CN103174398B - 一种可钻式压裂桥塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可钻式压裂桥塞，属于石油行业压裂完井领域。本发明可钻式压裂桥塞采用整体式卡瓦，卡瓦的外表面均布有斜三角形锚牙；该桥塞的传压通道内设计有单流阀。本发明桥塞在坐封时卡瓦可均匀地贴附于套管内壁，受力均匀，对套管的伤害小；本发明采用单流阀的方式保证了活塞坐封后不后退，省掉了防回缩机构，缩短了桥塞的长度；在实施压裂时，本发明的传压通道结构可以使桥塞压力腔内的压力不小于施工的最高压力，保证了桥塞封堵的可靠性；本发明的各个部件除单流阀处的弹簧外全部采用非金属材料，确保了桥塞的易钻性，可完全钻除，且大大缩短了作业时间。

Description

一种可钻式压裂桥塞

技术领域

本发明属于石油行业压裂完井领域，具体涉及一种可钻式压裂桥塞，适用于油井和气井的压裂究井，尤其是高压、高温和高含硫天然气井的压裂完井。

背景技术

为了更好地开发低渗透油藏，实施压裂增产是一项必不可少的措施，由于井段长，油层多而厚，笼统压裂效果较差，采用分层、分段压裂可以提高压裂效果。目前国内外普遍采用压裂桥塞分段压裂来有效开发低渗透油藏。目前油田用于压裂完井的桥塞主要有可捞式和可钻式两大类，在实施大型压裂时，卡瓦牙对套管的咬痕可达0.5～1mm深，当井的产出物含硫或含二氧化碳时，该咬痕可加速套管的腐蚀，缩短套管的使用寿命，导致套管提前穿孔，甚至导致该井报废。而且，现有可钻桥塞钻除时间需要一至两个小时，甚至更长，会对套管造成一定的损伤。

具体来说，现有技术有如下几种：

1，专利号为99211381.4的实用新型公开了“可钻式桥塞”，其特征在于可钻式桥塞的上接头、缸筒、副活塞、防丢锁块、座封剪钉构成桥塞座封后提出井外部分，其余为留在井下的部分。提出井外部分与留在井下部分连接由座封剪钉和防丢锁块将上接头与芯轴连接为一体。上接头与芯轴为龙骨件，其余各件与龙骨件连接而构成可钻式桥塞。该专利提供了一种使用寿命长，耐温能力高(＞350℃)，下井过程中抗软、硬阻能力强，作业只需一次下管柱即可完成桥塞座封和注灰的可钻式桥塞。

2，专利号为200320131681.2的实用新型公开了“两用挤注型可钻式桥塞”，其特征在于由丢手接头、卡瓦、中心管、滑套等组成桥塞主体。它的特殊之处在于中心管内装有滑套，在冲砂或洗井时，液体能够直接通过滑套内控完成作业；在挤注水泥浆时利用投入钢球到滑套上憋压使桥塞坐封，坐封后再继续升压剪断限位剪钉，使滑套让出中心管上出液孔实现挤注水泥浆的目的。由胶塞、胶塞芯子、卡簧组成胶塞部分，目的是阻止堵剂回流，实现封堵的功能。该专利实现了在同一根油管柱上连续进行冲砂洗井及挤注水泥浆作业的功能，主要适合于水层疏松大量出砂的状况向水层挤入水泥浆堵剂进行封堵。

3，专利号为US2005/0189103A1的发明公开了“Drillablebridgeplug(可钻桥塞)”(如图3-3所示)，其特征在于该桥塞有一个芯轴，芯轴上装有密封组件，密封组件两端有多个垫片以及上/下卡瓦，上/下卡瓦两端还依次装配上/下椎体，且上/下椎体及上/下卡瓦均装有防轴向移动及转动的机构。可用于油井卡堵水、注灰等作业。

4，QSA型可捞可钻式桥塞的设计与使用(周承民等，石油矿场机械，2004，33(3)：90～91)介绍了一种用于井下卡封的桥塞，该桥塞主体部分由铸铁材料制作，主要有坐封机构、锚定机构、密封机构等部分组成。采用独特的自锁机构，具有可靠的双向承压能力，无需上覆灰面，即可实现密封。它可用电缆坐封工具或液压坐封工具送进坐封，实现封卡下部高含水层，是一种可靠、有效的井下封堵工具。

5，电缆式坐封工具及可钻式桥塞(刘化国等，石油机械，1994，22(11)：53～57)介绍了一种适用于Φ139.7mm套管的直井和不大于200的斜井，能对薄夹层、严重漏失层、高温层及气层进行分层试油和对生产井水层进行封堵的可钻式桥塞，主体材料采用铸铁制作，卡瓦采用整体式。

从上述分析可以看出，现有技术中记载可钻式桥塞的文献及专利较多，但所提及的可钻式桥塞均没涉及压裂领域，也未发现能实现对套管低伤害的桥塞。另外，现有桥塞的防回缩机构增加了桥塞的长度，因此现有的可钻桥塞的钻塞时间均较长，少则2-3小时，多则十几个小时都有，工作效率低。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种可钻式压裂桥塞，其在实施压裂时对套管的伤害低，能有效保护套管，延长套管使用寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可钻式压裂桥塞，包括中心管8以及从上到下依次套在中心管8上并与中心管8同轴线的的挡环1、活塞6、卡瓦7、下椎体10、胶筒11和保护碗12；

所述卡瓦7为整体式卡瓦，其为套筒结构，在其外表面上均布有斜三角形锚牙13，所有斜三角形锚牙13的倾斜方向都是朝同一个方向。本发明的卡瓦设计成整体式结构并带有锚牙的目的是增大桥塞卡瓦和套管的接触面积，以减少对套管的损伤。

所述卡瓦7的外表面为圆柱形表面，其中心孔依次包括上锥形孔、圆柱孔和下锥形孔；所述圆柱孔的孔壁与所述中心管8的外表面接触；上锥形孔和下锥形孔的最小直径均与所述圆柱孔的直径相等，上锥形孔和下锥形孔的最小直径处分别与所述圆柱孔的两端连接；所述卡瓦7通过外表面上的卡瓦箍簧9固定住。

所述挡环1的内孔为与其同轴线的阶梯状通孔，其上部分为小孔径段，下部分为大孔径段，所述小孔径段的孔壁与所述中心管8的外表面接触，在小孔径段的孔壁上开有环形槽，在所述环形槽内装有O型胶圈3。

所述活塞6的内孔为与其同轴线的阶梯状通孔，其上部分为大孔径段，下部分为小孔径段，所述大孔径段套在所述挡环1的外表面上，小孔径段的孔壁与所述中心管8的外表面接触；

坐封前，所述活塞6通过位于其上部的坐封启动剪钉2固定在挡环1的外表面上；所述活塞6的大孔径段与小孔径段的过度处形成一台阶，所述挡环1的下端面顶住所述台阶，这样挡环1、活塞6和中心管8围成一个传压空间，所述O型圈3用于密封该传压空间；

在对应所述传压空间的所述中心管8的管壁上开有与中心管8的轴线垂直的传压通道，所述传压通道将中心管8的内腔与所述传压空间连通。

自中心管8的内壁向外壁，所述传压通道依次包括连续的且同轴线的小圆柱孔、锥形孔和大圆柱孔；所述小圆柱孔的一端位于中心管8的内壁上，另一端与所述锥形孔的最小直径处连接，所述锥形孔的最大直径处与连所述大圆柱孔的一端连接，所述大圆柱孔的另一端位于中心管8的外壁上；所述锥形孔的最小直径与所述小圆柱孔的直径相等，所述锥形孔的最大直径与所述大圆柱孔的直径相等。

在所述传压通道与传压空间内装有单流阀，所述单流阀包括球4和弹簧5；所述球4位于传压通道的锥形孔内，球4的一端顶在所述锥形孔的锥面上，另一端与弹簧5的一端连接，弹簧5的另一端穿出所述大圆柱孔后连接在所述挡环1的大孔径段的孔壁上，当压力达到要求时，中心管8内腔中的流体推开球4流入传压空间内，由于锥形孔的作用，传压空间内的流体不能流入中心管8内。采用单流阀的方式设计，缩短了桥塞的长度，目的是减少钻塞的工作量

在与活塞6的内表面接触处的所述挡环1下端的外表面上开有环形槽，在环形槽内装有密封圈，用于挡环1与活塞6之间的密封；在与所述中心管8的外表面接触处的所述活塞6下端的内表面上开有环形槽，在环形槽内装有密封圈，用于活塞6与中心管8之间的密封。

所述活塞6下端的外表面为锥形面，其插入到所述卡瓦7的上锥形孔内；所述下椎体10的外表面为锥形面，其插入到所述卡瓦7的下锥形孔内；

所述胶筒11的上端面与所述下椎体10的下端面接触，下端面带有斜面，插入到所述保护碗12的锥形孔内。

所述挡环1、剪钉2、球4、活塞6、卡瓦7、中心管8、卡瓦箍簧9、下椎体10、胶筒11和保护碗12均采用非金属材料制成，目的是增加它的可钻性；其中胶筒11和保护碗12采用橡胶材料制成，其它的采用可钻的高强度非金属材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)由于本发明桥塞采用整体式卡瓦，坐封时卡瓦可实现均匀地贴附于套管内壁，受力均匀；

(2)由于本发明的卡瓦与套管是点接触，卡瓦牙咬进套管的深度小于0.5mm，所以对套管的伤害小；

(3)本发明的各个部件除单流阀处的弹簧外全部采用非金属材料，确保了桥塞的易钻性；

(4)本发明的传压通道采用单流阀的方式保证了活塞坐封后不后退，省掉了防回缩机构，缩短了桥塞的长度，从而减少了钻塞工作量和钻塞时间，采用本桥塞，钻塞时间可控制在20-30分钟，从而大大提高了工作效率；而且，在实施压裂时，该传压通道结构还可以使桥塞压力腔内的压力不小于施工的最高压力，保证了桥塞封堵的可靠性；

(5)钻塞时，钻掉本发明中的挡环及以上部分后即可实现桥塞解封，大大缩短了作业时间。

附图说明

图1是本发明可钻式压裂桥塞的结构示意图。其中，1为挡环，2为坐封启动剪钉，3为O型胶圈，4为球，5为弹簧，6为活塞，7为卡瓦，8为中心管，9为卡瓦箍簧，10为下椎体，11为胶筒，12为保护碗，13为斜三角形锚牙。

图2是图1中的单流阀的局部放大图。

图3是图1中的卡瓦的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种可钻式压裂桥塞，包括中心管8以及依次套在中心管8上并与中心管8同轴线的的挡环1、活塞6、卡瓦7、下椎体10、胶筒11、保护碗12；

所述卡瓦7为整体式卡瓦，其为套筒结构，其外表面为圆柱形表面，在其外表面上均布有斜三角形锚牙13，如图3所示，所有斜三角形锚牙13的倾斜方向都是朝同一个方向；其中心孔依次包括上锥形孔、圆柱孔和下锥形孔；所述圆柱孔的孔壁与所述中心管8的外表面接触；上锥形孔和下锥形孔的最小直径均与所述圆柱孔的直径相等，上锥形孔和下锥形孔的最小直径处分别与所述圆柱孔的两端连接；所述卡瓦7通过外表面上的卡瓦箍簧9固定住。设计成整体式卡瓦并带有锚牙的目的是增大桥塞卡瓦和套管的接触面积，以减少对套管的损伤。

所述挡环1的内孔为其同轴线的阶梯通孔，其小孔径段的孔壁与所述中心管8的外表面接触，在该段的内表面上开有环形槽，在所述环形槽内装有O型胶圈3，用于密封挡环1、活塞6和中心管8围成的传压空间；

所述活塞6的内孔为与其同轴线的阶梯状通孔，其大孔径段套在所述挡环1的外表面上，小孔径段的孔壁与所述中心管8的外表面接触，坐封前，所述活塞6通过上部的坐封启动剪钉2固定在挡环1上，大孔径段与小孔径段的过度处形成一台阶，所述挡环1的下端面顶住所述台阶，这样挡环1、活塞6和中心管8围成一个传压空间，在所述传压空间内的中心管8的管壁上开有与其轴线垂直的传压通道，所述传压通道将中心管8的内腔与所述传压空间连通。

所述传压通道自中心管8的内壁向外壁依次包括连续的且同轴线的小圆柱孔、锥形孔和大圆柱孔，所述小圆柱孔的一端位于中心管8的内壁上，另一端与所述锥形孔的最小直径处连接，所述锥形孔的最大直径处与连所述大圆柱孔的一端连接，所述大圆柱孔的另一端位于中心管8的外壁上；所述锥形孔的最小直径与所述小圆柱孔的直接相等，所述锥形孔的最大直径与所述大圆柱孔的直径相等。

如图2所示，在所述传压通道与传压空间内装有单流阀，所述单流阀包括球4和弹簧5；所述球4位于锥形孔内，球4的一端顶在所述锥形孔内，另一端与弹簧5的一端连接，弹簧5的另一端连接在所述挡环1的大孔径段的孔壁上，当压力达到要求时，中心管8内腔中的流体推开球4流入传压空间内，由于锥形孔的作用，传压空间内的流体不能流入中心管8内。传压通道采用单流阀的方式设计，缩短了桥塞的长度，目的是减少钻塞的工作量。

在与活塞6的内表面接触处的所述挡环1下端外表面上开有环形槽，在环形槽内装有密封圈，用于挡环1与活塞6之间的密封；在与所述中心管8的外表面接触处的所述活塞6下端的内表面上开有环形槽，在环形槽内装有密封圈，用于活塞6与中心管8之间的密封。

所述活塞6下端的外表面为锥形表面，其插入到所述卡瓦7的上锥形孔内；所述下椎体10的外表面为锥形表面，其插入到所述卡瓦7的下锥形孔内；

所述胶筒11的上端面与所述下椎体10的下端面接触，下端面带有斜面，插入到所述保护碗12的锥形孔内。

本发明桥塞中，各部件除单流阀处的弹簧外全部采用非金属材料，目的是增加它的可钻性。

具体来说，挡环1的作用是对活塞6进行限位；坐封启动剪钉2的作用是限定启动压力；O型胶圈3的作用是密封挡环1、活塞6和中心管8围成的空腔；球4的作用是让进入挡环1、活塞6和中心管8围成的空腔液体只进不出；弹簧5的作用是对球4进行限位；活塞6的作用是将液压力转化为机械推力；卡瓦7的作用是铆钉桥塞；中心管8的作用是衔接上下管柱；卡瓦箍簧9的作用是固定卡瓦；下椎体10的作用是限位卡瓦7；胶筒11的作用是密封环空；保护碗12的作用是保护胶筒11；斜三角型锚牙13的作用是锚定，并尽量减少锚定对套管的伤害。

本发明桥塞的工作过程及工作原理如下：通过井口打压，高压液体通过传压通道进入由挡环1、活塞6和中心管8围成的空腔内，推动活塞6下行，活塞6通过锥面推动卡瓦7向外扩展，直至斜三角型锚牙13锚定在套管上，完成桥塞坐封。钻塞时，钻掉挡环及中心管母扣端的一部分，即将由挡环1、活塞6、中心管8围成的空腔内的液体放出后，桥塞即可实现解封。

本发明属于石油行业压裂完井领域中的一种封隔器，主要适用于油井和气井的压裂完井，尤其是“三高”(高压、高温和高含硫)天然气井的压裂完井。随着世界经济快速发展和对油气需求的不断上升，随着我国油气勘探领域的不断扩大和勘探开发程度的逐步提高，低渗透油藏及“三高”油藏成了保障油气供应的重要阵地，这些油藏大部分自然产能不足，需要压裂生产。我国低渗透油田储量在探明未动用石油地质储量中，所占比例高达60％以上，占全国石油资源量的30％。采用桥塞压裂是目前世界范围内实施油井压裂的主要方式，本发明可用于以上油藏进行压裂，因此具有广阔的应用前景。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (9)

1.一种可钻式压裂桥塞，其特征在于：所述可钻式压裂桥塞包括中心管(8)以及从上到下依次套在中心管(8)上并与中心管(8)同轴线的挡环(1)、活塞(6)、卡瓦(7)、下椎体(10)、胶筒(11)和保护碗(12)；

所述卡瓦(7)为整体式卡瓦，其为套筒结构，在其外表面上均布有斜三角形锚牙(13)，所有斜三角形锚牙(13)的倾斜方向都是朝同一个方向；

所述活塞(6)的内孔为与其同轴线的阶梯状通孔，其上部分为大孔径段，下部分为小孔径段，所述大孔径段套在所述挡环(1)的外表面上，小孔径段的孔壁与所述中心管(8)的外表面接触；

坐封前，所述活塞(6)通过位于其上部的坐封启动剪钉(2)固定在挡环(1)的外表面上；所述活塞(6)的大孔径段与小孔径段的过度处形成一台阶，所述挡环(1)的下端面顶住所述台阶，这样挡环(1)、活塞(6)和中心管(8)围成一个传压空间；

在对应所述传压空间的所述中心管(8)的管壁上开有与中心管(8)的轴线垂直的传压通道，所述传压通道将中心管(8)的内腔与所述传压空间连通。

2.根据权利要求1所述的可钻式压裂桥塞，其特征在于：所述卡瓦(7)的外表面为圆柱形表面，其中心孔依次包括上锥形孔、圆柱孔和下锥形孔；所述圆柱孔的孔壁与所述中心管(8)的外表面接触；上锥形孔和下锥形孔的最小直径均与所述圆柱孔的直径相等，上锥形孔和下锥形孔的最小直径处分别与所述圆柱孔的两端连接；所述卡瓦(7)通过外表面上的卡瓦箍簧(9)固定住。

3.根据权利要求2所述的可钻式压裂桥塞，其特征在于：所述挡环(1)的内孔为与其同轴线的阶梯状通孔，其上部分为小孔径段，下部分为大孔径段，所述小孔径段的孔壁与所述中心管(8)的外表面接触，在小孔径段的孔壁上开有环形槽，在所述环形槽内装有O型胶圈(3)。

4.根据权利要求3所述的可钻式压裂桥塞，其特征在于：

所述O型胶圈(3)用于密封该传压空间。

5.根据权利要求4所述的可钻式压裂桥塞，其特征在于：自中心管(8)的内壁向外壁，所述传压通道依次包括连续的且同轴线的小圆柱孔、锥形孔和大圆柱孔；所述小圆柱孔的一端位于中心管(8)的内壁上，另一端与所述锥形孔的最小直径处连接，所述锥形孔的最大直径处与所述大圆柱孔的一端连接，所述大圆柱孔的另一端位于中心管(8)的外壁上；所述锥形孔的最小直径与所述小圆柱孔的直径相等，所述锥形孔的最大直径与所述大圆柱孔的直径相等。

6.根据权利要求5所述的可钻式压裂桥塞，其特征在于：在所述传压通道与传压空间内装有单流阀，所述单流阀包括球(4)和弹簧(5)；所述球(4)位于传压通道的锥形孔内，球(4)的一端顶在所述锥形孔的锥面上，另一端与弹簧(5)的一端连接，弹簧(5)的另一端穿出所述大圆柱孔后连接在所述挡环(1)的大孔径段的孔壁上。

7.根据权利要求6所述的可钻式压裂桥塞，其特征在于：在与活塞(6)的内表面接触处的所述挡环(1)下端的外表面上开有环形槽，在环形槽内装有密封圈，用于挡环(1)与活塞(6)之间的密封；在与所述中心管(8)的外表面接触处的所述活塞(6)下端的内表面上开有环形槽，在环形槽内装有密封圈，用于活塞(6)与中心管(8)之间的密封。

8.根据权利要求7所述的可钻式压裂桥塞，其特征在于：所述活塞(6)下端的外表面为锥形面，其插入到所述卡瓦(7)的上锥形孔内；所述下椎体(10)的外表面为锥形面，其插入到所述卡瓦(7)的下锥形孔内；

所述胶筒(11)的上端面与所述下椎体(10)的下端面接触，胶筒的下端面带有斜面，插入到所述保护碗(12)的锥形孔内。

9.根据权利要求8所述的可钻式压裂桥塞，其特征在于：所述胶筒(11)和保护碗(12)采用橡胶材料制成，所述挡环(1)、剪钉(2)、球(4)、活塞(6)、卡瓦(7)、中心管(8)、卡瓦箍簧(9)、下椎体(10)采用可钻的高强度非金属材料制成。