計數式無限級多簇全通徑分段壓裂滑套的製作方法

2023-12-12 23:36:07

本發明涉及石油開採工具領域的一種壓裂工具，尤其是水平井分段壓裂用的計數式無限級多簇全通徑分段壓裂滑套。

背景技術：

近年來，國內原油新增儲量的70%屬於低滲透油藏，開採方式、油井生產動態表現出特殊性。實現儲量的有效動用，大幅提高單井產量是開發低滲透油田急需解決的問題。多簇分段壓裂工具及工藝技術可應用於低滲油氣藏、薄油藏、頁巖氣以及煤層氣等非常規油氣藏的增產改造，具有廣闊的應用前景。該技術不但壓裂規模大、施工排量大，大大降低了開發成本，提高了作業效率，成為世界各大油田服務公司的重點研發對象。

目前，現有多簇分段壓裂滑套打開方式主要有投球打開式、飛鏢打開式、液壓打開式以及機械開關式。對於投球式滑套，由於壓裂球和球座存在尺寸限制，壓裂級數有限。施工過程中，球必須按照從小到大的順序依次投放，完井管柱結構及滑套操作不夠靈活，加大了多級滑套分段壓裂施工的難度和風險。壓裂球與球座機械接觸形成密封，後期為實現全通徑還需磨銑鑽除所有球座。飛鏢打開式滑套同樣壓裂級數有限，而且如果支撐劑發生沉積堵塞控制管線造成一級失效，則後續滑套全部失效,後期為實現全通徑還需磨銑鑽除所有C環。液壓打開式滑套存在連續管管串連接工具較多，施工複雜，滑套不能關閉，且滑套要對封隔器的坐封位置精確定位等問題。機械開關式滑套在施工過程中需多次起下管柱，延長了施工周期，增加了施工難度。

技術實現要素：

為了克服現有多簇分段壓裂滑套在不下入油管或連續油管進行作業的情況下，不能同時實現多簇、無限級及全通徑壓裂的問題，本發明提供一種計數式無限級多簇全通徑分段壓裂滑套。該滑套具有施工壓裂級數不受限制、管柱內全通徑、無需鑽除作業、利於後期液體返排及後續工具下入等優點，能很好地彌補現有技術的不足，為低滲透及非常規油氣資源的開採提供了又一利器。

本發明所採用的技術方案是：

一種計數式無限級多簇全通徑分段壓裂滑套，其特徵是包括壓裂段和球座段；所述壓裂段是由外滑套總成和內滑套總成、開關6套裝組成，其中，外滑套總成是在外滑套3上連接上接頭1組成的外筒體，在外滑套總成內壁軸向間隔開設3個或3個以上環形凹槽14，在環形凹槽14以下的外滑套3壁周向開設數個壓裂孔；內滑套總成由上卡爪2、卡爪連接器4和下卡爪5依次連接組成，且上卡爪2和下卡爪5為高彈性材料製成的相同結構，上卡爪2的下端和下卡爪5的上端有爪頭a，爪頭a與環形凹槽14構成配合，卡爪連接器4的兩端分別與上卡爪2的上端和下卡爪5的下端固定連接在一起；開關6與卡爪連接器4的下端連接，開關6上均布有若干個通孔，與外滑套3上的壓裂孔大小、數量相同；所述球座段是在帶有延伸筒體的下接頭12內設置球座組件，球座組件包括可復位球座9、彈簧7、支撐筒8、支撐座11和活塞10；其中，可復位球座9由高彈性材料製成，其上端外設凸沿，凸沿與外滑套3接觸限位配合，下端開槽並被均分8-16等份的凸頭；彈簧7套在可復位球座9的外部，其上端與可復位球座9的凸沿接觸，下端通過支撐筒8接觸；支撐筒8下部與支撐座11對接，支撐座11與下接頭12內筒壁連接，支撐座11沿軸向開設矩形槽13，矩形槽13與可復位球座9的凸頭構成滑動限位配合；活塞10套在支撐座11內，其上端與可復位球座9的凸頭接觸，下端與下接頭12的內凸沿間隔限位配合；所述壓裂段和球座段通過外滑套3與下接頭12連接，並保持開關6與可復位球座9頂部構成間隔作用配合。

上述方案進一步包括：

由n個計數式無限級多簇全通徑分段壓裂滑套按照所在層段串接組成，且滿足從井底往上數第n個計數式無限級多簇全通徑分段壓裂滑套的凹槽14數為n+2，n為正整數。

每個計數式無限級多簇全通徑分段壓裂滑套由多個壓裂段依次通過多簇接頭15串聯後與球座段連接構成。

本發明的計數式無限級多簇全通徑分段壓裂滑套採用投壓裂球打開滑套的方式，所投球個數與壓裂段數相同，所有球的尺寸一致。上卡爪和下卡爪的爪頭均可沿徑向聚攏以封堵壓裂球，也可在自身彈性力的作用下恢復初始狀態以釋放壓裂球。上接頭及外滑套內壁上有凹槽，內滑套與凹槽配合可實現計數功能，即每投一個球，內滑套都會向下移動一個凹槽。當投第1個球時，只有第一級的內滑套向下移動推動開關打開滑套，同時可復位球座的下端沿徑向閉合併成為一個完整球座，壓裂球坐封，此時可壓裂第一段，其他級的內滑套均向下移動一個凹槽；當投第2個球時，只可壓裂第二段，同樣其他級的內滑套會再向下移動一個凹槽。投到最後一個球時，最後一段壓裂。當所有層段壓裂完成後，井口洩壓，在彈簧作用下，可復位球座復位，壓裂球返排或落到井底，整個管柱可實現全通徑。同一級中，多個上接頭、內滑套、開關及外滑套通過多簇接頭串聯可實現多簇壓裂。

本發明的有益效果是：①模塊化程度高，每個層段可根據需要配置不同簇數，配置靈活；②所有層段壓裂完成後，無需鑽除作業，整個管柱即為全通徑，利於後期生產管理；③無液控管線、內封隔器及專門的開滑套工具，只需投入多個同一尺寸的壓裂球即可打開所有滑套，工藝簡單，效率高；④壓裂球和可復位球座不存在級差，只要增加凹槽個數就可實現無限級；⑤依靠精巧的機械結構設計即可同時滿足多簇、無限級及全通徑壓裂要求，工具整體可靠性較高。

附圖說明

圖1是本發明所述的壓裂滑套結構示意圖；

圖2是圖1中上卡爪和卡爪連接器的A-A剖視圖；

圖3是圖1中下卡爪和卡爪連接器的B-B剖視圖；

圖4是圖1中開關和外滑套的C-C斷面圖；

圖5是圖1中可復位球座的D-D剖視圖；

圖6是圖1的E-E斷面圖；

圖7是第一級本壓裂滑套下卡爪爪頭的裝配位置示意圖；

圖8是第一級本壓裂滑套的全通徑結構示意圖；

圖9是本壓裂滑套用於多簇壓裂時的結構示意圖；

為了清楚反應圖中結構，圖7-9進行了橫向拓寬處理，特此說明。

圖1-9中,1.上接頭，2.上卡爪，3.外滑套，4.卡爪連接器，5.下卡爪，6.開關，7.彈簧，8.支撐筒，9.可復位球座，10.活塞，11.支撐座，12.下接頭，13.矩形槽，14.凹槽，15.多簇接頭，a.爪頭。

圖1中,F為壓裂段，包括1.上接頭，2.上卡爪，3.外滑套，4.卡爪連接器，5.下卡爪，6.開關。

具體實施方式

圖1為計數式無限級多簇全通徑分段壓裂滑套結構示意圖，由上接頭（1），上卡爪（2），外滑套（3），卡爪連接器（4），下卡爪（5），開關（6），彈簧（7），可復位球座（9），活塞（10），支撐座（11），下接頭（12）組成。上接頭（1）通過螺紋與外滑套（3）聯接。上接頭（1）和外滑套（3）內壁有凹槽（14），凹槽（14）個數與壓裂滑套所在層段有關，即從井底往上數第n個壓裂滑套的凹槽（14）數為n+2（n為正整數）。內滑套由上卡爪（2）、卡爪連接器（4）和下卡爪（5）組成，上卡爪（2）和下卡爪（5）結構相同，由高彈性材料製成，上卡爪（2）的下端和下卡爪（5）的上端有爪頭（a），爪頭（a）可沿徑向聚攏，也可在自身彈性力的作用下恢復初始狀態。卡爪連接器（4）的兩端分別與上卡爪（2）和下卡爪（5）固定連接在一起。初始狀態下，上卡爪（2）的爪頭（a）不在凹槽（14）中，而位於兩個凹槽（14）之間；下卡爪（5）的爪頭（a）所在凹槽（14）與壓裂層段嚴格對應：從井底往上數，第n個壓裂滑套下卡爪（5）的爪頭（a）在第n+1個凹槽（14）中，圖1所示的是下卡爪（5）的爪頭（a）在第3個凹槽（14）中。開關（6）上均布有若干個通孔，與外滑套（3）上的壓裂孔（圖4）大小相同、個數相同。可復位球座（9）由高彈性材料製成，其上端與外滑套（3）接觸，下端與支撐座（11）接觸。其下端可沿徑向閉合為一個完整的球座，也可在自身彈性力的作用下恢復初始狀態。可復位球座（9）與外滑套（3）構成的環形空間中有彈簧（7）。支撐座（11）的一端與支撐筒（8）接觸，另一端與外滑套（3）接觸。活塞（10）位於支撐座（11）之內。外滑套（3）通過螺紋與下接頭（12）聯接。

圖2中有8個上卡爪（2），由於上卡爪（2）的爪頭（a）未在卡槽中，爪頭（a）處於聚攏狀態，從井口投放的壓裂球到達此處時會被卡住。

圖3中有8個下卡爪（5），由於下卡爪（5）的爪頭（a）在卡槽中，爪頭（a）處於釋放狀態，從井口投放的壓裂球到達此處時會順利通過。

圖5中可復位球座（9）的下端被均分為12份（不限於12份，也可以是其他份數），初始狀態下，可復位球座（9）的下端存在周向間隙，內徑大於壓裂球直徑，從井口投放的壓裂球到達此處時會順利通過；若可復位球座（9）向下移動，其下端會沿徑向閉合併成為一個完整球座，從井口投放的壓裂球到達此處時會被卡住。

如圖1所示，本壓裂滑套的計數原理為：從井口投放壓裂球，井口打壓，壓裂球到達上卡爪（2）的爪頭（a）時被卡住，壓裂球的上下側存在壓差，壓裂球推動內滑套下移。壓力達到一定程度後，下卡爪（5）的爪頭（a）從第3個凹槽（14）中移出，迫使爪頭（a）沿徑向聚攏，聚攏後的內徑小於壓裂球的直徑；而後上卡爪（2）的爪頭（a）在自身彈性力的作用下進入第4個凹槽（14），同時壓裂球被釋放，下落到下卡爪（5）聚攏後的爪頭（a）上。然後壓裂球推動內滑套下移，壓力達到一定程度後，上卡爪（2）的爪頭（a）從第4個凹槽（14）中移出，迫使爪頭（a）沿徑向聚攏，聚攏後的內徑小於壓裂球的直徑；下卡爪（5）的爪頭（a）在自身彈性力的作用下進入第2個凹槽（14），與此同時壓裂球被釋放。因此，每投一個壓裂球，內滑套都會向下移動一個凹槽（14）。

下面進一步說明本發明的工作原理：假設需要壓裂M段，則需要M個本壓裂滑套串聯即共有M級。串聯後第1級在下面，第2級在第1級之上，……，第M級在最上面。根據具體實施方式中第一段所述，第1級壓裂滑套內壁共有3個凹槽（14），開始時下卡爪（5）的爪頭（a）在第2個凹槽（14）中（見圖7）；第2級壓裂滑套內壁共有4個凹槽（14），開始時下卡爪（5）的爪頭（a）在第3個凹槽（14）中（見圖1）；第M級壓裂滑套內壁共有M+2個凹槽（14），開始時下卡爪（5）的爪頭（a）在第M+1個凹槽（14）中。施工時，投放1個壓裂球，井口打壓，球依次經過M級至第2級，按照上述計數原理M級至第2級的內滑套均向下移動一個凹槽（14）。壓裂球最終落到第1級上卡爪（2）的爪頭（a）上被卡住，當達到一定壓力時，下卡爪（5）的爪頭（a）移出第2個凹槽（14）並沿徑向聚攏，上卡爪（2）的爪頭（a）進入第3個凹槽（14）中，壓裂球釋放並落到下卡爪（5）聚攏後的爪頭（a）上。壓裂球推動內滑套下移，上卡爪（2）的爪頭（a）移出第3個凹槽（14）。同時內滑套也推動開關（6）向下移動。當開關（6）接觸到可復位球座（9）上端時，推動其一起繼續下移，迫使可復位球座（9）下端沿徑向閉合併成為一個完整球座，此時球座內徑小於壓裂球的直徑，彈簧（7）也被壓縮。上卡爪（2）的爪頭（a）在自身彈性力的作用下進入第2個凹槽（14）中，下卡爪（5）的爪頭（a）在自身彈性力的作用下進入第1個凹槽（14）中，壓裂球被釋放，下落到可復位球座（9）下端時被卡住並形成密封，此時開關（6）上的通孔與外滑套（3）上的壓裂孔對齊，管內外相通。繼續打壓，可復位球座（9）下端接觸活塞（10）並推動活塞（10）一起下移，彈簧（7）進一步被壓縮。當活塞（10）下端接觸下接頭（12）時，可復位球座（9）不再下移，繼續打壓壓裂球座封並對地層進行壓裂。壓裂完成後，投第2個壓裂球，球依次經過M級至第3級，同理M級至第3級的內滑套均向下移動一個凹槽（14）。壓裂球最終落到第2級上卡爪（2）的爪頭（a）上被卡住，然後重複第1級壓裂滑套的動作過程，開關（6）打開，壓裂球坐封到可復位球座（9）上，對地層進行壓裂。壓裂完成後，投第3個壓裂球，壓裂第3段。以此類推，壓裂完M段，共投入M個球。當M段全部壓裂完後，井口逐漸洩壓，在彈簧（7）恢復力的作用下，M個可復位球座（9）上移，當其下端移動到支撐座（11）的矩形槽（13）內時，在自身彈性力的作用下M個可復位球座（9）恢復到初始狀態，實現了管柱全通徑（第一級本壓裂滑套的全通徑結構示意圖如圖8所示），M個壓裂球被地層液體返排到井口或者下落到井底。

由於壓裂球和可復位球座（9）不存在級差，只要增加凹槽（14）個數就可實現無限級。若要實現多簇壓裂，只需在每一級中根據需要通過多簇接頭（15）串聯幾簇F即可，同一級中所串聯F滿足：凹槽（14）個數相同，下卡爪（5）的爪頭（a）所在凹槽（14）位置相同。串聯兩簇F的壓裂滑套結構示意圖如圖9所示。