CN117988769A - 一种分段压裂滑套、完井管串和完井管柱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分段压裂滑套，包括：外筒，外筒设有导流孔；同心布置在外筒内的内筒，内筒的内壁设有多个在轴向上均匀间隔开分布的凹槽；以及可移动球座，可移动球座能够相对于内筒沿轴向运动，并能够与相应的凹槽适配；其中，内筒在初始状态下通过剪切销钉与外筒形成固定连接并封堵导流孔，可移动球座构造成能够通过投入启动球而形成压差，并能够在压差作用下从初始位置向下运动，直至运动到下一级凹槽位置后，使启动球能够通过可移动球座而下落，通过多次投入启动球能够使可移动球座运动至开启位置，并在压差作用下带动内筒剪断剪切销钉后下行，从而打开导流孔。本发明还提供一种完井管串和完井管柱。

Description

一种分段压裂滑套、完井管串和完井管柱

技术领域

本发明属于油气井完井作业技术领域，具体涉及一种分段压裂滑套和完井管柱，尤其是用于油气井作业的分段压裂滑套、完井管串和完井管柱。

背景技术

在油气井完井试气过程中，通过滑套的打开动作将油套环空连通，以实现循环、替液、压裂等作业。油气井的完井压裂管柱为油管，管柱上连接有封隔器、滑套等多个井下工具。滑套位置为压裂层，滑套的数量代表了压裂施工的段数或级数。在压裂施工前，先投入第一层滑套的启动球，启动球被球座接住后，打压实现封隔器坐封，将各施工段油套环空隔离。封隔器坐封后，继续打压，切断滑套内外筒之间的销钉并使内筒滑动，滑套循环通道打开，随即压裂施工该层段。施工完后再投入第二层滑套对应尺寸的启动球，打压至第二层滑套打开，施工第二层，如此依次施工各层段。单层施工作业只需一个滑套即可，但多层分段施工则需要在一个管柱上串接多个滑套，施工时从下至上打开一层，压裂一层。

常规滑套通过改变所投启动球的尺寸实现了多级数滑套，同时同一个尺寸的球只能实现一级滑套，因此可实现的级数有限。现有技术中，如中国专利200820061922.3公开的压裂滑套喷射器，其基本结构是由外筒、内筒、上接头、下接头等组成，内筒与外筒之间可以相互滑动，滑动配合面有剪切销钉和密封件，外筒上设置有出液口，内筒上设置有球座。需要打开滑套时，从井口投球，球被泵送至球座，形成上下压差，推动滑套内筒下行，露出外筒出液口。滑套的启动球与球座一一对应，启动球直径大于球座的球座面内径，这导致能够实现的级数有限，无法有效提高施工效率。

随着气藏勘探开发的深入，油气井逐渐从定向井过渡到水平井，且水平段越来越长，压裂需要分段数越来越多，现有常规的投球滑套无法满足压裂改造分段级数需求，无法满足油气井高效开发的需求。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种分段压裂滑套、完井管串和完井管柱，该分段压裂滑套、完井管串和完井管柱能够在不改变油气井井身机构、完井方式等情况下实现更多级数的压裂改造施工，实现储量更大程度动用。

为此，根据本发明的第一方面，提供了一种分段压裂滑套，包括：外筒，所述外筒设有导流孔；同心布置在所述外筒内的内筒，所述内筒的内壁设有多个在轴向上均匀间隔开分布的凹槽；以及可移动球座，所述可移动球座能够相对于所述内筒沿轴向运动，并能够与相应的所述凹槽适配；其中，所述内筒在初始状态下通过剪切销钉与所述外筒形成固定连接并封堵所述导流孔，所述可移动球座构造成能够通过投入启动球而形成压差，并能够在压差作用下从初始位置向下运动，直至运动到下一级所述凹槽位置后，使所述启动球能够通过所述可移动球座而下落，通过多次投入启动球能够使所述可移动球座运动至开启位置，并在压差作用下带动所述内筒剪断所述剪切销钉后下行，从而打开所述导流孔。

在一个实施例中，所述可移动球座构造成包括筒状本体、分别固定连接在所述筒状本体两端的第一弹片和第二弹片，在所述第一弹片和所述第二弹片的外壁面上分别设有第一卡爪和第二卡爪，

其中，在第一状态下，所述第一卡爪在所述内筒的内壁作用下使所述第一弹片径向收缩，所述第二卡爪与相应的所述凹槽适配而使所述第二弹片径向撑开，所述启动球与所述第一弹片适配而形成压差，

在第二状态下，所述第一卡爪与相应的所述凹槽适配而使所述第一弹片径向撑开，所述第二卡爪在所述内筒的内壁作用下使所述第二弹片径向收缩，所述启动球与所述第二弹片适配而形成压差，

通过依次投入所述启动球能够推动所述可移动球座下行，并在所述第一状态与所述第二状态之间切换。

在一个实施例中，所述凹槽的下侧壁面构造成第一锥面，所述第一卡爪和所述第二卡爪的下端面均构造成第二锥面，所述第二锥面能够与所述第一锥面适配。

在一个实施例中，在所述第一弹片和所述第二弹片的内壁分别设有径向向内延伸的凸起部，所述凸起部的上端面构造成第三锥面，所述第三锥面用于与所述启动球适配。

在一个实施例中，所述第一弹片和所述第二弹片均设有多个，且均沿周向均匀间隔开分布。

在一个实施例中，所述内筒的下端内壁面构造成内径沿轴向向内递减的适配锥面，所述可移动球座运动到所述开启位置时，使所述第二弹片在所述第二卡爪与所述适配锥面的作用下径向收缩，以使所述启动球能够在压差作用下带动所述内筒剪断所述剪切销钉。

在一个实施例中，在所述内筒与所述外筒之间设有彼此轴向间隔开分布的第一密封件，所述导流孔在初始状态下处于所述第一密封件的轴向之间。

在一个实施例中，所述外筒的上端固定连接有上接头，在所述上接头与所述外筒的连接面之间设有第二密封件。

在一个实施例中，所述外筒的下端固定连接有下接头，在所述下接头与所述外筒的连接面之间设有第三密封件，且所述下接头的上端面延伸至所述外筒内而形成限位台阶，所述限位台阶能够对所述内筒下行形成轴向限位。

根据本发明的第二方面，提供一种完井管串，包括：

至少1个如上所述的分段压裂滑套；

根据本发明的第三方面，提供一种完井管串，包括：

至少1个如上所述的分段压裂滑套和1个常规滑套，所述分段压裂滑套连接在所述常规滑套的上方。

根据本发明的第四方面，提供一种完井管柱，包括：

至少1个如上所述的完井管串，

其中，从下往上各级所述完井管串中对应的球座的内径依次递增。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

根据本发明的分段压裂滑套和完井管柱能够在不改变油气井井身机构、完井方式等情况下实现更多级数的压裂改造施工，实现储量更大程度动用。分段压裂滑套结构简单可直接与完井管柱一并预置入井，施工时投入启动球可直接开启分段压裂滑套开展压裂施工，施工工艺简单，非常有利于提高施工作业效率。分段压裂滑套可以单独使用，也可与普通滑套(常规滑套)配套使用，同一个尺寸的启动球可分多次投入，可分别开启分段压裂滑套和普通滑套，实现了不动管柱情况下多级分段压裂。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1示意性地显示了根据本发明的分段压裂滑套的结构。

图2示意性地显示了图1所示分段压裂滑套中的可移动球座的结构。

图3至图7显示了投入启动球推动可移动球座运动直至打开导流孔的过程。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

以下通过附图来对本发明进行介绍。需要说明的是，这些介绍仅为出于说明本发明的原理而提供，并不因此而限制了本发明的范围。

为方便理解，在本申请中，将根据本发明的分段压裂滑套下入到井筒中时靠近井口的一端定义为上端、上游端或相似用语，例如图1中的左端，而将远离井口的一端定义为下端、下游端或相似用语，例如图1中的右端。同时，将沿着分段压裂滑套的长度方向称为纵向方向、轴向方向或类似用语，而与之垂直的方向称为横向方向、径向方向或类似用语。

图1示意性地显示了根据本发明的分段压裂滑套100的结构。如图1所示，分段压裂滑套100包括外筒1、内筒2，以及可移动球座3。外筒1设有贯穿其侧壁的导流孔11。优选地，导流孔11设置在外筒1的靠近上端的位置处。为了提高压裂施工效率，导流孔11可以设有多个，且在周向上均匀间隔开分布。内筒2同心布置在外筒1的内部。内筒2的内壁设有多个在轴向上均匀间隔开分布的凹槽21，凹槽21设有至少3个。可移动球座3能够相对于内筒2沿轴向运动，并能够与相应的凹槽21适配。

根据本发明，内筒2在初始状态下通过剪切销钉4与外筒1形成固定连接，并封堵导流孔11，由此关闭导流孔11。可移动球座3构造成能够通过投入启动球5(见图2)而形成压差，并使启动球5在压差作用下推动可移动球座3从初始位置运动，直至运动到下一级凹槽位置后，启动球5能够通过可移动球座3而下落，通过多次投入启动球5能够使可移动球座3运动至开启位置，并使相应的启动球5能够在压差作用下带动内筒2剪断剪切销钉4后下行，直至露出导流孔11，从而打开导流11。这里需要说明的是，初始位置指初始状态下可移动球座3所处的对应于最上端一级凹槽位置，开启位置指可移动球座3向下运动至对应于最下端一级凹槽位置。

根据本发明，如图2所示，可移动球座3构造成包括筒状本体31、分别固定连接在筒状本体31的两端的第一弹片32和第二弹片33，在第一弹片32的外壁面上设有第一卡爪321，第一卡爪321构造成沿径向向外延伸的凸起。优选设置在靠近第一弹片32的自由端端部位置。第一弹片32设有多个，且多个第一弹片32在周向上均匀间隔开分布。同样地，在第二弹片33的外壁面上设有第二卡爪331，第二卡爪331与第一卡爪321结构相同。第一弹片32和第二弹片33结构相同，且在轴向上对称分布。第一弹片32和第二弹片33能够沿径向伸缩。

如图3所示，在初始状态下，可移动球座3的第一卡爪321在内筒2的内壁作用下使第一弹片32径向收缩，第二卡爪331与内筒2内壁上的第二个(从上往下数)凹槽21适配而使第二弹片33径向撑开，此时，可移动球座3处于在第一状态，启动球5能够与第一弹片32适配而形成压差，以推动可移动球座3向下运动。

如图4所示，第一卡爪321与内筒2内壁上相应的凹槽21适配而使第一弹片32径向撑开，第二卡爪331在内筒2的内壁作用下使第二弹片33径向收缩。此时，可移动球座3处于第二状态，启动球5进入可移动球座3的内部，并能够与第二弹片33适配而形成压差，以推动可移动球座3向下运动。

通过依次投入启动球5能够依次推动可移动球座3下行，并使可移动球座3在第一状态与第二状态之间切换。可移动球座3从第一状态切换到第二状态的过程中，启动球5进入可移动球座3的内部。可移动球座3从第二状态切换到第一状态的过程中，启动球5通过可移动球座3并向下游掉落。

根据本发明，内筒2内壁上凹槽21的下侧壁面构造成第一锥面211(见图1)。同时，如图2所示，第一卡爪321和第二卡爪331的下端面均构造成第二锥面34，第二锥面34能够与第一锥面211适配。由此，第一卡爪321、第二卡爪331能够进入凹槽21或脱离凹槽21，以实现可移动球座3的轴向运动。

如图2所示，在第一弹片32和第二弹片33的内壁分别设有径向向内延伸的凸起部35，凸起部35优选设置在靠近第一弹片32及第二弹片33相应的的末端端部位置。凸起部35的下端面构造成第三锥面36，第三锥面36用于与启动球5适配以在可移动球座3上下侧形成压差。在第一状态下，第一弹片32径向收缩，使得第一弹片32内壁上相应的凸起部35上端的第三锥面36形成为球座工作面，以与启动球5适配。在第一状态下，第二弹片33径向收缩，使得第二弹片33内壁上相应的凸起部35上端的第三锥面36形成为球座工作面，以与启动球5适配。

根据本发明，内筒2的下端内壁面构造成内径沿轴向向内递减的适配锥面22(见图1)。当可移动球座3运动到开启位置时，第二卡爪331与适配锥面22接触，并使第二弹片33在第二卡爪331与适配锥面22的作用下径向收缩。图6示意性地显示了可移动球座3运动到开启位置时状态。由此，启动球5能够在压差作用下推动可移动球座3带动内筒2剪断剪切销钉4，从而打开导流孔11。图7示意性地显示了导流孔11打开状态。

在一个实施例中，在内筒2与外筒1之间设有至少2个彼此轴向间隔开分布的第一密封件6，导流孔11在初始状态下处于第一密封件6的轴向之间。这样能够有效保证导流孔11在未开启时的密封性，从而避免外部流体进入分段压裂滑套100的内部。

根据本发明，在外筒1的上端固定连接有上接头7，上接头7用于连接其他上部管串(未示出)。为了保证上接头7与外筒1之间的密封性，可以在上接头7与外筒1的连接面之间设有第二密封件71。在一个实施例中，上接头7与外筒1之间采用台阶形连接扣形成固定连接。

在外筒1的下端固定连接有下接头8，下接头8用于连接其他下部管串(未示出)。为了保证下接头8与外筒1之间的密封性，可以在下接头8与外筒1的连接面之间设有第三密封件81。下接头8的上端面延伸至外筒1的内部而形成限位台阶，限位台阶能够对内筒2下行形成轴向限位。在一个实施例中，下接头8与外筒1之间采用台阶形连接扣形成固定连接。

本发明还提供一种完井管串，该完井管串包括多个如上所述的分段压裂滑套100，多个分段压裂滑套100依次连接而形成完井管串，并且同一完井管串中的多个分段压裂滑套100中与同一启动球对应的可移动球座3的内径相同。

作为替代或附加，完井管串还可以包括至少1个如上所述的分段压裂滑套100和1个配套使用的常规滑套。多个分段压裂滑套100均依次连接在常规滑套的上方。同一尺寸的启动球可分次投入开启具有同样径向尺寸球座的分段压裂滑套100和常规滑套，实现了不动管柱情况下多级分段压裂。

在实际作业过程中，完井管串中的分段压裂滑套100的数量根据所需要酸化压裂的层数设定。通过调整可移动球座3的径向尺寸及启动球的尺寸能够实现多级。

本发明还提供一种完井管柱，该完井管柱包括至少1个如上所述的完井管串，其中，从下往上各级完井管串中对应的球座的内径依次递增。

下面简述根据本发明的分段压裂滑套100和完井管柱的工作过程。根据实际需要将一定数量的分段压裂滑套100连接形成完井管串，进而连接一定数量的完井管串形成完井管柱，将完井管柱下入井筒至预定层段。如图3所示，初始状态下，可移动球座3处于初始位置，可移动球座3的第二卡爪331与内筒2内壁上相应的第二个凹槽21适配，从而使第二弹片33径向撑开，同时第一卡爪321与内筒2内壁面接触，从而在内筒2的内壁作用下使第一弹片32径向收缩。此时，第一弹片32内侧的凸起部35相应的第三锥面36形成为球座工作面，能够与启动球5适配。当实施第一层段酸化压裂施工作业时，投入最小尺寸的启动球5，启动球5落在与最小尺寸启动球配套的最上面一个分段压裂滑套100中对应的可移动球座3的位置，在压差作用下启动球5推动相应的可移动球座3移动。在移动过程中，如图4所示，位于内筒2的第二个凹槽21内的第二卡爪331脱离第二个凹槽21，而第一卡爪321进入内筒2上的第一个凹槽21，使得第一弹片32径向撑开，启动球5被第一弹片32释放而进入可移动球座3的内部。此时，第二弹片33径向收缩，启动球5与第二弹片33内侧的凸起部35相应的第三锥面36适配，并形成压差，在压差作用下，启动球5推动可移动球座3继续下行，直至第二卡爪331与内筒2内壁上相应的第三个凹槽21适配，可移动球座3移动了一个凹槽间距，第二弹片33再次径向撑开，启动球5被第二弹片33释放，并沿图5中的箭头方向向下掉落至下一级分段压裂滑套100。重复上述动作，直到进入与该启动球5匹配的第一级分段压裂滑套100中，如图6所示，由于第一级分段压裂滑套100中的可移动球座3位于该级分段压裂滑套100内筒凹槽的最末端，并与内筒2内壁上的适配锥面22适配接触。如图7所示，在压差作用下可移动球座3能够推动内筒2剪断剪切销钉4，并使内筒2下移直至抵靠在下接头8上端面，从而打开导流孔11，实施该层段压裂施工。

根据本发明，同一尺寸的启动球可开启的分段压裂滑套100的数量与内筒2的凹槽21的数量相关。根据同一尺寸的启动球需开启的分段压裂滑套100的个数设计内筒2的凹槽21的数量。例如，同一尺寸的启动球需开启分段压裂滑套100的个数为N次，则该尺寸启动球适配的最上层的分段压裂滑套100内相应的可移动球座需移动N次凹槽位置才可开启。启动球的尺寸与分段压裂滑套100的可移动球座尺寸匹配，可根据可移动球座的内径尺寸进行分级设计。分段压裂滑套100可实施的分段级数可为可投入的不同尺寸的启动球的数量与同一尺寸的启动球可开启分段压裂滑套100数量的乘积。

当第一层段酸化压裂施工作业完成后，进行第二层段酸化压裂施工，通过再次投入相同尺寸的启动球5，重复上述动作，依次打开同一完井管串中的与启动球5对应的上一级分段压裂滑套100，并进行相应地层的压裂施工，直至完成该尺寸启动球对应分段压裂滑套100层段酸化压裂施工作业。

在后续作业过程中，逐级分次投入尺寸递增的启动球6，重复上述动作，以依次打开完井管串中相应匹配的分段压裂滑套100或分段压裂滑套100和普通滑套，实现不同地层段的分段压裂施工作业。由此，实现多级压裂改造施工。

根据本发明，外筒1、内筒2，以及可移动球座3均采用防硫材质制成，这大大提高了分段压裂滑套100的防腐性能，保证了分段压裂滑套100在酸性腐蚀环境环境下的工作性能，有利于延长其使用寿命。启动球5采用可降解材料制成，启动球5在压裂施工结束后可自动降解，以实现井筒全通径，从而实现顺利生产。

根据本发明的分段压裂滑套100和完井管柱能够在不改变油气井井身机构、完井方式等情况下实现更多级数的压裂改造施工，实现储量更大程度动用。分段压裂滑套100结构简单，可直接与完井管柱一并预置入井，施工时投入启动球5可直接开启分段压裂滑套100开展压裂施工，施工工艺简单，非常有利于提高施工作业效率。分段压裂滑套100可单独使用，也可以与普通滑套(常规滑套)配套使用，同一个尺寸的启动球可分多次投入，可分别开启分段压裂滑套100和普通滑套，实现了不动管柱情况下多级分段压裂。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”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”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，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种分段压裂滑套，包括：

外筒(1)，所述外筒设有导流孔(11)；

同心布置在所述外筒内的内筒(2)，所述内筒的内壁设有多个在轴向上均匀间隔开分布的凹槽(21)；以及

可移动球座(3)，所述可移动球座能够相对于所述内筒沿轴向运动，并能够与相应的所述凹槽适配；

其中，所述内筒在初始状态下通过剪切销钉(4)与所述外筒形成固定连接并封堵所述导流孔，所述可移动球座构造成能够通过投入启动球(5)而形成压差，并能够在压差作用下从初始位置向下运动，直至运动到下一级所述凹槽位置后，使所述启动球能够通过所述可移动球座而下落，通过多次投入启动球能够使所述可移动球座运动至开启位置，并在压差作用下带动所述内筒剪断所述剪切销钉后下行，从而打开所述导流孔。

2.根据权利要求1所述的分段压裂滑套，其特征在于，所述可移动球座构造成包括筒状本体(31)、分别固定连接在所述筒状本体两端的第一弹片(32)和第二弹片(33)，在所述第一弹片和所述第二弹片的外壁面上分别设有第一卡爪(321)和第二卡爪(331)，

其中，在第一状态下，所述第一卡爪在所述内筒的内壁作用下使所述第一弹片径向收缩，所述第二卡爪与相应的所述凹槽适配而使所述第二弹片径向撑开，所述启动球与所述第一弹片适配而形成压差，

在第二状态下，所述第一卡爪与相应的所述凹槽适配而使所述第一弹片径向撑开，所述第二卡爪在所述内筒的内壁作用下使所述第二弹片径向收缩，所述启动球与所述第二弹片适配而形成压差，

通过依次投入所述启动球能够推动所述可移动球座下行，并在所述第一状态与所述第二状态之间切换。

3.根据权利要求2所述的分段压裂滑套，其特征在于，所述凹槽的下侧壁面构造成第一锥面(211)，所述第一卡爪和所述第二卡爪的下端面均构造成第二锥面(34)，所述第二锥面能够与所述第一锥面适配。

4.根据权利要求2或3所述的分段压裂滑套，其特征在于，在所述第一弹片和所述第二弹片的内壁分别设有径向向内延伸的凸起部(35)，所述凸起部的上端面构造成第三锥面(36)，所述第三锥面用于与所述启动球适配。

5.根据权利要求2或3所述的分段压裂滑套，其特征在于，所述内筒的下端内壁面构造成内径沿轴向向内递减的适配锥面(22)，

所述可移动球座运动到所述开启位置时，使所述第二弹片在所述第二卡爪与所述适配锥面的作用下径向收缩，以使所述启动球能够在压差作用下带动所述内筒剪断所述剪切销钉。

6.根据权利要求2或3所述的分段压裂滑套，其特征在于，在所述内筒与所述外筒之间设有彼此轴向间隔开分布的第一密封件(6)，所述导流孔在初始状态下处于所述第一密封件的轴向之间。

7.根据权利要求1所述的分段压裂滑套，其特征在于，所述外筒的上端固定连接有上接头(7)，在所述上接头与所述外筒的连接面之间设有第二密封件(71)。

8.根据权利要求1所述的分段压裂滑套，其特征在于，所述外筒的下端固定连接有下接头(8)，在所述下接头与所述外筒的连接面之间设有第三密封件(81)，且所述下接头的上端面延伸至所述外筒内而形成限位台阶，所述限位台阶能够对所述内筒下行形成轴向限位。

9.一种完井管串，包括：

至少1个根据权利要求1到8中任一项所述的分段压裂滑套。

10.一种完井管串，包括：

至少1个根据权利要求1到8中任一项所述的分段压裂滑套和1个常规滑套，所述分段压裂滑套连接在所述常规滑套的上方。

11.一种完井管柱，包括：

至少1个根据权利要求9或10所述的完井管串，

其中，从下往上各级所述完井管串中对应的球座的内径依次递增。