CN108060906A - 一种高压油气井用非节流压裂封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压油气井用非节流压裂封隔器，包括上接头，上接头外设有至少两个胶筒，相邻胶筒间以隔环相隔；上接头下端连接有弹簧中心管，弹簧中心管外设有预紧的弹簧以及调整弹簧预紧力的弹簧预压环，弹簧预压环外还设有胶筒驱动滑套；弹簧中心管下端连接有动力腔中心管，动力腔中心管末端连接有下接头，动力腔中心管外设有动力滑块，动力滑块与动力腔中心管构成空气腔，动力滑块与动力腔中心管、下接头构成液压腔；空气腔对应的动力滑块上设有可溶性柱塞；可溶性柱塞外设有防水罩。本发明解决传统封隔器在高压油气井中使用时，因需节流导致的排砂量小、工作效率低的问题；以能够解决卡井现象的发生，有利于降低施工成本及安全风险。

Description

一种高压油气井用非节流压裂封隔器

技术领域

本发明涉及石油钻采机械设备领域，尤其涉及一种高压油气井用非节流压裂封隔器。

背景技术

改革开放以来，国民经济得到快速增长，“科技创新，自主创新”已成为目前国内工业发展的主流，我国工业正逐步向集约型、节能减排、低碳的方向发展。石油天然气是我国现代工业发展的“血液”及经济命脉，是一种重要的战略资源，影响国家能源的稳定与安全。油气开采中，油气井经过长期生产，储层会有大量的出砂，必然造成井底附近的储层孔隙的堵塞，造成孔隙度和渗透度下降，影响油气的产量。因此在石油井开采后期，常采用压裂酸化进行处理，以改变低产状态。压裂酸化施工管柱中需用封隔器来对相关地层进行上下封隔，来压裂酸化相应油气层。

其中，高压油气井的压裂施工存在以下问题：

1、以K344为代表的节流型封隔器需通过节流才能坐封，超过40%的压力值被浪费，无法到达地层，但其打压坐封，泄压即解封，不易卡井，安全优点明显。因需节流才能坐封，注砂效率低。K344封隔器的节流坐封，必须通过对喷砂器喷砂口的面积控制，限流而产生油、套管间的压差，实现坐封，因其结构原理造成的先天性不足，必然无法实施排砂量达到等同油管内径的最大化；

2、非节流坐封型封隔器，如Y211、Y341、Y511、Y541等，这些类型的封隔器是以机械结构形式来实施坐封，无需节流，注砂量大，效率高，但机械结构，在高压工作环境中，金属部件和套管相接触，不可避免导致金属部件的变形，进而导致解封不完全，甚至不解封，安全风险大。

申请人于2015年5月16日申请了一项名为《非节流坐封Y344型压裂封隔器》的发明专利，公开了一种非节流坐封Y344 型压裂封隔器，含有上接头、胶筒、滑块中心管、动力滑块、弹簧中心管、弹簧、弹簧驱动外壳、液压腔、空气腔、密封圈，上接头外依次设有三组胶筒与隔环，其末端接有滑块中心管，滑块中心管外设动力滑块，下接弹簧中心管，由滑块中心管、动力滑块构成的密封腔称为空气腔，由动力滑块、滑块中心管、弹簧中心管构成的空腔为液压腔，动力滑块下接弹簧驱动头，在弹簧驱动头与弹簧中心管之间设有弹簧，滑块中心管、弹簧中心管、动力滑块之间设有三组密封圈。

申请人又于2016年8月29日申请了一项名为《可调节坐封力值压裂封隔器》的发明专利，公开了一种可调节坐封力值压裂封隔器，包括依次连接的上接头、胶筒中心管，所述胶筒中心管外设有至少两个胶筒，胶筒与胶筒中心管的同轴并列设置，相邻胶筒之间以隔环相隔，所述胶筒中心管下端连接有弹簧中心管，所述弹簧中心管外设有弹簧，弹簧外套装有胶筒驱动滑套，所述弹簧中心管的下端依次连接有第一滑块中心管、第二滑块中心管；滑块中心管外设有滑块，液压腔；所述隔环为45°的双面楔形。

上述两种压裂封隔器在高压油气井压裂施工后期，地面泵车停止打压后，由于高压油气井会立即产出气体，气体压强较大，并继续给封隔器提供了坐封动力，造成封隔器无法解封，这是我们不想看到的。

在上述发明的基础上，申请人对非节流坐封的压缩型封隔器进行了改进，提供一种高压油气井用非节流压裂封隔器，以解决现有高压油气井压裂施工中存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压油气井用非节流压裂封隔器，解决高压油气井用传统封隔器因需节流导致的排砂量小、工作效率低的问题，同时，能够减少卡井现象的发生，有利于降低施工成本及安全风险。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高压油气井用非节流压裂封隔器，包括上接头，上接头外设有至少两个胶筒，胶筒沿上接头轴向串连，相邻胶筒间以隔环相隔；

所述上接头下端连接有弹簧中心管，弹簧中心管外设有预紧的弹簧以及用以调整弹簧预紧力的弹簧预压环，弹簧预压环外还设有胶筒驱动滑套；

所述弹簧中心管下端连接有动力腔中心管，动力腔中心管末端连接有下接头，动力腔中心管外设有动力滑块，动力滑块与动力腔中心管、下接头同轴滑动配合，动力滑块与动力腔中心管构成空气腔，动力滑块与动力腔中心管、下接头构成液压腔，动力腔中心管上设有连通液压腔与动力腔中心管的割缝，割缝尺寸≤0.1mm；

所述动力滑块上设有与空气腔连通的柱塞安装孔，柱塞安装孔内设有可溶性柱塞；可溶性柱塞外设有防水罩，防水罩与所述下接头固定连接，动力滑块受力上行，可溶性柱塞可脱离防水罩；

高压油气井压裂施工时，泵车向施工管柱内注入压裂液，压裂液通过动力腔中心管上的割缝进入液压腔，施工时加压管柱内的压裂液，使液压腔和空气腔之间产生压力差，形成坐封力，动力滑块在坐封力作用下向胶筒方向滑动，形成对胶筒驱动滑套的推力，推力部分通过弹簧预压环进一步压缩弹簧，转化为弹簧的弹性势能，部分驱使胶筒驱动滑套挤压胶筒使其受轴向力变形，蓄积势能，同时外径增加，实现坐封；坐封实现后，停止对压裂液加压，压裂的地层中喷发出高压天然气，会继续向动力滑块提供实现坐封的压力；坐封过程中，可溶性柱塞从防水罩中滑出，与压裂液接触并开始溶解，压裂施工结束后，可溶性柱塞溶解完毕，压裂液进入空气腔，并对动力滑块施加一个向下的力，抵消高压天然气提供的实现坐封的压力，在弹簧蓄积的弹性势能配合下，驱使动力滑块下行，同时胶筒驱动滑套、弹簧预压环在弹性势能的作用下回位，胶筒依靠自身蓄积的势能恢复原状，实现解封。

作为本方案的一种优选方案，所述隔环为60°的双面楔形，所述胶筒与隔环接触的端面，与楔形面形状相符。

作为本方案的一种优选方案，所述弹簧为碟簧。

作为本方案的一种优选方案，所述动力滑块对应空气腔的内壁设有限位台阶。

作为本方案的一种优选方案，所述可溶性柱塞包括可溶性金属柱，可溶性金属柱外设有中空的固定螺帽，固定螺帽与动力滑块螺纹连接，对可溶性金属柱形成限位；固定螺帽为惰性金属。

作为本方案的一种优选方案，所述可溶性柱塞为镁铝合金。

作为本方案的一种优选方案，所述动力滑块和所述动力腔中心管、防水罩、可溶性柱塞间均设有内嵌密封圈的凹槽。

作为本方案的一种优选方案，所述弹簧预压环与所述胶筒驱动滑套螺纹连接，通过改变弹簧预压环在胶筒驱动滑套内的旋进行程，可以设置不同的弹簧预紧力。

作为本方案的一种优选方案，所述弹簧预紧力的设置还可以通过改变弹簧预压环的长度来实现。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供一种高压油气井用非节流压裂封隔器，该封隔器的坐封是通过对压裂液加压，使液压腔和空气腔之间产生压力差，形成坐封力，动力滑块受坐封力作用上行并对胶筒驱动滑套传递推力，胶筒驱动滑套推动胶筒变形膨胀、封隔施工管柱，无需节流即可实现坐封，保证了喷砂量的最大化，有效提高高压油气井压裂施工的工作效率。

2、本发明封隔器在动力滑块上设置可溶性金属柱，可溶性金属柱与压裂液接触开始溶解，压裂施工结束后，可溶性柱塞溶解完毕，压裂液进入空气腔，并对动力滑块施加抵消坐封压力的压力，配合弹簧释放的弹性势能，使动力滑块回位，胶筒恢复原状，实现解封；本发明针对高压油气井的特点，通过可溶性设计即可完成解封，解封效果好，能够减少卡井现象的发生，有利于降低施工成本。

3、本发明动力滑块上设有覆盖可溶性柱塞的防水罩，形成双级抗压防水机构，与可溶性柱塞形成双级抗压防水机构，配合密封机构能有效防止封隔器内部结构性渗漏，保证封隔器不受外界环境影响。压裂施工期间，需要调整封隔器位置或推迟坐封时间的，即便可溶性固定螺帽已经暴露于压裂液，只要停止加压，及时将动力滑块退回防水罩内，封隔器仍可在调整位置后继续使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中I处的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-2所示，一种高压油气井用非节流压裂封隔器，包括上接头1，上接头1下端通过外螺纹连接有弹簧中心管2，弹簧中心管2末端通过外螺纹连接有动力腔中心管3，动力腔中心管3末端通过外螺纹连接有下接头18；

所述上接头1外设有至少两个胶筒4，胶筒4沿上接头1轴向串连，相邻胶筒4间以隔环5相隔，隔环5为60°双面楔形，胶筒4与隔环5接触的端面，与楔形面形状相符；

所述弹簧中心管2外设有预紧的弹簧6以及用于调整弹簧预紧力的弹簧预压环8，弹簧预压环8压紧弹簧6形成预紧力，弹簧预压环8外设有胶筒驱动滑套7，弹簧预压环8与所述胶筒驱动滑套7螺纹连接，通过改变弹簧预压环在胶筒驱动滑套内的旋进行程，可以得到不同的弹簧预紧力，从而提供不同的弹簧回复力，既为所述高压油气井用非节流压裂封隔器解封提供动力，又可防止封隔器在下井过程中提前坐封；想要得到不同的弹簧预紧力，还可以通过改变弹簧预压环8的长度来实现；弹簧6沿弹簧中心管2周向均匀设置，弹簧6上端与弹簧中心管2端面接触，下端与弹簧预压环8连接；弹簧6优选为沿弹簧中心管2轴向叠加的碟簧；

所述动力腔中心管3外设有动力滑块9，动力滑块9与动力腔中心管3、下接头18同轴滑动配合，动力滑块9与动力腔中心管3构成空气腔10，动力滑块9与动力腔中心管3、下接头18构成液压腔11，动力腔中心管3上设有连通液压腔11与管柱中央通道的割缝12，割缝12沿动力腔中心管3轴线方向设置，割缝12宽度≤0.1mm，防止最小粒径0.2mm的压裂砂进入液压腔11；压裂液通过割缝12进入液压腔11，通过加压压裂液，使液压腔11和空气腔10之间产生压力差，形成坐封力；

所述动力滑块9对应空气腔10的内壁设有限位台阶13，以防动力滑块9过量上移，造成胶筒4过分承压而丧失回弹性能；

所述动力滑块9上设有与空气腔10连通的柱塞安装孔14，柱塞安装孔14内设有可溶性柱塞15；可溶性柱塞15包括可溶性金属柱16，可溶性金属柱16优选为镁铝合金，可溶性金属柱16外设有中空的固定螺帽17，固定螺帽17为惰性金属，固定螺帽17嵌入动力滑块9外表面且与动力滑块9螺纹连接，对可溶性金属柱形成限位；所述可溶性柱塞15外设有防水罩18，防水罩18为管柱状，且下端通过内螺纹与所述下接头20连接，动力滑块9在坐封压力作用下上行，使可溶性柱塞15脱离防水罩18，可溶性金属柱16透过中空的固定螺帽17暴露于压裂液中；

压裂施工过程中，动力滑块9在坐封压力作用下上行，使可溶性柱塞15脱离防水罩18，可溶性金属柱16暴露于压裂液，与压裂液反应并开始溶解，待可溶性金属柱16全部溶解后，压裂液进入空气腔10并对动力滑块9施加抵消坐封压力的力，帮助封隔器实现解封；

防水罩18覆盖可溶性柱塞15，与可溶性柱塞15形成双级抗压防水机构，防止可溶性金属柱16下井前后提前接触水或压裂液而溶解，丧失坐封性能；

所述动力滑块9与动力腔中心管3、下接头20、可溶性柱塞15、防水罩18间均设有内嵌密封圈的凹槽19，形成密封机构；

双级抗压防水机构配合密封机构能有效防止封隔器内部结构性渗漏，保证封隔器坐封性能不受外界环境影响，纵使封隔器进入高压油气井后进行长时间等待，也能保证封隔器不会因可溶性金属柱16提前分解而损坏；压裂施工期间，突发性需要调整封隔器位置或推迟封隔器坐封时间的，即便可溶性金属柱16已经开始暴露于压裂液，开始溶解，只要停止对压裂液加压，动力滑块9即可以在弹簧6势能的作用下及时退回防水罩18内，即便少量压裂液进入密封机构内，溶液也会很快进入饱和状态，而不使可溶性金属柱16再进一步溶解，封隔器稍后仍可继续使用。

所述高压油气井用非节流压裂封隔器的工作原理：

高压油气井压裂施工时，泵车向施工管柱内注入压裂液，压裂液通过动力腔中心管3上的割缝12进入液压腔11，通过对施工管柱内压裂液加压，使液压腔11和空气腔10之间产生压力差，形成坐封力，动力滑块9在坐封力作用下向胶筒4方向滑动，形成对胶筒驱动滑套7的推力，推力部分通过弹簧预压环8进一步压缩弹簧6，转化为弹簧6的弹性势能，部分驱使胶筒驱动滑套7挤压胶筒4使其受轴向力变形，蓄积势能，同时，与隔环5接触一端沿隔环5楔形面爬升变形，外径增加，实现坐封；

坐封实现后，泵车停止加压，裂开的地层中会喷发出高压的天然气气流，其产生的动能不亚于泵车提供的能量，能有20Mpa之大，会通过压裂液经液压腔继续向动力滑块9提供实现坐封的动力；

施工过程中，动力滑块9在坐封力作用下上行，可溶性柱塞15脱离防水罩18，使可溶性金属柱16暴露在压裂液中并开始溶解，压裂施工结束后，可溶性金属柱16溶解完毕，压裂液进入空气腔10，空气腔10的低压、可压缩性消失，同时，在高压天然气的作用下，在原空气腔10一侧，压裂液对动力滑块9施加向下的压力，用于抵消天然气通过液压腔一侧向动力滑块9提供的实现坐封的压力。在弹簧6蓄积的弹性势能作用下，驱使动力滑块9下行，同时胶筒驱动滑套7、弹簧预压环8在弹簧6弹性势能的作用下回位，胶筒4依靠自身蓄积的势能恢复原状，实现解封。

对所述高压油气井用非节流压裂封隔器在压裂施工过程中存在的力进行分析：

1、空气腔10中的大气对动力滑块9存在一个向下的推力F11；压裂施工后期，可溶性柱塞被溶解后，压裂液进入空气腔10并对动力滑块9施加一个大于F11的推力F12，此时F12完全替代F11，方向仍然是背向胶筒组的；

2、弹簧6在组装过程中，需要一个力F21来预蓄势能；坐封过程中，来源于泵车的能量使弹簧6进一步蓄积势能，对应产生一个向下的反弹力F22；压裂工作完成后，泵车不再提供能量，但地层天然气已喷发，会继续向动力滑块9提供实现坐封的压力F03，弹簧6蓄积的势能得到调整，源于泵压的反弹力F22被源于地层天然气内压的反弹力F23代替；封隔器维持坐封状态时，胶筒4蓄积势能产生一个回复力F4；

3、压裂液在施工管柱中会产生相应深度的静水压，液压腔11中的压裂液对动力滑块9产生向上的静水压力F01；封隔器坐封依靠泵车对压裂液进行加压，泵车对压裂液加压后，液压传至液压腔11内，对动力滑块9产生向上的压力F02；完工后，泵车停压，F02消失，因地层气压上升，仍对动力滑块产生一个向上的力，此力源于天然气，命名为F03，F03完全代替F02。

封隔器下到高压油气井内，不工作时，动力滑块9受到三个力的作用，分别是F11、F21、F01，且动力滑块9处于力的平衡状态，即F11+ F21=F01。

封隔器坐封后，动力滑块9受到六个力的作用，分别是F11、F21、F22、F4、F01、F02，且动力滑块仍然处于力的平衡状态，即F11+F21+F22+ F4=F01+F02。

压裂结束后，泵车停止工作，裂开的地层释放高压天然气，继续向动力滑块9提供实现坐封的压力，封隔器仍处于坐封状态，此时，动力滑块9受到六个力的作用，分别是F11、F21、F23、F4、F01、F03，且动力滑块仍然处于力的平衡状态，即F11+F21+F23+F4=F01+F03。

封隔器开始工作后（即将坐封或已经坐封），动力滑块9上行，可溶柱塞15脱离防水罩18，可溶性金属柱16裸露在压裂液中，与压裂液反应并开始溶解，压裂施工结束后，经过一段时间，可溶性金属柱16溶解完毕，空气腔10中的空气被压裂液代替，此时，F12取代作用力F11，力的平衡发生变化，即F12+F21+F23+F4＞F01+F03，动力滑块9被迫下行，封隔器实现解封。

本发明高压油气井用非节流压裂封隔器，解决高压油气井用传统封隔器因需节流导致的排砂量小、工作效率低的问题，同时，能够减少卡井现象的发生，有利于降低施工成本，尤其降低了安全风险。

所描述的实施例仅仅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，都属于本发明的范围。

Claims (9)

1.一种高压油气井用非节流压裂封隔器，其特征在于，包括上接头，上接头外设有至少两个胶筒，胶筒沿上接头轴向串连，相邻胶筒间以隔环相隔；

所述上接头下端连接有弹簧中心管，弹簧中心管外设有预紧的弹簧以及用以调整弹簧预紧力的弹簧预压环，弹簧外还设有胶筒驱动滑套；

所述弹簧中心管下端连接有动力腔中心管，动力腔中心管末端连接有下接头，动力腔中心管外设有动力滑块，动力滑块与动力腔中心管、下接头同轴滑动配合，动力滑块与动力腔中心管构成空气腔，动力滑块与动力腔中心管、下接头构成液压腔，动力腔中心管上设有连通液压腔与工具中央通道的割缝，割缝宽度≤0.1mm；

所述动力滑块上设有与空气腔连通的柱塞安装孔，柱塞安装孔内设有可溶性柱塞；可溶性柱塞外设有防水罩，防水罩与所述下接头固定连接，动力滑块受力上行，可溶性柱塞可脱离防水罩；

高压油气井压裂施工时，泵车向施工管柱内注入压裂液，压裂液通过动力腔中心管上的割缝进入液压腔，施工时加压管柱内的压裂液，使液压腔和空气腔之间产生压力差，形成坐封力，动力滑块在坐封力作用下向胶筒方向滑动，形成对胶筒驱动滑套的推力，推力部分通过弹簧预压环进一步压缩弹簧，转化为弹簧的弹性势能，部分驱使胶筒驱动滑套挤压胶筒使其受轴向力变形，蓄积势能，同时外径增加，实现坐封；坐封实现后，停止对压裂液加压，压裂的地层中喷发出高压天然气，会继续向动力滑块提供实现坐封的压力；坐封过程中，可溶性柱塞从防水罩中滑出，与压裂液接触并开始溶解，压裂施工结束后，可溶性柱塞溶解完毕，压裂液进入空气腔，并对动力滑块施加一个向下的力，抵消高压天然气提供的实现坐封的压力，在弹簧蓄积的弹性势能配合下，驱使动力滑块下行，同时胶筒驱动滑套、弹簧预压环在弹性势能的作用下回位，胶筒依靠自身蓄积的势能恢复原状，实现解封。

2.根据权利要求1所述的一种高压油气井用非节流压裂封隔器，其特征在于，所述隔环为60°的双面楔形，所述胶筒与隔环接触的端面，与楔形面形状相符。

3.根据权利要求1所述的一种高压油气井用非节流压裂封隔器，其特征在于，所述弹簧为碟簧。

4.根据权利要求1所述的一种高压油气井用非节流压裂封隔器，其特征在于，所述动力滑块对应空气腔的内壁设有限位台阶。

5.根据权利要求1所述的一种高压油气井用非节流压裂封隔器，其特征在于，所述可溶性柱塞包括可溶性金属柱，可溶性金属柱外设有中空的固定螺帽，固定螺帽与动力滑块螺纹连接，对可溶性金属柱形成限位；固定螺帽为惰性金属。

6.根据权利要求5所述的一种高压油气井用非节流压裂封隔器，其特征在于，所述可溶性柱塞为镁铝合金。

7.根据权利要求1所述的一种高压油气井用非节流压裂封隔器，其特征在于，所述动力滑块和所述动力腔中心管、防水罩、可溶性柱塞间均设有内嵌密封圈的凹槽。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种高压油气井用非节流压裂封隔器，其特征在于，所述弹簧预压环与所述胶筒驱动滑套螺纹连接，通过改变弹簧预压环在胶筒驱动滑套内的旋进行程，可以设置不同的弹簧预紧力。

9.根据权利要求8所述的一种高压油气井用非节流压裂封隔器，其特征在于，所述弹簧预紧力的设置还可以通过改变弹簧预压环的长度来实现。