CN105971556B - 一种可完全降解金属桥塞 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可完全降解金属桥塞包括中心管和自上而下依次套装在中心管外侧且与中心管之间形成有环空的上扩张块和密封筒；中心管顶端设有上接头、底端设有下扩张块；密封筒为一能够伸缩变形的筒体结构，侧壁上开设有泄压孔；上扩张块顶端通过剪切销钉固定在中心管顶端，需要坐封时通过相对中心管移动并挤压密封筒实现坐封；中心管外壁上的第一锁定机构与上扩张块内的第二锁定机构相互配合实现坐封位置的锁定；该可完全降解金属桥塞通过中心管、上扩张块和密封筒之间的相互配合，保证下井过程桥塞不提前坐封；并在完成坐封后的桥塞接触到地层水等，逐渐完全降解，避免了后续钻塞工作，大大提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开发应用的井下工具技术领域，特别涉及一种可完全降解金属桥塞。
背景技术
在试油封层、卡层或者压裂过程中，经常需要使用桥塞实现对已射孔或压裂井段的封堵。目前使用的桥塞多数是可钻或者可捞式，压裂施工后，需要使用油管带井下工具，对桥塞进钻磨或者打捞，来释放封堵的油层，但是现场实施时，经常因为套管变形而出现钻磨或者打捞失败的情况，为此需要研究可降解的桥塞，减少后续打捞或者钻磨桥塞的工序。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决压裂后需要钻塞或者打捞桥塞的问题的可完全降解金属桥塞。
为此，本发明技术方案如下：
一种可完全降解金属桥塞，包括中心管和自上而下依次套装在中心管外侧且与中心管之间形成有环空的上扩张块和密封筒；其中，
中心管顶端沿轴向向上延伸形成上接头、底端沿轴向向下延伸形成有外径逐渐增大的下扩张块；在中心管下侧外壁上设置有第一锁定机构；在位于第一锁定机构和下扩张块之间的中心管外壁上设有容置一密封圈的密封台；在中心管和上接头的连接处外壁上加工有环形凹槽；
上扩张块顶端通过至少一个剪切销钉固定在中心管顶端、下侧外壁向内收缩为锥形；在上扩张块内壁上开设有环形凹槽，环形凹槽内设置有与第一锁定机构相互配合的第二锁定机构；
密封筒为一能够伸缩变形的筒体结构，在密封筒侧壁上开设有泄压孔、两端分别加工有用于与上扩张块和下扩张块的锥形接触面相互配合锥面结构，使密封筒两端分别与上扩张块和下扩张块对应端面紧密贴合。
进一步地，第一锁定机构为在中心管外壁上加工的多排环形台阶结构形成的锁齿，环形台阶的轴向剖面呈三角形；第二锁定机构包括设置在靠近上扩张块底端槽壁处的中空圆柱形锁块和设置在另一侧槽壁与锁块之间的锁块弹簧，锁块内壁上同样加工有多排环形台阶结构锁齿，且与第一锁定机构锁齿相互配合；环形凹槽的槽深自上而下依次减小。
进一步地，上扩张块上侧外壁向内收缩形成有一环形台阶。
进一步地，下扩张块的最大外径与上扩张块的最大外径一致，且大于密封筒的外径；上扩张块的内径略大于密封台的外径，且小于密封圈的外径。
进一步地，在下扩张块底端侧壁上设置有一密封圈。
进一步地，上接头外壁上设有用于与坐封工具的芯轴螺纹连接的连接外螺纹。
在材料选择上，中心管、密封筒和上扩张块选用能够在盐酸、KCl溶液、NaCl溶液、MgCl2溶液或者地层水中降解的材料制成；降解材料包括镁铝合金、铝镁合金、镁铜合金、镁锌合金、聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乙烯、聚丙烯等材料中的一种或几种。
具体地，中心管和上扩张块采用铝镁合金制成；铝镁合金为0.5～3wt％Mg、90～95wt％Al和余量的镍、铜、铁、银、石墨中的一种或多种(按总质量100％计)。密封筒采用镁铝合金制成，镁铝合金为85～95wt％Mg、2～10wt％Al和余量的镍、铜、铁、银、石墨中的一种或多种(按总质量100％计)。中心管、上扩张块和密封筒采用半连续拉铸方法制得。
与现有技术相比，该可完全降解金属桥塞结构合理，在坐封工具的作用下桥塞完成坐封并固定在套管上，通过中心管、上扩张块和密封筒之间的相互配合，保证下井过程桥塞不提前坐封；并且完成坐封后的桥塞在接触到地层水或者含有KCl溶液、NaCl溶液、MgCl2溶液、盐酸等水溶液后，逐渐完全降解，避免了后续钻塞工作，大大提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明的可完全降解金属桥塞的结构示意图；
图2为本发明的可完全降解金属桥塞通过坐封工具实现坐封的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，一种可完全降解金属桥塞包括中心管16和自上而下依次套装在中心管16外侧且与中心管16之间形成有环空的上扩张块5和密封筒2；其中：
中心管16顶端沿轴向向上延伸形成上接头10、底端沿轴向向下延伸形成有外径逐渐增大的下扩张块1；上接头10外壁上设有用于与坐封工具的芯轴14螺纹连接的连接外螺纹；
在中心管16下侧外壁上加工的多排环形台阶结构形成的锁齿4，每排锁齿4的轴向剖面均呈斜三角形；在位于锁齿4和下扩张块1之间的中心管16外壁上设有环形凸台，环形凸台外壁上开设有环形密封圈座，环形密封圈座内设置O形密封圈，形成用于密封的密封台11；在中心管16和上接头10的连接处外壁上加工有环形凹槽20；环形凹槽20即为中心管16完成坐封后与坐封工具脱离时的断裂点，环形凹槽20的深度由坐封工具最大推力决定，一般为1～5mm；
上扩张块5顶端通过至少一个剪切销钉12固定在中心管16顶端，使坐封工具的芯轴14与上接头10螺纹连接后，推筒刚好压配在上扩张块5的顶面上；上扩张块5下侧外壁向内收缩为锥形，便于挤压密封筒2使其形变；在上扩张块5内壁上开设有环形凹槽8，环形凹槽8内设置有中空圆柱形的锁块6和锁块弹簧7，锁块6位于靠近上扩张块5底端槽壁处，锁块弹簧7设置在另一侧槽壁与锁块6之间，使锁块6只有在压缩锁块弹簧7情况下在环形凹槽8内沿轴向移动；在锁块6内壁上加工有多排环形台阶结构形成锁齿，且锁齿轴向剖面同样呈斜三角形，中心管16外壁上形成的锁齿的斜向方向与锁块6上形成的锁齿相互配合且斜向方向刚好相反，同时环形凹槽8的槽深自上而下依次减小，当中心管16上的锁齿在与锁块6上的锁齿发生“咬合”的过程中，锁块6压锁块弹簧7向环形凹槽8的大槽深方向移动，从而使中心管16上的锁齿在与锁块6上的锁齿的间距增大至能够满足两部分锁齿相对移动的要求，根据需要两部分锁齿相互“咬合”在适当位置上并形成无法恢复到初始位置的自锁状态；
密封筒2为一能够伸缩变形的筒体结构，在密封筒2侧壁上开设有一个泄压孔3、两端分别加工有用于与上扩张块5和下扩张块1的锥形接触面相互配合锥面结构，使密封筒2两端分别与上扩张块5和下扩张块1对应端面紧密贴合；
上扩张块5上侧外壁向内收缩形成有一环形台阶6；环形台阶6的设置使上扩张块5挤压密封筒2并局部插装在密封筒2与中心管16之间形成的环空的过程中，减小上扩张块5的外壁(或推筒13的外壁)与密封筒2内壁之间的摩擦，使坐封过程更加快速和顺畅；
在下扩张块1底端侧壁上设置有一密封圈9；当上扩张块5挤压密封筒2时，下扩张块1也对密封筒2产生挤压作用，使密封筒2与下扩张块1之间发生位移，当密封筒2受挤压向下扩张块1底端移动时，密封圈9位于下扩张块与密封筒2之间，形成密封；
下扩张块1的最大外径与上扩张块5的最大外径一致，且大于密封筒2的外径；上扩张块5的内径略大于密封台11的外径，且小于密封圈的外径，使上扩张块5挤压密封筒2并移动至下扩张块1处时，密封台11位于中心管16与上扩张块5之间，形成密封；同时当向中心管16内打压时，中心管16通过密封台11挤压上扩张块5使上扩张块5的锥形壁面紧密贴合在受挤压变形的密封筒2内壁上；
其中，中心管和上扩张块采用铝镁合金制成；铝镁合金为0.5～3wt％Mg、90～95wt％Al和余量的镍、铜、铁、银、石墨中的一种或多种(按总质量100％计)。密封筒采用镁铝合金制成，镁铝合金为85～95wt％Mg、2～10wt％Al和余量的镍、铜、铁、银、石墨中的一种或多种(按总质量100％计)。中心管、上扩张块和密封筒采用半连续拉铸或铸造方法制得。
该可完全降解金属桥塞的工作原理：
如图2所示，桥塞与坐封工具连接后下井，坐封工具的芯轴14与桥塞的上接头10连接，此时，坐封工具的推筒13紧靠在上扩张块5的顶部，桥塞到位后，坐封工具的芯轴14不动，推筒13向下移动挤压上扩张块5，剪切销钉12剪断，上、下扩张块的距离开始变短，密封筒两端在上、下扩张块的挤压下，外径变大，并与套管15紧密贴合，密封筒和套管之间的液体通过泄压孔3进入桥塞内部，提高了密封筒2和套管15的贴合效果并减小了扩张块移动的阻力；随着坐封工具的推动，下扩张块1设置的密封圈9进入扩张后的密封筒2后起到密封作用；密封台11进入上扩张块内部，实现中心管16与上扩张块5之间的密封，此时上、下扩张块遇到一起，推筒停止移动，处于桥塞上接头处的断裂点在推动的推力下断裂，坐封工具与桥塞脱手；中心管16上的锁齿4与上扩张块5内的锁块形成自锁，上、下扩张块无法相对移动，桥塞完成坐封并固定在套管上；其中，桥塞下井过程中，剪切销钉12固定住中心管1和上扩张块，保证下井过程桥塞不坐封。
以下通过具体实施例和降解实验对该可完全降解金属桥塞的性能和降解能力进行进一步说明：
一种可完全降解金属桥塞，用于对套管内径121mm的压裂井段进行坐封，包括中心管16和自上而下依次套装在中心管16外侧且与中心管16之间形成有环空的上扩张块5和密封筒2；具体地：
中心管16的长度为1500mm，外径为80mm，其顶端轴向延长有与中心管16内径相同，外径为80mm、长度为60mm的上接头，其底端轴向延伸形成有长度为260mm的下扩张块1，下扩张块1最大外径处为117mm；在中心管16下侧外壁上加工的50排轴向剖面呈三角形的环形台阶结构形成锁齿4，锁齿4底端到中心管16外壁的垂直距离为3mm，在位于锁齿4和下扩张块1之间的中心管16外壁上加工有高度为5的且侧壁上容置有一O形密封圈的环形凸台，形成密封台11；在中心管16和上接头10的连接处外壁上加工有深度为3mm的环形凹槽20；
上扩张块5为一长度为300mm、内径为90.5mm、外径为117mm的筒体结构，其上端面与中心管16的上端面齐平并通过两个位于对位的剪切销钉12固定在中心管16的顶端；上扩张块5下侧外壁向内收缩为锥形，在上扩张块5内壁上开设有槽深自上而下依次减小的环形凹槽8，环形凹槽8长度为70mm，环形凹槽的最大槽深和最小槽深处分别为8mm和6mm，环形凹槽8内设置有靠近上扩张块5底端槽壁处的中空圆柱形锁块6和设置在另一侧槽壁与锁块6之间的锁块弹簧7，锁块6长度为50mm，其内壁上加工有多排与中心管16上的锁齿4相互配合锁齿结构，锁块6上的锁齿端至外壁垂直距离为3mm；
密封筒2为一长度为1100mm、内径为106mm、外径为118mm的筒体结构，在密封筒2中部侧壁上开设有一孔径为2mm的泄压孔3，密封筒2两端分别加工有用于与上扩张块5和下扩张块1的锥形接触面相互配合锥面结构，使密封筒2两端分别与上扩张块5和下扩张块1对应端面紧密贴并压配在一起；
材料方面，中心管16和上扩张块5采用铝镁合金制成；其中，铝镁合金为3％Mg粉末、94％Al粉末和余量的镍粉末(总量按100％计)通过半连续拉铸的方法制备而成；密封筒2采用镁铝合金制成；其中，镁铝合金为90％Mg粉末、5％Al粉末和余量的铁、铜、镍粉末(总量按100％计)通过半连续拉铸的方法制备而成。
该可完全降解金属桥塞在压裂井段进行坐封时，坐封工具的推筒13挤压上扩张块5时，当作用力超过1.5吨时，剪切销钉12剪断，上扩张块5随推筒13推动相对于中心管16产生位移，当上扩张块5移动至密封台11处，上扩张块5与中心管16形成密封，此时密封筒2实现坐封；在液压作用下，中心管16和上接头10的连接处外壁上加工的环形凹槽20处应力集中发生断裂，坐封工具与桥塞脱离。降解测试：将该可完全降解金属桥塞在压裂液(成分：1wt％氯化钠溶液，井下温度为100℃)中15天内完全溶解，满足需要的井下坐封时间，且井下打捞物中无桥塞部件。
综上所述，该可完全降解金属桥塞能保证下井过程桥塞不提前坐封的同时，在完成坐封后接触到地层水或者压裂液环境在一定时间内完全降解，有效提高了井下作业的施工效率。
Claims (10)
1.一种可完全降解金属桥塞，其特征在于，包括中心管(16)和自上而下依次套装在中心管(16)外侧且与中心管(16)之间形成有环空的上扩张块(5)和密封筒(2)；其中，
中心管(16)顶端沿轴向向上延伸形成上接头(10)、底端沿轴向向下延伸形成有外径逐渐增大的下扩张块(1)；在中心管(16)下侧外壁上设置有第一锁定机构(4)；在位于第一锁定机构(4)和下扩张块(1)之间的中心管(16)外壁上设有容置一密封圈的密封台(11)；在中心管(16)和上接头(10)的连接处外壁上加工有环形凹槽(20)；
上扩张块(5)顶端通过至少一个剪切销钉(12)固定在中心管(16)顶端、下侧外壁向内收缩为锥形；在上扩张块(5)内壁上开设有环形凹槽(8)，环形凹槽(8)内设置有与第一锁定机构(4)相互配合的第二锁定机构；
密封筒(2)为一能够伸缩变形的筒体结构，在密封筒(2)侧壁上开设有泄压孔(3)、两端分别加工有用于与上扩张块(5)和下扩张块(1)的锥形接触面相互配合锥面结构，使密封筒(2)两端分别与上扩张块(5)和下扩张块(1)对应端面紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的可完全降解金属桥塞，其特征在于，第一锁定机构(4)为在中心管(16)外壁上加工的多排环形台阶结构形成的锁齿，环形台阶的轴向剖面呈三角形；第二锁定机构包括设置在靠近上扩张块(5)底端槽壁处的中空圆柱形锁块(6)和设置在另一侧槽壁与锁块(6)之间的锁块弹簧(7)，锁块(6)内壁上同样加工有多排环形台阶结构锁齿，且与第一锁定机构(4)锁齿相互配合；环形凹槽(8)的槽深自上而下依次减小。
3.根据权利要求1所述的可完全降解金属桥塞，其特征在于，上扩张块(5)上侧外壁向内收缩形成有一环形台阶(6)。
4.根据权利要求1所述的可完全降解金属桥塞，其特征在于，下扩张块(1)的最大外径与上扩张块(5)的最大外径一致，且大于密封筒(2)的外径。
5.根据权利要求1所述的可完全降解金属桥塞，其特征在于，上扩张块(5)的内径略大于密封台(11)的外径，且小于密封圈的外径。
6.根据权利要求1所述的可完全降解金属桥塞，其特征在于，在下扩张块(1)底端侧壁上设置有一密封圈(9)。
7.根据权利要求1所述的可完全降解金属桥塞，其特征在于，上接头(10)外壁上设有用于与坐封工具的芯轴(14)螺纹连接的连接外螺纹。
8.根据权利要求1所述的可完全降解金属桥塞，其特征在于，中心管(16)、密封筒(2)和上扩张块(5)选用能够在盐酸、KCl溶液、NaCl溶液、MgCl2溶液或者地层水中降解的材料制成；降解材料包括镁铝合金、铝镁合金、镁铜合金、镁锌合金、聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乙烯、聚丙烯材料中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的可完全降解金属桥塞，其特征在于，中心管(16)和上扩张块(5)采用铝镁合金制成；铝镁合金为0.5～3wt％Mg、90～95wt％Al和余量的镍、铜、铁、银、石墨中的一种或多种(按总质量100％计)。
10.根据权利要求1所述的可完全降解金属桥塞，其特征在于，密封筒(2)采用镁铝合金制成；镁铝合金为85～95wt％Mg、2～10wt％Al和余量的镍、铜、铁、银、石墨中的一种或多种(按总质量100％计)；中心管、上扩张块和密封筒采用半连续拉铸方法制得。
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