本發(fā)明涉及低滲透儲層改造技術領域，特別涉及一種射孔/壓裂/封隔一體化裝置及其多級壓裂工藝管柱。

背景技術：

我國油氣藏復雜、多樣，低滲透油氣資源豐富，中國石油油氣生產(chǎn)和工程技術服務企業(yè)立足油田，開展了卓有成效的壓裂技術攻關，形成了各具特色的壓裂技術。近年來，直井、水平井多級分層壓裂技術在低滲透儲層、薄層、多層的壓裂改造中發(fā)揮著重要的作用，已經(jīng)成為低滲透油氣資源開發(fā)、提高單井油氣產(chǎn)量的主體技術。

目前，分層壓裂施工主要采用“封隔器+滑套”分層壓裂、不動管柱水力噴射水力封隔分層壓裂和油管拖動水力噴射分層壓裂方式。其中，“封隔器+滑套”分層壓裂管柱施工前需要進行射孔，易對油氣層造成污染；不動管柱水力噴射分層壓裂管柱層間水力封隔效果無法得到保證；拖動管柱水力噴射分層壓裂管柱施工周期較長，作業(yè)不連續(xù)，噴嘴長時間工作后射孔效率低，封隔器反復座封、解封，封隔器易失效。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種無需提前射孔且能夠一趟管柱實現(xiàn)射孔、壓裂、封隔的射孔/壓裂/封隔一體化裝置。

本發(fā)明的另一目的是提供一種采用上述射孔/壓裂/封隔一體化裝置構成的多級壓裂工藝管柱。

為此，本發(fā)明技術方案如下：

一種射孔/壓裂/封隔一體化裝置，包括外筒和螺紋連接在所述外筒底端內(nèi)壁上的中心管；

在所述外筒內(nèi)側自上而下設置有依次連接的上爪簧球座、內(nèi)筒和下爪簧球座，且三者通過沿圓周方向設置在所述內(nèi)筒和所述外筒上的多個第二剪切銷釘固定在所述外筒上；在設置有所述內(nèi)筒處的外筒外壁上沿圓周方向開設有多個壓裂通道，所述壓裂通道通過設置在所述外筒內(nèi)側的內(nèi)筒封閉；

所述內(nèi)筒外壁上加工有一環(huán)形凹槽，沿所述外筒圓周方向設置的多個第一剪切銷釘穿出所述外筒側壁并位于所述環(huán)形凹槽的底部，使所述第二剪切銷釘被剪斷后，上爪簧球座、內(nèi)筒和下爪簧球座能夠下移一段距離并通過環(huán)形凹槽對所述第一剪切銷釘?shù)南尬欢Ｖ估^續(xù)下行；

所述上爪簧球座和下爪簧球座均包括中心開設有通孔的本體，所述本體一端端部外壁上設有環(huán)形凸緣，且自同一端端面沿軸向開設有多道沿所述本體圓周方向均布的割縫，使所述上爪簧球座上部形成有能夠收縮和釋放的多瓣爪結構；所述上爪簧球座的環(huán)形凸緣位于頂部，所述下爪簧球座的環(huán)形凸緣位于底部；在所述外筒內(nèi)壁上開設有一與所述上爪簧球座的環(huán)形凸緣相適應的第一環(huán)形凹槽，所述上爪簧球座的環(huán)形凸緣設置在所述第一環(huán)形凹槽內(nèi)，使所述上爪簧球座處于釋放狀態(tài)，所述下爪簧球座為收縮狀態(tài)；

在所述外筒內(nèi)壁上還開設有與所述第一環(huán)形凹槽深度一致的第二環(huán)形凹槽，且所述第二環(huán)形凹槽頂部鄰近所述下爪簧球座底部設置，當所述第二剪切銷釘剪斷后，依次連接的上爪簧球座、內(nèi)筒和下爪簧球座下行，使所述上爪簧球座變換為收縮狀態(tài)，所述下爪簧球座變換為釋放狀態(tài)；所述第二環(huán)形凹槽的軸向長度與所述內(nèi)筒和所述下爪簧球座的軸向長度相適應；

在所述外筒內(nèi)壁上且位于所述第二環(huán)形凹槽下方設置有內(nèi)滑套，所述內(nèi)滑套通過沿圓周方向設置的多個第三剪切銷釘固定在所述外筒上；在所述外筒的側壁上開設有多個沿圓周方向分布的噴嘴，用于進行水力噴砂射孔作業(yè)；在外筒內(nèi)壁上且位于所述噴射孔下方開設有至少2條沿圓周方向均布的徑向盲孔，自所述外筒底端沿軸向開設有與徑向盲孔數(shù)量一致且沿圓周方向均布的軸向盲孔，每條所述徑向盲孔與每條所述軸向盲孔分別一一對應并形成連通構成封隔器進液通道；所述中心管外側套裝有膠筒；所述膠筒的頂面抵在所述外筒的底面上。

進一步地，所述上爪簧球座和所述下爪簧球座在釋放狀態(tài)下的內(nèi)徑均大于所述內(nèi)滑套的內(nèi)徑；所述上爪簧球座和所述下爪簧球座在收縮狀態(tài)時內(nèi)徑與所述內(nèi)滑套的內(nèi)徑一致。

進一步地，所述外筒頂端螺紋連接有用于連接油管的上接頭；所述中心管底端螺紋連接有用于連接油管的下接頭。

進一步地，所述膠筒兩端外壁均向內(nèi)凹陷形成有用于套裝第一膠筒保護套和第二膠筒保護套的環(huán)形臺階，使所述第一膠筒保護套內(nèi)側形成的環(huán)形凸臺的下端面和所述第二膠筒保護套內(nèi)側形成的環(huán)形凸臺的上端面分別壓配在所述膠筒兩端外壁上的環(huán)形臺階的端面上。

進一步地，所述第二膠筒保護套下側外壁向內(nèi)凹陷形成有環(huán)形臺階，所述第二膠筒保護套下側外壁向內(nèi)凹陷形成有環(huán)形臺階，所述第二膠筒保護套外側套裝有一滑動密封套且所述滑動密封套上側與所述第二膠筒保護套螺紋連接固定，使所述滑動密封套頂端抵在所述第二膠筒保護套外壁的環(huán)形臺階下端面上；所述滑動密封套下側內(nèi)壁向內(nèi)凹陷形成有環(huán)形臺階，所述滑動密封套內(nèi)側套裝并固定有一限位環(huán)，使所述限位環(huán)頂端抵在所述滑動密封套下側內(nèi)壁的環(huán)形臺階的下端面上；所述下接頭外壁下側向內(nèi)凹陷形成有環(huán)形臺階且凹陷處的外徑與所述的限位環(huán)的內(nèi)徑相適應；所述下接頭外側套裝并固定有一背帽，所述背帽頂端抵在所述滑動密封套和所述限位環(huán)的底面上。

一種采用上述射孔/壓裂/封隔一體化裝置構成的多級壓裂工藝管柱，包括依次設置的多個射孔/壓裂/封隔一體化裝置、噴砂滑套、常開式水力噴射器、單流閥、篩管和導向頭；各個所述射孔/壓裂/封隔一體化裝置、噴砂滑套、水力噴射器和單流閥之間通過油管相互連接。

進一步地，距離井口最近的所述射孔/壓裂/封隔一體化裝置頂端通過多根依次連接的油管延伸至井口處，在油管之間還連接有一安全接頭。

進一步地，每個所述射孔/壓裂/封隔一體化裝置中的所述上爪簧球座和所述下爪簧球座在相同狀態(tài)下的內(nèi)徑一致；多個所述射孔/壓裂/封隔一體化裝置中的上爪簧球座和所述下爪簧球座的內(nèi)徑自鄰近井口處至靠近井底處依次減小，且每個所述射孔/壓裂/封隔一體化裝置均配有兩個直徑一致的壓裂球，且壓裂球的直徑與上爪簧球座、下爪簧球座和內(nèi)滑套的內(nèi)徑相適應。

與現(xiàn)有技術相比，該射孔/壓裂/封隔一體化裝置通過先后兩次投入相同尺寸的球完成所對應水力噴射器、封隔器和噴砂滑套的逐級開啟，不影響分段級數(shù)；每個水力噴射器只進行對應層段的射孔作業(yè)，射孔效率高；通過噴砂滑套進行壓裂施工，不影響施工排量；封隔器依次座封，承壓時間短，密封效果更加可靠，且可實時監(jiān)測套管壓力(地層壓力)變化，能有效地預防砂堵；施工上層時，下層封隔器自動解封，管柱易起出；采用多個該射孔/壓裂/封隔一體化裝置組裝成的多級壓裂工藝管柱能夠一趟管柱實現(xiàn)射孔、壓裂、機械封隔一體化，操作簡單、安全、可靠，避免了射孔時的油氣層污染，縮短了施工周期，降低了作業(yè)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的射孔/壓裂/封隔一體化裝置的結構示意圖；

圖2為圖1局部放大示意圖；

圖3為本發(fā)明的多級壓裂工藝管柱的結構示意圖；

圖4為向本發(fā)明的射孔/壓裂/封隔一體化裝置投第一個壓裂球的結構示意圖；

圖5為本發(fā)明的射孔/壓裂/封隔一體化裝置內(nèi)上爪簧球座下行收縮、下爪簧球座下行釋放后第一個壓裂球下行至內(nèi)滑套處的結構示意圖；

圖6為本發(fā)明的射孔/壓裂/封隔一體化裝置內(nèi)的第一個壓裂球帶動內(nèi)滑套下行至中心管處的結構示意圖；

圖7為向本發(fā)明的射孔/壓裂/封隔一體化裝置投第二個壓裂球的結構示意圖；

圖8為本發(fā)明的射孔/壓裂/封隔一體化裝置內(nèi)上爪簧球座下行至壓裂通道打開狀態(tài)下的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明，但下述實施例絕非對本發(fā)明有任何限制。

如圖1所示，該射孔/壓裂/封隔一體化裝置包括自上而下依次螺紋連接的上接頭301、外筒310、中心管315和下接頭317；其中，上接頭301螺紋連接在外筒310的頂端內(nèi)側，下接頭317螺紋連接在中心管315的底端外側，上接頭301和下接頭317分別用于與裝置上方和下方的油管連接；

在外筒310內(nèi)側自上而下設置有依次連接的上爪簧球座302、內(nèi)筒303和下爪簧球座306，三者一體成型；依次連接的上爪簧球座302、內(nèi)筒303和下爪簧球座306通過沿圓周方向均勻設置在內(nèi)筒303和外筒310上的4～6個第二剪切銷釘305固定在外筒310上；

在位于第二剪切銷釘305上方的內(nèi)筒303外壁上加工有一環(huán)形凹槽，沿外筒310圓周方向設置的4～6個第一剪切銷釘304穿出外筒310側壁并位于環(huán)形凹槽的底部，使第二剪切銷釘305被剪斷后，依次連接的上爪簧球座302、內(nèi)筒303和下爪簧球座306能夠進行第一次下行，且下行距離與環(huán)形凹槽軸向高度相等，通過環(huán)形凹槽頂端壁面對第一剪切銷釘304的限位而停止下行；

在位于第一剪切銷釘304上方的外筒310外壁上沿圓周方向開設有六個使裝置內(nèi)外形成連通的壓裂通道318；由于壓裂通道318設置在有內(nèi)筒303封堵的位置上，因此在初始狀態(tài)下，內(nèi)筒303將進液孔318全部封閉，阻止井內(nèi)液體內(nèi)外流通；壓裂通道318距離內(nèi)筒303頂端的距離大于內(nèi)筒303外壁上的環(huán)形凹槽的軸向長度，使內(nèi)筒303第一次下行后依然封堵進液孔318；為保證該結構處的密封性良好，在內(nèi)筒303的靠近頂端和底端的外壁處各加工有一個內(nèi)置有密封圈的環(huán)形凹槽；所述第一剪切銷釘304的剪切力大于所述第二剪切銷釘305的剪切力；

上爪簧球座302和下爪簧球座306均包括中心開設有通孔的本體，其一端外壁上設有環(huán)形凸緣，且自同一端端面沿軸向開設有多道沿本體圓周方向均布的割縫，使上爪簧球座302上部形成有能夠受到外界作用而收縮和釋放的多瓣爪結構；上爪簧球座302的環(huán)形凸緣位于頂部，下爪簧球座306的環(huán)形凸緣位于底部；在外筒310內(nèi)壁上開設有一與上爪簧球座302的環(huán)形凸緣相適應的第一環(huán)形凹槽，上爪簧球座302的環(huán)形凸緣設置在第一環(huán)形凹槽內(nèi)，使上爪簧球座302處于釋放狀態(tài)，下爪簧球座306為收縮狀態(tài)；上爪簧球座302和下爪簧球座306在相同狀態(tài)時的內(nèi)徑一致；

在外筒310內(nèi)壁上還開設有與第一環(huán)形凹槽深度一致的第二環(huán)形凹槽，且第二環(huán)形凹槽頂部鄰近下爪簧球座306底部設置，當?shù)诙羟袖N釘305剪斷后，依次連接的上爪簧球座302、內(nèi)筒303和下爪簧球座306進行第一次下行，使上爪簧球座302變換為收縮狀態(tài)，下爪簧球座306變換為釋放狀態(tài)；

第二環(huán)形凹槽的軸向長度與內(nèi)筒303和下爪簧球座306的軸向總長度一致，使當?shù)谝患羟袖N釘304剪斷后，依次連接的上爪簧球座302、內(nèi)筒303和下爪簧球座306進行第二次下行至下爪簧球座306底端壓配在第二環(huán)形凹槽底端壁面停止，此時壓裂通道318打開，與此同時，上爪簧球座302保持收縮狀態(tài)，下爪簧球座306保持為釋放狀態(tài)；

在外筒310內(nèi)壁上且位于第二環(huán)形凹槽下方設置有內(nèi)滑套309，內(nèi)滑套309通過沿圓周方向設置的4～6個第三剪切銷釘307固定在外筒310上；內(nèi)滑套309的內(nèi)徑與上爪簧球座302和下爪簧球座306在收縮狀態(tài)下的內(nèi)徑一致，且內(nèi)滑套309的內(nèi)徑小于上爪簧球座302和下爪簧球座306在釋放狀態(tài)下的內(nèi)徑，使能夠通過上爪簧球座302和下爪簧球座306的投球不能通過內(nèi)滑套309；所述內(nèi)滑套309頂端端面加工為向內(nèi)側凹陷的錐面，形成球座；

在設置有內(nèi)滑套309處的外筒310的側壁上開設有6～8個沿圓周方向分布的噴嘴308，用于進行水力噴砂射孔作業(yè)；同樣，在設置有內(nèi)滑套309處的外筒310內(nèi)壁上且位于噴射孔308下方開設有兩條沿圓周方向均布的徑向盲孔，自外筒310底端沿軸向開設有兩條沿圓周方向均布的軸向盲孔，徑向盲孔的數(shù)量與軸向盲孔的數(shù)量一致，且每條徑向盲孔與每條軸向盲孔分別一一對應并形成連通構成封隔器進液通道311；在初始狀態(tài)下，內(nèi)滑套309封堵在噴嘴308和封隔器進液通道311處，使噴嘴308和封隔器進液通道311為封閉狀態(tài)；為保證該結構處的密封性良好，在內(nèi)滑套309的靠近頂端和底端的外壁處各加工有一個內(nèi)置有密封圈的環(huán)形凹槽；

中心管315螺紋連接在外筒310底端內(nèi)壁上，使中心管315形成對內(nèi)滑套309下行的限位結構；內(nèi)滑套309與中心管315間隔設置，使內(nèi)滑套309下行至中心管315頂端時，打開噴嘴308，進行水力噴砂射孔作業(yè)；其中，噴嘴308形狀為為圓錐收斂型，即噴嘴308內(nèi)徑自內(nèi)向外逐漸減??；

中心管315外側套裝有膠筒313，其頂端抵在外筒310的底面上、底端壓配在下接頭317的頂面上；在膠筒313的頂端和低端分別套裝有第一膠筒保護套312和第二膠筒保護套314；具體地，

膠筒313頂端外壁自下而上依次向內(nèi)凹陷形成有第一環(huán)形臺階和第二環(huán)形臺階，外筒310底端外壁向內(nèi)凹陷形成有第三環(huán)形臺階，第一膠筒保護套312通過螺紋連接在外筒310外側，第一膠筒保護套312內(nèi)壁中部凸起形成有與第二環(huán)形臺階相互配合的環(huán)形凸臺，使外筒310底端通過環(huán)形凸臺壓配在膠筒313的頂面上，對膠筒313頂端的臺肩進行保護，高壓液體通過進液通道311內(nèi)進入膠筒313與中心管315之間間隙使封隔器膠筒313擴張完成坐封；

如圖2所示，膠筒313底端外壁自上而下依次向內(nèi)凹陷形成有第四環(huán)形臺階和第五環(huán)形臺階，第二膠筒保護套314上側內(nèi)壁和下側外壁均向內(nèi)凹陷并分別形成有第六環(huán)形臺階和第七環(huán)形臺階；第二膠筒保護套314套裝在膠筒313外側下部且通過第六環(huán)形臺階與膠筒313的第四環(huán)形臺階和第五環(huán)形臺階相互配合，對膠筒313的臺肩進行保護；所述第二膠筒保護套314外側套裝有一滑動密封套316且所述滑動密封套316上側與所述第二膠筒保護套314螺紋連接固定，使所述滑動密封套316頂端抵在第七環(huán)形臺階的下端面上；所述滑動密封套316下側內(nèi)壁向內(nèi)凹陷形成有第八環(huán)形臺階，所述滑動密封套316內(nèi)側套裝并螺紋連接固定有一限位環(huán)319，使所述限位環(huán)319頂端抵在所述第八環(huán)形臺階的下端面上；所述下接頭317外壁下側向內(nèi)凹陷形成有第九環(huán)形臺階且凹陷處的外徑與所述的限位環(huán)319的內(nèi)徑相適應；初始狀態(tài)下，限位環(huán)319頂端與下接頭317外壁的環(huán)形臺階的下端面之間留有一段環(huán)空空間；當限位環(huán)319隨膠筒膨脹而上行時，下接頭317外壁的環(huán)形臺階的下端面對限位環(huán)319的上行距離進行限位，防止第二膠筒保護套314過度上行；所述下接頭317外側套裝并螺紋連接固定有一背帽320，所述背帽320頂端抵在所述滑動密封套316和所述限位環(huán)319的底面上。

此外，在中心管315和外筒310的螺紋連接處、在中心管315和下接頭317的螺紋連接處、第一膠筒保護套312與外筒310的螺紋連接處、第二膠筒保護套314和滑動密封套316的螺紋連接處以及滑動密封套316與下接頭317密封面接觸處均設置有一密封圈。

如圖3所示，針對目標井內(nèi)設計好的共四個壓裂層，該多級壓裂工藝管柱包括依次設置的第三射孔/壓裂/封隔一體化裝置3、第二射孔/壓裂/封隔一體化裝置3、第一射孔/壓裂/封隔一體化裝置3、噴砂滑套4、常開式水力噴射器5、單流閥6、篩管7和導向頭8；各個所述射孔/壓裂/封隔一體化裝置3、噴砂滑套4、水力噴射器5和單流閥6之間通過油管1相互連接，以保證其具有一定的間距，在井下能夠分別對應不同的壓裂層。

其中，在距離井口最近的所述射孔/壓裂/封隔一體化裝置3頂端通過多根依次連接的油管1延伸至井口處，在油管1之間還連接有一安全接頭2。

另外，該多級壓裂工藝管柱中所用的噴砂滑套4、常開式水力噴射器5、單流閥6、篩管7和導向頭8均為目前市售的常用設備。

多個所述射孔/壓裂/封隔一體化裝置3中的上爪簧球座302和所述下爪簧球座306的內(nèi)徑自鄰近井口處至靠近井底處依次減小，便于控制分層壓裂施工；每個射孔/壓裂/封隔一體化裝置均配有兩個直徑一致的壓裂球，且壓裂球的直徑略小于上爪簧球座和下爪簧球座釋放時的內(nèi)徑，且大于內(nèi)滑套的內(nèi)徑，使壓裂球在上爪簧球座和下爪簧球座釋放時能夠順利通過，而收縮狀態(tài)下不能通過。噴砂滑套4配有與之相應的壓裂球。

使用該多級壓裂工藝管柱進行壓裂作業(yè)時，首先對多級壓裂工藝管柱進行組裝，其中，對設計好的壓裂施工層自下而上依次為第一壓裂層、第二壓裂層、第三壓裂層和第四壓裂層。具體地，該多級壓裂工藝管柱中的噴砂滑套4、水力噴射器5對應用于對第一壓裂層進行壓裂施工；第一射孔/壓裂/封隔一體化裝置3對應用于對第二壓裂層進行壓裂施工；第二射孔/壓裂/封隔一體化裝置3對應用于對第三壓裂層進行壓裂施工；第三射孔/壓裂/封隔一體化裝置3對應用于對第四壓裂層進行壓裂施工。具體步驟如下：

S1、將連接好的多級壓裂工藝管柱下放至設計位置后，從篩管7進行反循環(huán)洗井；洗井完畢，投入低密度球，管柱內(nèi)憋壓封堵油管通道；

S2、按泵注常規(guī)程序從常開式水力噴射器5處進行水力噴砂射孔，然后投入第一級壓裂球打開噴砂滑套6，進行第一層壓裂作業(yè)；

S3、第一層施工結束后，如圖4所示，向第一射孔/壓裂/封隔一體化裝置3內(nèi)投入第二層第一個壓裂球，球落于下爪簧球座306處，憋壓，剪斷第二剪切銷釘305，如圖5所示，上爪簧球座302下行收縮后形成球座、下爪簧球座306下行后釋放、第二層第一個壓裂球繼續(xù)下行，待壓裂球落于內(nèi)滑套309處，憋壓，剪斷第三剪切銷釘307，如圖6所示，內(nèi)滑套309下行至中心管315頂端，露出噴嘴318和進液通道311，進行第二層水力噴砂射孔作業(yè)，同時高壓液體通過進液通道311內(nèi)進入膠筒313與中心管315之間間隙使封隔器膠筒313擴張完成坐封，第二層水力噴砂射孔作業(yè)完成后，如圖7所示，投入第二層第二個壓裂球落在上爪簧球座302上，憋壓，剪斷第一剪切銷釘304，如圖8所示，上爪簧球座302、內(nèi)筒303和下爪簧球座306繼續(xù)下行，打開壓裂通道318，進行第二層段的壓裂施工作業(yè)；

第二層壓裂施工結束后，對第二射孔/壓裂/封隔一體化裝置3重復上述步驟S3中的操作，依次完成第三層段的水力噴砂射孔、封隔器坐封和壓裂施工作業(yè)；

第三層壓裂施工結束后，對第三射孔/壓裂/封隔一體化裝置3重復上述步驟S3中的操作，依次完成第四層段的水力噴砂射孔、封隔器坐封和壓裂施工作業(yè)；實現(xiàn)不動管柱射孔、壓裂、封隔器封隔一體化多級壓裂施工。