本發(fā)明涉及石油勘探開發(fā)領域，特別涉及一種投球式壓裂滑套。本發(fā)明還涉及由多個這種壓裂滑套串聯(lián)在一起形成的壓裂管柱。

背景技術：

隨著油氣田勘探開發(fā)的深入，低滲、特低滲致密油氣田大量被發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。在這種油氣田的開發(fā)中，分段壓裂開采過程中非常重要的過程，并且為了廣泛開采，壓裂級數(shù)呈現(xiàn)大幅度增長態(tài)勢。

通常的分段壓裂方法是投球式滑套分段壓裂，該方法通過投球式滑套壓裂裝置、裸眼封隔器、憋壓球等工具來實現(xiàn)，其中投球式滑套壓裂裝置是該分段壓裂的核心裝置之一。目前，投球式滑套分段壓裂的實施方法為從井口投入逐級投入不同尺寸的憋壓球，當憋壓球落入到滑套的球座位置后，打開相應的滑套并對該層進行壓裂施工，最終實現(xiàn)多段壓裂。

投球式滑套分段壓裂技術成熟，設備也較為簡單，因此應用很廣泛。但是，在這種投球式滑套分段壓裂技術中，球座和憋壓球設計為從井底至井口，直徑必須從小到大滿足一定的級差，以使得每一級憋壓球僅能打開一級滑套，進行一級壓裂。由此，分段壓裂段數(shù)及施工規(guī)模會因球座直徑的受限而大幅受限。

因此，急需一種能夠用于壓裂級數(shù)不受憋壓球和球座尺寸限制的壓裂裝置。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出了一種投球式壓裂滑套。根據(jù)本發(fā)明的投球式壓裂滑套，能夠使用同一規(guī)格的憋壓球打開多級滑套，使得壓裂級數(shù)不受限制憋壓球和球座尺寸的限制。另外，本發(fā)明還提出了包括這種投球式壓裂滑套的壓裂管柱。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面的投球式壓裂滑套，包括，外管，在外管上設置有第一壓裂孔，在外管的內(nèi)壁上在第一壓裂孔的上游構(gòu)造有沿軸向間隔分布的多個內(nèi) 槽，與多個內(nèi)槽中的任一個形成接合的中空的變級體，變級體能被推動向下游運動并與下游相鄰的內(nèi)槽形成接合，能滑動地設置在外管內(nèi)的內(nèi)套，內(nèi)套通過剪釘與外管相連，在內(nèi)套上設置有能與第一壓裂孔對齊的第二壓裂孔，在內(nèi)套與外管相重疊區(qū)域內(nèi)存在有至少一個內(nèi)槽，在外管的內(nèi)壁的處于內(nèi)套下游的區(qū)域構(gòu)造有一個球座槽，在球座槽內(nèi)設置有彈性球座，在彈性球座被推動到球座槽之外后直徑會變小。投球式壓裂滑套構(gòu)造為，變級體與一個內(nèi)槽接合并且在變級體與內(nèi)套之間存在有至少一個內(nèi)槽，所投入的每個憋壓球能在壓力下穿過變級體、內(nèi)套和彈性球座的同時推動變級體向下游運動，當變級體與內(nèi)套相接觸后，剪釘被剪斷，憋壓球推動變級體和內(nèi)套向下游運動，在第二壓裂孔與第一壓裂孔對齊后，彈性球座被內(nèi)套推動到球座槽之外，憋壓球坐入直徑變小的彈性球座內(nèi)，建立壓裂通道。

根據(jù)本發(fā)明的投球式壓裂滑套，在外管的內(nèi)壁上設置多個內(nèi)槽并且安裝變級體，使得在壓裂通道建立之前，多個相同規(guī)格憋壓球都能夠穿過變級體、內(nèi)套和彈性球座，并且僅在建立壓裂通道之后才封住滑套。由此，在使用本發(fā)明的投球式壓裂滑套進行壓裂時，壓裂級數(shù)就不受限制憋壓球和球座尺寸的限制。

在一個實施例中，變級體包括安裝在外管內(nèi)的一個移動套，在移動套上沿軸向設置有兩排通孔，在兩排通孔內(nèi)活動式安裝有擋塊，并且在任一位置僅一排的擋塊與一個內(nèi)槽接合，以使得變級體能與一個內(nèi)槽接合。當擋塊與內(nèi)槽接合時，擋塊徑向向外凸出以使憋壓球穿過；當擋塊移出內(nèi)槽時，擋塊徑向向里凸出以使憋壓球與擋塊坐接而推動變級體向下游運動。在這種結(jié)構(gòu)中，移動套整體式帶動兩排擋塊運動，確保了擋塊與內(nèi)槽的接合方式。優(yōu)選地，每排擋塊包括沿變級體的周向均勻布置的至少三個擋塊，以穩(wěn)定支撐憋壓球。

在一個實施例中，擋塊構(gòu)造成具有尺寸大于通孔的卡接臺和尺寸小于通孔的凸起，凸起能穿過相應的通孔而運動，卡接臺處于移動套和外管之間并且與內(nèi)槽相匹配。當卡接臺凸出到內(nèi)槽的內(nèi)部時，擋塊與內(nèi)槽形成接合；當卡接臺移出內(nèi)槽時，擋塊移出內(nèi)槽。在一個優(yōu)選的實施例中，內(nèi)槽的下游邊緣構(gòu)造成朝向下游傾斜的斜面，卡接臺的下游邊緣構(gòu)造為與內(nèi)槽的下游邊緣相匹配的斜面。這種形式的內(nèi)槽和卡接臺有助于卡接臺或擋塊順利地從內(nèi)槽內(nèi)滑出。

在一個實施例中，球座槽的下游邊緣構(gòu)造成朝向下游傾斜的斜面，彈性球座為帶缺口的環(huán)形件并且其下游邊緣構(gòu)造為與球座槽的下游邊緣相匹配的斜面。這 種形狀的彈性球座不但具有較大的彈性以易于從球座槽中滑出，而且能夠穩(wěn)定地承接憋壓球并可盡量減小憋壓球和彈性球座之間的間隙，由此提高壓裂時的升壓速度。

在一個實施例中，還包括相鄰地設置在移動套下游的一個移位卡簧，移位卡簧能與多個內(nèi)槽中的任一個形成接合，在其被推動到內(nèi)槽之外后直徑會變小。當移位卡簧與內(nèi)槽接合時，憋壓球能穿過移位卡簧，當移位卡簧移出內(nèi)槽時，憋壓球與移位卡簧坐接而推動移位卡簧向下游運動，在移位卡簧與內(nèi)套接觸后，憋壓球會推動變級體、移位卡簧和內(nèi)套向下游運動直到第二壓裂孔與第一壓裂孔對齊。移位卡簧可與內(nèi)套與外管的重疊區(qū)域內(nèi)的一個內(nèi)槽接合并阻擋內(nèi)套意外朝向上游運動而使壓裂通道關閉。

在一個實施例中，內(nèi)槽的下游邊緣構(gòu)造成朝向下游傾斜的斜面，移位卡簧為帶缺口的環(huán)形件并且其下游邊緣構(gòu)造為與內(nèi)槽的下游邊緣相匹配的斜面。

在一個實施例中，憋壓球的材質(zhì)為Al或Al-Mg合金。這種材質(zhì)的憋壓球能夠在井下環(huán)境中自然降解，避免了在壓裂施工之后的鉆除作業(yè)。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面的壓裂管柱，其包括多個上文所述的投球式壓裂滑套。該多個投球式壓裂滑套彼此串聯(lián)在一起，并且上游的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套之間的內(nèi)槽的數(shù)量大于下游的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套之間的內(nèi)槽的數(shù)量。在向本發(fā)明的這種壓裂管柱內(nèi)投入多個憋壓球后，處于下游的投球式壓裂滑套先打開，處于上游的投球式壓裂滑套后打開，但是投球式壓裂滑套的數(shù)量并不受憋壓球和彈性球座的尺寸的限制，只需要將外管上的內(nèi)槽的數(shù)量構(gòu)造為投球式壓裂滑套的數(shù)量相匹配。因此，使用者可根據(jù)需要來構(gòu)造具有不同數(shù)量的投球式壓裂滑套的壓裂管柱，而無需考慮憋壓球和彈性球座的尺寸。

在一個優(yōu)選的實施例中，上游的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套之間的內(nèi)槽的數(shù)量與下游相鄰的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套之間的內(nèi)槽的數(shù)量之差為1，并且最末端的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套相鄰。由此，每投入一個憋壓球，就能使一個投球式壓裂滑套的第一壓裂孔和第二壓裂孔對齊并且建立一個壓裂通道，這大大提高了施工效率。

在本申請中，用語“下游”、“上游”、“下部”以及“上部”規(guī)定為靠近井口為上，遠離井口為下。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)根據(jù)本發(fā)明的投球式壓裂滑套， 在外管的內(nèi)壁上設置多個內(nèi)槽并且安裝變級體，使得在壓裂通道建立之前，多個相同規(guī)格憋壓球都能夠穿過變級體、內(nèi)套和彈性球座，并且僅在建立壓裂通道之后才封住滑套。這樣，壓裂級數(shù)就不受限制憋壓球和球座尺寸的限制。(2)在建立壓裂通道之后，能夠通過變級體防止壓裂通道意外關閉，保證了壓裂施工能順暢進行。(3)使用發(fā)明的投球式壓裂滑套和壓裂管柱進行壓裂施工的快速、可靠性高，施工周期短，而且壓裂結(jié)束后憋壓球可在井內(nèi)降解，無需鉆除作業(yè)。

附圖說明

在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明進行更詳細的描述。其中：

圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的投球式壓裂滑套的第一實施例。

圖2示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的投球式壓裂滑套的第二實施例。

圖3到9示意性地顯示了本發(fā)明第二實施例的投球式壓裂滑套的使用過程。

圖10示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的彈性球座的結(jié)構(gòu)。

圖11示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的移位卡簧的結(jié)構(gòu)。

圖12是圖2中B區(qū)域的放大視圖。

圖13示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的投球式壓裂滑套建立壓裂通道時的狀態(tài)。

附圖并未按照實際的比例。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的投球式壓裂滑套100(以下簡稱為滑套100)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，滑套100包括外管7，在外管7上設置有第一壓裂孔21。在外管7的內(nèi)壁上在第一壓裂孔21的上游構(gòu)造有多個內(nèi)槽15，這些內(nèi)槽15在軸向上間隔分布，也就是說在相鄰的內(nèi)槽15之間存在有間隔區(qū)14。與間隔區(qū)14相比，內(nèi)槽15為凹陷。

在外管7內(nèi)還設置有內(nèi)套8，在內(nèi)套8上設置有第二壓裂孔16。在初始狀態(tài)中，內(nèi)套8和外管7通過剪釘10相連，并且第一壓裂孔21被內(nèi)套8覆蓋且第二壓裂孔16處于第一壓裂孔21的上游。因此，在初始狀態(tài)中，沒有建立壓裂通道。當剪釘10被剪斷后，內(nèi)套8朝向下游運動，使得第二壓裂孔16與第一壓裂孔21， 這樣才能夠建立壓裂通道。具體過程見下文詳細描述。應注意地是，在初始狀態(tài)中，在內(nèi)套8與外管7相重疊區(qū)域內(nèi)存在有至少一個內(nèi)槽，例如內(nèi)槽15a。內(nèi)槽15a與其余的內(nèi)槽15的結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同，但是在建立壓裂通道的過程中，內(nèi)槽15a還具有其他作用，見下文描述。為此，這里對內(nèi)槽15a使用不同的附圖標記，僅是為了便于描述。

在外管7的內(nèi)壁的處于內(nèi)套8下游的區(qū)域構(gòu)造有一個球座槽18，在球座槽18內(nèi)可設置彈性球座11。如圖10所示，彈性球座11為帶缺口的環(huán)形件，以使得易于將其沿徑向壓縮。從整體來看，彈性球座11為手鐲形狀。在初始狀態(tài)中，彈性球座11安裝在球座槽18內(nèi)。當內(nèi)套8向下游運動時，會將彈性球座11從球座槽18中推出，因此彈性球座11受外管7的擠壓而直徑變小。優(yōu)選地，球座槽18的下游邊緣構(gòu)造成朝向下游傾斜的斜面，而彈性球座11的下游邊緣與球座槽18的下游邊緣相匹配。

在外管7內(nèi)還設置有一個變級體17。變級體17可與多個內(nèi)槽15中的任一個形成接合。在變級體17被往下游推動時，還可以與下游相鄰的內(nèi)槽形成接合，應注意地是，在任一位置僅與一個內(nèi)槽接合。

在圖1所示的實施例中，變級體17包括移動套3和擋塊4。如圖12顯示了這種移動套3和擋塊4的結(jié)構(gòu)。移動套3構(gòu)造為圓柱形筒，在移動套3上沿軸向設置有兩排通孔5，擋塊4則分別活動式安裝在通孔5中。這里的用語“兩排”是指通孔5沿移動套3的周向分布成兩個圓。為了方便起見，將處于下游的擋塊稱之為下?lián)鯄K19，將處于上游的擋塊稱之為上擋塊20。下?lián)鯄K19和上擋塊20完全相同，這里仍以擋塊4來描述其結(jié)構(gòu)。擋塊4具有尺寸大于通孔5的卡接臺41和尺寸小于通孔5的凸起42。這樣凸起42可穿過通孔5而運動，卡接臺41處于移動套3和外管7之間，以避免擋塊4從通孔5中掉落?？ń优_41還構(gòu)造為與內(nèi)槽15的尺寸向匹配。這樣，在任一位置僅一排的擋塊與一個內(nèi)槽接合，以使得變級體17與一個內(nèi)槽接合。

當卡接臺41進入到內(nèi)槽15內(nèi)時，擋塊4與內(nèi)槽15相接合，相對的擋塊之間的距離就增大了。當卡接臺14移出內(nèi)槽15時，擋塊4也就移出內(nèi)槽15，相對的擋塊之間的距離就減小了。如圖12所示，優(yōu)選地，內(nèi)槽15的下游邊緣構(gòu)造成朝向下游傾斜的斜面，而卡接臺41的下游邊緣與內(nèi)槽15的下游邊緣相匹配；更優(yōu)選地，在移動套3的外表面上還構(gòu)造有與卡接臺41相匹配的槽120，以使得當 卡接臺14移出內(nèi)槽15后，能完全縮回到槽120內(nèi)。這樣，移動套3的外表面就形成了整體式的滑動表面而易于沿著外管7滑動。

如上文所述，在初始狀態(tài)中(即圖1)，內(nèi)套8和外管7通過剪釘10相連，并且第一壓裂孔21被內(nèi)套8覆蓋且第二壓裂孔16處于第一壓裂孔21的上游。彈性球座11安裝在球座槽18內(nèi)。變級體17與一個內(nèi)槽接合并且在變級體17與內(nèi)套8之間存在有至少一個內(nèi)槽。在一個具體實施例中，如圖1所示，下?lián)鯄K19偏離內(nèi)槽15，而上擋塊20與內(nèi)槽15接合。用語“初始狀態(tài)”是指在投入憋壓球之前內(nèi)套8、外管7以及變級體17的狀態(tài)。

在投入第一個憋壓球13后，憋壓球13與下?lián)鯄K19坐接。在壓力下，推動變級體17向下游運動。當下?lián)鯄K19運動到與下一個內(nèi)槽15接合時，上擋塊20移出內(nèi)槽并且憋壓球13則運動穿過內(nèi)套8和彈性球座11。隨后，可繼續(xù)投入憋壓球，直到變級體17與內(nèi)套8相接觸。在壓力下，剪釘10被剪斷，憋壓球22推動變級體17和內(nèi)套8向下游運動。在第二壓裂孔16與第一壓裂孔21對齊后，彈性球座11被內(nèi)套8推動到球座槽18之外，這時憋壓球22坐入直徑變小的彈性球座18內(nèi)，從而建立壓裂通道，如圖13所示。

由此可知在整個過程中，所有的憋壓球的尺寸都相等，也就是說，建立壓裂通道的過程不需要不同尺寸的憋壓球。

下面來描述本發(fā)明第二實施例的投球式壓裂滑套200(以下簡稱為滑套200)。滑套200的結(jié)構(gòu)與滑套100的結(jié)構(gòu)基本相同，這里僅描述兩者的不同之處。如圖2所示，滑套200還包括相鄰地設置在移動套3下游相鄰內(nèi)槽中的一個移位卡簧6。移位卡簧6的寬度與內(nèi)槽15的尺寸相匹配，以使得其能與多個內(nèi)槽中的任一個形成接合。另外，移位卡簧6具有較大的厚度，以使得其與內(nèi)槽接合時，仍然能夠凸出高于內(nèi)套8，但是其厚度小于彈性球座18的厚度。如圖11所示，移位卡簧6為帶缺口的環(huán)形件形式，以使得易于將其沿徑向壓縮。移位卡簧6能夠在壓力下被推出當前的內(nèi)槽而向下運動直到與下游相鄰的內(nèi)槽接合，甚至在此之后能夠被進一步推向下游。為此，移位卡簧6的下游邊緣構(gòu)造為與內(nèi)槽15的下游邊緣相匹配的斜面，以有助于移位卡簧6的運動。

在初始狀態(tài)中，移位卡簧6安裝在處于變級體17下游相鄰的一個內(nèi)槽15中。當變級體17向下游運動時，會將移位卡簧6從內(nèi)槽15中推出，因此移位卡簧6受外管7的擠壓而直徑變小。當然，當變級體17進一步向下游運動時，還會將 移位卡簧6推入到下一級的內(nèi)槽15中，這時移位卡簧6的直徑會再次變大。

在移位卡簧6與內(nèi)套8接觸后，在壓力下移變級體17、移位卡簧6和內(nèi)套8三者會被推動向下游運動，直到第二壓裂孔16與第一壓裂孔21對齊。此時，移位卡簧6與內(nèi)槽15a接合，這樣移位卡簧6就會在軸向上阻擋內(nèi)套8逆向向上游運動。

下面，根據(jù)圖3-9來詳細描述滑套200的使用過程。

在初始狀態(tài)中(即圖3)，內(nèi)套8和外管7通過剪釘10相連，并且第一壓裂孔21被內(nèi)套8覆蓋且第二壓裂孔16處于第一壓裂孔21的上游。彈性球座11安裝在球座槽18內(nèi)。變級體17與一個內(nèi)槽接合并且在變級體17與內(nèi)套8之間存在有至少一個內(nèi)槽。具體來說，如圖3所示，下?lián)鯄K19偏離內(nèi)槽15，而上擋塊20與內(nèi)槽15接合。移位卡簧6安裝在變級體17下游相鄰的內(nèi)槽內(nèi)。

在投入第一個憋壓球131后，憋壓球131與下?lián)鯄K19坐接。在壓力下，憋壓球131推動變級體17向下游運動。當下?lián)鯄K19運動到與下游內(nèi)槽15接合時，上擋塊20移出內(nèi)槽并且移位卡簧6被推出內(nèi)槽，這時由移位卡簧6承接憋壓球131，如圖4所示。在壓力下，憋壓球131繼續(xù)推動移位卡簧6向下游運動，直到移位卡簧6再次與下游的內(nèi)槽接合時，憋壓球131運動穿過內(nèi)套8和彈性球座11，如圖5所示。

隨后，可繼續(xù)投入下一個憋壓球132，憋壓球132與上擋塊20坐接，如圖6所示。在壓力下，憋壓球132推動變級體17向下游運動。當上擋塊20運動到與下游的內(nèi)槽接合時，下?lián)鯄K20移出內(nèi)槽，此時憋壓球132與下?lián)鯄K19坐接，并推動變級體17和移位卡簧6繼續(xù)向下游運動，如圖7所示。在移位卡簧6被推出內(nèi)槽后，移位卡簧6承接憋壓球132。當移位卡簧6與再下游的內(nèi)槽接合后，憋壓球132運動穿過內(nèi)套8和彈性球座11，這個過程未以圖示出。

接下來，再次投入一個憋壓球133。憋壓球133的運動過程與憋壓球131、132的運動過程大體類似，下面僅描述不同之處。如圖8所示，憋壓球133推動移位卡簧6推出內(nèi)槽并向下游運動到與內(nèi)套8相接觸。繼續(xù)施加壓力，剪釘10被剪斷，憋壓球133推動移位卡簧6和內(nèi)套8向下游運動。在第二壓裂孔16與第一壓裂孔21對齊后，彈性球座11被內(nèi)套8推動到球座槽18之外，這時憋壓球133坐入直徑變小的彈性球座11內(nèi)，從而建立壓裂通道，如圖9所示。在圖9所示的情況中，移位卡簧6與內(nèi)槽15a接合，這樣移位卡簧6就會在軸向上阻擋 內(nèi)套8逆向向上游運動。

由此可知，在整個過程中，所有的憋壓球的尺寸都相等，也就是說，建立壓裂通道的過程不需要不同尺寸的憋壓球。

應理解地是，圖3到9僅示意性地描述了建立一個壓裂通道的過程。當變級體17與內(nèi)套8之間的內(nèi)槽數(shù)量更多時，需要投入更多的憋壓球來建立壓裂通道，而憋壓球、變級體、移位卡簧、內(nèi)套以及彈性球座的運動過程與上文描述相同。

根據(jù)本發(fā)明的壓裂管柱可包含多個根據(jù)上文所述的投球式壓裂滑套，并且并且上游的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套之間的內(nèi)槽的數(shù)量大于下游的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套之間的內(nèi)槽的數(shù)量。例如，上游的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套之間的內(nèi)槽的數(shù)量與下游相鄰的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套之間的內(nèi)槽的數(shù)量之差為1，并且最末端的投球式壓裂滑套的變級體與內(nèi)套相鄰。這樣，每投入一個憋壓球，就能建立一個壓裂通道，這大大提高了施工效率。

雖然，沒有以具體的實施例來描包括這種壓裂管柱的工作過程，但是對于本領域的技術人員來說，所有滑套的動作過程均可根據(jù)圖1到13以及相應的文字說明而得知。例如，來自上游滑套的憋壓球可看做為投入下游滑套的憋壓球。為了簡單起見，這里不再贅述。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個實施例中所提到的各項技術特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術方案。