CN110118071A - 一种热采井分层段封隔装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热采井分层段封隔装置及方法，封隔装置包括中心管，中心管上端连接上接头，中心管下端连接下接头；所述中心管外壁紧套有耐高温密封材料内密封筒，在耐高温密封材料内密封筒外部套有耐高温密封材料外密封筒，所述耐高温密封材料内密封筒外壁还套设椭圆形金属密封圈，所述耐高温密封材料内密封筒与耐高温密封材料外密封筒之间形成环空，所述椭圆形金属密封圈整体位于上述环空内；所述椭圆形金属密封圈具有一个封闭的内腔，所述中心管开设径向孔，径向孔中安装进汽单流阀。本发明中金属密封圈钢体外径相对小，具有多道密封结构，并且对密封面不需要特别光滑和特殊长度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及石油工程用封隔装置，具体地说是一种热采井分层段封隔装置及方法。
背景技术
在油田开发过程中，通常需要使用一趟管柱实现多次座封、多次解封。而封隔器是实现座封和解封最常用的工具，通常，封隔器按结构可分为：自封式、压缩式、楔入式、扩张式、组合式等；按座封原理可分为：提放管柱式、转动管柱式、自封式、热力膨胀式等。如专利104120996A所述。
针对于稠油热采开发，高温注汽封隔器主要应用与稠油井分层段注汽的分隔。稠油井进行采油作业时，需要向井内注入蒸汽来加热原油以提高原油的流动性。为了防止在注汽过程中其他层对油层的渗透干扰，注汽作业前需要将高温注汽封隔器放置到生产井内，高温注汽封隔器将生产井的某段油层与其他层进行隔离后，开始注汽作业。常用的高温注汽封隔器使用时需要对注汽井进行坐封，目前所描述的座封方式有两种。一种如专利105804689A等所述是靠液压挤压可弹性变形的密封材料做成的胶筒进行座封，胶筒套设在管状件上，胶筒随管状件下放置井下需封堵的位置。通过挤压部件对胶筒的两端施压，坐封胶筒受到液压缸的压缩而产生径向变形进而挤压井壁，完成坐封，从而实现密封和分隔的目的。
另一种如专利105672939A，201120408893.5等所述是靠可膨胀的密封材料做成的胶筒进行座封，分为化学方式进行自膨胀或者是采用可受热自膨胀的密封材料制成的胶筒进行密封。其中专利105672939A是通过蒸汽对坐封缸内的反应物进行加热，反应物受热膨胀，进而驱动坐封缸压缩坐封胶筒产生变形来实现的。而专利201120408893.5是靠自膨胀密封材料受热膨胀后，坐封胶筒与井壁密封接触后密封井筒内表面。
目前石油开发中，采用不管是采用挤压方式还是自膨胀密封材料进行密封，封隔器挤压钢体比较粗，以7in完井套管为例，其内径为159mm，而密封封隔器钢体外径达到150mm，下人和上提过程中容易遇阻，而无法实现有效密封。同时，由于密封材料价格和密封结构布置，密封段短，同时要求套管内部管壁清洁，并且不能有接箍。因此经常造成密封部件不完善，在注汽过程中容易发生蒸汽漏失，造成井下注汽管柱分隔效果不好、影响热采注汽效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热采井分层段封隔装置及方法，钢体外径相对小，具有多道密封结构，并且对密封面不需要特别光滑和特殊长度的要求。
为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种热采井分层段封隔装置，包括中心管，中心管上端连接上接头，中心管下端连接下接头；所述中心管外壁紧套有耐高温密封材料内密封筒，在耐高温密封材料内密封筒外部套有耐高温密封材料外密封筒，所述耐高温密封材料内密封筒外壁还套设椭圆形金属密封圈，所述耐高温密封材料内密封筒与耐高温密封材料外密封筒之间形成环空，所述椭圆形金属密封圈整体位于上述环空内；所述椭圆形金属密封圈具有一个封闭的内腔，所述中心管开设径向孔，径向孔中安装进汽单流阀，所述进汽单流阀内端通往中心管内腔，进汽单流阀外端通往椭圆形金属密封圈的内腔。
所述耐高温密封材料内密封筒上端边缘和耐高温密封材料外密封筒上端边缘同时被一个耐温金属上肩护环锁口固定在中心管外壁；所述耐高温密封材料内密封筒下端边缘和耐高温密封材料外密封筒下端边缘同时被一个耐温金属下肩护环锁口固定在中心管外壁。
所述椭圆形金属密封圈为单椭圆形金属密封圈和/或螺旋椭圆形金属密封圈，单椭圆形金属密封圈至少设置两个，每一个单椭圆形金属密封圈或螺旋椭圆形金属密封圈都各自形成一个独立的膨胀密封单元。
所述椭圆形金属密封圈整体呈椭圆形的螺旋状，构成螺旋椭圆形金属密封圈。
所述进汽单流阀包括阀体、弹簧、钢球，所述阀体内部设置弹簧，所述弹簧右端顶在阀体内部开设的弹簧支撑座上，弹簧左端顶住钢球，所述钢球左端封堵在阀体内部安装的密封上封头的右端口处，所述阀体左端为进汽口，连通中心管内腔，阀体右端为出汽口，连通椭圆形金属密封圈内腔。
所述耐温金属上肩护环、耐温金属下肩护环是保护并固定密封筒的上下金属护环，所述耐温金属上肩护环、耐温金属下肩护环材质为耐高温软性金属密封材料；所述耐高温密封材料内密封筒和耐高温密封材料外密封筒材质为耐高温的柔性非金属。
所述耐温金属上肩护环、耐温金属下肩护环材质为红铜；所述耐高温密封材料内密封筒和耐高温密封材料外密封筒材质为聚四氟乙烯。
为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种热采井分层段封隔装置的封隔方法，在注入蒸汽情况下，蒸汽由中心管进入进汽单流阀，然后再进入椭圆形金属密封圈提供膨胀压力，椭圆形金属密封圈分为内层、外层，内层、外层采用不同金属材料，受热后两种材料的膨胀比率不一定，外层靠近密封面的材料膨胀大于侧面膨胀率，椭圆形金属密封圈由初始状态的椭圆形近似膨胀成圆形，并挤压耐高温密封材料外密封筒，从而密封住套管与注汽管柱的通道。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明提供的热采井注汽分段封隔装置及方法与传统封隔工艺相比，采用椭圆形金属密封圈及非金属的耐高温密封填料的组合密封方式，实现了注汽管柱与套管或精密滤砂管盲管段的有效封隔；
(2)本发明提供的热采井注汽分段封隔装置及方法与传统封隔工艺相比，采用椭圆形金属密封圈及非金属的耐高温密封填料的组合密封方式，是一种柔性的密封方式，注汽过程中，密封力大并且能够在不是长光滑面下的形成多道有效的密封面，是一种新型的密封思路。
(3)本发明提供的热采井注汽分段封隔装置及方法与传统封隔工艺相比，注汽过程中，密封力大并且能够提供多道有效的密封，注汽后，温度及压力降低金属密封圈会发生一定回弹变形，保证了有效的解封，避免常规注汽封隔注汽后发生变形或者砂卡无法解封的难题。
附图说明
图1为本发明的一种多通道并联式注汽膨胀式注汽封隔装置结构示意图；
图2为本发明的另一种多通道组合式注汽膨胀式注汽封隔器装置结构示意图；
图3为进汽单流阀的结构示意图；
图4为圆形金属密封圈结构示意图；
图5为螺旋椭圆形金属密封圈结构示意图。
图中：1.上接头；2.耐温金属上肩护环；3.耐高温密封材料内密封筒；4.耐高温密封材料外密封筒；5.单椭圆形金属密封圈；6.中心管；7.进汽单流阀；8.耐温金属下肩护环；9.下接头；
31.上接头；32.耐温金属上肩护环；33.耐高温密封材料内密封筒；34.耐高温密封材料外密封筒；35.螺旋椭圆形金属密封圈；36.中心管；37.进汽单流阀；38.单椭圆形金属密封圈39.耐温金属下肩护环；40.下接头；
81.进汽口；82.高温密封圈；83.密封上封头；84.钢球；85.弹簧；86.弹簧支撑座；87.出汽口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实例1：本发明提供一种技术方案：参照图1、图3、图4，多通道并联式注汽膨胀式注汽封隔装置，上接头1连接上游注汽管柱，保证注入的蒸汽从此端进入封隔器，上接头1连接中心管6，而中心管6连接着下接头9，给注入的蒸汽提供一个畅通的通道并支撑保护外部的耐高温密封材料内密封筒3和耐高温密封材料外密封筒4，并通过耐温金属上肩护环2和耐温金属下肩护环8密封并压紧密封筒的两端，防止蒸汽窜流。这里的防止蒸汽窜流是指，防止此封隔装置外边与套管内环线空间不密封导致的蒸汽窜流。不是此封隔器内部的蒸汽窜流。密封筒环空与中心孔开有小孔，保证注汽过程中，从封隔器内部流过的高压蒸汽，能够通过小孔流入图4，图5所示的密封圈内，流入的高压蒸汽有两个作用，第一是注入的压力能够促使密封圈膨胀，另一个方面注入的蒸汽温度高，进一步促使双金属材料的密封圈发生膨胀，恢复到最初设计的圆形结构，从而形成完整的圆形密封面，从而进行密封环空空间。同时，该装置好处是不注汽后，压力降低，温度降低，密封圈又变回椭圆形，可以轻松解封。
在耐高温密封材料密封筒内外壁空间内安装固定有多个并列的单椭圆形金属密封圈5，每一个都形成一个独立的密封单元，它是本专利的核心部件，主要起到膨胀密封功能，同时针对每道可膨胀的单椭圆形金属密封圈5都安有与之联通的进汽单流阀7，保证注汽过程中高温高压蒸汽能够进入但是不能返回。
进汽单流阀包括阀体、弹簧85、钢球84，所述阀体内部设置弹簧，所述弹簧右端顶在阀体内部开设的弹簧支撑座86上，弹簧左端顶住钢球，所述钢球左端封堵在阀体内部安装的密封上封头83的右端口处，所述阀体左端为进汽口81，连通中心管内腔，阀体右端为出汽口87，连通单椭圆形金属密封圈内腔。
实例2：本发明提供一种技术方案：参照图2、图3、图5，多通道并联式注汽膨胀式注汽封隔装置，上接头31连接上游注汽管柱，保证注入的蒸汽从此端进入封隔器，上接头31连接中心管36，而中心管36连接着下接头40，给注入的蒸汽提供一个畅通的通道并支撑保护外部的耐高温密封材料密封筒内壁33和耐高温密封材料外密封筒34，并通过耐温金属上肩护环32和耐温金属下肩护环39密封并压紧密封筒的两端，防止蒸汽窜流。在耐高温密封材料密封筒内外壁空间内安装固定有螺旋椭圆形金属密封圈35和椭圆形金属密封圈38，它是本专利的核心部件，主要起到膨胀密封功能，同时针对每道可膨胀的单椭圆形金属密封圈38和螺旋椭圆形金属密封圈35都安有与之联通的进汽单流阀37，保证注汽过程中高温高压蒸汽能够进入但是不能返回。
进汽单流阀包括阀体、弹簧85、钢球84，所述阀体内部设置弹簧，所述弹簧右端顶在阀体内部开设的弹簧支撑座86上，弹簧左端顶住钢球，所述钢球左端封堵在阀体内部安装的密封上封头83的右端口处，所述阀体左端为进汽口81，连通中心管内腔，阀体右端为出汽口87，连通单椭圆形金属密封圈38或螺旋椭圆形金属密封圈35内腔。
上接头、下接头为连接注汽管柱的上下连接接头部分。所述耐温金属上下肩护环，是保护并固定密封筒的上下金属护环，一般采用红铜等耐高温等软性金属密封材料制成，比如红铜。
所述耐高温密封材料制成的密封筒，是采用耐高温的柔性非金属材料制成的同轴的圆形密封筒，材料性质具有耐高温并且具有一定的膨胀性能，主要保护内部的可膨胀的椭圆形金属密封圈，并提供在非光滑面密封填充的作用。
具有受压膨胀性能的并排设置的单椭圆形金属密封圈或者螺旋椭圆形金属密封圈，是一种非常规的密封方式，主要通过其初始状态下椭圆形的结构，在注入蒸汽情况下，因为其本身采用双金属材料，受热后两种材料的膨胀比率不一定，外层靠近密封面的材料膨胀大于侧面膨胀率，同时采用椭圆形结构，在结合注入的蒸汽压力，协同作用发生膨胀，由初始状态的椭圆形近似膨胀成圆形，并挤压外层耐高温密封材料制成的密封筒密封套管与注汽管柱的通道，也可以作为套管外与地层的密封。椭圆形金属密封圈是双金属材料制成，外层采用Mn72cu18Ni10主动层，内层采用Ni36的被动层构成，如采用佛山精密电工合金公司的FPA258-60),具体结构在下图，只不过是椭圆形结构。热双金属是由两种不同膨胀系数的金属或合金沿整个接触面牢固复合在一起组成的，具有随温度变化而发生形状变化的复合功能材料。受热后，外层金属受热发生弯曲导致整体结构从椭圆形伸展变形成圆形结构。
中心管是提供蒸汽流动通道并支撑密封筒的注汽中心管，同时在中心管内开孔并留有按照进汽单流阀的通道。
进汽单流阀是保证注汽过程中，高压蒸汽通过单流阀进入椭圆形金属密封圈提供膨胀压力进行膨胀座封。当压力降低的时候，也不泄压，保证密封的长效性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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，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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种热采井分层段封隔装置，包括中心管，中心管上端连接上接头，中心管下端连接下接头；其特征在于，所述中心管外壁紧套有耐高温密封材料内密封筒，在耐高温密封材料内密封筒外部套有耐高温密封材料外密封筒，所述耐高温密封材料内密封筒外壁还套设椭圆形金属密封圈，所述耐高温密封材料内密封筒与耐高温密封材料外密封筒之间形成环空，所述椭圆形金属密封圈整体位于上述环空内；所述椭圆形金属密封圈具有一个封闭的内腔，所述中心管开设径向孔，径向孔中安装进汽单流阀，所述进汽单流阀内端通往中心管内腔，进汽单流阀外端通往椭圆形金属密封圈的内腔。
2.根据权利要求1所述的一种热采井分层段封隔装置，其特征在于，所述耐高温密封材料内密封筒上端边缘和耐高温密封材料外密封筒上端边缘同时被一个耐温金属上肩护环锁口固定在中心管外壁；所述耐高温密封材料内密封筒下端边缘和耐高温密封材料外密封筒下端边缘同时被一个耐温金属下肩护环锁口固定在中心管外壁。
3.根据权利要求1或2所述的一种热采井分层段封隔装置，其特征在于，所述椭圆形金属密封圈为单椭圆形金属密封圈和/或螺旋椭圆形金属密封圈，单椭圆形金属密封圈至少设置两个，每一个单椭圆形金属密封圈或螺旋椭圆形金属密封圈都各自形成一个独立的膨胀密封单元。
4.根据权利要求3所述的一种热采井分层段封隔装置，其特征在于，所述椭圆形金属密封圈整体呈椭圆形的螺旋状，构成螺旋椭圆形金属密封圈。
5.根据权利要求1或2所述的一种热采井分层段封隔装置，其特征在于，所述进汽单流阀包括阀体、弹簧、钢球，所述阀体内部设置弹簧，所述弹簧右端顶在阀体内部开设的弹簧支撑座上，弹簧左端顶住钢球，所述钢球左端封堵在阀体内部安装的密封上封头的右端口处，所述阀体左端为进汽口，连通中心管内腔，阀体右端为出汽口，连通椭圆形金属密封圈内腔。
6.根据权利要求1或2所述的一种热采井分层段封隔装置，其特征在于，所述耐温金属上肩护环、耐温金属下肩护环是保护并固定密封筒的上下金属护环，所述耐温金属上肩护环、耐温金属下肩护环材质为耐高温软性金属密封材料；所述耐高温密封材料内密封筒和耐高温密封材料外密封筒材质为耐高温的柔性非金属。
7.根据权利要求6所述的一种热采井分层段封隔装置，其特征在于，所述耐温金属上肩护环、耐温金属下肩护环材质为红铜；所述耐高温密封材料内密封筒和耐高温密封材料外密封筒材质为聚四氟乙烯。
8.一种热采井分层段封隔装置的封隔方法，其特征在于，在注入蒸汽情况下，蒸汽由中心管进入进汽单流阀，然后再进入椭圆形金属密封圈提供膨胀压力，椭圆形金属密封圈分为内层、外层，内层、外层采用不同金属材料，椭圆形金属密封圈由初始状态的椭圆形近似膨胀成圆形，并挤压耐高温密封材料外密封筒，从而密封住套管与注汽管柱的通道。
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