CN113719256B - 用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，包括上接头、外套管、内滑套、下接头，所述外套管上设有回油通道、进油通道、销钉控制油路通道以及与销钉控制油路通道的销钉安装内盲孔，所述销钉安装内盲孔内设有限位销钉、复位弹簧Ⅰ；所述内滑套上设有限位销钉孔、两个相对设置的球座组件以及安装球座组件的腔体，所述球座组件包括活塞以及固定在活塞上的半圆环，两个半圆环在内滑套内相对布置形成球座；所述活塞与腔体之间具有活塞上腔、活塞下腔；所述内滑套内还设有与活塞下腔连通的回油孔，所述回油孔与回油通道连通。本发明采用可变径球座方式，无需下入工具，投球憋压即可实现滑套的开启，井内全通径，压裂级数不受限制。

Description

用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套

技术领域

本发明涉及用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，属于石油天然气开采井下工具技术领域。

背景技术

页岩油气、致密砂岩油气等非常规油气储层由于岩石致密、孔隙度、渗透率极低，流动阻力大，单井产能低，稳产时间短，产量下降快。水平井分段压裂工艺改造储层，井眼穿过的油层长度大，与油层表面接触面积大，同时能够有效沟通缝隙，增大泄油面积以及裂缝导流能力，实现增产改造。套管固井滑套作为新兴水平井分段压裂技术，其井眼适应性强，满足大规模，大排量的压裂需要。

目前国内采用的固井滑套技术主要是投球打开式压裂滑套，利用滑套工具分割井筒，进行一段一簇压裂。投球滑套通过从井口依次投入尺寸由小到大的憋压球，当憋压球到达滑套位置，与滑套内球座形成密封，向管串内打压进行憋压，使滑套上固定的剪钉断裂，滑套下行使压裂通道打开，向地层开始压裂。由于投球滑套采用投球剪断破坏销钉的形式打开，一般需要下入工具实现滑套关闭；且压裂通道关闭后无法二次启闭，中后期无法找堵水作业；其次采用下行打开滑套的方式，固井胶塞通过时时存在提前打开滑套的风险；此外由于压裂球尺寸限制，压裂级数受限，压裂过程中只能顺序压裂，无法根据压裂工艺的需要进行选择性压裂。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，本发明通过控制电磁阀的动作实现液压通道的启闭，从而传压给活塞，活塞沿径向运动，内径收缩形成球座，从地面投入压裂球使其与球座接触密封，管内憋压打开滑套；压裂结束后，通过解除滑套的锁定，滑套在弹簧钢作用下复位，实现滑套关闭。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，包括上接头、外套管、内滑套、下接头，所述外套管上设有压裂孔眼，所述内滑套上设有弹簧，用于内滑套在外套管内复位，所述外套管上设有回油通道、进油通道、销钉控制油路通道以及与销钉控制油路通道的销钉安装内盲孔，所述销钉安装内盲孔内设有限位销钉、复位弹簧Ⅰ，所述复位弹簧Ⅰ两端分别固定在限位销钉的上端、销钉安装内盲孔的内壁上；

所述内滑套上设有限位销钉孔、两个相对设置的球座组件以及安装球座组件的腔体，所述球座组件包括活塞以及固定在活塞上的半圆环，两个半圆环在内滑套内相对布置形成球座，用于拦截压裂球；所述活塞与腔体之间具有活塞上腔、活塞下腔；所述内滑套内还设有与活塞下腔连通的回油孔，所述回油孔与回油通道连通。

进一步的技术方案是，所述球座组件还包括支撑组件，所述支撑组件包括电机、电机电源、丝杆转轴、螺母，所述丝杆转轴的一端与电机的转轴连接，另一端与螺母螺纹连接，所述螺母位于活塞的上方，所述电机电源与电机电连接。

进一步的技术方案是，所述活塞下腔内设有用于活塞复位的复位弹簧Ⅱ。

进一步的技术方案是，所述外套管上设有电源线路、单片机、控制器。

进一步的技术方案是，所述进油通道、回油孔、销钉控制油路通道内分别设有电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ。

进一步的技术方案是，所述外套管上设有红外测距传感器，所述内滑套的外壁上设有多个线性圆孔槽，所述红外测距传感器监测多个线性圆孔槽的孔深。

进一步的技术方案是，所述内滑套两端均设有密封圈。

本发明具有以下有益效果：

1、采用可变径球座方式，无需下入工具，投球憋压即可实现滑套的开启，井内全通径，压裂级数不受限制。

2、采用电磁阀动作控制活塞启动压力通道的启闭，液压控制球座的形成，控制系统结构简易，同时根据压裂工艺的需要通过系统控制某位置滑套开启进行选择性压裂。

3、球座上行与下行到位后，采用电机驱动丝杠机构，丝杠机构轴向直线运动支承球座，使球座固定，滑套运动过程中与液压系统相互独立，互不干涉。

4、采用红外测距传感器+单片机控制技术，红外测距传感器通过检测孔深，识别孔深的每一次深度变化，输出一个信号传递给单片机使其不断计数，计数溢出，输出信号传递给控制器控制定位销钉动作，实现滑套的锁定。

5、高强度，高韧性弹簧可在滑套锁定解除后，利用自身的弹力进行复位，可快速实现滑套的关闭。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为外套管和内套管的左视图；

图3为图1中A-A截面剖视图；

图4为图2中B-B截面剖视图；

图5为图1中C-C截面剖视图(滑套关闭时)；

图6为图5中D-D截面剖视图；

图7为图2中E-E截面剖视图；

图8为图1中A-A截面剖视图(滑套打开时)；

图9为图1中F-F截面剖视图(滑套打开时)。

图中所示：1-电源线路，2-单片机，3-盖板，4-控制器，5-回油通道，6-进油通道，7-销钉控制油路，8-上接头，9-限位销钉孔，10-外套管，11-限位销钉，12-下接头，13-半圆环，14-活塞，15-销钉，16-螺母，17-丝杠，18-电池电源，19-电机，20-压裂孔眼，21-滑套，22-弹簧钢，23-密封圈，25-活塞上腔，26-活塞下腔，27-电磁阀Ⅰ，28-电磁阀Ⅱ，29-电磁阀Ⅲ，30-线性圆孔槽，31-红外测距传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图2-5所示，用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，包括依次连接的上接头8、外套管10、下接头12和安装在所述外套管10内的内滑套21，所述外套管3上环周180°分布的压裂孔眼20，该压裂孔眼20为腰型孔眼，其中腰型孔眼遮蔽，压裂通道关闭；腰型孔眼露出，压裂通道开启；内滑套21后端采用台阶式结构后端小径与外套管台阶配合形成环形空间，空间内装配弹簧22，该弹簧22用于内滑套21在外套管10内复位，所述外套管3上设有回油通道5、进油通道6、销钉控制油路通道7以及与销钉控制油路通道7的销钉安装内盲孔，所述销钉安装内盲孔内设有限位销钉11、复位弹簧Ⅰ，所述复位弹簧Ⅰ两端分别固定在限位销钉11的上端、销钉安装内盲孔的内壁上；所述内滑套21上设有限位销钉孔9、两个相对设置的球座组件以及安装球座组件的腔体，所述球座组件包括活塞14、半圆环13，所述半圆环13通过销钉15固定在活塞14，两个半圆环13在内滑套21内径向向内动作形成球座，用于拦截压裂球；所述活塞14与腔体之间具有活塞上腔25、活塞下腔26；所述内滑套21内还设有与活塞下腔26连通的回油孔，所述回油孔与回油通道5连通。

本发明基本原理为：在外套管10的回油通道5、进油通道6、销钉控制油路通道7分别外接液压管线，通过进油通道6向活塞上腔25注入高压油，高压油推动活塞14径向运动，从而带动半圆环13在内滑套21内做径向运动；当活塞14移动至极限位置时，两个相对设置的半圆环13形成球座；然后再从地面投入压裂球，压裂球与球座的半圆环13接触，向井内打压，内滑套21在压力作用下下行运动，压缩弹簧22；当内滑套21到达一定位置时，再通过销钉控制油路通道7向限位销钉11的上端也注入高压油，高压油推动限位销钉11径向移动至内套管21的限位销钉孔9内，从而限制内套管21的移动；最终压裂孔眼20露出，压裂通道完全开启，可开始压裂作业；

当压裂结束后，需要关闭压裂通道；对销钉控制油路通道7进行泄压，限位销钉11在复位弹簧Ⅰ的作用下回缩到销钉安装内盲孔内；同时通过回油通道5向活塞下腔26注入高压油，该高压油推动活塞14向外移动，球座失效，压裂球通过半圆环13，进入井底；最终内滑套21在弹簧22弹力作用下上行动作，遮蔽压裂孔眼20，压裂通道完全关闭。

在本实施例中如图3所示，所述球座组件还包括支撑组件，所述支撑组件包括电机19、电机电源18、丝杆转轴17、螺母16，所述丝杆转轴17的一端与电机19的转轴连接，另一端与螺母16螺纹连接，所述螺母16位于活塞14的上方，所述电机电源18与电机19电连接；该电机的正反转可以带到螺母16前后移动，当活塞14向内移动至极限位置时，电动19转动使得螺母16向前移动至活塞14的上端面上，可为活塞14提供支撑力；当活塞14需要向外移动时，电动19转动使得螺母16向后移动，离开活塞14的上端面。

在本实施例中如图5所示，为了确保活塞14的正常状态，所述活塞下腔26内设有用于活塞14复位的复位弹簧Ⅱ。

在本实施例中如图1所示，所述外套管10上设有电源线路1、单片机2、盖板3、控制器4，控制器4一端连接电源线路1。

在本实施例中如图6所示，为了保证各个油路的正常运行，所述进油通道6、回油孔、销钉控制油路通道7内分别设有电磁阀Ⅰ27、电磁阀Ⅱ28、电磁阀Ⅲ29；通过控制器4分别控制电磁阀Ⅰ27、电磁阀Ⅱ28、电磁阀Ⅲ29的开启与关闭。

在本实施例中如图7所示，所述外套管10上设有红外测距传感器31，所述内滑套21的外壁上设有多个线性圆孔槽30，所述红外测距传感器31监测多个线性圆孔槽30的孔深，红外测距传感器31工作，识别孔深变化，输入信号给单片机2，对其孔深变化进行计数，进而控制限位销钉11的动作实现内滑套21的锁定。

在本实施例中如图8所示，所述内滑套21两端均设有密封圈23，用于内滑套21两端与外套管10两端内壁间的密封。

本发明的具体工作过程如下：

初始状态，滑套21处于关闭状态。地面连接的电源线路1未接通，处于断电状态，电磁阀Ⅰ27、电磁阀Ⅱ28、电磁阀Ⅲ29线路开关断开，电磁阀Ⅰ27、电磁阀Ⅱ28、电磁阀Ⅲ29的线圈均没有电流，电磁阀阀芯处于正常状态，阀芯阻断通道，此时外套管10的进油通道6被电磁阀Ⅰ27阻断，内滑套21的回油孔被电磁阀Ⅱ28阻断。活塞14在复位弹簧Ⅱ的支承作用下处于正常状态，活塞14未形成球座，保持井内大径。限位销钉11处于非工作状态；红外测距传感器31线路开关断开，与之连接的用于计数作用的单片机2未启动；电机19处于非工作状态，连接的用于定时作用的单片机2未启动，丝杆转轴17、螺母16未动作，螺母16处于最左侧位置静止状态，与活塞14上表面无接触作用；滑套21在弹簧22的支承下处于最左侧位置，滑套14遮蔽住压裂孔眼20，压裂通道处于关闭状态。

压裂开始前，需要打开压裂通道。从地面给出信号，接通电源线路1，通过控制器4控制电磁阀Ⅰ27、电磁阀Ⅱ28的线路开关闭合，此时电磁阀Ⅰ27、电磁阀Ⅱ28中线圈通入电流，两处电磁阀阀芯在磁场作用下向右动作，进油通道6与活塞上腔25连通，回油通道5与活塞下腔26连通，两处液流通道打开。由地面从进油通道6泵入高压油，高压油经电磁阀Ⅰ27进入到活塞上腔25，推动活塞14下行动作，沿径向向内收缩，压缩复位弹簧Ⅱ；接着控制器4输入一个信号给单片机2其T0计时器开始工作计时，输出信号激励电机19启动发生正转，电机19转动带动丝杆17转动，丝杆17带动与之连接的螺母16直线向右运动，最终单片机2其T0计时器计时溢出，计时结束，信号失效，电机19、丝杆17、螺母16停止运动，螺母16支承在活塞14上端面，使活塞14上行受制，此时球座形成。

球座形成后，从地面投入压裂球，压裂球与球座的半圆环13接触，向井内打压，内滑套21在压力作用下下行运动，压缩弹簧22。同时在内滑套21运动过程中，控制器4控制外套管10上红外测距传感器31开关闭合，在内滑套21下行运动中，红外测距传感器31不断对内滑套21上的线性圆孔槽30监测，深度每发生一次变化，红外测距传感器31输出一个信号传递给单片机2，单片机2其T1计数器开始工作，不断计数，最终红外测距传感器31监测到最后一处孔槽，单片机2T1计数器计数溢出，计数结束，输出一个信号传递给控制器4，控制器4控制销钉控制油路7液流通道打开，从地面泵入压力，限位销钉11在压力作用下下行动作，进入内滑套21的限位销钉孔9，限定内滑套21的运动。

此时可以关闭电源线路1，节约成本；最终压裂孔眼20露出，压裂通道完全开启，可开始压裂作业。

当压裂结束后，需要关闭压裂通道。从地面给出信号，接通电源线路1，控制器4输入信号给单片机2其T0开始计时，输出信号激励电机19启动发生反转，电机19转动带动丝杆17转动，丝杆17带动与之螺纹连接的螺母16直线向左运动，计时结束，信号失效，电机19，丝杆17、螺母16停止运动，螺母16到达最左侧位置，与活塞14上端面分离，支承限定失效。

接着通过控制器4控制电磁阀Ⅱ28、电磁阀Ⅲ29的线路开关闭合，进油通道6与活塞下腔26连通，回油通道5与活塞上腔25连通，两处液流通道打开。由地面从进油通道6泵入高压油，高压油经电磁阀Ⅱ28进入到活塞下腔26，推动活塞14上行动作，活塞上腔25的油进入回油通道5，活塞14沿径向向外扩张，复位弹簧Ⅱ复位，球座失效，压裂球通过半圆环13，进入井底。从单片机输出一个信号传递给控制器4，对限位销钉11的液流通道进行泄压，限位销钉11在复位弹簧Ⅰ的作用下上行，内滑套21的锁定解除，最终内滑套21在弹簧22弹力作用下上行动作，遮蔽压裂孔眼20，压裂通道完全关闭。

整个滑套开启关闭系统，结构较简单，无需下放工具，通过控制器4和单片机2配合控制执行元件动作即可实现球座形成，滑套顺利开启和关闭，节约时间和成本；同时可以选择性压裂作业，通过调控滑套开启的顺序实现无限极交替压裂(德州两步跳)，增加缝间应力干扰，实现复杂裂缝网络，提高裂缝导流能力，增大油气产量。

本发明的可变径球座，在滑套打开前，活塞的上腔与进油腔相一致，控制电磁阀动作液压通道接通，活塞向径向内侧动作形成球座，滑套下行运动中，活塞的上腔与进油腔液压通道断开；滑套关闭前，活塞的下腔与进油腔相一致，控制电磁阀动作液压通道接通，活塞向径向外侧动作球座失效；活塞两次动作的终点位置采用丝杠机构实现球座限位，而使液压系统与球座相互独立，互不干扰；运动过程中球座可靠不失效。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，包括上接头(8)、外套管(10)、内滑套(21)、下接头(12)，所述外套管(10)上设有压裂孔眼(20)，所述内滑套(21)上设有弹簧(22)，用于内滑套(21)在外套管(10)内复位，其特征在于，所述外套管(10)上设有回油通道(5)、进油通道(6)、销钉控制油路通道(7)以及与销钉控制油路通道(7)连通的销钉安装内盲孔，所述销钉安装内盲孔内设有限位销钉(11)、复位弹簧Ⅰ，所述复位弹簧Ⅰ两端分别固定在限位销钉(11)的上端、销钉安装内盲孔的内壁上；

所述内滑套(21)上设有限位销钉孔(9)、两个相对设置的球座组件以及安装球座组件的腔体，所述球座组件包括活塞(14)以及固定在活塞(14)上的半圆环(13)，两个半圆环(13)在内滑套(21)内相对布置形成球座，用于拦截压裂球；所述活塞(14)与腔体之间具有活塞上腔(25)、活塞下腔(26)；所述内滑套(21)内还设有与活塞下腔(26)连通的回油孔，所述回油孔与回油通道(5)连通；所述活塞上腔(25)与进油通道(6)连通；

所述球座组件还包括支撑组件，所述支撑组件包括电机(19)、电机电源(18)、丝杆转轴(17)、螺母(16)，所述丝杆转轴(17)的一端与电机(19)的转轴连接，另一端与螺母(16)螺纹连接，所述螺母(16)位于活塞(14)的上方，所述电机电源(18)与电机(19)电连接。

2.根据权利要求1所述的用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，其特征在于，所述活塞下腔(26)内设有用于活塞(14)复位的复位弹簧Ⅱ。

3.根据权利要求1所述的用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，其特征在于，所述外套管(10)上设有电源线路(1)、单片机(2)、控制器(4)。

4.根据权利要求3所述的用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，其特征在于，所述进油通道(6)、回油孔、销钉控制油路通道(7)内分别设有电磁阀Ⅰ(27)、电磁阀Ⅱ(28)、电磁阀Ⅲ(29)。

5.根据权利要求3所述的用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，其特征在于，所述外套管(10)上设有红外测距传感器(31)，所述内滑套(21)的外壁上设有多个线性圆孔槽(30)，所述红外测距传感器(31)监测多个线性圆孔槽(30)的孔深。

6.根据权利要求1所述的用于水平井无限级压裂的可变径球座固井滑套，其特征在于，所述内滑套(21)两端均设有密封圈(23)。

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