CN115450600A - 受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置及方法，装置包括多个中心管短节、坐封组件、逆止推环、弹座受控顶通导头、封堵弹、定压爆板和液压缸组件；坐封组件套设在第一中心管短节上，逆止推环和弹座受控顶通导头分别连接在第一中心管短节上且对坐封组件的两端进行限位；坐封组件包括可变形的胶筒、锥形衬和胀锁卡瓦。利用本发明装置可在完成射孔作业的套管内依次进行分段压裂并保压；实现了各分段压裂保压独立作业，前分段保压不干扰后段压裂，在不降低分段压裂保压作业效率的同时实现了压裂后的保压作业，保障压裂后地层压力逐步恢复的需求，避免了快速卸压导致地层吐砂和对压裂的地层裂隙造成伤害的问题。

Description

受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿井下水力压裂技术领域，具体涉及一种受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置及方法。

背景技术

煤矿井下分段压裂多采用拖动式“双封单卡”压裂，其工艺过程为压裂完一段后快速卸压解封拖动工具串到下一段压裂位置，无法保障压裂后地层压力逐步恢复的需求，快速卸压不仅易导致地层吐砂，对压裂的地层裂隙也会造成伤害。而不动管柱多封隔器分段压力方式则采用多个封隔器一次入孔、分步投球依次打开封隔器之间压裂段进行分段压裂的工艺，可实现地层压裂后的保压要求，但压裂分段段数受限，且工具串长期留置孔中，易发生孔内事故。

发明内容

针对以上技术需求，本发明提出了一种受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置及方法，实现了煤矿井下套管内不受限多分段压裂和压裂分段保压，通过封隔工具外移根本上避免了由于发生吐砂、遗砂卡死封隔器的孔内事故。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

本发明首先公开了受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置，该装置包括多个中心管短节、坐封组件、逆止推环、弹座受控顶通导头、封堵弹、定压爆板和液压缸组件；

所述坐封组件套设在第一中心管短节上，所述逆止推环和弹座受控顶通导头分别连接在所述第一中心管短节上且对所述坐封组件的两端进行限位；

所述坐封组件包括可变形的胶筒、锥形衬和胀锁卡瓦，所述胶筒、锥形衬、胀锁卡瓦以及所述逆止推环均套设在所述第一中心管短节上，所述胀锁卡瓦设置在胶筒两侧，每个所述胀锁卡瓦与胶筒之间均夹设有所述锥形衬，所述锥形衬的外径沿胀锁卡瓦至胶筒方向逐渐增加；

所述逆止推环只能在第一中心管短节上单向移动挤压胀锁卡瓦而不能后退；

所述弹座受控顶通导头内设置有与所述第一中心管短节内孔连通的过液通道，所述过液通道中设置有与所述封堵弹外部轮廓匹配且卡住封堵弹的弹座；

所述定压爆板设置在过液通道末端且对过液通道进行封闭，当过液通道内压力达到一定数值后可挤开所述定压爆板；

所述液压缸组件包括缸体以及设置在缸体内的活塞推臂，第二中心管短节穿过所述缸体，且第二中心管短节外壁与缸体内壁之间形成环形空腔，所述第二中心管短节上设置有与所述环形空腔连通的通孔；所述活塞推臂为内部中空的环形杆结构，所述活塞推臂一端插入所述环形空腔内，且活塞推臂能够沿环形空腔轴向移动进而推动逆止推环移动；

所述第一中心管短节与第二中心管短节连接，在一定扭力或者拉力下第一中心管短节与第二中心管短节的连接处可断开。

优选的，所述胀锁卡瓦外表面设置有卡牙，胀锁卡瓦上设置有多条沿其圆周方向分布的开口。

优选的，所述封堵弹的弹尾设置有止退弹翼，所述弹座上设置有与所述止退弹翼匹配的反向卡槽。

优选的，所述封堵弹上设置有封压胶圈。

优选的，所述逆止推环上设置有内逆止丝口，所述第一中心管短节上设置有外逆止丝口，所述内逆止丝口与外逆止丝口相互作用使逆止推环只能单向移动挤压胀锁卡瓦而不能后退。

优选的，所述第二中心管短节与第一中心管短节螺纹连接，且连接处通过剪断销固定。

本发明还公开了一种受控坐封丢断可钻分段保压压裂方法，该方法采用本发明记载的受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置进行作业，具体包括以下步骤：

步骤1，在套管固孔钻孔内完成各设计压裂分段位置射孔；

步骤2，将所述受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置送至最里段压裂分段的外侧；利用油管供液使活塞推臂作用逆止推环推动胀锁卡瓦与锥形衬挤压胶筒径向膨胀，与套管形成高压密闭，完成坐封；

步骤3，继续升高油管供液压力，达到设置压力后，弹座受控顶通导头前部顶端的定压爆板打开，通过第一中心管短节、第二中心管短节以及过液通道连通形成的内通路开始对所在分段进行压裂施工；

步骤4，完成压裂后，投入封堵弹，利用封堵弹对弹座受控顶通导头的过液通道进行封堵，实现内通路封堵和保压；

步骤5，继续增大油管压力直至断开第一中心管短节与第二中心管短节的连接，通过油管带动液压缸组件退出套管；

步骤6，重复步骤2至步骤5，实施后续设计压裂分段的压裂和保压；其中最外段分段可不再投入封堵弹，直接实施孔外压裂油管封闭保压。

优选的，所述步骤5中，通过大扭矩扭拉或液压拉力断开第一中心短节和第二中心管短节之间的连接。

进一步的，待步骤6完成保压结束后，采用套管磨鞋对丢断留在套管内的工具封堵部件进行磨削通孔，打通钻孔套管内部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用本发明装置可在完成射孔作业的套管内依次进行分段压裂并保压，保压完成后钻除保压部件通孔完成作业；实现了各分段压裂保压独立作业，前分段保压不干扰后段压裂，在不降低分段压裂保压作业效率的同时实现了压裂后的保压作业，保障压裂后地层压力逐步恢复的需求，避免了快速卸压导致地层吐砂和对压裂的地层裂隙造成伤害的问题。

本发明方法采用射孔和压裂分开实施，多个受控坐封丢断工具不存在相互干扰，所以压裂分段数量理论上不受限制，可有效提高压裂分段的分布密度，提升钻孔整体压裂效果。另外工具串不跨越施工的压裂分段，在压裂分段的孔口方向，根本上避免了发生吐砂、遗砂卡死封隔器的孔内事故的问题。

以下将结合具体实施方式对本发明的其他优点进行补充说明。

附图说明

图1是本发明实施例记载的装置装配示意图。

图2是本发明实施例记载的坐封组件及弹座受控顶通导头的结构示意图。

图3是本发明实施例记载的液压缸组件结构示意图。

图4是本发明实施例记载的封堵弹的结构示意图。

图5是本发明实施例记载的整体装置使用流程示意图，(a)整体装置入孔；(b)坐封、打开内通路实施压裂；(c)压裂完成，投入封堵弹保压、丢断液压缸组件和坐封组件；(d)送入整体装置实施下一分段压裂。

图中各标号的含义：

1-坐封组件，2-逆止推环，3-弹座受控顶通导头，4-封堵弹，5-定压爆板，6-液压缸组件，7-第一中心管短节，8-第二中心管短节，9-剪断销；

101-胶筒，102-锥形衬，103-胀锁卡瓦；1031-卡牙，1032-开口；

201-内逆止丝口；

301-过液通道，302-弹座，303-反向卡槽；

401-止退弹翼，402-封压胶圈；

601-缸体，602-活塞推臂；

701-外逆止丝口，702-第一剪销口；

801-内丝口，802-第二剪销口，803-螺纹接口。

具体实施方式

以下详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于以下特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。

在发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明的具体实施例公开了一种受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置，如图1所示，该装置包括坐封组件1、逆止推环2、弹座受控顶通导头3、封堵弹4、定压爆板5、液压缸组件6、第一中心管短节7和第二中心管短节8。

其中，坐封组件1套设在第一中心管短节7上，逆止推环2和弹座受控顶通导头3分别连接在所述第一中心管短节7上，并对坐封组件1的两端进行限位。

如图2所示，坐封组件1包括可变形的胶筒101、锥形衬102和胀锁卡瓦103，胶筒101、锥形衬102、胀锁卡瓦103以及逆止推环2均套设在第一中心管短节7上，胀锁卡瓦103设置在胶筒101两侧，每个胀锁卡瓦103与胶筒101之间均夹设有一个锥形衬102，且锥形衬102的外径沿胀锁卡瓦103至胶筒101方向逐渐增加。

胀锁卡瓦103与锥形衬102挤压胶筒101与套管形成高压密闭。本实施例中，胀锁卡瓦103整体为套筒结构，内表面为光滑面，与第一中心管短节7配合，外表面设置有卡牙1031，且围绕胀锁卡瓦103圆周方向设置有多条沿开口1032，随着胀锁卡瓦103移动向锥形衬102，胀锁卡瓦103与锥形衬102挤压胶筒101与套管形成高压密闭，同时开口1032被撑开，胀锁卡瓦103膨胀，通过其表面的卡牙1031卡锁住套管。

逆止推环2只能在第一中心管短节7上单向移动挤压胀锁卡瓦103而不能后退，具体的，逆止推环2通过以下结构实现该功能：逆止推环2上设置有内逆止丝口201，第一中心管短节7上设置有外逆止丝口701，内逆止丝口201与外逆止丝口701相互作用使逆止推环2只能单向移动挤压胀锁卡瓦103而不能后退。

弹座受控顶通导头3内设置有过液通道301，过液通道301与第一中心管短节7内孔连通，过液通道301中设置有与封堵弹4外部轮廓匹配且卡住封堵弹4的弹座302，本实施例的弹座受控顶通导头3外部轮廓整体为圆柱体结构，头部进行圆弧处理；过液通道301进口处设置有一段螺纹用于与第一中心管短节7螺纹连接；弹座302为过液通道301中的一段与封堵弹4外部轮廓匹配的孔。

本实施例的封堵弹4整体为圆柱体，弹头部分经过圆弧处理，弹尾设置有止退弹翼401，止退弹翼401为倒三角形，如图4所示。在弹座302还上设置有一圈反向卡槽303，反向卡槽303为内径略大于止退弹翼401外轮廓直径的凹槽，凹槽与弹座302形成的台阶面处正好能够卡住止退弹翼401。封堵弹4送入弹座受控顶通导头3内，通过反向卡槽303将其固定在弹座302中实现对过液通道301的密封。

另外，还在封堵弹4上设置一圈封压胶圈402，对过液通道301进行进一步的密封。

封堵弹4利用压裂液可输送到弹座302形成密封，同时通过封压胶圈402实现双向密封。

定压爆板5设置在过液通道301末端且对过液通道301进行封闭，当过液通道301内压力达到一定数值后可挤开定压爆板5。需要注意的是，压裂液挤压定压爆板5打开所需的力大于压裂液挤压液压缸组件6中活塞推臂602移动所需的力，这样可保证活塞推臂602移动前定压爆板5不会打开。

如图4所示，液压缸组件6包括缸体601以及设置在缸体601内的活塞推臂602。第二中心管短节8穿过缸体601，第二中心管短节8外壁与缸体601内壁之间形成环形空腔，并在第二中心管短节8上设置有与环形空腔连通的通孔，使得第二中心管短节8中的液体通过该通孔进入环形空腔中。活塞推臂602为内部中空的环形杆结构，活塞推臂602内径与第二中心管短节8外径匹配，活塞推臂602外径与缸体内径匹配，使得活塞推臂602能够插入环形空腔内。在压裂液的作用下，活塞推臂602能够沿环形空腔轴向移动，进而推动逆止推环2移动。

第一中心管短节7与第二中心管短节8连接，在一定扭力或者拉力下第一中心管短节7与第二中心管短节8可断开，具体为：在第一中心管短节7上设置有第一剪销口702，第二中心管短节8上设置有内丝口801和第二剪销口802，第一中心管短节7的外逆止丝口701与第二中心管短节8的内丝口801连接，并通过剪断销9进行固定。剪断销9为定压剪断销，可通过第一中心短节7和第二中心管短节8之间的大扭矩扭拉或液压拉力剪断，这样断开了液压缸组件6与坐封组件1的连接。

在第二中心管短节8另一端还设置有螺纹接口803，用于与油管连接。

第一中心管短节7、第二中心管短节8以及过液通道301连通形成该装置的内通路，然后压裂液通过内通路对分段进行压裂施工

本实施例的第一中心管短节7、第二中心管短节8、逆止推环2、胀锁卡瓦103、锥形衬102、胶筒101和弹座受控顶通导头3等采用易钻磨材料加工。

本发明的另一具体实施例公开了一种受控坐封丢断可钻分段保压压裂方法，该方法采用上述实施例记载的受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置进行作业，具体包括以下步骤：

步骤1，在套管固孔钻孔内完成各设计压裂分段位置射孔；

步骤2，将上述实施例记载的受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置送至最里段压裂分段的外侧；利用油管供液使活塞推臂602作用逆止推环2推动胀锁卡瓦103与锥形衬102挤压胶筒101径向膨胀，与套管形成高压密闭，完成坐封；

步骤3，继续升高油管供液压力，达到设置压力后，弹座受控顶通导头3前部顶端的定压爆板5打开，通过第一中心管短节7、第二中心管短节8以及过液通道301连通形成的内通路开始对所在分段进行压裂施工；

步骤4，完成压裂后，投入封堵弹4，利用封堵弹4的止退弹翼401和封压胶圈402对弹座受控顶通导头3的过液通道301进行封堵，实现内通路封堵和保压；

步骤5，断开第一中心管短节7与第二中心管短节8的连接，通过油管带动液压缸组件6退出套管，优选的：

本实施例通过剪断销9固定第一中心管短节7与第二中心管短节8，当油管压力达到液压缸组件6和第二中心管短节8连接处剪断销9设置的剪断力，或者利用钻机扭转拉拔力达到第一中心管短节7和第二中心管短节8连接处剪断销9设置的剪断力，剪断剪断销9，断开液压缸组件6和内部坐封组件1，退出油管。

当然也可采用其他方式断开第一中心管短节7与第二中心管短节8的连接，上述仅是本发明的一个优选方案。

步骤6，重复步骤2至步骤5，实施后续设计压裂分段的压裂和保压；其中最外段分段可不再投入封堵弹4，直接实施孔外压裂油管封闭保压。

如图5所示为上述施工流程示意图。

作为本发明的可选实施方案，待步骤6完成保压结束后，采用套管磨鞋对丢断留在套管内的工具封堵部件进行磨削通孔，打通钻孔套管内部。

可以看出，本发明将射孔和压裂分开实施，多个受控坐封丢断工具不存在相互干扰，所以压裂分段数量理论上不受限制，可有效提高压裂分段的分布密度，提升钻孔整体压裂效果。另外工具串不跨越施工的压裂分段，在压裂分段的孔口方向，根本上避免了发生吐砂、遗砂卡死封隔器的孔内事故的问题。

Claims (9)

1.受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置，其特征在于，包括多个中心管短节、坐封组件(1)、逆止推环(2)、弹座受控顶通导头(3)、封堵弹(4)、定压爆板(5)和液压缸组件(6)；

所述坐封组件(1)套设在第一中心管短节(7)上，所述逆止推环(2)和弹座受控顶通导头(3)分别连接在所述第一中心管短节(7)上且对所述坐封组件(1)的两端进行限位；

所述坐封组件(1)包括可变形的胶筒(101)、锥形衬(102)和胀锁卡瓦(103)，所述胶筒(101)、锥形衬(102)、胀锁卡瓦(103)以及所述逆止推环(2)均套设在所述第一中心管短节(7)上，所述胀锁卡瓦(103)设置在胶筒(101)两侧，每个所述胀锁卡瓦(103)与胶筒(101)之间均夹设有所述锥形衬(102)，所述锥形衬(102)的外径沿胀锁卡瓦(103)至胶筒(101)方向逐渐增加；

所述逆止推环(2)只能在第一中心管短节(7)上单向移动挤压胀锁卡瓦(103)而不能后退；

所述弹座受控顶通导头(3)内设置有与所述第一中心管短节(7)内孔连通的过液通道(301)，所述过液通道(301)中设置有与所述封堵弹(4)外部轮廓匹配且卡住封堵弹(4)的弹座(302)；

所述定压爆板(5)设置在过液通道(301)末端且对过液通道(301)进行封闭，当过液通道(301)内压力达到一定数值后可挤开所述定压爆板(5)；

所述液压缸组件(6)包括缸体(601)以及设置在缸体(601)内的活塞推臂(602)，第二中心管短节(8)穿过所述缸体(601)，且第二中心管短节(8)外壁与缸体(601)内壁之间形成环形空腔，所述第二中心管短节(8)上设置有与所述环形空腔连通的通孔；所述活塞推臂(602)为内部中空的环形杆结构，所述活塞推臂(602)一端插入所述环形空腔内，且活塞推臂(602)能够沿环形空腔轴向移动进而推动逆止推环(2)移动；

所述第一中心管短节(7)与第二中心管短节(8)连接，在一定扭力或者拉力下第一中心管短节(7)与第二中心管短节(8)的连接处可断开。

2.如权利要求1所述的受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置，其特征在于，所述胀锁卡瓦(103)外表面设置有卡牙(1031)，胀锁卡瓦(103)上设置有多条沿其圆周方向分布的开口(1032)。

3.如权利要求1所述的受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置，其特征在于，所述封堵弹(4)的弹尾设置有止退弹翼(401)，所述弹座(302)上设置有与所述止退弹翼(401)匹配的反向卡槽(303)。

4.如权利要求1或3所述的受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置，其特征在于，所述封堵弹(4)上设置有封压胶圈(402)。

5.如权利要求1所述的受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置，其特征在于，所述逆止推环(2)上设置有内逆止丝口(201)，所述第一中心管短节(7)上设置有外逆止丝口(701)，所述内逆止丝口(201)与外逆止丝口(701)相互作用使逆止推环(2)只能单向移动挤压胀锁卡瓦(103)而不能后退。

6.如权利要求1所述的受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置，其特征在于，所述第二中心管短节(8)与第一中心管短节(7)螺纹连接，且连接处通过剪断销(8)固定。

7.受控坐封丢断可钻分段保压压裂方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至6任一项所述的受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置进行作业，具体包括以下步骤：

步骤1，在套管固孔钻孔内完成各设计压裂分段位置射孔；

步骤2，将所述受控坐封丢断可钻分段保压压裂装置送至最里段压裂分段的外侧；利用油管供液使活塞推臂(602)作用逆止推环(2)推动胀锁卡瓦(103)与锥形衬(102)挤压胶筒(101)径向膨胀，与套管形成高压密闭，完成坐封；

步骤3，继续升高油管供液压力，达到设置压力后，弹座受控顶通导头(3)前部顶端的定压爆板(5)打开，通过第一中心管短节(7)、第二中心管短节(8)以及过液通道(301)连通形成的内通路开始对所在分段进行压裂施工；

步骤4，完成压裂后，投入封堵弹(4)，利用封堵弹(4)对弹座受控顶通导头(3)的过液通道(301)进行封堵，实现内通路封堵和保压；

步骤5，断开第一中心管短节(7)与第二中心管短节(8)的连接，通过油管带动液压缸组件(6)退出套管；

步骤6，重复步骤2至步骤5，实施后续设计压裂分段的压裂和保压；其中最外段分段可不再投入封堵弹(4)，直接实施孔外压裂油管封闭保压。

8.如权利要求7所述的受控坐封丢断可钻分段保压压裂方法，其特征在于，所述步骤5中，通过大扭矩扭拉或液压拉力断开第一中心短节(7)和第二中心管短节(8)之间的连接。

9.如权利要求7所述的受控坐封丢断可钻分段保压压裂方法，其特征在于，待步骤6完成保压结束后，采用套管磨鞋对丢断留在套管内的工具封堵部件进行磨削通孔，打通钻孔套管内部。

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