投球式壓裂滑套和壓裂管柱的製作方法

2023-07-25 07:04:46

本發明涉及石油勘探開發領域，特別涉及一種投球式壓裂滑套。本發明還涉及由多個這種壓裂滑套串聯在一起形成的壓裂管柱。

背景技術：

隨著油氣田勘探開發的深入，低滲、特低滲緻密油氣田大量被發現和開發。在這種油氣田的開發中，分段壓裂開採過程中非常重要的過程，並且為了廣泛開採，壓裂級數呈現大幅度增長態勢。

通常的分段壓裂方法是投球式滑套分段壓裂，該方法通過投球式滑套壓裂裝置、裸眼封隔器、憋壓球等工具來實現，其中投球式滑套壓裂裝置是該分段壓裂的核心裝置之一。目前，投球式滑套分段壓裂的實施方法為從井口投入逐級投入不同尺寸的憋壓球，當憋壓球落入到滑套的球座位置後，打開相應的滑套並對該層進行壓裂施工，最終實現多段壓裂。

投球式滑套分段壓裂技術成熟，設備也較為簡單，因此應用很廣泛。但是，在這種投球式滑套分段壓裂技術中，球座和憋壓球設計為從井底至井口，直徑必須從小到大滿足一定的級差，以使得每一級憋壓球僅能打開一級滑套，進行一級壓裂。由此，分段壓裂段數及施工規模會因球座直徑的受限而大幅受限。

因此，急需一種能夠用於壓裂級數不受憋壓球和球座尺寸限制的壓裂裝置。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提出了一種投球式壓裂滑套。根據本發明的投球式壓裂滑套，能夠使用同一規格的憋壓球打開多級滑套，使得壓裂級數不受限制憋壓球和球座尺寸的限制。另外，本發明還提出了包括這種投球式壓裂滑套的壓裂管柱。

根據本發明的第一方面的投球式壓裂滑套，包括，外管，在外管上設置有第一壓裂孔，在外管的內壁上在第一壓裂孔的上遊構造有沿軸向間隔分布的多個內 槽，與多個內槽中的任一個形成接合的中空的變級體，變級體能被推動向下遊運動並與下遊相鄰的內槽形成接合，能滑動地設置在外管內的內套，內套通過剪釘與外管相連，在內套上設置有能與第一壓裂孔對齊的第二壓裂孔，在內套與外管相重疊區域內存在有至少一個內槽，在外管的內壁的處於內套下遊的區域構造有一個球座槽，在球座槽內設置有彈性球座，在彈性球座被推動到球座槽之外後直徑會變小。投球式壓裂滑套構造為，變級體與一個內槽接合併且在變級體與內套之間存在有至少一個內槽，所投入的每個憋壓球能在壓力下穿過變級體、內套和彈性球座的同時推動變級體向下遊運動，當變級體與內套相接觸後，剪釘被剪斷，憋壓球推動變級體和內套向下遊運動，在第二壓裂孔與第一壓裂孔對齊後，彈性球座被內套推動到球座槽之外，憋壓球坐入直徑變小的彈性球座內，建立壓裂通道。

根據本發明的投球式壓裂滑套，在外管的內壁上設置多個內槽並且安裝變級體，使得在壓裂通道建立之前，多個相同規格憋壓球都能夠穿過變級體、內套和彈性球座，並且僅在建立壓裂通道之後才封住滑套。由此，在使用本發明的投球式壓裂滑套進行壓裂時，壓裂級數就不受限制憋壓球和球座尺寸的限制。

在一個實施例中，變級體包括安裝在外管內的一個移動套，在移動套上沿軸向設置有兩排通孔，在兩排通孔內活動式安裝有擋塊，並且在任一位置僅一排的擋塊與一個內槽接合，以使得變級體能與一個內槽接合。當擋塊與內槽接合時，擋塊徑向向外凸出以使憋壓球穿過；當擋塊移出內槽時，擋塊徑向向裡凸出以使憋壓球與擋塊坐接而推動變級體向下遊運動。在這種結構中，移動套整體式帶動兩排擋塊運動，確保了擋塊與內槽的接合方式。優選地，每排擋塊包括沿變級體的周向均勻布置的至少三個擋塊，以穩定支撐憋壓球。

在一個實施例中，擋塊構造成具有尺寸大於通孔的卡接臺和尺寸小於通孔的凸起，凸起能穿過相應的通孔而運動，卡接臺處於移動套和外管之間並且與內槽相匹配。當卡接臺凸出到內槽的內部時，擋塊與內槽形成接合；當卡接臺移出內槽時，擋塊移出內槽。在一個優選的實施例中，內槽的下遊邊緣構造成朝向下遊傾斜的斜面，卡接臺的下遊邊緣構造為與內槽的下遊邊緣相匹配的斜面。這種形式的內槽和卡接臺有助於卡接臺或擋塊順利地從內槽內滑出。

在一個實施例中，球座槽的下遊邊緣構造成朝向下遊傾斜的斜面，彈性球座為帶缺口的環形件並且其下遊邊緣構造為與球座槽的下遊邊緣相匹配的斜面。這 種形狀的彈性球座不但具有較大的彈性以易於從球座槽中滑出，而且能夠穩定地承接憋壓球並可儘量減小憋壓球和彈性球座之間的間隙，由此提高壓裂時的升壓速度。

在一個實施例中，還包括相鄰地設置在移動套下遊的一個移位卡簧，移位卡簧能與多個內槽中的任一個形成接合，在其被推動到內槽之外後直徑會變小。當移位卡簧與內槽接合時，憋壓球能穿過移位卡簧，當移位卡簧移出內槽時，憋壓球與移位卡簧坐接而推動移位卡簧向下遊運動，在移位卡簧與內套接觸後，憋壓球會推動變級體、移位卡簧和內套向下遊運動直到第二壓裂孔與第一壓裂孔對齊。移位卡簧可與內套與外管的重疊區域內的一個內槽接合併阻擋內套意外朝向上遊運動而使壓裂通道關閉。

在一個實施例中，內槽的下遊邊緣構造成朝向下遊傾斜的斜面，移位卡簧為帶缺口的環形件並且其下遊邊緣構造為與內槽的下遊邊緣相匹配的斜面。

在一個實施例中，憋壓球的材質為Al或Al-Mg合金。這種材質的憋壓球能夠在井下環境中自然降解，避免了在壓裂施工之後的鑽除作業。

根據本發明的第二方面的壓裂管柱，其包括多個上文所述的投球式壓裂滑套。該多個投球式壓裂滑套彼此串聯在一起，並且上遊的投球式壓裂滑套的變級體與內套之間的內槽的數量大於下遊的投球式壓裂滑套的變級體與內套之間的內槽的數量。在向本發明的這種壓裂管柱內投入多個憋壓球後，處於下遊的投球式壓裂滑套先打開，處於上遊的投球式壓裂滑套後打開，但是投球式壓裂滑套的數量並不受憋壓球和彈性球座的尺寸的限制，只需要將外管上的內槽的數量構造為投球式壓裂滑套的數量相匹配。因此，使用者可根據需要來構造具有不同數量的投球式壓裂滑套的壓裂管柱，而無需考慮憋壓球和彈性球座的尺寸。

在一個優選的實施例中，上遊的投球式壓裂滑套的變級體與內套之間的內槽的數量與下遊相鄰的投球式壓裂滑套的變級體與內套之間的內槽的數量之差為1，並且最末端的投球式壓裂滑套的變級體與內套相鄰。由此，每投入一個憋壓球，就能使一個投球式壓裂滑套的第一壓裂孔和第二壓裂孔對齊並且建立一個壓裂通道，這大大提高了施工效率。

在本申請中，用語「下遊」、「上遊」、「下部」以及「上部」規定為靠近井口為上，遠離井口為下。

與現有技術相比，本發明的優點在於：(1)根據本發明的投球式壓裂滑套， 在外管的內壁上設置多個內槽並且安裝變級體，使得在壓裂通道建立之前，多個相同規格憋壓球都能夠穿過變級體、內套和彈性球座，並且僅在建立壓裂通道之後才封住滑套。這樣，壓裂級數就不受限制憋壓球和球座尺寸的限制。(2)在建立壓裂通道之後，能夠通過變級體防止壓裂通道意外關閉，保證了壓裂施工能順暢進行。(3)使用發明的投球式壓裂滑套和壓裂管柱進行壓裂施工的快速、可靠性高，施工周期短，而且壓裂結束後憋壓球可在井內降解，無需鑽除作業。

附圖說明

在下文中將基於實施例並參考附圖來對本發明進行更詳細的描述。其中：

圖1示意性地顯示了根據本發明的投球式壓裂滑套的第一實施例。

圖2示意性地顯示了根據本發明的投球式壓裂滑套的第二實施例。

圖3到9示意性地顯示了本發明第二實施例的投球式壓裂滑套的使用過程。

圖10示意性地顯示了根據本發明的彈性球座的結構。

圖11示意性地顯示了根據本發明的移位卡簧的結構。

圖12是圖2中B區域的放大視圖。

圖13示意性地顯示了根據本發明第一實施例的投球式壓裂滑套建立壓裂通道時的狀態。

附圖並未按照實際的比例。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步說明。

圖1是根據本發明第一實施例的投球式壓裂滑套100(以下簡稱為滑套100)的結構示意圖。如圖1所示，滑套100包括外管7，在外管7上設置有第一壓裂孔21。在外管7的內壁上在第一壓裂孔21的上遊構造有多個內槽15，這些內槽15在軸向上間隔分布，也就是說在相鄰的內槽15之間存在有間隔區14。與間隔區14相比，內槽15為凹陷。

在外管7內還設置有內套8，在內套8上設置有第二壓裂孔16。在初始狀態中，內套8和外管7通過剪釘10相連，並且第一壓裂孔21被內套8覆蓋且第二壓裂孔16處於第一壓裂孔21的上遊。因此，在初始狀態中，沒有建立壓裂通道。當剪釘10被剪斷後，內套8朝向下遊運動，使得第二壓裂孔16與第一壓裂孔21， 這樣才能夠建立壓裂通道。具體過程見下文詳細描述。應注意地是，在初始狀態中，在內套8與外管7相重疊區域內存在有至少一個內槽，例如內槽15a。內槽15a與其餘的內槽15的結構和尺寸完全相同，但是在建立壓裂通道的過程中，內槽15a還具有其他作用，見下文描述。為此，這裡對內槽15a使用不同的附圖標記，僅是為了便於描述。

在外管7的內壁的處於內套8下遊的區域構造有一個球座槽18，在球座槽18內可設置彈性球座11。如圖10所示，彈性球座11為帶缺口的環形件，以使得易於將其沿徑向壓縮。從整體來看，彈性球座11為手鐲形狀。在初始狀態中，彈性球座11安裝在球座槽18內。當內套8向下遊運動時，會將彈性球座11從球座槽18中推出，因此彈性球座11受外管7的擠壓而直徑變小。優選地，球座槽18的下遊邊緣構造成朝向下遊傾斜的斜面，而彈性球座11的下遊邊緣與球座槽18的下遊邊緣相匹配。

在外管7內還設置有一個變級體17。變級體17可與多個內槽15中的任一個形成接合。在變級體17被往下遊推動時，還可以與下遊相鄰的內槽形成接合，應注意地是，在任一位置僅與一個內槽接合。

在圖1所示的實施例中，變級體17包括移動套3和擋塊4。如圖12顯示了這種移動套3和擋塊4的結構。移動套3構造為圓柱形筒，在移動套3上沿軸向設置有兩排通孔5，擋塊4則分別活動式安裝在通孔5中。這裡的用語「兩排」是指通孔5沿移動套3的周向分布成兩個圓。為了方便起見，將處於下遊的擋塊稱之為下擋塊19，將處於上遊的擋塊稱之為上擋塊20。下擋塊19和上擋塊20完全相同，這裡仍以擋塊4來描述其結構。擋塊4具有尺寸大於通孔5的卡接臺41和尺寸小於通孔5的凸起42。這樣凸起42可穿過通孔5而運動，卡接臺41處於移動套3和外管7之間，以避免擋塊4從通孔5中掉落。卡接臺41還構造為與內槽15的尺寸向匹配。這樣，在任一位置僅一排的擋塊與一個內槽接合，以使得變級體17與一個內槽接合。

當卡接臺41進入到內槽15內時，擋塊4與內槽15相接合，相對的擋塊之間的距離就增大了。當卡接臺14移出內槽15時，擋塊4也就移出內槽15，相對的擋塊之間的距離就減小了。如圖12所示，優選地，內槽15的下遊邊緣構造成朝向下遊傾斜的斜面，而卡接臺41的下遊邊緣與內槽15的下遊邊緣相匹配；更優選地，在移動套3的外表面上還構造有與卡接臺41相匹配的槽120，以使得當 卡接臺14移出內槽15後，能完全縮回到槽120內。這樣，移動套3的外表面就形成了整體式的滑動表面而易於沿著外管7滑動。

如上文所述，在初始狀態中(即圖1)，內套8和外管7通過剪釘10相連，並且第一壓裂孔21被內套8覆蓋且第二壓裂孔16處於第一壓裂孔21的上遊。彈性球座11安裝在球座槽18內。變級體17與一個內槽接合併且在變級體17與內套8之間存在有至少一個內槽。在一個具體實施例中，如圖1所示，下擋塊19偏離內槽15，而上擋塊20與內槽15接合。用語「初始狀態」是指在投入憋壓球之前內套8、外管7以及變級體17的狀態。

在投入第一個憋壓球13後，憋壓球13與下擋塊19坐接。在壓力下，推動變級體17向下遊運動。當下擋塊19運動到與下一個內槽15接合時，上擋塊20移出內槽並且憋壓球13則運動穿過內套8和彈性球座11。隨後，可繼續投入憋壓球，直到變級體17與內套8相接觸。在壓力下，剪釘10被剪斷，憋壓球22推動變級體17和內套8向下遊運動。在第二壓裂孔16與第一壓裂孔21對齊後，彈性球座11被內套8推動到球座槽18之外，這時憋壓球22坐入直徑變小的彈性球座18內，從而建立壓裂通道，如圖13所示。

由此可知在整個過程中，所有的憋壓球的尺寸都相等，也就是說，建立壓裂通道的過程不需要不同尺寸的憋壓球。

下面來描述本發明第二實施例的投球式壓裂滑套200(以下簡稱為滑套200)。滑套200的結構與滑套100的結構基本相同，這裡僅描述兩者的不同之處。如圖2所示，滑套200還包括相鄰地設置在移動套3下遊相鄰內槽中的一個移位卡簧6。移位卡簧6的寬度與內槽15的尺寸相匹配，以使得其能與多個內槽中的任一個形成接合。另外，移位卡簧6具有較大的厚度，以使得其與內槽接合時，仍然能夠凸出高於內套8，但是其厚度小於彈性球座18的厚度。如圖11所示，移位卡簧6為帶缺口的環形件形式，以使得易於將其沿徑向壓縮。移位卡簧6能夠在壓力下被推出當前的內槽而向下運動直到與下遊相鄰的內槽接合，甚至在此之後能夠被進一步推向下遊。為此，移位卡簧6的下遊邊緣構造為與內槽15的下遊邊緣相匹配的斜面，以有助於移位卡簧6的運動。

在初始狀態中，移位卡簧6安裝在處於變級體17下遊相鄰的一個內槽15中。當變級體17向下遊運動時，會將移位卡簧6從內槽15中推出，因此移位卡簧6受外管7的擠壓而直徑變小。當然，當變級體17進一步向下遊運動時，還會將 移位卡簧6推入到下一級的內槽15中，這時移位卡簧6的直徑會再次變大。

在移位卡簧6與內套8接觸後，在壓力下移變級體17、移位卡簧6和內套8三者會被推動向下遊運動，直到第二壓裂孔16與第一壓裂孔21對齊。此時，移位卡簧6與內槽15a接合，這樣移位卡簧6就會在軸向上阻擋內套8逆向向上遊運動。

下面，根據圖3-9來詳細描述滑套200的使用過程。

在初始狀態中(即圖3)，內套8和外管7通過剪釘10相連，並且第一壓裂孔21被內套8覆蓋且第二壓裂孔16處於第一壓裂孔21的上遊。彈性球座11安裝在球座槽18內。變級體17與一個內槽接合併且在變級體17與內套8之間存在有至少一個內槽。具體來說，如圖3所示，下擋塊19偏離內槽15，而上擋塊20與內槽15接合。移位卡簧6安裝在變級體17下遊相鄰的內槽內。

在投入第一個憋壓球131後，憋壓球131與下擋塊19坐接。在壓力下，憋壓球131推動變級體17向下遊運動。當下擋塊19運動到與下遊內槽15接合時，上擋塊20移出內槽並且移位卡簧6被推出內槽，這時由移位卡簧6承接憋壓球131，如圖4所示。在壓力下，憋壓球131繼續推動移位卡簧6向下遊運動，直到移位卡簧6再次與下遊的內槽接合時，憋壓球131運動穿過內套8和彈性球座11，如圖5所示。

隨後，可繼續投入下一個憋壓球132，憋壓球132與上擋塊20坐接，如圖6所示。在壓力下，憋壓球132推動變級體17向下遊運動。當上擋塊20運動到與下遊的內槽接合時，下擋塊20移出內槽，此時憋壓球132與下擋塊19坐接，並推動變級體17和移位卡簧6繼續向下遊運動，如圖7所示。在移位卡簧6被推出內槽後，移位卡簧6承接憋壓球132。當移位卡簧6與再下遊的內槽接合後，憋壓球132運動穿過內套8和彈性球座11，這個過程未以圖示出。

接下來，再次投入一個憋壓球133。憋壓球133的運動過程與憋壓球131、132的運動過程大體類似，下面僅描述不同之處。如圖8所示，憋壓球133推動移位卡簧6推出內槽並向下遊運動到與內套8相接觸。繼續施加壓力，剪釘10被剪斷，憋壓球133推動移位卡簧6和內套8向下遊運動。在第二壓裂孔16與第一壓裂孔21對齊後，彈性球座11被內套8推動到球座槽18之外，這時憋壓球133坐入直徑變小的彈性球座11內，從而建立壓裂通道，如圖9所示。在圖9所示的情況中，移位卡簧6與內槽15a接合，這樣移位卡簧6就會在軸向上阻擋 內套8逆向向上遊運動。

由此可知，在整個過程中，所有的憋壓球的尺寸都相等，也就是說，建立壓裂通道的過程不需要不同尺寸的憋壓球。

應理解地是，圖3到9僅示意性地描述了建立一個壓裂通道的過程。當變級體17與內套8之間的內槽數量更多時，需要投入更多的憋壓球來建立壓裂通道，而憋壓球、變級體、移位卡簧、內套以及彈性球座的運動過程與上文描述相同。

根據本發明的壓裂管柱可包含多個根據上文所述的投球式壓裂滑套，並且並且上遊的投球式壓裂滑套的變級體與內套之間的內槽的數量大於下遊的投球式壓裂滑套的變級體與內套之間的內槽的數量。例如，上遊的投球式壓裂滑套的變級體與內套之間的內槽的數量與下遊相鄰的投球式壓裂滑套的變級體與內套之間的內槽的數量之差為1，並且最末端的投球式壓裂滑套的變級體與內套相鄰。這樣，每投入一個憋壓球，就能建立一個壓裂通道，這大大提高了施工效率。

雖然，沒有以具體的實施例來描包括這種壓裂管柱的工作過程，但是對於本領域的技術人員來說，所有滑套的動作過程均可根據圖1到13以及相應的文字說明而得知。例如，來自上遊滑套的憋壓球可看做為投入下遊滑套的憋壓球。為了簡單起見，這裡不再贅述。

雖然已經參考優選實施例對本發明進行了描述，但在不脫離本發明的範圍的情況下，可以對其進行各種改進並且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結構衝突，各個實施例中所提到的各項技術特徵均可以任意方式組合起來。本發明並不局限於文中公開的特定實施例，而是包括落入權利要求的範圍內的所有技術方案。