CN113338846A - 一种封隔式分级注水泥装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种封隔式分级注水泥装置，包括依次连接的二级注水泥组件、胶筒注液组件和胶筒封隔组件，所述胶筒注液组件包括在二级固井前提供胶筒封隔组件初步胀封压力的内注液通道、在二级固井时进一步提供胶筒封隔组件胀封压力的外注液通道、以及在外部环空达到一定压力时开启外注液通道的开启部件，所述外注液通道的两端分别连通所述内注液通道和外部环空，所述开启部件设于所述外注液通道内。本发明具有提高封隔器承压能力，保证固井质量和施工可靠性，且结构紧凑等优点。

Description

一种封隔式分级注水泥装置
技术领域
本发明涉及石油固井技术领域，尤其涉及一种封隔式分级注水泥装置。
背景技术
随着封隔器在完井、酸化压裂作业的广泛应用，其在固井作业的应用也越来越多。完井、酸化压裂用封隔器的胶筒内囊随着管内压力升高而增大，其管外封隔环空的承压能力大；但在固井作业中，封隔器在胶筒内囊达到一定压力后，便会关闭注液通道，其使得封隔器的胶筒内囊压力小、管外封隔环空的承压能力低。
而随着油气勘探开发的不断深入，深井、超深井、漏失井等不断增多，其对封隔器环空承压能力的要求越来越高，现有的低承压封隔器无法满足需求，其极易引起胶筒挤压变形而出现胶筒击穿破裂的现象，在固井作业施工时容易发生漏失、油气水上窜等问题；同时，封隔器的低承压能力使得分级固井时水泥面高度无法控制，从而影响固井质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种提高封隔器承压能力，保证固井质量和施工可靠性，且结构紧凑的封隔式分级注水泥装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种封隔式分级注水泥装置，包括依次连接的二级注水泥组件、胶筒注液组件和胶筒封隔组件，所述胶筒注液组件包括在二级固井前提供胶筒封隔组件初步胀封压力的内注液通道、在二级固井时进一步提供胶筒封隔组件胀封压力的外注液通道、以及在外部环空达到一定压力时开启外注液通道的开启部件，所述外注液通道的两端分别连通所述内注液通道和外部环空，所述开启部件设于所述外注液通道内。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述开启部件包括带有阀孔的爆破阀、单向导通阀及通道密封件，所述爆破阀靠近外部环空设置，并在外部环空达到一定压力时击穿；所述单向导通阀包括阀芯和阀芯弹簧，所述阀芯通过阀芯弹簧的作用力抵紧于所述爆破阀的阀孔位置；所述通道密封件设于所述爆破阀与所述外注液通道之间。
所述胶筒注液组件还包括防止胀封液体返流的单向导通部件，所述单向导通部件包括单向封堵块、复位弹簧及容纳腔，所述容纳腔设于所述内注液通道上，所述单向封堵块在复位弹簧的弹性作用力下抵设于所述容纳腔的顶端，以控制所述内注液通道的通断。
所述胶筒注液组件还包括防止胀封液体漏出的防漏密封件，所述防漏密封件设于所述单向封堵块的上端面和内侧面。
所述胶筒注液组件还包括套筒主体，所述套筒主体包括外套筒、内套筒及弹簧套筒，所述内套筒及弹簧套筒分别螺纹连接于所述外套筒下端的内外侧，以形成所述容纳腔；所述内注液通道依次穿过所述外套筒内部、所述外套筒与内套筒之间的间隙、所述容纳腔，以及所述弹簧套筒与所述内套筒之间的间隙。
所述二级注水泥组件包括带有循环孔的外套、在二级固井时打开循环孔的打开套，以及在二级固井后关闭循环孔的关闭套，所述打开套通过第一剪钉安装于所述外套内，并密封所述循环孔；所述关闭套通过第二剪钉安装于所述外套内，并位于所述打开套的上方。
所述二级注水泥组件还包括打开塞、打开塞座、第三剪钉和承接座，其中，所述打开塞在一级固井后与打开塞座密封配合；所述打开塞座通过第三剪钉安装于所述打开套内，且所述第三剪钉的强度小于所述第一剪钉的强度；所述承接座设于所述打开塞座的下方；所述内注液通道的进液孔设于所述打开套上，且与所述第三剪钉的安装孔集成设置。
所述打开套上设有在打开循环孔时关闭内注液通道的关闭密封件，以及在内注液通道进液时防止液体外漏的进液密封件，所述关闭密封件设于所述打开套的上端部及中部；所述进液密封件设于所述内注液通道的进液孔的两端。
所述二级注水泥组件还包括关闭塞、以及在二级固井后与关闭塞密封配合的关闭塞座，所述关闭塞座的内径大于所述打开塞座的内径。
所述二级注水泥组件还包括卡簧和卡簧槽，所述卡簧呈压缩状设于所述关闭套上，所述卡簧槽设于外套上，所述卡簧在关闭套关闭循环孔时卡入所述卡簧槽内。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的胶筒注液组件设置有内注液通道、外注液通道和开启部件，内注液通道在二级固井前提供胶筒封隔组件初步胀封压力，其使得外部环空分隔为两段，以防止在二级固井时上部环空液体进入下部环空，因胶筒封隔组件胀封后承受上部环空的压力，起到隔离下部漏失层、防止二级固井循环液体进入漏失层的作用，有效避免了下部水泥承受过大的液柱压力引起的漏失层漏失加剧的问题，且有效控制了一级固井水泥面的高度；同时，在二级固井达到一定压力时开启部件打开外注液通道，外注液通道通过内注液通道继续往胶筒封隔组件加压，其进一步提高了胶筒封隔组件的承压能力，进而承受来自上部环空的压力，有效控制二级固井的水泥面高度。本发明采用内注液通道、外注液通道和开启部件组合的形式使得胶筒封隔组件内外加压，进而有效保证了胶筒封隔组件的后期承压能力，有效控制了二级固井的水泥面高度，二级注水泥施工可靠性及固井质量高，且避免了气窜现象的发生。
同时，外注液通道的两端分别连通内注液通道和外部环空，开启部件设于外注液通道内，其整体结构简单、紧凑，在提高封隔器承压能力的同时，无需增加额外的布置空间，其成本低、美观性好。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是本发明封隔式分级注水泥装置的结构示意图。
图2是图1的A-A截面的剖视图。
图3是图2的A部的放大示意图。
图4是本发明封隔式分级注水泥装置的局部示意图(封压胶筒初步胀封状态)。
图5是本发明封隔式分级注水泥装置的局部示意图(循环孔打开状态)。
图6是本发明封隔式分级注水泥装置的局部示意图(循环孔关闭状态)。
图7是本发明打开塞的结构示意图。
图8是本发明关闭塞的结构示意图。
图中各标号表示：
1、二级注水泥组件；11、外套；111、循环孔；12、打开部件；121、打开套；122、第一剪钉；123、打开塞；124、打开塞座；125、第三剪钉；126、承接座；127、关闭密封件；128、进液密封件；13、关闭部件；131、关闭套；132、第二剪钉；133、关闭塞；134、关闭塞座；135、卡簧；136、卡簧槽；2、胶筒注液组件；21、内注液通道；211、进液孔；22、外注液通道；23、开启部件；231、爆破阀；2311、阀孔；232、单向导通阀；2321、阀芯；2322、阀芯弹簧；233、通道密封件；24、单向导通部件；241、单向封堵块；242、复位弹簧；243、容纳腔；244、防漏密封件；25、外套筒；26、内套筒；27、弹簧套筒；3、胶筒封隔组件；31、封压胶筒；32、液压腔；4、上接头。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1至图6示出了本发明封隔式分级注水泥装置的实施例，该实施例用于深井、超深井、漏失井的固井施工中。本实施例中，封隔式分级注水泥装置包括依次连接的二级注水泥组件1、胶筒注液组件2和胶筒封隔组件3，胶筒注液组件2包括内注液通道21、外注液通道22及开启部件23。其中，内注液通道21沿注水泥装置的轴向设置，且内注液通道21的两端分别连通注水泥装置的内腔和胶筒封隔组件3，以在二级固井前提供胶筒封隔组件3初步胀封压力，其环空封隔压力能达到20MPa左右；外注液通道22的两端分别连通内注液通道21和外部环空，开启部件23设于外注液通道22内，在二级固井、外部环空达到一定压力时开启部件23开启外注液通道22，此时，外注液通道22进一步提供胶筒封隔组件3胀封压力。本发明整体结构简单、紧凑，在提高封隔器承压能力的同时，无需增加额外的布置空间，其成本低、美观性好。
本发明的胶筒注液组件设置有内注液通道21、外注液通道22和开启部件23，内注液通道21在二级固井前提供胶筒封隔组件3初步胀封压力，其使得外部环空分隔为两段，以防止在二级固井时上部环空液体进入下部环空，因胶筒封隔组件3胀封后承受上部环空的压力，起到隔离下部漏失层、防止二级固井循环液体进入漏失层的作用，有效避免了下部水泥承受过大的液柱压力引起的漏失层漏失加剧的问题，且有效控制了一级固井水泥面的高度；同时，在二级固井达到一定压力时，开启部件23打开外注液通道22，外注液通道22通过内注液通道21继续往胶筒封隔组件3加压，其进一步提高了胶筒封隔组件3的承压能力，进而承受来自上部环空的压力，有效控制二级固井的水泥面高度。本发明采用内注液通道21、外注液通道22和开启部件23组合的形式使得胶筒封隔组件3内外加压，进而有效保证了胶筒封隔组件3的后期承压能力，有效控制了二级固井的水泥面高度，二级注水泥施工可靠性及固井质量高，且避免了气窜现象的发生。
进一步地，如图2和图3所示，开启部件23包括带有阀孔2311的爆破阀231、单向导通阀232及通道密封件233。其中，爆破阀231靠近外部环空设置，并通过螺接的方式安装于外注液通道22内；单向导通阀232包括阀芯2321和阀芯弹簧2322，阀芯2321通过阀芯弹簧2322的作用力抵紧于爆破阀231的阀孔2311位置；通道密封件233设于爆破阀231与外注液通道22之间，以使外注液通道22关闭时处于有效密封状态。其整体结构简单、紧凑，开启部件23的设置无需增加外注液通道22的尺寸。
在进行二级固井、环空固井压力达到爆破阀231的爆破压力时，爆破阀231击穿，此时，单向导通阀232的阀芯2321下行打开外注液通道22，液体从外注液通道22、内注液通道21进入胶筒封隔组件3中，从而使得胶筒封隔组件3的环空承压能力进一步提高。即本发明通过环空固井压力即可自动开启外注液通道22，其操作方便、可靠性高。
进一步地，如图1和图5所示，胶筒注液组件2还包括单向导通部件24，单向导通部件24包括单向封堵块241、复位弹簧242及容纳腔243。其中，容纳腔243设于内注液通道21上，单向封堵块241在复位弹簧242的弹性作用力下抵设于容纳腔243的顶端。其结构简单，且在内注液通道21进口关闭的同时进一步密封内注液通道21，实现内注液通道21的双重密封。
在胶筒封隔组件3胀封时，单向封堵块241在注液压力作用下下行，此时内注液通道21打开，完成胶筒封隔组件3的胀封。在胶筒封隔组件3胀封完成后，单向封堵块241在复位弹簧242的弹性作用力和胶筒封隔组件3的胀封压力下抵紧容纳腔243的顶端，以封堵内注液通道21，其有效防止了胶筒封隔组件3的胀封液体返流进入注水泥装置的内腔，避免了注水泥装置液体内外贯通的发生，保住了注水泥装置的整体密封效果。
更进一步地，胶筒注液组件2还包括防漏密封件244。防漏密封件244设于单向封堵块241的上端面和内壁面，以分别与外套筒25和内套筒26形成密封配合，进一步防止胀封液体外漏，保证密封效果。
如图1、图5所示，本实施例中，胶筒注液组件2还包括套筒主体，套筒主体包括外套筒25、内套筒26及弹簧套筒27。其中，内套筒26螺纹连接于外套筒25下端的内侧，弹簧套筒27螺纹连接于外套筒25下端的外侧，以围合形成容纳腔243。同时，内注液通道21依次穿过外套筒25内部、外套筒25与内套筒26之间的间隙、容纳腔243，以及弹簧套筒27与内套筒26之间的间隙，之后进入胶筒封隔组件3实现胀封。本发明套筒主体分体式的设置形式方便装卸；且通过各部件之间留有的间隙、围合的空间，在不增加套筒主体尺寸的基础上，实现了内注液通道21的巧妙合理设置。
本实施例中，二级注水泥组件1包括外套11、打开部件12及关闭部件13。其中，外套11上设有循环孔111，用于连通注水泥装置的内腔与外部环空，完成二级固井；打开部件12包括打开套121和第一剪钉122，打开套121通过第一剪钉122安装于循环孔111位置；关闭部件13包括关闭套131和第二剪钉132，关闭套131通过第二剪钉132安装于外套11内，且关闭套131位于打开套121的上方。
在二级固井时，第一剪钉122剪断、打开套121下行，即可打开循环孔111进行二级固井。在二级固井后，第二剪钉132剪断、关闭套131下行，即可关闭循环孔111。本发明通过打开套121和关闭套131的组合形式实现循环孔111的可靠开合，保证了二级固井的顺利进行。
如图1及图7所示，本实施例中，打开部件12还包括打开塞123、打开塞座124、第三剪钉125和承接座126。其中，打开塞123在一级固井后与打开塞座124密封配合；打开塞座124通过第三剪钉125安装于打开套121内，且第三剪钉125的强度小于第一剪钉122的强度；承接座126螺接打开套121内，且承接座126设于打开塞座124的下方，以用于坐落下移的打开塞座124。同时，内注液通道21的进液孔211设于打开套121上，进液孔211与第三剪钉125的安装孔集成设置，使得进液孔211在第三剪钉125剪断时打开。
在一级固井结束后，投入打开塞123，打开塞123下行与打开塞座124密封配合，向注水泥装置的内腔泵压，促使第三剪钉125剪断，使得打开塞座124下移并坐落在承接座126上，此时，内注液通道21的进液孔211打开，液体通过进液孔211进入到内注液通道21内，从而完成胶筒封隔组件3的初步胀封。在初步胀封后，继续加压，促动第一剪钉122剪断，以使得打开套121下移，从而露出循环孔111，以进行二级固井。其操作方便，且通过各部件的组合形式可依次打开进液孔211和循环孔111，通过打开部件12即可高效、可靠的依次完成初步胀封和二级固井，注水泥装置连续二级施工，缩短了施工周期，降低了作业成本。
如图5所示，本实施例中，打开套121上设有关闭密封件127和进液密封件128。其中，关闭密封件127设于打开套121的上端部及中部，在打开循环孔111时，关闭密封件127密封于内注液通道21进口的上下两端，以关闭内注液通道21。进液密封件128设于内注液通道21的进液孔211的两端，以在一级固井时、内注液通道21进液前，避免液体进入内注液通道21、提前胀封封压胶筒31现象的发生。本实施例中，位于打开套121中部的关闭密封件127与位于进液孔211上端的进液密封件128为同一密封件，在其他实施例中，位于打开套121中部的关闭密封件127与位于进液孔211上端的进液密封件128也可单独设置。
如图1及图8所示，关闭部件13还包括关闭塞133和关闭塞座134。在二级固井后，下入的关闭塞133与关闭塞座134密封配合，在泵压过程中，当压力促动第二剪钉132剪断后，关闭套131下行并关闭循环孔111，以保证注水泥装置处于安全状态。
本实施例中，关闭塞座134的内径大于打开塞座124的内径，以方便打开塞123下入至关闭塞座134下方的打开塞座124上。本实施例中，关闭塞133同时具备替浆等功能，打开塞123为重力塞。
进一步地，关闭部件13还包括卡簧135和卡簧槽136，卡簧135呈压缩状设于关闭套131上，卡簧135槽设于外套11上，卡簧135在关闭套131关闭循环孔111时卡入卡簧槽136内，以限制关闭套131的轴向位置。其结构简单、可靠性高。在其他实施例中，只要能限制关闭套131的轴向位置的结构均应在本发明的保护范围内。
本实施例中，胶筒封隔组件3包括封压胶筒31和液压腔32，封压胶筒31套设于内套筒26的外侧，以形成注入水泥浆的液压腔32。本实施例中，外套11的上方螺接有上接头4，以使注水泥装置与外部套管连接。
本实施例中，封隔式分级注水泥装置的工作过程为：
(1)如图4所示，在一级固井结束后，投入打开塞123，打开塞123下行与打开塞座124密封配合，同时，向注水泥装置的内腔泵压，促使第三剪钉125剪断，使得打开塞座124下移并坐落在承接座126上，此时，内注液通道21的进液孔211打开，液体通过进液孔211进入到内注液通道21内，并进入到胶筒封隔组件3的液压腔32中，在液压力作用下，封压胶筒31膨胀坐封，实现初步胀封。
(2)如图5所示，在初步胀封后，继续加压，促动第一剪钉122剪断，以使得打开套121下移，从而露出循环孔111，以进行二级固井。
(3)如图6所示，在固井循环后、预关闭循环孔111时，下入关闭塞133，在固井顶替，关闭塞133下落过程中，环空固井压力将促动爆破阀231击穿，此时外注液通道22打开，使得环空液体通过外注液通道22、内注液通道21进入胶筒封隔组件3的液压腔32中，使得液压腔32的压力升高，进而提高胶筒封隔组件3的环空承压能力；当关闭塞133下落过到打开塞座124时形成密封，在泵压过程中，当压力促动第二剪钉132剪断后，关闭套131下行并关闭循环孔111，同时，卡簧135进入到卡簧槽136中，防止关闭套131轴向移动，以实现永久关闭。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种封隔式分级注水泥装置，包括依次连接的二级注水泥组件、胶筒注液组件和胶筒封隔组件，其特征在于，所述胶筒注液组件包括在二级固井前提供胶筒封隔组件初步胀封压力的内注液通道、在二级固井时进一步提供胶筒封隔组件胀封压力的外注液通道、以及在外部环空达到一定压力时开启外注液通道的开启部件，所述外注液通道的两端分别连通所述内注液通道和外部环空，所述开启部件设于所述外注液通道内。
2.根据权利要求1所述的封隔式分级注水泥装置，其特征在于，所述开启部件包括带有阀孔的爆破阀、单向导通阀及通道密封件，所述爆破阀靠近外部环空设置，并在外部环空达到一定压力时击穿；所述单向导通阀包括阀芯和阀芯弹簧，所述阀芯通过阀芯弹簧的作用力抵紧于所述爆破阀的阀孔位置；所述通道密封件设于所述爆破阀与所述外注液通道之间。
3.根据权利要求1所述的封隔式分级注水泥装置，其特征在于，所述胶筒注液组件还包括防止胀封液体返流的单向导通部件，所述单向导通部件包括单向封堵块、复位弹簧及容纳腔，所述容纳腔设于所述内注液通道上，所述单向封堵块在复位弹簧的弹性作用力下抵设于所述容纳腔的顶端，以控制所述内注液通道的通断。
4.根据权利要求3所述的封隔式分级注水泥装置，其特征在于，所述胶筒注液组件还包括防止胀封液体漏出的防漏密封件，所述防漏密封件设于所述单向封堵块的上端面和内侧面。
5.根据权利要求3所述的封隔式分级注水泥装置，其特征在于，所述胶筒注液组件还包括套筒主体，所述套筒主体包括外套筒、内套筒及弹簧套筒，所述内套筒及弹簧套筒分别通过螺纹连接于所述外套筒下端的内外侧，以形成所述容纳腔；所述内注液通道依次穿过所述外套筒内部、所述外套筒与内套筒之间的间隙、所述容纳腔，以及所述弹簧套筒与所述内套筒之间的间隙。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的封隔式分级注水泥装置，其特征在于，所述二级注水泥组件包括带有循环孔的外套、在二级固井时打开循环孔的打开套，以及在二级固井后关闭循环孔的关闭套，所述打开套通过第一剪钉安装于所述外套内，并密封所述循环孔；所述关闭套通过第二剪钉安装于所述外套内，并位于所述打开套的上方。
7.根据权利要求6所述的封隔式分级注水泥装置，其特征在于，所述二级注水泥组件还包括打开塞、打开塞座、第三剪钉和承接座，其中，所述打开塞在一级固井后与打开塞座密封配合；所述打开塞座通过第三剪钉安装于所述打开套内，且所述第三剪钉的强度小于所述第一剪钉的强度；所述承接座设于所述打开塞座的下方；所述内注液通道的进液孔设于所述打开套上，且与所述第三剪钉的安装孔集成设置。
8.根据权利要求7所述的封隔式分级注水泥装置，其特征在于，所述打开套上设有在打开循环孔时关闭内注液通道的关闭密封件，以及在内注液通道进液时防止液体外漏的进液密封件，所述关闭密封件设于所述打开套的上端部及中部；所述进液密封件设于所述内注液通道的进液孔的两端。
9.根据权利要求7所述的封隔式分级注水泥装置，其特征在于，所述二级注水泥组件还包括关闭塞、以及在二级固井后与关闭塞密封配合的关闭塞座，所述关闭塞座的内径大于所述打开塞座的内径。
10.根据权利要求9所述的封隔式分级注水泥装置，其特征在于，所述二级注水泥组件还包括卡簧和卡簧槽，所述卡簧呈压缩状设于所述关闭套上，所述卡簧槽设于外套上，所述卡簧在关闭套关闭循环孔时卡入所述卡簧槽内。
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