CN106337665B - 用于高温高难井酸化压裂的封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种用于高温高难井酸化压裂作业的裸眼完井封隔器，能够在180‑220℃高温井，实现50‑70MPa压力的酸化压裂作业，并保证1‑2年内安全采油采气。最后，还能顺利取出井筒。在机械结构方面，采用一种零件赋予多种功能的设计，使整体短小，结构简捷，降低机械事故的风险；在胶筒方面，采用B‑A‑B组合胶筒，由副胶筒B拱卫主胶筒A，消除主胶筒A肩部的集中应力，延长胶筒使用寿命。利用可伸缩的转叶组合件，既能保证较大环空的坐封性能，又能保证顺利通过裸眼井筒。

Description

用于高温高难井酸化压裂的封隔器

技术领域：

—种用于高温高难井酸化压裂的封隔器，主要用于该类井裸眼完井酸化压裂改造，属于石油天然气工业裸眼完井的井下工具制造领域。

背景技术：

随着钻井、完井技术的进步，超深井、大位移井、水平井、分支井等高温、高难井不断出现，这些井的酸化压裂改造，对井下工具特别是酸化压裂封隔器提出了越来越高的要求。主要体现在：必须适应井下高温环境(170～240℃)，必须适应裸眼井壁与油管之间较大的环空及地层非均质性造成的井壁不规则、井眼轨迹呈狗腿状弯曲等因素，必须满足管柱“下得去、封得住、解得开、取得出”的全面要求。所谓“下得去”，就是带有封隔器和其它井下工具的管柱能一下到位；所谓“封得住”，就是在需要坐封时，封隔器能如期坐封，封住管外环空，并承受50～70MPa的工作压力，压裂过后，在1～2年内承受产层油气压力；所谓“解得开”，就是在需要解封的时候，能结束坐封状态，胶筒得以部分回弹；所谓“取得出”，管柱所有刚性部件不得与井壁剐蹭受阻，管柱不发生脱落，完整取出。

现有封隔器，总是不能完全地、可靠地满足上述要求，其结果是，不论中外工具，都不可避免事故频发。究其原因，大致归结为：整体粗大，井筒通过性差；结构复杂、部件繁琐、易发生机械事故；需要认真应对的胶筒保护机构却相对苟简，不能对胶筒有效保护。

发明内容：

鉴于现有技术不能完全地、可靠地满足高温高难井酸化压裂作业的要求，本发明从两个方面解决问题。

1、机械方面。力求简捷短小，采用功能集约化设计，即对一种部件，赋予多种功能，封隔器零部件总数大为减少。本发明所述的封隔器只有16种主要部件：中心管37，上接头20，下接头1，液压缸3，活塞36，组合胶筒12，13，单向锁环4，锁套-盘托5，转叶组合件8，9，10，转叶调节环6，14，调节弹簧7，多功能环15，咬环18，加强环38，钢珠锁块17，支撑环16。

所述锁套-盘托是一种多功能部件，它的一端留有企口与活塞联接，在企口的活塞一侧留出锁环腔一一形成锁套，当活塞推进时，活塞端头推动锁套-盘托并推动锁环，使锁环滑过单向螺纹跳动前进，锁环腔的里端设有锥面，当锁套-盘托后退时，锥面压紧锁环，实现单向锁定功能。

它的另一端，内侧开有“L”形沟槽，与中心管配合，构成枢纽腔，转叶组合件根部的圆柱头一旦装入枢纽腔，转叶组合件就只能在一定角度内转动而不会脱出。

它的外缘，套有转叶调节环，在调节弹簧作用下，调整转叶调节环位置，从而使转叶组合件实现安装态，工作态两种状态。

所述转叶组合件由根部带有圆柱头的转叶骨干8、伸缩片9和挡片10组成，圆柱头被枢纽腔控制后，可作26～75°的旋转，分别对应安装态，工作态两种状态。具体转动的角度受胶筒和转叶调节环的控制。伸缩片安装在转叶骨干的燕尾槽中，遇阻时，伸缩片会向轴心收缩，避开阻力。挡片焊接(如电阻焊，氩弧焊)在转叶骨干上，其位置应满足转叶组合件展开时的缝隙被挡片全遮盖。有了转叶组合件的保护，胶筒可以在径向发生较大变形而不损坏，因此，可以用较小刚径的封隔器，封住较大环空。

所述多功能环，其功能是：1、一端与锁套-盘托功能相同，即为转叶组合件提供枢纽腔，并通过转叶调节环和调节弹簧对转叶组合件旋转角度进行调控，实现安装态，工作态两种状态；2、实现上接头与中心管的密封连接；3、与钢珠锁块、加强环、支撑环配合，实现工作态的锁定；4、解锁后，多功能环能卡在咬环上，管柱仍保持连续，并能承受50～60T的拉力，保障管柱顺利提拉出井。

所述加强环是直接承受钢珠锁块巨大剪切力的部件，HRC应在40～50之间，确保封隔器不发生意外解封。

2、胶筒方面。如果仅从生胶化学结构看，耐热的硅橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶、硅硼橡胶都能胜任160℃以上的高温，如：第5级(160～200℃)有MVQ硅橡胶，FKM氟橡胶，第6级(200～250℃)有MQ硅橡胶、MVPQ硅橡胶和FKM氟橡胶，第7级(>250℃)有FKM氟橡胶和BQ硅硼橡胶。但是，作为井下使用的胶筒，就要针对井下工作条件，采取相应的技术对策。

引起井下胶筒老化的直接因素是高温，矿物油(含极性成分和非极性成分)，高温矿化水和机械应力特别是集中应力共同作用的结果。应对前3个因素描施是：选择主链链能大、双键被完全饱和的生胶，配合适当的硫化体系，保护体系和填充体系，最后在大吨位硫化机上硫化成型。如果没有机械应力的作用，胶筒可以长期工作。在机械应力特别是集中应力作用下，发生应力——化学反应：

即主链断裂产生自由基，自由基可以在氧参与下发生连锁反应，也可以与极性介质发生加成反应，这是胶筒破坏的主要原因。因此，本发明保护胶筒的主要措施是：消除集中应力。

具体做法是：采用B-A-B形式的组合胶筒，A为主胶筒，B为副胶筒，A胶筒内侧中间位置开出一弧形沟槽，以避免变形后随机产生螺旋沟槽引起内漏，A胶筒的两端设计成外锥面。B胶筒的一端设计成内锥面，与A胶筒的外锥面配合，另一端设计成外锥面。B胶筒对A胶筒起拱卫作用，当A胶筒变形时，B胶筒可以消除A胶筒肩部的集中应力。紧接着B胶筒的外锥面设置聚四氟垫肩，以减轻转叶和挡片对B胶筒的伤害。

下面结合附图，作进一步说明。

附图说明：

图1是本发明机械原理图；

图2是转叶组合件结构示意图，其中：(a)为转叶骨干，(b)为转叶挡片，(c)为伸缩片，(d)为转叶组合件装配图；

图3是转叶组合件与枢纽腔配合图，其中：(e)为安装态，(f)为工作态；

图4是多功能环结构示意图；其中：(g)为多功能环主体，(h)为L形槽局部放大图；

图5是组合胶筒及聚四氟垫肩组装示意图；

图中：1下接头，2连接环，3液压缸，4单向锁环，5锁套-盘托，6转叶调节环A，7调节弹簧，8、9、10转叶组合件(转叶骨干，伸缩片，挡片)，11聚四氟垫肩，12、13组合胶筒(B胶筒，A胶筒)，14转叶调解环B，15多功能环，16支撑环，17钢珠锁块，18咬环，19垫环，20上接头，21连接螺钉-坐封剪钉，22启动剪钉A，23伸缩片剪钉，24启动剪钉B，25投球剪钉，26、28、30、32、34四氟垫片，27、29、31、33、35密封圈，36活塞，37中心管，38加强环。

附图2表示转叶组合件由3种零件组成，(a)是8转叶骨干，(b)是10挡片，(c)是9伸缩片，(d)是组合件。伸缩片用剪钉固定在转叶骨干上，遇阻后，剪断剪钉，伸缩片回缩。挡片一侧焊接在转叶骨干上，另一侧保持自由，当转叶组合件展开时，挡片可完全遮盖转叶组合件之间的缝隙。

具体实施例：

本发明实施例给出一种应用于5.9"(149.86mm)或6"(152.4mm)钻头在致密灰岩地层钻出的裸眼水平井段酸化压裂改造的封隔器。

技术参数如下：

Y341-136-180/50，通径大于60mm,总长1284.9mm,接头2⁷/₈"EUE，任何状态下的抗拉能力50～60T。转叶与中心线夹角与胶筒外缘尺寸对应，夹角26°时，胶筒外缘134mm，夹角45°时，胶筒外缘160mm，夹角50°时，胶筒外缘165mm，夹角55°时，胶筒外缘170mm。所以，本封隔器可适应大环空和不规则井壁。

胶筒的配方为：

胶料：246型氟橡胶(偏氟乙烯，四氟乙烯，六氟乙烯共聚物)，门尼粘度70，100份

复合硫化剂：对苯二酚(5号硫化剂) 3份

季铵盐 0.5份

吸酸剂：氧化镁(MgO) 3

氧化钙(CaO) 3

酸性促进剂：2—硫醇基苯丙噻唑(MBT) 0.8

防老剂：2，2，4一三甲基一1，2—二烃基喹啉(RD) 1份

补强填充剂：热裂法炭黑(N—990) 25份

加工助剂：氟蜡 1份

此配方工艺性好，压缩永久变形小，耐热性好。

主要操作步骤为：

用6"炼胶机，辊温调制40～60℃，按照生胶-吸酸剂-加工助剂-防老剂-酸性促进剂-复合硫化剂-补强填充剂顺序加入，辊距调至0.5～1mm，薄通，下片，裁片，装入胶筒模具。

—段硫化条件为165～170℃x10min；

二段硫化条件为230℃x24h，保证逐步升温，升到230℃后恒温计时，同时加压。

组装过程：

将下接头装在中心管37下端，从中心管上端上连接环2、套入液压缸3，将活塞36压入液压缸3，套入单向锁环4并旋转到位。将调解弹簧7装到锁套-盘托5外缘，压装转叶调节环6，将转叶组合件8、9、10装到锁套-盘托5的L形槽中，上好启动剪钉22，从中心管37上端装入锁套-盘托5，旋紧联结螺钉-坐封剪钉21，继续从中心管37上端套入聚四氟垫肩11，随后套入胶筒组合12、13，再将另一个聚四氟垫肩11从中心管37上端套入；类似地，将调节弹簧7装到多功能环15的外缘，压装转叶调节环14，上好启动剪钉24，将转叶组合件8、9、10装到多功能环15的L形槽中，从上端套进中心管37，旋入咬环18，装入钢球锁块17，装入支撑环16，上投球剪钉25，将垫环19装进上接头8，最后，旋装上接头20。

使用功能：

由于联结螺钉-坐封剪钉21、支撑环16和钢珠锁块17的三重作用，确保封隔器不会意外坐封和解封，由于转叶调节环6、14的保护，转叶组合件不会遇到井壁的阻碍，如果封隔器两端配用扶正器，就进一步增加了下入的可靠性，同时，封隔器短小实用一一长1248.9mm，外径136mm，对于下入和取出都是利好因素。

当需要坐封时，中心管37中的液压推动活塞36，进而推动单向锁环4和锁套-盘托5，压缩组合胶筒12、13，转叶组合件开始向外翻转，随着转叶组合件翻转角度不断加大，调节弹簧7不断压紧，直至转叶调节环6另一端达到锁套-盘托5的止点。此时，组合胶筒可以封住最大环空，当然，如果环空不大，转叶调节环也可以停在相应的位置。这种状态可以一直维持下去，因为单向锁环不能后退。

转叶组合件在任意张开角度时，都能构成完全封闭的保护屏障，再加之有聚四氟垫肩的保护，胶筒不会被剪切，而且对于B-A-B式组合胶筒，B胶筒消除了加在A胶筒肩部的集中应力，使A能够长期稳定，从而使封隔器可以承受更大的工作压力。

当需要解封时，在井口投入堵球，加压打开支撑环16，提拉管柱，挤出钢珠锁块17，就可以使多功能环15右移，解除对胶筒的压力，这时胶筒开始舒展，调节弹簧推动转叶调节环，收拢(或部分收拢)转叶组合件。多功能环右移后，会卡在咬环18上。

当需要取出时，只需要提拉管柱，就可以将封隔器取出井眼。

Claims (7)

1.一种用于高温高难井酸化压裂作业的封隔器，包括：中心管(37),上接头(20),下接头(1)，液压缸(3),活塞(36),单向锁环(4),锁套-盘托(5),转叶组合件(8,9,10),转叶调节环(6,14),调节弹簧(7)，多功能环(15)，组合胶筒(12,13)，咬环(18)，钢珠锁块(17)，支撑环(16)，加强环(38)；

其中，所述下接头(1)装在中心管(37)下端，从中心管(37)上端上连接环(2)、套入液压缸(3)，活塞(36)压入液压缸(3)并套入单向锁环(4)，调解弹簧(7)装设于锁套-盘托(5)外缘并压装转叶调节环(6)，转叶组合件(8,9,10)装到锁套-盘托(5)的L形槽中并上入启动剪钉(22)，从中心管(37)上端装入锁套-盘托(5)并旋紧联结螺钉-坐封剪钉(21)，继续从中心管(37)上端套入聚四氟垫肩(11)，并套入胶筒组合(12,13)，再套入另一个聚四氟垫肩(11)，将调节弹簧(7)装到多功能环(15)的外缘并压装转叶调节环(14)并上入启动剪钉(24)，将转叶组合件(8,9,10)装到多功能环(15)的L形槽中，从上端套进中心管(37)，旋入咬环(18)，装入钢球锁块(17)，装入支撑环(16)，上投球剪钉(25)，将垫环(19)装进上接头(20)，并旋装上接头(20)；

所述锁套-盘托(5)的L形沟槽与中心管(37)配合，为转叶组合件(8,9,10)提供枢纽腔，转叶组合件(8,9,10)根部的圆柱头一旦装入枢纽腔，转叶组合件(8,9,10)就只能在一定角度内转动而不会脱出，并通过转叶调节环(6)和调节弹簧(7)对转叶组合件(8,9,10)的旋转角度进行调控。

2.根据权利要求1所述的一种用于高温高难井酸化压裂作业的封隔器，其特征在于，所述锁套-盘托(5)是多功能部件，它的一端留有企口与活塞(36)联接，在企口的活塞(36)一侧留出锁环腔直接构成锁套；它的另一端内侧开有L形沟槽，与中心管(37)配合，构成枢纽腔，枢纽腔只允许转叶组合件(8,9,10)转动而不能脱落；转叶调节环(6)套在其外缘上。

3.根据权利要求2所述的一种用于高温高难井酸化压裂作业的封隔器，其特征在于，所述转叶调节环(6)在调节弹簧(7)作用下在锁套-盘托(5)的外缘滑动，实现转叶组合件(8,9,10)安装态和工作态。

4.根据权利要求1所述的一种用于高温高难井酸化压裂作业的封隔器，其特征在于，所述转叶组合件(8,9,10)由根部带有圆柱头的转叶骨干8,伸缩片9和挡片10组成，转叶组合件可作26-75°旋转，伸缩片安插在转叶骨干的燕尾槽中，遇阻时，伸缩片可向轴心回缩，挡片焊接在转叶骨干上，转叶组合件张开时，挡片可遮盖转叶组合件缝隙。

5.根据权利要求1所述的一种用于高温高难井酸化压裂作业的封隔器，其特征在于，所述多功能环(15)也是多功能部件，其功能一是与锁套-盘托(5)相同，其功能二是实现上接头(20)与中心管(37)的密封连接，其功能三是与钢珠锁块(17)、加强环(38)、支撑环(16)配合实现工作态的锁定，其功能四是在解封后卡在咬环(18)上，保持管柱连续。

6.根据权利要求1所述的一种用于高温高难井酸化压裂作业的封隔器，其特征在于，所述组合胶筒(12,13)采用B-A-B形式，A为主胶筒，B为副胶筒，B胶筒在A胶筒两侧起拱卫作用。

7.根据权利要求6所述的一种用于高温高难井酸化压裂作业的封隔器，其特征在于，在B胶筒和转叶组合件(8.9.10)之间加装聚四氟垫肩，对组合胶筒(12,13)进一步保护。