压裂滑套组件

摘要

本发明涉及一种压裂滑套组件，包括壳体和安装在壳体内的滑爪套、第一滑套以及第二滑套。其中，通过滑爪套上的棘轮结构、定位槽，第一滑套上的定位肋和第二滑套上的转动肋的配合使用可实现压裂滑套组件的打开和关闭。本发明的压裂滑套组件能实现压裂层位数不受限制，并且操作简单，适用范围广。

权利要求

1.一种压裂滑套组件，包括，

壳体，在壳体上布置有第一压裂孔，在壳体下游部分内侧构造有轴向朝向上游延伸并与壳体内壁间隔开的支撑体，在壳体和支撑体之间的间隙中布置有弹性件，固定安装在壳体上游部分内的滑爪套，包括设置在所述滑爪套下游端部的棘轮结构，在每隔一个棘齿凸齿位置处设置有一个在所述棘齿处开口的轴向定位槽，第一滑套，包括第一筒状主体和至少一个设置在第一筒状主体下游部分的定位肋，所述定位肋径向凸出第一筒状主体的周向表面并且沿轴向从第一筒状主体延伸超过其下游边缘，所述第一滑套可动地安装在滑爪套内部的下游部分处，使得所述定位肋以活动方式嵌入滑爪套的定位槽内，可转动的第二滑套，包括第二筒状主体，在所述第二筒状主体上布置有第二压裂孔，所述第二筒状主体的上游端部形成为锯齿结构，锯齿结构的每个凸峰对准所述滑爪套的相应的定位槽并且在所述锯齿结构的每个凸峰位置处设置有沿轴向朝向上游延伸的顶端面为斜面的转动肋，所述第二滑套布置在滑爪套和壳体的支撑体之间，并且所述第二筒状主体的下游部分插入所述壳体和支撑体之间的间隙中并与所述弹性件接触，其中，所述第一滑套的定位肋能与所述第二滑套的转动肋接触或与所述第二滑套的锯齿结构的沿第二滑套的转动方向而升高的斜面接触，所述第二滑套的转动肋还能与滑爪套的棘轮结构接合，当处于初始状态时，弹性件处于未压缩状态，第二滑套的转动肋进入滑爪套的定位槽内并与第一滑套的定位肋的端部接触，这时第二滑套上的第二压裂孔偏离于壳体上的第一压裂孔；

为了打开压裂滑套组件，对第一滑套施加朝向第二滑套的作用力，所述定位肋将转动肋顶出定位槽，使得第二滑套朝向下游运动并且压缩弹性件，导致第二滑套发生转动，从而使得转动肋与棘轮结构的凹槽接合，并且定位肋对准锯齿结构的斜面，此时壳体上的第一压裂孔与第二滑套上的第二压裂孔对齐，从而建立了压裂通道；

为了关闭压裂滑套组件，对第一滑套施加朝向第二滑套的作用力，所述定位肋挤压锯齿结构的斜面使得转动肋与棘轮结构的凹槽分开，导致第二滑套发生转动，使得转动肋进入下一个定位槽内，因此第二滑套上的第二压裂孔偏离壳体上的第一压裂孔，从而关闭了压裂通道。

2.根据权利要求1所述的压裂滑套组件，其特征在于，每个所述棘齿构造为其凸齿离转动方向上的上游侧定位槽比离转动方向上的下游侧定位槽更近，并且所述锯齿结构的各凹谷与相邻的两个转动肋的中心线的距离相等。

3.根据权利要求1或2所述的压裂滑套组件，其特征在于，所述第二滑套的锯齿结构的周向外表面相对于所述转动肋的周向外表面径向向里凹陷。

4.根据权利要求1或2所述的压裂滑套组件，其特征在于，所述转动肋从锯齿结构的每个凸峰的端部朝向上游延伸，所述第二滑套的第二筒状主体的上游部分构造有外径与第一滑套的内径匹配的沿轴向朝向上游延伸的管状体。

5.根据权利要求1所述的压裂滑套组件，其特征在于，所述定位肋、定位槽和转动肋的数量相同。

6.根据权利要求1所述的压裂滑套组件，其特征在于，所述支撑体与壳体成分体结构。

7.根据权利要求1所述的压裂滑套组件，其特征在于，所述定位肋与第一滑套为一体成型，和/或所述转动肋与第二滑套为一体成型。

8.根据权利要求1所述的压裂滑套组件，其特征在于，所述定位肋的与所述转动肋接触的端部构造成尺寸逐渐缩小的形状。

9.根据权利要求1所述的压裂滑套组件，其特征在于，所述压裂滑套组件为全通径。

10.根据上述权利要求中任一项所述的压裂滑套组件在用于压裂地层的压裂装置中的应用。

说明书

压裂滑套组件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种压裂滑套组件，特别涉及一种可反复开关的分段压裂滑套组件。

背景技术

[0002] 滑套式分段压裂技术是非常规油气资源开采的一种重要手段，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。

[0003] 目前，现有技术中的滑套包括投球式滑套、液压式滑套和机械开关式滑套。投球式滑套通常与裸眼封隔器配合使用，滑套外筒和芯管之间为滑动配合，并且在滑套外筒的壁上布置有压裂孔槽。其工作原理是，在井口投放憋压球，当憋压球到达滑套位置时与滑套内的球座形成密封，实现憋压。当压力达到一定值时，剪断销钉，滑套外筒上的压裂孔槽开启建立压裂通道。液压式滑套通常布置在分段压裂管柱的最下一级，其工作原理是，在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，从那在套管内外建立循环，接着进行压裂施工。机械开关式滑套通常需要同压裂管柱一起下入井内，其特点是通过专用的开关工具进行打开和关闭，不需要投憋压球。

[0004] 投球式滑套的压裂级数由接入的滑套的数量决定。由于各级滑套和憋压球的尺寸存在级差，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。此外，投球式滑套采用球和球座的贴合而实现密封，密封接触面小并且对滑套材料的耐压性能要求高，对滑套的加工精度要求也高，增加了制造滑套的难度。

[0005] 液压式滑套不能使用像投球式滑套那样使用，而是只能单独用于一级，且需要与投球式滑套配套使用而完成多级压裂。

[0006] 机械式开关滑套需要通过开关工具实现滑套的开关，这要求滑套和开关工具有较好的配合，同时对开关工具的性能和稳定性要求较高。

[0007] 因此，开发一种压裂层位数不受限制的压裂滑套具有重要的意义。

发明内容

[0008] 针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种压裂滑套组件，其内径无级差从而压裂层数不受限制，并且操作简单。

[0009] 根据本发明，提出了一种压裂滑套组件，包括，

[0010] 壳体，在壳体上布置有第一压裂孔，在壳体下游部分内侧构造有轴向朝向上游延伸并与壳体内壁间隔开的支撑体，在壳体和支撑体之间的间隙中布置有弹性件，[0011] 固定安装在壳体上游部分内的滑爪套，包括设置在所述滑爪套下游端部的棘轮结构，在每隔一个棘齿凸齿位置处设置有一个在所述棘齿处开口的轴向定位槽，[0012] 第一滑套，包括第一筒状主体和至少一个设置在第一筒状主体下游部分的定位肋，所述定位肋径向凸出第一筒状主体的周向表面并且沿轴向从第一筒状主体延伸超过其下游边缘，所述第一滑套可动地安装在滑爪套内部的下游部分处，使得所述定位肋以活动方式嵌入滑爪套的定位槽内，

[0013] 可转动的第二滑套，包括第二筒状主体，在所述第二筒状主体上布置有第二压裂孔，所述第二筒状主体的上游端部形成为锯齿结构，锯齿结构的每个凸峰对准所述滑爪套的相应的定位槽并且在所述锯齿结构的每个凸峰位置处设置有沿轴向朝向上游延伸的顶端面为斜面的转动肋，所述第二滑套布置在滑爪套和壳体的支撑体之间，并且所述第二筒状主体的下游部分插入所述壳体和支撑体之间的间隙中并与所述弹性件接触，[0014] 其中，所述第一滑套的定位肋能与所述第二滑套的转动肋接触或与所述第二滑套的锯齿结构的沿第二滑套的转动方向而升高的斜面接触，所述第二滑套的转动肋还能与滑爪套的棘轮结构接合，

[0015] 当处于初始状态时，弹性件处于未压缩状态，第二滑套的转动肋进入滑爪套的定位槽内并与第一滑套的定位肋的端部接触，这时第二滑套上的第二压裂孔偏离于壳体上的第一压裂孔；

[0016] 为了打开压裂滑套组件，对第一滑套施加朝向第二滑套的作用力，所述定位肋将转动肋顶出定位槽，使得第二滑套朝向下游运动并且压缩弹性件，导致第二滑套发生转动，从而使得转动肋与棘轮结构的凹槽接合，并且定位肋对准锯齿结构的斜面，此时壳体上的第一压裂孔与第二滑套上的第二压裂孔对齐，从而建立了压裂通道；

[0017] 为了关闭压裂滑套组件，对第一滑套施加朝向第二滑套的作用力，所述定位肋挤压锯齿结构的斜面使得转动肋与棘轮结构的凹槽分开，导致第二滑套发生转动，使得转动肋进入下一个定位槽内，因此第二滑套上的第二压裂孔偏离壳体上的第一压裂孔，从而关闭了压裂通道。

[0018] 在本申请中，用语“初始状态”是指在压裂滑套组件打开之前的状态。用语“下游”、“上游”规定为靠近井口为上游，远离井口为下游。用语“未压缩状态”是指弹性件处于还可以被进一步压缩的状态。

[0019] 根据本发明，压裂滑套组件的打开和关闭均不需要投球，从而降低了组件的加工难度。在使用根据本发明的压裂滑套组件时，也不再需要将滑套球座去除，从而缩短了作业周期，降低了作业成本。

[0020] 在一个实施例中，压裂滑套组件为全通径。这意味着，压裂滑套组件内部的没有缩小部分，从而使得压裂层位数不受限制。

[0021] 在一个实施例中，每个棘齿构造为其凸齿离转动方向上的上游侧定位槽比离转动方向上的下游侧定位槽更近，并且锯齿结构的各凹谷与相邻的两个转动肋的中心线的距离相等。

[0022] 在本申请中，用语“转动方向的上游”、“转动方向的下游”规定为逆向转动方向为转动方向的上游，朝向转动方向为转动方向的下游。

[0023] 在一个实施例中，第二滑套的锯齿结构的周向外表面相对于转动肋的周向外表面径向向里凹陷。这种结构使得第二滑套的锯齿结构能够插入到滑爪套的内部，使得在打开压裂滑套组件之前，压裂滑套组件的内腔与外部环境隔离开而防止异物进入压裂滑套组件内腔内。

[0024] 在一个优选的实施例中，转动肋从锯齿结构的每个凸峰的端部朝向上游延伸，第二滑套的第二筒状主体的上游部分构造有外径与第一滑套的内径匹配的沿轴向朝向上游延伸的管状体。

[0025] 带有所述管状体的第二滑套确保不但在打开压裂滑套组件之前压裂滑套组件的内腔与外部环境隔离开，而且即使在打开压裂滑套组件之后压裂滑套组件的内腔仅通过压裂孔与外部环境隔连通。这不但能防止异物进入压裂滑套组件内腔内，还能保证在压裂施工过程中的压裂液不会泄漏进而确保压裂施工能正常进行。

[0026] 在一个实施例中，定位肋、定位槽和转动肋的数量相同。这种结构使得压裂滑套组件的生产、装配和操作更加方便。

[0027] 在一个实施例中，支撑体与壳体成分体结构。这意味着，支撑体与壳体为分开生产然后再装配到一起。支撑体与壳体的分体结构大大简化了根据本发明的压裂滑套组件的装配。

[0028] 在一个实施例中，定位肋与第一滑套为一体成型，和/或所述转动肋与第二滑套为一体成型。这种一个成型的结构使得第一滑套和第二滑套的生产更加简单，并且其载荷承载能力也更强。

[0029] 在一个实施例中，定位肋的与转动肋接触的端部构造成尺寸逐渐缩小的形状。这种结构使得定位肋与转动肋之间的接触面较小以便于对准第二滑套的锯齿结构的斜面。

[0030] 在一个实施例中，弹性件为弹簧。采用弹簧作为弹性件使得压裂滑套组件的生产更为简单，成本也较低。

[0031] 本发明还涉及根据上文所述的压裂滑套组件在用于压裂地层的压裂装置中的应用。

[0032] 与现有技术相比，本发明的优点在于，压裂滑套组件的打开和关闭均不需要投球，从而降低了组件的加工难度。在使用根据本发明的压裂滑套组件时，也不再需要将滑套球座去除，从而缩短了作业周期，降低了作业成本。由于压裂滑套组件为全通径，因此压裂层位数不受限制，并且利于后期作业液体返排及后续工具下入。此外，根据本发明的压裂滑套组件能够将轴向运动转换为转动，因此仅需要在地面施加轴向推力即可实现压裂滑套组件的打开和关闭，大大降低了操作复杂性。本发明的压裂滑套组件不但适用于在裸眼条件下压裂还适用于在固井条件下压裂，应用范围较广。

附图说明

[0033] 在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

[0034] 图1是根据本发明的压裂滑套组件的结构示意图；

[0035] 图2是根据本发明的压裂滑套组件在打开状态的结构示意图；

[0036] 图3是根据本发明的滑爪套的透视图；

[0037] 图4是根据本发明的第一滑套的透视图；

[0038] 图5是根据本发明的第二滑套的第一实施例的透视图；

[0039] 图6是根据本发明的第二滑套的第二实施例的透视图；

[0040] 图7是图3中的棘轮结构和图5或6中的锯齿结构的位置示意图；

[0041] 图8-11是打开和关闭使用图5所示的第二滑套的压裂滑套组件的过程示意图。

[0042] 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。

具体实施方式

[0043] 下面将结合附图对本发明做进一步说明。

[0044] 图1示意性地显示了根据本发明的压裂滑套组件10。压裂滑套组件10包括壳体11和布置在壳体11的下游并且与壳体11相连的接头14。在壳体11上布置有第一压裂孔
18。在一个实施例中，在接头14的外壁上布置有外螺纹，在壳体11下游内壁上布置有相应的内螺纹，以实现接头14与壳体11的连接。在一个优选的实施例中，接头14还包括在其上游端部沿轴向朝向上游延伸的支撑体13。如图1所示，支撑体13处于壳体11的内部并且与壳体11间隔开，优选地在支撑体13与壳体11之间的间隔内布置有弹性件，例如弹簧
12以使得下文所述的第二滑套50、50’能够沿轴向运动。在一个未示出的实施例中，还可以将壳体11与接头14和支撑体13一体形成。

[0045] 压裂滑套组件10还包括如图3所示的滑爪套30。滑爪套30固定连接在壳体11的上游端部内。在一个实施例中，可通过螺纹实现这种连接。在滑爪套30的下游端部设置有棘轮结构36，并且在棘齿凸齿位置每间隔一个棘齿设置有一个沿轴向延伸的定位槽35。如图3所示，定位槽35在棘齿处开口以实现下文所述的压裂滑套组件10的开关运动。

[0046] 压裂滑套组件10还包括如图4所示的第一滑套40。第一滑套40包括第一筒状主体41和定位肋42。定位肋42设置在第一筒状主体41下游部分并且构造为径向凸出第一筒状主体41的周向表面并且沿轴向延伸超过第一筒状主体41的下游边缘。在一个实施例中，第一筒状主体41和定位肋42为一体成型。优选地，定位肋42的下游端部构造成尺寸逐渐缩小的形状。

[0047] 压裂滑套组件10还包括第二滑套。图5显示了第二滑套的第一实施例50。在其中，第二滑套50包括第二筒状主体51和布置在第二筒状主体51的上游端部的锯齿结构52。在第二筒状主体51上布置有第二压裂孔56。锯齿结构52的每个凸峰54对准滑爪套
30的相应的定位槽35并且在每个凸峰54位置设置有沿轴向朝向上游延伸的转动肋59。转动肋59的顶端面为斜面，使得在下文所述的压裂滑套组件10的开关过程中，第二滑套50能受到周向作用力而转动。

[0048] 在图5所示的实施例中还可以看出，转动肋59的斜面式的顶端以平滑方式与锯齿结构52的凹谷55相连。可以理解地是，转动肋59的斜面式的顶端也可以不与锯齿结构52的凹谷55连接而是凸出在锯齿结构52的上游部分。另外，转动肋59的周向外表面与第二筒状主体51的周向外表面处于相同的周向外表面，而锯齿结构52的周向外表面53相对于第二筒状主体51的周向外表面径向向里凹陷使得转动肋59相对于锯齿结构52的周向外表面53呈浮雕状。也就是说，转动肋59和锯齿结构52的周向外表面53处于不同的环形面中。在一个实施例中，第二筒状主体51和转动肋59为一体成型。

[0049] 图6显示了第二滑套的第二实施例50’。第二滑套50’的结构与第二滑套50的结构基本相同，区别在于，转动肋59’从锯齿结构的每个凸峰54’的端部朝向上游延伸，即转动肋59’的斜面式顶端处于较上游的位置而锯齿结构52’的凹谷55’处于较下游的位置，并且转动肋59’斜面式的顶端与凹谷55’为不连接，转动肋59’、锯齿结构52’和第二筒状主体51’的周向外表面处于相同的环形面中；另外第二滑套50’的第二筒状主体51’的上游部分构造有沿轴向朝向上游延伸的管状体60。管状体60的外径与第一滑套40的内径匹配使得转动肋59’、锯齿结构52’呈浮雕状，也就是说管状体60的周向外表面与第二筒状主体51’的周向外表面处于不相同的环形面中。

[0050] 重要地是，第一滑套40的定位肋42构造为能对准与第二滑套50的锯齿结构52的沿第二滑套50的转动方向而升高的斜面。在一个实施例中，相对于第二滑套50的转动方向，每个棘齿构均造为其凸齿离转动方向上的上游侧定位槽比离转动方向上的下游侧定位槽更近。图7示意性地显示了这种结构的棘齿的平面图，其中箭头显示了第二滑套50的转动方向。滑爪套30的棘齿的凸齿37距定位槽35中心线的周向距离L1小于距定位槽35’中心线的周向距离L2，即L1

[0051] 下面根据图1描述压裂滑套组件10在装配状态中的结构，这里第二滑套选择为图5所示的第二滑套50。壳体11与接头14连接在一起形成压裂滑套组件10的圆筒形状。优选地，在将壳体11与接头14连接之前，在接头14的支撑体13的外侧壁上布置弹性件12，这样在将壳体11装配之后，弹性件12恰好处于壳体11和支撑体13之间的间隙中。按照从下游到上游的顺序，在壳体11内依次布置了第二滑套50、第一滑套40以及滑爪套30。应注意地是，滑爪套30与壳体11固定连接。第一滑套40以活动式安装滑爪套30内，并且其定位肋42以活动方式嵌入滑爪套30的定位槽35中。第二滑套50转动肋59进入滑爪套
30的定位槽35内并与第一滑套40的定位肋42的端部接触，第二滑套50的第二筒状主体
51的下游部分插入壳体11和支撑体13之间的间隙中并与弹性件12接触。在一个优选的实施例中，定位肋42、定位槽35和转动肋59的数量相同，这会使得装配过程更加简单，也会方便后面的操作。

[0052] 多个根据本发明的压裂滑套组件10可用于在压裂地层的压裂装置中。在这种应用中，压裂滑套组件10为全通径从而压裂层位数不受限制。

[0053] 下面将根据图1、2和图8-11描述压裂滑套组件10的打开过程和关闭过程。在其中，第二滑套选择为图5所示的第二滑套50。

[0054] 在初始状态时，弹性件12处于未压缩状态而将第二滑套50顶起。第二滑套50的转动肋59进入滑爪套30的定位槽35内并与第一滑套40的定位肋42的端部接触，如图8所示。这时，第二滑套50的锯齿结构53插入在滑爪套30内，并且第二滑套50上的第二压裂孔56偏离壳体11上的第一压裂孔18。

[0055] 打开压裂滑套组件10时，对第一滑套40施加朝向第二滑套50的作用力。在此作用力下，定位肋42将转动肋59顶出定位槽35。由于转动肋59的顶端面为斜面，因此在第二滑套50朝向下游运动的同时还受到周向力，并且因此实现了第二滑套50的周向转动，在此阶段中弹性件12被压缩，如图9所示。当转动肋59移开定位槽35后，即会与到棘齿斜面34接触。在弹性件12的张力作用和棘齿斜面34的引导作用下，第二滑套50继续转动直到转动肋59与滑爪套30棘轮结构的凹槽接合，而定位肋42对准锯齿结构的斜面52，如图10所示。这时，壳体11上的第一压裂孔18与第二滑套50上的第二压裂孔56对齐从而建立压裂通道，如图2所示。

[0056] 关闭压裂滑套组件10时，对第一滑套40施加朝向第二滑套50的作用力。在此作用力下，定位肋42挤压锯齿结构的斜面52，第二滑套50朝向下游运动使得转动肋59与棘轮结构的凹槽分开，并且在锯齿结构的斜面52的作用下，第二滑套50同时发生转动，如图11所示。当第二滑套50移开棘轮结构的凹槽后，即会与棘齿的下一斜面接触，并且在弹性件12的张力作用和棘齿该斜面34的引导作用下，第二滑套50继续转动直到转动肋59进入下一个定位槽（未示出）内，弹性件12也恢复为未压缩状态。这时，第二滑套50上的第二压裂孔56偏离壳体11上的第一压裂孔18，从而关闭压裂通道，压裂滑套组件10返回到图
8的状态。

[0057] 虽然已经参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。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。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。