CN115874980A - 一种防套式固井胶塞及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防套式固井胶塞及其装配方法，包括芯子、用于套设在所述芯子外的胶套，所述芯子包括内芯、位于内芯外侧的外芯，所述内芯与外芯自底部固定连接，且内芯与外芯之间形成芯子环空；所述胶套沿周向均匀分割为若干分瓣体，所述分瓣体包括内层胶体、位于内层胶体外侧的外层胶体，所述内层胶体与外层胶体自顶部固定连接，且内层胶体与外层胶体之间形成胶套环空；所述内层胶体装配在所述芯子环空内，所述外芯装配在所述胶套环空内。本发明提供一种防套式固井胶塞及其装配方法，以解决现有技术中胶塞容易套住钻头的问题，实现避免钻穿固井胶塞的过程中胶塞容易套在钻头外的目的。

Description

一种防套式固井胶塞及其装配方法

技术领域

本发明涉及钻井工程领域，具体涉及一种防套式固井胶塞及其装配方法。

背景技术

在钻井工程中，完成某一开井眼的钻井后，需要下套管并进行固井。固井作业过程中，当泵入设计量的水泥浆后，需下入碰压胶塞，以顶替套管内水泥浆进入环空。碰压胶塞由上胶塞（顶塞）、下胶塞（底塞）配合组成，下胶塞用于分隔水泥浆与前置液，上胶塞用于分隔水泥浆与顶替液。在正常使用时，先向套管内投入下胶塞，使其下行到套管串底部的浮箍位置，再泵入设计量的水泥浆后，再投入上胶塞进行顶替，直至上胶塞下行到下胶塞处，完成碰压。

在进行下一开的钻井作业时，需要钻开套管胶塞以及浮箍浮鞋，现场时常出现胶塞套在钻头外部，导致进尺异常降低、钻头无法通过保径齿有效修整井壁等问题，需要起钻对套在钻头外的胶塞进行清理才能够恢复正常钻井作业，严重浪费工程时效。为了克服这一问题，现有技术中一般在钻穿胶塞时，均采用小钻压高转速的“吊打”方式、从钻井参数的控制上来降低胶塞套在钻头外部的概率，不过这种作业方式依然无法从根本上解决胶塞容易套住钻头的问题。

发明内容

本发明提供一种防套式固井胶塞及其装配方法，以解决现有技术中胶塞容易套住钻头的问题，实现避免钻穿固井胶塞的过程中胶塞容易套在钻头外的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种防套式固井胶塞，包括芯子、用于套设在所述芯子外的胶套，所述芯子包括内芯、位于内芯外侧的外芯，所述内芯与外芯自底部固定连接，且内芯与外芯之间形成芯子环空；所述胶套沿周向均匀分割为若干分瓣体，所述分瓣体包括内层胶体、位于内层胶体外侧的外层胶体，所述内层胶体与外层胶体自顶部固定连接，且内层胶体与外层胶体之间形成胶套环空；所述内层胶体装配在所述芯子环空内，所述外芯装配在所述胶套环空内。

针对现有技术中胶塞容易套住钻头的问题，本发明提出一种防套式固井胶塞，作为本领域现有技术，固井胶塞均包括芯子和胶套，其中芯子一般由铝合金等金属材料制成，胶套一般由硫化橡胶制成。本案发明人团队在研究过程中发现，传统胶套均为整体结构，虽然上下胶塞之间均具有防转的凸起和凹槽，但是现场作业完全无法得知其在井内是否有效配合，现场经验也表明这种传统防转结构无法解决胶塞套钻头的问题，纠其原因在于钻头尺寸必然小于套管内径，而胶塞尺寸又必然等于或稍大于套管内径，所以钻头始终有可能在胶塞内钻出一个中空的通道，进而随着进尺加深自动将部分胶塞套在钻头外。而本申请中，将胶套沿周向均匀分割为若干分瓣体，即是将传统的整体式胶套设置为分体式结构，由若干分瓣体共同围绕成环形。在此基础上，每个分瓣体均需要与芯子进行有效的连接与密封配合，为此，本申请对芯子进行优化改进，将芯子设置为内、外分布的内芯、外芯，内芯与外芯自底部固定连接，且将内芯与外芯之间的环空定义为芯子环空，所述芯子环空从上端敞口。同时，每个分瓣体也设置为内外两层，分别为内层胶体、外层胶体，内层胶体与外层胶体之间的环空定义为胶套环空，并且所述胶套环空从下端敞口。内层胶体与芯子环空相匹配，便于将内层胶体装配在芯子环空并完成配合，同理外芯装配与胶套环空相匹配，便于将外芯装配在所述胶套环空并完成配合。

可以看出，本申请在装配完成后，各分瓣体均与改进后的芯子之间可以稳定配合，胶塞入井后，在上方液柱压力以及固井泵或泥浆泵泵压的共同作用下，还会使分瓣体与内芯和外芯之间、以及相邻分瓣体之间紧密贴合，利用胶套自身的橡胶材质形成稳定的密封结构。在进行后续钻穿固井胶塞作业时，由于本申请的胶套为分体式结构，即使钻头未将胶套完全破碎、而是在胶套内钻出一个中空的通道、保留了胶套外缘的一圈，但是由于分体式结构的设计，外层胶体必然无法整体套在钻头外，最多只能局部附着在钻头外，因此若发现进尺异常时，只需对钻柱进行几次上提下放操作，或将钻头提离井底后高速旋转，就极大概率能够使局部附着的胶体从钻头上脱落，进而有效解决了现有技术中胶塞容易套住钻头的问题，避免了胶塞套住钻头后需要起钻清理又重新下钻的繁琐工作，显著降低了事故处理耗时，有利于提高钻井工程的施工效率。

此外，本申请由于有外芯的存在，内层胶体位于外芯内，因此钻胶塞的过程中钻头必然会对硬质的外芯进行破碎，即可同步对内层胶体进行破碎，因此内层胶体不具有套住钻头的风险。

本领域技术人员应当理解，本申请中的上、下，是以固井胶塞入井后朝向井口方向为上、朝向井底方向为下，本申请中的内、外，是以井眼环空的径向方向为参照。

需要说明的是，本申请中的防套式固井胶塞，同时适用于上胶塞和/或下胶塞。

进一步的，所述内芯外壁设置若干第一凹槽，所述内层胶体的内壁设置若干与所述第一凹槽一一对应的第一凸起；所述外层胶体的底部设置径向向内延伸的延伸部，所述延伸部套在所述外芯底部。

本方案中，第一凹槽和第一凸起相匹配，便于外芯与内层胶体之间完成定位配合。第一凹槽可以是若干段不连续的弧形槽、有利于提高对胶套的防转效果，也可以是完整的环槽、更便于安装。当第一凹槽为环槽时，第一凸起横向贯穿内层胶体。

此外，外层胶体的底部设置径向向内延伸的延伸部，可通过延伸部套在外芯底部，以实现胶套和芯子之间的纵向定位，避免胶套脱落。

进一步的，相邻两个分瓣体的接触面在轴向上部分重叠，使得沿井筒轴向作用的液柱压力和泵压，能够作用在相邻两个分瓣体之间的重叠部分，进而使得相邻两个分瓣体更加紧密的实现贴合，充分利用井内压力来保证密封稳定性。其中，所述部分重叠是指有至少有部分区域重叠，在此并不限定重叠范围及大小。

进一步的，所述内层胶体沿周向的一侧端面上设置若干第二凸起、另一侧端面上设置若干第二凹槽，所述第二凸起与所述第二凹槽一一匹配。本方案用于保证相邻两个分瓣体之间在内层胶体处的有效密封。

所述外层胶体沿周向的一侧端面上设置若干第三凸起、另一侧端面上设置若干第三凹槽，所述第三凸起与所述第三凹槽一一匹配。本方案用于保证相邻两个分瓣体之间在外层胶体处的有效密封。

进一步的，所述内层胶体底部设置柔性套环，所述芯子环空底面开设与所述柔性套环相对的第一通孔。本申请中，内层胶体需要完全装配在所述芯子环空内，因此其形状尺寸应当保持一致，或内层胶体的尺寸略大于芯子环空，在此前提下，将内层胶体完全插入芯子环空具有一定难度。为了克服这一问题，本方案在内层胶体底部设置柔性套环，在装配之前可以在柔性套环上连接拉绳，先将拉绳置入芯子环空内，再通过第一通孔将拉绳勾出，然后拉动拉绳，带动内层胶体完全进入芯子环空中，进而克服前述装配难题。

进一步的，所述内层胶体上开设若干沿轴向分布的第二通孔，所述第二通孔沿周向贯通内层胶体；所有分瓣体之间通过穿过第二通孔的箍筋连接，所述第二通孔内填充固结剂。

本方案在分瓣体的内层胶体上开设若干沿轴向分布的第二通孔，使得所有分瓣体能够通过贯穿第二通孔的箍筋进行连接，并通过固结剂将箍筋固定在第二通孔内。此种连接方式可使得所有分瓣体能够组装为整体后再统一安装，避免了各分瓣体上的内层胶体需在芯子环空内部拼接所带来的安装难度；并且，固结剂填充在第二通孔内，不仅可以固定箍筋进而固定各分瓣体，还能够对箍筋与第二通孔孔壁之间的缝隙进行封堵，避免第二通孔窜流。

本方案中的固结剂，可采用本领域技术人员能够实现的任意现有技术，在此不做限定。

一种防套式固井胶塞的装配方法，用于装配防套式固井胶塞，包括：

将所有分瓣体拼接为环形胶套；

对接芯子和环形胶套，使所述内层胶体插入至芯子环空内、所述外芯插入至胶套环空内，且内层胶体插的端部与所述芯子环空底面接触、外芯的端部与所述胶套环空的顶面接触。

进一步的，对接芯子和环形胶套的方法包括：

在内层胶体底部连接拉绳，在拉绳的自由端设置环结，使拉绳的自由端进入芯子环空；

将钩子从芯子环空底面的第一通孔伸入芯子环空内部，勾住所述环结，再将钩子经第一通孔退出所述芯子环空；

拉动所述拉绳，使内层胶体逐渐进入芯子环空；同时对外层胶体施加轴向作用力，使外芯插入至胶套环空内；

待无法继续拉动所述拉绳时，剪断外露至第一通孔外的拉绳；再将外层胶体底部的延伸部套在所述外芯底部。

进一步的，将所有分瓣体拼接为环形胶套的方法包括：

准备首尾断开的箍筋，将箍筋的一端穿过第一个分瓣体上的第二通孔，所述第二通孔沿周向贯通内层胶体；向第一个分瓣体上的第二通孔内挤注固结剂；

沿箍筋逐一增加分瓣体，使相邻两个分瓣体的接触面在轴向上部分重叠；同时，使所述箍筋穿过每个分瓣体上的第二通孔，并向每个分瓣体上的第二通孔内挤注固结剂，直至最后一个分瓣体与第一个分瓣体首尾相接，所有分瓣体拼接成环；

修正各分瓣体的弧度，侯凝。

其中，固结剂的挤注，可通过插头或接头等从第二通孔的一端注入、直至另一端流出固结剂为止。其中，修正各分瓣体的弧度是指将完成拼接后的所有分瓣体调圆，使其形状归整即可。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种防套式固井胶塞及其装配方法，由于分体式的设计，外层胶体必然无法整体套在钻头外，最多只能局部附着在钻头外，因此若发现进尺异常时，只需对钻柱进行几次上提下放操作，或将钻头提离井底后高速旋转，就极大概率能够使局部附着的胶体从钻头上脱落，进而有效解决了现有技术中胶塞容易套住钻头的问题，避免了胶塞套住钻头后需要起钻清理又重新下钻的繁琐工作，显著降低了事故处理耗时，有利于提高钻井工程的施工效率。

2、本发明一种防套式固井胶塞及其装配方法，由于有外芯的存在，内层胶体位于外芯内，因此钻胶塞的过程中钻头必然会对硬质的外芯进行破碎，即可同步对内层胶体进行破碎，因此内层胶体不具有套住钻头的风险。

3、本发明一种防套式固井胶塞及其装配方法，可以充分利用井内压力来保证密封稳定性。

4、本发明一种防套式固井胶塞及其装配方法，在内层胶体底部设置柔性套环，在装配之前可以在柔性套环上连接拉绳，先将拉绳置入芯子环空内，再通过第一通孔将拉绳勾出，然后拉动拉绳，带动内层胶体完全进入芯子环空中，进而克服装配难题。

5、本发明一种防套式固井胶塞及其装配方法，使得所有分瓣体能够组装为整体后再统一安装，避免了各分瓣体上的内层胶体需在芯子环空内部拼接所带来的安装难度。

6、本发明一种防套式固井胶塞及其装配方法，固结剂填充在第二通孔内，不仅可以固定箍筋进而固定各分瓣体，还能够对箍筋与第二通孔孔壁之间的缝隙进行封堵，避免第二通孔窜流。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例用于上胶塞时的剖视图；

图2为本发明具体实施例的结构示意图；

图3为本发明具体实施例中芯子的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中分瓣体的剖视图；

图5为本发明具体实施例中分瓣体的结构示意图；

图6为本发明具体实施例用于下胶塞时的剖视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-内芯，2-外芯，3-芯子环空，4-内层胶体，5-外层胶体，6-胶套环空，7-延伸部，8-第二凸起，9-第二凹槽，10-第三凸起，11-第三凹槽，12-柔性套环，13-第一通孔，14-第二通孔，15-箍筋，16-第一凸起。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

实施例1

一种防套式固井胶塞，如图1与图2所示，包括芯子、用于套设在所述芯子外的胶套。

所述芯子如图1与图3所示，包括内芯1、位于内芯1外侧的外芯2，所述内芯1与外芯2自底部固定连接，且内芯1与外芯2之间形成芯子环空3；

所述胶套如图1、图4与图5所示，沿周向均匀分割为若干分瓣体，所述分瓣体包括内层胶体4、位于内层胶体4外侧的外层胶体5，所述内层胶体4与外层胶体5自顶部固定连接，且内层胶体4与外层胶体5之间形成胶套环空6；所述内层胶体4装配在所述芯子环空3内，所述外芯2装配在所述胶套环空6内。

本实施例中，所述内芯1外壁设置若干第一凹槽，所述内层胶体4的内壁设置若干与所述第一凹槽一一对应的第一凸起16；所述外层胶体5的底部设置径向向内延伸的延伸部7，所述延伸部7套在所述外芯2底部。

优选的，本实施例中外芯的直径，小于下一开井眼钻进时所使用的钻头直径。

优选的，本实施例中，内芯1与外芯2一体成型，内层胶体4与外层胶体5一体成型。

本实施例的装配方法为：

将所有分瓣体拼接为环形胶套；

对接芯子和环形胶套，使所述内层胶体4插入至芯子环空3内、所述外芯2插入至胶套环空6内，且内层胶体4插的端部与所述芯子环空3底面接触、外芯2的端部与所述胶套环空6的顶面接触。

实施例2

一种防套式固井胶塞，在实施例1的基础上，相邻两个分瓣体的接触面在轴向上部分重叠。部分重叠方式可如图2所示，也可采用如下方式实现：

如图5所示，内层胶体4沿周向的一侧端面上设置若干第二凸起8、另一侧端面上设置若干第二凹槽9，所述第二凸起8与所述第二凹槽9一一匹配。外层胶体5沿周向的一侧端面上设置若干第三凸起10、另一侧端面上设置若干第三凹槽11，所述第三凸起10与所述第三凹槽11一一匹配。

此外，本实施例还在内层胶体4底部设置柔性套环12，所述芯子环空3底面开设与所述柔性套环12相对的第一通孔13。

优选的，所述内层胶体4上开设若干沿轴向分布的第二通孔14，所述第二通孔14沿周向贯通内层胶体4；所有分瓣体之间通过穿过第二通孔14的箍筋15连接，所述第二通孔14内填充固结剂。

本实施例中所记载的防套式固井胶塞，同时适用于上胶塞、下胶塞；当用于上胶塞时，其结构如图1所示，当用于下胶塞时，其结构如图6所示。

本实施例中的固结剂优选为高强度的防水固结剂，也可采用水泥砂浆。

优选的，本实施例中的箍筋15，可采用铝合金、玻璃钢等可钻破的材料制作而成。

本实施例中，将所有分瓣体拼接为环形胶套的方法包括：

准备首尾断开的箍筋15，将箍筋15的一端穿过第一个分瓣体上的第二通孔14，所述第二通孔14沿周向贯通内层胶体4；向第一个分瓣体上的第二通孔14内挤注固结剂；

沿箍筋15逐一增加分瓣体，使相邻两个分瓣体的接触面在轴向上部分重叠；同时，使所述箍筋15穿过每个分瓣体上的第二通孔14，并向每个分瓣体上的第二通孔14内挤注固结剂，直至最后一个分瓣体与第一个分瓣体首尾相接，所有分瓣体拼接成环；

修正各分瓣体的弧度，侯凝。

优选的，最后一个分瓣体上的第二通孔内可以不挤注固结剂，由两侧固定的分瓣体即可对其进行定位

本实施例中，对接芯子和环形胶套的方法包括：

在内层胶体4底部连接拉绳，在拉绳的自由端设置环结，使拉绳的自由端进入芯子环空3；

将钩子从芯子环空3底面的第一通孔13伸入芯子环空3内部，勾住所述环结，再将钩子经第一通孔13退出所述芯子环空3；

拉动所述拉绳，使内层胶体4逐渐进入芯子环空3；同时对外层胶体5施加轴向作用力，使外芯2插入至胶套环空6内；

待无法继续拉动所述拉绳时，剪断外露至第一通孔13外的拉绳；再将外层胶体5底部的延伸部7套在所述外芯2底部。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (10)

1.一种防套式固井胶塞，包括芯子、用于套设在所述芯子外的胶套，其特征在于，所述芯子包括内芯（1）、位于内芯（1）外侧的外芯（2），所述内芯（1）与外芯（2）自底部固定连接，且内芯（1）与外芯（2）之间形成芯子环空（3）；所述胶套沿周向均匀分割为若干分瓣体，所述分瓣体包括内层胶体（4）、位于内层胶体（4）外侧的外层胶体（5），所述内层胶体（4）与外层胶体（5）自顶部固定连接，且内层胶体（4）与外层胶体（5）之间形成胶套环空（6）；所述内层胶体（4）装配在所述芯子环空（3）内，所述外芯（2）装配在所述胶套环空（6）内。

2.根据权利要求1所述的一种防套式固井胶塞，其特征在于，所述内芯（1）外壁设置若干第一凹槽，所述内层胶体（4）的内壁设置若干与所述第一凹槽一一对应的第一凸起（16）；所述外层胶体（5）的底部设置径向向内延伸的延伸部（7），所述延伸部（7）套在所述外芯（2）底部。

3.根据权利要求1所述的一种防套式固井胶塞，其特征在于，相邻两个分瓣体的接触面在轴向上部分重叠。

4.根据权利要求3所述的一种防套式固井胶塞，其特征在于，所述内层胶体（4）沿周向的一侧端面上设置若干第二凸起（8）、另一侧端面上设置若干第二凹槽（9），所述第二凸起（8）与所述第二凹槽（9）一一匹配。

5.根据权利要求3所述的一种防套式固井胶塞，其特征在于，所述外层胶体（5）沿周向的一侧端面上设置若干第三凸起（10）、另一侧端面上设置若干第三凹槽（11），所述第三凸起（10）与所述第三凹槽（11）一一匹配。

6.根据权利要求1所述的一种防套式固井胶塞，其特征在于，所述内层胶体（4）底部设置柔性套环（12），所述芯子环空（3）底面开设与所述柔性套环（12）相对的第一通孔（13）。

7.根据权利要求1所述的一种防套式固井胶塞，其特征在于，所述内层胶体（4）上开设若干沿轴向分布的第二通孔（14），所述第二通孔（14）沿周向贯通内层胶体（4）；所有分瓣体之间通过穿过第二通孔（14）的箍筋（15）连接，所述第二通孔（14）内填充固结剂。

8.一种防套式固井胶塞的装配方法，其特征在于，用于装配如权利要求1~7中任一所述的防套式固井胶塞，包括：

将所有分瓣体拼接为环形胶套；

对接芯子和环形胶套，使所述内层胶体（4）插入至芯子环空（3）内、所述外芯（2）插入至胶套环空（6）内，且内层胶体（4）插的端部与所述芯子环空（3）底面接触、外芯（2）的端部与所述胶套环空（6）的顶面接触。

9.根据权利要求8所述的装配方法，其特征在于，对接芯子和环形胶套的方法包括：

在内层胶体（4）底部连接拉绳，在拉绳的自由端设置环结，使拉绳的自由端进入芯子环空（3）；

将钩子从芯子环空（3）底面的第一通孔（13）伸入芯子环空（3）内部，勾住所述环结，再将钩子经第一通孔（13）退出所述芯子环空（3）；

拉动所述拉绳，使内层胶体（4）逐渐进入芯子环空（3）；同时对外层胶体（5）施加轴向作用力，使外芯（2）插入至胶套环空（6）内；

待无法继续拉动所述拉绳时，剪断外露至第一通孔（13）外的拉绳；再将外层胶体（5）底部的延伸部（7）套在所述外芯（2）底部。

10.根据权利要求8所述的装配方法，其特征在于，将所有分瓣体拼接为环形胶套的方法包括：

准备首尾断开的箍筋（15），将箍筋（15）的一端穿过第一个分瓣体上的第二通孔（14），所述第二通孔（14）沿周向贯通内层胶体（4）；向第一个分瓣体上的第二通孔（14）内挤注固结剂；

沿箍筋（15）逐一增加分瓣体，使相邻两个分瓣体的接触面在轴向上部分重叠；同时，使所述箍筋（15）穿过每个分瓣体上的第二通孔（14），并向每个分瓣体上的第二通孔（14）内挤注固结剂，直至最后一个分瓣体与第一个分瓣体首尾相接，所有分瓣体拼接成环；

修正各分瓣体的弧度，侯凝。

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