发明内容
本专利的目的是设计一种新型智能固井滑套,在井内相邻套管之间设置滑套动力机构,在地面控制滑套动作,实现压裂液通道的自动开启和关闭。
本发明的技术方案是:一种智能固井滑套,包括依次通过螺纹固定连接的前接头、内套、外套、外缸套、后接头,其特征是:滑套设置在外套后端内孔、外缸套内孔、后接头内孔形成的圆柱空腔内,滑套的前端与外套的后端连接形成密封动配合,滑套的后端与后接头连接形成密封动配合,在滑套的外圆周上设置有凸台,所述凸台的外圆柱面与外缸套的内圆柱面贴合形成密封动配合,在凸台的前后两侧形成前工作腔和后工作腔;在外缸套的圆周上设置有固定通道,在滑套上设置有移动通道,固定通道和移动通道构成完整的压裂液通道;在内套外圆柱圆周上位于外套与前接头之间部分固定设置有环形分布的耐压模块,耐压模块包括多个封闭空腔的耐压单元,球形微泵、补油腔、压力传感器和控制电路板分别封装在独立的耐压单元中,球形微泵电机、压力传感器、控制电路板依次电连接组成球形微泵控制电路;还包括一电源,该电源为上述球形微泵控制电路供电;
所述球形微泵是具有正反转功能的油泵,具有两个容积交替变化的工作容腔,在球形微泵的缸盖上设置有两个单向阀、补油通道、与球形微泵的一个工作容腔连通的第一进排油口、与球形微泵另一个工作容腔连通的第二进排油口,补油通道与球形微泵的主轴与转子组件之间形成的低压泄油通道连接,两个单向阀的进油口并接后与补油通道接通,两个单向阀的出油口分别与第一进排油口和第二进排油口接通;在外套上设置有第一进排油通道,第一进排油通道的一端与球形微泵的第一进排油口连通,第一进排油通道的另一端与前工作腔接通;在外套和外缸套上设置有连通的第二进排油通道,第二进排油通道的一端与球形微泵的第二进排油口接通,第二进排油通道的另一端与后工作腔接通;缸盖内的补油通道通过管道与耐压模块内的补油腔接通;
进一步的,在耐压模块与外套连接部分的外周设置有保护套,保护套通过螺纹连接在耐压模块和外套的外圆柱面上;
所述电源为蓄电池,蓄电池设置在井下耐压模块的模块化的耐压单元容腔内;作为另外一种技术方案,所述电源也可以设置在地面,通过电缆与井下的微型球泵控制电路电连接;
所述补油腔是由设置在耐压模块环形空腔内的一个独立的封闭耐压单元容腔内设置的弹簧、补油活塞构成,弹簧设置在补油腔的底部,补油活塞顶压在弹簧的上端在补油腔内形成弹性活塞,在补油腔的顶端设置有油道口,补油腔通过油道口上的管接头、管道及球形微泵的补油管接头与球形微泵的补油通道接通形成补油回路,通过弹簧的预紧力对球形微泵的液压油路进行补油和调节封闭油路的容积变化;
在耐压模块内设置两个包容球形微泵的耐压单元,两个球形微泵各自的第一进排油口通过连接管连通后再与第一进排油通道接通,两个球形微泵各自的第二进排油口连接管连通后再与第二进排油通道接通,两个球形微泵各自的补油管接头通过连接管连通后再与补油腔接通;
在内套的外圆上设置有环形凸台,环形凸台的前端面与前接头的后台阶端面通过锥螺纹连接,在环形凸台的后端面上设置有周向均布的多个孔,在耐压模块的各耐压单元的前端设置有与内套环形凸台的后端面上的均布孔相配的圆柱台阶,该圆柱台阶插入均布孔中,通过螺纹连接使内套与耐压模块固定连接;
在滑套前端与外套配合的部分设置有前刮板,在滑套后端与后接头配合部分设置有后刮板。
本专利的优点是:
1)在井下采用球形微泵给滑套直接提供动力,所用的球形微泵体积小、可分段设置在井下每级套管内,控制滑套动作,实现压裂液通道的自动开启和关闭;
2)可根据需要,随时打开或者关闭任何一级滑套,可以对井下压裂进行精确控制;
3)由于不需要把动力从地面引入井内,避免了诸多动力和控制管道占用井内空间,提升了井的有效通径;同时,由于压裂完成后不需要再钻铣桥塞,所以没有残留的桥塞屑堵塞在井内,方便后期探测及开采;
4)在地面就可以控制滑套动作实现压裂,操作简单、作业时间短、作业成本低,固井、完井质量高。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示,本专利所述的一种智能固井滑套,包括前接头2、内套3、外套9、外缸套11、滑套12和后接头15,在内套3的前端通过螺纹连接有前接头2,内套3的后端通过螺纹连接在外套9的前端,在外套9的后端通过螺纹连接有外缸套11,外缸套11的后端通过螺纹连接有后接头15;滑套12设置在外套9后端内孔、外缸套11内孔、后接头15内孔形成的圆柱空腔内,滑套12的前端与外套9的后端活动连接形成滑动配合,滑套12的后端与后接头的前端活动连接形成滑动配合,在滑套12与外套9的连接部分、滑套12与后接头15的连接部分分别设置有滑动密封形成密封动配合;在滑套12的外圆周上设置有凸台,凸台的外圆柱面与外缸套11的内圆柱面贴合形成密封动配合,在凸台的前后两侧形成前工作腔和后工作腔,外套9后端面、滑套12外圆柱面、外缸套11内圆柱面和滑套12凸台前端面形成的前工作腔,外缸套11、滑套12外圆柱面和滑套12凸台的后端面形成的后工作腔;在外缸套11的圆周上设置有固定通道13,在滑套12上设置有压裂液移动通道14,固定通道14和移动通道13构成完整的压裂液通道;当后工作腔打开滑套12向前滑动时,移动通道14随同滑靴12向前滑动,移动通道14与固定通道13接通,压裂液通道打开,滑套12内的压裂液通过移动通道14和固定通道13穿过外缸套11进入到岩层对岩层进行压裂;压裂完成后,球形微泵1的电机反转液压油反向流动,高压油进入前工作腔,后工作腔内的液压油排出,滑套12向后滑动,移动通道14随同滑套12向右滑动,移动通道14与固定通道13不再接通,压裂液通道关闭,压裂液封闭在滑套12内不进行压裂工作。为了防止压裂液中异物进入滑套12活动部分,影响滑套12正常移动,在滑套12前端与外套9配合的部分设置有前刮板17,在滑套12后端与后接头15配合部分设置有后刮板16。
在内套3外圆柱圆周上位于外套9与前接头2之间部分固定设置有环形的耐压模块4,在耐压模块4内设置有球形微泵1、补油腔7、蓄电池、压力传感器和控制电路板,蓄电池、球形微泵电机106、压力传感器、控制电路板依次电连接组成球形微泵控制电路;蓄电池采用直流蓄电池;耐压模块4上设置有多个模块化的封闭容腔的耐压单元,每个耐压单元朝向外套9的一端设置有管道出入口,球形微泵1、蓄电池、控制电路板、补油腔7在耐压模块4内模块化分布在各自不同的耐压单元中,各自相应的管道或者线路从耐压单元的管道出入口通过;在耐压模块4与外套9连接部分的外周设置有保护套8,保护套8通过螺纹连接在耐压模块4和外套9的外圆柱面上;保护套8对设置在耐压模块4内的部件及耐压模块4和外套9之间的管路、管线接头进行保护和屏蔽,防止固井时杂物进入影响接头和管道及耐压模块4内的部件。作为本专利的另一种实施方式,不在耐压模块4内设置蓄电池电源的耐压单元,而是把电源设置在地面上,地面上电源通过电缆与井下井壁上耐压模块4内的球形微泵电机106、压力传感器、控制电路板连接供电,这样,电源的类型不受限制,电源动力更充足。
在内套3的外圆上设置有环形凸台,环形凸台的前端面与前接头的后台阶端面通过锥螺纹连接,在环形凸台的后端面上设置有周向均布的多个孔,在耐压模块4的各耐压单元的前端设置有与内套3环形凸台的后端面上的均布孔相配的圆柱台阶,耐压单元上的圆柱台阶插入内套3环形凸台后端面上的均布孔中,再通过螺纹连接使内套3与耐压模块4固定连接。
所述补油腔7是由设置在耐压模块4环形空腔内的一个独立的封闭耐压单元容腔内设置的弹簧5、补油活塞6构成,弹簧5设置在补油腔7的底部,补油活塞6顶压在弹簧5的上端,从而在补油腔7内形成弹性活塞;在补油腔7的顶端设置有油道口,补油腔7通过油道口上的管接头、管道及球形微泵1的补油管接头109与球形微泵1内的补油通道接通形成补油回路,通过弹簧5的预紧力对球形微泵1的液压油路进行补油和调节封闭油路的容积变化。
如图2到图4所示,所述球形微泵1是具有正反转功能的油泵,具有两个容积交替变化的工作容腔,在球形微泵1的缸盖101上设置有与球形微泵1的一个工作容腔连通的第一进排油口111、与球形微泵1另一个工作容腔连通的第二进排油口112,在缸盖101内还设置有两个微型的单向阀110和补油通道,补油通道与球形微泵1的主轴104与转子组件102之间形成的低压泄流通道连接,两个单向阀110的进油口并接后与补油通道接通,两个单向阀110的出口分别与球形微泵1的第一进排油口111和第二进排油口112接通;在缸盖101上连接有补油管接头109,补油管接头109与补油通道接通;如图1所示,在外套9上设置有第一进排油通道10,第一进排油通道10的一端设置在外套9的前端面上并与球形微泵1的第一进排油口111通过耐压管连通,第一进排油通道10的另一端与外套9后端面、滑套12外圆柱面、外缸套11内圆柱面和滑套12凸台前端面形成的前工作腔接通;在外套9和外缸套11上设置有连通的第二进排油通道18,第二进排油通道18的一端设置在外套9的前端面上并与球形微泵1上的第二进排油口112通过耐压管连通,第二进排油通道18的另一端与外缸套11、滑套12外圆柱面和滑套12凸台的后端面形成的后工作腔连通;补油管接头109通过管道与耐压模块4内的补油腔7接通。
为了提高滑套12动作的可靠性,提高滑套12的驱动力,在耐压模块4内设置包容两个球形微泵1的耐压单元,两个微型球泵1的相应管路并接在一起,即两个球形微泵1的各自第一进排油口111通过连接管连通后再与第一进排油通道10接通、两个第二进排油口112通过连接管连通后再与第二进排油通道18接通、两个补油管接头109通过连接管连通后再与补油腔7接通。
如图5到图7所示,球形微泵1的缸盖101为上大下小的T型结构,上端的形状与耐压模块4的环形的耐压单元相适配,在缸盖101的顶端设置有两个安装单向阀110的沉孔和两个进排油口(第一进排油口和第二进排油口),两个单向阀110的进油口朝下、出油口朝上装入沉孔内,两个沉孔的端部通过螺塞密封;在缸盖101上设置有两条L型的补油通道,每根L型补油通道的下端为垂直段并沿缸盖101的侧壁与缸体103侧壁上的补油通道接通,再通过缸体103侧壁上的补油通道与转子组件102和主轴104之间的低压泄流通道接通;每根L型补油通道的上部为水平段并与单向阀110的进油口接通;加工补油通道时可以垂直于缸盖101的侧面钻水平孔,该水平孔与安装单向阀110的沉孔底部接通并与L型补油通道下部的垂直段接通,再用螺堵把其中的一个水平孔的孔口封堵,另一个水平孔的孔口设置螺纹连接补油通道管接头109;由于两根L型的补油通道都与低压泄流通道接通,所以在缸盖101内的补油通道可以连通也可以不连通;为了加工方便和减小球形微泵1的体积,可以在缸盖101的侧壁上垂直于侧面加工两个连接孔,一个连接孔使单向阀110的出油口和第一进排油口111接通,另一个连接孔使另一个单向阀110的出油口和第二进排油口112接通,最后把两个连接孔的孔口用螺堵封堵。
如图2到图4所示,球形微泵1是由球形泵体、电机106、减速器107和连接管路构成的动力单元,为滑套12移动提供动力。球形微泵1的泵体包括缸盖101、转子组件102、缸体103、主轴104、主轴支架105,缸盖101、缸体103、主轴支架104依次首尾相接,在相互结合面上设置有销钉定位,外壳108是上端带有外法兰的筒体,在外壳108靠近下端的筒体内设置有内环形台阶,外壳108上的内环形台阶压持在主轴支架105的端部,外壳108外法兰贴合在缸盖101上,通过螺钉把主轴支架105、缸体103依次压接在缸盖102的上;在外壳108下端设置有内螺纹,主轴104从外壳108的下端伸出后与减速器107的输出轴连接,减速器107的壳体上端设置有外螺纹,减速器107的壳体与外壳108通过螺纹连接,减速器107和电机106连为一体。在外壳108上位于主轴104轴端部分设置有扳手开口,在主轴104的相应部位外圆上设置有四方或六方,在调试时可以通过外壳108上的扳手开口,用扳手转动主轴104。
球形微泵1的缸盖101和缸体103具有半球形内表面,连接形成球形微泵1的球形内腔;如图8到10所示,转子组件102包括活塞113、转盘114和销轴115,活塞113具有球形顶面、球形顶面中央伸出一活塞轴、两个成一定角度的侧面和在活塞113两侧面下部形成的活塞销座,活塞销座为半圆柱结构,半圆柱的中部有凹槽,在其轴线方向上有贯通的活塞销孔;缸盖101上设有的活塞轴孔,活塞轴的轴径大小与活塞轴孔相配,活塞轴插入活塞轴孔中形成转动配合,活塞113可绕活塞轴的轴线在球形内腔中自由转动,活塞球形顶面与球形内腔具有相同的球心并形成密封动配合。转盘114具有转盘轴、转盘球面和转盘销座,在转盘轴的端部设置有矩形滑靴;转盘114的转盘销座的两端为半圆柱凹槽,中部为凸起的半圆柱,在半圆柱的轴线方向上有贯通的转盘销孔;缸体103和缸盖101构成的球形内腔与转盘球面具有相同的球心,转盘球面紧贴球形内腔形成密封动配合;活塞轴和转盘轴及主轴104的轴线都通过缸体103和缸盖101构成的球形内腔的球心,并且活塞轴和转盘轴的轴线与主轴104的轴线形成相同的夹角α;销轴115插入活塞113的活塞销孔和转盘114的转盘销孔中形成柱面铰链,活塞113与转盘114通过柱面铰链形成密封动连接,并把缸盖101和缸体103组成的球形内腔分割成两个容积交替变化的工作容腔。
主轴支架105为主轴104的旋转提供支撑,主轴104的一端端面上设置有矩形滑槽,主轴104的该端部位于缸体103下部的圆柱形空腔内,转盘114转盘轴下端的滑靴的形状与矩形滑槽的截面尺寸相配,滑靴的两侧面与矩形滑槽的两侧面贴合并在矩形滑槽内滑动形成滑动配合,转盘114在绕销轴115与活塞113相对摆动,转盘114还绕主轴104的轴线转动,同时,滑靴在矩形滑槽里往复摆动。
如图4、图5、图7所示,在缸盖101的内球面上设置有两个对称布置的进排液槽,一个进排液槽与缸盖101上的第一进排油口111接通,另一个进排液槽与缸盖101上的第二进排油口112接通;利用活塞113的旋转以及活塞113的球形表面与缸盖101的内球面的配合,作为两个进排液槽与两个工作容腔连通或者关闭的基本运动要素,从而实现进油和排油控制,缸盖101内球面上的两个进排液槽的设置原则是:当其中一个工作容腔容积开始变大需要开始吸油时,该工作容腔与其中一个进排油槽接通;同时,另一个工作容腔的容积开始变小压缩排油时,该工作容腔与另一个进排油槽接通;两个工作容腔的工作过程交替变化。
球形微泵1的工作过程是:
主轴104转动时驱动转盘114,转盘114带动活塞113运动;活塞113的运动是唯一的绕活塞轴的轴线的转动,转盘114的运动是由两种运动的合成:一是绕自身轴线的转动,另一是转盘114的转盘轴端部固定的矩形滑靴在主轴104上端的矩形滑槽中往复滑动;这种空间运动的合成结果为:活塞113和转盘114有一周期性的相对摆动,摆动的周期与主轴104旋转周期相同,摆动的幅度为2α;利用这种相对摆动作为容积变化的基本运动要素,形成压力容积交替变化的两个泵工作室;图3中的两个泵工作室是极限状态下的情况,一个泵工作室为球形微泵1进油结束后初始状态,所以图3中泵工作室图示状态理论容积为最大,另一个泵工作室为排油结束后的状态,所以图中泵工作室图示状态理论容积为零。
如图11所示为智能滑套液压原理图,球形微泵1的电机106的正向旋转,从球形微泵1的一个工作容腔内排出的高压油经第一进排油口111和第一进排油通道10进入到滑套12形成的前工作腔,滑套12在前工作腔中的压力推动下向后移动,后工作腔中的液压油经第二排油通道18和第二进排油口112,回流到球形微泵1的另一个工作容腔,此时滑套12上的移动通道14与外缸套11上的固定通道13相错开,压裂液通道关闭;球形微泵1的电机106反转,球形微泵1内的液压系统的油路方向改变,从球形微泵1的一个工作容腔内排出的高压油经第二进排油口112和第二进排油通道18进入到滑套12形成的后工作腔,滑套12在后工作腔中的压力推动下向前移动,前工作腔中的液压油经第一排油通道10和第一进排油口111,回流到球形微泵1的另一个工作容腔,此时滑套12上的移动通道14与外缸套11上的固定通道13接通,压裂液通道打开;球形微泵1运转过程中,从转子组件102与缸体103、缸盖102之间的间隙泄露的液压油汇集在球形微泵1的主轴104端部与转盘114连接的部位形成低压泄流通道,低压泄流通道内液压油与缸体103和缸盖101上的泄流通道连通,两个单向阀110的进油口、补油腔7分别与补油通道接通,两个单向阀110出油口分别与第一进排油口111和第二进排油口112接通;当补油通道内的压力大于第一进排油口111内压力时,与第一进排油口接通的单向阀110打开,补油通道内的液压油进入到第一进排口给球形微泵1的液压循环系统补油,直至压力平衡,该单向阀110关闭;当补油通道内的压力大于第二进排油口112内压力时,与第二进排油口接通的单向阀110打开,补油通道内的液压油进入到第二进排口给球形微泵1的液压循环系统补油,直至压力平衡,该单向阀110关闭;通过弹簧5和补油活塞6调整补油腔7内的压力。
本专利所述的新型智能滑套的工作过程是:
1、在地面通过向井内打压的方式定位智能滑套位置,设置在井下耐压模块4内的压力传感器接收地面发送的压力信号,耐压模块4内的控制电路板对压力传感器采集的压力信号进行分析比对,对压力信号编码,如果该压力信号编码与所在的滑套12位置编码相匹配,则控制电路板发出指令,球形微泵1启动;
2、球形微泵1的电机106正向旋转,球形微泵1的处于高压的工作容腔与第二进排油口112通过一个进排油槽接通,由于第二进排油口112与滑套12后端部的后工作腔通过第二进排油通道18接通,所以第二进排油口112内的高压油进入到滑套12的后工作腔,推动滑套12向前滑动,滑套12上的移动通道14向前移动到与外缸套11上的固定通道13接通,压裂液通道打开;
3、滑套12内的压裂液经移动通道14和固定通道13形成的压裂液通道进入井壁岩层内,对岩层进行压裂,形成石油、天然气或者页岩气的采集裂缝;
4、本段压裂完成后,根据地面给出的压力信号,球形微泵1的电机106反向旋转,球形微泵1的液压油路反向,球形微泵1的高压的工作容腔变为低压,由排油状态变为吸油状态;该工作容腔与第二进排油口112通过一个进排油槽接通,由于第二进排油口112与滑套12后端部的后工作腔通过第二进排油通道18接通,所以滑套12的后工作腔的高压油进入到第二进排油口112内,并通过进排油槽进入到该工作容腔;
球形微泵1的低压的工作容腔变为高压,由吸油状态变为排油状态;该工作容腔与第一进排油口111通过一个进排油槽接通,由于第一进排油口111与滑套12前工作腔通过第一进排油通道10接通,所以第一进排油口111的高压油进入到滑套12的前工作腔内,推动滑套12向后滑动,滑套12上的移动通道14向后移动到与外缸套11上的固定通道13断开,压裂液通道关闭;
5、根据地面发送的压力信号,进行下一段压裂。