CN110017116B - 压裂桥塞 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压裂桥塞，属于油气田井下封堵装置技术领域，解决了现有胶筒被轴向压缩，桥塞长度较长，溶解或钻除的效果不理想的技术问题。该装置包括锥体、上锥体、密封组件、下锥体、卡瓦、锁环和引鞋，上锥体与密封组件的配合面为第一斜面，第一斜面远离下锥体的一端为大端，靠近下锥体的一端为小端，并且自大端至小端第一斜面的直径逐渐减小；下锥体与卡瓦的配合面为第二斜面，第二斜面靠近上锥体的一端为大端，远离上锥体的一端为小端，并且自大端至小端第二斜面的直径逐渐减小，形成双锥形结构，使密封组件和卡瓦受到朝向套管方向的径向挤压力，减小了桥塞的长度，缩短了溶解时间或磨铣时间，减少了碎屑。
Description
技术领域
本发明涉及油气田井下封堵装置技术领域，尤其是涉及一种压裂桥塞。
背景技术
随着石油勘探开发的不断深入，低渗透、低孔隙度等非常规油气藏不断增多，常规直井已经无法满足开发要求，水平井逐渐成为提高油田勘探开发综合效益的必要手段,其广泛使用分段压裂技术，该技术具有一趟管柱作业、不受分段限制、工具管柱结构简单、井筒畅通等优点，作为分段压裂的重要工具之一，桥塞的应用日益广泛。
目前，现有的压裂桥塞是将胶筒直接套设在中心管上，胶筒的内径和外径均与中心管的轴线平行，利用坐封工具，胶筒受到轴向挤压力，卡瓦破碎并锚定在套管内壁上，胶筒挤压并密封，完成坐封。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：坐封时，需要上下同时对胶筒进行轴向压缩，为保证密封效果，所需桥塞的长度较长，对于可溶桥塞，当长度较长时，其所需的溶解时间也长，对于普通桥塞，磨铣时间长，碎屑多，容易堵塞。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压裂桥塞，以解决现有胶筒被轴向压缩，桥塞长度较长，溶解或钻除的效果不理想的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种压裂桥塞，包括锥体、上锥体、密封组件、下锥体、卡瓦、锁环和引鞋，其中，所述锥体与所述下锥体相连接且二者均套设于坐封芯轴上，所述上锥体套设于所述锥体上，所述密封组件套设于所述上锥体上，所述卡瓦套设于所述下锥体上且所述卡瓦位于所述密封组件和所述引鞋之间，所述引鞋通过所述锁环与所述下锥体相连接以使所述引鞋能推动所述锁环和所述卡瓦朝向所述上锥体的方向轴向移动；所述上锥体与所述密封组件的配合面为第一斜面，所述第一斜面远离所述下锥体的一端为大端，靠近所述下锥体的一端为小端，并且自所述大端至所述小端所述第一斜面的直径逐渐减小；所述下锥体与所述卡瓦的配合面为第二斜面，所述第二斜面靠近所述上锥体的一端为大端，远离所述上锥体的一端为小端，并且自所述大端至所述小端所述第二斜面的直径逐渐减小；坐封时，所述锥体和所述上锥体与所述引鞋同时相对移动，并对所述密封组件和所述卡瓦进行挤压，所述密封组件和所述卡瓦分别沿所述第一斜面和所述第二斜面移动，并且受到朝向套管方向的径向压力，通过所述径向压力能使所述卡瓦锚定在套管内壁，所述密封组件紧贴在所述套管内壁形成桥塞与套管之间的密封。
优选地，所述第一斜面与所述第二斜面的倾斜角相等且均为12°～20°。
优选地，所述上锥体与所述下锥体之间设置有补偿间隙，所述补偿间隙的轴向长度为0.5～2mm。
优选地，所述下锥体与所述锁环通过第一单向锁定机构相连接以阻止所述锁环向远离所述密封组件的方向移动，所述锁环与所述引鞋通过第二单向锁定机构相连接以使所述引鞋能推动所述锁环和所述卡瓦朝向所述密封组件的方向移动。
优选地，所述密封组件包括依次设置的胶筒、内背环和外背环，所述胶筒与所述内背环相抵，所述内背环与所述外背环卡接，所述卡瓦与所述外背环和所述引鞋均通过径向限位机构相连接。
优选地，所述径向限位机构包括限位凸起和限位凹槽，所述限位凸起设置于所述卡瓦的两端，所述限位凹槽分别设置于所述外背环和所述引鞋上，所述限位凹槽与所述限位凸起配合连接以限定所述卡瓦与所述引鞋和所述密封组件之间的径向转动。
优选地，所述下锥体与所述卡瓦和所述引鞋通过滑槽机构相连接，所述滑槽机构包括轴向设置于所述引鞋上的引鞋内凹槽、轴向设置于所述卡瓦上的卡瓦内凹槽和设置于所述下锥体端部的卡爪，其中，所述卡爪、所述卡瓦内凹槽和所述引鞋内凹槽依次配合连接以使所述引鞋和所述卡瓦仅能沿所述下锥体的轴向移动。
优选地，所述引鞋远离所述锥体一端的内部设有多个变径内凸起，所述变径内凸起与所述坐封芯轴配合相抵。
优选地，所述锥体与所述下锥体的连接处，以及所述引鞋与所述锁环之间均设置有紧定销钉。
优选地，所述引鞋表面设置有陶瓷齿。
本发明涉及一种压裂桥塞，与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明提供的一种压裂桥塞，将上锥体与密封组件的配合面，以及下锥体与卡瓦的配合面均设置为斜面，使密封组件和卡瓦在被挤压时分别沿第一斜面和第二斜面斜向移动，此时，第一斜面和第二斜面对密封组件和卡瓦产生朝向套管方向的径向挤压力，由于密封组件朝向套管移动的径向距离为固定值，当倾斜角存在时，密封组件的轴向移动的距离会变小，即减小了桥塞两端的压缩距离，进而减小了桥塞的长度，缩短了溶解时间或磨铣时间，减少了碎屑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明倾斜角的结构示意图；
图3是本发明胶筒压缩方向的示意图；
图4是本发明补偿距离的示意图；
图5是本发明在下井过程中遇阻时压力传递的示意图；
图6是本发明遇到较大物体时的示意图；
图7是本发明使用时所用到的释放机构的示意图；
图8是本发明下井耐磨结构的示意图；
图9是本发明坐封接头包的半剖示意图；
图中1、锥体；2、上锥体；3、胶筒；4、内背环；5、外背环；6、下锥体；7、卡瓦；8、第一单向锁定机构；9、第二单向锁定机构；10、锁环；11、引鞋；12、卡爪；13、变径内凸起；14、引鞋内凹槽；15、卡瓦内凹槽；16、坐封芯轴；17、紧定销钉；18、倾斜角；19、卷皮销；20、O型密封圈；21、补偿间隙；22、第二斜面；23、较大物体；24、坐封推筒；25、连接套；26、第一斜面；27、陶瓷齿；28、脱手销钉；A、胶筒径向压缩方向；B、压力；C、压力传递斜面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“侧向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于图1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设备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。
如图1～图9所示，本发明提供了一种压裂桥塞，包括锥体1、上锥体2、密封组件、下锥体6、卡瓦7、锁环10和引鞋11，其中，锥体1与下锥体6相连接且二者均套设于坐封芯轴16上，上锥体2套设于锥体1上，密封组件套设于上锥体2上，卡瓦7套设于下锥体6上且卡瓦7位于密封组件和引鞋11之间，引鞋11通过锁环10与下锥体6相连接以使引鞋11能推动锁环10和卡瓦7朝向上锥体2的方向轴向移动；卡瓦7与密封组件和引鞋11均通过径向限位机构相连接；上锥体2与密封组件的配合面为第一斜面26，第一斜面26远离下锥体6的一端为大端，靠近下锥体6的一端为小端，并且自大端至小端第一斜面26的直径逐渐减小；下锥体6与卡瓦7的配合面为第二斜面22，第二斜面22靠近上锥体2的一端为大端，远离上锥体2的一端为小端，并且自大端至小端第二斜面22的直径逐渐减小；坐封时，锥体1和上锥体2与引鞋11同时相对移动，并对密封组件和卡瓦7进行挤压，密封组件和卡瓦7分别沿第一斜面26和第二斜面22移动，并且受到朝向套管方向的径向压力，通过径向压力能使卡瓦7锚定在套管内壁，密封组件紧贴在套管内壁形成桥塞与套管之间的密封。
本发明中靠近锥体1的一端为上端，靠近引鞋11的一端为下端，坐封时锥体1和上锥体2向下移动，引鞋11向上移动以对密封组件和卡瓦7进行挤压；与坐封芯轴16的轴线平行的方向为轴向，与轴向垂直的移动方向为径向，其中，密封组件在第一斜面26上的移动方向为斜向移动，该斜向方向可分解为轴向移动方向和朝向套管方向的径向移动方向，如图2所示，第一斜面26的倾斜角18的正切值等于密封组件在径向移动的高度与其在轴向移动的距离之比，由于现有密封组件为圆柱体结构，其倾斜角18为0°，所以为保证密封效果，需要轴向移动的压缩距就大，而本发明由于倾斜角18的存在，并且密封组件朝向套管移动的径向距离为固定值，所以相应的密封组件的轴向移动距离就会变小，也就减小了桥塞的整体长度；锥体1与下锥体6之间为螺纹连接，上锥体2和锥体1之间用卷皮销19定位，并且二者之间设置有O型密封圈20，径向限位机构使卡瓦7、密封组件和引鞋11之间仅能上下移动，不能相对转动。
将上锥体2与密封组件的配合面，以及下锥体6与卡瓦7的配合面均设置为斜面形成双锥形结构，使密封组件和卡瓦7在被挤压时分别沿第一斜面26和第二斜面22斜向移动，此时，第一斜面26和第二斜面22对密封组件和卡瓦7产生朝向套管方向的径向挤压力，如图3中A的方向，由于密封组件朝向套管移动的径向距离为固定值，当倾斜角18存在时，密封组件的轴向移动的距离会变小，即减小了桥塞两端的压缩距离，进而减小了桥塞的长度，缩短了溶解时间或磨铣时间，减少了碎屑。
作为可选的实施方式，第一斜面26与第二斜面22的倾斜角18相等且均为12°～20°。
12°～20°为密封锚定的最佳角度。如果倾斜角18度过大，对密封组件的胶筒3进行挤压时会使胶筒3的扩张力增大，过大的扩张力易使胶筒3密封不完全，如果倾斜角18度过小，由于胶筒3向套管移动的径向距离为固定值，倾斜角18度越小，胶筒3在轴向的移动距离就越大，会使整个桥塞的长度增加，对于可溶或普通桥塞会增加溶解时间以及钻除时间，碎屑较多。
作为可选的实施方式，如图4所示，上锥体2与下锥体6之间设置有补偿间隙21，补偿间隙21的轴向长度为0.5～2mm。
在桥塞承压时，上锥体会下移，其移动的距离即为补偿间隙21，补偿间隙21使桥塞自带补压效果，能进一步对胶筒3进行压缩，使胶筒3压缩更加完全。0.5～2mm为对胶筒3补偿的最佳范围，补偿距离过小，挤压力不够，达不到加强密封的作用，补偿距离过大，上锥体2的斜面会顶到内背环4和外背环5，而内背环4和外背环5需要对胶筒3的挤压，如果上锥体2移动距离过大，内背环4和外背环5会被挤压破坏磨损，也就无法保证对胶筒3的抗挤压力，所以上锥体2下移时要考虑内背环4和外背环5的内径与上锥体2的接触问题，避免上锥体2移动距离过大会卡到内背环4和外背环5，对密封产生不利影响。
作为可选的实施方式，下锥体6与锁环10通过第一单向锁定机构8相连接以阻止锁环10向远离密封组件的方向移动，锁环10与引鞋11通过第二单向锁定机构9相连接以使引鞋11能推动锁环10和卡瓦7朝向密封组件的方向移动。
具体的，第一单向锁定机构8包括设置于下锥体6上的第一锯齿和设置于锁环10上与第一锯齿配合传动的第一配合齿，其锁定方向为沿着坐封芯轴16的轴向且朝向引鞋11方向，即引鞋11带动锁环10仅能向上移动，第一单向锁定机构8阻止了锁环10和引鞋11向下移动，进而可阻止卡瓦7向下轴向移动；第二单向锁定机构9包括设置于锁环10上的第二锯齿和设置于引鞋11上与第二锯齿配合的第二配合齿，其锁定方向为沿着坐封芯轴16的轴向且远离引鞋11方向，使第二单向锁定机构9在坐封过程中，引鞋11能推动锁环10和卡瓦7一并沿第一单向锁定机构8向上移动。第一单向锁定机构8和第二单向锁定机构9配合，结构简单，便于操作。
作为可选的实施方式，密封组件包括依次设置的胶筒3、内背环4和外背环5，胶筒3与所述内背环4相抵，内背环4与外背环5卡接，卡瓦7与外背环5和引鞋11均通过径向限位机构相连接。
具体的，卡接结构包括设置于内背环4和外背环5上的凹槽和凸起，二者配合连接，内背环4、外背环5分别在径向开槽，装配时内背环4与外背环5所开槽均匀错开卡接，以使内背环4和外背环5破裂时破裂位置均匀错开，径向限位机构使密封组件和卡瓦7之间仅能在轴向移动，其中，径向限位机构包括限位凸起和限位凹槽，限位凸起设置于卡瓦7的两端，限位凹槽分别设置于外背环5和引鞋11上，限位凹槽与限位凸起配合连接以限定卡瓦7与引鞋11和密封组件之间的径向转动。
作为可选的实施方式，下锥体与卡瓦7和引鞋11通过滑槽机构相连接，滑槽机构包括轴向设置于引鞋11上的引鞋内凹槽14、轴向设置于卡瓦7上的卡瓦内凹槽15和设置于下锥体6端部的卡爪12，其中，卡爪12、卡瓦内凹槽15和引鞋内凹槽14依次配合连接，以使引鞋11和卡瓦7仅能沿下锥体6的轴向移动。
作为可选的实施方式，引鞋11远离锥体一端的内部设有多个变径内凸起13，变径内凸起13与坐封芯轴16配合相抵，以防止在生产时较大物体23进入桥塞内部造成堵塞，保证桥塞内部通径通畅，同时，在桥塞下入过程中如果遇到阻碍，可把压力B通过压力传递斜面C传递到坐封芯轴16上，避免桥塞提前坐封，如图5和图6所示。
作为可选的实施方式，锥体1与下锥体6的连接处，以及引鞋11与锁环10之间均设置有紧定销钉，如图1中紧定销钉17设置于螺纹连接处，防止锥体1与下锥体6发生径向转动，相应的，在卡瓦7上设置有与该紧定销钉配合安装的安装孔，引鞋11与锁环10之间的紧定销钉与上述相同，在图中未示出。
作为可选的实施方式，如图8所示，引鞋11表面设置有陶瓷齿27，在桥塞下井过程中能起到有效的耐磨作用。
本发明的工作过程：
在使用过程中首先连接火药或液压坐封工具，利用电缆或连续油管将压裂桥塞输送到井筒指定位置，通过火药爆破或其他方式启动坐封工具，坐封工具通过连接套25与坐封芯轴16相连接，坐封工具的压力作用在坐封推筒24上，坐封推筒24推动锥体1及上锥体2向下移动，坐封芯轴16与坐封推筒24相对移动，上锥体2向下移动的同时压缩胶筒3，撑开内背环4、外背环5，当压力达到一定值时，卡瓦7破裂，当压力达到达脱手销钉28剪断值时，脱手销钉28剪断，内背环4、外背环5完全撑开，胶筒3达到最大压缩量，卡瓦7锚定在套管内壁，完成坐封，如图7和图9所示。电缆上提，带动射孔枪移动，到达指定位置后点火射孔，射孔完成后将射孔枪、坐封工具等工具提出，投球进行压裂施工，压裂施工完成后桥塞可自行溶解或将其钻除。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种压裂桥塞，其特征在于，包括锥体(1)、上锥体(2)、密封组件、下锥体(6)、卡瓦(7)、锁环(10)和引鞋(11)，其中，所述锥体(1)与所述下锥体(6)相连接且二者均套设于坐封芯轴(16)上，所述上锥体(2)套设于所述锥体(1)上，所述密封组件套设于所述上锥体(2)上，所述卡瓦(7)套设于所述下锥体(6)上且所述卡瓦(7)位于所述密封组件和所述引鞋(11)之间，所述引鞋(11)通过所述锁环(10)与所述下锥体(6)相连接以使所述引鞋(11)能推动所述锁环(10)和所述卡瓦(7)朝向所述上锥体(2)的方向轴向移动；所述上锥体(2)与所述密封组件的配合面为第一斜面(26)，所述第一斜面(26)远离所述下锥体(6)的一端为大端，靠近所述下锥体(6)的一端为小端，并且自所述大端至所述小端所述第一斜面(26)的直径逐渐减小；所述下锥体(6)与所述卡瓦(7)的配合面为第二斜面(22)，所述第二斜面(22)靠近所述上锥体(2)的一端为大端，远离所述上锥体(2)的一端为小端，并且自所述大端至所述小端所述第二斜面(22)的直径逐渐减小；坐封时，所述锥体(1)和所述上锥体(2)与所述引鞋(11)同时相对移动，并对所述密封组件和所述卡瓦(7)进行径向挤压，以使所述卡瓦(7)锚定在套管内壁，所述密封组件紧贴在所述套管内壁形成桥塞与套管之间的密封。
2.根据权利要求1所述的一种压裂桥塞，其特征在于，所述第一斜面(26)与所述第二斜面(22)的倾斜角相等且均为12°～20°。
3.根据权利要求1所述的一种压裂桥塞，其特征在于，所述上锥体(2)与所述下锥体(6)之间设置有补偿间隙(21)，所述补偿间隙(21)的轴向长度为0.5～2mm。
4.根据权利要求1所述的一种压裂桥塞，其特征在于，所述下锥体(6)与所述锁环(10)通过第一单向锁定机构(8)相连接以阻止所述锁环(10)向远离所述密封组件的方向移动，所述锁环(10)与所述引鞋(11)通过第二单向锁定机构(9)相连接以使所述引鞋(11)能推动所述锁环(10)和所述卡瓦(7)朝向所述密封组件的方向移动。
5.根据权利要求1所述的一种压裂桥塞，其特征在于，所述密封组件包括依次设置的胶筒(3)、内背环(4)和外背环(5)，所述胶筒(3)与所述内背环(4)相抵，所述内背环(4)与所述外背环(5)卡接，所述卡瓦(7)与所述外背环(5)和所述引鞋(11)均通过径向限位机构相连接。
6.根据权利要求5所述的一种压裂桥塞，其特征在于，所述径向限位机构包括限位凸起和限位凹槽，所述限位凸起设置于所述卡瓦(7)的两端，所述限位凹槽分别设置于所述外背环(5)和所述引鞋(11)上，所述限位凹槽与所述限位凸起配合连接以限定所述卡瓦(7)与所述引鞋(11)和所述密封组件之间的径向转动。
7.根据权利要求1所述的一种压裂桥塞，其特征在于，所述下锥体(6)与所述卡瓦(7)和所述引鞋(11)通过滑槽机构相连接，所述滑槽机构包括轴向设置于所述引鞋(11)上的引鞋内凹槽(14)、轴向设置于所述卡瓦(7)上的卡瓦内凹槽(15)和设置于所述下锥体(6)端部的卡爪(12)，其中，所述卡爪(12)、所述卡瓦内凹槽(15)和所述引鞋内凹槽(14)依次配合连接以使所述引鞋(11)和所述卡瓦(7)仅能沿所述下锥体(6)的轴向移动。
8.根据权利要求1所述的一种压裂桥塞，其特征在于，所述引鞋(11)远离所述锥体(1)一端的内部设有多个变径内凸起(13)，所述变径内凸起(13)与所述坐封芯轴(16)配合相抵。
9.根据权利要求1所述的一种压裂桥塞，其特征在于，所述锥体(1)与所述下锥体(6)的连接处，以及所述引鞋(11)与所述锁环(10)之间均设置有紧定销钉。
10.根据权利要求1所述的一种压裂桥塞，其特征在于，所述引鞋(11)表面设置有陶瓷齿(27)。
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