一种可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器发明专利

专利名称：一种可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110171794.8

专利申请（专利权）人：中国石油化工股份有限公司,中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院
权利人地址：北京市朝阳区朝阳门北大街22号

专利发明（设计）人：杨德锴,李林涛,廖洪千,刘阳,李渭亮,张瑞

专利摘要：本发明提供一种可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器，包括：中心管，在中心管的侧壁上设有注液孔；套设在中心管上的外壳，在外壳与中心管之间形成有进液腔，进液腔通过注液孔与中心管的内部流道连通；设置在进液腔内的注液阀装置，其包括注液阀，注液阀的上端外壁设有锁定槽；锁定装置；设置在外壳的下端的胶筒总成，在胶筒总成与中心管之间形成有充液腔；其中，注液阀装置初始处于关闭状态而封堵充液腔与进液腔的连通，在第一状态下，通过中心管内憋压能够打开注液阀装置，从而向充液腔内注液以使胶筒总成胀封，在第二状态下，胶筒总成达到胀封压力，注液阀装置能够自动实现永久关闭。

主权利要求：
1.一种可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器，包括：
中心管（3），在所述中心管的侧壁上设有注液孔（30）；
套设在所述中心管上的外壳（2），在所述外壳与所述中心管之间形成有进液腔（31），所述进液腔通过所述注液孔与所述中心管的内部流道连通；
设置在所述进液腔内的注液阀装置，所述注液阀装置包括注液阀（6），所述注液阀的上端外壁设有锁定槽；
设置在所述外壳与所述注液阀之间锁定装置（4）；以及
设置在所述外壳的下端的胶筒总成（11），在所述胶筒总成与所述中心管之间形成有充液腔（12）；
其中，所述注液阀通过启动剪钉（9）与所述外壳固定连接，使所述注液阀装置处于初始关闭状态，从而封堵所述充液腔与所述进液腔的连通，在第一状态下，所述中心管内憋压，液体通过注液孔进入所述进液腔而推动所述注液阀剪断所述启动剪钉，进而推动所述注液阀下行直至打开所述注液阀装置，从而向所述充液腔内注液以使所述胶筒总成胀封，在第二状态下，所述胶筒总成达到胀封压力，停止憋压，所述注液阀在所述胶筒总成的压力与所述中心管内压力差的作用下上行，直至所述锁定装置与所述锁定槽适配连接，从而使所述注液阀装置永久关闭；
所述外壳包括主壳体（22）和固定连接在所述主壳体的上端的密封接头（21），所述主壳体的下端与所述胶筒总成固定连接，所述主壳体的内壁设有端面朝上的第一台肩（221），所述密封接头的下端面设有沿轴向延伸的筒状连接部（211），所述筒状连接部插入所述主壳体内且端面抵靠在所述第一台肩上；
所述筒状连接部的内径大于所述密封接头的内径，所述注液阀的上端设有沿轴向延伸的第一注液通道（32），在所述注液阀与所述筒状连接部的径向之间形成有第二注液通道（33），所述第一注液通道的侧壁设有连通孔，所述注液阀下行至所述第一注液通道通过所述连通孔与所述第二注液通道连通时而打开所述注液阀装置；
在所述注液阀的下端设有复位弹簧（10），所述主壳体的下端内壁设有径向向内延伸的台阶部分（222），所述复位弹簧的两端分别抵靠所述注液阀的下端面和所述台阶部分，在所述第二状态下，所述注液阀能够在憋压液体和所述复位弹簧的作用下沿轴向往复运动，从而能够反复多次打开所述注液阀装置；
在所述注液阀的外壁设有径向凸起（62），所述径向凸起通过所述启动剪钉与所述筒状连接部固定连接，从而使所述注液阀与所述外壳形成固定连接；
所述注液阀装置还包括限位挡环（8），所述限位挡环通过关闭剪钉（7）与所述外壳固定连接，所述限位挡环处于所述径向凸起的上端，所述限位挡环用于在所述第一状态下对所述注液阀进行限位；
所述限位挡环设有轴向延伸的第一过流通道，所述径向凸起设有轴向延伸的第二过流通道。
2.根据权利要求1所述的水力扩张式裸眼封隔器，其特征在于，所述关闭剪钉的剪切值大于所述启动剪钉的剪切值。
3.根据权利要求2所述的水力扩张式裸眼封隔器，其特征在于，在所述外壳的上端固定连接有用于连接上部管柱的上接头（1）。
4.根据权利要求3所述的水力扩张式裸眼封隔器，其特征在于，在述注液阀与所述外壳之间设有第一密封件（51），在所述注液阀与所述中心管之间设有第二密封件（52）。 说明书 : 一种可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器技术领域[0001] 本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器。背景技术[0002] 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。裸眼封隔器是进行裸眼层间分段的关键工具，因此，裸眼封隔器的性能好坏对裸眼分段压裂施工作业的效果显得尤为重要。[0003] 目前，在裸眼分段压裂作业中，大多采用液压驱动压缩胶筒的裸眼封隔器进行环空封隔。然而，对于碳酸盐岩等破碎性储层，由于其井径不规则，井眼扩大率普遍较大，常规压缩胶筒结构的裸眼封隔器无法进行有效可靠的封隔。尤其是在应用于裸眼分段压裂作业中，随着压裂液泵入，环境温度降低，常用的水力扩张式封隔器胶筒内部液体由于热胀冷缩作用，压力降低，封隔器胶筒进液通道无法实现永久关闭，其在压裂过程中会出现封隔器二次进液胀封的情况，进而引起封隔器胀破的风险，这严重影响封隔器的封隔效果。发明内容[0004] 针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器，该水力扩张式裸眼封隔器能够保证封隔器充分胀封前可多次注液，并能够实现永久关闭封隔器注液阀。[0005] 为此，根据本发明提供了一种可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器，包括：中心管，在所述中心管的侧壁上设有注液孔；套设在所述中心管上的外壳，在所述外壳与所述中心管之间形成有进液腔，所述进液腔通过所述注液孔与所述中心管的内部流道连通；设置在所述进液腔内的注液阀装置，所述注液阀装置包括注液阀，所述注液阀的上端外壁设有锁定槽；设置在所述外壳与所述注液阀之间锁定装置；以及设置在所述外壳的下端的胶筒总成，在所述胶筒总成与所述中心管之间形成有充液腔；其中，所述注液阀通过启动剪钉与所述外壳固定连接，使所述注液阀装置处于初始关闭状态，从而封堵所述充液腔与所述进液腔的连通，在第一状态下，所述中心管内憋压，液体通过注液孔进入所述进液腔而推动所述注液阀剪断所述启动剪钉，进而推动所述注液阀下行直至打开所述注液阀装置，从而向所述充液腔内注液以使所述胶筒总成胀封，在第二状态下，所述胶筒总成达到胀封压力，停止憋压，所述注液阀在所述胶筒总成的压力与所述中心管内压力差的作用下上行，直至所述锁定装置与所述锁定槽适配连接，从而使所述注液阀装置永久关闭。[0006] 在一个实施例中，所述外壳包括主壳体和固定连接在所述主壳体的上端的密封接头，所述主壳体的下端与所述胶筒总成固定连接，所述主壳体的内壁设有端面朝上的第一台肩，所述密封接头的下端面设有沿轴向延伸的筒状连接部，所述筒状连接部插入所述主壳体内且端面抵靠在所述第一台肩上。[0007] 在一个实施例中，所述筒状连接部的内径大于所述密封接头的内径，所述注液阀的上端设有沿轴向延伸的第一注液通道，在所述注液阀与所述筒状连接部的径向之间形成有第二注液通道，所述第一注液通道的侧壁设有连通孔，所述注液阀下行至所述第一注液通道通过所述连通孔与所述第二注液通道连通时而打开所述注液阀装置。[0008] 在一个实施例中，在所述注液阀的下端设有复位弹簧，所述主壳体的下端内壁设有径向向内延伸的台阶部分，所述复位弹簧的两端分别抵靠所述注液阀的下端面和所述台阶部分，在所述第二状态下，所述注液阀能够在憋压液体和所述复位弹簧的作用下沿轴向往复运动，从而能够反复多次打开所述注液阀装置。[0009] 在一个实施例中，在所述注液阀的外壁设有径向凸起，所述径向凸起通过所述启动剪钉与所述筒状连接部固定连接，从而使所述注液阀与所述外壳形成固定连接。[0010] 在一个实施例中，所述注液阀装置还包括限位挡环，所述限位挡环通过关闭剪钉与所述外壳固定连接，所述限位挡环处于所述径向凸起的上端，所述限位挡环用于在所述第一状态下对所述注液阀进行限位。[0011] 在一个实施例中，所述关闭剪钉的剪切值大于所述启动剪钉的剪切值。[0012] 在一个实施例中，所述限位挡环设有轴向延伸的第一过流通道，所述径向凸起设有轴向延伸的第二过流通道。[0013] 在一个实施例中，在所述外壳的上端固定连接有用于连接上部管柱的上接头。[0014] 在一个实施例中，在述注液阀与所述外壳之间设有第一密封件，在所述注液阀与所述中心管之间设有第二密封件。[0015] 与现有技术相比，本申请的优点之处在于：[0016] 根据本发明的可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器能够用于裸眼多级分段压裂作业。水力扩张式裸眼封隔器在注液过程中对泵压波动有较好的适应性，使其能够实现反复多次开启来进行多次注液，并能够防止由于泵压波动造成注液阀提前永久关闭，直至胶筒总成达到胀封压力，从而实现充分胀封，这非常有利于提高水力扩张式裸眼封隔器的胀封性能。注液结束后，水力扩张式裸眼封隔器能够自动实现永久关闭，能够有效在整个压裂过程中防止出现封隔器二次充液胀封，从而避免造成胶筒总成胀破，显著提高水力扩张式裸眼封隔器在多级分段压裂中的可靠性。附图说明[0017] 下面将参照附图对本发明进行说明。[0018] 图1显示了根据本发明的可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器的初始状态。[0019] 图2显示了根据本发明的可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器的注液状态。[0020] 图3显示了根据本发明的可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器的永久关闭状态。[0021] 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[0022] 下面通过附图来对本发明进行介绍。[0023] 在本申请中，需要说明的是，将可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器下放到井筒中靠近井口的一端定义为上端或相似用语，将远离井口的一端定义为下端或相似用语。[0024] 此外，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。在申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。[0025] 图1显示了根据本发明的可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器100的初始状态。如图1所示，水力扩张式裸眼封隔器100包括中空管状的中心管3、套设在中心管3上的外壳2、注液装置、锁定装置4，以及设置在外壳的下端的胶筒总成11。中心管3的内部设有供液体过流的内部流道。在中心管的3的侧壁上设有贯穿侧壁的注液孔30，为了提高注液效果，在中心管3的同一轴向位置设有多个注液孔30，多个注液孔30在周向上均匀分布。在外壳2与中心管3的径向之间形成有进液腔31。注液孔30设置在中心管3的对应于进液腔31的侧壁区域，使得进液腔31通过注液孔30与中心管3的内部流道连通。注液装置设置在进液腔31内。在胶筒总成11与中心管3的径向之间形成有充液腔12。[0026] 水力扩张式裸眼封隔器100在实际应用时，初始状态下，注液装置处于关闭状态。在需要注液进行胀封时，通过憋压能够打开注液装置，以使进液腔31与充液腔12连通，从而进行注液胀封。水力扩张式裸眼封隔器100在注液过程中对泵压波动有较好的适应性，能够防止由于泵压波动造成注液阀提前永久关闭。同时，该水力扩张式裸眼封隔器100在充分注液胀封后能够在锁定装置4的作用下使注液装置自动永久关闭，从而防止压裂过程中二次胀封，以保证作业过程中水力扩张式裸眼封隔器100封压可靠。[0027] 根据本发明，外壳2包括主壳体22和固定连接在主壳体22的上端的密封接头21，主壳体22的下端与胶筒总成11固定连接。如图1所示，主壳体22为圆筒状，在主壳体22的内壁设有端面朝上的第一台肩221。密封接头21大致呈圆筒状，密封接头21的下端面设有沿轴向延伸的筒状连接部211。筒状连接部211插入主壳体22内且端面抵靠在第一台肩上221上。在一个实施例中，在主壳体22的上端内壁设有内螺纹。在密封接头21的下端外壁设有台阶形连接接头，台阶形连接接头处于筒状连接部211的轴向内侧，在台阶形连接接头的外壁部分设有外螺纹。主壳体22与密封接头21通过螺纹连接方式形成固定连接。[0028] 为了保证主壳体22与密封接头21连接处的密封性能，在主壳体22与密封接头21的连接处设有密封件。密封件例如可以为密封圈。在一个实施例中，在台阶形连接接头处设有密封槽，密封件安装密封槽中。这样能够有效保证水力扩张式裸眼封隔器100的密封性能，非常有利于保证水力扩张式裸眼封隔器100的封隔性能。[0029] 在一个实施例中，主壳体22的下端构造成正台阶形连接扣，胶筒总成11的上端构造成负台阶形连接扣。主壳体22和胶筒总成11通过正台阶形连接扣与负台阶形连接扣适配安装，形成固定连接。同样地，为了保证水力扩张式裸眼封隔器100的密封性能的可靠性，在主壳体22和胶筒总成11的连接处设有密封件。[0030] 根据本发明，如图1所示，在外壳2的上端固定连接有上接头1，上接头1用于连接上部管柱（未示出）。密封接头21的下端构造成正台阶形连接扣，主壳体22的上端构造成负台阶形连接扣。密封接头21和主壳体22通过正台阶形连接扣与负台阶形连接扣适配安装，形成固定连接。同样地，为了保证水力扩张式裸眼封隔器100的密封性能的可靠性，在密封接头21和主壳体22的连接处设有密封件。[0031] 此外，密封接头21的内壁面与中心管3的上端外壁面适配。在一个实施例中，密封接头21的内壁面与中心管3的上端外壁面构造成适配的锥面结构。这样，不仅有利于密封接头21的安装，而且有利于保证两者之间的稳定连接和密封连接。[0032] 根据本发明，进液腔31形成与外壳2与中心管3的径向之间。如图1所示，密封接头21的靠近上端的内壁设有端面朝下的第二台肩212。第二台肩212的内壁面与中心管3的外壁面接触，且第二台肩212处于注液孔30的上端区域。在主壳体22的下端内壁设有径向向内延伸的台阶部分222，台阶部分222的内壁面与中心管3的外壁面之间形成有缝隙34。由此，在中心管3、密封接头21和主壳体22之间形成了进液腔31，进液腔31通过注液孔30与中心管3的内部流道连通，且进液腔31通过内部流道与充液腔12连通。注液装置设置在进液腔31内，注液装置构造成能够在初始状态下关闭，以封堵进液腔31与充液腔12的连通，并且，注液装置能够在需要封隔时打开，以向充液腔12内注液，从而使胶筒总成11胀封，而在胶筒总成11达到胀封压力以实现充分封隔后，注液装置在锁定装置4的作用下永久关闭，从而防止后续压裂过程中二次胀封，以保证作业过程中水力扩张式裸眼封隔器100封压可靠。[0033] 如图1所示，注液装置包括注液阀6。注液阀6成圆筒状，且套设在中心管3上。在注液阀6的外壁设有径向凸起62，径向凸起62优选设置在注液阀6的靠近下端端部区域。径向凸起62通过启动剪钉9与密封接头21的筒状连接部211的内壁固定连接，从而使注液阀6与外壳2形成固定连接。注液装置还包括限位挡环8。限位挡环8通过关闭剪钉7与密封接头21的筒状连接部211的内壁固定连接，从而使限位挡环8与外壳2形成固定连接。限位挡环8处于径向凸起62的上端，用于在第一状态（注液状态）下对注液阀6进行限位。关闭剪钉7的剪切值大于启动剪钉9的剪切值。限位挡环8设有沿轴向贯穿限位挡环8的第一过流通道（未示出）。同时，径向凸起62设有沿轴向贯穿径向凸起62的第二过流通道（未示出）。第一过流通道和第二过流通道的作用将在下文介绍。[0034] 根据本发明，筒状连接部211的内径大于密封接头21的内径，从而在密封接头21的与筒状连接部211连接的下端面形成端面朝下的台肩结构。注液阀6的上端设有沿轴向延伸的第一注液通道32，第一注液通道32从注液阀6侧壁的上端面沿轴向向内延伸一部分。同时，在注液阀6与筒状连接部211的径向之间形成有第二注液通道33，第二注液通道33处于台肩结构的下方区域。第一注液通道32的侧壁设有贯穿侧壁的连通孔（未示出）。当需要注液胀封时，通过憋压使注液阀6下行至第一注液通道32通过连通孔与第二注液通道33连通，进而依次通过第一过流通道、第二过流通道与充液腔12连通，从而打开注液阀装置，并向充液腔12内注液，以使胶筒总成11进行胀封。此时，水力扩张式裸眼封隔器100处于第一状态（注液状态）。图2显示了水力扩张式裸眼封隔器100处于注液状态。[0035] 如图1所示，注液装置还包括复位弹簧10，复位弹簧10设置在注液阀6的下端。复位弹簧10的上端面抵靠注液阀6的下端面，复位弹簧10的下端面抵靠主壳体22的下端的台阶部分222。水力扩张式裸眼封隔器100在第一状态下，对胶筒总成11进行胀封的过程中，注液阀6能够在憋压液体和复位弹簧10的作用下沿轴向往复运动，从而能够反复多次打开注液阀装置。并且，注液阀6能够在限位挡环8及关闭剪钉7的限位作用下，能够防止由于泵压波动造成注液阀提前永久关闭，这使得水力扩张式裸眼封隔器100对泵压波动有较好的适应性，有效保证水力扩张式裸眼封隔器100能够充分胀封。[0036] 根据本发明，水力扩张式裸眼封隔器100还包括锁定装置4。如图1所示，锁定装置4设置在外壳2与注液阀6之间，进一步地，设置在密封接头21与注液阀6的径向之间。在一个实施例中，锁定装置4可以采用锁紧卡簧。同时，在注液阀6的上端外壁设有锁定槽（未示出）。当胶筒总成11达到胀封压力后，停止憋压，注液阀6在胶筒总成的压力与中心管3内压力差的作用下上行，直至锁定装置4与锁定槽适配连接，从而使注液阀装置永久关闭。此时，水力扩张式裸眼封隔器100处于第二状态（永久关闭状态）。图3显示了水力扩张式裸眼封隔器100处于永久关闭状态。[0037] 根据本发明的一个实施例，为了保证注液阀装置的密封性能，在注液阀6与密封接头21之间设有多个沿轴向间隔开分布的第一密封件51，在注液阀6与中心管3之间设有多个沿轴向间隔开分布的第二密封件52。例如，在注液阀6的外表面和内表面分别设有多个第一密封槽和第二密封槽，第一密封件51和第二密封件52分别对应安装在相应的第一密封槽和第二密封槽内。这样，能够有效保证注液阀装置关闭后的密封性能，从而能够有效保证水力扩张式裸眼封隔器100的胀封压力，非常有利于增强水力扩张式裸眼封隔器100的可靠性。[0038] 下面简述根据本发明的可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器100的工作过程。首先，水力扩张式裸眼封隔器100处于初始状态时，将水力扩张式裸眼封隔器100下入到井筒中的预定地层。在初始状态下，如图1所示，注液阀6通过启动剪钉9与密封接头21的筒状连接部211的内壁固定连接，限位挡环8通过关闭剪钉7与密封接头21的筒状连接部211的内壁固定连接，且径向凸起62的上端面与限位挡环8接触。这使得第一注液通道32处于密封接头21的筒状连接部211的上端，而处于密封接头21的内壁面与中心管3之间，从而使第一注液通道32与第二注液通道33未导通。由此，使注液阀装置处于关闭状态，而封堵进液腔31和充液腔12。[0039] 当水力扩张式裸眼封隔器100需要进行胀封时，从井口泵液，使中心管3内憋压，中心管3的内部流道内的液体通过注液孔30进入进液腔31而推动注液阀6至剪断启动剪钉9，进而推动注液阀6下行，直至第一注液通道32的下端运动至处于密封接头21的筒状连接部211与中心管3之间，从而使第一注液通道32通过连通孔与第二注液通道33连通，进而依次与限位挡环8上的第一过流通道、径向凸起62上的第二过流通道、主壳体22下端的台阶部分222与中心管3之间的缝隙34和充液腔12连通。由此，打开注液阀装置，向胶筒总成11的充液腔12内注液，从而使水力扩张式裸眼封隔器100胀封。此时，水力扩张式裸眼封隔器100处于第一状态。在注液过程中，由于泵压的不连续性，注液阀6在复位弹簧10的复位作用下，以及限位挡环8及关闭剪钉7的限位作用下，使得水力扩张式裸眼封隔器100能够实现反复多次开启来进行多次注液，并能够防止由于泵压波动造成注液阀提前永久关闭，直至胶筒总成11达到胀封压力实现充分胀封。这非常有利于保证水力扩张式裸眼封隔器100的胀封性能。[0040] 当水力扩张式裸眼封隔器100达到胀封压力而实现充分胀封后停泵，注液阀6在胶筒总成11的压力与中心管3内压力差的作用下剪断启动剪钉9并上行，直至锁定装置4与适配卡合到锁定槽内对注液阀6形成锁定。此时，第一注液通道32运动至筒状连接部211的上端区域，关闭第一注液通道32与第二注液通道33的连通，从而使注液阀装置永久关闭。此时，水力扩张式裸眼封隔器100处于永久关闭状态。在该状态下，即使中心管3内压力再次升高，在锁定装置4的锁紧作用下，注液阀6也不会再次打开，从而避免水力扩张式裸眼封隔器100二次进液胀封而导致胶筒总成12胀破，这显著提高了水力扩张式裸眼封隔器100在多级分段压裂中的可靠性。[0041] 根据本发明的可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器100通过多组工程样机性能试验，有效证明了注液阀6关闭及锁定性能满足设计要求。下面以最大外径为Φ140mm的封隔器为例，中心管内憋压至15MPa打开注液阀注液胀封封隔器，至压力达到40MPa时停止泵液，并泄压，注液阀关闭并永久锁定，测试封隔器胶筒承受上下压差均达到70MPa。中心管内再次泵液至70MPa，封隔器无二次胀封显示。[0042] 根据本发明的可永久关闭的水力扩张式裸眼封隔器100能够用于裸眼多级分段压裂作业。水力扩张式裸眼封隔器100在注液过程中对泵压波动有较好的适应性，使其能够实现反复多次开启来进行多次注液，并能够防止由于泵压波动造成注液阀提前永久关闭，直至胶筒总成11达到胀封压力，从而实现充分胀封，这非常有利于提高水力扩张式裸眼封隔器100的胀封性能。注液结束后，水力扩张式裸眼封隔器100能够自动实现永久关闭，能够有效在整个压裂过程中防止出现封隔器二次充液胀封，从而避免造成胶筒总成12胀破，显著提高水力扩张式裸眼封隔器100在多级分段压裂中的可靠性。[0043] 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。

专利地区：北京

专利申请日期：2021-02-08

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114909104B