一种重复试压开启式趾端滑套及其使用方法
阅读说明：本技术 一种重复试压开启式趾端滑套及其使用方法 (Repeated pressure test opening type toe end sliding sleeve and using method thereof ) 是由 曹存才 鄢红江 谢威 杨礼 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种重复试压开启式趾端滑套及其使用方法,包括筒体、芯轴、剪切套、换级座、弹簧和下接头,芯轴安装在筒体的内孔中,剪切套、换级座、弹簧和下接头端部依次套装在芯轴外圈与筒体内孔之间,剪切套抵靠住轴肩的另一侧,下接头与筒体内孔的一端孔口固定连接,芯轴与筒体和下接头之间均为轴向滑动密封连接,筒体上固定有剪切螺钉,剪切螺钉插入剪切套中,换级座外圈设置有多段连续人字形折返的导槽,筒体上固定有导向柱,导向柱端部插入导槽中。本发明提供了一种重复试压开启式趾端滑套及其使用方法,在满足压裂施工前套管强度试压作业需求的同时,又具有了可实现井筒与地层有效沟通的趾端滑套的功能。(The invention provides a repeated pressure test open type toe end sliding sleeve and a using method thereof, and the repeated pressure test open type toe end sliding sleeve comprises a barrel, a mandrel, a shearing sleeve, a grade changing seat, a spring and a lower connector, wherein the mandrel is arranged in an inner hole of the barrel, the end parts of the shearing sleeve, the grade changing seat, the spring and the lower connector are sequentially sleeved between an outer ring of the mandrel and the inner hole of the barrel, the shearing sleeve abuts against the other side of a shaft shoulder, the lower connector is fixedly connected with an orifice at one end of the inner hole of the barrel, the mandrel, the barrel and the lower connector are in axial sliding sealing connection, a shearing screw is fixed on the barrel and inserted into the shearing sleeve, a plurality of sections of guide grooves which are continuously folded back in a herringbone shape are arranged on the outer ring of the grade changing seat, a guide column is fixed on the barrel, and the end part of the guide column is inserted into the guide grooves. The invention provides a repeated pressure test open-type toe end sliding sleeve and a using method thereof, which meet the requirement of casing strength pressure test operation before fracturing construction and have the function of the toe end sliding sleeve capable of realizing effective communication between a shaft and a stratum.)
技术领域
本发明属于油气井压裂作业井下工具领域，具体涉及一种重复试压开启式趾端滑套及其使用方法。
背景技术
趾端滑套工具为快速高效免射孔开启地层的一款井下工具，它随完井套管一起下入预定位置并实施固井作业，压裂施工时直接通过井筒憋压打开趾端滑套，直接通过光套管注入进行第一段压裂施工作业。该工具可以快速、高效地实现井筒与地层沟通，快速高效地解决了套管滑套分层段压裂和桥射联作分段压裂工艺的首层射孔压裂问题，特别是超出油管下深的超长水平井首段射孔难题。然而，趾端滑套工具通过套管内憋压开启，与新井压裂施工前需要针对套管强度试压的作业相冲突。为解决上述问题，公开号为CN207999237U的中国专利提供了一种可试压趾端滑套，包括壳体和设置在所述壳体内的内滑套，所述内滑套能够在所述壳体内轴向滑动；所述壳体包括上接头、上壳体、下壳体与下接头，所述上内滑套的外壁上设有外螺纹与限流阀筒，所述外螺纹连接所述上内滑套与所述限流阀筒，所述限流阀筒中设有限流阀，所述下内滑套的侧壁上设有破裂盘、内滑套凸台与固定环；所述上壳体与下内滑套之间设有油腔，所述下壳体与下内滑套之间设置有空气腔；所述下壳体下端设有限位槽，可以防止在固井的过程中固井水泥将滑套固死，并且能够在完成固井后，针对固井套管进行压力测试过程中不会开启滑套，不会影响固井套管压力测试结果，但无法满足反复试压的作业需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种重复试压开启式趾端滑套及其使用方法，在满足压裂施工前套管强度试压作业需求的同时，又具有了可实现井筒与地层有效沟通的趾端滑套的功能。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种重复试压开启式趾端滑套及其使用方法，中心开设有轴向贯通的孔，包括筒体、芯轴、剪切套、换级座、弹簧和下接头，芯轴安装在筒体的内孔中，芯轴外圈设置有轴肩，筒体内孔一端设置有孔肩，轴肩的一侧抵靠住孔肩，剪切套、换级座、弹簧和下接头端部依次套装在芯轴外圈与筒体内孔之间，剪切套抵靠住轴肩的另一侧，下接头与筒体内孔的一端孔口固定连接，芯轴与筒体和下接头之间均为轴向滑动密封连接，筒体上固定有剪切螺钉，剪切螺钉插入剪切套中，换级座外圈设置有多段连续人字形折返的导槽，导槽一端封闭，导槽的另一端沿换级座轴向开口，且导槽的开口端在剪切套一侧，筒体上固定有导向柱，导向柱端部插入导槽中，且导向柱位于导槽封闭端底部，筒体的孔肩上开设有若干压裂孔，芯轴端部从内侧遮挡住压裂孔，导向柱在趾端滑套内腔反复加压、卸压过程中，沿导槽由封闭端向开口端移动，导向柱进入导槽的最后一段前，芯轴端部与压裂孔均保持完全遮挡状态且芯轴与筒体之间保持密封状态。实现了多次反复试压的作业需求，在试压过程中不会开启滑套，不会影响固井套管压力测试结果，在满足压裂施工前套管强度试压作业需求的同时，又具有了可实现井筒与地层有效沟通的趾端滑套的功能。
所述剪切螺钉强度满足在固井挤注水泥时不会被剪切套剪断，确保在固井过程中，滑套由于剪切螺钉限位并不会动作。
所述导槽包括多段折返的滑道，每段滑道靠近导槽封闭端的一端为起始端，每段滑道靠近导槽开口端的另一端为终端，每段滑道的终端设置有容纳导向柱的限位凹坑，限位凹坑开口沿轴向正对下一段滑道的起始端，剪切套设置有一个限位孔和若干个沿轴向开设且长度逐个增大的限位滑槽，限位孔和每个限位滑槽中分别插装一个剪切螺钉，限位孔、限位滑槽以及限位凹坑的位置关系满足在每次趾端滑套内腔试压加压过程中，最多只剪断一个剪切螺钉。每次试压达到压力要求时，剪断一个剪切螺钉使导向柱进入下一个滑道，压力不足时，卸压后导向柱当前滑道的回到上一个滑道的限位凹坑中，确保试压满足测试要求。
优选地，所述导槽包括五段滑道，第一段滑道的起始端为导槽的封闭端，第五段滑道的终端为导槽的开口端，限位滑槽包括第一限位滑槽和第二限位滑槽，剪切螺钉包括第一剪切螺钉、第二剪切螺钉和第三剪切螺钉，第一剪切螺钉与限位孔插合，第二剪切螺钉插入第一限位滑槽，第三剪切螺钉插入第二限位滑槽，满足三次试压的作业需求。
所述导槽数量至少为两个，沿换级座外圈周向均布，受力均匀。
所述换级座与弹簧之间设置有轴承环，轴承环包括沿轴向设置的两个圆环，两个圆环分别抵靠住换级座和弹簧，两个圆环之间设置有滚珠或滚针使两个圆环能够绕轴向相对转动，使换级座能够绕芯轴轴向顺畅转动，保证导向柱滑动顺畅。
所述换级座与芯轴为间隙配合，且换级座与芯轴之间设置有若干耐磨环，降低转动阻力，使转动更加顺畅。
所述轴肩上开设有环槽，环槽中设置有弹性挡圈，在试压加压过程使导向柱从开口端脱出导槽，直至芯轴端部与压裂孔完全错开，筒体内孔对应此时弹性挡圈位置设置有台阶孔，弹性挡圈外圈展开卡在台阶孔孔底且内圈留在环槽中对芯轴进行轴向限位，在完成所有试压后，可在不打压的情况下防止芯轴复位，压裂液随即朝向筒体上预先开设的压裂孔进行喷射压裂。即可实现的整个管柱中的第一段连接产油、产气层至管柱内的通道。
所述芯轴一端设置有刮泥环，刮泥环外圈与下接头内腔贴合。
所述筒体的另一端固定连接有上接头。
本申请还提供一种重复试压开启式趾端滑套的使用方法，使用任一上述的趾端滑套，包括以下步骤：
步骤一：根据固井后试压次数设置换级座的导槽的折返次数以及剪切螺钉个数，剪切螺钉个数与试压次数相同，导槽折返的滑道数等于试压次数的两倍减一；
步骤二：将趾端滑套安装到固井工具上，下入到已经钻完孔的井眼中，挤注水泥完成固井；
步骤三：固井完成后，进行试压，通过地面压力设备泵入试压液体，并按试压次数需求逐次提高泵入压力，每次试压剪断一个剪切螺钉，完成所有试压后导向柱进入导槽最后一段，所有剪切螺钉被剪断，在轴向上无限位；
步骤四：继续加压使导向柱脱出导槽，直至芯轴端部与压裂孔完全错开，弹性挡圈外圈展开卡在台阶孔孔底且内圈留在环槽中对芯轴进行轴向限位。
本发明的有益效果在于：
与现有技术相比，实现了多次反复试压的作业需求，在试压过程中不会开启滑套，不会影响固井套管压力测试结果，在试压完成后，剪断所有剪切螺钉，在轴向上不再限制芯轴，加压能够打开滑套，完全露出压裂孔，并通过弹性挡圈固定芯轴，在不打压的情况下防止芯轴复位，压裂液随即朝向筒体上预先开设的压裂孔进行喷射压裂。即可实现的整个管柱中的第一段连接产油、产气层至管柱内的通道，在满足压裂施工前套管强度试压作业需求的同时，又具有了可实现井筒与地层有效沟通的趾端滑套的功能。
附图说明
图1是本发明实施例中初始状态的结构示意图；
图2是图1中Ⅰ处的结构放大图；
图3是本发明实施例中试压完成后的结构示意图；
图4是本发明实施例中筒体的结构示意图；
图5是本发明实施例中剪切套的结构示意图；
图6是本发明实施例中换级座的结构示意图；
图7是本发明实施例中三次试压状态的示意图。
图中：1-上接头，2-筒体，3-芯轴，4-剪切套，5-剪切螺钉，6-换级座，7-导向柱，8-弹性挡圈，9-轴承环，10-耐磨环，11-弹簧，12-下接头，13-刮泥环，
201-孔肩，202-压裂孔，203-台阶孔，204-剪钉安装孔，205-导向柱安装孔，
301-轴肩，302-环槽，
401-限位孔，402-第一限位滑槽，403-第二限位滑槽，
501-第一剪切螺钉，502-第二剪切螺钉，503-第三剪切螺钉，
601-导槽，601a-第一段滑道，601b-第二段滑道，601c-第三段滑道，601d-第四段滑道，601e-第五段滑道，601f-限位凹坑，
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1至图7所示，一种重复试压开启式趾端滑套，中心开设有轴向贯通的孔，包括筒体2、芯轴3、剪切套4、换级座6、弹簧11和下接头12，芯轴3安装在筒体2的内孔中，芯轴3外圈设置有轴肩301，筒体2内孔一端设置有孔肩201，轴肩301的一侧抵靠住孔肩201，剪切套4、换级座6、弹簧11和下接头12端部依次套装在芯轴3外圈与筒体2内孔之间，剪切套4抵靠住轴肩301的另一侧，下接头12与筒体2内孔的一端孔口固定连接，芯轴3与筒体2和下接头12之间均为轴向滑动密封连接，筒体2上固定有剪切螺钉5，剪切螺钉5插入剪切套4中，换级座6外圈设置有多段连续人字形折返的导槽601，导槽601一端封闭，导槽601的另一端沿换级座6轴向开口，且导槽601的开口端在剪切套4一侧，筒体2上固定有导向柱7，导向柱7端部插入导槽601中，且导向柱7位于导槽601封闭端底部，筒体2的孔肩201上开设有若干压裂孔202，芯轴3端部从内侧遮挡住压裂孔202，导向柱7在趾端滑套内腔反复加压、卸压过程中，沿导槽601由封闭端向开口端移动，导向柱7进入导槽601的最后一段前，芯轴3端部与压裂孔202均保持完全遮挡状态且芯轴3与筒体2之间保持密封状态。
所述剪切螺钉5强度满足在固井挤注水泥时不会被剪切套4剪断。
如图5至图7所示，所述导槽601包括多段折返的滑道，每段滑道靠近导槽601封闭端的一端为起始端，每段滑道靠近导槽601开口端的另一端为终端，每段滑道的终端设置有容纳导向柱7的限位凹坑601f，限位凹坑601f开口沿轴向正对下一段滑道的起始端，剪切套4设置有一个限位孔401和若干个沿轴向开设且长度逐个增大的限位滑槽，限位孔401和每个限位滑槽中分别插装一个剪切螺钉5，限位孔401、限位滑槽以及限位凹坑601f的位置关系满足在每次趾端滑套内腔试压加压过程中，最多只剪断一个剪切螺钉5。
如图5至图7所示，所述导槽601包括五段滑道，第一段滑道的起始端为导槽601的封闭端，第五段滑道的终端为导槽601的开口端，限位滑槽包括第一限位滑槽402和第二限位滑槽403，剪切螺钉5包括第一剪切螺钉501、第二剪切螺钉502和第三剪切螺钉503，第一剪切螺钉501与限位孔401插合，第二剪切螺钉502插入第一限位滑槽402，第三剪切螺钉503插入第二限位滑槽403。
所述导槽601数量至少为两个，沿换级座6外圈周向均布。
如图1至图3所示，所述换级座6与弹簧11之间设置有轴承环9，轴承环9包括沿轴向设置的两个圆环，两个圆环分别抵靠住换级座6和弹簧11，两个圆环之间设置有滚珠或滚针使两个圆环能够绕轴向相对转动。
所述换级座6与芯轴3为间隙配合，且换级座6与芯轴3之间设置有若干耐磨环10。
如图1至图3所示，所述轴肩301上开设有环槽302，环槽302中设置有弹性挡圈8，在试压加压过程使导向柱7从开口端脱出导槽601，直至芯轴3端部与压裂孔202完全错开，筒体2内孔对应此时弹性挡圈8位置设置有台阶孔203，弹性挡圈8外圈展开卡在台阶孔203孔底且内圈留在环槽302中对芯轴3进行轴向限位。
所述芯轴3一端设置有刮泥环13，刮泥环13外圈与下接头12内腔贴合。
所述筒体2的另一端固定连接有上接头1。
上述重复试压开启式趾端滑套的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：根据固井后试压次数设置换级座6的导槽601的折返次数以及剪切螺钉5个数，剪切螺钉5个数与试压次数相同，导槽601折返的滑道数等于试压次数的两倍减一；
步骤二：将趾端滑套安装到固井工具上，下入到已经钻完孔的井眼中，挤注水泥完成固井；
步骤三：固井完成后，进行试压，通过地面压力设备泵入试压液体，并按试压次数需求逐次提高泵入压力，每次试压剪断一个剪切螺钉5，完成所有试压后导向柱7进入导槽601最后一段，所有剪切螺钉5被剪断，在轴向上无限位；
步骤四：继续加压使导向柱7脱出导槽601，直至芯轴3端部与压裂孔202完全错开，弹性挡圈8外圈展开卡在台阶孔203孔底且内圈留在环槽302中对芯轴3进行轴向限位。
实施例
如图1至图6所示，一种重复试压开启式趾端滑套，中心开设有轴向贯通的孔，包括筒体2、芯轴3、剪切套4、换级座6、弹簧11和下接头12，芯轴3安装在筒体2的内孔中，芯轴3外圈设置有轴肩301，筒体2内孔一端设置有孔肩201，轴肩301的一侧抵靠住孔肩201，剪切套4、换级座6、弹簧11和下接头12端部依次套装在芯轴3外圈与筒体2内孔之间，剪切套4抵靠住轴肩301的另一侧，下接头12与筒体2内孔的一端孔口固定连接，芯轴3与筒体2和下接头12之间均为轴向滑动密封连接。
所述导槽601包括五段折返的滑道，第一段滑道601a、第二段滑道601b、第三段滑道601c、第四段滑道601d和第五段滑道601e依次首尾相连，第一段滑道601a的起始端为导槽601的封闭端，第五段滑道601e的终端为导槽601的开口端，每段滑道靠近导槽601封闭端的一端为起始端，每段滑道靠近导槽601开口端的另一端为终端，每段滑道的终端设置有容纳导向柱7的限位凹坑601f，限位凹坑601f开口沿轴向正对下一段滑道的起始端，第一段滑道601a、第三段滑道601c和第五段滑道601e的起始端在轴向上投影位置相同。
筒体2上固定有三个剪切螺钉5，分别为第一剪切螺钉501、第二剪切螺钉502和第三剪切螺钉503，剪切套4设置有一个限位孔401、第一限位滑槽402和第二限位滑槽403，第一剪切螺钉501与限位孔401插合，第二剪切螺钉502插入第一限位滑槽402，第三剪切螺钉503插入第二限位滑槽403，第二限位滑槽403长度大于第一限位滑槽402。
初始时，导向柱7位于第一段滑道601a的起始端，需加压剪断第一剪切螺钉501，才能使导向柱7沿导槽601滑动；导向柱7在第一段滑道601a中滑动时，第二剪切螺钉502在第一限位滑槽402中自由滑动并且不发生剪切，当导向柱7滑动至第三段滑道601c终端时，第一限位滑槽402剪断第二剪切螺钉502；导向柱7在第一段滑道601a至第三段滑道601c中滑动时，第三剪切螺钉503在第二限位滑槽403中自由滑动并且不发生剪切，当导向柱7滑动至第五段滑道601e终端时，第二限位滑槽403剪断第三剪切螺钉503。
筒体2的孔肩201上开设有若干压裂孔202，芯轴3端部从内侧遮挡住压裂孔202，导向柱7在趾端滑套内腔反复加压、卸压过程中，沿导槽601由封闭端向开口端移动，导向柱7进入第五段滑道601e前，芯轴3端部与压裂孔202均保持完全遮挡状态且芯轴3与筒体2之间保持密封状态。
所述轴肩301上开设有环槽302，环槽302中设置有弹性挡圈8，在试压加压过程使导向柱7从开口端脱出导槽601，直至芯轴3端部与压裂孔202完全错开，筒体2内孔对应此时弹性挡圈8位置设置有台阶孔203，弹性挡圈8外圈展开卡在台阶孔203孔底且内圈留在环槽302中对芯轴3进行轴向限位。
所述筒体2的另一端固定连接有上接头1。
工作原理：
如图7所示，趾端滑套和其他固井工具连接成一体，下入到已经钻完孔的井眼中，同其他工具一样，固井滑套内部有水眼，内外为密封互不干扰。因此，在固井管柱上安装此工具并不会改变固井工艺。趾端滑套安装于固井管柱的靠近底部端的位置。固井管柱下放到位之后，经过相关测试之后，开始注入固井水泥，水泥经过固井管柱水眼之后通过固井浮鞋的水眼进入到固井管柱和地层之间的环空之中，通过挤注水泥，泵入水泥塞将水泥返至设计高度时即完成固井注水泥的工作。注水泥时因泵压和液柱压力不足以剪短销钉，因此滑套并不会动作。
固井完成之后，通过地面压力设备泵入试压液体(如清水)达到试压压力后保持规定的时间后，压力的变化值符合规定后，即算固井管柱试压成功。由于固井时压力并未达到将第一剪切螺钉剪断，因此趾端滑套仍然处在初始位置。
试压时(套管井内底部已经封闭)，通过地面的打压设备提供的泵压和液柱压力的作用下，由于芯轴上、下有面积差(上面大下面小)导致芯轴向下移动，带动剪切套、换级座、轴承环一起移动压缩弹簧，当压力不足以固定在筒体上的剪切螺钉时，当内压卸掉后，弹簧力恢复弹性形变剪切套、换级座、轴承环一起压回初始位置。当压力达到足以剪断第一剪切螺钉时(第二剪切螺钉、第三剪切螺钉并未受力，仅仅是在对应的槽内滑动)，换级座上的导向柱将按照设计好的轨道进行滑动，当压力卸掉之后，导向柱滑动至初始位置(周向位置变化)。第二次试压(压力升高)时，重复第一次动作，只是受剪切的是第二剪切螺钉，导向柱(轴向回到初始位置，周向位置变化)，由于芯轴轴向移动距离不足，因此滑套仍然未打开。第三次试压(压力升高)，重复之前动作，受剪切的是第三剪切螺钉，剪断之后，导向柱和换级座之间没有约束，即可实现全部压力作用在弹簧，芯轴向下移动，带动剪切套、换级座、轴承环一起移动压缩弹簧至压裂孔完全打开，此时芯轴在轴向上移动距离足够，芯轴上的弹性挡圈进入台阶孔，弹性挡圈由于没有了径向的约束，弹性形变恢复之后，其外圈展开卡在台阶孔孔底且内圈留在环槽中，即可在不打压的情况下防止芯轴复位，压裂液随即朝向筒体上预先开设的压裂孔进行喷射压裂。即可实现的整个管柱中的第一段连接产油、产气层至管柱内的通道。
本发明提供的一种重复试压开启式趾端滑套及其使用方法，实现了多次反复试压的作业需求，在试压过程中不会开启滑套，不会影响固井套管压力测试结果，在试压完成后，剪断所有剪切螺钉，在轴向上不再限制芯轴，加压能够打开滑套，完全露出压裂孔，并通过弹性挡圈固定芯轴，在不打压的情况下防止芯轴复位，压裂液随即朝向筒体上预先开设的压裂孔进行喷射压裂。即可实现的整个管柱中的第一段连接产油、产气层至管柱内的通道，在满足压裂施工前套管强度试压作业需求的同时，又具有了可实现井筒与地层有效沟通的趾端滑套的功能。