用于压力级差式喷封压的装置以及包含其的管柱技术领域
本发明涉及油气完井以及储层改造等技术领域，具体涉及一种用于压力级差
式喷封压的装置以及包含其的管柱。
背景技术
随着非常规油气藏勘探开发的推进，完井分段压裂技术作为非常规油气资
源开采的主要增产措施也发展迅猛。完井分段压裂技术可有针对性地对储层进行
改造，扩大油气产层的泄油面积，提高油气采收率。
现有技术中，多级分段储层改造通常采用先射孔后压裂的方法进行。也就
是，在储层改造过程中，先下入射孔枪进行多级分段射孔，以在储层中形成孔洞。
然后，将射孔枪提出地层。接着，再下入具有封隔器的管柱，并通过投球的方式
使封隔器坐封。再次，通过投球的方式打开封隔器的第一级滑套，以露出与孔洞
配合的第一级压裂孔。最后，向管柱内注入压裂液，压裂液通过压裂孔进入到孔
洞中，并在地层内形成裂缝。在压裂完成后，再次投入大一级的球打开上一级滑
套对上一层地层进行压裂。
通过上述方法，虽然能完成对储层的改造，但是需要下入多次管柱才能完成
射孔和加砂压裂。由此，通过上述方法不仅增加了作业工序，提高了作业成本，
而且降低了压裂的准确性和精准性。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种
用于压力级差式喷封压的装置以及包含其的管柱。使用该用于压力级差式喷封压
的装置，只需要下入一次管柱便能实现射孔和压裂。从而，该用于压力级差式喷
封压的装置能减少作业工序，降低作业成本，同时提高了压裂的准确性和精准度。
根据本发明的一方面，提出了一种用于压力级差式喷封压的装置，包括：
筒状的上接头，在上接头的周壁上设置能连通内外的喷嘴和压裂孔，喷嘴位
于压裂孔的上端，
设置在上接头的下端的筒状的中心杆，
设置在上接头和中心杆的外壁上的封隔器，封隔器具有设置在上接头上的第
一传压孔和设置在中心杆的外壁上的胶筒组件，
设置在中心杆的下端的筒状的下接头，
设置在上接头之内并能与上接头滑动式连接的内筒，内筒上设有第二传压
孔，在初始状态下，内筒封堵喷嘴、压裂孔和第一传压孔，在第一压力作用下，
内筒能下移露出喷嘴，且使得第二传压孔与第一传压孔连通，在第二压力作用下，
内筒下移露出压裂孔。
在一个实施例中，封隔器还包括：
上端套式固定连接在上接头的外壁上的外筒，外筒的下端延伸过中心杆，
由中心杆的上端面、外筒的内壁和上接头形成的活塞缸，
上端设置在活塞缸内的活塞，活塞的下端由中心杆与外筒之间向下延伸并与
胶筒组件抵接，活塞与外筒滑动式连接，
其中，第一传压孔与活塞缸连通并位于活塞的上表面的上端以使得压力液进
入活塞缸后能推动活塞向下运动。
在一个实施例中，在中心杆的外壁上设置第一棘齿，在活塞的内壁上设置与
第一棘齿配合的第二棘齿。
在一个实施例中，在胶筒组件的上端面与活塞之间设置推杆，推杆的上端与
活塞固定连接而下端滑动式套接在中心杆上。
在一个实施例中，在内筒的下端外壁上设置径向突出的限位环，在中心杆的
内壁上设置第一内筒座和第二内筒座，在第一压力下内筒下移，限位环构造为能
与第一内筒座配合，在第二压力下，限位环构造为能与内筒分离并使得内筒下移
而与第二内筒座配合。
在一个实施例中，内筒与上接头通过第一剪切销连接，和/或活塞与外筒通过
第二剪切销连接，和/或限位环通过第四剪切销设置在内筒的外壁上。
在一个实施例中，装置还包括设置在封隔器下端的解封挡环，解封挡环的上
端套接在中心杆的外壁上，下端通过第三剪切销与下接头固定连接，解封挡环与
中心杆和下接头形成用于解封挡环和下接头相对移动的第一空间。
在一个实施例中，内筒的内壁上构造有球座，在向内筒中投球时，球座构造
为能与球配合以封闭内筒的内腔。
根据本发明的另一方面，提出了一种管柱，其包括上述的装置。
在一个实施例中，管柱包括多个依次连接的装置，并且在由上到下的方向上，
装置的内筒的球座的直径依次减小。
与现有技术相比，本发明的优点在于，在将具有这种结构的装置的管柱下入
到储层中，并使得内筒的内腔封闭后，向管柱内注入压力液，在压力达到第一压
力时，内筒相对于上接头移动而露出喷嘴，并且第二传压孔和第一传压孔连通以
满足封隔器坐封。从而，携砂液可以通过喷嘴产生高速射流而进入地层，以完成
储层射孔。在储层射孔完成后，再次向管柱内注入压力液，在压力达到第二压力
时，内筒相对于上接头移动并露出压裂孔，则可以向管柱内注入压裂液，以完成
大排量压裂。由此，使用该用于压力级差式喷封压的装置，只需要下入一次管柱
便能实现射孔和压裂。从而，该用于压力级差式喷封压的装置能减少作业工序，
降低作业成本。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1显示了根据本发明的实施例的处于初始状态下的用于压力级差式喷封压
的装置；
图2显示了根据本发明的实施例的投入球后的用于压力级差式喷封压的装
置；
图3显示了根据本发明的实施例的露出喷嘴后的用于压力级差式喷封压的装
置；
图4显示了根据本发明的实施例的露出压裂孔后的用于压力级差式喷封压的
装置
图5显示了根据本发明的实施例的管柱；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
图1显示了根据本发明的实施例的初始状态下的用于压力级差式喷封压的装
置100。如图1所示，装置100包括筒状的上接头1、中心杆3、封隔器4、下接
头5和内筒6。其中，上接头1构造为筒状，并用于与油管8连接，以将装置100
送入到储层中。同时，在上接头1的周壁上设置连通内外的喷嘴7和压裂孔9，
并且喷嘴7位于压裂孔9的上端。中心杆3设置在上接头1的下端，并呈筒状。
封隔器4设置在上接头1的下端外壁上，并延伸到中心杆3的外壁上，以用于封
隔装置100与套管10之间的环空11。并且，封隔器4具有第一传压孔15和胶筒
组件12，胶筒组件12设置在中心杆3的外壁上，同时第一传压孔15设置在上接
头1的外壁上。下接头5设置在中心杆3的下端，并构造为筒状。内筒6设置在
上接头1之内，并与上接头1滑动式连接。内筒6上设置有第二传压孔53。初始
状态下，内筒6封堵喷嘴7、第一传压孔15和压裂孔9，如图1所示。在第一压
力下，内筒6下移露出喷嘴7，同时使得第二传压孔53与第一传压孔15连通，
如图3所示。在第二压力下，内筒6继续下移，而露出压裂孔9，如图4所示。
由此，在将具有这种结构的装置100的管柱50下入到储层后，并使得内筒6
的内腔封闭，再向管柱50内注入压力液，在第一压力作用下，喷嘴7露出，如
图3所示。同时，由于第二传压孔53与第一传压孔15连通，则压力液可以促动
封隔器4坐封。从而，注入到管柱50中的携砂液可以通过喷嘴7产生高速射流
而进入地层，以完成储层射孔。在储层射孔完成后，继续向管柱50内泵送压力
液，当压力到达第二压力时，压裂孔9露出，如图4所示，此时可进行压裂工序。
由此，使用该用于压力级差式喷封压的装置100，只需要下入一次管柱50便能实
现射孔和压裂。从而，该用于压力级差式喷封压的装置100能减少作业工序，降
低作业成本。同时，在改造储层过程中，由于射孔完成后便在临近位置进行压裂，
由此该装置100能保证压裂的准确性和精准度，从而提高了压裂效果。另外，在
改造地层过程中，通过一次封堵内筒6便能实现封隔器4坐封和射孔及其压裂操
作，进一步地降低了施工时间，减少了施工费用。
根据本发明，封隔器4还包括外筒16、活塞缸13和活塞14。其中，外筒16
的上端套式固定连接在上接头1的外壁上，而外筒16轴向向下延伸并越过中心
杆3。从而，由中心杆3的上端面、外筒16的内壁和上接头1形成了活塞缸13。
活塞14的上端设置在活塞缸13内，活塞14的下端由中心杆3与外筒16之间向
下延伸并与胶筒组件12抵接。同时，在初始状态下，活塞14与外筒16通过第
二剪切销17连接。并且第一传压孔15能与活塞缸13连通，以通过第一传压孔
15向活塞缸13内注入压力液。另外，第一传压孔15位于压裂孔9的下端并位于
活塞14的上表面的上端，以使得活塞14能承接来自第一传压孔15的压力液。
在初始状态下，第一传压孔15由内筒6封闭。在注入压力液并且压力达到第一
压力时，内筒6能下移而使得第二传压孔53与第一传压孔15连通。同时，压力
液通过第二传压孔53和第一传压孔15进入活塞缸13并推动活塞14，在压力作
用下，第二剪切销17被剪断，而使得活塞14向下移动，下移的活塞14推动胶
筒组件12，以使得胶筒组件12作用而封隔环空11。
为了保证封隔的安全性，胶筒组件12包括多个胶筒26，并且在相邻的胶筒
26之间设置隔环27。例如，胶筒组件12包括三个胶筒。通过这种设置提高了封
隔器4的封隔效果，从而保证了装置100的射孔和压裂效率。
为了使得胶筒26受力均匀，在活塞14和胶筒组件12之间设置推杆29，以
传递活塞14的力到胶筒组件12上。推杆29的上端与活塞14固定连接，下端与
中心杆3滑动式连接，并且下端面与胶筒26抵接。
为了防止胶筒组件12回退，在中心杆3的外壁上设置第一棘齿18。同时，
在活塞14的内壁上设置第二棘齿19。在活塞14向下移动过程中，第二棘齿19
也随之向下移动，待活塞14移动到位使得胶筒26膨胀而封隔环空11之后，第
二棘齿19与第一棘齿18配合，以防止胶筒26回退。通过这种设置能保证封隔
器4的坐封安全性，从而保证后续的射孔和压裂操作。
根据本发明，在中心杆3的内壁上设置第一内筒座28和第二内筒座54。其
中，第二内筒座54设置在第一内筒座28的下端。并且第一内筒座28和第二内
筒座54均构造为台阶状。相对应地，在内筒6的下端外壁上设置限位环55。限
位环55构造为由内筒6的径向向外突出的环状。在初始状态下，限位环55通过
第四剪切销56连接到内筒6上。另外，内筒6通过第一剪切销20设定在上接头
1上。在内筒6的内腔被封闭后，压力达到第一压力时，第一剪切销20被剪断，
内筒6带动限位环55下移以使得限位环55能与第一内筒座28复合，从而限定
内筒6的位置。当压力达到第二压力时，第四剪切销56被剪断，内筒6继续下
移并与第二内筒座54复合，以限定内筒6的位置。通过上述结构，能保证内筒6
的运动位置，从而保证射孔和压裂的精度。并且，上述结构简单，只需要封堵一
次内筒6便能使得内筒6运动并处于不同的位置，操作方便。
在一个优选的实施例中，内筒6的内壁上构造有球座21。在将装置100下入
地层后，可通过地面向内筒6中投球22，如图2所示。球22与球座21配合，达
到了封闭内筒6的内腔的目的。此时，可向装置100内泵送压力液以促动内筒6
运动。
在一个优选的实施例中，装置100还包括设置在封隔器4下端的解封挡环23。
解封挡环23的上端套接在中心杆3的外壁上，并与中心杆3滑动式连接。解封
挡环23的上端面与胶筒26抵接，且下端通过第三剪切销24与下接头5固定连
接。同时，解封挡环23与中心杆3和下接头5形成第一空间25，以提供避让空
间。在需要解封封隔器4的情况下，可以上提上接头1，中心杆3和下接头5具
有跟随上接头1向上运动的趋势，由于胶筒26与环空11摩擦式接触，则在拉力
作用下第三剪切销24被剪断。在第三剪切销24被剪断后，解封挡环23和下接
头5相对移动以使得胶筒26回弹从而解封封隔器4。通过这种设置能提高装置
100的作业安全性，以用于在突发情况下将管柱50由套管10中提出。
本发明还涉及一种管柱50。管柱50包括油管8和与油管8固定连接的装置
100，如图4所示。为了提高储层改造规模，提高工作效率。可以在一趟管柱50
上设置多个依次连接的装置100。而为了实现内筒6的封堵，在由上到下的方向
上，装置100的不同的内筒6的球座21的直径依次减小。由此，在将管柱50下
入到地层中后，可通过投入不同直径的球22，逐级促动内筒6移动，以逐级进行
射孔和压裂。尤其在对当级进行射孔和压裂的过程中，由于目的层之上的封隔器
4未启动坐封，目的层及以下的封隔器4实现了坐封。由此，具有这种结构的装
置对地面泵送设备要求低，也就是，在地面设备不变的情况下，能实现作业排量
更高，压裂效果更好的目的。
下面根据图1-5详细论述使用具有装置100的管柱50进行改造地层的方法。
第一步，将包含油管8和装置100的管柱50下入到套管10中，并使得管柱
50与套管10之间形成环空11。
第二步，向油管8内投入球22。球22与相应级的内筒6的球座21配合，以
封堵内筒6的内通道。
第三步，向油管8中泵送压力液。当压力达到第一压力(例如第一压力为
15-25MPa)时，第一剪切销20被剪断，则内筒6与限位环55一起下移，并使得
限位环55与第一内筒座28配合，从而使得喷嘴7露出，同时第二传压孔53与
第一传压孔15连通。此时，压力液通过第二传压孔53流入第一传压孔15最终
进入到活塞缸13内，并推动活塞14向下运动，使得推杆29作用于胶筒26，由
此胶筒26膨胀以实现封隔器4坐封。
第四步，当封隔器4坐封后，向油管8内注入携砂液，携砂液通过喷嘴7的
节流作用而高速向外射出，携砂液射穿套管10并进入地层，从而在地层内形成
孔洞。
第五步，射孔结束后，向油管8内注入压力液，由于球22与球座21的配合，
以使得内筒6受到向下的力。当压力达到第二压力(例如，第二压力为35-45MPa
时，第四剪切销56被剪断，内筒6继续下移并与第二内筒座54配合，从而露出
压裂孔9。
第六步，向油管8内注入压裂液，压裂液通过压裂孔9进入射孔时形成在地
层中的孔洞处，以完成压裂。在此过程中，为了增加排量，提高压裂效果，在向
油管8内注入压裂液的同时，还可以向环空11内注入压裂液以进行补液。
在完成相应级的射孔压裂后，重复第二步到第六步，以完成下一级的射孔压
裂。从而，通过一趟管柱50可以完成储层的多级射孔和压裂，由此，减少了施
工工序，提高了工作效率。
本申请中，所述方位用语“上”和“下”均以装置100下入地层所处的方位
为参考。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任
何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而
这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应
以权利要求书的保护范围为准。