CN103711453A - 一种分级注水泥器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分级注水泥器，关闭套外壁从上至下依次分为：上竖直面、中竖直面和下竖直面，上竖直面、中竖直面和下竖直面的半径依次减小，上竖直面和中竖直面之间径向设置有凹陷带，本体内壁从上至下顺次相连上内壁面、第一斜面、中内壁面、第二斜面和下内壁面，上内壁面、中内壁面和下内壁面半径依次减小，注水泥孔设置在中内壁面中间，中内壁面的长度与上竖直面的下端到下竖直面的下端的距离相等，初始状态时，中内壁面位于中竖直面以下。本发明通过关闭套外壁各面和本体内壁各面的相应紧密配合，达到对注水泥孔的密封作用，可耐高温、高压，密封效果明显。

Description

一种分级注水泥器

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发领域，特别涉及一种分级注水泥器。

背景技术

分级注水泥器是油井固井时进行分级固井的专用工具，其安装在套管柱中，完成两极或多级注水泥作业的装置。分级注水泥器包括本体、注水泥孔、关闭套、关闭塞、开孔套、剪钉和密封圈，关闭套设置在本体内部的上部，开孔套设置在本体内部且在关闭套的的下方，关闭套和开孔套均通过剪钉与本体固定，注水泥孔径向设置在本体中部，且位于开孔套上端，密封圈分别设置在注水泥孔上下两侧，且位于分别本体和关闭套之间、本体和开孔套之间，分级注水泥器通过打开和关闭注水泥孔，来进行水泥顶替和封固水泥浆。按常规方法进行第一次注水泥作业，然后对该分级注水泥器内部进行蹩压，剪断剪钉使开孔套下移，露出注水泥孔，进行第二次注水泥，投入的关闭塞推动关闭套下行，关闭注水泥孔，完成第二次注水泥作业，密封圈对注水泥孔内部上下两侧进行密封，防止水泥浆倒灌。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

目前注水泥作业完成后，一般通过橡胶“O”型密封圈对注水泥孔进行密封，分级注水泥器用于高温高压井、天然气井、储气库井固井时，密封圈难以耐受高温、高压环境，容易导致密封失效的问题，出现天然气的窜漏和水泥浆倒灌等现象。

发明内容

为了解决现有技术密封圈密封失效的问题，本发明实施例提供了一种分级注水泥器。所述技术方案如下：

一种分级注水泥器，包括本体、注水泥孔、关闭套、关闭塞、第一剪钉、第二剪钉和开孔套，所述关闭套设置在所述本体内部，且所述关闭套的外壁和所述本体的内壁上部紧贴，所述开孔套设置在所述本体内部且在所述关闭套的下方，所述关闭套下端和所述开孔套上端搭接，所述关闭套和所述开孔套均通过所述剪钉与所述本体固定，所述注水泥孔径向设置在所述本体的中部，且位于所述开孔套上端，所述关闭套的外壁从上至下依次分为：上竖直面、中竖直面和下竖直面，所述上竖直面、所述中竖直面和所述下竖直面的半径依次减小，所述上竖直面和所述中竖直面之间径向设置有凹陷带，所述本体内壁从上至下顺次相连上内壁面、第一斜面、中内壁面、第二斜面和下内壁面，所述上内壁面、所述中内壁面和所述下内壁面半径依次减小，所述注水泥孔设置在所述中内壁面中间，所述中内壁面的长度与所述上竖直面的下端到所述下竖直面的下端的距离相等，初始状态时，所述中内壁面位于所述中竖直面以下；

工作时，按常规方法进行第一次注水泥作业，之后对所述分级注水泥器内部进行蹩压，使所述第二剪钉剪断且所述开孔套下移，露出所述注水泥孔，所述水泥通过所述注水泥孔完成第二次注水泥作业，投入所述关闭塞推动所述关闭套下行，直至所述上竖直面的下端和所述上内壁面的下端对应相贴合，所述下竖直面的下端和所述中内壁面的下端对应相贴合。

具体地，作为优选，所述上竖直面半径和所述中竖直面半径的差值、所述关闭套对应所述下竖直面处的厚度、所述上内壁面半径和所述中内壁面半径的差值、以及所述中内壁面半径和所述下内壁面半径的差值均相等。

具体地，作为优选，所述上竖直面的下端和所述上内壁面的下端均为弧面，所述上竖直面的下端弧面的半径小于所述上内壁面的下端弧面的半径。

具体地，作为优选，所述下竖直面的下端和所述中内壁面的下端均为弧面，所述下竖直面的下端弧面的半径小于所述中内壁面的下端弧面的半径。

作为优选，所述上竖直面下端的底角处和所述下竖直面下端的底角处均为半径是0.4毫米的弧面。

作为优选，所述上竖直面的底部与水平线夹角为A，所述第一斜面和水平线夹角为B，所述角A小于等于角B。

作为优选，所述下竖直面的底部与水平线夹角为A’，所述第二斜面和水平线夹角为B’，所述角A’小于等于角B’。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明在关闭套外壁上设置直径依次减小的上竖直面、中竖直面和下竖直面，在本体内壁设置直径依次减小的上内壁面、中内壁面和下内壁面，注水泥作业完成后，通过关闭套外壁各面和本体内壁各面的相应紧密配合，达到对注水泥孔的密封作用，由于本体和关闭套通常都采用金属材料，所以本发明避免采用外部橡胶，直接使用金属对金属的密封方式进行密封，可以耐受高温、高压环境，密封效果优势明显，避免出现天然气的窜漏和水泥浆倒灌等现象，另外，本发明节省材料，结构简单。

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是本发明实施例所述的分级注水泥器初始状态的结构示意图；

图2是图1中Ⅰ处的放大示意图；

图3是图1中Ⅱ处的放大示意图；

图4是图1中Ⅲ处的放大示意图；

图5是本发明实施例所述的分级注水泥器工作完成后的结构示意图。

其中：1本体，

11上内壁面，12中内壁面，13下内壁面，14第一斜面，

15第二斜面，

2关闭套，

21上竖直面，211上竖直面的底部，

22中竖直面，

23下竖直面，231下竖直面的底部，

24凹陷带，

3开孔套，41第一剪钉，42第二剪钉，5注水泥孔，6关闭塞，

H1上竖直面和中竖直面半径的差值，H2关闭套对应下竖直面处的厚度，H3上内壁面和中内壁面半径的差值，H4中内壁面和下内壁面半径的差值，R1上竖直面的下端弧面的半径，R1’上内壁面的下端弧面的半径，R2下竖直面的下端弧面的半径，R2’中内壁面的下端弧面的半径，R3上竖直面下端的底角处的半径，R4下竖直面下端的底角处的半径，A上竖直面的底部与水平线夹角，B第一斜面和水平线夹角，A’下竖直面的底部与水平线夹角，B’第一斜面和水平线夹角。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，也可参见图2，本发明实施例所述的一种分级注水泥器，包括本体1、注水泥孔5、关闭套2、关闭塞6（参见图5）、第一剪钉41、第二剪钉42和开孔套3，所述关闭套2设置在所述本体1内部，且所述关闭套2外壁和所述本体1内壁上部紧贴，所述开孔套3设置在所述本体1内部且在所述关闭套2的下方，所述关闭套2下端和所述开孔套3上端搭接，所述关闭套2和所述开孔套3均通过所述剪钉4与所述本体1固定，所述注水泥孔5径向设置在所述本体1的中部，且位于所述开孔套3上端，所述关闭套2外壁从上至下依次分为：上竖直面21、中竖直面22和下竖直面23，所述上竖直面21、所述中竖直面22和所述下竖直面23的半径依次减小，所述上竖直面21和所述中竖直面22之间径向设置有凹陷带24，凹陷带24径向的底部向上伸入关闭套2外壁的内部，所述本体1内壁从上至下顺次相连上内壁面11、第一斜面14、中内壁面12、第二斜面15和下内壁面13，所述上内壁面11、所述中内壁面12和所述下内壁面13半径依次减小，所述上内壁面11和所述中内壁面12之间通过所述第一斜面14连接，所述中内壁面12和所述下内壁面13之间通过所述第二斜面15连接，所述注水泥孔5设置在所述中内壁面12中间，所述中内壁面12的长度与所述上竖直面21的下端到所述下竖直面23的下端的距离相等，初始状态时，所述中内壁面12位于所述中竖直面22以下。

其中，本发明实施例通过对关闭套2和本体1本身结构进行改进，使关闭套2的外壁和本体1内壁相互配合达到对注水泥孔5密封的作用，即关闭套2的外壁设置半径依次减小的上竖直面21、中竖直面22和下竖直面23，由于半径依次减小，所以在各面的连接处形成台阶，同样道理，本体1的内壁设置半径依次减小的上内壁面11、中内壁面12和下内壁面13，各面的连接处同样形成台阶；如图5所示，二次注水泥结束后，关闭套2下移覆盖注水泥孔5，通过设置，使关闭套2的台阶和本体1的台阶互相进行切合卡位，达到密封的作用，而一般关闭套2和本体1均为金属材料，所以本发明实施例设计了金属对金属的密封结构，效果更好。

工作时，按常规方法进行第一次注水泥作业，常规方法即为从分级注水泥器上端注入水泥，从其下端流出进行固井，之后对所述分级注水泥器内部进行蹩压，使所述第二剪钉42剪断且所述开孔套3下移，露出所述注水泥孔5，所述水泥通过所述注水泥孔5完成第二次注水泥作业，即水泥通过注水泥孔5流出以完成不同位置的固井作业，如图5所示，之后投入所述关闭塞6推动所述关闭套2，使第一剪钉41剪断，关闭套2下行，直至所述上竖直面21的下端和所述上内壁面11的下端对应相贴，所述下竖直面23的下端和所述中内壁面12的下端对应相贴，使关闭套2的台阶和本体1的台阶互相进行切合卡位，即上竖直面21和上内壁面11紧贴，上竖直面21的下端和上内壁面11的下端的第一斜面14紧贴，而中竖直面22和中内壁面12紧贴，下竖直面23的下端和中内壁面12的下端的第二斜面15紧贴，此时，第一斜面14和第二斜面15分别位于注水泥孔5上下两侧，第一斜面14和第二斜面15分别和关闭套2的外壁进行紧贴密封，在关闭塞6碰压20MPa以上高压力下，贴合的金属面产生高应力塑性接触变形，从而达到对注水泥孔5的密封。

本发明实施例在关闭套2外壁上设置直径依次减小的上竖直面21、中竖直面22和下竖直面23，在本体1内壁设置直径依次减小的上内壁面11、中内壁面12和下内壁面13，注水泥作业完成后，通过关闭套2外壁各面和本体1内壁各面的相应紧密配合，达到对注水泥孔5的密封作用，由于本体1和关闭套2通常都采用金属材料，所以本发明避免采用外部橡胶，直接使用金属对金属的密封方式进行密封，可以耐受高温、高压环境，密封效果优势明显，避免出现天然气的窜漏和水泥浆倒灌等现象，另外，本发明节省材料，结构简单。

具体地，作为优选，所述上竖直面21和所述中竖直面22半径的差值H1（参见图2）、所述关闭套2对应所述下竖直面23处的厚度H2（参见图3）、所述上内壁面11和所述中内壁面12半径的差值H3（参见图3）、所述中内壁面12和所述下内壁面13半径的差值H4（参见图4）均相等。采用以上相等尺寸，密封效果最佳。

如图2所示，也可参见图3，具体地，作为优选，所述上竖直面21的下端和所述上内壁面11的下端均为弧面，所述上竖直面21的下端弧面的半径R1小于所述上内壁面11的下端弧面的半径R1’。如此，便于上竖直面21的下端和上内壁面11的下端贴合时，金属面在压力作用下产生高应力塑性接触变形，密切贴合，以便达到更好地密封效果，一般上竖直面21的下端弧面的半径R1设置为20毫米，而上内壁面11的下端弧面的半径R1’设置为60毫米。

如图3所示，也可参见图4，具体地，作为优选，所述下竖直面23的下端和所述中内壁面12的下端均为弧面，所述下竖直面23的下端弧面的半径R2小于所述中内壁面12的下端弧面的半径R2’。同样道理，便于下竖直面23的下端和中内壁面12的下端贴合时，金属面在压力作用下产生高应力塑性接触变形，密切贴合，以便达到更好地密封效果，一般下竖直面23的下端弧面的半径R2设置为20毫米，而下内壁面13的下端弧面的半径R2’设置为60毫米。

如图2所示，也可参见图3，作为优选，所述上竖直面21下端的底角处和所述下竖直面23下端的底角处均为半径是0.4毫米的弧面。即上竖直面21下端的底角处的半径R3和下竖直面23下端的底角处的半径R3均设置为0.4毫米，由于进行密封时，上竖直面21下端和第一斜面14贴合，下竖直面23下端和第二斜面15贴合，如此设置，使上竖直面21下端的底角处和下竖直面23下端的底角处变得圆滑，贴合时避免对第一斜面14和第二斜面15造成损坏。

如图2所示，也可参见图3，作为优选，所述上竖直面的底部211与水平线夹角为A，所述第一斜面14和水平线夹角为B，所述角A小于等于角B。如此设置，能够使上竖直面21的底部完全进入第一斜面14处，上竖直面21的下端和上内壁面11的下端充分贴合，同时，第一斜面14能够更好的对上竖直面21的底部进行卡位，使其不能下滑，加强密封效果。

如图3所示，也可参见图4，作为优选，所述下竖直面的底部231与水平线夹角为A’，所述第二斜面15和水平线夹角为B’，所述角A’小于等于角B’。同样道理，如此设置，能够使下竖直面23的底部完全进入第二斜面15处，下竖直面23的下端和中内壁面12的下端充分贴合，同时，第二斜面15能够更好的对下竖直面23的底部进行卡位，使其不能下滑，加强密封效果。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分级注水泥器，包括本体、注水泥孔、关闭套、关闭塞、第一剪钉、第二剪钉和开孔套，所述关闭套设置在所述本体内部，且所述关闭套的外壁和所述本体的内壁上部紧贴，所述开孔套设置在所述本体内部且在所述关闭套的下方，所述关闭套下端和所述开孔套上端搭接，所述关闭套和所述开孔套均通过所述剪钉与所述本体固定，所述注水泥孔径向设置在所述本体的中部，且位于所述开孔套上端，其特征在于，所述关闭套的外壁从上至下依次分为：上竖直面、中竖直面和下竖直面，所述上竖直面、所述中竖直面和所述下竖直面的半径依次减小，所述上竖直面和所述中竖直面之间径向设置有凹陷带，所述本体内壁从上至下顺次相连上内壁面、第一斜面、中内壁面、第二斜面和下内壁面，所述上内壁面、所述中内壁面和所述下内壁面半径依次减小，所述注水泥孔设置在所述中内壁面中间，所述中内壁面的长度与所述上竖直面的下端到所述下竖直面的下端的距离相等，初始状态时，所述中内壁面位于所述中竖直面以下；

工作时，按常规方法进行第一次注水泥作业，之后对所述分级注水泥器内部进行蹩压，使所述第二剪钉剪断且所述开孔套下移，露出所述注水泥孔，所述水泥通过所述注水泥孔完成第二次注水泥作业，投入所述关闭塞推动所述关闭套下行，直至所述上竖直面的下端和所述上内壁面的下端对应相贴合，所述下竖直面的下端和所述中内壁面的下端对应相贴合。

2.根据权利要求1所述的分级注水泥器，其特征在于，所述上竖直面半径和所述中竖直面半径的差值、所述关闭套对应所述下竖直面处的厚度、所述上内壁面半径和所述中内壁面半径的差值、以及所述中内壁面半径和所述下内壁面半径的差值均相等。

3.根据权利要求1所述的分级注水泥器，其特征在于，所述上竖直面的下端和所述上内壁面的下端均为弧面，所述上竖直面的下端弧面的半径小于所述上内壁面的下端弧面的半径。

4.根据权利要求1所述的分级注水泥器，其特征在于，所述下竖直面的下端和所述中内壁面的下端均为弧面，所述下竖直面的下端弧面的半径小于所述中内壁面的下端弧面的半径。

5.根据权利要求1所述的分级注水泥器，其特征在于，所述上竖直面下端的底角处和所述下竖直面下端的底角处均为半径是0.4毫米的弧面。

6.根据权利要求1所述的分级注水泥器，其特征在于，所述上竖直面的底部与水平线夹角为A，所述第一斜面和水平线夹角为B，所述角A小于等于角B。

7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的分级注水泥器，其特征在于，所述下竖直面的底部与水平线夹角为A’，所述第二斜面和水平线夹角为B’，所述角A’小于等于角B’。

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