CN112832708A - 一种用于环空管线的挂钩式封隔器 - Google Patents

Abstract

一种用于环空管线的挂钩式封隔器，包括挂钩、变径挡块和主环体，其中：主环体包括压环和基座环；压环、基座环依次由上至下垂向共轴地布置；挂钩竖直地设置于环空区域内；挂钩的下端与基座环固接，而挂钩的上端与护管固接；在压环与基座环之间留有环形间隙；在环形间隙内设置有导向体和变径挡块；压环可沿导向体相对基座环作垂向上下移动；变径挡块周向活动地套设于导向体上；在重力作用下，压环沿着销向下接触并挤压变径挡块，驱使变径挡块绕导向体转动一定角度。本发明可靠性高，结构及制造工艺简单，造价成本低廉，封堵效果好，可以保证封隔器均匀受力，能够适用于立管和护管不同轴度较大的场合。

Description

一种用于环空管线的挂钩式封隔器

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可自适应向 外变径的挂钩式封隔器。

背景技术

在石油开采钻探技术领域，尤其是在海上油气资源开采钻探领域，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；用于抽取油气资源的称之为油气立 管，二者统称为立管。由于海水对立管产生了强烈的电化学腐蚀作用，加之风暴 海浪、过往船对立管可能会造成机械损伤，故为了保护立管，使其使用寿命满足 设计年限要求，应在立管外周再套设钢质护管；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，但是现存环空管线中的环空区域多充填有海水，对立管，尤其是潮差带的 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保护介质，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 达到较好的堵水作用，但无法适用于本领域中高负重、小环空区域及立管护管不 同轴等工况。

为了提高封隔器的负重能力，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，尽管上 述液压式封隔器的负重高，但存在结构工艺复杂、造价成本较高、存在液压泄漏 风险、难以应用于小环空区域等局限性。

发明内容

为克服以上局限性，本发明设计了一种用于环空管线的挂钩式封隔器。

本发明一种用于环空管线的挂钩式封隔器，包括挂钩、变径挡块、主环体， 其中：主环体包括压环和基座环；

压环、基座环依次由上至下垂向共轴地布置；挂钩竖直地设置于环空区域内； 挂钩的下端与基座环固接，而挂钩的上端与护管固接；

在压环与基座环之间留有环形间隙；在环形间隙内设置有若干导向体和变径 挡块；压环可沿导向体相对基座环作垂向上下移动；变径挡块周向活动地套设于 导向体上；在重力作用下，压环沿着销向下接触并挤压变径挡块，驱使变径挡块 绕导向体转动一定角度；

作为优选，挂钩上部设置有倒“U”字型的钩体；所述钩体挂设于护管被氧 割的端面上；

作为优选，挂钩下端穿过压环，再插入并固定于基座环内。

作为优选，挂钩的钩体处间隔地设置有环形垫板；

更为优选，挂钩的钩体开设有贯通螺纹孔，可以通过螺钉将挂钩固定在护管 上；

作为优选，轴向导柱和变径挡块数量相同，且变径挡块关于主环体的对称中 间面左右对称布置；

作为优选，变径挡块下边缘倒角处理；

作为优选，初始状态下，变径挡块不超出压环与基座环之间相对的环空区域；

作为优选，导向体为销；销的上端与压环构成间隙配合，销周向活动地穿过 变径挡块，并与基座环构成过盈连接；

作为优选，压环设置有挤压凸台，挤压凸台具有向下延伸的锥形面；变径挡 块设置有与挤压凸台相对应的斜向滑面；

更为优选，通过施加弹性回复力，使得压环上的挤压凸台始终与变径挡块上 的斜向滑面始终保持接触。

更为优选，挤压凸台靠近压环内径设置，且锥形面面向护管。

作为优选，压环和基座环均为分体式结构；

作为优选，主环体开有缺口。

更为优选，主环体的内周壁在靠近缺口处加工出偏心的圆弧段轮廓。

本发明的有益之处为：

1)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)可连续自动变径，变径前封隔器顺应通过性好，便于布设；变径后不会 损伤立管防腐层，可适用于不同内径尺寸的护管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为图1中省略挂钩和环形垫板等零件后的三维爆炸图；

图3为本发明压环、变径挡块和基座环的三维装配示意图；

图4为如图1所示本发明的俯视图；

图5为如图1所示本发明处于变径状态时的仰视图(含立管和护管)；

图6为如图1所示本发明处于初始状态时的仰视图(含立管和护管)；

图7为在图4基础上仅画出压环和变径挡块且转变为变径状态时的结构示意 图；

图8为图5的A-A剖视图；

图9为图8中I处的局部放大图；

图10为第一压环件的结构示意图；

图11为变径挡块的结构示意图；

图12为环形连接块的俯视图；

图13为第一基座环的俯视图；

图14为第一基座环的仰视图；

图15为主环体缺口及偏心距为L的圆弧段轮廓示意图。

主要元件符号说明：

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详 细说明与附图，然而附图仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

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。

在本发明的各实施例中，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、图2和图3至图6所示，为本发明一种用于环空管线的挂钩式封隔 器，包括挂钩1、变径挡块5和主环体，其中：

主环体包括压环3和基座环6；

如图1和图2所示，压环3、基座环6依次由上至下垂向共轴地布置；挂钩 1竖直地设置于环空区域内；挂钩1的下端与基座环6固接，而挂钩1的上端与 护管9固接；

作为优选，本例中，挂钩1上部设置有如图1所示倒“U”字型的钩体；所 述钩体挂设于护管9被氧割的端面上；

作为优选，挂钩1的下端活动地穿过压环3上开设的挂钩安装通槽313，再 插入基座环6上开设的挂钩安装盲槽612内，利用径向设置的固定销将挂钩1 与基座环6固接；

作为优选，为了挂载平稳可靠，挂钩1的数量不少于3个；更为具体地，本 例中，为了兼顾紧凑可靠，挂钩1包括第一挂钩11、第二挂钩12、第三挂钩13； 第一挂钩11、第三挂钩13分别对称地设置于第二挂钩12的左右两侧；

作为优选，为了使得被截断的护管段再焊接回护管9的主体时，其焊接面端 口平整，第一挂钩11、第二挂钩12、第三挂钩13之间间隔地设置有环形垫板2， 环形垫板2的上端面与挂钩上端面平齐，环形垫板2的下端面与护管剥离后的端 面接触；

更为优选，钩体开设有贯通螺纹孔，可以通过螺钉将挂钩1固定在护管9 上，使整体结构更加稳定，刚度更高；

如图2和图3所示，在压环3与基座环6之间留有环形间隙；在环形间隙内 设置有若干柱状的导向体(未编号)和环状的变径挡块5；压环3可沿导向体相 对基座环6作垂向上下移动；变径挡块5周向活动地套设于导向体上；在重力作 用下，压环3沿着导向体向下接触并挤压变径挡块5，驱使变径挡块5绕导向体 转动一定角度，从而实现向内(靠近立管10的外周壁)或向外(靠近护管9的 内周壁)变径；

作为优选，轴向导柱(未编号)和变径挡块5数量相同；本例中，数量均为 6，变径挡块5关于主环体的对称中间面左右对称布置；

作为优选，如图6所示，初始状态下(也即本发明变径挡块未向外变径张开 时)，变径挡块5不超出压环3与基座环6之间相对的环空区域；

作为优选，本例中，如图2和图3所示，导向体为销(未编号)；销的上端 与压环3构成间隙配合，销再周向活动地穿过变径挡块5，最后与基座环6构成 过盈连接；

如图3、图10和图11所示，压环3设置有挤压凸台312，更为具体地，挤 压凸台312具有向下延伸的锥形面；变径挡块5上设置有与挤压凸台312相对应 的斜向滑面51；当压环3受到其上保护介质的负荷重力作用时，在销的导引下， 压环3的挤压凸台312就会挤压变径挡块5的斜向滑面51，使变径挡块5绕销 转动，实现变径；

更为优选，为了使得变径可靠，通过施加弹性回复力，如采用扭簧(未画出)， 使得压环3上的挤压凸台312始终与变径挡块5上的斜向滑面51始终保持接触。

更为优选，为了防止变径挡块5在变径时因过载而过度挤压立管10的外周 壁，进而导致变径挡块5损伤破坏立管10上已有防腐涂层，挤压凸台312靠近 压环3内径设置，且锥形面面向护管9。这样一来，变径挡块5仅向外变径。本 发明最佳变径状态(便于后续封堵工序)为，变径挡块5均向外变径伸出，且与 护管9的内周壁贴合，形成了环向屏蔽，而封隔器的内径与立管10的外周壁留 有适当的间隙，便于布设；

作为优选，为了便于变径，变径挡块5下边缘倒角处理；

作为优选，考虑到立管10很长，且不能被切割，为了便于装配，如图2和 图3所示，压环3和基座环6均为分体式结构，具体地：

主环体还包括分体式的压环箍圈4(包括第一环形箍圈件41和第二环形箍 圈件42)、环形连接块7；压环3还包括第一压环件31、第二压环件32和第三 压环件33，三者通过压环箍圈4箍紧成一个整体；更为具体地，压环箍圈4与 压环2共轴且上表面齐平，压环箍圈4沿其径向设有箍圈连接螺钉孔411，压环 箍圈4借助箍圈连接螺钉孔411利用螺钉将压环2箍紧成一个整体；此外，当立 管10与护管9同轴度误差较小时，为了连接更加牢靠，借助螺纹紧固件，通过 箍圈连接板8将第一环形箍圈件41和第二环形箍圈件42对接处进行加固处理；

基座环6还包括第一基座环件61、第二基座环件62和第三基座环件63；如 图12所示，基座环6下方共轴地设置有环形连接块7，环形连接块7上设有螺 钉通过孔71，基座环6上设有基座环紧固螺纹孔613，通过螺钉利用环形连接块 7将第一基座环件61、第二基座环件62和第三基座环件63连接成一个整体；

如图10、图11、图13和图14所示，第一压环件31、第二压环件32和第 三压环件33均轴向开有压环连接销孔311，变径挡块5上设有挡块连接销孔52， 第一基座环件61、第二基座环件62和第三基座环件63均轴向开有基座环连接 销孔611；销活动地穿过压环3的压环连接销孔311、变径挡块5的挡块连接销 孔52，再与基座环6的基座环连接销孔611形成过盈配合；

更为优选，当立管10与护管9存在较大同轴度误差时，为了避免干涉，主 环体开有缺口；具体地，如图1、图2和图3所示，压环3与基座环6就为圆心 角为300°的非整周圆环；

更为优选，当立管10与护管9存在较大同轴度误差时，为了进一步避免干 涉，主环体的内周壁在靠近缺口处加工出如图15所示偏心距为L的圆弧段轮廓。

以下是本发明具体实施例的装配及使用步骤：

将变径挡块5初步设置于分体式的压环3和基座环6之间，随后将主体部分 套装于立管上，再用压环箍圈4、环形连接块7分别将分体式的压环3和基座环 6固定连接成一个整体，再将挂钩1与主环体部分固接，进而形成一个整体的封 隔器(见图1)；如前所述，将护管局部对半截断剥离，再在工作平台上使用吊 具将封隔器从护管截断剥离处下放至如图8所示预定位置，将挂钩1挂在护管9 的端面上，本例中，第一挂钩11、第二挂钩12和第三挂钩13挂于护管9上端 口，环形垫板2间隔设置于第一挂钩11、第二挂钩12和第三挂钩13之间；随后，开展后续封堵施工流程；期间，在水泥等保护介质持续增加的重力，以及封 堵件和压环3自身重力作用下，压环3沿着销向下接触并挤压变径挡块5，驱使 变径挡块5向外张开并与护管9接触，如图5所示，为变径挡块5向外变径张开， 也即本发明处于变径状态。

与现有封隔器相比，本发明的优势在于：

1)相对于液压式封隔器，本发明采用了机械式挂钩结构固定于护管9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)本发明采用的主环体开有缺口，且主环体的内周壁在靠近缺口处加工出 具有一定偏心距的圆弧段轮廓，能够适用于立管10和护管9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5均向外变径均匀伸出，且与护管9的内周壁贴合，封堵缝隙相对较小，封 堵效果更好(近似形成了环向屏蔽)；在挂钩1抗拉强度和变径挡块5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， 也即此时在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。

4)本发明实现了变径挡块5的连续自动变径，变径前因封隔器具有较大间 隙，故顺应通过性好，便于布设；向外变径，不会损伤立管防腐层，可适用于不 同内径尺寸的护管9。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即局限本发明的专利范围， 故凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效结构变化，均同理皆包含于本发明 的范围内，合予陈明。

Claims (10)

1.一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：包括挂钩1、变径挡块5和主环体，其中：

主环体包括压环3和基座环6；

压环3、基座环6依次由上至下垂向共轴地布置；挂钩1竖直地设置于环空区域内；挂钩1的下端与基座环6固接，而挂钩1的上端与护管9固接；

在压环3与基座环6之间留有环形间隙；在环形间隙内设置有导向体和变径挡块5；压环3可沿导向体相对基座环6作垂向上下移动；变径挡块5周向活动地套设于导向体上；在重力作用下，压环3沿着销向下接触并挤压变径挡块5，驱使变径挡块5绕导向体转动一定角度；

基座环6的下端用环形连接块7将基座环6连接成一个整体。

2.根据权利要求1所述的一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：挂钩1上部设置有倒“U”字型的钩体；钩体挂设于护管9被氧割的端面上；钩体开设有贯通螺纹孔；挂钩1下端穿过压环3，再插入并固定于基座环6内。

3.根据权利要求1所述的一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：变径挡块5关于主环体的对称中间面左右对称布置；变径挡块5下边缘倒角处理。

4.根据权利要求1所述的一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：导向体为销；销的上端与压环3构成间隙配合，销周向活动地穿过变径挡块5，并与基座环6构成过盈连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：压环3设置有挤压凸台312，挤压凸台312具有向下延伸的锥形面，挤压凸台312靠近压环3内径设置，且锥形面面向护管；变径挡块5设置有与挤压凸台312相对应的斜向滑面51。

6.根据权利要求5所述的一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：初始状态下，变径挡块5不超出压环3与基座环6之间相对的环空区域；通过施加弹性回复力，使得挤压凸台312始终与斜向滑面51始终保持接触。

7.根据权利要求6所述的一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：挤压凸台312靠近压环3的内径设置，且锥形面面向护管9。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：压环3和基座环6均为分体式结构。

9.根据权利要求8所述的一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：主环体开有缺口。

10.根据权利要求9所述的一种用于环空管线的挂钩式封隔器，其特征在于：主环体的内周壁在靠近缺口处加工出偏心的圆弧段轮廓。

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