CN102322237B - 自膨胀式封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自膨胀式封隔器，其包括：油管管体；自膨胀胶筒，所述油管管体可轴向移动地穿设在自膨胀胶筒内部；两个限位环，其套设在所述油管管体的外部并分别固定连接在自膨胀胶筒的两端，每个限位环的内部设有在常温时能使限位环与油管管体相对固定，但当温度上升到高温值时能使限位环与油管管体相对浮动的限位环开口挡环，所述油管管体与限位环之间设有动密封装置。本发明由于每个限位环的内部设有在常温时能使限位环与油管管体相对固定，但当温度上升到高温值时能使限位环与油管管体相对浮动的限位环开口挡环，因此，油管管体受热产生的伸缩变形对自膨胀胶筒不会产生影响，避免了对座封的破坏，使得封隔器的座封效果好。

Description

自膨胀式封隔器

技术领域

本发明是有关于一种石油开发用的油气井井下工具，特别是关于一种自膨胀式封隔器。

背景技术

随着国民经济对石油天然气能源的需求不断增加，油气资源开发对象由以常规资源为主逐渐转向常规资源和非常规资源并重。在非常规资源中，稠油资源具有较大的比例，已成为开发的主战场之一。开发稠油的各种工艺中，注蒸汽热采技术是主流技术，而井下隔离隔热是保证热采效果、提高热采采收率的关键技术。耐高温的封隔器是关键的井下配套工具，它在稠油井注汽时封隔油管和套管的环形空间，起到减少热损失，保护油井套管的作用。

除了开发稠油资源，油气田开发还面临其它挑战，特别是深层高温高压油气藏（HPHT），这些资源埋藏深、储层压力系数高、温度普遍超过150℃。有效开发这些资源对井下工具提出了更高的要求，工具必须具备很好的耐高温高压能力。随着近年来对低碳、可再生能源开发的不断重视，地热资源作为一种新型能源逐渐进入人们的视野，并已经开始进入商业化开发应用阶段。由于地热井普遍较深，开发地热资源必须采用开发石油天然气资源的技术，包括井下封隔器、井口装置等。地热井的井下温度普遍在200℃以上，完井时必须使用耐高温的封隔器才能保证地热生产井的寿命和可靠性。

现有的热采封隔器主要有机械式、液压式、热胀式和热敏金属式四种，前两种存在以下不足：（1）结构复杂，热密封性能不稳定，隔热效果差，下井遇阻事故时有发生；（2）对套管的损害严重，经济损失巨大不便多级使用，难以实现分层或多层注汽；（3）必须连接热伸缩管，不能自补偿和调节。热胀式热采封隔器较前两种封隔器有较大的进步，但现有的热胀式封隔器存在以下不足：（1）膨胀剂是一种分子量较大烷烃类易燃、易挥发溶液，稳定性差，易分解，一旦分解则解封困难；（2）膨胀筒材料含碳量太低，屈服强度低，塑性变形大，因而耐压性差，解封困难；（3）整体变形增加了封隔器下井难度，材料密封外套长度小且等外径，影响了密封抗压性能。热敏金属式封隔器在一定程度上克服了前几种封隔器的缺点，但是存在使用条件受限的问题，如应用的油井井斜角不能超过30°，井深要小于1800m，而且也要配接伸缩管。

此外，也有自膨胀式封隔器，现有的自膨胀式封隔器包括自膨胀胶筒和油管，其油管与自膨胀胶筒相对固定，因此，当自膨胀胶筒与油管受热膨胀时，由于二者的膨胀率并不相同，因此，油管受热产生的伸缩变形对座封后的胶筒会产生影响，使得封隔器的座封效果不好。

发明内容

本发明的目的是，提供一种自膨胀式封隔器，其能在井下高温环境下，油管管体受热变形不会对座封后的自膨胀胶筒产生影响。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种自膨胀式封隔器，其包括：油管管体；自膨胀胶筒，所述油管管体可轴向移动地穿设在自膨胀胶筒内部；两个限位环，其套设在所述油管管体的外部并分别固定连接在自膨胀胶筒的两端，每个限位环的内部设有在常温时能使限位环与油管管体相对固定，但当温度上升到高温值时能使限位环与油管管体相对浮动的限位环开口挡环，所述油管管体与限位环之间设有动密封装置。

在优选的实施方式中，每个所述限位环的内部设有限位槽，所述油管管体的外部设有浅槽，在常温状态下，所述限位环开口挡环的外侧端容置在限位槽内，内侧端容置在浅槽内。

在优选的实施方式中，所述限位环开口挡环采用形状记忆合金制成。

在优选的实施方式中，每个所述限位环的内部在靠近自膨胀胶筒的一端依次设置有挡环容置槽和弹簧容置槽，所述挡环容置槽位于弹簧容置槽的一端，且挡环容置槽的半径大于弹簧容置槽的半径，每个挡环容置槽的内部设置有当温度上升到一预定温度能缩小以脱离挡环容置槽卡设的弹簧开口挡环，压缩弹簧套设在油管管体的外部并位于弹簧容置槽内部，且压缩弹簧的一端顶抵在弹簧开口挡环的端面上，另一端顶抵在弹簧容置槽上，所述弹簧开口挡环采用形状记忆合金制成。

在优选的实施方式中，所述封隔器还包括衬管，所述自膨胀胶筒的两端分别结合有承压环，所述自膨胀胶筒与承压环一起粘结、硫化在衬管外部，衬管的两端为外露部分，衬管的外露部分插设入所述弹簧容置槽内，所述压缩弹簧套设在衬管外部，所述承压环连接所述弹簧开口挡环。

在优选的实施方式中，所述衬管与限位环焊接固定。

在优选的实施方式中，所述封隔器还包括环形的金属加强条组合体，所述金属加强条组合体的主体嵌入在所述自膨胀胶筒的端部内，另一端连接所述承压环，所述金属加强条组合体粘结在所述衬管外。

在优选的实施方式中，所述金属加强条组合体包括多个钢条，多个钢条均匀地围绕形成圆柱体形，多个钢条的一端具有锥面压环，所述承压环设有带锥度的预制槽，多个钢条的锥面压环插在所述承压环的预制槽内。

在优选的实施方式中，所述动密封装置包括V形石墨盘根，密封挡圈和防尘圈，密封挡圈设置在V形石墨盘根的一端，防尘圈设置在所述V形石墨盘根的一端。

在优选的实施方式中，所述自膨胀胶筒采用遇油自膨胀橡胶或遇水自膨胀橡胶制成。

本发明的自膨胀式封隔器的特点和优点是：由于每个限位环的内部设有在常温时能使限位环与油管管体相对固定，但当温度上升到高温值时能使限位环与油管管体相对浮动的限位环开口挡环，因此，油管管体受热产生的伸缩变形对自膨胀胶筒不会产生影响，避免了对座封的破坏，使得封隔器的座封效果好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的自膨胀式封隔器的外形结构示意图；

图2是本发明实施例的自膨胀式封隔器的剖面示意图；

图3是本发明实施例的自膨胀式封隔器的限位环剖视放大图；

图4是本发明实施例的自膨胀式封隔器的金属加强条组合体的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2所示，本发明实施例提出的自膨胀式封隔器，其包括油管管体1，自膨胀胶筒2和两个限位环3。所述油管管体1可轴向移动地穿设在自膨胀胶筒2的内部。每个限位环3分别套设在油管管体1的外部，并分别固定连接在自膨胀胶筒2的两端，每个限位环3的内部设有在常温时能使限位环与油管管体1相对固定，但当其上升到高温值时能使限位环3与油管管体1相对浮动的限位环开口挡环4，所述油管管体1与限位环3之间设有动密封装置5。

其中，自膨胀胶筒2可采用遇油自膨胀橡胶或遇水自膨胀橡胶制成。

在本实施例中的“高温值”是指能使限位环开口挡环4变形进而使限位环3脱离对油管管体1固定的温度值，其一般在（90-300℃）。

本发明实施例中，在常温初始状态，两个限位环3由于限位环开口挡环4的作用而相对固定地连接在油管管体1上，此时，自膨胀胶筒2与油管管体1之间亦是相对固定的。接着，封隔器下井，自膨胀胶筒2吸收碳氢化合物或水进行自膨胀而进行座封，当开始注入蒸汽或接触到高温流体时，井下温度逐渐上升，当温度上升到高温值后，限位环开口挡环4变形使得限位环3胶离对油管管体1的固定，即此时限位环3可与油管管体1相对浮动，自膨胀胶筒2随着限位环3与油管管体1亦可相对浮动，因此油管管体1受热产生的伸缩变形对自膨胀胶筒2不会产生影响，使得封隔器的座封效果好。其中，动密封装置5可保证油管管体1相对于自膨胀胶筒2浮动时，封隔器依然具有很好的密封性。

作为本发明的一个实施方式，每个所述限位环3的内部设有限位槽31，所述油管管体1的外部设有浅槽11，在常温状态下，所述限位环开口挡环4的外侧端容置在限位槽31内，内侧端容置在浅槽11内。也就是说，在常温时，由于限位环开口挡环4卡设在限位槽31与浅槽11内，使得限位环3与油管管体1相对固定，但是当限位环开口挡环4遇高温膨胀时，且限位环开口挡环4的膨胀率一般可高于油管管体1的膨胀率，以使得限位环开口挡环4的内侧端可脱离油管管体1的浅槽11，从而使油管管体1可相对于限位环上下浮动，此时，限位环开口挡环4的材料一般为金属材料，例如为形状记忆合金（SMA），进一步可为Fe-Mn-Si形状记忆合金。浅槽11的深度可视限位环开口挡环4的材料而定，一般为2-4mm。

其中，形状记忆合金的特点是：在其较高的转变温度点加工零件，零件会“记住”该温度时的自身状态，零件加工完成后在常温时可变形成所需的形状，当系统工作、周围温度达到形状记忆合金的转变温度时，零件自动恢复初始状态。也就是说，限位环开口挡环4在加工时，温度须上升至转变温度以上，以使其“记住”初始形状，加工完成后，在常温下将限位环开口挡环4的外径适当缩小，以使封隔器在装配时限位环开口挡环4能进入油管管体1内。在此处，使限位环开口挡环4变形的“高温值”是指其“转变温度”。进一步而言，当井下温度到达该高温值后，限位环开口挡环4发生变形恢复到该温度点的原有形态，限位环3与油管管体1脱离，油管管体1随油管串上下浮动。

此外，限位开口挡环4亦可为塑料材质，其在常温下可卡在限位槽31与浅槽11内，使油管管体1与限位环3相对固定，但是该限位环开口挡环4遇到高温时会出现软化或熔融的情况，如此亦可使油管管体1与限位环3相对浮动。其中，限位环开口挡环4的塑料材质可取决于不同井的井下温度，进一步而言，该限位环开口挡环4的材料例如可为尼龙12，其到达温度170℃时会出现软化或熔融的情况，但是在常温时具有足够的强度和硬度，以支撑油管管体1的轴向力。

作为本发明的一个实施方式，每个所述限位环3内部在靠近自膨胀胶筒2的一端依次设置有挡环容置槽32和弹簧容置槽33，挡环容置槽32位于弹簧容置槽33的一端，且挡环容置槽32的半径大于弹簧容置槽33的半径，每个挡环容置槽32的内部设置有当温度上升到一预定温度能缩小以脱离挡环容置槽32卡设的弹簧开口挡环61，所述压缩弹簧6套设在油管管体1的外部并位于弹簧容置槽33内部，且压缩弹簧6的一端顶抵在弹簧开口挡环61的端面上，另一端顶抵在弹簧容置槽33上，所述弹簧开口挡环61采用形状记忆合金制成，例如为Fe-Mn-Si形状记忆合金。

本实施例中，弹簧开口挡环61在加工时，温度须上升至其转变温度，加工完成后，在常温状态将弹簧开口挡环61的外径适当扩大，使得封隔器在装配时，弹簧开口挡环61的外侧端能进入限位环3的挡环容置槽32内。在常温初始状态下，形状记忆合金制造的弹簧开口挡环61具有足够的强度和硬度，并嵌设在挡环容置槽32内，使得弹簧开口挡环61可以承受压缩弹簧6预紧后很大的轴向力，此时，压缩弹簧6的轴向力只施加在弹簧开口挡环7上，并没有作用在自膨胀胶筒2上。当封隔器下井后，井下温度逐渐升高，当其上升到弹簧开口挡环61的转变温度时，弹簧开口挡环61缩小脱离挡环容置槽32的卡设，也就失去对压缩弹簧6的支撑，压缩弹簧6的轴向力则会施加在自膨胀胶筒2上，使自膨胀胶筒2的肩部得到加强，进一步提高自膨胀胶筒2的密封能力和高温下的可靠性，从而稳定自膨胀胶筒2的座封效果，以保证封隔器在高温环境下长期密封的有效性。

进一步地，所述封隔器还包括衬管7，所述自膨胀胶筒2的两端分别结合有承压环8，所述自膨胀胶筒2与承压环8一起粘结在衬管7外部，衬管7的两端呈外露部分，衬管7的外露部分插设入所述弹簧容置槽33内，此时可通过焊接使衬管7与限位环3进行固定，所述压缩弹簧6套设在衬管7外部，所述承压环8连接所述弹簧开口挡环61。当弹簧开口挡环61缩小而失去对压缩弹簧6的支撑时，压缩弹簧6可通过承压环8对自膨胀胶筒2施加载荷，使自膨胀胶筒2的肩部受力均匀，且其强度和硬度均得到加强。

此外，所述封隔器还包括环形的金属加强条组合体9，所述金属加强条组合体9的主体嵌入在所述自膨胀胶筒2的端部内部，另一端连接所述承压环8，所述金属加强条组合体9粘结在所述衬管7外。具体是，金属加强条组合体9包括多个钢条91，多个钢条91均匀地围绕形成圆柱体形，多个钢条91的一端具有锥面压环92，所述承压环8设有带锥度的预制槽81，多个钢条91的锥面压环92插在所述承压环8的预制槽81内。进一步而言，承压环8的直径较大的预制槽81是有锥度的，与锥面压环92外侧的锥度相同。将锥面压环92压入承压环8的预制槽81，由于摩擦力的作用钢条91将被楔紧。本实施例的多个钢条91的锥面压环92安装在预制槽81中，可保证金属加强条组合体9之间排列均布和紧密。在自膨胀胶筒2肩部嵌有环形金属加强条组合体9，对膨胀座封后的自膨胀胶筒2起到强化支撑的作用。

作为本发明的一个实施方式，所述动密封装置5包括V形石墨盘根51和密封挡圈53，密封挡圈53设置在V形石墨盘根51的一端，密封挡圈53可对V形石墨盘根51进行固定。此外，动密封装置5还包括防尘圈52，防尘圈52设置在V形石墨盘根51的一端。动密封装置5可避免高温高压蒸汽或其它井下流体窜过封隔器。

本发明的装配过程如下：在衬管7的外表面涂上耐高温粘结剂，将自膨胀胶筒2，金属加强条组合体9和承压环8一起粘结、模压、硫化在衬管7上，在加工中，粘接、模压与硫化可在硫化机中同步完成。接着将压缩弹簧6放入限位环3的弹簧容置槽33中，再把弹簧开口挡环61安装在挡环容置槽32中，压缩弹簧6安装后处于压缩状态。将安装有压缩弹簧6和弹簧开口挡环61的限位环3套入衬管7，使衬管7的外露部分插入弹簧容置槽33中，借助焊接将衬管7与限位环3固定连接在一起。接着，将V形石墨盘根51和防尘圈52安装在限位环3相应的槽内，并使用密封挡圈53对其固定。将限位环开口挡环4安装在限位环3的限位槽31内，再将油管管体1从中间穿过限位环3，使限位环开口挡环4进入油管管体1对应的浅槽11内，保证油管管体1相对于限位环3和衬管7固定。其中，油管管体1的端部还可设置油管接箍12。

本发明实施例解决了传统高温热采封隔器的成本高、可靠性差、适应性不好等缺点，其采用遇油或遇水膨胀橡胶为基础的耐高温的自膨胀胶筒来制造自膨胀式封隔器，可满足各类高温环境中的层间隔离需要，特别适用于大斜度井、水平井（如SAGD）等传统高温封隔器应用受限的复杂结构井型：（1）稠油热采开发：注蒸汽管柱的层间隔离工具，包括蒸汽吞吐和蒸汽驱开采，用于对不同层位应用不同的注入参数，封隔器胶筒耐温最高可达300℃；（2）高温高压（HPHT）深井油气资源开发：高温高压气田、凝析气田等油气藏开发，可用作永久式井下封隔器；（3）地热资源开发（Geothermal）：使用耐高温遇水膨胀橡胶材料，实现地热井的长期寿命和持续稳产。因此，本发明实施例克服了现有高温封隔器的缺点，可有效提高稠油热采井的产量，延长生产井的寿命，降低开发成本，具有很好的市场前景。

此外，本发明实施例的自膨胀式封隔器还具有下述特点和优点：

（1）结构简单：取消了伸缩管、卡瓦等复杂机械结构部件，利用自膨胀橡胶实现膨胀座封，避免了卡瓦对套管的损害；

（2）封隔器动作可靠：除橡胶以外，使用形状记忆合金（SMA）作为关键元件的材料，该技术可在一定温度下发生形态转变，转变温度可根据井下实际情况进行调整，适应性好；

（3）自动密封补偿：使用V型石墨盘根51，保证在油管管体1相对于胶筒2浮动时封隔器依然具有很好的密封性；

（4）采取提高密封能力的加强措施：压缩弹簧6与承压环8组成的能量补充单元工作简单可靠，环形金属加强条组合体9显著提高胶筒2肩部的强度；

（5）通径更大：与所连接的油套管完全相同，有利于提高产量，便于后期作业工具的下入；

（6）工具本身和后期维护成本低：与现有封隔器相比，机械部件较少，加工成本较低，自膨胀橡胶可适应井眼或套管内径的大小自动膨胀，封闭油井投产以后出现的间隙。

其中，形状记忆合金材料可包括Ni-Ti基、Cu基和Fe基等，其转变温度可以根据井下情况设定，弹簧开口挡环61与限位环开口挡环4的转变温度可以相同，也可以不相同。不同的转变温度可使弹簧开口挡环61与限位环开口挡环4在井下时不同时起作用。关于“形状记忆合金材料”的详细信息可参考“铁基形状记忆合金及其应用”一书。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种自膨胀式封隔器，其特征在于，所述封隔器包括：

油管管体；

自膨胀胶筒，所述油管管体可轴向移动地穿设在自膨胀胶筒内部；

两个限位环，其套设在所述油管管体的外部并分别固定连接在自膨胀胶筒的两端，每个限位环的内部设有在常温时能使限位环与油管管体相对固定，但当温度上升到高温值时能使限位环与油管管体相对浮动的限位环开口挡环，所述油管管体与限位环之间设有动密封装置。

2.根据权利要求1所述的自膨胀式封隔器，其特征在于，每个所述限位环的内部设有限位槽，所述油管管体的外部设有浅槽，在常温状态下，所述限位环开口挡环的外侧端容置在限位槽内，内侧端容置在浅槽内。

3.根据权利要求1或2所述的自膨胀式封隔器，其特征在于，所述限位环开口挡环采用形状记忆合金制成。

4.根据权利要求1或2所述的自膨胀式封隔器，其特征在于，每个所述限位环的内部在靠近自膨胀胶筒的一端依次设置有挡环容置槽和弹簧容置槽，所述挡环容置槽位于弹簧容置槽的一端，且挡环容置槽的半径大于弹簧容置槽的半径，每个挡环容置槽的内部设置有当温度上升到一预定温度能缩小以脱离挡环容置槽卡设的弹簧开口挡环，压缩弹簧套设在油管管体的外部并位于弹簧容置槽内部，且压缩弹簧的一端顶抵在弹簧开口挡环的端面上，另一端顶抵在弹簧容置槽上，所述弹簧开口挡环采用形状记忆合金制成。

5.根据权利要求4所述的自膨胀式封隔器，其特征在于，所述封隔器还包括衬管，所述自膨胀胶筒的两端分别结合有承压环，所述自膨胀胶筒与承压环一起粘结、硫化在衬管外部，衬管的两端为外露部分，衬管的外露部分插设入所述弹簧容置槽内，所述压缩弹簧套设在衬管外部，所述承压环连接所述弹簧开口挡环。

6.根据权利要求5所述的自膨胀式封隔器，其特征在于，所述衬管与限位环焊接固定。

7.根据权利要求5所述的自膨胀式封隔器，其特征在于，所述封隔器还包括环形的金属加强条组合体，所述金属加强条组合体的主体嵌入在所述自膨胀胶筒的端部内，另一端连接所述承压环，所述金属加强条组合体粘结在所述衬管外。

8.根据权利要求7所述的自膨胀式封隔器，其特征在于，所述金属加强条组合体包括多个钢条，多个钢条均匀地围绕形成圆柱体形，多个钢条的一端具有锥面压环，所述承压环设有带锥度的预制槽，多个钢条的锥面压环插在所述承压环的预制槽内。

9.根据权利要求1或2所述的自膨胀式封隔器，其特征在于，所述动密封装置包括V形石墨盘根，密封挡圈和防尘圈，密封挡圈设置在V形石墨盘根的一端，防尘圈设置在所述V形石墨盘根的一端。

10.根据权利要求1或2所述的自膨胀式封隔器，其特征在于，所述自膨胀胶筒采用遇油自膨胀橡胶或遇水自膨胀橡胶制成。

Images