CN110617026B - 一种井下作业装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下作业装置及方法。其技术方案是：上接头的外壁连接密封钢套，上椎体密封活塞安装在所述中心管与密封钢套之间的环空，上椎体密封活塞的中下部外侧通过座封剪钉与锁簧套连接，锁簧套内安设锁簧；所述上椎体密封活塞的底部为锥形头，通过锥形头与金属密封工作组合件接触配合，所述金属密封工作组合件的下部与下椎体接触配合，下椎体的内壁通过下椎体复合密封圈与中心管密封。有益效果是：本发明性能可靠，可耐450度以上的高温，由于采用了开口式的层叠结构，也就是采用金属密封工作组合件，克服了现有技术的膨胀幅度小的问题，也克服了现有的橡胶材料或者金属与橡胶材料结合的封隔器存在的问题。

Description

一种井下作业装置及方法

技术领域

本发明涉及一种井下作业装置及方法，特别涉及一种井下作业用金属封隔器及方法。

背景技术

在油气田开发领域，封隔器是实施分层采油、分层注水、分层压裂、酸化或机械卡堵等井下注采工艺的重要元器件，封隔器具体是指具有弹性密封元件，并借此封隔各种尺寸管柱与井眼之间以及管柱之间环形空间，并隔绝产层，以控制产(注)液，保护套管的井下工具。在采油工程中封隔器用来分层，封隔器上设计有采油通道，坐封时，活塞套上行，采油通道被打开;坐封后，上层压力作用在平衡活塞上，向上推胶筒，使解封销钉免受剪切力;解封时，靠胶筒与套管的摩擦力剪断解封销钉，活塞套下行，关闭采油通道。

大部分的封隔器密封筒一般由弹性复合材料制备而成，可分为强制型、自封型和复合型等。强制型中的压缩式封隔器是最为普遍的一种，如Y341、K344、Y211及Y221等型号的封隔器，主要由上下接头、胶筒密封机构、座封机构组成，它的密封工作原理是：封隔器下井到预定位置后，通过上提下放管柱使座封机构的卡瓦咬合在套管内壁上形成支撑，同时在管柱的重力作用下，上接头推动胶筒压缩，使胶筒的直径变大，从而封隔油套环形空间。通过对胶筒的两端挤压使其变形成对油套环形空间的密封，但压力过大时，胶筒的压缩量更大，极易使其损坏。而且封隔器胶筒的使用工况是非常复杂和苛刻的：高压、高温、处于油介质中、同时还受到硫化氢、蒸汽、酸等的侵蚀。在这样的环境中，弹性体复合材料将会发生油溶胀、老化、过度交联等现象，导致材料的硬度上升、强度下降、弹性下降、抗裂口增长能力也明显降低。因此容易在单次使用时就产生早期破坏，导致密封失败。在油气田开发中，油气井的开采深度越来越深，随着油气井深度的增加，封隔器胶筒的工作环境温度、压力也随之增加，化学腐蚀性也越强，因此，就对封隔器的胶筒提出了适应上述恶劣工况的更高要求。

中国专利公开号CN1356452A ，专利名称为《高温热采封隔器》，其公开了一种金属强制密封结构，它性能可靠，可耐450 ℃ 高温，但由于起密封作用的是胀头胀开金属波纹管，使其紧贴套管内壁达到密封作用，而金属波纹管胀开前处于折叠状，其存在的问题是：管壁不可能做的很厚，胀头的直径必须接近被密封的套管内径，故膨胀幅度小，不适合内壁粗糙，尺寸精度差的套管。

中国专利公开号CN103015943A，专利名称为《一种封隔器金属密封机构》，由圆筒、胀头和压力弹簧组成。圆筒内孔的一段呈圆台孔，在圆筒的外圆柱面上，制有两组数量相同、平行于轴线.沿圆周均匀分布的缝隙，一组缝隙从圆筒的圆台孔下底面向上底面延伸；另一组缝隙中的每一条缝隙都分别位于前一组相邻两缝隙的正中，并从距圆筒的圆台孔下底面一定距离起，向圆筒的另一端面延伸。胀头为带中心孔的圆台体。在圆筒的内孔中，设置有压力弹簧。通过胀头与圆筒的楔入式配合，使金属圆筒的外圆柱直径胀大，对油套环空起到牢固、严密的封隔作用。密封机构采用了金属材料，其耐温、耐压和耐腐蚀能力都显著超过普通封隔器上的胶筒密封，特别适合高温、高压油气井。但是其仍然存在的问题是：对圆筒的要求很高，而且圆筒与胀头的配合容易因为出现落物而造成无法卡紧的问题，进而造成无法实现封隔的问题，还有一个问题是膨胀幅度小，难以满足现场要求。

中国专利公开号CN206299367U，专利名称为《一种金属密封封隔器》，包括上接头、保径筒、膨胀管和下接头；所述膨胀管的上下两端分别与上接头和下接头相连接；所述膨胀管由位于中部的厚壁段以及对称设置在厚壁段上下两侧的两个薄壁段组成，厚壁段与薄壁段为一体式结构，厚壁段的壁厚大于薄壁段壁厚；所述保径筒共有两个，分别滑动安装在所述膨胀管的两个薄壁段；所述膨胀管的厚壁段上还设置有辅助橡胶密封圈。该金属密封封隔器以金属膨胀密封为主、橡胶密封为辅，密封段膨胀率高，管柱入井风险小，坐封后耐压差能力强、密封时间长，抗高温性能好，适用范围广，能够减小作业成本，降低作业风险。但是其存在的问题是：由于采用金属结合橡胶进行密封，所以，仍然没有彻底解决橡胶密封存在的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种井下作业用金属封隔器及方法，不仅解决了耐高温、耐腐蚀和耐压的问题，而且避免了出现落物而无法卡紧的问题。

本发明提到的一种井下作业用金属封隔器，其技术方案是：包括上接头（1）、密封钢圈（2）、密封钢套（3）、复合式双向密封圈（4）、上椎体密封活塞（5）、锁簧套（6）、锁簧（7）、上椎体复合密封圈（8）、金属密封工作组合件（9）、下椎体（10）、下椎体复合密封圈（11）、解封剪钉（12）、防松钉（13）、下接头（14）、中心管（15）、座封剪钉（16），所述中心管（15）的上端与上接头（1）连接，上接头（1）的外壁连接密封钢套（3），上椎体密封活塞（5）安装在所述中心管（15）与密封钢套（3）之间的环空，上椎体密封活塞（5）的中下部外侧通过座封剪钉（16）与锁簧套（6）连接，锁簧套（6）内安设锁簧（7）；所述上椎体密封活塞（5）的底部为锥形头，通过锥形头与金属密封工作组合件（9）接触配合，所述金属密封工作组合件（9）的下部与下椎体（10）接触配合，下椎体（10）的内壁通过下椎体复合密封圈（11）与中心管（15）密封，且在下椎体（10）的外壁设有解封剪钉（12）和防松钉（13），下椎体（10）通过防松钉（13）和螺纹与下接头（14）连接，通过解封剪钉（12）与中心管（15）连接。

优选的，上述金属密封工作组合件（9）包括三组或三组以上的开口密封工作环，在开口密封工作环的一侧设有凸起，另一侧设有凹槽，从而实现同步移动。

优选的，上述金属密封工作组合件（9）包括九组金属制成的开口密封工作环，其中，第一组开口密封工作环的外壁截面为锥形结构，在第一组开口密封工作环的下侧设有第一连接凸起，第二组开口密封工作环的外壁截面为直角梯形，且直角梯形的上表面设有第二连接凹槽，与第一组开口密封工作环的连接凸起配合，直角梯形的下表面设有第二连接凸起，第三组开口密封工作环的外壁截面为带缺角的环形结构，且上表面设第三连接凹槽，下表面设有第三连接凸起；

第四开口密封工作环、第五开口密封工作环、第六开口密封工作环分别采用标准圆环；

第七开口密封工作环与第三开口密封工作环的结构相同，安装方向相反；第八开口密封工作环与第二开口密封工作环的结构相同，安装方向相反；第九开口密封工作环与第一开口密封工作环的结构相同，安装方向相反。

优选的，上述第三组开口密封工作环、第四开口密封工作环、第五开口密封工作环、第六开口密封工作环和第第七开口密封工作环的内径相同；第二组开口密封工作环和第八开口密封工作环的内径相同，且大于第四开口密封工作环的内径；所述第一组开口密封工作环与第九开口密封工作环的内径相同，且大于第二组开口密封工作环的内径。

优选的，九组开口密封工作环采用金属环制成。

优选的，上述锁簧套（6）的上端与密封钢套（3）连接，且锁簧套（6）内的锁簧（7）设有马牙台阶，通过马牙台阶与上椎体密封活塞（5）外壁的马牙纹配合，使上椎体密封活塞（5）固定在相应位置。

优选的，上述中心管（15）与下椎体（10）之间设有解封剪钉（12），下接头（14）与下椎体（10）之间设有防松钉（13），且所述中心管（15）与下接头（14）之间设计为反扣，通过旋转中心管（15），将解封剪钉（12）剪断，同时由于下接头（14）设有防松钉（13），实现中心管（15）的旋转，进而使金属密封工作组合件（9）收缩，锁簧（7）回位，上椎体密封活塞（5）向上移动，最终金属密封工作组合件（9）缩回原位。

优选的，上述防松钉（13）的剪切力大于解封剪钉（12）的剪切力。

优选的，上述下椎体（10）的锥度小于上椎体密封活塞（5）底部的下椎头的锥度。

所述下椎体（10）的底部内壁设有梯形反扣，通过梯形反扣与中心管（15）的外壁连接，正转中心管时，解封剪钉（12）被剪断，下椎体（10）被带动旋转，由于下椎体（10）与下接头之间安设有防松钉（13），下椎体（10）和下接头同步旋转并向下移动，金属密封工作组合件（9）进而回缩。

本发明提到的一种井下作业用金属封隔器的使用方法，其特征是包括以下步骤：

一、组装井下作业用金属封隔器，将中心管（15）安装在上、下接头之间，并在上接头（1）外螺纹连接密封钢套（3），在密封钢套（3）内安装上椎体密封活塞（5），并通过座封剪钉（16）连接在密封钢套（3）底部的锁簧套（6）上；在中心管（15）的中部设有金属密封工作组合件（9），上侧与上椎体密封活塞（5）配合，下侧与下椎体（10）配合，完成后下入井下的待封隔位置；

二、座封时，通过井口装置打压，高压液体通过进液孔（17）进入密封钢套（3）与中心管（15）之间的环空，推动上椎体密封活塞（5）将解封剪钉（12）剪断，并向下移动，由于下椎体（10）的锥度小于上椎体密封活塞（5）底部的下椎头的锥度，所以推动金属密封工作组合件（9）向外移动并与套管壁紧密贴合，此时，由于上椎体密封活塞（5）的外壁设有马牙纹，与锁簧（7）的马牙台阶配合锁定位置，实现封隔；

三、解封时，通过井口装置旋转，由于防松钉（13）的剪切力大于解封剪钉（12）的剪切力，解封剪钉（12）被剪断，中心管（15）实现旋转，由于下椎体（10）与下接头之间安设有防松钉（13），下椎体（10）和下接头同步旋转并向下移动，从而使金属密封工作组合件（9）松动下移，进而使金属密封工作组合件（9）收缩，这样，金属密封工作组合件（9）缩回原位，实现装置的解封上提。

本发明的有益效果是：本发明性能可靠，可耐450度以上的高温，由于采用了开口式的层叠结构，也就是采用金属密封工作组合件，克服了现有技术的膨胀幅度小的问题，也克服了现有的橡胶材料或者金属与橡胶材料结合的封隔器存在的问题，通过上椎体密封活塞的下移，推动金属密封工作组合件外移，直到与套管壁贴合紧密，再通过锁簧锁定位置实现封隔；解封时，通过中心管的旋转，带动下椎体和下接头下移，使金属密封工作组合件松动回位，直至完全缩回，从而将整个金属封隔器上提至井口位置；

另外，由于金属密封工作组合件中的开口密封工作环设计的结构新颖和巧妙，可以实现多组开口密封工作环的同时外扩或收缩，而且开口密封工作环的内径不同，实现了与外扩和收缩的完美配合，其座封时，完全实现密封，解封时可完全收回从而实现了全金属封隔，满足了石油开采中的深井和稠油井的要求；而且避免了现有技术出现落物而无法卡紧的问题；

本发明通过采用全金属制成的金属密封工作组合件和上椎体复合密封圈8和下椎体复合密封圈11及密封钢圈2，整个装置全部采用金属部件，可以克服现有的橡胶封隔器的缺陷，当然，在耐高温和压力方面，也优于橡胶与金属结合的封隔器。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是本发明实现封隔时的结构示意图；

附图3是金属密封工作组合件的局部散开示意图；

上图中：上接头1、密封钢圈2、密封钢套3、复合式双向密封圈4、上椎体密封活塞5、锁簧套6、锁簧7、上椎体复合密封圈8、金属密封工作组合件9、下椎体10、下椎体复合密封圈11、解封剪钉12、防松钉13、下接头14、中心管15、座封剪钉16、进液孔17。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本发明提到的一种井下作业用金属封隔器，其技术方案是：包括上接头1、密封钢圈2、密封钢套3、复合式双向密封圈4、上椎体密封活塞5、锁簧套6、锁簧7、上椎体复合密封圈8、金属密封工作组合件9、下椎体10、下椎体复合密封圈11、解封剪钉12、防松钉13、下接头14、中心管15、座封剪钉16，所述中心管15的上端与上接头1连接，上接头1的外壁连接密封钢套3，上椎体密封活塞5安装在所述中心管15与密封钢套3之间的环空，上椎体密封活塞5的中下部外侧通过座封剪钉16与锁簧套6连接，锁簧套6内安设锁簧7；所述上椎体密封活塞5的底部为锥形头，通过锥形头与金属密封工作组合件9接触配合，所述金属密封工作组合件9的下部与下椎体10接触配合，下椎体10的内壁通过下椎体复合密封圈11与中心管15密封，且在下椎体10的外壁设有解封剪钉12和防松钉13，下椎体10通过防松钉13和螺纹与下接头14连接，通过解封剪钉12与中心管15连接。

参照附图1和2，本发明的金属密封工作组合件9包括九组开口密封工作环，采用金属材质制成，比如不锈钢或者合金材料制成，其中，第一组开口密封工作环的外壁截面为锥形结构，在第一组开口密封工作环的下侧设有第一连接凸起，第二组开口密封工作环的外壁截面为直角梯形，且直角梯形的上表面设有第二连接凹槽，与第一组开口密封工作环的连接凸起配合，直角梯形的下表面设有第二连接凸起，第三组开口密封工作环的外壁截面为带缺角的环形结构，且上表面设第三连接凹槽，下表面设有第三连接凸起；第四开口密封工作环、第五开口密封工作环、第六开口密封工作环分别采用标准圆环；第七开口密封工作环与第三开口密封工作环的结构相同，安装方向相反；第八开口密封工作环与第二开口密封工作环的结构相同，安装方向相反；第九开口密封工作环与第一开口密封工作环的结构相同，安装方向相反。

其中，第三组开口密封工作环、第四开口密封工作环、第五开口密封工作环、第六开口密封工作环和第第七开口密封工作环的内径相同；第二组开口密封工作环和第八开口密封工作环的内径相同，且大于第四开口密封工作环的内径；所述第一组开口密封工作环与第九开口密封工作环的内径相同，且大于第二组开口密封工作环的内径，这样使九组开口密封工作环可以组成一个整体结构，内部形成一个截面为斜面的形状与上下椎体配合，外侧形成圆形结构与套管接触形成密封和封隔功能。

锁簧套6的上端与密封钢套3连接，且锁簧套6内的锁簧7设有马牙台阶，通过马牙台阶与上椎体密封活塞5外壁的马牙纹配合，使上椎体密封活塞5固定在相应位置。

中心管15与下椎体10之间设有解封剪钉12，下接头14与下椎体10之间设有防松钉13，且所述中心管15与下接头14之间设计为反扣，通过旋转中心管15，将解封剪钉12剪断，同时由于下接头14设有防松钉13，实现中心管15的旋转，进而使金属密封工作组合件9收缩，锁簧7回位，上椎体密封活塞5向上移动，最终金属密封工作组合件9缩回原位。

上述防松钉13的剪切力大于解封剪钉12的剪切力；优选的，上述下椎体10的锥度小于上椎体密封活塞5底部的下椎头的锥度。

上述下椎体10的底部内壁设有梯形反扣，通过梯形反扣与中心管15的外壁连接，正转中心管时，解封剪钉12被剪断，下椎体10被带动旋转（而且，下椎体和下接头的重力作用，使其旋转和下移更容易实现），由于下椎体10与下接头之间安设有防松钉13，下椎体10和下接头同步旋转并向下移动，金属密封工作组合件9进而回缩。

本发明提到的一种井下作业用金属封隔器的使用方法，包括以下步骤：

一、组装井下作业用金属封隔器，将中心管15安装在上、下接头之间，并在上接头1外螺纹连接密封钢套3，在密封钢套3内安装上椎体密封活塞5，并通过座封剪钉16连接在密封钢套3底部的锁簧套6上；在中心管15的中部设有金属密封工作组合件9，上侧与上椎体密封活塞5配合，下侧与下椎体10配合，完成后下入井下的待封隔位置；

二、座封时，通过井口装置打压，由于井下作业用金属封隔器的底部设有盲堵（图中未示出，为现有常规技术），高压液体通过进液孔17进入密封钢套3与中心管15之间的环空，推动上椎体密封活塞5将解封剪钉12剪断，并向下移动，由于下椎体10的锥度小于上椎体密封活塞5底部的下椎头的锥度，所以推动金属密封工作组合件9向外移动并与套管壁紧密贴合，此时，由于上椎体密封活塞5的外壁设有马牙纹，与锁簧7的马牙台阶配合锁定位置，实现封隔；

三、解封时，通过井口装置旋转，由于防松钉13的剪切力大于解封剪钉12的剪切力，解封剪钉12被剪断，中心管15实现旋转，由于下椎体10与下接头之间安设有防松钉13，下椎体10和下接头同步旋转并向下移动，从而使金属密封工作组合件9松动下移，进而使金属密封工作组合件9收缩，这样，金属密封工作组合件9缩回原位，实现装置的解封上提。

另外，上椎体复合密封圈8和下椎体复合密封圈11的结构如下：包括一组左金属环和二组右金属环，左金属环夹在右金属环的中间，且所述左金属环与上、下椎体连接固定，右金属环与中心管连接固定，实现机械密封，避免采用橡胶密封存在的使用寿命较短的问题。

本发明通过采用全金属制成的金属密封工作组合件和上椎体复合密封圈8和下椎体复合密封圈11及密封钢圈2，整个装置全部采用金属部件，可以克服现有的橡胶封隔器的缺陷，当然，在耐高温和压力方面，也优于橡胶与金属结合的封隔器。

实施例2，本发明提到的一种井下作业用金属封隔器，与实施例1不同之处是本发明采用的金属密封工作组合件9包括七组开口密封工作环，两侧的三组与实施例1相同，中间采用一组金属密封工作组合件9，而且中间的金属密封工作组合件9的长度大于其他开口密封工作环，也同样的解决了实施例1中提到的问题，通过采用全金属制成的金属密封工作组合件，可以克服现有的橡胶封隔器的缺陷，当然，在耐高温和压力方面，也优于橡胶与金属结合的封隔器；

实施例3，本发明提到的一种井下作业用金属封隔器，与实施例1不同之处是本发明采用的金属密封工作组合件9包括五组开口密封工作环，两侧的二组与实施例1相同，中间采用一组金属密封工作组合件9，而且中间的金属密封工作组合件9的长度大于其他开口密封工作环，也同样的解决了实施例1中提到的问题。

另外，在锁簧7一侧的中心管外壁，可以安设有一个纵向的凸条，用于解封时，中心管旋转推动锁簧7回位，更有利于上椎体密封活塞5回位，使上半部分的金属密封工作组合件9更容易回位，从而快速回收整个井下作业用金属封隔器。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种井下作业装置，其特征是：包括上接头（1）、密封钢圈（2）、密封钢套（3）、复合式双向密封圈（4）、上椎体密封活塞（5）、锁簧套（6）、锁簧（7）、上椎体复合密封圈（8）、金属密封工作组合件（9）、下椎体（10）、下椎体复合密封圈（11）、解封剪钉（12）、防松钉（13）、下接头（14）、中心管（15）、座封剪钉（16），所述中心管（15）的上端与上接头（1）连接，上接头（1）的外壁连接密封钢套（3），上椎体密封活塞（5）安装在所述中心管（15）与密封钢套（3）之间的环空，上椎体密封活塞（5）的中下部外侧通过座封剪钉（16）与锁簧套（6）连接，锁簧套（6）内安设锁簧（7）；所述上椎体密封活塞（5）的底部为锥形头，通过锥形头与金属密封工作组合件（9）接触配合，所述金属密封工作组合件（9）的下部与下椎体（10）接触配合，下椎体（10）的内壁通过下椎体复合密封圈（11）与中心管（15）密封，且在下椎体（10）的外壁设有解封剪钉（12）和防松钉（13），下椎体（10）通过防松钉（13）和螺纹与下接头（14）连接，通过解封剪钉（12）与中心管（15）连接；

所述金属密封工作组合件（9）包括五组开口密封工作环，中间采用一组金属密封工作组合件（9），而且中间的金属密封工作组合件（9）的长度大于其他开口密封工作环；

另外，在锁簧（7）一侧的中心管外壁，安设有一个纵向的凸条，用于解封时，中心管旋转推动锁簧（7）回位，有利于上椎体密封活塞（5）回位，使上半部分的金属密封工作组合件（9）容易回位，从而快速回收整个井下作业装置。

2.根据权利要求1所述的井下作业装置，其特征是：所述锁簧套（6）的上端与密封钢套（3）连接，且锁簧套（6）内的锁簧（7）设有马牙台阶，通过马牙台阶与上椎体密封活塞（5）外壁的马牙纹配合，使上椎体密封活塞（5）固定在相应位置。

3.根据权利要求1所述的井下作业装置，其特征是：所述中心管（15）与下椎体（10）之间设有解封剪钉（12），下接头（14）与下椎体（10）之间设有防松钉（13），且所述中心管（15）与下接头（14）之间设计为反扣，通过旋转中心管（15），将解封剪钉（12）剪断，同时由于下接头（14）设有防松钉（13），实现中心管（15）的旋转，进而使金属密封工作组合件（9）收缩，锁簧（7）回位，上椎体密封活塞（5）向上移动，最终金属密封工作组合件（9）缩回原位。

4.根据权利要求3所述的井下作业装置，其特征是：所述防松钉（13）的剪切力大于解封剪钉（12）的剪切力。

5.根据权利要求1所述的井下作业装置，其特征是：所述下椎体（10）的锥度小于上椎体密封活塞（5）底部的锥形头的锥度。

6.根据权利要求1所述的井下作业装置，其特征是：所述下椎体（10）的底部内壁设有梯形反扣，通过梯形反扣与中心管（15）的外壁连接，正转中心管时，解封剪钉（12）被剪断，下椎体（10）被带动旋转，由于下椎体（10）与下接头之间安设有防松钉（13），下椎体（10）和下接头同步旋转并向下移动，金属密封工作组合件（9）进而回缩。

Images