摘 要

在当前的时代，能源是维系社会正常运转的一个重要保证，而其中的石油更是尤其重要，石油因为它的重要性更是作为当前的一种非常重要的战略资源。因此，对于石油的开采效率的提高就是一个刻不容缓的任务，而滑套的诞生就对石油开采效率的提高起到了非常关键的作用，极大的提高了石油的开采效率，并且也降低了石油开采的成本了。那么，对于设计一个能够循环使用、结构简单实用、石油管道开启效率高等优点的滑套开关就非常重要了。

本文针对与当前阶段的石油井下分层压裂的问题、滑套压裂的诸多不足之处，设计一个液压驱动式滑套开关，去解决当前石油开采过程中的一些问题。本设计的滑套开关工具主要包含筒体管道、滑套、液压传动装置、密封装置四大部分组成，能够多次开启或者关闭滑套，能够高效率的完成所需的具体任务，完全符合实际生产需求。

关键词：滑套开关；液压驱动；结构设计；井下工具

Abstract

In the current era, energy is an important guarantee to maintain the normal functioning of society, and the oil is particularly important, oil because of its importance as a very important strategic resources. Therefore, the improvement of oil production efficiency is an urgent task, and the birth of the sliding sleeve on the efficiency of oil production played a very important role, greatly improve the efficiency of oil production, and also reduce the cost of oil production. So, it is very important to design a sliding sleeve switch which can recycle, simple and practical, and high efficiency of oil pipeline opening.

In this paper, a hydraulic-driven sliding sleeve switch is designed to solve some problems in the current petroleum exploitation process, aiming at the problem of stratified fracturing in oil well under the current stage and the many deficiencies of slip sleeve fracturing. The design of the sliding sleeve switch tools mainly include tube pipe, sliding sleeve, hydraulic transmission device, sealing device of the four parts, can be opened or closed more than a slip sleeve, can efficiently complete the required specific tasks, fully meet the actual production needs.

Keyword：Slide sleeve switch; hydraulic drive; structural design; downhole tool

目录

第1章 绪论 1

1.1目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 毕业设计主要内容 7

第2章 总体方案 8

2.1 功能分析 8

2.1.1流体控制功能 8

2.1.2 滑套驱动功能 8

2.1.3 动力功能 9

2.1.4 液压输送功能 9

2.1.5 各部连接功能 10

2.2 功能实现方案 10

2.2.1 流体控制功能实现方案 10

2.2.2 滑套驱动结构实现方案 11

2.2.3动力功能实现方案 13

2.2.4 液压输送功能实现方案 14

2.2.5 各部分连接功能方案 15

2.3 总体方案设计 15

第3章 主要零部件设计计算 17

3.1 滑套开关结构尺寸设计 17

3.1.1 基本参数确定 17

3.1.2 液压滑套开关管道尺寸设计 17

3.2 液压传动系统硬件选择设计 20

3.2.1 明确设计要求 20

3.2.2 液压系统总体方案原理图确定 21

3.2.3 执行元件（环形液压腔）尺寸设计 23

3.2.4 系统工作压力的确定 24

3.2.5 液压泵的选择 27

3.2.6 电机及减速器的选择 28

3.2.7 油箱的设计 30

3.2.8 液压系统密封装置设计 31

第4章 结论 34

参考文献 35

致谢 36

第1章 绪论

1.1目的和意义

在当今的大时代下，石油处于当前时代最重要的能源之一的地位，也是当今世界工业发展的一个重要基础，更加是现今的一种极其重要的一种不可再生资源，它是担任着保障国家经济发展社会问题。在中国，对于石油的开采，中国已经有了长达半个世纪的历史了，而在80年代以后的时间，石油井下压裂技术处于一种超高速的发展的一个重要阶段，而伴随这我国在该阶段处于大力发展经济，对于石油的需求是与日俱增，而石油也是逐渐成为我国的经济发展所需要的一个支柱能源。在当时，对于石油开采所需的井下装置的开发研究就是相当重要的一个课题任务，为了能够降低对石油进口的需求量。而其中井下装置滑套开关的结构设计研究就显得非常的重要。其次，对于滑套工具，它是一种非常重要的完井工具，它的主要用途是通过使用钢丝作业去打开或关闭油气层与油管之间的流体通道，其最主要的用处大致可以分为一下几点：第一是进行分层采油，可以配合封隔器去对油藏储量较低的地区进行采油；第二是可以在完井后进行诱喷作业，去尽可能的降低井的压力，以至去满足工程采样以及求产等的测试过程的要求；第三是进行循环压井作业；第四是可以对射流泵进行坐挂工作；第五是可以下放到堵塞器之中进行关井或者进行油管试压作业；第六就是可以气举；第七是可以进行多层的混注作业，比如分层注水采油作业；第八是可以进行循环的化学式的药剂，进行防腐工作。其次对于滑套开关的具体工作方式，大致可以分为两种形式：第一种就是CMD形式，即就是通过滑套开关工具，推动滑套向下运动，完成滑套的开启，驱动滑套向上运动，完成滑套的关闭；第二就是CMU形式，即通过滑套开关工具推动滑套向上运动，完成滑套的开启，而通过滑套开关工具推动滑套向下运动，完成滑套的关闭任务，两种形式是对立形式的。而其中，滑套开关的原理大体为：首先当滑套开关处于关闭状态的时候，即油气层与管道内部无法连通，通过滑套堵住其连通，在滑套开关内部工具的驱动下，滑套进行轴向运动，滑套的孔与管道孔完成对接，管道内部与管道外部形成流动通道，从而完成滑套的开启，其关闭过程与之相反。总之，滑套开关工具在井下是一个非常重要的工具，无论是对于实现压裂与生产一体化还是对石油开采效率的提高都是非常必要的。

而现有的开关型式大体上主要有四种类型：第一种是投球式滑套开关；第二种是飞镖式滑套式滑套开关工具；第三种是液压驱动式的滑套开关工具；四是机械驱动开关式的滑套开关工具。当然，以上四种类型的滑套开关方式大体上可以归纳为两种大的类型，一种是使用投球飞镖类的方式去打开滑套开关，一种是使用对应的井下工具器打开滑套开关工具。从水平井分段压裂技术的特点上来看，当前阶段的固井滑套多段压裂技术作业的方式是多种多样的，即存在着诸多的优点，但是也存在着很多的缺陷，而有储层是难以压裂出理想裂缝的各种情况发生，那么井下滑套的开启或者关闭就非常需要一个精确的定位，而且在也累或选择性生产过程中就会存在滑套的开度是不能调节，配套的工艺的滑套没有设计出锁紧装置，其中便会出现各种问题。因此，对与滑套开关的类型的选择上就非常重要了，当然对问题的解决是出于综合上的考虑，选择最优的一种滑套开关方式。在当前的石油大时代背景下，中东地区的油气藏是井喷式的开采过程相对单一，而我国的油气藏储量相对于贫乏，油气资源需要大量的进口，总之对于石油开采效率的提升就显得非常重要。其中主要要求就是可以多次循环使用，能够较好的配合分层注水工艺去进行石油开采作业。而液压驱动式的滑套开关工具就可以满足当前阶段中的一些标致性的问题，而且在石油开采的各种阶段都可以使用，能够极大的降低石油开采过程所需的成本，而且可以极大的提高石油开采的效率。其中，液压驱动式滑套开关是通过地面进行对井下滑套工具进行控制，而且开启或者关闭的响应时间短，在油气储量相对来说比较低的地区，需要封隔器去增加油气的压力的油田，液压驱动式的滑套开关工具可以下放到指定的深度，可以完成石油开采作业，而对于油气储量非常有限的地区，可以配合分层注水工艺完成石油开采，即在两个相近的石油井下，下方液压驱动式的滑套开关工具，可以完成注水采油。因此，液压驱动式的滑套开关工具在总体均表现良好，能够在石油开采的不同阶段满足不同的需求，而且能够多次的循环使用。

因此，我选择了液压驱动式的滑套开关工具。首先，它的适用性非常广，在石油完井后，可以配合压裂工具，完成对井下压裂作业，对采油层的岩石通过超高压的液体进行压裂，而当油气层储量低的时候，又可以通过与相应的封隔器配合，完成对低压的油气采集作业，而当油气储量非常低的时候，又可以配合注水采油进行对有限资源的石油进行开采，即在相同深度的油层处，两相邻的井下分别下放液压驱动式的滑套开关工具，当两侧的井下的滑套开关工具都开启的时候，即两井口可形成液体回路，然后在一侧井口注水，对页岩气层内部的油气进行开采，即通过水不断洗刷压裂的岩石内部的油气，完成采油。其次，液压驱动式的滑套开关工具是可以多次循环的进行使用，能够适用于石油开采的多阶段，通过配合不同的工具，完成不同任务。而，相对于投球式的滑套开关工具，液压驱动式的滑套开关工具又是无污染的，通过地面提供电能，驱动液压装置完成对滑套的驱动任务，几乎龄污染。总之，液压驱动式滑套开关工具，能够满足油气田多层分层开采，选择性开采及单层井口测试和找堵水的技术需求等特点。

1.2 国内外研究现状

井下滑套开关是井下生产控制系统的一个非常重要的组成成分，是智能井下系统进行实时控制的一个关键部分之一。目前的滑套开关主要有三种型式，第一种是机械式滑套开关工具，第二种是投球式滑套开关工具，第三种是液压驱动式滑套开关工具。

当时代到达二十一世纪，当前世界的的石油开采行业处于一个相对的中年时期，既有不凡的成就，但是也有很多的技术问题存在与石油开采行业，而对于中国来说，大多数的油气公司将开采区域进军浅海或者深海，增加了石油开采的难度，但是当前阶段，中国的各项经济数据飞速发展，人均GDP更是突飞猛进，中国国内的各种新产业不断兴起，科技开始向国外学习，对于基础物质的需求也是增加，因此存在着人们日益增长的精神生活通落后物质生活之间的矛盾。在中国人民不断追求一个美好的生活的同时，石油这种资源的需求量更是与日俱增。那么，在大时代的背景下，如何去最大化、最优化的开采地下石油资源就成为一个非常严峻的问题了，而对于研究如何去提高油气的开采率去大大提高石油产量，就变成那个时代石油人所面临的最大的一个问题了。

当然，在巨大压力下，石油人成功开发出大庆油田，在30年的时间里，大庆油田的石油开采拥有稳定的产量，这个巨大成就也是世界上石油界的一个非常大的成就之一。在这一个巨大的成就后面，它非常依靠注水开采这个工艺技术。而对于二十世纪以前的笼统注水技术，在二十一世纪也逐渐过渡到了当前先进的分层注水技术了，因此国内的石油开采效率得到了相当大的提高。

而近年来，由于油气资源的开采需求巨大，各地油气储量骤降，大庆油田更是采用分层注水工艺进行开采作业，对于油气资源开采，产量降低而难度不断增大，液压驱动式的可开关的滑套工具在国内的致密性的油气田中就有了非常好的表现，能极大提高单井的产能。但是这个技术是被国外的石油巨头进行垄断的，国内无法获取，价格不仅仅非常的高额，它的生产时间更是非常的长。因此，川庆钻探就在2012年5月的时候进行和休斯敦的某研究中心进行合作，就这个项目开始非常深入的研究合作，通过一年多的奋斗，终于完成了机械式的可开关的滑套，并且完成了室内的试验以及样机的制造任务，并且通过多次的实验检验，是可以投入到实际进行应用的。

中国石油川庆钻探工程公司和休斯敦研究中心深入的技术合作研究，这种可开关的机械式的的滑套开关，在2013年5月21号在进行室外和室内的特俗实验，工作压差高达50Mpa的时候，这个机械式的开关滑套工具的耐高温的能力高达120℃这个高温，而且它能够进行３～５次开启和关闭过程，具有投入使用的条件，而且能够完全符合实际的生产生活了。而随着这个井下滑套工具的研制成功并且经过验证可以投入使用，从而打破了国外对于这种技术的完全垄断形势，让国内的石油开采井下设备拥有了属于自己的东西。在大趋势的推动下，川庆钻探公司不断推出各种新技术，以满足当前石油开采的巨大需求。就机械式的可开关滑套工具，它也被称为可选择性的分段压裂工具，它也是选择性的分段压裂工艺技术的一个技术关键，它是主要可以被应用到水平的石油井的裸眼完井过程和套管完井的分段作业的不同的阶段，它能够对不同的目的井下层段进行不同的特俗的选择性的作业以及各种测试和生产工作。它是使用连续的油管或钢丝带去实现开启或者关闭滑套，对压裂工艺的实用能力得到了提高。尤其是水平井在进行压裂之后的过程之中，但是由于肯会出现水锥等的特殊情况，能够对水锥的压裂段的所在的滑套开关工具或多个滑套工具实施关闭，从而降低了水锥对油气生产过程的巨大影响。

在国外，在2006年斯伦贝谢公司就开始进行不射孔的固井水泥环对井下压裂的影响的研究工作，并且进行关于不同喷砂体结构对启动压力是否能够有影响这个问题进行了很多的比对试验。而且通过模拟其在围压状态时候的起缝特征，从而对滑套固井压裂技术的不断完善奠定理论的基础。

在2007年的时候，美国的peak completion公司申请cemented open hole selective fracing system（胶结裸眼选择性压裂系统）专利，并且提出了机械式的可开关的滑套固井压裂技术这个理论。该技术的基本原理是：当滑套跟随套管一起下入目的层的井下的时候，能够按照其设计的调整深度进行固井，当其固井凝结之后，然后就是放下组合的一套开关工具，从而自下而上的逐级进行开启滑套，然后开始进行环空压裂作业。它的开关工具是机械式的开关，通过弹簧作用，开关键和滑套的内筒的两端的开关台阶完成啮合，从而拖动滑套的内筒进行移动。而且当其到达开、关的位置的时候，开关工具的开关键是会在滑套外筒的缩径台阶通过压缩作用和滑套内筒的开关台阶完成分离，而在同时，滑套内筒会锁定爪簧从而进入了锁定的沟槽，最后可以完成滑套内筒的非常可靠的锁定。同时未来降低固井的水泥环对其启动的压力的影响，能够使用酸性的水泥进行固井，当滑套开启之后，可以首先进行酸洗操作，然后在溶解滑套的周围水泥环，最后再进行其压裂作业。在这之后，美国的威德福、贝克公司、斯伦贝谢也是出现了相关的技术介绍，但是没有实际运用的报道。

在2008年，斯伦贝谢的TAP阀的压裂技术进入了现场的试验。TAP阀压裂技术是采用固井的方法去实现层间的封隔，TAP阀之间是在管外进行与液压管线进行连接，而在前一级的压裂的时候，压力会传递进入下一级的压缩阀内的C形的环形成球座内部，然后就是投一个单一直径的飞镖，然后实现分层了压裂，最下面的一级是可以采用射孔或下破裂阀的。因此TAP阀在理论上是可以进行无限级压裂。在2009年，该技术也是在长庆油田完成直井分层压裂的试验。

图1.1 TAP阀门

在2010年，就TAP阀的管外液压管线的扭转以及挤压受限等的问题，它并不适应与水平井压裂,因此进行关于TAP阀的改进工作，最后便形成了TAP Lite分层压裂这个技术。TAP Lite分层压裂技术，是采用投球进行开启滑套，从而进行改进TAP阀，其原理和当前的裸眼分段压裂工艺类似的，但是唯一差别是其采用水泥浆固井从而取代封隔器封隔，封隔效果也是更加可靠。到2012年的年底,TAP这个分层压裂技术在国内的直井应用了6井次，在水平井应用了1井次，TAP lite在水平井应用了2井次。

在2010年，美国的贝克公司关于喷砂射孔环空压裂技术，提出了OptiPor^TM新压裂技术。这个技术是在滑套随套管的管柱固井之后，在通过连续的油管带下了封隔器，然后就通过封隔器之间的坐封去产生压力差，而在压差作用下，从而剪断了销钉，完成了开启阀门，自下而上的进行逐层环空压裂。该技术理论能够实现无限级压裂，但是不能实现滑套的重复开关。因此，这个技术在美国、加拿大等地域被广泛的应用，其最高记录是实现高达48级的压裂，在2012年，它在加拿大地区累计施工了2200级，但是国内的滑套固井压裂技术形成的较晚，长庆、大港通过引进斯伦贝谢的TAP压裂技术，进行了国产化的工具研制工作，其中大港油田的TAP lite压裂技术也已经完成了现场的试验。

图1.2 OptiPor^TM固井滑套

在2013年9月，能新科公司在吉林油田完成了2口直井TAP lite的压裂施工。但是渤海钻探所研究的可开关滑套的压裂工具是通过和封隔器进行配合使用，并没用与固井一起使用。这个技术在2012年的时候在直井之中完成现场的试验，而且取得了非常良好的效果。

图1.3 OptiPor^TM固井滑套配合封隔器使用

TAP阀压裂技术虽然可以实现无限级压裂，但是阀与阀之间在管外是需要通过液压管线进行连接，并不适合水平井的压裂。TAP lite是有限级压裂技术，在压裂后是需要进行后期处理，能够钻除球及球座。但是通过现场的试验,TAP以及TAP lite技术的钻磨是非常困难。OptiPort^TM压裂技术可以保持全通径，能够实现无限级的压裂，在加拿大、加拿大等地区得到大范围的应用，但是这个技术是不能够去重复开关,而且它后期是无法进行其它的生产调节。

在当前，哈里伯顿公司、贝克斯公司、斯伦贝谢公司一起合作成为全球三大石油井下产品并提供产品和服务的全球三大技术服务公司，实力强劲。其中的贝克斯公司更是在2016年的产值高达248.46亿美元的超高成就，占居世界的500强地位，排位140位，其在石油井下装置的研究实力堪称强大，而且掌握各种先进的技术。

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