井下金属封隔器及其制造和使用方法与流程

本发明涉及石油工业热采井井下封隔器技术领域，特别是涉及一种井下金属封隔器及其制造和使用方法。

背景技术：

稠油油田开发过程中，注水蒸气热采是最普遍的开发方式。注汽过程中，井下温度可达到300℃以上，采油过程中的温度也会超过200℃。油井中常常使用以铅为主要密封材料的封隔器，这种封隔器密封压力低，寿命短。为了解决这一问题，中国专利申请号201520301800.7，申请日2015年05月12日，专利名称“一种自膨胀式热采裸眼金属封隔器”；另外，中国专利申请号200720011858.3，申请日2007年04月26日，专利名称“封堵器”，这两个专利各公开了一种以金属为外壳，以橡胶为内芯的封隔器密封件。这种产品存在的共同缺点是，封隔器在注蒸汽过程中，密封件的橡胶内芯会快速老化变硬，体积缩小，失去密封能力。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，发明了井下金属封隔器，解决了现有技术中封隔器采用橡胶等非金属密封件易老化失效问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种井下金属封隔器，包括中心管，在中心管的外周套装有封闭的环状容器，所述的环状容器有一个外壁和一个内壁，所述的外壁是具有延展性的金属材料，在环状容器内充装有液体。

所述的中心管和外壁共同构成了环状容器，中心管的外表面构成了环状容器的内壁；所述的外壁的一端或二端设有挡环，挡环套在中心管外周上；挡环、中心管和外壁共同构成了环状容器；所述的环状容器的一端或二端设有储液室，挡环上设有通道，储液室通过通道与环状容器的内腔连通；所述的外壁呈瓦棱状；所述的外壁的外表面附着有软金属附层；所述的软金属附层材料是铅、铅合金、铝、铝合金或紫铜；所述的液体是水或乙醇；所述的金属材料是不锈钢、碳钢、紫铜、铝或铝合金。

井下金属封隔器的制造方法，其步骤包括：

a.金属外壁使用折板机制成瓦棱状；

b.外壁外表面镀软金属；

c.外壁两端与挡环、储液室焊接成一体，再套在中心管外周上；

d.挡环或储液室与中心管焊接形成封闭容器；

e.在挡环或储液室上开设注入工艺孔，向环状容器中注入液体，然后封闭注入工艺孔。

井下金属封隔器的使用方法，在井下注汽管柱中连接有所述的井下金属封隔器。

所述的井下金属封隔器的使用方法，其步骤包括：

a.井下金属封隔器连接在注汽管柱上并下入井下指定位置；

b.通过注汽管柱注入高温水蒸气；

c.根据井下金属封隔器处的温度，通过计算或查表获得相应温度下的封隔器内液体的饱和蒸气压，确定井下金属封隔器的环状容器内的压力；

d.以小于环状容器内压力值的压力给井下金属封隔器施加工作压差。

本发明的技术优点在于：

1、本发明的井下金属封隔器设置了一个具有延展性外壁的封闭的金属环状容器，在容器内充装了液体，可根据工况压力需要选择充装水或其它液体。热采井注蒸气时，井下温度可达到300度以上，以水为例，水在300度下的饱和蒸气压可达到8.6mpa。在8.6mpa压力下，封隔器的环状容器的外壁扩张密封了油套环空。由于采用了全金属的封隔器密封件，利用了液体的饱和蒸气压作为压力源，本发明的封隔器不会出现密封件老化失效问题，密封寿命长且可靠。

2、在环状容器的外壁外表面附着了软金属附层，使本发明的封隔器更能适应井下套管内壁可能粗糙的工况，密封效果更好。

3、本发明封隔器环状容器内的充装液体可以选择，可根据密封压力需要选择相应的液体，适用工况范围更广。

4、本发明的封隔器设置了储液室，为封隔器环状容器的扩张提供了更多的液体，从而可以把封隔器的环状容器设计得更长，环状容器的外壁直径也可以扩张得更大。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是井下金属封隔器结构形式一的结构示意图。

图2是井下金属封隔器结构形式二的结构示意图。

图3是图2中a-a处的剖面图。

图4是井下金属封隔器的结构示意图，图中封隔器外壁一端带有挡环。

图5是井下金属封隔器的结构示意图，图中封隔器外壁二端带有挡环。

图6是井下金属封隔器的结构示意图，图中封隔器带有储液室。

图7是井下金属封隔器的结构示意图，图中封隔器外壁附着有软金属附层。

图8是图7中b-b处的断面图。

具体实施方式

见图1所示，本发明的井下金属封隔器，与其它井下封隔器一样也有中心管4，在中心管4的外周套装有封闭的环状容器1，所述的环状容器有一个外壁5和一个内壁6，所述的外壁5是具有延展性的金属材料，在环状容器1内充装有液体2。图中只画出了本发明封隔器的主要部分，没有画出封隔器中心管两端的连接结构。所述的液体2是指常温下是液体，图中所示的液体2是高温下汽化状态，环状容器的外壁已扩张密封了套管3。此处所述的外壁和内壁是指径向上的内外，处于大径上的为外壁，处于小径上的为内壁。

由于稠油热采井井下注汽温度会超过300℃，采油生产温度也会超过200℃，常用的橡胶材料等非金属材料会快速老化，严重影响封隔器的密封寿命。本发明是采用全金属的密封件，也就是设置金属的环状容器，通过内充装液体的饱和蒸气压作为压力源，使环状容器扩张密封油套环空。

为了封隔不同的压力工况，所述的液体2是可以选择的充装的。最常用、最方便制造、费用最低的是水，水在不同温度下的饱和蒸气压见表1所示，表中的温度数值取整处理。在相同温度下，为了获得更高的密封压力，还可以使用其它液体，如乙醇，100℃下，水的饱和蒸气压是0.101mpa，乙醇的饱和蒸气压是0.223mpa。当然还可以进一步选择其它液体充装，如烷烃类、烯烃类、苯类等，其饱和蒸气压可以通过计算或从相关文献上查表获得。

表1水的温度与饱和蒸气压对应关系表

为了容易扩张，也同时为了便于使外壁5更好地贴合套管3内壁，所述的外壁5使用的金属材料最好选择延展性强的，如不锈钢、低碳钢、中碳钢、合金钢、紫铜、铝、铝合金、白口铁等。

见图2和图3所示，所述的中心管4和外壁5共同构成了环状容器，中心管4的外表面构成了环状容器1的内壁6。为了便于制造出封闭的容器，外壁5和中心管4之间的连接通常使用焊接方法。

见图4和图5所示，为了提高本发明封隔器的密封能力，防止高压差下外壁5损坏，所述的外壁5的一端或二端设有挡环7，挡环7套在中心管4外周上；挡环7、中心管4和外壁5共同构成了环状容器1。同样地，为了便于制造出封闭的容器，挡环7、中心管4和外壁5之间的连接通常也使用焊接方法。

由于井下套管内空间小，中心管和外壁之间所形成的环空体积小，仅在其环空内充装液体可能不足以达到饱和蒸气压，需要有补充液体源。为解决这一问题，在封隔器上设置一个储液室8，见图6所示，在所述的环状容器1的一端或二端设置储液室8，挡环7上设有通道9，储液室8通过通道9与环状容器1的内腔连通。

为了便于外壁扩张，可以把外壁5加工成瓦棱状，或叫波纹状，图8所示的瓦棱状或波纹状是横断面，其形状沿轴向上扩展。

见图7所示，所述的外壁5的外表面附着有软金属附层10。所述的软金属附层材料是铅、铅合金、铝、铝合金或紫铜等金属。软金属附层可以通过电镀、化学镀等方式加工在外壁5的外表面。设置这一附层的目的是有利于外壁更好地贴合套管内壁，更能适应井下套管内壁可能粗糙的工况，提高密封性能。

图1～图6所示的是外壁扩张的状态，封隔器中的液体产生了汽化。图7和图8所示的状态是外壁是没有扩张的状态，此时封隔器环状容器和储液室内的液体还没有汽化。

做为优选实施例，图7所示的本发明井下金属封隔器的制造方法，其步骤包括：

a.金属外壁5使用折板机制成瓦棱状；

b.外壁5外表面镀软金属；

c.外壁5两端与挡环7、储液室8焊接成一体，再套在中心管4外周上；

d.挡环7或储液室8与中心管4焊接形成封闭容器；

e.在挡环7或储液室8上开设注入工艺孔，向环状容器1中注入液体，然后封闭注入工艺孔。

注入工艺孔的封闭方式需要根据注入液体的不同做适当选择，如液体是水，则可用焊接方法封闭。如注入的液体是乙醇，则可先用带密封螺纹的金属盲堵封闭，再辅以焊接封闭。

本发明的井下金属封隔器的使用方法，是在井下注汽管柱中连接有所述的井下金属封隔器。其步骤包括：

a.井下金属封隔器连接在注汽管柱上并下入井下指定位置；

b.通过注汽管柱注入高温水蒸气；

c.根据井下金属封隔器处的温度，通过计算或查表获得相应温度下的封隔器内液体的饱和蒸气压，确定井下金属封隔器的环状容器1内的压力；

d.以小于环状容器1内压力值的压力给井下金属封隔器施加工作压差。

在油田作业工艺环节中，首先会有作业设计书，在作业设计书中有井下封隔器的安装深度，所述的井下指定位置，就是指作业设计书中的井下封隔器的安装深度。

液体的饱和蒸气压可以通过计算获得，如采用antoine公式，也可以通过查询相关图表获得。公式或图表可从相关文献中查找。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。