CN109415929B - 用于在水力压裂地下土壤层期间形成塞的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于在水力压裂地下土壤层期间形成塞的设备，包括顶部管状保持体，其在顶部端与底部端之间延伸并具有从其底部端延伸的截头圆锥形外表面。该设备还包括多个卡瓦瓣，这些卡瓦瓣位于保持体的外表面周围，每个卡瓦瓣在所述卡瓦瓣的顶部端与所述卡瓦瓣的底部端之间延伸，并且具有对应于保持体的外表面从所述卡瓦瓣的顶部端延伸的内表面以及适于摩擦地接合井筒的外部表面；以及密封元件，其位于保持体的外表面周围，在多个卡瓦瓣上方，适于通过多个卡瓦瓣朝向保持体的顶部端移位，从而密封保持体与井筒之间的环形空间。

Description

用于在水力压裂地下土壤层期间形成塞的设备

技术领域

本发明大体涉及烃生产，并且特别地涉及用于在井内定位压裂塞的方法和设备。

背景技术

在烃生产的领域中，水力压裂或“破裂”是通过用水、砂和化学品的水力增压流体来压裂围岩从而促进烃生产井的工艺。在破裂期间，通常需要隔离每个区域，以便仅将增压流体和砂提供到井内所需的位置。这是由于井很可能很长，并且因此，破裂整个井柱所需的泵送和材料因此将太大。

将井分成可管理区域的一种常用方法是在待破裂的区域下方提供塞，并且然后在该区域中用爆炸物等对井筒缸套进行穿孔。然后，可以将增压的流体和砂泵送到该位置以执行破裂。该工艺可以在从井的底部向上的连续步骤中重复，以连续地破裂所需的每个区域。一个常规类型的塞是环或座，其可以接合在井筒的内部上。然后，可以使球落下以接合在座上从而密封井筒。

常规的座的当前困难是复杂的部件数量，它们用于既接合井筒的内部又将座密封至其。另外，常见的常规座也具有它们可以经受的有限的压力，由于这些座在井筒壁上具有有限的抓力。此外，由于井筒通过座的限制，常规的座通常需要在完成破裂工艺之后从井筒铣出。

发明内容

根据本发明的第一实施方式，公开了一种用于在水力压裂地下土壤层期间形成塞的设备，包括顶部管状保持体，其在顶部端与底部端之间延伸并且具有从其底部端延伸的截头圆锥形外表面。该设备还包括多个卡瓦瓣，这些卡瓦瓣位于保持体的外表面周围，每个卡瓦瓣在顶部端与底部端之间延伸，并且具有对应于保持体的外表面从顶部端延伸的内表面以及适于摩擦地接合井筒的外部表面；以及密封元件，位于保持体的外表面周围，在多个卡瓦瓣上方，适于通过多个卡瓦瓣朝向保持体的顶部端移位，以便密封保持体与井筒之间的环形空间。

保持体的外表面可以由多个交替成角度区段和水平区段形成。多个卡瓦瓣的内表面可以包括多个交替成角度区段和水平区段，适于对应于保持体的外表面。

保持体可以包括穿过其的中心孔。中心孔可以形成球座，适于在其上保持球。

中心孔可以包括穿过其的可滑动地可移动塞。该可滑动地可移动塞可以接合在多个卡瓦瓣上，以将多个卡瓦瓣拉到保持体的外表面上。可滑动地可移动塞可以包括具有比多个卡瓦瓣更大直径的底部扩展部分。该可滑动地可移动塞可以包括顶部塞，该顶部塞适于在多个卡瓦瓣被拉过保持体上时与保持体中的座间隔开。该可滑动地可移动塞可以是可操作的，以可滑动地上下转移，以便抵靠座密封和解封顶部塞，从而允许流体流上井筒和防止流体向下流动通过井筒。

多个卡瓦瓣可以从环绕邻近密封元件的保持体的环延伸。多个卡瓦瓣可以包括在基本平行于保持体的中心轴线的方向上从其底部端延伸的突片。突片可以包括适于使紧固件穿过其的孔，用于固定到保持体内的安装(设置)工具。

设备还可以包括环绕多个卡瓦瓣的可选择地可扩展的环，以便将多个卡瓦瓣保持在缩回位置处，直到通过安装工具才扩展。可选择地可扩展的环可以包括穿过其的间隙，从而允许可选择地可扩展的环的径向扩展。可选择地可扩展的环可以包括易碎部分，从而允许可选择地可扩展的环的径向扩展。可选择地可扩展的环可以包括缩窄部分，从而在破坏了缩窄部分之后允许可选择地可扩展的环的径向扩展。

多个卡瓦瓣可以由可选择地可溶解的材料形成。多个卡瓦瓣可以由从选自钢和铝合金组成的组的材料形成。多个卡瓦瓣可以包括嵌入其中的井筒接合塞。

设备还可以包括适于穿过保持体的中心孔的安装工具。安装工具可以包括适于支撑在保持体的顶部边缘上的外部部分以及适于接合在多个卡瓦瓣的底部边缘上的内部部分，以便将多个卡瓦瓣拉向保持部分。内部部分可以包括拉动臂，该拉动臂适于接合多个卡瓦瓣的底部边缘。拉动臂可以包括倾斜的表面，该倾斜的表面适于接合多个卡瓦瓣的对应的倾斜表面。拉动臂可以是平行于保持体的轴线纵向悬伸的。安装工具的内部部分可以包括在其周围的传送(转移)套筒，该传送套筒具有适于接合在拉动臂的远端上的部分，以将拉动臂保持在径向扩展位置处，从而接合在多个卡瓦瓣上。传送套筒可以使用易碎连接器固定到内部部分，其中在易碎连接器被破坏之后，传送套筒可操作以向下转移，从而允许拉动臂径向向内移动，以便允许移除安装工具。

通过阅读以下对该发明的具体实施方式的描述并结合附图，本发明的其他方面和特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见。

附图说明

在示出该发明的实施方式的附图中，其中在每个视图中相似的参考字符指代对应的部分。

图1是具有多个塞的井筒的剖面图，该多个塞定位在其中，与每个区域关联，以被利用用于密封和水力压裂每个区域。

图2是用于在图1的井筒中使用的塞之一的透视图。

图3是在其中具有安装工具的图1的塞的透视图。

图4是图3的塞和安装工具处于第一或运行位置的剖面图。

图5是图3的塞和安装工具处于第二或初始安装位置的剖面图。

图6是图3的塞和安装工具处于第三或接合位置的剖面图。

图7是图3的塞和安装工具处于第四或释放位置的剖面图。

图8是图2的塞的锥形的剖面图。

图9是图2的塞的分解图。

图10是在图1的井筒中使用的塞的分解图透视图。

图11是图10的塞及其关联的安装工具处于第一或运行位置的剖面图。

图12是图10的塞及其关联的安装工具处于第二或安装位置的剖面图。

图13是图10的塞及其关联的安装工具处于第三或释放位置的剖面图。

图14是在图1的井筒中使用的塞的另一实施方式的分解的透视图。

图15是图14的塞的透视图，其中有止回阀和安装工具。

图16是图15的塞和止回阀在井内处于第一或运行位置的剖面图。

图17是图15的塞和止回阀在井内处于第二或接合位置的剖面图。

图18是图15的塞和止回阀在井内处于第三或破裂位置的剖面图。

图19是图15的塞和止回阀在井内处于第四或安装流动位置的剖面图。

具体实施方式

参照图1，通过已知方法将井筒10钻入地面8中到生产区域6。生产区域6可以包含水平延伸的烃承载岩层或可以跨越多个烃承载岩层，使得井筒10具有设计成与每个层交叉或相交的路径。如图1所示，井筒包括竖直区段12，该竖直区段具有在其顶部端处的井口阀组件或采油树14；以及底部或生产区段16，该底部或生产区段可以相对于在生产区域6内的水平位置水平、竖直或成角度地定向。如图1所示，生产区段16被分成一个或多个区域18，其中破裂塞座20位于其间用于随后的破裂。

参照图2，根据本发明的第一实施方式的破裂塞座通常在20处示出。破裂塞座20相应地在第一端22和第二端24之间延伸，并且由在第一端22处的顶部管状保持体30、围绕形成座的第二端24的保持体30的多个卡瓦瓣50以及位于其间的密封件70形成。

现在转到图9，示出了破裂塞座20的分解图。保持体30包括相应地在第一端32和第二端34之间延伸的管状体。保持体30包括锥形区段36，该锥形区段从第二端34延伸，在其外部表面周围。锥形区段36适于与卡瓦瓣50接合并使该卡瓦瓣向外移动，如下面将更全面地描述的。如图8所示，保持体30的内部包括延伸通过其的中心通路38。中心通路在第二端34附近比在其第一端附近更窄，并且包括异形区段40，该异形区段适于在其上接纳如公知的落球(未示出)。

如图8所示，锥形区段36可以相应地由交替成角度部分42和水平部分44形成。可替代地，锥形区段36可以具有恒定的轮廓。交替成角度部分42和水平部分44通过在较长距离上扩展接触长度而有助于卡瓦瓣50在井筒10上的接合，而不会减小卡瓦瓣50在锥形区段36上的角度移动。特别地，水平部分44可以与塞座20的轴线基本对齐，其中成角度部分可以具有截头圆锥形状，该截头圆锥形状具有通常在43处表示的相对于塞座20的中心轴线的滑动角。实际上，已经发现5与30度之间的滑动角可以是有用的。可选地，如图8所示，保持体30可以包括在其内部表面中的环形凹槽130，其适于接合在从外部分延伸部85延伸的脊或其它突出部(未示出)上，如图7所示。这样的环形凹槽130对于在运行期间防止保持体30的移动将是有用的，如下面将进一步描述的。

回到图2和图9，卡瓦瓣50在其第一端52处固定到环56。卡瓦瓣50中的每个延伸到第二端54，该第二端具有突片64，其中孔66穿过该突片。卡瓦瓣50包括在其外表面上的井筒接合表面60和在其内部的内锥形接合表面62。内锥形接合表面62可以由尺寸和形状设置为对应于锥形区段36的交替成角度部分和水平部分形成，如上文所述。卡瓦瓣50和环56可以由通常已知的任何合适的材料形成。特别地，环56可以由可延展材料形成，诸如，通过非限制性实例，冷钢，以便当卡瓦瓣50在保持体30上移位时可变形。

密封件70包括相应地在第一端72和第二端和74之间延伸的环构件，其具有穿过其的中心孔76。中心孔76的尺寸设置成在第一或运行位置处被接纳在保持体30的锥形区段36周围。密封件70可以由本领域公知的任何合适的材料形成，诸如，通过非限制性实例，VitonTM、腈、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、或

现在转到图3，可以使用任何常规类型的安装工具80，其具有外部分84和内部分82，该外部分适于接合在保持体30上并朝向破裂塞座20的第二端24按压该保持体，该内部分适于接合卡瓦瓣50并将它们拉向破裂塞座20的第一端22，以便拉动或滑动该卡瓦瓣50以及在锥形区段36上的密封件70，从而将它们扩展成接触井筒10的壁。特别地，如图4至图7所示，安装工具80包括在破裂塞座20的卡瓦瓣50下方的位置处沿其延伸的多个安装工具拉动臂110。安装工具拉动臂110包括倾斜表面112，在使得安装工具拉动臂110的向上移动将使卡瓦瓣50沿向外方向偏斜的定向中。

如图3和图4所示，安装工具80的内部分82包括使用端塞90固定到其的传送套筒88。端塞90包括适于待压裂的颈缩部分92，以使传送套筒88与内部分82脱离。如图5中所示，传送套筒88还包括在其顶部端处向内延伸的环形脊87，适于接合在内部分82的远端处的向外延伸的环形脊89上。传送套筒88可以被固定到卡瓦瓣50，通过定位销86或者其他易碎的紧固件，如通常已知的那样穿过孔66。如图4所示，定位销86通过安装工具拉动臂110延伸到传送套筒88中，并且防止卡瓦瓣50在断开前移动，使得传送套筒88位于其下方，防止安装工具拉动臂110向内偏转。

在操作中，破裂塞座20和安装工具80可以彼此固定，并且进入井筒10中，在图4所示的位置中，其中卡瓦瓣50缩回并且密封件70围绕锥形区段36在卡瓦瓣50上方。一旦定位在期望位置处，安装工具80的内部分82和外部分84可以朝向彼此拉动，以便使保持体30和卡瓦瓣50沿通常在100处指示的方向朝向彼此移动，如图6所示。安装工具的内部分82和外部分84的继续移动继续按压密封件70在锥形区段36向上，以位于保持体30与井筒10之间，如图6所示，并接合卡瓦瓣50，在井筒10上，以及剪切定位销86，从而将传送套筒88和安装工具的安装工具拉动臂110与卡瓦瓣50分开。由安装工具80施加的另外的压力将使端塞90一起在颈缩部分92处破裂，从而将传送套筒88与安装工具80的内部分82分开，如图7所示。在这一点上，允许传送套筒88在内部分82上向下移动，直到传送套筒88的内环形脊87接合在内部分82上的向外环形脊89上，从而防止传送套筒从其滑动。然后，用户可以向上拉动内部分82和外部分84两者以使安装工具80缩回，其中当安装工具经过卡瓦瓣50时允许安装工具拉动臂110向内偏斜，因为不再有物体防止这种向内偏转。

现在转到图14，本发明的替代实施方式通常在300处说明。替代破裂塞座300以与上文描述的相似的方式形成，但也包括保持环310，该保持环环绕卡瓦瓣350，靠近其第二端354，用至少一个保留螺钉312维持在卡瓦瓣350周围的适当位置。保持环310包括易碎的缩窄部分314，以便当卡瓦瓣350如上所述地延伸时允许保持环310扩展和压裂。卡瓦瓣350可以包括在其中从其顶部表面延伸的多个孔接合塞360，以利于接合在井筒10壁上。

类似于第一实施方式，卡瓦瓣350在其第一端352处固定到环356。卡瓦瓣从卡瓦瓣第一端362延伸，其中在环356与卡瓦瓣第一端362之间具有间隙364。纵向槽366从间隙364延伸经过卡瓦瓣第一端362，在其间限定了缩窄的卡瓦瓣连接部358。在操作中，由于卡瓦瓣350在力被施加到第二端354时延伸，卡瓦瓣第一端362向上推向环356，使间隙358折叠，从而辅助环356推动密封件70在锥形区段36向上。缩窄的卡瓦瓣连接部358当它们在锥形区段36向上移动时变形。

现在转向图10至图13，本发明的替代实施方式通常在200处示出。替代破裂塞座200以类似的方式形成，但也包括环绕卡瓦瓣250的滑动接合环210。如图10所示，卡瓦瓣250可以包括在其周围的外螺纹212，该外螺纹适于与滑动接合环210上的对应的内螺纹214接合。滑动接合环210还包括在其周围的外部脊，以利于接合在井筒10壁上。滑动接合环210包括在其周围的缝218或间隙，以便当卡瓦瓣250如上所述地延伸时允许滑动接合环210扩展。如所示出的，滑动接合环210包括第一纵向槽220和第二纵向槽222，相应地具有在其间延伸的环形槽224。当被卡瓦瓣250扩展时，第一纵向槽220和第二纵向槽222被分开一距离，该距离被选择为大于滑动接合环的增大的直径，以便在这样的位置处提供连续的外表面。第一纵向槽220和第二纵向槽222也可以通过横穿其延伸的易碎部分或突片(未示出)连接，以防止滑动接合环的扩展，直到通过卡瓦瓣250施加至其足够大的力。如图10所示，还可以提供保持环226以将滑动接合环210保持在卡瓦瓣250上。

参照图11至图13，安装工具拉动臂110可以包括从其延伸的环形唇部114，其被定位并成形为接合在传送套筒88的环形延伸部118上的对应的环形凹槽116。如图11和图12所示，环形凹槽116可以在其中接纳环形唇部114，其中环形延伸部118接合在安装工具拉动臂110下方。在这样的位置中，防止安装工具拉动臂110如上所述地径向压缩或扩展，以便有助于延伸卡瓦瓣250，同时允许安装工具拉动臂110在从其脱离之后缩回，如上所述。

参照图15至图19，示出了在其中具有止回阀370的破裂塞座300。止回阀370相应地在第一端372与第二端374之间延伸。止回阀安装工具376适于接合在保持体30的第一端22上，其中具有止回阀370的第一端372。止回阀370的第二端374包括底部接合锥形部分378，其中倾斜表面380在一定向中，该定向使得底部接合锥形部分378的向上移动将使卡瓦瓣350沿向外方向偏斜，类似于安装工具拉动臂110的倾斜表面112，如上所述。止回阀370可以由任何合适的材料形成，如众所周知的，诸如，通过非限制性实例，钢、铝、复合材料或可溶解材料。

参照图16至图19，止回阀370在第一端372处包括连结到顶部密封锥形部分386的易碎突出部382，在其间具有颈部分384。内塞部分388从顶部密封锥形部分386延伸并包括中心连接体390，其中多个径向延伸臂392将中心连接体390与底部接合锥形部分378的管状内表面连结、将止回阀370定心在破裂塞座300内并形成穿过其的分开的通路404，如图19所示。

在该实施方式中，保持体30包括倾斜内表面31，该内表面适于与顶部密封锥形部分386的倾斜底部表面394接合，在其间形成密封。

在操作中，破裂塞座300使用定位销396固定到止回阀370。组件进入井筒10中，在图16所示的位置，其中卡瓦瓣350缩回并且密封件70围绕锥形区段36在卡瓦瓣350上方。一旦位于所需位置处，止回阀370沿通常在400处指示的方向向上拉，同时沿通常在402处指示的方向对止回阀安装工具376施加力，当止回阀370在止回阀安装工具376内向上移动时剪切定位销396。止回阀370的继续移动使倾斜表面380接合在卡瓦瓣350上，从而按压密封件70在锥形区段36向上，以在保持体30与井筒10之间，如图17所示，并接合卡瓦瓣350在井筒10上。

如图17所示，沿在400处指示的方向进一步移动使颈部分384压裂，从止回阀370移除易碎突出部382。在这一点上，易碎突出部382和止回阀安装工具376可以通过本领域公知的方法从井筒10移除。图18和图19示出了在移除易碎突出部382和止回阀安装工具376之后的安装在井筒10中的具有破裂塞座300的止回阀370。

在生产中，安装有破裂塞座300的止回阀370允许流从生产区域6通过井筒10，自由地提升止回阀370，如图19所示，其中生产流穿过止回阀370，通过分开的通路404并围绕顶部密封锥形部分386。如图18所示，当破裂时，流体压力被施加到井筒10中，从而迫使顶部密封锥形部分386向下，使得顶部密封锥形部分386的倾斜底部表面394接合在保持体30的倾斜内表面31上，封闭井筒10的下部区段。

虽然已经描述和说明了该发明的具体实施方式，但是这些实施方式应该仅被认为是对该发明的说明，而不是像根据所附权利要求所解释的那样限制该发明。

Claims (21)

1.一种用于在水力压裂地下土壤层期间形成塞的设备，包括：

顶部管状保持体，在顶部端与底部端之间延伸并且具有从其所述底部端延伸的截头圆锥形外表面，以及

多个卡瓦瓣，位于所述保持体的所述外表面周围，每个卡瓦瓣在所述卡瓦瓣的顶部端与所述卡瓦瓣的底部端之间延伸，并且具有对应于所述保持体的所述外表面从所述卡瓦瓣的顶部端延伸的内表面以及适于接合井筒的外部表面；以及

密封元件，位于所述保持体的所述外表面周围，在所述多个卡瓦瓣上方，适于通过所述多个卡瓦瓣朝向所述保持体的所述顶部端移位，从而密封所述保持体与所述井筒之间的环形空间，

其中，所述多个卡瓦瓣从环延伸，所述环围绕所述保持体，所述保持体邻近所述密封元件。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保持体的所述外表面由多个交替成角度区段和水平区段形成。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述多个卡瓦瓣的所述内表面包括多个交替成角度区段和水平区段，所述多个交替成角度区段和水平区段适于对应于所述保持体的所述外表面。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保持体包括穿过其的中心孔。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述中心孔形成适于在其上保持球的球座。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个卡瓦瓣包括在基本平行于所述保持体的中心轴线的方向上从所述卡瓦瓣的底部端延伸的突片。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述突片包括孔，所述孔适于穿过通过其的紧固件，用于固定到所述保持体内的安装工具。

8.根据权利要求7所述的设备，还包括环绕所述多个卡瓦瓣的可选择地可扩展的环，以便将所述多个卡瓦瓣保持在缩回位置处，直到通过所述安装工具扩展。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述可选择地可扩展的环包括穿过其的间隙，从而允许所述可选择地可扩展的环的径向扩展。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述可选择地可扩展的环包括易碎部分，从而允许所述可选择地可扩展的环的径向扩展。

11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述可选择地可扩展的环包括缩窄部分，从而在破坏了所述缩窄部分之后允许所述可选择地可扩展的环的径向扩展。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个卡瓦瓣由可选择地可溶解的材料形成。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保持体由可选择地可溶解的材料形成。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个卡瓦瓣由选自由钢和铝合金组成的组的材料形成。

15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个卡瓦瓣包括嵌入其中的井筒接合塞。

16.根据权利要求7所述的设备，其中，所述安装工具包括适于支撑在所述保持体的顶部边缘上的外部部分以及适于接合在所述多个卡瓦瓣的底部边缘上的内部部分，以便将所述多个卡瓦瓣拉向所述保持体。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述内部部分包括拉动臂，所述拉动臂适于接合所述多个卡瓦瓣的所述底部边缘。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述拉动臂包括倾斜的表面，所述倾斜的表面适于接合所述多个卡瓦瓣的对应的倾斜表面。

19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述拉动臂是平行于所述保持体的所述中心轴线纵向悬伸的。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述安装工具的所述内部部分包括在其周围的传送套筒，所述传送套筒具有适于接合在所述拉动臂的远端上的部分，以将所述拉动臂保持在径向扩展位置处，从而接合在所述多个卡瓦瓣上。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述传送套筒使用易碎连接器固定至所述内部部分，其中在所述易碎连接器被破坏之后，所述传送套筒可操作以向下转移，从而允许所述拉动臂径向向内移动，以便允许移除所述安装工具。

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