CN107208473A - 具有计数系统的多级高压压裂系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级高压压裂系统以及管式液压阀(THV)系统，其用于连接至完井管柱从而对油井内目的层进行隔离。具体而言，所述系统允许到达井下岩层从而压裂所述目的层并进行油气开采。所述系统大体上包含塞子计数系统、塞子捕获系统和阀系统，其中使一系列塞子在所述完井管柱中向下掉落允许连续捕获个别THV内的个别塞子，从而进行后续压裂操作。

Description

具有计数系统的多级高压压裂系统

技术领域

本发明涉及一种多级高压压裂系统以及管式液压阀(THV)系统，其用于连接至完井管柱从而对油井内目的层进行隔离。具体而言，所述系统允许到达井下岩层从而压裂所述目的层并进行油气开采。所述系统大体上包含塞子计数系统、塞子捕获系统和阀系统，其中使一系列塞子在完井管柱中向下掉落允许连续捕获个别THV内的个别塞子，从而进行后续压裂操作。

背景技术

在石油天然气工业中，完井操作期间经常需要在油井内的各种层进行不同操作以提高油井的产量。即，在特定的油井内有若干经济目的层，在钻孔和/或套管之后，操作人员可能会想要直接到达井内和/或打开套管以进行压裂操作从而促进油气从岩层迁移至油井内进行生产。

过去有操作人员在套管井中利用的许多技术，从而隔离一个或多个目的层来允许到达岩层并进行压裂操作。在最简单的情形下，套管井可只需要在适当的位置打开以允许油气流入井内。在此情况下，油井的套管(以及任何相关联水泥)可在所需的位置被穿透，使得井套管内部暴露于岩层并且油气可以从岩层迁移至油井内部。

在过去利用此基本技术时，普遍认为在所需的层穿透钢套管/水泥的复杂度更大，且比将套管的专门区段定位在目的层附近并接着在将井套管之后打开那一区段更为复杂。一般来说，如果将套管的专门区段定位在目的层附近，那么可以利用各种技术在套管的区段中有效地打开一个或多个端口而无需物理切通钢套管。

在其它情形下，尤其是在需要压裂岩层的一个或多个层的情况下，已开发出多种系统和技术来将井的特定区段进行隔离，以允许选择性地打开套管中的专门端口并在单个层内进行压裂操作。

一种这样的技术是将封隔器元件和各种专门块设备并入一个或多个油管柱中，使油管柱进入油井中并进行各种液压操作以在油管柱内打开端口。

重要的是，在这些技术都已起效的情况下，需要系统以及最小化这些系统的复杂度的方法。即，涉及井下设备的任何操作在资金/租金成本以及完成这些操作所需的时间方面都是昂贵的。因此，在可以降低设备的复杂度和/或进行这些操作所需的时间/人力的程度上，这些系统可以向操作者提供明显的经济优势。

在过去，这些用于隔离井的区段的技术包含利用油管柱内的球体将油管柱的连续区域进行隔离的系统。在这些系统中，球体向下掉落/泵吸进油管柱，在油管柱中，球体可与管柱内的专门座体啮合并由此将油井的下部区段与油井的上部区段隔绝开。在过去，为了确保下部区段在上部区段之前密封，使一系列具有不同直径的球体向下掉落进油管中，开始是直径最小的球体，接着向上逐渐使用较大的球体。通常，每个球体的直径可相差1/8英寸，且每个球体将与被设定大小仅与一个特定直径的球体相啮合的井下座体相啮合。起效时，此系统实际上被球体的直径范围所限制。即，为了隔离16个目的层，最小的球体与最大的球体相比直径可能会小2英寸。因而，对可以并入油管柱的层的数目有实际限制，这因此限制了可以压裂的层的数目。由于现代油井可能希望进行多达大约40个压裂操作且可能多于40个压裂，因此现有的球体掉落及捕获系统不能并入这些油井中。

因此，需要一种系统，其不受掉落球体大小限制并且可允许明显更大数目的压裂窗口并入油管柱内。

发明内容

根据本发明，提供了一种管式液压阀(THV)系统，其用于连接至完井管柱从而对油井内目的层进行隔离，允许到达井下岩层从而压裂所述目的层并进行油气开采，所述THV具有允许塞子穿过所述THV的内孔，所述THV包括：塞子计数系统，其具有用于连接至完井管柱的井上端，以及塞子啮合系统，其用于与穿过所述内孔的塞子啮合，所述塞子啮合系统用于对穿过所述塞子计数系统的连续塞子进行计数并用于在达到穿过所述内孔的塞子的预设数目时触发第一液压事件；塞子捕获系统，其可操作地连接至所述塞子计数系统，所述塞子计数系统响应于所述第一液压事件以在所述第一液压事件被触发时进行所述THV内的塞子捕获；以及阀系统，其可操作地连接至所述塞子计数系统以及塞子捕获系统，所述阀系统包含阀，其响应于塞子捕获而打开所述阀以允许流体从所述内孔流至所述THV外部。

在一个实施例中，所述塞子啮合系统包含至少一个连接至齿式棘轮的插脚，和塞子活塞，其中穿过所述内孔的塞子与所述至少一个插脚的啮合将所述齿式棘轮向前移动一跨齿距。

在另一实施例中，所述齿式棘轮可被预设以在触发所述对应于穿过所述内孔的塞子总数的第一液压事件之前行进多倍的所述跨齿距。

在一个实施例中，当所述齿式棘轮已行进了预设距离时，所述塞子计数系统允许液压流体从所述内孔穿过以对所述塞子活塞加压并导致所述塞子活塞向井下运动。

在另一实施例中，所述系统进一步包含在所述塞子计数系统和所述塞子捕获系统之间的第一液压通道，且其中所述塞子活塞向井下运动打开所述第一液压通道从而允许液压流体流至所述塞子捕获系统内的塞子捕获活塞，且其中所述塞子捕获活塞响应于穿过所述第一液压通道的液压流体的流动而导致所述塞子捕获活塞向井下运动。

在一个实施例中，所述塞子捕获活塞向井下运动将所述塞子捕获系统内所述内孔的一部分变窄从而防止塞子穿过所述塞子捕获系统。

在又一实施例中，所述系统进一步包含可操作地连接至所述塞子捕获系统的塞子捕获锁，所述塞子捕获锁用于与所述塞子捕获活塞啮合以防止所述塞子捕获活塞向井上大幅运动。

在一个实施例中，所述系统还可包含阀活塞，且其中当所述塞子捕获系统已滞留住一个塞子时，所述阀活塞暴露于所述内孔内的液压流体使得所述阀系统向井下运动打开一个阀。

在另一实施例中，所述塞子计数系统包含处理器以及电源系统，所述电源系统可操作地连接至塞子啮合系统并连接至电磁阀或电动马达以控制液压流体穿过液压通道的流动，其中所述处理器计数穿过所述内孔的塞子，且当计数到预设数目的塞子时，所述处理器打开所述电磁阀从而触发所述第一液压事件。

在另一实施例中，所述塞子啮合系统包含至少一个活动插脚，其与电路可操作地啮合，其中塞子穿过所述内孔时，所述塞子与所述至少一个插脚的啮合将所述插脚进行移动且与所述电路连接或断开，并将信号发送至所述处理器即有塞子穿过。所述塞子啮合系统可包含两个活动插脚，其在所述内孔中纵向隔开，每个插脚与电路可操作地啮合，所述两个插脚允许所述处理器确定塞子在所述内孔中移动的方向。所述两个插脚可纵向隔开以允许穿过的塞子在啮合一个插脚之前与其中另一个所述插脚脱离。所述两个插脚可沿着所述内孔彼此异相。

在进一步实施例中，所述处理器确定已计数所述预设数目的塞子和所述第一液压事件的所述触发之间的时间是可编程的。

在另一实施例中，本发明提供一种管式液压阀系统，其用于连接至油管柱以隔离油井内的目的层，从而到达井下岩层来压裂所述目的层并进行油气开采，所述管式液压阀系统包括：外套筒，其具有井上和井下连接器用于将所述管式液压阀系统附接至油管柱，所述外套筒含有：位于所述外套筒内的塞子计数系统，所述塞子计数系统具有：至少一个塞子相互作用表面，其用于检测塞子经过所述塞子计数系统的运动；以及，液压激活系统，其可操作以在预设数目的塞子已移动经过所述塞子计数系统时激活塞子抓取系统；其中所述塞子抓取系统可操作地连接至所述塞子计数系统且响应于所述液压激活系统而激活塞子滞留表面并由此将塞子滞留在所述塞子抓取系统内并将所述油管柱的井下区段与所述油管柱的井上区段在所述塞子处密封；以及，阀系统，其可操作地连接至所述塞子抓取系统，所述阀系统包含可操作地连接至所述外套筒中至少一个开口的阀，且其中所述阀系统响应于液压流体压力而在塞子被滞留于所述塞子抓取系统中时打开所述阀。

在另一方面中，本发明提供一种用于激活完井管柱中液压阀的方法，所述完井管柱具有多个如权利要求1所述的管式液压阀(THV)以及并入其中的对应的封隔器元件，包括以下步骤：a)将所述完井管柱加压至第一压力以将所述封隔器元件设置在所述油井内；b)将所述完井管柱内的所述压力增大至足以使THV内第一剪脚破裂的第二压力水平；c)将塞子掉落进所述完井管柱，所述塞子用于与每个THV内的塞子计数系统连续啮合，且其中如果塞子与THV的啮合触发了第一液压事件，那么所述第一剪脚破裂以进行所述THV内的塞子捕获和阀打开；以及d)将所述完井管柱内的所述压力增大至第三压力水平以进行油井压裂。

在一个实施例中，针对所述完井管柱内的每个THV重复步骤b)-d)中的每一个。

附图说明

参考附图对本发明进行了描述，其中：

图1为根据本发明部署的并入有若干多级压裂装置的套管或完井油管柱连同对应封隔器元件的示意图。

图2为根据本发明的一个实施例的多级压裂装置(MFD)的示意图，其示出计数系统、阀系统和球体抓取系统的一般位置。

图3A-3D为根据本发明的一个实施例的MFD的一系列横截面图，其示出处于井上位置的球体。诸图的上部和下部序列为MFD彼此呈90°的横截面。

图4A-4E为根据本发明的一个实施例的MFD的一系列横截面图，其示出处于被捕获位置的球体。诸图的上部和下部序列为MFD彼此呈90°的横截面。

图5为MFD的横截面图，其示出处于开启位置的阀套。

图6为根据本发明的一个实施例的电子球体计数系统的示意图。

图7A-7E为根据本发明的一个实施例的具有电子计数系统的MFD的井上部分的横截面图，其说明了球体移动穿过MFD的序列。图7A说明进入MFD之后不久的球体。图7B说明球体按下电子计数系统的第一插脚。图7C说明已经过第一插脚之后但接触第二插脚之前的球体。图7D说明球体按下第二插脚。图7E说明已经过第二插脚之后的球体。

图8A为根据本发明的一个实施例的具有电子计数系统的MFD的井上部分的横截面图，其示出二插脚系统。

图8B为图8A的MFD的延续，说明根据本发明的一个实施例的具有电子计数系统的MFD的中间部分的横截面图，其示出电磁阀系统。

具体实施方式

参看诸图，描述了多级压裂装置(MFD)或管式液压阀(THV)10以及操作MFD或THV的方法。

为了进行本文的描述，MFD或THV 10包含多个子系统，其可被配置用于套管或完井油管柱20，并与适当的封隔器元件10a一起允许将岩层8a内的特定层进行隔离，如图1中所示。在此描述的上下文中，套管或完井管柱是同义的，并在下文中被称为完井管柱。完井油管柱20上MFD 10和封隔器元件10a的组合允许在油井8内的岩层8a内进行压裂操作。

还应注意，在例如完井管柱由水泥在适当位置浇注的情形下，可利用所述系统而无需封隔器元件。虽然以下描述假定使用了封隔器元件10a，但这并不意在为限制性的。

如下文详细描述，MFD包含大体上包含计数子系统12、球体抓取子系统14以及阀子系统16，如图2中示意性所示。

应注意，所述描述利用了各种术语，其可与其它术语互换以实现功能性描述和/或表示特定实施例的实例的目的。重要的是，使用一个术语相比另一术语而言并不意在限制本领域技术人员所能解释的范围。举例来说，所述描述将系统称为多级压裂装置(MFD)，其与管式液压阀(THV)同义，也与“球体”或“塞子”同义，其中球体只是塞子的一个实例。

操作概述

参看图1，数个MFD 10连接至位于封隔器元件10a之间在对应于油井内目的层(岩层)8a的位置的完井油管柱20。一般而言，在将完井油管柱20放置于油井8内之后，组装的系统可在表面6通过井口设备6a进行加压使得封隔器元件10a密封住油井8。在油井中已建立起循环之后，在完井油管柱内的表面6释放球体18，所述球体落下和/或被泵吸穿过所述完井油管柱以与每个MFD 10连续啮合。管柱内的每个MFD 10已被预先配置成在每次球体经过MFD时进行“计数”并在达到预定计数数目时触发对球体18的捕获。在预定计数数目(例如，1-40)，特定的MFD 10将捕获球体18(见图1中最下部的MFD 10)。当捕获到球体18时，球体18将完井油管的内部与完井油管柱的下部区域隔绝开，使得可以发起额外的液压事件来打开MFD内的阀。也就是说，当球体已经被捕获并且MFD 10中的阀打开时，可以在邻近所述MFD10的目的层8a内完成压裂操作。

在层8a已被压裂之后，更多的球体连续引入完井油管使得连续的MFD能够被打开并且在其它层内完成压裂操作。因而，油井8内的目的层中的每一个可以被连续地压裂。重要的是，球体被设计成使得在一段时间(通常是几天)内，球体将至少部分地溶解，使得其直径被腐蚀且其将落至油井的底部。因此，在已完成所有压裂操作之后，油井的所有层接着对完井油管的内部开放使得能够通过完井油管进行油井的开采。

应注意，完井管柱的最下部层并不需要MFD 10，并且通常可在最下部层(未图示)利用在压力下打开的简单液压阀以初步建立起循环并允许压裂最下部层。

如图2中所示，每个MFD 10大体上描述为具有三个主要子系统，包含位于MFD 10的井上端的计数系统12、位于MFD的井下端的球体抓取系统14，以及位于计数系统12和球体抓取系统14之间的阀系统16。在完井油管柱的表面制备期间，每个MFD的计数系统设置为对球体的特定或预设数目进行计数，其中管柱内最下部MFD将计数1而最上部MFD将计数n(其中n通常在1和40之间)。在操作中，如果计数系统12记录的是尚未达到预设数目，则球体将穿过MFD 10并继续向井下行进。如果MFD 10记录的是已达到预设数目，则计数系统12将触发球体抓取系统14以捕获球体从而防止进一步向井下行进。捕获球体的动作将接着导致阀系统16内的阀打开。举例来说，最下部MFD将被设置成计数1个球体，而10个MFD形成的管柱内的最上部MFD将被设置成计数10个球体。

子系统中的每一个的操作和组件在下文更详细地描述，其中图3A大体示出允许经由连接器30a连接至油管柱的MFD的井上组件，图3B示出计数系统的细节，图3C示出阀和球体抓取子系统的细节，而图3D示出允许连接至油管柱的井下部分的井下连接组件的细节。图3A-3D大体示出计数配置下的系统，其允许进入MFD的球体被计数。上部图像(I)和下部图像(II)为MFD同一区域的横截面，彼此相差90°。图4A-4E大体示出在球体被抓取之后的子系统。

计数系统12

如图3A中所示，示出MFD的上部区段具有位于计数系统12上方的球体18。图3B示出具有插脚和棘齿系统的计数系统12，所述棘齿系统连续计数穿过计数系统12的球体18。

如所示，主要内壳体30支撑具有两个插脚对32a、32b的插脚系统32，所述插脚对32a、32b大体被偏置朝向主要内壳体30的内部。每个插脚对32a、32b相对于彼此呈90°关于内壳体30定位，且沿着所述主要内壳体隔开一个较短的距离A。分隔距离A足够使球体18与插脚对32a充分啮合并在与插脚对32b啮合之前脱离。

插脚对32中的每一个包含多个齿32c、32d，其与主要内壳体30的外表面上的棘齿计数器活塞34上的齿32e相啮合。即，齿32c和32d与齿32e相反且互相啮合。棘齿计数器活塞34滑动地啮合在主要内壳体30上。

在操作中，由于球体18与第一插脚对32a啮合，因此齿32c从棘齿计数器活塞34上的齿32e脱离从而允许所述棘齿计数器活塞向井下移动一个齿位，使得插脚对32b的齿32d变成与齿32e充分啮合。随着球体18移动经过第一插脚对32a，齿32c移动至抵靠棘齿计数器活塞34的中间位置。随着球体18移动经过第二插脚对32b，齿32d从齿32e脱离从而导致棘齿计数器活塞34额外的向井下的运动以及插脚对32a的齿32c与齿32e的啮合。

因此，由于连续球体移动经过插脚对32，因此棘齿计数器活塞34将逐步向井下移动。棘齿计数器活塞34移动的驱动力为通过压力端口36(图3A)作用于棘齿密封活塞38的内部液压压力。在管柱组装期间由主要内壳体30和主要外壳体42界定的腔室40设置为大气压，使得跨棘齿密封活塞38存在压力差。棘齿密封活塞38包含适当的密封件38a从而在操作期间维持加压密封。

另外，棘齿计数器活塞34包含井上肩部34a，其将在棘齿计数器活塞34由于连续的球体穿过而逐步向井下移动时与插脚对32a相啮合。更具体而言，在预设数目的球体已与插脚对啮合之后，上部肩部34a将防止插脚对32a与棘齿计数器活塞34重新啮合，使得棘齿计数器活塞将滑行从而与位移活塞总成44相啮合。

棘齿计数器活塞34与位移活塞总成44啮合的动作将导致高压力施加至位移活塞总成44。即，由于高压液压流体流动通过端口36，位移活塞总成44内的剪脚44a将进行剪切使得位移活塞总成44将向井下移动。位移活塞总成44向井下的运动导致压力端口48与位移活塞总成44内的液压通道50的对准，这由此允许高压液压流体流至液压通道50中(见图4B)。

又一个液压通道52(图3B、3C)包含在阀套54内，这允许液压流体绕开阀系统16至球体抓取系统14。

球体抓取系统14

球体抓取系统14大体包含套爪球座60，其具有可操作地包含在座体活塞62内的套爪球座指60a。套爪球座60和座体活塞62滞留在座体壳体64内。座体壳体64在其井上端紧固至主要外壳体42，且在其井下端紧固至底部连接器套筒66(图3D)。座体壳体64、底部连接器套筒66以及座体活塞62保持复位弹簧68，其可被座体活塞62向井下的运动压缩。

如下文更详细解释，随着座体活塞62向井下移动，座体活塞62与套爪球座60啮合，使得套爪球座指60a移动至共同界定球体挡缘60b(图4C)的位置，所述球体挡缘60b将防止球体18经过套爪球座60。

在操作中，如上文所述，随着高压液压流体穿过液压通道52，所述液压流体对座体活塞62上方的压力腔室62a进行加压。对腔室加压导致剪脚62b进行剪切，从而允许座体活塞抵靠复位弹簧68向井下移动且套爪球座指60a向内移动(图4C)。

重要的是，随着座体活塞62向井下移动，锁定机构63(见图4E)释放至锁定位置，这防止座体活塞62部分后续向井上移动，如下文更详细解释。

在一个实施例中，套爪球座指60a具有外楔面60b，其将与内楔面66a啮合以促进套爪球座指60a正向向内移动(图4C)。

因此，由于球体计数器系统12在正确的预设数目导致球体抓取系统14的激活，因此球体18被滞留在套爪球座内，由此将球体下方的位置都进行了隔绝(见图4C)。

另外，随着座体活塞62向井下移动，端口67变成暴露于腔室62a，使得额外的高压流体被引入腔室62a中以确保对腔室62a的加压(见图4C中的箭头)。

阀系统16

阀系统16包含阀套54。图3C和4C示出在闭合位置的阀套54，而图5示出在开启位置的阀套54。

在球体已滞留于套爪球座60中之后，增大完井油管内的压力将导致对阀套54的井上表面54a的额外加压。阀套54被剪脚54b滞留在抵靠主要外壳体42处，在达到阈值压力后，所述剪脚54b将进行剪切从而允许阀套54向井下移动，使得主要内壳体30和主要外壳体42中的开口30a对于岩层开放。

重要的是，如果球体尚未被捕获在球体捕获系统内，那么维持或增大油管柱内的压力不会导致阀套54移动并会导致球体尚未被捕获的层中的阀套54过早打开。更具体而言，这由在未触发的MFD中的位移活塞44的位置进行阻止，所述未触发的MFD防止液压流体通过液压端口48流进腔室54a。因此，如果增大压力以打开阀套，那么这将只会在液压流体可以流进腔室54a的情况下发生，而液压流体流进所述腔室的情况只会在球体已被捕获的情况下发生。

在此之后，进一步增大压力从而允许进行压裂操作。

在特定层内和局部松弛的压力下的压裂操作完成后，通过掉落又一个球体来重复所述过程，其基于紧邻的井上MFD 10的预设计数器设置将在所述井上位置捕获所述又一个球体。针对存在于完井油管柱中的MFD中的每一个重复所述过程。

在压裂操作完成之后，重要的是释放所有球体使其落至管柱的底部，从而确保整个管柱对于所有层的岩层都开放。

如已知的，球体可以是可溶解的，使得在几天的时段内，球体的外表面将腐蚀从而使其将从套爪球座臂60a落下。

在一个实施例中，座体活塞62也具备可溶解O型环62d，其位于座体活塞下端附近并与底部连接器套筒66啮合。随着时间过去，可溶解O型环62d将失效，这将允许高压流体如所示从MFD内部流至腔室68a内。即，当座体活塞62已向井下移位以抓住球体时，这会打开液压通路62e，这种情况接着允许高压流体与O型环62d接触。随着时间过去，所述O型环将溶解并失效，这接着允许流体经由图4D中所示的路径进入腔室68a。当流体进入先前处于大气压的腔室68a时，座体活塞62则达到压力平衡，这允许座体活塞62向井上回移，并由此使球体(如果还未溶解)离座。重要的是，无论球体是否已经溶解，工具的最小内径(ID)返回至其原始ID。如上文提到，锁定机构63已被啮合从而防止向井上大幅移动至原始井上位置，由此防止液压端口67被封闭。

系统的其它设计考量以及方面

所述棘齿计数器系统将通常允许1-40个层个别地隔离以进行处理。为了确保恰当的预设数目，在完井油管柱在表面进行组装时，每个MFD 10将被设置成基于油井中预期的MFD位置进行触发。即，如果管柱包含10个MFD，那么最下部MFD将会用第一个球体触发，而最上部MFD将会用第10个球体触发。因此，每个计数器系统14将具有其棘齿计数器活塞34，棘齿计数器活塞34定位于相对于插脚对齿的适当齿圈上。

电子计数系统

在如图6中所示的另一实施例中，所述计数系统并入有电子计数系统100。在此实施例中，所述系统包含处理器和电源系统100a，电源系统100a可操作地连接至插脚系统100b以及电磁阀和/或电动马达100c。在此实施例中，随着球体18移动经过插脚系统100b，处理器100a对经过的球体的数目进行计数。当处理器已计数到预设数目的球体时，处理器100a激活电磁阀100c以允许液压流体通过液压通道100d流入空间40，从而与活塞100d啮合并激活如上文所述的球体抓取系统。液压流体通过端口36进入空间40。

在图8A-8B中所示的另一实施例中，存在含有电子计数系统100的MFD 10。因为球体抓取系统和其它组件与上文所述的那些类似，所以仅说明和描述了含有电子计数系统的MFD 10的区段。所述电子计数系统包含第一和第二插脚70、72，其在内孔中沿着纵轴彼此隔开。第一和第二插脚可分别独立移动从而与第一和第二电路接触，以闭合或完整所述电路。第一和第二偏置构件78、80将插脚偏置在第一位置，在第一位置中所述电路是完整的。在球体移动经过所述插脚中的一个并与所述插脚接触时，插脚移动至第二位置，在第二位置中所述电路是开路或者不完整的。在球体完全经过插脚之后，偏置构件使得插脚返回至第一位置。或者，在第一位置，电路处于不完整或开路位置，而在第二位置，当球体与插脚接触时电路是闭合的。

优选地，第一和第二插脚沿着内孔彼此异相(不成直线)，并且优选地，其彼此相位相差180度。虽然第一和第二插脚可以彼此同相/成直线，但使它们异相会在球体经过插脚时对球体提供更多的均匀磨损，并为偏置构件以及其它与电子计数系统相关的零件在工具中提供空间。

图7A至7E示出球体移动经过两个插脚的序列的特写视图。在此实施例中，第一和第二插脚被偏置在第一位置而与第一和第二环或元件74、76接触，以分别闭合第一和第二电路。偏置元件78、80被说明为由扣紧构件82扣紧至内壳体30的梁弹簧。当球体18经过所述插脚中的一个时，其将所述插脚从环或元件74、76推出至开路位置，从而断开所述电路中的一个。图7B说明球体经过第一插脚70并将插脚推出至开路位置。图7D说明球体经过第二插脚72并将插脚推出至开路位置。图7C说明已完全经过第一插脚70之后但接触第二插脚72之前的球体，其中两个插脚都在闭合位置。所述插脚隔开足够的距离以允许第一插脚在第二插脚形成开路之前在球体已经过之后闭合。图7E说明已经过两个插脚之后的球体。

在另一实施例中，所述电子计数系统利用两对插脚，而不是轴向隔开的第一和第二插脚。对于每一对，两个插脚沿着主要内壳体的内孔定位于相同的轴向位置，且类似于上文描述的实施例，所述对插脚轴向隔开足够远以允许第一对插脚在第二对插脚形成开路之前在球体已经过之后闭合。所述插脚也可以在主要内壳体的内孔周围沿圆周隔开。举例来说，第一对插脚可以分别位于0°和180°处，而第二对可以位于90°和270°处。其它类似的实施例是可能的，包含使用在每一轴向位置多于两个插脚、位于多于两个单独轴向位置的插脚或在一个轴向位置相对另一轴向位置不同数目的插脚的设计。

此利用两对插脚的替代实施例有用于降低电子计数系统将对除了球体或被设计成引发计数的其它装置以外的对象进行计数的可能性。举例来说，如果连续油管插入到油井中，那么在每一轴向位置利用仅单个插脚的电子计数系统可能在连续油管接触所述单个插脚的情况下不准确地将连续油管计数为球体，因此造成第一和第二电路开路(或闭合)。如前一段落中描述利用多对插脚会确保电子计数系统将仅对与主要内壳体的内孔具有相同近似直径的球体或其它特殊设计的工具或装置进行计数。

当第一或第二电路开路或闭合时，信号(经由有线或无线方式)传送至使用电插脚84的工具中的电磁处理器(未图示)。在所说明的实施例中，当表示第一电路已开路接着闭合紧接着第二电路开路并闭合的信号传送至处理器时，处理器将此解读为有球体向井下经过此处。或者，如果插脚都被偏置在开路位置，那么确定球体已向井下经过此处的信号可为第一电路闭合再开路接着是第二电路闭合再开路。所述处理器保持对经过球体的计数数目。在达到预定的计数数目后，处理器发出信号以打开电磁阀总成88，允许流体进入空腔86，从而将工具设置成捕获球体，如同上文描述的非电子系统，这允许MFD 10中的阀打开以允许进行压裂操作。电子计数系统可包含多于一个电磁阀总成用于备用并使得设置过程能够更快进行。

参看图8A，所述工具还可以包含一个或多个端口或塞子90，其提供通向计数系统的电子件的入口以用于对计数系统进行编程。优选地，所述工具也含有用于电子计数系统的电源，例如一个或多个电池(未图示)。

所述电子计数器系统并不限于球体计数的最大数目，并因此对MFD可用于的压裂级数的数目并无限制。球体经过插脚之后到设置电磁阀系统的响应时间也可以根据需要进行编程。在需要使用单个球体开启多于一个MFD以同时压裂多于一个目的层时，这尤其有用。举例来说，球体经过上部MFD与设置上部MFD电磁阀系统之间的时间可以被延迟以足够允许球体经过而不会被捕获，在此之后，对MFD进行设置。当球体被下部MFD捕获并且被施以向井下的压力时，上部和下部MFD都将开启，从而允许在邻近上部和下部MFD的层中同时进行压裂。

另外，电子计数器系统可以对球体向井下流动和球体向井上流动进行区分。在由于筛阻(井筒中的流动忽然停止)或者未能起始压裂而井筒中的流动方向必须颠倒时，这尤其有用。在两种情况下，油井被“打开”并允许流体以相反的方向流动回至表面。在所需的时间量之后，再次改变流动方向以向井下流动以尝试开启或重启压裂过程。当流动被颠倒时，球体经常随着流体向井上流动，以相反的方向经过计数系统。因为第二插脚将在第一插脚之前被触发，所以计数系统将会知道已有球体向井上移动。处理器可被编程为不对向井上流动的球体进行计数，或将其计数为负数。即，当球体向井下移动经过两个插脚时，计数为1，当球体向井上回流经过两个插脚时，计数返回至0，且当球体向井下返回移动经过两个插脚时，再次计数为1。不管井筒中是否发生逆流，这确保了计数数目是准确的。

加压

整个操作将在不同的压力下进行从而进行封隔器坐封、球体捕获、阀打开和压裂操作中的每一个。即，操作的每个级可以具有一个阈值压力，其将允许每个操作依次完成。举例来说，可在使球体向井下掉落之前将封隔器元件10a设置在2500psi。在使球体掉落之前，系统可进一步加压至3000psi，在这个压力下，如果MFD内达到适当的计数数目，那么位移活塞总成44内的剪脚46将进行剪切。类似地，如果球体抓取系统已经被触发，那么阀总成内的剪脚54b可在这个压力水平(或更高)下进行剪切。在阀打开之后，可以在更高的压力水平下进行岩层压裂，所述压力水平通常可在4000psi的范围内。应注意，用于封隔器坐封、阀打开和压裂操作的典型压力范围通常分别为1500-2500psi、2500-4000psi和4000-10000psi。

尽管本发明已关于优选实施例及其优选用法进行了描述和说明，但本发明并非如此受限，因为如本领域的技术人员所理解，可在本发明中做出处于本发明的完全预期范围内的修改和改变。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种管式液压阀(THV)系统，其用于连接至油管柱从而对油井内目的层进行隔离，允许到达井下岩层从而压裂所述目的层并进行油气开采，所述THV具有允许塞子穿过所述THV的内孔，所述THV包括：

塞子计数系统，其具有用于连接至油管柱的井上端，以及塞子啮合系统，其用于与穿过所述内孔的塞子啮合，所述塞子啮合系统用于对穿过所述塞子计数系统的连续塞子进行计数并用于在达到穿过所述内孔的塞子的预设数目时触发第一液压事件；

塞子捕获系统，其可操作地连接至所述塞子计数系统，所述塞子计数系统响应于所述第一液压事件以在所述第一液压事件被触发时进行所述THV内的塞子捕获，使得触发所述第一液压事件的同一塞子也被所述塞子捕获系统捕获；

所述塞子捕获系统包括套爪总成，所述套爪总成被配置成使得在所述第一液压事件的触发后，所述套爪总成的指径向向内移动以将所述THV的所述内孔限制于比所述塞子的直径小的直径；

阀系统，其可操作地连接至所述塞子计数系统以及塞子捕获系统，所述阀系统包含阀，其响应于塞子捕获而打开所述阀以允许流体从所述内孔流至所述THV外部。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述塞子啮合系统包含至少一个连接至齿式棘轮的插脚，和塞子活塞，其中穿过所述内孔的塞子与所述至少一个插脚的啮合将所述齿式棘轮向前移动一跨齿距。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述齿式棘轮可被预设以在触发所述对应于穿过所述内孔的塞子总数的第一液压事件之前行进多倍的所述跨齿距。

4.如权利要求3所述的系统，其中当所述齿式棘轮已行进了预设距离时，所述塞子计数系统允许液压流体从所述内孔穿过以对所述塞子活塞加压并导致所述塞子活塞向井下运动。

5.如权利要求4所述的系统，其进一步包括在所述塞子计数系统和所述塞子捕获系统之间的第一液压通道，且其中所述塞子活塞向井下运动打开所述第一液压通道从而允许液压流体流至所述塞子捕获系统内的塞子捕获活塞，且其中所述塞子捕获活塞响应于穿过所述第一液压通道的液压流体的所述流动而导致所述塞子捕获活塞向井下运动。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述塞子捕获活塞向井下运动将所述塞子捕获系统内所述内孔的一部分变窄从而防止塞子穿过所述塞子捕获系统。

7.如权利要求6所述的系统，其进一步包括可操作地连接至所述塞子捕获系统的塞子捕获锁，所述塞子捕获锁用于与所述塞子捕获活塞啮合以防止所述塞子捕获活塞向井上大幅运动。

8.如权利要求7所述的系统，其进一步包括阀活塞，且其中当所述塞子捕获系统已滞留住一个塞子时，所述阀活塞暴露于所述内孔内的液压流体使得所述阀系统向井下运动打开一个阀。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述塞子计数系统包含处理器以及电源系统，所述电源系统可操作地连接至塞子啮合系统并连接至电磁阀和/或电动马达以控制液压流体穿过液压通道的流动，其中所述处理器计数穿过所述内孔的塞子，且当计数到预设数目的塞子时，所述处理器打开所述电磁阀和/或电动马达从而触发所述第一液压事件。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述塞子啮合系统包含至少一个活动插脚，其与电路可操作地啮合，其中塞子穿过所述内孔时，所述塞子与所述至少一个插脚的啮合将所述插脚进行移动且与所述电路连接或断开，并将信号发送至所述处理器即有塞子穿过。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述塞子啮合系统包含两个活动插脚，其在所述内孔中纵向隔开，每个插脚与电路可操作地啮合，所述两个插脚允许所述处理器确定塞子已在所述内孔中移动的方向。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述两个插脚纵向隔开以允许穿过的塞子在啮合一个插脚之前与其中另一个所述插脚脱离。

13.如权利要求11所述的系统，其中所述两个插脚沿着所述内孔彼此异相。

14.如权利要求9所述的系统，其中所述处理器确定已计数所述预设数目的塞子和所述第一液压事件的所述触发之间的时间是可编程的。

15.一种管式液压阀系统，其用于连接至油管柱以隔离油井内的目的层，从而到达井下岩层来压裂所述目的层并进行油气开采，所述管式液压阀系统包括：

外套筒，其具有井上和井下连接器用于将所述管式液压阀系统附接至油管柱，所述外套筒含有：

位于所述外套筒内的塞子计数系统，所述塞子计数系统具有：

至少一个塞子相互作用表面，其用于检测塞子经过所述塞子计数系统的运动；以及

液压激活系统，其可操作以在预设数目的塞子已移动经过所述塞子计数系统时激活塞子抓取系统，使得触发第一液压事件的同一塞子也被所述塞子抓取系统滞留；

其中所述塞子抓取系统可操作地连接至所述塞子计数系统且响应于所述液压激活系统而激活套爪总成并由此将塞子滞留在所述塞子抓取系统内并将所述油管柱的井下区段与所述油管柱的井上区段在所述塞子处密封；以及

阀系统，其可操作地连接至所述塞子抓取系统，所述阀系统包含可操作地连接至所述外套筒中至少一个开口的阀，且其中所述阀系统响应于液压流体压力而在塞子被滞留于所述塞子抓取系统中时打开所述阀。

16.一种用于激活完井管柱中液压阀的方法，所述完井管柱具有多个如权利要求1所述的管式液压阀(THV)以及并入其中的对应的封隔器元件，包括以下步骤：

a)将所述完井管柱加压至第一压力以将所述封隔器元件设置在所述油井内；

b)将所述完井管柱内的所述压力增大至足以使THV内第一剪脚破裂的第二压力水平；

c)将塞子掉落进所述完井管柱，所述塞子用于与每个THV内的塞子计数系统连续啮合，且其中如果塞子与THV的啮合触发了第一液压事件，那么所述第一剪脚破裂以进行所述THV内的塞子捕获和阀打开，使得触发所述第一液压事件的同一塞子也被塞子捕获系统捕获；以及

d)将所述完井管柱内的所述压力增大至第三压力水平以进行油井压裂。

17.如权利要求16所述的方法，其中针对所述完井管柱内的每个THV重复步骤b)-d)中的每一个。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述第一、第二和第三压力水平中的每一个分别为1500-2500psi、2500-4000psi和4000-10000。

19.一种用于激活完井管柱中液压阀的方法，所述完井管柱具有多个如权利要求1所述的管式液压阀(THV)，包括以下步骤：

a)将所述完井管柱内的压力增大至足以打开所述完井管柱内的下部液压阀的第一压力水平；

b)将所述完井管柱内的所述压力增大至足以使THV内第一剪脚破裂的第二压力水平；

c)将塞子掉落进所述完井管柱，所述塞子用于与每个THV内的塞子计数系统连续啮合，且其中如果塞子与THV的啮合触发了第一液压事件，那么所述第一剪脚破裂以进行所述THV内的塞子捕获和阀打开，使得触发所述第一液压事件的同一塞子也被塞子捕获系统捕获；以及

d)将所述完井管柱内的所述压力增大至第三压力水平以进行油井压裂。

Claims (19)

1.一种管式液压阀(THV)系统，其用于连接至油管柱从而对油井内目的层进行隔离，允许到达井下岩层从而压裂所述目的层并进行油气开采，所述THV具有允许塞子穿过所述THV的内孔，所述THV包括：

塞子计数系统，其具有用于连接至油管柱的井上端，以及塞子啮合系统，其用于与穿过所述内孔的塞子啮合，所述塞子啮合系统用于对穿过所述塞子计数系统的连续塞子进行计数并用于在达到穿过所述内孔的塞子的预设数目时触发第一液压事件；

塞子捕获系统，其可操作地连接至所述塞子计数系统，所述塞子计数系统响应于所述第一液压事件以在所述第一液压事件被触发时进行所述THV内的塞子捕获；

阀系统，其可操作地连接至所述塞子计数系统以及塞子捕获系统，所述阀系统包含阀，其响应于塞子捕获而打开所述阀以允许流体从所述内孔流至所述THV外部。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述塞子啮合系统包含至少一个连接至齿式棘轮的插脚，和塞子活塞，其中穿过所述内孔的塞子与所述至少一个插脚的啮合将所述齿式棘轮向前移动一跨齿距。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述齿式棘轮可被预设以在触发所述对应于穿过所述内孔的塞子总数的第一液压事件之前行进多倍的所述跨齿距。

4.如权利要求3所述的系统，其中当所述齿式棘轮已行进了预设距离时，所述塞子计数系统允许液压流体从所述内孔穿过以对所述塞子活塞加压并导致所述塞子活塞向井下运动。

5.如权利要求4所述的系统，其进一步包括在所述塞子计数系统和所述塞子捕获系统之间的第一液压通道，且其中所述塞子活塞向井下运动打开所述第一液压通道从而允许液压流体流至所述塞子捕获系统内的塞子捕获活塞，且其中所述塞子捕获活塞响应于穿过所述第一液压通道的液压流体的所述流动而导致所述塞子捕获活塞向井下运动。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述塞子捕获活塞向井下运动将所述塞子捕获系统内所述内孔的一部分变窄从而防止塞子穿过所述塞子捕获系统。

7.如权利要求6所述的系统，其进一步包括可操作地连接至所述塞子捕获系统的塞子捕获锁，所述塞子捕获锁用于与所述塞子捕获活塞啮合以防止所述塞子捕获活塞向井上大幅运动。

8.如权利要求7所述的系统，其进一步包括阀活塞，且其中当所述塞子捕获系统已滞留住一个塞子时，所述阀活塞暴露于所述内孔内的液压流体使得所述阀系统向井下运动打开一个阀。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述塞子计数系统包含处理器以及电源系统，所述电源系统可操作地连接至塞子啮合系统并连接至电磁阀和/或电动马达以控制液压流体穿过液压通道的流动，其中所述处理器计数穿过所述内孔的塞子，且当计数到预设数目的塞子时，所述处理器打开所述电磁阀和/或电动马达从而触发所述第一液压事件。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述塞子啮合系统包含至少一个活动插脚，其与电路可操作地啮合，其中塞子穿过所述内孔时，所述塞子与所述至少一个插脚的啮合将所述插脚进行移动且与所述电路连接或断开，并将信号发送至所述处理器即有塞子穿过。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述塞子啮合系统包含两个活动插脚，其在所述内孔中纵向隔开，每个插脚与电路可操作地啮合，所述两个插脚允许所述处理器确定塞子已在所述内孔中移动的方向。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述两个插脚纵向隔开以允许穿过的塞子在啮合一个插脚之前与其中另一个所述插脚脱离。

13.如权利要求11所述的系统，其中所述两个插脚沿着所述内孔彼此异相。

14.如权利要求9所述的系统，其中所述处理器确定已计数所述预设数目的塞子和所述第一液压事件的所述触发之间的时间是可编程的。

15.一种管式液压阀系统，其用于连接至油管柱以隔离油井内的目的层，从而到达井下岩层来压裂所述目的层并进行油气开采，所述管式液压阀系统包括：

外套筒，其具有井上和井下连接器用于将所述管式液压阀系统附接至油管柱，所述外套筒含有：

位于所述外套筒内的塞子计数系统，所述塞子计数系统具有：

至少一个塞子相互作用表面，其用于检测塞子经过所述塞子计数系统的运动；以及

液压激活系统，其可操作以在预设数目的塞子已移动经过所述塞子计数系统时激活塞子抓取系统；

其中所述塞子抓取系统可操作地连接至所述塞子计数系统且响应于所述液压激活系统而激活塞子滞留表面并由此将塞子滞留在所述塞子抓取系统内并将所述油管柱的井下区段与所述油管柱的井上区段在所述塞子处密封；以及

阀系统，其可操作地连接至所述塞子抓取系统，所述阀系统包含可操作地连接至所述外套筒中至少一个开口的阀，且其中所述阀系统响应于液压流体压力而在塞子被滞留于所述塞子抓取系统中时打开所述阀。

16.一种用于激活完井管柱中液压阀的方法，所述完井管柱具有多个如权利要求1所述的管式液压阀(THV)以及并入其中的对应的封隔器元件，包括以下步骤：

a)将所述完井管柱加压至第一压力以将所述封隔器元件设置在所述油井内；

b)将所述完井管柱内的所述压力增大至足以使THV内第一剪脚破裂的第二压力水平；

c)将塞子掉落进所述完井管柱，所述塞子用于与每个THV内的塞子计数系统连续啮合，且其中如果塞子与THV的啮合触发了第一液压事件，那么所述第一剪脚破裂以进行所述THV内的塞子捕获和阀打开；以及

d)将所述完井管柱内的所述压力增大至第三压力水平以进行油井压裂。

17.如权利要求16所述的方法，其中针对所述完井管柱内的每个THV重复步骤b)-d)中的每一个。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述第一、第二和第三压力水平中的每一个分别为1500-2500psi、2500-4000psi和4000-10000。

19.一种用于激活完井管柱中液压阀的方法，所述完井管柱具有多个如权利要求1所述的管式液压阀(THV)，包括以下步骤：

a)将所述完井管柱内的压力增大至足以打开所述完井管柱内的下部液压阀的第一压力水平；

b)将所述完井管柱内的所述压力增大至足以使THV内第一剪脚破裂的第二压力水平；

c)将塞子掉落进所述完井管柱，所述塞子用于与每个THV内的塞子计数系统连续啮合，且其中如果塞子与THV的啮合触发了第一液压事件，那么所述第一剪脚破裂以进行所述THV内的塞子捕获和阀打开；以及

d)将所述完井管柱内的所述压力增大至第三压力水平以进行油井压裂。