CN104234661A - 一种一球多开式滑套开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“一球多开”式滑套开关，包括变径球座及其控制机构，通过设计轨迹管的轨迹槽及销钉在轨迹管中的位置，设置每一级滑套开关可以通过的钢球数，从而实现滑套开关的逐级开启。此滑套开关通过从井口依次投放多个一种规格的球，实现自下而上逐级开启多个井下滑套开关，进而实现自下而上分层逐层压裂施工。

Description

一种一球多开式滑套开关

技术领域

本发明专利涉及油气田储层改造技术领域，具体为一种套管滑套开关，是油、气田压裂、酸化施工作业中重要的井下作业工具之一。 。 

背景技术

小井眼套管滑套完井工艺具有建井成本低、周期短、压裂规模大等诸多优点可能会成为国内超低渗透油田气井油如气井直井、定向井的主要完井方式。 

目前适用于小井眼的套管滑套主要有级数有限的投球式套管阀和投飞镖式的“无限”级套管阀。 

其一、投球式开启的套管阀具有开启成功率高、工具成本低等优点，在长庆气田苏南区块得到了广泛的应用。但是，目前套管滑套完井主要使用3.5英寸套管，受内外径尺寸限制较大，此种套管阀受管柱内通径的限制，在满足固井条件下目前针对3.5寸的套管只能做到2级，实现3层压裂施工，很难适应多层系的开发。但是，长庆气田气层的分布呈多层系分布，此种套管滑套不能满足工程的需要，需要向更多级数突破； 

其二、投飞镖式的“无限”级套管滑套具有级数多的优点，但是这种套管滑套结构复杂，工具成本高。在长庆区域水平井现场应用了4.5英寸套管的套管滑套，但是开启成功率底。斯伦贝谢和安东石油飞镖式无限级套管滑套目前还不具备规模使用条件。

套管阀技术的落后一定程度上阻碍了油气资源更好的开采。因此，针对长庆气田气层多层系分布的特点，有必要设计开发投球式多层系套管滑套和机械式“无限”级套管滑套的开发。 

发明内容

为了解决目前套管滑套完井使用的3.5英寸套管，受内外径尺寸限制较大，对于变径投球的套管滑套，最多只能接两级改造3层，很难适应多层系的开发的技术问题，本发明针对小直径井眼的套管滑套设计、开发了一种投球式多级滑套开关，此滑套开关通过从井口依次投放多个一种规格的球，实现自下而上逐级开启多个井下滑套开关，进而实现自下而上分层逐层压裂施工。 

本发明采用的技术方案是：一种“一球多开”式滑套开关，包括上接头，上接头下端连接有套管，所述套管下端连接有下接头，所述套管上端管壁上开设有出液孔，其特征在于：还包括变径球座及其控制机构，所述变径球座紧邻上接头下端面且套设在滑套内；所述控制机构包括滑套，滑套中心管、剪钉、销钉、轨迹管及弹簧； 

所述滑套紧邻上接头下端且套装在套管内，滑套与套管之间穿设有第一剪钉，所述第一剪钉位于套管的出液孔下端；所述滑套上端径向向内凸设有缩径区，缩径区末端凹设有扩径区，扩径区内径大于钢球直径；滑套下端还套设有滑套座；

所述滑套中心管套设在滑套内，滑套中心管上端置于滑套的缩径区与扩径区内，上端面贴紧变径球座下端面，中部紧邻滑套具有径向向外突起，突起部外侧设有孔，下端末端置于滑套座内；滑套中心管与滑套之间形成空腔，所述空腔内沿轴向放置有弹簧；

所述空腔内还套设有轨迹管，轨迹管的管壁上开设有轨迹槽，销钉穿过轨迹管的轨迹槽，并固定于滑套中心管的孔中；所述轨迹管上的轨迹槽呈“之”字形多段延伸，每一段轨迹槽包括横段和斜段，所述横段与轴线平行，两段轨迹槽的连接处为极限点，除最后一段轨迹槽外每段轨迹槽长度相等，最后一段轨迹槽长度小于其余轨迹槽。

进一步，所述变径球座为“C”环球座。 

进一步，所述变径球座为分瓣卡瓦球座。 

进一步，所述滑套开关可通过的钢球数由轨迹管的轨迹槽的极限点个数确定。 

进一步，所述滑套座末端与滑套中心管末端穿设有第二剪钉。 

本发明的有益效果：本发明的一种“一球多开”式滑套开关，此滑套开关内部设计有“遇球通过”机构，遇球通过的次数可以预设，同一管柱中自下而上的滑套开关的遇球通过次数分别为0、1、2、3…次，当滑套开关遇球通过次数为0时，即可开启滑套开关。本发明可以实现通过从井口依次投放多个一种规格的球，实现自下而上逐级开启多个井下滑套开关，进而实现自下而上分层逐层压裂施工，提高施工效率。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但它们不对本发明构成限定。 

图1 为本发明变径球座为”C”环球座时的剖视图。 

图2 为本发明变径球座为分瓣卡瓦球座时的剖视图。 

图3为钢球通过球坐示意图，其中（a）为钢球通过缩径区的示意图；（b）为钢球通过扩径区的示意图。 

图4为轨迹管轴侧面展开局部图。 

图5为管柱逐级开启示意图。 

图中：1、上接；2、套管；3、C环；4、滑套5、滑套中心管；6、滑套剪钉；7、滑动销钉；8、轨迹管；9、弹簧；10、滑套座；11、中心管剪钉；12、下接头；13、分瓣卡瓦球座；14、钢球；15缩径区；16扩径区。 

具体实施方式

    实施例方式中所述的上、下，向井口方向为上、向井底方向为下，所述末端为下端末，所述内、外，沿套管径向向管壁方向为外，沿套管径向向管壁相反方向为内。 

实施例1

本发明的一种“一球多开”式滑套开关，一种“一球多开”式滑套开关，包括上接头1，上接头1下端连接有套管2，所述套管2下端连接有下接头12，所述套管2上端管壁上开设有出液孔，其特征在于：还包括变径球座及其控制机构，所述变径球座紧邻上接头1下端面且套设在滑套4内；所述控制机构包括滑套4，滑套中心管5、剪钉6、销钉7、轨迹管8及弹簧9；

所述滑套4紧邻上接头1下端且套装在套管2内，滑套4与套管2之间穿设有第一剪钉6，所述第一剪钉6位于套管2的出液孔下端；所述滑套4上端径向向内凸设有缩径区15，缩径区15末端凹设有扩径区16，扩径区16内径大于钢球14直径；滑套4下端还套设有滑套座10；

所述滑套中心管5套设在滑套4内，滑套中心管5上端置于滑套4的缩径区15与扩径区16内，上端面贴紧变径球座3下端面，中部紧邻滑套4具有径向向外突起，突起部外侧设有孔，下端末端置于滑套座10内；滑套中心管5与滑套4之间形成空腔，所述空腔内沿轴向放置有弹簧9；

所述空腔内还套设有轨迹管8，轨迹管8的管壁上开设有轨迹槽，销钉7穿过轨迹管8的轨迹槽，并固定于滑套中心管5的孔中；所述轨迹管8上的轨迹槽呈“之”字形多段延伸，每一段轨迹槽包括横段和斜段，所述横段与轴线平行，两段轨迹槽的连接处为极限点，除最后一段轨迹槽外每段轨迹槽长度相等，最后一段轨迹槽长度小于其余轨迹槽。

本实施例针对小直径井眼的套管滑套，设计了一种“一球多开”式滑套开关，此滑套开关内部设计有“遇球通过”机构，遇球通过的次数可以预设，同一管柱中自下而上的滑套开关的遇球通过次数分别为0、1、2、3…次，当滑套开关遇球通过次数为0时，即可开启滑套开关。此滑套开关通过从井口依次投放多个一种规格的球，实现自下而上逐级开启多个井下滑套开关，进而实现自下而上分层逐层压裂施工。 

作为一种优选方案，一种轨迹管，所述轨迹管8上开设有绕管体周向曲折延伸的轨迹槽，所述轨迹槽包括多个平行于管体轴向的上下交错的轴向轨迹段，相邻的轴向轨迹段通过第一斜向轨迹段连通； 

    相邻的第一斜向轨迹段的内侧边相接从而构成“V”字形轨迹槽段，且各第一斜向轨迹段与管体轴线的夹角相等；

所述多个轴向轨迹段包括起始轴向轨迹段、末尾轴向轨迹段和置于该起始轴向轨迹段、末尾轴向轨迹段之间的多个中间轴向轨迹段；

起始轴向轨迹段沿管体轴向直线延伸，且其两侧边平行，两侧边朝向轨迹管端部一侧通过外圆弧段连接；中间轴向轨迹段及末尾轴向轨段包括与第一斜向轨迹段的侧边平行对接的斜边和与管体轴向平行的直边，且该直边临近末尾轴向轨迹段一侧，直边与斜边连接部通过外圆弧段连接；所述末尾轴向轨段的直边与相邻第一斜向轨迹段的外侧边连接部通过外圆弧段连接；

相邻的第一斜向轨迹段的内侧边的连接部通过内圆弧段连接，所述内圆弧段的中线与各轴向轨迹段的中线不共线且偏向起始轴向轨迹段。

作为另一种实施方式，所述末尾轴向轨迹段的直边与第二斜向轨迹段的外侧边平行相接，第二斜向轨迹段的内侧边侧边与相邻第一斜向轨迹段的外侧边相接，且第二斜向轨迹段长度小于第一斜向轨迹段。 

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，一种“一球多开”式滑套开关，包括紧邻上接头1后端面、套设在滑套4内的变径球座，变径球座为”C”环球座3，其结构如图1所示。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，一种“一球多开”式滑套开关，包括紧邻上接头1后端面、套设在滑套4内的变径球座，变径球座为分瓣卡瓦球座13，其结构如图2所示。

实施例4

实施例1和实施例2所述的一种“一球多开”式滑套开关，其具体工作原理为：如附图3（a）所示，“C”环球座3套设于滑套4的缩径区15内，滑套4对“C”环球座3施加径向约束，使“C”环球座3不能径向扩张，同时“C”环球座3储存有径向扩张的弹性势能。当钢球14坐落在“C”环球座3上，施加一定的压力时，钢球14、“C”环球座3随同滑套中心管5一起下行至滑套4的内径扩径位置，即缩径区15末端的扩径区16，此段行程为钢球14通过行程，标记为L通过，即L通过为球座到滑套4的扩径区16的入口处的距离。如附图3（b）所示，“C”环球座3失去了滑套4的径向约束后，在自身的弹性势能作用下径向扩张，“C”环球座3内径变大使得钢球14通过“C”环球座3，此时钢球14通过滑套开关进入下面的工具串。当钢球14通过“C”环球座3后，在弹簧9的作用下使得“C”环球座3和滑套中心管5上行至初始位置，“C”环球座3重新闭合恢复原来的内径。

实施例5

实施例1和实施例3所述的一种“一球多开”式滑套开关，其具体工作原理为：如附图2所示，分瓣卡瓦13套设于滑套4的缩径区15，滑套4对分瓣卡瓦13施加径向约束，使分瓣卡瓦13不能径向扩张，同时分瓣卡瓦13储存有径向扩张的弹性势能。当钢球14坐落在分瓣卡瓦13上，施加一定的压力时，钢球14、分瓣卡瓦13随同滑套中心管5一起下行至滑套4的内径扩径位置，即缩径区15末端的的扩径区16，此段行程为钢球14通过行程，标记为L_通过，即L_通过为球座到滑套4的扩径区16的入口处的距离。分瓣卡瓦13失去了滑套4的径向约束后，在自身的弹性势能作用下径向扩张，分瓣卡瓦13内径变大使得钢球14通过分瓣卡瓦13，此时钢球14通过滑套开关进入下面的工具串。当钢球14通过分瓣卡瓦13后，在弹簧9的作用下使得分瓣卡瓦13和滑套中心管5上行至初始位置，分瓣卡瓦13重新闭合恢复原来的内径。

实施例6

一种“一球多开”式滑套开关，该滑套开关设计有“遇球通过”控制机构，下面结合附图1、附图3进行阐述。“C”环球座3在滑套4中轴向移动的距离由销钉7在轨迹管8中轴向移动距离而定。如附图1所示，销钉7穿过轨迹管8的轨迹槽，并固定于滑套中心管5的孔中，即销钉7的一端放置于轨迹管8的轨迹槽中，另一端放置于滑套中心管5的小孔中。销钉7随着滑套中心管5的轴向移动而移动，销钉7在轨迹管8的轨迹槽中移动，轨迹管8可以轴向转动。

滑套开关可通过的钢球数由轨迹管8的轨迹槽的极限点个数确定， 

，具体数目根据需要压裂的级数而定，同时轨迹管8极限点的个数受套管2外径的限制。轨迹管8的部分周侧面展开图如附图4所示。

本实施例中，以一球开启三级滑套为例，轨迹槽中分布有A、B、C、D、E、F等多个极限点。假设销钉7的初始位置在轨迹槽的C点，钢球14坐落在“C”环3上，在压力的作用下，“C”环球座3带动滑套中心管5向下移动，滑套中心管5带动销钉7在轨迹槽中移动，由C点移动到D点。此时从上接头1处看，轨迹管8为逆时针转动。由销钉7由C→D点产生轴向行程L1，并且L1=L_通过（L_通过为“C”环球座3到滑套4的扩径区16的入口处的距离），如图3所示。即销钉7从C→D点，“C”环球座3进入滑套4的扩径区16扩径，可以使球通过滑套开关。 

当钢球14通过滑套开关后，在弹簧9的弹性势能作用下，弹簧9推动滑套中心管5、“C”环球座3和销钉7复位，销钉7在复位的时候由D→E点。此时从上接头1处看，轨迹管8为顺时针转动。当销钉7在E点时，由E→F点会产生轴向行程L2。由于L2<L_通过，此时“C”环球座3无法到达滑套4的扩径区16，不能径向扩张，钢球14不能通过滑套开关。 

实施例7

本发明的滑套开关可以实现投多个同一规格的钢球14自下而上逐级开启多个同一规格的滑套开关（同一规格的滑套开关是指球座的几何尺寸一样）。在实施例5和7的基础上，结合套管滑套实例加以阐述，以一个规格的球开启3个同一规格的滑套开关为例进行阐述，管路逐级开启时销钉7在轨迹管8中移动的示意图如图5所示。

在井下管柱中，同一规格的滑套开关自下而上分别标记为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级，如图5所示。将井下Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级滑套开关的销钉7的初始位置设置在E、C、A点。 

当从井口投第一个钢球14时：钢球14首先到达Ⅲ级滑套开关的“C”环3球座上，加压钢球14通过Ⅲ级滑套开关，同时Ⅲ级滑套开关的销钉7由A→B→C点；钢球14然后达到Ⅱ级滑套开关的“C”环球座3，加压钢球14通过Ⅱ级滑套开关，同时Ⅱ级滑套开关的销钉7由C→D→E；钢球14下落至Ⅰ级滑套开关的“C”环球座上，加压时销钉只能由E→F，由于销钉的轴向行程小于钢球14所需的通过行程，钢球14不能通过Ⅰ级滑套开关，继续加压，剪断剪钉6，滑套4、滑套中心管5、销钉7、轨迹管8、弹簧9、滑套座10一起下落封堵Ⅰ级套管下端的出液孔，开启套管2的出液孔，Ⅰ级滑套开关开启。 

当从井口投第二个钢球14时：钢球14首先到达Ⅲ级滑套开关的“C”环球座3上，加压钢球14通过Ⅲ级滑套开关，同时Ⅲ级滑套开关的销钉7由C→D→E点；Ⅱ钢球14然后达到Ⅱ级滑套开关的“C”环球座3，加压，销钉只能由E→F，由于销钉的轴向行程小于钢球14所需的通过行程，钢球14不能通过Ⅱ级滑套开关，继续加压，剪断剪钉6，滑套4、滑套中心管5、销钉7、轨迹管8、弹簧9、滑套座10一起下落封堵Ⅱ级套管下端的出液孔，开启套管2的出液孔，Ⅱ级滑套开关开启。 

当从井口投第3个钢球14时：钢球14首先到达Ⅲ级滑套开关的“C”环球座3上，加压，销钉只能由E→F，由于销钉的轴向行程小于钢球14所需的通过行程，钢球14不能通过Ⅲ级滑套开关，继续加压，剪断剪钉6，滑套4、滑套中心管5、销钉7、轨迹管8、弹簧9、滑套座10一起下落封堵Ⅲ级套管下端的出液孔，开启套管2的出液孔，Ⅲ级滑套开关开启；此时即可对该滑套开关对应的层段进行压裂施工。 

本实施例解决了目前套管滑套完井使用的3.5英寸套管，受内外径尺寸限制较大，对于变径投球的套管滑套，最多只能接两级改造3层，很难适应多层系的开发的技术问题，通过从井口依次投放多个一种规格的球，实现自下而上逐级开启多个井下滑套开关，进而实现自下而上分层逐层压裂施工。 

实施例8

本实施例在实施例1-8的基础上，一种“一球多开”式滑套开关的所述滑套座10末端与滑套中心管5末端穿设有第二剪钉11。此滑套开关内部设计的剪钉11，可以防止在“非投球”动作下让销钉7在轨迹槽8中滑动改变销钉7的初始位置。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属于本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。 

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行另外详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (5)

1.一种“一球多开”式滑套开关，包括上接头（1），上接头（1）下端连接有套管（2），所述套管（2）下端连接有下接头（12），所述套管（2）上端管壁上开设有出液孔，其特征在于：还包括变径球座及其控制机构，所述变径球座紧邻上接头（1）下端面且套设在滑套（4）内；所述控制机构包括滑套（4），滑套中心管（5）、剪钉（6）、销钉（7）、轨迹管（8）及弹簧（9）；

所述滑套（4）紧邻上接头（1）下端且套装在套管（2）内，滑套（4）与套管（2）之间穿设有第一剪钉（6），所述第一剪钉（6）位于套管（2）的出液孔下方；所述滑套（4）上端径向向内凸设有缩径区（15），缩径区（15）末端凹设有扩径区（16），扩径区（16）内径大于钢球（14）直径；滑套（4）下端还套设有滑套座（10）；

所述滑套中心管（5）套设在滑套（4）内，滑套中心管（5）上端置于滑套（4）的缩径区（15）与扩径区（16）内，上端面贴紧变径球座（3）下端面，中部紧邻滑套（4）具有径向向外突起，突起部外侧设有孔，下端末端置于滑套座（10）内；滑套中心管（5）与滑套（4）之间形成空腔，所述空腔内沿轴向放置有弹簧（9）；

所述空腔内还套设有轨迹管（8），轨迹管（8）的管壁上开设有轨迹槽，销钉（7）穿过轨迹管（8）的轨迹槽，并固定于滑套中心管（5）的孔中；所述轨迹管（8）上的轨迹槽呈“之”字形多段延伸，每一段轨迹槽包括横段和斜段，所述横段与轴线平行，两段轨迹槽的连接处为极限点，除最后一段轨迹槽外每段轨迹槽长度相等，最后一段轨迹槽长度小于其余轨迹槽。

2.如权利要求1所述的一种“一球多开”式滑套开关，其特征在于：所述变径球座为“C”环球座（3）。

3.如权利要求1所述的一种“一球多开”式滑套开关，其特征在于：所述变径球座为分瓣卡瓦球座（13）。

4.如权利要求1所述的一种“一球多开”式滑套开关，其特征在于：所述滑套开关可通过的钢球数由轨迹管（8）的轨迹槽的极限点个数确定。

5.如权利要求1所述的一种“一球多开”式滑套开关，其特征在于：所述滑套座（10）末端与滑套中心管（5）末端穿设有第二剪钉（11）。