CN107939307B - 一种长伸缩距补偿短节及补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种长伸缩距补偿短节，包括上接头、内筒、外筒、扶正防尘短节和密封端盖；所述的上接头下端与外筒上端连接；所述内筒位于外筒内，所述内筒上端通过活塞机构与外筒内壁动密封连接，所述活塞机构上端面与上接头的下端面接触连接；所述的内筒壁上部设有阻尼器；所述外筒下端依次连接有扶正防尘短节和密封端盖，密封端盖下部与内筒通过销钉锁紧机构连接；密封端盖、扶正防尘短节与内筒外壁形成动密封；外筒下部内有下限位台阶；上接头下端设有上限位台阶，活塞机构在上限位台阶与下限位台阶之间滑动。本发明接在压裂管柱封隔器之上，通过内筒上下滑动来补偿压裂过程中由于温度、压力变化频繁而导致的管柱应力性位移。
Description
技术领域
本发明属于井下作业压裂技术领域，具体涉及一种长伸缩距补偿短节及补偿方法。
背景技术
油气藏增产开发，压裂作为一种常规的增产手段已经成熟被应用，伸缩补偿器在压裂施工中能补偿管柱收到的内应力造成的位移，而对于低渗、低丰度、孔吼细小、强水锁的油气藏，常规压裂增产方式效果不明显，CO2干法压裂技术作为一项无水压裂技术，有许多优秀的特性，消除储层水敏水锁伤害，提高压裂改造效果；压裂液无残渣，实现自主返排，保护储层和支撑裂缝。但CO2干法压裂施工时，井下温度、压力变化极端，另外液态CO2也不同于一般的压裂液，其物化特性比较特殊，常规的伸缩补偿器在使用过程中存在以下弊端：
1、施工前后，井下温度、压力变化剧烈，液态CO2在-20℃左右的温度被泵入井底，压裂管柱逐步降温；施工压力在45MPa左右，施工完毕,压力和温度恢复原始状态，这样极端条件下，压裂管柱内部会产生大的应力集中，适用于这种条件下的伸缩补偿器补偿距离有限。
2、液态CO2在井下相态变化频繁，对伸缩补偿器密封件有很强的侵蚀作用，往往会造成密封件腐蚀，密封失效，压裂管柱压力互窜。
3、CO2干法压裂过程中，伸缩补偿器上下滑动，管柱的热胀冷缩，细小的陶粒会进入密封机构，不断研磨密封面，造成伸缩补偿器密封失效，压裂管柱破坏。
4、没有专门针对CO2干法压裂优化的伸缩补偿器，现场常将几个伸缩补偿器连在一起使用，增加了成本，也不能达到应有的使用效果。
优化现有伸缩补偿器的结构，改进密封材料和密封方式，上述弊端是可以避免的，采用本发明的内容，才能在CO2干法压裂过程中确保补偿器及时可靠的工作，保证压裂管柱的安全性。
发明内容
为了克服现有CO2干法压裂过程中温度、压力变化极端情况下，工作不可靠，压裂管柱的安全性差的问题，本发明提供一种长伸缩距补偿短节及补偿方法，本发明简化伸缩节结构，功能简单实用，增加扶正防尘短节和密封端盖，优化密封结构，在CO2强侵蚀作用下也能保证密封性能，确保工具可靠工作。
本发明采用的技术方案为：
一种长伸缩距补偿短节，包括上接头、内筒、外筒、扶正防尘短节和密封端盖；所述的上接头下端与外筒上端连接；所述内筒位于外筒内，所述内筒上端通过活塞机构与外筒内壁动密封连接，所述活塞机构上端面与上接头的下端面接触连接；所述的内筒壁上部设有阻尼器；所述外筒下端依次连接有扶正防尘短节和密封端盖，密封端盖下部与内筒通过销钉锁紧机构连接；密封端盖、扶正防尘短节与内筒外壁形成动密封；外筒下部内有下限位台阶；上接头下端设有上限位台阶，活塞机构在上限位台阶与下限位台阶之间滑动。
所述的扶正防尘短节上端开有与外筒下端相对应的螺纹孔，扶正防尘短节上端外筒下端螺纹连接；所述扶正防尘短节下端依此开有两个台阶，最下面的台阶的密封短节台阶面与密封端盖上端连接，另一个台阶为密封台阶，密封台阶上设有密封圈组合；扶正防尘短节的内壁与内筒的外壁连接，该内壁上设有扶正圈。
所述的密封端盖上部内设有防尘槽，防尘槽内设有防尘圈组合，所述的防尘槽至少为两组；密封端盖下部内设有销钉腔，销钉腔与内筒外壁形成环形空间。
所述的阻尼器包括阻尼孔、滤网、密封压筒、密封圈、内方压块和防松块；所述的阻尼孔、滤网、密封压筒和内方压块从内到外依此横向安装在内筒壁上，密封压筒与内筒之间通过密封圈连接，内方压块通过防松块固定在内筒壁上。
所述的防尘圈组合为3组。
所述的销钉锁紧机构包括内方销钉和锁紧螺母，内方销钉将内筒和密封端盖连在一起，锁紧螺母安装在密封端盖的内螺纹上。
所述的上接头外螺纹与外筒内螺纹连接，上接头外螺纹以下与外筒内壁设有密封圈。
所述的扶正圈材质为石墨化高分子；其内径大于内筒外径，小于下限位台阶内径，与内筒外壁间隙配合。
所述的密封圈组合安装在扶正防尘短节的密封台阶上，并高出扶正防尘短节台阶面。
一种长伸缩距补偿方法，具体步骤为：
将一种长伸缩距补偿短节接在压裂管柱的适当位置，下入井中，此时一种长伸缩距补偿短节处于原始位置，即内筒处于上限位台阶，销钉锁紧机构处于锁紧状态；
当进行CO2干法压裂施工时，液态CO2会被压裂车泵入井筒中，从上至下，压裂管柱会不断被冷却，施工过程管柱内的压力也会突然增加，使管柱有收缩的趋势，温度、压力变化会在管柱上产生内应力，当内应力超过一种长伸缩距补偿短节的销钉锁紧机构所能承受的力时，内方销钉会在内筒和外筒的作用下被剪断，剪断部分落入销钉腔，一种长伸缩距补偿短节就会将压裂管柱分成两部分，内筒与外筒会产生相对运动，内筒由上限位台阶向下限位台阶运动，内筒的活塞机构与外筒内壁形成动密封，内筒、外筒空间的液体通过阻尼器缓慢流出；
施工完毕，进行放喷，井内恢复原始压力的过程中，与上面情况恰好相反，温度逐渐升高、压力逐渐降低，两者共同作用于压裂管柱，管柱有不断的伸长的趋势，内筒与外筒会产生相对运动，内筒由下限位台阶向上限位台阶运动，内筒的活塞机构与外筒内壁形成动密封，液体会从阻尼器流入到内筒、外筒之间的空间。
本发明的有益效果是：
（1）结构简单，简化伸缩节结构，将内筒设计成活塞机构形式，不传递扭矩，只起伸缩补偿作用。
（2）密封性能可靠，可拆式扶正防尘短节和密封端盖在密封结构上进行优化，防尘圈组合、密封圈组合双重密封，防止内筒蠕动过程中将陶粒带入工具内，两者特殊材质能承受0～70MPa、-55～250℃的极端条件，共同组成动密封机构，保证内外筒相对运动过程密封性能可靠。
（3）长伸缩距设计能满足更深井、内应力变化更大的场合，活塞机构和扶正防尘短节内的扶正圈设计确保在长伸缩距补偿情况下，内外筒始终同心相对运动，伸缩动作稳定。
（4）内筒上部阻尼器的设计对内筒滑动起到缓冲作用，减小了内筒在上下限位时的冲击，流体通过阻尼孔流进、流出，对相对运动起到缓冲作用；另外，阻尼器能起到平衡内筒内外压力，保证内筒顺利滑动的作用。
（5）销钉锁紧机构设计在密封端盖销钉腔，腔体与内筒外壁形成环形空间，剪断的销钉部分落在环形空间里，保证施工过程井筒安全。
下面结合附图做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是内筒上部的阻尼孔结构示意放大图。
图3是扶正防尘短节、密封端盖、内筒外壁组成动密封机构放大图。
图4是密封端盖示意放大图。
图5是扶正防尘短节示意放大图。
附图标记说明：1、上接头；2、密封圈；3、活塞机构；4、阻尼器；5、外筒；6、内筒；7、扶正防尘短节；8、密封圈组合；9、防尘圈组合；10、密封端盖；11、销钉锁紧机构；12、阻尼孔；13、滤网；14、密封压筒；15、密封圈；16、内方压块；17、防松块；18、密封端盖上端；19、防尘槽；20、销钉腔； 21、内方销钉；22、锁紧螺母；23、扶正圈；24、密封台阶；25、扶正防尘短节台阶面；26、上限位台阶；27、下限位台阶。
具体实施方式
实施例1：
为了克服现有CO2干法压裂过程中温度、压力变化极端情况下，工作不可靠，压裂管柱的安全性差的问题，本发明提供如图1-图5所示的一种长伸缩距补偿短节及补偿方法，本发明简化伸缩节结构，功能简单实用，增加扶正防尘短节和密封端盖，优化密封结构，在CO2强侵蚀作用下也能保证密封性能，确保工具可靠工作。
一种长伸缩距补偿短节，包括上接头1、内筒6、外筒5、扶正防尘短节7和密封端盖10；所述的上接头1下端与外筒5上端连接；所述内筒6位于外筒5内，所述内筒6上端通过活塞机构3与外筒5内壁动密封连接，所述活塞机构3上端面与上接头1的下端面接触连接；所述的内筒6壁上部设有阻尼器4；所述外筒5下端依次连接有扶正防尘短节7和密封端盖10，密封端盖10下部与内筒6通过销钉锁紧机构11连接；密封端盖10、扶正防尘短节7与内筒6外壁形成动密封；外筒5下部内有下限位台阶27；上接头1下端设有上限位台阶26，活塞机构3在上限位台阶26与下限位台阶27之间滑动。
按照附图1所示，说明本发明的结构。本发明是由上接头1、内筒6、外筒5、扶正防尘短节7、密封端盖10，组成；内筒6内壁上部有阻尼器4，上接头1下部为偏梯形管螺纹，与外筒5上部连接；内筒6为中空的长活塞杆，上部为可上下滑动的活塞机构3，上端活塞机构3与外筒5内壁形成动密封，扶正防尘短节7上部与外筒5下部连接，密封端盖10与扶正防尘短节7螺纹连接，外筒5下端连接扶正防尘短节7和密封端盖10，两者与内筒6外壁形成动密封机构28，密封端盖10下部有销钉锁紧机构11。
本装置结构简单，简化伸缩节结构，内筒6为中空的长活塞杆，可上下滑动，上端活塞机构3与外筒5内壁形成动密封，将内筒6上端为活塞机构3，不传递扭矩，只起伸缩补偿作用。本发明密封性能可靠，可拆式扶正防尘短节7和密封端盖10在密封结构上进行优化，防尘圈组合9、密封圈组合8双重密封，防止内筒6蠕动过程中将陶粒带入工具内，两者特殊材质能承受0～70MPa、-55～250℃的极端条件，内筒6、活塞机构3、扶正防尘短节7、密封端盖10和外筒5共同组成动密封机构，保证内筒6和外筒5相对运动过程密封性能可靠。
本发明通过活塞机构3带动内筒6在上限位台阶26与下限位台阶27之间滑动。本发明接在压裂管柱封隔器之上，通过内筒6上下滑动来补偿压裂过程中由于温度、压力变化频繁而导致的管柱应力性位移。
实施例2：
基于上述实施例的基础上，本实施例中，所述的扶正防尘短节7上端开有与外筒5下端相对应的螺纹孔，扶正防尘短节7上端外筒5下端螺纹连接；所述扶正防尘短节7下端依此开有两个台阶，最下面的台阶的密封短节台阶面25与密封端盖10上端连接，另一个台阶为密封台阶24，密封台阶24上设有密封圈组合8；扶正防尘短节7的内壁与内筒6的外壁连接，该内壁上设有扶正圈23。
所述的密封端盖10上部内设有防尘槽19，防尘槽19内设有防尘圈组合9，所述的防尘槽19至少为两组；密封端盖10下部内设有销钉腔20，销钉腔20与内筒6外壁形成环形空间。
所述的阻尼器4包括阻尼孔12、滤网13、密封压筒14、密封圈15、内方压块16和防松块17；所述的阻尼孔12、滤网13、密封压筒14和内方压块16从内到外依此横向安装在内筒6壁上，密封压筒14与内筒6之间通过密封圈15连接，内方压块16通过防松块17固定在内筒6壁上。
参照附图2所示，进一步说明阻尼器4的结构。阻尼器4是由阻尼孔12、滤网13、密封压筒14、密封圈15、内方压块16、防松块17组成。滤网13平铺在阻尼孔12的内台阶面上，防止管柱内的沙粒杂质进入内筒6、外筒5、活塞机构3三者形成的空腔内，密封压筒14安装在内筒阻尼孔12的台阶上，密封圈15安装在密封压筒14外壁上，内方压块16通过螺纹安装在阻尼孔12的内螺纹上，将密封内筒14和滤网13压实，防止滤网13在内筒6运动过程中松动，防松块17固定住内方压块16，防止内方压块16松动。
所述的防尘圈组合9为3组。
所述的销钉锁紧机构11包括内方销钉21和锁紧螺母22，内方销钉21将内筒6和密封端盖10连在一起，锁紧螺母22安装在密封端盖10的内螺纹上。
参照附图4所示进一步说明本发明销钉锁紧机构的结构，销钉锁紧机构11的内方销钉21通过螺纹与密封端盖10的内螺纹连接，将内筒6下部的销钉孔和密封端盖10连在一起，锁紧螺母22安装在密封端盖10的内螺纹上，固定住内方销钉21和内筒6销钉孔之间的安装配合，锁紧螺母22起到防止内方销钉21松动的作用，密封端盖10下部有销钉腔20，腔体与内筒6外壁形成一个环形空间，一旦销钉解锁，剪断的销钉头会自由落在环形空间里。
所述的上接头1外螺纹与外筒5内螺纹连接，上接头1外螺纹以下与外筒5内壁设有密封圈2。
所述的扶正圈23材质为石墨化高分子；其内径大于内筒6外径，小于下限位台阶27内径，与内筒6外壁间隙配合。
所述的密封圈组合8安装在扶正防尘短节7的密封台阶24上，并高出扶正防尘短节台阶面25。
参照附图3所示进一步说明本发明动密封机构的结构,本发明动密封机构是由内筒6、扶正防尘短节7、密封圈组合8、防尘圈组合9、密封端盖10组成，防尘圈组合9安装在密封端盖10的两个防尘槽19中，密封圈组合8安装在扶正防尘短节7的密封台阶24上，并高出扶正防尘短节台阶面25密封，密封端盖上端18通过与扶正防尘短节7下部内螺纹的连接将密封圈组合8压实固定，与内筒6外壁共同组成动密封机构28，首先防尘圈组合9会在内筒6上下滑动过程中阻止陶粒、大颗粒物质进入伸缩短节内部，其次密封圈组合8多重密封，内筒6滑动过重中起到动密封效果。
本发明长伸缩距设计能满足更深井、内应力变化更大的场合，活塞机构3和扶正防尘短节7内的扶正圈23设计确保在长伸缩距补偿情况下，内筒6和外筒5始终同心相对运动，伸缩动作稳定。
本发明内筒6上部阻尼器4的设计对内筒6滑动起到缓冲作用，减小了内筒6在上下限位时的冲击，流体通过阻尼孔12流进、流出，对相对运动起到缓冲作用；另外，阻尼器4能起到平衡内筒6内外压力，保证内筒6顺利滑动的作用。
本发明销钉锁紧机构11设计在密封端盖10的销钉腔20，腔体与内筒6外壁形成环形空间，剪断的销钉部分落在环形空间里，保证施工过程井筒安全。
本发明中，滤网13采用的至少为70目，能有效的对进入的液体进行过滤，阻尼孔12为10-15mm，本发明中采用的阻尼孔12为14mm，保证让液体从阻尼孔12中缓慢流过，不至于冲击对内筒6和外筒5造成损害。
实施例3：
基于上述实施例的基础上，本实施例中，参照图1至图5所示，进一步说明一种长伸缩距补偿方法，具体步骤为：
将一种长伸缩距补偿短节接在压裂管柱的适当位置，下入井中，此时一种长伸缩距补偿短节处于原始位置，即内筒6处于上限位台阶26，销钉锁紧机构11处于锁紧状态；
当进行CO2干法压裂施工时，液态CO2会被压裂车泵入井筒中，从上至下，压裂管柱会不断被冷却，施工过程管柱内的压力也会突然增加，使管柱有收缩的趋势，温度、压力变化会在管柱上产生内应力，当内应力超过一种长伸缩距补偿短节的销钉锁紧机构11所能承受的力时，内方销钉21会在内筒6和外筒5的作用下被剪断，剪断部分落入销钉腔20，一种长伸缩距补偿短节就会将压裂管柱分成两部分，内筒6与外筒5会产生相对运动，内筒6由上限位台阶26向下限位台阶27运动，内筒6的活塞机构3与外筒5内壁形成动密封，内筒6、外筒5空间的液体通过阻尼器4缓慢流出；
施工完毕，进行放喷，井内恢复原始压力的过程中，与上面情况恰好相反，温度逐渐升高、压力逐渐降低，两者共同作用于压裂管柱，管柱有不断的伸长的趋势，内筒6与外筒5会产生相对运动，内筒6由下限位台阶27向上限位台阶26运动，内筒6的活塞机构3与外筒5内壁形成动密封，液体会从阻尼器4流入到内筒6、外筒5之间的空间。
本发明中，当进行CO2干法压裂施工时，液态CO2会被压裂车泵入井筒中，从上至下，压裂管柱会不断被冷却，其作用就是使管柱有收缩的趋势，施工过程管柱内的压力也会突然增加，起作用同样是使管柱有收缩的趋势，温度、压力变化会在管柱上产生内应力，当内应力超过一种长伸缩距补偿短节的销钉锁紧机构11所能承受的力时，内方销钉21会在内筒6和外筒5的作用下被剪断，剪断部分落入销钉腔20，一种长伸缩距补偿短节就会将压裂管柱分成两部分，内筒6与外筒5会产生相对运动，内筒由上限位台阶向下限位台阶运动，内筒6的活塞机构3与外筒5内壁形成动密封，内筒6、外筒5空间的液体通过阻尼器4缓慢流出，对内筒6的滑动起到缓冲作用，阻尼器4同时平衡内筒6壁内外的压力，滑动不会产生憋压现象，动密封保证了内筒6与外筒5相对运动时的密封性能，在伸长过程中，扶正防尘短节7内部的扶正圈23与内筒6外壁间隙配合，与活塞机构3共同保证内筒6、外筒5的同心度，扶正圈23的石墨化高分子材料强度足够，不会划伤内筒6外壁，同时还起到润滑作用，长伸缩距情况下也能保证工具稳定可靠。
施工完毕，进行放喷，井内恢复原始压力的过程中，与上面情况恰好相反，温度逐渐升高、压力逐渐降低，两者共同作用于压裂管柱，管柱有不断的伸长的趋势，内筒6与外筒5会产生相对运动，内筒由下限位台阶向上限位台阶运动，内筒6的活塞机构3与外筒5内壁形成动密封，液体会从阻尼器4流入到内筒6、外筒5之间的空间，对内筒6的滑动起到缓冲作用，同时又能平衡内筒6内外压力，保证一种长伸缩距补偿短节动作稳定可靠。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有具体描述的装置及结构均属于本技术领域的公知常识和公知技术，本发明中将不再一一详细说明。
Claims (7)
1.一种长伸缩距补偿短节，其特征在于：包括上接头（1）、内筒（6）、外筒（5）、扶正密封短节（7）和防尘端盖（10）；所述的上接头（1）下端与外筒（5）上端连接；所述内筒（6）位于外筒（5）内，所述内筒（6）上端通过活塞机构（3）与外筒（5）内壁动密封连接，所述活塞机构（3）上端面与上接头（1）的下端面接触连接；所述的内筒（6）壁上部设有阻尼器（4）；所述外筒（5）下端依次连接有扶正密封短节（7）和防尘端盖（10），防尘端盖（10）下部与内筒（6）通过销钉锁紧机构（11）连接；防尘端盖（10）、扶正密封短节（7）与内筒（6）外壁形成动密封；外筒（5）下部内有下限位台阶（27）；上接头（1）下端设有上限位台阶（26），活塞机构（3）在上限位台阶（26）与下限位台阶（27）之间滑动；所述的扶正密封短节（7）上端开有与外筒（5）下端相对应的螺纹孔，扶正密封短节（7）上端外筒（5）下端螺纹连接；所述扶正密封短节（7）下端依此开有两个台阶，最下面的台阶的密封短节台阶面（25）与防尘端盖（10）上端连接，另一个台阶为密封台阶（24），密封台阶（24）上设有密封圈组合（8）；扶正密封短节（7）的内壁与内筒（6）的外壁连接，该内壁上设有扶正圈（23）；所述的防尘端盖（10）上部内设有防尘槽（19），防尘槽（19）内设有防尘圈组合（9），所述的防尘槽（19）至少为两组；防尘端盖（10）下部内设有销钉腔（20），销钉腔（20）与内筒（6）外壁形成环形空间；所述的销钉锁紧机构（11）包括内方销钉（21）和锁紧螺母（22），内方销钉（21）将内筒（6）和防尘端盖（10）连在一起，锁紧螺母（22）安装在防尘端盖（10）的内螺纹上。
2.根据权利要求1所述的一种长伸缩距补偿短节，其特征在于：所述的阻尼器（4）包括阻尼孔（12）、滤网（13）、密封压筒（14）、密封圈（15）、内方压块（16）和防松块（17）；所述的阻尼孔（12）、滤网（13）、密封压筒（14）和内方压块（16）从内到外依此横向安装在内筒（6）壁上，密封压筒（14）与内筒（6）之间通过密封圈（15）连接，内方压块（16）通过防松块（17）固定在内筒（6）壁上。
3.根据权利要求1所述的一种长伸缩距补偿短节，其特征在于：所述的防尘圈组合（9）为3组。
4.根据权利要求1所述的一种长伸缩距补偿短节，其特征在于：所述的上接头（1）外螺纹与外筒（5）内螺纹连接，上接头（1）外螺纹以下与外筒（5）内壁设有密封圈（2）。
5.根据权利要求1所述的一种长伸缩距补偿短节，其特征在于：所述的扶正圈（23）材质为石墨化高分子；其内径大于内筒（6）外径，小于下限位台阶（27）内径，与内筒（6）外壁间隙配合。
6.根据权利要求1所述的一种长伸缩距补偿短节，其特征在于：所述的密封圈组合（8）安装在扶正密封短节（7）的密封台阶（24）上，并高出扶正密封短节台阶面（25）。
7.根据权利要求1-6所述的任意一种长伸缩距补偿短节提供一种长伸缩距补偿方法，其特征在于：具体步骤为：
将一种长伸缩距补偿短节接在压裂管柱的适当位置，下入井中，此时一种长伸缩距补偿短节处于原始位置，即内筒（6）处于上限位台阶（26），销钉锁紧机构（11）处于锁紧状态；
当进行CO2干法压裂施工时，液态CO2会被压裂车泵入井筒中，从上至下，压裂管柱会不断被冷却，施工过程管柱内的压力也会突然增加，使管柱有收缩的趋势，温度、压力变化会在管柱上产生内应力，当内应力超过一种长伸缩距补偿短节的销钉锁紧机构（11）所能承受的力时，内方销钉（21）会在内筒（6）和外筒（5）的作用下被剪断，剪断部分落入销钉腔（20），一种长伸缩距补偿短节就会将压裂管柱分成两部分，内筒（6）与外筒（5）会产生相对运动，内筒（6）由上限位台阶（26）向下限位台阶（27）运动，内筒（6）的活塞机构（3）与外筒（5）内壁形成动密封，内筒（6）、外筒（5）空间的液体通过阻尼器（4）流出；
施工完毕，进行放喷，井内恢复原始压力的过程中，与上面情况恰好相反，温度逐渐升高、压力逐渐降低，两者共同作用于压裂管柱，管柱有不断的伸长的趋势，内筒（6）与外筒（5）会产生相对运动，内筒（6）由下限位台阶（27）向上限位台阶（26）运动，内筒（6）的活塞机构（3）与外筒（5）内壁形成动密封，液体会从阻尼器（4）流入到内筒（6）、外筒（5）之间的空间。
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