CN110331959A - 一种封堵工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种封堵工具，封堵工具包括芯轴，在芯轴外部从上到下依次设置有公扣护丝、上护环、上部卡瓦、上锥体、上部护环、上部胶筒、中间胶筒、下部胶筒、下部护环、下锥体、下卡瓦、下护环、引鞋，在芯轴和上胶筒、中间胶筒、下胶筒之间设置有衬体。该技术与现有钻桥塞技术相比具有如下优势：上下锥体、芯轴与衬体组成的结构可以起到限制胶筒压缩位移的作用，避免过大的作用力压溃胶筒，导致失效失去密封作用，提高了密封效果；卡瓦的外表面和内表面均匀分布有凹槽，能够防止提前封堵、减小应力集中效应、提高密封性。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气勘探与开发技术领域，尤其涉及一种封堵工具。
背景技术
近年来，随着低渗、致密油气藏得大规模开采，多级压裂工艺被广泛应用于油气增产领域。在压裂过程中，需要在井筒中利用封堵工具形成憋压效应从而产生水力裂缝以沟通储层。而目前使用的封堵工具都是大多是在国外油服公司提供的工具上仿制而来，由于国外油服公司大多只提供现场服务，并不直接出售封堵工具，因此研制具有自主知识产权的井下封堵工具对于打破国外垄断具有重大的意义。
经过国内学者的研究，目前已经研制出一部分封堵工具。但是在在实际使用中发现目前的封堵工具在下入井筒过程中存在提前封堵、密封效果差等问题。
发明内容
为了解决以上存在的问题，本发明提供了一种封堵工具，该封堵工具具有防止提前封堵、密封性好的优点。
一种封堵工具，封堵工具主体为芯轴，在芯轴外部从上到下依次设置有公扣护丝、上压环、上部卡瓦、上锥体、上部护环、胶筒、下部护环、下锥体、下卡瓦、下压环、引鞋，在芯轴和上胶筒、中间胶筒、下胶筒之间设置有衬体，所述芯轴和所述衬体为圆管状，所述芯轴外圆表面与所述衬体内圆表面配合连接，所述衬体外圆表面与所述胶筒内表面配合连接。
进一步地，所述胶筒为分体胶筒，所述胶筒包括上部胶筒、中间胶筒和下部胶筒。
进一步地，中间胶筒硬度低于上部胶筒和下部胶筒。
进一步地，所述封堵工具选用可降解材料制作。
进一步地，上卡瓦和下卡瓦都为变径的中空锥形筒，所述上卡瓦和下卡瓦外表面具有若干个均匀分布的外凹槽，外凹槽将上卡瓦和下卡瓦分隔为若干瓣卡瓦体，卡瓦体的数量与外凹槽数量相同，外凹槽在靠近锥体端贯穿上卡瓦壁和下卡瓦壁，在远离锥体端槽深小于上卡瓦壁厚和下卡瓦壁厚。
进一步地，上卡瓦和下卡瓦靠近锥体端的内表面均匀设置有内凹槽，内凹槽深度小于上卡瓦和下卡瓦壁厚，且内凹槽深度随着远离锥体递减。
进一步地，封堵工具的上部护环和下部护环为变径环状体，上部护环和下部护环外表面具有若干个均匀分布的外凹槽，外凹槽在靠近锥体端贯穿护环壁，在远离锥体端槽深小于护环壁厚，上部护环和下部护环内表面为一定倾角的圆锥面，上部护环和下部护环的一端内表面与胶筒圆锥面配合，另一端圆环面与锥体圆环槽面配合。
本发明提供了一种封堵工具，与现有技术相比具有如下优势：
(1)上下锥体、芯轴与衬体组成的结构可以起到限制胶筒压缩位移的作用，避免过大的作用力压溃胶筒，导致失效失去密封作用，提高了密封效果。
(2)卡瓦的外表面和内表面均匀分布有凹槽，能够防止提前封堵、减小应力集中效应、提高密封性能。
(3)上部护环和下部护环能够预防胶筒流变从而削弱密封性能。
附图说明：
图1芯轴结构示意图；
图2封堵工具结构示意图；
图3限制胶筒压缩位移示意图；
图4卡瓦结构示意图；
图5分体胶筒结构示意图；
图6护环结构示意图；
图7护环防止胶筒流变示意图；
图中：芯轴1、公扣护丝2、上压环3、上卡瓦4、上锥体5、上部护环6、上部胶筒7、中间胶筒8、下部胶筒9、下部护环10、下锥体11、下卡瓦12、下压环13、引鞋14、泵入环15、套管16、衬体17。
具体实施方式：
在以下的描述中，涉及到具体方向说明时，以靠近井底端为下部，靠近井口端为上部。
如图1-2所示，本发明提供了一种封堵工具。封堵工具包括芯轴1，在芯轴 1外部从上到下依次设置有公扣护丝2、上压环3、上部卡瓦4、上锥体5、上部护环6、上部胶筒7、中间胶筒8、下部胶筒9、下部护环10、下锥体11、下卡瓦12、下压环13、引鞋14，在芯轴1和上部胶筒7、中间胶筒8、下部胶筒9 之间设置有衬体17。
进一步地，封堵工具选用可降解材料。可降解材料可选用可降解镁铝合金，可降解镁铝合金具有密度小、强度高、加工性好的特点，在井下环境中可降解镁铝合金能够发生电化学腐蚀，从而发生降解。此外，可降解材料也可选用聚乙醇酸，聚乙醇酸经过调制优化，具有接近镁铝合金的强度和力学性能，并在井下环境中发生水解反应，最终降解为水和二氧化碳。
在封堵工具中，芯轴1为封隔工具的主体结构，芯轴1为一体加工成型的管状结构。
芯轴1外圆表面与衬体17内圆表面配合连接，衬体17外圆表面与中间胶筒 8、下部胶筒9、下部护环110的内表面配合连接。为了确保芯轴1与衬体17之间的密封，在芯轴1外表面与衬体17两端的配合位置设置有圆环槽，用于安装密封圈。
参见图3，芯轴1的两个端部分别与上锥体5和下锥体11螺纹连接，为了实现密封，在连接位置处设置有密封圈。上锥体5、下锥体11与衬体17组成的结构可以起到限制胶筒压缩位移的作用，避免过大的作用力压溃胶筒，导致失效失去密封作用。
封堵工具要在井下完成封堵，需要采用射孔枪下入封堵工具，然后由射孔枪的射孔弹***产生轴向的推动力。在轴向推动力的作用下，卡瓦沿锥体的锥面膨胀滑动并张开，与套管之间产生紧密的作用力。同时，胶筒也受到轴向的推动力，从而被推动并发生径向的膨胀实现密封。
在下入封堵工具至井中时，封堵工具主要承受射孔枪的重力以及与井筒的横向冲击力，因此需要在下入封堵工具时，确保封堵工具的承受力不会导致封堵工具失效。
而在封堵工具失效时，发现卡瓦是封堵工具中最容易受到冲击力发生破坏的结构。同时发现现有的卡瓦在受到锥体轴向力产生径向扩展时，容易沿卡瓦外壁的单一裂缝扩展。通过利用数值模拟软件的分析，发明人发现这是由于卡瓦上应力集中导致的，由于卡瓦受力不均匀，因此在径向扩展时也无法均匀扩展，产生应力集中现象，从而导致了“C”型的破坏。
基于上述因素，发明人对卡瓦结构进行了改进，参见图4。
进一步地，上卡瓦4和下卡瓦12为变径的中空锥形筒，上卡瓦4和下卡瓦12外表面具有若干个均匀分布的外凹槽，外凹槽将上卡瓦4和下卡瓦12分隔为若干瓣卡瓦体，卡瓦体的数量与外凹槽数量相同。外凹槽在靠近锥体端贯穿卡瓦壁厚，在远离锥体端槽深小于卡瓦壁厚。
进一步地，上卡瓦4和下卡瓦12靠近锥体端的内表面还均匀设置有内凹槽，内凹槽深度小于卡瓦壁厚，且内凹槽深度随着远离锥体递减。
卡瓦体上轴向分布有卡瓦牙，卡瓦牙在封堵过程中嵌入套管内表面，从而实现密封和承压。
通过本发明卡瓦的外凹槽与内凹槽的结构设置，当卡瓦受到冲击力时，卡瓦能够产生一定的径向变形，从而避免了封堵工具预先失效。同时，上述结构也能够使得卡瓦径向扩展破坏时受力更加均匀，因此卡瓦张开后与套管的锚定效果更好，提供了更好的密封性能。
需要说明的是，上卡瓦4和下卡瓦12可以采用相同的对称设置方式。
进一步地，发明人在加工卡瓦时，发现热处理的方式仍然会产生严重的磨损，即热处理方式并不能满足可降解卡瓦的硬度要求，因此在本发明中采用了卡瓦表面涂覆镍基合金涂层的方法。涂层的存在一方面能够保证卡瓦硬度要求，另一方面能够在压裂施工之前保证降低卡瓦的降解速度，而在压裂后，由于卡瓦表面的部分涂层被套管壁破坏，因此增加了卡瓦与地层流体的接触程度，即可以加快卡瓦压裂后的溶解速度，这极大地满足了甲方压后亟需投产的需求。
封堵工具的胶筒采用分体胶筒，分体胶筒包括上部胶筒7、中间胶筒8、下部胶筒10，其中中间胶筒8硬度低于两端的胶筒。两边的高硬度胶筒保证了胶筒的承压能力，中间位置低硬度胶筒保证了桥塞的密封性。
进一步地，为了保证胶筒密封后具有良好的密封性，在封堵工具中还设置了护环(参见图6)。护环为变径环状体，护环外表面具有若干个均匀分布的外凹槽，外凹槽在靠近锥体端贯穿护环壁，在远离锥体端槽深小于护环壁厚。护环内表面为一定倾角的圆锥面，护环的一端内表面能够与两端的胶筒圆锥面配合，防止胶筒流变从而削弱密封性能。护环的另一端圆环面与锥体圆环槽面配合。
护环的作用原理参见图7，在轴向推力作用下，锥体推力作用于护环，由于护环远锥体端凹槽的存在，护环的一端发生径向的变形，从而将变形的胶筒封堵在两个护环构成的密闭空间内，起到防止胶筒流变的作用。本领域技术人员可以理解，当护环变形越大，护环与套管壁的接触越紧密，因此对胶筒的“封堵”作用效果越强，密封性能越好。
需要说明的是，上部护环6和下部护环10采用相同的对称设置方式。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (7)
1.一种封堵工具，其特征在于：封堵工具主体为芯轴，在芯轴外部从上到下依次设置有公扣护丝、上压环、上部卡瓦、上锥体、上部护环、胶筒、下部护环、下锥体、下卡瓦、下压环、引鞋，在芯轴和上胶筒、中间胶筒、下胶筒之间设置有衬体，所述芯轴和所述衬体为圆管状，所述芯轴外圆表面与所述衬体内圆表面配合连接，所述衬体外圆表面与所述胶筒内表面配合连接。
2.根据权利要求1所述的封堵工具，其特征在于：所述胶筒为分体胶筒，所述胶筒包括上部胶筒、中间胶筒和下部胶筒。
3.根据权利要求2所述的封堵工具，其特征在于：所述中间胶筒硬度低于所述上部胶筒和所述下部胶筒。
4.根据权利要求1所述的封堵工具，其特征在于：所述封堵工具选用可降解材料制作。
5.根据权利要求1所述的封堵工具，其特征在于：上卡瓦和下卡瓦都为变径的中空锥形筒，所述上卡瓦和下卡瓦外表面具有若干个均匀分布的外凹槽，外凹槽将上卡瓦和下卡瓦分隔为若干瓣卡瓦体，卡瓦体的数量与外凹槽数量相同，外凹槽在靠近锥体端贯穿上卡瓦壁和下卡瓦壁，在远离锥体端槽深小于上卡瓦壁厚和下卡瓦壁厚。
6.根据权利要求1所述的封堵工具，其特征在于：上卡瓦和下卡瓦靠近锥体端的内表面均匀设置有内凹槽，内凹槽深度小于上卡瓦和下卡瓦壁厚，且内凹槽深度随着远离锥体递减。
7.根据权利要求1所述的封堵工具，其特征在于：封堵工具上部护环为变径环状体，上部护环外表面具有若干个均匀分布的外凹槽，外凹槽在靠近上锥体端贯穿护环壁，在远离上锥体端槽深小于上部护环壁厚，上部护环内表面为一定倾角的圆锥面，上部护环的一端内表面与胶筒圆锥面配合，另一端圆环面与锥体圆环槽面配合，下部护环采用相同的方式与上部护环对称设置。
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