CN109538182A - 一种无节流自助解封封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无节流自助解封封隔器，包括上接头、上中心管、密封机构、弹簧中心管、弹簧自助解封机构、下中心管、坐封‑可溶解封机构和下接头。本发明的无节流自助解封封隔器不需要节流坐封，坐封过程便于控制；内部设置有限位台阶，防止胶筒被过量压缩，影响密封效果；使用压缩胶筒，承受压差大，坐封效果好且稳定；可以实现大排量和大规模压裂施工改造；采用弹簧自助解封机构，避免下放管柱过程中产生不必要的提前坐封；在压裂施工结束后，该封隔器胶筒在自身的回弹力和弹簧的自助解封力双作用下快速解封；采用坐封‑可溶解封机构，井内存在高压力下，依然可以保证封隔器快速解封。

Description

一种无节流自助解封封隔器

技术领域

本发明属于油气田压裂作业技术领域，特别涉及一种油气田压裂作业的井下封隔器，尤其涉及一种无节流自助解封封隔器。

背景技术

随着国内油气田开发的不断深入，K344封隔器分层压裂技术已经成为国内油气田直井分层压裂改造的主体技术。然而，该技术也存在一些局限性，制约了其进一步发展，例如：①需要通过节流底阀和节流喷砂滑套产生的节流坐封封隔器，限制了施工排量、加砂量和施工规模，增加了地面泵压，牺牲了施工效率，不能满足大排量和大规模的压裂施工需求，同时，节流喷砂滑套喷砂口处因节流压差产生的返溅伤害容易导致管柱从此处断裂的风险。②在下放压裂管柱过程中，易因井内压力的波动产生不必要的提前坐封，造成封隔器胶筒发生摩擦损坏的风险。③泄压后扩张胶筒自动解封，但胶筒自身的结构特征决定了胶筒不可能完全回收，如遇砂堵，则会出现解封不完全、砂卡，造成起管柱困难或者无法起出管柱的风险。

一般的压裂封隔器需要节流坐封，同时设置剪钉机构，坐封过程不便于控制；由于管柱内需要配套产生节流的工具，所以无法实现大排量和大规模压裂施工改造；采用弹簧自解封机构，只是在压裂完成后开始起作用，无法避免下放管柱过程中产生不必要的提前坐封；没有设置可溶解封机构，只适用于特定井况的压裂施工井，适用范围不广。

发明内容

本发明的目的是提供一种无节流自助解封封隔器，以解决现有K344封隔器需要通过节流实现坐封、不能满足大排量和大规模的压裂施工需求、下放过程中易产生不必要的提前坐封和泄压后起管柱困难或者无法起出管柱的问题。

为此，本发明技术方案如下：

一种无节流自助解封封隔器，所述无节流自助解封封隔器包括：上接头、上中心管、密封机构、弹簧中心管、弹簧自助解封机构、下中心管、坐封-可溶解封机构和下接头；

其中，所述上接头下方固定连接所述上中心管，上中心管外壁套装有所述密封机构，上中心管下方固定连接所述弹簧中心管，弹簧中心管外壁安装有所述弹簧自助解封机构，密封机构下方抵压在弹簧中心管和弹簧自助解封机构共同形成的上方端面上，弹簧中心管下方固定连接所述下中心管且组成一个弹簧槽，下中心管外壁安装有所述坐封-可溶解封机构，坐封-可溶解封机构上方与弹簧自助解封机构下方固定连接，下中心管下方固定连接所述下接头内螺纹，坐封-可溶解封机构下方固定连接所述下接头外螺纹，下中心管内壁开有传压孔，中间部分设置有限位台阶。

优选地，所述密封机构包括胶筒和隔环，胶筒上方与上接头下方端面接触，隔环与胶筒下方接触，隔环下方抵压在所述弹簧中心管和弹簧自助解封机构共同形成的上方端面上。

优选地，所述弹簧自助解封机构包括连接套、弹簧和压环，弹簧和压环由上到下安装在弹簧中心管和下中心管固接组成的弹簧槽里，连接套安装在弹簧中心管的外部并在上方抵压在隔环下方端面，在下方与所述坐封-可溶解机构固定连接。

优选地，所述坐封-可溶解封机构包括动力活塞、可溶柱塞、保护套、防转销钉以及若干O型密封圈；

其中，所述动力活塞套装在所述下中心管外壁上，所述动力活塞上方与所述连接套固定连接，所述动力活塞上方内壁通过第一O型密封圈与所述下中心管上方凸台形成密封，所述动力活塞下方凸台与所述下中心管下方外壁通过第四O型密封圈形成密封，所述动力活塞下方外壁安装所述可溶柱塞，所述动力活塞最下方与所述下接头外壁密封面通过第五O型密封圈形成密封,所述动力活塞下方外壁安装有所述保护套，并通过第二O型密封圈形成密封,所述保护套下方固定连接所述下接头外螺纹，并通过所述防转销钉进行周向固定，所述可溶柱塞沿周向对称分布，共有2个，安装在所述动力活塞的柱塞孔里，所述可溶柱塞下方通过第三O型密封圈与所述动力活塞的柱塞孔形成密封，可溶柱塞上方通过外螺纹与与所述动力活塞的柱塞孔内螺纹固定连接，所述动力活塞、所述下接头与所述下中心管形成动力腔，所述动力活塞与所述下中心管形成空气腔，所述动力活塞外部活动部分两端截面积相等。

与现有技术相比，本发明提供的无节流自助解封封隔器至少具有以下有益效果：

(1)本发明采用简单方便的液压坐封，不设置剪切销钉，不需要节流坐封，只与管柱内的压力有关，与管柱内外压差无关，打压即坐封，不打压不坐封，坐封过程便于控制。

(2)下中心管中间部分设置有限位台阶，避免管柱内压差过大造成动力活塞过量移动，防止胶筒被过量压缩，造成胶筒疲劳破裂，影响密封效果。

(3)使用压缩胶筒，相较于扩张胶筒，胶筒承受压差大，坐封效果好且稳定。

(4)可实现施工管柱排砂量最大化，由于该封隔器不需要节流坐封，通过与无节流喷砂滑套一起使用，可以实现大排量和大规模压裂施工改造，提高压裂施工工作效率。

(5)采用弹簧自助解封机构，在下压裂管柱之前，可根据油气井的垂直深度调节对应的弹簧预紧力，以平衡井内静液柱压力的影响，避免下放管柱过程中产生不必要的提前坐封，造成胶筒损坏，提高压裂管柱下入的安全性。

(6)采用弹簧自助解封机构，在压裂施工结束后，该封隔器胶筒在自身的回弹力和弹簧的自助解封力双作用下快速解封，为管柱顺利起出提供保证。

(7)采用坐封-可溶解封机构，封隔器坐封前，可溶柱塞受保护套保护，不与井内液体接触；当封隔器坐封后，可溶柱塞露出与井内液体接触，若压裂施工完成后，井内存在高压力大于该封隔器的坐封压力，封隔器无法解封时，在一定时间内，可溶柱塞溶解，动力活塞动力腔和空气腔压力实现平衡，该封隔器依然可以快速解封，同样可以保证管柱能够顺利起出。

附图说明

图1为本发明的无节流自助解封封隔器的初始状态示意图；

图2为本发明的无节流自助解封封隔器的坐封状态示意图；

图3为密封机构的示意图；

图4为弹簧自助解封机构的示意图；

图5为坐封-可溶解封机构和下接头的示意图；

图6为本发明的无节流自助解封封隔器的压裂管柱连接结构示意图。

其中，附图标记说明：

1-上接头；2-上中心管；

3-密封机构；31-胶筒；32-隔环；

4-弹簧中心管；

5-弹簧自助解封机构；51-连接套；52-弹簧；53-压环；

6-下中心管；

7-坐封-可溶解封机构；71-动力活塞；72-第一O型密封圈；73-第二O型密封圈；74-可溶柱塞；75-第三O型密封圈；76-保护套；77-第四O型密封圈；78-第五O型密封圈；79-防转销钉；

8-下接头；

A-下直喷；B-无节流自助解封封隔器；C-水力锚；D-喷砂滑套；E-安全接头；F-油管；G-套管。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-5所示，该无节流自助解封封隔器包括：上接头1、上中心管2、密封机构3、弹簧中心管4、弹簧自助解封机构5、下中心管6、坐封-可溶解封机构7和下接头8；

其中，所述上接头1下方固定连接所述上中心管2，上中心管2外壁套装有所述密封机构3，上中心管2下方固定连接所述弹簧中心管4，弹簧中心管4外壁安装有所述弹簧自助解封机构5，密封机构3下方抵压在弹簧中心管4和弹簧自助解封机构5共同形成的上方端面上，弹簧中心管4下方固定连接所述下中心管6且组成一个弹簧槽，下中心管6外壁安装有所述坐封-可溶解封机构7，坐封-可溶解封机构7上方与弹簧自助解封机构5下方固定连接，下中心管6下方固定连接所述下接头8内螺纹，坐封-可溶解封机构7下方固定连接所述下接头8外螺纹，下中心管6内壁开有传压孔，中间部分设置有限位台阶。

作为本发明的一个实施例，所述密封机构3包括胶筒31和隔环32，胶筒31上方与上接头1下方端面接触，隔环32与胶筒31下方接触，隔环32下方抵压在所述弹簧中心管4和弹簧自助解封机构5共同形成的上方端面上。

作为本发明的第二个实施例，所述弹簧自助解封机构5包括连接套51、弹簧52和压环53，弹簧52和压环53由上到下安装在弹簧中心管4和下中心管6固接组成的弹簧槽里，连接套51安装在弹簧中心管4的外部并在上方抵压在隔环32下方端面，在下方与所述坐封-可溶解机构7固定连接。

作为本发明的第三个实施例，所述坐封-可溶解封机构7包括动力活塞71、可溶柱塞74、保护套76、防转销钉79以及若干O型密封圈；

其中，所述动力活塞71套装在所述下中心管6外壁上，所述动力活塞71上方与所述连接套51固定连接，所述动力活塞71上方内壁通过第一O型密封圈72与所述下中心管6上方凸台形成密封，所述动力活塞71下方凸台与所述下中心管6下方外壁通过第四O型密封圈77形成密封，所述动力活塞71下方外壁安装所述可溶柱塞74，所述动力活塞71最下方与所述下接头8外壁密封面通过第五O型密封圈79形成密封,所述动力活塞71下方外壁安装有所述保护套76，并通过第二O型密封圈73形成密封,所述保护套76下方固定连接所述下接头8外螺纹，并通过所述防转销钉79进行周向固定，所述可溶柱塞74沿周向对称分布，共有2个，安装在所述动力活塞71的柱塞孔里，所述可溶柱塞74下方通过第三O型密封圈75与所述动力活塞71的柱塞孔形成密封，可溶柱塞74上方通过外螺纹与与所述动力活塞71的柱塞孔内螺纹固定连接，所述动力活塞71、所述下接头8与所述下中心管6形成动力腔，所述动力活塞71与所述下中心管6形成空气腔，所述动力活塞71外部活动部分两端截面积相等。

本发明的无节流自助解封封隔器的具体工作原理如下：

(1)压裂管柱连接：如图6所示，采用本发明的无节流自助解封封隔器实施单封隔器分两层压裂施工，将下直喷A、无节流自助解封封隔器B、水力锚C、喷砂滑套D、安全接头E在油管F上进行连接，使其成为压裂管柱，并按施工设计要求下到套管G里的预定深度。

(2)坐封：从油管F内加压，压力经下中心管6上的传压孔作用在动力活塞71上，推动动力活塞71上行，同时推动压环53压缩弹簧52，并且通过与动力活塞71固定连接的连接套51推动隔环32上行压缩胶筒31，当压力达到20MPa时，密封油管F与套管G之间的环形空间，此时本发明的无节流自助解封封隔器完成初封，继续提高油管F压力，当动力活塞7上行到下中心管6上的限位台阶时，胶筒31达到最佳压缩效果，此时本发明的无节流自助解封封隔器完成坐封，与此同时，安装在动力活塞71柱塞孔里的可溶柱塞74露出与井内液体接触，开始溶解。

(3)解封：油管F泄压后，弹簧52靠自身的回弹力自助下行，通过压环53推动动力活塞71下行，给胶筒31留出自由空间，由于胶筒31不存在下行压力约束，胶筒31靠自身的回弹力下行，本发明的无节流自助解封封隔器完成解封。

若油管F泄压后，油管F内存在的压力大于本发明的无节流自助解封封隔器的初封压力时，此时本发明的无节流自助解封封隔器仍然处于坐封状态，在一定时间内，可溶柱塞74溶解，动力活塞7的动力腔和空气腔压力实现平衡，弹簧52靠自身的回弹力自助下行，通过压环53推动动力活塞71下行，给胶筒31留出自由空间，由于胶筒31不存在下行压力约束，胶筒31靠自身的回弹力下行，本发明的无节流自助解封封隔器完成解封。

本发明的无节流自助解封封隔器用于压裂施工过程的压裂管柱上。在下入压裂管柱过程中，由于本发明的无节流自助解封封隔器弹簧预紧力的设置，可以平衡井内静液柱压力的影响，避免下井中途封隔器误坐封，提高管柱下入的安全性；在压裂施工时，本发明的无节流自助解封封隔器坐封只与管柱内的压力有关，与管柱内外压差无关，不需要通过压裂管柱上配套节流底阀和节流喷砂滑套产生的节流来坐封封隔器，通过与无节流喷砂滑套一起使用，可以实现大排量和大规模压裂施工改造，提高压裂施工工作效率；在压裂施工结束后，本发明的无节流自助解封封隔器胶筒在自身的回弹力和弹簧的自助解封力双作用下快速解封，若井内存在高压力大于本发明的无节流自助解封封隔器的坐封压力，导致封隔器无法解封时，可溶柱塞与井内液体接触，在一定时间内，可溶柱塞溶解，动力活塞动力腔和空气腔压力实现平衡，本发明的无节流自助解封封隔器依然可以快速解封，提高压裂管柱起出的安全性。本发明的无节流自助解封封隔器不需要节流坐封，当封隔器自身实现最大通径的过砂量时，由于通径的增大，降低了封隔器内部含砂液体的流速，减轻了封隔器内部组件的磨损，有利于延长封隔器的使用寿命。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

申请人声明，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无节流自助解封封隔器，其特征在于，所述无节流自助解封封隔器包括：上接头(1)、上中心管(2)、密封机构(3)、弹簧中心管(4)、弹簧自助解封机构(5)、下中心管(6)、坐封-可溶解封机构(7)和下接头(8)；

其中，所述上接头(1)下方固定连接所述上中心管(2)，上中心管(2)外壁套装有所述密封机构(3)，上中心管(2)下方固定连接所述弹簧中心管(4)，弹簧中心管(4)外壁安装有所述弹簧自助解封机构(5)，密封机构(3)下方抵压在弹簧中心管(4)和弹簧自助解封机构(5)共同形成的上方端面上，弹簧中心管(4)下方固定连接所述下中心管(6)且组成一个弹簧槽，下中心管(6)外壁安装有所述坐封-可溶解封机构(7)，坐封-可溶解封机构(7)上方与弹簧自助解封机构(5)下方固定连接，下中心管(6)下方固定连接所述下接头(8)内螺纹，坐封-可溶解封机构(7)下方固定连接所述下接头(8)外螺纹，下中心管(6)内壁开有传压孔，中间部分设置有限位台阶。

2.根据权利要求1所述的无节流自助解封封隔器，其特征在于，所述密封机构(3)包括胶筒(31)和隔环(32)，胶筒(31)上方与上接头(1)下方端面接触，隔环(32)与胶筒(31)下方接触，隔环(32)下方抵压在所述弹簧中心管(4)和弹簧自助解封机构(5)共同形成的上方端面上。

3.根据权利要求1或2所述的无节流自助解封封隔器，其特征在于，所述弹簧自助解封机构(5)包括连接套(51)、弹簧(52)和压环(53)，弹簧(52)和压环(53)由上到下安装在弹簧中心管(4)和下中心管(6)固接组成的弹簧槽里，连接套(51)安装在弹簧中心管(4)的外部并在上方抵压在隔环(32)下方端面，在下方与所述坐封-可溶解机构(7)固定连接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的无节流自助解封封隔器，其特征在于，所述坐封-可溶解封机构(7)包括动力活塞(71)、可溶柱塞(74)、保护套(76)、防转销钉(79)以及若干O型密封圈；

其中，所述动力活塞(71)套装在所述下中心管(6)外壁上，所述动力活塞(71)上方与所述连接套(51)固定连接，所述动力活塞(71)上方内壁通过第一O型密封圈(72)与所述下中心管(6)上方凸台形成密封，所述动力活塞(71)下方凸台与所述下中心管(6)下方外壁通过第四O型密封圈(77)形成密封，所述动力活塞(71)下方外壁安装所述可溶柱塞(74)，所述动力活塞(71)最下方与所述下接头(8)外壁密封面通过第五O型密封圈(79)形成密封,所述动力活塞(71)下方外壁安装有所述保护套(76)，并通过第二O型密封圈(73)形成密封,所述保护套(76)下方固定连接所述下接头(8)外螺纹，并通过所述防转销钉(79)进行周向固定，所述可溶柱塞(74)沿周向对称分布，共有2个，安装在所述动力活塞(71)的柱塞孔里，所述可溶柱塞(74)下方通过第三O型密封圈(75)与所述动力活塞(71)的柱塞孔形成密封，可溶柱塞(74)上方通过外螺纹与与所述动力活塞(71)的柱塞孔内螺纹固定连接，所述动力活塞(71)、所述下接头(8)与所述下中心管(6)形成动力腔，所述动力活塞(71)与所述下中心管(6)形成空气腔，所述动力活塞(71)外部活动部分两端截面积相等。