CN111164272A - 利用液压动力坐封工具打开套管 - Google Patents

Abstract

一种坐封工具(400)，其用于打开和关闭套管(200)内的套筒(210)，该坐封工具包括：主体(402)，其沿中心纵向轴线(X)延伸；成组的保持爪(420)，其位于主体(402)周围；以及成组的套筒爪(430)，其位于主体(402)周围。该成组的套筒爪(430)配置为相对于该成组的保持爪(420)沿中心纵向轴线(X)移动。

Description

利用液压动力坐封工具打开套管

技术领域

本文公开的主题的实施例总体涉及用于射孔操作的井下工具，且更具体地，涉及具有利用液压动力坐封工具打开或关闭以压裂期望地层的一个或更多个套管阀的套管柱。

背景技术

在如图1所示将井100相对于地面110钻至期望深度H，并且已经将保护井筒104的套管柱110安装和胶结就位后，就将井筒104连接到地下地层106以提取石油和/或天然气。

将套管连接到地下地层的典型过程可以包括以下步骤：(1)将带有通口114的塞112(称为压裂塞)置于刚受激段116上方，并且(2)在塞112上方对新段118进行射孔。射孔的步骤通过用线缆122将枪串120降入井中来实现。位于地面处的控制器124控制线缆122并且还沿线缆发送各种命令，以致动枪串中的一个或更多个枪组件。

如图1所示，常规枪串120包括多个通过相应接头128彼此连接的载体126。每个接头128包括雷管130和相应的开关132。相应的开关132由下游枪的引爆来致动。当这种情况发生时，雷管130连接到贯通线，并且当来自地面的命令致动雷管130时，上游枪被致动。该过程是昂贵、费时且危险的，因为该枪包括具有爆炸性材料的聚能射孔弹。

美国专利6,763,892公开了一种用于压裂井的不同的方法，其中，形成套管柱的各个套管设有相应的滑套，即套管阀。借助多个密封件和端口，能够根据需要打开或关闭滑套。然后通过形成在套管柱中的开口对围绕套管的地层进行压裂。

然而，该特定实施方式是繁琐的，因为套管阀包括彼此螺纹连接并使用多个密封件的大量独立部件，这可导致故障和泄漏。此外，由于螺纹连接的部件，这种特定实施方式不能承受典型井筒套管的扭矩规格。

因此，需要提供一种能够承受井筒套管中的扭矩规格、不易泄漏并且易于在需要进行压裂操作时来打开和关闭的套管阀。

发明内容

根据一个实施例，存在一种坐封工具，其用于打开和关闭套管内的套筒。该坐封工具包括：主体，其沿中心纵向轴线(X)延伸；成组的保持爪，其位于主体周围；以及成组的套筒爪，其位于主体周围。成组的套筒爪配置为相对于成组的保持爪沿中心纵向轴线(X)移动。

根据另一个实施例，存在一种用于压裂井的系统。所述系统包括：套管，其具有在套筒位于关闭位置时被套筒覆盖的多个开口；以及坐封工具，其配置为打开套筒以进行压裂操作。坐封工具包括：主体，其沿中心纵向轴线(X)延伸；成组的保持爪，其位于主体周围；以及成组的套筒爪，其位于主体周围。成组的套筒爪配置为相对于成组的保持爪沿中心纵向轴线(X)移动。

根据又一实施例，存在一种用于压裂井的方法。所述方法包括：降低具有被套筒覆盖的多个开口的套管内的坐封工具；将坐封工具的成组的保持爪与形成在套管内的相应保持槽接合；将坐封工具的成组的套筒爪与形成在套筒内的相应套筒槽接合；以及通过使套筒爪相对于保持爪沿着中心纵向轴线X平移来打开套筒。

附图说明

结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出一个或多更个实施例，并且与描述一起解释了这些实施例。在附图中：

图1示出用于完井操作的井和相关联设备；

图2示出具有套筒的套管；

图3示出以趾阀终止的套管柱；

图4示出用于打开套管中的套筒的坐封工具；

图5A示出没有保持爪、套筒爪和密封件的坐封工具，而图5B示出将这些元件添加至坐封工具；

图6示出设置在套管内的坐封工具；

图7示出使套管与保持爪接合的坐封工具；

图8是用于打开套管的套筒并且压裂与套管相关联的段的方法的流程图；

图9示出使套管与保持爪和套筒爪接合的坐封工具；

图10示出打开套筒的坐封工具；

图11示出关闭套筒的坐封工具；

图12示出与套管分离的坐封工具；

图13示出移动至下一个套管的坐封工具；

图14示出坐封工具的蓄能器和故障安全方案；

图15是用于打开套管的套筒的方法的流程图；以及

图16A至图16C示出一种方法的流程图，该方法用于：打开套筒、压裂与套管相关联的段、关闭套筒、然后对套管柱中的所有套管重复该操作。

具体实施方式

以下对于实施例的描述参考附图。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。对于以下实施例，为简单起见针对具有阀、以及打开和关闭套管阀的液压动力坐封工具的套管进行讨论。然而，本文所讨论的实施例也适用于具有在严密条件下关闭和打开的阀的装置。

在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用是指结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定是指同一实施例。此外，在一个或更多个实施例中可以以任何合适的方式来组合特定特征、结构或特性。

根据图2中所示的实施例，套管200(有时称为套管阀)具有内套筒210。内套筒210具有对应于形成在套管200的主体216中的多个套管开口214的多个套筒开口212。套筒210在图2中显示为关闭的，即，套管200内的流体220不能通过套管开口214移动到主体216的外侧。然而，如果套筒210向左移动并且套筒开口212与套管开口214对齐，则流体220与套管的外部222连通。值得注意的是，套筒210的内径大于密封区域227的直径，使得套筒由于稍后会讨论的原因而不能进入密封区域。还要注意，主体216的内部具有锁定槽224，并且套筒210的内部具有锁定槽226，这也将稍后进行讨论。成组的锁定槽224形成在密封区域227的内部，并且另一锁定槽组226形成到套筒210上。

图3中示出为分布在井100中的多个套管200A和200B(为简单起见仅示出两个，但是套管柱可以包括数十个或数百个套管)。最后一个套管200A连接到趾阀201。就在压裂操作之前，所有阀(套筒)都关闭。趾阀201(在美国专利第9,121,247、9,121,252和9,650,866号中描述了其示例)具有盘，当套管内的压力变得大于某个阈值压力时，该盘破裂。当这种情况发生时，趾阀壁内的活塞被致动并移动以打开通过趾阀形成的开口201A。以此方式，趾阀段可以被从地面泵送的流体230压裂。刮塞232已被预先泵送至井的底部，经过趾阀201以防止压裂流体230移动经过趾阀。在趾阀段的压裂操作完成后，可以使用趾阀将泵送的流体排入地层中。

为了露出套管柱的顶部套管的开口，将液压动力坐封工具放入井中并控制其附接至套管的套筒。根据图4所示的实施例，液压动力坐封工具(本文中为坐封工具)400具有连接至包括多个阀406的液压阀块404的主体402。如稍后所述，阀406构造为在压力下允许流体进出，以启动各活塞。在一个实施例中，有三个不同的活塞需要被致动，并且每个活塞由阀对致动。因此，该图示出了6个阀。然而，本领域技术人员将理解，对于坐封工具可以使用更多或更少的阀。

坐封工具400还包括第一组连接元件420，在本文中称为保持爪，因为这些元件将接合套管阀中的相应槽并且将坐封工具相对于套管固定。坐封工具还包括第二组连接元件430，在本文中称为套筒爪，因为这些元件将接合套管阀的套筒并将其从关闭位置移动到打开位置，反之亦然。爪是与在套筒和/或套管的主体中形成的相应槽配合的机械元件。

坐封工具400还包括位于第一组爪和第二组爪的下游的密封件440。坐封工具400还包括电子模块450和打捞颈452。电子模块450包括各种传感器，例如压力传感器454、速度传感器456、加速度计等，所述传感器可以连接至用于将各种信息发送至地面和/或接收来自地面的各种信息的线缆。液压阀块404可以包括相似或附加的传感器。在一个应用中，液压阀块404包括压力传感器408和电源410。电源410可以包括一个或更多个电池。在一个应用中，电源410包括约100个AA锂电池。液压阀块404还可以包括控制器412，该控制器连接至上述各种传感器并且被配置为打开和关闭一个或更多个阀406，以使相应的活塞在井中上下移动。

在一个应用中，图4所示的坐封工具可以用于不同尺寸的套管。例如，套管可以具有4 1/2”或5 1/2”的内径。不论套管的内径如何，图4所示的坐封工具都可以设置有相应的爪和密封件，以考虑套管直径的变化。在这方面，图5A示出了不具有成组的爪420或430和密封件440的坐封工具400的位置A。在确定坐封工具将被配置于其中的套管的内径之后，如图5B所示，将相应的成组的爪420和430以及密封件440添加(从工具的一端滑动)到坐封工具的主体402。

一旦成组的爪就位，它们就被附接到相应的活塞(稍后待讨论)，并且相对于套管的主体既能够朝向或远离主体的中心纵向轴线X(即，径向地)又能够沿中心纵向轴线X移动。为了使爪沿轴线X径向移动，斜面在爪下方滑动，并且由上述活塞提供动力。进而利用通过阀406所提供的液压来致动活塞。在一个应用中，不使用液压和螺线管来致动活塞，而是可以使用具有传动螺杆的电动机。液压能由套管内部产生的压力提供。因此，坐封工具包括一个或更多个蓄能器(例如，弹簧加载的蓄能器)，这些蓄能器能够存储足够的液压能以打开和关闭多个套管阀套筒。坐封工具可以使用螺线管阀406来降低打开和关闭阀所需的电能。在下图中示出并讨论这些活塞。

图6示出了内部具有坐封工具400的套管200(被认为是套管柱中的顶部套管)。坐封工具400的保持爪420、套筒爪430和密封件440以横截面示出。还可以看到套管200的保持槽224和套筒210的套筒槽226。该实施例的目的是将成组的保持爪420连接到相应的保持槽224以将坐封工具固定/保持在套管200内，然后将成组的套筒爪430连接到套筒槽226，以控制套筒210。这样，套筒爪430可以相对于保持爪420移动以打开和关闭套筒210，以压裂与最顶部套管相关联的段。在完成压裂操作之后，关闭套筒210并将套筒爪和保持爪从它们各自的槽中分离，使得坐封工具400能够移动至下一个套管以重复上述操作并压裂与下一个套管相关联的段。因为除了在其中配置有坐封工具的当前套管的套筒以外，所有套管的套筒都被关闭，所以压裂被控制为仅发生在当前段中。

图6还示出了保持爪斜面422和套筒爪斜面432。这些斜面能够沿套管200的纵向方向X移动，以使相应的爪沿径向R移动。斜面422由活塞424致动，而斜面432由活塞434致动(见图7)。图6还示出了具有多个套筒开口212的套筒210和具有多个套管开口214的套管200。值得注意的是，图6中两组开口未对齐，这意味着套筒被关闭，并且套管内没有流体能够压裂套管周围的地层106。

现针对图8来讨论用于使坐封工具在套管内移动、接合保持爪然后接合套筒爪、并且打开套管的套筒以进行压裂操作的方法。如图6所示，在步骤800中，将坐封工具400设置在套管200内。该过程从顶部套管开始，然后移动至下一个套管，朝向井底，直到压裂所有套管。本领域技术人员将理解，由于坐封工具的自主性，操作者能够压裂所选择的段，即，只有所选择的套管阀才能被打开以进行压裂。

在步骤802中，将保持爪420的顶部部分420A(参见图7)与保持槽224接合。该接合是在保持爪420被弹簧426(沿径向朝向坐封工具的中心部分)偏压时发生的，并且是由于相应的活塞424使保持斜面422移动以将保持爪沿径向R朝向套管200的外侧推动。在这方面，注意到在图7中保持爪420的底部区域420B位于斜面422的顶部上，而图6示出了相同保持爪的底部区域在斜面底部处。因此，活塞424引起的斜面422的移动已将保持爪推向套管200的内壁，并且当保持爪420的顶部区域420A已遇到相应的保持槽224时，如图7所示两个元件已锁定就位。为了防止保持爪420的顶部区域420A在坐封工具行进经过套管时与套筒槽226接合，套筒槽226的尺寸大于顶部区域420A的尺寸，使得保持爪420不能与套筒槽226接合。值得注意的是，此时套筒210仍关闭套管开口214。还需注意，此时密封件440紧紧地抵靠套管200的内壁200A，从而在效果上将与当前套管200对应的段和与其他套管相关联的其余段隔离。

如现在所讨论的，活塞的移动由处理器412、阀406和至少一个存储液压能的蓄能器控制。当坐封工具接近最顶部的套管时，坐封工具的操作者可以沿线缆向处理器412发送信号，以使保持爪沿径向移动。接收到该命令时，处理器412打开对应于活塞424的阀406中的一个，并允许蓄能器内的加压流体使活塞沿如图6中相应箭头所示的纵向轴线X移动，以使保持爪下方的斜面422移动。当坐封工具移动经过套管200时，保持爪420最终接合保持槽226。这时，坐封工具停下，并且速度传感器456确定坐封工具已停止。处理器412然后选择阀406，并且可以通知井的操作者坐封工具已就绪。当坐封工具就绪，其上方的压力增加，这向操作者发出信号以停止泵送坐封工具。

在步骤804中，套筒爪430与相应的套筒槽226接合。由于控制器412已确定坐封工具已停止并且知道保持爪已接合，因此它能够指示套筒爪430与套筒槽226接合。在这方面，值得注意的是在图7中，斜面432没有沿径向偏压套筒爪430。然而，图9示出了由于活塞434(其由处理器412和相应的阀406控制)，斜面432已经沿纵向方向X移动，使得套筒爪430的顶部区域430A与套筒槽226接合，并且套筒爪430的底部区域430B已经使斜面432向上移动。这时，保持爪正保持坐封工具相对于套管固定，并且套筒爪已接合套筒并准备使套筒沿纵向轴线X移动。

在步骤806中，如图10所示，套筒210被打开。为了移动套筒爪430，使用另一活塞438(第二活塞)。该第二活塞438与套筒爪430相关联，并且不仅移动如图10所示的套筒爪，而且移动斜面432。由于套筒爪430相对于保持爪430且隐式地相对于套管200移动，套筒210沿纵向轴线X朝向图中左侧移动，从而套筒开口212与套管开口214对齐。第二活塞438的移动由控制器412协调并由相应的液压阀406实现。

在步骤808中，如图10中的箭头B所示，压裂流体从套管被泵送，并通过对齐的开口212和214离开进入地层106。值得注意的是，由于抵靠套管200的内壁的密封件440，没有来自地层的砂或其他地层碎屑朝向其他套管阀穿过密封件。因此，在完成当前段的压裂之后，坐封工具能够自由地朝向其他套管阀移动。

当针对当前段的压裂操作结束时，需要将套筒210移动回关闭位置，以关闭套筒开口212。因此，在步骤810中，关闭套筒。为了指示控制器412以关闭套筒，可以使用以下方案。假设井的操作者已完成压裂操作。操作者可以向控制器412发送信号以关闭套筒。信号可以以各种方式传输，即，作为沿电线的电信号、通过调制解调器的声信号等。图10所示的实施例使用以下方案。在压裂操作之后，允许井回流(即，井内的流体流向地面)。停止回流(通常通过在地面使用泵)，然后使流体流入井中。能够通过使用速度传感器456由控制器412识别这种使流体以一个方向流动、停止流动以及使流体以相反方向流动的模式。在一个应用中，该模式包括回流5桶(即，从井中流出)、等待2分钟、然后将5桶泵送回井中。可以使用其他的数量和时间。当识别出该“完成模式”时，控制器412知道压裂过程完成，并且需要关闭套筒。

控制器412将另一阀406连接到蓄能器中的液压，使得第二活塞438以相反方向相对于图10所示的构造移动。图11示出了将套筒爪430和套筒210带回到如图9所示的关闭位置的第二活塞438。值得注意的是，在打开和关闭套筒期间，保持爪420和密封件440不沿纵向轴线X或沿径向轴线R移动。

在已经关闭套筒210之后，此时将坐封工具移动到下一个套管。为了实现该目的，如图12所示，在步骤812中分离(或关闭，即，沿着径向轴线R朝向坐封工具的中心轴线缩回)保持爪420和套筒爪430。通过用活塞434移动套筒斜面432和用活塞424移动保持斜面422，分离爪和它们与套管中相应槽的连接。在这方面，值得注意的是，图12示出了保持爪420和套筒爪430的底部区域420B和430B分别位于它们各自斜面的底部。图12还分别示出了保持爪420和套筒爪430的顶部区域420A和430A分别从相应槽224和226分离。控制器412能够被编程为依次执行这些操作，其中在两次后续操作之间具有给定的等待时间。

在步骤814中，操作者将坐封工具400向下朝向下一个套管泵送。坐封工具通过其速度传感器456(例如，速度传感器可以包括一个或更多个加速度计)来监视其移动。在给定距离D(被计算为小于从一个套管的开口212到相邻套管的开口的距离)之后，控制器412配置为打开保持爪(即，移动相应的斜面)，使得保持爪抓握并接合下一个套管的保持槽。这意味着图8中公开的过程返回到步骤802，并针对下一个套管执行以上所讨论的所有步骤。此过程一直持续到每个套管都已被打开、被压裂、且随后被关闭为止。在此过程结束时，所有段均已被压裂，并且所有阀均已关闭。如前所述，操作者可以选择不将每个套管都打开。

现在需要将坐封工具回收至地面。为此，将回收工具发送到井中。回收工具配置为锁在坐封工具400的打捞颈452上。回收工具可以被附接到线缆(或另一种线，例如滑线)以降入井中。一旦回收工具锁在打捞颈452上，则拉起线缆以将坐封工具带至地面。坐封工具的控制器412基于从速度传感器接收到的测量结果来确定坐封工具正朝向地面移动，并且能够指示阀406致动相应的活塞，以确保爪位于相应的斜面的底部，使得不论保持爪还是套筒爪都不与套管内壁中的相应槽接合。

在一个实施例中，如图13所示，注意的是，如前所述套筒爪430的顶部部分430A沿径向R上下移动。顶部部分430A被弹簧436偏压。然而，当相应的斜面432移动到基部部分430B下方时，顶部部分430A与基部部分430B同时向上移动。在顶部部分430A的周围形成保护区域1300。保护区域1300被设计为当坐封工具移动经过坐封工具时不接合套管内壁中的任何槽。图13示出了当斜面432没有径向推动基部部分430B时，顶部区域430A装配在保护区域1300内。对于保持爪420可以采用相同的结构。保持爪420可以具有多个弹簧426。在一个应用中，保持爪和/或套筒爪具有“咬合”到形成在套管内壁中的相应槽中的多个元件。到目前为止所讨论的附图示出了，在附图的顶部处的保持爪/套筒爪以及在底部处的保持爪/套筒爪。本领域的技术人员将理解，可以全部围绕坐封工具的纵向轴线X添加与附图中所示相似的其他元件，以更好地接合套管和/或套筒。

在一个实施例中，当坐封工具从井的底部朝向顶部移动时，坐封工具可以用来打开每个套管阀的套筒，从而能够开始井生产。对于这种情况，保持爪被打开，即，相应的斜面移动到爪下方，以将所述爪沿径向向外推动。坐封工具随线缆一起向上移动，直到保持爪与套管中相应槽接合。坐封工具的速度传感器确定坐封工具已停止。坐封工具的控制器然后指示套筒爪接合套管的套筒槽并且打开套筒。套管套筒被打开。然后将所有爪分离，并且坐封工具能够向上朝向下一个套管移动。

在一个实施例中，坐封工具可能被卡在套管中。在这种情况下，如图14所示，使用增加的力将线缆或滑线拉至剪切销470，这使得斜面422和432远离爪的基部部分移动，从而爪在由弹簧426和436所产生的偏压下朝向坐封工具的中心部分移动，并且因此，坐封工具在套管内自由移动。然后使用线缆将坐封工具从套管柱中拉出。图14还示出了用于存储液压能的可能的蓄能器480、482和484。在一个应用中，腔室482和484用于使上述的活塞沿期望方向移动。

现针对图15对用于打开套管的套筒且然后压裂与该套管相关联的段的方法进行讨论。该方法包括：步骤1500，降低具有被套筒210覆盖的多个开口212的套管200内的坐封工具400；步骤1502，将坐封工具400的成组的保持爪420与形成在套管200内的相应保持槽224接合；步骤1504，将坐封工具400的成组的套筒爪430与形成在套筒210内的相应套筒槽226接合；以及步骤1506，通过使套筒爪430相对于保持爪420沿中心纵向轴线X平移来打开套筒210。该方法还可以包括以下步骤中的一个或更多个：通过将流体泵入套管来压裂套管周围的地层；通过使套筒爪相对于保持爪沿中心纵向轴线X向回平移来关闭套筒；将保持爪和套筒爪从其相应槽中分离；将坐封工具沿井进一步向下泵送至下一个套管。在一个应用中，打开的步骤包括以下步骤：启动用于使套筒爪沿中心纵向轴线平移的套筒活塞；从蓄能器中释放压力下的流体以启动套筒活塞，和/或通过使用井表面处的泵将流体泵入井中来对蓄能器进行再次充注。

现参照图16A至图16C对利用在先前实施例中所讨论的坐封工具来压裂井的另一方法进行讨论。该方法包括步骤1600：在套管柱中设置多个套管阀，该套管柱在底部处具有趾阀。套管阀不需要具有爆破片或任何类型的时间延迟，但是每个套管如前图所示都具有锁定轮廓和滑套。

在步骤1602中，将刮塞向下泵送。当刮塞降到最低点，井的操作者将注意到地面处压力峰值。然后，在步骤1604中，向井加压以测试套管柱。如果压力保持不变，则操作者施加更大的压力以使趾阀中的爆破片破裂。这时，趾阀中的开口被打开并且在步骤1606中，与趾阀相关联的段被压裂。该段的压裂完成后，可以对井进行清洁。

在步骤1608中，将坐封工具400插入井中并向下泵送。由于坐封工具仅在水中移动，因此卡在套管中的机会更小。坐封工具至少在主体顶部处具有压力传感器和流体速度传感器。坐封工具具有弹簧加载打开的保持爪。然而，如果功率损失则它们默认关闭。坐封工具具有弹簧加载的蓄能器480，该蓄能器具有足以打开和关闭多个套管阀套筒的液压能。坐封工具可以使用螺线管阀406来减少启动爪所需的电能。蓄能器480存储压力下的流体，并且配置成致动保持活塞、第一套筒活塞和第二套筒活塞，以移动成组的保持爪和成组的套筒爪。在一个应用中，保持活塞、第一套筒活塞和第二套筒活塞彼此是同心的。

在步骤1610中，弹簧加载的保持爪在第一套管阀中其跟部附近锁定到轮廓(例如，保持槽)中，并且用套管阀下方的密封件440将坐封工具保持就位。现在，该井被堵塞，并且井的操作者此刻注意到压力峰值。

在步骤1612中，坐封工具知道它已停下(由于从速度传感器和/或压力传感器接收到的测量结果)并且已就位。在步骤1614中，操作者增加套管的压力以对坐封工具400中的液压装置(例如，蓄能器480)再次充注。在步骤1616中，坐封工具使用其存储的能量来打开套筒爪且打开套管阀的套筒。一旦套筒被打开，在步骤1618中最上段被压裂。在步骤1620中，如果井出砂，则操作者能够使流循环以将其清除，这是因为坐封工具被保持在流的下方，且不在砂中。

在完成压裂操作之后，操作者在步骤1622中发送停止并开启流体流动模式，使得坐封工具识别为“完成压裂的模式”的信号，该信号表明压裂操作已经结束(如果未接收到信号，则基于控制器412所启动的计时器，该操作超时)。在步骤1624中，坐封工具关闭套管阀的套筒、坐封工具的套筒爪，且随后关闭坐封工具的保持爪。在步骤1626中，操作者将坐封工具泵送到下一个套管阀，该坐封工具仍仅在水中移动。接下来，坐封工具利用弹簧打开保持爪并且锁定到下一个套管阀上(即，重复步骤1610)，然后密封。现在，该过程重复步骤1612至1626：利用密封件保持就位；对套管加压以充注坐封工具；打开套筒；压裂当前段；关闭套筒；关闭保持爪；将坐封工具移至下一个套管阀；利用弹簧打开保持爪；锁定至下一个套管阀等。

当该过程完成时，所有段均被压裂并且它们的套筒被重新关闭。在步骤1628中，将滑线或线缆上的回收工具向下泵送并且锁定到坐封工具上。坐封工具将被驱赶至趾阀。然而，允许流体流围绕坐封工具行进。坐封工具的保持爪仍是利用弹簧打开的。在步骤1628中，坐封工具向上拉动套管弹簧，直到保持爪锁定到最低的套管阀。井再次被堵塞。在步骤1630中，操作者对井施压以对坐封工具的蓄能器进行充注。在步骤1632中，坐封工具打开套管阀的套筒，以便来自地层的石油和/或天然气能够进入套管。在步骤1634中，坐封工具关闭其保持爪，并在步骤1636中将坐封工具朝向下一个套管阀向上拉动，并重复前面的步骤以打开下一个套筒。以此方式，所有的套筒都被打开，并且随着石油和/或天然气正通过开口流入井中，能够开始对井的勘探。

上面讨论的方法可以如现在所讨论的那样进行修改。在一个实施例中，代替将回收工具泵送到井的底部以将其钩至坐封工具，坐封工具能够通过利用段中的每一个的回流而沿井向上移动。当坐封工具完成将最后一个套管阀打开时，该坐封工具关闭其保持爪且随后能够沿井回流。坐封工具朝向下一个套管阀向上移动。当坐封工具到达下一个套管阀处，坐封工具利用弹簧打开爪并锁定到下一个套管阀上。然后，坐封工具打开套筒，并且操作者向地层和坐封工具施压。接下来，坐封工具关闭保持爪并沿井回流，使得坐封工具向上移动。此过程一直持续到坐封工具到达跟部附近的最后的套管阀处为止。在打开最后一个套筒之后，将坐封工具保持锁定至套管阀，并将回收工具泵入井的垂直部分中。将回收工具连接到坐封工具后，将坐封工具的保持爪从套管的槽中释放，并且从井中回收这两个工具。受益于本公开，本领域技术人员将能够实践本文所讨论的方法的不同变型。值得注意的是，尽管以上实施例已经讨论了使用线缆在井内输送坐封工具(或者至少回收坐封工具)，但是可以使坐封工具在井内自动移动，或者附接在滑线绳或线缆绳、线缆、或连续油管、或内部具有线缆的连续油管的末端处。

上面讨论的坐封工具可以具有利用螺线管来实现的液压装置，以向打开和关闭的保持爪供能，并打开和关闭套管阀的套筒。保持爪在关闭位置配置为“故障安全”。可以选择控制器和传感器与“AA”锂电池一起工作。因此，除了螺线管以外，不使用大功率电气设备。在一个应用中，坐封工具将携带足以用于每次运行100个套管阀段的电池。在另一个应用中，坐封工具将携带足以完成整个作业的电池，因此不需要充电。

在对套管加压期间，上限压力可以使活塞在具有止回阀的坐封工具中移动。在每个增压周期中，这种“泵”机构都为液压蓄能器再次充注。

在井的操作者和坐封工具的控制器之间可以进行“基于时间”、基于“速度模式识别”信号或“压力模式识别”信号的通信。由于压力传感器、流体速度传感器和加速度计的存在，这些类型的通信被增强。在一个应用中，坐封工具可以具有用于作业后分析(例如，它将知道是否所有套筒都曾被打开)的信息存储装置(例如，存储器)。

坐封工具可以充当移动的、可复位的塞，压差额定在10000psi，其具有打开和关闭套管阀套筒的爪。在一个应用中，坐封工具可以设计成上部部分由耐酸材料制成。坐封工具可以设计成以最少的维护进行多次作业。

上面讨论的坐封工具的一个或更多个优点如下：

-在每段处进行针点型压裂；

-由于密封件440，井中没有碎屑；

-不需要溶解球；

-无需在段之间的各种塞之外进行钻探；

-无需等待启动；

-不需要压裂所有的套管阀段；

-对于自主工具，对坐封工具进行预编程以跳过一些套管阀，或使用简单的下行通信(压力和流体速度)；

-能够通过使用坐封工具在以后的另一运行来压裂段中的任意一个；

-无连续油管压裂；

-坐封工具能够在滑线、线缆、连续油管或钻杆上输送；

-套筒能够在以后的运行中单独地重新打开或重新关闭；

-套筒能够被部分打开；

-所选择的套筒能够被打开或关闭；

-利用坐封工具存储器来记录何时每个套筒曾被移动；

-如果输送线缆，则坐封工具能够包含泵来为其液压系统充注，并在压裂时获取井下压力和速度的实时数据；

-比常规的压裂操作使用更少的水；

-在压裂期间不使用炸药；

-与当前FracBack设计相比，套管阀短了11”，并且具有更小的外径(例如，6.50”)；

-套管阀无变形座、无锁环、无筒夹、无球、无镖状物，也没有任何外破裂盘盖；

-能够携带足以用于超过一百段的电池；

-坐封工具可重复使用，而常规枪则不能；

-坐封工具可以包括通信功能，而常规枪则不包括；

-相同的坐封工具可以用于不同尺寸的套管；

-坐封工具可以具有方便更换以多次使用的磨损物品(密封件和爪)；

-暴露于腐蚀中的部件能够由耐酸材料制成；

-套管阀结构简单，其价格低廉；

-对于坐封工具的使用需要更少的地面设备；

-压裂期间套管中没有运输设备；

-比常规压裂操作更快的设置；

-存储器记录压力；

-深度获知；以及

-能够实时监视井下压力。

所公开的实施例提供用于选择性地致动套管柱中一个或更多个套管阀的方法和系统。应当理解，该描述无意限制本发明。相反，示例性实施例旨在覆盖包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替代方案、修改和等同物。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护的发明的全面理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这样的具体细节的情况下对各种实施例进行实践。

尽管在实施例中以特定组合描述了本示例性实施例的特征和元件，但是每个特征或元件能够在无需实施例的其他特征和元件的情况下单独使用，或者与或者不与本文所公开的其他特征和元件进行各种组合来使用。

本书面描述使用所公开主题的示例，以使本领域技术人员能够实践该示例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。该主题的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员进行的其他示例。这样的其他示例旨在落入权利要求的范围内。

Claims (36)

1.一种用于打开和关闭套管(200)内的套筒(210)的坐封工具(400)，所述坐封工具(400)包括：

主体(402)，其沿中心纵向轴线(X)延伸；

成组的保持爪(420)，其位于主体(402)周围；以及

成组的套筒爪(430)，其位于主体(402)周围，

其中所述成组的套筒爪(430)配置为相对于成组的保持爪(420)沿中心纵向轴线(X)移动。

2.根据权利要求1所述的坐封工具，还包括：

保持斜面(422)，其配置为在成组的保持爪(420)下方滑动，以使保持爪径向地远离中心纵向轴线移动。

3.根据权利要求2所述的坐封工具，还包括：

保持活塞(424)，其位于主体内，并且配置成使保持斜面沿中心纵向轴线移动。

4.根据权利要求1所述的坐封工具，还包括：

套筒斜面(432)，其配置成在成组的套筒爪(430)下方滑动，以使套筒爪径向地远离中心纵向轴线移动。

5.根据权利要求4所述的坐封工具，还包括：

第一套筒活塞(434)，其位于主体内，并且配置成使套筒斜面相对于成组的套筒爪沿中心纵向轴线移动。

6.根据权利要求5所述的坐封工具，还包括：

第二套筒活塞(438)，其位于主体内，并且配置成使套筒斜面与成组的套筒爪一起沿中心纵向轴线移动以打开或关闭套筒。

7.根据权利要求1所述的坐封工具，还包括：

密封件(440)，其位于主体(402)周围，并且配置成密封所述套管的内部，使得压裂流体到达成组的套筒爪和成组的保持爪，但不到达位于当前套管下游的相邻套管。

8.根据权利要求1所述的坐封工具，还包括：

蓄能器(480)，其存储压力下的流体并且配置成致动所述保持活塞、第一套筒活塞和第二套筒活塞，以移动所述成组的保持爪和成组的套筒爪。

9.根据权利要求8所述的坐封工具，其中，所述保持活塞、第一套筒活塞和第二套筒活塞彼此同心。

10.根据权利要求1所述的坐封工具，还包括：

液压阀块(406)，其包括用于控制所述保持活塞、第一套筒活塞和第二套筒活塞的移动的多个阀。

11.根据权利要求10所述的坐封工具，其中，所述液压阀块包括螺线管。

12.根据权利要求11所述的坐封工具，其中，所述液压阀块包括用于致动所述螺线管的电池和用于控制所述螺线管的控制器。

13.根据权利要求12所述的坐封工具，还包括：

电子模块，其包括速度传感器和压力传感器。

14.根据权利要求13所述的坐封工具，还包括：

打捞颈，使得回收工具连接到所述打捞颈，以从井中回收所述坐封工具。

15.一种用于压裂井的系统(200、400)，所述系统包括：

套管(200)，其具有在套筒(210)位于关闭位置时被套筒覆盖的多个开口(212)；以及

坐封工具(400)，其配置为打开套筒(210)以进行压裂操作，

其中所述坐封工具(400)包括，

主体(402)，其沿中心纵向轴线(X)延伸，

成组的保持爪(420)，其位于主体(402)周围，以及

成组的套筒爪(430)，其位于主体(402)周围，

其中所述成组的套筒爪(430)配置为相对于成组的保持爪(420)沿中心纵向轴线(X)移动。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述坐封工具还包括：

保持斜面(422)，其配置为在成组的保持爪(420)下方滑动，以使保持爪径向地远离中心纵向轴线移动。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述坐封工具还包括：

保持活塞(424)，其位于主体内，并且配置成使保持斜面沿中心纵向轴线移动。

18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述坐封工具还包括：

套筒斜面(432)，其配置成在成组的套筒爪(430)下方滑动，以使套筒爪径向地远离中心纵向轴线移动。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述坐封工具还包括：

第一套筒活塞(434)，其位于主体内，并且配置成使套筒斜面相对于成组的套筒爪沿中心纵向轴线移动。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述坐封工具还包括：

第二套筒活塞(438)，其位于主体内，并且配置成使套筒斜面与成组的套筒爪一起沿中心纵向轴线移动以打开或关闭套筒。

21.根据权利要求15所述的系统，其中，所述坐封工具还包括：

密封件(440)，其位于主体(402)周围，并且配置成密封所述套管的内部，使得压裂流体到达成组的套筒爪和成组的保持爪，但不到达位于当前套管下游的相邻套管。

22.根据权利要求15所述的系统，其中所述坐封工具还包括：

蓄能器(480)，其存储压力下的流体并且配置成致动所述保持活塞、第一套筒活塞和第二套筒活塞，以移动所述成组的保持爪和成组的套筒爪。

23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述保持活塞、第一套筒活塞和第二套筒活塞彼此同心。

24.根据权利要求15所述的系统，其中，所述坐封工具还包括：

液压阀块(406)，其包括用于控制所述保持活塞、第一套筒活塞和第二套筒活塞的移动的多个阀。

25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述液压阀块包括螺线管。

26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述液压阀块包括用于致动所述螺线管的电池和用于控制所述螺线管的控制器。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述坐封工具还包括：

电子模块，其包括速度传感器和压力传感器。

28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述坐封工具还包括：

打捞颈，使得回收工具连接到所述打捞颈，以从井中回收所述坐封工具。

29.一种用于压裂井的方法，所述方法包括：

降低(1500)具有被套筒(210)覆盖的多个开口(212)的套管(200)内的坐封工具(400)；

将坐封工具(400)的成组的保持爪(420)与形成在套管(200)内的相应保持槽(224)接合(1502)；

将坐封工具(400)的成组的套筒爪(430)与形成在套筒(210)中的相应套筒槽(226)接合(1504)；并且

通过使套筒爪(430)相对于保持爪(420)沿中心纵向轴线(X)平移来打开(1506)套筒(210)。

30.根据权利要求30所述的方法，还包括：

通过将流体泵入套管来压裂套管周围的地层。

31.根据权利要求31所述的方法，还包括：

通过使套筒爪(430)相对于保持爪(420)沿中心纵向轴线(X)向回平移来关闭套筒(210)。

32.根据权利要求32所述的方法，还包括：

将保持爪和套筒爪从其相应槽中分离。

33.根据权利要求33所述的方法，还包括：

将坐封工具沿井进一步向下泵送至下一个套管。

34.根据权利要求30所述的方法，其中所述打开的步骤包括：

启动用于使套筒爪沿中心纵向轴线平移的套筒活塞。

35.根据权利要求35所述的方法，还包括：

从蓄能器中释放压力下的流体以启动套筒活塞。

36.根据权利要求36所述的方法，还包括：

通过使用井表面处的泵将流体泵入井中来对蓄能器进行再次充注。

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