CN109267965B - 一种井下电控滑套开关工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下电控滑套开关工具，属于油气井的完井及生产技术领域。该井下电控滑套开关工具包括依次连接的套管咬紧机构、滑套旋转机构和滑套咬紧机构；所述套管咬紧机构和滑套咬紧机构呈镜像对称设置，均包括动力装置、丝杠螺母副和操作爪；所述丝杠螺母副带动所述操作爪张开或者缩回；所述滑套旋转机构包括旋转电机和第三连接头，所述旋转电机通过第三连接头带动所述滑套咬紧机构中的操作爪旋转。

Description

一种井下电控滑套开关工具

技术领域

本发明属于油气井的完井及生产技术领域，具体涉及一种井下电控滑套开关工具，用于水平井分段完井、分段压裂及控水生产。

背景技术

随着页岩气、页岩油等非常规油气资源的勘探开发，水平井分段压裂改造技术被有效实施。储层压裂改造技术是将页岩油气、致密岩层等水平井分成多段，然后将地层压裂成多条裂缝，扩大油气产层的泄油面积，提高油气采收率，从而提高单井产量。水平井裸眼分段压裂技术是储层压裂改造中的一种并在国内外非常规油气田广泛地推广应用，其中，通过滑套与每一段层段建立过流通道。该项技术中能否按施工设计对不同层位进行压裂，完井管柱中与地层建立过流通道的滑套工具是关键技术之一。

目前的分段完井用滑套主要采用的多级投球滑套，采用直径不同的低密度压裂球投送到滑套球座后通过井口打压从而控制各段滑套的开启，从而实现多级逐段分层压裂，具有施工方便的优点，目前已经在7″×41/2″套管实现最大分压级数25级，在95/8″×51/2″套管实现最大分压级数30级，封堵球级差0.125″,目前最新已经实现1/16″的级差。

泵送复合电缆桥塞分段压裂工艺技术采用电缆快速下入非金属桥塞进行分段，并可一次完成桥塞下入、坐封、丢手、多级射孔，可以实现任意段的分段压裂，但是工艺相对复杂。

斯伦贝谢的TAP分段压裂完井工艺在套管上安装预置压裂滑套，套管外用液压管线连接各滑套，通过投入飞镖逐级打开各级滑套，从而实现分段压裂。该工艺技术理论上可以实现任意级数的分段压裂，但工艺复杂，对钻井、下套管水平要求较高。

针对边底水油藏延缓边底水锥进速度，国内外均进行了深入的理论研究，并配套了倾斜布井法、变密度射孔、变盲筛比筛管、中心管法、ICD调流控水筛管等控水技术，但这些技术主要都是针对水平段变质量流动造成的生产压差差异，通过控制局部生产压差来达到水平段流入剖面均衡，从而防止局部锥进的目的，这些技术在一定程度上限制了油井产能，较适宜于高产油井

在智能滑套方面，国外威德福研制的智能滑套，可以实现利用RFID标签来控制滑套开关，从而实现分段压裂和分段堵水功能，但由于其每个智能滑套带智能控制系统、通信系统、机械执行系统、电源系统等，外径较大，而内通径较小，且单个滑套成本较高，每口井应用多个滑套成本过高，因此只是作为储备技术，并未进入现场应用。

综上所述，针对低渗透油藏水平井自然产能低的问题，国外普遍开展多级分段压裂改造措施，特别是随着页岩气得开发，多级大规模分段压裂工艺得到迅猛发展，目前最高压裂级数已经达到40级，成为页岩气开发的主体关键技术。目前主要的多级分段压裂技术有多级投球滑套分段压裂工艺技术、水力喷射分段压裂工艺技术、泵送复合电缆桥塞分段压裂工艺技术以及斯伦贝谢的TAP分段压裂工艺技术等，但都存在分段级数有限、管内通径受限、施工速度慢等问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种井下电控滑套开关工具，实现：尽可能多的分段数或任意级分段、多级分段压裂施工连续进行、工艺简单可靠、完井成本低、能够同时实现分段压裂、分段控水、分支水平井的多级分段完井。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种井下电控滑套开关工具，包括依次连接的套管咬紧机构、滑套旋转机构和滑套咬紧机构；

所述套管咬紧机构和滑套咬紧机构呈镜像对称设置，均包括动力装置、丝杠螺母副和操作爪；所述丝杠螺母副带动所述操作爪张开或者缩回；

所述滑套旋转机构包括旋转电机和第三连接头，所述旋转电机通过第三连接头带动所述滑套咬紧机构中的操作爪旋转。

所述套管咬紧机构和滑套咬紧机构的动力装置均包括：电机、减速器、连接机构；

所述丝杠螺母副均包括：传动轴、传动螺母、第一连接头；在所述传动轴上开有螺纹形成丝杠，传动轴与传动螺母构成丝杠螺母副；

所述电机与减速器连接，减速器的输出轴通过连接机构与传动轴的一端连接；所述第一连接头的内腔的中部为小孔径段，两端为大孔径段，小孔径段的内壁与传动轴的外壁接触，在两者之间设有O型密封圈；

在面向电机一侧的大孔径段内设置有滚动轴承，在另一侧的大孔径段内设有所述传动螺母，在该大孔径段的内壁上开有槽，在此处的传动轴的外壁上设有螺纹，当传动轴正、反向旋转时，传动螺母能够在槽内沿轴向进行往复移动。

所述操作爪包括驱动臂外套筒以及设置在其内腔中的支撑臂推力座、曲柄滑块机构、推力座固定套；

在所述驱动臂外套筒上开有轴向孔；

所述曲柄滑块机构包括第一驱动臂和第二驱动臂，所述第一驱动臂的一端通过销钉与所述支撑臂推力座的一端连接，另一端通过销钉与第二驱动臂的一端连接，第二驱动臂的另一端通过销钉与推力座固定套连接；

所述支撑臂推力座的另一端的端面与传动螺母的端面通过压缩弹簧连接，当传动螺母沿轴向移动时，带动所述支撑臂推力座沿轴向移动，推动第一传动臂和第二传动臂进行径向张开或者缩回。

所述连接机构包括联轴器、滑环轴、滑环、平键固定套；所述减速器的输出轴通过联轴器与滑环轴的一端连接，所述滑环轴的另一端通过所述平键固定套与传动轴的一端连接，所述滑环套在所述滑环轴上。

所述套管咬紧机构和滑套咬紧机构均包括丝堵、电机密封套和电机固定套；所述丝堵与所述电机密封套的一端连接，所述电机密封套的另一端与所述第一连接头的一端连接；

所述电机固定套安装在所述电机密封套的内腔中，所述动力装置安装在所述电机固定套内。

所述滑环采用过孔式滑环，所述传动轴开有中心孔和侧孔。

所述套管咬紧机构和滑套咬紧机构中的电机采用直流无刷电机，所述减速器采用行星齿轮减速器。

所述滑套旋转机构中的所述旋转电机与减速器连接，减速器的输出轴与联轴器的一端连接，联轴器的另一端与滑环轴的一端连接，滑环轴的另一端与第三连接头的一端连接，第三连接头的另一端的内壁与滑套咬紧机构中的推力座固定套连接，外壁与滑套咬紧机构中的驱动臂外套筒的一端连接；

所述滑套咬紧机构中的传动轴伸入到所述第三连接头的内腔中，在两者接触处设有O型密封圈；

所述旋转电机通过第三连接头带动滑套咬紧机构中的操作爪进行旋转。

所述滑套旋转机构包括旋转电机密封套，所述套管咬紧机构中的驱动臂外套筒通过第二连接头与旋转电机密封套的一端连接，所述旋转电机密封套的另一端与第四连接头的一端连接，所述第四连接头的另一端与限位扶正套连接；

所述第四连接头的内腔的中部为小孔径段，两端为大孔径段；所述小孔径段的内壁与第三连接头的外壁接触，在两者之间设有O型密封圈；

在两端的大孔径段内分别安装有滚动轴承；

在所述限位扶正套的内壁与第三连接头的外壁之间依次安装有外轴承压环、轴承和垫环；

在所述旋转电机密封套与第四连接头的接触处设有O型密封圈。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)一种水平井或分支井用的预制滑套开关工具，可实现滑套的打开和关闭

2)该工具采用过孔式滑环、开有中心孔及侧孔的传动轴，可实现一根电缆控制整套工具。

3)该工具具有的两组支撑臂既可伸出并咬住套管或滑套内壁，又可以在需要上提和下放时可以回收缩入工具外保护套内，利于开关工具的上提下放。

4)本发明通过与相配套的预制滑套开关工具配合使用，可对水平井或分支井实现任意段的分段，可重复开关，具有分段压裂和控水功能。

5)滑套开关工具通过电缆或泵送输送至井下，施工快速连续。

6)通过两组电机共同控制滑套开关机构，实现滑套开关机构既可伸出和收回支撑臂，又可旋转打开关闭滑套。

附图说明

图1本发明井下电控滑套开关工具的结构示意图

图2图1中的A部分的放大图

图3图1中的B部分的放大图

图4图1中的C部分的放大图

图5本发明井下电控滑套开关工具的左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

针对水平井分段压裂及分段控水，研发电控滑套开关工具及套管滑套工具等配套分段完井工艺技术，该技术是采用电控滑套开关工具对井下预置滑套逐级打开和关闭来实现的，在地面通过测控系统控制电控开关工具定位及动作，并对预置滑套进行操作；电控开关工具采用模块化设计，分为传输系统、定位系统、操作系统等，分别实现电控滑套开关工具的井下移动、定位和操作滑套功能。

滑套操作工具是较复杂的一个井下工具，本发明的滑套操作工具可以和泵送工艺相结合，也可以和爬行器相结合，在其到达套管预制滑套位置后，进行滑套打开及关闭的执行机构，其直接和预置滑套相对接，操作滑套的打开和关闭。

如图1至图5所示，本发明井下电控滑套开关工具具体如下：

1)一种水平井或分支井用的预制滑套开关工具，该工具可以通过电缆输送或液力泵送至预定位置；进行滑套打开及关闭的执行机构，其直接和预置滑套相对接，操作滑套的打开和关闭；其包括：丝堵1、O型密封圈2、电机及减速器3、电机密封套4、电机固定套5、螺钉6、联轴器7、过孔式滑环8、滑环中心轴9、平键固定套10、第一轴承压紧套11、并紧螺母12、第一套筒13、滚动轴承14、O型密封圈15、传动轴16、第一连接头17、压缩弹簧18、传动螺母19、支撑臂推力座20、传动螺母端盖21、销子22、第一驱动臂23、销钉24、第二驱动臂25、推力座26、驱动臂外套筒27、第二连接头28、帽式滑环29、旋转电机密封套30、并紧螺母31、第二轴承压紧套32、第二套筒33、第三连接头34、滚动轴承35、O型密封圈36、第四连接头37、滚动轴承38、限位扶正器39、外轴承压环40、轴承41、垫环42。

2)该滑套开关工具由两个操作爪和旋转机构组成，两个操作爪张开后分别咬住套管内壁和滑套内壁，然后旋转机构旋转带动滑套的丝杠螺母机构旋转，打开或关闭滑套。

3)该工具采用过孔式滑环8、开有中心孔及侧孔的传动轴16，通过上述设计控制电缆可从该工具穿过，实现一根电缆控制整套工具。三个传动轴都在中心开有孔，以使电缆可以穿过，给下一级供电和传递信号。因为这三个传动轴都要旋转，因此采用过孔式滑环和帽式滑环，将固定电缆和旋转电缆连接，以避免电缆在旋转时不被损坏同时还能传递信号和供电。

4)该工具具有的两组支撑臂既可伸出并咬住套管或滑套内壁，又可以在需要上提和下放时可以回收缩入工具外保护套内，利于开关工具的上提下放。

5)每个操作爪的动作由一个直流无刷电机控制，电机通电后，通过行星齿轮减速器减速到10-1/min左右，带动丝杠转动，通过丝杠螺母副转变为丝杠的轴向运动，操作爪为曲柄滑块机构，将轴向运动转变为操作爪的径向伸缩，即伸出驱动臂外套筒外或者缩回到驱动臂外套筒的内腔中。

6)咬住套管机构：主要由电机及减速器3、联轴器7、滑环8、轴承14、传动轴16、传动螺母19、支撑臂推力座20、传动螺母端盖21等组成，通过电机的正转及反转带动传动轴16转动，传动螺母19的左端只能在第一连接头17内部槽内轴向运动，由于该限位作用，传动螺母19在电机正转时，推动支撑臂推力座20撑开第一驱动臂23和第二驱动臂25，咬紧套管，固定咬住套管机构一端，作为滑套开关工具的支撑点。

7)咬住滑套及旋转操作机构：

该机构也具有撑开支撑臂，并咬住滑套内壁的作用，其作用机理与咬住套管机构类似，主要是通过最右边的电机控制。

此外，该机构还具有旋转动作，即通过中间电机的旋转带动该机构旋转从而打开或关闭滑套的作用，动作原理如下：咬住滑套后，中间电机旋转带动第三连接头34及连接头右边的机构旋转，由于咬住下支撑臂已经咬住滑套，带动内滑套旋转，从而实现滑套的打开和关闭。支撑臂主要由支撑臂推力座20、传动螺母端盖21、第一驱动臂23,第二驱动臂25和推力座26组成，并设计有压缩弹簧18从而减缓支撑臂咬住套管时的刚性。传动螺母将丝杠的转动变换为轴向运动后，通过弹簧推动操作爪移动，避免扭矩陡然增大，使电机电流过大而烧毁。

上述两组支撑臂在需要上提和下放时均可以回收缩入工具外保护套内，利于开关工具的上提下放。本发明通过与相配套的预制滑套开关工具配合使用，可对水平井或分支井实现任意段的分段，滑套开关工具通过电缆或泵送输送至井下，施工快速连续，可重复开关，具有分段压裂和控水功能。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (9)

1.一种井下电控滑套开关工具，其特征在于：所述井下电控滑套开关工具包括依次连接的套管咬紧机构、滑套旋转机构和滑套咬紧机构；

所述套管咬紧机构和滑套咬紧机构呈镜像对称设置，均包括动力装置、丝杠螺母副和操作爪；所述丝杠螺母副带动所述操作爪张开或者缩回；

所述滑套旋转机构包括旋转电机和第三连接头，所述旋转电机通过第三连接头带动所述滑套咬紧机构中的操作爪旋转。

2.根据权利要求1所述的井下电控滑套开关工具，其特征在于：所述套管咬紧机构和滑套咬紧机构的动力装置均包括：电机、减速器、连接机构；

所述丝杠螺母副均包括：传动轴、传动螺母、第一连接头；在所述传动轴上开有螺纹形成丝杠；

所述电机与减速器连接，减速器的输出轴通过连接机构与传动轴的一端连接；所述第一连接头的内腔的中部为小孔径段，两端为大孔径段，小孔径段的内壁与传动轴的外壁接触，在两者之间设有O型密封圈；

在面向电机一侧的大孔径段内设置有滚动轴承，在另一侧的大孔径段内设有所述传动螺母，在该大孔径段的内壁上开有槽，在此处的传动轴的外壁上设有螺纹，当传动轴正、反向旋转时，传动螺母能够在槽内沿轴向进行往复移动。

3.根据权利要求2所述的井下电控滑套开关工具，其特征在于：所述操作爪包括驱动臂外套筒以及设置在其内腔中的支撑臂推力座、曲柄滑块机构、推力座固定套；

在所述驱动臂外套筒上开有轴向孔；

所述曲柄滑块机构包括第一驱动臂和第二驱动臂，所述第一驱动臂的一端通过销钉与所述支撑臂推力座的一端连接，另一端通过销钉与第二驱动臂的一端连接，第二驱动臂的另一端通过销钉与推力座固定套连接；

所述支撑臂推力座的另一端的端面与传动螺母的端面通过压缩弹簧连接，当传动螺母沿轴向移动时，带动所述支撑臂推力座沿轴向移动，推动第一传动臂和第二传动臂进行径向张开或者缩回。

4.根据权利要求3所述的井下电控滑套开关工具，其特征在于：所述连接机构包括联轴器、滑环轴、滑环、平键固定套；所述减速器的输出轴通过联轴器与滑环轴的一端连接，所述滑环轴的另一端通过所述平键固定套与传动轴的一端连接，所述滑环套在所述滑环轴上。

5.根据权利要求4所述的井下电控滑套开关工具，其特征在于：所述套管咬紧机构和滑套咬紧机构均包括丝堵、电机密封套和电机固定套；所述丝堵与所述电机密封套的一端连接，所述电机密封套的另一端与所述第一连接头的一端连接；

所述电机固定套安装在所述电机密封套的内腔中，所述动力装置安装在所述电机固定套内。

6.根据权利要求5所述的井下电控滑套开关工具，其特征在于：所述滑环采用过孔式滑环，所述传动轴开有中心孔和侧孔。

7.根据权利要求6所述的井下电控滑套开关工具，其特征在于：所述套管咬紧机构和滑套咬紧机构中的电机采用直流无刷电机，所述减速器采用行星齿轮减速器。

8.根据权利要求7所述的井下电控滑套开关工具，其特征在于：所述滑套旋转机构中的所述旋转电机与减速器连接，减速器的输出轴与联轴器的一端连接，联轴器的另一端与滑环轴的一端连接，滑环轴的另一端与第三连接头的一端连接，第三连接头的另一端的内壁与滑套咬紧机构中的推力座固定套连接，外壁与滑套咬紧机构中的驱动臂外套筒的一端连接；

所述滑套咬紧机构中的传动轴伸入到所述第三连接头的内腔中，在两者接触处设有O型密封圈；

所述旋转电机通过第三连接头带动滑套咬紧机构中的操作爪进行旋转。

9.根据权利要求8所述的井下电控滑套开关工具，其特征在于：所述滑套旋转机构包括旋转电机密封套，所述套管咬紧机构中的驱动臂外套筒通过第二连接头与旋转电机密封套的一端连接，所述旋转电机密封套的另一端与第四连接头的一端连接，所述第四连接头的另一端与限位扶正套连接；

所述第四连接头的内腔的中部为小孔径段，两端为大孔径段；所述小孔径段的内壁与第三连接头的外壁接触，在两者之间设有O型密封圈；

在两端的大孔径段内分别安装有滚动轴承；

在所述限位扶正套的内壁与第三连接头的外壁之间依次安装有外轴承压环、轴承和垫环；

在所述旋转电机密封套与第四连接头的接触处设有O型密封圈。

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