用于压力级差式喷封压的工具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
式喷封压的工具以及包含其的管柱。
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工具以及包含其的管柱。使用该用于压力级差式喷封压
的工具，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
封压的工具能减少作业工序，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工具，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连接套，
设置在连接套的下端的筒状的中心杆，
设置在连接套和中心杆的外壁上的封隔器，封隔器具有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，在初始状态下，内筒封
堵喷嘴和压裂孔，
其中，在内筒的内腔封闭后，在第一压力作用下，内筒下移露出喷嘴，同时，
封隔器坐封，在第二压力作用下，内筒下移露出压裂孔。
在一个实施例中，还包括选择性设置在内筒中并用于封堵内筒的内腔的开启
工具，开启工具包括：
开启工具主体，
由开启工具主体向上延伸的弹性卡片，
设置在开启工具主体下端的球座，
与球座配合的球，
其中，弹性卡片上设置有凸起部以与设置在内筒的内壁上的凹槽相配合。
在一个实施例中，在内筒的凹槽的下端设置挡环，挡环构造为能相对于内筒
轴向滑动，并且在挡环的上端面和内筒之间设置密封件以使得挡环在相对于内筒
向上移动过程中压缩密封件。
在一个实施例中，在开启工具主体和球座之间设置弹性助推环。
在一个实施例中，在挡环的外壁上设置径向突出的限位环，在连接套的内壁
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，限位环构造为能与挡环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，封隔器还包括：
上端套式固定连接在连接套的外壁上的外筒，外筒的下端延伸过中心杆，
由中心杆的上端面、外筒的内壁和连接套形成的活塞缸，
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，
设置在连接套的壁上的第一传压孔，
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，在内筒的壁上设置第二传压孔，第二传压孔构造为在内筒
下移后与第一传压孔连通。
在一个实施例中，第一传压孔包括用于与第二传压孔连通的第一部分，以及
与第一部分和活塞缸均连通的第二部分，其中第一部分构造为沿径向延伸的孔，
而第二部分构造为沿轴向延伸的孔。
在一个实施例中，在第一部分的入口处构造有扩孔。
根据本发明的另一方面，提出了一种管柱，其包括上述的工具。
与现有技术相比，本发明的优点在于，在将具有这种结构的工具的管柱下入
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，并且促动胶筒组件运作而使封隔器坐
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工具，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工具能减少作业工序，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
的工具；
图2显示了根据本发明的实施例的投入开启工具后的用于压力级差式喷封压
的工具；
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工
具；
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
工具；
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工
具100。如图1所示，工具100包括筒状的上接头1、连接套2、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，
以将工具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。连接套2设置在上接头1的下端，
并呈筒状。中心杆3设置在连接套2的下端，并呈筒状。封隔器4设置在连接套
2的下端外壁上，并延伸到中心杆3的外壁上，以用于封隔工具100与套管10之
间的环空11。并且，封隔器4具有设置在中心杆3的外壁上的胶筒组件12，在
压力液的作用下，胶筒组件12运作使得封隔器4坐封。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。
初始状态下，内筒6封堵喷嘴7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，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工具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。从而，可向管柱50中注入携砂液，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工具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工具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，由此该工具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。
在一个实施例中，工具100包括用于封堵内筒6的内腔的开启工具40，如图
2所示。并且，开启工具40包括开启工具主体41、弹性卡片42、球座21和球
22。其中开启工具主体41构造为筒状，以用于设置在内筒6中。弹性卡片42设
置在开启工具主体41的上端。优选地，弹性卡片42可以为多个，并沿着周向分
布。球座21设置在开启工具主体41的下端以用于放置球22。在弹性卡片42上
设置有凸起43。相对应地，在内筒6上设置有凹槽44用于与凸起43配合。在将
开启工具40投入内筒6过程中，当开启工具40遇到与其匹配的内筒6后，弹性
卡片42向外张开，以使得凸起43与凹槽44配合，从而开启工具40定位于内筒
6上。在这种情况下，内筒6的内部流通通路被堵塞，则此时可以通过注入压力
液的方式促动内筒6向下移动。
需要说明地是，可以通过设置不同尺寸和结构的弹性卡片42和凸起43以匹
配处于不同级数中的内筒6。由此，通过这种结构的开启工具40不仅能实现内筒
6的下移。在投入一次开启工具40后，便能对相应地层进行射孔和压裂。通过这
种结构还能保证管柱50的全通径，进而实现“无数”级压裂施工。
根据本发明，在从上到下的方向上，于内筒6的凹槽44的下端内壁上设置
第一台阶45。同时，在内筒6的下端内壁上设置限位件47。限位件47构造为筒
状并与内筒6固定连接，并形成径向向内突出的第二台阶46。相对应地，在凹槽
44的下端设置挡环48，并且挡环48构造为筒状。并且，在挡环48的外壁的轴
向中间部分上设置径向向外突出的突出环49。此突出环49的下端面抵接在第二
台阶46上，以使得挡环48的上端面与第一台阶45相对，而挡环48的下端面延
伸出内筒6的下端面。同时，在挡环48的上端面与第一台阶45之间设置密封件
51。优选地，密封件51可以为胶套。由此，投入开启工具40并使得开启工具40
与内筒6一起下移，当挡环48与第一内筒座28复合(通过限位环55与第一内
筒座28复合)后，内筒6与限位件47继续下移，压缩密封件51膨胀而提高内
筒6与开启工具40之间的密封。通过这种设置，可提高内筒6与开启工具40之
间的密封性，以保证在注入压力液后内筒6能够顺利下移。
根据本发明，在开启工具主体41和球座21轴向之间设置弹性助推环52。优
选地，弹性助推环52可以为胶环。通过设置弹性助推环52减小了开启工具40
与油管8等之间的间隙。由此，在通过加压送入开启工具40的过程中，减小了
漏液，以使得开启工具40能更顺利地被送入。
根据本发明，封隔器4还包括外筒16、活塞缸13、活塞14和第一传压孔15。
其中，外筒16的上端套式固定连接在连接套2的外壁上，而外筒16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的内壁和连接套2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。第一传压孔15设置在连接套2的外壁上。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。相对应地，在内筒6的壁上设置第二传压孔53。
在初始状态下，第一传压孔15由内筒6封闭。在注入压力液过程中，内筒6能
下移而使得第二传压孔53与第一传压孔15连通。由此，压力液通过内筒6的内
腔经由第二传压孔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。
为了保证压力液能通过第二传压孔53流入到第一传压孔15内，第二传压孔
53设置在密封件51的上端的内筒6上。还需要说明地是，当内筒6下移到位后，
第二传压孔53与第一传压孔15可以相对接触式连通。当然，第二传压孔53与
第一传压孔15还可以通过形成在连接套2和内筒6之间的间隙连通。在第二种
情况下，可以相对减小内筒6的轴向尺寸，从而提高内筒6的强度，降低生产成
本。
优选地，第一传压孔15可包含第一部分15’和与第一部分15’连通的第二部
分15”。其中，第一部分15’径向延伸以用于与第二传压孔53连通，而第二部分
15”轴向延伸与第一部分15’和活塞缸13均连通，以用于为活塞14提供正压力，
更有效地促动活塞14移动。进一步优选地，第一部分15’的入口处(也就是需要
与第二传压孔53连通处)构造为扩口形式，以更好的接受第二传压孔53供给的
压力液。通过这种设置能使得第二传压孔53能更容易地接受压力液，同时降低
工具100的精度要求。
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，从而保证了工具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，在连接套2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，在挡环48的下端外壁上设置限位环55。限
位环55构造为由挡环48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连接到挡环48上。另外，内筒6通过第一剪切销20设定在连接
套2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，工具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，膨胀的胶筒26推动
解封挡环23向下运动以解封封隔器4。通过这种设置能提高工具100的作业安全
性，以用于在突发情况下将管柱50由套筒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固定连接的工具
100，如图5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工具100。由此，在将管柱50下入到地层中后，可逐级投
入开启工具40，逐级促动内筒6移动，以逐级进行射孔和压裂。
下面根据图1-5详细论述使用具有工具100的管柱50进行改造地层的方法。
第一步，将包含油管8和工具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内投入开启工具40。开启工具40与相应级的内筒6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并最
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，由于开启工具40与内筒6
一直处于配合状态，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继续下移并使得挡环48
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”均以工具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。