CN1031742A - 旋转轨道卡瓦式封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改进的油、气井用旋转轨道卡瓦式封 隔器，特别是使用外径为139.7毫米套管的旋转轨道 卡瓦式封隔器。本发明封隔器由封隔密封、卡瓦锚、 锁紧装置和轨道转向四部分组成。其特征是卡瓦锚 的卡瓦的主要设计参数如片数、厚度、宽度、卡瓦牙面 长度同时达到优选设计值；卡瓦托是组合结构；卡瓦 锚的组装形式为逐片组装而不是整体组装；提供了新 型锁紧装置和改进的J型滑动槽。

Description

本发明涉及改进的油、气井用旋转轨道卡瓦式封隔器，特别是使用外径为139.7毫米套管时的旋转轨道卡瓦式封隔器。

卡瓦式封隔器是油、气田用的重要井下工具之一，它的各种性能直接关系到油、气田工艺改造。卡瓦式封隔器可防止油管柱的轴向移动，所用胶筒为压缩式，一般均靠下放一定管柱重量坐卡和坐封。中原油田的油、气埋藏深、渗透率低，采油工艺复杂。目前油田大量采用的胜利油田产品SL251-6型卡瓦式封隔器，由于设计不够合理，所以安全坐封载荷小，对于中原油田三千米左右的深井来说常易导致卡瓦锚将套管挤毁，操作困难，往往造成井下发生卡、断、脱的事故。曾采用引进的哈里伯顿等公司的卡瓦式封隔器也往往同样被卡在井下起不出来。

目前油、气田所用卡瓦式封隔器，其卡瓦锚的卡瓦托均为整体式，卡瓦锚由限位套、楔形体、卡瓦和卡瓦托组成。卡瓦的片数大多数为四片，也有少数产品采用六片结构，但为了适应装配关系其六片结构卡瓦的厚度必须减薄。在整体装配形式下，无论卡瓦的片数是四片还是六片，卡瓦的最大宽度不得大于与楔形体组装时楔形体端面各卡瓦槽限定卡瓦所构成的最小正N边形（N＝4～6）的边长，因此这种整体装配结构有下列缺点：（1）需要一定的专用装配工具，否则难于装配;（2）卡瓦的片数、厚度、宽度、牙面长度等主要参数相互制约，它们无法同时达到优化设计值，从而导致卡瓦锚达不到主要设计性能。从理论上分析，封隔器承载后，套管壁上的应力分布状态与卡瓦片数、牙面长度、宽度和厚度有直接关系，尤其是卡瓦的片数影响最大。现有技术的卡瓦锚，由于其结构所限，使各项设计参数不能同时达到优选设计值，所以这类封隔器本身的承载能力低，套管壁上的应力分布极不均匀，是造成井下事故的重要原因之一。

其次，现有技术的扶正器与卡瓦锚的连接结构都采用整体联动式，这种结构的缺点如下：当扶正器的轨道销钉在J形槽的上死点与下死点之间往复运动时，带动卡瓦锚的卡瓦托与其相随而动，因此卡瓦也随之一起动作。由于楔形体的燕尾键槽的斜面作用，使卡瓦的设计尺寸得不到保证。为了在扶正器上窜时卡瓦的径向设计尺寸得到保证，唯一的做法是将卡瓦厚度减薄，这样做的后果是卡瓦容易断裂或脱落，而且使卡瓦牙面长度减小。因此必须改造这种扶正器与卡瓦锚的整体联动结构。

第三，目前我国使用的国内各油田以及引进的哈里伯顿、贝克、卡莫柯的各种旋转坐封的封隔器，由于它们的J型轨道槽均采用J型盲槽式，其坐封方式均采用传统的方式，即先将油管柱上提至坐封高度后，也就是使轨道销钉处于J型槽下死点，然后边旋转边下放油管柱，使轨道销钉的运动轨迹成为一种合成运动，轨道销钉在合成运动下被导入J型轨道槽长轨后进行坐封，由于这种轨道槽上死点为盲槽式，在坐封操作上相当困难，特别是中原油田的深井操作就更加困难。还因为轨道销钉合成运动的轴向有效行程不大于50毫米，在此50毫米轴向下放过程中，一旦合成运动不谐调，就易使轨道销钉导入J型槽上死点，从而不可能坐封成功，这种情况一旦发生，唯一的办法是将油管柱提起，再重复前述过程，直到产生坐封。特别是在中原油田深井作业中，要在如此小的轴向有效行程情况下产生稳靠的坐封是难于得到保证的，也即既难确定旋转圈数;又难于保证合适的坐封载荷，有时甚至无法坐封。在国外也有采用J型滑槽式轨道转向结构的，但很少，这种J型滑槽式，因坐封轨道销钉处于J型滑槽的短轨道上死点，可使坐封操作的合成运动分解为分步操作，先旋转再下放，其先决条件是必须使滑面39尽可能地大，滑面角度α尽可能保证在10～15°之间（见附图7），否则轨道销钉容易因油管柱下放速度快而产生蠕动及扭曲，从而自动滑出滑面39进入长轨道41中，以致产生误坐（见附图7）。美国专利说明书3，386，764介绍了一种J型轨道槽，它就是J型滑槽式，但由于其卡瓦锚与扶正器的连接方式是整体联动式，所以它仍具有该整体联动式的基本缺点。为了尽可能保证卡瓦厚度（从该说明书附图中可明显地看出，其卡瓦厚度已大为减薄），该发明已将其J型轨道槽的短轨道槽的轴向移动距离L限制到最小值，J型滑槽的滑动长度、滑动角度及轨道斜面的43角都处于一种不佳状态。为了使轨道槽斜面的43角尽可能小以便保证其自动复位功能，该发明已将J型轨道槽的短槽下部的形状作了不理想的修正。此外，这种J型滑槽式封隔器在操作时还需要有足够的右旋圈数，可见其操作的可靠性也是难于得到保证的。

本发明的目的在于提供一种改进的旋转卡瓦式封隔器，特别是提供新型的卡瓦锚结构和卡瓦锚与扶正器的锁紧分动式结构以及改进的J型滑槽式轨道槽，以改善套管的受力状态，防止卡瓦的断裂与脱落，同时提高坐封成功率，减轻工人劳动强度。

经过多年的研究，通过理论上的计算，按照本发明最佳实施方案，上述目的已经完全达到。本发明提供一种新型结构的卡瓦锚，并将其整体组装形式改变为逐片组装形式，以保证卡瓦的主要设计参数同时达到优化设计值;本发明还设计了新型锁紧装置，将扶正器与卡瓦锚的连接结构从整体联动式改为锁紧分动式，以进一步保证卡瓦锚的各重要参数同时达到优化设计值;将J型轨道槽改进为新型J型滑动槽，从而提供了一种改进的旋转轨道卡瓦式封隔器。

本发明封隔器见附图1，由封隔密封、卡瓦锚、锁紧装置和轨道转向四部分组成。封隔密封部分由上部接头1、长胶筒3、7、短胶筒5、隔环4等组成。卡瓦锚部由楔形帽8、楔形体10、卡瓦17、组合卡瓦托14、19、20、21组成。锁紧装置由护罩22、锁球23（直径为14毫米）、锁球套37、四个挡球套29、中心管锁球环槽24组成。轨道换向部分由摩擦块31、压缩弹簧32、扶正器30、轨道销钉34、轨道中心管11组成。

在封隔器下井过程中，轨道销钉34处于短轨道位置38，当封隔器下至设计井深的坐封高度，旋转油管柱1～2圈，使轨道销钉34自动换入长轨道41，再下放管柱，轨道换向部分沿长轨道41相对滑动，自动释放紧锁装置，使卡瓦锚锚定在管套内壁上，再继续下放管柱，由于管柱的重量压缩胶筒3、5、7，从而密封油套环形空间。本发明封隔器可用于水力活塞采油、卡堵水、找水、气举采油、下气锚、分层压裂、分层试油等。本发明封隔器所用套管内径为118.6～127.3毫米，特别是127.3毫米。

现有技术卡瓦锚的卡瓦托是整体结构，其装配顺序是：将卡瓦全部装入卡瓦托上的T型槽内，并使卡瓦组成的N边形保持在最小内切圆直径上，然后从轴向方向由上往下将卡瓦全部装入楔形体的燕尾槽中，这种整体结构使卡瓦的主要设计参数不能同时达到优化设计值。本发明从理论上研究了卡瓦的主要设计参数，其结果见附图2，假设：套管外径为139.7毫米，套管厚度为6.2毫米，坐封载荷为100千牛时，分别计算了卡瓦数N＝3、4、6三种卡瓦锚的卡瓦牙面半径的变化与套管段圆形上周向应力σ_θ变化的关系曲线。其中，OD代表外壁应力曲线，ID代表内壁应力曲线。关于θ_K可见附图3，其中θ_K为卡瓦牙面的半角，α为套管内壁的半径，q为单位卡瓦牙面与套管内壁接触的径向载荷。从附图2各曲线对比可见，N＝3时周向应力最大，而N＝6时周向应力最小，当周向应力大时容易将套管挤毁，因此N越大σ_θ越小，在附图2情况下以N＝6最能保护套管不致被挤毁。从内外壁应力曲线的对比看来，在N相等的两条内、外壁应力曲线交点的左侧，随着θ_K的减小，外壁周向应力曲线的斜率逐渐增加;而内壁周向应力曲线的斜率逐渐减小，因此，内、外壁周向应力曲线的交点就是θ_K值的最小临界值。θ_K值是套管内半径α、套管外半径b、套管壁厚δ、卡瓦片数N的函数，即θ_K＝f（a、b、δ、N），如将上述各函数值代入θ_K优化公式，就可计算出相应的θ_K最小值，这时也就确定了在一定条件下卡瓦牙面的最小宽度。

根据上述理论，设计出一种新型封隔器卡瓦锚，该卡瓦锚主要由楔形帽8，楔形体10、限位螺栓12、紧固螺栓14、卡瓦17、小卡瓦挡块19、大卡瓦挡块20、连接环21八部分组成，见附图4。附图4A是卡瓦锚卡瓦部分A-A横截面图，附图4B是卡瓦托连接环部分的B-B横截面图。卡瓦锚的主要设计值全部满足了各优化设计值，主要体现以下几个主要方面：

1、新的卡瓦锚的N片（N＝4-6）卡瓦在装配前、后所组成的内N边形内切圆的直径φ相同，见附图4A，从而可保证在一定结构下其厚度达到优化设计值，在使用外径为139.7毫米套管时，卡瓦锚的卡瓦厚度的优化设计值为23毫米。

2、当新的卡瓦锚卡瓦的厚度达到优化值和楔形体10的燕尾键槽49的斜面在一定结构下为一定值时，可使卡瓦牙面的长度设计达到优化值，在使用外径为139.7毫米套管时，本发明卡瓦锚卡瓦牙面长度优化设计值为78-108毫米。

3、既然新的卡瓦锚的N片（N＝4～6）卡瓦在安配前，后所组成的N边形的内切圆直径φ相同，则在保证卡瓦厚度的同时也可使N片卡瓦组成的N边形的边长最大，见附图4A，也就是说卡瓦的宽度在一定的结构下达到优化设计值。当使用外径为139.7毫米套管时，本发明卡瓦锚卡瓦的宽度的优化设计值为28～34毫米。

4、当用外径为139.7毫米套管时，新的卡瓦锚的卡瓦片数为6片，根据附图2的分析可见，随着卡瓦片数N的增加，套管壁上的周向应力越小和周向应力趋于均匀分布，但卡瓦的最小宽度又受到卡瓦牙面半角θ_K临界值的限制，因而在一定结构下卡瓦的片数不可能无限制地增加，当用外径为139.7毫米套管时，卡瓦的片数N＝6为最佳值，当用外径为177.8～219.1毫米套管时，卡瓦的片数可达到8。

表1示出了本发明封隔器卡瓦锚卡瓦的主要设计参数的实施例与国内外同类产品〔SL251-6（胜利油田）、哈里伯顿公司（美国）贝克公司（美国）〕的比较，从其中可见本发明卡瓦锚的优越性。

表1

附图5示出了本发明封隔器卡瓦锚在坐封载荷Q＞19.6千牛、套管外径D为139.7毫米、壁厚δ＝7.72毫米的条件下，与SL251-6（胜利油田），哈里伯顿公司、贝克公司同类产品在套管内壁（ID）、套管外壁（OD）的周向应力分布σ_θ的比较，从图中可见本发明套管内、外壁上的周向应力最小和分布最均匀，从而使套管不被卡瓦锚所挤毁。

5、为了满足设计的条件，将整体卡瓦托改为组合卡瓦托，改进后的卡瓦托由三块小卡瓦挡块19，三块大卡瓦挡块20、连接环21和九个紧固螺栓14组成（见附图4、4B），由一个大卡瓦挡块和二个相邻的小卡瓦挡块组成二个完整的T形槽18、具体尺寸视T形槽与中心轴经大小而定。新的卡瓦锚的装配方式如下：先将卡瓦17全部装入楔形体10的燕尾键槽49中，然后从径向方向将三个卡瓦大挡块20和三个卡瓦小挡块19全部装入由二个相邻卡瓦面组成的T型槽18中，再将六个卡瓦挡块的径向定位环面47全部装入连接环21的径向定位环形槽中，再将紧固螺栓14穿过连接环21的圆孔13与六个卡瓦挡块的螺孔50拧紧。

本发明封隔器的扶正器（见附图6）由扶正体30、六块摩擦块31、36个压缩弹簧32、二个轨道销钉34、压帽35组成。本发明封隔器的锁紧装置由护罩22、挡球套29、四个锁球23（直径为14毫米），锁球套37、中心管锁球环槽24组成，护罩22和锁球套37通过内外螺纹15、16连接为一体，锁球套37的圆柱面上均匀分布四个锁球孔25，锁球套37下端有一凸缘44可防止挡球套29脱落，挡球套29内圆柱面上有一个锁球环槽28，其下端与扶正器连接为一体，中心管11上有一锁球环槽24，四个锁球23分别装在锁球孔25及中心管锁球环槽24中。锁紧装置的装配顺序如下：将锁球套37装在中心管11上，并使锁球套37上的锁球孔25与锁球环槽24对正后装上锁球23，再将挡球套29装在锁球套37上。由于锁球套37上凸绿44的作用使挡球套29不会脱落，通过螺纹16将护罩22与锁球套37接在一起，螺纹15又将护罩22与连接环21连接在一起，螺纹45又将挡球套37与扶正器连接为一体。当扶正器的轨道销钉34在J型轨道槽33短槽的上死点38和下死点40之间移动时（见附图7），带动挡球套29与锁球套37作相对运动，其移动距离L不足以使挡球套29上的环槽28与锁球套37上的锁紧孔25相吻合。在挡球套29上的圆柱面27的作用下，使锁球23不能退出中心管11上的锁球环槽24，因而锁球套37不随扶正器的轴向移动而移动。由于锁球套37不解锁，从而保证组合卡瓦托（14、19、20、21）不随之而动，结果卡瓦的径向设计尺寸可被保证在一定结构下的最佳值，便卡瓦锚的主要优化设计参数得到进一步保证。这种连接卡瓦锚与扶正器的锁紧分动式结构是本发明与现有技术相区别的重要特征，因为现有技术封隔器是整体联动式结构，没有锁紧装置这一结构，因此这种结构决定了现有技术卡瓦锚卡瓦的重要设计参数不能同时达到优化设计值。当本发明封隔器的油管柱右旋，同时扶正器的轨道销钉34滑入J型轨道槽33的长槽41（见图7）时，下放油管柱（见图7），由于扶正器的摩擦块31在压缩弹簧32的作用下与套管壁之间产生一种摩擦力，阻止扶正器随油管下放，使挡球套29与锁球套37产生大幅度相对运动。这时使挡球套29上的环槽28与锁球孔25相吻合成为可能，一旦吻合，锁球23退出中心管11上的锁球环槽24，锁球套37解锁，此时护罩22的内上端面46将阻止挡球套29继续上行。由于扶正器摩擦块31与套管壁之间的摩擦力的作用使中心管11与卡瓦锚产生相对运动，在楔形体10的作用下使卡瓦撑开，达到坐封的目的。虽然这种锁紧装置是常用装置，但用到封隔器上来改进封隔器性能还是本发明所首创，锁紧装置使卡瓦锚的主要参数同时达到优化设计值得到进一步保证，并与改进的J型滑槽配合起来，使本发明封隔器性能达到优化设计要求。

本发明J槽轨道槽为J型滑槽式（见附图7）其特征是，在中心管11上开有如附图7所示的两个对称的J型槽，其滑面39的长度为35毫米，滑面水平夹角α为10～15°，J型轨道斜面42的角度43为30～40°，J型轨道槽的短轨道的上死点38与下死点40的中心距L为52毫米。

滑面39的长度愈长愈能有效地防止由于油管下放的速度快而产生蠕动和扭曲所造成的中途误坐封。如滑面水平夹角α过大，则在坐封操作过程中右旋管柱时，对轨道销钉34的滑动过程造成过大的阻力，从而难于实现该坐封操作过程，甚至失败;如滑面水平夹角过小，则在正常作业过程中容易产生中途误坐。如J型轨道斜面42的角度43过大，则将轨道销钉34的自动复位性能破坏;如过小，又将使滑面39的长度偏小，在本发明J型滑槽中将角度43设在30～40°之间是适宜的。

本发明通过优选卡瓦锚的主要设计参数，提供新型卡瓦锚，解决了卡瓦封隔器的卡瓦挤毁套管的关键问题，使卡瓦锚在锚定后，改善套管内的受力状态，达到提高套管抗挤毁的最大安全坐封载荷的目的，以钢级J-55套管为例，可使套管抗挤毁载荷达到294千牛，而哈里伯顿封隔器为121.4千牛。本发明卡瓦锚是由逐片组装卡瓦的形式组装起来的，一方面无需专用装配工具，一方面使得卡瓦的主要设计参数同时达到优化设计值。本发明还在封隔器上首先使用锁紧装置，该锁紧装置的设置使卡瓦锚与扶正器的联动结构改为锁紧分动式结构，从而使卡瓦的径向设计尺寸可保证在一定结构下的最佳尺寸。本发明还解决了J型轨道槽的合理设计问题，不但有效地防止中途误坐，而且彻底地改变了传统式的上提油管柱到坐封高度后，边旋转边下放进行坐封的方式，结构改进后，既能确定正常情况下的旋转圈数，仅能保证一定的坐封载荷，保证在3500米内井深情况下，在地面仅仅旋转1～2圈即可产生稳定坐封的效果，这种效果是突出的，从而提高气，油井作业质量与效率，减轻作业工人的劳动强度。到目前为止，本发明旋转轨道卡瓦式封隔器已经受了现场试验171井次的考验，都做到在地面仅旋转1～2圈，一次坐封成功，从未发现卡瓦挤毁套管从而起不出来的事故，这些试验完全证明本发明设计的合理性、高度灵活性和作业可靠性。

以上仅说明了本发明的一些实施例，根据本发明思想还可有许多不同的变动与改进，应了解到这些变动与改进都属于本发明权利要求的范围。

Claims (6)

1、一种旋转轨道卡瓦式封隔器，其特征在于，所说的封隔器由封隔密封、卡瓦锚、锁紧装置和轨道转向四部分组成，该卡瓦锚的卡瓦17的主要设计参数如片数、厚度、宽度和牙面长度同时达到优化设计值，该卡瓦锚的卡瓦托是由紧固螺栓14、小卡瓦挡块19、大卡瓦挡块20、连接环21组成的组合结构，该卡瓦锚的组装形式是逐片组装，所说的锁紧装置是将卡瓦锚与扶正器连接起来的分动式结构，所说的轨道转向部分是改进的J型滑槽式结构。

2、权利要求1所说的旋转轨道卡瓦式封隔器，其特征在于，所说的卡瓦锚由楔形帽8、楔形体10、限位螺栓12、紧固螺栓14、卡瓦17、小卡瓦挡块19、大卡瓦挡块20、连接环21所组成，所说的卡瓦17的主要设计参数同时达到的优化设计值当使用外径为139.7毫米套管时分别为：卡瓦片数为6片，卡瓦厚度为23毫米，卡瓦宽度为28-34毫米，卡瓦牙面长度为78～108毫米。

3、权利要求1所说的旋转轨道卡瓦式封隔器，其特征在于，所说的卡瓦锚的组合卡瓦托包括三块小卡瓦挡块19和三块大卡瓦挡块20，由所说的六块卡瓦挡块组成一个完整的圆柱面，由一个大卡瓦挡块20和二个与其相邻的小卡瓦挡块19组成二个完整的T形槽18，所说的六个卡瓦挡块19、20的径向定位环面47全部装配在连接环21的径向定位环形槽中，由紧固螺栓14将连接环21与所说的六个卡瓦挡块的螺孔50拧紧。

4、权利要求1所说的旋转轨道卡瓦式封隔器，其特征在于，所说的锁紧装置由护罩22、四个锁球23、锁球套37、挡球套29、中心管11上的锁球环槽24所组成，护罩22和锁球套37通过内外螺纹15、16连接为一体。锁球套37的圆柱面上均匀分布四个锁球孔25，锁球套37下端有一凸绿44可防止挡球套脱落，挡球套29内圆柱面上有锁球环槽28，其下端与扶正器连接为一体。中心管11上有一锁球环槽24、四个锁球23分别装在锁球孔25及中心管锁球环槽24中。

5、权利要求1或4所说的旋转轨道卡瓦式封隔器，其特征在于，所说的锁球23的直径为14毫米。

6、所说的J型滑槽式结构是在中心管11上开出的两个对称J型槽，其滑面39的长度为35毫米，滑面水平夹角为10～15°，J型轨道斜面42的角度43为30～40°，J型轨道槽的上死点38与下死点40的中心距L为52毫米。

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