一种可关闭式压裂、排采一体化管柱及其施工方法

技术领域

本发明属于完井作业施工管柱，尤其是含水量高的油气储层，特别涉及一种可关闭式压裂、排采一体化管柱及其施工方法。

背景技术

随着低渗气田的不断开发，气水同层井不断增加，出水井也越来越普遍，有的气田区块部分储层存在含水率高的问题，压后油气井测试及后期排水采气的需求越来越大。

目前分层压裂改造及生产管柱主要采用喷砂滑套与封隔器的组合，喷砂滑套开启后无法关闭，对出水比较严重的气层，需要起出管柱，再进行出水层的封堵，起管柱过程中不仅会污染其他产气层，同时也增加施工成本。目前关闭滑套基本都是与套管配合下入，后期通过连续管油管带开关工具进行关闭，施工周期较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可关闭式压裂、排采一体化管柱及其施工方法，用于实现每个层位单独压裂、单独测试、单独生产，当某一层出水严重，影响压裂井产量时，可直接将出水层对应的滑套关闭，在不影响压裂井产量的同时，缩短施工周期，降低施工成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可关闭式压裂、排采一体化管柱，管柱由下至上顺次连接有座封球座、底部坐封压裂控制单元、多组上部压裂排采控制单元、安全接头,底部坐封压裂控制单元由下至上依次由封隔器、水力锚、带单向泄流功能的可开关喷砂滑套构成，上部压裂排采控制单元由下至上依次由封隔器、水力锚、利用投球控制的可开关喷砂滑套构成，各工具之间通过油管连接。

所述带单向泄流功能的可开关喷砂滑套包括依次连接的上接头、单流阀、中心管、下接头，在中心管中部四周开有若干个用来作为液体流动通道的喷砂孔，中心管外壁上套有外滑套，初始状态下，外滑套挡住喷砂孔，使喷砂孔与喷砂滑套外界不通，在喷砂滑套内壁的上接头和中心管之间设置有球座，球座挡住单流阀使单流阀关闭；球座包括上滑套、下滑套和第一开口环，下滑套上部外壁设有台阶用于固定剪环，中间外壁开有环形槽用于安装第一开口环，上滑套插在下滑套上部台阶的固定剪环上，在上滑套外壁套有锁环，下滑套和锁环可拆卸地安装在上滑套的内壁和外壁两侧，使球座固定在喷砂滑套内壁上；外滑套包括外筒、外筒接头和第二开口环，外筒上部四周开有若干个通孔用来安装剪钉，外筒内壁设有斜面台阶用来受力，外筒接头可拆卸的安装在外筒下部，外筒接头内壁设有环形槽用于安装第二开口环；中心管的上部内壁开有上环形槽，当剪环剪短后球座下行，下滑套外壁安装的第一开口环落入上环形槽中，固定球座，中心管的下部外壁开有下环形槽，当剪钉剪短后，外滑套下行，外筒接头内壁安装的第二开口环落入下环形槽中，固定外滑套。

所述单流阀由阀体、阀芯、第一弹簧和顶盖组成，阀体上开有阶梯孔用于装配阀芯、第一弹簧和顶盖，阶梯孔靠近阀体内壁的一端为小径端，靠近阀体外壁的一端为大径端，顶盖中心开有贯穿孔用于装配阀芯，中心的贯穿孔四周还开有若干个贯穿孔用来作为液体流动的通道，阀芯的外壁上部形成有凸台，凸台上方的部分插装在阶梯孔的小径端内，凸台插装在阶梯孔的大径端，凸台下方的部分匹配插装在顶盖中心的贯穿孔中，阀芯凸台下方的部分的外壁装有第一弹簧，第一弹簧一端顶到阀芯凸台的表面，另一端顶到顶盖的表面，顶盖与阀体阶梯孔大径端内壁通过螺纹连接，同时外壁通过点焊锁死，阀芯与阶梯孔采用胶圈密封。

所述中心管上部四周开有若干个非通孔用来安装剪钉，在中心管和外滑套之间还安装有用于为外滑套下行提供辅助力的第二弹簧，所述上接头与单流阀、单流阀与中心管、中心管与下接头通过螺纹连接，并用顶丝固定；所述上接头与单流阀、单流阀与球座、单流阀与中心管、球座与中心管、中心管与外筒和中心管与下接头采用胶圈密封；所述喷砂孔的外部开有八字形环形槽，中心管八字形环形槽上部的外径大于下部的外径，八字形环形槽与外筒内壁的斜面台阶相对。

所述利用投球控制的可开关喷砂滑套包括依次连接的上接头、外滑套、中心管、下接头，在上接头内壁与中心管内壁之间连接有上球座，位于上球座下方，在中心管内壁设置有下球座，上球座内壁设有第一凸台，第一凸台的上下两端分别开有若干个贯穿孔用来作为液体流动的通道；外滑套内壁设有第二凸台，第二凸台上开有胶圈槽，第二凸台顶在上球座外壁的上部和下部贯穿孔之间，外滑套下部开有用来作为压裂液流动通道的若干第一喷砂孔，外滑套的下端内壁开有环形槽用于安装第一开口环，外滑套的上端开有若干通孔用于安装第一剪钉；中心管上端开有若干用来作为压裂液流动通道的第二喷砂孔，中心管与外滑套安装后，第二喷砂孔与外滑套的第一喷砂孔正对，下球座固定后正好挡住第二喷砂孔，在下球座内壁设有斜面，可溶球能够坐封于斜面上，起到密封的作用，下球座下端外壁还开有环形槽用于安装第二开口环，中心管中部开有若干通孔用来安装固定下球座的第二剪钉，中心管下端外壁开有外环形槽，第一剪钉剪短，外滑套下移时，外环形槽用于固定第一开口环，外环形槽下部的中心管下端内壁开有内环形槽，第二剪钉剪短，下球座下移时，内环形槽用于固定第二开口环。

所述上接头与上球座、上球座与中心管、中心管与下接头通过螺纹连接；所述上接头与外滑套、上球座与外滑套、中心管与外滑套、中心管与下球座、中心管与下接头都采用胶圈密封；所述下球座外壁开有若干非通孔，与中心管的通孔匹配安装第二剪钉；所述上接头外壁开有若干非通孔，与外滑套上端的通孔匹配安装第一剪钉。

所述上球座内壁的第一凸台处的流道尺寸比下球座内壁斜面处流道尺寸要大，使用于开启滑套时的可溶球顺利通过。

上述可关闭式压裂、排采一体化管柱的施工方法，包括下列顺序步骤：

(1)根据油气井的储层情况，准备相应数量的座封球座、封隔器、水力锚、带单向泄流功能的可开关喷砂滑套、利用投球控制的可开关喷砂滑套和安全接头，全部工具在油管上连接，使其形成可关闭式压裂、排采一体化管柱；

(2)将组装好的压裂-排采一体化管柱下入油气井的井筒中，使管柱每一层的滑套喷砂口与油气井内的储层段位置对应；

(3)向油管中投入可溶球，以一定排量将可溶球送到座封球座上；

(4)向油管中打液压，当压力达到设定值时，封隔器坐封，稳压一定时间，验封；

(5)继续向油管中打液压，当压力达到带单向泄流功能的可开关喷砂滑套打开压力时，滑套打开，加砂打开地层，连通井筒和地层，压裂施工；

(6)压裂施工结束后，对第一层进行试气，检验地层是否出水，如果地层出水，进行下一步，如果地层不出水，直接进行步骤(8)；

(7)向油管中投入可溶球，以一定排量将可溶球送到带单向泄流功能的可开关喷砂滑套的球座上，油管打压，当压力达到滑套关闭压力时，剪断球座外部的剪环，球座下行，封堵滑套喷砂孔，关闭滑套；

(8)向油管中投入可溶球，以一定排量将可溶球送到下一层利用投球控制的可开关喷砂滑套的下球座上；向油管中打压，当压力达到滑套打开压力时，剪断下球座上的剪钉，打开滑套，加砂打开地层，连通井筒和地层，压裂施工；

(9)压裂施工结束后，对这一层进行试气，检验地层是否出水，如果地层出水，进行下一步，如果地层不出水，直接进行步骤(11)；

(10)向油管中投入可溶球，以一定排量将可溶球送到利用投球控制的可开关喷砂滑套的上球座上，油管打压，当压力达到滑套关闭压力时，剪断外滑套上的剪钉，外滑套下行，封堵滑套喷砂孔，关闭可溶球送到利用投球控制的可开关喷砂滑套；

(11)重复步骤(7)-(10)，完成多有层段的压裂；

(12)试气投产。

在每层段试气的过程中，步骤(3)和步骤(8)投入的可溶球必须完全溶解。

当带单向泄流功能的可开关喷砂滑套关闭后，输送可溶球的液体通道为油管-单流阀-地层。

本发明的有益效果是：针对认识不清楚的储层，特别是存在含水量高的储层，采用分层测试开采的压裂、排采一体化管柱，管柱配套可关闭式压裂滑套、永久式封隔器等工具，在生产过程中，可以实现每个层位单独压裂、单独测试、单独生产，当某一层出水严重，影响压裂井产量时，可直接将出水层对应的滑套关闭，在不影响压裂井产量的同时，缩短施工周期，降低施工成本。

附图说明

图1本发明的可关闭式压裂、排采一体化管柱示意图。

图2本发明带单向泄流功能的可开关喷砂滑套结构示意图。

图3是图2中锁环和剪环局部放大图。

图4是本发明的利用投球控制的可开关喷砂滑套结构示意图。

图5为本发明带单向泄流功能的可开关喷砂滑套开启示意图。

图6为本发明带单向泄流功能的可开关喷砂滑套关闭示意图。

图7为本发明利用投球控制的可开关喷砂滑套开启示意图。

图8为本发明利用投球控制的可开关喷砂滑套关闭示意图。

图中，51.座封球座，52.封隔器，53.水力锚，54.带单向泄流功能的可开关喷砂滑套，55.利用投球控制的可开关喷砂滑套，56.安全接头,57.油管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的可关闭式压裂、排采一体化管柱，管柱由下至上顺次连接有座封球座51、底部坐封压裂控制单元、多组上部压裂排采控制单元、安全接头56,底部坐封压裂控制单元由下至上依次由封隔器52、水力锚53、带单向泄流功能的可开关喷砂滑套54构成，上部压裂排采控制单元由下至上依次由封隔器52、水力锚53、利用投球控制的可开关喷砂滑套55构成，各工具之间通过油管57连接。

如图2、3所示，所述带单向泄流功能的可开关喷砂滑套54包括依次连接的上接头21、单流阀、中心管33、下接头38，在中心管33中部四周开有若干个用来作为液体流动通道的喷砂孔40，中心管33外壁上套有外滑套，初始状态下，外滑套挡住喷砂孔40，使喷砂孔40与喷砂滑套外界不通，在喷砂滑套内壁的上接头21和中心管33之间设置有球座，球座挡住单流阀使单流阀关闭；球座包括上滑套23、下滑套31和第一开口环30，下滑套31上部外壁设有台阶用于固定剪环25，中间外壁开有环形槽用于安装第一开口环30，上滑套插在下滑套31上部台阶的固定剪环25上，在上滑套23外壁套有锁环24，下滑套31和锁环24可拆卸地安装在上滑套23的内壁和外壁两侧，使球座固定在喷砂滑套内壁上；外滑套包括外筒34、外筒接头36和第二开口环37，外筒34上部四周开有若干个通孔用来安装剪钉32，外筒内壁设有斜面台阶用来受力，外筒接头36可拆卸的安装在外筒34下部，外筒接头内壁设有环形槽用于安装第二开口环37；中心管33的上部内壁开有上环形槽39，当剪环25剪短后球座下行，下滑套外壁安装的第一开口环30落入上环形槽39中，固定球座，中心管的下部外壁开有下环形槽41，当剪钉剪短后，外滑套下行，外筒接头内壁安装的第二开口环27落入下环形槽41中，固定外滑套。

所述单流阀由阀体29、阀芯28、第一弹簧27和顶盖26组成，阀体29上开有阶梯孔用于装配阀芯28、第一弹簧27和顶盖26，阶梯孔靠近阀体29内壁的一端为小径端，靠近阀体外壁的一端为大径端，顶盖26中心开有贯穿孔用于装配阀芯28，中心的贯穿孔四周还开有若干个贯穿孔用来作为液体流动的通道，阀芯的外壁上部形成有凸台，凸台上方的部分插装在阶梯孔的小径端内，凸台插装在阶梯孔的大径端，凸台下方的部分匹配插装在顶盖中心的贯穿孔中，阀芯凸台下方的部分的外壁装有第一弹簧27，第一弹簧一端顶到阀芯凸台的表面，另一端顶到顶盖的表面，顶盖26与阀体29阶梯孔大径端内壁通过螺纹连接，同时外壁通过点焊锁死，阀芯与阶梯孔采用胶圈密封。

所述中心管33上部四周开有若干个非通孔用来安装剪钉32，在中心管33和外滑套之间还安装有用于为外滑套下行提供辅助力的第二弹簧35，所述上接头与单流阀、单流阀与中心管、中心管与下接头通过螺纹连接，并用顶丝22固定；所述上接头与单流阀、单流阀与球座、单流阀与中心管、球座与中心管、中心管与外筒和中心管与下接头采用胶圈密封；所述喷砂孔40的外部开有八字形环形槽，中心管33八字形环形槽上部的外径大于下部的外径，八字形环形槽与外筒内壁的斜面台阶相对。

如图4所示，所述利用投球控制的可开关喷砂滑套55包括依次连接的上接头1、外滑套3、中心管5、下接头10，在上接头1内壁与中心管5内壁之间连接有上球座4，位于上球座4下方，在中心管5内壁设置有下球座6，上球座4内壁设有第一凸台，第一凸台的上下两端分别开有若干个贯穿孔11用来作为液体流动的通道；外滑套3内壁设有第二凸台，第二凸台上开有胶圈槽，第二凸台顶在上球座外壁的上部和下部贯穿孔11之间，外滑套3下部开有用来作为压裂液流动通道的若干第一喷砂孔12，外滑套3的下端内壁开有环形槽用于安装第一开口环8，外滑套3的上端开有若干通孔用于安装第一剪钉2；中心管5上端开有若干用来作为压裂液流动通道的第二喷砂孔13，中心管5与外滑套3安装后，第二喷砂孔13与外滑套的第一喷砂孔12正对，下球座6固定后正好挡住第二喷砂孔13，在下球座6内壁设有斜面，可溶球能够坐封于斜面上，起到密封的作用，下球座下端外壁还开有环形槽用于安装第二开口环9，中心管中部开有若干通孔用来安装固定下球座的第二剪钉7，中心管下端外壁开有外环形槽14，第一剪钉2剪短，外滑套3下移时，外环形槽14用于固定第一开口环8，外环形槽14下部的中心管下端内壁开有内环形槽15，第二剪钉7剪短，下球座6下移时，内环形槽15用于固定第二开口环9。

所述上接头1与上球座4、上球座4与中心管5、中心管5与下接头10通过螺纹连接；所述上接头1与外滑套3、上球座4与外滑套3、中心管5与外滑套3、中心管5与下球座6、中心管5与下接头10都采用胶圈密封；所述下球座6外壁开有若干非通孔，与中心管的通孔匹配安装第二剪钉7；所述上接头1外壁开有若干非通孔，与外滑套5上端的通孔匹配安装第一剪钉2。

所述上球座4内壁的第一凸台处的流道尺寸比下球座6内壁斜面处流道尺寸要大，使用于开启滑套时的可溶球顺利通过。

具体地说，可关闭式压裂、排采一体化管柱由下至上顺次连接有座封球座、封隔器、水力锚、带单向泄流功能的可开关喷砂滑套、若干对所述配套使用的封隔器、水力锚和利用投球控制的可开关喷砂滑套、安全接头，上述各工具之间通过油管连接。

如图5-8所示，本发明的压裂方法，包括如下步骤：

(1)根据油气井的储层情况，准备相应数量的座封球座、封隔器、水力锚、带单向泄流功能的可开关喷砂滑套、利用投球控制的可开关喷砂滑套和安全接头，将全部工具按压裂设计如图1连接在一起后与油管连接。

(2)将组装好的压裂-排采一体化管柱下入油气井的井筒中，使管柱每一层的滑套喷砂口与油气井内的储层段位置对应；

(3)向油管57中投入可溶球，以一定排量将可溶球送到座封球座51上；

(4)向油管57中打液压，当压力达到设定值15MPa时，稳压3分钟，压力不降继续提高压力到20Mpa，稳压3分钟，压力不降，封隔器52坐封；

(5)继续向油管57中打液压，液体通过中心管33上的喷砂孔40进入中心管33和外筒34之间，当压力达到滑套打开压力25Mpa时，外筒34与中心管33之间的剪钉32被剪短，外筒34下行，此时，带单向泄流功能的可开关喷砂滑套54打开，然后向油管57加砂，石英砂从喷砂孔40射出，打开地层，进行压裂施工；

(6)压裂施工结束后，对第一层(最底层)进行试气，检验地层是否出水，如果地层出水，进行下一步，如果地层不出水，直接进行步骤(8)；

(7)向油管57中投入可溶球，以一定排量将可溶球送到带单向泄流功能的可开关喷砂滑套54的球座上，油管57打压，当压力达到带单向泄流功能的可开关喷砂滑套54关闭压力15MPa时，球座外部的剪环25被剪断，球座下行，滑套喷砂孔40被封堵，关闭带单向泄流功能的可开关喷砂滑套54，打开单流阀；

(8)向油管57中投入可溶球，以一定排量将可溶球送到第二层的利用投球控制的可开关喷砂滑套55的下球座6上；向油管57中打压，当压力达到利用投球控制的可开关喷砂滑套55打开压力15MPa时，下球座6与中心管5之间的剪钉7被剪断，下球座6下行，滑套的喷砂孔13、12被打开，向油管57中加砂，石英砂从喷砂孔13、12射出，打开地层，进行压裂施工；

(9)压裂施工结束后，对这一层进行试气，检验地层是否出水，如果地层出水，进行下一步，如果地层不出水，直接进行步骤(11)；

(10)向油管57中投入可溶球，以一定排量将可溶球送到利用投球控制的可开关喷砂滑套55的上球座4上，油管57打压，液体通过上球座4上部的贯通孔11进入上球座4和外滑套3之间，当压力达到利用投球控制的可开关喷砂滑套55关闭压力15Mpa时，外滑套3上的剪钉2被剪断，外滑套3下行，滑套的喷砂孔13被封堵，关闭利用投球控制的可开关喷砂滑套55；

(11)重复步骤(7)-(10)，完成多有层段的压裂；

(12)试气投产。

本发明的带单向泄流功能的可开关喷砂滑套的特点是：

1.当滑套关闭时，单流阀为输送下一层可溶球提供液体通道。

2.滑套采用外部打开，内部关闭。

3.通过液压差剪断外筒固定在中心管上的剪钉，外筒下行，打开滑套。

4.通过投入可溶球，可溶球坐封在球座上，打压剪断球座外部的剪环，推动球座向下移动，封堵滑套的喷砂孔，关闭滑套，打开单流阀。

本发明的利用投球控制的可开关喷砂滑套的特点是：

1.滑套采用内部打开，外部关闭。

2.上球座必须有上贯通孔和下贯通孔，当可溶球座封在上球座上时，液体流动的路线为内部-上贯通孔-下贯通孔-内部。

3.通过投入可溶球，可溶球坐封在下球座上，打压剪断下球座与中心管之间的剪钉，下球座下行，打开滑套。

4.通过投入可溶球，可溶球坐封在上球座上，液体从上球座上部的贯通孔进入外滑套和上球座之间，打压剪断外滑套和上接头之间的剪钉，推动外滑套向下移动，封堵滑套的喷砂孔，关闭滑套。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。