一种轻质球座的制作方法

本发明涉及井下工具技术领域，具体涉及一种轻质球座。

背景技术：

在油气井分段压裂改造作业中，通常会用到复合桥塞或铸铁桥塞作为分段的工具，这两种桥塞各有优势。但复合桥塞压裂作业结束之后，必须通过连续油管钻磨掉这些复合桥塞，形成全通径的井眼，由于结构和材料限制，钻磨所需时间较长，钻磨作业难度较大，桥塞长度长，密度大，钻磨所的得到的碎屑返出困难，有堵塞井筒的风险。

运用在分段压裂改造作业中的铸铁球座通常为大通径桥塞，这种桥塞的特点在于内通径大，可以在压裂完成后，直接返排投产。随着油气井生产年限的增加，油气井的油气产量也随之下降，油气井的二次改造成为增加油气井产量的重要方式。然而，此种桥塞无法钻磨，限制了油气井的二次改造。如采用可降解桥塞或球座，虽然能省去磨铣作业，但是溶解条件通常较为严格，且溶解时间较长，影响井筒的通井效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如何提高球座的钻磨效率，同时消除钻磨碎屑堵塞井筒风险。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种轻质球座，用于油气井的分段改造，包括中心管、密封件、卡瓦和下接头，所述中心管呈圆锥台状，所述中心管的外径较大一端设有封堵口，所述中心管的外侧依次套接有所述密封件和所述卡瓦，所述中心管外径较小一端的端部位于所述卡瓦内；所述密封件在轴向上为两段式结构，第一段密封件位于所述中心管的外径较大一端，第二段密封件位于所述中心管的外径较小一端，所述第一段密封件与所述第二段密封件卡接，所述第一段密封件的硬度小于所述第二段密封件的硬度，所述卡瓦的一端与所述密封件的一端抵接，所述卡瓦的另一端与下接头的一端抵接；所述下接头内设有座封工具连接结构；所述中心管、卡瓦和下接头采用轻型镁锂合金材料。

本发明的有益效果：本发明提供的球座包括接头、卡瓦、密封件和中心管；本申请提供的球座为单卡瓦设计，但是能够双向卡定承压，卡瓦齿体积非常小，易于被钻磨打碎；由于结构的精简紧凑设计，其球座总长较小，相较于现有的常规的桥塞缩短了60％，钻磨时间会缩短；材料为轻型镁锂合金，密度小，钻磨后碎屑轻而细小，容易返出，钻磨后消除堵塞井筒风险，且钻磨后可以实现井筒全通径，提高球座的钻磨效率，其当量密度较常规桥塞低约50％，钻屑呈细小片状，返出地面的效率提高至96％以上。进一步，所述中心管的外径较大一端外侧周向上设置有凸台，所述凸台与所述中心管外径较小端的外表面形成过渡斜面；所述球座完成座封后，所述密封件的另一端覆盖所述过渡斜面。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于在中心管的外径较大一端外侧周向上设置有凸台，所述凸台与所述中心管外径较小端的外表面形成过渡斜面，在球座座封的过程中，卡瓦推动密封件，使第一密封件向中心管的外径较大一端移动，当第一密封件到达过渡斜面时，中心管的外径快速变大，第一密封件被快速挤压膨胀，迅速地密封件与井筒内壁接触形成初始密封，在球座完成座封的时候，第一密封件与过渡斜面挤压抵接，第二密封件与卡瓦挤压抵接，被弹性挤压密封件，两端弹性恢复的位置和空间都被限制了，所以密封件不能够弹性恢复，其密封效果可以持续保持，其密封的可靠性不会受到影响。

进一步，所述凸台在所述中心管的轴向上延伸至所述所述中心管的外径较大一端的端部。

采用上述进一步方案的有益效果是：使凸台和中心管的外径较大一端形成整体结构。

进一步，所述卡瓦设有卡瓦座；所述卡瓦座套接在所述中心管的外侧；所述卡瓦座的外表面设置有卡瓦齿；所述卡瓦齿由金属陶瓷材料制成。

采用上述进一步方案的有益效果是：在卡瓦上设置卡瓦齿来实现卡瓦与油气井内壁的锚定，提高了球座密封的可靠性。

进一步，所述卡瓦外侧轴向上设置有多个凹槽结构，所述多个凹槽均布在所述卡瓦外侧的周向上。

采用上述进一步方案的有益效果是：多个均布在卡瓦外侧轴向上的凹槽结构，在座封过程中，卡瓦随着中心管的内径变大进而被挤压膨胀，在凹槽结构处产生较大的应力，在凹槽结构处开裂，使卡瓦与井筒内壁锚定；均布的凹槽结构，使得开裂的卡瓦大小一致，整个球座的卡瓦在周向上的锚定力也是一致的，增大了整个球座的承压能力，提高了球座密封的可靠性。

进一步，所述密封件在所述轴向上的长度和所述卡瓦在所述轴向上的长度比例关系为：2:5至3:5。

采用上述进一步方案的有益效果是：对于设置成单卡瓦结构的球座，由于被挤压的弹性密封件存在弹性恢复的应力，通过设置所述密封件在所述轴向上的长度和所述卡瓦在所述轴向上的长度比例关系为：2:5至3:5，确保球座卡瓦的锚定能力和密封可靠性达到最佳。

进一步，所述密封件和所述卡瓦之间设置有档环，所述档环分别与所述密封件和所述卡瓦抵接，所述档环内径与所述中心管的外径匹配。

采用上述进一步方案的有益效果是：在球座的座封过程中，所述中心管的外径较大一端设有封堵口会进行密封，中心管的外径较大一端就要承受很大的压力，即压力方向为：中心管的外径较大一端超中心管的外径较小一端，密封件的一端要承受很大的压力，通过设置档环，避免密封件的一端因为高压产生变形，提高整个球座的承压能力和密封性能。

进一步，所述档环在所述轴向上为多层结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：在座封过程中，挡环会受到较大的挤压力，如果压力过大，挡环会被压裂，通过设置多层结构，当靠近密封件的外层挡环发生破裂时，中间位置的挡环由于不会破裂，中间挡环还可以起到良好的限位承压作用。

进一步，所述座封工具连接结构为内螺纹结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过螺纹结构是下接头与座封工具连接，在挤压座封过程中，使得座封工具通过下接头对卡瓦的推力非常稳定，挤压效果很好；通过在完成座封的时候，需要将座封工具与下接头分离，由于设置的是螺纹结构，直接将螺纹剪切掉，座封工具就与下接头可靠分离，周向上的剪切力比较均衡，非常容易控制。

进一步，所述密封件的外径大于所述卡瓦的外径。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于所述密封件的外径大于所述卡瓦的外径，在座封过程中，密封件轴线会与井筒内壁接触，通过卡瓦挤压使得密封件与井筒内壁密封，形成与卡瓦同步的锚定与密封。

进一步，所述密封件的外径所述卡瓦的外径的比值位于1.04至1.08之间。

采用上述进一步方案的有益效果是：将密封件的外径卡瓦的外径的比值设定为上述数值，可以确保密封件的密封性能和卡瓦的锚定效果达到最佳。

进一步，所述档环为轻型镁锂合金材料。

采用上述进一步方案的有益效果是：整个球座除密封件外均为轻型镁锂合金材料，密度小，钻磨后碎屑轻而细小，容易返出，钻磨后消除堵塞井筒风险，且钻磨后可以实现井筒全通径，提高球座的钻磨效率。

进一步，所述密封件为橡胶材料制成的胶筒，

进一步，所述密封件为可溶橡胶材料，

采用上述进一步方案的有益效果是：密封件使用延展性好的橡胶材质，更适合进行扩展，能更好的进行密封，而且使用可溶性橡胶材料，钻磨产生的碎屑会自行溶解，不会堵塞井筒。

附图说明

本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例球座的剖视图；

图2是本发明实施例球座外部结构示意图；

图3是本发明实施例下接头剖视图；

图4是本发明实施例下接头外部结构示意图；

图5是本发明实施例卡瓦剖视图；

图6是本发明实施例卡瓦外部结构示意图；

图7是本发明实施例档环剖视图；

图8是本发明实施例档环外部结构示意图；

图9是本发明实施例密封件剖视图；

图10是本发明实施例密封件外部结构示意图；

图11是本发明实施例中心管剖视图；

图12是本发明实施例中心管外部结构示意图；

图13是本发明实施例包括座封工具的剖视图；

图14是本发明实施例在井筒中完成座封剖视图；

图15是本发明凸台另一实施例结构图；

图16是本发明另一实施例在井筒中完成座封剖视图。

其中图1中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

01、下接头，011、座封工具连接结构，02、卡瓦、021、卡瓦齿，022、凹槽结构，03、档环，04、密封件，041、第一段密封件，042、第二段密封件，05、中心管，051、凸台，052、过渡斜面，06、座封工具，07、井筒。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例球座剖视图及外部结构示意图参见图1和图2，本实施例提供一种球座，用于油气井的分段改造，包括下接头01、卡瓦02、密封件04和中心管05，中心管05呈圆锥台状，中心管05的外径较大一端设有封堵口，密封件04和卡瓦02沿中心管05外径缩小的方向依次套接在中心管05的外径较小一端的外侧，密封件04的一端与卡瓦02的一端抵接，中心管05外径较小一端的端部位于卡瓦02内；下接头01的一端与卡瓦02的另一端抵接，下接头01内设有座封工具座封工具连接结构011；密封件在轴向上为两段式结构，位于中心管05的外径较大一端的一段密封件为第一段密封件041，位于中心管05的外径较小一端的一段密封件为第二段密封件042，第一段密封件041的硬度小于第二段密封件042的硬度，第一段密封件041与第二段密封件042相互卡接。中心管05的外径较大一端外侧周向上设置有凸台051，凸台与中心管外径较小端的外表面形成过渡斜面052；密封件04和卡瓦02之间设置有档环03，档环03分别与密封件04和卡瓦02抵接，档环03内径与中心管05的外径匹配。

由于第一段密封件041的硬度较小，且第一段密封件041位于中心管05的外径较大一端，这样密封件比较容易膨胀，很容易形成初始密封；同时，第二段密封件042的硬度较大，减少了胶筒的流动性，提高了密封件的承压效果，确保了密封的可靠性，也不会影响其座封力，可以承受的座封力在15至18吨之间。

同时，在现有的桥塞中，在加压到10mpa时，密封件和井筒内壁之间很容易泄漏，其主要原因是初始密封效果不好，本实施例中，在中心管05的外径较大一端外侧周向上设置有凸台051，凸台051与中心管05外径较小端的外表面形成过渡斜面052，在球座座封的过程中，卡瓦推动密封件，使第一密封件041向中心管05的外径较大一端移动，当第一密封件041到达过渡斜面052时，中心管05的外径快速变大，第一密封件042被快速挤压膨胀，迅速地密封件与井筒内壁接触形成初始密封。在球座完成座封的时候，第一密封件042与过渡斜面052挤压抵接，第二密封件042与卡瓦02挤压抵接，被弹性挤压的密封件，两端弹性恢复的位置和空间都被限制了，所以密封件不能够弹性恢复，其密封效果可以持续保持，其密封的可靠性不会受到影响。

在球座座封过程中，通过座封工具06与下接头01连接，将球座放入井筒中，到达设定位置，座封工具06通过下接头01向上拉，同时也向下推动中心管05，即推动球座的中心管05向下移动，以使中心管05和下接头01形成相对移动。密封件04和档环03会受到挤压并产生弹性形变，并使密封件04与井筒内壁接触并密封，卡瓦02发生破裂并锚定在油气井套管壁内，当座封工具的推力达到一定值后，下接头01的内螺纹破碎，座封工具取出，同时，卡瓦02通过其外表面的卡瓦齿021与油气井筒内壁锚定，座封完成。

本实施例下接头01剖视图及外部结构示意图参见图3和图4，下接头01与卡瓦02焊接处设置有项卡瓦02内腔凸出结构，确保座封过程中卡瓦02受力均匀。同时，下接头01空腔的座封工具连接结构011为内螺纹结构。

通过螺纹结构使下接头01与座封工具连接，在挤压座封过程中，使得座封工具通过下接头01对卡瓦02的推力非常稳定，挤压效果很好；通过在完成座封的时候，座封工具推力达到一定程度时，下接头01的内螺纹破碎，座封工具就与下接头01可靠分离，周向上的剪切力比较均衡，非常容易控制。

本实施例卡瓦02剖视图及外部结构示意图参见图5和图6，卡瓦2的表面设置有卡瓦齿021，本实施例的卡瓦齿由金属陶瓷材料制成。

金属陶瓷材料是由陶瓷和金属结合构成的。金属陶瓷是一种复合材料，其既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。本实施例的卡瓦齿用金属陶瓷制成，能使卡瓦齿与油气井内壁的接触更严密，实现了卡瓦与油气井内壁更好的锚定。

8个均布在卡瓦02外侧轴向上的凹槽结构022，在座封过程中，卡瓦02随着中心管05的内径变大进而被挤压膨胀，在凹槽结构022处产生较大的应力，在凹槽结构022处开裂，使卡瓦02上的卡瓦齿021与井筒内壁锚定；均布的凹槽结构022，使得开裂的卡瓦02大小一致，整个球座的卡瓦02在周向上的锚定力也是一致的，增大了整个球座的承压能力，提高了球座密封的可靠性。本实施例中凹槽结构022的深度为4mm，凹槽结构022的宽度为4mm，确保卡瓦02比较容易破裂。

在具体产品应用中，可以根据产品的使用环境和条件，设置为4个、6个、12个等凹槽结构022；其凹槽的宽度和深度也可以设置为其他值，比如5mm或6mm等。

本实施例档环03剖视图及外部结构示意图参见图7和图8，档环03结构为4层档环03，档环03的厚薄交替设置。在球座的座封过程中，中心管05的外径较大一端设有封堵口会进行密封，中心管05的外径较大一端就要承受很大的压力，即压力方向为：中心管05的外径较大一端超中心管05的外径较小一端，密封件04的一端要承受很大的压力，通过设置档环03，避免密封件04的一端因为高压产生变形，提高整个球座的承压能力和密封性能。通过设置4层结构，当靠近密封件04的外层挡环发生破裂时，中间位置的挡环由于不会破裂，中间挡环还可以起到良好的限位承压作用。

本实施例密封件04剖视图及外部结构示意图参见图9和图10，密封件04在轴向上为两段式结构，位于中心管05的外径较大一端的一段密封件04为第一段密封件041，位于中心管05的外径较小一端的一段密封件04为第二段密封件042，第一段密封件041的硬度小于第二段密封件042的硬度，第一段密封件041与第二段密封件042相互卡接。

本实施例中心管05剖视图及外部结构示意图参见图11和图12，中心管05的外径较大呈圆柱结构，圆柱结构的一端与中心管05的外径较小一端形成的凸台051，凸台051在中心管05的轴向上延伸至中心管05的外径较大一端的端部，和中心管05的外径较大一端形成整体结构；凸台051与中心管05外径较小端的外表面形成过渡斜面052，球座完成座封后，密封件04的另一端被挤压覆盖于过渡斜面上，并位于圆柱结构的外圆柱面上。由于第一段密封件041的硬度较小，这样密封件比较容易膨胀，很容易形成初始密封；同时，第二段密封件042的硬度较大，减少了胶筒的流动性，提高了密封件的承压效果，确保了密封的可靠性。

由于在中心管05的外径较大一端外侧周向上设置有凸台051，凸台051与中心管05外径较小端的外表面形成过渡斜面052，在球座座封的过程中，卡瓦推动密封件，使第一密封件041向中心管05的外径较大一端移动，当第一密封件041到达过渡斜面052时，中心管05的外径快速变大，第一密封件042被快速挤压膨胀，迅速地密封件与井筒内壁接触形成初始密封。本实施例中的凸台051整体高度为5mm，中心管05的锥度为15度，中心管05的外径与卡瓦02的内径匹配。

在具体应用中，凸台051的高度可以设置在2mm至6mm之间的任意值。也可以设置为间断式的环状结构。中心管05的锥度可以在10度至18度之间任意选择。

在本实施例中，密封件04在轴向上的长度和卡瓦02在轴向上的长度比例关系为：1:2。对于设置成单卡瓦02结构的球座，由于被挤压的弹性密封件04存在弹性恢复的应力，通过设置密封件04在轴向上的长度和卡瓦02在轴向上的长度比例关系为：1:2，确保球座卡瓦02的锚定能力和密封可靠性达到最佳。

在具体应用中，可以适当选择密封件04和卡瓦02的长度比例关系，以达到最佳配合。

在本实施例中，密封件04的外径大于卡瓦02的外径，其中，密封件04的外径卡瓦02的外径的比值为1.05之间。在座封过程中，密封件04轴线会与井筒07内壁接触，通过卡瓦02挤压使得密封件04与井筒07内壁密封，形成与卡瓦02同步的锚定与密封。

在本实施例中，卡瓦02、下接头01、中心管05和档环03选用的是轻型镁锂合金材料。

轻型镁锂合金是目前结构金属材料中密度最低者，在镁金属中添加锂元素，一般含锂14％-16％，其比重介于1.4-1.6，较一般镁合金的1.8更低，比塑料密度略高，强度220-340mpa，弹性模量40gpa，阻尼大，是铝合金的十几倍，也就是能吸收冲击能量，减震降噪效果好，在屏蔽电磁干扰方面，轻型镁锂合金也有突出表现。轻型镁锂合金较普通的镁合金而言，具有更高的变形加工能力。本实施例的卡瓦02、下接头01、中心管05和挡环03选用镁锂合金，密度小，钻磨后碎屑轻而细小，容易返出，钻磨后可以实现井筒全通经，提高球座的钻磨效率。

在本实施例中，密封件04为可溶橡胶材料，

密封件使用延展性好的橡胶材质，更适合进行扩展，能更好的进行密封，而且使用可溶性橡胶材料，钻磨产生的碎屑会自行溶解，不会堵塞井筒。

本实施例包括座封工具06的剖视图参见图13，座封工具06通过螺纹与下接头01连接，方便产品的使用与转运；同时，通过螺纹剪切实现了下接头01的均匀受力，和均匀推进。

本实施例在井筒07中完成座封剖视图参见图14，在球座座封过程中，通过座封工具06与下接头01连接，将球座放入井筒07中，到达设定位置，座封工具06通过下接头01向上拉，同时也向下推动中心管05，即推动球座的中心管05向下移动，以使中心管05和下接头01形成相对移动。密封件04和档环03会受到挤压并产生弹性形变，密封件中的第一段密封件041被挤压覆盖于过渡斜面上，位于圆柱结构的外圆柱面上，并使密封件04中的第一段密封件041和第二段密封件042与井筒07内壁接触并密封，卡瓦02发生破裂并锚定在油气井套管壁内，当座封工具06的推力达到一定值后，座封工具06与下接头01脱落，座封工具06取出，同时，卡瓦02与油气井筒07内壁锚定，座封完成。

另一实施例中心管05剖视图及外部结构示意图参见图15，中心管05外侧的凸台051，凸台051与中心管05外径较小端的外表面形成过渡斜面052，球座完成座封后，第一密封件041的一端被挤压大过渡斜面上，并覆盖过渡斜面051。

另一实施例在井筒中完成座封剖视图参见图16，在球座座封过程中，通过座封工具06与下接头01连接，将球座放入井筒07中，到达设定位置，座封工具06通过下接头01向上拉，同时也向下推动中心管05，即推动球座的中心管05向下移动，以使中心管05和下接头01形成相对移动。密封件04和档环03会受到挤压并产生弹性形变，密封件04中的第一段密封件041，被挤压大过渡斜面052上，并覆盖过渡斜面052；使密封件04与井筒07内壁接触并密封，卡瓦02发生破裂并锚定在油气井套管壁内，当座封工具06的推力达到一定值后，座封工具06与下接头01脱落，座封工具06取出，同时，卡瓦02通过其外表面的卡瓦齿021与油气井筒07内壁锚定，座封完成。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。