技术摘要：
一种滑阀，具有阀体、接纳在阀体的纵向孔中的滑套、以及接纳在滑套的纵向孔中的夹头。该阀体在其侧壁的井口部分上具有一个或多个流体端口。该滑套可在关闭一个或多个流体端口的井口关闭位置与打开一个或多个流体端口的井下打开位置之间移动。该滑套具有至少由纵向分布  全部
背景技术：
井下工具已在石油和天然气行业中广泛使用。许多井下工具包括压力致动阀门。 例如，现有技术的球致动滑阀包括管状阀壳，该管状阀壳具有孔，并在该孔中接纳滑套。该 滑套包括位于其井口端的球座，并且最初配置为处于阻塞阀壳的侧壁上的一个或多个流体 端口的井口关闭位置。为了使滑阀致动，需要使球落下并坐在滑套的球座上。然后向球施加 流体压力，使井下的滑套致动到打开位置，以打开阀壳上的流体端口。 在压裂过程中可使用一个或多个球致动滑阀来压裂地下地层。但是，级联多个球 致动滑阀以进行压裂的一个问题是，井下滑阀的孔必须小于井口滑阀的孔，以允许较小尺 寸的球通过这些井口滑阀到达目标井下滑阀。换句话说，级联滑阀的孔必须按从井口到井 下的次序减小，以确保成功作业，而这会导致井下端处的流量减小。 授予盖兹达(Gazda)的美国专利4,043,392教导了一种用于沿着井筒中的流动导 管有选择性地锁定井下工具的油井系统、以及一种在该流动导管中使用的工具管柱，该工 具管柱包括锁定心轴、套管移位装置、以及油井安全阀。所述选择性锁定系统具有包括朝上 和朝下的止动肩的坐放和锁定凹部轮廓。一种形式的锁定系统布置在滑套阀中，该滑套阀 包括凸轮释放肩，以在滑套阀在隔开的纵向位置之间移动时释放选择器和锁定键。另一种 形式的锁定系统可沿着坐放短节布置，并要求禁用锁定在其中的钻井工具以释放选择器和 锁定工具。所述套管移位装置具有用于打开和关闭滑套阀的装置，该滑套阀包括具有朝上 和朝下的止动肩和凹部轮廓的键，该凹部轮廓与套管阀或坐放短节的坐放和锁定凹部轮廓 相容。所述套管移位装置也可用作锁定芯轴。选择性是通过坐放和锁定轮廓以及键的轮廓 的变化提供的。 在US  4,043,392中，由弹簧偏压的键的轮廓是互斥的。键的轮廓仅会与具有匹配 的内部轮廓的滑套接合。 授予费希尔(Fisher)等人的美国专利4,436,152教示了一种改良的移位工具，该 移位工具可连接在油井工具管柱中，并且可用于在油井流动导管中使滑套接合并定位在滑 套装置中。有选择性地成形的移位工具键在该键与滑套之间提供更好的配合和更大的接触 面积。当接合的滑套不能向上移动并且移位工具不能自动脱开时，可利用紧急脱开手段，通 过向移位工具施加足以剪断所述键并使所有键的两端向内做凸轮运动来实现完全脱开，以 从滑套装置移除移位工具。 授予柯林斯(Collins)的美国专利5,305,833教示了一种在石油和天然气井中使 用的滑套阀的移位工具，该工具具有用于在阀门内有选择性地定位和接合肩部的定位爪。 主键接合并有选择性地将滑套移位到平衡位置，并防止过早移位到全开位置。该移位工具 还包括用于在平衡后有选择性地对防移位功能进行超控的装置。辅助键沿移位方向导引主 4 CN 111615581 A 说　明　书 2/26 页 键，并且与套管接合并将套管移至全开的卡住位置。移位工具还可有选择性地从套管阀脱 开，以便从井中抽出移位工具。此外，还公开了一种用于将滑套阀的滑套有选择性并按顺序 地从关闭位置移至平衡位置然后从平衡位置移至全开位置的方法。 尤其是，US  5,305,833教导了两个独立的弹簧偏置键，其中两个键之中的第一个 可配装在第二个键的轮廓中。但是第二个键不能配装在第一个键的轮廓中。 授予夏伊(Shy)等人的美国专利5,309,988教示了一种地下井流控制系统，该系统 包括在多个包含流体的裂缝区域处安装在井流导管中的一系列可移动套管型流量控制装 置、以及移位工具，该移位工具可在导管中移动并可操作以有选择性地使任何选定数量的 流量控制装置的套管部分在它们的打开位置与关闭位置之间沿任何一个方向移动，而无需 从导管上移除工具。在工具主体的侧壁开口中带有多组可沿径向伸缩的锚固键和移位键， 并且这些键分别配置为与流量控制装置之中的任何一个的主体和可移动套管部分上的多 组内侧表面凹槽锁定地接合。这些键组被弹簧朝着伸出位置径向向外偏压，并且布置在工 具主体内的机电驱动系统可操作以使这些键组径向缩回，并且朝着锚固键组或向远离锚固 键组的方向轴向驱动移位键组。这允许工具沿着任何一个轴向方向移入或通过流量控制装 置之中的任何一个，锁定在该装置上，进行操作以沿任何一个方向完全或部分地移动其套 管部分，然后从流量控制装置脱开，并移动至流量控制装置中的任何一个其他流量控制装 置，以使其套管部分移位。每个流量控制装置的主体和套管部分上的相互啮合的V形螺纹有 助于将套管部分可释放地保持在部分地移位的位置。 US  5,309,988还教示了两种互斥的键轮廓。 授予威廉姆森(Williamson)等人的美国专利5,730,224教示了一种用于控制工具 进出从井筒延伸的水平井筒的地下结构。该地下结构包括衬套，该衬套位于井筒中并邻近 水平井筒的开口，并且具有穿过其中的进出窗口，以允许工具通过该开口进出水平井。该衬 套还具有与之同轴联接的滑动进出控制装置。所述地下结构还包括移位装置，该移位装置 可与滑动进出控制装置接合，以使滑动进出控制装置在打开位置与关闭位置之间滑动，在 打开位置时允许工具穿过窗口和开口并进入水平井筒，在关闭位置时阻止工具穿过窗口和 开口进入水平井筒。该专利还教示了一种控制工具进出从井筒延伸的水平井筒的方法。所 述优选方法包括以下步骤：1)将衬套在井筒中置于靠近横向井筒的开口的位置，该套管具 有穿过其中的进出窗口，以允许工具通过该开口进出横向井筒，该衬套还具有与之同轴联 接的滑动进出控制装置；2)使滑动进出控制装置与移位装置接合，以使滑动进出控制装置 相对于衬套滑动；以及3)使滑动进出控制装置在打开位置与关闭位置之间滑动，在打开位 置时允许工具穿过窗口和开口并进入水平井筒，在关闭位置时阻止工具穿过窗口和开口并 进入水平井筒。 US  5,730,224教示了两种键轮廓，其中一种轮廓与另一种轮廓相反。 授予默里(Murray)的美国专利7,325,617和7,552,779教示了一种允许对区域的 各段进行顺序处理的系统。可利用具有特定内部轮廓的滑套进入每个部分。可使用具有能 使其闩锁到特定套管上的特定轮廓的泵送塞。在处于闩锁状态时，塞上的压力允许顺序地 打开套管，同时隔离下面的已受影响的区域。泵送塞具有一个通道，该通道最初时被材料阻 塞，该材料最终会在预期的井况下消失。因此，在区域的所有部分都已处理完成时，会通过 各个闩锁塞重新建立流动路径。也可在操作所述塞后将其从滑套上吹下来，并且所述塞可 5 CN 111615581 A 说　明　书 3/26 页 具有一个键，该键可在以后需要对所述塞进行铣削时防止塞沿其轴线旋转。 授予坎贝尔(Campbell)等人的美国专利9,611,727教示了一种用于压裂含烃地层 中的井的设备和方法。该设备包括阀门子组件，该阀门子组件与套管段组装在一起以形成 用于所述井的井套管。该阀门子组件包括滑动活塞，该滑动活塞被固定在适当位置，以密封 提供井筒内部与地层的采油区域之间的连通的端口。可将具有杯状密封件的镖插入到井筒 中，并通过加压压裂液推动，直到镖到达阀门子组件，以堵塞阀门子组件下方的井筒。压裂 液作用在所述镖及其杯状密封件上的力迫使活塞向下移动，以剪断销并打开端口。然后，压 裂液可从端口流出，从而使地层的采油区域破裂。 授予坎贝尔(Campbell)等人的美国专利9,739,117教示了一种用于有选择性地使 管状导管中的井下工具致动的方法和设备。致动器工具具有致动器心轴，该致动器心轴具 有致动器孔、旁路、以及用于有选择性地接合井下工具的轮廓键。该井下工具具有一个或多 个适于使井下工具致动的轮廓接纳器。若轮廓键与轮廓接纳器匹配，则致动器工具被输送 到管状导管中，并且致动器工具与井下工具接合；若轮廓键与轮廓接纳器不匹配，则致动器 工具和井下工具不能接合。流体可通过致动器孔循环，以在致动器工具之前进行冲洗或清 洗。 韦斯特加德(Westgard)的美国专利公告2003/0173089教示了一种全孔选择性定 位和定向系统，该系统包括可安装在管柱中并具有已知结构的内部位置和定向构造的短 节、以及可在管柱内运行并具有可与所述短节的所述内部构造接合的定位和定向构造的定 位装置。一种对井下工具进行定位和定向的方法，包括在管柱中安装具有特定内部尺寸结 构的管状短节，该管柱运行具有互补的外部尺寸结构的定位装置，以与所述内部尺寸结构 接合并将所述定位装置旋转至一个位置，在该位置一个偏压构件从所述定位装置延伸到所 述管状构件的凹部中。 贾尼(Jani)的美国专利公告2015/0226034教示了一种设备和相关方法，该设备和 相关方法用于有选择性地使井筒中置于井下的子构件中的滑套致动，以打开这种子构件中 的端口，从而允许对井筒进行压裂或引爆其上的炸药，或者同时进行这两种操作。使用简化 的镖和套管，这减少了对每个部件的加工作业。所述镖优选设有联接装置，以便回收工具与 之联接，在回收工具如此联接时，允许旁通阀操作以辅助从阀门接头内撤回所述镖。回收工 具的向上运动允许一个楔形构件使镖构件从相应的套管脱开，以便撤回镖。 休斯(Hughes)等人的美国专利公告2014/0209306教示了一种用于抵靠约束壁的 井筒处理工具，该井筒处理工具可置于所述约束壁中。所述井筒处理工具包括工具主体，该 工具主体包括形成为连接至管柱的第一端以及相对端；包括管状壳体和止动键的止动键组 件，该管状壳体限定沿着管状壳体的长度延伸的内孔和带有止动键的朝外表面，该止动键 配置为相对于约束壁将止动键和管状壳体锁定在固定位置，该管状壳体套在工具主体上， 该工具主体安装在管状壳体的内孔中；以及围绕工具主体并位于工具主体上的第一压缩环 与管状壳体上的第二压缩环之间的密封元件，该密封元件可膨胀，以通过第一压缩环与第 二压缩环之间的压缩在工具主体周围形成环状密封。 理查兹(Richards)等人的美国专利公告2015/0218916教示了一种可打开和关闭 以及永久关闭的循环套管。一种完井系统包括完井管柱，该完井管柱具有可移动地布置在 其中的循环套管，该循环套管具有限定在其外径向表面上的锁定轮廓和限定在其内径向表 6 CN 111615581 A 说　明　书 4/26 页 面上的移位轮廓，该完井系统还包括维修工具，该维修工具至少部分地布置在完井管柱内， 并包括移位工具，该移位工具具有构造为与移位轮廓配合的一个或多个移位键。当移位键 定位移位轮廓并与之配合时，施加在维修工具上的轴向载荷使循环套管沿轴向移动，在完 井管柱内布置有释放肩组件，并且该释放肩组件包括释放肩，该释放肩限定一个通道，该通 道配置为接纳阻塞在其中的锁定机构，直到释放肩沿轴向移动。 费尔(Fehr)等人的加拿大专利2,412,072教示了一种用于井筒的流体处理的管柱 组件。该管柱可用于分段的井筒流体处理，在此过程中对井筒的选定部分进行处理，而其他 部分则保持密封状态。所述管柱还可用于需要使带端口的管柱在压力密封状态下送入然后 需要在端口打开的状态下使用的情况。 压裂行业始终对能使地下阀门一致且可靠地接合并致动并且能改善密封性的替 代和/或改进设计非常感兴趣。
技术实现要素：
根据本公开的一个方面，提供了多个滑阀。每个滑阀包括： -具有贯穿其中的纵向孔的阀体以及位于阀体的侧壁的井口部分上的一个或多个 流体端口；和 -滑套，该滑套接纳在阀体的纵向孔中，并且可在关闭所述一个或多个流体端口的 井口关闭位置与打开所述一个或多个流体端口的井下打开位置之间移动，所述滑套包括纵 向孔； 其中所述滑套包括至少由第一和第二套管槽以及它们之间的套管脊形成的套管 轮廓，所述第一和第二套管槽以及套管脊纵向分布在滑套的内表面上；并且 其中第一和第二套管槽和套管脊的纵向长度Sg1、Sg2和Sr分别由下式确定： Sr＝δLa nLb, Sg1＝m1Lb (1-δ)La, Sg2＝m2Lb, m1 m2＝K, 其中，La、Lb和δ是预定参数，La>0，Lb>0且1≥δ≥0，n是整数且n≥0，K是正整数且K> 2，m1和m2是整数且m1≥1并且m2>1；并且 其中套管轮廓的纵向长度Ls至少为： Ls＝La (n K)Lb. 在一些实施例中，所述滑阀还包括止动肩。 在一些实施例中，所述止动肩位于套管轮廓的井下侧。 在一些实施例中，所述止动肩位于套管轮廓中。 在一些实施例中，所述止动肩位于套管轮廓的井口侧。 在一些实施例中，La＝Lb。 在一些实施例中，t1＝t2＝t。 在一些实施例中，1>t>0。 在一些实施例中，t大约为0.5。 在一些实施例中，0.9>t≥0.1。 7 CN 111615581 A 说　明　书 5/26 页 在一些实施例中，0.8>t≥0.2。 在一些实施例中，0.7>t≥0.3。 在一些实施例中，0.6>t≥0.4。 在一些实施例中，t＝0。 在一些实施例中，t＝1。 根据本公开的一个方面，提供了多个夹头，每个夹头可移动穿过一个或多个第一 滑套的孔，并且可接纳在第二滑套中。每个夹头包括： 由至少第一和第二夹头脊以及其间的夹头槽形成的柔弹性夹头轮廓，所述第一和 第二夹头脊以及夹头槽分别与第一和第二套管槽以及套管脊对应； 其中所述第一和第二夹头脊和夹头槽的长度Cr1、Cr2和Cg分别由下式确定： Cr1＝(m1-t1)Lb (1-δ)La-ε2, Cr2＝(m2-t2)Lb, Cg＝δLa (n t2)Lb ε2, m1 m2＝K, 其中，La、Lb和δ是预定参数，La>0，Lb>>0且1≥δ≥0，n是整数且n≥0，K是正整数且K >2，m1和m2是整数且m1≥1并且m2>1；t1、t2和ε2是预定参数，1≥t1≥0，1≥t2≥0且ε2≥0；并且 其中夹头轮廓的纵向长度Lc至少为： Lc＝La (n K-t2)Lb. 在一些实施例中，所述至少一个夹头脊中的至少一个位于止动肩的井下侧，并且 在其井下侧的上边缘之间形成钝角。 根据本公开的一个方面，提供了一种管柱，该管柱包括多个具有1>t>0的上述滑 阀； 其中所述滑阀按照以下规则布置在管柱中： (a)对于所述多个滑阀中的任何两个，其n、K和m1中的至少一个是不同的； (b)具有较小(n K)的滑阀位于具有较大(n K)的滑阀的井口侧； (c)对于具有相同(n K)的滑阀，具有较大n值的滑阀位于具有较小n值的滑阀的井 口侧；并且 (d)具有相同的n和相同的K但具有不同的m1的滑阀可按任何顺序布置。 根据本公开的一个方面，提供了一种管柱，该管柱包括：多个具有t＝1的上述滑 阀； 其中所述滑阀按照以下规则布置在管柱中： (a)对于所述多个滑阀中的任何两个，其n、K和m1中的至少一个是不同的； (b)对于具有相同的n和相同的K的多个滑阀中的任何两个，其m1之间的差值大于 1； (c)具有较小(n K)的滑阀位于具有较大(n K)的滑阀的井口侧； (d)对于具有相同(n K)的滑阀，具有较大n值的滑阀位于具有较小n值的滑阀的井 口侧；并且 (e)具有相同的n和相同的K但具有不同的m1的滑阀可按任何顺序布置。 在一些实施例中，所述管柱是套管柱。 8 CN 111615581 A 说　明　书 6/26 页 在一些实施例中，所述管柱是用于接纳在带套管或不带套管的井筒中的管柱。 根据本公开的一个方面，提供了一种井下系统，该井下系统包括：包括多个具有1> t>0的上述滑阀的上述管柱；以及一个或多个上述夹头。 附图说明 现在，通过阅读上文的说明以及下文中参照附图给出的本发明的多个特定实施例 的详细说明，本发明的其他优点和其他实施例将变得明显，每个附图都是非限制性的，在附 图中： 图1是本公开的一些实施例的滑阀形式的井下工具的横截面图，该滑阀包括阀体 和可在滑阀中移动的滑套，其中该滑套配置在关闭位置，图中进一步示出了所用的保护套 管； 图2是图1所示的井下工具的阀体的横截面图，其中没有保护套管； 图3是图1所示的井下工具的滑套的横截面图，其中示出了附加的保护套管； 图4是图3所示的滑套的套管主体的横截面图； 图5是图3所示的滑套的保护套管的横截面图； 图6是图3所示的滑套的止动环的横截面图； 图7是图3所示的滑套的分解横截面图，示出了组装滑套的过程； 图8是用于使图1所示的匹配滑阀致动的夹头的横截面图； 图9至图12A是图8所示的夹头和图1所示的匹配滑阀的横截面图，示出了夹头进入 匹配滑阀并与其锁定接合的过程； 图12B是图12A的一部分的放大横截面图，示出了在夹头锁定地接合在匹配滑套中 时夹头和匹配滑阀的轮廓区域； 图13是示出图8所示的夹头锁定在图1所示的匹配滑阀中并且球落入滑阀中以使 滑阀致动到打开位置的示意性横截面图； 图14是示出图13中所示的滑阀的滑套被球和夹头压力致动到打开位置以打开用 于压裂的流体端口的示意性横截面图； 图15A是示出一个替代实施例的滑阀的滑套被球和夹头压力致动到打开位置以打 开用于压裂的流体端口的示意性横截面图，其中在施加井口流体压力时，夹头的花键能够 被压力致动以径向向外扩张，并且夹头的压缩导致花键径向向外扩张，从而进一步与滑套 接合，以增强接合性并由此进一步增强耐压性； 图15B是图15A的一部分的放大横截面图，示出了与滑套接合的径向向外扩张的夹 头； 图16是本公开的一些实施例的具有多个图1所示的滑阀的套管柱延伸到井筒中以 压裂地下地层的示意图； 图17A是一些替代实施例的夹头的横截面图； 图17B是图17A的一部分的放大横截面图，示出了夹头的球座； 图18以横截面图示出了接纳在图3所示的滑套中的图17A所示的夹头的一个特定 示例以及接纳在该夹头中的球，该球配置为在夹头的可扩张金属部分中径向向外膨胀，从 而在使球坐在夹头的球座上并且向球施加井口流体压力时在夹头与滑套之间形成金属间 9 CN 111615581 A 说　明　书 7/26 页 密封； 图19是一些替代实施例的夹头的横截面图； 图20A至图20D是示出一些替代实施例的多个套管轮廓及其相应的夹头轮廓的示 意图； 图21A是示出套管轮廓和相应的夹头轮廓的示意图，以示出与这些轮廓的设计有 关的参数； 图21B是示出套管轮廓与夹头轮廓的配合的示意图； 图21C是示出图21B所示的夹头轮廓和套管轮廓的示意图，其中夹头轮廓接纳在套 管轮廓中； 图22至图49是示出滑套和夹头的轮廓区域的多种设计的示意图； 图50是示出本公开的一些实施例的具有多个滑阀的管柱的一个示例的示意图； 图51是示出本公开的一些替代实施例的一组扩张的套管轮廓和夹头轮廓的示意 图； 图52是示出本公开的另一些替代实施例的一组扩张的套管轮廓和夹头轮廓的示 意图； 图53是示出本公开的另一些替代实施例的一组扩张的套管轮廓和夹头轮廓的示 意图； 图54至图57是示出本公开的一些其他实施例的一组扩张的套管轮廓和夹头轮廓 的示意图； 图58至图61是示出本公开的另一些其他实施例的一组扩张的套管轮廓和夹头轮 廓的示意图； 图62是示出本公开的另一些其他实施例的一组扩张的套管轮廓和夹头轮廓的示 意图；和 图63A至图63F是示出一些实施例的夹头上的夹头轮廓和滑套上的套管轮廓的示 意图，其中在施加井口流体压力时，夹头的花键能够被压力致动以径向向外扩张，并且夹头 的压缩导致花键径向向外扩张，从而进一步与滑套接合，以增强接合性并由此进一步增强 耐压性。