CN112761566B - 一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器 - Google Patents
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Abstract
一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，包括主环体和箍圈8，主环体包括主环座1、弹性件、变径挡块3；主环座1为分体式环形结构，且由连接环7紧固连接成一个整体；主环座1开有缺口；变径挡块3的一侧通过转轴销4周向活动地安装于主环座1上；弹性件安装在主环座1与变径挡块3之间；箍圈8为分体式结构，设置于环空区域内，且位于主环体正上方；箍圈8通过钢丝绳9吊起主环体。本发明的可靠性高，结构及制造工艺简单，造价成本低廉，能应用于更小的环空区域，适用于立管和护管不同轴度较大的场合以及不同外径尺寸的立管；具有去除环空区域内海生物的功能，方便封隔器的下放；方便在主环座上表面安置封堵隔板，有利于浇筑保护介质进行封堵。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采钻探技术领域，尤其涉及一种用于环空管线的箍圈拉绳式可向内变径的封隔器。
背景技术
在石油开采钻探技术领域，尤其是在海油开采钻探领域，广泛采用了钢质管道从水上钻井平台向位于地下或者海底的油田注水或抽取油气资源，其中，用于向油田注水的管道称之为注水立管；用于输送油气的管道称之为油气立管，二者统称为立管。为了保护立管，一般在立管外周再套上钢质护管；立管和护管之间存在环空区域，因此立管和护管统称为环空管线。
尽管护管能够降低海水对立管的电化学腐蚀速度、有效避免外界产生的机械损伤，但是现存大量环空管线中的环空区域充填有海水，对立管，尤其是潮差带内的立管存在强烈的电化学腐蚀作用。
为了保护立管，在工程实际应用中，通常将封隔器置于海平面以下若干米深处的环空区域中，用于封堵环空区域，并在所述封隔器之上填充水泥等保护介质。具体施工工艺为：先将护管局部对半截断剥离，随后将封隔器放置护管与立管之间的环空区域中，然后固定封隔器，并在其上放置环状盖板等封堵件，用于堵住封隔器与环空管线之间的缝隙，再往环空区域内填注给定高度的保护介质，待保护介质凝固后再将截断护管段再焊接回去，完成封隔工艺。
实际上，封隔器不仅用于封堵环空区域，保护立管，还被广泛应用于分层采油、分层注水、分层压裂或酸化、机械卡堵水等注采工艺作业场合。但区别于其他应用领域，在本领域中，主要考虑到封隔器初始会承受数吨重的负重，且立管护管存在严重的不同轴度，加之立管因安全因素无法现场动火予以切割，故使得现有封隔器技术无法满足本领域技术要求。
存在一种井下分层封隔专用的封隔器，理论上可用于本领域。该封隔器包括刚体、封隔器胶筒系统和控制部分，其中：封隔器胶筒系统由若干个胶筒、隔环和中心衬管(立管)等多个零件组成；封隔器位于立管和护管之间，当封隔器胶筒系统承受轴向载荷时，胶筒将产生大变形，与护管内壁接触并产生接触压力，使护管与立管间的环状空间割断，形成封隔。
上述封隔器利用封隔器胶筒系统可达到较大的堵水作用，但无法适用于本领域中高负重、小环空区域及立管护管不同等工况。为了提供封隔器的负重能力，中国专利CN209212206U公开了一种用于环空管线的液压式封隔器。该专利包括多个锚块、左半瓦和右半瓦，所述左半瓦顶端面上设有左吊装环和左单向阀，所述右半瓦顶端面上设有右吊装环和右单向阀，所述左半瓦和所述右半瓦周侧上均开设有若干个槽组，每个槽组包括一个开口向外的上凹槽和一个开口向外的下凹槽，所述锚块上设有锚齿和气舱槽，所述锚块设置在所述上凹槽和所述下凹槽内。
区别于井下分层封隔专用的封隔器，尽管液压式的封隔器负重高，但存在结构工艺复杂、造价成本较高、存在液压泄漏风险、且难以应用于小环空区域等局限性。
发明内容
本发明为克服以上不足，提供了一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器。
一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，包括主环体和箍圈，其中：主环体包括主环座、弹性件、变径挡块；
主环座为分体式环形结构，由连接环紧固连接成一个整体；
主环座开有缺口。
作为优选，主环座上靠近立管的一侧开设有变径挡块占位缺口。
变径挡块的一侧通过转轴销周向活动地安装于主环座上；
弹性件安装在主环座与变径挡块之间。
作为优选，初始状态下(变径挡块未变径时)，变径挡块受卡件约束，变径挡块完全卡设于变径挡块占位缺口内(不会突出于主环座之外)；变径状态下，通过解除卡件约束，变径挡块贴紧立管外周壁，实现变径。
作为优选，卡件为一端用拉绳牵连的U型弹性夹。
更为优选，卡件为一端用拉绳牵连的挡销。
作为优选，弹性件为L形的弹簧片，弹簧片设置在变径挡块占位缺口内，且位于主环座与变径挡块之间；初始状态下，弹簧片处于弹性变形状态；变径状态下，在弹簧片弹性回复力作用下，弹簧片将变径挡块绕转轴销向内推出实现变径。
作为优选，主环座分为第一主环件、第二主环件、第三主环件；连接环位于主环座正下方用于将第一主环件、第二主环件和第三主环件连接成一个整体。
作为优选，转轴销竖直地插入主环座内，转轴销的两端与主环座紧固，转轴销的中段活动地穿过变径挡块。
作为优选，主环座的内周壁在靠近缺口处加工出偏心距为L且与主环座内周等径的圆弧段轮廓。
作为优选，变径挡块上表面与主环体上表面齐平。
更为优选，变径挡块为环块体，并开设有阶梯状凸台，其具有第一台阶面、第二台阶面。
箍圈为分体式结构，设置于环空区域内，且位于主环体正上方；箍圈通过钢丝绳吊起主环体。
作为优选，箍圈的外周关于箍圈的轴线等周向间隔地均匀设置有吊装凸缘；与吊装凸缘相对应地，主环座的上端面开有悬挂安装槽；钢丝绳一端与吊装凸缘固接，而另一端穿过悬挂安装槽与主环座固接。
作为优选，连接环的材质为白条钢，且其下边缘设置有锋利的切削刃。
更为优选，本发明还包括挂钩，挂钩竖直地设置于环空区域内；挂钩下端可插入悬挂安装槽内，挂钩下端与主环体固接。
作为优选，不少于4个变径挡块关于主环体的垂直中间面左右对称布置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)相对于复杂的液压式封隔器而言，本发明可靠性高，结构及制造工艺简单，造价成本低廉，且能够应用于更小的环空区域；
2)能够适用于立管和护管不同轴度较大的场合；
3)本发明封堵缝隙相对较小，封堵效果更好，可以保证封隔器均匀受力，不会在环空管线内造成封隔器相对位置的偏转；
4)本发明实现了封隔器连续地向内变径，变径前封隔器顺应通过性好，变径操作简单方便，可适用于不同外径尺寸的立管；
5)本发明具有去除环空区域内海生物的功能；
6)本发明能平稳的封堵住环空区域，方便在主环座上表面安置封堵隔板，有利于浇筑保护介质进行封堵。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器中箍圈的立体结构示意图；
图2为本发明一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器中主环体处于初始状态时的立体结构示意图；
图3为图2中Ⅰ处的局部放大图；
图4为本发明一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器中主环体处于变径状态时的立体结构示意图；
图5为如图2所示主环体的俯视图；
图6为如图3所示主环体的俯视图；
图7为图1中变径挡块的立体结构示意图；
图8为本发明中转轴销与主环座配合的立体结构示意图；
图9为图7中Ⅰ处的局部放大图；
图10为本发明具体实施例与环空管线中的立管装配后的效果示意图；
图11为本发明具体实施例应用于环空管线后的总体效果示意图；
图12为主环座缺口及过渡圆弧段轮廓示意图；
图13为本发明装配挂钩的效果示意图。
主要元件符号说明：
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
在本发明中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
如图1和图2所示，为本发明一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，包括主环体和箍圈8，其中：
主环体包括主环座1、弹性件、变径挡块3；如图2、图5、图7和图8所示，主环座1为分体式环形结构，且由连接环7紧固连接成一个整体；考虑到立管17与护管18一般存在较大的同轴度误差，为了避免环空管线与本发明干涉，主环座1开有缺口；本例中，主环座为圆心角为300°的非整周圆环；主环座1上靠近立管的一侧开设有变径挡块占位缺口16；变径挡块3的一侧通过转轴销4周向活动地安装于主环座1上；初始状态下(变径挡块3未变径时)，变径挡块3受卡件约束，完全卡设于变径挡块占位缺口16内(不会突出于主环座1之外)；变径状态下，通过解除卡件约束，变径挡块3在弹性件回复力的作用下绕转轴销4向内(靠近立管方向)转动一定角度直至贴紧立管外周壁，实现与立管直径相协调适应的变径。
作为优选，卡件为用一端用拉绳牵连的U型弹性夹(未画出)；初始状态下，U型弹性夹利用其开口卡套于主环座1外部，以将变径挡块限制于变径挡块占位缺口16内；当需要变径挡块3变径时，人手拉动拉绳(未画出)，即可将U型弹性夹从主环座1上拔离，以解除U型弹性夹的约束作用。
作为优选，考虑到环空管线的环空区域较为狭窄，为避免本发明下放安装时，U型弹性夹因与环空管线的管壁剐蹭而提前脱离主环座1，导致本发明下放安装困难，本例中，卡件为用一端用拉绳(未画出)牵连的挡销5；如图2和图3所示，挡销5的末端垂直地插入主环座1内，挡销5未插入部分用于在初始状态下阻挡变径挡块3变径；与U型弹性夹类似地，当需要变径挡块3变径时，人手拉动拉绳，即可将挡销5从主环座1上拔离，以解除挡销5的约束作用，从而使得变径挡块3向内(靠近立管的一侧)打开，实现本发明内径的增加(即处于如图4和图6所示变径状态)，从而缩小了本发明与不同型号立管之间的缝隙，降低了大水深下环空区域的封堵难度。本发明最佳状态(便于后续封堵工序)为，各变径挡块3均伸出，且与立管17的外周壁贴合，形成了近似环向屏蔽，而封隔器外径与护管内周壁留有适当的间隙，便于布设。
作为优选，为了使得结构简单紧凑，弹性件为L形的弹簧片2；更为具体地，本例中，如图2、图3和图4所示，弹簧片2设置在变径挡块占位缺口16内，且位于主环座1与变径挡块3之间；弹簧片2的短臂利用螺钉等螺纹连接件与主环座1固接；弹簧片2的长臂与变径挡块3的外周壁相接触；初始状态下，弹簧片2处于弹性变形状态，变径状态下，在弹簧片2弹性回复力作用下，弹簧片2的长臂将变径挡块3绕转轴销4向内推出实现变径。
作为优选，本例中，如图6所示，主环座1分为第一主环件11、第二主环件12、第三主环件13；连接环7位于主环座1正下方，用于将第一主环件11、第二主环件12和第三主环件13通过螺钉紧固成一个整体。
更为具体地，本例中，如图3和图10所示，转轴销4竖直地插入主环座1内，转轴销4的两端通过过盈配合与主环座1紧固；转轴销4中段活动地穿过变径挡块3。
作为优选，当立管11与护管12存在较大同轴度误差时，为了进一步避免干涉，主环座1的内周壁在靠近缺口处加工出如图12所示偏心距为L且与主环座1内周等径的圆弧段轮廓。
如图13所示，箍圈8为分体式结构，设置于环空区域内，且位于主环体正上方；箍圈8包括左箍圈81和右箍圈82；左箍圈81和右箍圈82通过螺栓等螺纹紧固件箍紧于立管外周壁上。
作为优选，为了便于封堵，变径挡块3上表面与主环体上表面齐平；更为具体地，本例中，如图7所示，变径挡块3为环块体，并开设有阶梯状凸台，其具有第一台阶面31、第二台阶面32：初始状态下，第一台阶面31与变径挡块占位缺口16的内壁相贴合，弹簧片2的长臂位于第二台阶面32与变径挡块占位缺口16的内壁之间；变径挡块3的下边缘34开设有便于变径伸出的倒角；变径挡块3的侧边缘33开设有防止变径时刮伤立管防腐层的圆角。
箍圈8通过钢丝绳9吊起主环体。
作为优选，如图1、图10和图11所示，箍圈8的外周关于箍圈8的轴线等周向间隔地均匀设置有吊装凸缘83；与吊装凸缘83相对应地，主环座1的上端面开有悬挂安装槽14；钢丝绳9一端与吊装凸缘83固接，而另一端穿过悬挂安装槽14与主环座1固接；更为具体地，本例中，吊装凸缘83和悬挂安装槽14各配置有3个，相应地，需要三根相同长度的钢丝绳9；悬挂安装槽14的侧面开有固定销孔15，固定销6插入固定销孔15，将钢丝绳9的一端插入悬挂安装槽14内，再绕过固定销6，随后将钢丝绳9从悬挂安装槽14内伸出，最后用钢丝绳卡扣10将钢丝绳9与主环座1扣紧；吊装凸缘83上开设有吊装凸缘通孔831，钢丝绳9的另一端穿过吊装凸缘通孔831，同样利用钢丝绳卡扣10将钢丝绳9与箍圈8扣紧。
作为优选，考虑到环空管线上附着有大量的牡蛎等海生物，会进一步增加本发明在小环空区域内的下放布设难度，为了使得本发明具有去除环空区域内海生物的功能，连接环7的材质为白条钢，且其下边缘设置有锋利的切削刃。这样一来，本发明的主环体在下放布设时一旦被海生物卡住，可以通过人手握持冲击杆撞击主环体上部，借助冲击力利用切削刃切除环空管线沿线的海生物。
更为优选，考虑到人手握持冲击杆撞击主环体上部十分不便，且存在误操作可能，本发明还包括挂钩；如图13所示，挂钩竖直地设置于环空区域内；挂钩19下端可插入悬挂安装槽14内，并通过固定销6将挂钩下端与主环体固接；这样一来，在正式下放布设本发明之前，可以先将挂钩19与主环体固接，再通过人手握持挂钩，借助冲击力切除环空管线沿线的海生物；待海生物清除完毕后，再拆除挂钩19，装上钢丝绳9，正式向环空区域内下放布设本发明的主环体。
作为优选，不少于4个变径挡块3关于主环体的垂直中间面左右对称布置。
本发明的装配、使用方法如下：如图11所示，工作平台上的工作人员利用氧割将护管18局部截断剥离，再依次将弹簧片2、变径挡块3、转轴销4、挡销5(含拉绳)安装在变径挡块占位缺口内，再从护管18局部截断剥离处将分体式的主环座1同轴地套装在立管17上，并用连接环7将主环座1的各分体固定连接成一个整体；将挂钩19装配在悬挂安装槽14内，并通过固定销6将挂钩下端与主环体固接，再通过人手握持挂钩，将本发明主环体下放至海平面一定深度下环空区域内，随后借助垂向惯性冲击力切除环空管线沿线的海生物；待海生物清除完毕后，人手握持挂钩19将主环体拉出，再拆除挂钩19，将钢丝绳9的一端插入悬挂安装槽14内，再绕过固定销6，随后将钢丝绳9从悬挂安装槽14内伸出，最后用钢丝绳卡扣10将钢丝绳9与主环座1扣紧；同时，利用螺栓等连接件将箍圈8箍紧于立管17外周壁上；通过葫芦吊等工具或者人手拉住钢丝绳9的自由端，再将主环体缓慢重新下放至原位置；适当调整3根钢丝绳的长度，使得主环体的轴线尽量与环空管线的轴线对齐；将钢丝绳9的自由端穿过吊装凸缘通孔831，同样利用钢丝绳卡扣10将钢丝绳9与箍圈8扣紧，如图11所示；这样一来，箍圈8通过钢丝绳9吊起主环体，并可承受后续封堵工序带来的负重。工作人员拉动拉绳，拔出挡销5，变径挡块3在弹性件回复力的作用下，自动向内变径并紧靠在立管外周壁上，这样既减少了封堵缝隙，从而降低了后续封堵难度，同时伸出的变径挡块3相当于悬臂梁，故又可有效支持环空区域内主环体之上的负重，防止负重发生倾覆。当本发明处于变径状态后，便可开展后续封堵施工流程；最后工作人员将护管局部割断处焊接修复。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)相对于复杂的液压式封隔器而言，本发明采用了机械式箍圈结构固定于立管11上，可靠性高(无液压内泄漏)，结构及制造工艺简单(无液压油路和锚爪结构，无锚齿渗碳处理等工艺)，造价成本低廉，且能够应用于更小的环空区域(不受液压油腔的内壁厚度限制)；
2)本发明采用的主环座1开有缺口，且主环座1的内周壁在靠近缺口处加工出直径变大的圆弧段轮廓，能够适用于立管17和护管18不同轴度较大的场合；
3)不同于液压式封隔器等现有技术，当本发明处于最佳变径状态时，变径挡块3均向内变径均匀伸出，且与立管12的外周壁贴合，封堵缝隙相对较小，封堵效果更好(近似形成了环向屏蔽)；在箍圈8与钢丝绳9抗拉强度和变径挡块3抗弯强度的综合保证下，当辅以现有封堵工艺，便可实现对环空区域内负重的有效承托，也即此时再向环空区域浇灌防护材料时，可以保证封隔器均匀受力，不会在环空管线内造成封隔器相对位置的偏转，进而引起负重倾覆事故；
4)本发明实现了变径挡块3向内变径，变径前因具有较大间隙，故顺应通过性好，方便布设；采用牵引拉绳拔出挡销5，使变径挡块向内张开，变径操作简单方便，可适用于不同外径尺寸的立管；
5)布设在海底的环空管线上附着有大量的牡蛎等海生物，影响封隔器在环空管线内下放，本发明连接环7的材质为白条钢，且其下边缘设置有锋利的切削刃，通过人手握持挂钩19，借助冲击力切除环空管线沿线的海生物，使得本发明兼顾具有去除环空区域内海生物的功能；
6)如图4所示，本发明实现了变径挡块3上部与主环体上表面的齐平，能平稳的封堵住环空区域，方便在主环座上表面安置封堵隔板，有利于浇筑保护介质进行封堵。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：包括主环体和箍圈(8)，主环体包括主环座(1)、弹性件和变径挡块(3)；
主环座(1)为分体式环形结构，且由连接环(7)紧固连接成一个整体；主环座(1)开有缺口；
变径挡块(3)的一侧通过转轴销(4)周向活动地安装于主环座(1)上；
箍圈(8)为分体式结构，设置于护管(18)与立管(17)之间的环空区域内，且位于主环体正上方；箍圈(8)通过钢丝绳(9)吊起主环体；
主环座(1)上靠近立管(17)的一侧开设有变径挡块占位缺口(16)；
弹性件安装在主环座(1)与变径挡块(3)之间，设置在变径挡块占位缺口(16)内。
2.根据权利要求1所述的一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：初始状态下，变径挡块(3)受卡件约束，变径挡块(3)完全卡设于变径挡块占位缺口(16)内；变径状态下，通过解除卡件约束，变径挡块(3)贴紧立管(17)外周壁，实现变径。
3.根据权利要求2所述的一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：卡件为一端用拉绳牵连的挡销(5)。
4.根据权利要求1所述的一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：弹性件为L形的弹簧片(2)；初始状态下，弹簧片(2)处于弹性变形状态；变径状态下，在弹簧片(2)弹性回复力作用下，弹簧片(2)将变径挡块(3)绕转轴销(4)向内推出实现变径。
5.根据权利要求1所述的一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：主环座(1)分为第一主环件(11)、第二主环件(12)和第三主环件(13)；连接环(7)位于主环座(1)正下方用于将第一主环件(11)、第二主环件(12)和第三主环件(13)连接成一个整体。
6.根据权利要求1所述的一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：主环座(1)的内周壁在靠近缺口处加工出偏心距为L且与主环座(1)内周等径的圆弧段轮廓。
7.根据权利要求1或2所述的一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：变径挡块(3)上表面与主环体上表面齐平；变径挡块(3)为环块体，并开设有阶梯状凸台，其具有第一台阶面(31)和第二台阶面(32)。
8.根据权利要求1所述的一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：箍圈(8)的外周关于箍圈的轴线等周向间隔地均匀设置有吊装凸缘(83)；与吊装凸缘(83)相对应地，主环座(1)的上端面开有悬挂安装槽(14)；钢丝绳(9)一端与吊装凸缘(83)固接，而另一端穿过悬挂安装槽(14)与主环座(1)固接。
9.根据权利要求1所述的一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：连接环(7)的材质为白条钢，且其下边缘设置有锋利的切削刃。
10.根据权利要求1所述的一种箍圈拉绳式可向内变径的封隔器，其特征在于：不少于4个变径挡块(3)关于主环体的垂直中间面左右对称布置。
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