专利名称：一种复合滑套、压裂装置及增加油气井压裂层段的方法
技术领域：
本发明涉及在油气井中地层进行水力压裂中增加压裂层段的方法及装置，尤其是一种复合滑套、压裂装置及增加油气井压裂层段的方法，利用在滑套中安装衬套组成的复合滑套实现使用同一尺寸的球压裂两个层段。
背景技术：
随着勘探的深入，我国低渗透油气藏在新探明储量中所占的比例越来越高，如何动用和提高低渗透储量的开采效益已迫在眉睫。压裂改造已成为提高油气井的产量和经济效益的主要手段。如何尽可能多的形成独立裂缝是油气井压裂改造的关键，鉴于此，油气井往往需要分段压裂改造。目前，现场常用的油气井分段压裂方法主要有限流法压裂、暂堵剂分段压裂、机械封隔器分段压裂、填砂分段压裂、水力喷射分段压裂等。其中机械封隔器分段压裂和水力喷射分段压裂虽然在很大程度上增加了油气井分段的段数，但是由于受到井眼尺寸和工具尺寸的限制，其分段能力已经很难满足油气井增产改造段数不断增长的要求。本案申请人在中国专利第200910082408. 7号中阐述了一种带有滑套的磨料射流喷射分层压裂装置，该装置具有多级滑套，除第一级喷枪外，其余每级喷枪内均安装一级滑套，下井时滑套处于关闭状态，需要压裂对应的层位时，投球打开滑套、露出喷嘴，压裂液自该喷嘴喷出，同时，投入的球打开滑套后封堵滑套内流道，压裂液不再流经滑套下部的喷枪，确保压裂液和支撑剂不进入已压开层段，避免了压裂不同层段时移动井下管柱。但在该常规的投球打滑套压裂中，一种尺寸的球往往代表一个压裂层段。采用该公知技术时，为了增加压裂段数，则必须提高加工精度以增加球尺寸的级差，从而导致生产成本不断提高。此外，在实际生产过程中，这种单纯靠增加球尺寸的办法来增加压裂层段已无法满足当前油气井增产改造的要求。有鉴于上述公知技术存在的缺陷，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出本发明的复合滑套、压裂装置及增加油气井压裂层段的方法，通过将本发明的复合滑套装置与公知的压裂滑套装置联合使用，可以通过使用同一尺寸的球依次打开两个滑套，压裂两个层段，在很大程度上增加了压裂的段数。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合滑套、压裂装置及增加油气井压裂层段的方法，以解决因井眼和工具尺寸导致油气井压裂段数受限的问题，将本发明的复合滑套与公知的常规滑套结合使用，以提高油气井分段压裂的压裂段数。为此，本发明提出一种复合滑套，其包括主体滑套、衬套,所述主体滑套为中空柱状体，其内具有衬套容置腔，所述容置腔的下部设有一缩径的凸台；所述衬套为中空柱状体，其两端分别具有上球座和下球座；所述上球座能卡合于所述容置腔，在受到外力作用时，能向下移动，且在所述容置腔内壁的作用下能使所述上球座的内径减小；所述下球座的外径小于所述凸台的内径，在外力作用下，所述衬套能卡止于所述凸台，并使所述下球座的内径增大。本发明还提供一种压裂装置，所述压裂装置具有串联连接的底部喷射工具和多组上部喷射工具，每组所述上部喷射工具由相互串联连接的第一喷射工具和第二喷射工具构成，所述第二喷射工具设置在所述第一喷射工具的上部；所述第一喷射工具、第二喷射工具均具有中空柱状的本体，每个所述本体的侧壁上均设有至少两个喷嘴；所述第一喷射工具的本体内设有能够封闭该级喷嘴的第一滑套，所述第二喷射工具的本体内设有能够封闭该级喷嘴的如权利要求I至8任一项所述的复合滑套，所述第一滑套、复合滑套均能在外力作用下滑移至被封闭的所述喷嘴的下部，打开该级喷嘴；且能驱动每一组所述上部喷射工具内的第一滑套和复合滑套移动的阀球直径相等。本发明进一步还提供一种增加油气井压裂层段的方法，包括I)通过油管将如权利要求9至10任一项所述的压裂装置沿套管送入到井内规定作业层位；2)底部喷射工具完成压裂作业后，从油管投入第一阀球，所述第一阀球进入位于上部的一组上部喷射工具的第二喷射工具的本体内，所述第一阀球贯穿复合滑套的主体滑套和衬套进入第一喷射工具的本体内，并坐封于第一滑套，向油管内泵注液体以第一压力加压，剪断连接所述第一滑套与第一喷射工具的第一剪切销钉，使第一滑套下滑，打开第一喷射工具上设置的喷嘴，对第一层位进行喷射和压裂作业；3)完成该第一层位的压裂后，自所述油管向下投入第二阀球，所述第二阀球坐封于所述衬套的上球座，向油管内泵注液体以第二压力加压，剪断连接所述复合滑套与所述第二喷射工具的第二剪切销钉，使所述第二喷射工具内的主体滑套和衬套一起向下移动， 打开所述第二喷射工具上设置的喷嘴，对位于所述第一层位上部的第二层位进行喷射和压裂作业；其中，所述第二阀球的直径与第一阀球的直径相等；4)完成所述第二层位的压裂作业后，再次自所述油管向下投入另一阀球，推动另一组上部喷射工具内的第一滑套向下移动，打开被所述第一滑套封闭的喷嘴，在上部层位重复所述步骤2)至3)。本发明提出的复合滑套、压裂装置及增加油气井压裂层段的方法克服了公知结构单纯依靠增加球的级差的方法来增加压裂段数的局限，从优化滑套内部结构入手，在原有球级差的基础上将压裂段数提高了一倍。本发明的方法主要是首先，通过作业管柱将装有复合滑套的第二喷射工具和装有普通滑套的第一喷射工具交替下到预定层位，相邻的装有第一喷射工具和第二喷射工具为一组，使用同一尺寸的阀球，其中第一阀球先通过的是装有复合滑套的第二喷射工具。各喷射工具间距根据设计的待压裂层段的井深由油管短节调节；地面各项工作准备妥当后， 通过投球器向油管内投入阀球。第一阀球先通过相应的装有复合滑套的第二喷射工具，然后坐封到下部的第一喷射工具内的第一滑套上。同时，复合滑套在第一阀球的驱动下会形成新的上球座，内径小于原先通过的第一阀球的直径。然后提高油管压力，坐封于第一滑套的第一阀球上下产生压差，第一阀球在压差作用下，会带动第一滑套，剪断第一剪切销钉， 使得第一滑套向下移动，该级喷嘴和油管之间的通道连通，进行压裂施工。该层段压裂完成后，再投一个同样尺寸大小的第二阀球，这时，第二次投的第二阀球可以顺利坐封复合滑套上，提高油管压力剪断第二剪切销钉，使复合滑套向下移动，喷嘴和油管之间的通道连通， 进行压裂施工。 本发明将具有复合滑套的第二喷射工具与具有普通滑套(第一滑套)的第一喷射工具构成一组上部喷射工具，作业管柱采用普通油管，将多组上部喷射工具串送到合适层位，每组上部喷射工具可以使用同一尺寸的阀球打开其中的滑套，即用同一尺寸的阀球可以压裂两个层段，增强了油气井压裂技术的分段能力，有利于提高油气井产量。
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中， 图I是本发明的复合滑套结构示意图2是本发明的复合滑套的主体滑套结构示意图3是本发明的复合滑套的衬套结构示意图4是本发明的具有所述复合滑套的压裂装置局部结构示意图5是本发明的压裂装置位于油气井内规定作业层位的局部示意图6是本发明的压裂装置中一组上部喷射工具的第二喷射工具的结构示意图7是本发明的一组上部喷射工具中，第一阀球驱动复合滑套内的衬套移动的结
构示意图；图8是本发明的一组上部喷射工具中，由于衬套移动引起的衬套的上、下球座内径的尺寸发生变化，并将第一阀球释放出的示意图；图9是本发明的一组上部喷射工具中，第一阀球通过复合滑套坐封在第一喷射工具的第一滑套上的示意图；图10是本发明的一组上部喷射装置中，第二阀球坐封于衬套的上球座，驱动复合滑套打开第二喷射工具的喷嘴的示意图。附图标号说明100、上部喷射工具12、22、喷嘴销钉20、复合滑套2014、凸台2024、衬套主体2026、倒锥形外壁面3、底部喷射工具7、第二阀球
I、第一喷射工具 10、第一滑套
201、主体滑套
202、衬套
2025、倒锥形连接部 2023、倒锥形坐封部
4、套管
2、第二喷射工具 13、第一剪切销钉
2011、容置腔 2021、下球座
5、油管
11、21、本体
23、第二剪切
2013、切槽 2022、上球座
6、第一阀球
具体实施例方式
本发明提出一种复合滑套，包括主体滑套、衬套,所述主体滑套为中空柱状体,其内具有衬套容置腔，所述容置腔的下部设有一缩径的凸台；所述衬套为中空柱状体，其两端分别具有上球座和下球座；所述上球座能卡合于所述容置腔，在受到外力作用时，能向下移动，且在所述容置腔内壁的作用下能使所述上球座的内径减小；所述下球座的外径小于所述凸台的内径，在外力作用下，所述衬套能卡止于所述凸台，并使所述下球座的内径增大。进一步地，所述主体滑套与衬套具有第一位置，在所述第一位置，所述衬套卡合于所述容置腔，所述上球座的内径大于所述下球座的内径；所述主体滑套与衬套具有第二位置，在所述第二位置，在外力作用下使所述衬套向下移动，所述上球座在所述容置腔内壁的作用下内径减小；所述主体滑套与衬套具有第三位置，在所述第三位置，所述衬套卡止于所述凸台，并使所述下球座的内径增大，且大于所述第二位置的所述上球座的内径。本发明还提供一种压裂装置，其具有串联连接的底部喷射工具和多组上部喷射工具，每组所述上部喷射工具由相互串联连接的第一喷射工具和第二喷射工具构成，所述第二喷射工具设置在所述第一喷射工具的上部；所述第一喷射工具、第二喷射工具均具有中空柱状的本体，每个所述本体的侧壁上均设有至少两个喷嘴；所述第一喷射工具的本体内设有能够封闭该级喷嘴的第一滑套，所述第二喷射工具的本体内设有能够封闭该级喷嘴的所述的复合滑套，所述第一滑套、复合滑套均能在外力作用下滑移至被封闭所述喷嘴的下部，打开该级喷嘴；且能驱动每一组所述上部喷射工具内的第一滑套和复合滑套移动的阀球直径相等。所述第一滑套通过第一剪切销钉与所述第一喷射工具的本体相连接，所述复合滑套通过第二剪切销钉与所述第二喷射工具的本体相连接，其中，所述第二剪切销钉的剪切力大于所述衬套相对所述主体滑套轴向移动的摩擦力，以确保在第一阀球的作用下，衬套向下移动的过程中不会将第二剪切销钉剪断。本发明克服了公知的压裂装置一个尺寸的阀球只能打开一个层位的喷嘴，无法满足不断增加压裂层段要求的缺陷，通过采用复合滑套和具有该滑套的压裂装置，在原有阀球尺寸级差的基础上，将压裂层段的数量提高了一倍。本发明进一步还提供一种增加油气井压裂层段的方法，包括I)通过油管将具有复合滑套的上述压裂装置沿套管4送入到井内规定作业层位；2)底部喷射工具完成压裂作业后，从油管投入第一阀球，所述第一阀球进入位于上部的一组上部喷射工具的第二喷射工具的本体内，所述第一阀球贯穿复合滑套的主体滑套和衬套进入第一喷射工具的本体内，并坐封于第一滑套，向油管内泵注第一液体加压，剪断连接所述第一滑套与第一喷射工具的第一剪切销钉，使第一滑套下滑，打开第一喷射工具上设置的喷嘴，对第一层位进行喷射和压裂作业；3)完成该第一层位的压裂后，自所述油管向下投入第二阀球，所述第二阀球坐封于所述衬套的上球座，向油管内泵注第一液体加压，剪断连接所述复合滑套与所述第二喷射工具的第二剪切销钉，使所述第二喷射工具内的主体滑套和衬套一起向下移动，打开所述第二喷射工具上设置的喷嘴，对位于所述第一层位上部的第二层位进行喷射和压裂作业；其中，所述第二阀球的直径与第一阀球的直径相等；4)完成所述第二层位的压裂作业后，再次自所述油管向下投入另一阀球，推动另一组上部喷射工具内的第一滑套向下移动，打开被所述第一滑套封闭的喷嘴，在上部层位重复所述步骤2)至3)。由于在所述第一阀球贯穿所述复合滑套时，驱动所述衬套沿轴向向下移动，使下球座卡止于主体滑套下部设置的凸台，在所述第一阀球的作用下，使具有弹性的所述下球座的内径增大，从而使第一阀球穿过复合滑套进入下部的第一喷射工具，而在所述复合滑套的容置腔内壁的作用下使具有弹性的所述上球座的内径减小，且所述上球座的内径小于所述下球座的内径。其中，在所述压裂装置送入到井内规定作业层位时，所述复合滑套的主体滑套与衬套位于第一位置，在该第一位置，所述衬套卡合于所述复合滑套的容置腔，衬套的上球座的内径大于下球座的内径；在投入所述第一阀球后，在所述第一阀球的驱动下，所述主体滑套与衬套处于第二位置，在该第二位置，所述衬套随所述第一阀球向下移动，所述上球座在所述容置腔内壁的作用下内径减小；当所述衬套卡移动至止于所述容置腔下部的凸台时形成第三位置，在该第三位置，所述下球座的内径增大，并大于所述上球座的内径，且所述第一阀球穿过所述下球座进入所述第一喷射工具的本体内，坐封于所述第一滑套。本发明的方法要保证衬套与所述主体滑套之间的摩擦力或第一阀球落座于所述下球座的坐封部时向油管内泵注的液体压力，应小于剪断第二剪切销钉的剪切力，使阀球能够坐封在下球座上并穿过下球座即可。由于在投入第一阀球、打开第二喷射工具的复合滑套之前，复合滑套内部增加了衬套与主体滑套之间的相对运动，两者之间会产生一定的摩擦作用，因此应确保两者之间的摩擦力不会将第二剪切销钉剪断。而当投第二阀球时，通过提高液体的压力或排量，剪断第二剪切销钉，打开被该复合滑套封闭的喷嘴。本发明的采用复合滑套和第一滑套(常规滑套)相结合的方式可以实现使用同一尺寸球压裂两段，从而提高了油气井分段压裂的段数。为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的复合复合滑套、压裂装置及增加油气井压裂层段的方法的具体实施方式
、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式
的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。图I是本发明的复合滑套结构示意图；图2是本发明的复合滑套的主体滑套结构示意图；图3是本发明的复合滑套的衬套结构示意图。如图I、图2、图3所示，本发明提出的复合滑套20，其包括主体滑套201、衬套 202，所述主体滑套201为中空柱状体，其内具有衬套容置腔2011，所述容置腔2011的下部设有一缩径的凸台2014 ;所述衬套202为中空柱状体，其两端分别具有上球座2022和下球座2021 ;所述上球座2022能卡合于所述容置腔2011，在受到外力作用时，能向下移动，且在所述容置腔2011内壁的作用下能使所述上球座2022的内径减小；所述下球座2021的外径小于所述凸台2014的内径，在外力作用下，所述衬套202能卡止于所述凸台2014，并使所述下球座2021的内径增大。进一步地，所述主体滑套201与衬套202具有第一位置，在所述第一位置，所述衬套202卡合于所述容置腔2011，所述上球座2022的内径大于所述下球座2021的内径；所述主体滑套201与衬套202具有第二位置，在所述第二位置，在外力作用下使所述衬套202 向下移动，所述上球座在所述容置腔2011内壁的作用下内径减小；所述主体滑套201与衬套202具有第三位置，在所述第三位置，所述衬套202卡止于所述凸台2014，并使所述下球座2021的内径增大，且大于所述上球座2022的内径。在一个具体实施例中，所述容置腔2011的内壁上具有一环由上而下缩径的倒锥形，所述上球座2022形成与所述切槽2013相配合的倒锥形外壁面2026。
其中，所述上球座2022具有圆柱状通道，以及位于所述圆柱状通道上部的倒锥形坐封部2023。在另一个可行的技术方案中，所述下球座2021的底部具有圆柱状通道，以及设置在所述圆柱状通道上部的倒锥形连接部2025，该倒锥形连接部2025的内表面构成下球座 2021的坐封部。在一个具体方案中，如图3所示,所述衬套202具有衬套主体2024,所述上球座 2022、下球座2021分别嵌卡于所述衬套主体2024的上、下两端。具体的是，所述上球座2022、下球座2021均由弹性材料制成，衬套主体2024由与公知的压裂滑套的材料相同，例如，可以采用合金钢材料制成。在一个可行的方案中，所述容置腔2011的直径D大于所述主体滑套201的内径 dl，所述衬套202的内径d2与所述主体滑套201的内径dl相等。本发明衬套202是复合滑套20的核心元件，主要由下部可变形的下球座2021、衬套主体2024和上部可变形的上球座2022组成。上球座2022和下球座2021具有较好的弹性，在径向力作用下可以发生相对较大径向变形，从而可以改变球座的内径。下部可变形的下球座2021的结构从外观看是一普通圆柱形结构，安装在衬套202的末端。而上球座2022的外径从上至下线性减少，顶端外径最大，与衬套主体2024结合处外径最小，其外形类似于一削去顶端的倒圆锥体，即上球座2022形成倒锥形外壁面2026，其锥角度大约在 15-30。之间。所述衬套202的衬套主体2024使用的材料对弹性要求较低，可采用与公知压裂滑套相同的钢材加工制造。下球座2021和上球座2022对弹性、强度和耐磨性都有一定要求， 可采用涂有陶瓷或硬度为HB220-260高强度合金防磨层的弹性好、强度大的合金材料如铍铜合金加工制造，防磨层厚度应在Imm以上。请配合参见图3，由于上、下球座与衬套主体2024选用的材料不同，上、下球座与衬套主体可以采用嵌套式连接方式。例如,在衬套主体2024的上部和下部各加工出一环凹槽，在上、下球座与衬套主体相对应的连接部分别加工出一环凸起结构，凸起结构的厚度要大于凹槽的宽度。在安装时，保证上、下球座的凸起结构在压缩的状态下嵌入衬套主体的凹槽内，依靠球座自然膨胀作用，将上、下球座分别锁定在衬套主体上。在施工过程中，上下球座在内压力的作用下，会进一步膨胀，另外上球座在主体滑套中切槽2013的作用下，球座内径会变小，但是连接处内径会增大，这样在施工过程中，可以保证球座与衬套主体之间的连接更加紧凑。复合滑套20所采用的主体滑套201 (如图2所示)也可以由普通滑套改造，改造的具体方式是，在需要安装衬套202的位置形成一容置腔2011，具体是，将主体滑套201的内径削去一个衬套的壁厚，并在主体滑套201的末端加工一台阶，即形成向内缩径的凸台 2014。由于上球座2022的外径从上至下线性减少，顶端外径最大，其外形类似于一削去顶端的倒圆锥体，因此安装上球座2022处相应加工成一锥面，如图2所示，在容置腔2011的内壁上具有与上球座2022的倒锥形外壁面2026相配合的一环由上而下缩径的倒锥形切槽 2013，则衬套202通过该上球座2022能嵌卡固定在主体滑套201内。衬套202与主体滑套 201装配效果如图I所示，在该原始状态，下球座2021的内径要小于上球座2022的内径，这样可以保证通过上球座2022的第一阀球6可以坐封在下球座2021上。
图4是本发明的具有所述复合滑套的压裂装置局部结构示意图；图5是本发明的压裂装置位于油气井内规定作业层位的局部示意图；图6是本发明的压裂装置中一组上部喷射工具的第二喷射工具的结构示意图；图7是本发明的一组上部喷射工具中，第一阀球驱动复合滑套内的衬套移动的结构示意图；图8是本发明的一组上部喷射工具中，由于衬套移动引起的衬套的上、下球座内径的尺寸发生变化，并将第一阀球释放出的示意图；图9 是本发明的一组上部喷射工具中，第一阀球通过复合滑套坐封在第一喷射工具的第一滑套上的示意图；图10是本发明的一组上部喷射装置中，第二阀球坐封于衬套的上球座，驱动复合滑套打开第二喷射工具的喷嘴的示意图。本发明还提供一种压裂装置，该装置的结构与中国专利第200910082408. 7号中记载的带有滑套的磨料射流喷射分层压裂基本装置相同，因此相同的结构在本案中不再赘述，在此将上述中国专利申请第200910082408. 7号的相关内容并入本案。本发明同样是具有多级串联连接的喷射工具(喷枪)，所不同的是，本发明的一组上部喷射工具包括公知结构中的两级喷射工具，即本发明的压裂装置具有串联连接的底部喷射工具3和多组上部喷射工具100，每组所述上部喷射工具100由相互串联连接的第一喷射工具I和第二喷射工具 2构成，所述第二喷射工具2设置在所述第一喷射工具I的上部；所述第一喷射工具I、第二喷射工具2均具有中空柱状的本体11、21，每个所述本体11、21的侧壁上均设有至少两个喷嘴12、22 ;所述第一喷射工具I的本体11内设有能够封闭该级喷嘴12的第一滑套10，所述第二喷射工具2的本体21内设有能够封闭该级喷嘴22的如上所述的复合滑套20，所述第一滑套10、复合滑套20均能在外力作用下滑移至被封闭的所述喷嘴的下部，打开原本被封闭的该级喷嘴12或22 ;且能驱动每一组所述上部喷射工具100内的第一滑套10和复合滑套20移动的阀球直径相等。进一步地，所述第一滑套10通过第一剪切销钉13与所述第一喷射工具I的本体 11相连接，所述复合滑套20通过第二剪切销钉23与所述第二喷射工具2的本体21相连接，其中，所述第二剪切销钉23的剪切力大于所述复合滑套20的衬套202相对主体滑套 201轴向移动的摩擦力。请配合参见图5至图10，本发明的增加油气井压裂层段的方法，包括如下步骤I)通过油管将上述的压裂装置沿套管4送入到井内规定作业层位；2)底部喷射工具3完成压裂作业后，从油管5投入第一阀球6，所述第一阀球6进入位于上部的一组上部喷射工具100的第二喷射工具2的本体21内，所述第一阀球6贯穿复合滑套20的主体滑套201和衬套202进入到第一喷射工具I的本体11内，并坐封于第一滑套10，向油管内泵注液体以第一压力加压，剪断连接所述第一滑套10与第一喷射工具 I的第一剪切销钉13，使第一滑套10下滑，打开第一喷射工具I上设置的喷嘴12，对第一层位进行喷射和压裂作业；3)完成该第一层位的压裂后，自所述油管5向下投入第二阀球7，所述第二阀球7 坐封于所述衬套202的上球座2022，向油管内泵注液体以第二压力加压，剪断连接所述复合滑套20与所述第二喷射工具2的第二剪切销钉23，使所述第二喷射工具2内的主体滑套 201和衬套202 —起向下移动，打开所述第二喷射工具2上设置的喷嘴22，对位于所述第一层位上部的第二层位进行喷射和压裂作业；其中，所述第二阀球7的直径与第一阀球6的直径相等；
4)完成所述第二层位的压裂作业后，再次自所述油管向下投入另一阀球，推动另一组上部喷射工具内的第一滑套向下移动，打开被所述第一滑套封闭的喷嘴，在上部层位重复所述步骤2)至3)。其中，在所述第一阀球6贯穿所述复合滑套20时，驱动所述衬套202沿轴向向下移动，使下球座2021卡止于主体滑套201下部设置的凸台2014，在所述第一阀球6的作用下，使具有弹性的所述下球座2021的内径增大，而在所述复合滑套20的容置腔2011内壁的作用下使具有弹性的所述上球座2022的内径减小，且所述上球座2022的内径小于所述下球座2021的内径，从而保证了当投入第二阀球7时，该第二阀球7能够落座于上球座的倒锥形坐封部2023，并密封所述复合滑套20。进一步地，在所述压裂装置被送入到井内规定作业层位时，所述复合滑套20的主体滑套201与衬套202位于第一位置，在该第一位置，所述衬套202卡合于所述复合滑套20 的容置腔2011，即，所述衬套202的上球座2022的倒锥形外壁面2026嵌卡固定于容置腔 2011内壁上设置的一环倒锥形切槽2013内，此时，衬套202的上球座2022的内径大于下球座2021的内径；在投入所述第一阀球6后，在第一阀球6的驱动下，所述主体滑套与衬套处于第二位置，在该第二位置，所述衬套202随所述第一阀球6向下移动，上球座2022从倒锥形切槽2013内脱出，所述上球座2022在所述容置腔2011内壁的作用下内径减小；当所述衬套202移动至卡止于所述容置腔下部的凸台2014时为第三位置，在该第三位置，所述下球座2021的内径增大，所述第一阀球6穿过所述下球座2021进入所述第一喷射工具I的本体11内，坐封于所述第一滑套10。其中，在第一阀球6推动衬套202自第一位置向第三位置移动的过程中，所述衬套 202与所述主体滑套201之间的摩擦力小于所述第二剪切销钉23的剪切力。在另一个可行的方案中，当所述第一阀球6落座于所述下球座2021的坐封部，向油管内泵注液体以第三压力加压，使所述第一阀球6推动所述衬套202向下移动，并使所述下球座2021的内径增大，所述第一阀球6穿过所述下球座2021。所述第三压力应小于所述第二剪切销钉23的剪切力，以保证在投入第一阀球6 时，复合滑套的主体滑套201保持与第二喷射工具2的本体21固定连接，以保持对该第二喷射工具2的喷嘴的封闭。下面结合图6至图10进一步说明本发明的方法，如图6、7、8、10所示，为本发明的具有复合滑套的第二喷射工具，其主要包括衬套202、主体滑套201、第二喷射工具本体 21、固定复合滑套20所用第二剪切销钉23、喷嘴22，图9表示设置在所述第二喷射工具2 下部的第一喷射工具1，其内设置有第一滑套10 (即公知的普通滑套)。其中衬套202主要结构包括设置在衬套下部的下球座2021、衬套主体2024、上球座2022 ;主体滑套201的外壁上有环槽2015、剪切销钉槽2010。O型密封圈设置在该环槽2015内，其主要是在本体21 和主体滑套201之间起密封作用。主体滑套201通过第二剪切销钉23固定在本体11上， 衬套202安装在主体滑套201的内部。第一阀球6未通过之前，上球座2022的内径大于下球座2021的内径，所以通过上球座2022的第一阀球6能够落坐于下球座2021上。图7描述的是所投的第一阀球6通过上球座2022落坐于下球座2021上的过程。 当第一阀球6落坐于下球座2021的坐封部(即倒锥形连接部2025的内表面)上时，第一阀球6在油管压力的作用下会驱动衬套202沿轴向向下移动。同时上球座2022也会随衬套202沿轴向移动一段距离。如图所示，上球座2022原先所处的位置主体滑套内径较大， 上球座2022受到的径向束缚力较小。在衬套202的带动下，上球座2022向下移动到主体滑套201内径较小的区域(容置腔2011内)，在容置腔2011内壁的挤压下，上球座2022的倒锥形外壁面2026受到挤压会发生径向收缩，导致内径减小，小于第一阀球6的外径。图8描述的是在一定压力下，如向油管内泵注液体以第三压力加压，第一阀球6沿着箭头所示的方向挤出下球座2021的过程。衬套202在第一阀球6的驱动下不断向下移动，直至落坐于主体滑套201上的凸台2014上。这时，衬套202不再移动，下球座2021在第一阀球6的不断挤压下，发生径向扩张变形，使得下球座2021内径增大，将第一阀球6释放出。该第一阀球6下降坐封在下一级如图9所示的装有普通滑套的第一喷射工具I上。图9描述的是通过复合滑套的第一阀球6坐封在装有普通滑套，即第一滑套10的第一喷射工具I上的示意图。当第一阀球6落坐在该第一喷射工具I内的第一滑套10上时，第一阀球6在油管注入的具有第一压力的液体作用下，驱动第一滑套10向下移动，剪断第一剪切销钉13，第一滑套10下滑，打开喷嘴12(见图5)和油管5之间的通道连通，进行相应层段的压裂施工。图10描述的是复合滑套的主体滑套201打开的过程。由于第一阀球6通过后，上球座2022内径减小，小于所通过的第一阀球6的外径，因此可以坐封住与第一阀球6同样尺寸的第二阀球7。当装有普通滑套的第一喷射工具I对应层段施工结束后，向油管内投入第二阀球7，这时第二阀球7可以坐封在上球座2022上。向油管内泵注液体以第二压力加压，在油管压力的作用下，第二阀球7将驱动衬套202带动主体滑套201 —起向下移动，剪断第二剪切销钉23，打开主体滑套201，露出喷嘴22。喷嘴22建立了压裂工具和油管之间的通道，可进行该压裂井段施工。这样就实现了使用同一尺寸的阀球可以实现两段压裂。进一步地，本发明的衬套202主要用于调整复合滑套20内径的大小，控制阀球的通过与坐封。设置在衬套202末端的下球座2021由伸缩性较好材料加工而成，外部可以形成为一圆柱形，其作用是当第一阀球6驱动衬套202到达主体滑套201的凸台2014时，衬套 202不再移动，此时下球座2021在内压力的作用下会扩张，使得下球座内径增大，将第一阀球6释放出。因此下球座2021的主要作用是起一个临时坐封作用，目的就是利用坐封在该下球座上的第一阀球，带动衬套向下运动，利用主体滑套的内部结构和上球座自身的弹性， 实现衬套上球座的收缩，改变球座内径。对于下球座而言，其强度设计是关键，既要保证其具有一定的强度，能够承受住一定内压力，但强度又不能过大，当其开始发生径向膨胀变形时，第一阀球上下的压差不足以剪断固定在本体和主体滑套之间的剪切销钉。另外下球座的尺寸要根据衬套尺寸、球的大小和其自身变形能力进行合理设计，保证该下球座产生一定程度的径向变形后可以将第一阀球顺利释放出。所述下球座的下部为一中空圆柱体，用于暂时坐封第一阀球，上部为一中空倒锥体。另外该部分到达主体滑套下的凸台时，衬套不再相对主体滑套移动。该球座对弹性、强度和耐磨性都有一定要求，可采用涂有陶瓷或硬度为HB220-260高强度合金防磨层的弹性好、强度大的合金材料如铍铜合金加工制造，防磨层厚度应在1_以上。防磨层的作用主要是防止由于压裂施工过程中石英砂或者陶粒对球座的磨损造成球座尺寸变大。此外，衬套的上球座2022的外径从上至下线性减少，顶端外径最大，与衬套主体结合处外径最小，其外形类似于一削去顶端的倒圆锥体。当衬套在第一阀球驱动下，上球座移动到主体滑套容置腔2011的内径较小区域后，上球座2022在容置腔的侧壁的限制下，内径变小。当投入第二阀球7、复合滑套开始正式工作时，该上球座将成为复合滑套的坐封阀球的球座，为了防止上球座在第二阀球的挤压下发生变形导致坐封不严，需合理设计该上球座上部外径、下部外径、壁厚以及上球座的高度，保证当上球座坐封第二阀球时，受到一定程度的挤压作用仍能够保证阀球坐封密封。所述上球座从外观看球座整体呈一削去顶尖的倒锥结构，球座上部内壁为一倒圆锥面，下部内壁面为一圆柱面。整体外径从上至下线性减小，便于卡合于主体滑套201的内部的容置腔内。上球座较下球座壁面较厚，因为上球座在衬套的移动过程中内径会收缩，壁厚较大可以增加球座的弹性，能够保证球座在主体滑套内壁作用下的收缩量，使得形成新的球座能够坐封第二阀球。该球座也对弹性、强度和耐磨性都有一定要求，可采用涂有陶瓷或硬度为HB220-260高强度合金防磨层的弹性好、强度大的合金材料如铍铜合金加工制造，防磨层厚度应在1_以上。复合滑套的主体滑套内具有衬套容置腔2011，容置腔2011的上部具有较大的内径，具体是在容置腔2011的内壁上具有一环由上而下缩径的倒锥形切槽2013，该切槽2013 的尺寸、形状与上球座的倒锥形外壁面2026相配合，以使衬套202能嵌卡固定在主体滑套内，而所述切槽2013下部区域的内径较切槽处小。在主体滑套201下部设置凸台2014的目的就是为了支撑衬套202，为在第二阀球7坐封于衬套202的上球座驱动主体滑套201下移提供一个着力点。此外，当衬套嵌卡固定在主体滑套的切槽内时，下球座2021的内径要小于上球座2022的内径，这样可以保证通过上球座的第一阀球6可以坐封在下球座上。在本发明中，主体滑套201可以采用与公知的普通滑套相同的材料进行加工制造，然而由于衬套202上下球座要求具有较好的弹性，应使用弹性较好的合金材料加工；衬套主体部分可以采用与公知的普通滑套相同的材料进行加工制造。另外，对于固定第一滑套10的第一剪切销钉13其强度只要保证第一阀球6在低排量下能够坐封在第一滑套上打开该第一滑套10即可。而对于固定复合滑套20的第二剪切销钉23，由于在打开复合滑套20之前，复合滑套20内部增加了衬套202与主体滑套201 之间的相对运动，两者之间会产生一定的摩擦作用，因此应确保两者之间的摩擦力不会将第二剪切销钉23剪断。具体的解决方法可选择在驱动衬套向下移动时，限定一个排量值或者油管压力值，如以第三压力加压，使得衬套会沿着滑套内壁轴向移动且不会打开滑套，当投第二阀球7时，可以提高排量或油管压力，如以第二压力加压，剪断第二剪切销钉23，打开复合滑套。其中，第三压力小于第二压力。以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式
，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。
权利要求
1.一种复合滑套，其特征在于，所述复合滑套包括主体滑套、衬套，所述主体滑套为中空柱状体，其内具有衬套容置腔，所述容置腔的下部设有一缩径的凸台；所述衬套为中空柱状体，其两端分别具有上球座和下球座；所述上球座能卡合于所述容置腔，在受到外力作用时，能向下移动，且在所述容置腔内壁的作用下能使所述上球座的内径减小；所述下球座的外径小于所述凸台的内径，在外力作用下，所述衬套能卡止于所述凸台，并使所述下球座的内径增大。
2.如权利要求I所述的复合滑套，其特征在于，所述主体滑套与衬套具有第一位置，在所述第一位置，所述衬套卡合于所述容置腔，所述上球座的内径大于所述下球座的内径；所述主体滑套与衬套具有第二位置，在所述第二位置，在外力作用下使所述衬套向下移动，所述上球座在所述容置腔内壁的作用下内径减小；所述主体滑套与衬套具有第三位置，在所述第三位置，所述衬套卡止于所述凸台，并使所述下球座的内径增大，且大于所述第二位置的所述上球座的内径。
3.如权利要求I所述的复合滑套，其特征在于，所述衬套卡合于所述容置腔上时，所述上球座的内径大于所述下球座的内径。
4.如权利要求I所述的复合滑套，其特征在于，所述容置腔的内壁上具有一环由上而下缩径的倒锥形切槽，所述上球座形成与所述切槽相配合的倒锥形外壁面。
5.如权利要求4所述的复合滑套，其特征在于，所述上球座具有圆柱状通道，以及位于所述圆柱状通道上部的倒锥形坐封部。
6.如权利要求I所述的复合滑套，其特征在于，所述下球座的底部具有圆柱状通道，以及设置在所述圆柱状通道上部的倒锥形连接部。
7.如权利要求I至6任一项所述的复合滑套，其特征在于，所述衬套具有衬套主体，所述上球座、下球座分别嵌卡于所述衬套主体的上、下两端。
8.如权利要求7所述的复合滑套，其特征在于，所述上球座、下球座均由弹性材料制成,衬套主体由钢材制成。
9.如权利要求I所述的复合滑套，其特征在于，所述容置腔的直径大于所述主体滑套的内径，所述衬套的内径与所述主体滑套的内径相等。
10.一种压裂装置，其特征在于，所述压裂装置具有串联连接的底部喷射工具和多组上部喷射工具，每组所述上部喷射工具由相互串联连接的第一喷射工具和第二喷射工具构成，所述第二喷射工具设置在所述第一喷射工具的上部；所述第一喷射工具、第二喷射工具均具有中空柱状的本体，每个所述本体的侧壁上均设有至少两个喷嘴；所述第一喷射工具的本体内设有能够封闭该级喷嘴的第一滑套，所述第二喷射工具的本体内设有能够封闭该级喷嘴的如权利要求I至9任一项所述的复合滑套，所述第一滑套、复合滑套均能在外力作用下滑移至被封闭的所述喷嘴的下部，打开该级喷嘴；且能驱动每一组所述上部喷射工具内的第一滑套和复合滑套移动的阀球直径相等。
11.如权利要求10所述的压裂装置，其特征在于，所述第一滑套通过第一剪切销钉与所述第一喷射工具的本体相连接，所述复合滑套通过第二剪切销钉与所述第二喷射工具的本体相连接，其中，所述第二剪切销钉的剪切力大于所述复合滑套的衬套相对主体滑套轴向移动的摩擦力。
12.—种增加油气井压裂层段的方法，包括1)通过油管将如权利要求9至10任一项所述的压裂装置沿套管送入到井内规定作业层位；2)底部喷射工具完成压裂作业后，从油管投入第一阀球，所述第一阀球进入位于上部的一组上部喷射工具的第二喷射工具的本体内，所述第一阀球贯穿复合滑套的主体滑套和衬套进入第一喷射工具的本体内，并坐封于第一滑套，向油管内泵注液体以第一压力加压， 剪断连接所述第一滑套与第一喷射工具的第一剪切销钉，使第一滑套下滑，打开第一喷射工具上设置的喷嘴，对第一层位进行喷射和压裂作业；3)完成该第一层位的压裂后，自所述油管向下投入第二阀球，所述第二阀球坐封于所述衬套的上球座，向油管内泵注液体以第二压力加压，剪断连接所述复合滑套与所述第二喷射工具的第二剪切销钉，使所述第二喷射工具内的主体滑套和衬套一起向下移动，打开所述第二喷射工具上设置的喷嘴，对位于所述第一层位上部的第二层位进行喷射和压裂作业；其中，所述第二阀球的直径与第一阀球的直径相等；4)完成所述第二层位的压裂作业后，再次自所述油管向下投入另一阀球，推动另一组上部喷射工具内的第一滑套向下移动，打开被所述第一滑套封闭的喷嘴，在上部层位重复所述步骤2)至3)。
13.如权利要求12所述的增加油气井压裂层段的方法，其特征在于，在所述第一阀球贯穿所述复合滑套时，驱动所述衬套沿轴向向下移动，使下球座卡止于主体滑套下部设置的凸台，在所述第一阀球的作用下，使具有弹性的所述下球座的内径增大，而在所述复合滑套的容置腔内壁的作用下使具有弹性的所述上球座的内径减小，且所述上球座的内径小于所述下球座的内径。
14.如权利要求12所述的增加油气压裂层段的方法，其特征在于，在所述压裂装置被送入到井内规定作业层位时，所述复合滑套的主体滑套与衬套位于第一位置，在该第一位置，所述衬套卡合于所述复合滑套的容置腔，衬套的上球座的内径大于下球座的内径；在投入所述第一阀球后，在所述第一阀球的驱动下，所述主体滑套与衬套处于第二位置，在该第二位置，所述衬套随所述第一阀球向下移动，所述上球座在所述容置腔内壁的作用下内径减小；当所述衬套移动至卡止于所述容置腔下部的凸台时为第三位置，在该第三位置，所述下球座的内径增大，所述第一阀球穿过所述下球座进入所述第一喷射工具的本体内，坐封于所述第一滑套。
15.如权利要求13或14所述的增加油气井压裂层段的方法，其特征在于，所述衬套与所述主体滑套之间的摩擦力小于所述第二剪切销钉的剪切力。
16.如权利要求13或14所述的增加油气井压裂层段的方法，其特征在于，所述第一阀球落座于所述下球座的坐封部，向油管内泵注液体以第三压力加压，使所述第一阀球推动所述衬套向下移动，并使所述下球座的内径增大，所述第一阀球穿过所述下球座。
17.如权利要求16所述的增加油气井压裂层段的方法，其特征在于，所述第三压力小于所述第二剪切销钉的剪切力。
全文摘要
本发明涉及到一种复合复合滑套、压裂装置及增加油气井压裂层段的方法，其中复合滑套包括主体滑套、衬套，主体滑套内具有衬套容置腔，容置腔的下部设有一缩径的凸台；衬套两端分别具有上球座和下球座；上球座能卡合于容置腔，在受到外力作用时，能向下移动，且在容置腔内壁的作用下能使上球座的内径减小；下球座的外径小于凸台的内径，在外力作用下，衬套能卡止于所述凸台，并使下球座的内径增大。本发明将具有复合滑套的第二喷射工具与具有普通滑套的第一喷射工具构成一组上部喷射工具，每组上部喷射工具可以使用同一尺寸的阀球打开第一、第二喷射工具内的滑套，实现了使用同一尺寸阀球压裂两段，从而提高了油气井分段压裂的段数。
文档编号E21B43/114GK102606110SQ20121004350
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者史怀忠, 宋先知, 李根生, 王海柱, 田守嶒, 蔡承政, 迟焕鹏, 黄中伟 申请人:中国石油大学(北京)