射孔/压裂/封隔一体化装置及其多级压裂工艺管柱

摘要

本发明公开了一种射孔/压裂/封隔一体化装置，该装置通过先后两次投入相同尺寸的球完成所对应水力喷射器、封隔器和喷砂滑套的逐级开启，不影响分段级数；每个水力喷射器只进行对应层段的射孔作业，射孔效率高；通过喷砂滑套进行压裂施工，不影响施工排量；封隔器依次座封，承压时间短，密封效果更加可靠，且可实时监测套管压力(地层压力)变化，能有效地预防砂堵；施工上层时，下层封隔器自动解封，管柱易起出；采用多个该射孔/压裂/封隔一体化装置组装成的多级压裂工艺管柱能够一趟管柱实现射孔、压裂、封隔一体化，操作简单、安全、可靠，避免了射孔时的油气层污染，缩短了施工周期，降低了作业成本。

说明书

技术领域

本发明涉及低渗透储层改造技术领域，特别涉及一种射孔/压裂/封隔一体化装置及其多级压裂工艺管柱。

背景技术

我国油气藏复杂、多样，低渗透油气资源丰富，中国石油油气生产和工程技术服务企业立足油田，开展了卓有成效的压裂技术攻关，形成了各具特色的压裂技术。近年来，直井、水平井多级分层压裂技术在低渗透储层、薄层、多层的压裂改造中发挥着重要的作用，已经成为低渗透油气资源开发、提高单井油气产量的主体技术。

目前，分层压裂施工主要采用“封隔器+滑套”分层压裂、不动管柱水力喷射水力封隔分层压裂和油管拖动水力喷射分层压裂方式。其中，“封隔器+滑套”分层压裂管柱施工前需要进行射孔，易对油气层造成污染；不动管柱水力喷射分层压裂管柱层间水力封隔效果无法得到保证；拖动管柱水力喷射分层压裂管柱施工周期较长，作业不连续，喷嘴长时间工作后射孔效率低，封隔器反复座封、解封，封隔器易失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需提前射孔且能够一趟管柱实现射孔、压裂、封隔的射孔/压裂/封隔一体化装置。

本发明的另一目的是提供一种采用上述射孔/压裂/封隔一体化装置构成的多级压裂工艺管柱。

为此，本发明技术方案如下：

一种射孔/压裂/封隔一体化装置，包括外筒和螺纹连接在所述外筒底端内壁上的中心管；

在所述外筒内侧自上而下设置有依次连接的上爪簧球座、内筒和下爪簧球座，且三者通过沿圆周方向设置在所述内筒和所述外筒上的多个第二剪切销钉固定在所述外筒上；在设置有所述内筒处的外筒外壁上沿圆周方向开设有多个压裂通道，所述压裂通道通过设置在所述外筒内侧的内筒封闭；

所述内筒外壁上加工有一环形凹槽，沿所述外筒圆周方向设置的多个第一剪切销钉穿出所述外筒侧壁并位于所述环形凹槽的底部，使所述第二剪切销钉被剪断后，上爪簧球座、内筒和下爪簧球座能够下移一段距离并通过环形凹槽对所述第一剪切销钉的限位而停止继续下行；

所述上爪簧球座和下爪簧球座均包括中心开设有通孔的本体，所述本体一端端部外壁上设有环形凸缘，且自同一端端面沿轴向开设有多道沿所述本体圆周方向均布的割缝，使所述上爪簧球座上部形成有能够收缩和释放的多瓣爪结构；所述上爪簧球座的环形凸缘位于顶部，所述下爪簧球座的环形凸缘位于底部；在所述外筒内壁上开设有一与所述上爪簧球座的环形凸缘相适应的第一环形凹槽，所述上爪簧球座的环形凸缘设置在所述第一环形凹槽内，使所述上爪簧球座处于释放状态，所述下爪簧球座为收缩状态；

在所述外筒内壁上还开设有与所述第一环形凹槽深度一致的第二环形凹槽，且所述第二环形凹槽顶部邻近所述下爪簧球座底部设置，当所述第二剪切销钉剪断后，依次连接的上爪簧球座、内筒和下爪簧球座下行，使所述上爪簧球座变换为收缩状态，所述下爪簧球座变换为释放状态；所述第二环形凹槽的轴向长度与所述内筒和所述下爪簧球座的轴向长度相适应；

在所述外筒内壁上且位于所述第二环形凹槽下方设置有内滑套，所述内滑套通过沿圆周方向设置的多个第三剪切销钉固定在所述外筒上；在所述外筒的侧壁上开设有多个沿圆周方向分布的喷嘴，用于进行水力喷砂射孔作业；在外筒内壁上且位于所述喷射孔下方开设有至少2条沿圆周方向均布的径向盲孔，自所述外筒底端沿轴向开设有与径向盲孔数量一致且沿圆周方向均布的轴向盲孔，每条所述径向盲孔与每条所述轴向盲孔分别一一对应并形成连通构成封隔器进液通道；所述中心管外侧套装有胶筒；所述胶筒的顶面抵在所述外筒的底面上。

进一步地，所述上爪簧球座和所述下爪簧球座在释放状态下的内径均大于所述内滑套的内径；所述上爪簧球座和所述下爪簧球座在收缩状态时内径与所述内滑套的内径一致。

进一步地，所述外筒顶端螺纹连接有用于连接油管的上接头；所述中心管底端螺纹连接有用于连接油管的下接头。

进一步地，所述胶筒两端外壁均向内凹陷形成有用于套装第一胶筒保护套和第二胶筒保护套的环形台阶，使所述第一胶筒保护套内侧形成的环形凸台的下端面和所述第二胶筒保护套内侧形成的环形凸台的上端面分别压配在所述胶筒两端外壁上的环形台阶的端面上。

进一步地，所述第二胶筒保护套下侧外壁向内凹陷形成有环形台阶，所述第二胶筒保护套下侧外壁向内凹陷形成有环形台阶，所述第二胶筒保护套外侧套装有一滑动密封套且所述滑动密封套上侧与所述第二胶筒保护套螺纹连接固定，使所述滑动密封套顶端抵在所述第二胶筒保护套外壁的环形台阶下端面上；所述滑动密封套下侧内壁向内凹陷形成有环形台阶，所述滑动密封套内侧套装并固定有一限位环，使所述限位环顶端抵在所述滑动密封套下侧内壁的环形台阶的下端面上；所述下接头外壁下侧向内凹陷形成有环形台阶且凹陷处的外径与所述的限位环的内径相适应；所述下接头外侧套装并固定有一背帽，所述背帽顶端抵在所述滑动密封套和所述限位环的底面上。

一种采用上述射孔/压裂/封隔一体化装置构成的多级压裂工艺管柱，包括依次设置的多个射孔/压裂/封隔一体化装置、喷砂滑套、常开式水力喷射器、单流阀、筛管和导向头；各个所述射孔/压裂/封隔一体化装置、喷砂滑套、水力喷射器和单流阀之间通过油管相互连接。

进一步地，距离井口最近的所述射孔/压裂/封隔一体化装置顶端通过多根依次连接的油管延伸至井口处，在油管之间还连接有一安全接头。

进一步地，每个所述射孔/压裂/封隔一体化装置中的所述上爪簧球座和所述下爪簧球座在相同状态下的内径一致；多个所述射孔/压裂/封隔一体化装置中的上爪簧球座和所述下爪簧球座的内径自邻近井口处至靠近井底处依次减小，且每个所述射孔/压裂/封隔一体化装置均配有两个直径一致的压裂球，且压裂球的直径与上爪簧球座、下爪簧球座和内滑套的内径相适应。

与现有技术相比，该射孔/压裂/封隔一体化装置通过先后两次投入相同尺寸的球完成所对应水力喷射器、封隔器和喷砂滑套的逐级开启，不影响分段级数；每个水力喷射器只进行对应层段的射孔作业，射孔效率高；通过喷砂滑套进行压裂施工，不影响施工排量；封隔器依次座封，承压时间短，密封效果更加可靠，且可实时监测套管压力(地层压力)变化，能有效地预防砂堵；施工上层时，下层封隔器自动解封，管柱易起出；采用多个该射孔/压裂/封隔一体化装置组装成的多级压裂工艺管柱能够一趟管柱实现射孔、压裂、机械封隔一体化，操作简单、安全、可靠，避免了射孔时的油气层污染，缩短了施工周期，降低了作业成本。

附图说明

图1为本发明的射孔/压裂/封隔一体化装置的结构示意图；

图2为图1局部放大示意图；

图3为本发明的多级压裂工艺管柱的结构示意图；

图4为向本发明的射孔/压裂/封隔一体化装置投第一个压裂球的结构示意图；

图5为本发明的射孔/压裂/封隔一体化装置内上爪簧球座下行收缩、下爪簧球座下行释放后第一个压裂球下行至内滑套处的结构示意图；

图6为本发明的射孔/压裂/封隔一体化装置内的第一个压裂球带动内滑套下行至中心管处的结构示意图；

图7为向本发明的射孔/压裂/封隔一体化装置投第二个压裂球的结构示意图；

图8为本发明的射孔/压裂/封隔一体化装置内上爪簧球座下行至压裂通道打开状态下的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，该射孔/压裂/封隔一体化装置包括自上而下依次螺纹连接的上接头301、外筒310、中心管315和下接头317；其中，上接头301螺纹连接在外筒310的顶端内侧，下接头317螺纹连接在中心管315的底端外侧，上接头301和下接头317分别用于与装置上方和下方的油管连接；

在外筒310内侧自上而下设置有依次连接的上爪簧球座302、内筒303和下爪簧球座306，三者一体成型；依次连接的上爪簧球座302、内筒303和下爪簧球座306通过沿圆周方向均匀设置在内筒303和外筒310上的4～6个第二剪切销钉305固定在外筒310上；

在位于第二剪切销钉305上方的内筒303外壁上加工有一环形凹槽，沿外筒310圆周方向设置的4～6个第一剪切销钉304穿出外筒310侧壁并位于环形凹槽的底部，使第二剪切销钉305被剪断后，依次连接的上爪簧球座302、内筒303和下爪簧球座306能够进行第一次下行，且下行距离与环形凹槽轴向高度相等，通过环形凹槽顶端壁面对第一剪切销钉304的限位而停止下行；

在位于第一剪切销钉304上方的外筒310外壁上沿圆周方向开设有六个使装置内外形成连通的压裂通道318；由于压裂通道318设置在有内筒303封堵的位置上，因此在初始状态下，内筒303将进液孔318全部封闭，阻止井内液体内外流通；压裂通道318距离内筒303顶端的距离大于内筒303外壁上的环形凹槽的轴向长度，使内筒303第一次下行后依然封堵进液孔318；为保证该结构处的密封性良好，在内筒303的靠近顶端和底端的外壁处各加工有一个内置有密封圈的环形凹槽；所述第一剪切销钉304的剪切力大于所述第二剪切销钉305的剪切力；

上爪簧球座302和下爪簧球座306均包括中心开设有通孔的本体，其一端外壁上设有环形凸缘，且自同一端端面沿轴向开设有多道沿本体圆周方向均布的割缝，使上爪簧球座302上部形成有能够受到外界作用而收缩和释放的多瓣爪结构；上爪簧球座302的环形凸缘位于顶部，下爪簧球座306的环形凸缘位于底部；在外筒310内壁上开设有一与上爪簧球座302的环形凸缘相适应的第一环形凹槽，上爪簧球座302的环形凸缘设置在第一环形凹槽内，使上爪簧球座302处于释放状态，下爪簧球座306为收缩状态；上爪簧球座302和下爪簧球座306在相同状态时的内径一致；

在外筒310内壁上还开设有与第一环形凹槽深度一致的第二环形凹槽，且第二环形凹槽顶部邻近下爪簧球座306底部设置，当第二剪切销钉305剪断后，依次连接的上爪簧球座302、内筒303和下爪簧球座306进行第一次下行，使上爪簧球座302变换为收缩状态，下爪簧球座306变换为释放状态；

第二环形凹槽的轴向长度与内筒303和下爪簧球座306的轴向总长度一致，使当第一剪切销钉304剪断后，依次连接的上爪簧球座302、内筒303和下爪簧球座306进行第二次下行至下爪簧球座306底端压配在第二环形凹槽底端壁面停止，此时压裂通道318打开，与此同时，上爪簧球座302保持收缩状态，下爪簧球座306保持为释放状态；

在外筒310内壁上且位于第二环形凹槽下方设置有内滑套309，内滑套309通过沿圆周方向设置的4～6个第三剪切销钉307固定在外筒310上；内滑套309的内径与上爪簧球座302和下爪簧球座306在收缩状态下的内径一致，且内滑套309的内径小于上爪簧球座302和下爪簧球座306在释放状态下的内径，使能够通过上爪簧球座302和下爪簧球座306的投球不能通过内滑套309；所述内滑套309顶端端面加工为向内侧凹陷的锥面，形成球座；

在设置有内滑套309处的外筒310的侧壁上开设有6～8个沿圆周方向分布的喷嘴308，用于进行水力喷砂射孔作业；同样，在设置有内滑套309处的外筒310内壁上且位于喷射孔308下方开设有两条沿圆周方向均布的径向盲孔，自外筒310底端沿轴向开设有两条沿圆周方向均布的轴向盲孔，径向盲孔的数量与轴向盲孔的数量一致，且每条径向盲孔与每条轴向盲孔分别一一对应并形成连通构成封隔器进液通道311；在初始状态下，内滑套309封堵在喷嘴308和封隔器进液通道311处，使喷嘴308和封隔器进液通道311为封闭状态；为保证该结构处的密封性良好，在内滑套309的靠近顶端和底端的外壁处各加工有一个内置有密封圈的环形凹槽；

中心管315螺纹连接在外筒310底端内壁上，使中心管315形成对内滑套309下行的限位结构；内滑套309与中心管315间隔设置，使内滑套309下行至中心管315顶端时，打开喷嘴308，进行水力喷砂射孔作业；其中，喷嘴308形状为为圆锥收敛型，即喷嘴308内径自内向外逐渐减小；

中心管315外侧套装有胶筒313，其顶端抵在外筒310的底面上、底端压配在下接头317的顶面上；在胶筒313的顶端和低端分别套装有第一胶筒保护套312和第二胶筒保护套314；具体地，

胶筒313顶端外壁自下而上依次向内凹陷形成有第一环形台阶和第二环形台阶，外筒310底端外壁向内凹陷形成有第三环形台阶，第一胶筒保护套312通过螺纹连接在外筒310外侧，第一胶筒保护套312内壁中部凸起形成有与第二环形台阶相互配合的环形凸台，使外筒310底端通过环形凸台压配在胶筒313的顶面上，对胶筒313顶端的台肩进行保护，高压液体通过进液通道311内进入胶筒313与中心管315之间间隙使封隔器胶筒313扩张完成坐封；

如图2所示，胶筒313底端外壁自上而下依次向内凹陷形成有第四环形台阶和第五环形台阶，第二胶筒保护套314上侧内壁和下侧外壁均向内凹陷并分别形成有第六环形台阶和第七环形台阶；第二胶筒保护套314套装在胶筒313外侧下部且通过第六环形台阶与胶筒313的第四环形台阶和第五环形台阶相互配合，对胶筒313的台肩进行保护；所述第二胶筒保护套314外侧套装有一滑动密封套316且所述滑动密封套316上侧与所述第二胶筒保护套314螺纹连接固定，使所述滑动密封套316顶端抵在第七环形台阶的下端面上；所述滑动密封套316下侧内壁向内凹陷形成有第八环形台阶，所述滑动密封套316内侧套装并螺纹连接固定有一限位环319，使所述限位环319顶端抵在所述第八环形台阶的下端面上；所述下接头317外壁下侧向内凹陷形成有第九环形台阶且凹陷处的外径与所述的限位环319的内径相适应；初始状态下，限位环319顶端与下接头317外壁的环形台阶的下端面之间留有一段环空空间；当限位环319随胶筒膨胀而上行时，下接头317外壁的环形台阶的下端面对限位环319的上行距离进行限位，防止第二胶筒保护套314过度上行；所述下接头317外侧套装并螺纹连接固定有一背帽320，所述背帽320顶端抵在所述滑动密封套316和所述限位环319的底面上。

此外，在中心管315和外筒310的螺纹连接处、在中心管315和下接头317的螺纹连接处、第一胶筒保护套312与外筒310的螺纹连接处、第二胶筒保护套314和滑动密封套316的螺纹连接处以及滑动密封套316与下接头317密封面接触处均设置有一密封圈。

如图3所示，针对目标井内设计好的共四个压裂层，该多级压裂工艺管柱包括依次设置的第三射孔/压裂/封隔一体化装置3、第二射孔/压裂/封隔一体化装置3、第一射孔/压裂/封隔一体化装置3、喷砂滑套4、常开式水力喷射器5、单流阀6、筛管7和导向头8；各个所述射孔/压裂/封隔一体化装置3、喷砂滑套4、水力喷射器5和单流阀6之间通过油管1相互连接，以保证其具有一定的间距，在井下能够分别对应不同的压裂层。

其中，在距离井口最近的所述射孔/压裂/封隔一体化装置3顶端通过多根依次连接的油管1延伸至井口处，在油管1之间还连接有一安全接头2。

另外，该多级压裂工艺管柱中所用的喷砂滑套4、常开式水力喷射器5、单流阀6、筛管7和导向头8均为目前市售的常用设备。

多个所述射孔/压裂/封隔一体化装置3中的上爪簧球座302和所述下爪簧球座306的内径自邻近井口处至靠近井底处依次减小，便于控制分层压裂施工；每个射孔/压裂/封隔一体化装置均配有两个直径一致的压裂球，且压裂球的直径略小于上爪簧球座和下爪簧球座释放时的内径，且大于内滑套的内径，使压裂球在上爪簧球座和下爪簧球座释放时能够顺利通过，而收缩状态下不能通过。喷砂滑套4配有与之相应的压裂球。

使用该多级压裂工艺管柱进行压裂作业时，首先对多级压裂工艺管柱进行组装，其中，对设计好的压裂施工层自下而上依次为第一压裂层、第二压裂层、第三压裂层和第四压裂层。具体地，该多级压裂工艺管柱中的喷砂滑套4、水力喷射器5对应用于对第一压裂层进行压裂施工；第一射孔/压裂/封隔一体化装置3对应用于对第二压裂层进行压裂施工；第二射孔/压裂/封隔一体化装置3对应用于对第三压裂层进行压裂施工；第三射孔/压裂/封隔一体化装置3对应用于对第四压裂层进行压裂施工。具体步骤如下：

S1、将连接好的多级压裂工艺管柱下放至设计位置后，从筛管7进行反循环洗井；洗井完毕，投入低密度球，管柱内憋压封堵油管通道；

S2、按泵注常规程序从常开式水力喷射器5处进行水力喷砂射孔，然后投入第一级压裂球打开喷砂滑套6，进行第一层压裂作业；

S3、第一层施工结束后，如图4所示，向第一射孔/压裂/封隔一体化装置3内投入第二层第一个压裂球，球落于下爪簧球座306处，憋压，剪断第二剪切销钉305，如图5所示，上爪簧球座302下行收缩后形成球座、下爪簧球座306下行后释放、第二层第一个压裂球继续下行，待压裂球落于内滑套309处，憋压，剪断第三剪切销钉307，如图6所示，内滑套309下行至中心管315顶端，露出喷嘴318和进液通道311，进行第二层水力喷砂射孔作业，同时高压液体通过进液通道311内进入胶筒313与中心管315之间间隙使封隔器胶筒313扩张完成坐封，第二层水力喷砂射孔作业完成后，如图7所示，投入第二层第二个压裂球落在上爪簧球座302上，憋压，剪断第一剪切销钉304，如图8所示，上爪簧球座302、内筒303和下爪簧球座306继续下行，打开压裂通道318，进行第二层段的压裂施工作业；

第二层压裂施工结束后，对第二射孔/压裂/封隔一体化装置3重复上述步骤S3中的操作，依次完成第三层段的水力喷砂射孔、封隔器坐封和压裂施工作业；

第三层压裂施工结束后，对第三射孔/压裂/封隔一体化装置3重复上述步骤S3中的操作，依次完成第四层段的水力喷砂射孔、封隔器坐封和压裂施工作业；实现不动管柱射孔、压裂、封隔器封隔一体化多级压裂施工。