CN109869113B - 一种封隔式分级注水泥器 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的一种封隔式分级注水泥器，主要由注水泥器和管外封隔器两部分连接组成，其中管外封隔器包括封隔套筒、设置在封隔套筒外部的下滑套、卡瓦机构和封隔机构、以及设置在封隔套筒内部与下滑套联动配合的坐挂滑套，所述的注水泥器包括本体、上滑套、关闭滑套、打开滑套、限位滑套、打开胶塞和关闭胶塞。本发明可用于深井分级固井作业中，一级固井完成后，投胶塞憋压坐封管外封隔器后，打开循环孔进行二次固井，最后关闭循环孔，实现分级固井作业和环空机械密封，解决深井、分级固井等特殊作业时难以实现环空机械密封从而造成环空漏失的难题，降低了深井长井段分级固井时的漏失风险。

Description

一种封隔式分级注水泥器

技术领域

本发明涉及石油钻井完井技术领域中的的固井完井装置，具体是一种封隔式分级注水泥器。

背景技术

随着钻井技术的发展，深井、定向井、大斜度井等复杂井逐步增多，固井技术面临更大的挑战和难度。分级固井工艺技术是在井内套管柱某一设定位置安装一种特殊固井工具分级注水泥器，固井时通过特殊工艺对分级注水泥器上、下部井段套管环空环形空间分别进行固井，实现将较长的水泥封隔井段分成两段进行封固。分级固井主要适用于一次性注水泥封固段太长、低压易漏失井、上下井段温差过大、油气分布不连续且间隔距离过长等井况条件下的固井作业。

由于部分油气井目的层埋藏较深，一次性封固裸眼段长，固井作业环空液柱压力高，极易超过地层承压能力而发生漏失；即使采用分级固井技术，对于存在多套压力层系统的井眼，深井分级固井仍然很难避免发生漏失事故。虽然现有分级注水泥工具和管外封隔器产品较为成熟，但其工具结构和配套工艺难以在分级固井作业中配套使用，无法满足分级固井作业时的环空机械密封要求。因此，研发一种适用于分级固井作业的封隔式分级注水泥器，对提高深井分级固井环空封隔能力和降低漏失风险具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有深井分级固井作业时难以实现环空机械封隔功能易发生漏失事故，提出了一种封隔式分级注水泥器。

本发明的技术方案：

一种封隔式分级注水泥器，主要由注水泥器1和管外封隔器7两部分连接组成，其中管外封隔器7包括封隔套筒701、设置在封隔套筒701外部的下滑套703、卡瓦机构和封隔机构9、以及设置在封隔套筒701内部与下滑套703联动配合的坐挂滑套11，其中：

所述的注水泥器1包括本体101、上滑套102、关闭滑套3、打开滑套2、限位滑套4、打开胶塞5和关闭胶塞6；上滑套102位于本体101外部并与本体101保持轴向滑动密封配合，在上滑套102与本体101相同位置处径向设有循环孔103，循环孔103内安装有爆破盘104；关闭滑套3、打开滑套2和限位滑套4从上之下依次安装在本体101内部，并分别与本体101内部构成轴向滑动配合；打开滑套2的内径小于关闭滑套3的内径，本体101上轴向设有上滑动槽108，关闭滑套3和上滑套102通过穿过上滑动槽108的上锁块107联动，关闭滑套3同时通过销钉16定位于本体101内，打开滑套2通过销钉16定位于本体101和上滑套102的循环孔103部位，打开胶塞5和关闭胶塞6分别为与打开滑套2、关闭滑套3阻挡配合的独立部件。

上述方案进一步包括：

所述的管外封隔器7的卡瓦机构由上卡瓦机构8和下卡瓦机构10构成；上卡瓦机构8连接在下滑套703下端，包括上卡瓦801、上卡瓦推动件802、止推环803和上卡瓦配合件804；下卡瓦机构10包括下卡瓦1001、下卡瓦推动件1002和下卡瓦配合件1003；上卡瓦801上加工有正向卡瓦牙805，下卡瓦1001上加工有反向卡瓦牙，上卡瓦推动件802和下卡瓦推动件1002均加工有梯形配合键807，上卡瓦801和下卡瓦1001均加工有卡瓦咬合键808，上卡瓦801和上卡瓦推动件802配合，下卡瓦1001和下卡瓦推动件1002配合，下卡瓦配合件1003与封隔套筒701固定连接；

所述的封隔机构9由两个沿止脱环904对称的封隔单元组成，每个封隔单元包括密封胶筒901、犁形件902、辅助环903和Z形阻件905，犁形件902一端加工有楔形斜面，密封胶筒901一端位于犁形件902的斜面上，通过Z形阻件905包覆固定，另一端通过止脱环904固定，止脱环904为梯形外喇叭口状的圆环结构，将密封胶筒901端部约束在止脱环904的梯形圆环内；辅助环903通过销钉固定在犁形件902外部，同时辅助环903将Z形阻件905固定；

所述的封隔机构9通过犁形件902分别与上卡瓦机构8的上卡瓦推动件802和下卡瓦机构10的下卡瓦推动件1002连接于上卡瓦机构8和下卡瓦机构10之间；

坐挂滑套11安装在封隔套筒701内部，坐挂滑套11为筒状结构，上部加工有锁块孔706，下部加工有与打开胶塞5配合的坐封斜面，封隔套筒701上轴向加工有穿透的下滑动槽704，下滑套703内加工有锁块槽707，锁块孔706、下滑动槽704、锁块槽707与下锁块705配合将坐挂滑套11、封隔套筒701和下滑套703之间固定，坐挂滑套11和下滑套703与封隔套筒701通过下滑动槽704限位、密封滑行配合。

下滑套703与封隔套筒701之间、上卡瓦推动件802与封隔套筒701之间、下卡瓦推动件902与封隔套筒701之间、辅助环803与犁形件802之间均通过销钉固定连接。

封隔套筒701外部设有下扶正环702，在本体101外部设有上扶正环105和限位环106，上扶正环105和限位环106分别位于上滑套102上、下行程端部，上扶正环105、下扶正环702均为圆环结构，外表面加工有扶正块109和导流槽。

打开滑套2上部设置与打开胶塞5配合的剪切环501。

上滑套102与本体101、打开滑套2在循环孔103两端与本体101、坐挂滑套11下部与封隔套筒701之间均设有密封圈。

注水泥器1和管外封隔器7两部分通过螺纹管14连接。

本发明主要用于深井长井段一次封固的分级固井作业中，一级固井完成后，投入打开胶塞依次推动打开滑套和坐挂滑套下行，坐封管外封隔器后，打开循环孔进行二次固井，最后关闭循环孔，实现分级固井作业和环空机械密封，解决深井、分级固井等特殊作业时难以实现环空机械密封从而造成环空漏失的难题，有效提高分级固井时环空封隔效果和承压能力，大大降低了深井长井段分级固井时的漏失风险。

附图说明

图1为封隔式分级注水泥器结构示意图；

图2为管外封隔器中的上卡瓦机构结构示意图，其中，图2(a)为坐挂前，图2(b)为坐挂后；

图3为管外封隔器中的封隔机构结构示意图，其中，图3(a)为坐挂前，图3(b)为坐挂后；

图4为上下扶正环A-A截面图；

图5为下锁块位置B-B截面图；

图6为封隔式分级注水泥器打开位置的结构示意图；

图7为封隔式分级注水泥器打开滑套剪切下行位置的结构示意图；

图8为封隔式分级注水泥器打开胶塞下行至封隔器坐挂位置的结构示意图；

图9为封隔式分级注水泥器坐封管外封隔器的结构示意图；

图10为封隔式分级注水泥器关闭循环孔的结构示意图；

图11为封隔式分级注水泥器完井管柱的结构示意图。

鉴于附图尺寸限制，附图并未按照实际比例绘制。

图中：1.注水泥器，101.本体，102.上滑套，103.循环孔，104爆破盘，105.上扶正环，106.限位环，107.上锁块，108.上滑动槽，109，扶正块，2.打开滑套，3.关闭滑套，4.限位滑套，5.打开胶塞，501.剪切环，6.关闭胶塞，7.管外封隔器，701.封隔套筒，702.下扶正环，703.下滑套，704.下滑动槽，705.下锁块，706.锁块孔，707.锁块槽，8.上卡瓦机构，801.上卡瓦，802.上卡瓦推动件，803.止推环，804.上卡瓦配合件，805.卡瓦牙，806.止推槽，807.梯形配合键，808.卡瓦咬合键，9封隔机构，901.密封胶筒，902.犁形件，903.辅助环，904.止脱环，905.Z形阻件，10.下卡瓦机构，1001.下卡瓦，1002.下卡瓦推动件，1003.上卡瓦配合件，11.坐挂滑套，12.上接头，13.下接头，14.螺纹管，15.密封圈，16.销钉。

具体实施方式

现结合说明书附图对发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明所述的一种封隔式分级注水泥器，主要由注水泥器1、管外封隔器7、上接头12、下接头13等部分组成，注水泥器1位于管外封隔器7上部，通过螺纹管14连接。

如图1所示，所述的注水泥器1主要由本体101、上滑套102、上扶正环105、限位环106、打开滑套2、关闭滑套3、限位滑套4、打开胶塞5（参见图9）和关闭胶塞6（参见图10）等部分组成。本体101外表面上部安装有上扶正环105，下部安装有限位环106，上滑套102安装在上扶正环105和限位环106之间，本体101上加工有上滑动槽108，本体101和上滑套102在相同位置加工有循环孔103，循环孔103内安装有爆破盘104，本体101内部从上之下依次安装有关闭滑套3、打开滑套2和限位滑套4。参见图5，关闭滑套3上加工有锁块孔706，上滑套102内加工有锁块槽707，关闭滑套3、本体101和上滑套102通过上锁块107固定连接，打开滑套2位于本体101和上滑套102的循环孔103部位，限位滑套4位于注水泥器1内部下端。

如图1～2所示，所述的封隔式分级注水泥器，其管外封隔器7主要包括封隔套筒701、下扶正环702、下滑套703、上卡瓦机构8、封隔机构9、下卡瓦机构10、坐挂滑套11等部件。封隔套筒701为加工有下滑动槽704的套管短节，上部安装有下扶正环702，下滑套703与封隔套筒701密封滑动配合，下滑套703下部依次连接上卡瓦机构8、封隔机构9和下卡瓦机构10，坐挂滑套11位于封隔套筒701内部的下滑动槽704处。图2（a）所示的是坐挂前的上卡瓦机构8结构，上卡瓦机构8与下滑套703通过螺纹管14连接，上卡瓦机构8由上卡瓦801、上卡瓦推动件802、止推环803、上卡瓦配合件804、止推槽806等构成；下卡瓦机构9由下卡瓦1001、下卡瓦推动件1002、下卡瓦配合件1003等部件构成。上卡瓦801上加工有正向卡瓦牙805，下卡瓦1001上加工有反向卡瓦牙，上卡瓦推动件802和下卡瓦推动件1002均加工有梯形配合键807，上卡瓦801和下卡瓦1001均加工有卡瓦咬合键808，上卡瓦801和上卡瓦推动件802配合，下卡瓦1001和下卡瓦推动件1002配合；上卡瓦801和上卡瓦配合件804之间、下卡瓦1001和下卡瓦配合件1003之间分别通过凹槽、凸起咬合防脱。上卡瓦配合件804内加工有止推槽806，止推环803位于止推槽806内，下卡瓦配合件1003通过螺纹与封隔套筒701相连。图2（b）所示的是坐挂后的上卡瓦机构8结构，坐挂后上卡瓦801外径增大，实现上卡瓦机构8的正向坐挂，下卡瓦机构10采用类似的坐挂方式实现反向坐挂。

如图1和图3所示，所述的封隔式分级注水泥器，其管外封隔器7的封隔机构9位于上卡瓦机构8和下卡瓦机构10之间，安装于封隔套筒701外表面，由两个沿止脱环904对称的封隔单元组成，每个封隔单元包括密封胶筒901、犁形件902、辅助环903、Z形阻件905等部件，犁形件902一端加工有楔形斜面，密封胶筒901硫化在封隔套筒701外表面，其一端位于犁形件902的斜面上，通过Z形阻件905包覆固定，另一端通过止脱环904固定，止脱环904为梯形外喇叭口状的圆环结构，将密封橡胶901端部约束在止脱环904的梯形圆环内；辅助环903通过销钉12固定在犁形件902外部，同时辅助环903将Z形阻件905固定。图3（a）为坐封前的封隔机构9，图3（b）所示为坐封后的封隔机构9，犁形件902进入密封胶筒901内部，使密封胶筒901外径增大，实现坐封。

如图1和图5所示，所述的封隔式分级注水泥器，其管外封隔器9内部安装有坐挂滑套11，坐挂滑套11为筒状结构，上部加工有锁块孔706，下部加工有打开胶塞5坐封斜面，封隔套筒701上加工有穿透的下滑动槽704，下滑套703]内加工有锁块槽707，坐挂滑套11、封隔套筒701和下滑套703之间通过下锁块705固定，坐挂滑套11和下滑套703可在外力作用下沿封隔套筒701下滑动槽704下行，锁块孔706、下滑动槽704和锁块槽707数量相同。

所述的封隔式分级注水泥器，其上扶正环105、限位环106和下扶正环702为圆环结构，如图4所示，外表面加工有扶正块109，扶正块109数量可为8-10个，各扶正块109之间加工有导流槽，增大入井后循环通道，保证工具居中，防止密封胶筒901在入井时磨损。

所述的封隔式分级注水泥器，其关闭滑套3与本体101之间安装有销钉16，下滑套703下端与封隔套筒701之间通过销钉16固定连接，上卡瓦推动件802和下卡瓦推动件804通过销钉16与封隔套筒701固定连接，辅助环903通过销钉16与犁形件902固定连接。

所述的封隔式分级注水泥器，其上滑套102与本体101、本体101与打开滑套2之间在循环孔103两端、上滑套102与本体101上部、封隔套筒701在下滑动槽704两端、坐挂滑套11下部、犁形件902等部位均安装有密封圈15。

所述的封隔式分级注水泥器，其打开胶塞5内径小于关闭胶塞6内径，打开胶塞5上部剪切环501外径小于关闭胶塞6内径，且其上部钢体外径大于打开滑套2和坐挂滑套11坐封面的最小内径。

值得注意的是，所述的封隔式分级注水泥器，其管外封隔器7可与本发明给出的注水泥器1结构，也可配合其他结构的注水泥器作业，但需在循环孔103中安装爆破盘104，打开胶塞5上的剪切环501能与打开滑套2配套。

在一个典型的实施例中，使用根据上文所述的封隔式分级注水泥器进行分级固井的作业方法，如图1至图11所示，包括以下步骤：

步骤一、工具下入，一级固井：如图1所示，装配好的封隔式分级注水泥器安放在套管串中间，配合套管柱及固井附件一同入井至设计位置后，按正常程序进行一级固井作业，顶替碰压；

步骤二、一级固井后，投入打开胶塞5：如图6所示，打开胶塞5进入注水泥器1内的打开滑套2位置；

步骤三、打开胶塞5到位，打开滑套2剪切下行：如图7所示，打开胶塞5到位后，打压5MPa左右，推动打开滑套2剪切下行，暴露出本体101和上滑套102的循环孔103；

步骤四、打开胶塞5剪切下行至管外封隔器7坐挂位置：如图8所示，打开胶塞5随打开滑套2下行至限位滑套4处，继续打压至10MPa左右，打开胶塞5与其上部的剪切环501发生剪切，剪切环501留在限位滑套4顶部，打开胶塞5继续下行至管外封隔器7坐挂位置；

步骤五、管外封隔器7坐封，坐封压力8～15MPa；

如图2、9所示，打开胶塞5顶替至坐挂滑套11后，下滑套703和封隔套筒701间的销钉16剪切，下滑套703随坐挂滑套11及打开胶塞5沿封隔套筒701上的下滑动槽704下行，下滑套703推动上卡瓦配合件804下行，上卡瓦801也受力下行沿着上卡瓦推动件802的斜面滑动，使得卡瓦咬合键808和梯形配合键807发生相错位移，上卡瓦801外径逐步增大，当上卡瓦配合件804下行至止推槽806和止推环803接触位置时，上卡瓦801实现坐挂。

如图3、10所示，待上卡瓦机构8坐挂后，封隔机构9上部的封隔单元先坐封，犁形件902在止推环803和上卡瓦推动件802作用下，辅助环903和犁形件902之间的销钉16剪切，犁形件902的斜面端沿封隔套筒701向止脱环904运动，犁形件902进入密封胶筒901内表面，从而将密封胶筒901挤推至犁形件902外表面，止脱环904和Z形阻件905确保密封胶筒901两端固定，上封隔单元完成坐封，下封隔单元采用相同方式实现坐封。

待封隔机构9完成坐封后，上卡瓦机构8和封隔机构9在推力作用下继续沿封隔套筒701外表面下行，进而下卡瓦推动件1002推动下卡瓦1001坐挂。当下锁块705下行至封隔套筒701的下滑动槽704下端时，上卡瓦机构8、下卡瓦机构10完成双向坐挂，封隔机构9实现坐封。

步骤六、打开循环孔103，二级循环固井：待管外封隔器7实现坐封后，继续打压至18MPa，打开位于注水泥器1循环孔103内的爆破盘104，完全暴露循环孔103，建立井筒循环，可进行二级固井作业；

步骤七、二级固井顶替，关闭循环孔103：如图10所示，正常进行二级固井，投入关闭胶塞6，顶替碰压至关闭滑套3，打压至8MPa，关闭滑套3与注水泥器1本体101处的销钉16剪切，关闭胶塞6、关闭滑套3和上滑套102随上锁块107沿上滑动槽108下行，关闭滑套3下行至本体101的循环孔103处关闭循环孔103，上滑套102下行至限位环106位置，上滑套102上的循环孔103和本体101上的循环孔103错位，实现循环孔103关闭，完成分级固井作业；

步骤八、钻塞后完井：如图11所示，分级固井作业后水泥浆候凝，再下钻头将打开滑套2、关闭滑套3、限位滑套4、坐封滑套11以及打开胶塞5和关闭胶塞6等附件钻除，完井。

本发明用于深井长井段一次封固的分级固井作业中，可实现分级固井作业和环空机械密封，解决深井、分级固井等特殊作业时难以实现环空机械密封从而造成环空漏失的难题，有效提高分级固井时环空封隔效果和承压能力，大大降低了深井长井段分级固井时的漏失风险。

Claims (4)

1.一种封隔式分级注水泥器，主要由注水泥器（1）和管外封隔器（7）两部分连接组成，其中管外封隔器（7）包括封隔套筒（701）、设置在封隔套筒（701）外部的下滑套（703）、卡瓦机构和封隔机构（9）、以及设置在封隔套筒（701）内部与下滑套（703）联动配合的坐挂滑套（11），其特征在于：

所述的注水泥器（1）包括本体（101）、上滑套（102）、关闭滑套（3）、打开滑套（2）、限位滑套（4）、打开胶塞（5）和关闭胶塞（6）；上滑套（102）位于本体（101）外部并与本体（101）保持轴向滑动密封配合，在上滑套（102）与本体（101）相同位置处径向设有循环孔（103），循环孔（103）内安装有爆破盘（104）；关闭滑套（3）、打开滑套（2）和限位滑套（4）从上之下依次安装在本体（101）内部，并分别与本体（101）内部构成轴向滑动配合；打开滑套（2）的内径小于关闭滑套（3）的内径，本体（101）上轴向设有上滑动槽（108），关闭滑套（3）和上滑套（102）通过穿过上滑动槽（108）的上锁块（107）联动，关闭滑套（3）同时通过销钉（16）定位于本体（101）内，打开滑套（2）通过销钉（16）定位于本体（101）和上滑套（102）的循环孔（103）部位，打开胶塞（5）和关闭胶塞（6）分别为与打开滑套（2）、关闭滑套（3）阻挡配合的独立部件；

所述的管外封隔器（7）的卡瓦机构由上卡瓦机构（8）和下卡瓦机构（10）构成；上卡瓦机构（8）连接在下滑套（703）下端，包括上卡瓦（801）、上卡瓦推动件（802）、止推环（803）和上卡瓦配合件（804）；下卡瓦机构（10）包括下卡瓦（1001）、下卡瓦推动件（1002）和下卡瓦配合件（1003）；上卡瓦（801）上加工有正向卡瓦牙（805），下卡瓦（1001）上加工有反向卡瓦牙，上卡瓦推动件（802）和下卡瓦推动件（1002）均加工有梯形配合键（807），上卡瓦（801）和下卡瓦（1001）均加工有卡瓦咬合键（808），上卡瓦（801）和上卡瓦推动件（802）配合，下卡瓦（1001）和下卡瓦推动件（1002）配合，下卡瓦配合件（1003）与封隔套筒（701）固定连接；

所述的封隔机构（9）由两个沿止脱环（904）对称的封隔单元组成，每个封隔单元包括密封胶筒（901）、犁形件（902）、辅助环（903）和Z形阻件（905），犁形件（902）一端加工有楔形斜面，密封胶筒（901）一端位于犁形件（902）的斜面上，通过Z形阻件（905）包覆固定，另一端通过止脱环（904）固定，止脱环（904）为梯形外喇叭口状的圆环结构，将密封胶筒（901）端部约束在止脱环（904）的梯形圆环内；辅助环（903）通过销钉固定在犁形件（902）外部，同时辅助环（903）将Z形阻件（905）固定；

所述的封隔机构（9）通过犁形件（902）分别与上卡瓦机构（8）的上卡瓦推动件（802）和下卡瓦机构（10）的下卡瓦推动件（1002）连接于上卡瓦机构（8）和下卡瓦机构（10）之间；

坐挂滑套（11）安装在封隔套筒（701）内部，坐挂滑套（11）为筒状结构，上部加工有锁块孔（706），下部加工有与打开胶塞（5）配合的坐封斜面，封隔套筒（701）上轴向加工有穿透的下滑动槽（704），下滑套（703）内加工有锁块槽（707），锁块孔（706）、下滑动槽（704）、锁块槽（707）与下锁块（705）配合将坐挂滑套（11）、封隔套筒（701）和下滑套（703）之间固定，坐挂滑套（11）和下滑套（703）与封隔套筒（701）通过下滑动槽（704）限位、密封滑行配合；

封隔套筒（701）外部设有下扶正环（702），在本体（101）外部设有上扶正环（105）和限位环（106），上扶正环（105）和限位环（106）分别位于上滑套（102）上、下行程端部，上扶正环（105）、下扶正环（702）均为圆环结构，外表面加工有扶正块（109）和导流槽。

2.如权利要求1所述的封隔式分级注水泥器，其特征在于：打开滑套（2）上部设置与打开胶塞（5）配合的剪切环（501）。

3.如权利要求1所述的封隔式分级注水泥器，其特征在于：上滑套（102）与本体（101）、打开滑套（2）在循环孔（103）两端与本体（101）、坐挂滑套（11）下部与封隔套筒（701）之间均设有密封圈。

4.如权利要求1所述的封隔式分级注水泥器，其特征在于：注水泥器（1）和管外封隔器（7）两部分通过螺纹管（14）连接。

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