CN102071901A - 储层改造用水平井耐高压封隔器 - Google Patents
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Abstract
储层改造用水平井耐高压封隔器，应用于石油开采用储层改造用。在管体外壁上模压并硫化有3～8节自膨胀橡胶筒；在相邻两节自膨胀橡胶筒之间通过紧固螺栓固定有一个环形中间挡环，在两端自膨胀橡胶筒的外端部通过紧固螺栓分别固定有一个限位环；自膨胀橡胶筒由自膨胀橡胶筒本体、自膨胀橡胶筒背压环和金属环组成；在自膨胀橡胶筒本体的两端分别有自膨胀橡胶筒背压环；在自膨胀橡胶筒背压环的外壁表面硫化有金属环。自膨胀橡胶筒有效支撑，保证封隔器在高压差环境下可靠的工作，同时减小了自膨胀橡胶筒的长度，有利于工具的顺利下入；通径更大，油气井投产后产量更高，修井时也更方便；可靠性高，降低了作业过程中出现的风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油开采用井下工具，特别涉及一种井下封隔器，是一种储层改造用水平井的带有遇水、遇油自膨胀橡胶筒的封隔器。
背景技术
随着国民经济的快速发展，对石油天然气等一次能源的需求不断增加。全球油气资源开发焦点逐渐转向低渗透、难动用的非常规油气藏，包括致密砂岩油气藏、页岩油气藏、煤层气等。以前被认为不具有开采经济价值的非常规资源现在已经得到大规模商业开发，满足了日益增长的能源需求，获得了可观的经济效益，比如北美地区的页岩气开采。这主要得益于技术的进步，尤其是水平井分段储层改造技术的规模应用，大大降低了开发成本，提高了单井产量，延长了稳产期。
目前，水平井分段储层改造技术配套工具中的耐高压管外封隔器是重要的工具之一，其耐压性能、可靠性、工作寿命、成本等指标对储层改造效果和油气田采收率有很大影响。现有的用于储层改造的压裂封隔器基本上采用的是机械式封隔器。中国专利CN2111360介绍了一种高压自封压裂封隔器，该封隔器采用了组合式的封隔件，由压力平衡阀、水力锚、密封部分、密封总成锁定装置四部分形成一个自封式高压密封系统，能在50～60MPa的高压差下正常工作。中国专利CN2038544介绍了一种深井高压封隔器，其特征是采用扩张式胶筒和压缩式胶筒组合的结构，在一定节流压差下，两种胶筒之间形成液环，利用液体相对不可压缩性原理，实现可靠座封。该封隔器可用于深井压裂、酸化等多项工艺施工，并可多级使用。中国专利CN201460803U，提供了一种遇水、遇油自膨胀封隔器，由接箍、中心管、限位圈、保护环、上密封橡胶、下密封橡胶和限位螺栓组成，上密封橡胶和下密封橡胶硫化在中心管外壁上。
按座封方式分类，现有储层改造封隔器分为机械座封式和液压座封式两类。前者只能用于直井，不能用于水平井、大斜度井。后者的结构非常复杂，现场施工存在座封失败的风险，在裸眼环境中对井径尺寸要求高，井径偏大的位置不能座封，内通径也小，不利于后期井下措施作业。另外，传统工具成本过高，如果一口水平井改造段数过多，所使用的封隔器数量也很多，则工具的费用将大大增加导致开发没有任何效益，无法收回非常规油气生产井的投资。
用于制造自膨胀封隔器的橡胶有很多种(参阅美国专利文件US7059415“Wellbore system with annular seal member”)。可膨胀橡胶是一种置于特定液体里时就会膨胀的弹性橡胶材料。可膨胀弹性体主要有两种类型：在油里膨胀(溶胀)和在水里膨胀(渗透性膨胀)。无论哪种类型，随着体积的增大，强度要有所下降。
发明内容
本发明的目的是：提供一种储层改造用水平井耐高压封隔器，利用遇水、遇油自膨胀材料实现油井井下封隔，为水平井分段储层改造技术提供可靠有效的配套工具。克服传统封隔器结构复杂，现场施工存在座封失败的风险，在裸眼环境中对井径尺寸要求高，井径偏大的位置不能座封，内通径小，不利于后期井下措施作业的不足。
本发明采用的技术方案是：储层改造用水平井耐高压封隔器，主要由管体、自膨胀橡胶筒、接箍、限位环、紧固螺栓和中间挡环组成，管体的两端有外螺纹，在管体的一端通过螺纹连接有接箍，其特征在于：在管体外壁上模压并硫化有3～8节自膨胀橡胶筒；在相邻两节自膨胀橡胶筒之间通过紧固螺栓固定有一个环形中间挡环；在两端自膨胀橡胶筒的外端部通过紧固螺栓分别固定有一个限位环。
自膨胀橡胶筒由自膨胀橡胶筒本体、自膨胀橡胶筒背压环和金属环组成；在自膨胀橡胶筒本体的两端分别有自膨胀橡胶筒背压环，在自膨胀橡胶筒背压环的外壁表面硫化有金属环。
遇油膨胀橡胶的膨胀速度与遇水膨胀橡胶的膨胀速度基本相同，但是遇油膨胀橡胶膨胀过程中的强度下降的速度明显慢于遇水膨胀橡胶。利用该特性，自膨胀橡胶筒背压环采用遇油膨胀橡胶材料制造，而自膨胀橡胶筒本体采用在遇油膨胀橡胶中混入遇水膨胀橡胶材料制造，使得自膨胀橡胶筒本体在膨胀时与自膨胀橡胶筒背压环的强度变化有所差异。遇油膨胀橡胶中混入遇水膨胀橡胶方法、模压并硫化的方法本领域技术人员熟知。
所述的自膨胀橡胶筒背压环为圆筒形，自膨胀橡胶筒背压环的两端是圆锥面，一端的圆锥面与金属环硫化紧压，另一端的圆锥面与自膨胀橡胶筒本体硫化贴紧，自膨胀橡胶筒背压环和自膨胀橡胶筒本体9一同模压并硫化在管体上。
所述的金属环是由大圆环体、小圆环体和锥形圆环体组成的一种薄壁结构，锥形圆环体连接在大圆环体和小圆环体中间；大圆环体的内径与自膨胀橡胶筒背压环外径相同；小圆环体的内径管体的外径相同；锥形圆环体的斜度与自膨胀橡胶筒背压环外短的斜度相同；在大圆环体和锥形圆环体上至少有一个连续的轴向开口。当自膨胀橡胶筒背压环膨胀时，带动金属环同时向外扩张，金属环的开口处两端的距离增大。
中间挡环的两端有内斜锥面，中间挡环两端的内斜锥面分别与金属环之间的距离为0～8mm；限位环的一端有内斜锥面，限位环的内斜锥面与金属环之间的距离为0～8mm。
储层改造用水平井耐高压封隔器的制备过程：首先从管体的一端开始模压、硫化一个自膨胀橡胶筒。在管体表面均匀涂抹一层粘结剂，然后将自膨胀橡胶筒本体、自膨胀橡胶筒背压环和金属环一起模压、硫化至管体的表面。模压、硫化的工具和工艺属于现有技术，不详细叙述。
完成一个自膨胀橡胶筒后，从管体的端部套上一个中间挡环并用紧固螺栓固定，中间挡环与金属环之间的距离为0～8mm；并且金属环的小圆环体在中间挡环端部与管体外表面之间形成的环形空间内。
然后模压、硫化下一个自膨胀橡胶筒。循环模压、硫化自膨胀橡胶筒和固定中间挡环；在完成最后一个自膨胀橡胶筒后，从管体的两端分别套一个限位环，限位环与金属环之间的距离为0～8mm，并用紧固螺栓将限位环固定。
自膨胀橡胶筒背压环的膨胀速度与自膨胀橡胶筒本体的膨胀速度相同，与自膨胀橡胶筒本体不同的是，自膨胀橡胶筒背压环的材料在膨胀过程中强度下降很缓慢，当自膨胀橡胶筒本体整体膨胀到井壁时，自膨胀橡胶筒背压环依然具有较高的支撑强度。紧贴在自膨胀橡胶筒背压环、并且一起硫化的是金属环，自膨胀橡胶筒背压环膨胀时将带动金属环一起沿径向向外扩张，直至自膨胀橡胶筒贴住井壁。
所述的管体包括API油管和API套管。
所述的中间挡环上有一排螺钉孔；所述的限位环有两排螺钉孔，两排螺钉孔的位置相互交错。
根据现场井下实际情况，自膨胀橡胶可选择遇油或遇水膨胀材料，适应性强。不同的储层具有不同破裂压力，对封隔器耐压指标的要求就不同。根据不同的耐压指标，可选择不同数量的胶筒进行组合，结构上很灵活。封隔器加工完成后，在橡胶外表面包覆一层耐油和耐水保护材料，以防止胶筒在运输途中局部与油或水接触，导致意外膨胀。
本发明的有益效果：本发明储层改造用水平井耐高压封隔器，采用遇油或遇水膨胀橡胶材料开发的新型耐高压封隔器，用于各类非常规、难动用油气资源的水平井分段储层改造施工，该封隔器具有如下特点：(1)新颖的自膨胀橡胶筒背压环7结构：通过紧凑的结构就实现了自膨胀橡胶筒2的有效支撑，保证封隔器在高压差环境下可靠的工作，同时减小了自膨胀橡胶筒2的长度，有利于工具的顺利下入；(2)串接的耐高压自膨胀橡胶筒2单元组合：可根据实际情况，定制自膨胀橡胶筒2的数量，满足现场不同的需求；(3)适应水平井裸眼环境：可下入不规则形状的裸眼井壁，封隔器出现轻微泄漏时，自膨胀橡胶自动膨胀填补胶筒缝隙，重新建立密封；(4)通径更大：与连接的油管或套管等通径，储层改造施工时有利于投球、连续管开关工具的通过，油气井投产后产量更高，修井时也更方便，井下作业工具不会在封隔器的位置被卡；(5)可靠性高：机械部件得到最大简化，降低了作业过程中出现的风险；(6)成本低：与传统封隔器相比，工具费用低，现场施工不需要特殊的技术指导，采用该工具的水平井分段储层改造施工服务费用大大降低，在改造段数较多的水平井应用中优势更明显。
因此，将该封隔器应用于水平井分段储层改造技术，为非常规油气资源的开发提供了一种经济有效的完井工具组合，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是储层改造用水平井耐高压封隔器整体结构示意图。
图2是自膨胀橡胶筒2膨胀后的结构示意图。
图3是限位环4与自膨胀橡胶筒2连接关系的局部放大示意图。
图4是中间挡环6与自膨胀橡胶筒2连接关系的局部放大示意图。
图5是金属环8的轴测图。
图6是金属环8主视图。
图7是图6的左视图。
图8是限位环4剖面示意图。
图9是中间挡环6剖面示意图。
图中，1.管体，2.自膨胀橡胶筒，3.接箍，4.限位环，5.紧固螺栓，6.中间挡环，7.自膨胀橡胶筒背压环，8.金属环，9.自膨胀橡胶筒本体。
具体实施方式
实施例1：以一个储层改造用水平井耐高压封隔器为例，对本发明作进一步详细说明。
参阅图1。储层改造用水平井耐高压封隔器，主要由管体1、自膨胀橡胶筒2、接箍3、限位环4、紧固螺栓5和中间挡环6组成。管体1采用51/2″规格的API油管，管体1的外径139.7mm，长度6400mm。管体1的两端有外螺纹，在管体1的一端通过螺纹连接有接箍3。自膨胀橡胶筒2是由自膨胀橡胶筒背压环7金属环8和自膨胀橡胶筒本体9组成。
在管体1外壁上模压并硫化有三段自膨胀橡胶筒2。参阅图4。在相邻两节自膨胀橡胶筒2之间通过紧固螺栓5固定有一个环形中间挡环6，中间挡环6与金属环8之间的距离为7mm，中间挡环6的两端有内斜锥面。参阅图3。在两端自膨胀橡胶筒2的外端部通过紧固螺栓5分别固定有一个限位环4，限位环4的一端有内斜锥面，限位环4与金属环8之间的距离为0mm，即限位环4压紧金属环8。
自膨胀橡胶筒2外径203mm。自膨胀橡胶筒2由自膨胀橡胶筒本体、自膨胀橡胶筒背压环7和金属环8组成；自膨胀橡胶筒背压环7采用遇油膨胀橡胶，自膨胀橡胶筒本体9采用的材料是在遇油膨胀橡胶中混入遇水膨胀橡胶。自膨胀橡胶筒背压环7的两端是45度的圆锥面，一端的圆锥面与金属环8硫化，另一端的圆锥面与自膨胀橡胶筒本体9硫化，自膨胀橡胶筒背压环7和自膨胀橡胶筒本体9一同模压并硫化在管体1上。
参阅图6。金属环8由大圆环体、小圆环体和锥形圆环体组成的薄壁结构，锥形圆环体连接在大圆环体和小圆环体中间。大圆环体的内径与自膨胀橡胶筒背压环7外径相同，内径201mm，即壁厚1mm，大圆环体宽度宽度30mm。小圆环体的内径管体1的外径相同；锥形圆环体的斜度与自膨胀橡胶筒背压环7外短的斜度相同，壁厚1mm，宽度25mm。参阅图7。在大圆环体和锥形圆环体上对称均匀分布有四个连续的轴向开口。
参阅图8。限位环4有两排螺钉孔，每排有六个螺钉孔，两排螺钉孔的位置相互交错；参阅图9。中间挡环6上有一排六个螺钉孔。
储层改造用水平井耐高压封隔器的制备过程：首先从管体1的一端开始模压、硫化一个自膨胀橡胶筒2。在管体1表面均匀涂抹一层粘结剂，然后将自膨胀橡胶筒本体9、自膨胀橡胶筒背压环7和金属环8一起模压、硫化至管体1的表面。
完成一个自膨胀橡胶筒2后，从管体1的端部套上一个中间挡环6并用紧固螺栓5固定，中间挡环6与金属环8之间的距离为7mm；并且金属环8的小圆环体在中间挡环6端部与管体1外表面之间形成的环形空间内。
然后模压、硫化下一个自膨胀橡胶筒2。循环模压、硫化自膨胀橡胶筒2和固定中间挡环6；在完成最后一个自膨胀橡胶筒2后，从管体1的两端分别套一个限位环4，限位环4压紧金属环8，并用紧固螺栓5将限位环4固定。完成一个储层改造用水平井耐高压封隔器。参阅图1。
储层改造用水平井耐高压封隔器的原理：类似工作在高压环境中的液压密封件。在高压环境＞40MPa中，密封圈与挡圈一起工作，挡圈属于刚性元件，主要作用是支撑属于弹性元件的密封圈，防止其被挤出密封槽。在储层改造施工中的封隔器胶筒两端承受很大的压差，自膨胀橡胶筒本体9是强度最薄弱的地方，位于限位环与井壁之间极小的环形面积。本发明中的金属环，可随自膨胀橡胶筒背压环7一起同步沿径向向外扩张膨胀，堵塞、封闭管体1与井壁之间的环形间隙，有效支撑承受高压差的自膨胀橡胶筒2。图2是自膨胀橡胶筒2膨胀后的结构示意图。
Claims (6)
1.一种储层改造用水平井耐高压封隔器，主要由管体(1)、自膨胀橡胶筒(2)、接箍(3)、限位环(4)、紧固螺栓(5)和中间挡环(6)组成，管体(1)的两端有外螺纹，在管体(1)的一端通过螺纹连接有接箍(3)，其特征在于：在管体(1)外壁上模压并硫化有3～8节自膨胀橡胶筒(2)；在相邻两节自膨胀橡胶筒(2)之间通过紧固螺栓(5)固定有一个环形中间挡环(6)，在两端自膨胀橡胶筒(2)的外端部通过紧固螺栓(5)分别固定有一个限位环(4)；
自膨胀橡胶筒(2)由自膨胀橡胶筒本体(9)、自膨胀橡胶筒背压环(7)和金属环(8)组成；在自膨胀橡胶筒本体(9)的两端分别有自膨胀橡胶筒背压环(7)；在自膨胀橡胶筒背压环(7)的外壁表面硫化有金属环(8)。
2.根据权利要求1所述的储层改造用水平井耐高压封隔器，其特征是：自膨胀橡胶筒背压环(7)采用遇油膨胀橡胶，而自膨胀橡胶筒本体(9)采用的材料是在遇油膨胀橡胶中混入遇水膨胀橡胶。
3.根据权利要求1所述的储层改造用水平井耐高压封隔器，其特征是：所述的自膨胀橡胶筒背压环(7)为圆筒形，自膨胀橡胶筒背压环(7)的两端是圆锥面，一端的圆锥面与金属环(8)硫化，另一端的圆锥面与自膨胀橡胶筒本体(9)硫化，自膨胀橡胶筒背压环(7)和自膨胀橡胶筒本体(9)一同模压并硫化在管体(1)上。
4.根据权利要求1所述的储层改造用水平井耐高压封隔器，其特征是：所述的金属环(8)是由大圆环体、小圆环体和锥形圆环体组成的一种薄壁结构，锥形圆环体连接在大圆环体和小圆环体中间；大圆环体的内径与自膨胀橡胶筒背压环(7)外径相同；小圆环体的内径管体(1)的外径相同；锥形圆环体的斜度与自膨胀橡胶筒背压环(7)外短的斜度相同；在大圆环体和锥形圆环体上至少有一个连续的轴向开口。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的储层改造用水平井耐高压封隔器，其特征是：中间挡环(6)的两端有内斜锥面，中间挡环(6)两端的内斜锥面分别与金属环(8)之间的距离为0～8mm；限位环(4)的一端有内斜锥面，限位环(4)的内斜锥面与金属环(8)之间的距离为0～8mm。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的储层改造用水平井耐高压封隔器，其特征是：制作过程：首先，从管体(1)的一端开始模压、硫化一个自膨胀橡胶筒(2)；在管体(1)表面均匀涂抹一层粘结剂，然后将自膨胀橡胶筒本体(9)、自膨胀橡胶筒背压环(7)和金属环(8)一起模压、硫化至管体(1)的表面；
完成一个自膨胀橡胶筒(2)后，从管体(1)的端部套上一个中间挡环(6)并用紧固螺栓(5)固定，中间挡环6与金属环8之间的距离为0～8mm；并且金属环(8)的小圆环体在中间挡环(6)端部与管体(1)外表面之间形成的环形空间内；
然后模压、硫化下一个自膨胀橡胶筒(2)；循环模压、硫化自膨胀橡胶筒(2)和固定中间挡环(6)；在完成最后一个自膨胀橡胶筒(2)后，从管体(1)的两端分别套一个限位环(4)，限位环4与金属环8之间的距离为0～8mm，并用紧固螺栓(5)将限位环(4)固定。
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