CN120465875A - 一种用于水平井井筒重构的大通径复合金属管外封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于水平井井筒重构的大通径复合金属管外封隔器，涉及石油井下工具技术领域，包括管柱本体、复合金属胶筒、液压膨胀控制装置、阀门系统，所述复合金属胶筒套设于所述管柱本体外侧；所述液压膨胀控制装置连接于所述管柱本体内部，所述液压膨胀控制装置与所述复合金属胶筒电信连接且相对设置，所述液压膨胀控制装置用于控制液压使得所述复合金属胶筒膨胀；所述阀门系统连接于所述管柱本体内部，所述阀门系统用于锁定膨胀液体并维持恒定膨胀压力。本发明中的阀门系统能够在压裂或酸化时，保证环空各个井段的封隔能力，进行多次压裂施工作业，同时简化施工步骤，解决了现有技术中的封隔器使用寿命较短且适用范围较小的问题。

Description

一种用于水平井井筒重构的大通径复合金属管外封隔器

技术领域

本发明涉及石油井下工具技术领域，尤其是涉及一种用于水平井井筒重构的大通径复合金属管外封隔器。

背景技术

近年来，非常规油气资源的储层条件差、开发难度大，其有效开发多借助水平井+体积压裂技术。然而，非常规油气井产量递减幅度大、递减速度快，如何提高非常规油气井产量，成为制约非常规油气藏持续经济开发的重要难题。重复压裂技术是提高非常规油气井产量和采收率的有效手段之一，可起到增加地层能量、产生新缝或扩展老缝、恢复裂缝导流能力、提高储量动用程度等诸多作用。北美早期转向重复压裂主要采用化学暂堵和套中固套两种技术；化学暂堵技术对原射孔密封压力低，难以控制压裂液流向；套中固套施工后内通径大幅减小，限制了重复压裂的施工压力和排量。

封隔器是油气田开发的一种关键井下工具，主要用于实施分层酸化、分层压裂、分层注水、分层采气、分层测试等用途。但是，常规的橡胶封隔器，其易受高温、高压或腐蚀性流体影响，导致密封失效；而常规的金属封隔器又缺乏弹性，难以适应不规则井壁，导致使用寿命较短且适用范围严重受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于水平井井筒重构的大通径复合金属管外封隔器，其解决了现有技术中的封隔器使用寿命较短且适用范围较小的问题。

本发明的技术方案：

本发明提供一种用于水平井井筒重构的大通径复合金属管外封隔器，包括：

管柱本体；

复合金属胶筒，所述复合金属胶筒套设于所述管柱本体外侧；

液压膨胀控制装置，所述液压膨胀控制装置连接于所述管柱本体内部，所述液压膨胀控制装置与所述复合金属胶筒电信连接且相对设置，所述液压膨胀控制装置用于控制液压使得所述复合金属胶筒膨胀；

阀门系统，所述阀门系统连接于所述管柱本体内部，所述阀门系统用于锁定膨胀液体并维持恒定膨胀压力。

进一步地，两个所述阀门系统分别位于所述液压膨胀启动装置的两侧。

进一步地，所述管柱本体的两端具有螺纹段。

进一步地，所述复合金属胶筒包括橡胶筒体以及所述橡胶筒体外圆间隔均匀连接有多个金属环。

进一步地，所述液压膨胀控制装置至少包括液压泵、液压管路、膨胀腔以及压力传感器，所述膨胀腔的形状与所述橡胶筒体相匹配。

进一步地，所述阀门系统至少包括橡胶筒体连接的单向阀、压力调节阀和泄压阀，所述单向阀连接于所述液压管路与所述膨胀腔之间，所述泄压阀连接于膨胀腔底部。

根据以上技术特征，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明的复合金属管外封隔器，其管柱本体超薄以及通径大，且管柱两端采用无接箍的螺纹结构，能保证大通径桥塞不受阻，也允许重复压裂时大排量施工；复合金属胶筒是由耐高温高压金属和橡胶复合组成，能够避免高温高压下橡胶老化后，导致封隔器坐封后耐压差能力减弱，密封时间短，而且可以实现套管内金属对金属的密封，能够达到API 11D1 V0级；液压膨胀启动装置能实现从地面进行控制，通过液压使复合金属胶筒膨胀，膨胀后，紧密锚定粘贴在外层套管内壁上；阀门系统能够在封隔器膨胀后能够锁定膨胀液体，当管内压力低于胶筒内压力时不会回流，永久保持膨胀压力。本发明提供的大通径复合金属管外封隔器本体具有达到或超过尾管油套管的抗外挤强度和抗内压强度，且能完美替代膨胀管补贴及化学封堵和尾管注水泥浆。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中复合金属胶筒的结构示意图。

图中：1-管柱本体；2-复合金属胶筒；3-阀门系统；4-液压膨胀启动装置；111-橡胶筒体；112-金属环。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请一并参照图1-图2，本发明的实施例提供了一种用于水平井井筒重构的大通径复合金属管外封隔器，该装置包括：管柱本体1、复合金属胶筒2、液压膨胀控制装置、阀门系统3，复合金属胶筒2套设于管柱本体1外侧；液压膨胀控制装置连接于管柱本体1内部，液压膨胀控制装置与复合金属胶筒2电信连接且相对设置，液压膨胀控制装置用于控制液压使得复合金属胶筒2膨胀；阀门系统3连接于管柱本体1内部，阀门系统3用于锁定膨胀液体并维持恒定膨胀压力。

需要说明的是，本发明提供的大通径复合金属管外封隔器，管柱本体1为超薄壁结构，确保大通径桥塞顺利通过，进而有效适应大排量施工需求；复合金属胶筒2既避免了橡胶老化导致的密封失效，又克服了全金属延展性不足的问题；液压膨胀启动装置4能够精准控制复合金属胶筒2膨胀过程，确保封隔器坐封均匀；阀门系统3能自动调节内外压力平衡，保障多次压裂作业的稳定性。与现有技术相比，本发明有效提升了封隔器的抗外挤强度、抗内压强度及多次压裂适用性，能够更好地应用于老井储层的重复改造提，解决了现有技术中的封隔器使用寿命较短且适用范围较小的问题。

详细地，复合金属管外封隔器与内套管相连，随着管柱串下入井筒内，到达固定位置后，通过地面的操作控制，对液压膨胀启动装置4进行启动，通过膨胀液体对复合金属胶筒2进行膨胀，复合金属胶筒2与套管内壁紧密接触，有效封堵射孔孔眼以及有效层间封隔，复合金属管外封隔器内部的阀门系统3，能够在施工中提供安全防护。接着，在封隔器膨胀后，对膨胀液体进行锁定，当管内压力低于复合金属胶筒2内压力时，阀门系统3会保证液体不会回流，永久保持膨胀压力，当管内压力大于复合金属胶筒2内压力时，阀门系统3会控制液体进入，保证复合金属胶筒2永久膨胀压力，保障各层段的封隔能力。

值得说明的是，管柱本体1的两端具有螺纹段。常规封隔器中管柱本体1的壁厚为5-30mm，本发明中管柱本体1的壁厚为2-13mm，为超薄壁结构，通过精确计算壁厚与抗外挤强度之间的关系，使得管柱在满足抗外挤强度和抗内压强度要求的同时，有效增加内通径，详细地，封隔器采用超薄壁厚与大通径结构，能够在保证承压(105MPa)的同时扩大中心通径(较常规增加30％以上)，使大通径桥塞(直径≥85mm)可顺畅通过封隔器内孔，避免卡阻；另外，大排量压裂时(排量≥12m³/min)，通径截面扩大降低流体摩阻，减少压裂液湍流损耗，确保携砂液高速通过。采用无接箍螺纹的连接结构，能减少了接头处的尺寸突变，避免常规封隔器因接箍存在而导致的通径受限问题，不仅保证了大通径工具的顺畅通过，还提高了施工过程中流体流通能力，从而满足高排量施工需求，还有螺纹段经过特殊处理，使其具备良好的密封性能和抗拉强度，能够承受高达70兆帕的工作压力，不仅简化了施工步骤，还提高了封隔器在多次压裂作业中的可靠性。进一步地，申请人在某一试验中，管柱本体1的外径为127毫米，内径为114毫米，壁厚仅为6.5毫米，相较于传统封隔器的壁厚减少了约30％，有效提升了内通径；无接箍螺纹端结构则避免了传统接箍带来的局部尺寸增大问题，使得封隔器能够顺利通过井下狭窄段或复杂井眼结构。

值得说明的是，液压膨胀启动装置4通过地面控制系统的精确操作实现复合金属胶筒2的膨胀过程，该装置设置于管柱本体1中部内侧，通过液压通道将膨胀液体注入复合金属胶筒2内部，该装置能够有效提高高温高压环境下的可靠性，可选地，液压膨胀启动装置4采用耐高温高压材料制造，并通过优化液压通道结构，确保膨胀液体能够均匀分布于复合金属胶筒2内部，从而实现复合金属胶筒2的完全膨胀和与套管内壁的紧密贴合。

值得说明的是，现有技术中的封隔器在使用时，水平井井筒弯曲段易导致封隔器坐封不均，且难以应对地层压力动态变化或多次压裂作业的重复需求。本发明设置的阀门系统3能够实现双向控制，既可防止膨胀液体回流，又能补充液体以维持复合金属胶筒2的永久膨胀压力，进而确保其在多次压裂或酸化作业中的稳定性和可靠性。

进一步地，两个阀门系统3分别位于液压膨胀启动装置4的两侧。

进一步地，复合金属胶筒2包括橡胶筒体111以及橡胶筒体111外圆间隔均匀连接有多个金属环112。橡胶筒体111由耐高温高压的弹性橡胶制成，金属环112由耐高温高压的金属制成，能够克服单一材料在极端环境下的局限性。金属环112均匀分布连接在橡胶筒体111外部，通过特定的排列方式增强胶筒的延展性和抗压能力，使其能够适应不规则井壁并实现长期密封。具体来说，橡胶筒体111由一种特殊的弹性橡胶构成，其配方包括丁腈橡胶、纳米氧化锌和增塑剂，其中丁腈橡胶占比为70％、纳米氧化锌占比为15％、增塑剂占比为15％。这种材料组合赋予了橡胶筒优异的耐高温性能(最高耐温可达180摄氏度)和耐高压性能(最高耐压可达100兆帕)。金属环112其厚度为2毫米，宽度为10毫米，并通过激光焊接技术固定在橡胶筒体111表面，金属环112在橡胶筒体111膨胀过程中起到支撑作用，防止橡胶筒体111因过度变形而失效。其中，金属环112的分布密度和厚度经过优化，以确保橡胶筒体111在膨胀过程中能够与套管内壁形成紧密接触，实现高效的密封效果同时保持足够的机械强度。

进一步地，液压膨胀控制装置至少包括液压泵、液压管路、膨胀腔以及压力传感器，膨胀腔的形状与橡胶筒体111相匹配。液压膨胀启动装置4通过地面控制液压驱动橡胶筒体111膨胀，使其紧密贴合套管内壁。液压膨胀启动装置4主要包括液压泵、液压管路和膨胀腔三部分，液压泵连通地面设备，通过液压管路与封隔器内部的膨胀腔连接。申请人在某一试验中，液压泵的最大输出压力为120兆帕，能够满足不同工况下的施工需求。膨胀腔位于管柱本体1内部，其形状与橡胶筒体111相匹配，确保液压液体能够均匀分布并推动橡胶筒体111向外膨胀。在实际操作中，地面控制设备向液压泵发送指令，液压泵将液压液体注入膨胀腔，液体的压力逐渐增加，推动橡胶筒体111向外膨胀直至完全贴合套管内壁。在此过程中，液压膨胀启动装置4能够精准控制橡胶筒体111膨胀的速度和压力，确保封隔器坐封均匀且稳定。还有，液压膨胀启动装置4还配备有压力传感器，可实时监测膨胀腔内的压力变化，并将数据传输至地面控制系统，以便操作人员及时调整施工参数。

进一步地，阀门系统3至少包括橡胶筒体111连接的单向阀、压力调节阀和泄压阀，单向阀连接于液压管路与膨胀腔之间，泄压阀连接于膨胀腔底部。单向阀用于防止液压液体回流，确保膨胀腔内的压力始终保持在设定值；压力调节阀用于自动调节膨胀腔内的压力，使其与井下环境压力保持平衡。申请人在某一实验中，压力调节阀的响应时间为0.5秒，能够在压力波动时迅速作出反应，保障封隔器的稳定性。泄压阀用于在施工结束后释放膨胀腔内的液压液体，使橡胶筒体111恢复原状。阀门系统3工作时：当地面液压泵向膨胀腔注入液压液体时，单向阀打开，液体进入膨胀腔并推动橡胶筒体111膨胀；当膨胀腔内的压力达到设定值时，压力调节阀自动关闭，锁定膨胀液体并维持恒定压力；在施工结束后，操作人员通过地面控制系统打开泄压阀，释放膨胀腔内的液体，使橡胶筒体111恢复原状。这种设计不仅简化了施工步骤，还提高了封隔器在多次压裂作业中的适用性。

详细地，本发明的大通径复合金属管外封隔器可用于老井储层重复改造施工，以某一口水平井为例，该井的套管内径为124毫米，井深为3000米，储层温度为150摄氏度，储层压力为50兆帕。施工前，操作人员将封隔器通过螺纹段组装成完整工具串，并将其下入井筒预定位置。随后，地面液压泵启动，向液压膨胀启动装置4注入液压液体，液体压力逐渐增加至80兆帕，推动复合金属胶筒2向外膨胀并紧密贴合套管内壁。在此过程中，压力传感器实时监测膨胀腔内的压力变化，并将数据传输至地面控制系统，操作人员根据数据调整液压泵的输出压力，确保封隔器坐封均匀且稳定。封隔器坐封完成后，进行体积压裂施工，施工排量为10立方米每分钟，施工压力为70兆帕。施工结束后，操作人员通过地面控制系统打开泄压阀，释放膨胀腔内的液压液体，使复合金属胶筒2恢复原状，完成一次压裂作业。在多次压裂作业中，封隔器表现出优异的抗外挤强度和抗内压强度，未出现任何密封失效或结构损坏现象，有效提升了老井储层改造效率。

进一步地，申请人为了进一步验证本发明结构所能够实现的性能，进行了多项实验测试，在一项高温高压实验中，将封隔器置于模拟井下环境的实验装置中，环境温度为180摄氏度，环境压力为100兆帕，持续时间为24小时。实验结果显示，复合金属胶筒2在极端条件下仍能保持良好的密封性能，未出现任何老化或变形现象。在另一项多次压裂实验中，封隔器连续进行了10次压裂作业，每次作业的压力为70兆帕，排量为10立方米每分钟。实验结果表明，封隔器在多次压裂作业中表现出优异的稳定性和可靠性，未出现任何坐封不均或密封失效现象。这些实验数据能够有效证明本发明在实际应用中的高效性和可靠性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种用于水平井井筒重构的大通径复合金属管外封隔器，其特征在于，包括：

管柱本体(1)；

复合金属胶筒(2)，所述复合金属胶筒(2)套设于所述管柱本体(1)外侧；

液压膨胀控制装置，所述液压膨胀控制装置连接于所述管柱本体(1)内部，所述液压膨胀控制装置与所述复合金属胶筒(2)电信连接且相对设置，所述液压膨胀控制装置用于控制液压使得所述复合金属胶筒(2)膨胀；

阀门系统(3)，所述阀门系统(3)连接于所述管柱本体(1)内部，所述阀门系统(3)用于锁定膨胀液体并维持恒定膨胀压力。

2.根据权利要求1所述的封隔器，其特征在于，

两个所述阀门系统(3)分别位于所述液压膨胀启动装置(4)的两侧。

3.根据权利要求1所述的封隔器，其特征在于，

所述管柱本体(1)的两端具有螺纹段。

4.根据权利要求1所述的封隔器，其特征在于，

所述复合金属胶筒(2)包括橡胶筒体(111)以及所述橡胶筒体(111)外圆间隔均匀连接有多个金属环(112)。

5.根据权利要求4所述的封隔器，其特征在于，

所述液压膨胀控制装置至少包括液压泵、液压管路、膨胀腔以及压力传感器，所述膨胀腔的形状与所述橡胶筒体(111)相匹配。

6.根据权利要求5所述的封隔器，其特征在于，

所述阀门系统(3)至少包括橡胶筒体(111)连接的单向阀、压力调节阀和泄压阀，所述单向阀连接于所述液压管路与所述膨胀腔之间，所述泄压阀连接于膨胀腔底部。