CN207033424U - 一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串，属油气井井下作业工具领域。它由依次相互螺纹连接的外卡瓦连接器、液压安全接头、刚性扶正器A、水力喷砂工具、刚性扶正器B、反循环阀、压缩式封隔器和接箍定位器构成，该压裂工具串可对致密气藏、页岩气藏等非常规油气藏实施多段分段压裂，解决了现有多段分段压裂工艺工序繁杂；并且压裂作业完成后，需要对压缩式封隔器磨铣钻除，这一过程不仅耗时长，成本高，且易污染地层的问题。本实用新型有效降低了施工能耗，具有无级差限制，压裂层间隔无限制，无需钻除，施工时间更短的优点；对致密气藏、页岩气藏等非常规油气藏实施多段分段压裂作业具有积极的推广意义。

Description

一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串

技术领域

本实用新型涉及一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串，属油气井井下作业工具领域。

背景技术

随着我国逐步对致密气藏、页岩气藏等非常规油气藏实施勘探、开发，压裂增产工艺也逐步呈现大规模、多段分段压裂的趋势。但现有多段分段压裂增产工艺实施过程中即下入管柱、封隔器坐封到位后，需要上提管柱去掉连接件，然后再次下入密封回接插管，分级投球后才可进行压裂作业，致使工序繁杂；并且压裂作业完成后，需要对压缩式封隔器磨铣钻除，这一过程不仅耗时长，成本高，且易污染地层。因此，有必要对其进行改进。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种作业周期短，操作灵活，可有效降低生产成本和作业风险，既能实现大规模改造，又能达到多段压裂、精细压裂目的的套管内无级差压裂工艺的压裂工具串。

本实用新型的技术方案是：

一种套管内无级差压裂工艺的压裂工具串，它由外卡瓦连接器、液压安全接头、刚性扶正器A、水力喷砂工具、刚性扶正器B、反循环阀、压缩式封隔器和接箍定位器构成；其特征在于：外卡瓦连接器、液压安全接头、刚性扶正器A、水力喷砂工具、刚性扶正器B、反循环阀、压缩式封隔器和接箍定位器依次相互螺纹连接；所述的外卡瓦连接器由上接头、连接器卡瓦、隔环和连接器下接头构成，上接头和连接器下接头之间相互螺纹连接，上接头和连接器下接头之间并通过紧定螺钉固定，连接器下接头的端头通过隔环安装有连接器卡瓦，连接器卡瓦一侧的上接头上设置有固紧螺钉。

所述的液压安全接头由安全接头中心管、弹性爪和下连接头构成；安全接头中心管的一端套装有下连接头，安全接头中心管的另一端通过剪切销钉安装有弹性爪，弹性爪的一端延伸至安全接头中心管和下连接头之间，延伸至安全接头中心管和下连接头之间的弹性爪端头设置有卡头，下连接头的内壁上设置有与卡头对应的卡凹，下连接头与弹性爪之间通过卡头与卡凹的配合活动卡接。

所述的刚性扶正器A和刚性扶正器B分别由扶正器本体构成，扶正器本体为筒状体，扶正器本体的圆周上设置有截面呈梯形的扶正凸起。

所述的水力喷砂工具由喷砂工具本体构成，喷砂工具本体为筒状体，喷砂工具本体上螺纹安装有喷嘴，喷嘴与喷砂工具本体之间设置有垫片和密封圈；

所述的反循环阀由阀芯、阀体、锁帽和密封总成构成，阀体的一端设置有阀芯，阀芯的一端通过锁帽延伸至阀体内，延伸至阀体内的阀芯端头通过紧定螺钉装有密封总成。

所述的压缩式封隔器由中心管、胶筒、锥体、卡瓦、弹簧、卡瓦套、挡环、固定套、导向销、封隔器锁帽、封隔器下接头构成；中心管上设置有固定套，固定套一侧螺纹安装有挡环，挡环一侧的中心管上通过卡瓦套和弹簧安装有卡瓦，卡瓦一侧的中心管上装有锥体和胶筒；固定套的另一侧螺纹安装有封隔器下接头，固定套对应的中心管圆周上设置有换向槽，换向槽内设置有导向销；换向槽通过导向销与固定套和挡环连接，换向槽一端的中心管端头螺纹安装有封隔器锁帽。

所述的接箍定位器由定位器本体、压板、片弹簧和摩擦块构成，定位器本体上通过压板装有摩擦块，摩擦块与定位器本体之间设置有片弹簧，片弹簧与摩擦块接触连接，所述的压板和片弹簧分别通过紧定螺钉与定位器本体连接固定。

上述压裂工具串的压裂工艺包括以下步骤：

1）、入井定位：

将压裂工具串与连续油管连接，并匀速下入到待改造段，这一过程中，通过压裂工工具串上的刚性扶正器A、刚性扶正器B和压缩式封隔器上的卡瓦使整个压裂工具串处于套管居中位置，以降低压裂工具串与套管内壁的摩擦阻力，使压裂工具串顺利入井；并通过压裂工具串的接箍定位器找正井底位置；

压裂工具串下入到位后，匀速上提压裂工具串，此时注意观察井口表盘上的吨位指示，即接箍定位器经过井底套管接箍时产生的载荷指示波动，以校准压缩式封隔器的准确坐封深度；上提压裂工具串过程中，控制上提力在2—3T；

2）、坐封：

压裂工具串下入到预定深度后，上提管柱一次，上提力在2—3T，以使反循环阀开启、压缩式封隔器的导向销换向；然后再下放压裂工具串，此时压缩式封隔器的卡瓦上的摩擦块与套管内壁摩擦贴紧，从而提供坐封所需要的1T的初始摩擦力；

压裂工具串再次下放过程中，反循环阀关闭，中心管向下移动，导向销进入长轨道槽，卡瓦在锥体的支撑下被慢慢撑开，从而卡住套管内壁；胶筒随中心管向下移动过程中，受到向下的坐封力作用下，胶筒被压缩，外围扩张与套管内壁形成环形密封；由此完成坐封；

坐封完成后，胶筒隔离形成油管与套管间的环空，同时反循环阀关闭隔离连续油管内部上、下压力，使整个井筒在压缩式封隔器及反循环阀上、下隔离，便于进口泵入液体形成压力；

3）、射孔：

从油管内泵入砂浆，反循环阀前端球阀承受来自顶端的压力，起憋压作用；砂浆通过水力喷砂工具上喷嘴的节流作用，将其转化为50—60MPa的高压势能，射穿套管和地层；

4）、压裂：

从套管环空泵入压裂液，此时，压缩式压缩式封隔器承受压力，以避免环空压力窜通；持续施加压力进行压裂，直到完全压开地层；

5）、反洗循环

压裂作业完成后，从套管环空注入顶替液，通过反循环阀下端的旁通阀，将砂浆从套管携带到油管内，反洗出井筒，确保各工具清洁，避免解封压缩式封隔器及上提管柱时出现砂卡；

6）、管柱解封

直接上提压裂工具串，反循环阀开启，以平衡油、套管环空的压力差；继续上提压裂工具串，胶筒回弹、继续上提，导向销、卡在中心管、的轨道内解封位置上，卡瓦失去支撑，实现解封；压缩式压缩式封隔器顺利解封后，继续上提至下一段需要压裂的层位；即可进行下一压裂作业循环；

紧急情况下，需要将压裂工具串起出井筒时，向连续油管内投入不锈钢球到至液压安全接头处，向油管内施加压力，压力达到一定值时，液压丢手接头上的丢手销钉被剪断，弹性爪与下接头成功分离，上提连续油管，可将液压安全接头弹性爪及以上工具起出井筒，实现丢手。

本实用新型的有益效果在于：

1.卡瓦连接器的卡瓦通过锲进作用咬合连接油管，保证工具与连续油管安全性；

2.接箍定位器精确定位，利于管柱找准井下位置；

3.上提-下放一次可实现压缩式封隔器坐封，再上提-下放一次可解封压缩式封隔器；

4.坐封压缩式封隔器时，反循环阀处于关闭状态；解封压缩式封隔器时，反循环阀处于开启状态；

5.水力喷射稳定，可选择性的射孔压裂作业；

6.紧急情况下液压丢手，无需旋转或过提操作，保证安全丢手；

7.降低了施工能耗，更小的环空体积，更小的液体泵入量，并可循环使用；

8.可多次反复使用，无级差限制，压裂层间隔无限制，无需钻除，施工时间更短；

9.管柱配置灵活多变。各工具采用同规格的螺纹连接，方便增加或删减部分功能；

10.快速、安全、经济、高效。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的外卡瓦连接器的结构示意图；

图3为本实用新型的液压安全接头的结构示意图；

图4为本实用新型的刚性扶正器的结构示意图；

图5为本实用新型的液压水力喷砂工具的结构示意图；

图6为本实用新型的反循环阀的结构示意图；

图7为本实用新型的压缩式封隔器的结构示意图；

图8为压缩式封隔器的换向槽的展开示意图；

图9为本实用新型的接箍定位器的结构示意图；

图10为本实用新型的入井定位示意图；

图11为本实用新型的坐封示意图；

图12为本实用新型的射孔示意图；

图13为本实用新型的压裂示意图；

图14为本实用新型的反洗循环示意图；

图15为本实用新型的解封示意图；

图16为本实用新型的丢手示意图。

图中：1、连续油管，2、外卡瓦连接器，3、液压安全接头，4、刚性扶正器A，5、水力喷砂工具，6、刚性扶正器B，7、反循环阀，8、压缩式封隔器，9、接箍定位器，10、上接头，11、连接器卡瓦，12、隔环，13、连接器下接头，14、紧定螺钉，15、固紧螺钉，16、扶正器本体，17、扶正凸起，18、中心管，19、胶筒，20、卡瓦，21、弹簧，22、卡瓦套，23、挡环，24、固定套，25、导向销，26、封隔器锁帽，27、封隔器下接头，28、锥体，29、换向槽，30、定位器本体，31、压板，32、片弹簧，33、摩擦块，34、阀芯，35、阀体，36、锁帽，37、密封总成，38、安全接头中心管，39、弹性爪，40、下连接头，41、剪切销钉，42、卡头，43、喷砂工具本体，44、喷嘴。

具体实施方式

该套管内无级差压裂工艺的压裂工具串由外卡瓦连接器2、液压安全接头3、刚性扶正器A4、水力喷砂工具5、刚性扶正器B6、反循环阀7、压缩式封隔器8和接箍定位器9构成；外卡瓦连接器2、液压安全接头3、刚性扶正器A4、水力喷砂工具5、刚性扶正器B6、反循环阀7、压缩式封隔器8和接箍定位器9构成依次螺纹连接；外卡瓦连接器2由上接头10、连接器卡瓦11、隔环12和连接器下接头13构成，上接头10和连接器下接头13之间相互螺纹连接，上接头10和连接器下接头13之间并通过紧定螺钉14固定，连接器下接头13的端头通过隔环12安装有连接器卡瓦11，连接器卡瓦11一侧的上接头10上设置有固紧螺钉15；隔环12的两端平面分别与连接器卡瓦11和连接器下接头13端面贴合；连接器下接头13内孔壁上设有2个O型密封圈内孔，工作时与连续油管1外圆形成有效密封（参见附图1—2）。

液压安全接头3由安全接头中心管38、弹性爪39和下连接头40构成；安全接头中心管38的一端套装有下连接40，安全接头中心管38的另一端通过剪切销钉41安装有弹性爪39，弹性爪39的一端延伸至安全接头中心管38和下连接头40之间，延伸至安全接头中心管38和下连接头40之间的弹性爪39端头设置有卡头42，下连接头40的内壁上设置有与卡头42对应的卡凹，下连接头40与弹性爪39之间通过卡头42与卡凹的配合活动卡接。液压安全接头3是完井施工时的安全装置；在施工异常时，可通过投球打压实现工具上、下部分脱离，从而确保工具上部分及油管可以从井下取出；无需旋转或通过提管柱即可实现丢手；正常作业时能有效传递扭矩。

由于液压安全接头3的下连接头40与弹性爪39嵌入式配合；且弹性爪39上设置有密封圈，由此与下连接头40内孔形成密封；工作时憋压球位于安全接头中心管38前端内孔，其球面与中心管前端内孔斜面相切，从而形成密封憋压（参见附图3）。

刚性扶正器A4、刚性扶正器B6分别由扶正器本体16构成，扶正器本体16为筒状体，扶正器本体16的圆周上设置有截面呈梯形的扶正凸起17。刚性扶正器A4和刚性扶正器B6是一种导向、扶正、居中定位装置，使作业管柱（压裂工具串）整体稳定。它随管柱一起下入井内，处于水力喷砂工具5的上、下两端；入井时与压缩式压缩式封隔器8的摇臂式卡瓦上的摩擦块部分共同作用，使整个压裂工具串处于居中位置，以减少作业压裂工具串与套管内壁的摩擦阻力，使压裂工具串顺利入井。在喷砂射孔及压裂改造时，刚性扶正器A4和刚性扶正器B6可使液体均匀作用，套管及地层均匀喷射及压裂，同时保护作业管柱不偏心；在提高喷砂射孔及压裂效果的同时，延长压裂工具串的使用寿命（参见附图4）。

水力喷砂工具5由喷砂工具本体43构成，喷砂工具本体43为筒状体，喷砂工具本体43上螺纹安装有喷嘴44，喷嘴44与喷砂工具本体43之间设置有垫片和密封圈；工作时，水力喷砂工具5将液压力转化为动能，以射穿套管沟通地层。水力喷砂工具5的喷嘴44数量和喷嘴直径根据实际情况可调整；工作时通过地面液压泵加压注入液体，液体在喷嘴44的节流作用下，产生高速、高压流体将套管、地层射穿，达到施工目的（参见附图5）。

反循环阀7由阀芯34、阀体35、锁帽36和密封总成37构成，阀体35的一端设置有阀芯34，阀芯34的一端通过锁帽36延伸至阀体35内，延伸至阀体35内的阀芯34端头通过紧定螺钉14装有密封总成37。坐封完成后，胶筒19隔离形成油管与套管间的环空，同时反循环阀7关闭隔离连续油管内部上、下压力，使整个井筒被压缩式封隔器8及反循环阀7上、下隔离，以便于进口泵入液体形成压力。

该反循环阀7上端设置有憋压球39与球座的单向阀，入井时处于开启状态，正、反向皆可连通，以使内、外压力平衡，利于管柱入井；喷砂射孔时，管柱下放坐封压缩式封隔器8时，反循环阀7处于关闭状态，油管内的压力在此处被堵住憋压；喷砂射孔及压裂完成后，不动管柱即可实现从套管到油管的反向循环，清洗井筒，以保护压缩式封隔器8，使压缩式封隔器8易于解封。解封压缩式封隔器8时需要上提管柱，此时反循环阀7转换为开启状态，正反向皆可连通（参见附图6）。

压缩式封隔器8由中心管18、胶筒19、锥体28、卡瓦20、弹簧21、卡瓦套22、挡环23、固定套24、导向销25、封隔器锁帽26、封隔器下接头27构成；中心管18上设置有固定套24，固定套24一侧螺纹安装有挡环23，挡环23一侧的中心管18上通过卡瓦套22和弹簧21安装有卡瓦20，卡瓦20一侧的中心管18上装有锥体28和胶筒19；固定套24的另一侧螺纹安装有封隔器下接头27，固定套24对应的中心管19圆周上设置有换向槽29，换向槽29内设置有导向销25；换向槽29通过导向销25与固定套24和挡环23连接，换向槽29一端的中心管18端头螺纹安装有封隔器锁帽26。压缩式封隔器8工作时无需旋转管柱（压裂工具串），只通过下放坐封、上提解封，对油、套管环空封隔的一种工具。通过上提-下放操作一次，压缩式封隔器由下井状态转换为坐封状态，再次上提下放一次，压缩式封隔器由坐封状态进入下井状态；解封时，直接上提即可。卡瓦20是摇臂式结构，后端由弹簧21支撑向外凸起形成摩擦块效果，入井时起扶正的作用；作业时卡瓦锚入套管内壁，固定管柱（参见附图7—8）。

接箍定位器9由定位器本体30、压板31、片弹簧32和摩擦块33构成，定位器本体30上通过压板31装有摩擦块33，摩擦块33与定位器本体30之间设置有片弹簧32，片弹簧32与摩擦块33接触连接，压板31和片弹簧32分别通过紧定螺钉14与定位器本体30连接固定。接箍定位器9是精确定位套管接箍位置的工具；用于找正管柱位置，并具有扶正管柱的作用。自然状态下，摩擦块33由弹簧片32撑开，处于张开状态；入井时摩擦块33经过套管段时处于收缩状态；经过套管与接箍的接缝位置时，摩擦块33弹开到接箍的接缝处。此时，下放或上提管柱，摩擦块33从接箍接缝中进入到套管段会产生阻力，此时地面会有吨位指示，通过吨位指示能够准确判断管柱所处位置，从而保证压缩式封隔器8能够顺利坐封在正确位置上，喷砂射孔及压裂作业在合适的层位。压裂工具串下入到位后，匀速上提压裂工具串，此时注意观察井口表盘上的吨位指示，即接箍定位器9经过井底套管接箍时产生的载荷指示波动，以校准压缩式封隔器的准确坐封深度；上提压裂工具串过程中，控制上提力在2—3T（参见附图9）。

该套管内无级差压裂工艺的压裂工具串的压裂工艺为：

将压裂工具串通过外卡瓦连接器2与连续油管1连接，并匀速下入到油气井的待改造段，压裂工具串下入过程中，通过压裂工具串上的刚性扶正器A4、刚性扶正器B6和压缩式封隔器8上的卡瓦使整个压裂工具串处于套管居中位置，以降低压裂工具串与套管内壁的摩擦阻力，使压裂工具串顺利入井；并通过压裂工具串上的接箍定位器9找正井底位置（参见附图10）。

压裂工具串下入到预定深度后，上提管柱一次，上提力在2—3T，以使反循环阀开启、压缩式封隔器8的导向销25换向；然后再下放压裂工具串，此时压缩式封隔器8的卡瓦20上的摩擦块与套管内壁摩擦贴紧，从而提供坐封所需要的1T的初始摩擦力；

压裂工具串再次下放过程中，反循环阀7关闭，中心管18向下移动，导向销25进入换向槽29的长轨道槽，卡瓦20在锥体28的支撑下被慢慢撑开，从而卡住套管内壁；胶筒19随中心管18向下移动过程中，受到向下的坐封力作用，胶筒19被压缩，外围扩张与套管内壁形成环形密封；由此完成坐封（参见附图11）。

坐封完成后，从油管内泵入砂浆，反循环阀7前端球阀承受来自顶端的压力，开始憋压；砂浆通过水力喷砂工具5的喷嘴44的节流作用，将其转化为50—60MPa的高压势能，从而射穿套管和地层（参见附图12）。

射穿套管和地层后，从套管环空泵入压裂液，此时，压缩式压缩式封隔器8承受压力，以避免环空压力窜通；持续施加压力进行压裂，直到完全压开地层（参见附图13）。

压裂作业完成后，从套管环空注入顶替液，通过反循环阀7下端的旁通阀，将砂浆从套管携带到油管内，经反洗带出井筒，确保各工具清洁，避免解封压缩式封隔器8及上提管柱时出现砂卡（参见附图14）。

反洗成后，直接上提压裂工具串，反循环阀7，以平衡油、套管环空的压力差；继续上提压裂工具串，压缩式封隔器8的胶筒19回弹；继续上提，压缩式封隔器8的导向销25卡在换向槽29的解封位置上，卡瓦20失去支撑，实现解封；压缩式封隔器8顺利解封后，继续上提至下一段需要压裂的层位；即可进行下一层段的压裂作业循环（参见附图15）。

紧急情况下，需要将压裂工具串起出井筒时，向连续油管1内投入不锈钢球到至液压安全接头处，向油管内施加压力，压力达到一定值时，液压安全接头3上的剪切销钉41被剪断，弹性爪39与下连接头40成功分离，上提连续油管1，可将液压安全接头3的弹性爪39及以上工具起出井筒，实现丢手（参见附图16）。

Claims (7)

1.一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串，它由外卡瓦连接器（2）、液压安全接头（3）、刚性扶正器A（4）、水力喷砂工具（5）、刚性扶正器B（6）、反循环阀（7）、压缩式封隔器（8）和接箍定位器（9）构成；外卡瓦连接器（2）、液压安全接头（3）、刚性扶正器A（4）、水力喷砂工具（5）、刚性扶正器B（6）、反循环阀（7）、压缩式封隔器（8）和接箍定位器（9）依次相互螺纹连接；所述的外卡瓦连接器（2）由上接头（10）、连接器卡瓦（11）、隔环（12）和连接器下接头（13）构成，上接头（10）和连接器下接头（13）之间相互螺纹连接，上接头（10）和连接器下接头（13）之间并通过紧定螺钉（14）固定，连接器下接头（13）的端头通过隔环（12）安装有连接器卡瓦（11），连接器卡瓦（11）一侧的上接头（10）上设置有固紧螺钉（15）。

2.根据权利要求1所述的一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串，其特征在于：所述的液压安全接头（3）由安全接头中心管（38）、弹性爪（39）和下连接头（40）构成；安全接头中心管（38）的一端套装有下连接头（40），安全接头中心管（38）的另一端通过剪切销钉（41）安装有弹性爪（39），弹性爪（39）的一端延伸至安全接头中心管（38）和下连接头（40）之间，延伸至安全接头中心管（38）和下连接头（40）之间的弹性爪（39）端头设置有卡头（42），下连接头（40）的内壁上设置有与卡头（42）对应的卡凹，下连接头（40）与弹性爪（39）之间通过卡头（42）与卡凹的配合活动卡接。

3.根据权利要求1所述的一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串，其特征在于：所述的刚性扶正器A（4）和刚性扶正器B（6）分别由扶正器本体（16）构成，扶正器本体（16）为筒状体，扶正器本体（16）的圆周上设置有截面呈梯形的扶正凸起（17）。

4.根据权利要求1所述的一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串，其特征在于：所述的水力喷砂工具（5）由喷砂工具本体（43）构成，喷砂工具本体（43）为筒状体，喷砂工具本体（43）上螺纹安装有喷嘴（44），喷嘴（44）与喷砂工具本体（43）之间设置有垫片和密封圈。

5.根据权利要求1所述的一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串，其特征在于：所述的反循环阀（7）由阀芯（34）、阀体（35）、锁帽（36）和密封总成（37）构成，阀体（35）的一端设置有阀芯（34），阀芯（34）的一端通过锁帽（36）延伸至阀体（35）内，延伸至阀体（35）内的阀芯（34）端头通过紧定螺钉（14）装有密封总成（37）。

6.根据权利要求1所述的一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串，其特征在于：所述的压缩式封隔器（8）由中心管（18）、胶筒（19）、锥体（28）、卡瓦（20）、弹簧（21）、卡瓦套（22）、挡环（23）、固定套（24）、导向销（25）、封隔器锁帽（26）、封隔器下接头（27）构成；中心管（18）上设置有固定套（24），固定套（24）一侧螺纹安装有挡环（23），挡环（23）一侧的中心管（18）上通过卡瓦套（22）和弹簧（21）安装有卡瓦（20），卡瓦（20）一侧的中心管（18）上装有锥体（28）和胶筒（19）；固定套（24）的另一侧螺纹安装有封隔器下接头（27），固定套（24）对应的中心管（18）圆周上设置有换向槽（29），换向槽（29）内设置有导向销（25）；换向槽（29）通过导向销（25）与固定套（24）和挡环（23）连接，换向槽（29）一端的中心管（18）端头螺纹安装有封隔器锁帽（26）。

7.根据权利要求1所述的一种套管内无级差拖动压裂工艺的压裂工具串，其特征在于：所述的接箍定位器（9）由定位器本体（30）、压板（31）、片弹簧（32）和摩擦块（33）构成，定位器本体（30）上通过压板（31）装有摩擦块（33），摩擦块（33）与定位器本体（30）之间设置有片弹簧（32），片弹簧（32）与摩擦块（33）接触连接，所述的压板（31）和片弹簧（32）分别通过紧定螺钉（14）与定位器本体（30）连接固定。