CN116498254A - 一种适用于分段压裂的c型卡瓦结构的可溶球座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于分段压裂的C型卡瓦结构的可溶球座，涉及可溶桥塞技术领域，用于解决现有可溶桥塞锚定不实、密封不严的问题；该可溶球座包括依次连接的可溶球、丢手拉杆、滑动体、可溶橡胶密封圈、上金属密封环、下金属密封环、隔环、锁紧套、卡瓦基体、嵌入式卡瓦块和防撞环，锥体上依次套设有上金属密封环、下金属密封环、隔环和可溶橡胶密封圈，卡瓦基体周向安装有嵌入式卡瓦块；本发明可溶球座结构采用单卡瓦结构，并采用双层嵌入式卡瓦块锚定、金属密封环结合橡胶密封圈密封，极大地提高了可溶球座整体的锚定承压性能；在保证承压等级要求的基础上，极大地增加了可溶球座的密封性能。

Description

一种适用于分段压裂的C型卡瓦结构的可溶球座

技术领域

本发明涉及可溶桥塞技术领域，更具体的是涉及一种可以增加锚定性能与密封性能的可溶球座结构。

背景技术

随着我国油气资源对外依存度的增加，常规油气资源已无法满足我国生产生活需求，迫切需要加大油气资源勘探开发力度，提高油气产量，以页岩气、致密油气为代表的非常规资源逐渐成为油气生产的主力。

水平井体积分段压裂是非常规致密油气开采的关键技术。可溶球座因具有快速可溶、全通径投产和施工工艺简单等特点，迅速在体积分段压裂施工作业中普及，引领了水平井分段多簇压裂技术的革命性进步。现有技术中可溶球座通常采用嵌入卡瓦钉进行坐封锚定，使得嵌入式卡瓦钉应力和应变集中在嵌入式卡瓦钉与套管壁接触处，通过实验可知嵌入式卡瓦钉上最大应力已远超过材料屈服强度，卡瓦钉发生较大的塑性变形，致使可溶球座锚定失败；此外，体积分段压裂井下作业常处于高温、高压、重载荷和强腐蚀等恶劣环境，金属密封环在坐封工况下易出现本体结构断裂，及压裂过程中密封失效等现象。可溶球座坐封失效导致段间密封不严压裂液漏失，簇间压裂液压能损失过大，压裂作业失败，甚至引发井下事故。

因此，基于以上情况，我们提供一种可以增加锚定与密封性能的适用于分段压裂的C型卡瓦结构的可溶球座，该可溶球座在可溶桥塞的基础上进行结构简化、性能优化，为解决上述锚定不实、密封不严等问题。

发明内容

本发明的目的在于：提出了一种能提高锚定性能与密封性能的适用于分段压裂用的C型卡瓦结构的可溶球座，其结构采用单卡瓦结构，并采用嵌入式卡瓦块代替嵌入式卡瓦钉，利用金属密封环结合可溶橡胶密封圈的方式，不仅大大减少了桥塞长度，还克服现有球座锚定不实、密封不严等不足，可有效保证油气开采效率的提升。

本发明采用的技术方案如下：

为实现上述目的，本发明提出了一种能提高锚定性能与密封性能的适用于分段压裂用的C型卡瓦结构的可溶球座，包括从上到下依次连接的滑动体、卡瓦基体和防撞环，滑动体上依次套有上金属密封环、下金属密封环和可溶橡胶密封圈，卡瓦基体轴向安装双层嵌入式卡瓦块。

进一步，卡瓦基体结构上双层嵌入式卡瓦块，通过数值计算，此结构使得卡瓦基体整体接触应力分布较为均匀，提升可溶球座锚定能力。

进一步，卡瓦块的斜齿的卡瓦牙顶角α为85°，卡瓦牙倾角β为70°，通过理论分析与试验验证，此结构参数能保证卡瓦与套管接触应力较大、锚定力均匀，卡瓦锚定效果好，能保证卡瓦在工作过程中的安全性。

进一步，卡瓦基体采用C型结构，在卡瓦基体与密封环之间增加隔环，避免卡瓦基体对密封环产生撕裂作用。

进一步，在卡瓦基体与密封环之间增加隔环，使得上金属密封环与下金属密封环在扩径过程受力更加均匀，且递减彼此之间的接触应力，保护金属密封环结构安全。

进一步，密封环采用上金属密封环与下金属密封环分体式密封环，结合理论分析，对比整体式金属密封环，上金属密封环与下金属密封环在坐封过程中更易扩径且不易损坏。

进一步，卡瓦基体、隔环与金属密封环通过面接触，在坐封过程中，金属密封环与卡瓦基体同步展开，实现锚定与密封的同步开展。

进一步，可溶橡胶密封圈的内环面与滑动体的外环面配合，滑动体左面凸起限制可溶橡胶密封圈的轴向位移。、

进一步，当金属密封环扩径至最大直径时，挤压可溶橡胶密封圈，可溶橡胶密封圈受压变形，达到金属密封环与可溶橡胶密封圈的双重密封。

进一步，锁紧套与防撞环通过螺纹连接，在坐封过程中，锁紧套在滑动体内径轴向移动至内径突变处，用于限制防撞环、卡瓦基体和金属密封环的轴向位移。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明的可溶球座整体结构采用单卡瓦结构，大大缩短了桥塞长度，减少了金属体积量的使用，降低生产成本，提高经济效益。同时可溶球座采用可溶橡胶密封圈与金属密封环同步密封方式，与目前市场单卡瓦球座相比，有效地规避了坐封过程锚定架构和密封结构相互干扰而导致密封性能不足的问题，在保证承压等级要求的基础上，极大地增加了可溶球座的密封性能。

2.本发明的嵌入式卡瓦齿顶处与套管壁接触，经过数值计算与试验测试嵌入式卡瓦块的接触应力相比嵌入式卡瓦钉接触应力分布更为均匀，在高温高压条件下，嵌入式卡瓦钉因局部应力集中发生较大的塑性变形，致使可溶球座锚定失败，因此选择嵌入式卡瓦块作为球座锚定的结构，提高了可溶球座整体的锚定承压性能。

3.本发明选择双层嵌入式卡瓦块替代单层卡瓦块，经过数值计算与试验测试，双层嵌入式卡瓦块的接触应力相比单层嵌入式卡瓦块接触应力更大、分布更均匀，因此选择双层嵌入式卡瓦块作为球座锚定的结构，提高了可溶球座整体的锚定承压性能。

4.本发明的分离式金属密封环替代整体式金属密封环，经过数值计算与试验测试，分离式金属密封环相比整体式金属密封环承受应力更大，扩径过程结构不易损坏，因此选择分离式金属密封环作为球座密封的结构，提高了可溶球座整体的密封承压性能。

5.本发明的可溶球座采用金属密封与橡胶密封，可溶球座在坐封过程中，金属密封环受卡瓦基体作用力进行扩径，当扩径至最大直径时，金属密封环挤压可溶橡胶密封圈，可溶橡胶密封圈受压变形，达到金属密封环与可溶橡胶密封圈的双重密封，极大提高了可溶球座整体的密封承压性能。

附图说明

图1是本发明的可溶球座结构示意图；

图2是本发明的可溶球座丢手结构示意图；

图3是本发明的防撞环下端面与卡瓦基体上端面配合示意图；

图4是本发明的金属密封环结构与隔环配合示意图；

图5为本发明的嵌入式卡瓦块结构示意图。

图中：1.可溶球；2.滑动体；3.可溶橡胶密封圈；4.上金属密封环；5.下金属密封环；6.隔环；7.卡瓦基体；8.嵌入式卡瓦块；9.防撞环；10.锁紧套；11.丢手拉杆；12.剪切销钉；13.卡瓦基体上端面；14.防撞环下端面；15.上金属密封环下端面；16.下金属密封环上端面，17.隔环下端面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行完整阐述。

实施例1

参阅图1、2和3所示，一种适用于分段压裂的C型卡瓦结构的可溶球座，包括丢手拉杆11、滑动体2、可溶橡胶密封圈3、上金属密封环4、下金属密封环5、隔环6、卡瓦基体7、嵌入式卡瓦块8、防撞环9和锁紧套10，锁紧套10外环面与滑动体2内环面配合；卡瓦基体7轴向安装有两层嵌入式卡瓦块8，嵌入式卡瓦块8为斜齿，装配时嵌入式卡瓦块8尖点朝向球座上方，易咬入套管。

可溶球座在装配完成后，长度小于450mm，球座整体长度短，耗费金属少，可溶橡胶相比可溶桥塞使用量更少，成本更低。

可溶橡胶密封圈3与上金属密封环4和下金属密封环5在锚定过程中相互作用，上金属密封环4和下金属密封环5在扩径过程中挤压可溶橡胶密封圈3，可溶橡胶密封圈3受力挤压变形，当上金属密封环4和下金属密封环5达到最大直径坐封时，可溶橡胶密封圈3弥补金属密封不足之处，进一步提高了球座的密封性能。

隔环上端面17与卡瓦基体7下端面为平面配合，可溶球座坐封过程中后，隔环6扩大直径，卡瓦基体7沿着径向张开，卡瓦基体7的C型开口结构在扩径过程对隔环6产生撕扯力，由隔环6对上金属密封环4和下金属密封环5进行保护。隔环6所受轴向力通过下端面传递给下金属密封环5下端面，下金属密封环上端面16传递给上金属密封环下端面15，保证上金属密封环4和下金属密封环5在扩径过程中不受卡瓦基体7直接作用力导致结构变形。

在锚定密封过程中，防撞环9的螺纹与锁紧套10相互配合，形成自锁机构，能够保证可溶球座的坐封成功率和坐封效果，进而提高了现场整体施工效率。

锁紧套10与防撞环9通过螺纹连接，防撞环9通过丢手拉杆11作用受力向后挤压卡瓦基体7、隔环6、上金属密封环4和下金属密封环5，带动锁紧套10向后运动，当运动至滑动体2内径变径处，嵌入式卡瓦块8咬入套管壁，上金属密封环4、下金属密封环5和可溶橡胶密封圈与套管壁接触实现密封，防撞环9轴向运动被限制，从而实现坐封与锚定功能。

卡瓦上端面13与防撞环下端面14为平面配合，防撞环9受到丢手拉杆11作用，通过防撞环下端面14向卡瓦基体7施加力，平面接触保证施力的均匀性，有助于卡瓦的锚定性能。

剪切销钉12采用可溶材料，经过多次试验和应用，可溶材料螺纹剪切后，剪切端面整齐，剪切值稳定，剪切后无不溶物留在井下，保证井筒内部清洁。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上进一步，参阅图1和图3，所述的卡瓦基体7与防撞环9通过平面接触配合，卡瓦基体上端厚下端薄，有利于卡瓦基体7在锚定过程中有效扩径，使得卡瓦基体7均匀的张开，可有效提高卡瓦的锚定能力。

本实施例在实施例1的基础上进一步，参阅图1和图2，所述的每块卡瓦基体7上都有两块嵌入式卡瓦块8。通过实验可知，嵌入式卡瓦块8在锚定过程中，其接触应力更均匀。两块嵌入式卡瓦块8比一块嵌入式卡瓦块8咬入套管效果更好，可有效提高卡瓦的锚定能力。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上进一步，参阅图1，球座坐封后，卡瓦基体7沿滑动体2斜面扩径至锚定套管内壁，上金属密封环4、下金属密封环5和隔环6结构本身的回弹性给卡瓦基体7提供一个回拉力，与滑动体2斜面配合形成平衡，促使卡瓦基体7贴合套管内壁，可解决单卡瓦结构的卡瓦回落问题。

球座坐封后，卡瓦基体7与上金属密封环4、下金属密封环5和隔环6沿滑动体2斜面扩径至最大直径处，上金属密封环4、下金属密封环5扩径进行球座密封，因其本身的扩径不均匀性导致金属密封不严，但其挤压可溶橡胶密封圈变形，与金属密封环共同密封，可有效提高球座的密封能力。

本发明是一种适用于分段压裂的C型卡瓦结构的可溶球座，解决了卡瓦钉型可溶球座锚定能力不足、金属密封不严的问题，解决了压裂后井筒堵塞的问题，在一定程度上改善了可溶球座的性能，提高了可溶球座的经济应用性。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于分段压裂的C型卡瓦结构的可溶球座，包括从上到下依次连接的可溶球(1)、滑动体(2)、可溶橡胶密封圈(3)、上金属密封环(4)、下金属密封环(5)、隔环(6)、卡瓦基体(7)、嵌入式卡瓦块(8)、防撞环(9)、锁紧套(10)、丢手拉杆(11)和剪切销钉(12)，其特征在于：所述上金属密封环(4)、下金属密封环(5)结合可溶橡胶密封圈(13)共同密封，所述卡瓦基体(7)轴向安装有嵌入式卡瓦块(8)，所述卡瓦基体(7)呈分瓣式结构。

2.根据权利要求1所述的一种适用于分段压裂的C型卡瓦结构的可溶球座，其特征在于，滑动体(2)内表面与锁紧套(14)外表面连接，具体为：滑动体(2)内径表面与锁紧套(14)外环面通过接触面过盈配合连接，通过滑动体(2)内径逐渐减小，增加锁紧套(14)与滑动体(2)之间的摩擦力，限制上金属密封环(4)、下金属密封环(5)、隔环(6)、卡瓦基体(7)、和防撞环(11)的轴向位移。

3.根据权利要求1所述的一种适用于分段压裂的C型卡瓦结构的可溶球座，其特征在于，滑动体(2)上安装有上金属密封环(4)、下金属密封环(5)、隔环(6)，隔环(6)上端面与卡瓦基体(7)下端面通过面接触配合，隔环(6)承受卡瓦基体(7)结构在锚定过程中产生的剪切力，而隔环(6)通过面接触使得上金属密封环(4)和下金属密封环(5)受力均匀扩径；卡瓦基体(7)上端面与防撞环(9)下端面通过面接触进行配合，保证坐封过程中，防撞环(9)对卡瓦基体(7)施力的均匀性；卡瓦基体(7)的上部周向设有上下两圈嵌入式卡瓦块(8)，使得球座在锚定过程中，嵌入式卡瓦块(8)与套管接触应力更为均匀。

4.根据权利要求1所述的一种适用于分段压裂的C型卡瓦结构的可溶球座，其特征在于，嵌入式卡瓦块(8)为斜齿，且嵌入式卡瓦块(8)卡瓦牙顶角α为85°、卡瓦牙倾角β为70°，有利于卡瓦锚定。