压裂管柱及其压裂方法与流程

本发明涉及一种压裂管柱及压裂方法，具体地说，尤其涉及一种用于石油天然气开采设备的大通径智能投球的压裂管柱及压裂方法。

背景技术：

在石油天然气开采过程中，压裂作业是一种非常有效的增产方法，特别是分层改造技术已成为低渗透油气藏增产的重要手段，滑套式分段压裂技术是非常规油气资源开采的重要手段，其广泛应用于页岩气、低渗透产层、薄油层的直井、定向井、水平井的压裂增产改造。

常规的滑套包括投球式滑套、液压式滑套和机械开关滑套。

投球式滑套通常与裸眼封隔器配合使用，其工作原理是，在井口投球，球到达滑套球座位置与滑套球座形成密封。当打压压力达到设定值时，剪断销钉，滑套移动，露出压裂通孔，建立压裂通道。但由于各级滑套和球的尺寸存在级差，因此压裂级数受到限制，且压裂完成后，需下入钻具钻除滑套球座，增加了作业周期和作业成本。

液压式滑套通常安置在分段压裂管柱的最下一级，其工作原理是，坐封完所有裸眼封隔器后，继续打压。当压力达到液压式滑套的开启压力后滑套打开，接着进行压裂施工。而液压式滑套只能单独用于一级，且需要与投球式滑套配套使用而完成多级压裂。

机械开关滑套需要开关工具同压裂管柱一起下入井内，其特点是通过开关工具进行打开和关闭，不需要投憋压球，因此对开关工具的性能及稳定性要求高。

因此，急需开发一种压裂储层位数不受限制的压裂管柱及压裂方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种压裂管柱，其中，包括：

套管柱，由多根套管串接组成；

多套智能投球压裂滑套，每一分隔层位连接有串接的至少一套所述智能投球压裂滑套；

压差滑套，串接于所述套管柱最下端层位

上述的压裂管柱，其中，每一所述智能投球压裂滑套包括依次连接的上接头、连接套、滑套体及下接头，所述上接头连接于其上部的所述套管的底端，所述下接头连接于其下部的所述套管的顶端，每一所述智能投球压裂滑套还包括：

液缸套，装设于所述上接头内；

液缸，装设于所述液缸套内；

弹性体，装设于所述液缸内；

弹性密封件，套设于所述弹性体上。

上述的压裂管柱，其中，每一所述智能投球压裂滑套还包括：

过渡套，设置于所述上接头内，所述过渡套的一端连接于所述液缸；

弹性件，套设于所述过渡套上，所述弹性件的一端抵靠所述过渡套，所述弹性件的另一端抵靠所述连接套。

上述的压裂管柱，其中，每一所述压裂滑套还包括：

轨道管，其一部分位于所述连接套内，所述轨道管的另一部分位于所述滑套体内，所述轨道管的一端连接于所述过渡套的另一端，其中所述液缸驱动所述弹性体、所述过渡套及所述轨道管沿轴向运动；

转环，套设于所述轨道管上且位于所述连接套及所述滑套体之间；

导向销钉，穿透所述转环连接于所述轨道管上。

上述的压裂管柱，其中，每一所述压裂滑套还包括打开套，装设于所述滑套体内，所述打开套的一端间隔于所述轨道管。

上述的压裂管柱，其中，所述下接头与滑套体连接，所述压裂滑套还包括弹性密封座，所述弹性密封座装设于所述打开套及所述下接头之间，所述弹性密封座的一端连接于所述下接头，所述打开套沿轴向运动后套住所述弹性密封座。

上述的压裂管柱，其中，于所述轨道管的外壁上沿圆周方向开设有多个长轨道及多个短轨道，所述长轨道与所述短轨道交替设置且相互连通。

上述的压裂管柱，其中，所述弹性密封座的另一端设置有多个卡爪。

上述的压裂管柱，其中，所述滑套体的内壁上还设有台阶限位部，所述打开套抵靠所述台阶限位部设置。

上述的压裂管柱，其中，每一所述压裂滑套还包括止挡结构，装设于所述滑套体的内壁上，当所述打开套沿轴向运动后套住所述弹性密封座后止挡所述打开套反向运动。

上述的压裂管柱，其中，还包括：

多个分段封隔器，一一对应的装设于每一分隔层位的所述套管上；及

引鞋，连接于所述压裂管柱最下端。

上述的压裂管柱，其中，还包括：

碰压短节，其一端连接于所述压差滑套；

浮箍，其一端连接于所述碰压短节的下端；及

浮鞋，其一端连接于所述浮箍的下端。

本发明提供一种使用前述中任一项所述的压裂管柱的压裂方法，其中，还包括以下步骤：

根据油藏实际情况确定压裂滑套的数量后，组装所述压裂管柱；

根据压裂管柱表的指示，下入所述压裂管柱到位；

对所述压裂管柱进行打压到一设定值时打开压差滑套，与储层建立流体通道；

最底层压裂完毕后，逐层投入压裂球，对其余的目标储层进行压裂。

上述的压裂方法，其中，还包括：

每一目标储层对应至少一所述智能投球压裂滑套；

设置每一所述压裂滑套为第n个所述压裂球到位后打开，n为正整数；

当第n个所述压裂球到位后，该压裂球于至少一所述压裂滑套中最底层的所述压裂滑套内形成密封；

进行水力压裂，打开所述目标储层。

上述的压裂方法，其中，还包括：

固井作业隔离层位，下入所述压裂管柱到位后，连接注水泥管线，注入水泥，下入固井胶塞顶替水泥浆，当固井胶塞运行到碰压短节进行碰压后，顶替完毕，进行水泥候凝，固井隔离层位完成。

上述的压裂方法，其中，还包括：

分层封隔器分层，每一个层位是由所述套管上两个相邻的所述分段封隔器隔离而成，下入所述压裂管柱到位后，对所述压裂管柱打压，坐封每一所述分段封隔器，将需要压裂的所述目标储层的层位分隔开。

本发明针对于现有技术其功效在于：

1、适应套管完井和裸眼完井，不受井型限制，适应性强，给工程师更多选择；

2、与速钻桥塞技术比，无需泵塞、射孔和钻塞，实现高效压裂，降低压裂费用；

3、与常规裸眼封隔器结合滑套技术相比，保证压裂效率同时，通径没有变小，保证了井筒的完整性，同时理论上压裂级数不受限；

4、智能投球计数，工程师根据需要可以设置很多级的计数,同一级计数使用一个球可以一次性打开一个或者多个滑套，根据需要自由搭配压裂；

5、压后全通径，有利于后续生产、修井、二次压裂等作业，延长单井寿命。

附图说明

图1是本发明压裂管柱第一实施例的结构示意图；

图2是本实用压裂滑套的结构示意图；

图3是图2中a的局部放大图；

图4是图2中b的局部放大图；

图5是图2中未工作时打开套的状态示意图；

图6是图2中工作时压裂球通过打开套的状态示意图；

图7是图2中反排时打开套的状态示意图；

图8是本发明压裂管柱第二实施例的结构示意图；

图9是本发明压裂方法第一实施例的流程图；

图10是图9中步骤s4的分步骤流程图；

图11是本发明压裂方法第二实施例的流程图。

具体实施方式

兹有关本发明的详细内容及技术说明，现以一较佳实施例来作进一步说明，但不应被解释为本发明的实施的限制。

请参照图1-4，图1是本发明压裂管柱第一实施例的结构示意图；图2是本实用压裂滑套的结构示意图；图3是图1中a的局部放大图；图4是图2中b的局部放大图。如图1-4所示，本发明的压裂管柱包括套管柱、多个智能投球压裂滑套y以及压差滑套c；套管柱由多根套管m串接组成；每一分隔层位g的套管m间连接有串接的至少一套智能投球压裂滑套y；压差滑套c串接于套管m底部的层位。

本发明压裂滑套包括依次连接的上接头1、连接套9、滑套体10及下接头15，压裂滑套还包括：液缸套2、液缸3、弹性密封件4及弹性体5；上接头1连接于其上部的套管m的下端，下接头15连接于其下部的套管柱m的上端，每一智能投球压裂滑套还包括；液缸套2装设于上接头1内；液缸3装设于液缸套2内；弹性体5装设于液缸3内；弹性密封件4套设于弹性体5上。其中，在本实施例中，弹性体5为金属弹性体，但本发明并不以此为限。

进一步地，智能投球压裂滑套还包括：过渡套6及弹性件7；过渡套6设置于上接头1内，过渡套6的一端连接于液缸3；弹性件7套设于过渡套6上，弹性件7的一端抵靠过渡套6，弹性件7的另一端抵靠连接套9，其中以弹性件为弹簧为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限。

再进一步地，智能投球压裂滑套还包括：轨道管8、转环11及导向销钉12；轨道管8的一部分位于连接套9内，轨道管8的另一部分位于滑套体10内，轨道管8的一端连接于过渡套6的另一端，球到位弹性体5后液压驱动液缸3、从而过渡套6及轨道管8同时沿轴向运动；转环11套设于轨道管8上且位于连接套9及滑套体10之间；导向销钉12穿透转环11连接于轨道管8。其中，于轨道管8的外壁上沿圆周方向开设有多个长轨道c1及多个短轨道c2，长轨道c1与短轨道c2交替设置且相互连通。

更进一步地，智能投球压裂滑套还包括打开套13、弹性密封座14及止挡结构16，装设于滑套体10内，打开套13的一端间隔于轨道管8的另一端；下接头15与滑套体10相连，弹性密封座14装设于打开套13及下接头15之间，弹性密封座14的一端连接于下接头15，打开套13能够沿轴向运动套住弹性密封座14；弹性密封座14的另一端设置有多个卡爪141，打开套13扣合于多个卡爪141；滑套体10的内壁上环设有台阶限位部101，打开套13抵靠台阶限位部101设置；止挡结构16装设于滑套体10的内壁上，当打开套13沿轴向运动后套住弹性密封座14后以止挡打开套13的反向运动。

在本实施例中，液缸3、弹性密封件4及弹性体5构成软密封座组件；软密封座组件、弹性件7、轨道管8(管外有连通的长轨道c1和短轨道c2)、转环11及导向销钉12构成智能计数机构；打开套13及弹性密封座14构成滑套机构；投球后压裂球到达软密封座组件形成临时活塞，在压力作用下，将力传递到轨道管8，轨道管8在短轨道c2上运动一次，轨道管8带动导向销钉12，导向销钉12带动转环11转动，然后弹性件7带动软密封座组件复位。每投入一个压裂球，就转动一次，当转动到指定的位置时，轨道管8进入长轨道c1，轨道管8将力传递到滑套机构上，推动打开套13，打开套13下行后将运动到弹性密封座14上，迫使弹性密封座收缩内径变小，压裂球坐落在此处进行密封，此时可以进行压裂作业。若该层位或者相邻的多个层位需要一次投球打开多个滑套，那这个层位或相邻的多个层位中前面多个滑套内部不安装弹性密封座，只在最后一个滑套上安装弹性密封座，球可以顺利打开滑套并坐落在最后一个滑套上，进行压裂作业,可以压开一个或者多个层位。由此由于滑套总共可以设置成投入第n个球后打开，而每一级均可安装多个滑套同时打开，因此本发明的压裂滑套不受压裂层位层数限制；同时由于滑套是通过智能计数打开，因为每个滑套的内径均可相同，因此使得滑套均可以保留最大限度的通径，不影响后期作业。

又进一步地，压裂管柱还包括：多个分段封隔器17及引鞋18；多个分段封隔器17一一对应的装设于每一分隔层位g的套管m上，每一个分隔层位g是由套管m上相邻的两个分段封隔器17隔离而成；引鞋18连接于压差滑套c。

请参照图5-7，图5是图2中未工作时打开套的状态示意图；图6是图2中工作时压裂球通过打开套的状态示意图；图7是图8中反排时球运动到上一级滑套的打开套的状态示意图，以下结合图1-7具体说明本发明压裂管柱及压裂滑套的工作过程。需要说明的是以下描述的具体数值仅为举例说明本发明的工作过程，本发明并不以此为限。

根据油藏实际情况及压裂设计，确定压裂管柱上的压裂滑套y的位置及数量以及压差滑套c的位置和数量，根据压裂管柱表，下入压裂管柱到位。在该压裂管柱中，压差滑套c是安装在最底端的滑套，通过对压裂管柱打压到设定值，从而打开压差滑套c进行压裂施工，该压差滑套c是用来打开储层，建立流体通道。智能投球压裂滑套y均为投球打开滑套后进行压裂作业。由于设置分段封隔器17因而可以无需进行固井作业。

按照压裂设计进行压裂作业，首先对压裂管柱打压，坐封整个压裂管柱的各分段封隔器17，将需要压裂的层位分隔开。分段封隔器17坐封完成后，继续升高压力，打开的是最底部的压差滑套c，进行最底层压裂作业，建立流体通道。然后再投压裂球，由于已经与储层建立流道，因此在水平井作业时可以泵送压裂球到位。压裂球每经过一个智能投球压裂滑套y，压裂滑套y进行计数。当智能投球压裂滑套y设置的第n个球到位后，该智能投球压裂滑套y被打开，球不会通过该滑套，并在该智能投球压裂滑套y内的球座上形成密封，可以进行水力压裂作业，压裂球停留在该智能投球压裂滑套y的密封座上。如果某一个层位或相邻的多个层位对应有x个智能投球压裂滑套y均设置在第n个压裂球到位后，压裂球可以通过前面的全部压裂滑套y，并在最底端的智能投球压裂滑套y上形成密封，进行水力压裂时，该层位或相邻的多个层位上的x个滑套均被水力压开，压裂球始终停留在该层位最底端的智能投球压裂滑套y上。根据压裂设计要求，进行其它层位的压裂作业。由于每一个智能投球压裂滑套y都可以设计成通过第n个球后打开，而每一次都可以打开x个滑套，因此，智能投球压裂滑套y的个数能够完全满足整个压裂管柱设计的要求，不受到压裂管柱尺寸和长度限制，并且保持最大的通径，不影响后期作业。

其中智能投球压裂滑套y的具体工作过程如下：

不投球时压裂滑套最小通道柔性内径110毫米，刚性内径118毫米。工作时投入低压裂球，压裂球到达软密封环内径110毫米处时，压裂球被金属弹性体5暂时挡住，憋压，轨道管8在金属弹性体5和液缸3的作用下移。当压差超过3mpa时，压裂球通过金属弹性体5，并且通过弹性密封座14。轨道管8在弹簧的作用下回到计数位置。当压裂球第n次投球憋压时，智能计数器(图未示)到达设定值，数个导向销钉12同时进入轨道管8的长轨道，使得轨道管8能移动较长距离从而推动打开套13下移，压裂孔被打开。打开套13下端套住弹性密封座14，迫使使弹性密封座14的弹性抓收缩呈刚性，当压差超过3mpa时，压裂球通过金属弹性体5，落到弹性密封座14上，压裂球跟弹性密封座14密封。这时候憋压可以打开同一计数的滑套一个或者多个(多个滑套均设置通过n球后打开，除了最后一个滑套安装了硬密封座14外，前面几个滑套没有安装弹性密封座14，不影响打开套13被打开，球顺利通过并坐落在最下端的滑套上)，憋开地层，压裂球在弹性密封座14憋压时，打开套13在压差作用下始终处于低位。当所有层压裂完毕，井口放压地层反排，球就移动到上一个滑套的弹性密封座14下方，打开套13在下压作用下上移一段距离后，止挡机构16止挡打开套13，弹性密封座(14)张开，压裂球向上通过弹性密封座14和金属弹性体5，反排到井口被捕球器(图未示)捕获。

其中，压裂球到达金属弹性体5柔性内径处，压裂球被暂时挡住，在压裂球的上端施加一定压力时，压裂球可以通过金属弹性体5。因此可以通过调整金属弹性体5和弹性密封件4来改变球通过金属弹性体5的压力。压裂球在到达金属弹性体5柔性内径处，到压裂球通过金属弹性体5前，金属弹性体5及弹性密封件4和压裂球形成临时活塞，憋压时液缸3可以提供轴向推力，但当压裂球通过以后，活塞效应消失。

轨道管8的外壁上沿圆周方向开设有多个长轨道c1及多个短轨道c2，长轨道c1与短轨道c2交替设置且相互连通，多个长轨道c1、多个短轨道c2、转环11和导向销钉12，共同组成计数器，其中转环11和导向销钉12在轨道管8的槽上工作，下井之前设定好计数器n个球后打开球座。工作球到达金属弹性体5憋压，临时活塞提供轴向推力，轨道管8轴向运动时在导向销钉12和转环11的作用下，迫使转环11转过一定角度。临时活塞提供的推力被短轨道c2限制，无法直接作用在打开套13上，打开套13无法打开。压裂球通过金属弹性体5后，液缸3提供的轴向推力消失，轨道管8在弹簧7的作用下回到计数工作位。投入n个球后，当计数器回0号位时，临时活塞工作在长轨道c1内，液缸3提供的推力可以作用到打开套13上，打开套13开启。

请参照图8，图8是本发明压裂管柱第二实施例的结构示意图。如图8所示，压裂管柱包括套管柱、多个智能投球压裂滑套y以及压差滑套c；套管柱由多根套管m串接组成；每一分隔开的层位均连接有串接的至少一智能投球压裂滑套y；压差滑套c串接于套管柱最底端的层位；与图1不同的是，本实施例中压裂管柱由于不设置分段封隔器17及引鞋18，因而增加了碰压短节19、浮箍20及浮鞋21；碰压短节19的一端连接于压差滑套c；浮箍20的一端连接于碰压短节19的另一端；浮鞋21的一端连接于浮箍20的另一端。根据本实施例的结构，在下入压裂管柱后进行固井分层作业，连接注水泥管线，注入水泥22，下入固井胶塞顶替水泥22，当固井胶塞运行到碰压短节19进行碰压后，顶替完毕，进行水泥22候凝，固井分层作业完成。本实施例的其余工作过程与图1的工作过程相同在此就不再赘述了。

请参照图9-10，图9是本发明压裂方法第一实施例的流程图；图10是图9中步骤s5的分步骤流程图。如图9-10所示，本发明压裂方法包括：

s1：根据油藏实际情况确定井需要压裂的层位及压裂滑套的数量后，组装压裂管柱；

s2：根据压裂管柱表的指示，下入压裂管柱到位；

s3：下入到位后，对压裂管柱打压，坐封每一分段封隔器，将需要压裂的目标储层的层位分隔开，完成层间隔离；

s4：对压裂管柱进行打压到一设定值时打开压差滑套，与储层建立流体通道；

s5：最底层压裂完毕逐层投入压裂球，对其余的目标储层进行压裂。

进一步地，步骤s5还包含：

s51：每一目标储层对应至少一所述智能投球压裂滑套；

s52：设置每一所述智能投球压裂滑套为第n个所述压裂球到位后打开，n为正整数；

s53：当第n个所述压裂球到位后，该压裂球于至少一所述智能投球压裂滑套中最底层的所述压裂滑套内形成密封；

s54：进行水力压裂，打开所述目标储层。

请参照图11，图11是本发明压裂方法第二实施例的流程图。如图11所示，本发明压裂方法包括：

s1’：根据油藏实际情况确定井需要压裂的层位及压裂滑套的数量后，组装压裂管柱；

s2’：根据压裂管柱表的指示，下入所述压裂管柱到位；

s3’：下入到位后，连接注水泥管线，注入水泥，下入固井胶塞顶替水泥浆，当固井胶塞运行到碰压短节进行碰压后，顶替完毕，进行水泥候凝，固井作业分层完成，完成层间隔离；

s4’：对所述压裂管柱进行打压到一设定值时打开压差滑套，与储层建立流体通道；

s5’：最底层压裂完毕逐层投入压裂球，对其余的目标储层进行压裂。其中步骤s5’与前述的步骤s5相同，在此就不再赘述了。

值得注意的是，在本实施例中由于采用固井作业分层的方式，因此可以省略设置分段封隔器。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、适应套管完井和裸眼完井，不受井型限制，适应性强，给工程师更多选择；

2、与速钻桥塞技术比，无需泵塞、射孔和钻塞，实现高效压裂，降低压裂费用；

3、与常规裸眼封隔器结合滑套技术相比，保证压裂效率同时，通径没有变小，保证了井筒的完整性，同时压裂级数不受限；

4、智能投球计数，工程师根据需要可以设置很多级的计数,同一级计数使用一个球可以一次性打开一个或者多个滑套，根据需要自由搭配压裂；

5、压后全通径，有利于后续生产、修井、二次压裂等作业，延长单井寿命。

上述仅为本发明较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。