CN110792409A - 一种分时自膨胀囊袋式封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分时自膨胀囊袋式封隔器，包括套管，套管包括上套管和下套管，上套管套设在中心链接管顶端，下套管套设在中心链接管底端，中心链接管上端套设固定有卡簧，中心链接管下端套设固定有固定台阶，中心链接管上位于卡簧和固定台阶之间自下而上依次套设有下遇水自膨胀橡胶筒、弹性囊袋、上遇水自膨胀橡胶筒和活动台阶，弹性囊袋侧部设置有多个透水孔,弹性囊袋内设置有遇水膨胀材料。通过上遇水自膨胀橡胶筒和下遇水自膨胀橡胶筒一次膨胀架桥，弹性囊袋内遇水膨胀材料在架桥的有限空间内二次高倍率膨胀，紧密贴合孔壁，封隔止水效果得到较大提高,耐久性好。

Description

一种分时自膨胀囊袋式封隔器

技术领域

本发明属于井下封隔工具技术领域，具体涉及一种分时自膨胀囊袋式封隔器, 适用于水文地质钻孔。

背景技术

水文地质钻探可揭示地下水系统的赋存特性、运动规律和分布状况，了解含水层的岩性、厚度、水量、水质等情况。规范要求在多个含水层地区宜通过钻孔分别进行控制，并有条件开展地下水分层监测。此外，为获得不同深度、不同层位含水层空间异质性特征，有效解决分层抽水及地下水分层取样的困难，分层止水封隔是有待改进提升的关键技术之一。

传统分层止水一般采用异径分台阶止水，同一钻孔仅能做2-3层，且操作难度大、扩孔费用高、止水效果差，无法获得准确的分层水文地质参数及化学参数。

止水工艺按工作原理及技术发展水平，大致分为如下七类，阐述如下：海带止水、黏土球止水、膨润土止水环、水泥注浆封隔止水、高分子发泡材料封孔止水、囊袋式封堵止水和自膨胀式封隔器。

1、海带止水，为我国早期采用的钻探止水工艺。在钻孔变径处实施，通常采用海带、胶条等作为遇水膨胀材料，并用铅丝缠绑后下入止水层段进行封闭止水工作。临时止水具有一定效果，成本低。但承压型差，止水效果不稳定，易存在缠绕在套管上的海带或胶条与井壁管摩擦挂断，导致膨胀材料移位变形，造成止水失效。膨胀率在5倍以下。

2、黏土球止水，为传统钻探止水工艺之一。在钻孔花管外侧围填砾料，在隔水层封隔器部位人工分层投放黏土球，黏土球直径优选20-30 mm，采用井中自然伽马物探方法并结合视电阻率来识别黏土球投放的止水厚度，保证投放至指定位置。但该工艺在细颗粒地层或钻探结构不稳定地层进行分层成井极易出现钻孔事故，影响分层成井质量。同时，黏土球水化时间短，不适合大深度水文地质孔分层成井。此外，尽管黏土球成本低、工艺材料简单易得，分层投放止水过程却耗时耗力，施工操作时间过长易引发钻孔事故，止水效果不稳定，有待改进。

3、膨润土止水环。为解决黏土球止水工艺分层投放耗时耗力，进一步精准投放位置，开发了膨润土止水环工艺。材质优选吸水率大，膨胀倍数大的钠基膨润土制成，在地下水介质中分散性好，有较高的可塑性和较强粘结性，热湿拉强度和干压强度高。典型实施工艺为在钻孔过滤段顶部和下部分别安装一个膨润土止水环，膨胀后形成人工托盘，有效阻止上层和底部的沙土和水进入到过滤段。尺寸构型优选长400 mm，外径125 mm的管状制品，止水环外表为锯齿形压波纹形状，以有效降低下套管时与冲洗泥浆的阻力，同时增加泥浆与外部的接触面积，加速膨胀过程；内部做成不光滑表面增加摩擦力，便于与套管固定，在膨胀时增加与套管粘合性，增强与套管密封性。较黏土球止水工艺，膨润土止水环工艺施工效率有显著提高，但分层止水效果提升有限，井下封隔质量难以保证。

4、水泥注浆封隔止水。优选的封隔注浆分层成井技术，双封隔器中间夹注浆管，通过氮气瓶加压启封双封隔器将注浆窗口隔离，再使用泥浆泵将水泥浆注入止水段环状间隙实现止水密封。设备包括双封隔器、泥浆泵、泥浆搅拌机、氮气瓶。水泥注浆封隔具有封隔效果好、不污染环境和流动性好，与孔壁粘结牢固，强度高等优点。但存在注浆流程繁琐，可能降低地层原有渗透性等局限性，影响成孔质量和效率，一般不适用于超过3层的分层同径止水。

5、高分子发泡材料封孔止水。亦称“高分子发泡材料”封孔，常用于煤层钻孔封堵、煤层气抽采领域。材质以聚氨酯为代表，还包括丁腈橡胶，丙烯酸钠和丙烯酰胺作为单体共聚制备遇水膨胀吸水树脂等。将上述优选的高分子发泡材料混合搅拌后，用棉纱、棉布、毛巾等浸泽缠绕在封孔管上，然后插入钻孔封孔段位置，聚氨酯发泡膨胀，将钻孔封堵。具有膨胀系数高、凝固时间短、封孔效率高等优点。但材料抗压能力低、可压缩量大，其材料力学性能无法阻挡钻孔的蠕变和裂隙漏气通道的形成，造成钻孔漏气严重。原因是：1.高分子发泡材料不能充填钻孔周围原始裂隙，存在漏气通道；2.高分子发泡材料对钻孔没有足够支护作用，不能抵抗钻孔的变形，导致在地应力和采掘干扰下持续产生裂隙通道。

6、囊袋式封堵止水。封孔材料由硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、减水剂、缓凝剂、高效膨胀剂等组成。封孔器主要包括注浆阀、套管、端堵头、喉箍、抽采管、囊袋、防退环等组成。先向囊袋注浆，通过囊袋膨胀后封堵封孔段钻孔，然后囊袋内浆液再向钻孔壁注浆，进而封闭钻孔周围裂隙，形成一个水泥圆柱封堵体。可实现任意角度注浆堵漏、主动支护钻孔、有效提升抽采浓度。注浆流程繁琐，一般不适用于超过3层的分层同径止水。

7、自膨胀封隔器，亦称遇水膨胀封隔器。主要包括基管、膨胀胶筒和端部防突挡圈等元件构成。工作原理基于橡胶吸水发生体积膨胀，封闭套管底部与孔壁间隙。适用于不规则井眼密封，地层压裂封隔，优选封隔器尺寸为外径146 mm，胶筒长1500 mm，封隔器总长2000 mm。吸水膨胀率越高，产生的接触应力越大，封隔能力越强，胶筒的膨胀倍数3-13.8。具有可靠性高、自动补偿环空间隙、适应性好等优点，目前主要用于深部地层的油气田开采领域。

由上所述，1-4种方法工艺适用于200 m以下浅的地层，4-7种方法工艺稍先进，一般适用于200-5000 m的深部油气田、煤层气领域。海带止水、黏土球止水、膨润土止水环3种方法工艺应用时间较早，施工效率低，止水效果不稳定。水泥注浆封隔技术和囊袋式封堵止水技术因配备地面注浆系统而施工效率偏低，简单地使用高分子发泡材料封孔止水，据报道应用效果及耐久性尚不稳定，偏向于临时性止水，这三种工艺多用于煤田开采，尚未推广至水文地质。自膨胀式封隔器较昂贵，应用于浅层的水文地质领域经济不可行。因此，尽管前人开发了诸多封隔技术，但适用于浅层松散岩类地层、高效实用的水文地质钻孔同径止水工艺，尚需针对性进一步研发改进。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术存在的上述缺陷，基于前期地下水分层监测技术研发实际需求，针对性配套研发的地层同径止水工艺,提供了一种分时自膨胀囊袋式封隔器,适用于水文地质、地下水资源勘察、地下水环境监测、污染场地调查评估等领域，为浅部地层同径止水封隔提供了一种高效实用、经济可行、操作方便的技术选择。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种分时自膨胀囊袋式封隔器，包括套管，套管包括上套管和下套管，上套管套设在中心链接管顶端，下套管套设在中心链接管底端，中心链接管上端套设固定有卡簧，中心链接管下端套设固定有固定台阶，中心链接管上位于卡簧和固定台阶之间自下而上依次套设有下遇水自膨胀橡胶筒、弹性囊袋、上遇水自膨胀橡胶筒和活动台阶，弹性囊袋侧部设置有多个透水孔,弹性囊袋内设置有遇水膨胀材料。

如上所述的中心链接管上端设置有多个环槽，卡簧卡设在环槽内。

如上所述还包括密封圈，密封圈设置于活动台阶与中心链接管之间的环形空间中。

如上所述的中心链接管为聚氨酯或特氟龙或不锈钢材质。

如上所述的遇水膨胀材料为丙烯酸钠或丙烯酰胺或聚酰胺酯或氨基甲酸酯聚合物或聚醚多元醇或聚乙二醇中的一种或几种。

如上所述的下遇水自膨胀橡胶筒和上遇水自膨胀橡胶筒为聚氨酯或丁腈橡胶材质。

本发明与现有技术相比，其技术优势和有益效果在于：

1、止水效果好。通过上遇水自膨胀橡胶筒和下遇水自膨胀橡胶筒一次膨胀架桥，在架桥的有限空间内弹性囊袋内设置的遇水膨胀材料二次高倍率膨胀，紧密贴合孔壁，封隔止水效果得到较大提高。

2、耐久性好。弹性囊袋具有体积持续膨胀的潜力，可主动支护应对井眼不规则及地层蠕变，有效密封后期出现的次生裂缝及导水通道。

3、施工效率高。本发明属于同径止水工艺，多层止水施工方便快捷，不需要变径架桥，不需要地面注浆或加压充气辅助封隔器座封。

4、技术性价比高。技术上充分借鉴融合适用深部地层的自膨胀封隔器基本构型、囊袋式封堵的二次膨胀理念、遇水膨胀材料高倍膨胀率的优势，适用于浅层的封隔器，且性能优越、经济可行。

附图说明

图1是本发明的整体结构剖面图。

其中:101-上套管；102-下套管；2-卡簧；3-密封圈；4-活动台阶；5-上遇水自膨胀橡胶筒；6-弹性囊袋；7-遇水膨胀材料；8-下遇水自膨胀橡胶筒；9-中心链接管；10-固定台阶。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种分时自膨胀囊袋式封隔器，包括套管，套管包括上套管101和下套管102，上套管101套设在中心链接管9顶端，下套管102套设在中心链接管9底端，中心链接管9上端套设固定有卡簧2，中心链接管9下端套设固定有固定台阶10，中心链接管9上位于卡簧2和固定台阶10之间自下而上依次套设有下遇水自膨胀橡胶筒8、弹性囊袋6、上遇水自膨胀橡胶筒5和活动台阶4，弹性囊袋6侧部设置有多个透水孔,弹性囊袋6内设置有遇水膨胀材料7。

上套管101和下套管102均为聚氯乙烯PVC或聚四氟乙烯PTFE或聚乙烯PE或不锈钢304/316材质，直径为75 mm或90 mm或110 mm，壁厚为3.5 mm-5 mm。

弹性囊袋6弹性大、变形能力强、不透水，弹性囊袋6侧部设置多个透水孔，通过多个透水孔进水与预置于弹性囊袋6内的遇水膨胀材料7发生水化反应，以触发弹性囊袋6体积侧向膨胀,充分填充井壁间隙,从而实现密封止水，切断封隔器上下层位水力联系,但透水孔的设置不破坏弹性囊袋6整体的不透水能力，且通过设置的透水孔延缓控制遇水膨胀材料7的水化作用时间，让上遇水自膨胀橡胶筒5和下遇水自膨胀橡胶筒8优先完全水化膨胀，进而在有限间隙空间内进一步通过高倍率弹性膨胀，实现有效密封止水，设置有透水孔的弹性囊袋6在空间限制下保留有持续的体积侧向膨胀潜力，进而能主动支护密封井壁裂隙空间，有效提高应对钻孔蠕变和次生裂隙导水通道，提高封隔器的密封工作性能、环境适应性及耐久性。

中心链接管9上端设置有多个环槽，卡簧2卡设在环槽内。卡簧2用于紧固并阻止上遇水自膨胀橡胶筒5和下遇水自膨胀橡胶筒8轴向运动。卡簧2为C型不锈钢材质。

还包括密封圈3，密封圈3设置于活动台阶4与中心链接管9之间的环形空间中,防止地下水通过封隔器环形空间接触部位连通流动。密封圈3为橡胶材质，尺寸优选为φ75。

中心链接管9为聚氨酯或特氟龙或不锈钢材质,刚度大、耐久性好、加工方便，尺寸内径为68 mm，外径为72 mm，固定台阶10外径为90 mm。

遇水膨胀材料7为丙烯酸钠或丙烯酰胺或聚酰胺酯或氨基甲酸酯聚合物或聚醚多元醇或聚乙二醇中的一种或几种,辅以增塑剂、交联剂和填料，体积膨胀倍率为600%-2000%，预置于弹性囊袋6内，下井膨胀前保持遇水膨胀材料7干燥。

下遇水自膨胀橡胶筒8和上遇水自膨胀橡胶筒5为聚氨酯或丁腈橡胶材质,膨胀倍率约300%。下遇水自膨胀橡胶筒8和上遇水自膨胀橡胶筒5均为定制加工元件，下遇水自膨胀橡胶筒8和上遇水自膨胀橡胶筒5的内径均与中心链接管9相适配，外径均为90 mm。水化作用下上遇水自膨胀橡胶筒5和下遇水自膨胀橡胶筒8体积侧向膨胀，进一步形成侧向密闭环形空间，为中间膨胀倍率更大、形变能力更强的弹性囊袋6提供力学支撑。

活动台阶4呈中空环形，外径为90 mm，活动台阶4的内径与中心链接管9相适配，活动台阶4为定制加工元件，质硬、刚度大、材料压缩变形小，在卡簧2限位紧固作用下与中心链接管9构成轴向限位承压空间，从而使上遇水自膨胀橡胶筒5和下遇水自膨胀橡胶筒8及弹性囊袋6侧向膨胀变形，充分填充井壁环形间隙，形成有效的密封止水。

本发明的工作原理如下：

弹性囊袋6内设置有遇水膨胀材料7。

将下套管102套设在中心链接管9底端与固定台阶10相抵，然后依次将下遇水自膨胀橡胶筒8、弹性囊袋6、上遇水自膨胀橡胶筒5和活动台阶4套设在中心链接管9上，将密封圈3设置于活动台阶4与中心链接管9之间的环形空间中，将卡簧2卡设在环槽中，将上套管101套设在中心链接管9顶端,最后将装置整体下入井孔，上遇水自膨胀橡胶筒5和下遇水自膨胀橡胶筒8侧壁发生水化作用而充分膨胀，稍后，地下水通过设置在弹性囊袋6侧部的透水孔进入弹性囊袋6内，与弹性囊袋6内的遇水膨胀材料7发生强烈水化反应，使得弹性囊袋6体积发生剧烈膨胀，由于弹性囊袋6在上遇水自膨胀橡胶筒5和下遇水自膨胀橡胶筒8的中间间隙受限膨胀，进而能充分填充井壁环形空间间隙，实现有效的止水密封封隔。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种分时自膨胀囊袋式封隔器，包括套管，其特征在于，套管包括上套管（101）和下套管（102），上套管（101）套设在中心链接管（9）顶端，下套管（102）套设在中心链接管（9）底端，中心链接管（9）上端套设固定有卡簧（2），中心链接管（9）下端套设固定有固定台阶（10），中心链接管（9）上位于卡簧（2）和固定台阶（10）之间自下而上依次套设有下遇水自膨胀橡胶筒（8）、弹性囊袋（6）、上遇水自膨胀橡胶筒（5）和活动台阶（4），弹性囊袋（6）侧部设置有多个透水孔,弹性囊袋（6）内设置有遇水膨胀材料（7）。

2.根据权利要求1所述的一种分时自膨胀囊袋式封隔器，其特征在于，所述的中心链接管（9）上端设置有多个环槽，卡簧（2）卡设在环槽内。

3.根据权利要求1所述的一种分时自膨胀囊袋式封隔器，其特征在于，还包括密封圈（3），密封圈（3）设置于活动台阶（4）与中心链接管（9）之间的环形空间中。

4.根据权利要求1所述的一种分时自膨胀囊袋式封隔器，其特征在于，所述的中心链接管（9）为聚氨酯或特氟龙或不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的一种分时自膨胀囊袋式封隔器，其特征在于，所述的遇水膨胀材料（7）为丙烯酸钠或丙烯酰胺或聚酰胺酯或氨基甲酸酯聚合物或聚醚多元醇或聚乙二醇中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种分时自膨胀囊袋式封隔器，其特征在于，所述的下遇水自膨胀橡胶筒（8）和上遇水自膨胀橡胶筒（5）为聚氨酯或丁腈橡胶材质。