可降解封隔器及多级分层压裂管柱的制作方法

本实用新型涉及石油天然气开采中用于多级压裂时分层封层的封隔器工具技术领域，特别涉及一种可降解封隔器及多级分层压裂管柱。

背景技术：

在油田的勘探开发过程中，由于油气井经常需要进行分层试油、分层段压裂等施工作业，在分层试油、分层段压裂施工作业中均要采用如封隔器桥塞类的井下工具，特别是在水平井施工作业中，往往需要进行多级封隔器多层段分别压裂，但在实际使用过程中，由于压裂加砂、高压施工产生套变等原因，使得封隔器易发生遇卡和无法提出等事故。造成后续需要进行打捞、钻磨等手段处理措施，不仅提高施工费用，而且使施工工期延长。

为解决此类问题，技术人员提出了使用可降解材料制成的桥塞、封隔器，待施工完后，使其自行降解解除，避免了砂卡等施工风险。其中，已公开专利CN104612624A提供了一种可降解桥塞、定时滑套、分段压裂管柱及地层分段压裂方法；已公开专利CN105672941A提供了一种可降解免钻桥塞压裂工艺；这两件专利公开的可降解封隔器或桥塞均具有桥塞功能，虽然也是通过降解解除，但需要单个逐次下入，尚不能进行一次性下管柱，完成多层段施工。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种解决现有封隔器常常出现的砂卡砂埋管柱的不足及可降解封隔器单个逐次下入等问题的可降解封隔器。

本实用新型的另一目的是提供一种适用于大斜度井、水平井压裂中封隔地层或井筒环空中并能够实现多级压裂时分层封层的多级分层压裂管柱。

为此，本实用新型技术方案如下：

一种可降解封隔器，包括中心管和自上而下依次套装在所述中心管外侧的可降解锚定机构、可降解胶筒机构、可降解上活塞、可降解下活塞和可降解卡瓦机构；其中，

所述中心管包括连接的上中心管(2)和下中心管(11)；所述下中心管(11)上部侧壁上开设有第二通孔(17)；

所述可降解锚定机构、所述可降解胶筒机构分别与所述中心管之间以存在缝隙的形式套装在所述中心管外侧，使所述可降解锚定机构、所述可降解胶筒机构分别与所述中心管之间形成第一环空空间，所述可降解上活塞侧壁上开设有与所述第一环空空间连通的第一通孔；

所述可降解下活塞上侧内壁向内凹陷形成有环形台阶，使所述可降解下活塞内壁与所述中心管外壁之间形成有第二环空空间，且所述第二环空空间与所述第二通孔形成连通；所述可降解下活塞下侧外壁向内凹陷形成有环形台阶，在所述凹陷部外壁上自上而下加工有多排单向斜齿；

在所述可降解上活塞和所述可降解下活塞的外侧套装有外套，所述外套固定在所述可降解上活塞下侧外壁上；在所述可降解外套底端外侧套装并固定有一可降解止退环，所述可降解止退环底端内壁向内侧延伸形成有环形台阶，所述可降解外套靠近底端内壁向外凸起形成有环形凸台，使所述可降解止退环内侧的环形台阶和所述可降解外套内侧的环形凸台之间形成有一个内设有可降解单面螺纹步进机构的环形凹槽，所述可降解单面螺纹步进机构与所述可降解下活塞外壁上的多排斜齿相互配合且能够进行单向运动，使所述可降解下活塞相对于所述单面螺纹步进机构下行运动至任意位置并锁定。

进一步地，所述可降解锚定机构为活塞式水力锚总成。

进一步地，可降解胶筒机构包括套装在所述上中心管外侧的胶筒中心管以及自上而下套装在所述胶筒中心管外侧的多个胶筒，相邻胶筒之间设置有隔环；所 述胶筒中心管以存在间隙的方式套装在所述上中心管外侧，且所述胶筒中心管上方设有用于上行运动的环空空间。

进一步地，所述可降解卡瓦机构包括自上而下依次套装在所述中心管外侧的锥体、卡瓦、卡瓦支撑套和支撑环；所述锥体其上部套装在所述下活塞底端外壁上并通过紧固螺钉固定在所述下活塞上、下部向内收缩形成与所述卡瓦的上端面相互配合锥面；卡瓦支撑套顶端抵在所述卡瓦的底面上；所述支撑环套装在所述卡瓦支撑套外侧、底端内壁向内侧延伸形成以环形台阶，所述支撑环通过加工在所述环形台阶内壁上的连接内螺纹连接固定在所述下中心管上。

进一步地，位于所述卡瓦外侧侧壁上的卡瓦牙为90°三角牙型；所述卡瓦牙外层包覆有氧化铝层。

一种采用所述的可降解封隔器组装而成的水平井分层压裂管柱，其特征在于，包括自下而上依次连接的I级滑套、I级可降解封隔器、II级滑套、II级可降解封隔器、……、N级滑套、N级可降解封隔器，N的个数与水平井内的待压裂层的个数一致；其中，上述相邻的滑套和可降解封隔器之间通过钻杆或油管连接，使每级滑套和封隔器均能够对应下入至指定压裂层；所述滑套采用球座式滑套，且自下而上的各滑套内球座的内径依次增大。

进一步地，每级滑配有与球座尺寸相适应的金属球；所述球座为可降解球座，所述金属球为可降解金属球。

与传统封隔器相比，该可降解封隔器保持传统封隔器坐封强度的同时具有可降解功能，与现有惯常使用的投球式滑套交替连接组成一体式压裂管柱，可多级使用，且坐封压力一致、管柱通径一致，用于多层段分层压裂酸化、临时卡封、挤注作业或分层试油等，实现多个封隔器一次性全部下入，进行分层压裂；压裂完成后，通过注入降解液，使该可降解封隔器的可降解部件及滑套内的投球和球座全部降解，仅剩封隔器、滑套主体和连接油管等，便于上提取出，避免砂卡砂埋管柱的现象产生。

附图说明

图1为本实用新型的可降解封隔器的局部剖面结构示意图；

图2为本实用新型的可降解封隔器的锚定机构的局部剖面结构示意图；

图3为本实用新型的可降解封隔器的锚定机构的锚爪的立体结构示意图；

图4为本实用新型的可降解封隔器的水平井分层压裂施工管柱连接关系示意图；

图5为本实用新型的可降解封隔器的水平井分层压裂施工管柱中滑套的局部剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。

如图1所示，该可降解封隔器包括自上而下依次连接的上接头1、上中心管2和下中心管11；所述上接头1、所述上中心管2和所述下中心管11采用P110合金钢管制成，用于支撑其他全部部件，同时便于承受大负荷和同管柱的连接。

所述上接头1套装在所述上中心管2内侧且螺纹连接，所述下中心管11套装在所述上中心管2外侧且螺纹连接；所述上接头1内壁上开设有用于上方管柱螺纹连接的连接内螺纹，所述下中心管11的底端外壁上开设有用于与下方管柱连接的连接外螺纹，形成下接头12；所述下中心管11上部侧壁上开设有第二通孔17。

在所述上中心管2外侧自上而下依次套装有可降解锚定机构3和可降解胶筒机构4；在所述下中心管11外侧自上而下依次套装有可降解上活塞5、可降解下活塞6和可降解卡瓦机构。通过所述可降解胶筒机构4、所述可降解锚定机构3和所述可降解卡瓦机构，使该封隔器形成双向稳定坐封，实现多层级压裂作业。

与外径尺寸近似的传统封隔器相比较，该可降解封隔器的内通径大于传统封隔器的内通径，以本实施例中的可降解封隔器为例，其所述上中心管2的外通径 为内通径为其所述下中心管11的外径外通径为内通径为

如图2所示，所述可降解锚定机构3包括套装在所述上中心管2外侧的锚定本体301；所述锚定本体301侧壁上沿圆周方向开设有上、下两排内设有锚爪302的通孔组，每排通孔组均包括沿圆周方向均布的四个通孔，且分别位于上、下两排的四个通孔分别一一对应设置；每个所述通孔的槽底内壁向内侧延伸形成有环形台阶，所述锚爪302设置在所述环形台阶上；所述锚爪302外壁上开设有用于设置密封圈306的环形凹槽，使所述锚爪302与所述锚定本体301之间形成密封；如图3所示，所述锚爪302为中心开设有盲孔的圆柱体结构，且自所述锚定本体301侧壁开设有一与中心盲孔连通的横向通槽，使所述锚爪302上部形成对开的两瓣爪；在每个所述锚爪302的中心盲孔位置上设置有一个弹簧304，通过沿圆周方向盖装在所述锚定本体301外壁上的四个条形板304将所述锚爪302封在所述锚定本体301的通孔内；所述条形板304的设置方向与所述锚爪302的横向通槽方向一致，使每个所述锚爪302的两瓣爪能够受压伸出所述锚定本体301外侧；所述条形板304通过紧固螺钉305固定在所述条形板304上。

其中，所述锚定机构3的锚定本体301顶端和底端内壁均向内凹陷形成有环形台阶，使锚定本体301上端套装在所述上接头1底端外侧并与所述上接头1螺纹连接，且螺纹连接处设有密封圈。所述锚定机构3与所述上中心管2之间以存在缝隙的形式套装在所述上中心管2外侧，使所述锚定机构3相当于一个活塞体，当液体进入所述锚定机构3与所述上中心管2之间的缝隙后，所述锚爪302靠内部液压压力克服弹簧力顶出，带动安装其上的两瓣爪咬紧管壁形成锚定；当液压压力卸去后，所述锚爪302在弹簧力作用下回复原位，锚定作用解除。

所述可降解胶筒机构4包括套装在所述上中心管2外侧的胶筒中心管406以及自上而下套装在所述胶筒中心管406外侧的第一胶筒401、第一隔环404、第二胶筒402、第二隔环405和第三胶筒403；所述胶筒中心管406以存在间隙的 方式套装在所述上中心管2外侧，且所述胶筒中心管406顶端与所述锚定本体301内侧的环形凸台下端面之间留有一段环空空间；所述环空空间的长度与所述胶筒机构4的最大形变量相适应，使胶筒收到挤压收缩时所述胶筒中心管406有向上行活动的空间。

其中，所述第一胶筒401顶端抵在所述锚定本体301底端端面上；在所述胶筒中心管406外壁与所述锚定本体301内壁之间的接触面上安设有密封圈。

所述可降解上活塞5侧壁上开设有第一通孔501；在所述可降解上活塞5内壁上且位于所述第一通孔501上方向外凸起形成有一环形凸台，使所述胶筒中心管406底端压配在所述可降解上活塞5的环形凸台的上端面上；所述环形凸台与所述上中心管2之间形成有环空，使所述第一通孔501与所述胶筒中心管406和所述上中心管2之间的环空空间形成连通；所述可降解上活塞5下部且位于所述第一通孔501下方套装在所述下中心管11外侧。

所述可降解下活塞6套装在所述下中心管11外侧，且顶端抵在所述可降解上活塞5的底面上；所述可降解下活塞6上侧内壁向内凹陷形成有环形台阶，使所述可降解下活塞6内壁与所述下中心管11外壁之间形成的环空空间与所述下中心管11上的第二通孔17形成连通；所述可降解下活塞6下侧外壁向内凹陷形成有环形台阶，在所述凹陷部外壁上自上而下加工有多排斜齿。

在所述可降解上活塞5和所述可降解下活塞6的外侧套装有可降解外套7，所述可降解外套7顶端位于所述第一通孔501下方且与所述可降解上活塞5外壁螺纹连接；在所述可降解外套7底端外侧套装并螺纹连接有一止退环13，所述可降解止退环13底端内壁向内侧延伸形成有环形台阶；所述可降解外套7靠近底端处内壁向外凸起形成有环形凸台，在由所述可降解止退环13内侧环形台阶和所述可降解外套7内侧环形凸台形成的环形凹槽内设置有一可降解单面螺纹步进机构8，所述可降解单面螺纹步进机构8略凸出所述环形凹槽，且与所述可降解下活塞6的外壁之间留有间隙；设置在可降解单面螺纹步进机构8上的螺纹与设 置在所述可降解下活塞6下侧外壁上的多排斜齿相互配合，通过所述可降解单面螺纹步进机构8外壁上的螺纹与所述可降解下活塞6外壁上的多排斜齿之间的单向运动特点，使所述可降解下活塞6能够相对于所述单面螺纹步进机构8下行运动至任意位置并由于上行受阻形成锁定。所述止退环13用于当下活塞6下行时锁紧可降解下活塞6，保持坐封力。

其中，所述可降解上活塞5上侧外壁与所述胶筒中心管406之间设置有一密封圈；在所述可降解上活塞5下侧外壁上设置有两道密封圈，使所述可降解上活塞5内壁与所述下中心管11外壁之间、所述可降解上活塞5外壁与所述可降解外套7内壁之间形成密封；在所述可降解下活塞6上侧外壁上设置有两道密封圈，使所述可降解下活塞6内壁与所述下中心管11外壁之间、所述可降解上活塞5外壁与所述可降解外套7内壁之间形成密封。所述可降解下活塞6下侧内壁局部向内凹陷，减小所述可降解下活塞6下行运动时与所述下中心管11之间形成的摩擦力。

所述可降解卡瓦机构包括自上而下依次套装在所述下中心管11外侧的锥体9、卡瓦10、卡瓦支撑套15和支撑环16；所述锥体9为下部向内收缩的锥形结构，其上部套装在所述下活塞6底端外壁上并通过紧固螺钉14固定在所述下活塞6上，其下部收缩形成的锥面与所述卡瓦10的上端面相互配合；所述卡瓦10顶端抵在所述卡瓦10的下端面上，且所述卡瓦10下端面和所述卡瓦支撑套15上端面加工为相互配合的斜面；所述支撑环16套装在所述卡瓦支撑套15外侧、底端内壁向内侧延伸形成以环形台阶，所述支撑环16通过加工在所述环形台阶内壁上的连接内螺纹连接固定在所述下中心管11上。其中，所述卡瓦10的卡瓦牙为90°三角牙型，便于双向锚定。

上述具有可降解特性的各可降解部件均采用可降解合金制成，例如：MgAl₁₂Ga₃Zn₂合金或添加有0.03～0.08wt.％的Nb和0.3～0.5wt.％的Cu的MgAl₁₂Ga₃Zn₂可降解合金制作而成；如各可降解部件需要增加承压力，则可选择 在可降解部件表面采用喷涂方法包覆一层Al₂O₃层。

该类可降解合金在常温下抗拉强度>600MPa，100℃下抗拉强度>480MPa，且能够72小时不降解，开始降解至完全降解时间为168小时。其逐步降解原理为：经压裂施工后，部件表面的耐蚀强化层逐渐被磨蚀掉，使包裹在其内部的可降解合金暴露在井内的高压、井筒温度以及地层中高氯根矿化水下，其中的高氯根引发了可溶合金表面的腐蚀破坏，由于井筒内的高温以及可溶合金材料内部金属腐蚀电位的不同，也加速了材料的腐蚀破坏，最终导致该类可降解合金发生降解、直至完全消融。

其中，由于卡瓦机构中卡瓦10的卡瓦牙对卡瓦能否实现卡紧套管具有重要作用，因此在采用上述可降解合金制成的卡瓦牙表层采用火焰喷涂方式附上一层厚度为1.5mm的Al₂O₃强化层；如需进一步增加强度，则可以选择喷涂含有10～15％ZrO₂和3.5～5％TiO₂的Al₂O₃强化层，使卡瓦牙的硬度达1600HV以上。

所述胶筒机构内的多个胶筒和设置在封隔器各部件之间的密封圈采用可降解橡胶制成，如：外表面采用磷酸二氢钾薄膜包覆的聚氨酯橡胶。该类可降解橡胶在井内高压、井筒温度以及地层中高氯根矿化水的综合作用下，胶件表面的磷酸二氢钾薄膜首先发生弱化、破损，内部包裹的聚氨酯基可降解橡胶暴露于外部环境中，并发生自催化氧化反应，引起橡胶内的分子链、交联键的裂解和断裂；经胶件内可溶金属散发出的金属离子的催化，可降解橡胶中的大分子自由基发生自动催化反应，更加加速了橡胶结构的破坏，使得胶件最终发生降解、直至完全消融。

该可降解封隔器的工作原理：当需要进行封隔器坐封时，向油管内打压，液体进入第二通孔17，液压压力推动上活塞5上行作用于胶筒4，同时推动下活塞6下行作用于卡瓦10，胶筒4受压使其径向胀大形成密封，达到封隔目的，卡瓦10沿锥体9向外扩张卡于套管并咬合套管内壁；此时，锁紧机构中的单面螺纹步进机构8将上中心管2和下中心管11与外套7锁定，使胶筒4及卡瓦10处于坐 封状态；当高压液体通过第一通道孔501进入上中心管2与锚定机构3间的缝隙中，通过液压作用推动锚爪301向外凸出，卡住套管内壁，封隔器坐封全部实现。当需要进行解封或降解时，向套管和油管内注入KCl及促进剂，使各可降解部件完全浸泡在KCl溶液中至降解脱落，同时，胶筒及密封圈吸水降解形成絮状流体，仅剩余上中心管2和下中心管11。

一种应用于水平井分层压裂管柱，其对应下入的水平井内共包括五个压裂层，如图4所示，所述管柱包括自下而下依次连接的I级滑套、I级可降解封隔器、II级滑套、II级可降解封隔器、III级滑套、III级可降解封隔器、IV级滑套、IV级可降解封隔器、V级滑套和V级可降解封隔器；上述各部件之间通过油管连接，使每级滑套和封隔器均能够对应下入至指定压裂层。

如图5所示，具体地，所述滑套包括自上而下依次螺纹连接的滑套上接头23、滑套本体27和下接头28；所述滑套本体27侧壁上开设有进液孔，所述滑套内套24套装在所述滑套上接头23和所述滑套本体27内侧，且封隔所述进液孔处，所述滑套内套24通过销钉25固定在所述滑套本体27的内壁上；所述滑套内套24内壁凸起形成有一环形台阶，即为球座26，通过向滑套内头球憋压使销钉25剪断，滑套内套24下滑，使滑套内外通过进液孔形成连通，即打开滑套；所述下接头28内径小于所述滑套本体27的内径，形成对所述滑套内套24的限位，使所述滑套内套24下行时落到所述下接头28上，封堵住所述滑套下部，打开滑套工序完成。

其中，固定在I级滑套、II级滑套、III级滑套、IV级滑套和V级滑套内壁上的球座和与各级滑套内球座26配套使用的金属球29均采用上述可降解合金制成，且自I级滑套至IV级滑套，每级滑套球座26的内径依次增大，使通过每级滑套的金属球29相互之间不受影响。

另外，由于金属球29采用和可降解封隔器可降解部分相同的可降解材料，因此可降解封隔器的坐封压力均应比各级滑套的开启压力小，例如，可以通过开 启压力大的对应球座26的厚度大，反之厚度小这一方案实现。

上述水平井分层压裂管柱的压裂施工方法，包括如下步骤：

S1、将组装好的多级分层压裂管柱送入水平井内各压裂层处，其中，各级滑套位于各压裂层处，各级可降解封隔器分别位于压裂层上方和下方对应套管处；

S2、投入与Ⅰ级滑套配套的金属球至Ⅰ级滑套处，地面打压至封隔器坐封压力值，使各级封隔器全部坐封，再提升压力使Ⅰ级滑套打开，进行Ⅰ层压裂施工；当Ⅰ层压裂施工完毕，地面压裂设备泄压；

投入与Ⅱ级滑套配套的第二金属球至Ⅱ级滑套处，重复上述步骤，当Ⅱ层压裂施工完毕，地面压裂设备泄压；

以此类推至全部五层压裂层全部施工完毕；

S3、向压裂管柱和套管内注入溶解液(如：常用KCl溶液和降解促进剂)，使封隔器各可降解部件完全浸在溶解液中，直至封隔器可降解部件以及各级滑套内的球座和可溶解金属球全部降解；

S4、循环洗井，将降解后的絮状流体洗出，最后起出管柱，施工完毕。