CN108590615B - 一种多级压裂投球控制工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种多级压裂投球控制工具，这种多级压裂投球控制工具包括压裂口控制部分和可变径球座控制部分，压裂口控制部分受可变径球座控制部分控制，压裂口控制部分包括缸筒Ⅰ，压裂滑套中部有滑套孔，胶筒轴与压裂滑套之间有环形腔，滑套孔与环形腔相通，胶筒轴孔一端与所述环形腔相通，胶筒轴孔另一端与顶筒内腔相通；可变径球座安装在缸筒Ⅰ内，可变径球座为一“C”型圆环，可变径球座与压裂滑套底座接触部分为锥形斜面，活塞上端连接可变径球座；可变径球座控制部分包括开关环底座，开关环对开关环底座中L型压裂液通道的启闭控制利用扭簧的作用实现。本发明避免因投球次序错误而导致的压裂作业失败，降低了压裂作业中操作错误风险。

Description

一种多级压裂投球控制工具

技术领域：

本发明涉及的是石油工业中采油机械设备技术领域，具体涉及的是一种多级压裂投球控制工具。

背景技术：

目前，油田储层品质由相对优质化向劣质化转变，低渗透、超低渗透油气储量正成为我国各主力油田上的生产主体。同时，在页岩气、致密油气等非常规油气的开发问题上，都需要采用压裂技术。针对投球控制式压裂工具，一直以来，因压裂球尺寸的限制，致使一趟管柱压裂的层数受到严重限制，此前，有人提出采用可变径球座解决压裂球尺寸限制问题，但因变径球座控制采用导管结构，限制了装置其他结构尺寸，无法满足实际运用要求。

发明内容：

本发明的目的是提供一种多级压裂投球控制工具，这种多级压裂投球控制工具用于解决现有投球式压裂工具的压裂层数受限制问题，可提高整体压裂作业效率，缩短施工周期。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种多级压裂投球控制工具包括压裂口控制部分和可变径球座控制部分，压裂口控制部分与可变径球座控制部分靠缸筒Ⅱ连接；

压裂口控制部分包括缸筒Ⅰ，缸筒Ⅰ上部连接顶筒，胶筒轴上端连接上接头，胶筒轴下端设置于顶筒与缸筒Ⅰ之间，且胶筒轴下端紧固在缸筒Ⅰ外，多个胶筒依次套置于胶筒轴外，上端的胶筒顶在上接头下，下端的胶筒抵在顶筒上，压裂滑套设置于胶筒轴内，压裂滑套上端通过剪钉与上接头连接，压裂滑套下端安装在压裂滑套底座上，压裂滑套底座安装在缸筒Ⅰ内，压裂滑套中部有滑套孔，胶筒轴与压裂滑套之间有环形腔，滑套孔与环形腔相通，胶筒轴上有胶筒轴孔，胶筒轴孔一端与所述环形腔相通，胶筒轴孔另一端与顶筒内腔相通；可变径球座安装在缸筒Ⅰ内，可变径球座为一“C”型圆环，可变径球座与压裂滑套底座接触部分为锥形斜面， 活塞上端连接可变径球座，活塞上端下端位于缸筒Ⅱ与内筒之间的环形空间内；

可变径球座控制部分包括开关环底座、下接头，开关环底座为两端开放的筒体，开关环底座安装在缸筒Ⅱ下部，开关环底座下端与下接头连接；开关环底座有环槽，开关环内套固定在开关环内，开关环内套和开关环位于环槽内，开关环内套对应的环槽槽底处具有顶杆通孔，顶杆通孔均布于开关环底座圆周面上，顶杆的一端具有顶杆帽，顶杆穿过开关环内套伸入到开关环底座内腔，顶杆帽卡在开关环内套的顶杆槽内，顶杆上固定有挡板，弹簧缠绕在顶杆外且位于挡板与开关环内套之间，开关环内套设置有环形的顶杆通道，开关环内套外壁沿同一圆周面均匀设置多个顶杆槽；扭簧一端连接开关环，扭簧另一端安装在开关环底座上；开关环沿圆周面均匀设置有开关孔，开关环底座具有L型压裂液通道，L型压裂液通道一端与所述环形空间相通，L型压裂液通道另一端与各开关孔位于同一圆周面上。

上述方案中开关环内套为分体的，由上部环套和下部瓦套构成，环套固定在开关环上，环套下端沿圆周面均匀设置弧形槽，瓦套由四块瓦片分别固定在开关环上构成，四块瓦片沿圆周面均匀分布，瓦套上端沿圆周面也均匀设置弧形槽，环套的弧形槽与瓦套的弧形槽一一对应，构成一个个顶杆槽；环套与瓦套之间的环形间隔为顶杆通道。由于瓦套为分片的，方便了顶杆、挡板、弹簧的安装。

上述方案中开关环内套内壁设置有摩擦内衬，保护开关环内套在旋转时不受开关环底座的摩擦，延长开关环内套的使用寿命。

上述方案中开关环内套上端面与开关环底座之间设置有垫片，开关环内套下端面设置卡圈。

上述方案中开关环下端面与下接头之间设置垫片。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明运用可变径球座，解除了现有投球式压裂工具一趟管柱的压裂层数受压裂球尺寸限制的问题，在理论上可以实现无限极压裂，缩短了整体压裂作业时间，提高了工作效率。

2、本发明主体采用投球控制式，将以往投球控制式压裂工具的优点全部继承，并拥有之前投球控制式压裂工具所不具备的优点，不需要考虑每次投球顺序，避免因投球次序错误而导致的压裂作业失败，降低了压裂作业中操作错误风险，为压裂工人减轻了劳动强度。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图。

图2是本发明中可变径球座控制部分结构示意图。

图3是本发明中开关环立体图。

图4是本发明中开关环剖面图。

图5是本发明中开关环内套的结构示意图。

1-上接头、2-压裂滑套、3-胶筒轴、4-胶筒、5-顶筒、6-压裂滑套底座、7-活塞、8-缸筒Ⅱ、9-开关环底座、10-开关环、11-开关孔、12-开关环内套、13- L型压裂液通道、14-扭簧、15-下接头、16-环套、17-瓦套、18-弹簧、19-顶杆、20-挡板、21-内筒、22-缸筒Ⅰ、23-可变径球座、24-隔环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1、图2、图3、图4所示，这种多级压裂投球控制工具包括压裂口控制部分和可变径球座控制部分，压裂口控制部分受可变径球座控制部分控制，压裂口控制部分与可变径球座控制部分靠缸筒Ⅱ8连接。

压裂口控制部分包括缸筒Ⅰ22，缸筒Ⅰ22上部连接顶筒5，胶筒轴3上端连接上接头1，胶筒轴3下端设置于顶筒5与缸筒Ⅰ22之间，且胶筒轴3下端紧固在缸筒Ⅰ22外，多个胶筒4依次套置于胶筒轴3外，胶筒4之间通过隔环24隔开，上端的胶筒4顶在上接头1下，胶筒4顶与上接头1之间设置顶环，下端的胶筒4抵在顶筒5上，胶筒4与顶筒5之间设置保护环，压裂滑套2设置于胶筒轴3内，压裂滑套2上端通过剪钉与上接头1连接，封闭压裂口，开启时，需先剪断剪钉。压裂滑套2下端安装在压裂滑套底座6上，压裂滑套底座6安装在缸筒Ⅰ22内，压裂滑套2中部有滑套孔，胶筒轴3与压裂滑套2之间有环形腔，滑套孔与环形腔相通，胶筒轴3上有胶筒轴孔，胶筒轴孔一端与所述环形腔相通，胶筒轴孔另一端与顶筒5内腔相通，为安装在胶筒轴3上的顶筒5提供高压液体，产生推力，挤压胶筒4变形，进行坐封。可变径球座23安装在缸筒Ⅰ22内，可变径球座23为一“C”型圆环，可变径球座23与压裂滑套底座6接触部分为锥形斜面，它与压裂滑套底座6接触部分为锥形斜面，利用活塞7推力作用，使可变径球座23在压裂滑套底座6上运动，由“C”型变为“O”型，从而产生变径效果。活塞7上端连接可变径球座23，活塞7上端下端位于缸筒Ⅱ8与内筒21之间的环形空间内，缸筒Ⅱ8内壁作为活塞内腔一侧，可供活塞7上下滑动，另一侧由连接在开关环底座9上的内筒21提供。

可变径球座控制部分包括开关环底座9、下接头15，开关环底座9为两端开放的筒体，开关环底座9安装在缸筒Ⅱ8下部，开关环底座9下端与下接头15连接；开关环底座9有环槽，开关环内套12固定在开关环10内，开关环内套12和开关环10位于环槽内，开关环内套12对应的环槽槽底处具有顶杆通孔，顶杆通孔均布于开关环底座9圆周面上，顶杆19的一端具有顶杆帽，顶杆19穿过开关环内套12伸入到开关环底座9内腔，顶杆帽卡在开关环内套12的顶杆槽内，顶杆19上固定有挡板20，弹簧18缠绕在顶杆19外且位于挡板20与开关环内套12之间，开关环内套12设置有环形的顶杆通道，开关环内套12外壁沿同一圆周面均匀设置多个顶杆槽；扭簧14一端连接开关环10，扭簧14另一端安装在开关环底座9上；开关环10沿圆周面均匀设置有开关孔11，开关环底座9具有L型压裂液通道13，L型压裂液通道13一端与所述环形空间相通，L型压裂液通道13另一端与各开关孔11位于同一圆周面上。开关环10对开关环底座9中L型压裂液通道13的开启和关闭的控制利用扭簧14的作用旋转实现。开关环10转动的角度由固定在开关环10内侧的开关环内套12与安装在开关环底座9上的顶杆19控制。常规状态下，顶杆19由弹簧18的作用卡住开关环内套12，锁住开关环10，当压裂球通过开关环底座内腔时，压裂球会顶起顶杆19，解除开关环10的锁定，当开关环10转过一定角度后，顶杆19与开关环内套12的下一个卡位对齐时，顶杆19会在弹簧18的作用下恢复原位，锁住开关环10。

开关环内套12内壁设置有摩擦内衬，保护开关环内套12在旋转时不受开关环底座9的摩擦，延长开关环内套12的使用寿命。开关环内套12上端面与开关环底座9之间设置有垫片，开关环内套12下端面设置卡圈。开关环10下端面与下接头15之间设置垫片。

参阅图5，开关环内套12为分体的，由上部环套16和下部瓦套17构成，环套16固定在开关环10上，环套16下端沿圆周面均匀设置弧形槽，瓦套17由四块瓦片分别固定在开关环10上构成，四块瓦片沿圆周面均匀分布，瓦套17上端沿圆周面也均匀设置弧形槽，环套16的弧形槽与瓦套17的弧形槽一一对应，构成一个个顶杆槽；环套16与瓦套17之间的环形间隔为顶杆通道。由于瓦套17为分片的，方便了顶杆19、挡板20、弹簧18的安装。

本发明的工作原理为：首先根据需要压裂的地层层数，重复串接本发明装置，其具体串接数量比需要压裂的地层层数少一个，再调整开关环10位置，具体位置情况按最下层处于开启状态，上层比下层多转一个开关环10可以转动的最小角度，然后在串接好的装置最下端接入定压压裂阀以及其他辅助压裂工具，一同下入到预定压裂部位。加压完成坐封后，继续增加压力，打开定压压裂阀，完成最下层压裂，与此同时，因第二层压裂工具开关环10处于打开状态，从压裂口喷出的高压液体会经过开关孔11进入本发明装置的活塞7下部，推动活塞7上行，致使可变径球座23变形，即径向尺寸缩小。在最下层压裂完成后，投入压裂球，压裂球会在第二层变形了的可变径球座23处卡住，继续加压，会使第二层压裂滑套2处的剪钉剪断，最后压裂滑套2、压裂球、可变径球座23、压裂滑套底座6和活塞7在高压液体的作用下一同下移，打开第二层压裂口，完成第二层压裂。同时，在压裂球到达第二层变形了的可变径球座23处的过程中，由于处于开关环底座9上的顶杆一端在小球的通道处伸出，且此部分通道尺寸与压裂球直径尺寸相差很小，因此每次压裂球通过此部分通道时必会顶起顶杆19，解除开关环10的锁定，使开关环10在扭簧14的作用下旋转一个最小角度，在压裂球通过后，顶杆19会在弹簧18的作用下恢复原位，再次锁住开关环10。也即在压裂球到达第二层压裂部位的可变径球座23处时，其上层工具上的每一个开关环10都转过了相同的角度，即开关环10转动的最小角度，根据下入工具前开关环10位置的调整情况，在投入第一个压裂球后，第三层开关环10会被打开，因此在完成第二层压裂的同时会使第三层的可变径球座23变形，在完成第二层压裂后再次投入压裂球，其之后的工作过程与第二层的相同，依此循环下，这里不再赘述，最终完成整个压裂过程。

Claims (4)

1.一种多级压裂投球控制工具，其特征在于：这种多级压裂投球控制工具包括压裂口控制部分和可变径球座控制部分，压裂口控制部分与可变径球座控制部分靠缸筒Ⅱ（8）连接；

压裂口控制部分包括缸筒Ⅰ（22），缸筒Ⅰ（22）上部连接顶筒（5），胶筒轴（3）上端连接上接头（1），胶筒轴（3）下端设置于顶筒（5）与缸筒Ⅰ（22）之间，且胶筒轴（3）下端紧固在缸筒Ⅰ（22）外，多个胶筒（4）依次套置于胶筒轴（3）外，上端的胶筒（4）顶在上接头（1）下，下端的胶筒（4）抵在顶筒（5）上，压裂滑套（2）设置于胶筒轴（3）内，压裂滑套（2）上端通过剪钉与上接头（1）连接，压裂滑套（2）下端安装在压裂滑套底座（6）上，压裂滑套底座（6）安装在缸筒Ⅰ（22）内，压裂滑套（2）中部有滑套孔，胶筒轴（3）与压裂滑套（2）之间有环形腔，滑套孔与环形腔相通，胶筒轴（3）上有胶筒轴孔，胶筒轴孔一端与所述环形腔相通，胶筒轴孔另一端与顶筒内腔相通；可变径球座（23）安装在缸筒Ⅰ（22）内，可变径球座（23）为一“C”型圆环，可变径球座（23）与压裂滑套底座（6）接触部分为锥形斜面，活塞（7）上端连接可变径球座（23），活塞（7）上端下端位于缸筒Ⅱ（8）与内筒（21）之间的环形空间内；

可变径球座控制部分包括开关环底座（9）、下接头（15），开关环底座（9）为两端开放的筒体，开关环底座（9）安装在缸筒Ⅱ（8）下部，开关环底座（9）下端与下接头（15）连接；开关环底座（9）有环槽，开关环内套（12）固定在开关环（10）内，开关环内套（12）和开关环（10）位于环槽内，开关环内套（12）对应的环槽槽底处具有顶杆通孔，顶杆通孔均布于开关环底座（9）圆周面上，顶杆（19）的一端具有顶杆帽，顶杆（19）穿过开关环内套（12）伸入到开关环底座（9）内腔，顶杆帽卡在开关环内套（12）的顶杆槽内，顶杆（19）上固定有挡板（20），弹簧（18）缠绕在顶杆（19）外且位于挡板（20）与开关环内套（12）之间，开关环内套（12）设置有环形的顶杆通道，开关环内套（12）外壁沿同一圆周面均匀设置多个顶杆槽；扭簧（14）一端连接开关环（10），扭簧（14）另一端安装在开关环底座（9）上；开关环（10）沿圆周面均匀设置有开关孔（11），开关环底座（9）具有L型压裂液通道（13），L型压裂液通道（13）一端与所述环形空间相通，L型压裂液通道（13）另一端与各开关孔（11）位于同一圆周面上；

所述的开关环内套（12）为分体的，由上部环套（16）和下部瓦套（17）构成，环套（16）固定在开关环（10）上，环套（16）下端沿圆周面均匀设置弧形槽，瓦套（17）由四块瓦片分别固定在开关环（10）上构成，四块瓦片沿圆周面均匀分布，瓦套（17）上端沿圆周面也均匀设置弧形槽，环套（16）的弧形槽与瓦套（17）的弧形槽一一对应，构成一个个顶杆槽；环套（16）与瓦套（17）之间的环形间隔为顶杆通道；

压裂作业时，首先根据需要压裂的地层层数，重复串接这种多级压裂投球控制工具，其具体串接数量比需要压裂的地层层数少一个，再调整开关环（10）位置，具体位置情况按最下层处于开启状态，上层比下层多转一个开关环（10）转动的最小角度，然后在串接好的最下层多级压裂投球控制工具接入定压压裂阀以及其他辅助压裂工具，一同下入到预定压裂部位；加压完成坐封后，继续增加压力，打开定压压裂阀，完成最下层压裂，与此同时，因第二层压裂工具开关环（10）处于打开状态，从压裂口喷出的高压液体会经过开关孔（11）进入第二层多级压裂投球控制工具的活塞（7）下部，推动活塞（7）上行，致使可变径球座（23）变形，即径向尺寸缩小；在最下层压裂完成后，投入压裂球，压裂球会在第二层多级压裂投球控制工具变形了的可变径球座（23）处卡住，继续加压，使第二层多级压裂投球控制工具压裂滑套（2）处的剪钉剪断，最后多级压裂投球控制工具的压裂滑套（2）、压裂球、可变径球座（23）、压裂滑套底座（6）和活塞（7）在高压液体的作用下一同下移，打开第二层压裂口，完成第二层压裂；同时，在压裂球到达第二层多级压裂投球控制工具变形了的可变径球座（23）处的过程中，由于处于开关环底座（9）上的顶杆一端在小球的通道处伸出，且此部分通道尺寸与压裂球直径尺寸相差很小，因此每次压裂球通过此部分通道时必顶起顶杆（19），解除开关环（10）的锁定，使开关环（10）在扭簧（14）的作用下旋转一个最小角度，在压裂球通过后，顶杆（19）会在弹簧（18）的作用下恢复原位，再次锁住开关环（10），在压裂球到达第二层压裂部位的可变径球座（23）处时，其上层多级压裂投球控制工具上的每一个开关环（10）都转过了相同的角度，即开关环（10）转动的最小角度，根据下入工具前开关环（10）位置的调整情况，在投入第一个压裂球后，第三层多级压裂投球控制工具开关环（10）被打开，因此在完成第二层压裂的同时会使第三层的可变径球座（23）变形，在完成第二层压裂后再次投入压裂球，其之后的工作过程与第二层压裂的相同，依此循环，最终完成整个压裂过程。

2.根据权利要求1所述的多级压裂投球控制工具，其特征在于：所述的开关环内套（12）内壁设置有摩擦内衬。

3.根据权利要求2所述的多级压裂投球控制工具，其特征在于：所述的开关环内套（12）上端面与开关环底座（9）之间设置有垫片，开关环内套（12）下端面设置卡圈。

4.根据权利要求3所述的多级压裂投球控制工具，其特征在于：所述的开关环（10）下端面与下接头（15）之间设置垫片。

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