本发明涉及一种应用于石油开发领域的可反复开关式压裂滑套。
背景技术：
我国随着石油需求的不断增加，世界油气田资源的开发愈也加深入。为了提高石油与天然气的开采量，则必须加快研究水平井压裂技术的研究，而水平井压裂技术中最重要的是压裂滑套。所以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。因此，研发出一种高效的，工艺简单，井下工具数量少，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，而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，再加上本体结构、生锈以及密封圈的摩擦和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。
技术实现要素：
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种模块化无级差可反复开关式压裂滑套。该设备能够在水平石油井下工作，实现滑套的多次打开与关闭，可实现多层压裂，使其不再受压裂层数的限制，在压裂过程中可实现滑套启闭的自由调节，同时实现管柱的全通径开采，使其压裂程度最大化。有效解决了传统压裂滑套的缺陷，使滑套向智能化发展，同时可降低工人的工作疲劳强度。
本发明的技术方案是：该种模块化无级差可反复开关式压裂滑套包括框架支撑单元、检测控制单元以及执行单元，其独特之处在于：
所述的框架支撑单元为整个压裂滑套机构的框架支撑机构，包括上管柱接头、中心管、下管柱接头和套体；中心管作为主要的承重和定位部件，用来连接和定位滑套内的各个模块；中心管上的喷砂孔端具有一个用于定位的加厚结构；中心管穿套在套体内部，上管柱接头和下管柱接头的末端均以螺纹连接的形式固定在中心管两端且内接于套体的上下两端；其中，上管柱接头的下部连接套体的上部，连接方式为螺纹连接；套体的下部与液压缸模块采用焊接的方式连接在一起；下管柱接头的靠近下部位置的周向间隔设置有4个均匀对称分布的喷砂孔，以使得下管柱接头的上端与内滑套模块中的喷砂孔以及中心管中的喷砂孔的位置相互吻合；上管柱接头靠近下端位置的外侧设置有一圈台阶；中心管、内滑套模块以及下管柱接头上的4个均匀分布的喷砂孔，孔径尺寸由内到外逐渐减小，以使喷砂孔内外形成较大的压力差，在三组喷砂孔的中心线重合时，压裂液得以喷出；
所述检测控制单元为整个滑套机构的信号接收和信号传递的控制机构；包括射频识别模块和液压阀模块；液压阀模块包括液压阀阀腔体、二通插装阀1号、二通插装阀2号、二通插装阀3号以及二通插装阀4号；全部的二通插装阀均由磁铁、弹簧、阀芯、盖板和阀座组成；所述检测控制单元按照如下模式工作，首先由射频识别模块接收来自外界的指令，并将其转换成内部信号输送到液压阀模块，液压阀模块接收到来自射频模块的信号时，该装置里面的控制部件使线圈得电，产生电磁力，将磁铁向上吸引，进而打开液压通道，使高压液从液压阀模块流向液压缸模块。
所述执行单元为整个滑套滑套机构的动力执行机构，包括供油模块、储油模块、液压缸模块和内滑套模块；其中，供油模块是整个滑套机构的最初能源动力中心，包括后端盖、圆筒体、弹簧、前端盖及高压活塞；为了平衡圆筒体内外压差，在孔壁上开了2个平衡孔；在外筒壁上还开有一个充油孔，用于高压油液的注入；前端盖与圆筒体用螺纹连接实现配合，紧扣住圆筒体；后端盖与圆筒体均采用焊接技术连接在一起并在后端盖上面开有一个高压油孔，该管路为液压缸模块中活塞的运动提供高压液体，并且后端盖上设有卡槽，保证了与储油模块的稳固连接；储油模块作为整个滑套机构的低压回油装置，用于回收高压液体、液压缸处的油液以及各液压管路中的油液，储油模块包括前端盖、低压油缸及后端盖；前端盖、后端盖与低压油缸采用焊接技术相连；其中，前端盖上开有2个储油孔和一个输油孔，储油孔是作为回油的主要油路，输油孔是将油液输送到液压缸模块的主要油路；后端盖上开有一个高压油孔，该高压油孔与供油模块上的高压油孔相通；储油模块的低压油缸内部有6块胫板，用来平衡内外的压差，并且在每一块胫板上都开有一个小的圆孔，以保证6个储油腔都能够相通；储油模块的后端盖与供油模块的前端盖以卡槽的形式紧密相连，并依次穿套在中心管上；液压缸模块作为整个滑套机构中将机械能转化为液压能的部件，以卡槽的连接方式与液压阀模块紧密相连；液压缸模块包括液压缸缸体、液压缸大垫板、液压缸大密封垫片及液压缸小密封垫片；其中，液压缸模块的环形管壁上开有5个通孔，通孔与液压阀模块中的主高压油路相通，另外4个通孔是对称均匀分布的，活塞和液压杆均在这4个通孔里做往复直线运动；此外，在液压缸模块的后端面上开有一条环形油路，其作用是将4个通孔互相连通；在前端面上也开有一条环形油路，其作用是将5个通孔互相连通。
液压缸模块在工作时，首先液压阀模块接收到来自射频模块的开启信号，位于主高压油路和主储油路上的二通插装阀2号和1号开启，而另外两个二通插装阀3号和4号关闭，此时高压油液就从液压阀模块进入主高压油路，到达前端面，在通过前端面环形油路均匀分布到4个对称分布的活塞油路，进而推动液压缸腔体内的4个活塞往后端面运动，液压杆缩短；当液压阀模块收到关闭信号时，位于副高压油路和副储油路上的二通插装阀3号和4号开启，而另外两个二通插装阀2号和1号关闭，此时高压油液就从液压阀模块进入副高压油路，到达后端面，再通过后环形油路均匀分布到4个对称分布的活塞油路，进而推动液压缸腔体内的4个活塞往前端面运动，液压杆伸长；
内滑套模块作为整个滑套机构的最终执行部件，起到对喷砂孔打开或者关闭的作用；内滑套模块包括滑动头和4个液压杆，滑动头的后端卡有4个均匀分布的液压杆槽，用于与液压杆进行螺栓连接；此外，在内滑套的喷砂孔前后均开有密封槽，每一处密封槽均安放3个密封圈，以防止在喷砂口打开时外部的油液从油口进入下接头与滑动头之间的环形空间，阻碍内滑套模块的往复直线运动；内滑套模块在工作时以中心管为导轨，进行往复直线运动，滑动头向前运动时，喷砂孔打开，向后运动时，喷砂孔关闭；
所述执行单元通过供油模块将储存的能量释放出来，经过液压缸模块驱动，储油模块的回油，推动液压杆来带动内滑套模块运动，来实现机构的执行运动。
本发明具有如下有益效果：本种滑套的检测控制单元设置有射频识别模块和液压阀模块，射频识别模块设置为检测识别压裂液的携载标签，并将所获取的信号传输给液压阀模块，液压阀为滑套的控制部件，被设置为根据接收的信号生成相应的控制信号，并将控制信号输送给执行单元；执行单元设置有依次连接的供油模块、储油模块、液压缸传动模块及内滑套模块。液压缸传动模块设置为根据将供油模块提供的液压能转化为机械能，进行直线往复运动，并带动内滑套模块一同动作，内滑套模块设置为通过直线运动实现滑套的启闭动作。采取上述方案后，不再依靠电动马达提供打开滑套的能量，而以供油模块即高压油缸作为能量源，利用供油模块所释放的能量通过储油模块和液压阀来控制液压缸的驱动，打开或者关闭滑套。其次，该种滑套采用无线射频技术（rfid）接收信号控制液压阀，该技术已经相当成熟，具有高效性、及时性、准确性，有利于滑套的打开和关闭并提高工作效率。再次，液压阀模块采用4个插装阀实现传统三位四通阀的功能，简单设计液压管路即可以实现原来的功能，而且尺寸方面更小巧。最后，此发明采用模块化的设计思想使各个机构，单元之间分工明确，效率更高，在能达到无级差压裂的同时，还能够简化滑套的结构实现多次的开启与关闭，提高了采油效率。综上所述，本种模块化无级差可反复开关式压裂滑套可实现多层压裂，使其不再受压裂层数的限制，在压裂过程中可实现滑套启闭的自由调节，同时实现管柱的全通径开采，使其压裂程度最大化。有效解决了传统压裂滑套的缺陷，是滑套向智能化发展，并降低了工人的工作疲劳强度。
附图说明：
图1是本发明模块化无级差可反复开关式压裂滑套总装配图
图2是本发明模块化无级差可反复开关式压裂滑套内部结构图
图3是本发明框架支撑单元结构图
图4是本发明检测控制单元结构图
图5是本发明执行单元结构图
图6是本发明液压阀模块后端图
图7是本发明液压阀模块前端图
图8是本发明射频识别模块简图
图9是本发明供油模块前端图
图10是本发明供油模块后端图
图11是本发明供油模块剖面图
图12是本发明储油模块前端图
图13是本发明储油模块后端图
图14是本发明低压油缸结构图
图15是本发明液压缸模块前端图
图16是本发明液压缸模块后端图
图17是本发明液压缸缸体后端图
图18是本发明液压缸缸体前端图
图19是本发明液压缸大垫板前端图
图20是本发明液压缸大垫板后端图
图21是本发明液压缸大密封垫片结构图
图22是本发明液压缸小密封垫片结构图
图23是本发明液压阀大密封垫片结构图
图24是本发明液压阀小密封垫片结构图
图25是本发明内滑套模块结构图
图26是本发明活塞杆结构图
图27是本发明滑动头后端结构图
图28是本发明滑动头前端结构图
图29是本发明上管柱接头结构图
图30是本发明下管柱接头结构图
图31是本发明二通插装阀剖面图
图32是本发明中心管结构图
图33是本发明高压活塞结构图
图34是本发明供油模块后端盖结构图
图35是本发明供油模块前端盖结构图
图36是本发明内滑套密封圈结构图
图中1-上管柱接头，2-中心管，3-套体，4-下管柱接头，5-射频识别模块，6-液压阀模块，7-供油模块，8-储油模块，9-液压缸模块，10-内滑套模块，11-液压阀模块主储油路，12-液压阀模块副高压油路，13-二通插装阀1号，14-液压阀模块主高压油路，15-二通插装阀2号，16-液压阀模块副储油路，17-二通插装阀3号，18-前端油路，19-液压阀腔体，20-二通插装阀4号，21-供油模块后端盖，22-圆筒体，23-弹簧，24-充油孔，25-供油模块前端盖，26-高压活塞，27-平衡孔，28储油孔，29-储油模块前端盖，30-储油孔，31-输油孔，32-低压油缸，33-储油模块后端盖，34-储油模块高压油孔，35-环形孔，36-胫板，37-液压缸模块副高压油路，38-液压缸模块主高压油路，39-液压缸模块副储油路，40-后端面环形油路，41-活塞孔，42-液压缸模块主储油路，43-前端面环形油路，44-液压缸腔体，45-液压缸大垫板，46-液压缸大密封垫片，47-液压缸小密封垫片，48-液压阀大密封垫片，49液压阀小密封垫片，50-液压杆，51-滑动头，52-活塞杆，53-内滑套密封槽，54-内滑套喷砂孔，55-液压杆槽，56-上管柱接头台阶，57-下管柱接头喷砂孔，58-盖板，59-电磁铁，60-阀芯，61-弹簧62-阀座，63-中心管喷砂孔，64-共油模块高压油孔,65-密封圈。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1至图36所示，本种模块化无级差可反复开关式压裂滑套，包括框架执行单元，检测控制单元以及执行单元。
所述的框架支撑单元为整个压裂滑套机构的框架支撑机构，如图3所示，由上管柱接头1，中心管2，下管柱接头4和套体3构成。中心管2作为主要的承重和定位部件，用来连接和定位滑套内各个模块。在中心管2的喷砂孔63端采取加厚的方式起到定位的作用。中心管2穿套在套体3内部，上管柱接头1和下管柱接头4的末端均以螺纹连接的形式固定在中心管2两端且内接于套体3的上下两端。其中，上管柱接头1的下部连接套体3的上部，连接方式为螺纹连接；套体3的下部与液压缸模块9采用焊接的方式连接在一起。下管柱接头4的上端为了与内滑套模块10中的喷砂孔54以及中心管2中的喷砂孔63相互吻合，其靠近下部位置的周向间隔设置有4个均匀对称分布的喷砂孔57，上管柱接头1靠近下端位置的外侧设置有一圈台阶56。其中，中心管2、内滑套模块10以及下管柱接头4的4个均匀分布的喷砂孔，其孔径尺寸由内到外逐渐减小，使喷砂孔内外形成较大的压力差，在三组喷砂孔的位置处于中心对称时，压裂液喷出，产生节流增压的效果，使压裂效果更显著。
所述检测控制单元为整个滑套机构的信号接收和信号传递的控制机构，如图4所示，由射频识别模块5和液压阀模块6构成。液压阀模块6由液压阀阀腔体44和二通插装阀1号13，二通插装阀2号15，二通插装阀3号17以及二通插装阀4号20组成。二通插装阀由磁铁59、弹簧61、阀芯60、盖板58和阀座62组成。检测控制单元在工作时，首先由射频识别模块接收来自外界的指令，并将其转换成内部信号输送到液压阀模块6，液压阀腔体44里的4个二通插装阀内的相关电子部件接收到来自射频模块5的信号时，该装置里面的控制部件使线圈得电，产生电磁力，将磁铁59向上吸引，进而打开液压通道，使高压液从液压阀模块6流向液压缸模块9。其具体工作流程为：当高压油液从供油模块7达到液压阀模块6时，二通插装阀则根据具体的信号指令做出相应的动作，使主高压油路14的二通插装阀2号和主储油路11的二通插装阀1号打开，副高压油路12的二通插装阀3号和副储油路16的二通插装阀4号关闭，则此时高压油液从左侧的管路进入液压缸的左侧腔室，油液开始充满左侧腔室，推动液压缸中的活塞向右运动，使右侧腔室中的油液通过右侧的管路流出，流入主储油路11，使活塞杆52伸长；反之，当主高压油路14的二通插装阀2号和主储油路11中的二通插装阀1号关闭，副高压油路12的二通插装阀3号和副储油路16的二通插装阀4号打开时，此时高压油液就从右侧的管路进入液压缸的右侧腔室，油液开始充满右侧的腔室，推动液压缸中的活塞向左运动，使左侧腔室中的油液通过左侧管路流出，流入副储油路，使后塞杆52缩短；当4条油路中的二通插装阀全部都打开时，从供油模块7流出的高压油液不经过液压缸模块9，直接通过相应的管路流到储油模块8，此时相当于液压阀模块6的中位状态。
所述执行单元为整个滑套滑套机构的动力执行机构，如图5所示，由供油模块7、储油模块8、液压缸模块9和内滑套模块10组成。其中，供油模块7如图9所示，是整个滑套机构的最初能源动力中心，由后端盖21、圆筒体22、弹簧23、前端盖25及高压活塞26组成。为了平衡圆筒体22内外压差，在孔壁上开了2个平衡孔27，有效的解决了圆筒体22内压力过大的问题；此外，在外筒壁上还开有一个充油孔24，用于高压油液的注入，在油液注入时，推动高压活塞26向左运动，压缩弹簧23，将弹簧的弹性势能转化为液压能，用于机构的后续运转。这里，前端盖25与圆筒体22是用螺纹连接来实现配合的，紧扣住圆筒体22；后端盖21与圆筒体22均采用焊接技术连接在一起并在后端盖21上面开有一个高压油孔64，该管路为液压缸模块11中活塞的运动提供高压液体，并且后端盖21上设有卡槽，保证了与储油模块8的稳固连接。储油模块8如图12所示，作为整个滑套机构的低压回油装置，其主要作用是回收高压液体、液压缸处的油液以及各液压管路中的油液。该模块由前端盖29、低压油缸32及后端盖33组成。前端盖29、后端盖33与低压油缸32采用焊接技术相连。其中，前端盖29上开有2个储油孔30和一个输油孔31，储油孔30是作为回油的主要油路，输油孔30是将油液输送到液压缸模块9的主要油路。后端盖33上开有一个高压油孔34，该高压油孔34与供油模块7上的高压油孔64相通。该储油模块7的低压油缸32如图14所示，此模块的内部有6块胫板36，用来平衡内外的压差，并且在每一块胫板上都开有一个小的圆孔35，以保证6个储油腔都能够相通。储油模块的后端盖33与供油模块的前端盖以卡槽的形式紧密相连，并依次穿套在中心管2上。液压缸模块9如图15所示，作为整个滑套机构中将机械能转化为液压能的部件，以卡槽的连接方式与液压阀模块紧密相连。它是由液压缸缸体44、液压缸大垫板45、液压缸大密封垫片46及液压缸小密封垫片49组成。其中，液压缸模块9的环形管壁上开有5个通孔，通孔与液压阀模块6中的主高压油路14相通，另外4个通孔是对称均匀分布的，活塞和液压杆均在这4个通孔里做往复直线运动。此外，在液压缸模块的后端面上开有一条环形油路40，其作用是将4个通孔互相连通；在前端面上也开有一条环形油路43，其作用是将5个通孔互相连通。液压缸模块在工作时，首先液压阀模块接收到来自射频模块5的开启信号，位于主高压油路14和主储油路11上的二通插装阀2号和1号开启，而另外两个二通插装阀3号和4号关闭，此时高压油液就从液压阀模块6进入图17中的主高压油路38，到达前端面，在通过前端面环形油路43均匀分布到4个对称分布的活塞油路，进而推动液压缸腔体44内的4个活塞往后端面运动，液压杆50缩短；当液压阀模块6收到关闭信号时，位于副高压油路12和副储油路16上的二通插装阀3号和4号开启，而另外两个二通插装阀2号和1号关闭，此时高压油液就从液压阀模块6进入图17中的副高压油路37，到达后端面，再通过后环形油路40均匀分布到4个对称分布的活塞油路，进而推动液压缸腔体44内的4个活塞往前端面运动，液压杆50伸长。内滑套模块10如图25所示，作为整个滑套机构的最终执行部件，起到对喷砂孔打开或者关闭的作用。其中，内滑套模块10由滑动头51和4个液压杆50组成，滑动头51的后端卡有4个均匀分布的液压杆槽55用于与液压杆50进行螺栓连接。此外，在内滑套的喷砂孔54前后均开有密封槽53，每一处密封槽均安放3个密封圈65，防止在喷砂口54打开时外部的油液从油口进入下接头4与滑动头51之间的环形空间，阻碍内滑套模块10的往复直线运动。内滑套模块10在工作时，以中心管2为导轨，进行往复直线运动，滑动头51向前运动时，喷砂孔54打开；向后运动时，喷砂孔54关闭。整个执行单元通过供油模块7将储存的能量释放出来，经过液压缸模块9驱动，储油模块8的回油，推动液压杆55来带动内滑套模块10运动，来实现机构的执行运动。
下面给出本装置的作业过程：
步骤1：在整个系统运作前，必须先通过充油孔向供油模块的腔室内注入高压油液使内部弹簧压缩产生弹性势能，作为整个系统的动力源。
步骤2：投入电子标签，射频系统接收信号，发出指令，液压阀模块开始工作，供油模块释放能量，液压缸模块开始驱动，内滑套模块向前运动，压裂液从喷砂孔喷出，过一段时间后，液压阀模块中的二通插装阀自动回到起始位置。
步骤3：压裂结束后，投入一个电子标签，射频模块接收信号，并发出指令，液压阀模块中的二通插装阀向步骤1运动方向的反方向运动，供油模块再次释放能量，液压缸模块驱动内滑套模块反向运动，喷砂孔关闭，过一段时间后，液压阀模块中的二通插装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。