CN115012876A - 一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞 - Google Patents

一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，包括坐封机构、锚定机构、引鞋、辅助推进装置，还包括防突装置、胶筒、膨胀机构。引鞋与辅助推进装置及下防突装置相互连接，挡块与下防突装置固定，卡瓦组放在锥体推块的卡瓦导向槽及下防突装置中空位置，与锥体推块斜面配合，膨胀机构通过推杆与锥体推块相互连接，膨胀机构的外侧装有胶筒，胶筒安装在两胶筒保护套之间，胶筒卡入胶筒保护套的卡槽内固定，胶筒保护套两侧均连接防突装置，坐封机构与膨胀机构连接，坐封机构内部设有导压孔与膨胀推块及推杆内部的导压孔连通。本发明的可溶桥塞，既能在套管严重缩径变形时平稳通过，又能在胶筒大变径膨胀时更好的密封，并快速完成封隔。

Description

一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞
技术领域
本发明涉及石油天然气、页岩气、煤层气储层压裂作业井下工具技术领域，具体涉及一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞。
背景技术
随着高效油气田不断开发，高品位油藏日益减少，低渗、特低渗、稠油油气田、致密气、页岩气等一些非常规油气田成为开发主力。在油气田开发中，经常使用桥塞射孔联作工艺技术，该技术能够实现一次下井、分簇射孔、分段压裂，具有施工速度快、压裂效率高等优点，是非常规油气田储层改造的主要手段。而桥塞技术一直以来是其中的重中之重，目前使用最广泛的是可溶桥塞。
可溶桥塞主要由桥塞主体、卡瓦、密封胶筒等组成，由于现有的电缆可溶桥塞的外径都在95mm以上，在水平井压裂中或压裂后出现套管严重缩径变形时，无法泵送至预定设计位置，不能有效实现分隔作用，极大的影响了施工效率，严重阻碍气井快速投产。
发明内容
本发明的目的是设计一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，既能够在套管严重缩径变形时平稳通过，又能在胶筒大变径扩张时更好的密封，并快速完成封隔，可实现水平井分段压裂高效作业。
本发明专利的技术方案是：一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，包括引鞋、坐封机构、锚定机构、辅助推进装置，还包括防突装置、胶筒、膨胀机构。与锚定机构中的锥体推块配合的引鞋与下防突装置连接，挡块与锥体推块均在下防突装置内部，挡块与下防突装置连接固定，卡瓦组与锥体推块的斜面配合放在锥体推块的卡瓦导向槽及下防突装置中空位置，膨胀机构通过推杆与锥体推块连接可在内部活动，膨胀机构的外侧套有胶筒，胶筒安装在两胶筒保护套之间，胶筒通过卡入胶筒保护套的卡槽稳定连接，胶筒保护套两侧均连接防突装置，坐封机构与膨胀机构连接，坐封机构内部设有导压孔与膨胀推块及推杆内部的导压孔连通，随着坐封销钉被剪断，由挡块、上防突装置和胶筒所形成的内腔压强与外界压强达到平衡时，膨胀推块向下限位移动，与膨胀推块斜面槽配合的膨胀滑块在推力的作用下径向扩张，使胶筒完全膨胀紧贴套管内壁，同时推杆推动锥体推块向下限位移动驱使卡瓦组沿径向向外移出，快速啮入套管壁完成锚定。该结构中，胶筒能跟随膨胀机构由初始小直径到紧贴套管壁大变形稳定扩张，实现大范围更好的密封，推杆推动锥体推块向下限位移动使卡瓦组沿径向向外移出，使其更灵活地啮入套管壁完成锚定，膨胀滑块和锥体推块的行程设置使胶筒的膨胀和卡瓦的锚定能够同步完成。
所述的引鞋的外螺纹与辅助推进装置的内螺纹相互连接，内部开设有螺栓连接孔与下防突装置固定连接，同时设有足够空间的锥体推块活动通道及卡瓦活动槽。
所述的锚定机构包括锥体推块、卡瓦组、卡瓦高压密封箍环、推杆。所述的锥体推块呈六个斜面锥体形状，配合卡瓦斜面，顶端设有推杆活动通道，下端圆柱体设有卡瓦导向槽，推杆通过活动通道，推动锥体推块下限位移动，配合引鞋上的卡瓦活动槽，驱使卡瓦能够沿着径向从卡瓦导向槽向外移动，实现坐卡。
所述的卡瓦组为分瓣式单卡瓦组，由六个卡瓦及两个卡瓦高压密封箍环构成。所述的卡瓦主体为直角梯形，前端斜面配合斜面锥体，上方均匀分布有卡瓦牙，卡瓦牙设计成片状齿形结构，下方设有卡瓦防脱落顶块，两端开设有等间距的槽，各槽内分别装有卡瓦高压密封箍环，用于固定卡瓦组。卡瓦基体由镁基合金材料构成，上部卡瓦牙采用硬质合金材料。
所述的防突装置共设有两个，其中下防突装置下端设有卡瓦挡杆，中间为空心使锥体推块在内部活动，并与引鞋通过螺栓互相连接，上防突装置下端开设有六个坐封销钉孔，同时与膨胀机构及坐封机构相配合，使膨胀机构及坐封机构在其内部均可以活动。
所述的胶筒采用硬度为87HA的氢化丁腈橡胶制成。氢化丁腈橡胶耐高温达178℃,耐酸碱，抗腐蚀，抗腐蚀能力强；其硬度范围为80-90HA，在单轴拉伸试验中应变范围在100％以内，属于中小变形范围，不会出现硬化现象；并且该材料属于不可压缩材料，具有良好的超弹性性能。
所述的膨胀机构包括膨胀推块、膨胀滑块及挡块，其中膨胀推块和膨胀滑块均在胶筒内部。所述的膨胀推块中部有斜面槽与膨胀滑块斜面配合，上端开设有六个坐封销钉孔与上防突装置相配合，下端设有推杆螺纹连接孔。所述的膨胀滑块主体呈梯形，上方弧形体两端开设有等间距的槽，各槽内分别装有膨胀机构高压密封箍环，用于固定膨胀滑块，尾部加工了球柱，限制了膨胀滑块只能上下自由活动。所述的挡块上端设有推杆活动通道及膨胀滑块球座活动槽，下端为中空形式沿圆周方向布置有螺栓连接孔，与下防突装置连接固定。
所述的坐封机构下端小直径圆柱内螺纹与膨胀推块的外螺纹相互连接，上端为丢手接头与坐封工具连接。
本发明专利的优点是：
1)本发明的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞外径为80mm，与现有的可溶桥塞相比，具有外径小，胶筒膨胀密封范围大，无需连续油管下入，并可以解决目前页岩气体积压裂套管严重缩径变形无可用分隔工具的情况。
2)本发明所设计的分瓣式单卡瓦组结构，由一组卡瓦和卡瓦高压密封箍环组成，结构简单、体积小、坐封距离短。卡瓦基体由镁基合金材料构成，上部卡瓦牙采用硬质合金材料，能可靠地啮入套管壁起锚定作用，具有较镶齿卡瓦更强的承载能力；卡瓦牙与镁基合金材料基体属面面接触，有效改善镁基合金材料基体的受力；采用锐齿类卡瓦将镶齿类卡瓦的点接触转换为线接触，能降低啮入深度减轻对套管损伤。
3)本发明所设计的胶筒膨胀方式为推动胶筒内部的膨胀推块使与其斜面配合的膨胀滑块，沿着径向从膨胀推块的斜面槽上向外限位移动，驱使胶筒直径不断沿径向膨胀变大紧贴套管壁完成密封。与现有的可溶桥塞相比，不用靠轴向挤压胶筒来实现变径膨胀，延长胶筒使用寿命，能够实现更安全、更好的密封作用。
4)本发明的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，没有中心管总成，不用投封堵球入座密封，桥塞可直接快速实现分隔作用，进行分段压裂施工。不仅可以节省桥塞的可溶时间和成本，还能方便钻磨，提高了压裂施工效率。
附图说明
本发明专利将通过附图方式来说明，其中：
图1是本发明的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞的整体结构示意图。
图2是本发明的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞和套管的配合状态示意图。
图3是图1中胶筒膨胀机构的结构示意图。
图4是图1中卡瓦锚定机构的结构示意图。
图5是图1中引鞋和辅助推进装置的结构示意图。
图中，1—坐封机构，2—防突装置，3—胶筒，4—膨胀机构，5—锚定机构，6—引鞋，7—辅助推进装置，8—套管，11—丢手接头，21—上防突装置，22—下防突装置，23—胶筒保护套，41—膨胀推块，42—膨胀滑块，43—挡块，44—膨胀机构高压密封箍环，51—卡瓦，52—锥体推块，53—卡瓦高压密封箍环，54—中心推杆，55—推杆。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，主要由坐封机构1、防突装置2、胶筒3、膨胀机构4、锚定机构5、引鞋6、辅助推进装置7依次按顺序连接形成，桥塞整体呈直径有所变化的不规则的圆柱状，与锥体推块52配合的引鞋6与下防突装置22连接，挡块43与锥体推块52均在下防突装置22内部，挡块43与下防突装置22连接固定，卡瓦组51与锥体推块52的斜面配合放在锥体推块52的卡瓦导向槽及下防突装置22中空位置，膨胀机构4通过推杆54、55与锥体推块52连接可在内部活动，膨胀机构4的外侧套有胶筒3，胶筒3安装在两胶筒保护套23之间，胶筒3通过卡入胶筒保护套23的卡槽中固定，胶筒保护套23两侧均连接防突装置2，坐封机构1与膨胀机构4连接，坐封机构1内部设有导压孔与膨胀推块41及推杆54、55内部的导压孔连通，随着坐封销钉被剪断，由挡块43、上防突装置21和胶筒3所形成的内腔压力与外界压力达到平衡时，膨胀机构4运动使胶筒3完全膨胀紧贴套管8内壁，密封性能更好，范围更大，同时推杆54、55推动锥体推块52运动驱使卡瓦组51沿径向向外移出，快速啮入套管壁完成锚定。
本发明的一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞的工作原理是：如图所示，在使用时，小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞通过丢手接头11的剪切销钉与适配器相接，通过适配器将桥塞泵送到设计层位，通过电缆点火引燃火药产生高压气体充满燃烧室，坐封推筒在坐封工具内的高压气体推动下推动坐封机构1向下限位移动，膨胀推块41上的坐封销钉会被剪断，此时，坐封机构1推动膨胀推块41向下限位移动，使与膨胀推块41斜面槽配合的膨胀滑块42在推力的作用下径向扩张，坐封机构1内部设有导压孔与膨胀推块41及推杆54、55内部的导压孔连通，不会影响小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞的坐封效果，则由挡块43、上防突装置21和胶筒3所形成的内腔压力与外界压力达到平衡时，使与膨胀机构4外壁紧贴的胶筒3在径向向外扩张完全抵接套管8的管壁，由于膨胀推块41与锥体推块52通过推杆54、55连接，则膨胀推块41向下移动的同时推杆54、55推动锥体推块52向下限位移动，锥体推块52在向下限位移动驱使与之斜面配合的卡瓦组51沿径向向外移出，并快速啮入套管壁完成锚定，以丢手接头11中的坐封剪钉被剪断，完成坐封丢手。
当压裂施工时，小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞不用投封堵球入座实现接触密封，桥塞直接快速实现分隔作用后，将套管的内部空间分隔成上下两部分；当压裂完成后，在井内含有氯离子的返排液及地层温度条件下，一定时间，该小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞会完成溶解，再进行钻磨即可实现套管全通径。
实施例：如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，主要由坐封机构1、防突装置2、胶筒3、膨胀机构4、锚定机构5、引鞋6、辅助推进装置7组成，各部件依次连接成一个整体，引鞋6装在最下端并与下防突装置22连接固定，引鞋6的外螺纹与辅助推进装置7的内螺纹相互连接，挡块43与锚定机构5中的锥体推块52均在下防突装置22内部，锥体推块52可在引鞋6内部活动，挡块43与下防突装置22连接固定，锚定机构5中卡瓦组51与锥体推块52的斜面配合放在锥体推块52的卡瓦导向槽内及下防突装置22中空位置，膨胀机构4通过推杆54、55与锥体推块52连接可在下防突装置22内部活动，坐封机构1与膨胀机构4连接，膨胀推块41和锥体推块52的行程设置使胶筒3的膨胀和卡瓦的锚定能够同步完成。
如图2所示，所述的坐封机构1与膨胀推块4的接头相互连接，上端为丢手接头11与坐封工具连接。丢手接头11的剪切销钉与适配器相接，通过适配器将桥塞泵送到设计层位，通过电缆点火引燃火药产生高压气体充满燃烧室，坐封推筒在坐封工具内的高压气体推动下推动坐封机构1向下限位移动，膨胀推块41上的坐封销钉会被剪断。此时，坐封机构1推动膨胀推块41向下限位移动，使与膨胀推块41斜面槽配合的膨胀滑块42在推力的作用下径向扩张，坐封机构1内部设有导压孔与膨胀推块41及推杆54、55内部的导压孔连通，不会影响小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞的坐封效果，则由挡块43、上防突装置21和胶筒3所形成的内腔压力与外界压力达到平衡时，使与膨胀机构4外壁紧贴的胶筒3在径向向外扩张完全抵接套管8的管壁，由于膨胀推块41与锥体推块52通过推杆54、55连接，则膨胀推块41向下移动的同时推杆54、55推动锥体推块52向下限位移动，锥体推块52在向下限位移动驱使与之斜面配合的卡瓦组51沿径向向外移出，并快速啮入套管8壁完成锚定，以丢手接头11中的坐封剪钉被剪断，完成坐封丢手。
如图3所示，所述的膨胀机构4由膨胀推块41、膨胀滑块42及挡块43组成，其中膨胀推块41、膨胀滑块42及挡块43均在胶筒3内部。膨胀推块41中部有斜面槽与膨胀滑块42斜面配合，上端开设有六个坐封销钉孔与上防突装置21相配合；下端设有推杆螺纹连接孔。膨胀滑块42上方弧形体两端开设有等间距的槽，各槽内分别装有膨胀机构高压密封箍环44，用于固定膨胀滑块42；尾部加工了球柱，限制了膨胀滑块42只能上下自由活动。膨胀推块41向下限位移动，使与膨胀推块41斜面槽配合的膨胀滑块42在推力的作用下径向扩张，坐封机构1内部设有导压孔与膨胀推块41及推杆54、55内部的导压孔连通，则由挡块43、上防突装置21和胶筒3所形成的内腔压力与外界压力达到平衡时，使与膨胀机构4外壁紧贴的胶筒3在径向向外扩张完全抵接套管8的管壁。
如图4所示，所述的锚定机构5由卡瓦组51、锥体推块52、卡瓦高压密封箍环53及推杆54、55组成，卡瓦组51与锥体推块52的斜面配合坐在锥体推块52的卡瓦导向槽内及下防突装置22内部，卡瓦组51其两端开设有等间距的槽，各槽内分别装有卡瓦高压密封箍环53，用于固定，锥体推块52在向下限位移动驱使与之斜面配合的卡瓦组51沿径向外向外移出，并快速啮入套管8壁完成锚定。
如图5所示，所述的引鞋6的外螺纹与辅助推进装置7的内螺纹相互连接，内部开设有螺栓连接孔与下防突装置22固定连接，同时设有足够空间的锥体推块52活动通道及卡瓦活动槽。
本技术中及其巧妙之处在于该该小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞具有外径小，能够在套管严重缩径变形时平稳通过，密封范围大，无需连续油管下入；胶筒膨胀方式为推动膨胀推块使与其斜面配合的膨胀滑块，沿着径向从膨胀推块的斜面槽上向外限位移动，驱使胶筒直径不断膨胀变大紧贴套管完成密封，不用挤压胶筒，既能保护胶筒，密封性能更好；不用投封堵球入座接触密封，桥塞便可直接快速实现分隔作用，进行分段压裂施工，不仅可以节省桥塞的可溶时间和成本，还能方便钻磨，提高了压裂施工效率。
本发明的描述中，需要理解的是，若有术语上，下，左，右，内，外，径向等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特点的方位，以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，包括坐封机构(1)、锚定机构(5)、引鞋(6)、辅助推进装置(7)，还包括防突装置(2)、胶筒(3)、膨胀机构(4)。与锚定机构(5)中的锥体推块(52)配合的引鞋(6)与下防突装置(22)连接，挡块(43)与锥体推块(52)均在下防突装置(22)内部，挡块(43)与下防突装置(22)固定，卡瓦组(51)与锥体推块(52)的斜面配合放在锥体推块(52)的卡瓦导向槽及下防突装置(22)中空位置，膨胀机构(4)通过推杆(54)(55)与锥体推块(52)连接可在内部活动，膨胀机构(4)的外侧套有胶筒(3)，胶筒(3)安装在两胶筒保护套(23)之间，胶筒(3)通过卡入胶筒保护套(23)的卡槽中固定，胶筒保护套(23)两侧均连接防突装置(2)，坐封机构(1)与膨胀机构(4)连接，坐封机构(1)内部设有导压孔与膨胀推块(41)及推杆(54)(55)内部的导压孔连通，随着坐封销钉被剪断，由挡块(43)、上防突装置(21)和胶筒(3)所形成的内腔压强与外界压强达到平衡时，膨胀推块(4)向下限位移动，与膨胀推块(41)斜面槽配合的膨胀滑块(42)在推力的作用下径向扩张，使胶筒(3)完全膨胀紧贴套管(8)内壁，同时推杆(54)(55)推动锥体推块(52)运动驱使卡瓦组(51)沿径向向外移出，快速啮入套管壁完成锚定。
2.根据权利要求1所述的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于，所述的引鞋(6)的外螺纹与辅助推进装置(7)的内螺纹相互连接，内部开设有螺栓连接孔与下防突装置(22)固定连接；同时设有足够空间的锥体推块(52)活动通道及卡瓦活动槽。
3.根据权利要求1所述的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于，所述的锚定机构(5)包括卡瓦组(51)、锥体推块(52)、卡瓦高压密封箍环(53)、推杆(54)(55)，所述的锥体推块(52)呈六个斜面锥体形状，配合卡瓦斜面，顶端设有推杆活动通道，下端圆柱体设有卡瓦导向槽，推杆(54)(55)通过活动通道，推动锥体推块(52)向下限位移动，配合引鞋(6)的卡瓦活动槽，驱使卡瓦能够沿着径向从卡瓦导向槽向外移动，实现坐卡。
4.根据权利要求3所述的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于，所述的卡瓦组(51)为分瓣式单卡瓦组，由六个卡瓦及卡瓦高压密封箍环(53)构成，所述的卡瓦主体为直角梯形，前端斜面配合锥体推块(52)，上方均匀分布有卡瓦牙，卡瓦牙设计成片状齿形结构，下方设有卡瓦防脱落顶块，两端开设有等间距的槽，各槽内分别装有卡瓦高压密封箍环(53)，用于固定卡瓦组(51)。
5.根据权利要求1所述的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于，所述的防突装置(2)共设有两个，其中下防突装置(22)下端设有卡瓦挡杆，中间为空心使锥体推块(52)在内部活动，并与引鞋(6)互相连接，上防突装置(21)中部开设有六个坐封销钉孔，同时与膨胀机构(4)及坐封机构(1)相配合，使膨胀机构(4)及坐封机构(1)在其内部均可以活动。
6.根据权利要求1所述的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于，所述的膨胀机构(4)包括膨胀推块(41)、膨胀滑块(42)及挡块(43)，其中膨胀推块(41)和膨胀滑块(42)均在胶筒(3)内部。所述的膨胀推块(42)中部有斜面槽与膨胀滑块(42)斜面配合，上端开设有六个坐封销钉孔与上防突装置(21)相配合，下端设有推杆(54)(55)螺纹连接孔。所述的膨胀滑块(42)主体呈梯形，上方弧形体两端开设有等间距的槽，各槽内分别装有膨胀机构高压密封箍环(44)，用于固定膨胀滑块(42)，尾部加工了球柱，限制了膨胀滑块(42)只能上下自由活动。所述的挡块(43)上端设有推杆活动通道及膨胀滑块球柱活动槽，下端为中空形式沿圆周方向布置有螺栓连接孔，与下防突装置(22)固定连接。
7.根据权利要求1所述的小直径大变形单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于，引鞋(6)、防突装置(2)、胶筒保护套(23)、膨胀机构(4)、卡瓦组(51)、锥体推块(52)、坐封机构(1)、坐封销钉、连接螺栓均为可溶解金属材料，而卡瓦牙、推杆(54)(55)为硬质合金材料。
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