CN112523734A - 以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱及压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱及压裂方法，管柱包括自下而上依次连接的导流球座、防砂水力锚、无节流自助解封封隔器和水力喷射器，以及通过油管连接在水力喷射器上方的液压安全接头；导流球座包括筒形本体以及自下而上设置在筒形本体内的阀球和挡环；封隔器包括管体结构以及自下而上套装在管体外侧的密封机构和动力机构，动力机构内设有压缩弹簧，其能够通过液压作用上行并压缩密封机构形成坐封；该管柱及压裂方法能够实现提高压裂管柱下入的安全性，且通过压裂管柱内的压力变化实现坐封和解封，且无需节流，管柱下入和起出过程操作方便、压裂作业效率高、成本低、风险小，可在直井、水平井上推广使用。

Description

以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱及压裂方法

技术领域

本发明涉及油气田压裂作业技术领域，特别涉及一种以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱及压裂方法。

背景技术

目前，国内常用的油管拖动压裂管柱主要采用以下两种封隔器作为底封使用，一是采用K344封隔器作为底封的油管拖动压裂管柱，二是采用Y211封隔器作为底封的油管拖动压裂管柱。

然而，在大量现场施工中，这两种压裂管柱也存在诸多不足：

(1)若采用K344封隔器作为底封，在上提和下放压裂管柱过程中，K344 封隔器易因井内压力的波动产生不必要的提前坐封，造成胶筒摩擦损坏失效的风险；每一段压裂施工结束后，K344封隔器扩张胶筒自动解封，但胶筒自身的结构特征决定了胶筒不可能完全回收，如遇砂堵，则会出现解封不完全、砂卡，造成上提管柱困难或者无法起出管柱的风险；

(2)若采用Y211封隔器作为底封，由于需要通过上提和下放压裂管柱的形式来实现封隔器的坐封与解封操作，不但对现场技术人员的操作水平要求较高，而且容易因压裂管柱内的沉砂堵塞封隔器的换轨通道，导致上提压裂管柱困难或者无法起出压裂管柱的风险，造成井下复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无节流自助解封封隔器的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱及压裂方法，以实现在下入压裂管柱前，可根据油气井的垂直深度调节封隔器的弹簧预紧力，以平衡井内静液柱压力的影响，避免封隔器产生不必要的提前坐封，提高压裂管柱下入的安全性，且能够保证压裂管柱顺利上提和起出。

本发明的另一目的是提供一种采用上述以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱实施的压裂方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱，包括自下而上依次连接的导流球座、防砂水力锚、无节流自助解封封隔器和水力喷射器，以及通过油管连接在水力喷射器上方的液压安全接头；其中，

导流球座包括筒形本体以及自下而上设置在筒形本体内的阀球和挡环；筒形本体的上部内径大于下部内径，且变径处为内径自上而下逐渐减小的锥面；挡环设置在位于锥面上方的第一限位台阶上，其为圆盘结构，且在盘面上均部开设有四个直角扇形通孔；阀球的直径与锥面的尺寸相适应，使其能够坐封在筒形本体的锥面处；在筒形本体的下部侧壁上对称开设有两个与筒形本体内腔连通的斜向过流孔；

无节流自助解封封隔器包括上接头、上中心管、密封机构、弹簧中心管、动力机构、下中心管和下接头；上接头、上中心管、弹簧中心管、下中心管和下接头自上而下依次螺纹连接；密封机构设置在上中心管外侧，动力机构安装在弹簧中心管外侧，其包括动力活塞和弹簧，动力活塞套装在弹簧中心管和下中心管的外侧且在动力活塞与弹簧中心管之间形成有弹簧槽，使弹簧套装于弹簧中心管外侧并以压缩的状态置于弹簧槽内；弹簧中心管和动力活塞的顶端共同抵在密封机构的下端面上，动力活塞的底端抵在下接头外壁上的环形台阶上端面上；下中心管的侧壁上均布开有多条传压割缝，且各条传压割缝与由动力活塞、下中心管和下接头围成的环形动力腔相连通；在位于传压割缝上方设有由动力活塞和下中心管形成的环形空气腔，在位于环形空气腔内的下中心管外壁中间部分设有限制动力活塞上行行程的环形凸台；

进一步地，斜向过流孔为自筒形本体外壁斜向向下开设的连通孔，斜向过流孔的中轴线与筒形本体的中轴线之间所成夹角为60°。

进一步地，筒形本体的上部内壁设有与油管匹配的连接内螺纹；筒形本体的底端端面加工为球面。

进一步地，在动力活塞与下中心管之间的接触壁面上且位于第二限位台阶上方设置有第一密封圈；在动力活塞与下中心管之间的接触壁面上且位于传压割缝下方设置有第二密封圈；在动力活塞与下接头之间的接触壁面上设置有第三密封圈。

进一步地，密封机构包括自上而下依次套装在上中心管外侧的胶筒和隔环，使胶筒的顶端和底端分别抵在上接头的下端面上和隔环的上端面上。

一种采用上述以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱实施的压裂方法，其具体步骤如下：

S1、将压裂管柱下入油气井的生产套管内部，使水力喷射器的喷嘴与第一储层段的喷射点相对应；

S2、从油管内加压，所述导流球座实现正向关闭，达到设定压力时，密封油管和生产套管之间的环形空间，无节流自助解封封隔器完成初封，继续提高油管压力直至封隔器胶筒达到最佳压缩效果，无节流自助解封封隔器坐封完成；

S3、从油管内泵入射孔液，通过水力喷射器进行喷砂射孔，并保持喷射速度＞170m/s，利用水力喷射器依次射开生产套管、固井水泥环及地层；

S4、喷砂射孔结束后，关闭地面上的套管阀门，从油管泵入压裂液，通过水力喷射器对第一段进行加砂压裂施工；同时，自油管与生产套管之间形成的环形空间泵入压裂基液，以实现环空增压，提高压裂施工效率；

S5、第一段压裂施工结束后，停泵，通过油管泄压，使无节流自助解封封隔器解封；继而上提压裂管柱，使水力喷射器的喷嘴与第二段储层喷射点相对应；

S6、重复上述步骤S2～S5，以同样的施工方法完成后续更多层段的压裂施工。

与现有技术相比，该以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱能够实现在下入压裂管柱前，可根据油气井的垂直深度调节封隔器的弹簧预紧力，以平衡井内静液柱压力的影响，避免封隔器产生不必要的提前坐封，提高压裂管柱下入的安全性；而在封隔器坐封的过程中，不需要压裂管柱产生节流，只与压裂管柱内的压力有关，与压裂管柱的内外压差无关，坐封过程便于控制且密封稳定可靠；压裂施工的过程中，水力喷射器兼具射孔和压裂的功能；此外在每一段压裂施工结束后，胶筒在自身的回弹力和弹簧的自助解封力双作用下快速解封，为压裂管柱顺利上提和起出提供保证；基于该以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱的压裂施工方法现场操作方便、作业效率高、成本低和风险小的优点，可在直井、水平井上推广使用。

附图说明

图1为本发明的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱的结构示意图；

图2为本发明的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱的导流球座的结构示意图；

图3为本发明的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱的导流球座的剖视结构示意图；

图4为本发明的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱的无节流自助解封封隔器初始状态的结构示意图；

图5为本发明的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱的无节流自助解封封隔器坐封状态的结构示意图；

图6为本发明的无节流喷砂滑套的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，用语“初始状态”是指无节流自助解封封隔器的非工作状态。其中，防砂水力锚、液压安全接头、油管和生产套管均为市售产品。

实施例1

如图1所示，该以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱包括自下而上依次连接的导流球座A、防砂水力锚B、无节流自助解封封隔器C和水力喷射器D，以及通过2-7/8″油管连接在水力喷射器D上方的液压安全接头E，上述各连接好的工具布置在生产套管G内部，在液压安全接头E顶端还由下至上连接有2-7/8″油管、油管挂和油补距。

如图2和图3所示，导流球座包括筒形本体3以及自下而上设置在筒形本体 3内的阀球2和挡环1；筒形本体3的上部内径大于下部内径，且变径处为内径自上而下逐渐减小的锥面；挡环1设置在位于锥面上方的第一限位台阶上，其为圆盘结构，且在盘面上均部开设有四个直角扇形通孔；阀球2的直径与锥面的尺寸相适应，使其能够坐封在筒形本体3的锥面处；在

筒形本体3的下部侧壁上对称开设有两个与筒形本体3内腔连通的斜向过流孔。

作为本实施例的一个优选技术方案，斜向过流孔为自筒形本体3外壁斜向向下开设的连通孔，具体地，斜向过流孔的中轴线与筒形本体3的中轴线之间所成夹角为60°。

筒形本体3的上部内壁设有与油管匹配的连接内螺纹；筒形本体3的底端端面加工为球面。

该导流球座具有引鞋的功能，通过下端半球形的结构设计，可以保证压裂管柱顺利下入到生产套管的指定位置；同时，该导流球座还具有单流阀的功能，可以实现正向关闭，反向打开，通过该结构的设计，不仅避免了起下压裂管柱时的井口冒喷，达到安全环保生产的要求，而且可以保证压裂管柱完成油管拖动压裂施工和反循环洗井作业。

如图4和图5所示，无节流自助解封封隔器包括上接头4、上中心管5、密封机构、弹簧中心管8、动力机构、下中心管11和下接头15；上接头4、上中心管5、弹簧中心管8、下中心管11和下接头15自上而下依次螺纹连接；其中，

密封机构设置在上中心管5外侧，其包括自上而下依次套装在上中心管外侧的胶筒6和隔环7，使胶筒6的顶端和底端分别抵在上接头4的下端面上和隔环 7的上端面上；

动力机构安装在弹簧中心管8外侧，其包括动力活塞9和弹簧10，动力活塞 9套装在弹簧中心管8和下中心管11的外侧且在动力活塞9与弹簧中心管8之间形成有弹簧槽，使弹簧10套装于弹簧中心管8外侧并以压缩的状态置于弹簧槽内；弹簧中心管8和动力活塞9的顶端共同抵在密封机构的下端面上，动力活塞 9的底端抵在下接头15外壁上的环形台阶上端面上；下中心管11的侧壁上均布开有4条用于传压的细长传压割缝，且各条传压割缝与由动力活塞9、下中心管11和下接头15围成的环形动力腔相连通；在位于传压割缝上方设有由动力活塞 9和下中心管11形成的环形空气腔，在位于环形空气腔内的下中心管11外壁中间部分设有限制动力活塞9上行行程的环形凸台；

为了保证装置整体的密封性，在动力活塞9与下中心管11之间的接触壁面上且位于第二限位台阶上方设置有第一密封圈12；在动力活塞9与下中心管11 之间的接触壁面上且位于传压割缝下方设置有第二密封圈13；在动力活塞9与下接头15之间的接触壁面上设置有第三密封圈14。

该无节流自助解封封隔器在结构设计上采用简单方便的液压坐封，不设置剪切销钉，不需要节流坐封，只与管柱内的压力有关，与管柱内外压差无关，打压即坐封，不打压不坐封，坐封过程便于控制；其下中心管中间部分设置有限位台阶，避免管柱内压力过大造成动力活塞过量移动，防止胶筒被过量压缩，造成胶筒疲劳破裂，影响密封效果；另外，密封机构采用压缩胶筒，相较于扩张胶筒，胶筒承受压差大，坐封效果好且稳定；同时该封隔器通过弹簧自助实现解封，即在下压裂管柱之前，可根据油气井的垂直深度调节对应的弹簧预紧力，以平衡井内静液柱压力的影响，避免下放管柱过程中产生不必要的提前坐封，造成胶筒损坏，而在每一段压裂施工结束后，通过管柱泄压使胶筒在自身的回弹力和弹簧的自助解封力的双重作用下得到快速解封，为压裂管柱顺利上提和起出提供保证。

水力喷射器采用已公开专利CN204126623U公开的水力喷射器。

实施例2

一种采用上述以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱实施的压裂方法，其具体步骤如下：

S1、将压裂管柱下入油气井的生产套管内部，使水力喷射器的喷嘴与第一储层段的喷射点相对应；

S2、从油管内加压，使导流球座实现正向关闭，压力经所述无节流自助解封封隔器C中的下中心管11上的割缝作用在动力活塞9上，推动动力活塞9上行，压缩弹簧10，同时推动隔环7上行压缩胶筒6，当压力达到预设值时，密封油管 F与生产套管G之间的环形空间，此时所述无节流自助解封封隔器C完成初封，继续提高油管F压力，当动力活塞9上行到下中心管11上的限位台阶时，胶筒 6达到最佳压缩效果，此时所述无节流自助解封封隔器C完成坐封；

S3、从油管内泵入射孔液，通过水力喷射器进行喷砂射孔，并保持喷射速度＞170m/s，利用水力喷射器依次射开生产套管、固井水泥环及地层；

S4、喷砂射孔结束后，关闭地面上的套管阀门，从油管泵入压裂液，通过水力喷射器对第一段进行加砂压裂施工；同时，自油管与生产套管之间形成的环形空间泵入压裂基液，以实现环空增压，提高压裂施工效率；

S5、第一段压裂施工结束后，停泵，通过油管泄压，使无节流自助解封封隔器C中的弹簧10靠自身的回弹力自助下行，推动动力活塞9下行，给胶筒6留出自由空间，由于胶筒6不存在下行压力约束，胶筒6靠自身的回弹力下行，所述无节流自助解封封隔器C完成解封；继而上提压裂管柱，使水力喷射器的喷嘴与第二段储层喷射点相对应；

S6、重复上述步骤S2～S5，以同样的施工方法完成后续更多层段的压裂施工。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

申请人声明，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱，其特征在于，包括自下而上依次连接的导流球座、防砂水力锚、无节流自助解封封隔器和水力喷射器，以及通过油管连接在水力喷射器上方的液压安全接头；其中，

导流球座包括筒形本体(3)以及自下而上设置在筒形本体(3)内的阀球(2)和挡环(1)；筒形本体(3)的上部内径大于下部内径，且变径处为内径自上而下逐渐减小的锥面；挡环(1)设置在位于锥面上方的第一限位台阶上，挡环(1)为圆盘结构，其盘面上均部开设有四个直角扇形通孔；阀球(2)的直径与锥面的尺寸相适应，使其能够坐封在筒形本体(3)的锥面处；在筒形本体(3)的下部侧壁上对称开设有两个与筒形本体(3)内腔连通的斜向过流孔；

无节流自助解封封隔器包括上接头(4)、上中心管(5)、密封机构、弹簧中心管(8)、动力机构、下中心管(11)和下接头(15)；上接头(4)、上中心管(5)、弹簧中心管(8)、下中心管(11)和下接头(15)自上而下依次螺纹连接；密封机构设置在上中心管(5)外侧，动力机构安装在弹簧中心管(8)外侧，其包括动力活塞(9)和弹簧(10)，动力活塞(9)套装在由弹簧中心管(8)和下中心管(11)形成的管体外侧，且在动力活塞(9)与弹簧中心管(8)之间形成有弹簧槽，使弹簧(10)套装于弹簧中心管(8)外侧并以压缩的状态置于弹簧槽内；弹簧中心管(8)和动力活塞(9)的顶端共同抵在密封机构的下端面上，动力活塞(9)的底端抵在下接头(15)外壁上的环形台阶上端面上；下中心管(11)的侧壁上均布开有多条传压割缝，且各条传压割缝与由动力活塞(9)、下中心管(11)和下接头(15)围成的环形动力腔相连通；在位于传压割缝上方设有由动力活塞(9)和下中心管(11)形成的环形空气腔，在位于环形空气腔内的下中心管(11)外壁中间部分设有限制动力活塞(9)上行行程的环形凸台。

2.根据权利要求1所述的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱，其特征在于，斜向过流孔为自筒形本体(3)外壁斜向向下开设的连通孔，斜向过流孔的中轴线与筒形本体(3)的中轴线之间所成夹角为60°。

3.根据权利要求1所述的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱，其特征在于，筒形本体(3)的上部内壁设有与油管匹配的连接内螺纹；筒形本体(3)的底端端面加工为球面。

4.根据权利要求1所述的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱，其特征在于，在动力活塞(9)与下中心管(11)之间的接触壁面上且位于第二限位台阶上方设置有第一密封圈(12)；在动力活塞(9)与下中心管(11)之间的接触壁面上且位于传压割缝下方设置有第二密封圈(13)；在动力活塞(9)与下接头(15)之间的接触壁面上设置有第三密封圈(14)。

5.根据权利要求1所述的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱，其特征在于，密封机构包括自上而下依次套装在上中心管外侧的胶筒(6)和隔环(7)，使胶筒(6)的顶端和底端分别抵在上接头(4)的下端面上和隔环(7)的上端面上。

6.一种采用权利要求1～5中任一项所述的以封隔器为底封的油管拖动压裂管柱实施的压裂方法，其特征在于，步骤如下：

S1、将压裂管柱下入油气井的生产套管内部，使水力喷射器的喷嘴与第一储层段的喷射点相对应；

S2、从油管内加压，所述导流球座实现正向关闭，达到设定压力时，密封油管和生产套管之间的环形空间，无节流自助解封封隔器完成初封，继续提高油管压力直至封隔器胶筒达到最佳压缩效果，无节流自助解封封隔器坐封完成；

S3、从油管内泵入射孔液，通过水力喷射器进行喷砂射孔，并保持喷射速度＞170m/s，利用水力喷射器依次射开生产套管、固井水泥环及地层；

S4、喷砂射孔结束后，关闭地面上的套管阀门，从油管泵入压裂液，通过水力喷射器对第一段进行加砂压裂施工；同时，自油管与生产套管之间形成的环形空间泵入压裂基液，以实现环空增压，提高压裂施工效率；

S5、第一段压裂施工结束后，停泵，通过油管泄压，使无节流自助解封封隔器解封；继而上提压裂管柱，使水力喷射器的喷嘴与第二段储层喷射点相对应；

S6、重复上述步骤S2～S5，以同样的施工方法完成后续更多层段的压裂施工。

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