全通径多级钥匙开关式压裂滑套的制作方法

本发明涉及一种压裂开关滑套机构。

背景技术：

在石油开采过程中，井下滑套作为沟通储层和井筒的一个组件，在提高石油开采效率和优化资源配置方面有着不可替代的作用。

申请号为2016110255472 的“井下全通径无限级滑销滑套开关”，是在现有一系列滑套开关的基础上进行了改进而设计研发的，实现了全通径无限级压裂，识别效果得到改善，但其在工作过程中依然存在一些缺点：

（1）所投入井筒开关装置结构太过复杂，利用翘翘板的原理进行识别，若遇到井筒中有凸台结构时容易触发翘翘板计数，使识别机构工作失效；

（2）滑套开启过程中需要产生角度较大的周向旋转，且此周向旋转是不可逆的过程，即每次旋转时都是在前一次旋转的基础上沿相同方向继续转动，这就容易使每次旋转产生的误差累加，多次开启后滑套容易失效。

因此急需一种井下全通径无限级且容易对不同压裂层进行识别开启、容易维护保养，工作可靠的滑套。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种井下全通径无限级钥匙开关式压裂滑套，该压裂滑套开关机构的结构相对简单，对不同压裂层的识别效果好，工作的可靠度高，且滑套的识别开关机构可不随滑套主体下入井下，容易维护保养。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种全通径多级钥匙开关式压裂滑套，包括滑套执行机构及滑套开关机构。

所述滑套执行机构，包括滑套主体、内筒、调压活塞、底座、拔杆。

所述滑套主体，为圆筒状，滑套主体的两端有外螺纹，其上端与其他部件或其他工具螺纹连接，其下端与底座螺纹连接。

沿滑套主体内壁设有槽型导轨，整条槽型导轨上设有一次压裂段、二次压裂段……n次压裂段，每一次压裂段又依次划分为A、B、C、D四个分段，其中A、B、C三个分段的深度L_C>L_B>L_A，D分段的始端为C分段的尾端，D分段的尾端与A分段的深度相同；在A分段的上方设有第一剪切销，C分段的上方设有第二剪切销。

滑套主体壁上沿轴向开有n个相同的外压裂孔，滑套主体壁内开有活塞槽，活塞槽上端横截面积小于其下端横截面积，活塞槽上端及下端分别开有与滑套主体内部连通的上液压通道及下液压通道，活塞槽下端还开有与地层环空连通的泄压通道；滑套主体内壁上还开有拔杆轨道槽，该拔杆轨道槽与活塞槽的一侧连通。

所述内筒，其内壁下方沿轴向依次凸出有若干条投块限位带及一条卡块带；内筒壁上设有内压裂孔，内筒外壁一侧为竖直平面，平面上设置滑块固定槽，滑块固定槽底部安装弹簧，弹簧的上面固定滑块。

上述内筒置入滑套主体内，初始状态时，内压裂孔与外压裂孔的垂直距离为h，内压裂孔与外压裂孔间夹角为α；滑块与槽型导轨组成滑动导轨副，滑块剪断第一剪切销后进入槽型导轨的一次压裂段运动，期间，滑块经过A分段后，内筒相对于滑套主体旋转了α₁角、高度下降了h₁；经过B分段后，内筒相对于滑套主体继续旋转了α₂角、高度上升了h₂，此时α₁+α₂=α，h₁+ h ₂= h；经过C分段后，内筒相对于滑套主体继续旋转了-α角，高度下降了h₃；经过D分段后，内筒不发生旋转运动，仅在高度下降了h₄，此时h ₃+ h ₄= h。

所述调压活塞，主体为弧形板，垂直于调压活塞的同一侧边设有n个拔杆连接槽，调压活塞插入到滑套主体的活塞槽内。

所述拔杆，分为两段，一段为方接头，另一段为圆柱杆，二者的夹角为90°。拔杆的方接头插入到调压活塞的拔杆连接槽中，而圆柱杆的外壁与滑套主体的拔杆轨道槽底面相切；内筒上的滑块沿滑套主体内壁上的槽型导轨移动至拔杆处时，滑块与拔杆垂直相切，滑块沿A分段运动结束时，推动拔杆移动至拔杆轨道槽的底部，滑块沿B分段运动结束后滑入C分段，拔杆上移至拔杆轨道槽的顶部。

所述滑套开关机构，包括：投块本体、开关体、两个卡块、外滑块、内滑块、滑块弹簧、开关弹簧、上帽。

所述投块本体为圆筒状，其圆筒壁上轴对称排列有两排滑块孔，每排滑块孔与内筒上的投块限位带数量相同、间距相同；滑块孔下方的投块本体壁上还轴对称设有两个卡块孔；两个卡块孔中分别设有销轴及剪钉；投块本体的前端为圆锥状。

所述开关体，为圆柱状，置入投块本体内，投块本体的上端螺纹连接上帽，在上帽与开关体上端面之间压缩有开关弹簧，开关体上轴对称开有滑块槽，滑块槽与投块本体上的滑块孔相对应；开关体下端采用圆锥结构。每个滑块槽内置滑块弹簧及内滑块，滑块弹簧处于自然状态时，内滑块部分露在滑块槽外。

所述卡块，为梯形结构，卡块体上开有条状卡槽，两卡块分别通过投块本体上的销轴安装在卡块孔中，卡块的上表面与剪钉相切，两卡块之间形成三角槽，开关体的圆锥结构侧壁与三角槽侧壁相切。

所述外滑块，压缩滑块弹簧后置于滑块孔内，其外端设有倒斜面，与内筒的投块限位带配合。

发明效果：

1.本发明开关机构外滑块能够收缩到开关机构内部，有效的防止了下入过程中遇到凸台结构卡死的情况；

2.本发明滑套可单一地层多次打开，开闭方便，开关机构设置为全通径，避免了缩径结构对滑套压裂层数的限制；

3.本发明可随滑套对单一地层压裂次数的需求增加轨道循环次数，从而实现单一地层多次开启和关闭；

4.本发明开关机构外滑块全部伸出时才能开启压裂，外滑块与内筒上投块限位带有效配合，识别效果好，不同开关机构可控制不同地层滑套的开闭，对不同地层的压裂可实现无限级多次压裂；

5.本发明滑套开启过程中内筒周向旋转角度较小，且每次开关滑套后，内筒在周向上总旋转角度为0，即其沿周向又回到初始位置，避免了旋转过程中误差的迭加。

附图说明

图1是本发明全通径多级钥匙开关式压裂滑套的结构示意图。

图2是滑套执行机构的结构示意图。

图3A是滑套主体的剖视图。

图3B是图3A的A-A视图。

图3C是图3A的I-I视图。

图4A是内筒的立体结构示意图。

图4B是内筒的剖视图。

图5是调压活塞的结构示意图。

图6是拔杆的结构示意图。

图7A是拔杆与调压活塞、滑套主体之间的位置关系图。

图7B是图7A中的A-A视图。

图8是拔杆、调压活塞、内筒与滑套主体之间的位置关系图。

图9是图8中的局部放大图。

图10是滑套开关机构的剖视图。

图11A是投块本体的立体图。

图11B是投块本体的剖视图。

图12A是开关体的立体图。

图12B是开关体的剖视图。

图13是卡块的结构示意图。

图14是外滑块的结构示意图。

图15是滑套执行机构初始状态图。

图16是滑套开关机构投入内筒时示意图。

图17是滑套开关机构外滑块收缩、卡块外伸示意图。

图18A是滑套开关机构带动内筒下行示意图。

图18B是滑套开关机构带动内筒下行时滑块与拔杆相对运动示意图。

图19A滑套开关机构脱落状态示意图。

图19B是滑套开关机构脱落滑块与拔杆相对运动示意图。

图20A是内筒上行示意图。

图20B内筒上行时滑块与拔杆相对运动示意图。

图21A是压裂孔打开状态示意图。

图21B是压裂孔打开状态时滑块与拔杆状态示意图。

图22A是投入滑套开关机构关闭压裂孔示意图。

图22B是投入滑套开关机构关闭压裂孔过程中滑块与拔杆状态示意图。

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：滑套执行机构I及滑套开关机构II。

由图2所示：滑套执行机构，包括滑套主体1、内筒2、调压活塞3、底座4、拔杆5。

由图3A结合图3B、3C所示：所述滑套主体1，为圆筒状，滑套主体1的两端有外螺纹，其上端与其他部件或其他工具螺纹连接，其下端与底座螺纹连接。

沿滑套主体内壁设有槽型导轨1-1，整条槽型导轨1-1上设有一次压裂段、二次压裂段……n次压裂段，每一压裂段又依次划分为A、B、C、D四个分段，其中A、B、C三个分段的深度L_C>L_B>L_A，D分段的始端为C分段的尾端，D分段的尾端与A分段的深度相同；在A分段的上方设有第一剪切销1-2，C分段的上方设有第二剪切销1-3。

滑套主体壁上沿轴向开有n个相同的外压裂孔1-6，当压裂开启时压裂液经过此外压裂孔1-6进入到环空中。

滑套主体壁内开有活塞槽1-8，活塞槽1-8上端横截面积小于其下端横截面积，活塞槽上端及下端分别开有与滑套主体内部连通的上液压通道1-4及下液压通道1-7，活塞槽下端还开有与地层环空连通的泄压通道1-9，上液压通道1-4及下液压通道1-7与泄压通道1-9的设立避免活塞槽1-8内产生憋压；滑套主体内壁上还开有拔杆轨道槽1-5，该拔杆轨道槽1-5与活塞槽1-8的一侧连通。

所述内筒2，其内壁下方沿轴向依次凸出有三条投块限位带2-4及一条卡块带2-5；内筒壁上设有内压裂孔2-3，内筒外壁一侧为竖直平面，平面上设置滑块固定槽，滑块固定槽底部安装弹簧2-1，弹簧2-1的上面固定滑块2-2。

上述内筒2置入滑套主体1内，初始状态时，内压裂孔与外压裂孔的垂直距离为h，内压裂孔与外压裂孔间夹角为α；滑块2-2与槽型导轨1-1组成滑动导轨副，滑块2-2剪断第一剪切销1-2后进入槽型导轨的一次压裂段运动，期间，滑块2-2经过A分段后，内筒2相对于滑套主体1旋转了α₁角、高度下降了h₁；经过B分段后，内筒2相对于滑套主体1继续旋转了α₂角、高度上升了h₂，此时α₁+α₂=α，h₁+ h ₂= h；经过C分段后，内筒2相对于滑套主体1继续旋转了-α角，高度下降了h₃；经过D分段后，内筒2不发生旋转运动，仅在高度下降了h₄，此时h ₃+ h ₄= h。也就是说滑块2-2经过A、B、C、D四个分段后，第一次压裂完成，在这一过程中内筒2相对于滑套主体1在周向上旋转角度为0，内筒2与滑套主体1恢复为初始状态。

由图5所示：所述调压活塞3，主体为弧形板状，垂直于调压活塞3的同一侧边设有n个拔杆连接槽3-1，调压活塞3插入到滑套主体的活塞槽1-8内。

由图6所示：所述拔杆5，分为两段，一段为方接头，另一段为圆柱杆，二者的夹角为90°。

由图7A、图7B结合图8、图9所示：拔杆5的方接头插入到调压活塞的拔杆连接槽3-1中，而圆柱杆的外壁与滑套主体的拔杆轨道槽1-5底面相切；内筒上的滑块2-2沿滑套主体内壁上的槽型导轨1-1移动至拔杆5处时，滑块2-2与拔杆5垂直相切。

由图10所示：所述滑套开关机构II，包括：投块本体6、开关体7、两个卡块8、六个外滑块9、六个内滑块10、六个滑块弹簧11、开关弹簧12、上帽13。

由图11A结合图11B所示：所述投块本体6为圆筒状，其圆筒壁上轴对称排列有两排滑块孔6-1，每排滑块孔6-1数量为三个，相邻两滑块孔6-1间的距离与对应的相邻两投块限位带间距离相同；滑块孔6-1下方的投块本体壁上还轴对称设有两个卡块孔6-2；两个卡块孔6-2中分别设有销轴6-4及剪钉6-3；投块本体的前端为圆锥状，方便投块本体顺利投入到滑套执行机构的内筒中。

由图12A结合图12B所示：所述开关体7，为圆柱状，置入投块本体6内，投块本体的上端螺纹连接上帽13，在上帽13与开关体7上端面之间压缩有开关弹簧12，开关体上轴对称开有6个滑块槽7-1，这6个滑块槽7-1与投块本体上的6个滑块孔6-1相对应；开关体7下端采用圆锥结构。每个滑块槽7-1内置滑块弹簧11及内滑块10，滑块弹簧11处于自然状态时，一半内滑块体露在滑块槽7-1外。

由图13结合图10所示：所述卡块8，为梯形结构，卡块体上开有条状卡槽8-1，两卡块分别通过投块本体上的销轴6-4安装在卡块孔6-2中，卡块8的上表面与剪钉6-3相切，两卡块之间形成三角槽，开关体的圆锥结构侧壁与三角槽侧壁相切。

所述外滑块9，置于滑块孔6-1内，其外端设有倒斜面9-1，与内筒的投块限位带2-4配合，对滑套起到识别和开启作用。

全通径多级钥匙开关式压裂滑套的工作过程：

第一次压裂通道打开

由图15所示：滑套执行机构I在压裂开始之前，由于第一剪切销1-2的限制，内筒2处于滑套主体1内腔中，内压裂孔2-3和外压裂孔1-6的垂直距离为h，内压裂孔与外压裂孔间夹角为α；

由图16所示：当滑套开关机构II投入时，投块本体6内的外滑块9与内筒2相切，内滑块10一半在开关体的滑块槽7-1内，另一半在投块本体的滑块孔6-1内；对滑套进行打压，滑套开关机构II在内筒2内向下运动。

由图17所示：当滑套开关机构II上外滑块9运动到内筒上投块限位带2-4处时，在投块限位带2-4作用下外滑块9向内收缩，同时推动内滑块10收缩；当内滑块10完全收缩到开关体的滑块槽7-1内时，由于没有了内滑块10的阻碍作用，开关体7将会在被压缩的开关弹簧12的反弹推力作用下向下运动；同时开关体下端的圆锥结构推动卡块8向两侧运动，从而使卡块8与内筒上的卡块带2-5接触。

由图18A结合图18B所示：继续打压，滑套开关机构II带动内筒2向下运动，内筒上的滑块2-2将第一剪切销1-2剪断，滑块2-2沿滑套主体的槽型导轨1-1移动，首先进入一次压裂段的A分段，并与拔杆5相遇，推动拔杆5沿拔杆轨道槽1-5下移，而拔杆5的下移，将推动调压活塞3下移。

由图19A结合图19B所示：当拔杆5运动到拔杆轨道槽1-5的末端时，即滑块2-2下行至A分段的末端，此时，内筒2旋转了α₁角，滑块2-2继续下行进入B分段；此时继续打压，在压力作用下投块本体上的卡块8将会绕销轴6-4旋转，卡块8剪断剪钉6-3，直至卡块8垂直立于投块本体壁内缩回，滑套开关机构II落入井下。

由图20A结合图20B所示：由于没有了卡块8的憋压，调压活塞3下部的面积较大，上部的面积较小，在压差作用下调压活塞3向上运动；调压活塞3的上行带动拔杆5上行，由于B分段深于A分段，且由于弹簧2-1的作用，滑块2-2不会重新返回A分段，这样，拔杆5的上行同时推动内筒上滑块2-2沿槽型导轨B分段上行，继续结合图21A、图21B所示：滑块2-2运动到B分段的末端，并进入C分段的首端处，内筒旋转了α₂角，此时内筒压裂孔2-3与外压裂孔1-6相对，压裂通道打开。

第一次压裂通道关闭

由图22A结合图22B所示：当压裂完毕后，可再次投入滑套开关机构II，当滑套开关机构II的卡块8运动到与内筒上卡块带2-5相切时，对滑套进行打压，滑套开关机构II将推动内筒2向下运动，内筒上滑块2-2将剪断第二剪切销1-3；滑块沿轨道C和轨道D向下运动，内筒下行过程中将发生轴向旋转和周向的位移，内压裂孔与外压裂孔错开角度为α、纵向高度差为h，压裂孔关闭。内筒2继续向下运动，当滑块2-2与第二次压裂段的第一剪切销相切时，停止打压，第一次压裂完毕；自然放置一段时间，由于卡块8用可溶材料制作，卡块8在井底压裂液腐蚀下自然溶解。卡块8溶解后对滑套内部进行打压，开关机构打入井筒底部。此时内筒上的滑块2-2与第二次压裂段的第一剪切销钉相切。

第二次压裂实施及关闭滑套

第一次压裂完毕后，在滑套中再次投入滑套开关机构II进行第二次压裂。由于经过了第一次压裂，内筒已经产生了向下的位移，即第一次压裂时内筒上的滑块2-2与其对应的一次压裂段的A分段上方的第一剪切销钉1-2相切，而第二次压裂时内筒上的滑块2-2与二次压裂段的A分段上方的第一剪切销钉相切。因此第二次压裂时开关机构带动内筒上的滑块2-2直接在二次压裂段中运动，而不需要在一次压裂段中运动。

第二次压裂原理与第一次相同，即开关机构首先对内筒进行识别，然后带动内筒做向下和旋转运动，第二次压裂开启。第二次压裂实施与关闭的原理与第一次压裂相同，只是这一过程是在滑套主体1的二次压裂段中进行。

对不同地层压裂的实现

本发明滑套压裂开启的必要条件是内筒上的三个投块限位带与开关机构的三个外滑块同时相切，即在开关机构的外滑块与内筒上三个投块限位带作用时，外滑块能够同时收缩入开关机构内。因此若保证滑套打开，内筒上相邻两条投块限位带的距离与开关机构轴向相邻的两个外滑块的距离相等。不同地层设置投块限位带的距离不同，因此对于每一地层只能用其对应的开关机构打开，类似于一把锁对应一把钥匙的关系。不同地层滑套的开闭原理相同，而其所不同的是投入开关机构外滑块的轴向距离不同，所以，可以实现对不同地层实施压裂。