CN212671679U - 一种可快速降解的密封结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型保护了一种可快速降解的密封结构，包括中空的圆台形的可降解金属锥体，可降解金属锥体的外壁滑动套设有相互紧贴的可降解金属密封环和可降解金属承压环，可降解金属密封环靠近可降解金属锥体的大口径端，且可降解金属密封环的外壁开设环形凹槽，环形凹槽内套设可降解橡胶密封圈，当套管内壁尺寸偏差较大时，密封环凹槽内的星型可降解橡胶密封圈用于保证填补套管与密封环之间的不规则间隙。可快速降解的密封结构用作油气井压裂封隔工具的密封机构，主要目的是实现压裂过程中的段间封隔，具有机构简单、密封可靠、压裂结束后可快速降解的优点，解决了采用传统橡胶密封的压裂工具在压裂后井筒处理难度大的问题。

Description

一种可快速降解的密封结构

技术领域

本实用新型属于井下作业工具领域，具体涉及一种可快速降解的密封结构。

背景技术

油气井压裂过程，段间封隔主要依靠桥塞、封隔器、可溶球座等工具，该类工具的核心为密封机构，用于阻隔段间流体的流动。目前密封机构主要采用橡胶密封，压裂结束后为恢复井筒全通径，需要起出封隔器或钻磨桥塞，施工难度大、风险高。

近年来兴起了可溶橡胶密封和可溶金属密封，然而，可溶橡胶密封件溶解速度慢，在压裂结束后需要的降解时间长，影响后期排液；可溶金属密封要求可溶金属既具有高塑性又要具有高强度，二者存在矛盾，延伸率高则承压能力差，承压能力差，形变时容易断裂，目前的可溶金属材料的机械性能还无法满足要求。

此外，受套管成型工艺限制，部分套管内壁为不规则的圆柱面，根据统计数据显示，内径尺寸偏差最大可达1mm，因此单一的可溶金属密封难以有效封隔段间压差。

实用新型内容

本实用新型实施方式提供了一种可快速降解的密封结构，其目的一是解决单一的可溶金属密封的金属无法同时达到高塑性和高强度的问题；其目的二是解决可溶橡胶密封存在的降解时间长，影响后期排液的问题；其目的三是现有的密封结构仅能应用于圆柱面的套管，无法满足不规则套管表面使用的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种可快速降解的密封结构，至少包括中空的圆台形的可降解金属锥体，可降解金属锥体的外壁滑动套设有相互紧贴的可降解金属密封环和可降解金属承压环，可降解金属密封环靠近可降解金属锥体的大口径端且可涨紧套设于大口径端，且可降解金属密封环的外壁开设环形凹槽，环形凹槽内套设可降解橡胶密封圈；

可降解金属锥体的中空腔体的腔壁向轴向中心线延伸形成用于承接可溶球的承接腔。

进一步地，可降解金属锥体的表面开设有与中空腔体连通的若干个通孔，所有的通孔沿可降解金属锥体的表面呈螺旋形分布。

优选地，可降解金属密封环的内圈表面为锥面，锥面与可降解金属锥体的外壁贴合，可降解金属密封环的外圈表面为圆柱面，环形凹槽开设于该圆柱面，且环形凹槽的深度小于可降解橡胶密封圈的厚度。

进一步地，可降解橡胶密封圈采用的具有星型截面的星型密封圈，星型密封圈的宽度小于5mm。

优选地，可降解金属承压环的内圈表面为锥面，锥面与可降解金属锥体的外壁贴合，可降解金属承压环的外圈表面为圆柱面。

进一步地，可降解金属锥体的外表面与可降解金属承压环的内圈预留间隙，且可降解金属承压环的外径小于可降解金属密封环的外径。

优选地，可降解金属锥体和可降解金属承压环采用不同硬度的可降解金属材料制成，其中可降解金属承压环的硬度值大于可降解金属锥体的硬度值。

进一步地，可降解金属锥体具有大口径端和小口径端，它的大口径端的端部设有用于连接坐封工具的适配器的台肩，它的小口径端的端部外壁设有用于连接坐封工具的推筒的螺纹。

本实用新型还保护了一种可快速降解的密封结构的应用方法：将可快速降解的密封结构置于坐封工具的适配器与坐封工具的推筒之间并随坐封工具下入套管内，其中，可降解金属锥体的大口径端与适配器连接，可降解金属锥体的小口径端与推筒连接；

推筒推动可降解金属承压环和可降解金属密封环沿可降解金属锥体的外壁自小口径端至大口径端滑动，可降解金属密封环和可降解金属承压环同时发生扩径，直至可降解金属密封环和可降解金属承压环靠近台肩且不遮挡任一通孔，此时可降解金属密封环的外表面、可降解橡胶密封圈的外表面和可降解金属承压环的外表面均紧贴套管的内壁，完成密封封隔。

本实用新型的有益效果如下：

（1）可降解金属密封环实现机构的密封，可降解金属承压环支撑密封环承受的段间压差，即本实用新型将密封功能与承压功能分离，降低了对可降解金属机械性能的要求，提高了密封机构的可靠性，既能同时保证密封和承压，又能降低可降解材料研发难度。

（2）针对套管内壁尺寸偏差较大的情况，星型可降解橡胶密封圈由于形变较大，能够密封套管与密封环之间的微小间隙，使该密封机构适用于不规则内径套管。

（3）密封机构采用可降解金属和可降解橡胶材料制成，可降解橡胶体积极小，同时在可降解锥体上螺旋布孔，增大与溶解液的接触面积，减少可溶金属体积，该密封机构在压裂结束后可快速溶解，可以保持压后井筒全通径。

为让本实用新型的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是可快速降解的密封结构的结构示意图。

图2是可降解金属密封环的结构示意图。

图3是可降解金属承压环的结构示意图。

图4是可降解橡胶密封圈的结构示意图。

图5是可快速降解的密封结构的应用图一。

图6是可快速降解的密封结构的应用图二。

图7是可快速降解的密封结构的受力分析图。

图8是可降解金属锥体螺旋布孔的平面示意图。

附图标记说明：

1.可降解金属锥体；2.可降解金属密封环；3.可降解橡胶密封圈；4.可降解金属承压环；5.螺纹；6.通孔；7.承接腔；8.台肩；9.锥面；10.环形凹槽；11.套管；12.星型截面；13.适配器；14.推筒。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

需说明的是，在本实用新型中，图中的上、下、左、右即视为本说明书中所述的可快速降解的密封结构的上、下、左、右。

现参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

第一实施方式：

本实用新型的第一实施方式涉及一种可快速降解的密封结构，参照图1，至少包括中空的圆台形的可降解金属锥体1，可降解金属锥体1的外壁滑动套设有相互紧贴的可降解金属密封环2和可降解金属承压环4，可降解金属密封环2靠近可降解金属锥体1的大口径端且可涨紧套设于大口径端，且可降解金属密封环2的外壁开设环形凹槽10，环形凹槽10内套设可降解橡胶密封圈3；可降解金属锥体1的中空腔体的腔壁向轴向中心线延伸形成用于承接可溶球的承接腔7。

可快速降解的密封结构的工作原理如下：

将可快速降解的密封结构置于坐封工具的适配器13与坐封工具的推筒14之间并随坐封工具下入套管11内，其中，可降解金属锥体1的大口径端与适配器13连接，确保可降解金属锥体1和适配器13同轴，可降解金属锥体1的小口径端与推筒14连接；

图1所示为密封机构的初始状态，向井内投球，可溶球进入承接腔7封堵内部流体通道，实现内密封，推筒14推动可降解金属承压环4和可降解金属密封环2沿可降解金属锥体1的外壁自小口径端至大口径端滑动，可降解金属密封环2和可降解金属承压环4同时发生扩径，直至可降解金属密封环2和可降解金属承压环4靠近台肩8且不遮挡任一通孔6，此时可降解金属密封环2的外表面、可降解橡胶密封圈3的外表面和可降解金属承压环4的外表面均紧贴套管11的内壁，如图6所示，完成密封封隔。

上述适配器13和推筒14，可以是桥塞适配器或桥塞推筒，也可以是球座适配器或球座推筒，即可以是任意坐封工具的适配器或推筒，并不作限制。

可以看出，密封机构主要由两种材料制成，即可降解金属和可降解橡胶，其中，密封环和承压环都是由可降解金属制成，区别是密封环由高延伸率可降解金属制成，承压环由高强度可降解金属制成，即两者的金属特性不同，这是因为可降解金属密封环2的作用是密封，在扩径时需要大的形变量；而可降解金属承压环4则用于支撑可降解金属密封环2承受的段间压差，防止可降解金属密封环2被压溃。鉴于以上原因，可降解金属密封环2和可降解金属承压环4选择了不同的金属材质。

考虑到可溶橡胶密封件溶解速度慢，在压裂结束后需要的降解时间长，本实用新型中仅有可降解橡胶密封圈3采用了可溶橡胶材质，既能保证密封，又能最大限度减少降解速度较慢的橡胶材料体积。

密封机构的受力分析如图7所示，当可降解金属密封环2和可降解金属承压环4贴紧套管壁后，密封机构完成机构运动，此时可降解金属密封环2和可降解金属承压环4对可降解金属锥体1产生向外的推力和反向的摩擦力，为防止可降解金属锥体1被挤出造成机构失效，摩擦力的水平方向分力应该大于正压力F的水平方向分力，实现机构自锁，即Fηcosθ>Fsinθ（其中F为可降解金属锥体1的正压力，η为摩擦系数，θ为可降解金属锥体1的锥角），因此本密封机构同时调整摩擦系数η和锥角θ，可以实现自锁，具体如下：

（1）当锥角θ过小时，机构容易实现自锁，但会使工具长度过长，而当锥角θ过大时会增加可降解金属密封环2和可降解金属承压环4扩径时所需的推力，经试验检测，可降解金属锥体1的锥角在12°～13°时可实现机构安全自锁，并能最大限度缩减机构长度，并调整坐封力至合理的范围内。

（2）调整材料硬度，当可降解金属承压环4的布氏硬度比可降解金属锥体1的布氏硬度大HB10-20，在挤压扩径过程中二者发生微塑性变形，微观组织互相嵌入，因此增大摩擦系数η可以实现自锁。

第二实施方式：

本实施方式涉及一种可快速降解的密封结构，参照图1，至少包括中空的圆台形的可降解金属锥体1，可降解金属锥体1的外壁滑动套设有相互紧贴的可降解金属密封环2和可降解金属承压环4，可降解金属密封环2靠近可降解金属锥体1的大口径端且可涨紧套设于大口径端，且可降解金属密封环2的外壁开设环形凹槽10，环形凹槽10内套设可降解橡胶密封圈3；可降解金属锥体1的中空腔体的腔壁向轴向中心线延伸形成用于承接可溶球的承接腔7。

参照图1和图8，可降解金属锥体1的表面开设有与中空腔体连通的若干个通孔6，所有的通孔6沿可降解金属锥体1的表面呈螺旋形分布。在可降解金属锥体1上螺旋布孔，可以增大与溶解液的接触面积，减少可溶金属体积，该密封机构在压裂结束后可快速溶解，可以保持压后井筒全通径；此外，螺旋布孔可防止在同一横截面上可降解金属锥体1受力过大，最大限度保证可降解金属锥体1的抗拉强度。

第三实施方式：

在第一实施方式的基础上，如图2所示，可降解金属密封环2的内圈表面为锥面9，与可降解金属锥体1的锥角相同，扩径后，锥面9与可降解金属锥体1的外壁贴合，可降解金属密封环2的外圈表面为圆柱面，环形凹槽10开设于该圆柱面，且环形凹槽10的深度小于可降解橡胶密封圈3的厚度。

作为优选，如图4所示，可降解橡胶密封圈3采用的具有星型截面12的星型密封圈，星型密封圈的宽度小于5mm，既能保证密封，又能最大限度减少降解速度较慢的橡胶材料体积。

星型密封圈的形变量较大，当遇到套管内壁圆柱度差的情况（不规则形状），可降解橡胶密封圈3的形变量较大，可填补剩余间隙；即当套管内壁尺寸偏差较大时，密封环凹槽内的星型可降解橡胶密封圈用于保证填补套管与密封环之间的不规则间隙，有效密封套管与密封环之间的微小间隙。

参照图3，可降解金属承压环4的内圈表面为锥面9，与可降解金属锥体1的锥角相同，锥面9与可降解金属锥体1的外壁贴合，可降解金属承压环4的外圈表面为圆柱面。

密封机构在初始状态下，可降解金属锥体1的外表面与可降解金属承压环4的内圈预留间隙（如1mm），且可降解金属承压环4的外径小于可降解金属密封环2的外径，如可降解金属承压环4的外径比可降解金属密封环2的外径小1mm。这样可使可降解金属承压环4扩径时形变量相对较小，保证可降解金属承压环4在扩径时不会断裂。

为了实现密封机构的自锁，本实施方式中的可降解金属锥体1和可降解金属承压环4采用不同硬度的可降解金属材料制成，其中可降解金属承压环4的硬度值大于可降解金属锥体1的硬度值。例如可降解金属承压环4的硬度值比可降解金属锥体1的硬度值大HB10-20，在挤压扩径过程中二者发生微塑性变形，微观组织互相嵌入，增大摩擦系数，进而可以实现机构的自锁，避免其发生运动。

如图1所示，为了方便在应用时与其他部件的相互连接或安装，可降解金属锥体1具有大口径端和小口径端，它的大口径端的端部设有用于连接坐封工具的适配器13的台肩8，它的小口径端的端部外壁设有用于连接坐封工具的推筒14的螺纹5。

第四实施方式：

本实施方式保护了一种可快速降解的密封结构的应用方法，参照图5和图6，将可快速降解的密封结构置于坐封工具的适配器13与坐封工具的推筒14之间并随坐封工具下入套管11内，其中，可降解金属锥体1的大口径端与适配器13连接，可降解金属锥体1的小口径端与推筒14连接；

推筒14推动可降解金属承压环4和可降解金属密封环2沿可降解金属锥体1的外壁自小口径端至大口径端滑动，可降解金属密封环2和可降解金属承压环4同时发生扩径，直至可降解金属密封环2和可降解金属承压环4靠近台肩8且不遮挡任一通孔6，此时可降解金属密封环2的外表面、可降解橡胶密封圈3的外表面和可降解金属承压环4的外表面均紧贴套管11的内壁，完成密封封隔。

关于使用过程中密封机构的自锁，本实施方式采用两种手段自锁，使密封后的机构不会发生运动，保证密封机构的可靠性：第一种手段为通过调整锥体的锥角，实现承压环及密封环与锥体之间的摩擦角度自锁；第二种手段调整材料硬度，使承压环材料布氏硬度比锥体材料布氏硬度大HB10-20，在挤压扩径过程中二者发生微塑性变形，微观组织互相嵌入，增大摩擦系数。

具体地，可快速降解的密封结构，至少包括中空的圆台形的可降解金属锥体1，可降解金属锥体1的外壁滑动套设有相互紧贴的可降解金属密封环2和可降解金属承压环4，可降解金属密封环2靠近可降解金属锥体1的大口径端且可涨紧套设于大口径端，且可降解金属密封环2的外壁开设环形凹槽10，环形凹槽10内套设可降解橡胶密封圈3；可降解金属锥体1的中空腔体的腔壁向轴向中心线延伸形成用于承接可溶球的承接腔7。

可降解金属锥体1的表面开设有与中空腔体连通的若干个通孔6，所有的通孔6沿可降解金属锥体1的表面呈螺旋形分布。

可降解金属密封环2的内圈表面为锥面9，锥面9与可降解金属锥体1的外壁贴合，可降解金属密封环2的外圈表面为圆柱面，环形凹槽10开设于该圆柱面，且环形凹槽10的深度小于可降解橡胶密封圈3的厚度。

可降解橡胶密封圈3采用的具有星型截面12的星型密封圈，星型密封圈的宽度小于5mm。

可降解金属承压环4的内圈表面为锥面9，锥面9与可降解金属锥体1的外壁贴合，可降解金属承压环4的外圈表面为圆柱面。

可降解金属锥体1的外表面与可降解金属承压环4的内圈预留间隙，且可降解金属承压环4的外径小于可降解金属密封环2的外径。

可降解金属锥体1和可降解金属承压环4采用不同硬度的可降解金属材料制成，其中可降解金属承压环4的硬度值大于可降解金属锥体1的硬度值。

可降解金属锥体1具有大口径端和小口径端，它的大口径端的端部设有用于连接坐封工具的适配器13的台肩8，它的小口径端的端部外壁设有用于连接坐封工具的推筒14的螺纹5。

综上所述，本实用新型保护的可快速降解的密封结构及其应用方法，采用高延展可降解金属密封环、可降解星型橡胶密封圈、高强度可降解金属承压环三者组合的方式封隔可降解金属锥体与套管之间的环空。具有机构简单、密封可靠、压裂结束后可快速降解的优点，解决了采用传统橡胶密封的压裂工具在压裂后井筒处理难度大的问题。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (8)

1.一种可快速降解的密封结构，其特征在于：至少包括中空的圆台形的可降解金属锥体（1），所述可降解金属锥体（1）的外壁滑动套设有相互紧贴的可降解金属密封环（2）和可降解金属承压环（4），可降解金属密封环（2）靠近可降解金属锥体（1）的大口径端且可涨紧套设于大口径端，所述可降解金属密封环（2）的外壁开设环形凹槽（10），环形凹槽（10）内套设可降解橡胶密封圈（3）；

所述可降解金属锥体（1）的中空腔体的腔壁向轴向中心线延伸形成用于承接可溶球的承接腔（7）。

2.如权利要求1所述的可快速降解的密封结构，其特征在于：所述可降解金属锥体（1）的表面开设有与中空腔体连通的若干个通孔（6），所有的通孔（6）沿可降解金属锥体（1）的表面呈螺旋形分布。

3.如权利要求1所述的可快速降解的密封结构，其特征在于：所述可降解金属密封环（2）的内圈表面为锥面（9），锥面（9）与可降解金属锥体（1）的外壁贴合，可降解金属密封环（2）的外圈表面为圆柱面，所述环形凹槽（10）开设于该圆柱面，且环形凹槽（10）的深度小于所述可降解橡胶密封圈（3）的厚度。

4.如权利要求1或3所述的可快速降解的密封结构，其特征在于：所述可降解橡胶密封圈（3）采用具有星型截面（12）的星型密封圈，星型密封圈的宽度小于5mm。

5.如权利要求1所述的可快速降解的密封结构，其特征在于：所述可降解金属承压环（4）的内圈表面为锥面（9），锥面（9）与可降解金属锥体（1）的外壁贴合，可降解金属承压环（4）的外圈表面为圆柱面。

6.如权利要求1或3或5所述的可快速降解的密封结构，其特征在于：所述可降解金属锥体（1）的外表面与可降解金属承压环（4）的内圈预留间隙，且可降解金属承压环（4）的外径小于可降解金属密封环（2）的外径。

7.如权利要求1所述的可快速降解的密封结构，其特征在于：所述可降解金属锥体（1）和可降解金属承压环（4）采用不同硬度的可降解金属材料制成，其中可降解金属承压环（4）的硬度值大于可降解金属锥体（1）的硬度值。

8.如权利要求1所述的可快速降解的密封结构，其特征在于：所述可降解金属锥体（1）具有大口径端和小口径端，它的大口径端的端部设有用于连接坐封工具的适配器（13）的台肩（8），它的小口径端的端部外壁设有用于连接坐封工具的推筒（14）的螺纹（5）。

Images