CN105888638A - 定时滑套压裂管柱 - Google Patents
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Abstract
本发明是解决分段压裂首段压裂通道建立和压裂后的钻塞问题，定时滑套压裂管柱，由定时管柱和高强度水解桥塞封堵管柱两部分构成。定时管柱由套管和定时滑套组成，高强度水解桥塞封堵管柱，包括电缆、电缆头、射孔枪、电缆送塞工具、高强度水解桥塞，油气井分段压裂施工全部完毕后，油气井投入生产状态，井筒内部坐封的全部高强度水解桥塞将经过一定的时间，自动降解分散溶解于井筒内水中，免除钻塞施工。
Description
技术领域
本发明涉及油田勘探开发工程技术领域，具体涉及井下工具高强度可水解桥塞、定时滑套，以及设置该装置的分段压裂管柱。
背景技术
1、桥塞技术现状与存在的问题
在油田的勘探开发过程中，由于油、气、水井的产层因分层试油、分层段压裂或分层段试采等技术需要，必须采取一种临时性封堵工艺，把当前的生产层封堵掉，切断生产层在井筒内的流动通道，以便于对其它产层实施工艺措施，待工艺完成后，再解除临时封堵，建立生产层与井筒的流动通道，实现对油气井的采油气生产。由于桥塞封堵是目前最经济有效的井筒封堵工艺，也是在井筒作业、措施改造和试油试采技术中应用范围较广的工艺方法，困此，成为油田在勘探与开发生产过程中应用最广的工艺之一。但是，在桥塞封堵技术现场应用中，都存在着不同的缺陷，一是中途坐封问题影响正常使用，不论是国外的产品和国内的产品，由于桥塞送入工具与桥塞丢手设置的自由运动态势，在桥塞送入过程中容易出现中途坐封问题，一旦出现中途坐封问题，就需要进行回收或钻除处理，影响工期和成本；二是回收或钻塞成本高、难度大，钻塞过程中受井筒内条件的限制(如沉砂、落物、井壁结垢等)，使得钻塞难度加大，需要进行其它工艺提前处理井筒，造成了施工成本增加，严重的还会导致井筒复杂情况出现，影响油气井的正常生产；同时，在钻塞过程中，不论是可钻桥塞还是复合材料易钻桥塞，一方面桥塞本身钻除需要地面动力系统，施工成本高，同时桥塞自身的卡瓦采用高强度材质制造，钻磨性能极差，成为钻塞的最大难点，卡瓦块还容易形成钻塞管柱遇卡问题，使整个钻塞工艺的成本大幅度上升；三是井筒内采用多级桥塞封堵时，下落的桥塞和碎块沉积于下级桥塞上，钻除的难度进一步增大，人们希望用降解材料制作桥塞，但是应用于工业生产和日常生活之中的降解纸、降解塑料和仿金属降解材料等，由于这些材料自身存在应用范围和条件限制，强度大都很低，只能达到普通碳钢金属材料30-40％的强度，该种材料制造的桥塞在矿场应用中，无法满足于高抗压强度的应用环境。
2、定时管柱现状与问题
油气井套管分段压裂是目前国内外应用最广的增产措施，压裂施工时需要井筒与地层建立连通的通道，对于套管完成的井眼，这些通道的形成主要是通过打开压裂喷砂滑套的侧喷砂孔或对套管进行射孔来实现，而井筒最未端的通道，一般采取压差式滑套或套管射孔方式实现。这种建立通道的套管压裂管柱都存在着一定的缺陷。以射孔为完井方式的分段压裂管柱，射孔作业工艺复杂，作业成本高，特别是水平井进行射孔作业的难度更大；同时，套管在射孔成孔过程中，由于受到高温高压聚能核的冲击，孔眼周边的不规则变形损坏，使套管的强度降低，经过长时间的生产后，容易导致射孔段套管损坏。采用压差滑套或控制滑套的管柱，地层与井筒的通道只有喷砂孔一个位置，井筒内的泄油气面积小，生产过程中近井带不完善导致的压降较大，直接影响到油气井的产能。
发明内容
本发明是解决分段压裂首段压裂通道建立和压裂后的钻塞问题，定时滑套压裂管柱(附图4)，由定时管柱和高强度水解桥塞封堵管柱两部分构成。定时管柱由套管42、定时滑套47组成。高强度水解桥塞封堵管柱，包括电缆41、电缆头43、射孔枪44、电缆送塞工具45、高强度水解桥塞46。
油气井完钻后下入套管完井时，根据分段压裂段数和各段施工总时间，设置定时滑套48开启时间。固井时，由于定时滑套没有开启，固井水泥按传统方式顶替至设计位置，定时滑套将按设置的时间开启，将井筒内与地层间建立通道，地面根据各开启时间，进行分段压裂施工作业。
所述高强度水解桥塞封堵管柱，当分段的第一段压裂施工完成后，将高强度水解桥塞封堵管柱下入井筒内设计封堵位置，点火燃爆火药柱使其送塞工具活塞产生推动力，高强度水解桥塞46坐封封堵井筒中，达到临时封堵井筒目的；
拖动射孔枪44到射孔位置射孔、实施压裂施工，压裂完成后依据上述方法再次进行封堵、射孔、压裂至全部层段压裂完成。
所述定时滑套压裂管柱，在油气井分段压裂施工全部结束后，油气井投入生产状态，井筒内部坐封的全部高强度水解桥塞将经过一定的降解时间，自动降解分散溶解于井筒内水中。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
由于本发明可以实现对油气井定时开启流体通道、临时封堵操作、分段压裂施工及施工后高强度水解桥塞自然降解，克服了钻塞及压差滑套等存在的缺陷，且实施的通道封堵效果完全满足于高压施工的抗压需要和油气生产需要，采用本发明提供的高强度水解桥塞对油气井进行临时封堵后的解除方式，与现有技术提供的桥塞封堵方法相比，无需应用修井机或连续油管车等大型设备，把桥塞从井筒内打捞出来或钻除掉建立生产通道，其它工艺施工完毕后桥塞能够自动的降解分散溶于水井，故而克服了现有技术提供的桥塞封堵方法所存在的诸多缺陷，操作难度大为降低，耗费的成本也更少，解决了现有技术存在钻塞操作难度大、成本高的技术问题。
定时滑套压裂管柱所述高强度水解桥塞(附图1)，包括丢手接头1、单流阀2、挤压环3、上复合卡瓦块4、卡环5、上卡瓦体6、上复式变径支撑环7、密封胶筒8、下复式变径支撑环9、下复合卡瓦10、下卡瓦体11、锁定接头12，导流通道13其中：丢手接头1内部设置有单流阀2，所述单流阀2为锥体结构组件，设置于丢手接头1顶部内流道处，依靠阀外锥面和丢手接头1顶部内锥面控制流道的向上流向开启与向下流向关闭。
所述丢手接头1顶部由丢手锁销21将其与连接短节22连接，所述丢手接头1呈筒状且所述连接短节22的筒壁上设置有所述锁销孔和安装的锁销；所述丢手短节丢手方式依赖于连接短节承拉力后剪断锁销使两者脱离连接状态。
所述挤压环3呈筒状套装于丢手接头1上台阶与上复合卡瓦块4之间，筒体上有定位剪销孔和安装定位剪销进行固定；所述挤压环3受到外部挤压力时，剪断筒体上的定位剪销向下运动，继而推动下部的上复式卡瓦块向下运动。
所述上复合卡瓦块4呈弧线块状结构，采用高强度降解材料基座和高强度陶瓷锚牙复合构建，底面呈斜面，上复合卡瓦块4由外侧的卡环5固定。所述上复合卡瓦块4受到向下推力时，上复合卡瓦块4底斜面与上卡瓦体6斜面形成滑动扩展力向外扩展，使上复合卡瓦块4的锚牙扩展锚定。
所述上卡瓦体6设置在上复合卡瓦下部，呈斜面向上的锥体结构；所述上卡瓦体下端外园处设置有25度倒角斜面，与上复式变径支撑环7紧密配合，形成对复式变径支撑环7的支撑力。
所述上复式变径支撑环套7设置于上卡瓦体6下方，呈多层片状交错结构，外园呈向下30度斜面，紧贴于密封胶筒8上部。所述上复式变径支撑环7受到推力时挤压变径扩展，变径后外园侧的上部支撑于上卡瓦体倒角斜面上，复式结构使变径扩展后形成无缝隙金属托盘支撑胶筒。
所述密封胶筒8呈筒状结构设置于上下复式变径支撑环之间。所述密封胶筒8与上下复式变径支撑环共同构成高抗压密封系统，受到挤压式压缩扩展切断流体通道。由可水解橡胶构建的胶筒，能够降解溶于水中。
所述下复式变径支撑环9设置于密封胶筒8下方，呈多层片状交错结构，外园呈向上30度斜面，紧贴于密封胶筒8下部。所述下复式变径支撑环9受到推力时挤压变径扩展，变径后外园侧的下部支撑于下卡瓦体10倒角斜面上，复式结构使变径扩展后形成无缝隙金属托盘支撑胶筒。
所述下卡瓦体10设置在下复式变径支撑环9下端，呈斜面向下的锥体结构；所述下卡瓦体10上端外园处设置有25度倒角斜面，与下复式变径支撑环9紧密配合，形成对复式变径支撑环9的支撑力。
所述下复合卡瓦块11呈弧线块状结构，采用高强度降解材料基座和高强度陶瓷锚牙复合构建，底面呈斜面，下复合卡瓦块11由外侧的卡环5固定。所述下复合卡瓦块11受到向下推力时，下复合卡瓦块11底斜面与下卡瓦体斜面形成滑动扩展力向外扩展，使下复合卡瓦块11锚牙扩展锚定。
所述锁紧接头12设置于下端，与丢手接头1螺纹连接在一起。所述锁紧接头12固定与承受锚定件的载荷。
所述锁紧接头12设置于下端，与丢手接头1螺纹连接在一起后在下端面上开有弧形或方形导流通道13，该通道可以是一条或多条。
所述高强度水解桥塞安装到位后钻销钉孔，将各零件与丢手接头1用一个或多个直径3mm销钉可靠固定；
所述高强度水解桥塞各零部件均采用高强度配方生成的高强度可水解材料制造，设计满足降解后最小残留物要求。
所述高强度水解材料，是一种水解性的合成材料，外观呈合金钢金属色，无味无毒，降解时不产生有毒有害物质和气体，制成的桥塞能够满足120MPa以下压力的压裂施工要求，
所述高强度水解桥塞的工作机理(附图2)：送塞时，送塞工具的心轴24与连接短节连接，外筒下部顶死至挤压环位置，当送至设计位置时，通过地面打液压或点燃电缆送塞工具药柱时，液力或高能气体推动送塞工具外筒23下行，给高强度水解桥塞的挤压环施加一个向下的推力，挤压环推动上复合卡瓦块下行，并通过上卡瓦体、上复式变径支撑环、胶筒、下复式变径支撑环的动力传递，同步推动下卡瓦体下行，迫使上复合卡瓦块和下复合卡瓦块向外扩展锚定于套管，挤压胶筒扩展后密封套管的流道；送塞工具外筒23继续下行时，桥塞的上下复合卡瓦块已经锚定后，运动受到限制，当推力达到连接短节22上的剪销剪切力时，剪销21被剪断，连接短节22与高强度水解桥塞分离丢手，完成对井筒流道的封堵和送塞工具与高强度水解桥塞间的丢手，导流通道13设置在桥塞底部端面，该设计在流程过程中是至关重要的。
定时滑套压裂管柱所述的定时滑套，解决压裂需要射孔的问题。固井时定时滑套随套管固定在压裂的位置上，进行压裂时之前，堵在定时滑套开孔内的定时材料会降解消失，自动给压裂留出压裂孔道。为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
所述的定时滑套(附图3)是一种定时开孔设计的滑套特例，不限于实例所述的结构，该特例所述定时滑套是其定时开孔方法应用的特例，以说明定时滑套的结构原理。基特征在于：
本发明所述定时滑套包括上螺纹接头32、外筒31、下螺纹接头33定时器34组成。
所述上螺纹接头32、下螺纹接头33设有API标准套管螺纹和锥管螺纹，目的是提供与套管连接接口。
所述外筒31设置有多个开孔，所述定时器34设置于外筒开孔位置，螺纹连接于外筒孔内，开孔在外筒布局方式按压裂要求分布，所述定时器34采用高强度水解材料制作，所述定时器采用不同降解时间配比的材料控制水解开孔时间，内盲孔也是定时核心，不同的盲孔结构与深度降解开孔的时间不同。
所述定时滑套的工作机理：下入套管完井时，根据计划施工总时间，设置为定时滑套的开启时间，固井时，由于定时滑套没有开启，固井水泥按传统方式顶替至设计位置，固井及其它准备工作完成后，定时滑套将按设置的开启时间开启，将井筒内与地层间建立通道。
附图说明
附图1高强度水解桥塞
图中1-丢手接头、2-单流阀、3-挤压环、4-上复合卡瓦块、5-卡环、6-上卡瓦体、7-上复式变径支撑环、8-密封胶筒、9-下复式变径支撑环、10-下复合卡瓦、11-下卡瓦体、12-锁定接头，13-导流通道
附图2高强度水解桥塞的工作机理
图中21-剪销、22连接短节、23工具外筒、24-心轴
附图3定时滑套
图中31-外筒、32-上螺纹接头、33-下螺纹接头、34-定时器
附图4定时滑套压裂管柱
图中41-电缆、42-套管、43-电缆头、44-射孔枪、45-电缆送塞工具、46-高强度水解桥塞、47-定时滑套
具体实施方式
本发明所述高强度水解桥塞及油气井定时管柱与定时滑套，主要包括有定时管柱和高强度水解桥塞封堵管柱两部分构成。定时管柱作用是为压裂提供流体泵入通道和定时建立分段压裂流体向地层注入的通道；高强度可水解桥塞的作用是压裂施工时临时封堵管内流体向已经压裂完成段的流入，并在压裂完成后为油气生产提供生产流道。
所述定时管柱，由套管与定时滑套组成。油气井完钻后下入套管完井时，根据分段压裂段数和各段施工总时间，确定各段与地层连通需要的开启时间，设置定时滑套开启时间完全不同的定时滑套组，并按照开启时间前后顺序将定时滑套组装于完井套管各生产段建立定时管柱。固井时，由于定时滑套没有开启，固井水泥按传统方式顶替至设计位置，固井及其它准备工作完成后，定时滑套将按设置的开启时间分段开启，将井筒内与地层间建立通道，地面根据各段的开启时间，进行分段压裂施工作业。
所述高强度水解桥塞封堵管柱，包括电缆、电缆送塞工具、高强度可水解桥塞组成。当分段的一段压裂施工完成后，将所述高强度可水解桥塞管柱下入井筒内设计封堵位置，点火燃爆火药柱使其送塞工具活塞产生推动力，作用于所述高强度可水解桥塞坐封封堵井筒流道，达到临时封堵目的。
所述高强度水解桥塞坐封完成后，所述定时管柱的定时滑套开启，对上部层段实施压裂施工，压裂完成后依据上述方法再次进行封堵，至全部层段压裂完成。
所述高强度水解桥塞及定时管柱与定时滑套，在油气井分段压裂施工全部完毕后，油气井投入生产状态，井筒内部坐封的全部高强度水解桥塞将经过一定的降解时间，自动降解分散溶解于井筒内水中。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
由于本发明可以实现对油气井定时开启流体通道、临时封堵操作、分段压裂施工及施工后高强度可水解桥塞自然降解，克服了射孔、钻塞及压差滑套等存在的缺陷，且实施的通道、封堵效果完全满足于高压施工的抗压需要和油气生产需要，局部结构与部件改变后与现有其它技术具有较好的继承性。同时，采用本发明提供的高强度水解桥塞对油气井进行临时封堵后的解除方式，与现有技术提供的桥塞封堵方法相比，无需应用修井机或连续油管车等大型设备，把桥塞从井筒内打捞出来或钻除掉建立生产通道，其它工艺施工完毕后桥塞能够自动的降解分散溶于水井，故而克服了现有技术提供的桥塞封堵方法所存在的诸多缺陷，操作难度大为降低，耗费的成本也更少，解决了现有技术存在钻塞操作难度大、成本高的技术问题。而定时滑套提供的井筒与地层间的通道开启方式，使射孔或其它高压开孔方式造成的套管损害全面消除，成本大幅度下降。
Claims (3)
1.定时滑套压裂管柱由定时管柱和高强度水解桥塞封堵管柱两部分构成：所述定时管柱由套管和定时滑套组成，定时滑套为分段的第一段压裂施工定时建立分段压裂流体，向地层注入通道；
所述高强度水解桥塞封堵管柱，包括电缆、射孔枪、电缆送塞工具、高强度水解桥塞；所述高强度水解桥塞在电缆送塞工具作用下封堵于井筒内设计位置，压裂施工完成后为油气生产提供生产流道，经过一定的时间，自动降解分散溶解于井筒内水中。
2.所述高强度水解桥塞，包括单流阀1、丢手接头2、挤压环3、上复合卡瓦块4、卡环5、上卡瓦体6、上复式变径支撑环7、密封胶筒8、下复式变径支撑环9、下复合卡瓦10、下卡瓦体11、锁定接头12、导流通道13，其中：丢手接头1内部设置有单流阀2，所述单流阀2为锥体结构组件，设置于丢手接头1顶部内流道处，依靠阀外锥面和丢手接头1顶部内锥面控制流道的向上流向开启与向下流向关闭；
所述上复合卡瓦块4呈弧线块状结构，采用高强度降解材料基座和高强度陶瓷锚牙复合构建，底面呈斜面，上复合卡瓦块4由外侧的卡环5固定。所述上复合卡瓦块4受到向下推力时，上复合卡瓦块4底斜面与上卡瓦体6斜面形成滑动扩展力向外扩展，使上复合卡瓦块4的锚牙扩展锚定；
所述上卡瓦体6设置在上复合卡瓦下部，呈斜面向上的锥体结构；所述上卡瓦体下端外园处设置有25度倒角斜面，与上复式变径支撑环7紧密配合，形成对复式变径支撑环7的支撑力；
所述上复式变径支撑环套7设置于上卡瓦体6下方，呈多层片状交错结构，外园呈向下30度斜面，紧贴于密封胶筒8上部。所述上复式变径支撑环7受到推力时挤压变径扩展，变径后外园侧的上部支撑于上卡瓦体倒角斜面上，复式结构使变径扩展后形成无缝隙金属托盘支撑胶筒；
所述密封胶筒8呈筒状结构设置于上下复式变径支撑环之间。所述密封胶筒8与上下复式变径支撑环共同构成高抗压密封系统，受到挤压式压缩扩展切断流体通道；
所述下复式变径支撑环9设置于密封胶筒8下方，呈多层片状交错结构，外园呈向上30度斜面，紧贴于密封胶筒8下部。所述下复式变径支撑环9受到推力时挤压变径扩展，变径后外园侧的下部支撑于下卡瓦体10倒角斜面上，复式结构使变径扩展后形成无缝隙金属托盘支撑胶筒；
所述下卡瓦体10设置在下复式变径支撑环9下端，呈斜面向下的锥体结构；所述下卡瓦体10上端外园处设置有25度倒角斜面，与下复式变径支撑环9紧密配合，形成对复式变径支撑环9的支撑力；
所述下复合卡瓦块11呈弧线块状结构，采用高强度降解材料基座和高强度陶瓷锚牙复合构建，底面呈斜面，下复合卡瓦块11由外侧的卡环5固定。所述下复合卡瓦块11受到向下推力时，下复合卡瓦块11底斜面与下卡瓦体斜面形成滑动扩展力向外扩展，使下复合卡瓦块11锚牙扩展锚定；
所述锁紧接头12设置于下端，与丢手接头1螺纹连接在一起。所述锁紧接头12固定与承受锚定件的载荷；
所述锁紧接头12设置于下端，与丢手接头1螺纹连接在一起后在下端面上开有弧形或方形导流通道13，该通道可以是一条或多条；
所述高强度可水解桥塞安装到位后钻销钉孔，将各零件与丢手接头1用一个或多个直径3mm销钉可靠固定；
所述高强度可降解桥塞各零部件均采用高强度配方生成的高强度可水解材料制造，设计满足降解后最小残留物要求，所述高强度可降解材料，是一种水解性的合成材料，外观呈合金钢金属色，无味无毒，降解时不产生有毒有害物质和气体，制成的桥塞能够满足120MPa以下压力的压裂施工要求；
所述高强度可降解桥塞的工作机理：送塞时，送塞工具的心轴与连接短节连接，外筒下部顶死至挤压环位置，当送至设计位置时，通过地面打液压或点燃电缆送塞工具药柱时，液力或高能气体推动送塞工具外筒下行，给高强度可降解桥塞的挤压环施加一个向下的推力，挤压环推动上复合卡瓦块下行，并通过上卡瓦体、上复式变径支撑环、胶筒、下复式变径支撑环的动力传递，同步推动下卡瓦体下行，迫使上复合卡瓦块和下复合卡瓦块向外扩展锚定于套管，挤压胶筒扩展后密封套管的流道；送塞工具外筒继续下行时，桥塞的上下复合卡瓦块已经锚定后，运动受到限制，当推力达到连接短节上的剪销剪切力时，剪销被剪断，连接短节与高强度可降解桥塞分离丢手，完成对井筒流道的封堵和送塞工具与高强度可降解桥塞间的丢手，导流通道13设置在桥塞底部端面，该设计在流程过程中是至关重要的。
3.定时滑套是一种定时开孔设计的滑套特例，不限于实例所述的结构，该特例所述高强度可水解定时滑套是其定时开孔方法应用的特例，以说明高强度可水解定时滑套的结构原理；
本发明所述定时滑套包括上螺纹接头32、外筒31、下螺纹接头33定时器34组成。所述上螺纹接头32、下螺纹接头33设有API标准套管螺纹和锥管螺纹，目的是提供与套管连接接口；所述外筒31设置有多个开孔，所述定时器34设置于外筒开孔位置，螺纹连接于外筒孔内，开孔在外筒布局方式按压裂要求分布，所述定时器34采用高强度水解材料制作，所述定时器采用不同降解时间配比的材料控制水解开孔时间，内盲孔也是定时核心，不同的盲孔结构与深度降解开孔的时间不同。
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