CN106150467B - 用于管柱中的压裂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于管柱中的压裂装置,其包括:连接在管柱中的管体,在管体上设有压裂开口和导向构件;嵌入管体内的滑动套筒,滑动套筒的外周面上开设有用于容纳导向构件的轨迹槽;以及用于促动滑动套筒的驱动机构。其中,轨迹槽构造成当驱动机构推动滑动套筒在管体内朝着上游或下游方向运动时,能够通过导向构件来促动滑动套筒进行旋转,并使滑动套筒选择性地打开、部分打开或关闭压裂开口。根据本发明的用于管柱中的压裂装置不但可以有效地关闭本身的压裂开口,而且还可以调整压裂开口的开口程度,可以有效地控各层段的采油速率,有利于合理高效地采油。

Description

用于管柱中的压裂装置
技术领域
本发明属于石油完固井技术领域,具体涉及一种用于管柱中的压裂装置。
背景技术
滑动套筒式分段压裂技术是一项重要的油藏储层改造技术,广泛应用于页岩气、低渗透砂岩及煤层气等非常规油气资源的裸眼完井和储层改造施工中。该分段压裂技术主要依赖压裂装置、裸眼封隔器等工具来实现,其中压裂装置是分段压裂技术中的核心装置之一。
在现场施工中,将由上述工具构成的完井管串下入到油气井的裸眼段中,通过投球憋压方式实现裸眼封隔器对井段的封隔分段,再对管柱的内部进行憋压并促使压裂装置的滑动套筒打开压裂装置的压裂开口,然后对其所在层段进行压裂施工。后续层段的压裂施工均需要从井口投入不同尺寸的憋压球,当各憋压球落入到不同层段的压裂装置的球座后,便可对这些层段依次进行压裂施工。
目前,现有的压裂装置主要存在的问题是在其完成压裂后,由于该压裂装置无法关闭压裂开口,使得油藏储层在后期开采过程中可能出现出水的情况,导致该井无法正常开采。同时,现有的压裂装置的滑动套筒无法部分地打开的压裂开口,使得后期的采油无法调整压裂开口的开口程度,不能有效地控制采油速率,非常不利于采油。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的是提供一种用于管柱中的压裂装置,其不但可以有效地关闭本身的压裂开口,而且还可以调整压裂开口的开口程度,可以有效地控各层段的采油速率,有利于合理高效地采油。
本发明提供了一种用于管柱中的压裂装置,其包括:连接在管柱中的管体,在管体上设有压裂开口和导向构件;嵌入管体内的滑动套筒,滑动套筒的外周面上开设有用于容纳导向构件的轨迹槽;以及用于促动滑动套筒的驱动机构。其中,轨迹槽构造成当驱动机构推动滑动套筒在管体内朝着上游或下游方向运动时,能够通过导向构件来促动滑动套筒进行旋转,并使滑动套筒选择性地打开、部分打开或关闭压裂开口。
在一个实施例中,轨迹槽构造成波浪形,并且环绕滑动套筒一周,或环绕滑动套筒的外周的一部分。
在一个实施例中,轨迹槽具有多个交替分布的上游拐点和下游拐点,其中至少有三个以上的下游拐点到滑动套筒的下游端的距离不相等。当导向构件处于最上游的下游拐点内时,滑动套筒打开压裂开口;当导向构件处于最下游的下游拐点内时,滑动套筒关闭压裂开口;当导向构件处于中游位置的下游拐点内时,滑动套筒部分地打开压裂开口。
在一个实施例中,各上游拐点到滑动套筒的下游端之间的距离相等。
在一个实施例中,各上游拐点和各下游拐点均具有阻挡结构,使得滑动套筒只能沿一个方向进行旋转。
在一个实施例中,阻挡机构为台阶结构。
在一个实施例中,驱动机构包括固定在滑动套筒内的球座,以及能够从压裂装置的上游位置下落到球座的憋压球。
在一个实施例中,驱动机构还包括设在管体的内壁上的凸起结构,以及设置在滑动套筒的下游端与凸起结构之间的用于推动滑动套筒朝着上游方向运动的弹性件。
在一个实施例中,管体包括依次固定连接上接头、中间部和下接头。其中滑动套筒设置在管体的中间部内,而凸起结构为下接头的嵌入中间部的下游端内的端部。
在一个实施例中,在管体上设有用于锁定滑动套筒的可剪切件。
根据本发明的用于管柱中的压裂装置不但可以有效地关闭其本身的压裂开口,而且还可以调整压裂开口的开口程度,从而有效地控各层段的采油速率,以便于合理高速地采油。同时,由于根据本发明的用于管柱中的压裂装置可以有效地关闭其压裂开口,因此其可以避免油藏储层在后期开采过程中可能出现出水的情况,确保油井可以正常开采。
根据本发明的用于管柱中的压裂装置的结构简单,装配容易,实用安全可靠,便于实施例推广应用。
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是根据本发明的用于管柱中的压裂装置的半剖视图;
图2显示了根据本发明的用于管柱中的压裂装置的滑动套筒;
图3是根据本发明的第一个实施例的用于管柱中的压裂装置的轨迹槽的展开图;
图4是根据本发明的第二个实施例的用于管柱中的压裂装置的轨迹槽的展开图;以及
图5是根据本发明的用于管柱中的压裂装置的轨迹槽的局部示意图。
在附图中相同的部件使用相同的附图标记。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作进一步说明。
图1显示了根据本发明的用于管柱中的压裂装置10。该压裂装置10包括连接在管柱(未显示)中的管体2。考虑装配的方便性,管体2可构造成分体式结构,例如管体2包括用于与管柱相连的上接头21和下接头22,以及用于连接上接头21和下接头22的中间部23。各接头与中间部23之间,和各接头与管柱之间均可采用螺纹连接,尤其是圆锥螺纹连接。除此之外,管体2也可以采用一体式结构。其中,所述的管柱属于本领域技术人员熟知的,在此不作详细描述。
在管体2上设有压裂开口3和导向构件4。在分体式结构的管体2内,压裂开口3和导向构件4均设置管体2的中间部23内。压裂开口3位于导向构件4的上游,并且与导向构件4具有一段距离。其中,压裂开口3可为多个,优选把多个压裂开口3沿着周向等距离地间隔开。压裂开口3可选为腰型孔。腰型的压裂开口3沿着管体2的轴向分布。导向构件4可选为销钉。该销钉的一端可通过螺纹结构固定在管体2内,而另一端沿径向朝着管体2的中轴线延伸。
如图1和2所示,该压裂装置10还包括嵌入(或套接)在管体2内的滑动套筒6。在分体式结构的管体2中,滑动套筒6处于管体2的中间部23内,上接头21和下接头23可用于限定滑动套筒6的运动行程。滑动套筒6能够在管体2内进行轴向移动和/或转动。滑动套筒6与管体2之间可采用密封圈进行密封,图2中的凹槽6a可用于固定密封圈。滑动套筒6的外周面上开设有用于容纳导向构件4的轨迹槽7。导向构件4的一端可插入到轨迹槽7内,以便其在该轨迹槽7进行滑动。
根据本发明,该压裂装置10还包括用于促动滑动套筒6移动的驱动机构5(见图1)。驱动机构5可选为液压机构、直线电机组件或其他机构。在本实施例中,驱动机构5包括设置在滑动套筒6内的球座51,以及能够落入在球座51的憋压球52。
同时,驱动机构5还包括设在管体2的内壁上的凸起结构56。该凸起结构56可由下接头22形成。当下接头22嵌入中间部23的下游端内时,下接头22的上游端高出中间部23的内壁,这个高出部分(即下接头22的上游端)便是凸起结构56。另外,驱动机构5还包括设置在滑动套筒6的下游端与凸起结构56之间的弹性件55。弹性件55优选为弹簧。
然而,由于液压机构需要依赖附加油管来实现驱动功能,这样不仅导致制造成本增加,而且还需较长的反应时间,运行过程非常复杂,进而不利于快速执行压裂作业。不难理解的是,本实施例的驱动机构5相比于液压机构可以有效地降低反应时间,从而更快地执行所要实施的压裂作业。
在该实施例中,憋压球52可选为低密度高分子球。压裂时可采用低密度高分子球,压裂后该球可随压裂液反排到井口。除此之外,该憋压球52还可采用可分解的金属球,这样无需进行反排,便可促使井下的球体进行自行分解。
当管柱内下落的憋压球52落入到球座51时,压裂装置10的内部压力将逐渐升高,并促动滑动套筒6在管体2内朝着下游方向D运动。同时,导向构件4将在轨迹槽7内进行滑动,使得滑动套筒6进行旋转并选择性地打开(特指完全打开状体)、部分打开处于关闭状态的压裂开口3。由于根据本发明的用于管柱中的压裂装置10可以有效地关闭其压裂开口3,其可以避免油藏储层在后期开采过程中可能出现出水的情况,进而可以有效地保证油井的正常开采。又由于根据本发明的用于管柱中的压裂装置10可以调整压裂开口3的开口程度,从而可以有效地控各层段的采油速率,以便于合理高速地采油。
为了有效地控制滑动套筒6的开启压力,在管体2上可设有用于锁定滑动套筒6的可剪切件8。可剪切件8可选为剪钉。通过这种方式使得压裂装置10只能在憋压到固定压力后,才能促动滑动套筒6进行移动和转动。优选地,在滑动套筒6的外周壁上开设有周向槽6b(见图2),可剪切件8在固定于管体2后将嵌入在该周向槽6b内,以阻止滑动套筒6朝上游方向U或下游方向D运动。该周向槽6b可方便可剪切件8的装配,进而有效提高生产效率。为了保证密封效果,周向槽6b优选设于两个凹槽6a之间,请参照图2。
如图2、3和4所示,轨迹槽7构造成波浪形,并且环绕滑动套筒6一周。当然,轨迹槽7也可构造成环绕滑动套筒6的外周的一部分。无论是完全还是部分环绕,均有利滑动套筒6选择性地打开、部分打开或关闭压裂开口3。但是,如果轨迹槽7环绕滑动套筒6一周,滑动套筒6便可在导向构件4与轨迹槽7的配合下无转角限制地转动。而如果轨迹槽7环绕滑动套筒6的外周的一部分,滑动套筒6可在导向构件4与轨迹槽7的配合下有转角限制地转动。
如图3或4所示,轨迹槽7具有多个交替分布的上游拐点71和下游拐点72。具体说,尖角朝上的拐点为上游拐点71,而尖角朝下的拐点为下游拐点72。各上游拐点71到滑动套筒6的下游端之间的距离既可相等也可不等。同理,各下游拐点72到滑动套筒6的下游端之间的距离既可相等也可不等。
为了保证滑动套筒6能打开、部分打开或关闭压裂开口3,至少有三个以上的下游拐点72到滑动套筒6的下游端的距离互不相等。并且,轨迹槽7还需要构造成:当导向构件4处于最上游的下游拐点72内时,滑动套筒6打开压裂开口3;当导向构件4处于最下游的下游拐点72内时,滑动套筒6关闭压裂开口3;当导向构件4处于中游位置的下游拐点72内时,滑动套筒6部分地打开压裂开口3。所述中游位置就是处于最上游的下游拐点72与最下游的下游拐点72之间的下游拐点72,例如图4中所示的下游拐点72a和72b。
为了降低制造难度,各上游拐点71到滑动套筒6的下游端之间的距离构造成相等的,即各个上游拐点71同在一个垂直于管体2的平面内。这时所有的上游拐点71均为最上游的上游拐点71。其中,上游拐点71也称为憋压过渡点,也只有在憋压的情况下,导向构件4才能处于上游拐点71内。当压裂装置10的内部压力降低后,弹性件55将开始促动滑动套筒6朝着上游方向U移动,并促使导向构件4进入到下游拐点72内,如果压裂装置10的内部不再憋压,导向构件4便可始终处于下游拐点72内。通过反复的憋压便可切换导向构件4所处的下游拐点72,由于下游拐点72的位置不同,不同位置的滑动套筒6便可选择性地打开、部分打开或关闭的压裂开口3。
根据本发明的压裂装置10通常处于较深的地层内,因此人们很难直接观测滑动套筒6的所处位置,也无法得知滑动套筒6在下次运动后能否打开压裂开口3,更加无法得知下次压裂开口3的开口程度。对此,可在上游拐点71和下游拐点72的内部设有阻挡结构73。阻挡结构73能够使得滑动套筒6只沿着一个方向进行旋转。通过这种方式,就可根据轨迹槽7的波浪形来判断滑动套筒6的下次运动位置,从而可以得知压裂开口3的打开状态和开口程度。简单地说,这种方式可以准确地控制的滑动套筒6的运动,从而准确地按照所需要求进行相应的压裂作业。
在一个实施例中,73阻挡机构为台阶结构,见图5。台阶结构可以有效地阻挡导向构件4进行反向滑动。如图5所示,该台阶结构可由一个圆弧面和两个直角面相互衔接而成,处于中间的直角面可以阻挡导向构件4进行反向滑动,使得滑动套筒6只能沿着一个方向进行旋转。
综上可知,根据本发明的用于管柱中的压裂装置10可通过驱动机构5调整滑动套筒6所处位置,从而准确地调整压裂开口3的打开状态(即是否完全打开或关闭)和开口程度(即通流面积的大小)。
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 (8)

1.一种用于管柱中的压裂装置,包括:
连接在管柱中的管体,在所述管体上设有压裂开口和导向构件;
嵌入所述管体内的滑动套筒,所述滑动套筒的外周面上开设有用于容纳所述导向构件的轨迹槽;以及
用于促动所述滑动套筒的驱动机构;
其中,所述轨迹槽构造成当所述驱动机构推动所述滑动套筒在所述管体内朝着上游或下游方向运动时,能够通过所述导向构件来促动所述滑动套筒进行旋转,并使所述滑动套筒选择性地打开、部分打开或关闭所述压裂开口;
所述轨迹槽具有多个交替分布的上游拐点和下游拐点,其中至少有三个以上的所述下游拐点到所述滑动套筒的下游端的距离不相等,当所述导向构件处于最上游的所述下游拐点内时,所述滑动套筒打开所述压裂开口,当所述导向构件处于最下游的所述下游拐点内时,所述滑动套筒关闭所述压裂开口,当所述导向构件处于中游位置的所述下游拐点内时,所述滑动套筒部分地打开所述压裂开口;
各所述上游拐点和各所述下游拐点均具有阻挡结构,使得所述滑动套筒只能沿一个方向进行旋转。
2.根据权利要求1所述的压裂装置,其特征在于,所述轨迹槽构造成波浪形,并且环绕所述滑动套筒一周,或环绕所述滑动套筒的外周的一部分。
3.根据权利要求1所述的压裂装置,其特征在于,各所述上游拐点到所述滑动套筒的下游端之间的距离相等。
4.根据权利要求1所述的压裂装置,其特征在于,所述阻挡结构 为台阶结构。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的压裂装置,其特征在于,所述驱动机构包括固定设置在所述滑动套筒内的球座,以及能够从所述压裂装置的上游位置下落到所述球座的憋压球。
6.根据权利要求5所述的压裂装置,其特征在于,所述驱动机构还包括设在所述管体的内壁上的凸起结构,以及设置在所述滑动套筒的下游端与所述凸起结构之间的用于推动所述滑动套筒朝着上游方向运动的弹性件。
7.根据权利要求6所述的压裂装置,其特征在于,所述管体包括依次固定连接上接头、中间部和下接头,其中所述滑动套筒设置在所述中间部内,所述凸起结构为所述下接头的嵌入所述中间部的下游端内的端部。
8.根据权利要求1所述的压裂装置,其特征在于,在所述管体上设有用于锁定所述滑动套筒的可剪切件。
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