CN116556879B - 一种金属扩张式裸眼封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属扩张式裸眼封隔器，包括：中心管；膨胀筒，其两端分别通过第一密封组件和第二密封组件与中心管形成密封连接，在膨胀筒与中心管的径向之间形成密封腔体；形成于第一密封组件内的注液通道，注液通道连通中心管的内部流道和密封腔体；形成于第一密封组件内的压力补偿机构，压力补偿机构包括补液通道，处于金属扩张式裸眼封器上方的井筒环空通过补液通道与密封腔体连通；其中，通过井口打压能够使中心管内的液体通过注液通道进入密封腔体，使得膨胀筒径向扩张直至贴紧井壁而完成坐封，并能够在金属扩张式裸眼封隔器承受的上压大于密封腔体的压力时，通过压补液通道对密封腔体进行补液，以继续胀封金属扩张式裸眼封隔器。

Description

一种金属扩张式裸眼封隔器

技术领域

本发明属于石油工业中完井技术领域，具体涉及一种金属扩张式裸眼封隔器。

背景技术

裸眼分段压裂是提高单井产量，实现单井上产的有效工艺之一。相较于压缩式裸眼封隔器，扩张式封隔器扩张比更大、密封段更长、井眼不规则适应性更强，在裸眼分层中具备更大的优势。

然而，随着超深井和干热岩的开发，对封隔器耐温要求达到了200℃以上。目前，现有的裸眼封隔器，大都以胶筒或者钢带式胶筒作为密封单元进行层间分隔，其耐高温高压性能以及可靠性均存在不足。例如，现有的裸眼封隔器密封件较多，导致耐温性能较差。密封胶筒内径较小，导致井下工具内通径小，不易大排量酸压，作业效率低。此外，现有的裸眼封隔器密封性较差，无法实现在高温环境下封隔器的持久有效密封，导致其可靠性差，无法满足高温高压井裸眼分段压裂需求。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种金属扩张式裸眼封隔器，该金属扩张式裸眼封隔器能够显著增强耐温性能，并能够大大提高封隔器承上压可靠性，能够实现高温环境下封隔器的持久有效密封。

为此，根据本发明提供了一种金属扩张式裸眼封隔器，包括：中心管；套设在所述中心管上的膨胀筒，所述膨胀筒的上下两端分别通过所述第一密封组件和第二密封组件与所述中心管形成密封连接，且所述第一密封组件与所述中心管固定连接，在所述膨胀筒与所述中心管的径向之间形成密封腔体；形成于所述第一密封组件内的注液通道，所述注液通道连通所述中心管的内部流道和所述密封腔体；以及形成于所述第一密封组件内的压力补偿机构，所述压力补偿机构包括补液通道，处于所述金属扩张式裸眼封器上方的井筒环空通过所述补液通道与所述密封腔体连通；其中，通过井口打压能够使所述中心管内的液体通过所述注液通道进入所述密封腔体，使得所述膨胀筒径向扩张直至贴紧井壁而完成坐封，并能够在所述金属扩张式裸眼封隔器承受的上压时大于所述密封腔体的压力时，通过所述压补液通道对所述密封腔体进行补液，以继续胀封所述金属扩张式裸眼封隔器。

在一个实施例中，所述膨胀筒包括金属内筒和套设在所述金属内筒上的橡胶外筒，所述橡胶外筒采用硫化方式附着于所述金属内筒的外表面上。

在一个实施例中，所述金属内筒包括处于轴向中部的膨胀段和处于两端的连接段，所述膨胀段的厚度设置成小于所述连接段的厚度。

在一个实施例中，所述膨胀段的内径设置成大于所述连接段的内径，且在所述膨胀段与所述连接段的连接处形成圆弧过渡。

在一个实施例中，所述金属内筒的外表面设有多个环形沟槽，多个所述环形沟槽在轴向上均匀间隔开分布。

在一个实施例中，所述第一密封组件包括上接头和套装在所述上接头上的上端环，所述上接头与所述中心管固定连接且形成密封，所述金属内筒的上端延伸至所述上接头与所述上端环之间且与所述上接头固定连接。

在一个实施例中，所述中心管的侧壁设有第一贯通孔，所述上接头内设有与所述密封腔体连通的第一流道孔，所述第一贯通孔与所述第一流道孔连通，从而形成所述注液通道。

在一个实施例中，在所述注液通道内设有第一单向阀。

在一个实施例中，所述上端环的侧壁设有第二贯通孔，所述上接头内还设有与所述密封腔体连通的第二流道孔，所述第二流道孔与所述第一流道孔在周向上错开分布，所述第二贯通孔与所述第二流道孔连通，从而形成所述补液通道。

在一个实施例中，在所述补液通道内设有第二单向阀。

在一个实施例中，所述第二密封组件包括下接头和套装在所述下接头上的下端环，所述下接头与所述中心管之间形成密封，所述金属内筒的下端延伸至所述下接头与所述下端环之间且与所述下接头固定连接。

在一个实施例中，所述下接头设有沿轴向贯穿的注液孔，用于向所述密封腔体内注入液体，所述注液孔的下端设有丝堵。

在一个实施例中，在所述膨胀筒的两端分别设有防突单元，所述防突单元包括第一防突环、第二防突环和第三防突环，所述第一防突环与相应的所述上端环或下端环接触，所述第三防突环包裹在所述橡胶外筒的轴向端部，所述第二防突环处于所述第二防突环与所述第三防突环之间。

在一个实施例中，所述第三防突环构造成能够适应所述膨胀筒的径向扩张而撑开，并始终包裹所述橡胶外筒的轴向端部。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

根据本发明的金属扩张式裸眼封隔器采用的密封件少，能够有效提高其耐高温性能。并且，膨胀筒相对于全橡胶胶筒和钢带式胶筒壁厚更薄，内通径更大，易于大排量酸压，能够显著提高酸压效率。同时，金属扩张式裸眼封隔器通过压力补偿机构，显著提高了金属扩张式裸眼封隔器承上压可靠性。此外，金属扩张式裸眼封隔器实现了高温环境下封隔器的持久有效密封，能够满足高温高压井裸眼分段压裂需求。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1示意性地显示了根据本发明的金属扩张式裸眼封隔器的结构。

图2示意性地显示了金属扩张式裸眼封隔器的坐封状态。

图3示意性地显示了图1所示金属扩张式裸眼封隔器中的防突单元的结构。

图4示意性地显示了图3所示防突单元的张开状态。

图5示意性地显示了金属扩张式裸眼封隔器的承下压状态。

图6示意性地显示了金属扩张式裸眼封隔器的承上压状态。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

为方便理解，在本申请中，将靠近井口的一端定义为上端、上游端或相似用语，而将远离井口的一端定义为下端、下游端或相似用语。同时，将沿着金属扩张式裸眼封隔器的长度方向称为纵向方向、轴向方向或类似用语，而与之垂直的方向称为横向方向、径向方向或类似用语。

图1示意性地显示了根据本发明的金属扩张式裸眼封隔器100的结构。如1所示，金属扩张式裸眼封隔器100包括中心管2、套装在中心管2上的膨胀筒3、分别设置在膨胀筒3的两端的第一密封组件4和第二密封组件5、注液通道，以及压力补偿机构8。膨胀筒3套设在中心管2上，且膨胀筒3的上端通过第一密封组件4与中心管2固定连接，并形成密封，膨胀筒3的下端通过第二密封组件5与中心管2形成密封连接。由此，在膨胀筒3与中心管2的径向之间形成了密封腔体6。注液通道形成于第一密封组件4内，注液通道连通中心管2的内部流道和密封腔体6。压力补偿机构8形成于第一密封组件4内，压力补偿机构8包括补液通道，处于金属扩张式裸眼封器100上方的井筒环空101(见图6)通过补液通道与密封腔体6连通。

当需要坐封金属扩张式裸眼封器100时，通过井口打压能够使中心管2的内部流道内的液体通过注液通道进入密封腔体6，从而使密封腔体6内的液体压力不断增大，使得膨胀筒3逐渐径向扩张直至贴紧井壁1，由此金属扩张式裸眼封隔器100实现坐封。如图2所示，显示了坐封金属扩张式裸眼封器100的坐封状态。在金属扩张式裸眼封隔器100承受上压时，压力补偿机构8能够通过压补液通道对密封腔体6进行补液，当上压大于密封腔体6内的压力时，以继续胀封金属扩张式裸眼封隔器100，由此保证密封腔体6内的压力，提高封隔可靠性。

根据本发明，如图1所示，膨胀筒3包括金属内筒31和套设在金属内筒31上的橡胶外筒32。在一个实施例中，橡胶外筒32采用硫化方式附着于金属内筒31的外表面上。橡胶外筒32优选采用具有耐高温性能的材料制成，比如氟橡胶、全氟橡胶。

如图1所示，金属内筒31包括处于轴向中部的膨胀段和处于两端的连接段，膨胀段的厚度设置成小于连接段的厚度。这使得金属内筒31易于扩张变形，而端部较厚保证在相同压力小变形较小。

优选地，在金属内筒31的内部，膨胀段的内径设置成大于连接段的内径，且在膨胀段与连接段的连接处通过圆弧形成平滑过渡。这样能够有效减小金属内筒31变形时的应力集中。

金属内筒31优选采用具有高强度、大拉伸率的材料制成。由此，金属内筒31具有良好的延展性。

根据本发明的一个实施例，金属内筒31的外表面设有多个环形沟槽(未示出)，多个环形沟槽在轴向上均匀间隔开分布。环形沟槽通过扩张后产生应力集中，能够显著提高金属扩张式裸眼封隔器100与井眼之间的接触应力，非常有利于提高金属扩张式裸眼封隔器100的密封能力和可靠性。

根据本发明，第一密封组件4包括上接头41和套装在上接头41上的上端环42。上接头41与中心管2固定连接且形成密封。金属内筒31的上端延伸至上接头41与上端环42之间，且金属内筒31与上接头41固定连接。

在一个实施例中，上端环42与金属内筒31之间通过螺纹连接方式形成固定连接。上端环42与上接头41之间通过螺纹连接方式形成固定连接。并且，金属内筒31与上接头41之间通过焊接方式固定并形成密封。上接头41套接在中心管2上，上接头41通过焊接方式与中心管2固定连接并形成密封。

根据本发明，中心管2的侧壁设有第一贯通孔21，上接头41内设有与密封腔体6连通的第一流道孔411，第一贯通孔21与第一流道孔411连通，从而形成了注液通道。如图1所示，第一流道孔411包括沿径向延伸的径向孔段和沿轴向延伸的轴向孔段，且径向孔段与轴向孔段连通，径向孔段与第一贯通孔21对应连通，轴向孔段与密封腔体6连通。

根据本发明的一个实施例，在注液通道内设有第一单向阀71。由此，通过注液通道使得液体仅能从中心管2的内部流道进入密封腔体6内，而无法从密封腔体6内倒流进中心管2内，这能够保证金属扩张式裸眼封隔器100的持续密封，有效提高了金属扩张式裸眼封隔器100的可靠性。

第一单向阀71优选设置在第一流道孔411内，且进一步优选地，设置在第一流道孔411的轴向孔段内。

根据本发明，上端环42的侧壁设有第二贯通孔421，上接头41内还设有与密封腔体6连通的第二流道孔412，第二流道孔412与第一流道孔411在周向上错开分布。第二贯通孔421与第二流道孔412连通，从而形成了补液通道。同样地，如图1所示，第二流道孔412包括沿径向延伸的径向孔段和沿轴向延伸的轴向孔段，且径向孔段与轴向孔段连通，径向孔段与第二贯通孔421对应连通，轴向孔段与密封腔体6连通。

根据本发明的一个实施例，在补液通道内设有第二单向阀81。由此，通过补液通道使得液体仅能从中心管2的内部流道进入密封腔体6内，而无法从密封腔体6内倒流进中心管2内，这能够进一步保证金属扩张式裸眼封隔器100的持续密封，从而进一步提高了金属扩张式裸眼封隔器100的可靠性。

第二单向阀81优选设置在第二流道孔412内，且进一步优选地，设置在第二流道孔412的轴向孔段内。

当金属扩张式裸眼封隔器100胀封后承受上压时，在密封腔体6内的压力小于金属扩张式裸眼封隔器100与井眼之间的上腔压力时，上腔能够通过压力补偿机构8为密封腔体6补压，以提高金属内筒31、橡胶外筒32与井眼之间的正压力，从而能够显著提高金属扩张式裸眼封隔器100的密封能力。需要理解的是，这里的上腔是指金属扩张式裸眼封隔器100胀封后，处于金属扩张式裸眼封器100上方的井筒环空101(见图6)。

根据本发明，如图1所示，第二密封组件5包括下接头51和套装在下接头51上的下端环52，下接头51与中心管2之间形成密封。金属内筒31的下端延伸至下接头51与下端环52之间，并且与下接头51固定连接。

在一个实施例中，下端环52与金属内筒31之间通过螺纹形成固定连接。下接头51与下端环52之间也通过螺纹形成固定连接。金属内筒31和下接头51之间通过焊接方式固定并形成密封。

根据本发明，下接头51套装在中心管2上，并且在下接头51与中心管2之间设有密封件23，由此，使得下接头51与中心管2之间形成滑动密封。也就是，第二密封组件5与中心管2之间形成滑动密封。这样，金属扩张式裸眼封隔器100在胀封过程中，第一密封组件4与中心管2固定连接，而第二密封组件5可以相对于中心管2沿轴向滑动，从而能够保证伸缩筒3能够有效径向扩张，有效提高了金属扩张式裸眼封隔器100的密封能力。

在本实施例中，当对扩张比要求较小时，下接头51与中心管2之间也可以通过焊接方式固定并形成密封。也就是，第二密封组件5与中心管2之间形成固定连接。这样金属扩张式裸眼封隔器100同样能够在一定范围内径向扩张，以实现胀封，这同样能够保证金属扩张式裸眼封隔器100的密封能力。

根据本发明，如图1所示，下接头51设有沿轴向贯穿的注液孔511。注液孔511用于向密封腔体6内注入液体，注液孔的下端设有丝堵512。金属扩张式裸眼封隔器100在出厂之前通过注液孔511向密封腔体6内注液，并通过丝堵512实现封闭和密封。

根据本发明，如图1所示，在膨胀筒3的两端分别设有防突单元9。防突单元9套装在金属内筒31的外部，且分别处于橡胶外筒32的两端位置处，从而形成了上下防突机构。防突单元9能够在金属扩张式裸眼封隔器100胀封后保护橡胶外筒32和金属内筒31的肩部，从而提高金属扩张式裸眼封隔器100的承压可靠性。

如图3和图4所示，防突单元9包括第一防突环91、第二防突环92和第三防突环93。第一防突环91与相应的上端环42或下端环52接触，第三防突环93包裹在橡胶外筒32的轴向端部，第二防突环92处于第二防突环91与第三防突环93之间。第三防突环93构造成能够适应膨胀筒3的径向扩张而撑开，并始终包裹橡胶外筒32的轴向端部。在安装时，第一防突环91、第二防突环92和第三防突环93一次套装在膨胀筒3上。

如图3所示，第一防突环91的上端面构造成第一锥面，下端面构造成内台阶面。同时，上端环42的下端面构造成能够与第一锥面适配的斜面。

第二防突环92的下端面构造成第二锥面，上端面构造成外台阶面。内台阶面能够与外台阶面适配，从而使第一防突环91与第二防突环91形成适配对接，并且第一防突环91对第二防突环92形成径向限定和轴向限定。

如图3所示，第三防突环93构造成包括径向延伸部931、轴向延伸部933，以及连接径向延伸环和轴向延伸环的连接部932。连接部932与径向延伸部931呈一定夹角，从而使中部连接部932的外端面能够与第二防突环92的第二锥面适配。在初始状态下，第三防突环93的轴向延伸部933沿轴向延伸而包裹在橡胶外筒32的轴向端部。

如图4所示，当金属扩张式裸眼封隔器100胀封后，第三防突环93的轴向延伸部933适应伸缩筒3的径向扩张而撑开，直至使轴向延伸部933的延伸方向与连接部的延伸方向一致，并轴向延伸部933始终包裹橡胶外筒32的轴向端部。同时，在胀封过程中，第一防突环91和第二防突环92在第三防突环93个作用下发生径向变形(图中未示出)，并能够对第三防突环93形成有效的轴向支撑和限位。由此，防突单元9能够有效避免伸缩筒3的两端凸出，能够有效保护橡胶外筒32和金属内筒31的肩部，从而提高金属扩张式裸眼封隔器100的承压可靠性。

在一个实施例中，第一防突环91、第二防突环92和第三防突环93可以采用2Cr13材料制成。

下面简述根据本发明的金属扩张式裸眼封隔器100的工作过程。

如图1所示，金属扩张式裸眼封隔器100处于入井初始状态，膨胀筒3处于初始收缩状态。此时，外部环境为井筒高温状态。

当金属扩张式裸眼封隔器100到位进行压裂之前，通过井口打压以坐封金属扩张式裸眼封隔器100。在打压过程中，流体通过注液通道进入密封腔体6。通过持续打压，密封腔体6内的压力不断增大，从而使金属内筒31与橡胶外筒32逐渐扩张，直至使橡胶外筒32贴紧井壁1并形成密封，从而完成封隔。在胀封过程中，防突单元9中的第一防突环91、第二防突环92和第三防突环93同时扩张，以保护橡胶外筒32和金属内筒31的肩部。

当进行压裂时，如图5所示，首先投球打开连接于金属扩张式裸眼封隔器100下端的滑套15，压裂液通过滑套15的侧孔进入井眼以压开地层。此时，金属扩张式裸眼封隔器100承受下压(下腔压力)。当密封腔体6内的压力小于中心管2的内部流道的压力时，能够通过注液通道继续向密封腔体6内充液，以进一步胀封金属扩张式裸眼封隔器100，保证其密封可靠性。需要理解的是，这里的下腔是指金属扩张式裸眼封隔器100胀封后，处于金属扩张式裸眼封器100下方的井筒环空102(见图5)。

如图6所示，当投球打开连接于金属扩张式裸眼封隔器100上端的滑套14，以对金属扩张式裸眼封隔器100上部地层进行压裂时，金属扩张式裸眼封隔器100承受上压。当上腔压力大于密封腔体6内的压力时，能够通过压力补偿机构8对密封腔体6进行补液，以继续胀封金属扩张式裸眼封隔器100，提高封隔可靠性。

根据本发明的金属扩张式裸眼封隔器100密封件少，能够有效提高其耐高温性能，膨胀筒3相对于全橡胶胶筒和钢带式胶筒壁厚更薄，内通径更大，易于大排量酸压，能够显著提高酸压效率。同时，金属扩张式裸眼封隔器100通过压力补偿机构8，显著提高了金属扩张式裸眼封隔器100承上压可靠性。此外，金属扩张式裸眼封隔器100实现了高温环境下封隔器的持久有效密封，能够满足高温高压井裸眼分段压裂需求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金属扩张式裸眼封隔器，包括：

中心管（2）；

套设在所述中心管上的膨胀筒（3），所述膨胀筒的上下两端分别通过第一密封组件（4）和第二密封组件（5）与所述中心管形成密封连接，且所述第一密封组件与所述中心管固定连接，在所述膨胀筒与所述中心管的径向之间形成密封腔体（6）；

形成于所述第一密封组件内的注液通道，所述注液通道连通所述中心管的内部流道和所述密封腔体；以及

形成于所述第一密封组件内的压力补偿机构（8），所述压力补偿机构包括补液通道，处于所述金属扩张式裸眼封隔器上方的井筒环空（101）通过所述补液通道与所述密封腔体连通；

其中，通过井口打压能够使所述中心管内的液体通过所述注液通道进入所述密封腔体，使得所述膨胀筒径向扩张直至贴紧井壁而完成坐封，并能够在所述金属扩张式裸眼封隔器承受的上压大于所述密封腔体的压力时，通过所述补液通道对所述密封腔体进行补液，以继续胀封所述金属扩张式裸眼封隔器；

所述膨胀筒包括金属内筒（31）和套设在所述金属内筒上的橡胶外筒（32），所述金属内筒包括处于轴向中部的膨胀段和处于两端的连接段，所述膨胀段的厚度设置成小于所述连接段的厚度，所述金属内筒的外表面设有多个环形沟槽，多个所述环形沟槽在轴向上均匀间隔开分布；

所述第一密封组件包括上接头（41）和套装在所述上接头上的上端环（42），所述上接头与所述中心管固定连接且形成密封；所述中心管的侧壁设有第一贯通孔（21），所述上接头内设有与所述密封腔体连通的第一流道孔（411），所述第一贯通孔与所述第一流道孔连通，从而形成所述注液通道；

所述上端环的侧壁设有第二贯通孔（421），所述上接头内还设有与所述密封腔体连通的第二流道孔（412），所述第二流道孔与所述第一流道孔在周向上错开分布，所述第二贯通孔与所述第二流道孔连通，从而形成所述补液通道；

所述第二密封组件包括下接头（51）和套装在所述下接头上的下端环（52），所述下接头与所述中心管之间形成密封；所述下接头设有沿轴向贯穿的注液孔（511），用于向所述密封腔体内注入液体，所述注液孔的下端设有丝堵（512）；

在所述膨胀筒的两端分别设有防突单元（9），所述防突单元包括第一防突环（91）、第二防突环（92）和第三防突环（93），所述第一防突环与相应的所述上端环或下端环接触，所述第三防突环包裹在所述橡胶外筒的轴向端部，所述第二防突环处于所述第一防突环与所述第三防突环之间。

2.根据权利要求1所述的金属扩张式裸眼封隔器，其特征在于，所述橡胶外筒采用硫化方式附着于所述金属内筒的外表面上。

3.根据权利要求2所述的金属扩张式裸眼封隔器，其特征在于，所述膨胀段的内径设置成大于所述连接段的内径，且在所述膨胀段与所述连接段的连接处形成圆弧过渡。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的金属扩张式裸眼封隔器，其特征在于， 所述金属内筒的上端延伸至所述上接头与所述上端环之间且与所述上接头固定连接。

5.根据权利要求1所述的金属扩张式裸眼封隔器，其特征在于，在所述注液通道内设有第一单向阀（71）。

6.根据权利要求1所述的金属扩张式裸眼封隔器，其特征在于，在所述补液通道内设有第二单向阀（82）。

7.根据权利要求4所述的金属扩张式裸眼封隔器，其特征在于，所述金属内筒的下端延伸至所述下接头与所述下端环之间且与所述下接头固定连接。

8.根据权利要求1所述的金属扩张式裸眼封隔器，其特征在于，所述第三防突环构造成能够适应所述膨胀筒的径向扩张而撑开，并始终包裹所述橡胶外筒的轴向端部。