CN108756812B - 多级压裂滑套 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多级压裂滑套，沿着压裂管从上到下设有压裂环、球座支座、第一滑动环和限位环，压裂环、球座支座、第一滑动环均与压裂管滑动连接，其中压裂环在自然状态下对压裂管的压裂孔形成密封封堵，球座支座与压裂管之间通过第一剪断销连接，在第一滑动环与限位环之间设有第一弹簧，限位环对第一滑动环的轴向位置形成限位；在球座支座内设有多瓣球座，当多瓣球座向下滑动时，多瓣球座之间的通过截面的直径变大；在多瓣球座的下方设有第二滑动环，第二滑动环与第一滑动环滑动连接，第二滑动环与第一滑动环之间通过第二剪断销连接。通过采用两级剪断的结构，简化了结构，能够实现多级压裂施工，并且不用缩小内径。

Description

多级压裂滑套
技术领域
本发明涉及油气田老井二次开发及非常规能源开发过程中井下施工设备领域，特别是一种多级压裂滑套。
背景技术
为了进一步挖掘油气田生产井的生产能力、提高页岩气生产井或者地热开发井的生产效率，保持产量，需要在生产井的生产周期内将对部分井进行诸如压裂处理，由于产层埋于几百到几千米的地层深处，分为很多个层系，受各种因素影响，各层间不可避免的存在着差异，要想最大限度发挥各层的潜力，需要尽可能地对各单层进行处理，以往的分级方法主要是采用球座式，即自上而下球座的内径越来越小。严重制约了酸化压裂级数的增加和规模的提升。
现有技术的技术方案：以国外分段压裂分段级数看，一般0.125in（3.175mm）为一级，最小内径1.25in（31.75mm），若采用的是2 7/8in×5.5mm规格油管，最大只能排到52.5mm（球比球座大0.25in即6.35mm）也就是说，按如此排列，在2 7/8in×5.5mm规格油管内只能排出6.5级，最多7级。
中国专利文献，CN 105089601 A记载了一种无限级滑套及工艺方法，采用分瓣爪的密封位移机构解决了该技术问题，液流通道的内径保持一致，不以牺牲内径为代价。理论上能够实现多级压裂。但是该结构较为复杂，使用可靠性难以确保。
更进一步的，现有技术中对于高温油气储层、干热岩体的地热或地底温度调节的需求对于压裂施工也提出了更高的要求，例如希望能够在一个压裂节实现多次的压裂施工，现有技术中未见较为成熟的解决方案。又例如，现有技术中需要更高的压裂压力，如需要达到60MPa，而投球与球座之间存在难以密封的间隙，例如各个分瓣爪沿圆周之间的间隙，这些间隙使压力的提升较为困难。因此需要设计一种在保障滑套内管孔径的前提下，能够精确控制且实现多次开启的压裂滑套来确保压裂工艺的进行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多级压裂滑套，能够实现多级套接，且结构紧凑简洁，操作方便，优选的方案中，能够在一个压裂节实现多次的压裂施工，能够提升压裂施工的压力。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多级压裂滑套，它包括接头件，压裂管和两级剪断滑移装置；
沿着压裂管从上到下设有压裂环、球座支座、第一滑动环和限位环构成一级剪断滑移装置，压裂环、球座支座、第一滑动环均与压裂管滑动连接，其中压裂环在自然状态下对压裂管的压裂孔形成密封封堵，球座支座与压裂管之间通过至少一个第一剪断销连接，在第一滑动环与限位环之间设有第一弹簧，限位环对第一滑动环的轴向位置形成限位；
在球座支座内设有多个可滑动的多瓣球座，球座支座与可滑动的多瓣球座之间为斜面配合，当多瓣球座向下滑动时，多瓣球座之间的通过截面的直径变大；
在多瓣球座的下方设有第二滑动环，第二滑动环与第一滑动环滑动连接，第二滑动环与第一滑动环之间通过第二剪断销连接。
优选的方案中，第二剪断销的总剪断力大于第一剪断销的总剪断力。
优选的方案中，所述的第二剪断销与第二滑动环之间设有第三弹簧，以使第二剪断销趋于向外弹出与第一滑动环连接。
优选的方案中，在第一滑动环上设有多个与第二剪断销连接的第二剪断销孔，第二剪断销孔分为多组，沿着第一滑动环的轴向方向，多组的第二剪断销孔交错分布；
在第二滑动环与第一滑动环之间设有第二弹簧。
优选的方案中，多组的第二剪断销孔之间的交错距离小于压裂环滑动开启压裂孔的行程。
优选的方案中，压裂环与球座支座连接，压裂环与压裂管在压裂孔的上游之间设有第一密封圈。
优选的方案中，在球座支座的上端面设有筒形座，筒形座与投球的外壁形成密封结构。
优选的方案中，所述的投球为球体或两端为缩径曲面中间设有圆柱段的块体。
优选的方案中，第一滑动环的外壁设有一级阶台，限位环的内壁设有一级阶台，第一弹簧位于两个阶台之间，限位环的上端面与第一滑动环的阶台构成轴向限位结构。
优选的方案中，第二滑动环的顶部设有扩径的环状结构，第二剪断销活动安装在所述的环状结构内；
在第一滑动环的内壁设有两级阶台，上部的阶台与环状结构之间构成轴向限位结构，下部的阶台用于安装第二弹簧。
本发明提供的一种多级压裂滑套，通过采用两级剪断的结构，大幅简化了现有技术中压裂滑套的结构，能够实现多级压裂施工，并且不用缩小内径。优选的方案中，设置的交错分布的第二剪断销孔能够在第二滑动环复位后，以不同高度的第二剪断销孔再次连接，并再次剪断，从而实现多次压裂施工。设置的筒形座的结构，使球座支座与投球之间直接形成密封结构，大幅降低对多瓣球座圆周之间间隙的密封要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明剖面结构示意图。
图2为本发明的第二滑动环外壁和第一滑动环内壁沿圆周展开的结构示意图。
图3为本发明的半剖面结构示意图。
图4为本发明中球座支座和多瓣球座的俯视图。
图5为本发明的主视图。
图6为本发明中多瓣球座其中一瓣的立体图。
图7为本发明中球座支座的立体图。
图中：上接头1，压裂管2，第一密封圈3，筒形座4，压裂环5，球座支座6，多瓣球座7，第三弹簧8，第二剪断销9，第二滑动环10，第二弹簧11，第一滑动环12，第二密封圈13，第一弹簧14，限位环15，第三密封环16，下接头17，投球18，压裂孔19，第二剪断销孔21。
具体实施方式
实施例1：
如图1中，一种多级压裂滑套，它包括接头件，例如图1中的上接头1和下接头17，压裂管2和两级剪断滑移装置；在压裂管2的外壁设有沿圆周分布的压裂孔19。
沿着压裂管2从上到下设有压裂环5、球座支座6、第一滑动环12和限位环15构成一级剪断滑移装置，压裂环5、球座支座6、第一滑动环12均与压裂管2滑动连接，压裂环5、球座支座6和第一滑动环12之间固定连接，优选的，压裂环5与球座支座6之间为螺纹连接或过盈配合连接，球座支座6与第一滑动环12之间为螺纹连接或过盈配合连接。其中压裂环5在自然状态下对压裂管2的压裂孔19形成密封封堵，而在工作状态，受液压介质对投球18推力的影响，压裂管2将压裂孔19开启，球座支座6与压裂管2之间通过至少一个第一剪断销20连接，在第一滑动环12与限位环15之间设有第一弹簧14，限位环15对第一滑动环12的轴向位置形成限位；
如图1、6、7所示，在球座支座6内设有可滑动的多瓣球座7，球座支座6与可滑动的多瓣球座7之间为斜面配合，本例中的多瓣球座7为三瓣的结构，三瓣的多瓣球座7整体构成一个圆环。在多瓣球座7的背面设有凸起部，球座支座6的内壁设有滑槽，凸起部在滑槽内滑动，以起到限位的效果。在球座支座6的内壁设有内斜面，在多瓣球座7的外壁设有外斜面。当多瓣球座7向下滑动时，多瓣球座7之间的多瓣结构沿着径向张开，多瓣球座7之间的通过截面的直径变大，以使投球18能够通过至下一级的压裂滑套；
在多瓣球座7的下方设有第二滑动环10，第二滑动环10对多瓣球座7的轴向位置实现限位，第二滑动环10与第一滑动环12滑动连接，在第二滑动环10与第一滑动环12之间设有第二密封圈13。第二滑动环10与第一滑动环12之间通过第二剪断销9连接。优选的方案中，第二剪断销9的总剪断力大于第一剪断销20的总剪断力。由此结构，当下入井中后，投入投球18，投球18到达球座支座6的位置，被多瓣球座7限位，继续通入压力介质，此时的压力值为第一压力，例如5-10MPa，第一压力作用在投球18上足以使第一剪断销20被剪断，球座支座6带动压裂环5和第一滑动环12下行，并将第一剪断销20剪断，压缩第一弹簧14，使压裂孔19开启，实现对油气层进行压裂施工。当压裂施工完成，继续通入压力介质，此时压力值为第二压力，例如15-20MPa，投球18带动多瓣球座7下行，第二弹簧11压缩，多瓣球座7在下行过程中，将通孔直径扩大，直到足以使投球18通过，当投球18通过多瓣球座7，在第二弹簧11和第一弹簧14的作用下，压裂环5、球座支座6、多瓣球座7、第二滑动环10和第一滑动环12复位，该节上的压裂孔19重新被封堵。
实施例2：
在实施例1的基础上，优选的方案如图1、3中，所述的第二剪断销9与第二滑动环10之间设有第三弹簧8，以使第二剪断销9趋于向外弹出与第一滑动环12连接。由此结构，使第二剪断销9能够再次与第一滑动环12连接，从而便于再次被剪断，实现二次压裂操作。
实施例3：
在实施例1或2的基础上，更进一步优选的方案如图2中，在第一滑动环12上设有多个与第二剪断销9连接的第二剪断销孔21，第二剪断销孔21分为多组，沿着第一滑动环12的轴向方向，多组的第二剪断销孔21交错分布，在第二滑动环10与第一滑动环12之间设有第二弹簧11。由此结构，使每次压裂操作后，不同组之间的第二剪断销9与第二剪断销孔21互相连接，从而实现更为可靠的再次压裂操作。本例中，首先使最下方的一组的第二剪断销9与第二剪断销孔21互相连接，在复位后再连接上方一组，直至最顶部。本例与实施例2的组合能够实现多次的压裂施工，优选是2-3次。
优选的方案如图1、2中，多组的第二剪断销孔21之间的交错距离小于压裂环5滑动开启压裂孔19的行程。如图1和2中的h。
实施例4：
在实施例1~3的基础上，优选的方案中，压裂环5与球座支座6连接，压裂环5与压裂管2在压裂孔19的上游之间设有第一密封圈3。
优选的方案中，在球座支座6的上端面设有筒形座4，筒形座4与投球18的外壁形成密封结构。由此结构，降低对多瓣球座7之间密封的要求，从而能够承受更大压力的压力介质。可选的方案中，筒形座4与球座支座6之间为一体结构，由此结构，便于加工和安装，如图1中所示。另一可选的方案中，筒形座4与球座支座6之间为分体结构，筒形座4与压裂环5通过螺纹或过盈配合固定连接，压裂环5再与球座支座6通过螺纹或过盈配合固定连接。由此结构，便于采用较软的材质例如铜、或铜合金来制作筒形座4，以提高密封效果。
优选的方案中，所述的投球18为球体，如图1中所示。或者两端为缩径曲面中间设有圆柱段的块体，如图3中所示。由此结构，能够实现投球18与筒形座4之间更佳的密封。
优选的方案中，第一滑动环12的外壁设有一级阶台，限位环15的内壁设有一级阶台，第一弹簧14位于两个阶台之间，限位环15的上端面与第一滑动环12的阶台构成轴向限位结构。
优选的方案中，第二滑动环10的顶部设有扩径的环状结构，第二剪断销9活动安装在所述的环状结构内；
在第一滑动环12的内壁设有两级阶台，上部的阶台与环状结构之间构成轴向限位结构，下部的阶台用于安装第二弹簧11。
当下入井中后，投入投球18，投球18到达球座支座6的位置，并与筒形座4形成密封，被多瓣球座7限位，继续通入压力介质，此时的压力值为第一压力，例如5-10MPa，第一压力作用在投球18上足以使第一剪断销20被剪断，球座支座6带动压裂环5和第一滑动环12下行，并将第一剪断销20剪断，压缩第一弹簧14，使压裂孔19开启，实现对油气层进行压裂施工。当压裂施工完成，继续通入压力介质，此时压力值为第二压力，例如15-20MPa，投球18带动多瓣球座7下行，第二弹簧11压缩，多瓣球座7在下行过程中，将通孔直径扩大，直到足以使投球18通过，当投球18通过多瓣球座7，在第二弹簧11和第一弹簧14的作用下，压裂环5、球座支座6、多瓣球座7、第二滑动环10和第一滑动环12复位，该节上的压裂孔19重新被封堵，由于第一滑动环12上的第二剪断销孔21为交错布置，在复位时，另一组的第二剪断销9与第二剪断销孔21互相连接，等待下次的压裂施工。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多级压裂滑套，其特征是：它包括接头件，压裂管（2）和两级剪断滑移装置；
沿着压裂管（2）从上到下设有压裂环（5）、球座支座（6）、第一滑动环（12）和限位环（15）构成一级剪断滑移装置，压裂环（5）、球座支座（6）、第一滑动环（12）均与压裂管（2）滑动连接，其中压裂环（5）在自然状态下对压裂管（2）的压裂孔（19）形成密封封堵，球座支座（6）与压裂管（2）之间通过至少一个第一剪断销（20）连接，在第一滑动环（12）与限位环（15）之间设有第一弹簧（14），限位环（15）对第一滑动环（12）的轴向位置形成限位；
在球座支座（6）内设有可滑动的多瓣球座（7），球座支座（6）与可滑动的多瓣球座（7）之间为斜面配合，当多瓣球座（7）向下滑动时，多瓣球座（7）之间的通过截面的直径变大；
在多瓣球座（7）的下方设有第二滑动环（10），第二滑动环（10）与第一滑动环（12）滑动连接，第二滑动环（10）与第一滑动环（12）之间通过第二剪断销（9）连接。
2.根据权利要求1所述的一种多级压裂滑套，其特征是：第二剪断销（9）的总剪断力大于第一剪断销（20）的总剪断力。
3.根据权利要求1或2所述的一种多级压裂滑套，其特征是：所述的第二剪断销（9）与第二滑动环（10）之间设有第三弹簧（8），以使第二剪断销（9）趋于向外弹出与第一滑动环（12）连接。
4.根据权利要求3所述的一种多级压裂滑套，其特征是：在第一滑动环（12）上设有多个与第二剪断销（9）连接的第二剪断销孔（21），第二剪断销孔（21）分为多组，沿着第一滑动环（12）的轴向方向，多组的第二剪断销孔（21）交错分布；
在第二滑动环（10）与第一滑动环（12）之间设有第二弹簧（11）。
5.根据权利要求4所述的一种多级压裂滑套，其特征是：多组的第二剪断销孔（21）之间的交错距离小于压裂环（5）滑动开启压裂孔（19）的行程。
6.根据权利要求1所述的一种多级压裂滑套，其特征是：压裂环（5）与球座支座（6）连接，压裂环（5）与压裂管（2）在压裂孔（19）的上游之间设有第一密封圈（3）。
7.根据权利要求1~2、4~6任一项所述的一种多级压裂滑套，其特征是：在球座支座（6）的上端面设有筒形座（4），筒形座（4）与投球（18）的外壁形成密封结构。
8.根据权利要求7所述的一种多级压裂滑套，其特征是：所述的投球（18）为球体或两端为缩径曲面中间设有圆柱段的块体。
9.根据权利要求1所述的一种多级压裂滑套，其特征是：第一滑动环（12）的外壁设有一级阶台，限位环（15）的内壁设有一级阶台，第一弹簧（14）位于两个阶台之间，限位环（15）的上端面与第一滑动环（12）的阶台构成轴向限位结构。
10.根据权利要求1所述的一种多级压裂滑套，其特征是：第二滑动环（10）的顶部设有扩径的环状结构，第二剪断销（9）活动安装在所述的环状结构内；
在第一滑动环（12）的内壁设有两级阶台，上部的阶台与环状结构之间构成轴向限位结构，下部的阶台用于安装第二弹簧（11）。
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