CN104879090B - 一种单卡瓦双作用速钻复合桥塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于斜井、水平井的分层压裂、酸化等工艺作业中的单卡瓦双作用速钻复合桥塞。它能提高坐封的可靠性和稳定性，增强桥塞的耐压耐温性能，实现斜井、水平井的水力泵入，提高钻磨效率。其技术方案：在中心管上端内接丢手接头，中心管内设置有单流阀；中心管下端连接下限位体，在其环形台阶上套有泵送环；由上推环、限位锁环和挡板构成的马牙限位装置安装在中心管的上端；组合式胶筒结构包括上端胶筒、中胶筒和下端胶筒，安装在马牙限位装置与下锥体之间，在胶筒两端设有三层保护装置；上推环、下锥体用销钉与中心管连接，卡瓦安在下锥体与下限位体之间。本桥塞简化了结构，有效提高了分段压裂钻磨桥塞速度，进一步节约了作业成本。

Description

一种单卡瓦双作用速钻复合桥塞

技术领域

本发明涉及一种用于斜井、水平井的分层压裂、酸化、封堵水等工艺作业中的单卡瓦双作用速钻复合桥塞，属于石油天然气开采技术领域。

背景技术

随着致密气、页岩气、致密油等非常规油气资源的大规模开发，常规完井技术已经达不到生产要求，科学、合理的制定和实施开发方案非常重要，桥塞分层压裂酸化技术已经成为一项广泛应用、并正在不断发展和完善的开采技术，是油田进行薄差油层改造的有效技术之一。桥塞技术是分层压裂酸化技术成功的最为关键的核心技术之一，要求具有密封性能好、耐压差高、快速解除等特点。目前，国内外桥塞均采用双卡瓦结构，体积与质量较大，性能可靠安全，实施钻磨法解除。基于结构和材料特性，实现结构优化达到快速解除目标的一种单卡瓦双作用速钻复合桥塞，对于水平井多段压裂改造作业有良好的经济性。

发明内容

本发明的目的是：为了避免中途坐封和提前丢手事故，能快速实现一趟钻铣多个桥塞，提高坐封的可靠性和稳定性，增强桥塞的耐压耐温性能，实现斜井、水平井的水力泵入，简化桥塞结构，降低作业成本，提高钻磨效率，特提供一种单卡瓦双作用速钻复合桥塞。

本发明采用的技术方案是：一种单卡瓦双作用速钻复合桥塞，是由中心管、马牙限位装置、丢手接头、组合式胶筒结构、下锥体、卡瓦、下限位体、泵送环和单流阀组成，其结构特征是：在中心管上端连接丢手接头，丢手接头的下方设置单流阀，单流阀是由丢手接头端部销轴和单流阀球构成，内置于中心管中；在中心管下端用螺纹连接下限位体，在中心管上端表面与下限位体上设置有相互匹配的对接防转槽，在下限位体的环形台阶上套有泵送环；马牙限位装置由上推环、限位锁环和挡板构成，安装在中心管的上端，挡板与上推环固定连接在一起，上推环与限位锁环以锯齿形式相互结合，中心管上端有一段锯齿形凹槽与限位锁环相互配合；组合式胶筒结构安装在马牙限位装置与下锥体之间，由非对称的上端胶筒、中胶筒和下端胶筒构成，在上端胶筒端部设置有三层保护装置，外层为上保护伞、中层为上保护片、内层为上保护套，在下端胶筒端部设置有三层保护装置，外层为下保护伞、中层为下保护片、内层为下保护套；上推环与中心管用上销钉连接，下锥体与中心管用下销钉连接，下锥体与组合式胶筒结构相顶抵；卡瓦安装在下锥体与下限位体之间，每组卡瓦有6片，布置在中心管的下端周围，每片卡瓦上设置有11颗齿，中间齿平面有3颗齿，两边齿平面上分别有4颗齿。

所述的丢手接头下端内接中心管，在丢手接头上开有一凹槽，在丢手接头下端面上设有一销轴。

所述的限位锁环的外齿顶与上推环内齿底的间距为H，间距H大于或等于1.5倍限位锁环内齿锯齿高度h。

所述的组合式胶筒结构中上端胶筒与中胶筒间以35°-55°斜面配合；下端胶筒与中胶筒间无倾角配合；端胶筒端部倾角为30°-60°。

所述的上端胶筒的上端头及下端胶筒下端头设置的内层上保护套、下保护套及外层上保护伞、下保护伞的材料使用聚四氟乙烯；中层上保护片、下保护片的材料使用黄铜。

所述的卡瓦上有3排齿，每排齿所在平面与卡瓦中轴平面的夹角为3°，每颗齿轴向错开；防周向转动的齿位于所在每排齿平面上，并逆时针倾斜5°；防轴向向上滑动齿位于所在每排齿平面上，并向卡瓦底端倾斜5°；防轴向向下滑动齿位于所在每排齿平面上，并向卡瓦顶端倾斜5°。

所述的卡瓦本体材料采用高性能复合材料，卡瓦牙齿采用硬质合金复合齿。卡瓦通过箍环连接和限位，箍环材料为橡胶材质。

所述的下锥体与胶筒相顶抵，下锥体导向面与中心管轴线夹角为10°-30°。

所述的下限位体上开有与中心管上端相互配合的对接防转十字槽，下限位体下端呈锥形。

所述的单流阀球使用复合材料球。

本发明的有益效果是：第一、该桥塞部件采用高性能复合材料制备，在150℃下力学性能不会发生明显下降，能耐高温高压、能快速钻铣、返排效果好、提高了工作效率；第二、该桥塞采用单卡瓦双作用结构，既可防止转动也可防止上下窜动，其坐封过程为径向伸出替代了以前的滑动伸出，保护套管、卡瓦牙齿不被提前损伤，提高了坐封的可靠性和稳定性；第三、采用一组卡瓦在保证性能的同时，实现了结构优化，有效减少了桥塞部件及体积，可大大降低桥塞磨铣时间；第四、采用新型非对称组合式胶筒结构大大增加了桥塞耐压能力；第五、桥塞下限位体上设计装有较大直径的泵送环，可以实现斜井、水平井的水力泵入；第六、桥塞设计有单流阀，建立了返排通道，有利于下部压裂液排除。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的单卡瓦双作用速钻复合桥塞做进一步详细的描述。

图1是本单卡瓦双作用速钻复合桥塞的结构示意图。

图2是本复合桥塞中马牙限位装置的放大示意图。

图3是本复合桥塞中卡瓦13的结构示意图。

图4是本复合桥塞中下锥体12的结构示意图。

图5是本复合桥塞中限位锁环4的结构示意图。

图6是本复合桥塞中下限位体14的结构示意图。

图中：1.中心管、2.上推环、3.上销钉、4.限位锁环、5.挡板、6.上保护伞、7.上保护片、8.上保护套、9.上端胶筒、10.中胶筒、11.下端胶筒、12.下锥体、13.卡瓦、14.下限位体、15.泵送环、16.丢手接头、17.单流阀球、18.下销钉、19.下保护伞、20.下保护片、21.下保护套

具体实施方式

一种单卡瓦双作用速钻复合桥塞，是由中心管、马牙限位装置、丢手接头、组合式胶筒结构、下锥体、卡瓦、下限位体、泵送环和单流阀组成。在中心管1上端连接丢手接头16，丢手接头16上开有一凹槽，当拉力达到一定值时，就在丢手接头最薄弱的凹槽处拉断；丢手接头16的下方设置单流阀，单流阀是由丢手接头16端部销轴和单流阀球17构成，内置于中心管1中，形成单向流通的通道，通过返排降低井底压力，避免压后串层；在中心管1下端用螺纹连接下限位体14，在中心管1上端与下限位体14下端开有相互匹配的对接防转十字槽，下限位体14下端呈锥形，在下限位体14的环形台阶上套有泵送环15，实现斜井、水平井的水力泵入；马牙限位装置由上推环2、限位锁环4和挡板5构成，挡板5与上推环2固定连接在一起，上推环2与限位锁环4以锯齿形式相互配合，能有效的传递力矩，保护限位锁环。中心管1上端有一段锯齿形凹槽与限位锁环4相互配合，只能单向移动，起限制胶筒复位作用。限位锁环外齿顶和上推环内齿底间间距为H，H大于或等于1.5倍限位锁环内锯齿高度h。组合式胶筒结构安装在马牙限位装置与下锥体12之间，由非对称结构的上端胶筒9、中胶筒10和下端胶筒11构成，在上端胶筒端部设置有三层保护装置，外层为上保护伞6、中层为上保护片7、内层为上保护套8，在下端胶筒端部设置有三层保护装置，外层为下保护伞19、中层为下保护片20、内层为下保护套21。内层上保护套、下保护套及外层上保护伞、下保护伞的材料使用聚四氟乙烯，中层上保护片、下保护片的材料使用黄铜。上端胶筒9与中胶筒10间以35°-55°斜面配合，下端胶筒11与中胶筒10间无倾角配合，端胶筒端部倾角为30°-60°，肩部保护装置起保护胶筒肩部，避免胶筒肩部突出，使胶筒能承受更大的压差。内层保护套的设置是为避免黄铜直接接触胶筒，因黄铜较硬，以防在高压时对胶筒产生集中应力而损坏胶筒。外层保护伞最先张开，起一定的清除套管内壁异物和防止胶筒肩部突出的作用而保护胶筒。

上推环2与中心管1用上销钉3连接，下锥体12与中心管1用下销钉18连接，避免中途提前坐封。下锥体12与组合式胶筒结构相顶抵，避免在坐封时卡瓦13产生轴向位移而破坏卡瓦牙齿。下锥体12上有6个卡瓦导向斜面，下锥体12与中心管1轴线夹角为10°-30°。卡瓦13安装在下锥体12与下限位体14之间，每组卡瓦13有6片，每片卡瓦13上有3排齿，中间齿平面有3颗齿，两边齿平面上分别有4颗齿。每排齿所在平面与卡瓦中轴平面的夹角为3°，每颗齿轴向错开，若是卡瓦产生滑移，每颗齿都吃入新的轨迹，可一直起防轴向滑动的作用。同时这些齿呈三角形排列，能实现齿间最大距离，防止压力过大时，卡瓦本体失效。防周向转动的齿位于所在每排齿平面上，并逆时针倾斜5°，防轴向向上滑动齿位于所在每排齿平面上，并向卡瓦底端倾斜5°，防轴向向下滑动齿位于所在每排齿平面上，并向卡瓦顶端倾斜5°。卡瓦本体采用高性能复合材料，卡瓦牙齿采用硬质合金复合齿。卡瓦通过箍环连接和限位，箍环材料为橡胶材质。

该桥塞通过电缆水力泵入或连续油管下入到预定位置，其上部连接坐封工具，通过电缆点火引燃复合桥塞坐封工具内的慢燃火药，使燃烧室内产生高压气体，在高压气体的作用下，上活塞下行，推动液压油通过延时缓冲嘴流出，从而推动下活塞，使下活塞连杆通过外壳推力杆使推筒下行，挤压桥塞上推环，剪断上推环和下锥体连接于中心管上的销钉，使桥塞的马牙限位装置、胶筒及其保护装置、下锥体沿中心管下移，此时6片卡瓦在下锥体导向面的推力下，径向伸出，卡瓦牙咬入套管，完成坐封，同时胶筒的保护伞最先胀开，在下移过程中清除套管内壁异物。坐封锚定后，继续挤压胶筒，胶筒受力后变形，外径增大并向外胀开，当达到一定变形量后，胶筒紧贴套管内壁，实现密封封隔。与此同时，限位锁环下移，因马牙限位结构只能单向移动，而锁紧胶筒，防止胶筒复位。当胶筒、卡瓦与套管的配合紧到不可压缩且压力达到一定值时，上提坐封工具，达到一定的拉力而拉断丢手接头，进而使得坐封工具与桥塞脱开完成丢手动作。

对于套管完井的斜井、水平井分层压裂改造工艺，从最下层压裂层向最上层依次进行改造，首先利用电缆或连续油管下入复合桥塞和射孔枪联作工具串，坐封复合桥塞后对桥塞丢手，上提射孔枪至第一施工段，进行射孔和压裂，压裂后取出坐封工具接上第二个桥塞，再下入，进行井最下端第二层的坐封、射孔和压裂，后续层段施工可重复第二段施工步骤，可进行多层段的压裂施工，当全部层段施工完后，下入磨铣工具钻磨掉所有桥塞，此时，每一级桥塞都不能被完全磨铣，通过掉落的桥塞底部的啮合结构又能够插入下一桥塞顶部，并被锁定，随后被一起磨铣，避免了磨铣时出现零件自转无法磨铣的现象。

Claims (4)

1.一种单卡瓦双作用速钻复合桥塞，是由中心管、马牙限位装置、丢手接头、组合式胶筒结构、下锥体、卡瓦、下限位体、泵送环和单流阀组成，其特征在于：在中心管(1)上端连接丢手接头(16)，所述的丢手接头(16)下端内接中心管(1)，在丢手接头(16)上开有一凹槽，在丢手接头(16)下端面上设有一销轴，丢手接头(16)的下方设置单流阀，单流阀是由丢手接头端部销轴和单流阀球(17)构成，内置于中心管(1)中；在中心管(1)下端用螺纹连接下限位体(14)，在中心管(1)上端与下限位体(14)下端设置有相互匹配的对接防转槽，在下限位体(14)的环形台阶上套有泵送环(15)；马牙限位装置由上推环(2)、限位锁环(4)和挡板(5)构成，安装在中心管(1)上端，挡板(5)与上推环(2)固定连接在一起，上推环(2)与限位锁环(4)以锯齿形式相互配合，中心管(1)上端有一段锯齿形凹槽与限位锁环(4)相互配合；所述的限位锁环(4)的外齿顶与上推环(2)的内齿底的间距为H，间距H大于或等于1.5倍限位锁环(4)内齿锯齿高度h，组合式胶筒结构安装在马牙限位装置与下锥体(12)之间，由非对称的上端胶筒(9)、中胶筒(10)和下端胶筒(11)构成，所述的组合式胶筒结构中上端胶筒(9)与中胶筒(10)间以35°-55°斜面配合；下端胶筒(11)与中胶筒(10)间无倾角配合；端胶筒端部倾角为30°-60°，在上端胶筒端部设置有三层保护装置，外层为上保护伞(6)、中层为上保护片(7)、内层为上保护套(8)，在下端胶筒端部设置有三层保护装置，外层为下保护伞(19)、中层为下保护片(20)、内层为下保护套(21)；上推环(2)与中心管(1)用上销钉(3)连接，下锥体(12)与中心管(1)用下销钉(18)连接，下锥体(12)与组合式胶筒结构相顶抵；下锥体(14)导向面与中心管(1)轴线夹角为10°-30°，所述的下限位体(14)上开有与中心管(1)上端相互配合的对接防转十字槽，下限位体(14)下端呈锥形，卡瓦(13)安装在下锥体(12)与下限位体(14)之间，每组卡瓦(13)有6片，布置在中心管(1)的下端周围，每片卡瓦(13)上设置有11颗齿，中间齿平面有3颗齿，两边齿平面上分别有4颗齿，所述的卡瓦(13)上有3排齿，每排齿所在平面与卡瓦中轴平面的夹角为3°，每颗齿轴向错开；防周向转动的齿位于所在每排齿平面上，并逆时针倾斜5°；防轴向向上滑动齿位于所在每排齿平面上，并向卡瓦底端倾斜5°；防轴向向下滑动齿位于所在每排齿平面上，并向卡瓦顶端倾斜5°。

2.根据权利要求1所述的单卡瓦双作用速钻复合桥塞，其特征是：所述的上端胶筒(9)的上端头及下端胶筒(11)的下端头设置的内层上保护套(8)、下保护套(21)及外层上保护伞(6)、下保护伞(19)的材料使用聚四氟乙烯；中层上保护片(7)、下保护片(20)的材料使用黄铜。

3.根据权利要求1所述的单卡瓦双作用速钻复合桥塞，其特征是：所述的卡瓦本体材料采用高性能复合材料，卡瓦(13)牙齿采用硬质合金复合齿，卡瓦(13)通过箍环连接和限位，箍环材料为橡胶材质。

4.根据权利要求1所述的单卡瓦双作用速钻复合桥塞，其特征是：所述的单流阀球(17)使用复合材料球。