套的工作原理是通过开关装置的上提下放来实现滑套的开关。机械式开关滑套在使用过程中需要多次起下开关管柱才能打开过个滑套，增大了施工周期和风险。

因此，急需一种滑套打开级数不受限制、返排方便的滑套开关装置。

发明内容

针对上述的问题，本发明提出了一种滑套开关装置，其使得滑套打开级数不受限制、返排方便，并且还能够根据需要打开任意位置的滑套。

根据本发明提供了一种滑套开关装置，包括：

阶梯轴状的筒状本体，其直径朝向第一端部逐级变小，在本体的第一端部的周向侧壁上设置有贯穿侧壁的沿周向的长条形第一导向钉槽，

安装在本体的第一端部上的锁块组件，锁块组件包括与本体滑动式接触的壳体，在壳体侧壁上设置有至少一对径向向外延伸出壳体周向侧壁的锁块槽和从壳体的下游端部朝向上游端部延伸越过成对锁块槽的位置的轴向连杆槽，在成对锁块槽内呈镜像安装有设置了第二导向钉槽的锁块，在锁块槽与锁块之间设置有弹性件，在连杆槽内安装有设置了两个长条形斜向导向槽的连杆，并且连杆设置为斜向导向槽的上游端朝向壳体表面，导向钉穿过连杆上的斜向导向槽并且其两个端部分处于第一导向钉槽和第二导向槽内，

在壳体的下游设置有筒状支撑套，在支撑套的内壁上设有台肩以将支撑套分成内径不同的两部分，其中支撑套内径较大的部分与壳体的在锁块槽下游的部分相连接，

在支撑套和本体之间设置有端盖，端盖的下游端面与支撑套的台肩接触，上游端面连接于本体的下游端并且顶靠连杆的下游端，

其中，在初始状态中，锁块在弹性件的作用下凸出壳体表面，导向钉处于连杆上的斜向导向槽的上游端部；当将滑套开关装置下入滑套内时，成对锁块与滑套内筒的直凸台接合，当滑套内憋压到预定压力时，滑套开关装置带动所述滑套内筒朝向下游运动，使压裂孔贯通，从而建立压裂通道；在压裂施工结束后，在外力作用下端盖朝向上游运动，从而推动连杆朝向上游运动，在连杆上的长条形斜向导向槽的引导下，导向钉运动到斜向导向槽的下游端部并带动成对锁块缩回到壳体内而与滑套内筒分开，以将滑套开关装置取出。

本发明的滑套开关装置不涉及滑套内径的变化，因此能打开的滑套的级数不受限制。此外，在压裂施工结束后，可借助地层压力将滑套开关装置返排出井口，实现管柱内全通径，无需钻除作业，施工方便。

在一个实施例中，各滑套开关装置通过各自独特的成对锁块之间的距离实现与唯一一个相应的滑套接合。由此，通过调节各个滑套开关装置的成对锁块之间的距离，即可实现打开具有相应长度直凸台面的滑套，摆脱了滑套内径的约束，实现了压裂级数无限制。并且，由于各滑套开关装置与滑套为一一对应的关系，因此可实现根据需要下入相应的滑套开关装置而打开任意位置的滑套。

在一个实施例中，在筒状本体的在壳体上游的部分还设置有第一扶正组件。在另一个实施例中，在支撑套的下游部分还设置有第二扶正组件。这种设置的第一扶正组件和第二扶正组件用于滑套开关组装置的扶正，以便于滑套开关组装置的泵送到位和顺利返排。

在一个实施例中，第一扶正组件包括设置有多个径向向外延伸的弹性翅的扶正圈。在另一个实施例中，第二扶正组件包括设置有多个径向向外延伸的弹性翅的扶正圈。扶正圈的弹性翅可以降低滑套开关组装置在滑套内运动时的阻力，也有利于滑套开关组装置的泵送到位和顺利返排。在一个优选的实施例中，弹性翅径向向外延伸的程度大于锁块径向向外凸出的程度。

在一个实施例中，成对锁块的能凸出壳体侧壁的端部设置为朝向彼此的面为直角面，背向彼此的面为引导斜面。成对锁块的直角面有利于成对锁块夹持住滑套内筒的直凸台，以带动滑套内筒运动。引导斜面会减小滑套开关装置在滑套内运动时受到的冲击，有助于滑套开关装置在滑套内的运动。

在一个实施例中，端盖为圆盘状，在装配状态中，端盖的凸出部分朝向下游并伸入支撑套的内径较小的部分中，而端盖的边缘与凸出部分形成的台阶与支撑套的台肩相配合。在滑套开关组装置返排期间，这种形状的端盖能够紧靠支撑套的内壁运动，使得端盖能平稳运动。在一个优选的实施例中，在端盖的上游端面设置有凹陷，在装配状态中，本体的下游端与凹陷相连接。带有凹陷的端盖使得滑套开关组装置的装配更加方便。

在一个实施例中，在本体上还设置有打捞结构。当滑套开关装置不能顺利返排出井口时，可借助于相应打捞工具的进行打捞。

在本申请中，用语“下游”和“上游”规定为朝向井口方向为上游，朝向井底方向为下游。用语“初始状态”是指在滑套开关装置下入滑套之前的状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于，通过调节各个滑套开关装置的成对锁块之间的距离，即可打开具有相应长度直凸台面的滑套，摆脱了滑套内径的约束，实现了压裂级数无限制。同时，由于各滑套开关装置与滑套为一一对应的关系，因此可实现根据需要下入相应的滑套开关装置而打开任意位置的滑套。在压裂施工结束后，可借助地层压力将滑套开关装置返排出井口，实现管柱内全通径，无需钻除作业，施工方便。

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是根据本发明的滑套开关装置的结构示意图；

图2-3是根据本发明的滑套开关装置打开滑套的过程示意图；

图4是返排根据本发明的滑套开关装置的示意图；

图5是打捞根据本发明的滑套开关装置的示意图；

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1示意性地显示了据本发明的滑套开关装置100。滑套开关装置100包括：筒状本体1，筒状本体1呈阶梯轴状并且直径朝向第一端部6逐级变小。在本体1的第一端部6的周向侧壁上设置有贯穿侧壁的沿周向长条形的第一导向钉槽8、8’，其用于与下文中描述的其他结构共同引导导向钉11、11’的运动。

滑套开关装置100还包括安装在本体1的第一端部6上的锁块组件。锁块组件包括滑动式安装在本体1的第一端部6上的壳体7。在一个优选的实施例中，壳体7为环状并以滑动方式套在本体1的第一端部6上。在壳体7的周向侧壁上设置有成对的锁块槽，其径向向外延伸出壳体7的侧壁。图1仅示意性地显示了一对锁块槽10、10’，其中锁块槽10’位于锁块10的下游位置。在壳体7的侧壁内还设置有轴向的连杆槽9，其从壳体7的下游端部朝向上游端部延伸越过成对锁块槽10、10’的位置。

在锁块槽10、10’内分别呈镜像安装有锁块16、16’。下面以锁块槽10为例，来描述锁块16在锁块槽10中的安装关系。锁块16安装在锁块槽10内，并且在锁块槽10和锁块16之间还设置有弹性件17使得锁块16能从锁块槽10内弹出和缩回。在锁块16的侧面还设置有第二导向钉槽（未示出）。在连杆槽9内安装有连杆15，在连杆15上设置有两个长条形的斜向导向槽12、12’，并且如图1所示连杆15设置为斜向导向槽12、12’的上游端朝向壳体7表面。其中，斜向导向槽12与锁块16对齐。导向钉11穿过连杆15上的斜向导向槽12，并且导向钉11的两个端部分处于第一导向钉槽8和第二导向槽内。锁块16’在锁块槽10’内的安装关系与锁块16在锁块槽10内的安装关系相同，这里不再赘述。应注意地是，锁块16与锁块16’可通过连杆15和导向钉11、11’实现同时从锁块槽10、10’中凸出和缩回，以实现滑套的打开和关闭。

如图1所示，锁块16的凸出壳体7的端部的朝向下游的面构造为为直角面37，而朝向上游的面构造为引导斜面36。由于锁块16’设置在锁块16的下游并且呈镜像对称，因此锁块16与16’相对的面均为直角面，而背离的面均为引导斜面。相对的直角面使得锁块16、16’能更有利地夹持住滑套内筒的直凸台29，以带动滑套内筒运动。而两个引导斜面能减小滑套开关装置100在滑套内运动时锁块16、16’受到的冲击，有助于滑套开关装置100在滑套内的运动。

应注意地是，对于不同的滑套开关装置100，呈镜像设置的锁块16和16’之间的距离为不同。由此，不同的滑套开关装置100仅能与唯一一个滑套的直凸台（如图2中的29）相配合，即一个滑套开关装置100仅能打开唯一一个滑套。

滑套开关装置100还包括设置在壳体7下游的筒状支撑套18。支撑套18构造为在其内壁上设有台肩19以将支撑套8分成内径不同的两部分。其中，支撑套18的内径较大的部分与壳体7的在锁块槽10’下游的部分相连接，如图1所示。在一个实施例中，支撑套18与壳体7之间为螺纹连接，以便于滑套开关装置100的装配。

滑套开关装置100还包括设置在支撑套18和本体1之间的端盖21。端盖21的下游端面与支撑套18的台肩19接触，而上游端面连接于本体1的下游端面并且顶靠连杆15的下游端。端盖21用于堵塞滑套内的流体通道，以在滑套内实现憋压并由此打开滑套。在返排滑套开关装置100期间，端盖21还用于承受来自地层的压力，以将滑套开关装置100返排至井口。

在图1所示的实施例中，端盖21实施为圆盘状。在装配状态中，端盖21的凸出部分20朝向下游并伸入支撑套18的内径较小的部分中，而端盖21的边缘14与凸出部分20形成的台阶与支撑套18的台肩19相配合。在一个优选的实施例中，端盖21的上游端面还设置有凹陷22。在装配状态中，本体1的下游端面在凹陷22连接于端盖21，例如通过螺纹连接。

在图1所示的实施例中，滑套开关装置100还包括设置在筒状本体1的在壳体7上游的部分处的第一扶正组件。在一个实施例中，第一扶正组件33的上游端顶靠本体1的台阶34，下游端顶靠锁块组件的壳体7的上游端，从而将第一扶正组件33固定。在一个优选的实施例中，第一扶正组件33包括包括设置有多个径向向外延伸的弹性翅的扶正圈，如图1中所示的斜胶碗2和直胶碗4。应注意地是，斜胶碗2和直胶碗4径向向外延伸的程度大于锁块16、16’径向向外凸出的程度（如图2所示），以减小滑套开关装置100在滑套内上下运动过程中所受到的阻力。在一个优选的实施例中，在支撑套18的下游部分设置有第二扶正组件35。第二扶正组件35的结构和作用与第一扶正组件33相同，为简单起见，这里不再赘述。另外，第一扶正组件33和第二扶正组件35共同用于滑套开关装置100的扶正并且也有助于滑套开关装置100的泵送到位。

在图1所示的实施例中，在本体1上还设置有打捞槽5。当滑套开关装置100不能顺利返排出井口时，可借助于相应打捞工具31的进行打捞。

下面根据图2和3描述根据本发明的滑套开关装置100的使用方法。

将滑套下入井内后，根据需要下入滑套开关装置100。在将滑套开关装置100下入之前，滑套开关装置100的锁块16、16’处于凸出状态，如图1所示。通过泵（未示出）将滑套开关装置100下入到所要求的位置后，锁块16、16’会与滑套的内筒25上的直凸台29接合，如图2所示。使滑套内憋压，当达到预定压力时，将滑套的内筒25和外筒23连接在一起的销钉24被剪断。在压力作用下，滑套开关装置100朝向下游运动并且带动内筒25也朝向下游运动，直到内筒25上的弹性块28凸出嵌入到外筒23上的弹性块槽30内而实现内筒25的锁紧。这时，滑套外筒上的压裂孔27与内筒25上的压裂孔26对齐，压裂通道开启，开始进行压裂施工。

在通常的压裂施工中，会按照从井底到井口的方向依次打开滑套，进行分段压裂。由于一个滑套开关装置100仅能打开唯一一个滑套，因此在需要时可向井内下入一个特定的滑套开关装置100以打开特定位置滑套。由此，扩大了根据本发明的滑套开关装置100的应用范围。

压裂施工结束后，需要将滑套开关装置100返排出来。滑套开关装置100的端盖21的下游端面会受到朝向上游方向的作用力，如图4中的箭头所示。在该力的作用下，端盖21会推动本体1朝向上游运动。由于锁块组件的壳体7与本体1之间为滑动式接触并且壳体7的下游部分连接于支撑套8，因此壳体7不会朝向上游运动。在端盖21的推动下，连杆15也会朝向上游运动。在长条形的斜向导向槽12、12’的引导作用下，导向钉11、11’从导向槽12、12’的上游端运动到下游端，并导致锁块16、16’缩回而与滑套内筒25的直凸台29分开，如图4所示。由此，可将滑套开关装置100顺利排出。

如果因故滑套开关装置100不能顺利排出，则可以下入打捞工具31进行打捞，如图5所示。在一个实施例中，打捞工具31上游端连接牵引装置（未示出），下游端设置有卡簧32。在打捞时，打捞工具31的卡簧32会与滑套开关装置100的本体1的打捞槽5接合。通过上提打捞工具31，可带动本体1、端盖21朝向上游运动。如上文所述，在端盖21的推动下，锁块16、16’会缩回而与滑套内筒25的直凸台29分开。继续上提打捞工具31即可将滑套开关装置100提出井。

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 (11)

1.一种滑套开关装置，包括，

阶梯轴状的筒状本体，其直径朝向第一端部逐级变小，在所述本体的第一端部的周向侧壁上设置有贯穿侧壁的沿周向的长条形第一导向钉槽，

安装在所述本体的第一端部上的锁块组件，所述锁块组件包括与本体滑动式接触的壳体，在壳体侧壁上设置有至少一对径向向外延伸出壳体周向侧壁的锁块槽和从壳体的下游端部朝向上游端部延伸越过所述成对锁块槽的位置的轴向连杆槽，在所述成对锁块槽内呈镜像安装有设置了第二导向钉槽的锁块，在锁块槽与锁块之间设置有弹性件，在所述连杆槽内安装有设置了两个长条形斜向导向槽的连杆，并且所述连杆设置为所述斜向导向槽的上游端朝向壳体表面，导向钉穿过连杆上的斜向导向槽并且其两个端部分处于第一导向钉槽和第二导向槽内，

在所述壳体的下游设置有筒状支撑套，在所述支撑套的内壁上设有台肩以将支撑套分成内径不同的两部分，其中所述支撑套内径较大的部分与所述壳体的在锁块槽下游的部分相连接，

在所述支撑套和本体之间设置有端盖，所述端盖的下游端面与所述支撑套的台肩接触，上游端面连接于所述本体的下游端并且顶靠所述连杆的下游端，

其中，在初始状态中，所述锁块在所述弹性件的作用下凸出壳体表面，导向钉处于连杆上的斜向导向槽的上游端部；当将滑套开关装置下入滑套内时，成对锁块与滑套内筒的直凸台接合，当滑套内憋压到预定压力时，所述滑套开关装置带动所述滑套内筒朝向下游运动，使压裂孔贯通，从而建立压裂通道；在压裂施工结束后，在外力作用下端盖朝向上游运动，从而推动连杆朝向上游运动，在连杆上的斜向导向槽的引导下，导向钉运动到斜向导向槽的下游端部并带动所述成对锁块缩回到壳体内而与滑套内筒分开，以将滑套开关装置取出。

2.根据权利要求1所述的滑套开关装置，其特征在于，在所述筒状本体的在所述壳体上游的部分处还设置有第一扶正组件。

3.根据权利要求1所述的滑套开关装置，其特征在于，在所述支撑套的下游部分还设置有第二扶正组件。

4.根据上述权利要求中任一项所述的滑套开关装置，其特征在于，

所述端盖为圆盘状，在装配状态中，所述端盖的凸出部分朝向下游并伸入所述支撑套的内径较小的部分中，而所述端盖的边缘与凸出部分形成的台阶与所述支撑套的台肩相配合。

5.根据权利要求4所述的滑套开关装置，其特征在于，在所述端盖的上游端面设置有凹陷，在装配状态中，所述本体的下游端与所述凹陷相连接。

6.根据权利要求2所述的滑套开关装置，其特征在于，所述第一扶正组件包括设置有多个径向向外延伸的弹性翅的扶正圈。

7.根据权利要求3所述的滑套开关装置，其特征在于，所述第二扶正组件包括设置有多个径向向外延伸的弹性翅的扶正圈。

8.根据权利要求6或7所述的滑套开关装置，其特征在于，所述弹性翅径向向外延伸的程度大于所述锁块径向向外凸出的程度。

9.根据上述权利要求中任一项所述的滑套开关装置，其特征在于，在所述本体上还设置有打捞结构。

10.根据上述权利要求中任一项所述的滑套开关装置，其特征在于，所述成对锁块的能凸出壳体侧壁的端部设置为朝向彼此的面为直角面，背向彼此的面为引导斜面。

11.根据上述权利要求中任一项所述的滑套开关装置，其特征在于，各所述滑套开关装置通过各自独特的成对锁块之间的距离实现与唯一一个相应的滑套接合。

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