聚能压裂工具
技术领域
本发明涉及石油与天然气工程技术领域，特别涉及一种聚能压裂工具。
背景技术
本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
我国低渗透油气储量及页岩油气资源丰富，但由于储层的低渗透率的特点给油藏的开发带来极大的难度，目前通常采用压裂技术来提高储层的渗透率。压裂技术是在采油或采气过程中将压裂液注入至地层中，人为地使地层产生裂缝，从而改善油井井底的流动条件，使油井产量增加。采用常规水力压裂，能够取得一定的开发效果，但是仍然存在有不足。
现有技术中提出了聚能压裂方法，该方法通过向压裂管柱中注入超临界CO2流体，达到比常规压裂方法更好的增产效果。采用该方法每次压裂时都需要向压裂管柱内部进行投球形成密封，再泵入CO2，整体压裂过程比较繁琐。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
为了能够解决上述技术问题，本申请提供了一种聚能压裂工具，可以进行多次聚能压裂作业，简化了整体流程，并能够减小压裂作业时间，从而达到降本增效的目的。
为了实现上述目的，提供的技术方案如下所述：
一种聚能压裂工具，包括：
具有空腔的壳体，所述壳体具有入口端和出口端，所述壳体内壁上设置有凹槽；
靠近所述入口端设置的密封件和靠近所述出口端设置的第一弹性件；所述密封件设置有与所述凹槽相配合的销钉以及为所述销钉提供推力的第二弹性件；
压裂介质的压力使得所述销钉被剪切，当所述密封件相对所述壳体移动并压缩所述第一弹性件时，所述空腔处于贯通状态，所述压裂介质从所述出口端流出；当所述第一弹性件和所述第二弹性件配合将所述销钉推入所述凹槽时，所述空腔为堵塞状态。
作为一种优选的实施方式，所述聚能压裂工具还包括设置于所述入口端与所述密封件之间的阀板组件，所述阀板组件包括：
与所述壳体内壁转动连接的第一阀板；
与所述壳体内壁转动连接的第二阀板；
连接于所述第一阀板与所述壳体内壁之间的第一阀板弹簧；
连接于所述第二阀板与所述壳体内壁之间的第二阀板弹簧；
所述第一阀板弹簧和所述第二阀板弹簧能推动所述第一阀板和第二阀板，使得所述第一阀板与所述第二阀板对接形成封闭端。
作为一种优选的实施方式，所述密封件具体为用于抵住所述阀板的阀芯，所述阀芯与所述壳体之间形成流道，所述阀芯具有用于设置所述第二弹性件和所述销钉的通孔，当所述空腔为堵塞状态时，所述通孔正对所述凹槽。
作为一种优选的实施方式，所述空腔的横截面为方形，所述第一阀板和所述第二阀板相对于所述空腔的轴线对称设置，所述第一阀板和所述第二阀板对接后形成V型结构。
作为一种优选的实施方式，所述第一阀板弹簧和所述第二阀板弹簧的弹性系数相同，但均小于所述第一弹性件的弹性系数。
作为一种优选的实施方式，所述壳体内壁上设置有朝向所述空腔突出的凸起部，所述凹槽设置在所述凸起部上。
作为一种优选的实施方式，所述凸起部相对于所述空腔的轴线对称设置，所述壳体内壁与所述凸起部之间设置有斜面。
作为一种优选的实施方式，所述壳体内还设置有固定底座，所述第一弹性件的一端固定在所述固定底座上，所述第一弹性件的另一端固定在所述阀芯上，所述固定底座上设置有与所述流道相连通的排放口。
作为一种优选的实施方式，所述销钉的长度大于所述凹槽的深度，所述销钉的长度为所述凹槽深度的5～6倍。
有益效果：
本说明书实施方式提供的聚能压裂工具包括壳体、密封件以及第一弹性件。该密封件与壳体之间通过销钉与凹槽相配合的结构实现密封件的固定。当密封件上方聚能的压裂液强度将销钉剪断，销钉能从凹槽中脱出时，以使密封件能相对壳体移动并压缩第一弹性件，空腔为贯通状态，压裂介质能够从出口端流出。当压裂液的强度减小，第一弹性件释放蓄积的弹性势能推动密封件复位，并配合第二弹性件将销钉推入凹槽中，空腔为堵塞状态。
因此，本说明书实施方式提供的聚能压裂工具通过第一弹性件和第二弹性件的配合将密封件定位以堵塞空腔，可以进行多次聚能压裂作业。相较于现有技术中多次投球的压裂方式而言，简化了整体流程，并能够减小压裂作业时间，从而达到降本增效的目的。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书实施例提供的聚能压裂工具的结构示意图；
图2为本说明书实施例提供的阀板的剖视图；
图3为本说明书实施例提供的阀芯的剖视图；
图4为本说明书实施例提供的固定底座的剖面图；
图5为本说明书实施例提供的空腔为贯通状态时，该聚能压裂工具的结构示意图；
图6为本说明书实施例提供的空腔为堵塞状态时，该聚能压裂工具的结构示意图。
附图标记说明：
10、空腔；1、第一阀板/第二阀板；11、第一阀板弹簧/第二阀板弹簧；2、密封件；21、第二弹性件；22、销钉；23、凹槽；24、流道；3、第一弹性件；31、固定底座；32、排放口；4、壳体；41、凸起部。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所限定的范围内。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
下面将结合图1至图6对本说明书实施例的聚能压裂工具进行解释和说明。需要说明的是，为了便于说明，在本发明的实施例中，相同的附图标记表示相同的部件。而为了简洁，在不同的实施例中，省略对相同部件的详细说明，且相同部件的说明可互相参照和引用。
具体的，将图1至图6中所示意的向上的方向定义为“上”，将图1至图6中所示意的向下的方向定义为“下”。值得注意的是，本说明书中的对各方向定义，只是为了说明本发明技术方案的方便，并不限定本说明书实施例的聚能压裂工具在包括但不限定于使用、测试、运输和制造等等其他可能导致装置方位发生颠倒或者位置发生变换的场景中的方向。
CO2是一种常见气体，将其加温加压至临界点以上时成为超临界CO2流体，而超临界CO2流体既不同于气体，也不同于液体，它具有接近于气体的低粘度和高扩散性、接近于液体的高密度以及表面张力为零等特性。
超临界CO2聚能压裂，能够利用超临界CO2特殊的性质，结合聚能效应，在压裂过程中能产生明显的技术优势：(1)CO2来源广泛且容易获得，不易燃易爆，容易控制与运输；(2)超临界CO2的粘度低，接近于气体，表面张力很低，接近于零，摩阻系数低，容易流动；(3)超临界CO2流体不会导致储层中黏土膨胀，从根本上避免了水锁效应、岩石润湿性反转等危害的发生，有效保护储层不受损害；(4)用超临界CO2进行压裂，返排迅速而彻底，是一种低伤害的清洁压裂液，还能缩短生产周期；(5)相对于常规压裂液，超临界CO2压裂流体扩散能力强，渗透能力强，很容易渗入储层中的孔隙和微裂缝，有利于产生大量的微裂缝网络。
本申请实施例提供的聚能压裂工具，可以通过高压超临界CO2瞬间释放，作用于储层，使储层形成更多而复杂的裂缝网。高压瞬时压裂减小了超临界CO2滤失，作业成功率更高，也适合于高渗透和漏失严重的储层压裂改造。压裂完成后，CO2易返排，而且对储层的伤害很小。
本申请实施例提供的聚能压裂工具可以连接压裂管柱，通过向压裂管柱内注入高压液态的CO2，由地面的高压泵组持续泵入。所述高压液态的CO2的具体压力根据井下压力确定，一般要高于对应储层的地层破裂压力。其中，地层破裂压力是指在井筒中，当地层压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层破裂压力。一般在钻井前后均要进行地质参数的测试，如地震测试，测井等方法，地层破裂压力就是在这一过程中测试得到的。
如图1至图6所示，本说明书提供的聚能压裂工具包括：具有空腔10的壳体4，壳体4具有入口端和出口端，所述壳体4内壁上设置有凹槽23；靠近所述入口端设置的密封件2和靠近所述出口端设置的第一弹性件3；所述密封件2设置有与所述凹槽23相配合的销钉22以及为所述销钉22提供推力的第二弹性件21；压裂介质的压力使得所述销钉22被剪切，当所述密封件2相对所述壳体4移动并压缩所述第一弹性件3时，所述空腔10处于贯通状态，所述压裂介质从所述出口端流出；当所述第一弹性件3和所述第二弹性件21配合将所述销钉22推入所述凹槽23时，所述空腔10为堵塞状态。
本说明书实施方式提供的聚能压裂工具包括壳体4、密封件2以及第一弹性件3。该密封件2与壳体4之间通过销钉22与凹槽23相配合的结构实现密封件2的固定。当聚能的压裂液强度将销钉22剪断，销钉22能从凹槽23中脱出时，以使密封件2相对壳体4移动并压缩第一弹性件3，空腔10为贯通状态，压裂介质能够从出口端流出。当压裂液的强度减小，第一弹性件3释放蓄积的弹性势能推动密封件2复位，并配合第二弹性件21将销钉22推入凹槽23中，空腔10为堵塞状态。
因此，本说明书实施方式提供的聚能压裂工具通过第一弹性件3和第二弹性件21的配合将密封件2定位以封闭空腔10，可以进行多次聚能压裂作业。相较于现有技术中多次投球的压裂方式而言，简化了整体流程，并能够减小压裂作业时间，从而达到降本增效的目的。
如图1所示，聚能压裂工具具有壳体4，所述壳体4内部为空腔10，壳体4具有入口端和出口端。壳体4在其纵长延伸方向上具有相对的上端和下端。所述相对的上端和下端一般指的是在重力方向上的上端、下端，但并不限定该聚能压裂工具在其他变换场景中的方位，例如在水平压裂作业中，可以将聚能压裂工具水平放置，本说明书是以竖直井内的压裂作业作为应用场景进行说明的，即壳体4的入口端为壳体4的上端，壳体4的出口端为壳体4的下端。
密封件2和第一弹性件3均设置在壳体4内，密封件2靠近入口端设置，第一弹性件3靠近出口端设置，第一弹性件3位于密封件2的下方。密封件2与壳体4的结构相配合后能够将空腔10堵塞。当密封件2通过销钉22与壳体4的凹槽23连接时，密封件2能够将空腔10堵塞。当销钉22被剪切，并与凹槽23分离，使得密封件2与壳体4之间失去连接时，密封件2能够下移使得空腔10为贯通状态，压裂介质可以从出口端流出。第一弹性件3可以是弹簧，当密封件2下移时，第一弹性件3被压缩并蓄积弹性势能。当第一弹性件3将蓄积的弹性势能释放，可以带动密封件2上移直至销钉22被第二弹性件21推入至凹槽23中，重新将空腔10堵塞。
在本说明书中，如图1和图2所示，所述聚能压裂工具还包括设置于所述入口端与所述密封件2之间的阀板组件，所述阀板组件包括：与所述壳体4内壁转动连接的第一阀板1；与所述壳体4内壁转动连接的第二阀板1；连接于所述第一阀板1与所述壳体4内壁之间的第一阀板弹簧11；连接于所述第二阀板1与所述壳体4内壁之间的第二阀板弹簧11；所述第一阀板弹簧11和所述第二阀板弹簧11能推动所述第一阀板1和第二阀板1，使得所述第一阀板1与所述第二阀板1对接形成封闭端。
进一步的，所述密封件2具体为用于抵住所述阀板的阀芯，所述阀芯与所述壳体4之间形成流道24，所述阀芯具有用于设置所述第二弹性件21和所述销钉22的通孔，当所述空腔10为堵塞状态时，所述通孔正对所述凹槽23。
具体的，第一阀板弹簧11和第二阀板弹簧11的一端可以焊接于壳体4上，第一阀板弹簧11和第二阀板弹簧11的另一端可以焊接于对应的阀板上。在初始状态下，即在首次压裂之前，第一阀板弹簧11和第二阀板弹簧11始终处于受压状态，从而能够推动第一阀板1和第二阀板1对接并形成封闭端。第一阀板1和第二阀板1上方的空腔10以及与空腔10相连的压裂管柱均用于注入超临界CO2，以用于聚能。
第一阀板1和第二阀板1均与壳体4内壁转动连接，从而当阀板上方通入超临界CO2时，第一阀板1和第二阀板1可以分别向壳体4内壁转动并打开，空腔10为贯通状态。当第一阀板1和第二阀板1向壳体4内壁转动时，第一阀板弹簧11和第二阀板弹簧11能够二次受压。当一次聚能压裂作业结束后，阀板上方的压力减小时，第一阀板弹簧11和第二阀板弹簧11在逐渐恢复形变的过程中，能够推动第一阀板1和第二阀板1，并将第一阀板1与第二阀板1对接再次形成封闭端。同时，阀芯在第一弹性件3的推动作用下向上移动。最终，第一阀板1和第二阀板1能够重新闭合在重新坐封后的阀芯上，通过阀芯抵住阀板将空腔10封闭，以进行重新聚能，用于下次压裂。
在一个具体的实施例中，所述空腔10的横截面为方形，所述第一阀板1和所述第二阀板1相对于所述空腔10的轴线对称设置，所述第一阀板1和所述第二阀板1对接后形成V型结构，从而有利于第一阀板1和第二阀板1的快速打开，供超临界CO2进入。当超临界CO2进入后，便到达阀板下方的阀芯与壳体4内壁形成的流道24中，聚能后的冲击力足以形成瞬时冲击破坏，作用于储层。
对应的，所述阀芯的结构与该V型结构相匹配。阀芯的上表面可以设置有V型凹槽，从而与V型结构相配合抵住第一阀板1和第二阀板1，以控制上方空腔10内的聚能。
在本实施例中，所述第一阀板弹簧11和所述第二阀板弹簧11的弹性系数相同，但均小于所述第一弹性件3的弹性系数。阀板弹簧的弹性系数小于第一弹性件3，使得在相同流体作用力下阀板弹簧的形变速度快于第一弹性件3，保证第一阀板1和第二阀板1的闭合速度快于阀芯的上升速度，从而在阀芯到达阀板组件之前便完成闭合，并作用于阀芯上。同样的，阀板弹簧的弹性系数小于第一弹性件3，如此使得下方的阀芯对阀板更好的支撑，防止聚能过程中未达到压裂液的设计量第一阀板1和第二阀板1被打开。
在本实施例中，当阀板组件的上方通入超临界CO2时，随着超临界CO2的持续泵入，超临界CO2的压力传递到阀芯上，阀板组件与阀芯均受压。当阀板组件上方的液态CO2聚能到一定程度时，销钉22将被剪断并从凹槽23中脱出，阀芯在自身重力以及超临界CO2的压力下，向出口端移动并压缩第一弹性件3，第一弹性件3蓄积弹性势能。从而，阀板组件失去阀芯的支撑并打开，压裂介质进入阀芯与壳体4之间的流道24，以使得高压聚能后的压裂介质作用于储层进行压裂。
当一次聚能压裂作业结束，阀板组件上方的压力逐渐降低，第一弹性件3开始恢复形变，并释放蓄积的弹性势能。第一弹性件3在恢复形变的过程中可以带动阀芯上升直至抵住阀板组件，并重新堵塞空腔10。阀芯在上升的过程中，凹槽23与销钉22重新配合可以锁定阀芯的位置，以进行下一次聚能。
如图3所示，阀芯的内部可以设置有通孔，第二弹性件21设置在通孔中。第二弹性件21可以是弹簧，且第二弹性件21的端部固定连接销钉22。在初始状态下，即在首次压裂之前，销钉22卡合至壳体4内壁上的凹槽23中。当销钉22受压差作用被剪切，且从凹槽23中脱出，此时，第二弹性件21的弹性势能增大。当阀芯被第一弹性件3推动上升并移动至壳体4内壁上的凹槽23处，销钉22可以被第二弹性件21推入至凹槽23，从而重新锁定阀芯。
在本实施例中，第二弹性件21可以与销钉22通过焊接紧密相连。所述第二弹性件21与销钉22预置在阀芯的通孔内，并使所述通孔在空腔10堵塞状态下严格对应着壳体4上的凹槽23。所述凹槽23的宽度大于销钉22的宽度，从而保证销钉22被剪断后重新坐回凹槽23时，凹槽23内留有足够的空间供销钉22重新坐入。
在本说明书中，所述销钉22的抗剪强度要根据地层破裂压力和压裂施工需求进行设计，通过改变所述销钉22的抗剪强度，可以调节管柱聚能腔内压力大小，从而满足不同性质地层的压裂需求，增强该工具的实用性。
进一步的，所述销钉22的长度大于凹槽23深度，从而使得销钉22经历过一次聚能压裂作业被剪切后，仍有一定的长度返回至凹槽23中。
优选的，销钉22的长度为所述凹槽23深度的5～6倍。在本实施例中，所述销钉22预留了4～5次作业的长度，经历过一次聚能压裂作业被剪断后，在第二弹性件21的作用下，销钉22仍有足够的长度可以反复重新坐回凹槽23中，可进行后续的增效聚能压裂作业。
当然，对于本申请实施例中的销钉22的长度与凹槽23深度之间的关系并不做特别限定，其可以根据压裂作业要求设计对应的长度，以满足在需要进行多次重复压裂作业的地层中使用时，进行后续的多次增效聚能压裂作业，不必更换工具和起下压裂管柱，减小压裂作业时间，从而达到降本增效的目的。
在本说明书中，所述壳体4内壁上设置有凸起部41，所述凹槽23设置在所述凸起部41上。在本实施例中，所述壳体4在凹槽23处的直径最小，使得销钉22在凹槽23的限位以及第二弹性件21的推力下，牢牢卡入凹槽23中，保证对密封件2与壳体4的固定强度。
进一步的，如图1、图5和图6所示，所述凸起部41相对于所述空腔10的轴线对称设置，所述壳体4内壁与所述凸起部41之间设置有斜面。通过在凸起部41与壳体4内壁之间设置斜面，能够使得阀芯在上升和下移过程中，销钉22能够沿着斜面的坡度上升和下移，即销钉22随着壳体4内壁截面积的变化上升和下移，防止销钉22在沿着壳体4的轴向运动中遇卡或遇阻。
在本说明书中，如图1和图4所示，所述壳体4内还设置有固定底座31，所述第一弹性件3的一端固定在所述固定底座31上，所述第一弹性件3的另一端固定在所述阀芯上；所述固定底座31上设置有与所述流道24相连通的排放口32，用于供压裂介质泄放。
所述第一弹性件3与固定底座31直径相配合，并可以通过焊接与上部的阀芯连接并固定。该固定底座31与壳体4一体相连，在销钉22未被剪断时，由销钉22承受阀芯、阀板组件和压裂介质的作用力，当销钉22被剪断时，固定底座31支撑并稳定上部阀芯和第一弹性件3在壳体4内的轴向运动。
为了能够进一步理解本申请，下面将结合图1、图5和图6对本申请实施例提供的聚能压裂工具的使用方法作进一步阐述。
首先将连接有该聚能压裂工具的压裂管柱下入目标层段并固定，该聚能压裂工具配接在裸眼或固井压裂完井管柱压裂段的上端，经本工具聚能后进入压裂段管柱。
然后依靠地面向压裂管柱泵送超临界CO2压裂液进入阀板组件上方的空腔10中聚能，此聚能过程中压裂液对第一阀板1、第二阀板1以及阀芯的作用力逐渐增大，但传递到阀芯上销钉22的力仍然小于其抗剪强度。
但随着聚能的进行，当阀板组件上方的空腔10内的超临界CO2压裂液传递的力超出销钉22的抗剪强度时，销钉22被剪断并从凹槽23中脱出，以使阀芯下移并压缩第一弹性件3。第一阀板1和第二阀板1由于失去阀芯的上顶力，在聚能后的压裂液作用下朝向壳体4内壁的方向转动。聚能后的压裂液通过阀板进入阀芯与壳体4之间的流道24，最终从固定底座31上的排放口32喷射而出并瞬间膨胀，经管柱下部压裂段后进入地层，呈爆炸式突破地层同时产生冲击波，瞬间致裂目标层段，形成复杂压裂裂缝网络。
当地面泵注的压裂液达到设计用量时停止向压裂管柱内泵送压裂液，阀板组件上方的空腔10内的压力逐渐降低，第一弹性件3开始恢复形变，同时带动阀芯和销钉22向上移动。销钉22在与其相连的第二弹性件21的推力下重新坐回凹槽23，并坐封阀芯。阀芯此时重新抵于闭合的阀板下方，此次超临界CO2聚能压裂作业结束。
当需要对目标层进行多次增效聚能压裂作业时，由于销钉22的长度为凹槽23深度的5～6倍，销钉22在经历过一次聚能压裂作业被剪断后，在第二弹性件21的推力作用下，仍有足够的长度可以反复重新坐回凹槽23中，进行重复压裂。
上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。
