CN105064973A - 一种爆破式压裂控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明是一种爆破式压裂控制阀，适用于低渗透油藏以及页岩油气等非常规资源开发的多级分段压裂完井工程。本控制阀包括滑套，滑套设在中心管与压裂壳体之间、通过剪钉与压裂壳体固定，中心管和压裂壳体的两端分别与上接头和连接套连接，连接套的下部依次连接载弹壳体、导爆壳体和下接头；中心管上设有出砂口和爆破阀，载弹壳体内装有爆破弹，导爆壳体内装有引爆组件并在其内壁设有进液孔，引爆组件与爆破弹连接。能够缩短完井施工周期，有效减少施工作业费用和作业风险，可满足低渗透油藏及页岩油气藏高效、经济的动用以及规模化开发应用的生产目标。

Description

一种爆破式压裂控制阀

技术领域

本发明涉及石油工业水平井井下压裂施工工具，特别是一种爆破式压裂控制阀，是水平井多级分段压裂完井管柱中的配套工具，适用于低渗透油藏以及页岩油气等非常规资源开发的多级分段压裂完井工程。

背景技术

目前我国低渗透油藏储量及页岩油气资源丰富，但由于产能低、开采效益差难以动用。如何高效、经济的动用低渗透油藏以及页岩油气等非常规资源是长期探索的难题。水平井分段压裂技术是解决该难题的关键技术，针对该类油藏存在层多、泥砂交互、分布零散、丰度低等特点，近年来开展了水平井裸眼封隔器多级分段压裂完井技术、套管固井投球滑套分段压裂完井技术及泵送桥塞射孔分段压裂联作等水平井多级分段压裂完井技术系列研究，其目的是为了实现体积压裂改造，最大限度的提高产能，实现效益开发。

在水平井多级分段压裂完井技术系列里都会用到关键工具——压差滑套式压裂阀，是实现第一级压裂施工的关键工具，该工具的工作性能决定了压裂施工能否顺利按设计进行。

随着水平井多级分段压裂完井技术系列的研发和应用规模的不断扩大，压差滑套式压裂阀在现场施工中暴露出了一些问题，主要表现在两个方面：一是现有的压差滑套式压裂阀是依靠内套上下的压差面积不同，当套管内液体压力达到一定数值后，会产生压力差，推动内套剪断启动剪钉，打开压差滑套式压裂阀沟通地层。但施工时，基于安全考虑在压开地层前，施工排量较小，压差滑套式压裂阀开启时剪断启动剪钉，压力迅速降低，此时压差滑套式压裂阀存在不能完全开启的现象，导致压裂时压差滑套式压裂阀处于半开状态，压裂通道存在较大节流压差，不但会导致压差滑套式压裂阀喷砂口刺坏，还因节流压差而导致施工压力过高；二是由于压差滑套式压裂阀若设计、选用不合理或装配、施工操作不当时，会存在压差滑套式压裂阀不能正常开启的风险，造成不能正常压裂，需要后期下入射孔枪等工具进行补救措施，导致施工周期长，费用高等问题的出现。因此，急需解决上述问题，提高该工艺的技术水平和应用规模。

发明内容

本发明的目的是提供一种爆破式压裂控制阀，为水平井多级分段压裂完井技术提供工作可靠的配套工具，将本工具配接在裸眼或固井压裂完井管柱的第一段，依靠地面泵送液压打开，保证压裂通道的可靠打开和地层的有效沟通，降低压裂通道不能正常开启的施工风险，节约施工成本。

本发明的技术解决方案是：一种爆破式压裂控制阀包括滑套，滑套设在中心管与压裂壳体之间、通过剪钉与压裂壳体固定，中心管和压裂壳体的两端分别与上接头和连接套连接，连接套的下部依次连接载弹壳体、导爆壳体和下接头；中心管上设有出砂口和爆破阀，载弹壳体内装有爆破弹，导爆壳体内装有引爆组件并在其内壁设有进液孔，引爆组件与爆破弹连接。

本发明的显著效果在于：本工具设计了两种打开模式来保证压裂通道的及时、有效打开。第一种工作模式为仅需地面泵送液压使爆破阀里的爆破芯片破裂，高压液体即可通过爆破阀进入本工具内，推动滑套挤压低压空气腔，使滑套快速下行，即可将压裂通道全部开启；第二种工作模式是在第一种工作模式失效的情况下，继续增加地面泵送液压的压差，启动撞针撞击雷管，引爆载弹壳体中的爆破弹，开启新的压裂通道。第二种模式的开启压力值大于第一种工作模式的压力值，且小于套管安全压力值，即能保证第一种工作模式的顺利进行，又能保证套管的工作安全。该压力值是根据撞针的压差面以及剪钉的剪切面积和剪钉数量确定的。

本工具设有两种工作模式，使用本工具只靠控制压差就能简单可靠的完成水平井多级分段压裂技术系列里第一段的压裂施工，避免了原压差滑套式压裂阀存在不能正常开启的问题，不需投球，也不需下射孔枪射孔等任何工具，能够缩短完井施工周期，有效减少施工作业费用和作业风险，可满足低渗透油藏及页岩油气藏高效、经济的动用以及规模化开发应用的生产目标。

综上所述，本发明的主要优点如下：

1、设计了两种开启本控制阀的工作模式，其中第二种工作模式为第一种工作模式的备用模式，使本工具的工作更加安全可靠。

2、在第一种工作模式中设计了爆破阀和低压空气腔，可使滑套快速下行，达到完全开启压裂通道的目的。

3、在第二种工作模式中设计了引爆组件和爆破弹，通过引爆组件使爆破弹爆破，在载弹壳体上产生新的压裂通道。

附图说明

图1为本发明的工具结构示意图；

图2为本发明第一种工作模式开启时的原理结构示意图；

图3为本发明第二种工作模式开启时的原理结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明，参见图1到图3，一种爆破式压裂控制阀包括滑套4，滑套4设在中心管2与压裂壳体3之间、通过剪钉5与压裂壳体3固定，中心管2和压裂壳体3的两端分别与上接头1和连接套11连接，连接套11的下部依次连接载弹壳体12、导爆壳体13和下接头14；中心管2上设有出砂口201和爆破阀6，载弹壳体12内装有爆破弹15，导爆壳体13内装有引爆组件并在其内壁设有进液孔19，引爆组件与爆破弹15连接。出砂口201和爆破阀6均设在中心管2的中部外圆台阶上，爆破阀6设在出砂口201的下方；中心管2的外圆设有防倒扣螺纹，该防倒扣螺纹设在与连接套11连接处的上方外圆上，可防止滑套4返回上行。滑套4的内圆设有台阶与中心管2的中部外圆台阶相配合，滑套4的下部内圆与锁环8连接，该锁环8的内圆设有防倒扣螺纹与中心管2下部外圆的防倒扣螺纹配合；滑套4的总长度短于中心管2非连接段的长度，使滑套4与中心管2和压裂壳体3装配后，在滑套4的下方留有低压空气腔9。当爆破阀6的爆破芯片破裂后，高压液体经爆破阀6冲击滑套4，使滑套4快速下行进入低压空气腔9，为出砂口201和压裂口301的快速打开提供保障。爆破阀6包括丝堵和爆破芯片，爆破芯片固定在丝堵的中心孔中，丝堵与中心管2螺纹连接。连接套11的两端外圆分别与压裂壳体3和载弹壳体12螺纹连接并分别在其螺纹连接处设置防松钉10，保证足够的连接强度。导爆壳体13的一端外径小并与连接套11下部的小外径端螺纹连接，使其与载弹壳体12之间留出空腔装载爆破弹15；导爆壳体13下部的管壁设有夹壁腔，在该夹壁腔中安装引爆组件。引爆组件包括导爆索16、雷管17和撞针18，导爆索16上端穿过壳壁与爆破弹15连接、下端与雷管17连接，撞针18通过剪钉5固定在导爆壳体13下部的夹壁腔中。撞针18的下部本体与导爆壳体13的夹壁腔之间设有装配间隙并与导爆壳体13内壁的进液孔19对应。爆破芯片的厚度与滑套4所需的启动压力成正比；撞针18的启动压力大于爆破芯片的爆裂压力，保证本工具运行第一工作模式时，第二工作模式不被启动。本发明在各部件的连接密封处设置密封圈7。

使用方法如下述：

1、在确定该工具滑套4的开启压力等级后，将相应压力等级的爆破芯片装入爆破阀6内，并将相应的高于爆破芯片爆裂压力的撞针18和剪钉5安装到本工具的导爆壳体13内。

2、将上述准备好的本工具配接到水平井多级分段压裂完井管柱的第一段，下入井内，安装压裂井口装置，压裂时不需要通过任何工具，只需通过液压便可开启出砂口201和压裂口301，形成压裂通道。

3、通过地面泵送液压，液压开启本工具的第一种工作模式：当套管内压力达到设计压力值后，爆破阀6内的爆破芯片破裂，打开了由中心管2中的出砂口201下端的密封圈7、爆破芯片与滑套4组成的密闭腔体，高压液体从爆破阀6进入后推动滑套4。滑套4在压差的作用下，剪断剪钉5，下行挤压低压空气腔9，因低压空气腔9内外压差较大，且空气的可压缩性较强，致使滑套4快速下行。由于锁环8与中心管2下端设有防倒扣螺纹，进行了定位锁紧，保证滑套4开启到位，防止其回弹关闭，从而完全开启由压裂口301和出砂口201构成的压裂通道，使套管内腔与地层相沟通，进行第一段压裂。

4、如果第一种工作模式失效，未能有效开启时，启用第二种工作模式。该模式的启动压力在第一种工作模式设定的压差值基础上再增加一定压差，高压液体由进液孔19进入，推动撞针18剪断剪钉5，撞针18上行撞击雷管17，雷管17点燃导爆索16，引爆载弹壳体12里的多个爆破弹15，使载弹壳体12上产生压裂孔道20，使套管内腔与地层相沟通，进行第一段压裂。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的方式和结构的前提下，在实施的形式上及细节上所作的任何修改和变化，以及在本发明的模式和框架之内所做的任何修改，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种爆破式压裂控制阀，包括滑套（4），其特征是，滑套（4）设在中心管（2）与压裂壳体（3）之间、通过剪钉（5）与压裂壳体（3）固定，中心管（2）和压裂壳体（3）的两端分别与上接头（1）和连接套（11）连接，连接套（11）的下部依次连接载弹壳体（12）、导爆壳体（13）和下接头（14）；中心管（2）上设有出砂口（201）和爆破阀（6），载弹壳体（12）内装有爆破弹（15），导爆壳体（13）内装有引爆组件并在其内壁设有进液孔（19），引爆组件与爆破弹（15）连接。

2.如权利要求1所述的一种爆破式压裂控制阀，其特征是，所述出砂口（201）和爆破阀（6）均设在中心管（2）的中部外圆台阶上，爆破阀（6）设在出砂口（201）的下方；中心管（2）的外圆设有防倒扣螺纹，该防倒扣螺纹设在与连接套（11）连接处的上方外圆上。

3.如权利要求2所述的一种爆破式压裂控制阀，其特征是，所述滑套（4）的内圆设有台阶与中心管（2）的中部外圆台阶相配合，滑套（4）的下部内圆与锁环（8）连接，该锁环（8）的内圆设有防倒扣螺纹与中心管（2）下部外圆的防倒扣螺纹配合；滑套（4）的总长度短于中心管（2）非连接段的长度，使滑套（4）与中心管（2）和压裂壳体（3）装配后，在滑套（4）的下方留有低压空气腔（9）。

4.如权利要求1或2所述的一种爆破式压裂控制阀，其特征是，所述爆破阀（6）包括丝堵和爆破芯片，爆破芯片固定在丝堵的中心孔中，丝堵与中心管（2）螺纹连接。

5.如权利要求1或2所述的一种爆破式压裂控制阀，其特征是，所述连接套（11）的两端外圆分别与压裂壳体（3）和载弹壳体（12）螺纹连接并分别在其螺纹连接处设置防松钉（10）。

6.如权利要求4所述的一种爆破式压裂控制阀，其特征是，所述导爆壳体（13）的一端外径小并与连接套（11）下部的小外径端螺纹连接，使其与载弹壳体（12）之间留出空腔装载爆破弹（15）；导爆壳体（13）下部的管壁设有夹壁腔，在该夹壁腔中安装引爆组件。

7.如权利要求6所述的一种爆破式压裂控制阀，其特征是，所述引爆组件包括导爆索（16）、雷管（17）和撞针（18），导爆索（16）上端穿过壳壁与爆破弹（15）连接、下端与雷管（17）连接，撞针（18）通过剪钉（5）固定在导爆壳体（13）下部的夹壁腔中。

8.如权利要求7所述的一种爆破式压裂控制阀，其特征是，所述撞针（18）的下部本体与导爆壳体（13）的夹壁腔之间设有装配间隙并与导爆壳体（13）内壁的进液孔（19）对应。

9.如权利要求7所述的一种爆破式压裂控制阀，其特征是，所述爆破芯片的厚度与滑套（4）所需的启动压力成正比；撞针（18）的启动压力大于爆破芯片的爆裂压力。