本发明涉及油井封固技术领域，具体涉及用于分级固井的可钻分级箍。
背景技术：
固井过程一般通过将套管下到设计井深，并在套管与井眼环空中注入水泥浆，利用水泥浆的凝固来封固环空以阻止层流体之间相互窜漏，从而保护产层、加固井壁、支撑套管同时防止层流体对套管的腐蚀，并且建立安全钻井通道和油、气生产通道。固井是油气井建井过程的重要环节。
但是，现有固井装置及技术在进行固井操作时经常会发生固井失败的情况。由于可钻分级箍是在井下约1500米的位置进行作业，并且可钻分级箍的作业无法实施逆向操作，这导致一旦出现问题，则整个固井作业即宣告失败，而且当固井失败的情况发生时，操作人员及技术人员无法进行可视化观察来及时确定固井失败的主要原因，从而导致增加了固井作业的作业时间和成本。
发明人通过总结分析现有可钻分级箍在固井过程中出现的问题，发现固井成功与否主要取决于可钻分级箍的水泥浆循环孔是否能够有效启闭。现有的可钻分级箍在固井过程中可能发生如下导致水泥浆循环孔无法有效启闭的情况：(1)在打开水泥浆循环孔过程中，重力塞与开启滑套的下部均是充满不可压缩的液体的封闭空间，封闭该孔的开启滑套需要下行才能露出该水泥浆循环孔，在开启滑套与本体脱离并下行时，该开启滑套的下部封闭空间存在的液体无法排出，开启滑套难以下行，导致滑套的下行距离无法使水泥浆循环孔完全露出而影响水泥浆的灌注；(2)水泥浆灌注完成后需利用关闭滑套来封闭水泥浆循环孔，在关闭滑套受外力下行开始对水泥浆循环孔进行封堵时，分级箍内的水泥浆没有外泄通道，这导致关闭滑套无法下行到位并有效封闭水泥浆循环孔，但井上操作人员很可能根据井上压力显示误以为水泥浆循环孔已完全关闭而撤掉压力并静待水泥凝固。然而，这很可能导致一些严重问题，比如环空中有高1500-2000米左右的水泥浆，分级箍和套管内有高1500-2000米的水，水的密度小于水泥浆的密度，这会在水泥浆循环孔处形成最大约8mpa的压力差，受压力差的作用，水泥浆经过未完全关闭的水泥浆循环孔回返到分级箍内顶开与关闭滑套配合的胶塞回流到套管中，有时甚至回返达数十米，直至套管内外之间的压力平衡为止，这导致了固井失败。
基于此，本发明提出一种结构简单新颖且同时解决上述问题之一的可钻分级箍。
技术实现要素：
因此，本发明的任务是提供一种可钻分级箍，借此克服上述现有技术的缺点。
为了完成上述任务，本发明提供一种可钻分级箍，其包括：本体，所述本体被构造成大致筒状且其侧壁设有循环孔；第一滑套，所述第一滑套内置于所述本体中并封堵所述循环孔，所述第一滑套配置有第一密封塞以将所述第一滑套的上下空间封隔；单向阀销，所述单向阀销连接所述本体和所述第一滑套，所述单向阀销被构造且布置成在受到足以使其断裂的力后规则断裂成两部分，其中一部分容纳在所述第一滑套中并随所述第一滑套在所述本体中移动至打开所述循环孔，另一部分被构造成允许所述本体内的混合液流至环空而阻止环空中的混合液返回所述本体中。
优选地，所述单向阀销的一部分被构造成销轴部，另一部分被构造成单向阀部，所述规则断裂发生在所述销轴部和所述单向阀部的结合处，所述销轴部以渐缩式的锥部结合至所述单向阀部。
优选地，所述锥部的锥面被构造为0.9×30°。
优选地，所述销轴部的断裂面形成为面向所述单向阀部的曲面凸起。
优选地，所述单向阀销具有内腔和导通孔，所述单向阀部包括阀芯、弹性件以及丝堵，所述阀芯容置在内腔中且抵接所述导通孔，所述弹性件套置在所述阀芯上，所述丝堵接合至所述内腔以将所述弹性件和阀芯限制在所述内腔中，所述销轴部的预定断裂面与所述导通孔贯通以使所述单向阀销断开后露出所述导通孔。
优选地，所述第一密封塞包括塞体、塞盖以及内容物，所述塞盖的周面开设斜槽，所述斜槽相对于所述第一密封塞的纵轴线形成10°-30°的倾斜角。
优选地，所述内容物容置在所述塞体的内腔中，所述塞盖接合所述塞体以将内容物封闭在所述塞体内，所述内容物包括依次注入所述塞体的熔铅和铅粒。
优选地，还包括设置在所述本体中的第二滑套，所述第二滑套在其一端由内壁限定出座部，所述座部配置有第二密封塞，所述第二密封塞作用于所述座部，使得所述第二滑套相对于所述本体轴向下行以封堵被所述第一滑套打开的循环孔。
优选地，还包括连接件，所述连接件连接所述本体和所述第二滑套，所述连接件包括固定部和连接部，所述连接件被构造且布置成在受到足以使其断裂的力后，所述连接件在所述固定部与所述连接部的结合处规则断开，所述连接部在断开后容纳在第二滑套中并随所述第二滑套在所述本体中移动至打开封堵的所述循环孔。
优选地，所述本体还包括导向件，所述导向件设置在所述本体的侧壁上，所述第二滑套的外壁设有导向槽，所述导向件由所述导向槽导向并沿着所述导向槽移动，使得所述第二滑套相对所述本体沿轴向下行至所述第二滑套封堵所述循环孔。
本发明的其它特征和优点的一部分将会是本领域技术人员在阅读本申请后显见的，另一部分将在下文的具体实施方式中结合附图描述。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1为本发明可钻分级箍的装配截面图；
图2为本发明可钻分级箍准备打开循环孔的示意图；
图3为本发明可钻分级箍的循环孔打开的示意图；
图4为本发明可钻分级箍的循环孔关闭的示意图；
图5为本发明的可钻分级箍的循环孔打开后灌注水泥浆的示意图；
图6为本发明的可钻分级箍在关闭循环孔后可钻分级箍内部的水泥浆通过单向阀销的示意图；
图7为本发明可钻分级箍的循环孔完全封闭的示意图；
图8为本发明可钻分级箍的单向阀销的分解图；
图9为本发明可钻分级箍的单向阀销的装配图；
图10为本发明可钻分级箍的单向阀销的断裂趋向示意图；
图11为本发明可钻分级箍的单向阀销的主视图；
图12为本发明可钻分级箍的第一密封塞的示意图；
图13为本发明可钻分级箍的第二密封塞的示意图。
具体实施方式
现参考附图来详细说明根据本发明的可钻分级箍的示例性方案。提供附图是为了呈现本发明的多个实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或局剖以更好地示出和解释本发明的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有的附图或示例。
在下文中被用于描述附图的某些方向性术语，例如“内”、“外”、“上”、“下”和其它方向性术语将被理解为具有其正常含义且指正常观看附图时所涉及的那些方向。除非另有指明，否则本说明书所述方向性术语基本按照本领域技术人员所理解的常规方向。
本发明中所使用的术语“第一”、“第一个”、“第二”、“第二个”及其类似术语在本发明中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个零部件与其它零部件区分开。
本发明提供一种可钻分级箍1，参见图1-13，该可钻分级箍1包括本体10、第一滑套11和单向阀销13。其中，本体10大致呈中空筒状，并且其侧壁上设有供后续水泥浆填充作业使用的循环孔100(也可称为水泥浆循环孔100)。本体10的上方通常连接有上接头(未标示)，而其下方则连接有下接头(未标示)。上接头和下接头可分别采用符合国际标准api的5.5吋长圆扣连接螺纹与相应的套管进行连接(当然，本领域技术人员也可以想到其它适用的连接方式，这不脱离本发明的范围)。第一滑套11(该第一滑套11也可称为打开滑套)设置在本体10内部，并且在初始状态下布置成封堵本体10上的循环孔100，第一滑套11在其远离下接头的一侧由其内壁形成渐缩式的第一座部，第一滑套11还配置有第一密封塞14(第一密封塞也可称为重力塞)，第一密封塞14可从井口投入本体10中，第一密封塞14依靠其自身重力下行并可坐于该第一座部，第一座部和第一密封塞14二者的形状和/或尺寸相匹配以便对第一滑套11的内部空间进行密封，即第一密封塞插入第一滑套以将第一滑套的上下空间封隔。
单向阀销13可用于连接本体10和第一滑套11并使二者相对固定。在本发明中，参见图2，单向阀销的个数优选四个。具体地，四个单向阀销均位于水泥浆循环孔的下方，两个单向阀销(可称为第一单向阀销)靠近水泥浆循环孔设置，另两个单向阀销(可称为第二单向阀销)远离水泥浆循环孔设置。单向阀销13被构造且布置成在受到足以使其断裂的力(通常是在井口施加约7mpa的液压力，当然所施加的力的大小可根据实际需求进行调整，在此并非对其进行限定而仅作为示例)后断裂成两部分，其中一部分容纳在第一滑套11中并随着第一滑套11在本体10中下行直至打开循环孔100，而另一部分则被构造成允许本体10内存在的混合液(比如水、钻井液和泥浆等组合)通过循环孔100流至环空2但阻止环空2中的混合液返回本体10。这样，第一滑套11以下的封闭空间内不可压缩的液体经由两个第二单向阀销流至环空2，使得第一滑套11的下行阻力降低，从而确保第一滑套11能够顺利打开循环孔100。
具体地，在一个优选实施例中，单向阀销13的一部分被构造成销轴部131，而另一部分被构造成单向阀部130，单向阀部130和销轴部131之间的规则断裂发生在二者的结合处，销轴部131以渐缩式的锥部结合至单向阀部130。该渐缩式的锥部从销轴部131向单向阀部130渐缩，该锥部的锥角可被构造为30°-60°范围内。此外，单向阀销13的锥部具有例如0.9×30°的锥面，锥面的尖角设计便于形成圆周断裂线，圆周断裂线使得断裂截面具有朝向单向阀部130断裂的趋向，在单向阀销13发生断裂后，销轴部131的断裂面呈现为面向单向阀部130的曲面(优选为弧形)凸起。在第一滑套11与本体10脱离连接(即单向阀销13断裂)时，该凸起的凸点受到本体10上单向阀销13的容置孔的圆周面压迫而使销轴部131被迫进入第一滑套11内并跟随第一滑套11沿着本体10轴向下移。而且由于单向阀销13断裂后在销轴部131面向单向阀部130的一端形成表面较为平滑的凸起，这使得销轴部131不会对第一滑套11相对于本体10的下移产生阻碍而影响循环孔100的打开，这使得可钻分级箍1能够顺利完成循环孔100的打开操作以便于将灌注的水泥浆通过循环孔100导送至环空2，从而保障固井作业顺利进行。另外，在单向阀销13断裂时，第一滑套11和单向阀销13的接触面存在挤压变形，而具有例如0.9×30°的锥面设计可为这种挤压变形预留有效的空间以免产生不期望的变形而影响第一滑套11相对于本体10的下行运动。
单向阀销13具体可构造成具有内腔135和导通孔136的结构，其中，单向阀销13的单向阀部130包括阀芯132、弹性件133和丝堵134。在一个实施例中，阀芯132被构造成具有相接合的锥状头部和柱状体部。阀芯132可容纳在内腔135中并抵接导通孔136，具体地，阀芯132的锥状头部抵接导通孔136，锥状头部的直径大于导通孔136的直径。弹性件133(例如弹簧)可套置在阀芯132上，在本体10内液压大于环空2中液压时，混合液经过单向阀销13，该弹性件133被压迫并储存弹力，当环空2中液压大于本体10内液压时，弹性件133释放弹力并使阀芯132的锥状头部再次抵接导通孔136以避免环空2中的混合液返回本体10中，从而达到本体10内混合液向环空2单向泄压的目的。丝堵134接合于单向阀销13的内腔135并且主要用于将弹性件133和阀芯132限制在内腔135中，该丝堵134构造为中空结构并且具有轴向的阶梯孔以连通内腔135，当然，除了丝堵134之外的其它可实现上述功能的零部件也可用于本申请中。在单向阀销13中，销轴部131的预定断裂面(即沿圆周断裂线断开后形成的面)贯通导通孔136以便在单向阀销13发生断裂后使导通孔136露出以实现与本体10内液体的导通。
在本申请的可钻分级箍1中，第一密封塞14与第一滑套11靠近上接头的一端形成的渐缩式的第一座部相匹配，并且第一密封塞14主要包括塞体140、塞盖142和内容物144。其中，塞体140被构造成具有内腔135的锥状体，塞盖142接合塞体140的口部，在塞体140内容纳有增重塞体140的内容物144。为了加速第一密封塞14的下行并确保第一密封塞14能够与第一滑套11的第一座部紧密接合形成有效密封，塞盖142的周面还开设有斜槽146，斜槽146相对于塞盖142的纵轴线形成有倾斜角。斜槽146的个数优选2-6个且可选地均布在塞盖142上。该斜槽146的倾斜角(相对于第一密封塞14的纵轴线)优选在10°-30°范围内。塞盖上的斜槽有利于使重力塞在自重下落时发生旋转，因为待作业的井是斜的，重力塞如果无法旋转下落则会在沿着套管壁下滑时翻滚碰撞套管壁，从而摩擦损坏重力塞。
具体操作中，在将第一密封塞14从井口投入套管后，第一密封塞14依靠自身重力快速旋转下行而插入第一滑套11中并与其形成密封。此时，为了使第一滑套11下行而打开循环孔100，可在井口施加液压(比如7mpa)力使得连接第一滑套11和本体10的单向阀销组(包括在第一滑套11下行打开循环孔100期间排出混合液的单向阀销13，即两个第一单向阀销，以及在第二滑套12下行关闭循环孔100期间排出多余水泥浆的另外的单向阀销13，即两个第二单向阀销)发生规则断裂。作用于第一密封塞14的作用力在单向阀销组断裂后继续压迫形成的销轴部131，使得该销轴部131被迫退入第一滑套11中而没有嵌入本体10中，这主要是因为单向阀销13规则断裂后形成弧形凸起使得断裂后的销轴部131没有与本体10发生干涉而影响第一滑套11的下行，该销轴部131随着第一滑套11继续沿轴向下移，直至顺利打开循环孔100。
第一密封塞14中的内容物144容置在塞体140的内腔135中，塞盖142接合塞体140将内容物144封装在塞体140中，内容物144包括依次注入塞体140的熔铅和铅粒，熔铅和铅粒的重量比可为2：8，当然，本领域技术人员根据实际需求也可对上述熔铅和铅粒的加入量的比值进行调整，这不脱离本申请的范围。其中熔铅在浇铸后可以与塞体140(可以是铝制件)铸成一体件，这样既可以提高第一密封塞14下端的强度，又能够使塞体140的重心相对恒定而有利于第一密封塞14的旋转。而铅粒的主要作用是调整第一密封塞14的重量，通常可选用直径为3-5毫米的铅粒对第一密封塞14进行配重。
该可钻分级箍1还包括设置在本体10中的第二滑套12(也称为关闭滑套)。该第二滑套12在其一端由内壁限定出第二座部，该第二座部配置有第二密封塞15(第二密封塞也可称为二级胶塞)，第二密封塞15从井口投入后，在其上部施加液压力，其在液压力作用下，挤压套管中的水泥浆下行，水泥浆经循环孔进入环空。在第二密封塞接触第二滑套时，井口继续施加液压力使下文将详细描述的连接第二滑套与本体的连接件(即定位销)断裂，第二滑套12相对于本体10轴向下移以封堵由第一滑套11打开的循环孔100。在第二滑套封堵水泥浆循环孔的过程中，分级箍内的水泥浆经两个第二单向阀销进入环空，使第二滑套顺利下滑就位。第二滑套12主要用于在完成水泥浆灌注作业后关闭循环孔100。
在一个优选实施例中，采用具有以下特征的连接件16对本体10和第二滑套12进行固定连接，该连接件16包括固定部和连接部，二者通过渐缩式锥部结合在一起，该连接件16被构造且布置成在受到足以使连接件16断裂的力后，连接件16能够在固定部和连接部的结合处规则断开，该连接部在断开后可被容纳在第二滑套12中并随着第二滑套12在本体10中下移直至将循环孔100封堵。该渐缩式的锥部在连接件16的径向具有0.5-1mm范围内的深度。该渐缩式的锥部的锥角度数可选在30-60度范围内。该连接件16被构造成应力销，连接部的直径小于固定部，固定部的周面设有螺纹以便于该连接件16接合本体10上的对应螺纹孔，该螺纹孔的尺寸可设置成例如m12×1.25。连接部插入第二滑套12侧面设置的容置孔中从而将第二滑套12和本体10进行相对固定。渐缩式的锥部的设计可确保连接部和固定部之间易于在受力情况下发生规则断裂，规则断裂产生的断裂面不会对第二滑套12的下行造成干扰。该渐缩式的锥部的锥度可优选设计为1：2。这样的锥度可以使连接部和固定部在断裂时具有可预测的断裂趋向，这种断裂趋向可满足第二滑套12相对于本体10的顺利下滑并且不会受到不规则断裂产生的具有尖锥凸起的结构的影响。
在避免连接件16(即应力销)断裂后可能在端部残留的异形凸起(主要为带有尖端的凸起部分)的情况下，本申请的连接件16的结构设计确保了第二滑套12的顺利下行和对循环孔100进行有效的封堵，从而提高固井作业的效率。
在优选的实施例中，如上所述设置在本体10上的第二单向阀销13可促进第二滑套12的顺利下行。具体地，该单向阀销13具有如前所述的单向阀销13的单向阀部130和销轴部131，在第一滑套11打开循环孔100并与本体10脱离连接时，全部的单向阀销13均发生断裂，销轴部131均随第一滑套11下行，单向阀部130则留在本体10中供后续本体10内混合液的排出。该另外的单向阀销13可被构造成使得第二滑套12下行封闭循环孔100时，位于第一滑套11和第二滑套12之间多余的水泥浆(混合液)可通过该单向阀销13排出至环空2中而不允许环空2中的水泥浆回返至本体10中。当水泥浆灌注结束后，第二滑套12下行至遮蔽循环孔100时，在第二滑套12和第一滑套11之间还有例如大约20-30mm的水泥浆没有排出，这部分水泥浆则从该另外的单向阀销13中排出，从而避免了未有效排出的水泥浆影响第二滑套12对循环孔100的有效封闭，以及水泥浆可能发生的回返致使固井失败等不利结果，使得第二滑套12得以顺利下行到位并高效的完成固井作业。
本体10还包括导向件17，该导向件17设置在本体10的侧壁上并且位于连接件16的下方，第二滑套12的外壁设有导向槽120，导向件17由该导向槽120进行导向并沿着该导向槽120移动，使得在导向件17从导向槽120的一端移动至另一端时，第二滑套12能够相对于本体10沿轴向下行直至将循环孔100封闭。具体地，在连接件16断裂后，第二滑套12在导向件17和导向槽120的配合下轴向下移，该导向件17对第二滑套12沿轴向的行程导向和位移限制使第二滑套12能够在既定方向有效下行至预定位置，从而实现第二滑套12密封循环孔100的功能。
在第二滑套12完成对循环孔100的密封后，待水泥浆凝固，操作人员可采用专用钻头对第二密封塞15、第二滑套12、第一密封塞14以及第一滑套11进行钻取，从而完成固井作业。
可参照以下步骤来装配上述可钻分级箍1：首先将第一滑套11和第二滑套12依次装入本体10，并利用沿套管的轴向上下分布的四个单向阀销13固定本体10和第一滑套11，单向阀销13的单向阀部130螺纹接合于本体10上，本体10上的螺纹孔的尺寸例如可设置为m16×1.5，单向阀部130的周面上设置螺纹，此时第一滑套11封堵循环孔100；再利用连接件16将第二滑套12和本体10进行相对固定，连接件16的固定部螺纹接合于本体10，本体10上的螺纹孔尺寸例如可设置为m12×1.25，连接件16的连接部插入第二滑套12的孔内以便使第二滑套12和本体10实现彼此固定。导向件17可对第二滑套12进行有效的轴向导向并防止其相对于本体10的不期望的径向转动；之后将上接头、下接头分别连接至本体10从而完成可钻分级箍1的装配工作。本领域技术人员可根据实际需求调整上述装配顺序或在装配之前对零部件进行需要的表面处理(比如防锈、润滑等)。另外，密封件的布置也可根据需求进行适应性调整。
本发明的可钻分级箍在其结构中采用单向阀销来固定本体和第一滑套，单向阀销的设置能够使第一滑套、第二滑套顺利下行以顺利启闭循环孔，如果没有单向阀销的单向泄压功能，第一滑套以下形成憋压，第一滑套就难以下行，从而难以开启循环孔。同样，没有单向阀销的单向泄压功能，第二滑套也难以下行，从而无法关闭循环孔。在第一滑套打开循环孔和第二滑套关闭循环孔期间，单向阀销允许混合液流至环空而避免混合液或水泥浆由环空回返至本体中以克服可钻分级箍在固井过程中出现的水泥浆循环孔启闭失败的问题，从而提高了固井作业效率。
虽然仅用有限量的实施例详细描述本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于所公开的这些实施例。相反，可通过合并任何数量的此前未描述的变化、改变、替代或等同装置来修改本发明，但这与本发明的精神和范围相当。此外，虽然已经描述了本发明的各个不同实施例，可以理解，本发明的方面可仅包括实施例中的一些。因此，本发明不被视为受前述说明的限制，但仅受所附权利要求的限制。
附图标记列表
1可钻分级箍135内腔
10本体136导通孔
100循环孔14第一密封塞
11第一滑套140塞体
12第二滑套142塞盖
120导向槽144内容物
13单向阀销146斜槽
130单向阀部15第二密封塞
131销轴部16连接件
132阀芯17导向件
133弹性件2环空
134丝堵。