CN107178352B - 井下全通径无限级压裂滑套 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下全通径无限级压裂滑套，解决了目前凸轴开关式压裂滑套结构复杂，容易受现场环境制约等问题。具体采用轴向运动的方式实现滑套的开启，与周向旋转的方式相比，工作过程更加稳定；滑套执行机构减少了大量凹槽的设置，避免了井下液体对滑套凹槽的冲蚀，能够有效提高滑套工作的可靠性；并利用推块轴向间距离的改变对应不同的内筒，实现对于每一个特定的执行机构只能对应特定的开关机构，达到精确的识别效果，最大限度减少环境条件的影响，更符合现场应用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下分层压裂滑套。
背景技术
随着钻井技术的快速发展，井下分层压裂工具也越来越普及。作为分层压裂工具中用来沟通储层和井筒的一个组件，井下滑套开关在提高石油开采效率，优化能源配置方面有着不可替代的作用。
现有技术中的滑套主要采取投球的方式开启，在开启过程中由于受到所投球直径的限制，不能够实现全通径无限级压裂。目前发展起来的投入凸轴开关器的方式实现了全通径压裂，但存在明显不足，主要有以下方面：
（1）滑套执行机构部分设计过于复杂，此类滑套中大量开有较多凹槽，且长期暴露在井下环境中，由于井下环境较为复杂，流体流动性强，容易对这些凹槽造成冲蚀破坏，影响其正常工作；
（2）部分结构采用周向旋转的方式实现滑套的开启，而这种方式在开启过程中所旋转角度不易控制，容易造成工作失效。
由于上述原因，目前的凸轴开关式压裂滑套在理想状态下，其性能确实可以得到充分发挥，也能得到理想的效果，但现实的情况往往非常复杂，不但不能获得良好的效果，甚至不能保证基本的使用寿命，导致其实用性受到很大限制。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提出了一种井下全通径无限级压裂滑套，该压裂滑套采用凸轴开关方式开启，结构简单，可实现精确控制，更符合现场应用要求。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种井下全通径无限级压裂滑套，包括执行机构和开关机构。
所述执行机构，包括上接头、下接头、内筒及卡套。
所述上接头，为圆筒状，上接头的上端设置有锥螺纹，与井下套管相连，下端口设置有内螺纹。
所述下接头，为圆筒结构，其上端与上接头螺纹连接，下接头壁上轴向对称设置有两个外压裂孔；在外压裂孔的下方设有剪切销钉孔；下接头下部设置有内缩径结构；下接头下端设置为锥螺纹。
所述内筒，其内部上方沿轴向设有两条环形推块带；内筒壁中部轴向对称有两个内压裂孔，内筒下部设置内缩径凸台并在其侧面设有销钉孔；内筒的下端口设置有外螺纹。
所述卡套采用锥套结构，橡胶材质，卡套的上端螺纹连接内筒的装配体置入下接头内，卡套的侧壁平均分成若干分瓣，在压力作用下卡套的分瓣收缩合拢成一个圆台结构。
初始状态时内筒的上端面与下接头的上端面平齐，内筒上的销钉孔与下接头的剪切销钉孔内固定剪切销钉；收缩后的卡套与下接头内缩径结构相配合。
所述开关机构，置于执行机构的内筒中，具体包括：推块、上套、中套、活塞组件、压缩弹簧、弹簧剪钉、推进件、三个卡爪、卡爪接头、下套、橡胶套及前帽。
所述推块，其基体为圆柱体，推块的一端设置环形槽，内置密封圈，推块的另一端为斜面，其倾斜度与内筒的两条推块带的倾斜度一致。
所述上套，其基体为圆柱体，上套的上端面中心设有螺纹孔，上套的下端面中心设有活塞槽；上套外壁对称设置两平面结构，两平面结构上设置轴向对称的两对推块孔，推块孔内置推块弹簧及推块；上套的中心开有流道，流道分别与四个推块孔、螺纹孔及活塞槽连通，上套下端设置为外螺纹。
所述中套，其基体为圆筒状，中套上端与上套螺纹连接；中套内上部设置弹簧腔，中部设置弹簧坐台，沿弹簧坐台中心孔轴向对称设置弹簧剪钉孔；在弹簧坐台与中套上端口之间的中套壁上设置有两个液压孔，其中上方液压孔与内螺纹下端相邻，下方液压孔与弹簧坐台上端面相邻；中套内下部空腔的外壁上沿周向等距设置有三个卡爪孔；中套的下端口设有内螺纹。
所述活塞组件，包括活塞杆，活塞杆上端设置圆柱塞，圆柱塞的外壁上套有密封圈，活塞杆的中部为弹簧压块，活塞杆下部设置推杆连接座，活塞杆的下端设置外螺纹；活塞组件置于上套及中套内，其中，活塞杆的圆柱塞部分置于上套的活塞槽中，弹簧压块部分置入中套的弹簧腔中，弹簧压块与中套的弹簧坐台之间设有压缩弹簧，推杆连接座的外径与弹簧坐台的中心孔直径相同，初始状态时，弹簧剪钉孔位于弹簧推杆连接座下方，且内置弹簧剪钉。
所述推进件，包括推杆及推头，推杆的外径与弹簧坐台的中心孔直径相同，推杆上端面中心开有螺纹连接孔，推杆通过该螺纹连接孔与活塞杆下端连接；推头置入中套的下空腔中，推头下端面开有半球形槽。
所述卡爪主体为长条状，两侧设置为半圆曲面；卡爪的一端开有圆孔。
所述卡爪接头，其基体为上小下大两级同心圆柱体，卡爪接头中心开有两级同心圆孔，其中上级圆孔直径大于下级圆孔直径；卡爪接头沿圆周等距阵列有三个矩形开口，矩形开口的宽度与卡爪的厚度相同，卡爪接头的底面、矩形开口的两侧分别设置开口朝下的半圆柱形槽，半圆柱形槽的直径与卡爪一端圆孔的直径相同。
所述下套，其基体分为上下两部分，而上部分进一步细分为上中下三级同心圆柱体，其中上级圆柱体外径与卡爪接头下级圆柱体外径相同，且该上级圆柱体上设置有与卡爪接头镜像分布的三个下套矩形开口及下套半圆柱形槽，上级圆柱体中心开有下套圆孔；卡爪接头坐于下套上，并通过设置于下套圆孔与卡爪接头中心的同心圆孔内的螺钉固定连接，连接后，下套半圆柱形槽与卡爪接头的开口朝下的半圆柱形槽对合形成圆柱形槽；每一矩形开口利用两侧的圆柱形槽安装连接轴，卡爪通过该连接轴安装在矩形开口内；卡爪的自由端插入中套的卡爪孔中；中级圆柱体外设置螺纹，并与中套下端螺纹连接；下级圆柱体与中套外径相同；下套下部分为上大下小的圆台机构。
所述橡胶套，套在下套的圆台结构外面。
所述前帽，为子弹头状，其上端通过螺杆与下套下端面中心相连。
初始状态时，安置在开关机构上的推块活塞及压缩弹簧均处于舒张状态；三个卡爪处于向上翘起状态。
本发明的有益效果：
1.本发明采用投入凸轴开关机构的方式对滑套进行开启，滑套主体设置为全通径结构，可无限级压裂；
2.本发明采用橡胶套与分瓣式卡套相接触的方式进行密封，在井底高压下密封效果好；
3.本发明开关机构利用推块轴向距离的改变可对应不同的内筒，实现对于每一个特定的执行机构只能对应特定的开关机构，达到精确的识别效果；
4.本发明滑套执行机构减少了大量凹槽的设置，避免了井下液体对滑套凹槽的冲蚀，能够有效提高滑套工作的可靠性；
5.本发明采用轴向运动的方式实现滑套的开启，与周向旋转的方式相比，工作过程更加稳定。
附图说明
图1是井下全通径无限级压裂滑套的结构示意图。
图2是执行机构的结构示意图。
图3是上接头的立体结构示意图。
图4是上接头的剖视图。
图5是下接头的立体结构示意图。
图6是下接头的剖视图。
图7是内筒的立体结构示意图。
图8是内筒的剖视图。
图9是卡套的结构示意图。
图10是卡套的卡瓣收缩后的结构示意图。
图11是开关结构的结构示意图。
图12是推块的结构示意图。
图13是上套的立体结构示意图。
图14是上套的剖视图。
图15是中套的立体结构示意图。
图16是中套的剖视图。
图17是图16中的A-A视图。
图18是活塞杆的立体结构示意图。
图19是推杆的立体结构示意图。
图20是推杆的剖视图。
图21是卡爪的结构示意图。
图22是卡爪接头的立体结构示意图。
图23是卡爪接头的俯视图。
图24是下套的立体结构示意图。
图25是下套的俯视图。
图26是橡胶套的结构示意图。
图27是前帽的结构示意图。
图28是开关机构下移至两组推块与两条推块带同时相遇状态示意图。
图29是开关机构下移至卡爪与内筒的内缩径凸台相遇状态示意图。
图30是压裂开启状态示意图。
图31是压裂结束状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
由图1所示：一种井下全通径无限级压裂滑套，包括执行机构1和开关机构2。
由图2所示：所述执行机构1，包括上接头3、下接头4、内筒5及卡套6。
由图3及图4所示：所述上接头3，为圆筒状，其主要作用是用来形成滑套主体与套管之间的连接；上接头的上端设置有锥螺纹，可与井下套管相连，下端口设置有内螺纹。
由图5及图6所示：所述下接头4，为圆筒结构，其上端设置有与上接头下端螺纹连接的外螺纹；下接头壁上轴向对称设置有两个外压裂孔4-1；在外压裂孔4-1的下方设有剪切销钉孔4-2；下接头下部设置有内缩径结构4-3；下接头下端设置为锥螺纹，可与井下其他工具相连。
由图7及图8所示： 所述内筒5，其内部上方沿轴向设有两条环形推块带5-3；内筒壁中部轴向对称有两个内压裂孔5-1，内筒5置于下接头4内，内筒5上的两个内压裂孔5-1与下接头上的两个外压裂孔4-1相对时压裂开启；内筒下部设置内缩径凸台并在其侧面设有销钉孔5-2；内筒的下端口设置有外螺纹。
由图9及图10所示：所述卡套6采用锥套结构，橡胶材质，卡套6的上端螺纹连接内筒5后置入下接头4内，卡套6的侧壁平均分成若干分瓣6-1，在压力作用下卡套的分瓣6-1收缩合拢成一个圆台结构。
初始状态时内筒5的上端面与下接头4的上端面平齐，内筒5上的销钉孔5-2与下接头的剪切销钉孔4-2内固定剪切销钉7；收缩后的卡套6与下接头内缩径结构4-3相配合，在工作过程中卡套嵌入在下接头的内缩径结构5-3中，产生密封，轴向压力越大，密封效果越好。
由图11所示：所述滑套开关机构2，是在压裂开启时投入到井筒中的装置，同时可对下层套管起到隔断密封作用，包括：推块8、上套9、中套10、活塞组件11、压缩弹簧12、弹簧剪钉13、推进件14、三个卡爪15、卡爪接头16、下套17、橡胶套18、前帽19。
由图12所示：所述推块8，其基体为圆柱体，推块的一端设置环形槽，内置密封圈，推块的另一端为斜面，其倾斜度与内筒的两条推块带的倾斜度一致。
由图13及图14所示：所述上套9，其基体为圆柱体；上套9的上端面中心设有螺纹孔9-1，此螺纹孔与螺母配合连接，对上套内部的流道起密封作用；上套9的下端面中心设有活塞槽9-4；上套外壁对称设置两平面结构9-5，两平面结构上设置轴向对称的两对推块孔9-2，推块孔9-2内置推块弹簧及推块8；上套的中心开有流道9-3，流道9-3分别与四个推块孔9-2、螺纹孔9-1及活塞槽9-4连通，当螺纹孔9-1打开时可由此充入液压，当螺纹孔9-1封闭时可保证液压不会泄漏；上套9下端设置为外螺纹。
由图15及图16、图17所示：所述中套10，其基体为圆筒，中套10上端口设有内螺纹，中套10通过此内螺纹与上套9下端的外螺纹配合连接；中套的上部设置弹簧腔10-2，中套中部设置弹簧坐台10-4，沿弹簧坐台中心孔轴向对称设置弹簧剪钉孔10-3；在弹簧坐台10-4与中套上端口之间的中套壁上设置有两个液压孔10-1，其中上方液压孔与内螺纹下端相邻，下方液压孔与弹簧坐台上端面相邻；中套下空腔的外壁上沿周向等距设置有三个卡爪孔10-5；中套的下端口设有内螺纹。
由图18结合图11所示：所述活塞组件11，包括活塞杆，活塞杆上端设置圆柱塞11-1，圆柱塞11-1的外壁上套用密封圈，活塞杆的中部为弹簧压块11-2，活塞杆下部设置推杆连接座11-3，活塞杆的下端设置外螺纹；活塞组件11置于上套9及中套10中，其中，活塞杆11-1的圆柱塞部分置于上套的活塞槽9-4中，弹簧压块部分置入中套的弹簧腔10-2中，弹簧压块11-2与中套的弹簧坐台10-4之间设有压缩弹簧12，推杆连接座的外径与弹簧坐台的中心孔直径相同，初始状态时，弹簧剪钉孔10-3位于弹簧推杆连接座下方，且内置弹簧剪钉13。
由图19及图20所示：所述推进件14，包括推杆及推头，推杆的外径与弹簧坐台的中心孔直径相同，推杆上端面中心开有螺纹连接孔14-1，推杆通过该螺纹连接孔14-1与活塞杆下端连接；推头置入中套的下空腔中，推头下端面开有半球形槽14-2。
由图21所示：所述卡爪15主体为长条状，两侧设置为半圆曲面；卡爪的一端开有圆孔15-1。
由图22及图23所示：所述卡爪接头16，其基体为上小下大两级同心圆柱体，卡爪接头中心开有两级同心圆孔，其中上级圆孔直径大于下级圆孔直径，此两级同心圆孔设置是为了插入螺钉以使卡爪接头与其他部件固定；卡爪接头沿圆周等距阵列有三个矩形开口16-1，矩形开口的宽度与卡爪15的厚度相同，卡爪接头的底面、矩形开口的两侧分别设置开口朝下的半圆柱形槽16-2，半圆柱形槽16-2的直径与卡爪一端圆孔15-1的直径相同。
如图24及图25所示，所述下套17，其基体分为上下两部分，而上部分进一步细分为上中下三级同心圆柱体，其中上级圆柱体外径与卡爪接头下级圆柱体外径相同，且该上级圆柱体上设置有与卡爪接头镜像分布的三个下套矩形开口17-2及下套半圆柱形槽17-1，上级圆柱体中心开有下套圆孔17-3。卡爪接头16坐于下套17上，并通过设置于下套圆孔17-3与卡爪接头中心的同心圆孔内的螺钉固定连接，连接后，下套半圆柱形槽17-1与卡爪接头的开口朝下的半圆柱形槽16-2对合形成圆柱形槽；每一矩形开口利用两侧的圆柱形槽安装连接轴，卡爪15通过该连接轴安装在矩形开口内；卡爪15的自由端插入中套的卡爪孔10-5中。中级圆柱体外设置螺纹，并与中套下端螺纹连接；下级圆柱体与中套外径相同；下套下部分为上大下小的圆台机构17-4。
由图26所示：所述橡胶套18，套在下套的圆台结构17-4外面。
由图27所示：所述前帽19，为子弹头状，其上端通过螺杆与下套下端面中心相连；前帽设置在开关机构的最下端，其设置为子弹头状可使开关机构在下行过程中减少阻力的作用。
初始状态时，安置在开关机构上的推块活塞及压缩弹簧均处于舒张状态；三个卡爪处于向上翘起状态。
工作时，将开关机构2投入到井筒中，对装置进行打压，开关机构2在运行过程中遇到内筒上的推块带5-3时，推块8将会向内收缩，推块8收缩后上套流道中的液压力将会增大，从而推动活塞杆11向下移动。
由图28所示：当两组推块8同时与两条推块带5-3相遇时，四个推块8将同时向内收缩，此时将推动活塞杆11产生最大的向下位移，这时，活塞杆11下移至其推杆连接座11-3位于弹簧剪钉孔10-3下方，弹簧剪钉13弹出，从而阻止了活塞杆11在压缩弹簧12作用下向上移动，使活塞杆11固定在较下端的位置；活塞杆11的下移推动推杆14向下移动，推杆14的下移推动三个卡爪15从卡爪孔10-5中伸出，最终使三个卡爪15处于水平状态。
由图29所示：开关机构2继续向下移动，最终使卡爪15坐在内筒下部的内缩径凸台上；开关机构继续向下运动，将进一步剪断内筒5与下接头4之间的剪切销钉7，推动内筒5向下运动。
由图30所示：内筒5向下运动过程中，由于卡套的分辨6-1受到下接头内缩径结构4-3的约束，卡套分瓣6-1逐步收缩，最终收缩成闭合的凸台结构；由于开关机构的橡胶套18和卡套6均采用橡胶，因此在对井筒打压过程中压力越大，接触面的密封效果越好，能够有效的起到分隔下方地层的作用；同时内筒5的下移最终使内筒上的内压裂孔5-1与下接头上的外压裂孔4-1相对，压裂开启；此时内筒的最下端运动到下接头的内缩径处，由于内筒不具有收缩性，因此内筒将不再向下运动。
由图31所示：压裂结束后通过对滑套内部打入高压，对开关机构2施加向下的作用力，但由于开关机构的卡爪15受到内筒下部的内缩径凸台的限制，且内筒5已运动到最下端，在反作用力的作用下，卡爪15受到向上的推动力，该向上的推动力进一步向上推动推杆，连带向上推动活塞杆11，直至活塞杆11将弹簧剪钉13剪断，压缩弹簧12回缩，卡爪15向上翘起，脱离内筒内缩径凸台的限制，继续打压，开关机构从该执行机构中脱离，落入井下。
压裂完成后，由于卡套分瓣的收缩，使其内径减小，后续若再投入开关机构将无法通过，因此只能从下往上压裂，即先压裂下面地层，后压裂上面地层。
通过改变开关机构两组推块间的轴向距离，与对应的内筒的推块带间的距离相适应，达到每一个特定的执行机构只能对应特定的开关机构的目的，从而实现对不同地层的压裂开启及关闭。
Claims (1)
1.一种井下全通径无限级压裂滑套，包括执行机构和开关机构，
所述执行机构包括上接头、下接头、内筒及卡套；
所述上接头为圆筒状，上接头的上端设置有锥螺纹，与井下套管相连，下端口设置有内螺纹；
所述下接头为圆筒结构，其上端与上接头螺纹连接，下接头壁上轴向对称设置有两个外压裂孔；在外压裂孔的下方设有剪切销钉孔；下接头下部设置有内缩径结构；下接头下端设置为锥螺纹；
所述内筒，其内部上方沿轴向设有两条环形推块带；内筒壁中部轴向对称有两个内压裂孔，内筒下部设置内缩径凸台并在其侧面设有销钉孔；内筒的下端口设置有外螺纹；
所述卡套采用锥套结构，橡胶材质，卡套的上端螺纹连接内筒后置入下接头内，卡套的侧壁平均分成若干分瓣，在压力作用下卡套的分瓣收缩合拢成一个圆台结构；
初始状态时内筒的上端面与下接头的上端面平齐，内筒上的销钉孔与下接头的剪切销钉孔内固定剪切销钉；收缩后的卡套与下接头内缩径结构相配合；
所述开关机构置于执行机构的内筒中，具体包括：推块、上套、中套、活塞组件、压缩弹簧、弹簧剪钉、推进件、三个卡爪、卡爪接头、下套、橡胶套及前帽；
所述推块，其基体为圆柱体，推块的一端设置环形槽，内置密封圈，推块的另一端为斜面，其倾斜度与内筒的两条推块带的倾斜度一致；
所述上套，其基体为圆柱体，上套的上端面中心设有螺纹孔，上套的下端面中心设有活塞槽；上套外壁对称设置两平面结构，两平面结构上设置轴向对称的两对推块孔，推块孔内置推块弹簧及推块；上套的中心开有流道，流道分别与四个推块孔、螺纹孔及活塞槽连通，上套下端设置为外螺纹；
所述中套，其基体为圆筒状，中套上端与上套螺纹连接；中套内上部设置弹簧腔，中部设置弹簧坐台，沿弹簧坐台中心孔轴向对称设置弹簧剪钉孔；在弹簧坐台与中套上端口之间的中套壁上设置有两个液压孔，其中上方液压孔与内螺纹下端相邻，下方液压孔与弹簧坐台上端面相邻；中套内下部空腔的外壁上沿周向等距设置有三个卡爪孔；中套的下端口设有内螺纹；
所述活塞组件包括活塞杆，活塞杆上端设置圆柱塞，圆柱塞的外壁上套有密封圈，活塞杆的中部为弹簧压块，活塞杆下部设置推杆连接座，活塞杆的下端设置外螺纹；活塞组件置于上套及中套内，其中，活塞杆的圆柱塞部分置于上套的活塞槽中，弹簧压块部分置入中套的弹簧腔中，弹簧压块与中套的弹簧坐台之间设有压缩弹簧，推杆连接座的外径与弹簧坐台的中心孔直径相同，初始状态时，弹簧剪钉孔位于弹簧推杆连接座下方，且内置弹簧剪钉；
所述推进件包括推杆及推头，推杆的外径与弹簧坐台的中心孔直径相同，推杆上端面中心开有螺纹连接孔，推杆通过该螺纹连接孔与活塞杆下端连接；推头置入中套的下空腔中，推头下端面开有半球形槽；
所述卡爪主体为长条状，两侧设置为半圆曲面；卡爪的一端开有圆孔；
所述卡爪接头，其基体为上小下大两级同心圆柱体，卡爪接头中心开有两级同心圆孔，其中上级圆孔直径大于下级圆孔直径；卡爪接头沿圆周等距阵列有三个矩形开口，矩形开口的宽度与卡爪的厚度相同，卡爪接头的底面、矩形开口的两侧分别设置开口朝下的半圆柱形槽，半圆柱形槽的直径与卡爪一端圆孔的直径相同；
所述下套，其基体分为上下两部分，而上部分进一步细分为上中下三级同心圆柱体，其中上级圆柱体外径与卡爪接头下级圆柱体外径相同，且该上级圆柱体上设置有与卡爪接头镜像分布的三个下套矩形开口及下套半圆柱形槽，上级圆柱体中心开有下套圆孔；卡爪接头坐于下套上，并通过设置于下套圆孔与卡爪接头中心的同心圆孔内的螺钉固定连接，连接后，下套半圆柱形槽与卡爪接头的开口朝下的半圆柱形槽对合形成圆柱形槽；每一矩形开口利用两侧的圆柱形槽安装连接轴，卡爪通过该连接轴安装在矩形开口内；卡爪的自由端插入中套的卡爪孔中；中级圆柱体外设置螺纹，并与中套下端螺纹连接；下级圆柱体与中套外径相同；下套下部分为上大下小的圆台机构；
所述橡胶套套在下套的圆台结构外面；
所述前帽为子弹头状，其上端通过螺杆与下套下端面中心相连；
初始状态时，安置在开关机构上的推块弹簧及压缩弹簧均处于舒张状态；三个卡爪处于向上翘起状态。
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