计数式无限级多簇全通径分段压裂滑套的制作方法

本发明涉及石油开采工具领域的一种压裂工具，尤其是水平井分段压裂用的计数式无限级多簇全通径分段压裂滑套。

背景技术：

近年来，国内原油新增储量的70%属于低渗透油藏，开采方式、油井生产动态表现出特殊性。实现储量的有效动用，大幅提高单井产量是开发低渗透油田急需解决的问题。多簇分段压裂工具及工艺技术可应用于低渗油气藏、薄油藏、页岩气以及煤层气等非常规油气藏的增产改造，具有广阔的应用前景。该技术不但压裂规模大、施工排量大，大大降低了开发成本，提高了作业效率，成为世界各大油田服务公司的重点研发对象。

目前，现有多簇分段压裂滑套打开方式主要有投球打开式、飞镖打开式、液压打开式以及机械开关式。对于投球式滑套，由于压裂球和球座存在尺寸限制，压裂级数有限。施工过程中，球必须按照从小到大的顺序依次投放，完井管柱结构及滑套操作不够灵活，加大了多级滑套分段压裂施工的难度和风险。压裂球与球座机械接触形成密封，后期为实现全通径还需磨铣钻除所有球座。飞镖打开式滑套同样压裂级数有限，而且如果支撑剂发生沉积堵塞控制管线造成一级失效，则后续滑套全部失效,后期为实现全通径还需磨铣钻除所有C环。液压打开式滑套存在连续管管串连接工具较多，施工复杂，滑套不能关闭，且滑套要对封隔器的坐封位置精确定位等问题。机械开关式滑套在施工过程中需多次起下管柱，延长了施工周期，增加了施工难度。

技术实现要素：

为了克服现有多簇分段压裂滑套在不下入油管或连续油管进行作业的情况下，不能同时实现多簇、无限级及全通径压裂的问题，本发明提供一种计数式无限级多簇全通径分段压裂滑套。该滑套具有施工压裂级数不受限制、管柱内全通径、无需钻除作业、利于后期液体返排及后续工具下入等优点，能很好地弥补现有技术的不足，为低渗透及非常规油气资源的开采提供了又一利器。

本发明所采用的技术方案是：

一种计数式无限级多簇全通径分段压裂滑套，其特征是包括压裂段和球座段；所述压裂段是由外滑套总成和内滑套总成、开关6套装组成，其中，外滑套总成是在外滑套3上连接上接头1组成的外筒体，在外滑套总成内壁轴向间隔开设3个或3个以上环形凹槽14，在环形凹槽14以下的外滑套3壁周向开设数个压裂孔；内滑套总成由上卡爪2、卡爪连接器4和下卡爪5依次连接组成，且上卡爪2和下卡爪5为高弹性材料制成的相同结构，上卡爪2的下端和下卡爪5的上端有爪头a，爪头a与环形凹槽14构成配合，卡爪连接器4的两端分别与上卡爪2的上端和下卡爪5的下端固定连接在一起；开关6与卡爪连接器4的下端连接，开关6上均布有若干个通孔，与外滑套3上的压裂孔大小、数量相同；所述球座段是在带有延伸筒体的下接头12内设置球座组件，球座组件包括可复位球座9、弹簧7、支撑筒8、支撑座11和活塞10；其中，可复位球座9由高弹性材料制成，其上端外设凸沿，凸沿与外滑套3接触限位配合，下端开槽并被均分8-16等份的凸头；弹簧7套在可复位球座9的外部，其上端与可复位球座9的凸沿接触，下端通过支撑筒8接触；支撑筒8下部与支撑座11对接，支撑座11与下接头12内筒壁连接，支撑座11沿轴向开设矩形槽13，矩形槽13与可复位球座9的凸头构成滑动限位配合；活塞10套在支撑座11内，其上端与可复位球座9的凸头接触，下端与下接头12的内凸沿间隔限位配合；所述压裂段和球座段通过外滑套3与下接头12连接，并保持开关6与可复位球座9顶部构成间隔作用配合。

上述方案进一步包括：

由n个计数式无限级多簇全通径分段压裂滑套按照所在层段串接组成，且满足从井底往上数第n个计数式无限级多簇全通径分段压裂滑套的凹槽14数为n+2，n为正整数。

每个计数式无限级多簇全通径分段压裂滑套由多个压裂段依次通过多簇接头15串联后与球座段连接构成。

本发明的计数式无限级多簇全通径分段压裂滑套采用投压裂球打开滑套的方式，所投球个数与压裂段数相同，所有球的尺寸一致。上卡爪和下卡爪的爪头均可沿径向聚拢以封堵压裂球，也可在自身弹性力的作用下恢复初始状态以释放压裂球。上接头及外滑套内壁上有凹槽，内滑套与凹槽配合可实现计数功能，即每投一个球，内滑套都会向下移动一个凹槽。当投第1个球时，只有第一级的内滑套向下移动推动开关打开滑套，同时可复位球座的下端沿径向闭合并成为一个完整球座，压裂球坐封，此时可压裂第一段，其他级的内滑套均向下移动一个凹槽；当投第2个球时，只可压裂第二段，同样其他级的内滑套会再向下移动一个凹槽。投到最后一个球时，最后一段压裂。当所有层段压裂完成后，井口泄压，在弹簧作用下，可复位球座复位，压裂球返排或落到井底，整个管柱可实现全通径。同一级中，多个上接头、内滑套、开关及外滑套通过多簇接头串联可实现多簇压裂。

本发明的有益效果是：①模块化程度高，每个层段可根据需要配置不同簇数，配置灵活；②所有层段压裂完成后，无需钻除作业，整个管柱即为全通径，利于后期生产管理；③无液控管线、内封隔器及专门的开滑套工具，只需投入多个同一尺寸的压裂球即可打开所有滑套，工艺简单，效率高；④压裂球和可复位球座不存在级差，只要增加凹槽个数就可实现无限级；⑤依靠精巧的机械结构设计即可同时满足多簇、无限级及全通径压裂要求，工具整体可靠性较高。

附图说明

图1是本发明所述的压裂滑套结构示意图；

图2是图1中上卡爪和卡爪连接器的A-A剖视图；

图3是图1中下卡爪和卡爪连接器的B-B剖视图；

图4是图1中开关和外滑套的C-C断面图；

图5是图1中可复位球座的D-D剖视图；

图6是图1的E-E断面图；

图7是第一级本压裂滑套下卡爪爪头的装配位置示意图；

图8是第一级本压裂滑套的全通径结构示意图；

图9是本压裂滑套用于多簇压裂时的结构示意图；

为了清楚反应图中结构，图7-9进行了横向拓宽处理，特此说明。

图1-9中,1.上接头，2.上卡爪，3.外滑套，4.卡爪连接器，5.下卡爪，6.开关，7.弹簧，8.支撑筒，9.可复位球座，10.活塞，11.支撑座，12.下接头，13.矩形槽，14.凹槽，15.多簇接头，a.爪头。

图1中,F为压裂段，包括1.上接头，2.上卡爪，3.外滑套，4.卡爪连接器，5.下卡爪，6.开关。

具体实施方式

图1为计数式无限级多簇全通径分段压裂滑套结构示意图，由上接头（1），上卡爪（2），外滑套（3），卡爪连接器（4），下卡爪（5），开关（6），弹簧（7），可复位球座（9），活塞（10），支撑座（11），下接头（12）组成。上接头（1）通过螺纹与外滑套（3）联接。上接头（1）和外滑套（3）内壁有凹槽（14），凹槽（14）个数与压裂滑套所在层段有关，即从井底往上数第n个压裂滑套的凹槽（14）数为n+2（n为正整数）。内滑套由上卡爪（2）、卡爪连接器（4）和下卡爪（5）组成，上卡爪（2）和下卡爪（5）结构相同，由高弹性材料制成，上卡爪（2）的下端和下卡爪（5）的上端有爪头（a），爪头（a）可沿径向聚拢，也可在自身弹性力的作用下恢复初始状态。卡爪连接器（4）的两端分别与上卡爪（2）和下卡爪（5）固定连接在一起。初始状态下，上卡爪（2）的爪头（a）不在凹槽（14）中，而位于两个凹槽（14）之间；下卡爪（5）的爪头（a）所在凹槽（14）与压裂层段严格对应：从井底往上数，第n个压裂滑套下卡爪（5）的爪头（a）在第n+1个凹槽（14）中，图1所示的是下卡爪（5）的爪头（a）在第3个凹槽（14）中。开关（6）上均布有若干个通孔，与外滑套（3）上的压裂孔（图4）大小相同、个数相同。可复位球座（9）由高弹性材料制成，其上端与外滑套（3）接触，下端与支撑座（11）接触。其下端可沿径向闭合为一个完整的球座，也可在自身弹性力的作用下恢复初始状态。可复位球座（9）与外滑套（3）构成的环形空间中有弹簧（7）。支撑座（11）的一端与支撑筒（8）接触，另一端与外滑套（3）接触。活塞（10）位于支撑座（11）之内。外滑套（3）通过螺纹与下接头（12）联接。

图2中有8个上卡爪（2），由于上卡爪（2）的爪头（a）未在卡槽中，爪头（a）处于聚拢状态，从井口投放的压裂球到达此处时会被卡住。

图3中有8个下卡爪（5），由于下卡爪（5）的爪头（a）在卡槽中，爪头（a）处于释放状态，从井口投放的压裂球到达此处时会顺利通过。

图5中可复位球座（9）的下端被均分为12份（不限于12份，也可以是其他份数），初始状态下，可复位球座（9）的下端存在周向间隙，内径大于压裂球直径，从井口投放的压裂球到达此处时会顺利通过；若可复位球座（9）向下移动，其下端会沿径向闭合并成为一个完整球座，从井口投放的压裂球到达此处时会被卡住。

如图1所示，本压裂滑套的计数原理为：从井口投放压裂球，井口打压，压裂球到达上卡爪（2）的爪头（a）时被卡住，压裂球的上下侧存在压差，压裂球推动内滑套下移。压力达到一定程度后，下卡爪（5）的爪头（a）从第3个凹槽（14）中移出，迫使爪头（a）沿径向聚拢，聚拢后的内径小于压裂球的直径；而后上卡爪（2）的爪头（a）在自身弹性力的作用下进入第4个凹槽（14），同时压裂球被释放，下落到下卡爪（5）聚拢后的爪头（a）上。然后压裂球推动内滑套下移，压力达到一定程度后，上卡爪（2）的爪头（a）从第4个凹槽（14）中移出，迫使爪头（a）沿径向聚拢，聚拢后的内径小于压裂球的直径；下卡爪（5）的爪头（a）在自身弹性力的作用下进入第2个凹槽（14），与此同时压裂球被释放。因此，每投一个压裂球，内滑套都会向下移动一个凹槽（14）。

下面进一步说明本发明的工作原理：假设需要压裂M段，则需要M个本压裂滑套串联即共有M级。串联后第1级在下面，第2级在第1级之上，……，第M级在最上面。根据具体实施方式中第一段所述，第1级压裂滑套内壁共有3个凹槽（14），开始时下卡爪（5）的爪头（a）在第2个凹槽（14）中（见图7）；第2级压裂滑套内壁共有4个凹槽（14），开始时下卡爪（5）的爪头（a）在第3个凹槽（14）中（见图1）；第M级压裂滑套内壁共有M+2个凹槽（14），开始时下卡爪（5）的爪头（a）在第M+1个凹槽（14）中。施工时，投放1个压裂球，井口打压，球依次经过M级至第2级，按照上述计数原理M级至第2级的内滑套均向下移动一个凹槽（14）。压裂球最终落到第1级上卡爪（2）的爪头（a）上被卡住，当达到一定压力时，下卡爪（5）的爪头（a）移出第2个凹槽（14）并沿径向聚拢，上卡爪（2）的爪头（a）进入第3个凹槽（14）中，压裂球释放并落到下卡爪（5）聚拢后的爪头（a）上。压裂球推动内滑套下移，上卡爪（2）的爪头（a）移出第3个凹槽（14）。同时内滑套也推动开关（6）向下移动。当开关（6）接触到可复位球座（9）上端时，推动其一起继续下移，迫使可复位球座（9）下端沿径向闭合并成为一个完整球座，此时球座内径小于压裂球的直径，弹簧（7）也被压缩。上卡爪（2）的爪头（a）在自身弹性力的作用下进入第2个凹槽（14）中，下卡爪（5）的爪头（a）在自身弹性力的作用下进入第1个凹槽（14）中，压裂球被释放，下落到可复位球座（9）下端时被卡住并形成密封，此时开关（6）上的通孔与外滑套（3）上的压裂孔对齐，管内外相通。继续打压，可复位球座（9）下端接触活塞（10）并推动活塞（10）一起下移，弹簧（7）进一步被压缩。当活塞（10）下端接触下接头（12）时，可复位球座（9）不再下移，继续打压压裂球座封并对地层进行压裂。压裂完成后，投第2个压裂球，球依次经过M级至第3级，同理M级至第3级的内滑套均向下移动一个凹槽（14）。压裂球最终落到第2级上卡爪（2）的爪头（a）上被卡住，然后重复第1级压裂滑套的动作过程，开关（6）打开，压裂球坐封到可复位球座（9）上，对地层进行压裂。压裂完成后，投第3个压裂球，压裂第3段。以此类推，压裂完M段，共投入M个球。当M段全部压裂完后，井口逐渐泄压，在弹簧（7）恢复力的作用下，M个可复位球座（9）上移，当其下端移动到支撑座（11）的矩形槽（13）内时，在自身弹性力的作用下M个可复位球座（9）恢复到初始状态，实现了管柱全通径（第一级本压裂滑套的全通径结构示意图如图8所示），M个压裂球被地层液体返排到井口或者下落到井底。

由于压裂球和可复位球座（9）不存在级差，只要增加凹槽（14）个数就可实现无限级。若要实现多簇压裂，只需在每一级中根据需要通过多簇接头（15）串联几簇F即可，同一级中所串联F满足：凹槽（14）个数相同，下卡爪（5）的爪头（a）所在凹槽（14）位置相同。串联两簇F的压裂滑套结构示意图如图9所示。