一种高压井注采用扩张式插入装置的制作方法

1.本发明属于油气开采技术领域，具体涉及一种高压井注采用扩张式插入装置。


背景技术：

2.目前，石油天然气开采领域中，注、采工艺中的各种技术措施经常需要关闭或者打开井筒中的流体通道。油气井通常使用桥塞封层，需要打开产层通道时捞出桥塞或破坏桥塞，这种方式作业繁琐；还有一类是在井筒中安装相应的开关装置，使用电控、液控或者机械方式打开或者关闭流体通道，有时需要进行插管作业，插管插入后的密封问题一直以来都是一个难题。
3.在油田生产作业过程中，现有井筒中使用的插入装置，由于要考虑管柱起出时的作业，不适用插入后锁定的机构设置，一般通过上提、下放或者旋转管柱的简单动作来实现插入、拔出动作。插入密封一般是通过弹性密封圈实现的软密封，或结合单一球面、锥面密封来实现简单的组合密封。因此，目前的井筒内插入式装置在功能和性能上都上有所不足，密封性能有限、耐压和耐用性不足，应用范围有限，一般用于低压工况条件，不适用高压高温井况下的注采工艺。


技术实现要素：

4.为了解决上述存在的问题，本发明提出：一种高压井注采用扩张式插入装置，技术方案如下：包括上接头、第一级插管和第二级插管、密封球头、插管连接螺纹，所述上接头通过所述第一级插管与所述密封球头相连，所述密封球头通过插管连接螺纹与所述第二级插管相连。
5.进一步地，所述密封球头与第二级插管连接位置形成的球面密封是硬密封。
6.进一步地，所述上接头与所述第一级插管连接位置形成密封锥体。
7.进一步地，所述密封锥体形成锥面密封。
8.进一步地，所述第一级插管包括1个或多个金属波纹密封单元，每个金属波纹密封单元均由波纹短节上承接座、多层金属波纹管、耐高温高分子弹性材料密封环、弹性石墨密封环和波纹短节下承接座组成，多个金属波纹密封单元之间连接在一起，波纹短节上承接座通过多层金属波纹管与所述波纹短节下承接座相连，耐高温高分子弹性材料密封环和弹性石墨密封环套装在多层金属波纹管上。
9.进一步地，多个金属波纹密封单元之间通过不锈钢管体焊接连接。
10.进一步地，所述不锈钢管体上设置3-6组凹槽。
11.进一步地，耐高温高分子弹性材料密封环a套装在所述凹槽上。
12.进一步地，所述耐高温高分子弹性材料密封环a设置3-6组。
13.进一步地，耐高温高分子弹性材料密封环和弹性石墨密封环交错套装在多层金属波纹管的波谷上。
14.进一步地，波纹短节上承接座焊接在多层金属波纹管的上端。
15.进一步地，波纹短节下承接座焊接在多层金属波纹管的下端。
16.进一步地，所述第二级插管包括插管密封环、第二级插管本体、导流通孔和插管导椎头，第二级插管本体的最下端为插管的插管导椎头，第二级插管本体下端具有多个导流通孔，所述插管密封环套装在第二级插管本体上。
17.进一步地，第二金属波纹密封单元的波纹短节下承接座与所述密封球头通过焊接方式连接。
18.进一步地，第二级插管本体上套装有5-6组凹槽，所述凹槽上套装耐高温高分子弹性材料的插管密封环。
19.进一步地，所述插管导椎头采用高强度碳纤维材料制成。
20.进一步地，所述多层金属波纹管采用6层以上的固溶处理的镍基不锈钢合金制成。
21.进一步地，密封球头采用高硬度耐蚀合金材质。
22.进一步地，上接头、第一级插管和第二级插管的管体材质均采用耐蚀不锈钢材质制成。
23.本发明的有益效果为：
24.1)本发明结构适用性广泛，配合不同的作业管柱与工具串，适用于高压注水、注气(汽)、采油、采汽多种注采工艺的分层作业。
25.2)本发明所中多层金属波纹密封单元具备多种功能，使插管作业时的密封有效性和耐久性极大的提高。多层蒙乃尔合金材质的金属波纹管具有优秀的内压、抗蚀性能，另外多级组合使用的多层金属波纹管结构对消减高压流体造成的管柱蠕动和振动有很好的效果。
26.3)多层金属波纹中设置的弹性耐高温耐高温高分子材料密封环5和弹性石墨密封环6交错形成多道弹性密封，形成的压紧式连续密封腔有很好的密封性能。
27.4)多层金属波纹密封单元靠管柱重力压缩后轴向缩短而径向扩张(波高增大)的特性，其每个波纹的波形和波高经过设计，能够很好的实现压缩时径向变大后对间隙的密封。在注入通道通过高压流体时，其径向上鼓胀扩张，通过的高压流体压力越高，向外扩张力越大，密封性越好。
28.5)本发明同时具备了多种密封作用形式：两级密封单元的扩张压紧密封作用；因为波纹压缩机制存在而设计形成的特有的两处硬密封：
①
密封球头8处形成；
②
在密封锥体2处形成，形成的机制是下入管柱的自重使密封球头8处形成硬密封后，二级多层金属波纹密封单元在管柱重量作用下继续轴向压缩，在波纹密封单元的金属波纹外层接触被插入通道腔体内表面后，但尚有余量时，可以在密封锥体2处形成第二道硬密封。其他的密封还包括插入管管体上的密封环形成的多道弹性密封。
29.6)本发明中的二级多层金属波纹密封单元采用镍基不锈钢合金固溶处理(蒙乃尔合金)，这种不锈钢奥氏体材质有更好的耐高温、耐锈蚀和耐磨损性能；硬密封体(密封球头)采用高硬度耐蚀合金材质，具备高表面硬度和高屈服强度；插入体表面采用高精度加工工艺；导锥头采用碳纤维材质，强度高，耐温耐蚀，且在实现插管顺利插入和拔出动作时不会对套管插入开关内腔面和密封锥面造成损伤。
附图说明
30.图1为本发明的整体结构示意图；
31.图2为本发明的金属波纹密封单元的结构示意图；
32.图3为本发明的第一级插管和第二级插管连接处的结构示意图。
33.其中，附图标记为：
34.1、上接头；2、密封锥体；3、波纹短节上承接座；4、多层金属波纹管；5、耐高温高分子弹性材料密封环；51、耐高温高分子弹性材料密封环a；6、弹性石墨密封环、7、波纹短节下承接座；8、密封球头；9、插管连接螺纹；10、插管密封环；11、第二级插管本体；12、导流通孔；13、插管导椎头。
具体实施方式
35.实施例1
36.本发明涉及一种高压井注采用扩张式插入装置。如图1-3所示，包括上接头1、第一级插管和第二级插管、密封球头8、插管连接螺纹9，所述上接头1通过所述第一级插管与所述密封球头8相连，所述密封球头8通过插管连接螺纹9与所述第二级插管相连。
37.其中，所述密封球头8与第二级插管连接位置形成的球面密封是硬密封。
38.其中，所述上接头1与所述第一级插管连接位置形成密封锥体2。
39.其中，所述密封锥体2形成锥面密封。
40.其中，所述第一级插管包括1个或多个金属波纹密封单元，每个金属波纹密封单元均由波纹短节上承接座3、多层金属波纹管4、耐高温高分子弹性材料密封环5、弹性石墨密封环6和波纹短节下承接座7组成，多个金属波纹密封单元之间连接在一起，波纹短节上承接座3通过多层金属波纹管4与所述波纹短节下承接座7相连，耐高温高分子弹性材料密封环5和弹性石墨密封环6套装在多层金属波纹管4上。
41.其中，多个金属波纹密封单元之间通过不锈钢管体焊接连接。
42.其中，所述不锈钢管体上设置3-6组凹槽。
43.其中，耐高温高分子弹性材料密封环a51套装在所述凹槽上。
44.其中，所述耐高温高分子弹性材料密封环a51设置3-6组。
45.其中，耐高温高分子弹性材料密封环5和弹性石墨密封环6交错套装在多层金属波纹管4的波谷上。
46.在插入过程中，因为插入装置中第一季插入管中有多个柔性可压缩的多级金属波纹单元存在，能够实现一次插入动作实现两处硬密封(锥面密封+球面密封)，并且波纹单元受管柱重力轴向压缩，径向上扩大，挤压插入通道内壁，与插入通道内壁形成多道由金属波纹管波峰处金属和波谷处套装的弹性密封材料构成的多道线性密封和弹性密封。
47.在插入后高压注采过程中，该结构将产生插管内压力越大，密封越紧密的结果。
48.其中，波纹短节上承接座3焊接在多层金属波纹管4的上端。
49.其中，波纹短节下承接座7焊接在多层金属波纹管4的下端。
50.其中，所述第二级插管包括插管密封环10、第二级插管本体11、导流通孔12和插管导椎头13，第二级插管本体11的最下端为插管的插管导椎头13，第二级插管本体11下端具有多个导流通孔12，所述插管密封环10套装在第二级插管本体11上。
51.其中，第二金属波纹密封单元的波纹短节下承接座7与所述密封球头8通过焊接方式连接。
52.其中，第二级插管本体11上套装有5-6组凹槽，所述凹槽上套装耐高温高分子弹性材料的插管密封环10。
53.其中，所述插管导椎头13采用高强度碳纤维材料制成。
54.其中，所述多层金属波纹管4采用6层以上的固溶处理的镍基不锈钢合金制成。
55.其中，密封球头8采用高硬度耐蚀合金材质。
56.其中，上接头1、第一级插管和第二级插管的管体材质均采用耐蚀不锈钢材质制成。
57.本发明的技术原理如下：本发明同时具备了多种密封作用形式：两级密封单元的扩张压紧密封作用；因为波纹压缩机制存在而设计形成的特有的两处线性硬密封：
①
密封球头8处形成；
②
在密封锥体2处形成，形成的机制是下入管柱的自重使密封球头8处形成硬密封后，二级多层金属波纹密封单元在管柱重量作用下继续轴向压缩，在波纹密封单元的金属波纹外层接触被插入通道腔体内表面后，但尚有余量时，可以在密封锥体2处形成第二道硬密封。其他的密封还包括插入管管体上的密封环形成的多道弹性密封。
58.插入装置中第一级插管中有多个柔性可压缩的多级金属波纹单元存在，能够实现一次插入动作实现两处硬密封，即锥面密封和球面密封。
59.在插入后注入或采出过程中，能够同时实现了锥面密封、球面密封、多级线性密封(内压力扩张金属波纹单元波峰实现)、多级滑动密封(第一级插管和第二级插管上的密封环实现)、多级弹性密封(内压力扩张金属波纹单元波谷上的耐高温高分子弹性材料密封环5、弹性石墨密封环6实现)。
60.多层金属波纹管4采用多层(6层以上)蒙乃尔合金(高镍合金)制成，具备很好强度、耐压和耐蚀性能。密封波纹单元的上下承接座通过焊接的方式与第一级插管连接在一起，第一级插管上一般设置两组波纹密封体单元；在两组波纹密封体单元之间设计了多个(3-6组)耐高温高分子弹性材料密封环5。
61.第一级插管的密封机制如下：
62.①
插入固定在套管上的插入开关的过程中，开始阶段波纹扩张密封体和插入开关通道的内腔体光滑表面是间隙配合，当下方锥面密封接触后，整体管柱重量使多层金属波纹管4轴向压缩并径向上产生扩张变形，波纹管波高变大直到多层金属波纹管的外层与被插入通道的腔体内表面发生接触并挤压在一起形成弹性硬密封。
63.②
当插入管中通过高压流体时，高压流体使多层金属波纹管继续向外鼓胀扩张，产生的径向扩张力使耐高温高分子弹性材料弹性密封圈5和弹性石墨密封环6压紧在被插入通道的腔体的内表面上。压力越高向外扩张的力越大，密封性越好。多层金属波纹管4中压力足够大时，这种多道波纹形成的弹性硬密封和由弹性密封环(耐高温高分子弹性材料密封环5和弹性石墨密封环6)形成的多道弹性软密封相结合，形成了压紧式的连续密封腔。
64.第一级插管中的第二个波纹密封单元下承接座6与密封球头8通过焊接方式连接，密封球头8通过插管连接螺纹9连接与第二级插管本体11连接，密封球头弧面经过设计，将与配套的套管上的插入开关上设置的密封锥面形成线性硬密封；第二级插管11上具有多个(5-6组)耐高温高分子弹性材料的密封环10；第二级插管11下端具有多个导流口12；第二级
插管的最下端为插管的导椎头13，导椎头13采用高强度碳纤维材料制造，实现插管顺利插入和减少实现插入动作时对套管插入开关内腔面和密封锥面的损伤。
65.本发明提供了一种以波纹扩张式密封为主的全新的插入密封组合，通过波纹扩张形成的弹性硬密封、弹性软连续密封体，再结合锥面密封等多组密封部件，实现了装置插入后具有极好的密封和耐压性，能够适用于高温高压井况。这种插入装置的结构承压高、密封性好、适用性广、安全可靠的特点，可广泛适用于油田注采工艺。
66.实施例2
67.本发明涉及一种高压井注采用扩张式插入装置。其实施方式入如下：
68.首先，压井后，在井下预定深度丢手后锚定座封悬挂式井下滑套开关，实现对井下某层位的封隔。
69.将本发明装置连接在入井管柱末端，在井筒中下放管柱，到达预定深度前，开始降低下放速度，并观察修井机的拉力表。插管导椎头13将插管导入插入通道。插入过程中，插管本体、波纹密封单元和插入通道腔体的光滑表面是间隙配合，当密封球头8与下方密封座接触后，其接触位置首先在整体管柱重力作用下实现了第一处硬密封，此时，插入管完成了插入动作，若拉力表显示管柱悬量降低，则停止下放动作。
70.继续观察拉力表管柱悬量，用最低速度继续缓慢下放管柱。此时，二级插入管本体上的密封环和插入腔光滑内表面形成了弹性密封；插入装置的两级多层金属波纹密封单元被轴向压力压缩并径向扩张，金属波纹单元的每个波纹的波形和波高经过设计，能够很好的实现压缩时径向变大后对间隙的密封，产生的径向扩张力使耐高温高分子弹性材料弹性密封环5和弹性石墨密封环6压紧在插入腔体的内表面上实现初步密封。继续缓慢下放管柱，二级多层金属密封单元在管柱重量作用下继续轴向压缩，波纹密封单元的金属波纹外层开始接触被插入通道腔体内表面，此时，拉力表读数开始大幅下降；完全释放管柱重力，此时，本发明装置的密封锥体2和井下开关的上一级锥面台阶接触，实现了第二道硬密封，此时，拉力表读数归零，由此判断本发明的装置完成初始插入密封状态。
71.当插入装置中通过高压流体时，高压流体使多层金属波纹管继续向外扩张，通过高压流体压力越高，向外扩张力越大，密封性越好；同时，两级波纹单元中每个波纹中的密封环形成多道连续性弹性密封，这种压紧式的连续密封腔有极好的密封性能。
72.由于本发明装置的材质、工艺、结构上具备的特性，使本发明装置可以适用高压高温的井况。通过试验，本发明装置所陈述实现密封的方式及其密封性能已经在常温35mpa高压环境和350℃/21mpa高温高压环境条件下验证，可以实现长期有效密封。并且，本发明装置中的结构可以适应更高压力条件的作业条件。
73.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。