CN111411915A - 一种井下变径式分层结构密封装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下变径式分层结构密封装置与方法，用于在变径的井筒内实现不同层位的密封分隔，该井筒包括由不同直径的井段区分的不同层位，各井段随深度增加直径变小；该装置包括多个直径不同的密封部件，每个密封部件安装在井筒内的一个井段中；密封部件包括取样段、变径封隔组件、注浆管和止水条；取样段的下端安装包裹了止水条的变径封隔组件，并将变径封隔组件安装于井段变径处，注浆管的一端设置在地面，另一端穿过取样段与变径封隔组件相连；取样段用于采集井筒内本井段的地下水；变径封隔组件，用于通过注浆管注入的浆液对分层的井段进行化学封隔；止水条用于在井筒直径变化处对分层的井段进行物理封隔，以及在装置下井过程中的缓冲。

Description

一种井下变径式分层结构密封装置与方法

技术领域

本发明涉及地层分隔领域，具体涉及一种井下变径式分层结构密封装置与方法。

背景技术

随着经济社会发展和人类活动不断增加，我国地下水及地表环境遭受日趋严重的消耗和破坏，如地下水资源过度开采，地下水质污染等，已对我国国民经济和人民生活质量造成严重影响。人类活动造成的地表污染源下渗至浅层地下水，受到地下水循环发生纵向迁移及横向扩散，从地表的点状扩散到地下的三维锥面状，造成大面积不同程度的地下水污染，不同深度地层其地层水污染程度与污染源的距离直接相关。因此，对地下环境的三维高精度连续监测是地下水保护的重要内容，其实时监测预警功能有利于避免重大工程事故或严重生态污染。

为了精确监测不同深度地层的地下水污染情况，在地下水取样监测时需将不同深度的地层进行分隔，确保取样水具有地层及取样深度的代表性。在油气开采领域中，封隔器被广泛地应用于井下地层分隔。按工作原理的不同，可分为机械式、液压式和自膨胀式。机械式和液压式结构复杂，价格昂贵，一般适用于深部地层，强腐蚀介质和高温高压等极端环境中。自膨胀式通过吸收井筒中的水或油等液体介质而产生体积膨胀实现封闭的目的，在使用过程中易分解，稳定性差，解封困难，此外膨胀材料强度低，耐压性差等均会对密封性能产生影响。

针对浅部地层封堵，参考文献[1](授权公告号为“CN 105178908 B”的发明专利《井下地层封堵的化学注浆封隔装置及方法》)发明专利提出了一种井下地层封堵的化学注浆分隔装置及方法。该方法基于设定位置的喷浆堵头，通过自力式分段压力控制阀门与注浆管位于地下的注浆段连通，可实现通过井口一条注浆管的不同注入压力值实现不同深度位置的注浆操作。该装置及方法在实施过程中需要将注浆管及各层的喷浆堵头、自力式分段压力控制阀门、三通放入井孔中进行完井固定。然而由于结构设计问题在实际下井固定过程中常遇到卡顿，支路无法达到设计深度以及无法有效固定的难点。为了解决这个问题，有必要对井下封隔装置进行适当调整及改进，进而实现浅层地层上下层位的分隔及密封。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种井下变径式分层结构密封装置及方法。本发明用于分隔浅部地层上下层位，进而在一个井筒内实现不同层位地下水取样的目的。

为了实现上述目的，本发明提出了一种井下变径式分层结构密封装置，用于在变径的井筒内实现不同层位的密封分隔，该井筒包括由不同直径的井段区分的不同层位，各井段随着深度的增加直径变小；其特征在于，所述装置包括多个直径不同的密封部件，每个密封部件安装在井筒内的一个井段中；所述密封部件包括取样段、变径封隔组件、注浆管和止水条；所述取样段的下端安装包裹了止水条的变径封隔组件，并将变径封隔组件安装于井段变径处，所述注浆管的一端设置在地面，另一端穿过取样段与变径封隔组件相连；其中，

所述取样段，用于采集井筒内本井段的地下水；

所述变径封隔组件，用于通过注浆管注入的浆液对分层的井段进行化学封隔；

所述止水条，用于在井筒直径变化处对分层的井段进行物理封隔，还用于在所述装置下井过程中的缓冲。

作为上述装置的一种改进，所述取样段为底层封闭的圆筒状壳体，壳体直径小于井筒直径，使得井筒和取样段壳体之间有环空部分；在取样段的中部设置多个开口槽，使得取样段壳体内部与壳体外的环空部分连通，地下水通过开口槽进入取样段壳体内部；在取样段底部设置小孔，使得所述注浆管穿过取样段与变径封隔组件相连。

作为上述装置的一种改进，所述变径封隔组件为喇叭状壳体，上下均开口，设置于井段变径处，变径封隔组件的上端面与在其之上的第一井段内的取样段连接，变径封隔组件的下端面与在其之下的第二井段内的取样段连接；上端面直径与第一井段内的取样段直径相同，下端面直径与第二井段内的取样段直径相同；井筒和变径封隔组件壳体之间有环空部分；在变径封隔组件壳体变径处之上的腔体内设置上下平行的两层管路，两层管路直径相同，均小于变径封隔组件的上端面直径；每层管路均为互相连通的“米”字型结构，“米”字型结构管路在壳体外沿设置小孔，使得“米”字型结构管路与壳体外部的环空部分连通。

作为上述装置的一种改进，所述注浆管的一端为进浆口，设置在地面，另一端穿过取样段与所述变径封隔组件的两层管路均连通；当浆液由进浆口注入，沿注浆管进入变径封隔组件壳体内的两层管路，通过“米”字型结构管路在壳体外沿的小孔流入变径封隔组件外部的环空空间。

本发明还提出了一种井下变径式分层结构密封方法，所述方法包括：

步骤1)将用于井筒最深层井段的取样段下入到井筒内指定位置；

步骤2)从次深层至最上层井段，依次组装每层的密封部件，并按照由下向上的顺序将每层的密封部件下入到井筒内指定位置；

步骤3)测试整个装置注浆管连通情况，完成后进行完井固定；

步骤4)在地面将浆液注入各井段的注浆管内，浆液依次穿过各井段的取样段，到达各井段的变径封隔组件内部“米”字型结构管路内，通过“米”字型结构管路在壳体外沿的小孔流入变径封隔组件外部的环空空间，实现各层的化学封隔；止水条在井筒内遇水膨胀，与变径的井筒结构配合在直径变化处将各井段进行封隔，从而实现对井下变径式分层结构的物理密封。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

将用于次深层的所述取样段安装在变径封隔组件之上；

将所述止水条包裹在变径封隔组件直径变化处的外部；

将所述注浆管穿过取样段底面的小孔后与变径封隔组件的两层管路连通，完成密封部件的组装；

将上述组装好的密封部件下入到井筒内指定位置，使得包裹着止水条的变径封隔组件位于井筒次深层的直径变化处；

按照由下向上的顺序，重复上述步骤，直到完成最上层密封部件的组装和部署。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的装置与方法同时采用化学浆液封隔及止水条封隔，利用变径式井筒结构特征避免浆液漏失，同时弥补止水条封隔易分解，稳定性差的特征；井下封隔结合化学浆液和止水条膨胀封隔的优势，封隔效果更好。

2、本发明的装置结构简单，成本可进一步降低。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种井下变径式分层结构密封装置；

图2是本发明实施例1的第二变径封隔组件的结构示意图；

图3是本发明实施例1的第二变径封隔组件的结构剖面图；

图4是本发明实施例1的第二变径封隔组件的俯视图。

附图标记

1、第一进浆口 2、第二进浆口 3、地面

4、第一取样段 5、第一注浆管 6、第二注浆管

7、第一井段 8、第一层地下水 9、第一变径封隔组件

10、第一浆液 11、第二取样段 12、第一止水条

13、第二层地下水 14、第二变径封隔组件 15、第二井段

16、第二浆液 17、第二止水条 18、第三取样段

19、第三层地下水 20、第三井段 21、“米”字型结构管路

具体实施方式

本发明提供了一种井下变径式分层结构密封装置与方法，用于分隔浅部地层上下层位，进而在一个井筒内实现不同层位地下水取样的目的。

具体采用以下技术方案：

一种变径式分层结构密封装置，包括浆液，各层注浆管，各层取样段，各变径封隔组件、止水条以及井筒。注浆管穿过取样段与变径封隔组件相连接；各取样段在其对应的井段内，相互之间通过变径封隔组件相连接。

井筒包括不同直径的井段结构，各井段结构随着深度的增加直径变小。

注浆管一端设置在地面，另一端穿过取样段与各变径封隔组件相连接。

取样段中部有开口的槽，连接取样段内部与井筒与取样段的环空部分，地下水通过开口的槽进入至取样段内部。

变径封隔组件上下均与不同尺寸的取样段相连，中部留有小孔，小孔的一端与注浆管相连，另一端与变径封隔组件内部上下两套“米”字型结构管路相连接。该“米”字型结构管路连接到变径封隔组件的外部环空。

止水条位于变径封隔组件的外部。

取样段，变径封隔组件，止水条均位于井筒内。各取样段位于各层井段内，变径封隔组件位于井段变径处，止水条包裹在变径封隔组件外部。

浆液通过注浆管穿过取样段后注入至变径封隔组件处，通过变径封隔组件内部“米”字型结构管道流入至变径封隔组件外部的环空空间内进行封堵，同时配合止水条与变径的井段结构实现浅部地层上下层位的封隔。

一种井下变径式分层结构密封的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据所选场地的地下水水位情况，设计井筒结构并进行钻井，形成包含不同直径井段的井筒结构；

步骤2：根据井筒结构制备相应长度和直径的取样段、变径封隔组件和止水条，及注浆管；

步骤3：将注浆管、取样段、变径封隔组件和止水条依次组装，并下入到井筒内，使得包裹着止水条的变径封隔组件坐落在井筒各层的直径变化处，止水条在井内遇水膨胀，与变径的井筒结构配合在直径变化处将各井段进行封隔，此外止水条在装置下井过程中可同时起到缓冲作用；

步骤4：测试整个装置注浆管连通情况，完成后进行完井固定；

步骤5：在地面将浆液注入至各层注浆管内，浆液依次穿过取样段，到达变径封隔组件内部“米”字型结构管路内，最后达到变径封隔组件外部的环空空间内，继而实现各层的多级封隔功能。

工作原理为：封隔功能可通过两方面实现。一方面通过变径封隔组件外部包裹的止水条进行膨胀封隔。止水条包裹在变径封隔组件外部，下井过程中遇水膨胀，坐落在井筒的直径变化处，结合井筒结构起到一定程度的封隔作用。另一方面，浆液通过注浆管穿过取样段后注入至变径封隔组件处，通过变径封隔组件内部“米”字型结构管道流入至变径封隔组件外部的环空空间内进行化学封堵。井筒的变径结构可对浆液起到防漏失的作用。

本发明充分利用变径式井筒的结构特征，设计尺寸相对应的变径封隔组件。将变径封隔组件坐落在井筒的直径变化处。一方面，包裹在变径封隔组件外部的止水条在下井过程中遇水膨胀，实现一定程度的封隔功能，同时可在下井过程中起到缓冲作用。另一方面，浆液通过注浆管穿过取样段后，经过变径封隔组件内部“米”字型结构管路后达到外部环空处进行化学分隔。井筒的直径变化结构可防止浆液漏失，最大程度对各层进行封隔。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本实施例提供了一种井下变径式分层结构密封装置，以三层井段为例，但本发明不限于三层，如图1所示。包括第一进浆口1；第二进浆口2；地面3；第一取样段4；第一注浆管5；第二注浆管6；第一井段7；第一层地下水8；第一变径封隔组件9；第一浆液10；第二取样段11；第一止水条12；第二层地下水13；第二变径封隔组件14；第二井段15；第二浆液16；第二止水条17；第三取样段18；第三层地下水19；第三井段20。

第一取样段4依次与第一变径封隔组件9、第二取样段11、第二变径封隔组件14和第三取样段18相连。第一注浆管5穿过第一取样段4后与第一变径封隔组件9相连。第二注浆管6分别穿过第一取样段4、第一变径封隔组件9，第二取样段14后与第二变径封隔组件14相连。止水条12包裹在第一变径封隔器9的外侧直径变化处。止水条17包裹在第二变径封隔器14的外侧直径变化处。

井筒包括三层不同直径的井段结构，包括第一井段7，第二井段15和第三井段20，各井段结构随着深度的增加直径变小。

地层包含三个不同地层的地下水，包括第一层地下水8，第二层地下水13和第三层地下水19。

第一井段7所在的地层包含第一层地下水8，第二井段15所在的地层包含第二层地下水13，第三井段20所在的地层包含第三层地下水19。

第一取样段4位于第一井段7内，第二取样段11位于第二井段内15，第三取样段18位于第三井段内20。第一取样段4、第二取样段11和第三取样段18的中部均有开口的槽，连接各取样段内部与井筒与取样段的环空部分，各层的地层水通过开口的槽进入至取样段内部。

第一变径封隔组件9位于第一井段7和第二井段15的井眼直径变化处，上端与第一取样段4相连，下端与第二取样段11相连。第二变径封隔组件14位于第二井段15和第三井段20的井眼直径变化处，上端与第二取样段11相连，下端与第三取样段18相连。

第一止水条12位于第一变径封隔组件9的直径变化处，第二止水条17位于第二变径封隔组件14的直径变化处。

第一注浆管5和第二注浆管6的一端均设置在地面3上。

图2、图3、图4分别为第二变径封隔组件14的结构示意图、剖面图和俯视图。需要说明，此处以第二变径封隔组件为例，每个变径封隔组件结构均相同。变径封隔组件上下均与不同尺寸的取样段相连，中部留有小孔，小孔的一端与第二注浆管6相连，另一端与第二变径封隔组件14内部上下两套“米”字型结构管路21相连接。该“米”字型结构管路21连接到第二变径封隔组件14的外部环空。

第一浆液10通过位于地面3的第一进浆口1注入到第一注浆管5内，穿过第一取样段4后注入至第一变径封隔组件9处，通过第一变径封隔组件9内部“米”字型结构管道流入至第一变径封隔组件9外部的环空空间内进行封堵，同时配合第一止水条12与变直径的井段结构实现第一井段7和第二井段15的封隔。

第二浆液16通过位于地面3的第二进浆口2注入到第二注浆管6内，依次穿过第一取样段4、第一变径封隔组件9和第二取样段11后注入至第二变径封隔组件14处，通过第二变径封隔组件14内部“米”字型结构管道流入至第二变径封隔组件14外部的环空空间内进行封堵，同时配合第二止水条17与变直径的井段结构实现第二井段15和第三井段20的封隔。

实施例2

本实施例提供了一种井下变径式分层结构密封的方法，以三层井段为例，但本发明不限于三层，具体包括以下步骤：

步骤1：根据所选场地的地下水水位情况，设计井筒结构，包括第一井段7，第二井段15和第三井段20的长度及直径。根据设计要求进行钻井，形成包含不同直径井段的井筒结构；

步骤2：根据井筒结构制备对应长度和直径的第一取样段4，第二取样段11和第三取样段18，以及用于封隔第一井段7和第二井段15的第一变径封隔组件9和第一止水条12，以及用于封隔第二井段15和第三井段20的第二变径封隔组件14和第二止水条17，以及第一注浆管5和第二注浆管6；

步骤3：将用于井筒最深层井段的第三取样段18下入到井筒内指定位置。从次深层至最上层井段，依次组装每层的密封部件，并按照由下向上的顺序将每层的密封部件下入到井筒内指定位置。具体为：将第二取样段11安装在第二变径封隔组件14之上，将第二止水条17包裹在第二变径封隔组件14的直径变化处外部,将第二注浆管6穿过第二取样段11底面的小孔后与第二变径封隔组件14的两层管路连通，完成第二段密封部件的组装；将组装好的第二段密封部件下入到井筒内指定位置，使得包裹着第二止水条17的第二变径封隔组件14位于井筒次深层的直径变化处。

将第一取样段4安装在第一变径封隔组件9之上，将第一止水条12包裹在第一变径封隔组件9直径变化处的外部，将第一注浆管5穿过第一取样段4底面的小孔后与第一变径封隔组件9的两层管路连通，完成第一段密封部件的组装。将组装好的第一密封部件下入到井筒内指定位置，使得包裹着第一止水条12的第一变径封隔组件9位于井筒最上层的直径变化处。

步骤4：测试整个装置注浆管连通情况，完成后进行完井固定；

步骤5：在地面3将第一浆液10通过第一注浆管5注入至第一变径封隔组件9内，第一浆液10通过第一变径封隔组件9内部“米”字型结构管路达到第一变径封隔组件9外部的环空空间内，实现第一井段7和第二井段15的封隔。第二浆液16通过第二注浆管6注入至第二变径封隔组件14内，通过第二变径封隔组件14内部的“米”字型结构管路达到第二变径封隔组件14外部的环空空间内，实现第二井段15和第三井段20的封隔。

本发明的一种井下变径式分层结构密封装置与方法，是中国科学院武汉岩土力学研究所自主研发地下分层取样系统的配套技术之一，具有很好的经济性和灵活的场地适用性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种井下变径式分层结构密封装置，用于在变径的井筒内实现不同层位的密封分隔，该井筒包括由不同直径的井段区分的不同层位，各井段随着深度的增加直径变小；其特征在于，所述装置包括多个直径不同的密封部件，每个密封部件安装在井筒内的一个井段中；所述密封部件包括取样段、变径封隔组件、注浆管和止水条；所述取样段的下端安装包裹了止水条的变径封隔组件，并将变径封隔组件安装于井段变径处，所述注浆管的一端设置在地面，另一端穿过取样段与变径封隔组件相连；其中，

所述取样段，用于采集井筒内本井段的地下水；

所述变径封隔组件，用于通过注浆管注入的浆液对分层的井段进行化学封隔；

所述止水条，用于在井筒直径变化处对分层的井段进行物理封隔，还用于在所述装置下井过程中的缓冲。

2.根据权利要求1所述的井下变径式分层结构密封装置，其特征在于，所述取样段为底层封闭的圆筒状壳体，壳体直径小于井筒直径，使得井筒和取样段壳体之间有环空部分；在取样段的中部设置多个开口槽，使得取样段壳体内部与壳体外的环空部分连通，地下水通过开口槽进入取样段壳体内部；在取样段底部设置小孔，使得所述注浆管穿过取样段与变径封隔组件相连。

3.根据权利要求1所述的井下变径式分层结构密封装置，其特征在于，所述变径封隔组件为喇叭状壳体，上下均开口，设置于井段变径处，变径封隔组件的上端面与在其之上的第一井段内的取样段连接，变径封隔组件的下端面与在其之下的第二井段内的取样段连接；上端面直径与第一井段内的取样段直径相同，下端面直径与第二井段内的取样段直径相同；井筒和变径封隔组件壳体之间有环空部分；在变径封隔组件壳体变径处之上的腔体内设置上下平行的两层管路，两层管路直径相同，均小于变径封隔组件的上端面直径；每层管路均为互相连通的“米”字型结构，“米”字型结构管路在壳体外沿设置小孔，使得“米”字型结构管路与壳体外部的环空部分连通。

4.根据权利要求3所述的井下变径式分层结构密封装置，其特征在于，所述注浆管的一端为进浆口，设置在地面，另一端穿过取样段与所述变径封隔组件的两层管路均连通；当浆液由进浆口注入，沿注浆管进入变径封隔组件壳体内的两层管路，通过“米”字型结构管路在壳体外沿的小孔流入变径封隔组件外部的环空空间。

5.一种井下变径式分层结构密封方法，基于权利要求1-4之一所述的装置实现，所述方法包括：

步骤1)将用于井筒最深层井段的取样段下入到井筒内指定位置；

步骤2)从次深层至最上层井段，依次组装每层的密封部件，并按照由下向上的顺序将每层的密封部件下入到井筒内指定位置；

步骤3)测试整个装置注浆管连通情况，完成后进行完井固定；

步骤4)在地面将浆液注入各井段的注浆管内，浆液依次穿过各井段的取样段，到达各井段的变径封隔组件内部“米”字型结构管路内，通过“米”字型结构管路在壳体外沿的小孔流入变径封隔组件外部的环空空间，实现各层的化学封隔；止水条在井筒内遇水膨胀，与变径的井筒结构配合在直径变化处将各井段进行封隔，从而实现对井下变径式分层结构的物理密封。

6.根据权利要求5所述的井下变径式分层结构密封方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

将用于次深层的所述取样段安装在变径封隔组件之上；

将所述止水条包裹在变径封隔组件直径变化处的外部；

将所述注浆管穿过取样段底面的小孔后与变径封隔组件的两层管路连通，完成密封部件的组装；

将上述组装好的密封部件下入到井筒内指定位置，使得包裹着止水条的变径封隔组件位于井筒次深层的直径变化处；

按照由下向上的顺序，重复上述步骤，直到完成最上层密封部件的组装和部署。

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