一种小直径可溶桥塞卡瓦结构的制作方法

本实用新型涉及桥塞用卡瓦领域，具体涉及一种小直径可溶桥塞卡瓦结构。

背景技术：

可溶桥塞是一种新型的页岩气压裂用分层分段改造工具，其利用在相应矿化度液体中能够溶解的新型镁铝合金材料，使得其在完成坐封后能够随着时间的推移而被井液所溶解，减少了后期打捞工序，避免了井液返排管路的堵塞，提高了井液的返排效率。但是，镁铝合金较其他金属材料的硬度较低，对可溶桥塞的承压能力有极大限制，因此，可溶桥塞承压部分的结构，是提升可溶桥塞承压能力的重点。

除此之外，随着目前对页岩气开发的不断深入，页岩气井的水平段不断加长、压裂施工工艺中加沙量不断增加、施工排量与施工压力不断提高，这些因素造成了在分段压裂施工过程中，套管出现变形以及径缩的情况日益增多。一旦出现变形或缩径，目前常规的可溶桥塞因尺寸的限制，无法正常下入，即使下入后，也极易出现遇卡、提前坐封等复杂情况，最终造成施工周期的延误以及包括安全、成本在内的其他风险。因此，现有页岩气开发中，对小直径可溶桥塞的需求逐渐增加。

可溶桥塞卡瓦，能够在下放中心管时与固定于中心管上的锥体之间产生相对滑动，并向外做扩张运动，进而与套管内比之间紧密接触并完成可溶桥塞的锚定工作。因其主体材料也为可溶镁铝合金，故也存在着硬度、轻度不足的问题。同时，目前可溶桥塞卡瓦设计中广泛使用的是硬质合金圆柱齿或陶瓷圆柱齿作为卡瓦齿，使用过程中后两者的边缘棱角处会产生一定的应力集中，又由于卡瓦齿的材质较硬而不易被破坏，故这一集中应力会沿卡瓦齿进一步传导至卡瓦本体，加速对卡瓦本体的破坏。此外，在现有卡瓦齿的设计中，卡瓦齿对卡瓦本体所施加的应力包含剪切应力和挤压应力，使得卡瓦本体的受力情况更为复杂和恶劣，进一步减弱了卡瓦本体的承压能力。综合上述因素，一旦对可溶桥塞的直径进一步去缩小，则会因卡瓦可靠性不佳、破坏而造成可溶桥塞在套管中锚定不稳，最终导致坐封效果不佳或失效。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种小直径可溶桥塞卡瓦结构，目的在于通过卡瓦齿的设计，从而改善卡瓦本体的受力情况，以解决现有可溶桥塞卡瓦本体进行小直径设计过程中所存在的卡瓦本体承压能力不足的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种小直径可溶桥塞卡瓦结构，包括卡瓦本体和设置与卡瓦本体表面且部分嵌入卡瓦本体内的若干个卡瓦齿；所述卡瓦本体包括与相应的锥体相连接且用于卡瓦本体与锥体相互运动时与锥体相结合的斜坡面；每一所述卡瓦齿嵌入卡瓦齿内的底面为平面；每一所述卡瓦齿的嵌入卡瓦本体内的底面与斜坡面之间相互平行。

本技术方案的工作原理和工作过程如下：

需要明确的是，本技术方案中所提供的卡瓦结构，其应用于可溶桥塞卡瓦组件。一般的，可溶桥塞卡瓦组件包括若干个卡瓦绕可溶桥塞中心管周向均匀分布所构成；每一卡瓦通过其上设置的斜坡面和与同时套设且固定与中心管上的锥体的锥面相接触。当进行可溶桥塞的坐封时，锥体随中心管的坐封运动而运动，并使得卡瓦组件与锥体之间形成相向的相对运动。由于锥体的锥面呈一定角度，且卡瓦在锥面上是自锥面外径较小的一端向锥面外径较大的一端运动，因此，每一卡瓦在运动的过程中会受锥体的挤压而向外扩张。又由于卡瓦组中的每一卡瓦均向外扩张，且向外扩张后受锥体的限制能够维持其向外扩张后位置，从而使得卡瓦本体上所设置的卡瓦齿能够与套筒之间紧密结合，进而实现可溶桥塞的坐封功能。

本技术方案中，仅对作出改进的卡瓦部分进行了限定、描述以及解释，而对可溶桥塞的其他一般性部件进行了合理省略，但通过上述补充，已经清楚明确地表明了本技术方案中所提供的改进的卡瓦在可溶桥塞中与其他各部件的位置连接关系以及所起到的实际作用。

现有技术中，并未对卡瓦齿与卡瓦本体之间的包括尺寸、角度在内的结合方式进行描述，而仅是依靠嵌入过盈配合实现卡瓦齿在卡瓦本体表面上的固定即可。本技术方案中所提及的具有分瓣式卡瓦组件的可溶桥塞而言，按照现有市售产品分析，卡瓦齿底面与卡瓦本体上的斜坡面之间通常呈垂直或近垂直关系，这样的可溶桥塞一般承压能力为65MPA左右。相对于一体式的卡瓦组件，其承压能力相对较低。经反复受力分析发现，现有带有分瓣式卡瓦组件的可溶桥塞，其承压强度较低的原因在于，卡瓦齿底面与卡瓦本体斜坡面之间呈垂直或近垂直关系时，卡瓦组件在承压过程中，卡瓦齿向卡瓦本体所施加的应力所受主要为剪切力，且还带有一部分正应力；与此同时，在可溶桥塞下入的过程中，套管内壁所存在的起伏使得卡瓦齿对卡瓦本体所产生的应力，尤其是剪切应力的波动较大。用于卡瓦本体制备的可溶合金材料，其受抗剪切能力较差，这使得在下入以及坐封过程中卡瓦因受卡瓦齿所施加的复杂且变动的剪切应力下，容易在与卡瓦齿之间的接触面上产生应力开裂或者应力细纹。所产生的应力开裂或者应力细纹，进一步降低了卡瓦整体的机械性能。加之井下高温高压的恶劣工况，故现有可溶桥塞的承压能力具有一定的局限性。

相比于现有技术，本技术方案中的卡瓦本体与卡瓦齿，前者内壁上所设置的斜坡面以及卡瓦齿的底面之间相互平行；这一方案下，卡瓦齿与卡瓦本体主要受力接触面与卡瓦本体受力面试一对平行面，因此，卡瓦齿对卡瓦本体施加的应力主要为正应力；但在下入以及坐封的过程中，整个桥塞的受力传递到卡瓦是，由于主受力面的关系，相当于卡瓦本体受到的均为正向的挤压作用，而不是以剪切力为主的剪切和挤压混合作用；而可溶材料的抗压强度是其所有机械性能中最优的，这一受力情况的改变大大增加了卡瓦的承压能力，也直接增加了可溶桥塞的承压能力。这同时也允许了可溶桥塞在保留原有可承压强度的基础上，对齐尺寸做进一步的缩小设计，进而提高了可溶桥塞在现今严苛的页岩气井开采工艺中的应用范围。

进一步的，每一所述卡瓦本体上所设置的卡瓦齿的数量为4个。卡瓦齿的数量过多，会使得卡瓦本体上的用于卡瓦齿固定的空槽过多，造成卡瓦本体上的应力集中点增多，不利于卡瓦本体承压强度的提升；卡瓦齿的数量过少，则由于与套管之间的接触点减少，卡瓦齿对可溶桥塞所能够起到的锚定作用减弱，影响到可溶桥塞的坐封能力。经过反复试验发现，卡瓦齿数量为4个时，能够取得上述中卡瓦本体强度和卡瓦齿所起锚定作用的平衡。

更进一步的，每一所述卡瓦本体上的4个卡瓦齿均匀分布于相应的卡瓦本体的表面上，能够使得通过各卡瓦齿施加在卡瓦本体上更加均衡，从而提高卡瓦本体应力的均匀程度并减少卡瓦本体受应力的复杂程度，从而进一步提高了卡瓦本体的承压能力。

进一步的，所述卡瓦本体上自上表面向内开设有2个卡瓦圈装配槽，以使卡瓦位于卡瓦圈装配槽内的卡瓦圈装配于真空管。通过卡瓦圈装配槽的设计，其能够为允许安装卡瓦圈，进而使得各卡瓦在完成坐封前运动的一致性，进而使得完成坐封后，各卡瓦与套管内壁之间接触更加平衡，从而减少了卡瓦本体所可能出现的受力不均的问题，一方面提高了坐封后可溶桥塞的受力均衡程度，另一方面通过受力均衡程度的提高再进一步提高了可溶桥塞的承压能力。

进一步的，每一所述卡瓦齿与相应的卡瓦本体之间均设置有橡胶层。由于橡胶质地较软，因此能够对作用于其上的作用力有良好的缓冲和分散作用。在卡瓦本体和卡瓦齿之间这只橡胶层，后者能够进一步使得卡瓦齿传递给卡瓦本体的作用力均匀分散。如此，两者之间应可溶桥塞承受外部压力所产生的应力，能够均匀地作用于卡瓦本体上，从而减少了应力集中的现象，降低了卡瓦本体因应力集中而导致结构性损伤的可能性，进一步提升了卡瓦组件的承压能力。此外，由于橡胶所具备的缓冲能力，能够一定程度上对因套管内壁的起伏使得卡瓦齿对卡瓦本体所产生的作用力的波动进行消弭，从而能够降低卡瓦本体因应力起伏所受到的反复冲击，进而提高了卡瓦本体在复杂工况环境下的耐受能力，因此而使得卡瓦组件在承压条件下的可靠性进一步提升，有利于加大小直径可溶桥塞的设计自由度。

更进一步的，所述橡胶层的材质为可溶橡胶，能够减少橡胶残留所带来的井液返排路线的堵塞，从而促进了返排效果，提高了可溶桥塞在工作过程中的可靠性。

更进一步的，所述橡胶层内设有空腔；所述空腔内填充有合金胶粘剂；所述橡胶层与卡瓦本体接触的表面上设置有若干个与空腔连通的微孔。承压状态下，卡瓦齿对橡胶层存在挤压作用；在该挤压作用下，橡胶层内空腔所填充的合金胶粘剂沿微孔挤出而与卡瓦本体接触；一旦出现卡瓦本体因应力作用而在橡胶层相接触出现应力开裂的情况，合金胶粘剂便在高压环境下渗入开裂部位，并在高温环境下快速反应以实现对裂纹进行粘合，从而保证了卡瓦本体结构的完整性，进一步提升了卡瓦组件的承压能力。

综上所述，本实用新型相较于现有技术的有益效果是：

(1)通过改变卡瓦本体的受力情况，能够充分利用卡瓦本体最优的抗压强度来实现承压，从而使得可溶桥塞的承压能力得到提升；

(2)通过卡瓦与卡瓦本体之间的稳定配合以及卡瓦齿与管套之间作用结构的优化，在保证可溶桥塞坐封效果的同时，亦保证了卡瓦本体承压结构的可靠性，进一步优化了可溶桥塞的承压能力；

(3)通过橡胶层对应力的缓冲和分散作用，使得卡瓦本体所受压力的分布更加均匀，从而增大了卡瓦本体的承压面积，提高了卡瓦本体对应力波动的抗性；

(4)通过合金胶黏剂，能够及时有效地修复卡瓦本体因受卡瓦齿作用力而产生的裂纹，保证了卡瓦本体结构的完整性，从而提高了可溶桥塞的承压可靠性；

(5)本技术方案中所提供的卡瓦结构，有利于对可溶桥塞的进一步小直径化设计，降低了开发可溶桥塞的开发难度，节约了研发成本，充分适应和满足了现有页岩气井开发中对可溶桥塞的需求；

(6)通过本技术方案，降低了对可溶材料的力学性能要求，允许采用目前常规的可溶材料或性能较低的可溶材料得到具有较现有技术更优货等同的承压性能的可溶桥塞，使成本得到控制与下降。

附图说明

图1是本实用新型中一种可溶桥塞卡瓦结构的结构示意图

图2是图1中部位A的放大示意图

图3是本实用新型中一种可溶桥塞卡瓦结构的俯视示意图

图中标记为：1-卡瓦本体，2-卡瓦齿，3-卡瓦圈装配槽，4-斜坡面，5-橡胶层，6-空腔，7-微孔。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合图1～3和具体的实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例1

一种小直径可溶桥塞卡瓦结构，包括卡瓦本体1和设置与卡瓦本体1表面且部分嵌入卡瓦本体1内的若干个卡瓦齿2；所述卡瓦本体1包括与相应的锥体相连接且用于卡瓦本体1 与锥体相互运动时与锥体相结合的斜坡面4；每一所述卡瓦齿2嵌入卡瓦齿2内的底面为平面；每一所述卡瓦齿2的嵌入卡瓦本体1内的底面与斜坡面4之间相互平行。

本技术方案的工作原理和工作过程如下：

现有技术中，并未对卡瓦齿2与卡瓦本体1之间的包括尺寸、角度在内的结合方式进行描述，而仅是依靠嵌入过盈配合实现卡瓦齿2在卡瓦本体1表面上的固定即可。本技术方案中所提及的具有分瓣式卡瓦组件的可溶桥塞而言，按照现有市售产品分析，卡瓦齿2底面与卡瓦泵体上的斜坡面4之间通常呈垂直或近垂直关系，这样的可溶桥塞一般承压能力为 65MPA左右。相对于一体式的卡瓦组件，其承压能力相对较低。经反复受力分析发现，现有带有分瓣式卡瓦组件的可溶桥塞，其承压强度较低的原因在于，卡瓦齿2底面与卡瓦本体1 斜坡面4之间呈垂直或近垂直关系时，卡瓦组件在承压过程中，卡瓦齿2向卡瓦本体1所施加的应力所受主要为剪切力，且还带有一部分正应力；与此同时，在可溶桥塞下入的过程中，套管内壁所存在的起伏使得卡瓦齿2对卡瓦本体1所产生的应力，尤其是剪切应力的波动较大。用于卡瓦本体1制备的可溶合金材料，其受抗剪切能力较差，这使得在下入以及坐封过程中卡瓦因受卡瓦齿2所施加的复杂且变动的剪切应力下，容易在与卡瓦齿2之间的接触面上产生应力开裂或者应力细纹。所产生的应力开裂或者应力细纹，进一步降低了卡瓦整体的机械性能。加之井下高温高压的恶劣工况，故现有可溶桥塞的承压能力具有一定的局限性。

相比于现有技术，本技术方案中的卡瓦本体1与卡瓦齿2，前者内壁上所设置的斜坡面 4以及卡瓦齿2的底面之间相互平行；这一方案下，卡瓦齿2与卡瓦本体1主要受力接触面与卡瓦本体1受力面试一对平行面，因此，卡瓦齿2对卡瓦本体1施加的应力主要为正应力；但在下入以及坐封的过程中，整个桥塞的受力传递到卡瓦是，由于主受力面的关系，相当于卡瓦本体1受到的均为正向的挤压作用，而不是以剪切力为主的剪切和挤压混合作用；而可溶材料的抗压强度是其所有机械性能中最优的，这一受力情况的改变大大增加了卡瓦的承压能力，也直接增加了可溶桥塞的承压能力。这同时也允许了可溶桥塞在保留原有可承压强度的基础上，对齐尺寸做进一步的缩小设计，进而提高了可溶桥塞在现今严苛的页岩气井开采工艺中的应用范围。

实际应用中，采用本实施例所提供卡瓦结构的可溶桥塞，较现有技术中可溶桥塞在相同外径尺寸下，承压能力有3～6MPA的提升；同时，在保持承压能力相当的情况下，可溶桥塞的外径可以做到100mm以下，如但不限于98mm。

实施例2

基于实施例1，为了保证可溶桥塞锚定能力以及卡瓦本体承压能力两者同时具有良好的可靠性，进行了如下改进：每一所述卡瓦本体1上所设置的卡瓦齿2的数量为4个。卡瓦齿 2的数量过多，会使得卡瓦本体1上的用于卡瓦齿2固定的空槽过多，造成卡瓦本体1上的应力集中点增多，不利于卡瓦本体1承压强度的提升；卡瓦齿2的数量过少，则由于与套管之间的接触点减少，卡瓦齿2对可溶桥塞所能够起到的锚定作用减弱，影响到可溶桥塞的坐封能力。经过反复试验发现，卡瓦齿2数量为4个时，能够取得上述中卡瓦本体1强度和卡瓦齿2所起锚定作用的平衡。

实施例3

基于实施例2，为了提高卡瓦本体的承压能力，进行了如下改进：每一所述卡瓦本体1 上的4个卡瓦齿2均匀分布于相应的卡瓦本体1的表面上，能够使得通过各卡瓦齿2施加在卡瓦本体1上更加均衡，从而提高卡瓦本体1应力的均匀程度并减少卡瓦本体1受应力的复杂程度，从而进一步提高了卡瓦本体1的承压能力。

实施例4

基于实施例1，为了提高可溶桥塞整体在坐封时的受力均匀程度，以进一步提升可溶桥塞的承压能力，进行了如下改进：所述卡瓦本体1上自上表面向内开设有2个卡瓦圈装配槽 3，以使卡瓦位于卡瓦圈装配槽3内的卡瓦圈装配于真空管。通过卡瓦圈装配槽3的设计，其能够为允许安装卡瓦圈，进而使得各卡瓦在完成坐封前运动的一致性，进而使得完成坐封后，各卡瓦与套管内壁之间接触更加平衡，从而减少了卡瓦本体1所可能出现的受力不均的问题，一方面提高了坐封后可溶桥塞的受力均衡程度，另一方面通过受力均衡程度的提高再进一步提高了可溶桥塞的承压能力。

实施例5

基于实施例1，为了进一步提升卡瓦本体的承压能力，进行了如下改进：每一所述卡瓦齿2与相应的卡瓦本体1之间均设置有橡胶层5。由于橡胶质地较软，因此能够对作用于其上的作用力有良好的缓冲和分散作用。在卡瓦本体1和卡瓦齿2之间这只橡胶层5，后者能够进一步使得卡瓦齿2传递给卡瓦本体1的作用力均匀分散。如此，两者之间应可溶桥塞承受外部压力所产生的应力，能够均匀地作用于卡瓦本体1上，从而减少了应力集中的现象，降低了卡瓦本体1因应力集中而导致结构性损伤的可能性，进一步提升了卡瓦组件的承压能力。此外，由于橡胶所具备的缓冲能力，能够一定程度上对因套管内壁的起伏使得卡瓦齿2 对卡瓦本体1所产生的作用力的波动进行消弭，从而能够降低卡瓦本体1因应力起伏所受到的反复冲击，进而提高了卡瓦本体1在复杂工况环境下的耐受能力，因此而使得卡瓦组件在承压条件下的可靠性进一步提升，有利于加大小直径可溶桥塞的设计自由度。

实施例6

基于实施例5，为了保证采用橡胶层设计后可溶桥塞的可溶性能以促进井液的返排效果，进行了如下改进：所述橡胶层5的材质为可溶橡胶，能够减少橡胶残留所带来的井液返排路线的堵塞，从而促进了返排效果，提高了可溶桥塞在工作过程中的可靠性。其中，可溶橡胶的材质一般但不限于选用PPA橡胶。

实施例7

基于实施例5，为了提高卡瓦本体结构的结构完整性，以进一步提升卡瓦本体的耐压可靠性，进行了如下改进：所述橡胶层5内设有空腔6；所述空腔6内填充有合金胶粘剂；所述橡胶层5与卡瓦本体1接触的表面上设置有若干个与空腔6连通的微孔7。承压状态下，卡瓦齿2对橡胶层5存在挤压作用；在该挤压作用下，橡胶层5内空腔6所填充的合金胶粘剂沿挤出而与卡瓦本体1接触；一旦出现卡瓦本体1因应力作用而在橡胶层5相接触出现应力开裂的情况，合金胶粘剂便在高压环境下渗入开裂部位，并在高温环境下快速反应以实现对裂纹进行粘合，从而保证了卡瓦本体1结构的完整性，进一步提升了卡瓦组件的承压能力。其中，合金胶粘剂，根据可溶桥塞所选用可溶合金的材质不同而变化；对于常用的镁铝合金，合金胶粘剂可以选用但不限于高温固化环氧树脂基胶粘剂；应当注意，所选用的合金胶粘剂，其热固化温度应当与井下坐封位置的工况温度相当，误差不超过±5％。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。