四川盆地是中国页岩气勘探开发先导性试验基地,目前主要使用多级桥塞分段压裂技术实现开采,该技术在现场运用中取得了较好的效果,但存在作业周期长、作业成本高、后期分段开采难度大等问题。因此,本文在调研水平井套管滑套、井下无线通信技术、井下微型液压系统、水平井套管滑套冲蚀磨损国内外发展及研究现状的基础上,结合四川盆地页岩气开发的特点和要求,设计了一种采用低频电磁波无线通信技术和井下液压动力开关装置的新型水平井套管滑套。新型水平井套管滑套与套管连接作为固井管柱下入井底并完成固井,通过低频电磁波与地面进行无线通信,实现作业指令和监测数据的收发,通过井下液压动力开关装置实现套管滑套的开启或关闭动作,进而实现页岩气储层压裂改造或生产控制。本文在完成新型水平井套管滑套总体方案研究、机械结构设计与仿真、液压系统设计与仿真的基础上,对新型水平井套管滑套冲蚀磨损规律进行了研究。围绕上述研究内容,主要开展了以下工作:(1)开展新型水平井套管滑套总体方案研究。根据井下作业管柱设计原则,完成了新型水平井套管滑套作业管柱结构设计及其入井几何条件分析;基于四川盆地典型页岩气井的工况参数,完成了新型水平井套管滑套的工作参数设计;完成了新型水平井套管滑套总体方案设计,包括井下无线通信系统方案设计、机械结构方案设计和液压系统方案设计;基于总体方案完成了新型水平井套管滑套施工工艺设计。(2)开展新型水平井套管滑套机械结构设计与仿真研究。根据新型水平井套管滑套的工作参数完成了套管滑套壁厚设计,在此基础上完成了通信短节、液压短节、滑套短节机械结构设计,完成密封设计、螺纹设计及其校核计算,最终得到了套管滑套整体结构;运用有限元仿真计算软件ABAQUS验证了极端工况下新型水平井套管滑套的结构可靠性。(3)开展新型水平井套管滑套液压系统设计与仿真研究。根据新型水平井套管滑套的内滑套摩擦阻力完成了液压系统工作压力计算,在此基础上完成了液压系统的硬件设备选型与设计;完成了液压系统主要性能参数计算,验证了硬件设备选型和设计的正确性;运用三维建模软件Solidworks开展了液压系统集成块设计;运用液压仿真计算软件AMESim对液压系统进行建模与仿真,验证了液压系统的可行性。(4)开展新型水平井套管滑套冲蚀磨损规律研究。滑套短节是新型水平井套管滑套受到冲蚀磨损的主要区域,运用CFD仿真计算软件Fluent建立了滑套短节冲蚀磨损仿真计算模型,分析了套管滑套在大排量携砂液压裂工况下的冲蚀磨损情况;研究了不同携砂液排量、出口压力、含砂量、砂粒粒径工况参数下新型水平井套管滑套的最大冲蚀率、最大流体速度、进口压力的变化规律,为套管滑套设计和压裂施工提供参考;完成了滑套短节冲蚀磨损性能评价计算,求得了滑套短节流体孔口的工作寿命。综上所述,本文通过设计、理论计算、仿真分析相结合的方式,设计了一种新型水平井套管滑套,其尺寸参数为90mm/190mm/3251.4mm(内径/外径/长度),耐压140MPa/70MPa(内压/外压),耐温150℃,具备在携砂液排量为8～16m3/min、含砂量为2%～30%的压裂工况下的作业能力,具备开关能力,开启或关闭动作的周期为18.5min。新型水平井套管滑套一次下入即可完成页岩气储层的多级压裂改造作业和后续的生产控制作业,对我国页岩气资源开发具备一定意义和借鉴作用。