一种泵送式笼形球座开启等通径滑套的设计方法与流程

本发明属于油田生产井完井压裂装置，具体涉及一种泵送式笼形球座开启等通径滑套的设计方法。

背景技术：

1、为了提高固井滑套分压作业的效率，降低作业成本。作业人员希望不借助诸如连续油管车等地面配套设备，仅仅通过在井口投入相应工具就能完成滑套打开的操作。目前，此类相关技术有以下几类：(1)有限级投球式固井滑套分压：该技术可以通过从井口逐级投一定级差的压裂球依次打开井下滑套的方式进行压裂；(2)无限级投球固井滑套分压：该技术的滑套内部有计数装置，可以允许通过设定数量且尺寸相同的压裂球，实现了投球无限级压裂的功能；(3)投镖式无限级固井滑套分压：该技术可以通过从井口投相同尺寸飞镖的方式逐级打开井下滑套进行压裂。以上常用工艺中所投压裂球、飞镖等工具或者是从小至大有级差的，或者球座是预置于滑套内部的。

2、中国专利cn108798597a公开了一种无限级全通径滑套，在使用时，将可溶压裂球和投球滑套投入管柱，在压力作用下，投球滑套的第一弹性卡爪收缩，进入开关套内侧，当第一弹性卡爪遇到与之相适配的第一卡槽时，投球滑套的第一弹性卡爪释放，卡在相应开关套的第一卡槽内，然后继续加压，剪断开关套与外筒之间的剪切销钉，然后投球滑套会带动开关套继续向下移动，使得外筒侧壁的泄流孔打开，泄流孔打开后，可进行压裂工作；其中，多个外筒连接时，设置在投球滑套上的弹性卡爪的尺寸(沿投球滑套轴线方向的长度)不同，且从上到下弹性卡爪的尺寸逐渐增大，对油层进行多级改造时，只需延长弹性卡爪的尺寸和与之相配合的第一卡槽尺寸即可。

3、中国专利cn105089601a 公开了一种无限极滑套，包括位移滑套和密封位移装置，所述位移滑套安装在所述本体内，且所述位移滑套的内壁上设置有环形槽；所述密封位移装置投入所述位移滑套内，且所述密封位移装置的外侧设置有凸台；其中，所述密封位移装置从所述位移滑套内下行，且当所述密封位移装置运动到其所述凸台与所述环形槽相对的位置时，若所述凸台的高度大于所述位移滑套上的所述环形槽的高度，所述密封位移装置在所述位移滑套内继续下行；若所述密封位移装置的所述凸台的高度小于所述位移滑套的所述环形槽的高度，所述凸台嵌入所述环形槽内以使所述密封位移装置挂在所述位移滑套上，压裂酸化处理时，低排量泵送，当密封位移装置的凸台到达对应级别的位移滑套的环形槽时，由于凸台的高度小于环形槽的高度，在分瓣爪弹力作用下凸台嵌入到环形槽中，实现密封位移机构锁定在位移滑套上，v形密封圈将位移滑套内孔密封，继续泵送液压在此转变为向下的轴向载荷作用在滑套剪钉上，当液压所产生的轴向载荷达到滑套剪钉的剪切值剪钉被剪断，密封位移机构带动位移滑套同时下行，打开酸化压力通道，当被束缚的锁环凸台到达本体内的凹槽时在弹力作用下沿径向展开嵌入凹槽，将除密封球外的密封位移机构锁定在当前位置。

4、上述两个专利均公开了弹性的、在外力作用下外径可收缩的泵送式笼形球座(即上述专利中的投球滑套或密封位移装置)，并描述了其结构特征和实现原理；但是，本发明的发明人在实施本发明实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术方案至少存在如下技术问题：

5、(1)泵送式笼形球座(即投球滑套或密封位移装置)与固井滑套内滑套(即开关套或位移滑套)的正确识别匹配问题：当泵送式笼形球座的台阶长度大于固井滑套的滑套沟槽长度、二者不进行开关匹配时，若台阶两侧的径向变形量不一致、凸台末端的径向变形量大于凸台前端的径向变形量时，有可能导致凸台末端卡入滑套沟槽，使得泵送式笼形球座与固井滑套内滑套错误匹配造成误开固井滑套内滑套的现象；

6、(2)泵送式笼形球座结构失稳问题：该类型的泵送式笼形球座的外壁为弹性结构，在外力作用下外径可收缩，为实现这一目的，如专利cn108798597a在投球滑套上开设有多个滑套沟槽；当泵送式笼形球座的凸台卡入固井滑套内滑套的滑套沟槽后，继续提高泵压，先剪断剪钉，再继续提高泵压直至最高压裂泵压，该过程中，若泵送式笼形球座的结构长度设计不合理导致承受的最大轴向载荷超过所能承载的临界值时，有可能会发生结构失稳；

7、(3)最大可分压级数问题：在确保结构不失稳的情况下，该类型的泵送式笼形球座通过凸台的不同长度进行分级，对于最小级差和最大可分压级数如何确定，也是需要考虑的一个问题。

8、因此，上述技术方案均未公开该类型泵送式笼形球座的具体设计方法，包括泵送式笼形球座与滑套的匹配性、结构稳定性和最大可分压级数问题的具体设计方法。

技术实现思路

1、本发明旨在针对背景技术中存在的至少一种技术问题，提供一种泵送式笼形球座开启等通径滑套的设计方法，用以指导泵送式笼形球座的结构设计，确定其结构参数，实现将泵送式笼形球座通过地面泵送的方法送入井下预定滑套，并能够逐级识别、打开井下滑套、顺利完成压裂作业的目的。

2、为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种泵送式笼形球座开启等通径滑套的设计方法，所述泵送式笼形球座用于匹配卡接对应级别的固井滑套内滑套；所述泵送式笼形球座的外壁上沿轴向设置有至少一个台阶和n个轴向开槽，所述固井滑套内滑套的内壁轴向开有滑套沟槽；所述泵送式笼形球座通过台阶与对应级别的固井滑套内滑套内壁上的的滑套沟槽匹配卡接；

4、所述设计方法包括匹配性设计，具体为：

5、所述泵送式笼形球座的台阶与所述固井滑套内滑套的滑套沟槽正确识别匹配设计，即当泵送式笼形球座的台阶长度h大于固井滑套内滑套的滑套沟槽长度l时，则台阶不会卡入滑套沟槽、打不开当前级固井滑套内滑套需满足如下公式：

6、wx>wa

7、上式中：wa为台阶最顶端a点的径向变形量；wx为台阶最末端x处的径向变形量。

8、进一步地，所述设计方法还包括结构稳定性设计，具体为：

9、将所述泵送式笼形球座等效为压杆；所述泵送式笼形球座满足轴向承载时不发生结构失稳，则泵送式笼形球座的台阶长度h需满足如下公式：

10、

11、上式中：

12、p为轴向临界载荷，即压裂工况下在泵送式笼形球座上产生的最大轴向载荷；

13、μ为长度因数，由结构两端约束形式确定；

14、h为等效压杆长度，即泵送式笼形球座承受轴向载荷的有效长度，也即从台阶最末端到轴向开槽最顶端的长度，h值越大，则泵送式笼形球座承受轴向载荷的有效长度越长、稳定性越差、临界轴向载荷越小，反之稳定性越好、临界轴向载荷越大；

15、eia是台阶上侧a-a截面处的弯曲刚度。

16、更进一步地，所述泵送式笼形球座台阶上侧的a-a截面为一个具有n个轴向开槽的圆环，所述a-a截面被n个轴向开槽分割成n个扇形圆环；所述台阶上侧a-a截面处的弯曲刚度eia和轴向临界载荷p的计算公式为：

17、

18、

19、上式中：

20、r为台阶上侧a-a截面的扇形圆环的内壁半径；

21、r为台阶上侧a-a截面的扇形圆环的外壁半径为；

22、α为台阶上侧a-a截面的扇形圆环的圆心角的一半；

23、n为轴向开槽的数量；

24、δp为压裂时的轴向压差。

25、进一步地，所述设计方法还包括最大可分压级数设计，具体为：

26、为使台阶能顺利卡入滑套沟槽内，需满足滑套沟槽长度l大于台阶长度h，将滑套沟槽长度l与台阶长度h之差记为z1；将相邻级压的台阶之间等差设置，级差记为z2；所述泵送式笼形球座的最大可分压级数zmax为：

27、zmax＝h/(z1+z2)。

28、进一步地，所述匹配性设计过程中，将泵送式笼形球座等效为简支梁处理。

29、更进一步地，当泵送式笼形球座的台阶长度h大于固井滑套内滑套的滑套沟槽长度l时，则台阶不会卡入滑套沟槽、打不开当前级固井滑套内滑套需满足如下公式：

30、

31、上式中：

32、h为台阶长度，mm；

33、a为台阶最顶端至轴向开槽最顶端的距离，mm；

34、b为台阶最顶端至轴向开槽最末端的距离，mm；

35、ia为台阶上侧的a-a截面处的截面惯性矩，mm4；

36、ib为台阶下侧的b-b截面处的截面惯性矩，mm4。

37、进一步地，所述设计方法包括如下设计流程：

38、步骤s1：根据压裂工况设计要求，确定泵送式笼形球座台阶两侧的内壁半径r、外壁半r、壁厚t、以及压裂载荷p，利用结构稳定性设计要求满足的计算公式匹配出等效压杆长度h；

39、步骤s2：根据等效压杆长度h，利用匹配性设计要求满足的计算公式，确定合理的泵送式笼形球座的台阶长度h、以及台阶两侧截面的结构参数，使得所述泵送式笼形球座满足结构稳定性和匹配性设计要求；

40、步骤s3：根据步骤s2中确定的台阶长度h，利用最大可分压级数设计公式计算得到最大可分压级数zmax；

41、若最大可分压级数zmax小于设计需求数值，则调整泵送式笼形球座的台阶长度h以及台阶两侧截面的结构参数，转入步骤s1对调整后的新的结构重新进行稳定性和匹配性计算；

42、若最大可分压级数zmax大于或等于设计需求数值，则转入步骤s4；

43、步骤s4：根据步骤s3中调整后的台阶长度h和台阶两侧截面的结构参数，借助有限元工具对泵送式笼形球座进行强度校核；

44、如果强度校核不满足设计要求，则需要调整台阶长度h和台阶两侧截面的结构参数，并转入步骤s1对调整后的新的结构重新进行稳定性和匹配性计算；

45、如果强度校核满足设计要求，则输出设计结果参数，完成设计过程。

46、更进一步地，所述台阶两侧截面的结构参数包括笼形球座台阶两侧的内壁半径r、外壁半r、壁厚t、台阶最顶端至轴向开槽最顶端的距离a、以及台阶最顶端至轴向开槽最末端的距离b。

47、进一步地，所述步骤s4中，强度校核包括笼形球座接触面的抗挤强度校核和外壁的弯曲应力校核。

48、更进一步地，所述步骤s4中的强度校核借助有限元工具进行。

49、与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：

50、(1)本发明提供的设计方法，提出了解决泵送式笼形球座与固井滑套内滑套的匹配性问题；在处理球座匹配性问题时，将球座当成一种简支梁处理，从而确定球座截面结构参数，实现球座与固井滑套内滑套的正确匹配识别，避免球座误打开固井滑套内滑套、造成施工故障、影响施工进度；

51、(2)本发明提供的设计方法，提出了解决泵送式笼形球座结构稳定性问题；在处理球座结构稳定性问题时，将球座当成压杆稳定性问题处理，可以确定球座长度结构参数，避免泵送式笼形球座在轴向承载时发生失稳问题、造成施工故障、影响施工进度；

52、(3)本发明提供的设计方法，提出了解决泵送式笼形球座的最大可分压级数问题，并用最大可分压级数问题检验了上述匹配性设计和结构稳定性设计要求是否合理；

53、(4)本发明通过上述设计方法，可以有效解决泵送式笼形球座与滑套的匹配性、结构稳定性和最大可分压级数问题，科学指导泵送式笼形球座的结构设计，得到满足施工要求的合理的结构参数，实现将泵送式笼形球座通过地面泵送的方法送入井下预定滑套，并能够逐级识别、打开井下滑套、顺利完成压裂作业的目的。

技术特征：

1.一种泵送式笼形球座开启等通径滑套的设计方法，所述泵送式笼形球座用于匹配卡接对应级别的固井滑套内滑套；所述泵送式笼形球座的外壁上沿轴向设置有至少一个台阶和n个轴向开槽，所述固井滑套内滑套的内壁轴向开有滑套沟槽；所述泵送式笼形球座通过台阶与对应级别的固井滑套内滑套内壁上的的滑套沟槽匹配卡接；

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括结构稳定性设计，具体为：

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述泵送式笼形球座台阶上侧的a-a截面为一个具有n个轴向开槽的圆环，所述a-a截面被n个轴向开槽分割成n个扇形圆环；所述台阶上侧a-a截面处的弯曲刚度eia和轴向临界载荷p的计算公式为：

4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括最大可分压级数设计，具体为：

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述匹配性设计过程中，将泵送式笼形球座等效为简支梁处理。

6.根据权利要求5所述设计方法，其特征在于，当泵送式笼形球座的台阶长度h大于固井滑套内滑套的滑套沟槽长度l时，则台阶不会卡入滑套沟槽、打不开当前级固井滑套内滑套需满足如下公式：

7.根据权利要求4-6任一项所述的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下设计流程：

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述台阶两侧截面的结构参数包括笼形球座台阶两侧的内壁半径r、外壁半r、壁厚t、台阶最顶端至轴向开槽最顶端的距离a、以及台阶最顶端至轴向开槽最末端的距离b。

9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述步骤s4中，强度校核包括笼形球座接触面的抗挤强度校核和外壁的弯曲应力校核。

10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述步骤s4中的强度校核借助有限元工具进行。

技术总结
本发明属于油田生产井完井压裂装置技术领域，公开了一种泵送式笼形球座开启等通径滑套的设计方法。所述设计方法包括匹配性设计，具体为：泵送式笼形球座的台阶与固井滑套内滑套的滑套沟槽正确识别匹配设计，即当泵送式笼形球座的台阶长度h大于固井滑套内滑套的滑套沟槽长度L时，则不会卡入滑套沟槽、打不开该级滑套，此时，需满足台阶最末端的挠度大于台阶最顶端的挠度，实现球座与固井滑套内滑套的正确匹配识别，避免球座误打开固井滑套内滑套、造成施工故障、影响施工进度。本发明的设计方法能指导、确定泵送式笼形球座的结构参数，实现将泵送式笼形球座通过地面泵送的方法送入井下预定滑套、逐级识别、打开井下滑套、顺利完成压裂作业。

技术研发人员：韩光耀,田志华,李杰,李一强,赵云峰,程豪,汪志,舒明媚,马都都,王飞文,张丽萍
受保护的技术使用者：中国石油天然气股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5