用于油气井的配合工具的设计方法与流程

本发明涉及石油天然气开发技术领域，特别是涉及一种用于油气井的配合工具的设计方法。

背景技术：

在石油天然气井中，通常设计有配合工具以实现井下的动作，并由此进行钻井、完井或开采等多种工作。例如，滑套是用于在石油天然气井中控制产层流体的关键工具。根据研究，通过使滑套多级分段，并各段分别独立压裂对于提高石油天然气的采收率是非常有利的。尤其是，在同等地质条件下，滑套的分段级数越多、分段间距越小，则采收率越高。目前，本领域中新提出一种多级分段的滑套的结构。这种滑套包括多段井内套筒，这些井内套筒能彼此独立地分段压裂。为了使井内套筒进行压裂而设置可下入井内并能套设在井内套筒内的匹配机构。该套筒在各个井内套筒的内壁上设置有第一配合部，不同的井内套筒内壁上的第一配合部不同，在匹配机构的外壁上设置有相应的第二配合部，当第一配合部与第二配合部匹配时，即可驱动相应的井内套筒以进行压裂。上述滑套和匹配机构的组合即可形成一种配合工具。

然而，上述第一配合部和第二配合部需要唯一地匹配。考虑到尽可能多地多级分段的好处，使用者希望能在一个井内设计尽可能多的第一配合部。然而，这使得配合工具的设计相当复杂，由此设计的工作量也非常大。

因此，需要一种能够方便地设计用于油气井的配合工具的方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种用于油气井的配合工具的设计方法，通过这种方法能够方便地设计出用于油气井的配合工具。

根据本发明提出了一种用于油气井的配合工具的设计方法，所述配合工具包括：井内套筒，在所述井内套筒的内壁上设置有第一配合部，以及匹配机构，在所述匹配机构的外壁上设置有与所述第一配合部相对应的第二配合部；所述设计方法包括：确定所述井内套筒的有效长度和所述第一配合部的最小长度，通过所述井内套筒的有效长度和所述第一配合部的最小长度来确定所述第一配合部的长度备选值，选择具有相应的长度备选值来作为第一配合部的长度。

通过上述方法能够得到第一配合部的可能的长度备选值，选择适当的长度备选值来当做第一配合部的实际的设计长度能够有利地制造井内套筒。根据所确定的第一配合部的实际的设计长度还能确定出第二配合部的相应尺寸。由此，根据上述设计方法能够方便地得出配合工具的所有可能的设计方案，并由此能根据需要设计出相互不同的多个配合工具。这些配合工具能用于一个油气井内，并在操作时相对于彼此具有唯一性。

在一个实施方案中，在所述井内套筒的内壁上设置有相互间隔开的至少两个第一配合部，所述至少两个第一配合部沿长度方向排列，所述设计方法包括：确定所述井内套筒的有效长度、所述第一配合部的最小长度和相邻的第一配合部之间的最小距离，通过所述井内套筒的有效长度、所述第一配合部的最小长度和相邻的所述第一配合部之间的最小距离来确定所述第一配合部的长度备选值和相邻的所述第一配合部之间的距离备选值，选择适当的距离备选值和长度备选值来确定设计组合，所述设计组合包括各个第一配合部的长度和各个相邻的第一配合部之间的距离。

在一个实施方案中，通过以下公式来确定所述设计组合：

其中，xi为第i个第一配合部的长度，所述长度值选自所述长度备选值，n为第一配合部的数量的最大值，yj为第j个相邻的第一配合部之间的距离，所述距离值选自所述距离备选值，l为所述井内套筒的有效长度。

在一个实施方案中，通过所述井内套筒的有效长度、所述第一配合部的最小长度和相邻的所述第一配合部之间的最小距离来确定在所述井内套筒上设置的第一配合部的数量的最大值，在所述第一配合部的数量的最大值的范围内，选择适当的距离备选值和长度备选值来确定设计组合。

在一个实施方案中，所述第一配合部的数量的能达到的最大值nmax可通过以下公式来确定：

其中，xmin为第一配合部的最小长度，ymin为相邻的第一配合部之间的最小距离，l为所述井内套筒的有效长度，第一配合部的个数n不超过所述第一配合部的数量的能达到的最大值nmax。

在一个实施方案中，所述设计方法还包括：确定所述第一配合部的数量的预期值，在选择适当的距离备选值和长度备选值来确定设计组合之前，将所述第一配合部的数量的预期值与所述第一配合部的数量的最大值进行比较，如果所述第一配合部的数量的最大值大于所述第一配合部的数量的预期值，则仅在所述第一配合部的数量的预期值的范围内选择适当的距离备选值和长度备选值来确定设计组合。

在一个实施方案中，所述第一配合部的长度备选值x可通过以下公式来确定：

其中，xmin为所述第一配合部的最小长度，ymin为相邻的第一配合部之间的最小距离，l·δx为第一配合部的长度变化量，其中δx为第一配合部的长度变化量的最小单位，l为所述井内套筒的有效长度，所述第一配合部的长度能选自所述长度备选值。

在一个实施方案中，相邻的第一配合部之间的距离备选值y可通过以下公式来确定：

其中，xmin为所述第一配合部的最小长度，ymin为相邻的第一配合部之间的最小距离，m·δy为相邻的第一配合部之间的距离变化量，其中δy为相邻的第一配合部之间的距离变化量的最小单位，l为所述井内套筒的有效长度，相邻的第一配合部之间的距离能选自所述距离备选值。

在一个实施方案中，在单个井内依次设置有多个井内套筒，在不同的井内套筒的设计组合中，至少两个相对应的第一配合部的长度不同，或者至少一个相对应的第一配合部的长度和至少一个相邻的第一配合部之间的距离不同。

在一个实施方案中，在单个井内依次设置有多个井内套筒，在相邻的井内套筒的设计组合中，所有的相对应的第一配合部的长度都不同，和/或所有的相邻的第一配合部之间的距离都不同。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过上述方法能够得到第一配合部的可能的长度备选值，选择适当的长度备选值来当做第一配合部的实际的设计长度能够有利地制造井内套筒。根据所确定的第一配合部的实际的设计长度还能确定出第二配合部的相应尺寸。由此，根据上述设计方法能够方便地得出配合工具的所有可能的设计方案，并由此能根据需要设计出相互不同的多个配合工具。这些配合工具能用于一个油气井内，并在操作时相对于彼此具有唯一性。

附图说明

在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的一个实施方案的配合工具中的井内套筒的结构图；

图2显示了根据本发明的另一个实施方案的配合工具的井内套筒的结构图；

图3显示了与图1中的井内套筒相对应的匹配机构的一个实施方案的结构图；

图4显示了与图1中的井内套筒相对应的匹配机构的另一个实施方案的结构图；

图5显示了根据本发明的一个实施方案的用于油气井的配合工具的设计方法的流程图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1至图4示意性地显示了根据本发明的一个实施方案的配合工具。

图1中显示了配合工具所包括的井内套筒10，该井内套筒可随其他工具或管串等一起下入到油气井内。在井内套筒10的内壁上设置有第一配合部。在如图1所示的实施方案中，第一配合部为径向凹陷的槽。在单个井内套筒10上可设置多个第一配合部。原理上，这些第一配合部可以随机地分布在第一配合部上，以使井内套筒10上的第一配合部的设置具有更多的可能性。然而，考虑到生产技术和生产成本，这些第一配合部优选地在井内套筒10的纵向方向上依次排列并彼此间隔开。在图1中显示了在井内套筒10的纵向方向上依次排列的3个第一配合部11a、11b和11c。

应当理解的是，第一配合部可以是沿井内套筒10的周向延伸的环形结构。在此基础上，环形结构的长度可以沿周向方向变化或保持不变。另外，第一配合部可以是独立的多个凸起，它们的位置优选地可以关于井内套筒10的中心轴线旋转对称或轴对称设置(但也可不对称设置)。在此基础上，这些凸起的长度和/或宽度等可以相同也可以不同。然而在下文中，为了便于理解和说明，第一配合部的个数和相关内容均是针对沿纵向方向设置在一列上的第一配合部，例如第一配合部11a、11b和11c而提出或描述的。在周向上设置多个第一配合部的情况下，本文中的结构和方法可以根据需要而进行相应的扩展。

图2显示了根据本发明的另一实施方案的井内套筒20。井内套筒20与井内套筒10的区别仅在于第一配合部的设置。在图2的实施方案中，在井内套筒20的内壁上设置有沿纵向方向排列且相互间隔开的3个第一配合部21a、21b和21c。对比图1和图2可以看出，相对应的第一配合部的长度以及第一配合部之间的距离不同。

图3示意性地显示了根据本发明的一个实施方案的匹配机构30。匹配机构30包括芯轴32和设置在芯轴32外的活动件33。在活动件33的外壁上设置有第二配合件31a、31b和31c，这些第二配合件与图1中的第一配合件11a、11b和11c相对应匹配地设置。例如，在第一配合件11a、11b和11c为径向凹陷的槽的情况下，第二配合部31a、31b和31c为尺寸相对应的径向凸出的齿。由于长度和距离的原因，图3中的第二配合部31a、31b和31c不能配合到图2的第一配合部21a、21b和21c中。由此使得通过图3中带有第二配合部31a、31b和31c的匹配机构30仅能与图1中的带有第一配合部11a、11b和11c的井内套筒10配合，并使得井内套筒10开始工作。应当理解的是，对于单个井内套筒来说，只要有其中一个第一配合部与相应的第二配合部的长度不匹配，或者只要有其中一个第一配合部之间的距离与相应的第二配合部之间的距离不匹配，那么井内套筒就不会开始工作。

如图3所示，在芯轴32和活动件33之间设置有弹簧36。弹簧36处于压缩状态，以推动活动件33远离芯轴32并朝向井内套筒的内壁移动，由此使第一配合件和第二配合件相配合。另外，匹配机构30还包括固定件34，在活动件33的外侧构造有凹槽，该凹槽具有径向向外的底壁35。固定件34的一端固定在芯轴32上，另一端延伸穿过底壁35并构造有沿纵向方向延伸的阻挡端。该阻挡端可与底壁35配合，以对活动件33相对于芯轴32的移动进行限位。

在图4所示的实施方案中，匹配机构30构造有沿纵向方向延伸的弹性卡爪37，在弹性卡爪37上设置有分别与第一配合部11a、11b和11c相对应的第二配合部31a、31b和31c。在将匹配机构30下入井内的过程中，如果第二配合部31a、31b和31c没有遇到相匹配的第一配合部11a、11b和11c，那么弹性卡爪37就会径向向内变形，以确保匹配机构30能顺利下入；当第二配合部31a、31b和31c遇到相匹配的第一配合部11a、11b和11c时，弹性卡爪37径向向外扩张，以确保第一配合部11a、11b和11c与第二配合部31a、31b和31c配合在一起。例如，在第一配合部为槽、第二配合部为凸起的情况下，第二配合部能插入到第一配合部中。

对上述配合工具、尤其是井内套筒的第一配合部进行设计的方法如下。图5显示出了与该方法相对应的流程图。应当理解的是，为了便于设计和计算，保持第一配合部的一部分设计参数或设计因素不变。例如在第一配合部为槽的情况下，这些设计参数或设计因素包括槽的宽度和高度以及槽相对于井内套筒的周向角度等。然而根据需要，也可对这些设计参数或因素进行改变。

在一种情况下，在单个井内套筒上仅设置一个第一配合部。

此时，首先确定该井内套筒的有效长度l和所预期的第一配合部的最小长度xmin。应当理解的是，这里的有效长度l指的是在井内套筒上预定用于设置第一配合部的最大长度，其可以是整个井内套筒的长度，也可以是认为限定的井内套筒中某一部分的长度。

然后，根据所确定的井内套筒的有效长度l和所预期的第一配合部的最小长度xmin来确定所允许的第一配合部的长度范围。所允许的第一配合部的长度范围为[xmin,l]，第一配合部的长度可取其中的任一值，也就是说，第一配合部的长度备选值可以是从xmin到l中的任一值。然而，优选地，限定第一配合部的长度备选值可以是[xmin,l]中的某些值。例如，第一配合部的长度备选值x＝xmin+l·δx，其中l·δx为第一配合部的长度变化量，δx为第一配合部的长度变化量的最小单位。δx可由使用者根据具体需要而确定，l优选为整数，最小为零。

从第一配合部的长度备选值中可选择适当的第一配合部的长度来制造井内套筒。

例如，在l＝100mm，xmin＝10mm，δx＝20mm的情况下，长度备选值x包括10mm、30mm、50mm、70mm和90mm。

在另一种情况下，在单个井内套筒上设置多个第一配合部。

此时，首先确定该井内套筒的有效长度l、所预期的第一配合部的最小长度xmin、所预期的相邻的第一配合部之间的最小距离ymin、第一配合部的长度变化量的最小单位δx和相邻的第一配合部之间的距离变化量的最小单位δy。

然后可根据井内套筒的有效长度l、第一配合部的最小长度xmin和相邻的第一配合部之间的最小距离ymin来确定第一配合部的长度备选值x和相邻的第一配合部之间的距离备选值y。应当理解的是，多个第一配合部中的各个第一配合部的最小长度xmin和长度变化量的最小单位δx可以不同，相邻的第一配合部之间的距离的最小值ymin和最小变化单位δy也可彼此不同。

然而在这里，为了便于设计、计算和制造，限定各个第一配合部的最小长度xmin和最小变化单位δx彼此相同，各个第一配合部之间的距离的最小值ymin和最小变化单位δy也彼此相同。在这种情况下，可分别通过以下公式来确定第一配合部的长度备选值x和相邻的第一配合部之间的距离备选值y：

其中，xmin为所述第一配合部的最小长度，ymin为相邻的第一配合部之间的最小距离，l·δx为第一配合部的长度变化量，其中δx为第一配合部的长度变化量的最小单位，l为所述井内套筒的有效长度；

其中，xmin为所述第一配合部的最小长度，ymin为相邻的第一配合部之间的最小距离，m·δy为相邻的第一配合部之间的距离变化量，其中δy为相邻的第一配合部之间的距离变化量的最小单位，l为所述井内套筒的有效长度。l和m优选为整数，最小为零。

应当理解的是，确定长度备选值x和距离备选值y即是对l和m的可取值进行确定。

由此，通过选择适当的长度备选值x和距离备选值y来确定设计组合，以制造井内套筒。

优选地，设计组合可通过以下公式而得到：

其中，xi为第i个第一配合部的长度值，该长度值选自长度备选值x，n为第一配合部的个数，yj为第j个相邻的第一配合部之间的距离值，该距离值选自距离备选值y，l为所述井内套筒的有效长度。

通过上述公式选择出xi和yj的适当组合，即为设计组合。换句话说，所有的设计组合中的每一个均是由满足上述公式的所有的第一配合部的长度和所有的第一配合部之间的距离所组成的。

以图1中的带有三个第一配合部11a、11b和11c的井内套筒10为例进行计算。定义第一配合部11a的长度为x1，第一配合部11b的长度为x2，第一配合部11c的长度为x3。还定义第一配合部11a与11b之间的距离为y1，第一配合部11b与11c之间的距离为y2。由此，为了确定设计组合，需满足x1+x2+x3+y1+y2≤l。而满足该公式的x1、x2、x3、y1和y2一起组成了一个设计组合。

在一个实施方案中，可通过以下公式确定第一配合部的数量所能达到的最大值nmax：

其中，xmin为第一配合部的最小长度，ymin为相邻的第一配合部之间的最小距离，l为所述井内套筒的有效长度。由此，在确定设计组合时，可在第一配合部的个数n不超过最大值nmax的情况下进行计算，即个数n的取值范围为[0,nmax]。

在另一个实施方案中，第一配合部的个数n可以是人为确定的第一配合部的数量的预期值n0，n0的具体值可以根据需要而在一定范围内选择。

优选地，为了减少计算量并由此使设计过程更加方便快速，还可在确定了第一配合部的最小长度xmin、相邻的第一配合部之间的最小距离ymin之后并在确定设计组合之前，确定第一配合部的数量所能达到的最大值nmax。更优选地，在确定长度备选值x和距离备选值y之前确定最大值nmax。例如，可通过上文中的公式来确定最大值nmax。如果该最大值nmax大于或等于预期值n0，则继续进行后续的计算。然而，如果该最大值nmax小于预期值n0，则不再继续进行计算，即计算长度备选值x和距离备选值y，以及确定适当的设计组合。在使用者重新确定新的最小长度xmin、最小距离ymin和/或井内套筒的有效长度l后，再重新判断nmax与n0之间的关系。

在确定了设计组合之后，可将确定的设计组合和/或设计组合的数量输出(列举出)。通过第一配合部的设计组合能够相应地确定第二配合部的设计组合。

下面将通过几个实施例来进一步说明上述方法所带来的好处。

实施例1

确定井内套筒的有效长度l＝100mm，第一配合部的最小长度xmin＝10mm，第一配合部之间的最小距离ymin＝10mm，第一配合部的个数n＝2。在只改变两个参数(例如，改变两个第一配合部的长度或改变一个第一配合部的长度和一个第一配合部之间的距离)的情况下，可得到以下结果。

实施例2

确定井内套筒的有效长度l＝100mm，第一配合部的最小长度xmin＝10mm，第一配合部之间的最小距离ymin＝10mm，第一配合部的个数n＝3。在只改变三个参数(例如，改变三个第一配合部的长度、改变两个第一配合部的长度并改变一个第一配合部之间的距离或改变一个第一配合部的长度并改变两个第一配合部之间的距离)的情况下，可得到以下结果。

实施例3

确定井内套筒的有效长度l＝100mm，第一配合部的最小长度xmin＝10mm，第一配合部之间的最小距离ymin＝10mm，第一配合部的个数n＝4。在只改变四个参数(例如，改变四个第一配合部的长度、改变单个第一配合部的长度并改变一个第一配合部之间的距离、改变两个第一配合部的长度并改变两个第一配合部之间的距离或改变一个第一配合部的长度并改变三个第一配合部之间的距离)的情况下，可得到以下结果。

在上述三个实施例1-3中，通过本发明的方法计算出了适当的设计组合的个数。也就是说，在单个油气井内，最多可以设置与适当的设计组合的个数相等的个数的井内套筒，并且这些井内套筒上的第一配合部的设置彼此不同。由此，能够实现在单个油气井内尽可能多地分级设置井内套筒。各个井内套筒可通过唯一匹配的匹配工具来激活并进行工作。在井内套筒为用于压裂的套筒的情况下，上述情况是尤其有利的。

在一个优选的实施方案中，为了进一步提高各个井内套筒上的第一配合部之间的差别，使不同的井内套筒上的至少两个相对应的第一配合部的长度不同，或至少一个相对应的第一配合部的长度和至少一个相邻的第一配合部之间的距离不同。以图1和图2所显示的实施方案为例。如果将井内套筒10和20设置到同一油气井内，则至少希望第一配合部11a和21a的长度不同，同时第一配合部11b和21b的长度不同；或者至少希望第一配合部11a和21a的长度以及第一配合部11a与11b之间的距离和第一配合部21a与21b之间的距离不同。

在另一个优选的实施方案中，在单个油气井内依次设置多个井内套筒的情况下，相邻的井内套筒的至少两个第一配合部的长度不同，或者至少一个相对应的第一配合部的长度和至少一个相邻的第一配合部之间的距离不同。优选地，所有的相对应的第一配合部之间的长度都彼此不同，或者所有的相对应的第一配合部之间的距离都彼此不同。以图1和图2所示的实施方案为例，则希望第一配合部11a与21a的长度不同，第一配合部11b与21b的长度不同，第一配合部11c与21c的长度不同，且第一配合部11a与11b之间的距离和第一配合部21a与21b之间的距离不同，第一配合部11b与11c之间的距离和第一配合部21b与21c之间的距离不同。

基于上述方法能够方便而有效地设计出适用于油气井的配合工具。当将这些配合工具用于压裂作业时(例如，配合工具中的井内套筒为压裂滑套的一部分，例如内套筒)，所设计出的配合工具有利于实现尽可能多地多级分段，尤其是在理论上，这种多级分段可以是无限多的。由此，非常有利于提高石油天然气的采收率。

虽然已经参考优选实施方案对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施方案中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施方案，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。