CN105003226B - 电液双控储能式压裂完井开关及开关控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电液双控储能式压裂完井开关，包括自上而下依次连接的上接头、中心管、传压外筒、滑套外筒、外护套、下接头，所述中心管上设置储能装置，所述滑套外筒内部设置滑套系统，所述滑套外筒和外护套内部设置液压传动系统，所述中心管、传压外筒、滑套外筒均开设相连通的传压孔，所述储能装置、滑套系统、液压传动系统通过传压孔相连通。所述滑套外筒下半部分与外护套之间还设置控制驱动系统。本发明解决了常规的投球滑套分段压裂，由于球座的存在，分层级数受限，并对油井产量造成影响，且不具备后期控制开采和选择性开采等问题。

Description

电液双控储能式压裂完井开关及开关控制方法

技术领域

本发明涉及分段压裂完井工艺，具体地说是电液双控储能式压裂完井开关及开关控制方法。

背景技术

分段压裂完井工艺是提高油田开发效果的重要手段，不仅实现了油井的稳产,还能有效缓解层间矛盾，提高最终采收率。特别是在分段压裂完井的过程中，准确、及时封闭流向下层的液流通道，是分段压裂完井工艺中关键的一步。

近几年，裸眼投球滑套分段压裂、管内泵送桥塞分段压裂等技术得到了广泛应用，也取得了较好的应用效果。但随着应用规模的扩大、应用领域的拓展，现有技术暴露出一些不适应性。对于投球打开滑套的压裂方式，由于受施工管柱和工具设计尺寸的限制，仅能完成有限级数的分层压裂改造,同时，低密度球及小通径球座的存在，对井筒管流造成影响，增加流动阻力，导致油井产量降低。对于管内泵送桥塞分段压裂方式，需要通过电缆作业逐级下入桥塞射孔、压裂及压裂后钻除桥塞，施工周期较长，动用设备多，费用高，后期钻塞作业还可能对油层产生二次污染。目前采用的分层压裂技术，一般不具备后期控制开采和选择性开采的功能。近些年，国内外许多科研院所和研究机构都在致力于开发新的压裂完井工艺，以满足现场的技术需求。

发明内容

本发明的目的在于提供电液双控储能式压裂完井开关及开关控制方法，解决了常规的投球滑套分段压裂，由于球座的存在，分层级数受限，并对油井产量造成影响，且不具备后期控制开采和选择性开采等问题。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，电液双控储能式压裂完井开关，包括自上而下依次连接的上接头、中心管、传压外筒、滑套外筒、外护套、下接头，所述中心管上设置储能装置，所述滑套外筒内部设置滑套系统，所述滑套外筒和外护套内部设置液压传动系统，所述中心管、传压外筒、滑套外筒均开设相连通的传压孔，所述储能装置、滑套系统、液压传动系统通过传压孔相连通。

所述滑套外筒下半部分与外护套之间还设置控制驱动系统，所述控制驱动系统包括控制装置、高温电池组及电磁换向阀，控制装置由无线接收装置、控制器组成，控制装置、高温电池组安装在滑套外筒与外护套围成的前空腔内，电磁换向阀安装在滑套外筒与外护套围成的后空腔内，电磁换向阀的两个出口分别与滑套外筒上半部分开设的两个传压孔连接，一个进口与滑套外筒下半部分开设的传压孔连接，控制装置与电磁换向阀通过信号管线连接，信号管线布置在滑套外筒与外护套围成的侧方环形槽内。

所述液压传动系统包括油腔、下活塞，油腔是由滑套外筒底部、外护套和下接头围成的空腔，外护套上下分别与滑套外筒和下接头通过螺纹连接，滑套外筒的上部厚臂内沿轴向开有两个传压孔，下部厚臂内沿轴向开有一个传压孔，滑套外筒上部外壁上沿径向开有出液口，下接头内壁上沿径向开有进液口。

所述储能装置包括充氮装置、氮气腔、压缩弹簧、压缩螺母、上活塞，充氮装置由自上而下依次连接的充氮接头、球座、密封球、推杆及充氮弹簧组成，安装在中心管厚壁内的预制孔内，传压外筒的上部与中心管的上部通过螺纹连接，形成的空腔为氮气腔，内部设置有压缩弹簧、上活塞，压缩弹簧顶端套有压缩螺母，弹簧底部设置上活塞，压缩螺母用于预紧压缩弹簧，氮气压力及弹簧预紧力都作用在上活塞上，储能装置是用于给滑套系统提供关闭动力。

所述滑套系统包括滑套、上油腔、下油腔、防转销钉，所述上、下油腔是由滑套及滑套外筒围成的两个空腔，两个空腔分别与滑套外筒上部厚臂内沿轴向开设的两个传压孔相连通，上油腔还与氮气腔相连通，滑套内壁上沿径向开有进液口。

为了达成上述另一目的，本发明采用了如下技术方案，该完井开关的控制方式采用电控，通过投入信号球发送无线信号指令来控制完井开关的开关状态，驱动方式采用电、液联合驱动，控制方法的实现过程为：

初始状态：电磁换向阀处于关闭状态，进液口关闭，两个出液口连通，滑套两端油腔通过压力管线和滑套外筒上面的两个传压孔，以及电磁换向阀处于连通状态，两端压力平衡，滑套不动作，完井开关处于关闭状态；

电液双控储能式压裂完井开关打开过程：完井开关内的控制驱动系统接到打开指令后，控制电磁换向阀，阀芯动作，传动系统油腔与滑套下油腔连通，当管内压力达到剪钉剪断压力时，剪钉被剪断，管内压力推动下活塞向上移动，油腔内的压力油进入滑套下油腔推动滑套上移，滑套上油腔内的压力油通过传压外筒上的传压孔进入到氮气腔下面腔室，推动上活塞上移，压缩弹簧和氮气实现压力存储，完成储能过程，完井开关出液口打开，进行压裂施工；

电液双控储能式压裂完井开关关闭过程：压裂施工结束后管内压力降低，氮气腔内压力大于管内压力，推动上活塞下移，压力油进入到滑套上油腔，推动滑套下移，滑套下油腔内的压力油回流到传动系统油腔，完井开关出液口封闭，之后控制驱动系统接到关闭指令，控制电磁换向阀复位，关闭进液口，完井开关恢复到初始关闭状态，开关状态不受管内压力影响；

重复上诉操作可实现完井开关多次开关操作。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

该电液双控储能式压裂完井开关，采用全通径设计，分层级数不受限制。开关状态采用电控方式，可重复开关，满足后期选择性开采等要求。驱动方式采用电、液联合驱动，电磁换向阀采用电力驱动，用于开关滑套上下油腔进液通道，阀芯采用压力平衡式设计，阀芯动作只需要克服摩擦力，操作动力较小，可以选择较小尺寸的电磁阀，满足在狭小空间的安装要求，滑套开关操作采用液压驱动，驱动动力较大，有利于滑套上下移动，保证滑套开关动作的可靠性。

附图说明

图1是电液双控储能式压裂完井开关的结构示意图；

图2是图1的I处局部放大图；

图3是压裂完井开关截面A-A的剖面图；

图4是压裂完井开关截面B-B的剖面图；

图5是压裂完井开关截面C-C的剖面图；

图6是压裂完井开关控制装置的结构示意图；

图7是电磁换向阀关闭状态原理图；

图8是电磁换向阀开启状态原理图。

图中，上接头1、充氮装置2、压缩螺母3、弹簧4、中心管5、活塞6、传压外筒7、传压孔8、滑套9、上油腔10、下油腔11、传压孔12、传压孔13、出液口14、防转销钉15、滑套外筒16、高温电池组17、控制装置18、进液口19、电磁换向阀20、信号管线21、传压孔22、油腔23、下活塞24、进液口25、剪钉26、下活塞固定环27、外护套28、下接头29、空腔30、环形槽31、空腔32。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

根据图1-8所示，电液双控储能式压裂完井开关，主要由上接头1、中心管5、传压外筒7、滑套外筒16、外护套28、下接头29及内部设置的储能装置、液压传动系统、控制驱动系统及滑套系统组成。

储能装置包括充氮装置2、氮气腔、弹簧4、压缩螺母3、上活塞6。充氮装置2由充氮接头2-1、球座2-2、密封球2-3、推杆2-4及弹簧2-5组成，安装在中心管5厚壁内的预制孔内，传压外筒7的上部与中心管5的上部通过螺纹连接，形成的空腔为氮气腔，内部设置有压缩螺母3、弹簧4、上活塞6，压缩螺母3用于预紧弹簧4，氮气压力及弹簧预紧力都作用在上活塞6上。储能装置是用于给滑套9提供关闭动力。

液压传动系统包括油腔及压力油23、压力管线及传压孔12、13、22、传压孔8、下活塞24，油腔是由滑套外筒16、外护套28和下接头29围成的空腔，外护套28上下与滑套外筒16和下接头29通过螺纹连接，滑套外筒16的上部厚臂内沿轴向开有两个传压孔12、13，下部厚臂内沿轴向开有一个传压孔22，上部外壁上沿径向开有出液口14，下接头29内壁上沿径向开有进液口25。

控制驱动系统包括控制装置18、高温电池组17及电磁换向阀20，控制装置18、高温电池组17安装在滑套外筒16与外护套28围成的空腔32内，电磁换向阀20安装在滑套外筒16与外护套28围成的空腔30内，电磁换向阀20的两个出口分别与传压孔12、13连接，一个进口与传压孔22连接，控制装置18与电磁换向阀20通过信号管线21连接，信号管线21布置在环形槽31内。控制装置18由无线接收装置18-1、控制器18-2组成，无线接收装置18-1用于接收无线控制信号，控制器18-2用于控制电磁阀的动作，无线接收装置18-1的信号输出端连接控制器18-2的信号输入端，控制器18-2的信号输出端连接电磁换向阀20。其中的控制器和接收装置均为现有市场能直接购得的产品，在此就不再展开赘述。

滑套系统包括滑套9、滑套外筒16、上油腔10、下油腔11、防转销钉15，上、下油腔是由滑套9及滑套外筒16围成的空腔，与传压孔12、13相连通，上油腔10还与氮气腔相连通，滑套9内壁上沿径向开有进液口19。

电液双控储能式压裂完井开关的控制方法的实现过程为：

初始状态：电磁换向阀20的阀芯处于图6所示位置，进液口关闭，两个出液口连通，滑套9两端油腔10、11通过传压孔12、13，以及电磁换向阀20处于连通状态，两端压力平衡，滑套9不动作，完井开关处于关闭状态。

打开过程：压裂完井开关内的控制驱动系统接到打开指令后，控制电磁换向阀20，阀芯移动到图7所示位置，传动系统油腔23通过传压孔22、13及电磁换向阀20进出口压力管线与滑套下油腔11连通，管内压力通过进液口25作用在下活塞24上，当管内压力达到剪钉26剪断压力时，剪钉被剪断，管内压力推动下活塞24向上移动，油腔23内的压力油进入滑套9下油腔11推动滑套9上移，滑套9上的进液口19与滑套外筒16上的出液口14连通，上油腔10内的压力油通过传压孔8进入到氮气腔推动上活塞6上移，压缩弹簧4和氮气实现压力存储，完井开关被打开。

关闭过程：压裂施工结束后管内压力降低，氮气腔内压力大于管内压力，推动上活塞6下移，压力油进入到滑套上油腔10，推动滑套9下移，滑套下油腔11内的压力油回流到传动系统油腔23，完井开关出液口封闭，之后控制驱动系统接到关闭指令，控制电磁换向阀复位，关闭电磁换向阀进液口，完井开关恢复到初始关闭状态，开关状态不受管内压力影响。重复上诉操作可实现完井开关多次开关操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。

Claims (5)

1.电液双控储能式压裂完井开关，其特征在于，包括自上而下依次连接的上接头、中心管、传压外筒、滑套外筒、外护套、下接头，所述中心管上设置储能装置，所述滑套外筒内部设置滑套系统，所述滑套外筒和外护套内部设置液压传动系统，所述中心管、传压外筒、滑套外筒均开设相连通的传压孔，所述储能装置、滑套系统、液压传动系统通过传压孔相连通；

所述储能装置包括充氮装置、氮气腔、压缩弹簧、压缩螺母、上活塞，充氮装置由自上而下依次连接的充氮接头、球座、密封球、推杆及充氮弹簧组成，安装在中心管厚壁内的预制孔内，传压外筒的上部与中心管的上部通过螺纹连接，形成的空腔为氮气腔，内部设置有压缩弹簧、上活塞，压缩弹簧顶端套有压缩螺母，压缩弹簧底部设置上活塞，压缩螺母用于预紧压缩弹簧，氮气压力及弹簧预紧力都作用在上活塞上，储能装置是用于给滑套系统提供关闭动力。

2.根据权利要求1所述的电液双控储能式压裂完井开关，其特征在于，所述滑套外筒下半部分与外护套之间还设置控制驱动系统，所述控制驱动系统包括控制装置、高温电池组及电磁换向阀，控制装置、高温电池组安装在滑套外筒与外护套围成的前空腔内，电磁换向阀安装在滑套外筒与外护套围成的后空腔内，电磁换向阀的两个出口分别与滑套外筒上半部分开设的两个传压孔连接，电磁换向阀的一个进口与滑套外筒下半部分开设的传压孔连接，控制装置与电磁换向阀通过信号管线连接，信号管线布置在滑套外筒与外护套围成的侧方环形槽内。

3.根据权利要求1所述的电液双控储能式压裂完井开关，其特征在于，所述液压传动系统包括油腔、下活塞，油腔是由滑套外筒底部、外护套和下接头围成的空腔，外护套上下分别与滑套外筒和下接头通过螺纹连接，滑套外筒的上部厚臂内沿轴向开有两个传压孔，下部厚臂内沿轴向开有一个传压孔，滑套外筒上部外壁上沿径向开有完井开关出液口，下接头内壁上沿径向开有第二进液口。

4.根据权利要求1所述的电液双控储能式压裂完井开关，其特征在于，所述滑套系统包括滑套、上油腔、下油腔、防转销钉，所述上、下油腔是由滑套及滑套外筒围成的两个空腔，两个空腔分别与滑套外筒上部厚臂内沿轴向开设的两个传压孔相连通，上油腔还与氮气腔相连通，滑套内壁上沿径向开有第一进液口。

5.电液双控储能式压裂完井开关控制方法，其特征在于，该完井开关的控制方式采用电控，通过投入信号球发送无线信号指令来控制完井开关的开关状态，驱动方式采用电、液联合驱动，控制方法的实现过程为：

初始状态：电磁换向阀处于关闭状态，电磁换向阀的一个进口关闭，电磁换向阀的两个出口连通，滑套两端油腔通过压力管线和滑套外筒上面的两个传压孔，以及电磁换向阀处于连通状态，两端压力平衡，滑套不动作，完井开关处于关闭状态；

电液双控储能式压裂完井开关打开过程：完井开关内的控制驱动系统接到打开指令后，控制电磁换向阀，阀芯动作，传动系统油腔与滑套下油腔连通，当管内压力达到剪钉剪断压力时，剪钉被剪断，管内压力推动下活塞向上移动，油腔内的压力油进入滑套下油腔推动滑套上移，滑套上油腔内的压力油通过传压外筒上的传压孔进入到氮气腔下面腔室，推动上活塞上移，压缩弹簧和氮气实现压力存储，完成储能过程，完井开关出液口打开，进行压裂施工；

电液双控储能式压裂完井开关关闭过程：压裂施工结束后管内压力降低，氮气腔内压力大于管内压力，推动上活塞下移，压力油进入到滑套上油腔，推动滑套下移，滑套下油腔内的压力油回流到传动系统油腔，完井开关出液口封闭，之后控制驱动系统接到关闭指令，控制电磁换向阀复位，关闭电磁换向阀的一个进口，完井开关恢复到初始关闭状态，开关状态不受管内压力影响；

重复上述操作能够实现完井开关多次开关操作。