CN106948791B - 一种水平井无级差可反复开关式压裂滑套 - Google Patents

Abstract

一种水平井无级差可反复开关式压裂滑套，用来解决传统滑套受到压裂层数、开关次数以及管柱通径限制等问题。其特征在于：包括三个单元：第一单元是滑套的框架支撑机构，即滑套的外壳和主要支撑部件；第二单元是滑套的动力执行机构，蓄能器作为唯一的能量源，利用其驱动液压缸，进而开启或者关闭滑套；第三单元是滑套的控制机构，即由三位四通电磁换向阀和射频模块控制信号的接收，进而控制整个滑套系统。该种水平井无级差可反复开关式压裂滑套具有实现多层压裂的优点，使其不再受压裂层数的限制，在压裂过程中滑套可以实现反复打开和关闭，做到一层多次压裂的效果，同时实现了管柱的全通性，使其压裂程度达到最大化，解决了传统压裂滑套的缺陷。

Description

一种水平井无级差可反复开关式压裂滑套

技术领域

本发明涉及一种能够在水平石油井下工作的压裂滑套。

背景技术

我国的油气资源勘探开发呈现出新油田油藏类型越来越复杂、老油田挖潜难度越来越大的现状，如何提高油田的开发效益，最大程度的提高油田采收率已经成为石油行业共同追求的目标。压裂技术开始于20世纪80、90年代，起初是对油气井进行笼统的压裂改造。2000年以后，随着现场应用和页岩气、致密气、致密油等非常规油气资源的大规模开发，许多发达国家开始着手尝试压裂改造技术的研究。因此，研发出一种高效的，工艺简单，井下工具少，成本低的压裂设备尤为重要。在现有技术的几类滑套中，投球式滑套由于压裂球和球座存在尺寸的限制，不能实现无限极压裂；飞镖式滑套由于结构复杂，制造成本高昂，且经常存在密封不严的情况，开关式滑套由于在进行压裂工作时需要很大的驱动力，再加上本体结垢、生锈、密封圈的摩擦及限位机构等影响因素，导致该驱动力会变得更大，极易导致管串的断裂。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种水平井无级差可反复开关式压裂滑套，该种压裂滑套能够在水平石油井下工作，可实现滑套的多次打开与关闭。本滑套由于存在射频驱动装置，可实现滑套的反复开关，达到无限极压裂的目的。而本滑套相比于飞镖式滑套具有结构更简单，更优化，且密封状况更好的特点；而本滑套相比于开关式滑套，由射频系统通信单元获取标签命令，经控制单元解读后输出控制命令，驱动执行机构运动，完成滑套打开或关闭。由于采用非接触方式激活各个滑套功能单元，各滑套仅由对应的信息码进行唯一区别，且能独立操作，从而避免了上述问题。

本发明的技术方案是：该种水平井无级差可反复开关式压裂滑套包括第一单元、第二单元和第三单元：所述第一单元为此压裂滑套的框架支撑机构，包括上接头、中心管、下接头和护套；中心管穿套在护套内，上接头和下接头均以螺纹连接的形式固定在中心管的两端且内接于护套的上、下两端；

其中，中心管上开有4个中心对称的第一喷砂孔，下接头上开有4个中心对称的第三喷砂孔，在护套上开有第一护套割缝和第二护套割缝，在下接头上开有下接头割缝，以确保此压裂滑套内外压力的平衡。

所述第二单元为此压裂滑套的动力执行机构，包括蓄能器、液压缸和内滑套。

其中，内滑套上开有4个中心对称的第二喷砂孔；蓄能器共有12个腔，分别是5个回油腔、3个储油腔、3个储气腔和1个阀腔。蓄能器上还有3个活塞，1个充气阀和1个充油阀及5条第一管道槽；其中5条第一管道槽分别与其5个回油腔的5个腔室相连通。

液压缸包含有缸筒、4个活塞、4个第一活塞杆、4个第二活塞杆、若干个O-型密封圈以及若干个缸盖。缸筒具有5个腔室，分别为第一腔室、第二腔室、第三腔室、第四腔室以及第五腔室；其中，四个第一活塞杆分别插入到第一腔室、第二腔室、第三腔室、第四腔室中，再分别与四个第二活塞杆的上接头相连接在一起；第五腔室为液压缸回油腔，用于传递液压油，缸筒的颈部开有的若干条第二管道槽使得缸筒上的5个腔室相连通，保证了各个腔室之间能量的交换与传递；缸盖上有三道密封槽保证液压缸的密封性。

蓄能器用于储存能量，3个储油腔中的液体通过三位四通电磁换向阀传递到液压缸，经过液压缸的驱动，推动活塞杆来带动内滑套运动。

蓄能器的下端与液压缸通过卡槽的方式相连接；第二活塞杆通过螺纹孔和螺母与内滑套相连，第二活塞杆的螺纹端侧插入液压缸的套孔中与第一活塞杆的螺纹端共同固定连接在活塞上，且第一活塞杆底端侧固定在液压缸的底侧。

所述第一、第二和第三喷砂孔的孔径由内到外逐渐减小，在所述第一、第二和第三喷砂孔的中心线重合时，压裂液流出。

所述第三单元为此压裂滑套的控制机构，用于控制所述蓄能器的能量释放；第三单元包括三位四通电磁换向阀和射频系统；射频系统利用无线射频技术接受信号控制三位四通电磁换向阀，进而控制此压裂滑套的动作；三位四通电磁换向阀置于蓄能器中，实现接收射频系统信号的功能；三位四通电磁换向阀包括阀套、阀芯、2个线圈、2个线圈座、2个复位弹簧、2个线圈端盖以及2个阀芯螺栓；阀套上开有5个阀孔。

射频系统固定于此压裂滑套的顶部与上接头相连接，此压裂滑套的具有中央通过孔的其余内部元件均穿套在中心管上；通过上接头与下接头实现对中心管的锁紧。

本发明具有如下有益效果：首先，本种水平井无级差可反复开关式压裂滑套与常规压裂滑套不同，不能依靠压力液作为打开滑套的能量来源，而采用蓄能器作为能量源，利用蓄能器所释放的能量通过充气阀和充油阀管道槽打开或者关闭滑套。同时，蓄能器采用“蜂窝煤”式的结构形式，更有利的利用了有限的空间，使能量储存达到最大化，保障了滑套多次开启和关闭。其次，该种滑套采用无线射频技术（RFID）接受信号控制三位四通电磁换向阀，具有高效性、及时性、准确性的特点，有利于滑套的打开和关闭，从而提高工作效率。再次，三位四通阀是整个液压系统的控制中心，所在位置是蓄能器内部，呈圆柱状，可以方便的与蓄能器相配合。最后，在下接头和护套上采用割缝技术，割出0.2mm的缝隙，使外环境中的液体进入，确保液压缸和内滑套两端平衡，从而使滑套内外压力平衡。液压系统采用蓄能器供油，把液压油输送到双杆液压缸中，确保作业的液压缸能完成工作。

综上所述，本发明能够有效地解决目前压裂滑套所面临的一些问题，比如管柱通径问题、压裂层数问题、打开和关闭问题以及级与级之间的问题。本发明可以达到结构无级差，压裂层数不再受限制，同时在压裂过程中滑套可以实现反复打开和关闭，做到一层多次压裂的效果；实现了管柱的全通性，使其压裂程度达到最大化。解决了传统压裂滑套的缺陷，使压裂滑套走向智能化，更好地与现代科学技术相结合。本发明希望能够为压裂设备的研发进行一些有益的探索，以及推进该技术在生产中的应用。

附图说明：

图1是本发明平井无级差可反复开关式压裂滑套总装图。

图2是本发明平井无级差可反复开关式压裂滑套结构图。

图3是本发明中心管结构图。

图4是本发明第一单元结构剖面图。

图5是本发明第二单元结构图。

图6是本发明第三单元结构剖面图。

图7是本发明内滑套结构图。

图8是本发明内滑套剖面图。

图9是本发明上接头结构图。

图10是本发明上接头剖面图。

图11是本发明下接头结构图。

图12是本发明下接头剖面图。

图13是本发明三位四通电磁换向阀图。

图14是本发明阀套结构图。

图15是本发明阀套剖面图。

图16是本发明阀芯结构图。

图17是本发明线圈座结构图。

图18是本发明线圈座剖面图。

图19是本发明线圈端盖主视图。

图20是本发明线圈端盖侧视图。

图21是本发明蓄能器部分结构图A。

图22是本发明蓄能器部分结构图B。

图23是本发明蓄能器侧视图。

图24是本发明缸筒结构图

图25是本发明缸筒俯视图。

图26是本发明缸筒侧视图

图27是本发明活塞结构图

图28是本发明第一活塞杆结构图

图29是本发明第二活塞杆结构图

图30是本发明O-型密封圈结构图

图31是本发明缸盖结构图

图32是本发明缸盖剖视图

图33是本发明下接头与护套割缝结构示意图

图34是本发明系统原理图。

图中1-第一单元，2-第二单元，3-第三单元，4-上接头，5-中心管，6-内滑套，7-下接头，8-射频系统，9-蓄能器，10-液压缸，11-第一喷砂孔，12-第一活塞杆，13-内滑套外密封槽，14-第二喷砂孔，15-第三喷砂孔，16-三位四通电磁换向阀，17-阀套，18-阀芯，19-线圈，20-线圈座，21-复位弹簧，22-线圈端盖， 23-阀芯螺栓，24-回油腔，25-储油腔，26-储气腔，27-阀腔，28-充气阀，29-充油阀，30-第一管道槽，31-阀孔，32-缸筒，33-活塞，34-第二活塞杆，35-O-型密封圈，36-缸盖，37-第二管道槽，38-护套，39-第一护套割缝，40-第二护套割缝，41-下接头割缝。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

该种水平井无级差可反复开关式压裂滑套，如图1至图34所示，包括第一单元1、第二单元2和第三单元3。

所述的第一单元1为整个滑套系统的框架支撑机构，如图4所示，由上接头4、中心管5、下接头7和护套38构成。中心管5上有4个中心对称的喷砂孔1。内滑套6上有4个中心对称的喷砂孔2。下接头7上有4个喷砂孔3，由于以上喷砂孔孔径由内到外逐渐减小，即喷砂孔1的尺寸大于喷砂孔2和喷砂孔3的尺寸，使整体喷砂孔内外形成较大的压差，在三组喷砂孔的位置处于中心对称时，压裂液流出，产生节流增压的效果，使压裂更高效。如图33所示，护套割缝39，护套割缝40和下接头割缝41的技术应用，确保了滑套内外压力的平衡，其尺寸为0.2mm的缝隙。其中，中心管5是主要的承重部件和连接部件，用来连接滑套内各个零部件，中心管5穿套在护套38内，上街头4和下接头7均以螺纹连接的形式固定在中心管5两端且内接于护套38上下两端。

所述第二单元2为整个滑套系统的动力执行机构，如图5所示，由蓄能器9、液压缸10、内滑套6、活塞33、第一活塞杆13和第二活塞杆34构成。其中，蓄能器9共有12个腔，分别是5个回油腔24、3个储油腔25、3个储气腔26、和1个阀腔27，其上还有3个活塞，1个充气阀28和1个充油阀29及5条管道槽30。其中5条管道槽分别与其5个腔室相连通。液压缸10由缸筒32、4个活塞33、4个第一活塞杆12、4个第二活塞杆34、若干个O-型密封圈35、若干个缸盖36组成，用于储存能量，将能量通过三位四通电磁换向阀传递到液压缸，液压缸将势能转化为机械能驱动内滑套。如图26所示，缸筒32由5个腔室，分别为腔室42，腔室43，腔室44，腔室45，腔室46，其中四个第一活塞杆12分别插入到腔室42，腔室43，腔室44，腔室45中，再分别于与第二活塞杆34的上接头相连接一起组合成液压缸10，剩下的腔室46为液压缸回油腔，用于传递液压油，其上若干个条管道槽37使每个腔室相通，保证了各个腔室之间能量的交换与传递。缸盖36上有三道密封槽保证液压缸的密封性。其中，在最上方蓄能器9与液压缸10通过卡槽的方式相连接；紧接着位于第二活塞杆34上的一孔，通过螺纹孔和螺母与内滑套6相连，第二活塞杆34的螺纹端侧插入液压缸10的套孔中与第一活塞杆12的螺纹端共同固定连接在活塞33上，且第一活塞杆12底端侧固定在液压缸10的底侧。整个机构通过蓄能器9的3个储油腔将储存的能量释放出来，经过液压缸10的驱动，推动活塞杆来带动内滑套6运动，实现机构的执行运动。

所述第三单元为整个滑套系统的控制机构，如图6所示，由三位四通电磁换向阀和射频系统构成。其中，三位四通电磁换向阀由阀套、阀芯、2个线圈、2个线圈座、2个复位弹簧、2个线圈端盖、2个阀芯螺栓构成，用于控制蓄能器的能量释放。阀套上有5个阀孔。射频系统利用无线射频技术（RFID）接受信号控制三位四通电磁换向阀，进而控制整个系统。其中，三位四通电磁换向阀置于蓄能器中，实现接收射频系统信号的功能，射频系统固定于整个滑套的顶部与上接头相连接，整个滑套系统的内部元件均依次穿套在中心管上，通过上接头与下接头对中心管的锁紧，进而安置于整个滑套系统中，实现整个压裂滑套的运转

下面给出利用本装置作业过程：

步骤1：在整个系统运作前，必须先通过充气阀，向蓄能器的气腔冲入压缩气体，作为整个系统的动力源。

步骤2：投入电子标签，射频系统接受信号，发出指令，三位四通电磁换向阀开始工作，蓄能器释放能量，液压缸开始移动，内滑套打开，压裂液从喷砂孔喷出，过一段时间后三位四通电磁换向阀自动回到起始位置。

步骤3：压裂结束时，投入一个电子标签，射频系统接受信号，并发出指令，三位四通电磁换向阀向步骤一运动方向的反方向运动，蓄能器再次释放能量液压缸反向移动，内滑套关闭，过一段时间后三位四通电磁换向阀自动回到起始位置。

到此，一个工作回合结束。如果继续压裂当前压裂层，则重复以上步骤。

Claims (1)

1.一种水平井无级差可反复开关式压裂滑套，由第一单元(1)，第二单元(2)，第三单元(3)三个单元组成，其特征在于：

所述第一单元(1)为此压裂滑套的框架支撑机构，包括上接头(4)、中心管(5)、下接头(7)和护套(38)；中心管(5)穿套在护套(38)内，上接头(4)和下接头(7)均以螺纹连接的形式固定在中心管(5)的两端且内接于护套(38)的上、下两端；

其中，中心管(5)上开有4个中心对称的第一喷砂孔(11)，下接头(7)上开有4个中心对称的第三喷砂孔(15)，在护套(38)上开有第一护套割缝(39)和第二护套割缝(40)，在下接头(7)上开有下接头割缝(41)，以确保此压裂滑套内外压力的平衡；

所述第二单元(2)为此压裂滑套的动力执行机构，包括蓄能器(9)、液压缸(10)和内滑套(6)；

其中，内滑套(6)上开有4个中心对称的第二喷砂孔(14)；蓄能器(9)共有12个腔，分别是5个回油腔(24)、3个储油腔(25)、3个储气腔(26)和1个阀腔(27)，蓄能器(9)上还有3个活塞，1个充气阀(28)和1个充油阀(29)及5条第一管道槽(30)；其中5条第一管道槽(30)分别与其5个回油腔(24)的5个腔室相连通；

液压缸(10)包含有缸筒(32)、4个活塞(33)、4个第一活塞杆(12)、4个第二活塞杆(34)、若干个O-型密封圈(35)以及若干个缸盖(36)；

缸筒(32)具有5个腔室，分别为第一腔室(42)、第二腔室(43)、第三腔室(44)、第四腔室(45)以及第五腔室(46)；其中，四个第一活塞杆(12)分别插入到第一腔室(42)、第二腔室(43)、第三腔室(44)、第四腔室(45)中，再分别与四个第二活塞杆(34)的上接头相连接在一起；第五腔室(46)为液压缸回油腔，用于传递液压油，缸筒(32)的颈部开有的若干条第二管道槽(37)使得缸筒(32)上的5个腔室相连通，保证了各个腔室之间能量的交换与传递；缸盖(36)上有三道密封槽保证液压缸的密封性；

蓄能器(9)用于储存能量，3个储油腔(25)中的液体通过三位四通电磁换向阀传递到液压缸(10)，经过液压缸(10)的驱动，推动活塞杆来带动内滑套(6)运动；

蓄能器(9)的下端与液压缸(10)通过卡槽的方式相连接；第二活塞杆(34)通过螺纹孔和螺母与内滑套(6)相连，第二活塞杆(34)的螺纹端侧插入液压缸(10)的套孔中与第一活塞杆(12)的螺纹端共同固定连接在活塞(33)上，且第一活塞杆(12)底端侧固定在液压缸(10)的底侧；

所述第一、第二和第三喷砂孔三者之间的孔径大小由内向外依次逐渐减小，在所述第一、第二和第三喷砂孔的中心线重合时，压裂液流出；

所述第三单元(3)为此压裂滑套的控制机构，用于控制所述蓄能器的能量释放；第三单元(3)包括三位四通电磁换向阀(16)和射频系统(8)；射频系统(8)利用无线射频技术接受信号控制三位四通电磁换向阀(16)，进而控制此压裂滑套的动作；三位四通电磁换向阀(16)置于蓄能器(9)中，实现接收射频系统信号的功能；三位四通电磁换向阀(16)包括阀套(17)、阀芯(18)、2个线圈(19)、2个线圈座(20)、2个复位弹簧(21)、2个线圈端盖(22)以及2个阀芯螺栓(23)；阀套(17)上开有5个阀孔(31)；

射频系统(8)固定于此压裂滑套的顶部与上接头(4)相连接，此压裂滑套的具有中央通过孔的其余内部元件均穿套在中心管(5)上；通过上接头(4)与下接头(7)实现对中心管(5)的锁紧。