变长度分级滑套分层压裂工艺技术

摘要

本发明公开一种变长度分级滑套分层压裂工艺技术，该工艺技术是在各级变长度分级滑套的滑套塞阀直径不变的情况下，通过改变每级滑套凹槽及滑套塞阀牙块的长度，实现10级以上的分级打滑套技术，进行分层压裂。所述的变长度分级滑套它是由滑套塞阀和滑套阀座总成组成，所述滑套塞阀的本体上有可活动的牙块，牙块的两端分别通过箍簧将其箍紧在本体内；所述的滑套阀座总成由上接头、止动螺钉、密封圈、喷射孔、外壳、剪钉、滑套阀座组成，内壁带有滑套凹槽的滑套阀座设置在外壳内，通过剪钉与外壳固定；所述的牙块和滑套阀座上的滑套凹槽相对应。

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气行业，涉及一种分级滑套技术，特别涉及压裂工艺的一种变长度分级滑套分层压裂工艺技术，替代原来施工管柱上的变直径分级滑套技术。

背景技术

机械分层压裂施工工艺当中，有一种不动管柱压裂工艺技术，即：变直径分级压裂的工艺方法，当每压完一个层后，只需要从井口依次投入直径逐级增大的钢球，打开每个层位的分级压裂滑套，钢球堵住滑套的下部通道后，压裂砂液通过滑套出口进入新的层位，进行连续分层压裂。其缺点是随着水平井的水平段越来越长，甚至达到1000-2000米，而变直径分级压裂的工艺方法的每个施工段的长度不能超过100米，因此，要一趟管柱进行分层压裂10级到20级以上时，由于管柱的内径受到限制，最大为76mm，钢球最小直径为30mm，每个钢球的最小级差为4mm，目前最多只能达到10级，采用变直径分级压裂的工艺方法已不能满足水平井多级压裂施工工艺技术的要求。

发明内容

本发明的目的是：提供一种变长度分级滑套分层压裂工艺技术，该工艺技术是在各级变长度分级滑套的滑套塞阀直径不变的情况下，只要改变每级滑套凹槽及滑套塞阀牙块的长度，就可以实现10级以上的分级打滑套技术，进行分层压裂。

本发明的技术方案是：设计一种变长度分级滑套分层压裂工艺技术，该工艺技术是在各级变长度分级滑套的滑套塞阀直径不变的情况下，通过改变每级滑套凹槽及滑套塞阀牙块的长度，实现10级以上的分级打滑套技术，进行分层压裂。

所述的变长度分级滑套是由滑套塞阀和滑套阀座总成组成，所述的滑套塞阀包括：打捞头、密封胶皮、上压帽、O型密封圈、弹簧、本体、牙块、钢球、箍簧、芯轴、胶皮盖板；在本体上有可活动的牙块，牙块的两端分别通过箍簧将其箍紧在本体内；密封胶皮在上压帽上，合为一体，上压帽与本体一端丝扣连接，其内孔有O型密封圈；芯轴设置在本体内，芯轴上端用丝扣连接打捞头；弹簧的一端设置在上压帽上，另一端设置在芯轴的凸台上，弹簧套在芯轴上；芯轴与牙块相对应的部分形状为两个相连的锥形体，其方向一致，大头对着打捞头；牙块内侧有两个凹槽，每个凹槽对应芯轴一个锥形体部分，在它们之间设置有钢球；所述的滑套阀座总成由上接头、止动螺钉、密封圈、喷射孔、外壳、剪钉、滑套阀座组成，由上接头丝扣连接外壳，外壳依次有止动螺钉及喷射孔和剪钉；上接头上有密封圈Ⅰ；内壁带有滑套凹槽的滑套阀座设置在外壳内，通过剪钉与外壳固定；所述的滑套阀座的两端有密封圈Ⅱ和密封圈Ⅲ；所述的牙块和滑套阀座上的滑套凹槽相对应。

变长度分级滑套分层压裂工艺技术，具体方法如下：

1）根据施工层数，确定变长度分级滑套的数量，其数量比施工层数少1，管柱上连接的下封隔器为Y344结构的水力压差式压缩封隔器；施工时是从下到上进行逐级分层压裂，而泵送的滑套塞阀的长度必须从长到短，逐级缩短，且牙块的长度L≤H滑套凹槽长度；每个下一级的滑套阀座总成的滑套凹槽长度H1大于上一级的滑套凹槽长度H2，滑套塞阀上的牙块的长度L也是每个下一级的长度L1大于上一级的L2；

2）所述的滑套塞阀在自由状态时，由于其上弹簧作用芯轴上的锥面，锥面再推动钢球，将弹簧施加在锥面上的轴向力转化为钢球推动牙块的径向力，牙块就会向外伸出，此时牙块的外径大于管串内通径；向外拉出芯轴，压缩弹簧复位，牙块在箍簧的作用下缩回滑套塞阀本体内，此时滑套塞阀的最大外径小于管串通道的内径3-4mm，放置在井口顶部的油管短节中，向管串中泵送；

3）滑套塞阀在液流的泵送作用下，当滑套塞阀到达滑套阀座总成的滑套凹槽处时，当牙块的长度L>H凹槽的长度时,通过该级滑套阀座总成，再向下运行；当遇到下一级滑套阀座总成，在牙块的长度L≤H凹槽的长度时,牙块在弹簧的作用下弹出，嵌入滑套凹槽处，停止下行；在泵送液流的作用下，密封胶皮就会坐封，将液流封堵在滑套塞阀上部，在其上部形成高压，当压力达到5-10MPa时，就会将剪钉剪断，滑套阀座和滑套塞阀一起向下运行到滑套阀座总成的底部；将其阻挡在该处，停止下行，达到打开滑套，进行分层压裂的工艺要求。

所述的牙块为2-6个，以芯轴为轴心匀布。

所述的凹槽的宽度与钢球直径相同。

所述的滑套凹槽和牙块是一系列长度不同的规格。

所述的滑套阀座总成和滑套塞阀的材质为高强度的合金钢。

所述的高强度的合金钢为铬钼合金钢。

所述的打捞头材质为球墨铸铁。

本发明的有益效果是：1）在各级滑套塞阀直径不变的情况下，只要改变每级滑套凹槽及牙块的长度，就可以实现10级以上的分级打滑套技术，进行分层压裂。2）滑套塞阀上的牙块具有平行伸出功能：牙块两端有等直径的钢球支撑，且牙块的厚度相等，使牙块在伸出或收缩时相互之间保持平行，牙块会始终贴着管串内壁平行向下运动，且不会因牙块倾斜，而卡在油管的接箍上，造成投送不到位，使分层施工失败。3）锁定功能：当芯轴下行时，钢球处在芯轴的最大外径处，芯轴上的打捞头会坐在上压帽上，阻挡芯轴再不下行，将芯轴固定，使滑套塞阀牙块不再回收，其外径再不发生变化，达到了锁定滑套塞阀外径的作用，起到可靠的嵌入作用。4）过变径节箍的功能：滑套塞阀的芯轴上有两个锥形面，当钢球处于锥表面上端与下端之间位置，也就是锥面上时，滑套塞阀可以在液流的泵送下，通过变径节箍，其能通过的最大直径略小于滑套塞阀的最大外径，能通过的最小直径略大于滑套塞阀的本体的外径，其变化范围就是芯轴最大直径和最小直径的差值。5）防冲蚀功能及钻磨功能：所述的滑套阀座总成和滑套塞阀的材质为高强度的合金钢能够防冲蚀；打捞头采用球墨铸铁制做，使其具有很高的硬度，并且具有钻磨功能。6）返排功能，施工后地层具有一定的能量，在井口控制放喷排量达到300-400L/min时，会在滑套塞阀的下部形成较大的节流压差，能够克服弹簧的压缩力，使芯轴上行，牙块回缩；进而使滑套塞阀在放喷形成的节流压差作用下，被井内返出的液流冲出井外。7）打捞功能，使芯轴克力弹簧的压缩弹力上行，从而使钢球进入芯轴的凹细处，起到牙块自动回缩的作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不作为对本发明的限定：

图1是变直径滑套分层压裂管串结构示意图D2＜D1；

图2是本发明实施例的滑套阀座总成结构原理说明图；

图3是本发明实施例的滑套塞阀处于自由状态时；

图4是图3滑套塞阀处于自由状态时的A向剖图；

图5是本发明实施例的滑套塞阀处于管串内泵送状态时；

图6是图5滑套塞阀处于管串内泵送状态时的A向剖图；

图7是当L>H时，滑套塞阀与滑套阀座总成之间的关系；

图8是当L≤H时的投放工况；

图9是喷射孔5打开工况；

图10是本发明实施例变长度分级滑套管串结构示意图H2>H1。

图中，1、上接头；2、止动螺钉；3、密封圈Ⅰ；4、密封圈； 5、喷射孔；6、外壳；7、剪钉；8、滑套阀座；9、滑套凹槽；10、密封圈Ⅲ；11、打捞头；12、密封胶皮；13、上压帽；14、O型密封圈；15、弹簧；16、本体；17、牙块；18、凹槽；19、钢球；20、箍簧；21、芯轴；22、胶皮盖板；23、水力锚；24、K344封隔器；25、直径为D1的变直径分级滑套；26、上双公球座；27、直径为D2的变直径分级滑套；28、下双公球座；29、喇叭口；30、施工上层位；31、施工中层位；32、施工下层位；33、变长度分级滑套Ⅱ；34、Y344封隔器；35、变长度分级滑套Ⅰ；其中，图中的H为滑套凹槽9的长度，D为滑套直径；L为牙块17的长度。

具体实施方式

在实施例中没有详细叙述到的结构，其结构与现有的已知结构相同。

图1为变直径滑套分层压裂管串结构示意图D2＜D1

如图1所示，施工层分施工上层位30、施工中层位31；施工下层位32；施工管串是按以下顺序进行串接：水力锚23、K344封隔器24、直径为D1的变直径分级滑套25、K344封隔器24、上双公球座26、水力锚23、直径为D2的变直径分级滑套27、K344封隔器24、下双公球座28，末端为喇叭口29。该施工管串是一种不动管柱压裂工艺技术，采用变直径分级滑套技术，水力锚23每下一级的滑套直径要小于上一级的滑套直径，每两个滑套内径的级差最小为4mm，对于3¹/₂″内径的油管，最多可实现10级的分层压裂施工。

因该工艺采用K344封隔器，为了保证分层压裂时封隔器的坐封分层效果，当每压完一个层后，从井口依次投入直径逐级增大的钢球，打开每个层位的分级压裂滑套后，钢球要继续下移到每个下封隔器的下端部，堵住封隔器下部通道后，使封隔器承受钢球上部的内外压差，确保坐封良好，压裂砂液通过滑套出口进入新的层位，进行连续分层压裂。

实施例1

变长度分级滑套分层压裂工艺技术在各级变长度分级滑套的滑套塞阀直径不变的情况下，通过改变每级滑套凹槽9及滑套塞阀牙块17的长度，实现10级以上的分级打滑套技术，进行分层压裂。所述的变长度分级滑套是由滑套塞阀和滑套阀座总成组成，所述的滑套塞阀包括：打捞头11、密封胶皮12、上压帽13、O型密封圈14、弹簧15、本体16、牙块17、钢球19、箍簧20、芯轴21、胶皮盖板22，在本体16上有可活动的牙块17，牙块17的两端分别通过箍簧20将其箍紧在本体16内；密封胶皮12在上压帽13上，合为一体，上压帽13与本体16一端丝扣连接，其内孔有O型密封圈14；芯轴21设置在本体16内，芯轴21上端用丝扣连接打捞头11，弹簧15的一端设置在上压帽13上，另一端设置在芯轴21的凸台上，弹簧15的簧套在芯轴21上；芯轴21与牙块17相对应的部分形状为两个相连的锥形体，其方向一致，大头对着打捞头11；牙块17内侧有两个凹槽18，每个凹槽18对应芯轴21一个锥形体部分，在它们之间设置有钢球19； 所述的滑套阀座总成由上接头1、止动螺钉2、密封圈、喷射孔5、外壳6、剪钉7、滑套阀座8组成，由上接头1丝扣连接外壳6，外壳6依次有止动螺钉2及喷射孔5和剪钉7；上接头1上有密封圈Ⅰ3； 内壁带有滑套凹槽9的滑套阀座8设置在外壳6内，通过剪钉7与外壳6固定；所述的滑套阀座8的两端有密封圈Ⅱ4和密封圈Ⅲ10；所述的牙块17和滑套塞座8上的滑套凹槽9相对应。

实施例2

实施例2和实施例1基本相同，不同之处是：所述的变长度分级滑套分层压裂工艺技术，具体方法如下：

1）根据施工层数，确定变长度分级滑套的数量，其数量比施工层数少1，管柱上连接的下封隔器为Y344结构的水力压差式压缩封隔器；施工时是从下到上进行逐级分层压裂，而泵送的滑套塞阀的长度必须从长到短，逐级缩短，且牙块的长度17L≤H滑套凹槽9长度；每个下一级的滑套阀座总成的滑套凹槽长度H1大于上一级的滑套凹槽长度H2，滑套塞阀上的牙块17的长度L也是每个下一级的长度L1大于上一级的L2；

2）所述的滑套塞阀在自由状态时，由于其上弹簧5作用芯轴21上的锥面，锥面再推动钢球19，将弹簧5施加在锥面上的轴向力转化为钢球19推动牙块17的径向力，牙块17就会向外伸出，此时牙块17的外径大于管串内通径；向外拉出芯轴21，压缩弹簧5复位，牙块17在箍簧20的作用下缩回滑套塞阀本体16内，此时滑套塞阀的最大外径小于管串通道的内径3-4mm，放置在井口顶部的油管短节中，向管串中泵送；

3）滑套塞阀在液流的泵送作用下，当滑套塞阀到达滑套阀座总成的滑套凹槽9处时，当牙块17的长度L>H凹槽的长度时,通过该级滑套阀座总成，再向下运行；当遇到下一级滑套阀座总成，在牙块17的长度L≤H凹槽的长度时,牙块17在弹簧5的作用下弹出，嵌入滑套凹槽9处，停止下行；在泵送液流的作用下，密封胶皮12就会坐封，将液流封堵在滑套塞阀上部，在其上部形成高压，当压力达到5-10MPa时，就会将剪钉7剪断，滑套阀座8和滑套塞阀一起向下运行到滑套阀座总成的底部；将其阻挡在该处，停止下行，达到打开滑套，进行分层压裂的工艺要求。

实施例3

同实施例2基本相同，不同之处是：所述的牙块17为6个，（2-6个均可），以芯轴21为轴心匀布；或所述的凹槽18的宽度与钢球19直径相同；或所述的滑套凹槽9和牙块17是一系列长度不同的规格；或所述的滑套阀座总成和滑套塞阀的材质为铬钼合金钢；或所述的打捞头11材质为球墨铸铁；本发明的工艺技术，可以是上述的特征的一种或几种的组合。

实施例4

变长度分级滑套是由滑套塞阀和滑套阀座总成组成，如图2所示，滑套座总成由上接头1、止动螺钉2、密封圈、喷射孔5、外壳6、剪钉7、滑套阀座8组成，由上接头1丝扣连接外壳6，外壳6依次有止动螺钉2及喷射孔5和剪钉7；上接头1上有密封圈Ⅰ3； 内壁带有滑套凹槽9的滑套阀座8设置在外壳6内，通过剪钉7与外壳6固定；所述的滑套阀座8的两端有密封圈Ⅱ4和密封圈Ⅲ10。

如图5所示，滑套塞阀包括：打捞头11、密封胶皮12、上压帽 13、O型密封圈14、弹簧15、本体16、牙块17、钢球19、箍簧20、芯轴21、胶皮盖板22，在本体16上有可活动的牙块17，牙块17的两端分别通过箍簧20将其箍紧在本体16内；密封胶皮12在上压帽13上，合为一体，上压帽13与本体16一端丝扣连接，其内孔有O型密封圈14；芯轴21设置在本体16内，芯轴21上端用丝扣连接打捞头11，弹簧15的一端设置在上压帽13上，另一端设置在芯轴21的凸台上，弹簧15的簧套在芯轴21上；芯轴21与牙块17相对应的部分形状为两个相连的锥形体，其方向一致，大头对着打捞头11；牙块17内侧有两个凹槽18，每个凹槽18对应芯轴21一个锥形体部分，在它们之间设置有钢球19。所述的牙块17和滑套阀座8上的滑套凹槽9相对应。

根据压裂施工的层段数来确定连接在管柱上的滑套个数，其滑套的总数比施工层次的总数少1个。根据压裂施工的层段数来确定滑套凹槽9和牙块17的规格，它们可以是一系列长度不同的规格。

所述的牙块17为5个，以芯轴21为轴心匀布（图6）；所述的凹槽18的宽度与钢球19直径相同；所述的滑套阀座总成和滑套塞阀的材质为铬钼合金钢，也可以是其它高强度的合金钢；所述的打捞头11材质为球墨铸铁。

如图 3和图4所示，处于自由状态的滑套塞阀，在弹簧15的轴向力对芯轴21的作用下，通过芯轴21上的锥形面压迫钢球，将芯轴21所受的轴向力转化为钢球19推动牙块17，使牙块17向外凸出的径向力；因牙块两端有钢球19支撑，牙块17会始终贴着管串内壁向下运动，使牙块17之间保持平行，不会因牙块17倾斜，而卡在油管的接箍上，造成投送不到位，使分层施工失败。

如图5、图6所示，处于滑套塞阀处于管串内泵送状态时，各级滑套座总成都有一个相对应的滑套塞阀，根据滑套塞阀上牙块17的长度L与滑套阀座总成中滑套凹槽9长度H相对应，只有当L≤H 时，滑套塞阀上的牙块17才能嵌入滑套阀座总成上的滑套凹槽9内，起到打开滑套阀座8的作用。

图7为当L>H时，滑套塞阀与滑套阀座总成之间的关系，当L＞H时，从管串中泵送滑套塞阀，进行打滑套开关分层压裂，若牙块17的长度L大于滑套凹槽9的长度时，牙块17不能嵌入滑套凹槽9，会通过滑套凹槽9继续向下运行，能顺利通过L>H的滑套阀座总成，再向下一级运行。

图8为当L≤H时的投放工况，当在管串中泵送滑套塞下行时，若牙块17的长度L小于或等于滑套凹槽9的长度H时，牙块17才能嵌入滑套凹槽9，此时，会在泵送液流的作用下，密封胶皮12就会坐封，将液流封堵在滑套塞上部，在其上部形成高压，当压力达到5-10MPa时，就会将销钉剪断，滑套阀座8和滑套塞阀一起向下运行到滑套阀座总成的底部。

图9 为喷射孔5打开工况，此时将喷射孔打开，滑套塞阀将下部液流通道堵住,压裂液从已打开的喷射孔5排出，即可对相应的新层段进行压裂施工。

图10为变长度分级滑套管串结构示意图H2>H1时，施工层分施工上层位30、施工中层位31、施工下层位32；施工管串是按以下顺序进行串接：水力锚23、 K344封隔器24、变长度分级滑套Ⅱ33的滑套阀座总成、Y344封隔器34、变长度分级滑套Ⅰ35的滑套阀座总成、Y344封隔器34、末端为喇叭口29。

所述的变长度分级滑套Ⅱ的滑套凹槽长度为H2，变长度分级滑套Ⅰ的滑套凹槽长度为H1。首先不投滑套塞进行施工下层位32的压裂；该层施工完后，投放变长度分级滑套Ⅰ的滑套塞阀，进行施工层位31的压裂；再投放变长度分级滑套Ⅱ的滑套塞阀，进行施工上层位30的压裂；剩余其它层的分层压裂时，都是在下一层施工完后再投放滑套塞阀，每次泵送的滑套塞阀的长度，均要比前一级短3-4mm；各级滑套凹槽长度H都不相等，每下一级滑套凹槽H都比上一级长2-4mm，自上而下各级滑套凹槽长度是逐级变长的。只有最上部的封隔器采用常规的水力锚和K344封隔器，以下各级封隔器均采用Y344封隔器。重复以上的步骤，将所有施工层段，进行分层压裂。

当所有施工层位完成以后，按要求进行关井；利用该井内的压力，释放井内液体，控制排量达到300-400L/min，将滑套塞阀从井内返冲出来；若滑套塞阀喷不出来时，可采用打捞的方式，下入打捞器将滑套塞阀打捞来，保证施工管柱内畅通；当打捞不出来时，采用钻磨方式将滑套塞钻磨掉，确保施工管柱畅通。

本发明的变长度分级滑套分层压裂工艺技术不仅限于上述实施例，只要是在各级变长度分级滑套的滑套塞阀直径不变的情况下，通过改变每级滑套凹槽9及滑套塞阀牙块17的长度，实现10级以上的分级打滑套技术，进行分层压裂的工艺技术均可。