[发明专利]具有计数系统的多级高压压裂系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种多级高压压裂系统以及管式液压阀(THV)系统，其用于连接至完井管柱从而对油井内目的层进行隔离。具体而言，所述系统允许到达井下岩层从而压裂所述目的层并进行油气开采。所述系统大体上包含塞子计数系统、塞子捕获系统和阀系统，其中使一系列塞子在完井管柱中向下掉落允许连续捕获个别THV内的个别塞子，从而进行后续压裂操作。

背景技术

在石油天然气工业中，完井操作期间经常需要在油井内的各种层进行不同操作以提高油井的产量。即，在特定的油井内有若干经济目的层，在钻孔和/或套管之后，操作人员可能会想要直接到达井内和/或打开套管以进行压裂操作从而促进油气从岩层迁移至油井内进行生产。

过去有操作人员在套管井中利用的许多技术，从而隔离一个或多个目的层来允许到达岩层并进行压裂操作。在最简单的情形下，套管井可只需要在适当的位置打开以允许油气流入井内。在此情况下，油井的套管(以及任何相关联水泥)可在所需的位置被穿透，使得井套管内部暴露于岩层并且油气可以从岩层迁移至油井内部。

在过去利用此基本技术时，普遍认为在所需的层穿透钢套管/水泥的复杂度更大，且比将套管的专门区段定位在目的层附近并接着在将井套管之后打开那一区段更为复杂。一般来说，如果将套管的专门区段定位在目的层附近，那么可以利用各种技术在套管的区段中有效地打开一个或多个端口而无需物理切通钢套管。

在其它情形下，尤其是在需要压裂岩层的一个或多个层的情况下，已开发出多种系统和技术来将井的特定区段进行隔离，以允许选择性地打开套管中的专门端口并在单个层内进行压裂操作。

一种这样的技术是将封隔器元件和各种专门块设备并入一个或多个油管柱中，使油管柱进入油井中并进行各种液压操作以在油管柱内打开端口。

重要的是，在这些技术都已起效的情况下，需要系统以及最小化这些系统的复杂度的方法。即，涉及井下设备的任何操作在资金/租金成本以及完成这些操作所需的时间方面都是昂贵的。因此，在可以降低设备的复杂度和/或进行这些操作所需的时间/人力的程度上，这些系统可以向操作者提供明显的经济优势。

在过去，这些用于隔离井的区段的技术包含利用油管柱内的球体将油管柱的连续区域进行隔离的系统。在这些系统中，球体向下掉落/泵吸进油管柱，在油管柱中，球体可与管柱内的专门座体啮合并由此将油井的下部区段与油井的上部区段隔绝开。在过去，为了确保下部区段在上部区段之前密封，使一系列具有不同直径的球体向下掉落进油管中，开始是直径最小的球体，接着向上逐渐使用较大的球体。通常，每个球体的直径可相差1/8英寸，且每个球体将与被设定大小仅与一个特定直径的球体相啮合的井下座体相啮合。起效时，此系统实际上被球体的直径范围所限制。即，为了隔离16个目的层，最小的球体与最大的球体相比直径可能会小2英寸。因而，对可以并入油管柱的层的数目有实际限制，这因此限制了可以压裂的层的数目。由于现代油井可能希望进行多达大约40个压裂操作且可能多于40个压裂，因此现有的球体掉落及捕获系统不能并入这些油井中。

因此，需要一种系统，其不受掉落球体大小限制并且可允许明显更大数目的压裂窗口并入油管柱内。

发明内容

根据本发明，提供了一种管式液压阀(THV)系统，其用于连接至完井管柱从而对油井内目的层进行隔离，允许到达井下岩层从而压裂所述目的层并进行油气开采，所述THV具有允许塞子穿过所述THV的内孔，所述THV包括：塞子计数系统，其具有用于连接至完井管柱的井上端，以及塞子啮合系统，其用于与穿过所述内孔的塞子啮合，所述塞子啮合系统用于对穿过所述塞子计数系统的连续塞子进行计数并用于在达到穿过所述内孔的塞子的预设数目时触发第一液压事件；塞子捕获系统，其可操作地连接至所述塞子计数系统，所述塞子计数系统响应于所述第一液压事件以在所述第一液压事件被触发时进行所述THV内的塞子捕获；以及阀系统，其可操作地连接至所述塞子计数系统以及塞子捕获系统，所述阀系统包含阀，其响应于塞子捕获而打开所述阀以允许流体从所述内孔流至所述THV外部。

在一个实施例中，所述塞子啮合系统包含至少一个连接至齿式棘轮的插脚，和塞子活塞，其中穿过所述内孔的塞子与所述至少一个插脚的啮合将所述齿式棘轮向前移动一跨齿距。

在另一实施例中，所述齿式棘轮可被预设以在触发所述对应于穿过所述内孔的塞子总数的第一液压事件之前行进多倍的所述跨齿距。

在一个实施例中，当所述齿式棘轮已行进了预设距离时，所述塞子计数系统允许液压流体从所述内孔穿过以对所述塞子活塞加压并导致所述塞子活塞向井下运动。