CN115522891B - 一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋 - Google Patents

Abstract

本发明属于油田固井工具领域，尤其涉及一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，包括浮箍、套管段和浮鞋，浮箍和浮鞋分别连接在套管段的上下两端，浮箍和浮鞋内均设置有单向阀组件，单向阀组件的导通方向为从上向下；浮箍，进一步包括外筒、阀座、阀杆、阀头、滑架、第一弹簧和密封套，所述密封套位于所述阀座和阀头的上方；密封套可在外力推动下向下滑动，继而进入阀座和阀头之间的空间内，并将阀头吞入其内部；所述密封套由能够延展的软性密封材料制成。本发明的第一大特点是在阀头的上方设置了可向下移动并将阀头吞入其内部的密封套，通过设置密封套，可有效改善阀座与阀头之间的密封可靠性和密封效果。

Description

一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋

技术领域

本发明属于油田固井工具领域，尤其涉及一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋。

背景技术

采油工程中，完成每一阶段的钻井作业后，需要进行固井作业，固井时，向钻出的裸眼中下入套管，并在套管外侧缝隙内填充水泥浆，水泥浆凝固后可将套管固定在井壁上，并有效保护套管。

下套管时，需要在套管管柱的下端安装浮箍浮鞋，浮箍浮鞋是一种能产生浮力的套管接箍或引鞋。其内部设置有单向阀，因此具有防止固井水泥浆回流到套管内部的作用。另外，浮箍用于承接胶塞组，使箍鞋之间有一段水泥塞，并容纳套管外壁附着的杂质等，确保水泥浆柱不被替空，从而保证套管鞋外的固井质量。

在井下复杂的工况下，现有的浮箍浮鞋应用时存在密封不严的问题，容易造成水泥浆返流回套管内，虽然返流水泥浆的量较少，但是，会造成井底水泥塞长度的不确定性，给后续施工造成很大不便。因此，有必要对常规的浮箍浮鞋的结构进行改进，以改善密封的可靠性，从而避免产生水泥浆返流问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，通过对常规的浮箍浮鞋进行优化，使其具有更好的密封性能，更高的工作可靠性，从而避免水泥浆返流对固井质量造成的不利影响。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，包括浮箍、套管段和浮鞋，浮箍和浮鞋分别连接在套管段的上下两端，浮箍和浮鞋内均设置有单向阀组件，单向阀组件的导通方向为从上向下；

浮箍，进一步包括外筒、阀座、阀杆、阀头、滑架、第一弹簧和密封套，其中，阀座和滑架均固定在外筒的内壁上，阀杆滑动安装在滑架中央的圆孔内，阀头固定安装在阀杆的上端，第一弹簧安装在阀头和滑架之间，阀头在第一弹簧的弹力作用下始终保持向阀座靠近的运动趋势，阀座的中央设置有供介质通过的通道，阀头的上端与阀座通过锥面密封配合，从而实现单向导通功能，所述密封套位于所述阀座和阀头的上方；

密封套可在外力推动下向下滑动，继而进入阀座和阀头之间的空间内，并将阀头吞入其内部；所述密封套由能够延展的软性密封材料制成。

作为优选方案，制造所述密封套的所述软性密封材料为橡胶。

作为优选方案，构成所述密封套的橡胶材料内部设置有用于增加密封套刚性的骨架结构。

作为优选方案，所述骨架结构由铜网围成。

作为优选方案，所述密封套的内侧设置有用于支撑密封套的管状支撑部，管状支撑部与所述外筒相对固定连接。

作为优选方案，所述浮箍内还包括固定套、第二弹簧、限位环和密封环，其中，固定套的上端固定且密封连接在所述外筒的内壁上，第二弹簧和限位环安装在固定套与外筒之间的环形空间内，限位环通过销钉固定连接在外筒上并对第二弹簧的下端进行限位，使第二弹簧保持压缩蓄能状态；所述密封环位于限位环的下方，密封环的内外两侧分别与所述固定套和外筒滑动密封配合；

所述固定套上设置有导压孔，用于连通固定套内部空间和第二弹簧所在的环形空间；

所述限位环和密封环之间留有空气腔；

所述密封套上端连接有推环，推环位于所述密封环的下方。

作为优选方案，所述管状支撑部固定设置在所述固定套的下端。

作为优选方案，所述浮鞋与浮箍的区别仅在于外筒下端的结构不同，浮箍的外筒的下端为敞开式结构，并加工有套管螺纹，浮鞋的外筒的下端为闭合式结构，并加工有过液孔。

作为优选方案，所述浮箍上端设置有用于容纳固井胶塞的空腔，同时，所述阀座上安装有主动活塞，阀座的下端连接有液压管；

所述浮鞋内设置有承压座，所述液压管的下端连接在承压座的上侧，浮鞋内的承压座与推环之间滑动密封配合，并在承压座与推环之间形成一个密封的液压腔，该液压腔与液压管的内部空间连通。

本发明的有益效果为：

1、本发明的第一大特点是在阀头的上方设置了可向下移动并将阀头吞入其内部的密封套，通过设置密封套，可有效改善阀座与阀头之间的密封可靠性和密封效果。

注水泥完毕后，通过外力使密封套伸入阀座和阀头之间，在此过程中：一方面，密封套与阀头、阀座的相对运动，可以刮除阀座和阀头密封面上的杂质，从而改善阀头和阀座之间的密封可靠性；另一方面，与阀座和阀头直接接触相比，在阀头和阀座之前增加软性密封材料后，密封可靠性和密封效果均可以显著改善。

2、如何推动密封套向下运动是本发明解决的另一个问题，通过解决这一问题，保证了驱动密封套向下移动过程中的动作可靠性。具体而言，本发明设置了包括固定套、第二弹簧、限位环和密封环等结构的特殊机构来推动密封套，结构新颖，动作可靠。注水泥完成后，下入固井胶塞（固井胶塞是固井工艺中使用的一种必要工具）并在套管上端打压，浮箍和浮鞋处内的压力随之升高，当压力升高至足以将所述销钉剪断时，销钉被剪断，所述限位环对第二弹簧下端的限位作用解除，此后，限位环和密封环在第二弹簧的弹力作用下向下运动，并推动推环和密封套，最终使密封套伸入阀座和阀头之间。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1中浮箍的结构示意图。

图3是图1中浮鞋的结构示意图。

图4是图2中A处的局部放大图。

图5是图2中B处的局部放大图。

图6是本发明的另一种实施例的结构示意图。

图中：1、浮箍；2、套管段；3、浮鞋；4、外筒；5、固定套；6、第二弹簧；7、限位环；8、密封环；9、推环；10、阀座；11、阀头；12、滑架；13、阀杆；14、第一弹簧；15、密封套；16、导压孔；17、销钉；18、空气腔；19、管状支撑部；20、橡胶；21、骨架结构；22、过液孔；23、固井胶塞；24、主动活塞；25、液压管；26、承压座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明的保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例包括浮箍1、套管段2和浮鞋3，浮箍1和浮鞋3分别连接在套管段2的上下两端，浮箍1和浮鞋3内均设置有单向阀组件，单向阀组件的导通方向为从上向下。以上为浮箍1浮鞋3中的必要结构，也是现有技术中已经广泛公开的常规技术，故在此不再赘述。

如图2所示，浮箍1，进一步包括外筒4、阀座10、阀杆13、阀头11、滑架12、第一弹簧14，其中，外筒4、阀座10、阀杆13、阀头11和滑架12是浮箍1的基础结构，阀座10和滑架12均固定在外筒4的内壁上，阀座10用于与阀头11配合，滑架12用于安装阀杆13。阀杆13滑动安装在滑架12中央的圆孔内，阀头11固定安装在阀杆13的上端，第一弹簧14安装在阀头11和滑架12之间，阀头11在第一弹簧14的弹力作用下始终保持向阀座10靠近的运动趋势，阀座10的中央设置有供介质通过的通道，阀头11的上端与阀座10通过锥面密封配合，从而实现单向导通功能（单向导通的方向是从上到下导通，从下到上截止）。

如图2所示，所述密封套15位于所述阀座10和阀头11的上方，密封套15可在外力推动下向下滑动，继而进入阀座10和阀头11之间的空间内，并将阀头11吞入其内部。注水泥完毕后，通过外力使密封套15伸入阀座10和阀头11之间，在此过程中：一方面，密封套15与阀头11、阀座10的相对运动，可以刮除阀座10和阀头11密封面上的杂质，从而改善阀头11和阀座10之间的密封可靠性；另一方面，与阀座10和阀头11直接接触相比，在阀头11和阀座10之前增加软性密封材料后，密封可靠性和密封效果均可以显著改善。

显然，为了保证密封套15可以将直径更大的阀头11包覆在内，并保证可靠密封，所述密封套15必须由能够延展的软性密封材料制成。具体实施时，所述软性密封材料可选用橡胶20。

在井下高温环境下，采用橡胶20材料制成的密封套15比较柔软，刚度较差，在被阀头11阻挡后很容易被压溃变形，导致无法成功套在阀头11的外侧。为了解决这一问题，可采取两方面措施，一是将阀头11的锥度做的更小，以降低阀头11对密封套15的阻力，二是采用如图5所示的措施，即在密封套15的橡胶20材料内部设置骨架结构21，通过增设骨架结构21可对密封套15的刚度进行改善，保证密封套15可以顺利包覆在阀头11上。

所述骨架结构21可由金属或非金属丝（或片）制成，但是，具体实施时，为了避免骨架结构21对密封套15的密封性能造成不利影响，骨架结构21可由网孔较小的铜网围成，好处在于，铜本身属于较软的金属并具有极好的密封性能，在阀头11和阀座10的夹紧作用下，铜网可随着压力发生形变，以适应密封面的形状，因此不会降低密封套15的密封性能。

如图5所示，所述密封套15的内侧设置有用于支撑密封套15的管状支撑部19，管状支撑部19与所述外筒4相对固定连接。管状支撑部19有两方面作用：一方面，管状支撑部19可从内侧撑起密封套15，使密封套15更不容易变形，从而帮助密封套15克服下行阻力，使其顺利套在阀头11上；另一方面，管状支撑部19可在注水泥时保护密封套15，防止密封套15被冲蚀损坏。

如何推动密封套15向下运动是本发明解决的另一个问题，通过解决这一问题，保证了驱动密封套15向下移动过程中的动作可靠性。为了推动密封套15，本实施例中设计了如下机构：

如图2和4所示，所述浮箍1内包括固定套5、第二弹簧6、限位环7和密封环8，其中，固定套5的上端固定且密封连接在所述外筒4的内壁上，其作用是为作为蓄能部件的第二弹簧6提供安装空间。限位环7通过销钉17固定连接在外筒4上并对第二弹簧6的下端进行限位，限位环7的作用是使第二弹簧6处于能量蓄积状态，当销钉17被剪断后，限位环7对第二弹簧6的限位作用解除，继而使第二弹簧6内蓄积的弹性势能释放，通过弹性势能驱动密封套15向下滑动。所述密封套15上端连接有推环9，推环9位于所述密封环8的下方。所述管状支撑部19固定设置在所述固定套5的下端。所述密封环8位于限位环7的下方，密封环8的内外两侧分别与所述固定套5和外筒4滑动密封配合；所述限位环7和密封环8之间留有空气腔18。

需要特别注意的是，上述机构中，密封环8和所述空气腔18是机构发挥对密封套15的推动作用的关键。原因在于：上述机构中，如果不设置密封环8，那么限位环7的上下两侧都将暴露在水泥浆中，导致限位环7的上下两侧承受的压力相同，即水泥浆内的压力不会对限位环7施加推力，也就无法推动密封套15。设置密封环8后，密封环8使得水泥浆的压力无法到达限位环7的下侧，从而水泥浆的压力得以作用在限位环7的上侧，并将销钉17剪断。空气腔18的设置，给限位环7留出了一定的下行空间，从而避免密封环8将水泥浆的压力传递给限位环7。

工作原理：

注水泥时，水泥浆从套管注入，通过浮箍1浮鞋3后到达套管外环空，再逐渐向上返至地面。注水泥完成后，下入固井胶塞（固井胶塞是固井工艺中使用的一种必要工具）并在套管上端打压，浮箍1和浮鞋3处内的压力随之升高，压力经过固定套5上的导压孔16到达限位环7上侧，并使限位环7具有向下的运动趋势，当压力升高至足以将所述销钉17剪断时，限位环7向下的运动趋势将销钉17剪断，所述限位环7对第二弹簧6下端的限位作用解除，此后，限位环7和密封环8在第二弹簧6的弹力作用下向下运动，并推动推环9和密封套15，最终使密封套15伸入阀座10和阀头11之间。

如图3所示，本实施例中，所述浮鞋3与浮箍1的区别仅在于外筒4下端的结构不同，浮箍1的外筒4的下端为敞开式结构，并加工有套管螺纹，浮鞋3的外筒4的下端为闭合式结构，并加工有过液孔22。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于：浮箍1浮鞋3内的推环9和密封套15的推动方式不同。

本实施例中，所述浮箍1上端设置有用于容纳固井胶塞23的空腔，同时，所述阀座10上安装有主动活塞24，阀座10的下端连接有液压管25；

所述浮鞋3内设置有承压座26，所述液压管25的下端连接在承压座26的上侧，浮鞋3内的承压座26与推环9之间滑动密封配合，并在承压座26与推环9之间形成一个密封的液压腔，该液压腔与液压管25的内部空间连通。

工作原理：

注水泥完毕后，向套管内下入用于碰压的固井胶塞23，固井胶塞23到达下极限位置后，浮箍1内的推环9和密封套15被向下推动，继而推动主动活塞24，使其向下运动，主动活塞24再通过液压管25内的液压油推动浮鞋内的推环9和密封套15向下运动，从而实现对浮箍1和浮鞋3内的密封套15的同时推动。与实施例一相比，本实施例的优点在于动机结构简单，对内部零件的加工精度的要求更低，对作业人员的技术水平的要求更低。

以上尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，包括浮箍（1）、套管段（2）、浮鞋（3）和固井胶塞（23），浮箍（1）和浮鞋（3）分别连接在套管段（2）的上下两端，浮箍（1）和浮鞋（3）内均设置有单向阀组件，单向阀组件的导通方向为从上向下，其特征在于：

浮箍（1），进一步包括外筒（4）、阀座（10）、阀杆（13）、阀头（11）、滑架（12）、第一弹簧（14）和密封套（15），其中，阀座（10）和滑架（12）均固定在外筒（4）的内壁上，阀杆（13）滑动安装在滑架（12）中央的圆孔内，阀头（11）固定安装在阀杆（13）的上端，第一弹簧（14）安装在阀头（11）和滑架（12）之间，阀头（11）在第一弹簧（14）的弹力作用下始终保持向阀座（10）靠近的运动趋势，阀座（10）的中央设置有供介质通过的通道，阀头（11）的上端与阀座（10）通过锥面密封配合，从而实现单向导通功能，所述密封套（15）位于所述阀座（10）和阀头（11）的上方；

所述密封套（15）上端连接有推环（9），推环（9）可在外力推动下向下滑动，继而推动密封套（15）使其进入阀座（10）和阀头（11）之间的空间内，并将阀头（11）吞入其内部；所述密封套（15）由能够延展的软性密封材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，其特征在于：制造所述密封套（15）的所述软性密封材料为橡胶（20）。

3.根据权利要求2所述的一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，其特征在于：构成所述密封套（15）的橡胶（20）材料内部设置有用于增加密封套（15）刚性的骨架结构（21）。

4.根据权利要求3所述的一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，其特征在于：所述骨架结构（21）由铜网围成。

5.根据权利要求1所述的一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，其特征在于：所述密封套（15）的内侧设置有用于支撑密封套（15）的管状支撑部（19），管状支撑部（19）与所述外筒（4）相对固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，其特征在于：所述浮箍（1）内还包括固定套（5）、第二弹簧（6）、限位环（7）和密封环（8），其中，固定套（5）的上端固定且密封连接在所述外筒（4）的内壁上，第二弹簧（6）和限位环（7）安装在固定套（5）与外筒（4）之间的环形空间内，限位环（7）通过销钉（17）固定连接在外筒（4）上并对第二弹簧（6）的下端进行限位，使第二弹簧（6）保持压缩蓄能状态；所述密封环（8）位于限位环（7）的下方，密封环（8）的内外两侧分别与所述固定套（5）和外筒（4）滑动密封配合；

所述固定套（5）上设置有导压孔（16），用于连通固定套（5）内部空间和第二弹簧（6）所在的环形空间；

所述限位环（7）和密封环（8）之间留有空气腔（18）。

7.根据权利要求6所述的一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，其特征在于：所述管状支撑部（19）固定设置在所述固定套（5）的下端。

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，其特征在于：所述浮鞋（3）与浮箍（1）的区别仅在于外筒（4）下端的结构不同，浮箍（1）的外筒（4）的下端为敞开式结构，并加工有套管螺纹，浮鞋（3）的外筒（4）的下端为闭合式结构，并加工有过液孔（22）。

9.根据权利要求1所述的一种应用于油田固井施工的浮箍浮鞋，其特征在于：所述浮箍（1）上端设置有用于容纳固井胶塞（23）的空腔，同时，所述阀座（10）上安装有主动活塞（24），阀座（10）的下端连接有液压管（25）；

所述浮鞋（3）内设置有承压座（26），所述液压管（25）的下端连接在承压座（26）的上侧，浮鞋（3）内的承压座（26）与推环（9）之间滑动密封配合，并在承压座（26）与推环（9）之间形成一个密封的液压腔，该液压腔与液压管（25）的内部空间连通。

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