CN102418493B - 用于分段开采的热敏伞式封隔器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于分段开采的热敏伞式封隔器，包括动力模块、封隔模块和开采模块；动力模块包括有钻机、动力头和泵；封隔模块具有结构相同的上下两级伞状封隔杆系，分别处于目标矿物层与上覆地层下边界、目标矿物层与下伏地层的上边界；钻机通过动力头带动开采模块中的具有双层结构的活动中心管向上运动，进而驱动能够轴向折叠、径向挤扩的封隔模块中的上下两级伞式封隔杆系，从而对上覆地层和下伏地层进行封隔；利用本发明，可以为油页岩等自然资源的深层开采以及分层开采进行有效地封隔，进而提高矿物的开采纯度、降低各储层之间的互相污染程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种多层封隔器，具体涉及一种适合深层天然气水合物、地下水和油页岩等自然资源的勘探与开发、能够实现对下伏地层和上覆地层进行全面封隔的热敏伞式封隔器。
背景技术
天然气水合物是在陆地永久冻土带由甲烷及水在低温高压条件下生成的一种固体化合物，具有分布广、储量巨大的特点；此外，有时抽取地下水时需要抽取某一层位的地下水，防止不同层位的地下水之间互相污染；开采油页岩等矿物时，通常只需要开采某一层位的矿物而并非全部矿物。
因此，要想实现只开采、移运某一中部特定层位目标矿物，封隔上下部地层的目的，必须使用用于分段开采的封隔器加以实现。
现有的封隔器多为单层封隔，封隔效果不是很理想；很容易导致上下储层间的天然气水合物、地下水、油页岩等矿物互相污染，对开采矿物的品质产生不利影响。
此外，现有多级封隔器只是对下伏地层进行封隔，不能对上覆地层进行封隔，也不能对上下部地层同时进行有效封隔。当目标矿物层离地表较浅时，可以有效地封隔，然而，当目标矿物层较深或者需要进行分层开采时，对上覆地层的封隔也是非常重要的。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种适合深层油页岩等自然资源开采以及分层开采的、能够实现对下伏地层和上覆地层进行全面封隔的热敏伞式封隔器。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种用于分段开采的热敏伞式封隔器，包括动力模块、封隔模块和开采模块；动力模块包括有钻机1、动力头2和泵3；
封隔模块具有结构相同的上下两级伞状封隔杆系，分别处于目标矿物层与上覆地层下边界、目标矿物层与下伏地层的上边界；
伞状封隔杆系的下压盘19和下压盖22固连构成上提组件，该上提组件与活动中心管5底端固定连接；
伞状封隔杆系的异形上顶盖7、上压盖12、上压盘14和短套垫圈41固连在一起构成支撑导向组件，其中异形上顶盖7、短套垫圈41的中心通孔与活动中心管5紧配合，过渡压盘21与活动中心管5滑动连接；异形挡圈101固定在套管柱6的内壁上；异形上顶盖7为切去两圆弧的板状结构，正好能够穿过异形挡圈101的通孔，异形上顶盖7旋转90度后上提，能够被异形挡圈101的侧围挡住；
所述的钻机1通过动力头2带动开采模块中的具有双层结构的活动中心管5以及伞状封隔杆系的上提组件向上运动，进而驱动能够轴向折叠、径向挤扩的封隔模块中的上下两级伞状封隔杆系，从而对上覆地层和下伏地层进行封隔；
具体地，封隔模块的伞状封隔杆系包括套管柱6、异形上顶盖7、挡圈10、上压盖12、上压盘14、双层耐高温橡胶15、仿生上弓臂16、下弓臂18、下压盘19、过渡弓臂连杆20、过渡压盘21、下压盖22、热敏金属片23、异形挡圈101；
开采模块包括活动中心管5、伸缩喷管24和抽吸管25。
活动中心管5为双层结构，从而形成外层环状空间和内层管状空间，由外层环状空间向下泵入高压热水或蒸汽，从伸缩喷管24喷出；目标矿物通过抽吸管25、活动中心管5的内层管状空间抽吸到地表，活动中心管5的底部密封，防止矿物与热水进入下伏地层；
由泵3提供喷射高压热水和抽吸目标矿物的动力，从而实现目标矿物的开采、转运；
六组挡圈10在上、下边缘具有曲面结构，与双层耐高温橡胶15的圆弧形状相配合，提高封隔的效果；
套管柱6内壁上设置有螺纹，挡圈10通过螺纹固定连接在套管柱6的内壁上；
上压盖12固定在短套垫圈41外表面，用于将双层耐高温橡胶15的上端固定在上压盘14上，上压盘14连接在短套垫圈41的底端；
三个下压盘19分别固定在活动中心管5的底端相应位置，下压盖22固定在活动中心管5的底端；
双层耐高温橡胶15的上端被上压盖12和上压盘14夹持住，双层耐高温橡胶15的下端被最底层的下压盘19和下压盖22夹持住；
热敏金属片23采用耐高温强力胶粘结于双层耐高温橡胶15之间，当注入高温蒸汽或热水时，热敏金属片23膨胀变形，从而实现辅助封隔；
仿生上弓臂16仿造人脚的结构，包括腿部、脚跟和脚尖，仿生上弓臂16上端相当于人体的腿部，与上压盘14铰接，仿生上弓臂16下端相当于人体的脚跟和脚尖，脚尖部分处于双层耐高温橡胶15的弯曲处，脚跟部分与下弓臂18铰接；
两个过渡压盘21滑动连接在活动中心管5下端相应位置，过渡压盘21的端部用过渡弓臂连杆20与下弓臂18的靠近中部的位置铰接；
下部两组的仿生上弓臂16、下弓臂18、下压盘19、过渡弓臂连杆20和过渡压盘21的连接形式与上述连接形式类似，此处不再赘述；
根据需要选择封隔的组数，可以实现多级封隔。
可选地，仿生上弓臂16和下弓臂18可以在上压盘14、下压盘19和过渡压盘21的圆周方向上均匀地布置多组，优选为四组以上时，对双层耐高温橡胶15可以进行更好的封隔。
本发明的工作过程为：
第一步，在地表，将两个异形挡圈101、六组挡圈10固定在套管柱6内壁上相应位置，将套管柱6下到井内；其中两个异形挡圈101的取向相同；
第二步，安装封隔模块中的上、下伞状封隔杆系：按照上面描述的安装方式，先安装上一级伞状封隔杆系，再安装下一级伞状封隔杆系；其中上下两级伞状封隔杆系中的两个异形上顶盖7取向相同；
第三步，将封隔模块和开采模块下入到地下：将上下两级伞状封隔杆系中的两个异形上顶盖7对准异形挡圈101的缺口，两级伞状封隔杆系分别下到异形挡圈101下面之后，将活动中心管5转动90度，使得异形上顶盖7与异形挡圈101的缺口相互错开；此时封隔模块的上下两级伞状封隔杆系分别处于目标矿物层与上覆地层下边界、目标矿物层与下伏地层的上边界，开采模块的伸缩喷管24和抽吸管25处于目标矿物层；
第四步，动力模块中的动力头2带动活动中心管5向上运动，两个异形上顶盖7分别被两个异形挡圈101限定住，从而起到支撑导向作用，活动中心管5带动下压盘19和下压盖22继续向上运动，通过下弓臂18推动仿生上弓臂16的脚跟部分，进而仿生上弓臂16的脚尖部分挤压双层耐高温橡胶15，并且使仿生上弓臂16的腿部向上摆动，使得过渡压盘21相对于活动中心管5向下移动，挤压动作一层层上传，实现主封隔；
第五步，由泵3从活动中心管5外层环状空间向下泵入高压热水或蒸汽，并从伸缩喷管24喷出，将目标矿物破碎，破碎的目标矿物通过抽吸管25抽吸到地表；与此同时，由于高温的热水或蒸汽使热敏金属片23膨胀变形，从而可实现辅助封隔；
第六步，目标矿物开采完成后，动力头2带动活动中心管5向下运动，封隔模块的上下两级伞状封隔杆系回缩，将活动中心管5转动90度，使得上下两级伞状封隔杆系中的两个异形上顶盖7与两个异形挡圈101的缺口相对应，进而将整个封隔模块和开采模块提升到地表。
本发明具有以下优点和有益效果：由于封隔模块具有上下两级伞状封隔杆系，分别处于目标矿物层与上覆地层下边界、目标矿物层与下伏地层的上边界；钻机通过动力头带动开采模块中的具有双层结构的活动中心管向上运动，进而驱动能够轴向折叠、径向挤扩的封隔模块中的上下两级伞状封隔杆系，从而对上覆地层和下伏地层均可以进行有效地封隔；利用本发明，可以为油页岩等自然资源的深层开采以及分层开采进行有效地封隔，进而提高矿物的开采纯度、降低各储层之间的互相污染程度，具有巨大的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明的第一种实施例的总体示意图
图2为封隔模块下部伞状封隔杆系的示意图
图3为伸缩喷管、抽吸管以及活动中心管的放大图
图4为仿生上弓臂的结构图
图5为异形上顶盖、挡圈、上压盖、上压盘、双层耐高温橡胶、短套垫圈的组件示意图
图6为异形上顶盖截面图
图7为异形挡圈示意图
图中：
1钻机，2动力头，3泵， 5活动中心管，6套管柱，
7异形上顶盖， 10挡圈，12上压盖， 14上压盘，15双层耐高温橡胶，16仿生上弓臂，
18下弓臂，19下压盘，20过渡弓臂连杆，21过渡压盘，22下压盖，23热敏金属片，
24伸缩喷管，25抽吸管，41短套垫圈，101异形挡圈示。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步详细说明：
图1为本发明的第一种实施例的总体示意图，如图示的一种用于分段开采的热敏伞式封隔器，包括动力模块、封隔模块和开采模块；动力模块包括有钻机1、动力头2和泵3；
封隔模块具有结构相同的上下两级伞状封隔杆系，分别处于目标矿物层与上覆地层下边界、目标矿物层与下伏地层的上边界；
图2为封隔模块下部伞状封隔杆系的示意图，伞状封隔杆系的下压盘19和下压盖22固连构成上提组件，该上提组件与活动中心管5底端固定连接；
伞状封隔杆系的异形上顶盖7、上压盖12、上压盘14和短套垫圈41固连在一起构成支撑导向组件，如图5所示，其中异形上顶盖7、短套垫圈41的中心通孔与活动中心管5紧配合，过渡压盘21与活动中心管5滑动连接；异形挡圈101固定在套管柱6的内壁上；异形上顶盖7为切去两圆弧的板状结构，如图6所示，正好能够穿过异形挡圈101的通孔，如图7所示，异形上顶盖7旋转90度后上提，能够被异形挡圈101的侧围挡住；
所述的钻机1通过动力头2带动开采模块中的具有双层结构的活动中心管5以及伞状封隔杆系的上提组件向上运动，进而驱动能够轴向折叠、径向挤扩的封隔模块中的上下两级伞状封隔杆系，从而对上覆地层和下伏地层进行封隔；
具体地，封隔模块的伞状封隔杆系包括套管柱6、异形上顶盖7、挡圈10、上压盖12、上压盘14、双层耐高温橡胶15、仿生上弓臂16、下弓臂18、下压盘19、过渡弓臂连杆20、过渡压盘21、下压盖22、热敏金属片23、异形挡圈101；
开采模块包括活动中心管5、伸缩喷管24和抽吸管25。
图3为伸缩喷管、抽吸管以及活动中心管的放大图，活动中心管5为双层结构，从而形成外层环状空间和内层管状空间，由外层环状空间向下泵入高压热水或蒸汽，从伸缩喷管24喷出；目标矿物通过抽吸管25、活动中心管5的内层管状空间抽吸到地表，活动中心管5的底部密封，防止矿物与热水进入下伏地层；
由泵3提供喷射高压热水和抽吸目标矿物的动力，从而实现目标矿物的开采、转运；
六组挡圈10在上、下边缘具有曲面结构，与双层耐高温橡胶15的圆弧形状相配合，提高封隔的效果；
套管柱6内壁上设置有螺纹，挡圈10通过螺纹固定连接在套管柱6的内壁上；
上压盖12固定在短套垫圈41外表面，用于将双层耐高温橡胶15的上端固定在上压盘14上，上压盘14连接在短套垫圈41的底端；
三个下压盘19分别固定在活动中心管5的底端相应位置，下压盖22固定在活动中心管5的底端；
双层耐高温橡胶15的上端被上压盖12和上压盘14夹持住，双层耐高温橡胶15的下端被最底层的下压盘19和下压盖22夹持住；
热敏金属片23采用耐高温强力胶粘结于双层耐高温橡胶15之间，当注入高温蒸汽或热水时，热敏金属片23膨胀变形，从而实现辅助封隔；
图4为仿生上弓臂的结构图，仿生上弓臂16仿造人脚的结构，包括腿部、脚跟和脚尖，仿生上弓臂16上端相当于人体的腿部，与上压盘14铰接，仿生上弓臂16下端相当于人体的脚跟和脚尖，脚尖部分处于双层耐高温橡胶15的弯曲处，脚跟部分与下弓臂18铰接；
两个过渡压盘21滑动连接在活动中心管5下端相应位置，过渡压盘21的端部用过渡弓臂连杆20与下弓臂18的靠近中部的位置铰接；
下部两组的仿生上弓臂16、下弓臂18、下压盘19、过渡弓臂连杆20和过渡压盘21的连接形式与上述连接形式类似，此处不再赘述；
根据需要选择封隔的组数，可以实现多级封隔。
可选地，仿生上弓臂16和下弓臂18可以在上压盘14、下压盘19和过渡压盘21的圆周方向上均匀地布置多组，优选为四组以上时，对双层耐高温橡胶15可以进行更好的封隔。
本发明的工作过程为：
第一步，在地表，将两个异形挡圈101、六组挡圈10固定在套管柱6内壁上相应位置，将套管柱6下到井内；其中两个异形挡圈101的取向相同；
第二步，安装封隔模块中的上、下伞状封隔杆系：按照上面描述的安装方式，先安装上一级伞状封隔杆系，再安装下一级伞状封隔杆系；其中上下两级伞状封隔杆系中的两个异形上顶盖7取向相同；
第三步，将封隔模块和开采模块下入到地下：将上下两级伞状封隔杆系中的两个异形上顶盖7对准异形挡圈101的缺口，两级伞状封隔杆系分别下到异形挡圈101下面之后，将活动中心管5转动90度，使得异形上顶盖7与异形挡圈101的缺口相互错开；此时封隔模块的上下两级伞状封隔杆系分别处于目标矿物层与上覆地层下边界、目标矿物层与下伏地层的上边界，开采模块的伸缩喷管24和抽吸管25处于目标矿物层；
第四步，动力模块中的动力头2带动活动中心管5向上运动，两个异形上顶盖7分别被两个异形挡圈101限定住，从而起到支撑导向作用，活动中心管5带动下压盘19和下压盖22继续向上运动，通过下弓臂18推动仿生上弓臂16的脚跟部分，进而仿生上弓臂16的脚尖部分挤压双层耐高温橡胶15，并且使仿生上弓臂16的腿部向上摆动，使得过渡压盘21相对于活动中心管5向下移动，挤压动作一层层上传，实现主封隔；
第五步，由泵3从活动中心管5外层环状空间向下泵入高压热水或蒸汽，并从伸缩喷管24喷出，将目标矿物破碎，破碎的目标矿物通过抽吸管25抽吸到地表；与此同时，由于高温的热水或蒸汽使热敏金属片23膨胀变形，从而可实现辅助封隔；
第六步，目标矿物开采完成后，动力头2带动活动中心管5向下运动，封隔模块的上下两级伞状封隔杆系回缩，将活动中心管5转动90度，使得上下两级伞状封隔杆系中的两个异形上顶盖7与两个异形挡圈101的缺口相对应，进而将整个封隔模块和开采模块提升到地表。
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式以及封隔的组数等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (4)
1.一种用于分段开采的热敏伞式封隔器，包括动力模块、封隔模块和开采模块；动力模块包括有钻机（1）、动力头（2）和泵（3）；其特征在于：
所述的封隔模块具有结构相同的上、下两级伞状封隔杆系，分别处于目标矿物层与上覆地层的下边界、目标矿物层与下伏地层的上边界；
所述的伞状封隔杆系的异形上顶盖（7）、上压盖（12）、上压盘（14）和短套垫圈（41）固连在一起构成支撑导向组件，其中异形上顶盖（7）、短套垫圈（41）的中心通孔与活动中心管（5）紧配合；
所述的伞状封隔杆系的过渡压盘（21）与活动中心管（5）滑动连接；
所述的伞状封隔杆系的异形挡圈（101）固定在套管柱（6）的内壁上；所述的异形上顶盖（7）为切去两圆弧的板状结构，与异形挡圈（101）的缺口相对应，异形上顶盖（7）穿过异形挡圈（101）的缺口旋转90度后上提，能够被异形挡圈（101）的侧围挡住；
所述的伞状封隔杆系的下压盘（19）和下压盖（22）固连构成上提组件，该上提组件与活动中心管（5）底端固定连接；
所述的钻机（1）通过动力头（2）带动开采模块中的具有双层结构的活动中心管（5）以及伞状封隔杆系的上提组件向上运动，进而驱动能够轴向折叠、径向挤扩的封隔模块中的上、下两级伞状封隔杆系。
2.根据权利要求1所述的一种用于分段开采的热敏伞式封隔器，其特征在于：所述的开采模块包括活动中心管（5）、伸缩喷管（24）和抽吸管（25）；
所述的活动中心管（5）为双层结构，具有外层环状空间和内层管状空间，外层环状空间与伸缩喷管（24）连通，内层管状空间与抽吸管（25）连通；
泵（3）提供喷射和抽吸的动力，由外层环状空间向下泵入高压热水或蒸汽，从伸缩喷管（24）喷出；目标矿物通过抽吸管（25）、内层管状空间抽吸到地表，活动中心管（5）的底部密封。
3.根据权利要求1所述的一种用于分段开采的热敏伞式封隔器，其特征在于：所述的封隔模块的伞状封隔杆系还包括挡圈（10）、双层耐高温橡胶（15）、仿生上弓臂（16）、下弓臂（18）、过渡弓臂连杆（20）和热敏金属片（23）；
所述的挡圈（10）在上、下边缘具有曲面结构，与双层耐高温橡胶（15）的圆弧形状相配合；
所述的套管柱（6）内壁上设置有螺纹，挡圈（10）通过螺纹固定连接在套管柱（6）的内壁上；
所述的上压盖（12）固定在短套垫圈（41）外表面，上压盘（14）固定连接在短套垫圈（41）的底端；
三个所述的下压盘（19）分别固定在活动中心管（5）的底端相应位置，下压盖（22）固定在活动中心管（5）的底端；
所述的双层耐高温橡胶（15）的上端被上压盖（12）和上压盘（14）夹持住，双层耐高温橡胶（15）的下端被下压盖（22）和最底层的下压盘（19）夹持住；
所述的热敏金属片（23）采用耐高温强力胶粘结于双层耐高温橡胶（15）之间，当注入高温蒸汽或热水时，热敏金属片（23）膨胀变形；
所述的仿生上弓臂（16）仿造人脚的结构，包括腿部、脚跟和脚尖，仿生上弓臂（16）上端相当于人体的腿部，与上压盘（14）铰接，仿生上弓臂（16）下端相当于人体的脚跟和脚尖，脚尖部分处于双层耐高温橡胶（15）的弯曲处，脚跟部分与下弓臂（18）铰接；
所述的过渡压盘（ 21 ）为两个，均滑动连接在活动中心管（ 5）下端相应位置，过渡压盘（ 21 ）的端部用过渡弓臂连杆（ 20）与下弓臂（ 18 ）的靠近中部的位置铰接。
4.根据权利要求3所述的一种用于分段开采的热敏伞式封隔器，其特征在于：所述的仿生上弓臂（16）和下弓臂（18）在上压盘（14）、下压盘（19）和过渡压盘（21）的圆周方向上均匀地布置四组以上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121219 Termination date: 20131221 |