一种全通径可溶球座压裂装置的制作方法

本申请涉及封堵井眼技术领域，具体而言，涉及一种全通径可溶球座压裂装置。

背景技术：

随着现代油气田开发进程的深入，开发对象逐渐由普通油气资源转变为非常规，超低渗，致密油气资源，而压裂技术是有效的储层改造技术之一。球座压裂装置是常用的、有效的压裂工具。

常见桥塞和球座装置有不可溶式和可溶式两种。随着可溶金属材料和可溶橡胶材料的出现，可溶压裂工具得以批量的应用。在一些实现方式中，装置的橡胶件溶解后经常会形成凝胶状团块，易堵塞井筒通道；其次所需可溶金属件较多，成本高；其次结构复杂，易造成锚定效果和密封效果下降，零件的掉落易堵塞井筒通道，并且装置尺寸大，不利于在曲率半径小的水平井或斜井使用。

因此，如何改进球座压裂装置的结构从而减少零件数量和可溶材料的使用，提高锚定和密封效果，成为了亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种全通径可溶球座压裂装置，通过设置上芯、下芯和锚定套之间的结构设计，避免使用可溶橡胶，防止返排液通道堵塞，减少了零件数量和可溶材料的使用，提高锚定和密封效果。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种全通径可溶球座压裂装置，包括：芯杆、上芯、下芯和锚定套，

芯杆，所述芯杆具有可操作牵引的近端和从所述芯杆延伸的远端，所述芯杆外形呈圆柱体，用于设置所述上芯和所述下芯；

上芯，所述上芯设置于所述芯杆近端一侧，所述上芯为和所述芯杆同轴，所述上芯是由可溶材料制成的空心锥体，所述芯杆穿过所述上芯内部，所述上芯从近端至远端沿轴向外壁直径变小，所述上芯远端侧设置有和所述锚定套近端内壁锥度相同的上芯第一外锥面；

下芯，所述下芯固定设置于所述芯杆远端一侧，所述下芯和所述芯杆同轴，所述下芯是由可溶材料制成的空心锥体，所述芯杆穿过所述下芯内部，所述下芯从近端至远端沿轴向外壁直径变大，所述下芯近端外锥度与所述锚定套远端侧的内锥度相同；

锚定套，所述锚定套为可溶材料制成的直径可变的空心筒，所述锚定套设置于所述上芯和所述下芯的外侧，用于所述上芯、下芯相对滑动时推动所述锚定套径向涨大和所述全通径可溶球座压裂装置所在的套管形成挤压和锚定效果。

可选地，所述上芯远端侧设置有可溶材料制成的同轴防退爪，所述同轴防退爪呈倒钩结构，用于当所述上芯和所述下芯靠近时锁定所述下芯；

所述下芯近端靠近所述芯杆侧设置有同轴变径环槽，所述同轴变径环槽沿近端至远端方向环径变大，用于锁定卡住所述同轴防退爪，使得所述上芯和所述下芯不再分离。

可选地，所述上芯外部还设置有具备塑性和断裂韧性的可溶材料制成的密封环，当所述上芯从近端至远端轴向滑动时，所述密封环径向涨大，用于和所述套管形成挤压密封。

可选地，所述上芯近端侧还设置有锥度大于所述上芯第一外锥面的上芯第二外锥面，用于所述密封环滑动至所述上芯第二外锥面，从而使密封环内直径涨大量大于锚定套内直径涨大量，提高挤压密封效果。

可选地，所述上芯与所述芯杆螺纹连接，用于初始固定且保证所述上芯与所述芯杆的同轴，当所述上芯受到一定作用力后连接螺纹会被剪断，从而使得所述上芯可以在所述芯杆上轴向滑动；

所述上芯近端内壁呈漏斗状。

可选地，所述锚定套的两端围绕筒口均匀设置开口槽，用于当所述上芯和所述下芯挤压所述锚定套时使所述开口槽宽度增大，从而实现所述锚定套径向涨大及锚定作用。

可选地，所述锚定套的外侧设置有锚定齿，所述锚定齿为硬质材料，所述锚定齿的端面为马蹄状，且锐角向远端方向。

可选地，所述锚定套与所述上芯之间采用可溶材料制成的剪钉连接。

可选地，所述下芯远端还设置有可溶材料制成的导向头，所述导向头和所述下芯固定连接，所述导向头设置有与所述芯杆同轴的内台阶环槽。

可选地，所述芯杆远端还包括由远端至近端方向依次套装于芯杆的末端紧固螺钉、钢环和可溶材料制成直径大于所述钢环的剪环；

所述剪环用于和所述内台阶环槽形成限位，限制所述导向头的轴向滑动；

所述末端紧固螺钉与所述芯杆远端固定连接，用于将所述钢环和剪环压紧至所述导向头；

在一定拉力条件下，所述钢环会剪断所述剪环位于所述内台阶环槽部分形成残留外剪环和残留内剪环，牵引所述芯杆近端可以将所述芯杆、钢环、残留内剪环和末端紧固螺钉从所述全通径可溶球座压裂装置内抽出。

本申请实施例的有益效果包括：通过上芯和下芯相对滑动实现锁定、避免使用传统可溶橡胶，可以降低压裂装置零件意外掉落堵塞通道的风险；锚定套、密封圈的设置可以提高压裂装置和套管挤压密封的效果；芯杆，末端紧固螺钉的设计使得可溶金属使用减少，可以降低压裂装置制造的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了根据本申请的一个实施例一种全通径可溶球座压裂装置的初始结构简图；

图2示出了根据本申请的一个实施例一种全通径可溶球座压裂装置的密封状态结构简图；

图3示出了根据本申请的一个实施例一种全通径可溶球座压裂装置的操作可溶压裂球状态结构简图；

图标：101-芯杆；102-末端紧固螺钉；103-钢环；104-剪环；105-紧固螺钉；201-上芯；202-密封环；203-上芯第一外锥面；204-上芯第二外锥面；205-同轴防退爪；301-下芯；302-导向头；303-同轴变径环槽；401-锚定套；402-锚定齿；403-剪钉；501-套管；502-中心杆；503-推筒；504-可溶压裂球。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

第一实施例

术语“近端”和“远端”在本文中是相对于操纵压裂装置的技术人员来使用的。术语“近端”是指最靠近技术人员的部分，术语“远端”是指远离技术人员定位的部分。还应当理解，为简洁和清楚起见，本文可以结合附图使用空间术语诸如“垂直”、“水平”、“上”和“下”。然而，压裂装置在许多取向和位置使用，并且这些术语并非限制性和/或绝对化的。

如图1所示，本申请的实施例1提供一种全通径可溶球座压裂装置，包括：芯杆、上芯、下芯和锚定套。

为了便于阐述本申请实施例的技术方案，暂设定如图1所示水平方向操作所述全通径可溶球座压裂装置，如图1所示的左侧暂定为近端，图1所示的右侧暂定为远端。

在本实施例中，所述全通径可溶球座压裂装置整体呈圆柱形状。

在本实施例中，芯杆101具有可操作牵引的近端和从所述芯杆101延伸的远端，芯杆101外形呈圆柱体，用于在初始状态下将上芯201和下芯301固定在芯杆101上。

在至少另一些实施例中，芯杆101设置有外螺纹，用于和配置有内螺纹的上芯201实现连接。

在至少另一些实施例中，芯杆101的近端还设置有紧固螺钉105，用于连接芯杆101和中心杆502，从而可以操作中心杆502对芯杆101进行牵引操作。

在本实施例中，上芯201为设置在芯杆101的近端一侧并且与芯杆101同轴的可溶材料制成的空心锥体。如图1所示，芯杆101穿过上芯201内部，上芯201从近端至远端沿轴向直径变小。在上芯201的外侧还设置有锚定套401，如图1所示，上芯201远端侧设置有和锚定套401近端内壁锥度相同的上芯第一外锥面203，可以发现相同锥度的平面设置可是让上芯201和锚定套401紧密贴合，在后续上芯201水平滑动的操作中，可以得到更好的锚定套401径向涨大效果，从而得到更好的锚定效果。

在至少另一些实施例中，上芯201被配置为与所述芯杆101螺纹连接，用于所述压裂装置在初始状态下和芯杆101的固定，并且能钩保证上芯201与芯杆101的同轴并扶正，从而提高上芯201滑动状态时的结构稳定性，提高锚定效果，提高装置的可靠性。需要说明的是，当上芯201受到推筒503的推力达到一定标准时，连接螺纹会被剪断，从而使得上芯201可以在芯杆101上轴向滑动。

在至少另一些实施例中，上芯201的制作材料为可溶金属，例如铝基的可溶金属。可溶材料作为已经存在的技术内容，本申请对于可溶材料不再详细阐述。

在至少另一些实施例中，上芯201近端内壁呈漏斗状，也就是说，上芯201近端内壁直径较大，沿近端至远端方向上芯201的内壁直径变小，呈收口形状。当所述压裂装置完成密封时，从井口投入可溶压裂球504，并泵送至上芯201内锥面从而形成密封副，封堵井筒上端压裂液进入井底。实施压裂作业，关井，所述可溶压裂球504和所述压裂装置剩余的零部件在井下环境中自然溶解，溶液返排出井口。这样设置的有益效果在于投入的可溶压裂球504可以更好的和上芯201的近端内壁贴合，提高所述压裂装置的密封性，如图3所示。

在至少另一些实施例中，上芯201远端侧均匀圆周设置数个可溶材料制成的同轴防退爪205。沿轴向同轴防退爪205呈倒钩结构。当上芯201与下芯301通过挤压锚定套401使其涨大过程中，上芯201远端的同轴防退爪205逐步挤入下芯301的同轴变径环槽303，此时由于压力同轴防退爪205塑性变形，直径扩大，倒钩爪卡在同轴变径环槽303的台阶处。当外力撤销后，同轴防退爪205使上芯201和下芯301成为一体不可分离，防止发生意外脱落，提高所述压裂装置的锚定效果。

下芯301近端靠近所述芯杆侧设置有同轴变径环槽303，同轴变径环槽303沿近端至远端方向环径变大呈台阶状，这样的结构方便同轴防退爪205实现锁定状态，使得上芯201和下芯301不再分离，成为一个整体。这样设置的有益效果在于可以减少零件的数量，使上芯201和下芯301成为一个整体，防止意外掉落堵塞井口，提高所述压裂装置的可靠性。

在至少另一实施例中，上芯201外部还设置有具备高塑性和断裂韧性的可溶材料制成的密封环202，当上芯201从近端至远端轴向滑动时，密封环202和上芯201在上芯第一外锥面203表面产生相对运动。

锚定套401主体径向涨大至已贴近套管501内壁时，密封环202材料具有高塑性、高延展性的特点，在受到上芯第一外锥面203径向作用力和套管501内壁约束后，密封环202变形填充了套管501的椭圆度及表面缺陷形成的空隙实现环空的密封，从而实现良好的挤压密封效果，如图2所示。相较于其它一些实现方式，本申请所述诸多零件不使用可溶橡胶，一定程度可以避免返排液通道堵塞的问题。

在至少另一实施例中，上芯201外轮廓有两个锥面。如图1所示，上芯201近端侧还设置有锥度大于上芯第一外锥面203的上芯第二外锥面204。上芯201径向涨大锚定套401的同时，密封环202也被径向涨大。当锚定套401主体径向涨大至已贴近套管内壁时，密封环202已被相对移动推至上芯第二外锥面204上，如图2所示。

密封环202材料具有高塑性、高延展性的特点，在受到上芯第二外锥面204径向涨大力和套管501内壁约束。当锚定套401和套管501内壁锚定牢固后，此时密封环202已被推至上芯201外轮廓的上芯第二外锥面204处。此刻密封环202受力情况为：上芯201对其施加径向的挤压力，套管501内壁对其产生径向的约束力。由于密封环202材料具有高塑性、高延展性的特点，密封环202的变形实现了良好的挤压密封。由于密封环202最终处于上芯第二外锥面204上，径向涨大量大于锚定套401的径向涨大量，填补了套管501椭圆及表面缺陷等间隙，从而可以实现提高挤压密封的效果。

在本实施例中，下芯301固定设置于芯杆101远端一侧。下芯301为与芯杆101同轴的可溶材料制成的空心锥体，并且芯杆101穿过下芯301内部。下芯301外形从近端至远端沿轴向直径变大。如图1所示，下芯301近端外锥度与锚定套401远端侧的内锥度相同，这样设置的有益效果在于使得所述两个零件能够紧密贴合。

在至少另一实施例中，下芯301远端还设置有导向头302，用于将下芯301连接在芯杆101的远端侧。导向头302和下芯301固定连接，并且导向头将302将下芯301面向芯杆101面包裹，如前所述，在导向头302和同轴变径环槽303之间设置有空隙，用于上芯201在滑动过程中同轴防退爪205通过所述空隙与同轴变径槽303实现锁定，从而使得上芯201和下芯301连成一体，避免发生后期工序中零件的意外脱落堵塞井口。

在至少另一些实施例中，下芯301与导向头302固定连接，且由末端紧固螺钉102固定在芯杆101的远端，如图1所示。

在至少另一些实施例中，导向头302设置有与芯杆101同轴的内台阶环槽(图中未标识)。所述内台阶环槽在导向头302靠近芯杆侧形成台阶状，从而与芯杆101远端侧的零件形成挤压限位，使得下芯301与芯杆101的相对位置在初始状态下保持不变。

在本实施例中，锚定套401为可溶材料制成的直径可变的空心筒结构。锚定套401设置于上芯201和下芯301的外侧，其近端和远端的内壁分别为斜面设置，即其内孔两端均为锥型。上芯201和下芯301相对滑动时挤压锚定套401径向涨大，从而和全通径可溶球座压裂装置所在的套管501形成挤压和锚定效果。

在至少另一些实施例中，锚定套401的外侧设置有硬质材料制成的锚定齿402。例如，在一些实现中，可以使用硬质合金材料或陶瓷材料。锚定齿402的端面通常地设置为马蹄状，且锐角向远端方向，用于锚定套401径向涨大后和套管501产生锚定。防止所述压裂装置意外掉落井内。

在至少另一些实施例中，锚定套401的两端围绕筒口均匀设置开口槽，所述两端的开口槽数量相等，位置相错，用于上芯201和下芯301挤压锚定套401时使所述开口槽宽度增大。可以认为，通过上芯201和下芯301的外锥面沿锚定套401内锥面的相对滑动来涨大锚定套401和密封环202，直至锚定套401上的锚定齿402嵌入套管501的内壁，从而实现锚定套401与套管501的锚定。

在至少另一些实施例中，锚定套401与上芯201之间在初始状态采用可溶材料制成的剪钉403连接。需要说明的是，剪钉403除了具备连接作用外，其在一定外力条件下剪钉403可以被剪断，从而使得上芯201、锚定套401和芯杆101之间实现滑动。

在至少另一些实施例中，芯杆101的远端还包括由远端至近端方向依次套装于芯杆101的末端紧固螺钉102、钢环103和可溶材料制成直径大于所述钢环的剪环104。芯杆101远端与末端紧固螺钉102固定连接。从远端至近端依次套装有钢环103、剪环104，并通过剪环104压紧在导向头302的所述内台阶环槽的内台阶面上，从而使得导向头302以及与其固定连接的下芯301保持与芯杆101的相对位移不变。安装时，通过旋紧末端紧固螺钉102即可压紧钢环103、剪环104，并将下芯301推入锚定套401远端的内腔，形成抵触。

剪环104的直径大于钢环103的直径，当末端紧固螺钉102挤压钢环103，使得剪环104卡入导向头302的所述内台阶环槽，和所述内台阶环槽形成限位，从而限制导向头302的轴向滑动。

在一定拉力条件下，钢环103会剪断所述剪环104位于所述内台阶环槽部分的材料形成残留外剪环，剩余贴合芯杆101部分暂称为残留内剪环。所述残留内剪环在轴向上不再受到限位阻挡。当所述全通径可溶球座压裂装置完成座封及密封后，投放工具推筒503推力受阻，芯杆101受到增大的相对拉力，使钢环103剪断剪环104，从而芯杆101携带钢环103、所述残留内剪环及末端紧固螺钉102一并从井筒抽出，牵引至井外，完成丢手过程，如图3所示。

需要说明的是，所述全通径可溶球座压裂装置下井时锚定套401处于外径最小状态，锚定套401与上芯201、下芯301与芯杆101之间均处于相对固定的状态。当球座下至预定井深后，通过爆燃或液压产生的推力，使投放工具推筒503向远端运动推动上芯201和锚定套401下移，通过投放工具中心杆502固定所述压裂装置的芯杆101及下芯301保持相对不动。连接芯杆101与上芯201的螺纹被剪断，上芯201与锚定套401之间的剪钉403被剪断。随着推力继续增大，上芯201挤入锚定套401内的深度越来越大，下芯301挤入锚定套401内的深度也在增大。伴随着轴向位移的增大，上芯201和下芯301同步挤压锚定套401，锚定套401两端开口槽宽度增大，致使锚定套401外径涨大。此时，锚定套401上镶嵌的硬质锚定齿402随锚定套401径向涨大而逐渐嵌入套管501的内壁。直至锚定套401外径与套管501内壁接近贴合时，锚定完成，如图2所示。

本申请实施例一种全通径可溶球座压裂装置的工作过程如下：

所述全通径可溶球座压裂装置下井前与专用投放工具相连，下至指定位置后点火爆燃，投放工具受到持续的冲击力。投放工具推筒503产生的推力作用于上芯201。投放工具中心杆502连接芯杆101，推筒503对上芯201产生推力作用下，芯杆101受到对应的拉力；推力和拉力使上芯201与下芯301相向移动。芯杆101与上芯201的连接螺纹、上芯201与锚定套401之间的剪钉403先后被剪断，上芯201在推力作用下继续沿芯杆101在锚定套401内滑动；由于上芯201与下芯301的相对轴向位移，迫使锚定套401径向涨大，锚定齿402嵌入套管501内壁，同时密封环202也产生径向涨大变形，挤压在套管501与所述压裂装置之间的环形空间，实现了密封。上芯201的同轴防退爪205逐渐进入下芯301的同轴变径环槽303内，并发生径向变形，其倒钩锚定在下芯301的同轴变径环槽303的台阶处，使得上芯201、下芯301成为一体，使锚定套401内的上芯201、下芯301不会相对移动。当芯杆101上的拉力达到一定值，芯杆101远端的末端紧固螺钉102通过挤压钢环103剪断剪环104。使用中心杆502牵引芯杆101连同末端紧固螺钉102、钢环103和所述残留内剪环一并从所述压裂装置中抽出，随投放工具一起提出井外。

从井口投入可溶压裂球504，泵送至所述压裂装置上芯201的锥口位置，开始压裂施工。施工后关井，在水液环境中，可溶压裂球504及留在井下的可溶材料制成的零件与水发生反应，全部溶解返排出井口。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。