微型液压系统驱动页岩气井固井滑套研究

摘要

页岩气作为非常规天然气资源的一种，已成为我国的战略能源。为了提高页岩气的开采水平，目前国际上已提出打造智慧化、数字化油气田，以实现油气资源的增产。在油气田智慧化、数字化的过程中，固井滑套多级分段压裂技术作为一种高效增产技术已引起国内外大型能源服务公司的关注。目前可应用的固井滑套多级分段压裂技术在滑套的打开方式上又分为机械开关式滑套和液压开关式滑套，其中机械开关式滑套存在操作繁琐、可靠性不高等缺陷。相比之下，液压开关式滑套借助液压系统大推力、控制方便、布局灵活的优势越来越受到业界重视。但由于页岩气井下高温、高外压的恶劣环境和狭小空间的技术要求，目前的液压开关式滑套只有地面提供液压力，通过集气管束将压力传导至地层执行元件的方式来驱动滑套的开关。其它驱动方式的研究和设计并没有重大的进展。总结来说，主要存在两方面技术挑战，一是液压开关式滑套在井下缺少一套完全独立的微型液压驱动系统，其中适用于井下狭小空间的微型泵的设计是一个难点；二是独立的微型液压驱动系统与固井滑套如何进行共形集成也是一个难点，即各液压元器件如何在固井滑套上合理的布置才能既保证固井滑套的可靠性和稳定性，又能使整个系统适应井下环境。 针对以上液压开关式固井滑套出现的挑战与难点，本文研究设计了一种适用于井下狭小空间环境的微型柱塞泵，提出了采用微型柱塞泵驱动固井滑套的方式来实现固井滑套的可控启闭。 对微型柱塞泵的结构进行了紧凑化设计，并对摩擦副、容积效率以及自吸性能等关键技术进行了研究。搭建了适用于微型柱塞泵的测试系统，对微型柱塞泵压力、流量和容积效率等参数进行了测试。对微型柱塞泵存在的容积效率低，自吸性能差等问题进行了分析，并进一步改进了其结构。 对固井滑套的机械结构进行了设计和强度校核，提出了将整个微型液压驱动系统安装在固井滑套的外缸套U型槽内，以内滑套作为微型液压驱动系统的执行机构。实现了微型液压驱动系统与固井滑套的共形集成。为页岩气井固井滑套在井下实施有效的压裂奠定了基础。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 固井滑套技术国内外研究现状

1.2.2 微型柱塞泵国内外研究现状

1.3 研究内容及思路

1.3.1 研究内容

1.3.2 关键技术及研究思路

第2章 固井滑套微型柱塞泵设计

2.1 微型柱塞泵的紧凑化设计

2.1.1 紧凑化设计的主要途径

2.1.2 微型柱塞泵工作原理

2.2 微型柱塞泵运动分析及流量计算

2.2.1 微型柱塞泵运动分析

2.2.2 微型柱塞泵流量分析

2.3 微型柱塞泵关键摩擦副

2.3.1 柱塞-缸体孔摩擦副

2.3.2 滑靴-斜盘摩擦副

2.4 本章小结

第3章 微型柱塞泵测试及自吸性分析

3.1 测试系统搭建

3.2 测试结果与改进

3.2.1 测试结果及分析

3.2.2 微型柱塞泵改进

3.3 微型柱塞泵自吸性能分析

3.3.1 毛细流动效应下各项力的作用效果

3.3.2 流道内流体在两种状态下的流动效果

3.4 本章小结

第4章 固井滑套结构设计

4.1 固井滑套结构设计要求与原则

4.1.1 固井滑套设计要求

4.1.2 固井滑套设计原则

4.2 固井滑套关键部分结构设计

4.2.1 耐压舱结构设计

4.2.2 外缸套结构设计

4.2.3 材料选取

4.3 固井滑套结构有限元分析

4.3.1 有限元分析原理

4.3.2 耐压舱有限元分析

4.3.3 外缸套有限元分析

4.4 固井滑套密封性能分析

4.4.1 外缸套静密封分析

4.4.2 内滑套动密封分析

4.4.3 耐压舱硬密封分析

4.5 本章小结

第5章 固井滑套微型液压系统集成

5.1 微型液压驱动系统原理

5.1.1 系统的设计要求及工况分析

5.1.2 微型液压驱动系统原理

5.2 微型液压驱动系统单元

5.2.1 微型控制单元

5.2.2 微型动力单元

5.2.3 信号采集单元

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士期间所发表的学术论文