专利名称：滑套式压裂组件、包括该组件的装置及使用该装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种滑套式压裂组件，特别是ー种能选择性开关的滑套式压裂组件。本发明还涉及包括若干这种组件的装置，以及使用该装置的方法。
背景技术：
滑套是在油气田中对直井、水平井进行分段压裂改造的关键工具。这类滑套包括滑套外筒和布置在滑套外筒内的芯管，其中滑套外筒和芯管之间为滑动配合，在滑套外筒的壁上布置有喷砂ロ，并且在其上端ロ具有用于承接启动球的密封配合面。滑套外筒和芯管之间的滑动配合通过启动球开启，启动球和密封配合面按照一定梯度顺序増大，每个启动球的直径大于与其配合的密封配合面的内径，从而每个启动球仅能与相应的密封配合面唯一配合。在施工吋，依次投入对应的启动球，并且在井口加压以剪断销钉，实现滑套开启。目前，石油天然气水平井、直井的转向压裂方法包括限流压裂和分级压裂两种。其 中，主流是分级压裂，其包括化学分段压裂、封隔器分段压裂、水力喷射分段压裂、连续油管分段压裂和组合式完井方法。在分级压裂中，应用最广的是封隔器分段压裂、泵送桥塞分段压裂，投球+滑套封隔器分段、环空封隔器、双封单压分段压裂等方式。其中，环空封隔器、泵送桥塞分段压裂分段数没有限制，但压裂作业不能连续，每段作业后需要重新射孔，作业完成后需要压井钻塞，作业周期长，费用高。双封单压分段压裂需要拖动管柱，封隔器需要多次座封，施工周期长。投球+滑套封隔器分段压裂采用不同级差的球和球座组合，不动管柱一次性可以完成多段压裂，但由于不同球按照一定级差设计，因此封隔器分段数受限于管柱尺寸，分段压裂、酸化级数都会受到限制。近年来，相续开发出了针对不同储层特征的喷砂滑套。如1992年4月I日公告授权的中国专利2100480U《压裂用导压喷砂滑套》，其主要用于油井压裂。2008年11月5日公告授权的中国专利200820061922《压裂滑套喷砂器》，其主要用于气井压裂。两类滑套开启基本原理都是采用顺序增大启动球开启滑套，分段压裂级数受限。另外，为了解决压裂装置的缺点，也开发出了多种滑套式压裂装置。如在2010年2月3日公开的中国专利申请CN201396131《水平井分段压裂管柱》中的装置包括油管柱、压差封隔器、安全接头、滑套封隔器，压差封隔器和滑套封隔器安装在油管柱上，两者之间还安装有安全接头。这种装置仅适用于油田，并且在使用过程中容易损伤封隔器，造成密封不严、压裂失效。此外，这种装置的操作复杂，操作人员的劳动强度大，安全性也较差。在2009年I月7日公开的中国专利申请CN101338663《水平井机械分段压裂防卡エ艺管柱》中的装置包括油管、安全接头、扶正器、水力锚、封隔器、导压喷砂器及导向丝堵；其中油管下端依次连接安全接头、扶正器、水力锚、封隔器、扶正器、导压喷砂器、封隔器及导向丝堵。这种装置只能用于油田水平井的压裂，而且不能实现不动管柱就进行多层压裂并合层开采，也不能进行不动管柱不限级数分段压裂。在2009年10月21日公开的中国专利申请CN101560877《水平井封隔器分段压裂エ艺管柱》中的装置包括油管柱、水力锚、座封控制器、跨隔式封隔器A、跨隔式封隔器B、跨隔式封隔器C、滑套喷砂器、喷砂器、导向器和毛细管线。所述油管柱上顺次安装连接有水力锚、座封控制器、跨隔式封隔器A、滑套喷砂器、跨隔式封隔器B、喷砂器、跨隔式封隔器C和导向器，所述毛细管线在油管柱的一侧与座封控制器和跨隔式封隔器A、跨隔式封隔器B、跨隔式封隔器C相连接。这种装置不能实现不限级数分段压裂。另外，在中国专利申请CN101418681公开的《油气井分层压裂合采一次管柱エ艺》，在中国专利申请CN201144682公开的《石油、天然气井多层压裂管柱》均采用了投球开滑套方式，不能进行不动管柱不限级数分段，也不能关闭滑套。因此，急需ー种能实现在水平井、直井及定向井中不需要拖动管柱即可实现不限级数的分段压裂的压裂装置，而且根据需要打开或关闭任意滑套的压裂装置。
发明内容
针对上述的问题，本发明提出了一种滑套式压裂装置，其能够根据需要对滑套进行任意定点打开和关闭。本发明还提出了用于该装置的组件及该装置的使用方法。 根据本发明的第一方面，提供了一种滑套式压裂组件，包括，复合滑套，其包括固定的外筒和通过剪切销连接在外筒内壁上的内筒，其中在外筒上设置有泵开阀，在内筒的内壁设有第一齿形件；打开工具，包括中空的筒状主体、设置在主体外壁上的第二齿形件、设置在主体内壁上的第三齿形件，以及设置在主体和第二齿形件之间的第一弾性机构，其中所述打开エ具能插入到所述内筒中，并且第二齿形件能在第一弾性机构的作用下径向向外地运动，从而与第一齿形件形成配合；驱动工具，其包括中心体、设置在中心体外壁上的第四齿形件，以及设置在中心体和第四齿形件之间的第二弾性机构，其中所述驱动工具能插入到打开工具的内部且封闭井筒，并且第四齿形件能在第二弾性机构的作用下径向向外地运动，从而与第三齿形件形成配合，其中，当所述滑套式压裂组件处于初始状态时，所述内筒挡住了泵开阀；当依次下入打开工具和驱动工具时，所述内筒与打开工具通过第一齿形件和第二齿形件彼此接合，打开工具与驱动工具通过第三齿形件和第四齿形件彼此接合，在套管内憋压到预定的压カ时，所述剪切销被剪断，驱动工具和打开工具一起带动内筒向下运动以使泵开阀露出，进而建立压裂通道。在本申请中，用语“初始状态”是指在滑套式压裂组件打开之前的状态。在一个实施例中，滑套式压裂组件还包括用于关闭复合滑套的关闭工具，其包括中心拉杆和与中心拉杆相连接的第五齿形件，该关闭工具能插入内筒或打开工具的筒状主体中，使得第五齿形件能与内筒的第一齿形件或打开工具的第三齿形件形成配合，由此能通过上提关闭工具来使内筒上移，从而重新盖住泵开阀以关闭压裂通道。在一个实施例中，在复合滑套的内筒和外筒的配合面上布置有选位槽和选位件，当滑套式压裂组件处于打开状态和在关闭压裂通道状态时，所述选位槽和选位件处于不同的接合位置。这种选位槽和选位件在压裂组件不同状态下不同的接合位置能防止流体作用以及取出打开工具或驱动工具时，复合滑套被意外关闭。在一个实施例中，在复合滑套的外筒和内筒的配合面上布置有能彼此接合的定位机构。这种定位机构能够确保仅在投入打开工具和驱动工具并且加压之后，复合滑套的外筒和内筒才能彼此分开，并且在使用关闭工具将内筒上提时，能确保该复合滑套的外筒和内筒重新接合而关闭压裂通道。根据本发明的第二方面，提供了一种滑套式压裂装置，其包括多个上述滑套式压裂组件。其中，各个打开工具中的第二齿形件和第三齿形件设置成分别与其它打开工具中的第二齿形件和第三齿形件互不相同，使得各个打开工具仅能与其所配属的压裂组件中的内筒和驱动工具相配合；各个关闭工具的第五齿形件设置成与其它关闭工具的第五齿形件互不相同，使得各个关闭工具仅能与其所配属的压裂组件中的内筒的第一齿形件或打开エ具的第三齿形件相配合。通过这种设置，配属于某ー压裂组件的打开工具的第二齿形件和驱动工具的第四齿形件只能分别与该压裂组件中的复合滑套的第一齿形件和打开工具的第三齿形件形成配合。即便在下入期间该打开工具或驱动工具经过其它的压裂组件吋，由于齿形件的不同，
打开工具的第二齿形件或驱动工具的第四齿形件也无法径向向外运动而形成接合。因此，根据本发明的装置，下入特定的打开工具和驱动工具仅能够打开相应的复合滑套，并且下入特定的关闭工具仅能够关闭相应的复合滑套。也就是说，本发明的滑套式压裂装置能够实现根据需要而选择性打开和/或关闭特定的复合滑套。在一个实施例中，所有复合滑套的内径均相同，所有打开工具的内径均相同。这种结构使得复合滑套的数量不受限制，可实现不限级数的分段压裂。在一个实施例中，各齿形件通过各自独特的轮廓參数和/或设置在每个齿形件上的引导结构而实现与唯一一个相应的齿形件接合。在一个优选的实施例中，轮廓參数选自齿数、齿形和齿距中的ー个或多个。在一个实施例中，关闭工具的第五齿形件设置在中心拉杆外壁上，并且在中心拉杆和第五齿形件之间还设置有第三弾性机构，其中所述第五齿形件能在第三弾性机构的作用下径向向外地运动，从而与内筒的第一齿形件或打开工具的第三齿形件形成配合。在一个实施例中，上述弹性机构均包括能施加径向向外的作用力的弹性件，以及限制相应的齿形件的径向向外运动距离的限位件。这种弹性件使得齿形件在遇到与之匹配的齿形件时，能自动弹出与之配合，从而实现复合滑套的内筒、打开工具、驱动工具和关闭工具在井下自动配合。而限位工具用于限制齿形件向外运动的距离，以既能够保证该齿形件与相应的齿形件接合，而且能够保证该齿形件不脱离其所连接的本体，例如打开工具的中空主体、驱动工具的中心体和关闭工具的中心拉杆。在一个优选的实施例中，关闭工具的第五齿形件为弹片件，其下游端部与中心拉杆相连，上游端与中心拉杆分开。具有弾片件形式的第五齿形件的关闭工具使得关闭工具的制造和使用更加方便。在本申请中，用语“下游”和“上游”是以从井口注入的压裂液的流向为參照。在一个实施例中，在各齿形件的上游端部和下游端部处设置有斜面式引导结构，以引导相对应的齿形件形成配合或脱开。这种斜面式引导结构使得能够通过“挤入”、“挤出”的方式实现相应的齿形件形成配合或脱开，方便了复合滑套的打开或关闭操作。在一个实施例中，驱动工具的中心体包括具有不同横截面尺寸的贯穿空心结构，在贯穿空心结构的下游部分内布置有憋压机构，并且憋压机构不能从贯穿空心结构的更大截面的下游部分内脱出，尤其是无法进入到更小截面的上游部分中。在一个优选的实施例中，憋压机构包括球笼和设置在所述球笼内的球体。其中，球笼具有封闭的上游端和敞开的下游端，在球笼的周向壁上设置有流体通道；所述球体仅能在球笼内运动，并且在处于球笼的上游端和下游端处时不会阻挡球笼周向壁上的流体通道。球体对贯穿中心结构的封堵使得这种中空结构的驱动工具能实现井筒内加压。更重要地是，当将本发明的滑套式压裂装置用于气井时，可不必这种驱动工具取出，这是由于井下气体会将球体吹起而气体从流体通道中流出，因而便于操作。在一个优选的实施例中，球笼周向壁上的流体通道总面积不小于球笼下游端的开ロ面积，使得流体的流动更加顺畅。
在一个实施例中，各压裂组件的打开工具通过连接机构连接成打开工具串。其中，该连接机构包括剪切销钉和引退销钉，在驱动工具与相应的打开工具配合后，驱动工具会挤开引退销钉并且使剪切销钉被剪断，从而使相应的打开工具脱开。根据本发明的第三方面，还涉及ー种使用上述滑套压裂装置的方法，包括步骤ー在套管或油管串中的最下端安装压差式打开机构，然后依次安装各压裂组件中的复合滑套；步骤ニ 将各压裂组件的打开工具连接成打开工具串，并将其下入到复合滑套内；步骤三井内加压，打开最下端的压差式打开机构，建立套管或油管串与地层之间的连通通道；步骤四依次下入各个驱动工具，按照从井底到井口的方向依次打开复合滑套，进行分段压裂。在一个实施例中，还包括步骤五通过打开工具上的打捞结构回收打开工具和驱动工具或通过驱动工具上的打捞结构仅回收驱动工具，套管或油管串内恢复贯通。在另ー个实施例中，当需要关闭特定的压裂通道时，下入与该特定滑套匹配的关闭工具以关闭该压裂通道。由于打开工具、驱动工具、关闭工具与复合滑套之间仅能实现唯一性配合，因此每投入一个驱动工具，仅能使一个打开工具与打开工具串脱开，从而导致该打开工具下到相应位置而打开相应的滑套，建立压裂通道。同时，每ー个关闭工具也只能将ー个复合滑套关闭。由此，可以实现水平井、直井等的任ー复合滑套的开关，实现分段压裂。与现有技术相比，本发明的优点在于，在本发明的滑套式压裂装置中通过各个齿形件之间唯一性接合能够实现复合滑套可任意定点打开和/或关闭。特别是当需要关闭特定压裂通道时，通过本发明的关闭工具可准确将其关闭而不影响其他压裂通道。仅通过齿形件在井下自动接合和分开即可实现复合滑套、打开工具、驱动工具以及关闭工具的接合和分开，操作更加方便。由于所有复合滑套的内径均相同，并且所有打开工具的内径均相同，所以本发明复合滑套的数量不受限制，可实现不限级数的分段压裂。另外，本发明的滑套式压裂装置还可以实现不使用封隔器、不射孔。根据本发明的滑套式压裂组件、装置以及使用方法不限于石油水平井的压裂施工，其还适合于类似地需要定点开关滑套的地层压裂领域中。
在下文中将基于实施例并參考附图来对本发明进行更详细的描述。其中图Ia是根据本发明的滑套式压裂组件的复合滑套的示意图；图Ib是根据图Ia的复合滑套内筒上的选位槽的示意图；图2是根据本发明的滑套式压裂组件的打开工具的示意图； 图3是根据本发明的滑套式压裂组件的驱动工具的示意图；图4a和4b是根据本发明的滑套式压裂组件的关闭工具的示意图；图5是根据本发明的齿形件的引导结构的示意图；图6a_6c是根据本发明的齿形件唯一性接合的原理图；图7是根据本发明的滑套式压裂装置的打开工具串的示意图；图8是图7中区域I的放大图；图9是显示了根据本发明的复合滑套、打开工具和驱动工具之间的位置关系的示意图。在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进ー步说明。图Ia显示了根据本发明的滑套式压裂组件的复合滑套10，其包括固定的外筒11和通过剪切销13连接在外筒11内壁上的内筒12。其中，在外筒11上设置有泵开阀14，在内筒12的内壁设有第一齿形件15。在图Ia所示的实施例中，第一齿形件15与内筒12形成为ー个整体。在一个实施例中，在外筒11和内筒12的配合面上设置有定位槽16和定位件17。定位槽16和定位件17设置成在图Ia所示的初始状态中不相互接合，而仅在如下文所述的关闭压裂通道的步骤中彼此接合，以确保外筒11和内筒12能彼此连接，从而保证压裂通道被关闭。在一个实施例中，定位件17和定位槽16例如可采取引退式销钉和钉槽的形式。在另ー个实施例中，在外筒11和内筒12的配合面上还设置有选位槽19和选位件18。选位槽19包括沿复合滑套10的轴向间隔布置的第一部分LI和第三部分L3，其中第三部分L3的长度大于第一部分LI并且第三部分L3的上游端部与第一部分LI的上游端部对齐，第二部分L2将第一部分LI和第三部分L3对齐的端部连接起来而形成选位槽19，如图Ib所示。在打开和关闭复合滑套时，选位件18能沿如图Ib所示的选位槽19而运动。图2显示了根据本发明的滑套式压裂组件的打开工具20，其包括中空的筒状主体21、与主体21形成为ー个整体的第三齿形件23，以及通过第一弹性机构连接在主体21的外壁上的第二齿形件22。该第一弾性机构能径向向外地推动第二齿形件22。在一个实施例中，第一弾性机构包括用于推动第二齿形件22向外运动的弹簧24和用于限制第二齿形件22向外运动的距离的限位螺钉25。如图2所示，在靠近第二齿形件22的两个端部处均布置有弹簧24和限位螺钉25。限位螺钉25不但用于限制第二齿形件22的向外运动距离，而且还用于使第二齿形件22始終连接于主体21。在另ー个可选实施例中，在第二齿形件22与主体21之间还设置有相互啮合的凸起和凹槽结构26。优选地是，当第二齿形件22向外运动之后，第二齿形件22与主体21之间仍存这种在凸起和凹槽连接，从而提高第二齿形件22与主体21的连接强度。图3显示了根据本发明的滑套式压裂组件的驱动工具30，其包括中心体31、设置在中心体31外壁上的第四齿形件32，以及设置在中心体31和第四齿形件32之间的第二弹性机构。这种第二弾性机构可采用与打开工具20的第一弾性机构完全的结构，为了简单起见这里不再赘述。与打开工具20相似地是，在第四齿形件32与中心体31之间也设置有相互啮合的凸起和凹槽结构，其功能与打开工具20的凸起和凹槽结构相同，为了简单起见这里也不再赘述。当滑套式压裂组件处于初始状态时，复合滑套10的内筒12与外筒11通过剪切销13连接在一起，并且选位槽19与选位件18接合在选位槽19的Dl处。此时内筒12完全覆盖了泵开阀14，定位槽16处于定位件17的下方而不彼此接合，如图Ia所示。当依次下入打开工具20和驱动工具30后，复合滑套10的内筒12与打开工具20通过第一齿形件15·和第二齿形件22彼此接合，并且打开工具20与驱动工具30通过第三齿形件23和第四齿形件32彼此接合。当套管内憋压到预定的压カ时，剪切销13被剪断，因此驱动工具30和打开工具20 —起带动内筒12向下运动，露出泵开阀14建立起压裂通道，同时选位槽19和选位件18接合在选位槽19的D2处。图4a显示了根据本发明的滑套式压裂组件的关闭工具40的第一实施例的示意图。关闭工具40包括中心拉杆41、设置在中心拉杆41外壁上的第五齿形件42，以及设置在中心拉杆41和第五齿形件42之间的第三弾性机构。这种第三弾性机构与打开工具20的第一弾性机构完全相同，为了简单起见这里不再赘述。与打开工具20相似地是，在第五齿形件42与中心拉杆41之间也设置有相互啮合的凸起和凹槽结构，其功能与打开工具20的凸起和凹槽结构相同，为了简单起见这里也不再赘述。在弾力作用下，这种第五齿形件42能够在井下与相应的复合滑套的内筒12自动接合，以便于接下来关闭该压裂通道。图4b显示了根据本发明的滑套式压裂组件的关闭工具40’的第二实施例的示意图。关闭工具40’包括中心拉杆41’和弾片件形式的第五齿形件42’，其中第五齿形件42’的仅在下游端部处与中心拉杆41’的相连，而上游端部与中心拉杆41’分开一定距离。在使用中，由于第五齿形件42’的弾性作用，其能够与复合滑套的内筒12自动接合，以便于接下来关闭该压裂通道。在关闭压裂通道前，首先将驱动工具30从打开工具20中打捞出来，或者将打开エ具20和驱动工具30从复合滑套10中打捞出来。下面以图4b所示的关闭工具40’为例说明关闭压裂通道的过程，这种关闭工具40’能插入复合滑套10的内筒12中。首先将打开工具20和驱动工具30从复合滑套10处打捞出来，接着将相应的关闭工具40’下入该滑套处，使得第五齿形件42’与复合滑套的内筒12上的第一齿形件15相接合。之后通过转动关闭工具40’而带动内筒12转动，直到选位槽19与选位件18接合在选位槽19的D3处，上提关闭工具40’的中心拉杆41’，当选位槽19与选位件18接合在选位槽19的D4处时，定位槽16和定位件17接合在一起。此时，内筒12盖住泵开阀14，才能将复合滑套10关闭并关闭该压裂通道，从而防止在取出下文所述的打开工具或驱动工具时，打开状态的复合滑套10被意外关闭。在一个优选的实施例中，在所有齿形件的端部处均具有斜面式引导结构或坡形引导结构，如图5中的标记51示意性地显示。这种引导结构能促进齿形件“挤入”到与之配合的齿形件中和/或从中“挤出”，以便于操作。在一个实施例中，驱动工具30具有不同横截面尺寸的贯穿空心结构。如图3所示，驱动工具30的贯穿空心结构例如包括两个部分，即尺寸较大的下游部分33和尺寸较小的上游部分34。下游部分33的开ロ尺寸朝向下游方向逐渐减小，即整体呈现小端朝向下游的圆锥形。通过这种布置，设置在下游部分33内的憋压机构无法从下游部分33内脱出。在一个实施例中，愁压机构包括球笼35和布置在球笼35内的球体36。球笼35包括封闭的上游端和敞开的下游端。在球笼35的周向壁上设置有流体通道37。如图3所示，球笼35的外径尺寸大于贯穿中空结构的上游部分34的尺寸，并且也大于下游部分33的开ロ尺寸。因此，球笼35不会从下游部分35内脱出。在一个实施例中，球笼35的下游端开ロ部分形成与贯穿中空结构的下游部分33开ロ的圆锥形结构相匹配的圆锥形结构，以确保球笼35不会从下游部分33内脱出。球体36的直径大于球笼35的下游端的开ロ尺寸， 因此球体36不会从球笼35中脱出，并且在套管内加压时，球体29会封住套管而实现憋压。优选地，当球体36位于球笼35的上游端和下游端处时,球体36不会阻挡球笼35的周向壁上的流体通道37。在另ー个实施例中，球笼35的下游端开ロ面积小于或等于球笼35的周向壁上的流体通道37的总面积。根据本发明的滑套式压裂装置包括多个根据本发明的滑套式压裂组件。根据本发明，可将各个复合滑套定位到套管73内的所需位置处。然后将图2中所示的打开工具20连接成打开工具串，再下入套管73内，如图7所示。之后，通过下入驱动工具30而与打开工具串中的相应打开工具20形成接合，促动该打开工具20脱离打开工具串。随后，脱离的该打开工具20沿套管下滑，与相应的复合滑套的内筒形成接合，从而打开该复合滑套。在这种实施例中，打开工具串中的每个打开工具设计为其第二齿形件和第三齿形件分别与其它打开工具的第二齿形件和第三齿形件互不相同，使得每个打开工具仅能与唯一一个、即其所配属的那个滑套组件中的复合滑套的内筒相匹配，每个打开工具也仅能与唯一一个、即其所配属的那个滑套组件中的驱动工具相匹配，并且每个复合滑套也只能与唯一一个、即其所配属的那个滑套组件中的关闭工具相匹配。在打开工具下入之前，在第一弹性机构的弹簧和限位螺钉的作用下，打开工具的第二齿形件凸出在主体之外。在打开工具下入过程中，在第二齿形件与其所配属的滑套组件的第一齿形件接合之前，由于受到其他复合滑套的内筒挤压作用而不弹出。直到当该打开工具到达其所配属的滑套组件的第一齿形件时，打开工具的第二齿形件才会在弹簧作用下从打开工具的主体上弹出与滑套组件的第一齿形件接合。容易理解地是，驱动工具的第四齿形件与打开工具的第三齿形件的接合、关闭工具的第五齿形件与复合滑套的第一齿形件的接合或关闭工具的第五齿形件与打开工具的第三齿形件的接合也是如此。由此，实现了 “一把钥匙开一把锁”的操作。图6a到6c示意性显示了各齿形件与唯一一个其他齿形件接合的原理。各齿形件通过各自独特的轮廓參数实现与唯一一个相应的齿形件接合，这些轮廓參数例如为图6a中的齿形、图6b中的齿距以及图6c中的齿数中的ー个或多个。优选地，每个齿形件上引导结构51也可设置为仅能与唯一一个相应结构52相匹配从而实现每个齿形件与唯一一个相应的齿形件接合，如图5示意性地显示。容易理解地是，也可以将齿形件轮廓參数与引导结构结合在一起使用。优选地，在齿形件中至少有ー个齿和/或齿槽的侧面与其底面的角度为90。或小于90°，即形成矩形齿或钩形齿，得齿形件能够稳定接合在一起而不会由于齿形件受カ过大而脱开。根据本发明，齿形件的轮廓參数和/或引导结构应当设置成能使该齿形件辨认出与该齿形件唯一配合的对应的齿形件。当一个齿形件的轮廓參数和/或引导结构与另ー个齿形件的轮廓參数和/或引导结构完全配合时，其中一个齿形件会在弾力下接合进入另一齿形件中，使得两个相应的工具接合在一起以打开或关闭复合滑套，从而实现任意定点打开或关闭复合滑套。优选地，除了第二和第三齿形件之外，打开工具的其他尺寸完全相同，使得每个打开工具上游端部的尺寸恰好与上游打开工具的下游端部的尺寸相匹配。如图7所示，上游打开工具71的下游端部恰好能插入下游打开工具72的上游端部内，并且在打开工具71、72的插入配合部分处设置了连接机构从而将两个打开工具连接在一起。通过这种方式，可将多个打开工具连接成打开工具串。 图8显示了连接机构的放大视图，其中连接机构包括剪切销钉83和引退销钉84。在多个打开工具连接成打开工具串的状态中，剪切销钉83的一部分处于下游打开工具72中，另一部分处于与下游打开工具72相配合的上游打开工具71中，从而将两个打开工具连接在一起，并承担剪切载荷。如图8所示，引退销钉84包括两个已知的子引退销钉84a和84b。在所示的连接状态中，第一子引退销钉84a布置在下游打开工具72中，第二子引退销钉84b布置在上游打开工具71中。在弹簧作用下，第二子引退销钉84b的钉杆86从上游打开工具71的表面中伸出，而第一子引退销钉84a的钉杆85从下游打开工具72的配合面中伸出，并且邻接于第二子引退销钉84b的钉杆86。因此，引退销钉84也承担部分剪切载荷。在驱动工具30与下游打开工具72配合后，驱动工具30的上游部分会挤压引退销钉84的第二子引退销钉84b的钉杆86的末端，并将第一子引退销钉84a的钉杆85压回到下游打开工具72的内部。这样，仅有剪切销钉83会承担剪切载荷。当套管73内憋压超过剪切销钉83的剪切强度时，剪切销钉83被剪断，进而下游打开工具72从打开工具串上脱开，如图9所示。之后，可进行与上文描述相同的复合滑套的打开、关闭等步骤，这里不再赘述。下面根据附图来描述使用本发明的滑套式压裂装置进行压裂的过程。首先，在套管73或油管串的最下端安装压差式打开机构，然后依次安装各压裂组件中的复合滑套。在一个实施例中，该压差式打开机构可使用如现有技术中所熟知的压差式滑套或泵开阀。然后，根据上文描述将各压裂组件的打开工具连接成打开工具串，并将其下入到滑套内直到最上一个打开工具到达预定的位置处。接着，井内加压，打开最下端的压差式打开机构，从而建立套管73或油管串与地层之间的连通通道。最后，按照从井底到井ロ的顺序投入驱动装置以从井底到井口逐级打开复合滑套并进行分段压裂作业。分段压裂作业结束后，通过打捞工具(未示出)按照从井口到井底的方向将各个打开工具和驱动工具或仅驱动工具打捞出来，套管或油管串内又恢复油、气通道。当需要关闭特定的压裂通道时，下入与该滑套匹配的关闭工具并且根据上文描述的关闭工具的操作关闭该滑套，从而关闭该特定的压裂通道。
根据本发明的滑套式压裂组件、装置以及使用方法不限于石油水平井的压裂施エ，其还适合于类似地需要定点开关滑套的地层压裂领域中。
虽然已经參考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
权利要求
1.一种滑套式压裂组件，包括， 复合滑套，其包括固定的外筒和通过剪切销连接在外筒内壁上的内筒，其中在外筒上设置有泵开阀，在内筒的内壁设有第一齿形件； 打开工具，包括中空的筒状主体、设置在主体外壁上的第二齿形件、设置在主体内壁上的第三齿形件，以及设置在主体和第二齿形件之间的第一弹性机构，其中所述打开工具能插入到所述内筒中，并且第二齿形件能在第一弹性机构的作用下径向向外地运动，从而与第一齿形件形成配合； 驱动工具，其包括中心体、设置在中心体外壁上的第四齿形件，以及设置在中心体和第四齿形件之间的第二弹性机构，其中所述驱动工具能插入到打开工具的内部且封闭井筒，并且第四齿形件能在第二弹性机构的作用下径向向外地运动，从而与第三齿形件形成配I=I， 其中，当所述滑套式压裂组件处于初始状态时，所述内筒挡住了泵开阀；当依次下入打开工具和驱动工具时，所述内筒与打开工具通过第一齿形件和第二齿形件彼此接合，打开工具与驱动工具通过第三齿形件和第四齿形件彼此接合，在套管内憋压到预定的压力时，所述剪切销被剪断，驱动工具和打开工具一起带动内筒向下运动以使泵开阀露出，进而建立压裂通道。
2.根据权利要求I所述的组件，其特征在于，还包括用于关闭复合滑套的关闭工具，其包括中心拉杆和与中心拉杆相连接的第五齿形件，所述关闭工具能插入所述内筒或打开工具的筒状主体中，使得所述第五齿形件能与内筒的第一齿形件或打开工具的第三齿形件形成配合，由此能通过上提关闭工具来使所述内筒上移，重新盖住泵开阀以关闭压裂通道。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述第五齿形件设置在中心拉杆外壁上，并且在中心拉杆和第五齿形件之间还设置有第三弹性机构， 其中所述第五齿形件能在第三弹性机构的作用下径向向外地运动，从而与内筒的第一齿形件或打开工具的第三齿形件形成配合。
4.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述第五齿形件为弹片件，其下游端部与中心拉杆相连,上游端部与中心拉杆分开。
5.根据权利要求I到4中任一项所述的组件，其特征在于，在所述复合滑套的内筒和外筒的配合面上布置有选位槽和选位件，当滑套式压裂组件处于打开状态和在关闭压裂通道状态时，所述选位槽和选位件处于不同的接合位置。
6.根据权利要求I到5中任一项所述的组件，其特征在于，在各齿形件的上游端部和下游端部处设置有斜面式引导结构，以引导相对应的齿形件形成配合或脱开。
7.根据权利要求I到3中任一项所述的组件，其特征在于，所述弹性机构均包括能施加径向向外的作用力的弹性件，以及限制相应的齿形件的径向向外运动距离的限位件。
8.根据权利要求I到7中任一项所述的组件，其特征在于，所述驱动工具的中心体包括具有不同横截面尺寸的贯穿空心结构，在所述贯穿空心结构的下游部分内布置有憋压机构，并且所述憋压机构不能从贯穿空心结构的更大截面的下游部分内脱出。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述憋压机构包括球笼和设置在所述球笼内的球体， 其中，所述球笼具有封闭的上游端和敞开的下游端，在球笼的周向壁上设置有流体通道；所述球体仅能在球笼内运动，并且在处于球笼的上游端和下游端处时不会阻挡球笼周向壁上的流体通道。
10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，所述球笼周向壁上的流体通道总面积不小于球笼下游端的开口面积。
11.根据上述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，在所述复合滑套的外筒和内筒的配合面上布置有能彼此接合的定位机构，以保证内筒与外筒接合并盖住泵开阀，从而关闭压裂通道。
12.一种滑套式压裂装置，其包括多个根据上述权利要求中任意一项所述的滑套式压裂组件， 其特征在于，各个打开工具中的第二齿形件和第三齿形件设置成分别与其它打开工具中的第二齿形件和第三齿形件互不相同，使得各个打开工具仅能与其所配属的压裂组件中的内筒和驱动工具相配合；各个关闭工具的齿形件设置成与其它关闭工具的齿形件互不相同，使得各个关闭工具仅能与其所配属的压裂组件中的内筒的第一齿形件或打开工具的第三齿形件相配合。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，各所述齿形件通过各自独特的轮廓参数和/或设置在每个齿形件上的引导结构而实现与唯一一个相应的齿形件接合。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述轮廓参数选自齿数、齿形和齿距中的一个或多个。
15.根据权利要求12到14中任一项所述的装置，其特征在于，各压裂组件的打开工具通过连接机构连接成打开工具串， 其中，所述连接机构包括剪切销钉和引退销钉，在驱动工具与相应的打开工具配合后，驱动工具会挤开引退销钉并且使剪切销钉被剪断，从而使相应的打开工具脱开。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所有复合滑套的内径均相同，并且所有打开工具的内径均相同。
17.一种使用根据权利要求12-16中任一项所述的滑套式压裂装置的方法，包括 步骤一在套管或油管串中的最下端安装压差式打开机构，然后依次安装各压裂组件中的复合滑套； 步骤二 将各压裂组件的打开工具连接成打开工具串，并将其下入到复合滑套内； 步骤三井内加压，打开最下端的压差式打开机构，建立套管或油管串与地层之间的连通通道； 步骤四依次下入各个驱动工具，按照从井底到井口的方向依次打开复合滑套，进行分段压裂。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括步骤五通过打开工具上的打捞结构回收打开工具和驱动工具或通过驱动工具上的打捞结构仅回收驱动工具，套管或油管串内恢复贯通。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，当需要关闭特定的压裂通道时，下入与该复合滑套匹配的关闭工具以关闭该压裂通道。
全文摘要
本发明涉及一种滑套式压裂组件，包括复合滑套、打开工具和驱动工具。其中，复合滑套、打开工具和驱动工具能通过布置在各自上齿形件自动配合而实现打开复合滑套。本发明还涉及一种滑套式压裂装置，其包括多个复合滑套、打开工具和驱动工具，其中复合滑套、打开工具和驱动工具之间仅能实现唯一性配合。本发明还涉及使用滑套压裂装置的方法。
文档编号E21B43/26GK102839944SQ201210212300
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月21日 优先权日2011年6月22日
发明者甘振维, 黄秋生, 任山, 李光泉, 吴姬昊 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司西南油气分公司