CN109267964B - 一种金属变径密封可溶压裂桥塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属变径密封可溶压裂桥塞，包括：内部设置有轴向空心通道的锥体；插入所述锥体的空心通道中和中心连接轴；活动安装在锥体的外锥面上的卡瓦；内部设置有相邻的直径依次缩小的两段内螺纹段的尾座；由可溶性金属制成且安装在卡瓦靠近锥体一侧的变径密封环，和由可溶性金属制成且安装在变径密封环和卡瓦之间的变径支撑环。本发明的整体体积小，采用抽拉结构来封闭井筒，而留在井下的部件都采用可溶性金属制作，使得后期溶解物少，不易堵塞井筒，而且不需要预置工作筒，可以实现任意点释放，施工简单，通过释放工具即可投放，中间不需要额外的处理步骤，只需要控制拉力大小即可实现堵塞过程。

Description

一种金属变径密封可溶压裂桥塞

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种用于井筒堵塞的体积小溶解度高的一种金属变径密封可溶压裂桥塞。

背景技术

在中浅层试油施工中出现的干层、水层、气层及异常高压等特殊层位，为方便后续试油，封堵废弃层位，通常采用该类桥塞进行封层，同时对于部分短期无开发计划的试油结束井也采用永久式桥塞封井。此外，该桥塞也用于深层气井的已试层封堵，为上返测试、压裂改造等工艺技术的成功实施提供保障。

目前的可溶井筒封堵类产品有两大类，一类是可溶桥塞，另一类是可溶球座，但这两类产品均存在缺陷，具体如下：

一、可溶桥塞存在的缺陷：

1、密封部分为橡胶筒，体积大、溶解条件高，难以完全溶解，施工后期经常造成井筒堵塞，影响油井出油；

2、金属部分体积大、溶解物过多，容易堵塞井筒；

3、结构复杂，制作成本高。

一、可溶球座存在的缺陷：

1、必须要提前预置工作筒，施工工序繁琐；

2、必须使用特定的投放工具；

3、加工精度高，制作成本大。

发明内容

本发明的目的是要提供特一种用于井筒堵塞的体积小溶解度高的金属变径密封可溶压裂桥塞。

特别地，本发明提供一种金属变径密封可溶压裂桥塞，包括：

锥体，由可溶性金属制成，内部设置有轴向空心通道，外表面为锥面，在锥顶设置有外螺纹段；

中心连接轴，滑动插入所述锥体的空心通道中，且端部设置有外螺纹段；

卡瓦，由可溶性金属制成，内圆周为与所述锥体的外锥面形状对应的内锥面，外圆周的径向截面为平面，活动安装在所述锥体的外锥面上；

尾座，由可溶性金属制成，安装在所述锥体的锥顶一端并与所述卡瓦接触，内部设置有相邻的直径依次缩小的两段内螺纹段，其中大直径内螺纹段处拧有一个断开的内外表面分别设置有螺纹的互锁螺纹套，小直径内螺纹段与所述中心连接轴的外螺纹段拧在一起；

变径密封环，由可溶性金属制成，在内部受到向外的扩张力时整体直径变大，安装在所述卡瓦靠近所述锥体的锥底一侧，内表面为与所述外锥面配合的内锥面，外表面的径向截面为平面；

变径支撑环，由可溶性金属制成，在内部受到向外的扩张力时整体直径变大，安装在所述变径密封环和所述卡瓦之间，内表面为与所述外锥面配合的内锥面，外表面的径向截面为平面，向所述变径密封环传递并缓解所述卡瓦的挤压力。

在本发明的一个实施方式中，在所述变径密封环或所述变径支撑环的外表面设有环形内凹的密封凹槽，在密封凹槽内安装有密封圈，所述密封圈为可溶性金属或橡胶制成。

在本发明的一个实施方式中，所述变径密封环或所述变径支撑环分别设置有一道或多道。

在本发明的一个实施方式中，在所述卡瓦的外圆周上设置有增强锚定效果的陶瓷结构，所述陶瓷结构为间隔设置的陶瓷块、陶瓷片或弧形陶瓷段，且所述陶瓷结构朝向井壁的一面上设置有凸出的夹角。

在本发明的一个实施方式中，所述互锁螺纹套外表面的螺纹螺距大于内表面的螺纹螺距，且外表面的螺纹为向所述尾座方向倾斜的倾斜螺纹。

在本发明的一个实施方式中，在所述锥体的外螺纹段的端部设置有可插入所述互锁螺纹段内部的倒角，所述互锁螺纹段的外表面与所述尾座的大直径内螺纹段之间留有供所述锥体的外螺纹段插入后涨开的空间。

在本发明的一个实施方式中，所述中心连接轴的尾端设置有方便其它设备连接的外螺纹段。

在本发明的一个实施方式中，所述锥体的锥底的端面为沿轴线内凹的锥形坑。

在本发明的一个实施方式中，所述中心连接轴的尾端的外螺纹段靠近所述锥体一端固定有限位套，所述限位套朝向所述锥形坑的一端面为锥面另一端面为平面，且锥面的锥度小于所述锥形坑的锥度，所述限位套的直径小于所述锥底的直径。

在本发明的一个实施方式中，所述尾座与所述卡瓦的接触面上设置有相互卡合防止一方径向转动的限位键。

本发明的整体体积小，采用抽拉结构来封闭井筒，而留在井下的部件全部采用可溶性金属制作，使得后期溶解物少，不易堵塞井筒，而且不需要预置工作筒，可以实现任意点释放，施工简单，通过释放工具即可投放，中间不需要额外的处理步骤，只需要控制拉力大小即可实现堵塞过程。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的桥塞结构示意图；

图2是本发明一个实施方式的桥塞座封前轴向剖视图；

图3是本发明一个实施方式的桥塞座封后的轴向剖视图；

图4是本发明一个实施方式的锥体立体结构示意图；

图5是本发明一个实施方式的尾座剖视图；

图6是本发明一个实施方式的尾座立体结构示意图。

图7是本发明一个实施方式的互锁螺纹套立体结构示意图；

图8是本发明一个实施方式的中心连接轴立体结构示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，涉及到工作方式说明时，以靠近井底的一端为下端，靠近井口的一端为上端。涉及到桥塞的结构描述时，以锥体的锥顶为上端，而锥体的锥座一端为下端。

如图1、2所示，本发明一个实施方式的一种金属变径密封可溶压裂桥塞一般性地包括锥体10、中心连接轴30、卡瓦40、尾座50和密封件13。

如图4所示，该锥体10的内部设置有贯穿的轴向空心通道11，外表面为圆形外锥面，在锥顶设置有外螺纹段12，锥底的直径小于待堵塞的井筒内径。

该中心连接轴30滑动地插入锥体10的空心通道11中，端部设置有外螺纹段31且由锥顶处伸出。

该卡瓦40的内圆周为与锥体10的外锥面形状对应的内锥面，外圆周为圆面，其活动套插在锥体10的外锥面上。

如图5、6所示，尾座50位于锥体10的锥顶一侧，其内部设置有相邻的直径依次缩小的两段内螺纹段51、52，其中大直径内螺纹段51处拧有一个断开的内外表面分别设置有螺纹的互锁螺纹套20，小直径内螺纹段52与中心连接轴30伸出的外螺纹段31拧在一起，安装后的尾座50与卡瓦40接触并防止卡瓦40由锥体10上脱离。

该密封件13包括变径密封环131和变径支撑环132；其中，变径密封环131由可溶性金属制成，其能够在内表面沿锥体10的外锥面向锥底方向移动时整体直径变大；具体安装在卡瓦40靠近锥体10的锥底一侧，内表面为与锥体10的外锥面配合的内锥面，外表面的径向截面为平面。

变径支撑环132同样由可溶性金属制成，同样能够在内表面沿锥体10的外锥面向锥底方向移动时整体直径变大；其安装在变径密封环131和卡瓦40之间，内表面为与外锥面配合的内锥面，外表面的径向截面为平面；变径支撑环132用于在后期座封时向变径密封环131传递并缓解卡瓦40的挤压力，防止变径密封环131被卡瓦40挤裂而影响密封效果。

本实施方式的桥塞安装后的结构如下：中心连接轴30插入锥体10的空心通道11内，卡瓦40套在锥体10的外锥面上，两者之间为滑动接触，互锁螺纹套20拧在尾座50的大直径内螺纹段51处，尾座50通过小直径内螺纹段52拧在中心连接轴30的外螺纹段12上，安装后的尾座50与卡瓦40接触以防止卡瓦40由锥体10的外锥面上滑出，变径密封环131和变径支撑环132依次安装在卡瓦40相对尾座50另一侧的外锥面上并与卡瓦40的另一侧接触。此时，锥体10的锥顶距离尾座50之间有一定的距离，该距离的大小等于卡瓦40移动后与井筒的内壁完全贴合后的距离。

在使用时，本方案需要和目前常用的主力桥塞座封工具配合使用，利用座封工具将桥塞以尾座50朝下的方式放置在待堵塞井筒的相应位置处，座封工具的挤压套筒顶住锥体10的锥底端面，使其静止不动，座封工具的中心杆与中心连接轴30连接，通过座封工具向中心连接轴30施加一定的拉力，使中心连接轴30通过与尾座50的螺纹连接在锥体10不动的情况下，拉动尾座50向井口方向运动，锥体10和尾座50为相对运动关系。尾座50移动时会推动卡瓦40沿锥体10外锥面向锥底方向移动，同时带动变径密封环131和变径支撑环132也沿外锥面移动，卡瓦40、变径密封环131和变径支撑环132在移动过程都会依据外锥面的角度扩大而使本体相应扩张，并逐渐与井壁接触，直至完全贴紧井壁形成相应的密封结构。

在尾座50的拉动过程中，内部的互锁螺纹套20逐渐向锥体10的外螺纹段12靠近，直至被挤压套在锥体10的外螺纹段12上，使锥体10与尾座50通过互锁螺纹套20固定在一起。

当变径密封环131、变径支撑环132、卡瓦40与井壁形成紧密接触且锥体10的外螺纹段12完全播入互锁螺纹套20中时，当前的桥塞座封完成第一阶段。其中卡瓦40对井壁形成一定的密封和锚定作用，变径密封环131外表面对井壁实现完全密封，内表面可以对外锥面进行密封，变径支撑环132在传递卡瓦40的挤压力时承受卡瓦40的直接压力，即使本身发生断裂也不会影响变径密封环131的密封效果。

继续对尾座50施加拉力，随着座封工具对中心连接轴30的拉力持续增加，此时由于各部件之间没有了相对运动，产生的拉力将会由中心连接轴30直接传递至与尾座50的螺纹连接处，当拉力大于两者的螺纹连接力时，中心连接轴30的外螺纹段31会由尾座50的小直径内螺纹段52上拉出并随座封工具一同带出井外，而锥体10、卡瓦40、密封件13和尾座50则留在原位，如图3所示；抽走中心连接轴30后锥体10的空心通道11可由井口直接扔下一颗圆形的可溶金属封堵球直接对该空心通道11进行封堵，至此完成井下桥塞的座封过程。后期进行压裂施工，则被封堵球封闭的中心通孔11也不会让压裂液流出，与井壁接触的密封则由变径密封环131、变径支撑环132和卡瓦40完成，从而保证压裂作业的顺利进行。

本实施方式中的可溶性金属采用镁铝合金，在其它的实施方式也可以采用能够达到溶化标准的其它合金。其中，除中心连接轴外，其它的部件都采用可溶性金属制作，这样的当中心连接轴被拉出后，后期使用完毕后整个桥塞可完全溶解，不会对井筒造成堵塞。为方便座封工具的中心杆连接，该中心连接轴30的尾端可以设置带外螺纹的外螺纹段32，中心杆通过螺套直接拧在中心连接轴30的外螺纹段32上。在其它实施方式中也可以采用锁链、销轴一类连接方式。

本实施方式的整体体积小，采用抽拉结构来封闭井筒，而留在井下的部件全部采用可溶性金属制作，使得后期溶解物少，不易堵塞井筒，而且不需要预置工作筒，可以实现任意点释放，施工简单，通过释放工具即可投放，中间不需要额外的处理步骤，只需要控制拉力大小即可实现堵塞过程。

进一步地，为提高卡瓦40的锚定效果，可以在卡瓦40的外表面上安装相应的陶瓷结构41，该陶瓷结构41可以为间隔设置在卡瓦外表面的陶瓷块、陶瓷片或弧形陶瓷段，当卡瓦40与井壁形成紧密接触时，陶瓷结构41可以被硬顶入井壁，从而进一步提高卡瓦40与井壁间连接后的稳定性，减少移动机率，为方便陶瓷结构41卡入井壁，该陶瓷结构41朝向井壁的一面上可以设置凸出的夹角，这里的夹角可以是锐角、钝角、棱角一类更易集中挤压力的结构。还可以在卡瓦的外表面喷涂或电镀上一层硬质涂层，以增强与井壁的接触牢固性。具体的硬质涂层可以是

在本发明的一个实施方式中，为提高密封件13的密封效果，可以在变径密封环131和/或变径支撑环132的外圆周上设置矩形截面的密封凹槽，在密封凹槽内安装密封圈；密封圈可以是可溶性金属制成，也可以是橡胶制成。如果采用可溶性金属，则本方案的桥塞完全不用橡胶，能够彻底改变现有桥塞橡胶体积大、不易溶解的问题。而密封圈在采用橡胶制作时，其橡胶用量也仅相当于现有可溶桥塞橡胶量的二十分之一，同样具备显著的减少体积，减少不可溶现象的效果。

在应对不同环境下的密封要求时，该变径密封环131或变径支撑环132分别可以设置一道或多道；同样，密封凹槽的数量也可以根据安装数量对应设置。

如图7所示，在本发明的一个实施方式中，为增大尾座50与互锁螺纹套20的咬合力，该互锁螺纹套20的外表面的螺纹螺距可以大于内表面的螺纹螺距，即互锁螺纹套20内表面和外表面的螺纹螺距可以不一样，外表面的螺纹能够提供更大的咬合力。进一步地，该互锁螺纹套20外圆周的螺纹可以为倾斜螺纹，且倾斜螺纹的倾斜方向朝向尾座50方向。该结构使得螺纹与拉力方向相对，从而提供更强的螺纹间咬合力。

进一步地，在锥体10的外螺纹段12的端部可设置方便插入互锁螺纹套20内部的倒角，同时在连接后的互锁螺纹套20的外表面与尾座50的大直径内螺纹段51之间留有供锥体10的外螺纹段12插入后互锁螺纹套20涨开的空间。

当尾座50被拉向锥体10的锥底方向时，互锁螺纹套20向锥顶方向靠近并套在锥顶上，此时倒角可方便锥顶的外螺纹段12进入互锁螺纹套20内，在外螺纹段12进入互锁螺纹套20的过程中，互锁螺纹套20会因为断开结构而向外张开，最终互锁螺纹套20会被完全挤入的外螺纹段12紧紧顶在尾座50的大直径内螺纹段51上，三者形成紧密的连接。

进一步地，该尾座50与卡瓦40相互接触的端面上，可以设置限制两者接触后相互径向转动的限位键53，具体的限位键53可以是在两者的接触面上分别设置对应的内凹矩形槽和凸块，当两者接触时，凸块会插入相应的矩形槽中，从而对单方的径向旋转形成阻力，使两者只能同步转动。在其它的实施方式中，限位键53还可以是相互对应的圆柱、凹坑等结构。

在本发明的一个实施方式中，为方便可溶性金属封堵球的封堵，该锥体10锥底的端面可以为沿轴线内凹的锥形坑14。当可溶性金属封堵球落下后会自然落在锥形坑14的中心，从而顺利地将中心通道11封住。

如图8所示，在本发明的一个实施方式中，可以在中心连接轴30的尾端的外螺纹段32靠近锥体10一端固定一个环形的限位套33，限位套33朝向锥底的一端为锥面另一端为平面，且锥面的锥度小于锥形坑14的锥度，使得两者在接触后能够形成一个空腔，限位套33的直径小于锥底的直径，可避免影响卡瓦40的移动。限位套33本身与中心连接轴30固定连接，可以分担中心连接轴30受到的拉力，其平面一端可以限制座封工具的中心杆的拧进长度。

此外，在限位套33的平面上可以设置摩擦纹，摩擦纹可以提高与座封工具的接触效果。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种金属变径密封可溶压裂桥塞，其特征在于，包括：

锥体，由可溶性金属制成，内部设置有轴向空心通道，外表面为锥面，在锥顶设置有外螺纹段；

中心连接轴，滑动插入所述锥体的空心通道中，且端部设置有外螺纹段；

卡瓦，由可溶性金属制成，内圆周为与所述锥体的外锥面形状对应的内锥面，外圆周的径向截面为平面，活动安装在所述锥体的外锥面上；

尾座，由可溶性金属制成，安装在所述锥体的锥顶一端并与所述卡瓦接触，内部设置有相邻的直径依次缩小的两段内螺纹段，其中大直径内螺纹段处拧有一个断开的内外表面分别设置有螺纹的互锁螺纹套，小直径内螺纹段与所述中心连接轴的外螺纹段拧在一起；

变径密封环，由可溶性金属制成，在内部受到向外的扩张力时整体直径变大，安装在所述卡瓦靠近所述锥体的锥底一侧，内表面为与所述外锥面配合的内锥面，外表面的径向截面为平面；

变径支撑环，由可溶性金属制成，在内部受到向外的扩张力时整体直径变大，安装在所述变径密封环和所述卡瓦之间，内表面为与所述外锥面配合的内锥面，外表面的径向截面为平面，向所述变径密封环传递并缓解所述卡瓦的挤压力；

所述互锁螺纹套外表面的螺纹螺距大于内表面的螺纹螺距，且外表面的螺纹为向所述尾座方向倾斜的倾斜螺纹，在所述锥体的外螺纹段的端部设置有可插入所述互锁螺纹套内部的倒角，所述互锁螺纹套的外表面与所述尾座的大直径内螺纹套之间留有供所述锥体的外螺纹段插入后涨开的空间。

2.根据权利要求1所述的一种金属变径密封可溶压裂桥塞，其特征在于，

在所述变径密封环或所述变径支撑环的外表面设有环形内凹的密封凹槽，在密封凹槽内安装有密封圈，所述密封圈为可溶性金属或橡胶制成。

3.根据权利要求2所述的一种金属变径密封可溶压裂桥塞，其特征在于，

所述变径密封环或所述变径支撑环分别设置有一道或多道。

4.根据权利要求1所述的一种金属变径密封可溶压裂桥塞，其特征在于，

在所述卡瓦的外圆周上设置有增强锚定效果的陶瓷结构，所述陶瓷结构为间隔设置的陶瓷块、陶瓷片或弧形陶瓷段，且所述陶瓷结构朝向井壁的一面上设置有凸出的夹角。

5.根据权利要求1所述的一种金属变径密封可溶压裂桥塞，其特征在于，

所述中心连接轴的尾端设置有方便其它设备连接的外螺纹段。

6.根据权利要求5所述的一种金属变径密封可溶压裂桥塞，其特征在于，

所述锥体的锥底的端面为沿轴线内凹的锥形坑。

7.根据权利要求6所述的一种金属变径密封可溶压裂桥塞，其特征在于，

所述中心连接轴的尾端的外螺纹段靠近所述锥体一端固定有限位套，所述限位套朝向所述锥形坑的一端面为锥面另一端面为平面，且锥面的锥度小于所述锥形坑的锥度，所述限位套的直径小于所述锥底的直径。

8.根据权利要求1所述的一种金属变径密封可溶压裂桥塞，其特征在于，

所述尾座与所述卡瓦的接触面上设置有相互卡合防止一方径向转动的限位键。