CN1210953A - 供自动化使用的可膨胀销塞件 - Google Patents

Abstract

一种可用于堵塞材料穿孔的新颖装置。销塞件包括有从塞件一端部分地延伸的锥形孔的圆柱形塞件。圆柱形销,其与塞件的锥度大致相同,在组装好后,密接在塞件内。销件有切断凸缘,安装销件在塞件内时,凸缘抵靠塞件凸缘上。用环氧树脂或粘合剂将销件粘在塞就上,销件和塞件则作为单一组件处理。在此位置,销件未使塞件显著径向膨胀。销件上有开孔或槽,便于捕集在塞件孔的液体逸出。销件外表面有槽,供处理销件之用。开孔大小制成能阻止岩屑堵塞即可。

Description

供自动化使用的可膨胀销塞件

本发明一般涉及可膨胀密封销塞件，具体涉及一种用以密封在诸如金属块和浇铸件的材料中的入孔的新颍的、经过改良的并自动化单步骤操作的塞件装置。

在金属加工领域中，有时需要将液压块中钻凿入孔或通道，以便进行内部机械加工，或提供用以交叉连接内部液体输送通道的装置。通常有需要关闭这些开口，以便排除异物进入零件内部，及排除发生液体漏泄。关闭这些通道的一个常见方法是将一个如美国专利2,821,323公开的可膨胀销塞件迫入通道内。这些可膨胀销塞件包含两个组件，即塞件和销件。通常是将该入孔扩孔至其适合的大小以便接纳手动安装的塞件。然后将销件小心地放置在该塞件上，再用力插入，造成该塞件径向地膨胀到入孔的壁上。

在钻井测井中，要决定是否有可回收的资源，一个采油工程师需要处理一个钻井的最重要参数是井底压力。正常的情况下，在钻凿油井(裸眼)后立即探测钻凿的钻孔(压力测量及液体采样)，以便定位主要及次要的产油层。但是，在钻凿和/或产生岩层钻孔时，可在钻孔一个或多个部分常规地使用钢套管，以便稳定和支持钻孔周围的地层。在套管外侧还用水泥浆形成护层，以便就位支承该套管，并提供一定程度的结构完整性，及在地层与该套管之间提供一种密封。

尤其在生产阶段中，有多种情况，其中必需或需要在套管或水泥护层上制成一个或多个穿孔，以便取回资源，并在套管后方或如果有围绕的水泥护层的话，通过该水泥护层进行测试。例如，一种建议采用一个工具，该工具可以用绳索下到钻孔套以套管的部分。该工具包括一个钻孔机构，以便为套管钻凿穿孔，及测试和采样仪器，以便测量在该套管后方的环境的液压参数和/或从该环境中抽取液体样本。根据这些测试的结果，即做出决定，是否需要再进一步的钻凿穿孔以便于生产，还是将之放弃并将该地带堵塞或重新密封。传统的做法，是用水泥浆通过钻管或用弹性体塞件堵塞该穿孔。钻井处理及堵塞也可以用缠绕管进行。无论用这两种方法那一种，堵塞工作都是困难、昂贵，和耗时的工序。

自一九五零年以来，就已经知道有可用在密封诸如金属块及浇铸件的材料上的可膨胀塞件。授予莱顿李二世(Leighton LeeⅡ)的美国专利2,821,323叙述了这种类型塞件的早期产品。这种类型塞件最初是为密封高至20.685×10⁶帕的液压，并承受高至82.74×10⁶帕的试验压力和在13.79×10⁷至20.685×10⁷帕之间的喷出压力。但是，今日的液压已经大大地增加，而液压零部件都基本上用耐高压力和非常硬的材料制造，以便能容纳极高的压力。

需要经过改良的可膨胀塞件以便与这些更硬的材料一起使用并用以密封更高的液压。此种需要的理由在于该零部件材料的强度和硬度会产生特定问题。在过去，一旦将可膨胀塞件插入该材料之后，由于该塞件用其周界接合区和凹槽通过引致该材料安装孔的孔壁发生局部变形，而将该塞件就位锁定。然而，由于用更硬和更高强度的零部件材料和大致上更高的液压，现有技术的可膨胀塞件不足以紧扣在该塞件安装孔的孔壁上，部分地由于该塞件无法在更硬、更强的材料上造成充分的局部变形。

一种解决上述问题的尝试，叙述在颁发给小科尔普(Ko1p,Jr.)等人的美国专利4,867,333中。该专利叙述一种高压销塞件，该销塞件在与高强度、高硬度的液压零部件材料一起使用时极为有用，并在与该种材料一起使用以密封高达5.516×10⁷帕的液压时极为有用。

堵塞已钻凿的穿孔的一种不同方法，见于美国专利5,195,588[戴夫(Dave)]中。戴夫指出，使用一种可可膨胀销塞件可以取得与上述相类似的结果。一个可可膨胀销塞件以下述方式工作：在套管的穿孔中密接一个钢杯，然后将一个圆筒型的楔(称之为销)压入该杯内，该楔径向地使该杯膨胀而进入该套管的表面并就位锁定。

但是，戴夫专利并没有充份的详细探讨这种机制如何发生作用。例如，商售的可膨胀销塞件一般设计成供人工插入，而如在井下浸没于液体中时，便不容易安装和工作。

因此有需要有一种改良的销件，该销件能适当地堵塞在更硬材料中的穿孔。本发明提供一个可适当地堵塞在更硬的材料中的穿孔。本发明提供的系统既简单又耐用，并可用于对井下缆索起下工具的堵塞机制以便堵塞穿孔，也可用于其他自动化堵塞应用之中。

本发明的目的在于提供一个结构和操作过程新颖的可膨胀销塞件，该组件可无需手动干预而能完全将之安装。

本发明的另一个目的在于当整个组件浸没在液体中时也能完成该第一个目标，而该目标的典型情况为在油田工业中试图堵塞在套管上的穿孔。

本发明提供的一种可以用以堵塞在材料中的穿孔的新颍塞件。该塞件包括塞件主体，该主体具有一个锥形孔，该锥形部分地从该塞件的一端部延伸通过该塞件。一个锥形的塞销件，该塞销件的锥度与该塞件主体的锥度大致相同，在完成安装时将可密接在塞件主体中。一个切断凸缘围绕该销件，以便当销件预先安装入塞件主体时，该切断凸缘抵靠在该塞件的凸缘上。在将塞件初始插入该穿孔或钻凿通道时，这个切断凸缘防止相对于该塞件更进一步地安装该销件。直至该组件正确地插入到该孔之前，这个凸缘帮助确保主要的推力不会发生。这个凸缘同时限制施加在该销件上的初始推力，而在该销件更进一步固定在该塞件主体内之前，该销件容许该塞件主体完全的接合该穿孔。在将塞件完全插入到地层之后，增加施加在该销件的推力，从该销件上切断该切断凸缘，从而完全完成安装工作。

在安装之前，通过采用诸如一薄层的环氧树脂或粘合剂，或必要时采用橡胶材料将该销件粘合在该塞件主体上，以便可将该销件和该塞件当作一部件处理。该销件设计成使得在这个状态下，该塞件上不会有显著的径向膨胀。现有技术的方法，则用大小足够的力以将该销件部分地插入该塞件，以便将该销件支承在该塞件主体之内。该销件在其沿外周缘处可以有孔或槽，该孔或槽延伸在该销件的整个长度上，以便让捕集在该塞件的孔中的任何液体可以逸出。也可提供以其他让液体流动通过的装置，例如提供中央开口。这些开口的直径大小并不重要，只要该开口大到足以阻止岩屑的堵塞即可。

为了将该销件和塞件主体安装入该孔内，必须在销件/塞件组件的外表面施加作用力。在塞件的端部上的一个大倒角部便于非校直安装。如前所述，切断凸缘容许待施加的初始力可用于将该塞件插入该孔中。理想的是，当已将该塞件完全插入后，在销件上的一股大的推力将切断该销件上的凸缘，并能将该销件完全插入到塞件主体内。用以插入该塞件的力可例如使用较轻的手动工具而获得，或在自动化情况下，用液压启动的遥控活塞获得。

图1a是未安装入目标孔之前的销塞件的放大的纵向剖面图。

图1b和1c示出该塞件的内壁的不同形状。

图2是按照本发明构造而成的销塞件在将其塞件主体安装后、但未切断其销件上的切断凸缘之前的放大的纵向剖面图。

图3是按照本发明构造而成的销塞件在完全安装之后的纵向剖面图。

图4a-1和4a-2分别是按照本发明构造而成的销塞件的端视图和纵向视图，该图示出该销塞件的一个同轴孔。

图4b-1和4b-2分别是按照本发明构造而成的销塞件的端视图和纵向视图，该图4b-2示出该销塞件的各通孔的径向分布图案。

参看图1，按照本发明的优选实施例的密封塞件，该密封塞件包括一个截头-圆锥形的金属材料制成的塞件10，该塞件10具有一个内部的、闭塞的同轴孔11。所选择的用以制成该销塞件的材料可根据腐蚀率而有所不同。该塞件10中的该同轴孔11以一个不变的轴向锥度延伸进入该塞件直下到其内端壁21′。在该塞件10周边配置一系列用以产生良好的钻孔变形的环形槽12，以便防止该塞件滑脱。该塞件10在其锥形孔的较大的直径端有一个凸缘13，由图1观察该凸缘位于该同轴孔的左端部。该截头圆锥形的同轴孔11延伸在几乎该塞件10的整个长度上，其外端部直径较大，其内端壁21′所处的内端部直径较小。待插塞的标的物(例如钻孔套管)28有一个目标孔27，该孔27比该塞件10位于环形槽12的区域的外径稍大。该孔11的内端壁21′可以是平直的、锥形的，或弯曲的，如图1a、1b和1c所示。锥形的内端壁21′可减轻位于该锥形的同轴孔11与该内端壁21′相接地方的该塞件的应力。

图2示出当销件26插入该塞件10时该销塞件的情况。注意到该销塞件已经定位于该孔27内。该圆柱形的销件26可以用与塞件相同的材料制成，也可以用任何能防止电蚀作用的金属制成，并有一个与该塞件10的同轴孔11大致相同的锥度。在该销件直径较大的端部有一个小的倒角24。该销件加工成带有切断凸缘22，如图1所示，在安装该销件之前，该切断凸缘22抵靠在该塞件的该凸缘13。这个切断凸缘22的作用，是在该塞件10完全插入该目标孔27之前，防止该销件完全插入该塞件之内。这个凸缘22帮助确保在该塞件适当插置入该目标孔27之前，在该销件不会发生作用在其上的主要的推力。这是在假设将该插件插入该目标孔所需的力比切断该切断凸缘的动小的情况下实现的。在销件26的外表面的槽30提供一个处理该塞件/销件组件的诸如活塞31的装置，以便将该销件26插入在该塞件10之前，可将之从一点移到另一点(未示出该装置，但示出该力F)。一个活塞31可以提供将该塞件10插入该孔27内和将该销件26插入该塞件10内所需的推力。该活塞31可通过该槽30接合在该销件上。可用一层薄的环氧树脂或粘合剂，或者需要时用橡胶材料25将该销件26粘合在该塞件10上，这种粘合和该槽30一起可将该销件和该塞件作为单一组件予以处置，而无需对之进行手动干预。该销件26设计成使得在这个位置时，该塞件10不会有显著的径向膨胀。

因为需要预先将该销件26插入到该塞件主体内，通常需要使该锥角应等于或小于将该销件26自持而不是自释所需要的锥度，该自持锥度或自释锥度均为由美国国家标准协会所采用的术语。因此，该同轴孔11的锥角通常比该销件26和该塞件主体所用的材料的磨擦要小每米4.842厘米(或每英尺0.625英寸)，这些材料是考虑该同轴孔11的锥角的自持特性的相关因素。在采用塑料或混合材料或目前未曾预期使用的材料制造销塞件1的部件的情况下，可以预期可接受的该锥角的大小范围会出现差异。相似地，特定的制造方法也可能影响表面的光洁度，因而也造成可接受的锥角范围有所变化。该同轴孔11的具体锥角的选择依赖于对多种因素的考虑，其中包括所需的膨胀量、允许将膨胀的销件26预先插入该同轴孔11中所需的锥度及所用材料的磨擦系数。也可能通过在该同轴孔11内将该销件26有意地“非校直”，使可径向的膨胀力在轴向分布上有所变化，使得该孔11的锥角不相同。在这种情况下，如果该销件26的锥角比该孔11的锥角大，则在朝向该塞件主体的外端部的径向膨胀力增加；如果该销件26的锥角比该同轴孔11的锥角小，则在朝向该塞件主体内端部21的径向膨胀力增加。可以预期在该孔11是以最小或没有锥度的情况下，以致内部的该销件26基本上呈圆柱形，将该销件26预先插入插座20将需要改变该塞件主体的开口22，以提供一个扩大的内径以便收纳和保持该销件26。

该销件也应当有如图4a及4b分别所示的一个孔23和各孔27的分布图案，或有沿外周边轴向槽，该槽可延伸在整个该销件的长度上，以便能将捕集在该塞件10的该同轴孔11中任何液体排出。这些开口的直径或大小并不重要，只要够大能阻止岩屑堵塞开口即可。在该销件26的前缘应有一个大的倒角21，以便能毫无困难地将之适当安装。此外，该销件26在其较大的一端有一个倒角24，以便使插塞处理机制简易。

为了将该销塞件安装入该孔27，如图2所示，需在该销件26的外表面施加一力F。该塞件的右端部的大的倒角21容许非校直地进行安装。该力F可通过诸如使用较轻的手动工具，或在自动化的情况下，用液压启动的遥控活塞取得(即如前文所指的活塞31)。

如前述美国专利3,451,583所叙述的及本发明的图3所示，当该凸缘13抵靠在目标地层28的表面时，该塞件10便适当地且完全地插入到该目标孔27中。当F力增强时，该凸缘13阻止该塞件10的任何更进一步地轴向移动或运动。该切断凸缘22设计成使得该切断凸缘22与环氧树脂25可在一个预定的力F作用下从该销件26上断开，而该力F比将该塞件10完全插入该目标孔27所需的力要大得多。为了帮助移除该切断凸缘22，在该凸缘上设置以割缝，以便在切断后该凸缘变为两或三块而轻易地从该销件上掉落。

该销件26有一个预先选定的长度，以便在切断该切断凸缘22后，以该力F将该销件推入该塞件，如图3所示，在其左端部，其为埋入该塞件10的深度相等于或稍大于该塞件凸缘13的厚度。如果需要的话，这是一种进行通过切断动作而容许清除该凸缘13的辅助程序。如果完成这些工作后，可膨胀塞件10将整个地与该孔材料28齐平，但结构上不会减弱。当将该销件26安装好之后，任何捕集在孔的液体11可以通过如图4a及4b所示的一个通孔23或多个孔27或销件26上的任何的轴向槽逸出。该销件26也有一个预先选择的端部直径，使得当已将该销件完全推入该塞件10内时，如前已由美国专利2,821,323所公开的那样，该塞件的外直径将会发生如图3所示的预定膨胀程度。

因此，由此可本发明提供一种新颍结构的可膨胀塞件，从而该销件与个塞件的预先组装、该倒角和凸缘及该销件的周边的槽容许该销塞件处于浸没在液体环境下亦能进行自动化单步骤安装程序。本发明的方法和装置比现时技术具有更大的优点。虽然联系优先实施例叙述了本发明，但不能将本发明局限于该实施例。在不偏离本发明的发明构思的情况下可以对本发明的基本设计作出改变、变化或改型。此外，在受益于包含在本申请的上述教导下，这些改变、变化或改型对本领域的普通技术人员而言是显而易见的。所有这些改变、变化和改型仍属于本发明有权利要求书中所限定的范畴内。

Claims (12)

1．一种可膨胀塞件组件，适宜于安装入在一个材料中的一个塞件安装孔，以便在高压下密封所述材料，其特征在于其包含：

(a)一个塞件主体，所述塞件主体具有一个内部轴向端壁，一个延伸在一个在所述塞件主体的外端部和所述内部端壁之间的同轴孔，所述同轴孔为一种截头锥形孔，其外端部直径较大，所述截头锥形孔形成一个插座；

(b)沿所述件主体的外部表面有多个轴向间隔开的环型槽和倒角；

(c)一个锥形销件，所述销件适宜于推入所述插座中，使得所述塞件主体膨胀而与所述塞件安装孔之孔壁锁定接合，所述销简易一个表面，所述表面的锥度与所述插座的锥度大致相同，而所述销件的直径稍大于所述插座的直径，使得可将所述塞件主体的周边接合区均匀地膨胀而使所述销件与所述塞件的安装孔的孔壁接合；及

(d)围绕所述销件有一个切断凸缘，其定位在与所述塞件的外端部齐平，以所述销件的一个小部分预先安装于所述塞件，以便于其后安装所述可膨胀销塞件。

2．如权利要求1所述可膨胀销塞件，其特征在于，其还包含用以暂时将所述销件固定在所述塞件主体的内表面上的粘合装置，从而容许所述塞件主体和所述销件在安装之前或安装过程中作为单件组件处理。

3．如权利要求1或2所述可膨胀销塞件，其特征在于，其还包含一个贯穿所述销件的中央开口，使捕集在所述塞件的所述安装孔的液体可从所述销件逸出。

4．如权利要求1或2所述可膨胀销塞件，其特征在于，所述塞件主体的外周缘有一个倒角，以便在将所述销塞件插置入一个目标孔之前，能容易地将一个安装器件固定在所述销件上。

5．如权利要求3所述可膨胀销塞件，其特征在于，所述塞件主体的外周缘有一个倒角，以便在将所述销塞件插置入一个目标孔之前，能容易地将一个安装器件固定在所述销件上。

6．如权利要求1或2所述可膨胀销塞件，其特征在于，所述塞件主体的内部边缘具有倒角，使得当所述塞件与目标孔非校直时而安装器件施加安装所需的力时，所述塞件能自动移动并与所述安装孔校准。

7．如权利要求3所述可膨胀销塞件，其特征在于，所述塞件主体的内部边缘具有倒角，使得当所述塞件与目标孔非校直时而安装器件施加安装所需的力时，所述塞件能自动移动并与所述安装孔校准。

8．如上述权利要求中的任意一个权利要求所述可膨胀销塞件，其特征在于，所述销件的外表面有一个槽，所述槽用以在安装所述销件入所述塞件主体的孔之前固定所述销件。

9．如权利要求2至8中的任意一个权利要求所述可膨胀销塞件，其特征在于，所述粘合装置为涂覆在所述销件较小的直径端部处的表面上的环氧树脂材料。

10．如权利要求2至8中的任意一个权利要求所述可膨胀销塞件，其特征在于，所述粘合装置为涂覆在所述销件较小的直径端部处的表面上的橡胶材料。

11．如上述权利要求中的任意一个权利要求所述可膨胀销塞件，其特征在于，所述销件安装在所述塞件主体内，使得保持在所述塞件内的所述销件的厚度大于或等于而所述销件的切断凸缘厚度，以便所述塞件凸缘可以切断所述销件的所述切断凸缘，从而不会损坏所述销件。

12．如上述权利要求中的任意一个权利要求所述可膨胀销塞件，其特征在于，该安装孔内端壁为锥形，以便减少作用于所述塞件主体的应力。

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