CN107060682B - 一种高压自锁封隔器及其坐封方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压自锁封隔器，包括依次连接的封隔器堵头，第一中心管，封隔器主体，第二中心管和上压帽；封隔器主体上设有多个连通封隔器主体内腔与封隔器主体外部的单流阀组；第一中心管外壁上套接有第一胶桶组，第一压块和第一活塞；第二中心管外壁上套接有第二胶桶组，第二压块和第二活塞。本发明无需井口座封，通过高压流体可产生高压密封部位，通过高压密封部位实现高压流体的密封，最高密封压力达150MPa；可在任意角度的钻孔中开展原位地应力测试和原位压裂试验；无需其他耗材，可多次重复使用；易于解锁和提出，不会出现卡孔损坏封隔器的危险；无需其他措施，高压自锁封隔器可在钻孔内保持平衡状态，实现自锁功能。

Description

一种高压自锁封隔器及其坐封方法

技术领域

本发明属于岩石工程和天然气、石油、矿产开采工程领域，特别涉及一种高压自锁封隔器及其坐封方法。

背景技术

随着常规油气藏、矿产资源的日益消耗，深埋油气藏、煤层气、页岩气等非常规油气藏及深部矿产资源的开采和开发显得日益重要和迫切。深部油气藏储层由于埋深大，导致其储层具有致密、低渗的特点，依靠储层压力开采难以达到商业化的产量，必须对其进行压裂增产措施。深部油气藏多经过强烈的地质运动，储层承受较高的地应力，导致压裂的破裂压力也相应增加，常规封隔器通常耐压70MPa，难以承受深埋储层岩石的破裂压力，因此，非常规油气藏的开发必须要研制超高压封隔器。目前常用的压裂方法为水力压裂增产，水力压裂大量耗费和污染水资源，且中国的非常规油气藏大多位于山地和干旱缺水的地区，难以提供水力压裂所需的水资源。水力压裂效率低，往往需要多次重复压裂才可达到增产的效果。气体压裂是一种新兴、高效的绿色压裂手段，气体压裂在深埋非常规能源的应用要求封隔器有更好的密封性能，且同样要求封隔器有更高的耐压能力。

随着矿产开发、水利水电、地下厂房等人类岩石工程不断向深部地层进入，深部岩石工程面临的安全挑战日益突出。随着矿产资源开发深度的不断增加，高应力对矿产资源开发的危害日益突出，为了保证岩石工程的安全,必须进行岩体卸压。钻孔卸压是常用的一种卸压方式，由于钻孔卸压的孔径较小，导致其影响范围较小，卸压效果差。在钻孔内利用封隔器封隔钻孔，并利用高压流体致裂出复杂裂隙，可以使围岩内部的弹性能有效释放，进而提高卸压的效果，保证矿产资源的安全开采。深埋矿产资源通常承受着较高的原岩应力和诱导应力，导致钻孔卸压的致裂压力相应提高，因此，深埋矿山资源钻孔卸压所需的封隔器也要求有更高的耐压程度。

深埋地层的高地应力是影响深部岩石工程安全的关键因素之一，如何测试并获得深部地层的高地应力制约着岩石工程施工方案的合理设计。水压致裂是测试地应力最为经济实用的主要方式之一，水压致裂需利用封隔器对测试地应力的地层段进行封隔，然后将水注入地层，并逐渐增压至高压状态，使得地层破裂，从而通过计算获取地层的地应力参数。现有封隔器耐压程度较低，通常耐压70MPa，在深埋地层的高地应力作用下，硬岩的破裂压力多大于100MPa，未将岩石压致破裂前，封隔器首先发生破裂，导致难以测试到深部地层的真实地应力。

深埋非常规油气藏资源的开发，尤其是页岩气的开发，目前仍处于勘探阶段，未进入实质性的商业开发阶段，压裂技术的基础研究是推动非常规油气开发的重要保证。压裂技术基础研究的主要手段有理论研究和实验研究两种手段，目前压裂实验研究多利用室内试验条件开展，室内试验的岩石样品尺寸较小，多为cm级别，难以还原现场实际的应力状态，也难以体现实际储层的非均质性和各向异性特点。基于深埋地下岩石力学实验室开展原位压裂试验更能体现储层的实际应力和地质条件，更利于压裂技术的研究和推动，但受技术条件制约，现有的原位压裂试验仍非常少。原位压裂必须利用封隔器才能开展，常规的封隔器多需要井口的机械力使封隔器座封，在深埋地下岩石力学实验室开展原位压裂试验需要根据地应力方向设计压裂钻孔，如压裂钻孔为水平孔，则很难利用井口座封；另外，原位压裂试验因试验岩体位于原岩应力场中，其承受较大的地应力，破裂压力较高；综上，原位压裂试验要求封隔器能承受更高的压力，同时又要求其具备自封能力。现有的封隔器难以满足原位压裂试验封隔器的要求。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种高压自锁封隔器及其坐封方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种高压自锁封隔器，包括依次连接的封隔器堵头，第一中心管，封隔器主体，第二中心管和上压帽；

所述封隔器堵头具有固定套接在所述第一中心管外壁的封隔器堵头连接部；

所述第一中心管具有第一中心管内腔；

所述封隔器主体具有封隔器主体内腔，所述封隔器主体上设有多个连通所述封隔器主体内腔与所述封隔器主体外部的单流阀组，所述封隔器主体内腔的两端分别固定套接在所述第一中心管外壁和所述第二中心管外壁；

所述第二中心管具有第二中心管内腔；

所述上压帽具有固定套接在所述第二中心管外壁的上压帽连接部，所述上压帽上设有高压接口；

所述高压接口，所述第二中心管内腔，所述封隔器主体内腔和所述第一中心管内腔依次连通；

所述第一中心管外壁上还依次套接有第一胶桶组，第一压块和第一活塞，所述第一活塞的端面与所述封隔器主体的端面之间具有第一液压腔室，所述第一液压腔室外设有用于密封所述第一液压腔室的第一密封套筒，所述第一中心管具有多个连通所述第一中心管内腔与所述第一液压腔室的液体流出口；

所述第二中心管外壁上还依次套接有第二胶桶组，第二压块和第二活塞，所述第二活塞的端面与所述封隔器主体的端面之间具有第二液压腔室，所述第二液压腔室外设有用于密封所述第二液压腔室的第二密封套筒，所述第二中心管具有多个连通所述第二中心管内腔与所述第二液压腔室的液体流出口；

所述上压帽外壁设有螺纹；

所述单流阀组沿所述封隔器主体的轴线排列，所述单流阀组包括两个以所述封隔器主体的轴线为轴对称分布的单流阀，其中一个所述单流阀的流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔，另外一个所述单流阀的流向为从钻孔流向所述高压自锁封隔器内部。

所述封隔器堵头上设有圆形孔。在胶筒的拆卸和安装时可以用钢柱或铁柱穿于圆形孔中，为高压自锁封隔器拆卸和安装提供反作用力，便于高压自锁封隔器组装及部件更换

所述第一中心管外壁具有第一大轴段和第一小轴段，所述第一胶桶组套接在所述第一大轴段上，所述第一压块的部分内壁套接在所述第一大轴段上，所述第一活塞套接在所述第一小轴段上。

所述第二中心管外壁具有第二大轴段和第二小轴段，所述第二胶桶组套接在所述第二大轴段上，所述第二压块的部分内壁套接在所述第二大轴段上，所述第二活塞套接在所述第二小轴段上。

由于所述第一中心管外壁和所述第二中心管外壁都具有轴肩，分别防止所述第一活塞和所述第二活塞过渡挤压所述第一胶桶组和所述第二胶桶组。

所述封隔器堵头与所述上压帽之间至少设有两个拆掉所述封隔器堵头和所述上压帽的所述高压自锁封隔器。

所述第一胶桶组和所述第二胶桶组均包括多个胶桶，相邻所述胶桶之间设有隔环。

本发明还公开了一种使用如上述所述的高压自锁封隔器的坐封方法，具有如下步骤：

S1、利用高压管线将高压接口与流体增压系统相连接，高压自锁封隔器通过上压帽外壁上的螺纹与高压钻杆连接在一起，并逐渐推进钻孔至深部需密封段；

S2、流体增压系统增压后的高压流体通过高压接口进入高压自锁封隔器内，高压流体进入第二中心管内腔，封隔器主体内腔和第一中心管内腔内，然后通过液体流出口进入第二液压腔室和第一液压腔室；

S3、进入第二液压腔室的高压流体推动第二活塞，将液压传递至第二压块上，第二压块推动第二胶桶组，由于压力的挤压，第二胶桶组开始沿径向膨胀，随着液压的不断增加，第二胶桶组逐渐将钻孔与第二胶桶组之间的缝隙完全封闭，形成高压密封部位；

同时，进入第一液压腔室的高压流体推动第一活塞，将液压传递至第一压块上，第一压块推动第一胶桶组，由于压力的挤压，第一胶桶组开始沿径向膨胀，随着液压的不断增加，第一胶桶组逐渐将钻孔与第一胶桶组之间的缝隙完全封闭，形成高压密封部位；

S4、当进入高压自锁封隔器的高压流体压力达到一定程度后，高压流体将流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔的单流阀的各阀门推开，高压流体通过流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔的单流阀进入高压自锁封隔器与钻孔之间，随着高压流体的持续注入，高压流体压力迅速增加，达到足够的压力后，将岩体破裂，实现地应力的测量和压裂的目的；

单流阀具有一定的压力门槛值，只有流体达到门槛值时，单流阀才会被打开。在达到门槛值前，单流阀都是封闭的，流体封闭在所述高压自锁封隔器内部，将胶筒膨胀起来。

S5、地应力的测量和压裂的目的完成后，直接打开流体增压系统的泄压口，高压流体通过流向为从钻孔流向所述高压自锁封隔器内部的单向阀进入所述高压自锁封隔器内部，进而通过高压接口流出高压自锁封隔器，第一活塞对第一胶桶组压力释放，第二活塞对第二胶桶组的压力也相应的释放，第一胶桶组和第二胶桶组收缩后，高压自锁封隔器与钻孔分离，通过与上压帽连接的高压钻杆即可将高压自锁封隔器拉出钻孔，完成高压自锁封隔器的解封。

试验过程中第一中心管内腔和第二中心管内腔内的高压流体在所述高压自锁封隔器的第一中心管和第二中心管之间，高压流体通过第三胶筒、第二胶筒和第一胶筒对高压自锁封隔器堵头的推力被高压流体通过第四胶筒、第五胶筒和第六胶筒对高压自锁封隔器上压帽的反作用力抵消；同时高压自锁封隔器与钻孔之间的高压流体对第一胶筒组的推力被高压流体对第二胶筒组的推力抵消，使得高压自锁封隔器在钻孔内保持平衡状态，不会发生高压自锁封隔器喷出钻孔的情况，实现高压自锁封隔器的安全自锁。

本发明具有以下优点和积极效果：

(1)、无需井口座封，通过高压流体可产生高压密封部位，通过高压密封部位实现高压流体的密封，高压自锁封隔器的最高密封压力达150MPa。

(2)、可在任意角度的钻孔中开展原位地应力测试和原位压裂试验。

(3)、无需其他耗材，高压自锁封隔器可多次重复使用。

(4)、高压自锁封隔器易于解锁和提出，不会出现卡孔损坏封隔器的危险。

(5)、无需其他措施，高压自锁封隔器可在钻孔内保持平衡状态，实现自锁功能。

基于上述理由本发明可在岩石工程和天然气、石油、矿产开采工程等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的具体实施方式中高压自锁封隔器的结构示意图。

图2为本发明的具体实施方式中高压自锁封隔器的耐压曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种高压自锁封隔器，包括依次连接的封隔器堵头1，第一中心管2，封隔器主体3，第二中心管4和上压帽5；

所述封隔器堵头1具有固定套接在所述第一中心管2外壁的封隔器堵头连接部；

所述第一中心管2具有第一中心管内腔6；

所述封隔器主体3具有封隔器主体内腔7，所述封隔器主体3上设有连通所述封隔器主体内腔7与所述封隔器主体3外部的第一单流阀组和第二单流阀组，所述第一单流阀组和所述第二单流阀组沿所述封隔器主体3的轴线排列，所述第一单流阀组包括以所述封隔器主体3的轴线为轴对称分布的第一单流阀8和第二单流阀9，所述第一单流阀8的流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔，所述第二单流阀9的流向为从钻孔流向所述高压自锁封隔器内部，所述第二单流阀组包括以所述封隔器主体3的轴线为轴对称分布的第三单流阀10和第四单流阀11，所述第三单流阀10的流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔，所述第四单流阀11的流向为从钻孔流向所述高压自锁封隔器内部，所述封隔器主体内腔7的两端分别固定套接在所述第一中心管2外壁和所述第二中心管4外壁；

所述第二中心管4具有第二中心管内腔12；

所述上压帽5具有固定套接在所述第二中心管4外壁的上压帽连接部，所述上压帽5上设有高压接口13；

所述高压接口13，所述第二中心管内腔12，所述封隔器主体内腔7和所述第一中心管内腔6依次连通；

所述第一中心管2外壁上还依次套接有第一胶桶组，第一压块14和第一活塞15，所述第一活塞15的端面与所述封隔器主体3的端面之间具有第一液压腔室16，所述第一液压腔室16外设有用于密封所述第一液压腔室16的第一密封套筒17，所述第一中心管2具有连通所述第一中心管内腔6与所述第一液压腔室16的第一液体流出口18和第二液体流出口19；

所述第一胶桶组包括第一胶桶20，第二胶桶21和第三胶桶22，所述第一胶桶20和所述第二胶桶21之间设有第一隔环23，所述第二胶桶21和所述第三胶桶22之间设有第二隔环24；

所述第二中心管4外壁上还依次套接有第二胶桶组，第二压块25和第二活塞26，所述第二活塞26的端面与所述封隔器主体3的端面之间具有第二液压腔室27，所述第二液压腔室27外设有用于密封所述第二液压腔室27的第二密封套筒28，所述第二中心管4具有连通所述第二中心管内腔12与所述第二液压腔室27的第三液体流出口29和第四液体流出口30；

所述第二胶桶组包括第四胶桶31，第五胶桶32和第六胶桶33，所述第四胶桶31和所述第五胶桶32之间设有第三隔环34，所述第五胶桶32和所述第六胶桶33之间设有第四隔环35；

所述上压帽5外壁设有螺纹。

所述封隔器堵头1上设有圆形孔36。

所述第一中心管2外壁具有第一大轴段和第一小轴段，所述第一胶桶组套接在所述第一大轴段上，所述第一压块14的部分内壁套接在所述第一大轴段上，所述第一活塞15套接在所述第一小轴段上。

所述第二中心管4外壁具有第二大轴段和第二小轴段，所述第二胶桶组套接在所述第二大轴段上，所述第二压块25的部分内壁套接在所述第二大轴段上，所述第二活塞26套接在所述第二小轴段上。

实施例2

一种使用如实施例1所述的高压自锁封隔器的坐封方法，具有如下步骤：

S1、利用高压管线将高压接口13与流体增压系统相连接，高压自锁封隔器通过上压帽5外壁上的螺纹与高压钻杆连接在一起，并逐渐推进钻孔至深部需密封段；

S2、流体增压系统增压后的高压流体通过高压接口13进入高压自锁封隔器内，高压流体进入第二中心管内腔12，封隔器主体内腔7和第一中心管内腔6内，然后通过第三液体流出口29和第四液体流出口30进入第二液压腔室27，通过第一液体流出口18和第二液体流出口19第一液压腔室16；

S3、进入第二液压腔室27的高压流体推动第二活塞26，将液压传递至第二压块25上，第二压块25推动第二胶桶组，由于压力的挤压，第二胶桶组开始沿径向膨胀(即第四胶桶31，第五胶桶32和第六胶桶33沿径向膨胀)，随着液压的不断增加，第二胶桶组逐渐将钻孔与第二胶桶组之间的缝隙完全封闭，形成三个高压密封部位；

同时，进入第一液压腔室16的高压流体推动第一活塞15，将液压传递至第一压块14上，第一压块14推动第一胶桶组，由于压力的挤压，第一胶桶组开始沿径向膨胀(即第一胶桶20，第二胶桶21和第三胶桶22沿径向膨胀)，随着液压的不断增加，第一胶桶组逐渐将钻孔与第一胶桶组之间的缝隙完全封闭，形成另外三个高压密封部位；

S4、当进入高压自锁封隔器的高压流体压力达到一定程度后，高压流体将流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔的单流阀的各阀门推开，高压流体通过流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔的单流阀进入高压自锁封隔器与钻孔之间，随着高压流体的持续注入，高压流体压力迅速增加，达到足够的压力后，将岩体破裂，实现地应力的测量和压裂的目的；

S5、地应力的测量和压裂的目的完成后，直接打开流体增压系统的泄压口，高压流体通过流向为从钻孔流向所述高压自锁封隔器内部的单向阀进入所述高压自锁封隔器内部，进而通过高压接口流出高压自锁封隔器，第一活塞对第一胶桶组压力释放，第二活塞对第二胶桶组的压力也相应的释放，第一胶桶组和第二胶桶组收缩后，高压自锁封隔器与钻孔分离，通过与上压帽连接的高压钻杆即可将高压自锁封隔器拉出钻孔，完成高压自锁封隔器的解封。

进行125MPa下的高压自锁封隔器耐压及密封性能测试，到达125MPa时，将高压自锁封隔器与外部增压系统的连接封闭，由图2可以看出，20小时后，高压自锁封隔器内流体压力基本无变化，说明高压自锁封隔器具有良好的密封性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种高压自锁封隔器，其特征在于，包括依次连接的封隔器堵头，第一中心管，封隔器主体，第二中心管和上压帽；

所述封隔器堵头具有固定套接在所述第一中心管外壁的封隔器堵头连接部；

所述第一中心管具有第一中心管内腔；

所述封隔器主体具有封隔器主体内腔，所述封隔器主体上设有多个连通所述封隔器主体内腔与所述封隔器主体外部的单流阀组，所述封隔器主体内腔的两端分别固定套接在所述第一中心管外壁和所述第二中心管外壁；

所述第二中心管具有第二中心管内腔；

所述上压帽具有固定套接在所述第二中心管外壁的上压帽连接部，所述上压帽上设有高压接口；

所述高压接口，所述第二中心管内腔，所述封隔器主体内腔和所述第一中心管内腔依次连通；

所述第一中心管外壁上还依次套接有第一胶桶组，第一压块和第一活塞，所述第一活塞的端面与所述封隔器主体的端面之间具有第一液压腔室，所述第一液压腔室外设有用于密封所述第一液压腔室的第一密封套筒，所述第一中心管具有多个连通所述第一中心管内腔与所述第一液压腔室的液体流出口；

所述第二中心管外壁上还依次套接有第二胶桶组，第二压块和第二活塞，所述第二活塞的端面与所述封隔器主体的端面之间具有第二液压腔室，所述第二液压腔室外设有用于密封所述第二液压腔室的第二密封套筒，所述第二中心管具有多个连通所述第二中心管内腔与所述第二液压腔室的液体流出口；

所述上压帽外壁设有螺纹；

所述单流阀组沿所述封隔器主体的轴线排列，所述单流阀组包括两个以所述封隔器主体的轴线为轴对称分布的单流阀，其中一个所述单流阀的流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔，另外一个所述单流阀的流向为从钻孔流向所述高压自锁封隔器内部；

所述封隔器堵头上设有圆形孔。

2.根据权利要求1所述的一种高压自锁封隔器，其特征在于：所述第一中心管外壁具有第一大轴段和第一小轴段，所述第一胶桶组套接在所述第一大轴段上，所述第一压块的部分内壁套接在所述第一大轴段上，所述第一活塞套接在所述第一小轴段上。

3.根据权利要求1所述的一种高压自锁封隔器，其特征在于：所述第二中心管外壁具有第二大轴段和第二小轴段，所述第二胶桶组套接在所述第二大轴段上，所述第二压块的部分内壁套接在所述第二大轴段上，所述第二活塞套接在所述第二小轴段上。

4.根据权利要求1所述的一种高压自锁封隔器，其特征在于：所述封隔器堵头与所述上压帽之间至少设有两个拆掉所述封隔器堵头和所述上压帽的所述高压自锁封隔器。

5.根据权利要求1所述的一种高压自锁封隔器，其特征在于：所述第一胶桶组和所述第二胶桶组均包括多个胶桶，相邻所述胶桶之间设有隔环。

6.一种使用如权利要求1-5任一权利要求所述的高压自锁封隔器的坐封方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、利用高压管线将高压接口与流体增压系统相连接，高压自锁封隔器通过上压帽外壁上的螺纹与高压钻杆连接在一起，并逐渐推进钻孔至深部需密封段；

S2、流体增压系统增压后的高压流体通过高压接口进入高压自锁封隔器内，高压流体进入第二中心管内腔，封隔器主体内腔和第一中心管内腔内，然后通过液体流出口进入第二液压腔室和第一液压腔室；

S3、进入第二液压腔室的高压流体推动第二活塞，将液压传递至第二压块上，第二压块推动第二胶桶组，由于压力的挤压，第二胶桶组开始沿径向膨胀，随着液压的不断增加，第二胶桶组逐渐将钻孔与第二胶桶组之间的缝隙完全封闭，形成高压密封部位；

同时，进入第一液压腔室的高压流体推动第一活塞，将液压传递至第一压块上，第一压块推动第一胶桶组，由于压力的挤压，第一胶桶组开始沿径向膨胀，随着液压的不断增加，第一胶桶组逐渐将钻孔与第一胶桶组之间的缝隙完全封闭，形成高压密封部位；

S4、当进入高压自锁封隔器的高压流体压力达到一定程度后，高压流体将流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔的单流阀的各阀门推开，高压流体通过流向为从所述高压自锁封隔器内部流向钻孔的单流阀进入高压自锁封隔器与钻孔之间，随着高压流体的持续注入，高压流体压力迅速增加，达到足够的压力后，将岩体破裂，实现地应力的测量和压裂的目的；

S5、地应力的测量和压裂的目的完成后，直接打开流体增压系统的泄压口，高压流体通过流向为从钻孔流向所述高压自锁封隔器内部的单向阀进入所述高压自锁封隔器内部，进而通过高压接口流出高压自锁封隔器，第一活塞对第一胶桶组压力释放，第二活塞对第二胶桶组的压力也相应的释放，第一胶桶组和第二胶桶组收缩后，高压自锁封隔器与钻孔分离，通过与上压帽连接的高压钻杆即可将高压自锁封隔器拉出钻孔，完成高压自锁封隔器的解封。