具有計數系統的多級高壓壓裂系統的製作方法

2023-11-30 01:51:51

本發明涉及一種多級高壓壓裂系統以及管式液壓閥(thv)系統，其用於連接至完井管柱從而對油井內目的層進行隔離。具體而言，所述系統允許到達井下巖層從而壓裂所述目的層並進行油氣開採。所述系統大體上包含塞子計數系統、塞子捕獲系統和閥系統，其中使一系列塞子在完井管柱中向下掉落允許連續捕獲個別thv內的個別塞子，從而進行後續壓裂操作。

背景技術：

在石油天然氣工業中，完井操作期間經常需要在油井內的各種層進行不同操作以提高油井的產量。即，在特定的油井內有若干經濟目的層，在鑽孔和/或套管之後，操作人員可能會想要直接到達井內和/或打開套管以進行壓裂操作從而促進油氣從巖層遷移至油井內進行生產。

過去有操作人員在套管井中利用的許多技術，從而隔離一個或多個目的層來允許到達巖層並進行壓裂操作。在最簡單的情形下，套管井可只需要在適當的位置打開以允許油氣流入井內。在此情況下，油井的套管(以及任何相關聯水泥)可在所需的位置被穿透，使得井套管內部暴露於巖層並且油氣可以從巖層遷移至油井內部。

在過去利用此基本技術時，普遍認為在所需的層穿透鋼套管/水泥的複雜度更大，且比將套管的專門區段定位在目的層附近並接著在將井套管之後打開那一區段更為複雜。一般來說，如果將套管的專門區段定位在目的層附近，那麼可以利用各種技術在套管的區段中有效地打開一個或多個埠而無需物理切通鋼套管。

在其它情形下，尤其是在需要壓裂巖層的一個或多個層的情況下，已開發出多種系統和技術來將井的特定區段進行隔離，以允許選擇性地打開套管中的專門埠並在單個層內進行壓裂操作。

一種這樣的技術是將封隔器元件和各種專門塊設備併入一個或多個油管柱中，使油管柱進入油井中並進行各種液壓操作以在油管柱內打開埠。

重要的是，在這些技術都已起效的情況下，需要系統以及最小化這些系統的複雜度的方法。即，涉及井下設備的任何操作在資金/租金成本以及完成這些操作所需的時間方面都是昂貴的。因此，在可以降低設備的複雜度和/或進行這些操作所需的時間/人力的程度上，這些系統可以向操作者提供明顯的經濟優勢。

在過去，這些用於隔離井的區段的技術包含利用油管柱內的球體將油管柱的連續區域進行隔離的系統。在這些系統中，球體向下掉落/泵吸進油管柱，在油管柱中，球體可與管柱內的專門座體嚙合並由此將油井的下部區段與油井的上部區段隔絕開。在過去，為了確保下部區段在上部區段之前密封，使一系列具有不同直徑的球體向下掉落進油管中，開始是直徑最小的球體，接著向上逐漸使用較大的球體。通常，每個球體的直徑可相差1/8英寸，且每個球體將與被設定大小僅與一個特定直徑的球體相嚙合的井下座體相嚙合。起效時，此系統實際上被球體的直徑範圍所限制。即，為了隔離16個目的層，最小的球體與最大的球體相比直徑可能會小2英寸。因而，對可以併入油管柱的層的數目有實際限制，這因此限制了可以壓裂的層的數目。由於現代油井可能希望進行多達大約40個壓裂操作且可能多於40個壓裂，因此現有的球體掉落及捕獲系統不能併入這些油井中。

因此，需要一種系統，其不受掉落球體大小限制並且可允許明顯更大數目的壓裂窗口併入油管柱內。

技術實現要素：

根據本發明，提供了一種管式液壓閥(thv)系統，其用於連接至完井管柱從而對油井內目的層進行隔離，允許到達井下巖層從而壓裂所述目的層並進行油氣開採，所述thv具有允許塞子穿過所述thv的內孔，所述thv包括：塞子計數系統，其具有用於連接至完井管柱的井上端，以及塞子嚙合系統，其用於與穿過所述內孔的塞子嚙合，所述塞子嚙合系統用於對穿過所述塞子計數系統的連續塞子進行計數並用於在達到穿過所述內孔的塞子的預設數目時觸發第一液壓事件；塞子捕獲系統，其可操作地連接至所述塞子計數系統，所述塞子計數系統響應於所述第一液壓事件以在所述第一液壓事件被觸發時進行所述thv內的塞子捕獲；以及閥系統，其可操作地連接至所述塞子計數系統以及塞子捕獲系統，所述閥系統包含閥，其響應於塞子捕獲而打開所述閥以允許流體從所述內孔流至所述thv外部。

在一個實施例中，所述塞子嚙合系統包含至少一個連接至齒式棘輪的插腳，和塞子活塞，其中穿過所述內孔的塞子與所述至少一個插腳的嚙合將所述齒式棘輪向前移動一跨齒距。

在另一實施例中，所述齒式棘輪可被預設以在觸發所述對應於穿過所述內孔的塞子總數的第一液壓事件之前行進多倍的所述跨齒距。

在一個實施例中，當所述齒式棘輪已行進了預設距離時，所述塞子計數系統允許液壓流體從所述內孔穿過以對所述塞子活塞加壓並導致所述塞子活塞向井下運動。

在另一實施例中，所述系統進一步包含在所述塞子計數系統和所述塞子捕獲系統之間的第一液壓通道，且其中所述塞子活塞向井下運動打開所述第一液壓通道從而允許液壓流體流至所述塞子捕獲系統內的塞子捕獲活塞，且其中所述塞子捕獲活塞響應於穿過所述第一液壓通道的液壓流體的流動而導致所述塞子捕獲活塞向井下運動。

在一個實施例中，所述塞子捕獲活塞向井下運動將所述塞子捕獲系統內所述內孔的一部分變窄從而防止塞子穿過所述塞子捕獲系統。

在又一實施例中，所述系統進一步包含可操作地連接至所述塞子捕獲系統的塞子捕獲鎖，所述塞子捕獲鎖用於與所述塞子捕獲活塞嚙合以防止所述塞子捕獲活塞向井上大幅運動。

在一個實施例中，所述系統還可包含閥活塞，且其中當所述塞子捕獲系統已滯留住一個塞子時，所述閥活塞暴露於所述內孔內的液壓流體使得所述閥系統向井下運動打開一個閥。

在另一實施例中，所述塞子計數系統包含處理器以及電源系統，所述電源系統可操作地連接至塞子嚙合系統並連接至電磁閥或電動馬達以控制液壓流體穿過液壓通道的流動，其中所述處理器計數穿過所述內孔的塞子，且當計數到預設數目的塞子時，所述處理器打開所述電磁閥從而觸發所述第一液壓事件。

在另一實施例中，所述塞子嚙合系統包含至少一個活動插腳，其與電路可操作地嚙合，其中塞子穿過所述內孔時，所述塞子與所述至少一個插腳的嚙合將所述插腳進行移動且與所述電路連接或斷開，並將信號發送至所述處理器即有塞子穿過。所述塞子嚙合系統可包含兩個活動插腳，其在所述內孔中縱向隔開，每個插腳與電路可操作地嚙合，所述兩個插腳允許所述處理器確定塞子在所述內孔中移動的方向。所述兩個插腳可縱向隔開以允許穿過的塞子在嚙合一個插腳之前與其中另一個所述插腳脫離。所述兩個插腳可沿著所述內孔彼此異相。

在進一步實施例中，所述處理器確定已計數所述預設數目的塞子和所述第一液壓事件的所述觸發之間的時間是可編程的。

在另一實施例中，本發明提供一種管式液壓閥系統，其用於連接至油管柱以隔離油井內的目的層，從而到達井下巖層來壓裂所述目的層並進行油氣開採，所述管式液壓閥系統包括：外套筒，其具有井上和井下連接器用於將所述管式液壓閥系統附接至油管柱，所述外套筒含有：位於所述外套筒內的塞子計數系統，所述塞子計數系統具有：至少一個塞子相互作用表面，其用於檢測塞子經過所述塞子計數系統的運動；以及，液壓激活系統，其可操作以在預設數目的塞子已移動經過所述塞子計數系統時激活塞子抓取系統；其中所述塞子抓取系統可操作地連接至所述塞子計數系統且響應於所述液壓激活系統而激活塞子滯留表面並由此將塞子滯留在所述塞子抓取系統內並將所述油管柱的井下區段與所述油管柱的井上區段在所述塞子處密封；以及，閥系統，其可操作地連接至所述塞子抓取系統，所述閥系統包含可操作地連接至所述外套筒中至少一個開口的閥，且其中所述閥系統響應於液壓流體壓力而在塞子被滯留於所述塞子抓取系統中時打開所述閥。

在另一方面中，本發明提供一種用於激活完井管柱中液壓閥的方法，所述完井管柱具有多個如權利要求1所述的管式液壓閥(thv)以及併入其中的對應的封隔器元件，包括以下步驟：a)將所述完井管柱加壓至第一壓力以將所述封隔器元件設置在所述油井內；b)將所述完井管柱內的所述壓力增大至足以使thv內第一剪腳破裂的第二壓力水平；c)將塞子掉落進所述完井管柱，所述塞子用於與每個thv內的塞子計數系統連續嚙合，且其中如果塞子與thv的嚙合觸發了第一液壓事件，那麼所述第一剪腳破裂以進行所述thv內的塞子捕獲和閥打開；以及d)將所述完井管柱內的所述壓力增大至第三壓力水平以進行油井壓裂。

在一個實施例中，針對所述完井管柱內的每個thv重複步驟b)-d)中的每一個。

附圖說明

參考附圖對本發明進行了描述，其中：

圖1為根據本發明部署的併入有若干多級壓裂裝置的套管或完井油管柱連同對應封隔器元件的示意圖。

圖2為根據本發明的一個實施例的多級壓裂裝置(mfd)的示意圖，其示出計數系統、閥系統和球體抓取系統的一般位置。

圖3a-3d為根據本發明的一個實施例的mfd的一系列橫截面圖，其示出處於井上位置的球體。諸圖的上部和下部序列為mfd彼此呈90°的橫截面。

圖4a-4e為根據本發明的一個實施例的mfd的一系列橫截面圖，其示出處於被捕獲位置的球體。諸圖的上部和下部序列為mfd彼此呈90°的橫截面。

圖5為mfd的橫截面圖，其示出處於開啟位置的閥套。

圖6為根據本發明的一個實施例的電子球體計數系統的示意圖。

圖7a-7e為根據本發明的一個實施例的具有電子計數系統的mfd的井上部分的橫截面圖，其說明了球體移動穿過mfd的序列。圖7a說明進入mfd之後不久的球體。圖7b說明球體按下電子計數系統的第一插腳。圖7c說明已經過第一插腳之後但接觸第二插腳之前的球體。圖7d說明球體按下第二插腳。圖7e說明已經過第二插腳之後的球體。

圖8a為根據本發明的一個實施例的具有電子計數系統的mfd的井上部分的橫截面圖，其示出二插腳系統。

圖8b為圖8a的mfd的延續，說明根據本發明的一個實施例的具有電子計數系統的mfd的中間部分的橫截面圖，其示出電磁閥系統。

具體實施方式

參看諸圖，描述了多級壓裂裝置(mfd)或管式液壓閥(thv)10以及操作mfd或thv的方法。

為了進行本文的描述，mfd或thv10包含多個子系統，其可被配置用於套管或完井油管柱20，並與適當的封隔器元件10a一起允許將巖層8a內的特定層進行隔離，如圖1中所示。在此描述的上下文中，套管或完井管柱是同義的，並在下文中被稱為完井管柱。完井油管柱20上mfd10和封隔器元件10a的組合允許在油井8內的巖層8a內進行壓裂操作。

還應注意，在例如完井管柱由水泥在適當位置澆注的情形下，可利用所述系統而無需封隔器元件。雖然以下描述假定使用了封隔器元件10a，但這並不意在為限制性的。

如下文詳細描述，mfd包含大體上包含計數子系統12、球體抓取子系統14以及閥子系統16，如圖2中示意性所示。

應注意，所述描述利用了各種術語，其可與其它術語互換以實現功能性描述和/或表示特定實施例的實例的目的。重要的是，使用一個術語相比另一術語而言並不意在限制本領域技術人員所能解釋的範圍。舉例來說，所述描述將系統稱為多級壓裂裝置(mfd)，其與管式液壓閥(thv)同義，也與「球體」或「塞子」同義，其中球體只是塞子的一個實例。

操作概述

參看圖1，數個mfd10連接至位於封隔器元件10a之間在對應於油井內目的層(巖層)8a的位置的完井油管柱20。一般而言，在將完井油管柱20放置於油井8內之後，組裝的系統可在表面6通過井口設備6a進行加壓使得封隔器元件10a密封住油井8。在油井中已建立起循環之後，在完井油管柱內的表面6釋放球體18，所述球體落下和/或被泵吸穿過所述完井油管柱以與每個mfd10連續嚙合。管柱內的每個mfd10已被預先配置成在每次球體經過mfd時進行「計數」並在達到預定計數數目時觸發對球體18的捕獲。在預定計數數目(例如，1-40)，特定的mfd10將捕獲球體18(見圖1中最下部的mfd10)。當捕獲到球體18時，球體18將完井油管的內部與完井油管柱的下部區域隔絕開，使得可以發起額外的液壓事件來打開mfd內的閥。也就是說，當球體已經被捕獲並且mfd10中的閥打開時，可以在鄰近所述mfd10的目的層8a內完成壓裂操作。

在層8a已被壓裂之後，更多的球體連續引入完井油管使得連續的mfd能夠被打開並且在其它層內完成壓裂操作。因而，油井8內的目的層中的每一個可以被連續地壓裂。重要的是，球體被設計成使得在一段時間(通常是幾天)內，球體將至少部分地溶解，使得其直徑被腐蝕且其將落至油井的底部。因此，在已完成所有壓裂操作之後，油井的所有層接著對完井油管的內部開放使得能夠通過完井油管進行油井的開採。

應注意，完井管柱的最下部層並不需要mfd10，並且通常可在最下部層(未圖示)利用在壓力下打開的簡單液壓閥以初步建立起循環並允許壓裂最下部層。

如圖2中所示，每個mfd10大體上描述為具有三個主要子系統，包含位於mfd10的井上端的計數系統12、位於mfd的井下端的球體抓取系統14，以及位於計數系統12和球體抓取系統14之間的閥系統16。在完井油管柱的表面製備期間，每個mfd的計數系統設置為對球體的特定或預設數目進行計數，其中管柱內最下部mfd將計數1而最上部mfd將計數n(其中n通常在1和40之間)。在操作中，如果計數系統12記錄的是尚未達到預設數目，則球體將穿過mfd10並繼續向井下行進。如果mfd10記錄的是已達到預設數目，則計數系統12將觸發球體抓取系統14以捕獲球體從而防止進一步向井下行進。捕獲球體的動作將接著導致閥系統16內的閥打開。舉例來說，最下部mfd將被設置成計數1個球體，而10個mfd形成的管柱內的最上部mfd將被設置成計數10個球體。

子系統中的每一個的操作和組件在下文更詳細地描述，其中圖3a大體示出允許經由連接器30a連接至油管柱的mfd的井上組件，圖3b示出計數系統的細節，圖3c示出閥和球體抓取子系統的細節，而圖3d示出允許連接至油管柱的井下部分的井下連接組件的細節。圖3a-3d大體示出計數配置下的系統，其允許進入mfd的球體被計數。上部圖像(i)和下部圖像(ii)為mfd同一區域的橫截面，彼此相差90°。圖4a-4e大體示出在球體被抓取之後的子系統。

計數系統12

如圖3a中所示，示出mfd的上部區段具有位於計數系統12上方的球體18。圖3b示出具有插腳和棘齒系統的計數系統12，所述棘齒系統連續計數穿過計數系統12的球體18。

如所示，主要內殼體30支撐具有兩個插腳對32a、32b的插腳系統32，所述插腳對32a、32b大體被偏置朝向主要內殼體30的內部。每個插腳對32a、32b相對於彼此呈90°關於內殼體30定位，且沿著所述主要內殼體隔開一個較短的距離a。分隔距離a足夠使球體18與插腳對32a充分嚙合並在與插腳對32b嚙合之前脫離。

插腳對32中的每一個包含多個齒32c、32d，其與主要內殼體30的外表面上的棘齒計數器活塞34上的齒32e相嚙合。即，齒32c和32d與齒32e相反且互相嚙合。棘齒計數器活塞34滑動地嚙合在主要內殼體30上。

在操作中，由於球體18與第一插腳對32a嚙合，因此齒32c從棘齒計數器活塞34上的齒32e脫離從而允許所述棘齒計數器活塞向井下移動一個齒位，使得插腳對32b的齒32d變成與齒32e充分嚙合。隨著球體18移動經過第一插腳對32a，齒32c移動至抵靠棘齒計數器活塞34的中間位置。隨著球體18移動經過第二插腳對32b，齒32d從齒32e脫離從而導致棘齒計數器活塞34額外的向井下的運動以及插腳對32a的齒32c與齒32e的嚙合。

因此，由於連續球體移動經過插腳對32，因此棘齒計數器活塞34將逐步向井下移動。棘齒計數器活塞34移動的驅動力為通過壓力埠36(圖3a)作用於棘齒密封活塞38的內部液壓壓力。在管柱組裝期間由主要內殼體30和主要外殼體42界定的腔室40設置為大氣壓，使得跨棘齒密封活塞38存在壓力差。棘齒密封活塞38包含適當的密封件38a從而在操作期間維持加壓密封。

另外，棘齒計數器活塞34包含井上肩部34a，其將在棘齒計數器活塞34由於連續的球體穿過而逐步向井下移動時與插腳對32a相嚙合。更具體而言，在預設數目的球體已與插腳對嚙合之後，上部肩部34a將防止插腳對32a與棘齒計數器活塞34重新嚙合，使得棘齒計數器活塞將滑行從而與位移活塞總成44相嚙合。

棘齒計數器活塞34與位移活塞總成44嚙合的動作將導致高壓力施加至位移活塞總成44。即，由於高壓液壓流體流動通過埠36，位移活塞總成44內的剪腳44a將進行剪切使得位移活塞總成44將向井下移動。位移活塞總成44向井下的運動導致壓力埠48與位移活塞總成44內的液壓通道50的對準，這由此允許高壓液壓流體流至液壓通道50中(見圖4b)。

又一個液壓通道52(圖3b、3c)包含在閥套54內，這允許液壓流體繞開閥系統16至球體抓取系統14。

球體抓取系統14

球體抓取系統14大體包含套爪球座60，其具有可操作地包含在座體活塞62內的套爪球座指60a。套爪球座60和座體活塞62滯留在座體殼體64內。座體殼體64在其井上端緊固至主要外殼體42，且在其井下端緊固至底部連接器套筒66(圖3d)。座體殼體64、底部連接器套筒66以及座體活塞62保持復位彈簧68，其可被座體活塞62向井下的運動壓縮。

如下文更詳細解釋，隨著座體活塞62向井下移動，座體活塞62與套爪球座60嚙合，使得套爪球座指60a移動至共同界定球體擋緣60b(圖4c)的位置，所述球體擋緣60b將防止球體18經過套爪球座60。

在操作中，如上文所述，隨著高壓液壓流體穿過液壓通道52，所述液壓流體對座體活塞62上方的壓力腔室62a進行加壓。對腔室加壓導致剪腳62b進行剪切，從而允許座體活塞抵靠復位彈簧68向井下移動且套爪球座指60a向內移動(圖4c)。

重要的是，隨著座體活塞62向井下移動，鎖定機構63(見圖4e)釋放至鎖定位置，這防止座體活塞62部分後續向井上移動，如下文更詳細解釋。

在一個實施例中，套爪球座指60a具有外楔面60b，其將與內楔面66a嚙合以促進套爪球座指60a正向向內移動(圖4c)。

因此，由於球體計數器系統12在正確的預設數目導致球體抓取系統14的激活，因此球體18被滯留在套爪球座內，由此將球體下方的位置都進行了隔絕(見圖4c)。

另外，隨著座體活塞62向井下移動，埠67變成暴露於腔室62a，使得額外的高壓流體被引入腔室62a中以確保對腔室62a的加壓(見圖4c中的箭頭)。

閥系統16

閥系統16包含閥套54。圖3c和4c示出在閉合位置的閥套54，而圖5示出在開啟位置的閥套54。

在球體已滯留於套爪球座60中之後，增大完井油管內的壓力將導致對閥套54的井上表面54a的額外加壓。閥套54被剪腳54b滯留在抵靠主要外殼體42處，在達到閾值壓力後，所述剪腳54b將進行剪切從而允許閥套54向井下移動，使得主要內殼體30和主要外殼體42中的開口30a對於巖層開放。

重要的是，如果球體尚未被捕獲在球體捕獲系統內，那麼維持或增大油管柱內的壓力不會導致閥套54移動並會導致球體尚未被捕獲的層中的閥套54過早打開。更具體而言，這由在未觸發的mfd中的位移活塞44的位置進行阻止，所述未觸發的mfd防止液壓流體通過液壓埠48流進腔室54a。因此，如果增大壓力以打開閥套，那麼這將只會在液壓流體可以流進腔室54a的情況下發生，而液壓流體流進所述腔室的情況只會在球體已被捕獲的情況下發生。

在此之後，進一步增大壓力從而允許進行壓裂操作。

在特定層內和局部鬆弛的壓力下的壓裂操作完成後，通過掉落又一個球體來重複所述過程，其基於緊鄰的井上mfd10的預設計數器設置將在所述井上位置捕獲所述又一個球體。針對存在於完井油管柱中的mfd中的每一個重複所述過程。

在壓裂操作完成之後，重要的是釋放所有球體使其落至管柱的底部，從而確保整個管柱對於所有層的巖層都開放。

如已知的，球體可以是可溶解的，使得在幾天的時段內，球體的外表面將腐蝕從而使其將從套爪球座臂60a落下。

在一個實施例中，座體活塞62也具備可溶解o型環62d，其位於座體活塞下端附近並與底部連接器套筒66嚙合。隨著時間過去，可溶解o型環62d將失效，這將允許高壓流體如所示從mfd內部流至腔室68a內。即，當座體活塞62已向井下移位以抓住球體時，這會打開液壓通路62e，這種情況接著允許高壓流體與o型環62d接觸。隨著時間過去，所述o型環將溶解並失效，這接著允許流體經由圖4d中所示的路徑進入腔室68a。當流體進入先前處於大氣壓的腔室68a時，座體活塞62則達到壓力平衡，這允許座體活塞62向井上回移，並由此使球體(如果還未溶解)離座。重要的是，無論球體是否已經溶解，工具的最小內徑(id)返回至其原始id。如上文提到，鎖定機構63已被嚙合從而防止向井上大幅移動至原始井上位置，由此防止液壓埠67被封閉。

系統的其它設計考量以及方面

所述棘齒計數器系統將通常允許1-40個層個別地隔離以進行處理。為了確保恰當的預設數目，在完井油管柱在表面進行組裝時，每個mfd10將被設置成基於油井中預期的mfd位置進行觸發。即，如果管柱包含10個mfd，那麼最下部mfd將會用第一個球體觸發，而最上部mfd將會用第10個球體觸發。因此，每個計數器系統14將具有其棘齒計數器活塞34，棘齒計數器活塞34定位於相對於插腳對齒的適當齒圈上。

電子計數系統

在如圖6中所示的另一實施例中，所述計數系統併入有電子計數系統100。在此實施例中，所述系統包含處理器和電源系統100a，電源系統100a可操作地連接至插腳系統100b以及電磁閥和/或電動馬達100c。在此實施例中，隨著球體18移動經過插腳系統100b，處理器100a對經過的球體的數目進行計數。當處理器已計數到預設數目的球體時，處理器100a激活電磁閥100c以允許液壓流體通過液壓通道100d流入空間40，從而與活塞100d嚙合並激活如上文所述的球體抓取系統。液壓流體通過埠36進入空間40。

在圖8a-8b中所示的另一實施例中，存在含有電子計數系統100的mfd10。因為球體抓取系統和其它組件與上文所述的那些類似，所以僅說明和描述了含有電子計數系統的mfd10的區段。所述電子計數系統包含第一和第二插腳70、72，其在內孔中沿著縱軸彼此隔開。第一和第二插腳可分別獨立移動從而與第一和第二電路接觸，以閉合或完整所述電路。第一和第二偏置構件78、80將插腳偏置在第一位置，在第一位置中所述電路是完整的。在球體移動經過所述插腳中的一個並與所述插腳接觸時，插腳移動至第二位置，在第二位置中所述電路是開路或者不完整的。在球體完全經過插腳之後，偏置構件使得插腳返回至第一位置。或者，在第一位置，電路處於不完整或開路位置，而在第二位置，當球體與插腳接觸時電路是閉合的。

優選地，第一和第二插腳沿著內孔彼此異相(不成直線)，並且優選地，其彼此相位相差180度。雖然第一和第二插腳可以彼此同相/成直線，但使它們異相會在球體經過插腳時對球體提供更多的均勻磨損，並為偏置構件以及其它與電子計數系統相關的零件在工具中提供空間。

圖7a至7e示出球體移動經過兩個插腳的序列的特寫視圖。在此實施例中，第一和第二插腳被偏置在第一位置而與第一和第二環或元件74、76接觸，以分別閉合第一和第二電路。偏置元件78、80被說明為由扣緊構件82扣緊至內殼體30的梁彈簧。當球體18經過所述插腳中的一個時，其將所述插腳從環或元件74、76推出至開路位置，從而斷開所述電路中的一個。圖7b說明球體經過第一插腳70並將插腳推出至開路位置。圖7d說明球體經過第二插腳72並將插腳推出至開路位置。圖7c說明已完全經過第一插腳70之後但接觸第二插腳72之前的球體，其中兩個插腳都在閉合位置。所述插腳隔開足夠的距離以允許第一插腳在第二插腳形成開路之前在球體已經過之後閉合。圖7e說明已經過兩個插腳之後的球體。

在另一實施例中，所述電子計數系統利用兩對插腳，而不是軸向隔開的第一和第二插腳。對於每一對，兩個插腳沿著主要內殼體的內孔定位於相同的軸向位置，且類似於上文描述的實施例，所述對插腳軸向隔開足夠遠以允許第一對插腳在第二對插腳形成開路之前在球體已經過之後閉合。所述插腳也可以在主要內殼體的內孔周圍沿圓周隔開。舉例來說，第一對插腳可以分別位於0°和180°處，而第二對可以位於90°和270°處。其它類似的實施例是可能的，包含使用在每一軸向位置多於兩個插腳、位於多於兩個單獨軸向位置的插腳或在一個軸向位置相對另一軸向位置不同數目的插腳的設計。

此利用兩對插腳的替代實施例有用於降低電子計數系統將對除了球體或被設計成引發計數的其它裝置以外的對象進行計數的可能性。舉例來說，如果連續油管插入到油井中，那麼在每一軸向位置利用僅單個插腳的電子計數系統可能在連續油管接觸所述單個插腳的情況下不準確地將連續油管計數為球體，因此造成第一和第二電路開路(或閉合)。如前一段落中描述利用多對插腳會確保電子計數系統將僅對與主要內殼體的內孔具有相同近似直徑的球體或其它特殊設計的工具或裝置進行計數。

當第一或第二電路開路或閉合時，信號(經由有線或無線方式)傳送至使用電插腳84的工具中的電磁處理器(未圖示)。在所說明的實施例中，當表示第一電路已開路接著閉合緊接著第二電路開路並閉合的信號傳送至處理器時，處理器將此解讀為有球體向井下經過此處。或者，如果插腳都被偏置在開路位置，那麼確定球體已向井下經過此處的信號可為第一電路閉合再開路接著是第二電路閉合再開路。所述處理器保持對經過球體的計數數目。在達到預定的計數數目後，處理器發出信號以打開電磁閥總成88，允許流體進入空腔86，從而將工具設置成捕獲球體，如同上文描述的非電子系統，這允許mfd10中的閥打開以允許進行壓裂操作。電子計數系統可包含多於一個電磁閥總成用於備用並使得設置過程能夠更快進行。

參看圖8a，所述工具還可以包含一個或多個埠或塞子90，其提供通向計數系統的電子件的入口以用於對計數系統進行編程。優選地，所述工具也含有用於電子計數系統的電源，例如一個或多個電池(未圖示)。

所述電子計數器系統並不限於球體計數的最大數目，並因此對mfd可用於的壓裂級數的數目並無限制。球體經過插腳之後到設置電磁閥系統的響應時間也可以根據需要進行編程。在需要使用單個球體開啟多於一個mfd以同時壓裂多於一個目的層時，這尤其有用。舉例來說，球體經過上部mfd與設置上部mfd電磁閥系統之間的時間可以被延遲以足夠允許球體經過而不會被捕獲，在此之後，對mfd進行設置。當球體被下部mfd捕獲並且被施以向井下的壓力時，上部和下部mfd都將開啟，從而允許在鄰近上部和下部mfd的層中同時進行壓裂。

另外，電子計數器系統可以對球體向井下流動和球體向井上流動進行區分。在由於篩阻(井筒中的流動忽然停止)或者未能起始壓裂而井筒中的流動方向必須顛倒時，這尤其有用。在兩種情況下，油井被「打開」並允許流體以相反的方向流動回至表面。在所需的時間量之後，再次改變流動方向以向井下流動以嘗試開啟或重啟壓裂過程。當流動被顛倒時，球體經常隨著流體向井上流動，以相反的方向經過計數系統。因為第二插腳將在第一插腳之前被觸發，所以計數系統將會知道已有球體向井上移動。處理器可被編程為不對向井上流動的球體進行計數，或將其計數為負數。即，當球體向井下移動經過兩個插腳時，計數為1，當球體向井上回流經過兩個插腳時，計數返回至0，且當球體向井下返回移動經過兩個插腳時，再次計數為1。不管井筒中是否發生逆流，這確保了計數數目是準確的。

加壓

整個操作將在不同的壓力下進行從而進行封隔器坐封、球體捕獲、閥打開和壓裂操作中的每一個。即，操作的每個級可以具有一個閾值壓力，其將允許每個操作依次完成。舉例來說，可在使球體向井下掉落之前將封隔器元件10a設置在2500psi。在使球體掉落之前，系統可進一步加壓至3000psi，在這個壓力下，如果mfd內達到適當的計數數目，那麼位移活塞總成44內的剪腳46將進行剪切。類似地，如果球體抓取系統已經被觸發，那麼閥總成內的剪腳54b可在這個壓力水平(或更高)下進行剪切。在閥打開之後，可以在更高的壓力水平下進行巖層壓裂，所述壓力水平通常可在4000psi的範圍內。應注意，用於封隔器坐封、閥打開和壓裂操作的典型壓力範圍通常分別為1500-2500psi、2500-4000psi和4000-10000psi。

儘管本發明已關於優選實施例及其優選用法進行了描述和說明，但本發明並非如此受限，因為如本領域的技術人員所理解，可在本發明中做出處於本發明的完全預期範圍內的修改和改變。

權利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種管式液壓閥(thv)系統，其用於連接至油管柱從而對油井內目的層進行隔離，允許到達井下巖層從而壓裂所述目的層並進行油氣開採，所述thv具有允許塞子穿過所述thv的內孔，所述thv包括：

塞子計數系統，其具有用於連接至油管柱的井上端，以及塞子嚙合系統，其用於與穿過所述內孔的塞子嚙合，所述塞子嚙合系統用於對穿過所述塞子計數系統的連續塞子進行計數並用於在達到穿過所述內孔的塞子的預設數目時觸發第一液壓事件；

塞子捕獲系統，其可操作地連接至所述塞子計數系統，所述塞子計數系統響應於所述第一液壓事件以在所述第一液壓事件被觸發時進行所述thv內的塞子捕獲，使得觸發所述第一液壓事件的同一塞子也被所述塞子捕獲系統捕獲；

所述塞子捕獲系統包括套爪總成，所述套爪總成被配置成使得在所述第一液壓事件的觸發後，所述套爪總成的指徑向向內移動以將所述thv的所述內孔限制於比所述塞子的直徑小的直徑；

閥系統，其可操作地連接至所述塞子計數系統以及塞子捕獲系統，所述閥系統包含閥，其響應於塞子捕獲而打開所述閥以允許流體從所述內孔流至所述thv外部。

2.如權利要求1所述的系統，其中所述塞子嚙合系統包含至少一個連接至齒式棘輪的插腳，和塞子活塞，其中穿過所述內孔的塞子與所述至少一個插腳的嚙合將所述齒式棘輪向前移動一跨齒距。

3.如權利要求2所述的系統，其中所述齒式棘輪可被預設以在觸發所述對應於穿過所述內孔的塞子總數的第一液壓事件之前行進多倍的所述跨齒距。

4.如權利要求3所述的系統，其中當所述齒式棘輪已行進了預設距離時，所述塞子計數系統允許液壓流體從所述內孔穿過以對所述塞子活塞加壓並導致所述塞子活塞向井下運動。

5.如權利要求4所述的系統，其進一步包括在所述塞子計數系統和所述塞子捕獲系統之間的第一液壓通道，且其中所述塞子活塞向井下運動打開所述第一液壓通道從而允許液壓流體流至所述塞子捕獲系統內的塞子捕獲活塞，且其中所述塞子捕獲活塞響應於穿過所述第一液壓通道的液壓流體的所述流動而導致所述塞子捕獲活塞向井下運動。

6.如權利要求5所述的系統，其中所述塞子捕獲活塞向井下運動將所述塞子捕獲系統內所述內孔的一部分變窄從而防止塞子穿過所述塞子捕獲系統。

7.如權利要求6所述的系統，其進一步包括可操作地連接至所述塞子捕獲系統的塞子捕獲鎖，所述塞子捕獲鎖用於與所述塞子捕獲活塞嚙合以防止所述塞子捕獲活塞向井上大幅運動。

8.如權利要求7所述的系統，其進一步包括閥活塞，且其中當所述塞子捕獲系統已滯留住一個塞子時，所述閥活塞暴露於所述內孔內的液壓流體使得所述閥系統向井下運動打開一個閥。

9.如權利要求1所述的系統，其中所述塞子計數系統包含處理器以及電源系統，所述電源系統可操作地連接至塞子嚙合系統並連接至電磁閥和/或電動馬達以控制液壓流體穿過液壓通道的流動，其中所述處理器計數穿過所述內孔的塞子，且當計數到預設數目的塞子時，所述處理器打開所述電磁閥和/或電動馬達從而觸發所述第一液壓事件。

10.如權利要求9所述的系統，其中所述塞子嚙合系統包含至少一個活動插腳，其與電路可操作地嚙合，其中塞子穿過所述內孔時，所述塞子與所述至少一個插腳的嚙合將所述插腳進行移動且與所述電路連接或斷開，並將信號發送至所述處理器即有塞子穿過。

11.如權利要求10所述的系統，其中所述塞子嚙合系統包含兩個活動插腳，其在所述內孔中縱向隔開，每個插腳與電路可操作地嚙合，所述兩個插腳允許所述處理器確定塞子已在所述內孔中移動的方向。

12.如權利要求11所述的系統，其中所述兩個插腳縱向隔開以允許穿過的塞子在嚙合一個插腳之前與其中另一個所述插腳脫離。

13.如權利要求11所述的系統，其中所述兩個插腳沿著所述內孔彼此異相。

14.如權利要求9所述的系統，其中所述處理器確定已計數所述預設數目的塞子和所述第一液壓事件的所述觸發之間的時間是可編程的。

15.一種管式液壓閥系統，其用於連接至油管柱以隔離油井內的目的層，從而到達井下巖層來壓裂所述目的層並進行油氣開採，所述管式液壓閥系統包括：

外套筒，其具有井上和井下連接器用於將所述管式液壓閥系統附接至油管柱，所述外套筒含有：

位於所述外套筒內的塞子計數系統，所述塞子計數系統具有：

至少一個塞子相互作用表面，其用於檢測塞子經過所述塞子計數系統的運動；以及

液壓激活系統，其可操作以在預設數目的塞子已移動經過所述塞子計數系統時激活塞子抓取系統，使得觸發第一液壓事件的同一塞子也被所述塞子抓取系統滯留；

其中所述塞子抓取系統可操作地連接至所述塞子計數系統且響應於所述液壓激活系統而激活套爪總成並由此將塞子滯留在所述塞子抓取系統內並將所述油管柱的井下區段與所述油管柱的井上區段在所述塞子處密封；以及

閥系統，其可操作地連接至所述塞子抓取系統，所述閥系統包含可操作地連接至所述外套筒中至少一個開口的閥，且其中所述閥系統響應於液壓流體壓力而在塞子被滯留於所述塞子抓取系統中時打開所述閥。

16.一種用於激活完井管柱中液壓閥的方法，所述完井管柱具有多個如權利要求1所述的管式液壓閥(thv)以及併入其中的對應的封隔器元件，包括以下步驟：

a)將所述完井管柱加壓至第一壓力以將所述封隔器元件設置在所述油井內；

b)將所述完井管柱內的所述壓力增大至足以使thv內第一剪腳破裂的第二壓力水平；

c)將塞子掉落進所述完井管柱，所述塞子用於與每個thv內的塞子計數系統連續嚙合，且其中如果塞子與thv的嚙合觸發了第一液壓事件，那麼所述第一剪腳破裂以進行所述thv內的塞子捕獲和閥打開，使得觸發所述第一液壓事件的同一塞子也被塞子捕獲系統捕獲；以及

d)將所述完井管柱內的所述壓力增大至第三壓力水平以進行油井壓裂。

17.如權利要求16所述的方法，其中針對所述完井管柱內的每個thv重複步驟b)-d)中的每一個。

18.如權利要求16所述的方法，其中所述第一、第二和第三壓力水平中的每一個分別為1500-2500psi、2500-4000psi和4000-10000。

19.一種用於激活完井管柱中液壓閥的方法，所述完井管柱具有多個如權利要求1所述的管式液壓閥(thv)，包括以下步驟：

a)將所述完井管柱內的壓力增大至足以打開所述完井管柱內的下部液壓閥的第一壓力水平；

b)將所述完井管柱內的所述壓力增大至足以使thv內第一剪腳破裂的第二壓力水平；

c)將塞子掉落進所述完井管柱，所述塞子用於與每個thv內的塞子計數系統連續嚙合，且其中如果塞子與thv的嚙合觸發了第一液壓事件，那麼所述第一剪腳破裂以進行所述thv內的塞子捕獲和閥打開，使得觸發所述第一液壓事件的同一塞子也被塞子捕獲系統捕獲；以及

d)將所述完井管柱內的所述壓力增大至第三壓力水平以進行油井壓裂。