CN107304658A - 一种贯穿式封堵器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种贯穿式封堵器，包括：芯轴；胶筒密封机构，套设于芯轴上并且能够横向张开以封堵井筒；卡瓦锚定机构，套设于芯轴上并且位于胶筒密封机构上下两端；压力锁紧机构，套设于芯轴上并且用于推挤卡瓦锚定机构和胶筒密封机构使其横向张开，胶筒密封机构使压力锁紧机构横向撑开并固定于井筒内；丢手机构，设置于芯轴上端；滑动密封机构，与过封堵器的无接箍油管接触形成耐高压的滑动密封；以及开启机构，能够建立生产通道。本发明在不压井作业中可实现无需带压设备下普通油管，可实现过封堵器的不压井、不带压油管下入作业，能够实现油管在井筒中各位置的灵活下入，可有效缩短作业周期，节约成本，规避带压作业施工风险。

Description

一种贯穿式封堵器

技术领域

本发明涉及石油天然气开采技术领域，更为具体来说，涉及油、气、水井井下作业所用装置，是一种不压井、不带压下油管作业用的可钻贯穿式封堵器。

背景技术

不压井作业是在带压环境中由专业技术人员操作特殊设备起下管柱的一种作业方法。不压井作业为油气田的勘探开发提供了一个新思路，解决了压井作业中的一些技术难题，最大限度的保持原始产层状态，避免产层遭受污染，减少了修井作业次数。经过四十多年的发展，目前国内外不压井作业范围主要涉及带压起下油管、套管或衬管；带压钻水泥塞、桥塞或砂堵；酸化、压裂、打捞和磨铣；挤水泥、打桥塞和报废井作业；带压情况下故障井口和闸门的更换等。现我国大部分油气田已经进入中后期开采阶段、油气井压力逐年降低，为了保持地层压力场、提高生产效益，防止常规压井作业造成的压井液污染地层、影响产能问题，迫切需要采用不压井作业工艺。尤其是针对低渗油气田，诸如页岩油、气井的开采，为了最大限度的保护油气层、提高采收率，减少对油气层进行酸化压裂的施工次数，从解开产层开始就实行全过程的欠平衡钻井、对后期的完井和修井全过程进行不压井作业。

然而，随着不压井作业的增多，带压起下油管作业周期长、施工费用高的问题凸现出来，针对该问题，本发明提出了一种贯穿式封堵器，可实现不压井、不带压下油管作业，能够有效节约成本，规避带压作业施工风险。

发明内容

为解决不压井不带压作业下油管遇到井筒变径或其他情况需要将油管下入到封堵器下方的问题，本发明提供了一种贯穿式封堵器，其可实现过封堵器的不压井、不带压油管下入作业，能够实现油管在井筒中各位置的灵活下入，可有效缩短作业周期，节约成本，规避带压作业施工风险。

为达上述目的，本发明提供一种贯穿式封堵器，其包括：

芯轴；

胶筒密封机构，套设于所述芯轴上并且能够横向张开以封堵井筒；

卡瓦锚定机构，套设于所述芯轴上并且位于所述胶筒密封机构的上下两端；

压力锁紧机构，套设于所述芯轴上并且用于推挤所述卡瓦锚定机构，所述卡瓦锚定机构能够沿纵向推挤所述胶筒密封机构使其横向张开，所述胶筒密封机构对卡瓦锚定机构的反作用力与压力锁紧机构的推挤力相向作用使卡瓦锚定机构横向撑开并固定于井筒内；

丢手机构，设置于所述芯轴上端并且能够使所述芯轴在丢手机构处断开；

滑动密封机构，其包括：密封接头、密封压盘、密封堵头以及V型密封盘根组合，所述密封接头为中空结构并且具有三级台阶，所述密封接头的第三级台阶与所述压力锁紧机构连接，所述密封接头的第一级台阶与输送油管连接；所述密封压盘为中空结构并且具有二级台阶，所述密封压盘的第一级台阶与所述密封接头的第一级台阶连接；所述密封接头的第二级台阶的内表面与密封压盘的第三级台阶的下端形成有第一环形空间，所述第一环形空间内安装有V型密封盘根组合；所述密封压盘的第一级台阶上方的内表面与密封堵头的外表面连接，所述密封压盘的第一台阶下方的内表面与所述密封堵头的下端形成第二环形空间，所述第二环形空间内也安装有V型密封盘根组合，所述V型密封盘根组合与过封堵器的无接箍油管接触形成耐高压的滑动密封；以及

开启机构，密封连接于芯轴下端，其中所述开启机构能够打通，以建立生产通道。

所述的贯穿式封堵器，其中，所述密封压盘的第二级台阶与所述密封接头的第一级台阶形成有第三环形空间，所述第三环形空间内安装有VD形橡胶密封圈。

所述的贯穿式封堵器，其中，所述开启机构为破裂盘，所述破裂盘为半球形壳体，且破裂盘的球形凹面朝上、球形凸面朝下，破裂盘的壳体边缘与芯轴的下端密封连接。

所述的贯穿式封堵器，其中，所述破裂盘与所述芯轴之间通过O型密封圈进行密封连接。

所述的贯穿式封堵器，其中，所述开启机构为楔形塞，所述楔形塞具有锥形表面，所述芯轴的下端连接有下接头，所述下接头具有与楔形塞的锥形表面相配合的内锥形表面，所述楔形塞与所述下接头过盈配合，且安装后的楔形塞的上端面积小于下端面积。

所述的贯穿式封堵器，其中，所述楔形塞与所述下接头通过楔形塞剪切销钉进行连接。

所述的贯穿式封堵器，其中，所述楔形塞为至少两块拼接式结构。

所述的贯穿式封堵器，其中，所述楔形塞的每块拼接式结构中的至少一块通过销钉与所述下接头连接。

所述的贯穿式封堵器，其中，所述开启机构包括挡板和棒状物，所述挡板密封固定于芯轴的下端，当需要打通开启机构时，所述棒状物被从井口投入，并击碎所述挡板。

所述的贯穿式封堵器，其中，所述贯穿式封堵器的上端面和/或下端面采用斜面尾翼结构。

本发明的有益效果是：在不压井作业中可实现无需带压设备下普通油管，可实现过封堵器的不压井、不带压油管下入作业，能够实现油管在井筒中各位置的灵活下入，可有效缩短作业周期，节约成本，规避带压作业施工风险；如遇中途坐封，本发明封堵器可采用连续油管设备快速钻除，施工风险小；无需压井，避免压井液对产层伤害，可提高产能，提高经济效益。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的贯穿式封堵器的第一实施例在丢手之前的结构示意图；

图1A为图1中A部分的局部放大图；

图1B是根据本发明的贯穿式封堵器的第一实施例在丢手之后、下入密封短节的结构示意图；

图2是根据本发明的贯穿式封堵器的第二实施例在丢手之后、下入密封短节的结构示意图；

图3是根据本发明的贯穿式封堵器的第三实施例在丢手之后、下入密封短节的结构示意图；

图3A是拼接式楔形塞的结构示意图；

图4是根据本发明的滑动密封机构的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

第一实施例

如图1所示，其是根据本发明的第一实施例在丢手之前的结构示意图。在第一实施例中，所述贯穿式封堵器包括：芯轴1、套设于所述芯轴1上的压力锁紧机构、卡瓦锚定机构、胶筒密封机构，设置于芯轴1下端的开启机构、设置于芯轴1上端的丢手机构以及滑动密封机构。

其中，所述压力锁紧机构用于推动并锁紧卡瓦锚定机构和胶筒密封机构，其主要包括：上接头2、下接头12、上背环3、下背环11、上压环41以及下压环42。所述上接头2和上压环41由上向下依次套设于芯轴1的上部，其中所述上接头2包覆于上背环3的外侧，且上接头2及上背环3的底端均顶抵于上压环41的顶端。所述下接头12和下压环42由下向上依次套设于芯轴1的下部，其中所述下接头12包覆于下背环11的外侧，且下接头12及下背环11的顶端分别顶抵于下压环42的底端。

所述上接头2、上背环3分别与芯轴1采用单向锁紧齿形结构相连接，即上接头2在受力的情况下能够使其自身带动上背环3相对于芯轴1向下移动，进而推动上压环41相对于芯轴1向下移动，但是上接头2和上背环3无法相对于芯轴1向上移动。而所述下接头12、下背环11分别与芯轴1采用螺纹连接方式进行连接，使得下接头12、下背环11以及下压环42均无法相对于芯轴1进行上、下的移动。

所述胶筒密封机构主要包括：胶筒10、胶筒上垫环91以及胶筒下垫环92。其中，所述胶筒10套设于位于所述上压环41与下压环42之间的芯轴1上，且所述胶筒上垫环91和胶筒下垫环92分别设于胶筒10的上下两端。

所述卡瓦锚定机构主要包括：上卡瓦61、下卡瓦62、上锥体81、下锥体82、上卡瓦箍51、下卡瓦箍52、上锥体定位销钉71以及下锥体定位销钉72，其中上锥体81位于胶筒10的上端，更具体地，上锥体81顶抵于胶筒上垫环91的上端，下锥体82位于胶筒10的下端，更具体地，下锥体82顶抵于胶筒下垫环92的下端。所述上锥体81、下锥体82分别通过上、下锥体定位销钉71、72定位于芯轴1上。所述上卡瓦61位于上压环41与上锥体81之间，且上锥体81的外斜面与上卡瓦61的内斜面相配合，下卡瓦62位于下压环42与下锥体82之间，下锥体82的外斜面与下卡瓦62的内斜面相配合。此外，所述上、下卡瓦61、62的内斜面分别设有台阶面，所述台阶面分别与上、下锥体定位销钉71、72压紧连接。上、下卡瓦61、62外分别设有上、下卡瓦箍51、52，用于将上、下卡瓦61、62向芯轴1的方向压紧，并且由于台阶面与上、下锥体定位销钉71、72的配合，实现压紧力对胶筒密封机构的传递从而实现贯穿式封堵器的座封。

所述开启机构为实现堵塞器下端定压开启，建立生产通道的结构，其主要包括：破裂盘14以及O型密封圈13。O型密封圈13安装在芯轴1下端内设的O型圈密封槽内，破裂盘14的周边通过芯轴1下端内阶梯端面和内侧的O型密封圈13的挤压配合以及下背环11台阶内腔表面和下接头12内腔表面的支撑和挤压配合实现破裂盘14的定位和密封，破裂盘14的球形凹面朝上，球形凸面朝下，球形凹面可承受最大正压力1-10MPa，球形凸面可承受来自地层压力的最大背压为20-80MPa；

所述丢手机构包括剪切环1a(请见图1A)，所述剪切环1a设置于芯轴1上端内部，剪切环1a的壁厚小于芯轴1的壁厚，因此剪切环1a成为了芯轴1的薄弱部分，便于在剪切环1a处拉断芯轴1。

如图1B和图4所示，滑动密封机构为一密封短节M，其包括：密封堵头M1、密封压盘M2、V型密封盘根组合M3、密封接头M4、VD形橡胶密封圈M5以及锁紧螺钉M6。其中，所述密封接头M4为中空结构，其具有三级台阶，且三级台阶的外径由上向下依次减小。所述密封接头M4的第三级台阶(下端)的外表面能够与所述压力锁紧机构的芯轴1的内表面螺纹连接，密封接头M4的第一级台阶(上端)能够与输送油管(未示出)螺纹连接。所述密封压盘M2也为中空结构，其也具有三级台阶，且三级台阶的外径也是由上向下依次减小。所述密封压盘M2的第二级台阶(中部)的外表面与所述密封接头M4的第一级台阶的内表面螺纹连接。在密封接头M4的第二级台阶的内表面与密封压盘M2的第三级台阶的下端形成有第一环形空间S1，所述第一环形空间S内安装有V型密封盘根组合M3，V型密封盘根组合M3与过封堵器的无接箍油管T接触形成耐高压的滑动密封。此外，所述密封压盘M2的第一级台阶上方的内表面与密封堵头M1的外表面螺纹连接，所述密封压盘M2的第一台阶下方的内表面与所述密封堵头M1的下端形成第二环形空间S2，所述第二环形空间S2内也安装有V型密封盘根组合M3，同样，其与过封堵器的无接箍油管T接触形成耐高压的滑动密封。

其中，所述密封压盘M2的第三级台阶的外表面与所述密封接头M4的第一级台阶的内表面形成有第三环形空间S3，所述第三环形空间S3内安装有VD形橡胶密封圈M5，VD形橡胶密封圈M5按设计要求具有一定的弹性压缩量，起到端面密封作用；此外当V型密封盘根组合M3产生磨损时，密封压盘M2与密封接头M4之间的第三环形空间的体积可能会改变，这时VD形橡胶密封圈M5还起到弹性补偿的作用。

其中，所述V型密封盘根组合M3由支撑环M31、至少一组(例如9组)V型聚氯乙烯盘根M32和压环M33组成。此外，所述密封堵头M1具有切口的一侧安装有锁紧螺钉6，以确保滑动密封机构的结构稳固。

芯轴1上端通过内螺纹与座封工具的中心杆Z连接，且中心杆Z的下端位于剪切环1a的上方。

优选地，芯轴1材质选用铝质但不局限于铝质的能实现贯穿式封堵器丢手功能的材料。

优选地，本发明的贯穿式封堵器的上下端面均采用斜面尾翼啮合机理设计，上端面采用斜面尾翼结构是为了防止钻磨贯穿式封堵器时贯穿式封堵器打转，下端面采用斜面尾翼结构是为了在下入贯穿式封堵器时能够起到引导的作用。

优选地，本发明可钻式贯穿式封堵器主体采用复合材料，可钻性强，密度较小，很容易循环带出地面，避免常规铸铁桥塞磨铣后产生的金属碎屑沉淀。

优选地，本发明贯穿式封堵器组件材质涉及涤纶纤维、聚四氟乙烯、丁晴橡胶、球墨铸铁以及其它可实现各组件功能以及贯穿式封堵器整体性能要求的材料。

优选地，本发明可钻式贯穿式封堵器座封必须使用座封工具，座封工具可选择常规可钻桥塞通用座封工具。

根据本发明的贯穿式封堵器的第一实施例的工作原理是：

座封：下入座封工具，座封时，座封工具中心杆Z不动，与其连接的芯轴1以及与芯轴连接的下背环11、与下背环11连接的下接头12也保持不动；座封工具外推筒下行推动上接头2、上背环3相对芯轴1向下滑动，挤压卡瓦锚定机构施力于上、下锥体81、82，上、下锥体定位销钉71、72受力达到设计剪断值剪断，在继续施力作用下，上、下锥体81、82作用于胶筒密封机构使胶筒10压缩达到完全封隔状态，胶筒10压缩的反作用力与上、下压环41、42推力共同作用使上、下卡瓦61、62扩张压紧在井筒内壁上，贯穿式封堵器上接头2、上背环3与芯轴1位置靠锯齿螺纹啮合锁定，实现贯穿式封堵器座封。

丢手：座封后，座封工具外推筒继续施力于贯穿式封堵器的上接头2，并最终通过下接头12、下背环11向下作用于芯轴1下端，座封工具外推筒与座封工具中心杆Z发生相对运动，使得与座封工具中心杆Z连接的芯轴1处于拉伸状态，当拉伸力达到设计值，芯轴1在剪切环1a(即芯轴1的薄弱部分)处断裂，实现贯穿式封堵器的井下丢手。

下入密封短节M：在封堵器本体座封丢手后，密封短节M通过密封接头M4的第一级台阶与输送油管下端的螺纹连接，由输送油管送入井下，通过密封接头M4的第三级台阶与芯轴1螺纹连接将密封短节M与封堵器本体连为一体形成贯穿式封堵器。

下入无接箍油管：下入无接箍油管(油管内的底端设置有非贯穿式封堵器F)，使其穿过密封短节M，抵达封堵器底部定压开启机构上方。

开启：在贯穿式封堵器上部空间不压井不带压下无接箍油管后，在无接箍油管的上端施加向下的压力，使无接箍油管推动破裂盘14，直至破裂盘14破碎，打开与封堵器下部封隔空间的通道。

其中，破裂盘14也可以由挡板取代。

建立生产通道：继续向下下入无接箍油管直到设计位置，开启油管内封堵器，建立生产通道。

第二实施例

如图2所示，其是根据本发明的第二实施例的结构示意图。第二实施例与第一实施例的区别仅在于开启机构的不同。在第二实施例中，所述开启机构主要包括楔形塞14a和楔形塞剪切销钉13a。所述楔形塞14a的锥形表面与下接头12的内锥形表面过盈配合并通过楔形塞剪切销钉13a进行定位，楔形塞14a上端面面积小、下端面面积大，下端面受到地层压力作用而使楔形塞14a不至于意外脱离芯轴1。

优选地，楔形塞14a为橡胶类可承受高压密封用材质。

在贯穿式封堵器上部空间不压井、不带压下油管作业完毕后，在无接箍油管的上端施加向下的压力，使无接箍油管推动楔形塞14a，直至剪断楔形塞剪切销钉13a，并且楔形塞14a克服过盈配合摩擦力而被打入井底，通道打通，建立生产通道。

第三实施例

如图3和图3A所示，其是根据本发明的第三实施例的结构示意图以及拼接式楔形塞的结构示意图。第三实施例与第二实施例的区别仅在于开启机构的不同。在第三实施例中，所述开启机构主要包括两块拼接式楔形塞14b和两个楔形塞剪切销钉13b。拼接后的两块楔形塞14b的锥形表面与下接头12的内锥形表面过盈配合并通过楔形塞剪切销钉13a进行定位，楔形塞14b上端面面积小、下端面面积大，下端面受到地层压力作用而使楔形塞14b不至于意外脱离芯轴1。

在贯穿式封堵器上部空间不压井不带压下油管作业完毕后，在无接箍油管的上端施加向下的压力，使无接箍油管推动楔形塞14b，直至剪断楔形塞剪切销钉13b，并且楔形塞14b克服过盈配合摩擦力而被打入井底，通道打通，建立生产通道。而采用两块拼接式楔形塞14b相比于一块完整的楔形塞14a的优势在于，当两块拼接式楔形塞14b被打入井底时，自动分散开来，即使井底存在压力将楔形塞14b向上顶推，然而由于拼接式楔形塞14b已经分散开了，那么无法在顶推回下接头12的时候自动拼合，也就确保了定压开启工序顺利完成。

当然，拼接式楔形塞可以不只是由两块拼接结构组成，也可以是三块、四块、六块等等，只要能够保证在下入贯穿式封堵器时每块拼接结构都固定于下接头12的内锥形表面内，而且需要定压开启的时候，能够有效分散开即可。

在油、气井压裂施工后，如页岩气井采用泵送桥塞-射孔联作技术完成产层压裂改造后，采用连续油管防喷作业设备进行钻塞，清除井筒多个桥塞。钻塞施工结束后，利用井口的连续油管防喷作业设备下入本发明所述堵塞器。该堵塞器的坐封工具与该堵塞器为分开设计，该堵塞器的坐封工具使用连续油管下入、液压推动坐封的方式实现堵塞器的座封(或根据现场情况使用电缆带压作业设备下入、火药点火坐封的方式实现堵塞器的座封)。该堵塞器通过连续油管(或电缆)设备带压下入井筒设计位置后，通过连续油管投入堵球至坐封工具内，油管憋压启动坐封工具，坐封贯穿式堵塞器，当坐封力达到设计值后，芯轴1的剪切环1a断裂，贯穿式堵塞器实现丢手。取出连续油管和坐封工具，堵塞器封隔井筒，上部井筒可泄压至零。上部井筒无压力后，将密封短节M连接在普通油管下端，可采用常规设备及工艺下入普通油管和密封短节M，将密封短节M连接在已坐封的贯穿式堵塞器本体上；下入无接箍油管穿过密封短节M，抵达封堵器底部定压开启机构上方后，启动定压开启机构，打开与封堵器下部封隔空间的通道，之后继续向下下入无接箍油管直到设计位置后，通过油管憋压开启无接箍油管内的堵塞器，建立生产通道。

综上所述，本发明的有益效果是：在不压井作业中可实现无需带压设备下普通油管，可实现过封堵器的不压井、不带压油管下入作业，能够实现油管在井筒中各位置的灵活下入，可有效缩短作业周期，节约成本，规避带压作业施工风险；如遇中途坐封，本发明封堵器可采用连续油管设备快速钻除，施工风险小；无需压井，避免压井液对产层伤害，可提高产能，提高经济效益。

相关技术术语的名词解释虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种贯穿式封堵器，其特征在于，包括：

芯轴；

胶筒密封机构，套设于所述芯轴上并且能够横向张开以封堵井筒；

卡瓦锚定机构，套设于所述芯轴上并且位于所述胶筒密封机构的上下两端；

压力锁紧机构，套设于所述芯轴上并且用于推挤所述卡瓦锚定机构，所述卡瓦锚定机构能够沿纵向推挤所述胶筒密封机构使其横向张开，所述胶筒密封机构对卡瓦锚定机构的反作用力与压力锁紧机构的推挤力相向作用使卡瓦锚定机构横向撑开并固定于井筒内；

丢手机构，设置于所述芯轴上端并且能够使所述芯轴在丢手机构处断开；

滑动密封机构，其包括：密封接头、密封压盘、密封堵头以及V型密封盘根组合，所述密封接头为中空结构并且具有三级台阶，所述密封接头的第一级台阶的外表面与输送油管的内表面连接，所述密封接头的第三级台阶的外表面与所述芯轴的内表面连接；所述密封压盘为中空结构并且也具有三级台阶，所述密封压盘的第二级台阶的外表面与所述密封接头的第一级台阶的内表面连接；所述密封接头的第二级台阶的内表面与密封压盘的第三级台阶的下端形成有第一环形空间，所述第一环形空间内安装有V型密封盘根组合；所述密封压盘的第一级台阶的内表面与密封堵头的外表面连接，所述密封压盘的第二级台阶的内表面与所述密封堵头的下端形成第二环形空间，所述第二环形空间内也安装有V型密封盘根组合，所述V型密封盘根组合与过封堵器的无接箍油管接触形成耐高压的滑动密封；以及

开启机构，密封连接于芯轴下端，其中所述开启机构能够打通，以建立生产通道。

2.根据权利要求1所述的贯穿式封堵器，其特征在于，所述密封压盘的第三级台阶的外表面与所述密封接头的第一级台阶的内表面之间形成有第三环形空间，所述第三环形空间内安装有VD形橡胶密封圈。

3.根据权利要求1所述的贯穿式封堵器，其特征在于，所述开启机构为破裂盘，所述破裂盘为半球形壳体，且破裂盘的球形凹面朝上、球形凸面朝下，破裂盘的壳体边缘与芯轴的下端密封连接。

4.根据权利要求3所述的贯穿式封堵器，其特征在于，所述破裂盘与所述芯轴之间通过O型密封圈进行密封连接。

5.根据权利要求1所述的贯穿式封堵器，其特征在于，所述开启机构为楔形塞，所述楔形塞具有锥形表面，所述芯轴的下端连接有下接头，所述下接头具有与楔形塞的锥形表面相配合的内锥形表面，所述楔形塞与所述下接头过盈配合，且安装后的楔形塞的上端面积小于下端面积。

6.根据权利要求5所述的贯穿式封堵器，其特征在于，所述楔形塞与所述下接头通过楔形塞剪切销钉进行连接。

7.根据权利要求5所述的贯穿式封堵器，其特征在于，所述楔形塞为至少两块拼接式结构。

8.根据权利要求7所述的贯穿式封堵器，其特征在于，所述楔形塞的每块拼接式结构中的至少一块通过销钉与所述下接头连接。

9.根据权利要求1所述的贯穿式封堵器，其特征在于，所述开启机构包括挡板和棒状物，所述挡板密封固定于芯轴的下端，当需要打通开启机构时，所述棒状物被从井口投入，并击碎所述挡板。

10.根据权利要求1所述的贯穿式封堵器，其特征在于，所述贯穿式封堵器的上端面和/或下端面采用斜面尾翼结构。