专利名称：：可取式压裂桥塞的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于油、气井分层压裂的桥塞。由于油田油层埋藏深，地层渗透率低，水力压裂是一项不可缺少的增产措施。由于井段长，油层多而厚，笼统压裂效果较差，特别重复性压裂效果更差。为了解决这一矛盾，必须采取分层压裂工艺。目前国内各油田使用的分层压裂管柱主要由水力扩张式和水力压缩式封隔器，这两种封隔器座封工艺较简单，可多级进行分层压裂，依次将各层压开。但是当隔层较厚时，配封隔器比较困难。同时这两种分压管柱都必须采用喷砂器才能使封隔器密封，因此带来了一些不可克服的缺点对水基压裂液剪切严重，使压裂液粘度降低由于喷砂作用，易将套管刺薄，甚至刺断;由于喷砂，使砂粒互相撞击，砂粒易碎，易造成砂卡，封隔器不能解封等。如采用填砂的方法进行分层压裂，其压裂前后作业工艺复杂，耗时费工，一旦不慎易出现砂堵，砂卡等事故。目前国外如哈里伯顿、贝克等公司主要采用水力锚与卡瓦式封隔器为上封隔器，丢手装置与桥塞作为下封隔器组成压裂管柱。哈里伯顿3型可取桥塞采取机械方式，座封需右旋管柱，然后施加管柱重量座封，解封时反转管柱后上提即可解封，丢手时也要旋转管柱。其适应方位较广，但对于深井作业不大适用，因其座封、解封和丢手都要旋转管柱，这样不但操作困难，也不容易判断是否座封或解封，有时反复多次还座不住，其锁定机构采用“S”型轨道槽，对工具座封的负荷要求比较严，如达不到预定座封负荷，锁紧机构便不起作用，桥塞也不能座封，对于不同直径套管的井很难掌握。作业时，封隔器要分多次下入井中，其座封、解封都必须采用专用投捞工具。贝克公司虽有一种分压管柱可以一次下入井中，但其座封、解封均采用旋转管柱方式，同样带来不便。以上两种桥塞的卡瓦锚的主要设计参数都未达到优化值，使其承载能力低，在高压压裂过程中易挤毁套管。本发明的目的就是考虑以上压裂桥塞的缺点，提供一种靠液压座封、丢手，解封方便可靠，承受压差大，受力均匀的可取式压裂桥塞。特别是提供新型结构的卡瓦锚和锁紧机构，以及开式N型轨道槽，改善套管受力状态，防止卡瓦的断裂与脱落，提高分层压裂的成功率，减少工人的劳动强度。本发明提供一种新型结构的卡瓦锚，并将其整体组装形式改变为逐片组装形式，以保证卡瓦的主要设计参数同时达到优化设计值，同时为了限定卡瓦锚的位置，在卡瓦托的挡块与限位接头处设计装有一个限位套;还设计了新型的防砂皮碗机构，靠丢手活塞、锁块、上承载体和护套的联动控制防砂皮碗的张开与收回;在解封装置中设计了扇形结构的锁块，增大了受力面，承受载荷大;为防止挤坏套管，在座封活塞上设计了限位环，同时设计了新型的开式N型结构的轨道槽。图1、为可取式压裂桥塞的结构图。图2、为可取式压裂桥塞扇形锁块的组装剖面图。图3、为可取式压裂桥塞的N型轨道槽示意图。本发明可取式压裂桥塞如图1-3所示，由丢手、防砂、解封、密封、卡瓦锚、锁紧、座封机构组装而成。丢手和防砂机构由上接头1和与其连接的投捞筒2、二个轨道销4、开有如图3所示的两个对称的N型滑槽的投捞芯轴3、丢手活塞6、上承载体7和其内的四块锁块8、防砂皮碗9及其下部的支撑环11、护套10、连接护套和丢手活塞的限位销钉12和二个丢手剪钉13组成。解封机构由解封剪钉5、浮动式结构的上中心管14、上部与上承载体连接下部与锁套连接的接头15、中承载体18和其内装配的6-8个扇形锁块17、与接头15连接的锁套16组成。密封部分由外中心管23和套在其外面的3-5个胶筒24、与锁套和外中心管连接的接头22组成。该卡瓦锚由阶梯形楔形体25、六片阶梯形卡瓦26、六个挡块和限位接头30相互啮合并用限位螺钉28固定的卡瓦托27和限位套29组成。锁紧部分由4块锁瓦31、连接套32和其内部的下中心管19组成。其座封机构由与下中心管连接的限位环33、座封活塞35、释放活塞36、下承载体38和其内装的四块锁块37、与下承载体靠锁块连接的锁套34、二个座封剪钉39和下接头40组成。本发明可取式压裂桥塞适用套管内径为118.62-127.3mm，工作压差80MPa，工作温度130℃。本发明可取式压裂桥塞的卡瓦锚由楔形体25、卡瓦26、卡瓦托27、限位螺钉28、限位套29、限位接头30组成，楔形体25和卡瓦26都为阶梯形结构，这样的结构具有限位功能，使卡瓦26和楔形体25之间有固定间隙，保证卡瓦锚动作灵活。为了使卡瓦锚的15项设计参数达到优化值，并将整体卡瓦托改为组合结构，卡瓦托27由六块挡块与环状限位接头30相互齿合，并在齿合处装有内径为102-106mm，外径为110-114mm，高为48-52mm的环形限位套29定位，同时用6个限位螺钉将卡瓦托紧固成一个整体。为了满足大型水力压裂的需要，卡瓦26的主要设计参数同时达到优化值当使用内径为118-127mm的套管时，卡瓦片数为6片，卡瓦楔角为15°，卡瓦牙面长度为118-122mm，卡瓦厚度为20-24mm，卡瓦宽度为28-34mm。这样就增加了卡瓦与套管的接触面积，增加了卡瓦的强度，大大减小了卡瓦与套管壁的接触应力。其主要设计参数的实施例与国内外同类产品比较，详见附表1。(附表1)</tables>本发明的丢手和防砂机构由投捞筒2、投捞芯轴3、轨道销4、丢手活塞6、上承载体7、四个锁块8、防砂皮碗9、护套10、支撑环11、四个限位销钉12和两个丢手剪钉13组成。本发明的防砂皮碗9固定在上承载体7下端，下部由支撑环11支撑，防砂皮碗的防护套10由四个限位销钉12与丢手活塞6连为一体。防砂皮碗与丢手活塞6、锁块8、上承载体7、护套10组成一个联动结构，这一结构控制防砂皮碗的张开与收回。在丢手时，当一定压力作用在丢手活塞6上端，活塞下行，剪断丢手剪钉13，并带动护套10下行到一定位置，锁块8解锁，同时防砂皮碗张开。本发明桥塞的解封机构由两个解封销钉5、上中心管14、接头15、锁套16、4-8个扇形锁块17、中承载体18组成。上中心管14上端与投捞芯轴3以丝扣连接，下部与中承载体18为浮动连接，在正常状态下，不承受任何负荷，只起定位作用。解封剪钉5将投捞芯轴3与上承载体7固定在一起。在中承载体18的圆周上均布4-8个扇形锁块17，如图2所示，锁块17的横截面为扇形结构，最大弧面半径为40-50mm，在弧面上有4-6个锯齿形牙齿，锁块的长度为30-50mm，这样增大了接触面积，改善了受力状态，在承受高压压裂过程中桥塞的全部轴向载荷，不但满足了强度要求，也使机构更合理紧凑。本发明桥塞的座封机构主要由限位环33、锁套34、座封活塞35、释放活塞36、4个锁块37、下承载体38、2个座封剪钉39组成。释放活塞36下端有一环槽，由两个座封剪钉39将锁套34和释放活塞36固定起来，在下承载体38的圆周上装有4个锁块37′，在座封活塞的上端装一限位环33，其内径为102-106mm，外径为110-114mm，高度为48-52mm的金属环，它与下中心管19以螺纹连接，其主要控制座封活塞35，使压裂过程中无论压力如何变化，桥塞的座封负荷始终维持在一定设计值内。本发明的开式N型轨道槽，见图3，其特征是在投捞芯轴3上开出的两个对称N滑槽，其开口43和直槽的宽度为21-25mm，其直槽的长度230-260mm，其斜面44的夹角42-48°，斜面45的夹角为38-45°，斜面47的夹角为75-85°，其上死点46的端面为平面。该轨道槽上死点的端面与轨道销4的平面部相接触，其承载能力大。在座封、丢手、解封时均不要旋转油管。在下井时，轨道销4在轨道槽的42位置;在丢手时，上提管柱，轨道销经直槽滑入出口而脱离;在打捞时，下放油管，轨道销4自动滑入盲槽46，上提油管即可打捞。如果因某种原因需再次脱手，可边右旋转边下放管柱，就可使打捞筒再次脱开。本发明可取式压裂桥塞的主要优点如下1、本发明桥塞通过优选卡瓦锚的主要设计参数，提供了新型的卡瓦锚，解决了卡瓦挤毁套管和卡瓦断裂、脱落的关键问题。卡瓦锚在锚定后，改善套管内的受力状态，达到提高套管抗挤毁的最大安全座封载荷的目的，使压裂施工得以顺利进行，并取得比较理想的经济效益。2、本发明桥塞采用了座封活塞、丢手活塞和开式N型轨道槽的结构，改善了以往旋转管柱的复杂过程，使座封、丢手和打捞方便可靠，一次成功，操作简便，易于掌握。3、本发明桥塞由于采用了防砂机构，砂粒不能进入皮碗以下，防止了砂卡事故的发生。4、本发明的压裂桥塞解决了作业时封隔器要分多次下入的问题，实现了一趟管柱一次下入井中，分步座封，简化了操作程序。本发明的可取式压裂桥塞是这样实施的本发明可取式压裂桥塞在压裂时可以和水力锚、上封隔器等一起组成压裂管柱进行封下压上、封两头压中间或压裂任一层的压裂施工。在桥塞下井过程中，轨道销4在轨道槽的直滑槽42的位置上，锁块8将投捞筒2与上承载体7锁在一起。当桥塞下至设计井深的座封高度，从油管内打压10MPa，压力通过下部通道作用在释放活塞36上端和座封活塞下端，由于下部锁块的作用，座封活塞不能上行，只有释放活塞，在压力的作用下剪断座封剪钉39，释放活塞下行到一定位置，使锁块37解锁。在压力的作用下，座封活塞35开始上行，推动卡瓦托27，使卡瓦26撑开牢牢地锚定在套管上。同时，装在卡瓦托内带锯齿形扣的锁瓦31随上行与中心管上的锯齿形扣齿合，然后下放管柱，靠管柱自重压缩胶筒24封隔油套环形空间，这时，带锯齿形扣锁瓦31继续上行，并将这一状态锁定在相应位置上，保持封隔状态。然后继续打压22MPa，液力通过上通道作用在丢手活塞6上端使之剪断丢手剪钉13，下行到一定位置，锁定投捞筒2的锁块8解锁。在丢手活塞下行过程中，通过限位销钉12带动保护防砂皮碗9的护套10下行，防砂皮碗自动打开，呈伞状贴在套管壁上。同时丢手丢开，在完成上部工具的座封后即可开始压裂施工。在压裂完成后，压力一经释放，解封上部工具，然后边下放油管柱边反冲，直冲至可取式压裂桥塞鱼顶，固定在投捞筒2上的轨道销4自动导入投捞芯轴3上的轨道槽中，并沿43换入盲槽上死点46，再上提管柱，通过投捞筒2上的轨道销4带动投捞芯轴3，剪断解封剪钉5、与投捞芯轴连接的上中心管14也同时上行，上行到一定位置时，解封装置中的锁紧机构自动解锁，上中心管14再通过锁套16等部件带动楔形体上行，卡瓦回收，同时封隔密封件复位，桥塞解封。上提管柱即提出井口。权利要求1.一种用于油，气井分层压裂的可取式压裂桥塞，它是由丢手、防砂、解封、密封、卡瓦锚、锁紧、座封机构组装而成，其特征在于所述的卡瓦锚的卡瓦26和楔形体25都为阶梯形结构，其卡瓦26的厚度、宽度、牙面长度和卡瓦楔角等主要设计参数都达到优化设计值，并在卡瓦托外面装有限位套29，所述的丢手和防砂机构的防砂皮碗9与丢手活塞6、上承载体7、锁块8、护套10组成联动机构，该解封机构中的锁块17为扇形结构，所述的座封活塞35上端装有一限位环33，所述的轨道槽为开式N形结构。2.根据权利要求1所述的压裂桥塞，其特征在于所述的卡瓦锚由楔形体25、卡瓦26、卡瓦托27、限位螺钉28、限位套29、限位接头30组装而成，所说的卡瓦26和楔形体25都为阶梯形结构，卡瓦26的主要设计参数同时达到优化值，当使用内径为118-127mm的套管时，卡瓦片数为6片，卡瓦厚度为20-24mm，卡瓦宽度为28-34mm，卡瓦牙面长度为118-122mm，卡瓦楔角为15°，在卡瓦托27和限位接头30齿合处装有内径为102-106mm，高为48-52mm的环形限位套29。3.根据权利要求1所述的压裂桥塞，其特征在于，所述的丢手和防砂机构中的防砂皮碗9固定在上承载体7下端，下部由支撑环11支撑，防砂皮碗的防护套10由四个限位销钉12与丢手活塞6连为一体，并与丢手活塞6、锁块8、上承载体7、护套10组成一个联动结构。4.根据权利要求1所述的压裂桥塞，其特征在于，所述的解封机构中的锁块17的横截面为扇形结构，最大弧面半径为40-50mm，在弧面上有4-6个锯齿形牙齿，锁块的长度为30-50mm。5.根据权利要求1所述的桥塞，其特征在于，所述的座封活塞35上端装有一限位环33，其是内径为102-106mm，外径为110-114mm，高为48-52mm的金属环，它与下中心管19以螺纹连接。6.根据权利要求1所述的桥塞，其特征在于所述的开式N型滑槽，其开口43和直槽的宽度为21-25mm，其直槽的长度为230-260mm，其斜面44的夹角为42-48°，斜面45的夹角为38-45°，斜面47的夹角为75-85°，其上死点46的端面为平面。全文摘要本发明公开了一种用于油、气井分层压裂的可取式压裂桥塞。本发明适用于套管内径为118.62-127.3mm的井，可对任意一个层段进行分层压裂，可以承受压差80MPa以上，工作温度130℃。本发明由丢手、防砂、解封、密封、卡瓦锚、锁紧、座封机构组装而成，特别是采用了阶梯形的卡瓦，其厚度、宽度、长度和卡瓦楔角等主要设计参数都达到了优化值，同时采用了扇形锁块解封机构，保证了压裂桥塞承载能力大，对套管的损坏最小，不易挤毁套管，同时设计了独特的N型轨道槽，采用液压方式进行座封、丢手，其座封、丢手、打捞、解封动作灵活可靠。文档编号E21B43/26GK1046777SQ8910255公开日1990年11月7日申请日期1989年4月26日优先权日1989年4月26日发明者赵远纲,付建伟,鲁铁岭,李志义,韩进,李志生,刘学荣申请人:中原石油勘探局采油工艺研究所