專利名稱：儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種石油開采用井下工具，特別涉及一種井下封隔器，是一種儲(chǔ)層改造用水平井的帶有遇水、遇油自膨脹橡膠筒的封隔器。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)石油天然氣等一次能源的需求不斷增加。全球油氣資源開發(fā)焦點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向低滲透、難動(dòng)用的非常規(guī)油氣藏，包括致密砂巖油氣藏、頁巖油氣藏、煤層氣等。以前被認(rèn)為不具有開采經(jīng)濟(jì)價(jià)值的非常規(guī)資源現(xiàn)在已經(jīng)得到大規(guī)模商業(yè)開發(fā)，滿足了日益增長的能源需求，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，比如北美地區(qū)的頁巖氣開采。這主要得益于技術(shù)的進(jìn)步，尤其是水平井分段儲(chǔ)層改造技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用，大大降低了開發(fā)成本，提高了單井產(chǎn)量，延長了穩(wěn)產(chǎn)期。目前，水平井分段儲(chǔ)層改造技術(shù)配套工具中的耐高壓管外封隔器是重要的工具之一，其耐壓性能、可靠性、工作壽命、成本等指標(biāo)對(duì)儲(chǔ)層改造效果和油氣田采收率有很大影響?，F(xiàn)有的用于儲(chǔ)層改造的壓裂封隔器基本上采用的是機(jī)械式封隔器。中國專利CN2111360 介紹了一種高壓自封壓裂封隔器，該封隔器采用了組合式的封隔件，由壓力平衡閥、水力錨、密封部分、密封總成鎖定裝置四部分形成一個(gè)自封式高壓密封系統(tǒng)，能在50 60MPa的高壓差下正常工作。中國專利CN2038544介紹了一種深井高壓封隔器，其特征是采用擴(kuò)張式膠筒和壓縮式膠筒組合的結(jié)構(gòu)，在一定節(jié)流壓差下，兩種膠筒之間形成液環(huán)，利用液體相對(duì)不可壓縮性原理，實(shí)現(xiàn)可靠座封。該封隔器可用于深井壓裂、酸化等多項(xiàng)工藝施工，并可多級(jí)使用。中國專利CN201460803U，提供了一種遇水、遇油自膨脹封隔器，由接箍、中心管、 限位圈、保護(hù)環(huán)、上密封橡膠、下密封橡膠和限位螺栓組成，上密封橡膠和下密封橡膠硫化在中心管外壁上。按座封方式分類，現(xiàn)有儲(chǔ)層改造封隔器分為機(jī)械座封式和液壓座封式兩類。前者只能用于直井，不能用于水平井、大斜度井。后者的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)施工存在座封失敗的風(fēng)險(xiǎn)，在裸眼環(huán)境中對(duì)井徑尺寸要求高，井徑偏大的位置不能座封，內(nèi)通徑也小，不利于后期井下措施作業(yè)。另外，傳統(tǒng)工具成本過高，如果一口水平井改造段數(shù)過多，所使用的封隔器數(shù)量也很多，則工具的費(fèi)用將大大增加導(dǎo)致開發(fā)沒有任何效益，無法收回非常規(guī)油氣生產(chǎn)井的投資。用于制造自膨脹封隔器的橡膠有很多種(參閱美國專利文件 US7059415 "ffellbore system with annular seal member，，)?？膳蛎浵鹉z是一種置于特定液體里時(shí)就會(huì)膨脹的彈性橡膠材料?？膳蛎洀椥泽w主要有兩種類型在油里膨脹(溶脹) 和在水里膨脹(滲透性膨脹)。無論哪種類型，隨著體積的增大，強(qiáng)度要有所下降。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器，利用遇水、遇油自膨脹材料實(shí)現(xiàn)油井井下封隔，為水平井分段儲(chǔ)層改造技術(shù)提供可靠有效的配套工具?？朔鹘y(tǒng)封隔器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)施工存在座封失敗的風(fēng)險(xiǎn)，在裸眼環(huán)境中對(duì)井徑尺寸要求高， 井徑偏大的位置不能座封，內(nèi)通徑小，不利于后期井下措施作業(yè)的不足。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器，主要由管體、自膨脹橡膠筒、接箍、限位環(huán)、緊固螺栓和中間擋環(huán)組成，管體的兩端有外螺紋，在管體的一端通過螺紋連接有接箍，其特征在于在管體外壁上模壓并硫化有3 8節(jié)自膨脹橡膠筒；在相鄰兩節(jié)自膨脹橡膠筒之間通過緊固螺栓固定有一個(gè)環(huán)形中間擋環(huán)；在兩端自膨脹橡膠筒的外端部通過緊固螺栓分別固定有一個(gè)限位環(huán)。自膨脹橡膠筒由自膨脹橡膠筒本體、自膨脹橡膠筒背壓環(huán)和金屬環(huán)組成；在自膨脹橡膠筒本體的兩端分別有自膨脹橡膠筒背壓環(huán)，在自膨脹橡膠筒背壓環(huán)的外壁表面硫化有金屬環(huán)。遇油膨脹橡膠的膨脹速度與遇水膨脹橡膠的膨脹速度基本相同，但是遇油膨脹橡膠膨脹過程中的強(qiáng)度下降的速度明顯慢于遇水膨脹橡膠。利用該特性，自膨脹橡膠筒背壓環(huán)采用遇油膨脹橡膠材料制造，而自膨脹橡膠筒本體采用在遇油膨脹橡膠中混入遇水膨脹橡膠材料制造，使得自膨脹橡膠筒本體在膨脹時(shí)與自膨脹橡膠筒背壓環(huán)的強(qiáng)度變化有所差異。遇油膨脹橡膠中混入遇水膨脹橡膠方法、模壓并硫化的方法本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知。所述的自膨脹橡膠筒背壓環(huán)為圓筒形，自膨脹橡膠筒背壓環(huán)的兩端是圓錐面，一端的圓錐面與金屬環(huán)硫化緊壓，另一端的圓錐面與自膨脹橡膠筒本體硫化貼緊，自膨脹橡膠筒背壓環(huán)和自膨脹橡膠筒本體一同模壓并硫化在管體上。所述的金屬環(huán)是由大圓環(huán)體、小圓環(huán)體和錐形圓環(huán)體組成的一種薄壁結(jié)構(gòu)，錐形圓環(huán)體連接在大圓環(huán)體和小圓環(huán)體中間；大圓環(huán)體的內(nèi)徑與自膨脹橡膠筒背壓環(huán)外徑相同；小圓環(huán)體的內(nèi)徑與管體的外徑相同；錐形圓環(huán)體的斜度與自膨脹橡膠筒背壓環(huán)外端的斜度相同；在大圓環(huán)體和錐形圓環(huán)體上至少有一個(gè)連續(xù)的軸向開口。當(dāng)自膨脹橡膠筒背壓環(huán)膨脹時(shí)，帶動(dòng)金屬環(huán)同時(shí)向外擴(kuò)張，金屬環(huán)的開口處兩端的距離增大。中間擋環(huán)的兩端有內(nèi)斜錐面，中間擋環(huán)兩端的內(nèi)斜錐面分別與金屬環(huán)之間的距離為0 8mm;限位環(huán)的一端有內(nèi)斜錐面，限位環(huán)的內(nèi)斜錐面與金屬環(huán)之間的距離為0 8mm。儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器的制備過程首先從管體的一端開始模壓、硫化一個(gè)自膨脹橡膠筒。在管體表面均勻涂抹一層粘結(jié)劑，然后將自膨脹橡膠筒本體、自膨脹橡膠筒背壓環(huán)和金屬環(huán)一起模壓、硫化至管體的表面。模壓、硫化的工具和工藝屬于現(xiàn)有技術(shù)，不詳細(xì)敘述。完成一個(gè)自膨脹橡膠筒后，從管體的端部套上一個(gè)中間擋環(huán)并用緊固螺栓固定， 中間擋環(huán)與金屬環(huán)之間的距離為O 8mm ；并且金屬環(huán)的小圓環(huán)體在中間擋環(huán)端部與管體外表面之間形成的環(huán)形空間內(nèi)。然后模壓、硫化下一個(gè)自膨脹橡膠筒。循環(huán)模壓、硫化自膨脹橡膠筒和固定中間擋環(huán)；在完成最后一個(gè)自膨脹橡膠筒后，從管體的兩端分別套一個(gè)限位環(huán)，限位環(huán)與金屬環(huán)之間的距離為O 8mm，并用緊固螺栓將限位環(huán)固定。自膨脹橡膠筒背壓環(huán)的膨脹速度與自膨脹橡膠筒本體的膨脹速度相同，與自膨脹橡膠筒本體不同的是，自膨脹橡膠筒背壓環(huán)的材料在膨脹過程中強(qiáng)度下降很緩慢，當(dāng)自膨脹橡膠筒本體整體膨脹到井壁時(shí)，自膨脹橡膠筒背壓環(huán)依然具有較高的支撐強(qiáng)度。緊貼在自膨脹橡膠筒背壓環(huán)、并且一起硫化的是金屬環(huán)，自膨脹橡膠筒背壓環(huán)膨脹時(shí)將帶動(dòng)金屬環(huán)一起沿徑向向外擴(kuò)張，直至自膨脹橡膠筒貼住井壁。所述的管體包括API油管和API套管。所述的中間擋環(huán)上有一排螺釘孔；所述的限位環(huán)有兩排螺釘孔，兩排螺釘孔的位
置相互交錯(cuò)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井下實(shí)際情況，自膨脹橡膠可選擇遇油或遇水膨脹材料，適應(yīng)性強(qiáng)。不同的儲(chǔ)層具有不同破裂壓力，對(duì)封隔器耐壓指標(biāo)的要求就不同。根據(jù)不同的耐壓指標(biāo)，可選擇不同數(shù)量的膠筒進(jìn)行組合，結(jié)構(gòu)上很靈活。封隔器加工完成后，在橡膠外表面包覆一層耐油和耐水保護(hù)材料，以防止膠筒在運(yùn)輸途中局部與油或水接觸，導(dǎo)致意外膨脹。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器，采用遇油或遇水膨脹橡膠材料開發(fā)的新型耐高壓封隔器，用于各類非常規(guī)、難動(dòng)用油氣資源的水平井分段儲(chǔ)層改造施工，該封隔器具有如下特點(diǎn)(1)新穎的自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7結(jié)構(gòu)通過緊湊的結(jié)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了自膨脹橡膠筒2的有效支撐，保證封隔器在高壓差環(huán)境下可靠的工作，同時(shí)減小了自膨脹橡膠筒2的長度，有利于工具的順利下入；O)串接的耐高壓自膨脹橡膠筒2單元組合可根據(jù)實(shí)際情況，定制自膨脹橡膠筒2的數(shù)量，滿足現(xiàn)場(chǎng)不同的需求； (3)適應(yīng)水平井裸眼環(huán)境可下入不規(guī)則形狀的裸眼井壁，封隔器出現(xiàn)輕微泄漏時(shí)，自膨脹橡膠自動(dòng)膨脹填補(bǔ)膠筒縫隙，重新建立密封；(4)通徑更大與連接的油管或套管等通徑， 儲(chǔ)層改造施工時(shí)有利于投球、連續(xù)管開關(guān)工具的通過，油氣井投產(chǎn)后產(chǎn)量更高，修井時(shí)也更方便，井下作業(yè)工具不會(huì)在封隔器的位置被卡；( 可靠性高機(jī)械部件得到最大簡化，降低了作業(yè)過程中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)；(6)成本低與傳統(tǒng)封隔器相比，工具費(fèi)用低，現(xiàn)場(chǎng)施工不需要特殊的技術(shù)指導(dǎo)，采用該工具的水平井分段儲(chǔ)層改造施工服務(wù)費(fèi)用大大降低，在改造段數(shù)較多的水平井應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)更明顯。因此，將該封隔器應(yīng)用于水平井分段儲(chǔ)層改造技術(shù)，為非常規(guī)油氣資源的開發(fā)提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的完井工具組合，具有很好的應(yīng)用前景。

圖1是儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是自膨脹橡膠筒2膨脹后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是限位環(huán)4與自膨脹橡膠筒2連接關(guān)系的局部放大示意圖。圖4是中間擋環(huán)6與自膨脹橡膠筒2連接關(guān)系的局部放大示意圖。圖5是金屬環(huán)8的軸測(cè)圖。圖6是金屬環(huán)8主視圖。圖7是圖6的左視圖。圖8是限位環(huán)4剖面示意圖。圖9是中間擋環(huán)6剖面示意圖。圖中，1.管體，2.自膨脹橡膠筒，3.接箍，4.限位環(huán)，5.緊固螺栓，6.中間擋環(huán)， 7.自膨脹橡膠筒背壓環(huán)，8.金屬環(huán)，9.自膨脹橡膠筒本體。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 :以一個(gè)儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器為例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參閱圖1。儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器，主要由管體1、自膨脹橡膠筒2、接箍 3、限位環(huán)4、緊固螺栓5和中間擋環(huán)6組成。管體1采用572〃規(guī)格的API油管，管體1的外徑139. 7mm，長度6400mm。管體1的兩端有外螺紋，在管體1的一端通過螺紋連接有接箍 3。自膨脹橡膠筒2是由自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7金屬環(huán)8和自膨脹橡膠筒本體9組成。在管體1外壁上模壓并硫化有三段自膨脹橡膠筒2。參閱圖4。在相鄰兩節(jié)自膨脹橡膠筒2之間通過緊固螺栓5固定有一個(gè)環(huán)形中間擋環(huán)6，中間擋環(huán)6與金屬環(huán)8之間的距離為7mm，中間擋環(huán)6的兩端有內(nèi)斜錐面。參閱圖3。在兩端自膨脹橡膠筒2的外端部通過緊固螺栓5分別固定有一個(gè)限位環(huán)4，限位環(huán)4的一端有內(nèi)斜錐面，限位環(huán)4與金屬環(huán)8 之間的距離為0mm，即限位環(huán)4壓緊金屬環(huán)8。自膨脹橡膠筒2外徑203mm。自膨脹橡膠筒2由自膨脹橡膠筒本體、自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7和金屬環(huán)8組成；自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7采用遇油膨脹橡膠，自膨脹橡膠筒本體 9采用的材料是在遇油膨脹橡膠中混入遇水膨脹橡膠。自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7的兩端是45 度的圓錐面，一端的圓錐面與金屬環(huán)8硫化，另一端的圓錐面與自膨脹橡膠筒本體9硫化， 自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7和自膨脹橡膠筒本體9 一同模壓并硫化在管體1上。參閱圖6。金屬環(huán)8由大圓環(huán)體、小圓環(huán)體和錐形圓環(huán)體組成的薄壁結(jié)構(gòu)，錐形圓環(huán)體連接在大圓環(huán)體和小圓環(huán)體中間。大圓環(huán)體的內(nèi)徑與自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7外徑相同，內(nèi)徑201mm，即壁厚1mm，大圓環(huán)體寬度寬度30mm。小圓環(huán)體的內(nèi)徑與管體1的外徑相同；錐形圓環(huán)體的斜度與自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7外端的斜度相同，壁厚1mm，寬度25mm。參閱圖7。在大圓環(huán)體和錐形圓環(huán)體上對(duì)稱均勻分布有四個(gè)連續(xù)的軸向開口。參閱圖8。限位環(huán)4有兩排螺釘孔，每排有六個(gè)螺釘孔，兩排螺釘孔的位置相互交錯(cuò)；參閱圖9。中間擋環(huán)6上有一排六個(gè)螺釘孔。儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器的制備過程首先從管體1的一端開始模壓、硫化一個(gè)自膨脹橡膠筒2。在管體1表面均勻涂抹一層粘結(jié)劑，然后將自膨脹橡膠筒本體9、 自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7和金屬環(huán)8 一起模壓、硫化至管體1的表面。完成一個(gè)自膨脹橡膠筒2后，從管體1的端部套上一個(gè)中間擋環(huán)6并用緊固螺栓 5固定，中間擋環(huán)6與金屬環(huán)8之間的距離為7mm ；并且金屬環(huán)8的小圓環(huán)體在中間擋環(huán)6 端部與管體1外表面之間形成的環(huán)形空間內(nèi)。然后模壓、硫化下一個(gè)自膨脹橡膠筒2。循環(huán)模壓、硫化自膨脹橡膠筒2和固定中間擋環(huán)6 ；在完成最后一個(gè)自膨脹橡膠筒2后，從管體1的兩端分別套一個(gè)限位環(huán)4，限位環(huán) 4壓緊金屬環(huán)8，并用緊固螺栓5將限位環(huán)4固定。完成一個(gè)儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器。參閱圖1。儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器的原理類似工作在高壓環(huán)境中的液壓密封件。 在高壓環(huán)境>40MPa中，密封圈與擋圈一起工作，擋圈屬于剛性元件，主要作用是支撐屬于彈性元件的密封圈，防止其被擠出密封槽。在儲(chǔ)層改造施工中的封隔器膠筒兩端承受很大的壓差，自膨脹橡膠筒本體9是強(qiáng)度最薄弱的地方，位于限位環(huán)與井壁之間極小的環(huán)形面積。本實(shí)用新型中的金屬環(huán)，可隨自膨脹橡膠筒背壓環(huán)7—起同步沿徑向向外擴(kuò)張膨脹，堵塞、封閉管體1與井壁之間的環(huán)形間隙，有效支撐承受高壓差的自膨脹橡膠筒2。圖2是自膨脹橡膠筒2膨脹后的結(jié)構(gòu)示意圖。
權(quán)利要求1.一種儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器，主要由管體(1)、自膨脹橡膠筒O)、接箍 (3)、限位環(huán)0)、緊固螺栓( 和中間擋環(huán)(6)組成，管體(1)的兩端有外螺紋，在管體(1) 的一端通過螺紋連接有接箍( ，其特征在于在管體(1)外壁上模壓并硫化有3 8節(jié)自膨脹橡膠筒O)；在相鄰兩節(jié)自膨脹橡膠筒( 之間通過緊固螺栓(5)固定有一個(gè)環(huán)形中間擋環(huán)(6)，在兩端自膨脹橡膠筒O)的外端部通過緊固螺栓( 分別固定有一個(gè)限位環(huán) ⑷；自膨脹橡膠筒( 由自膨脹橡膠筒本體⑶)、自膨脹橡膠筒背壓環(huán)(7)和金屬環(huán)(8)組成；在自膨脹橡膠筒本體(9)的兩端分別有自膨脹橡膠筒背壓環(huán)(7)；在自膨脹橡膠筒背壓環(huán)(7)的外壁表面硫化有金屬環(huán)(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器，其特征是所述的自膨脹橡膠筒背壓環(huán)(7)為圓筒形，自膨脹橡膠筒背壓環(huán)(7)的兩端是圓錐面，一端的圓錐面與金屬環(huán)(8)硫化，另一端的圓錐面與自膨脹橡膠筒本體(9)硫化，自膨脹橡膠筒背壓環(huán)(7)和自膨脹橡膠筒本體(9) 一同模壓并硫化在管體(1)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器，其特征是所述的金屬環(huán) (8)是由大圓環(huán)體、小圓環(huán)體和錐形圓環(huán)體組成的一種薄壁結(jié)構(gòu)，錐形圓環(huán)體連接在大圓環(huán)體和小圓環(huán)體中間；大圓環(huán)體的內(nèi)徑與自膨脹橡膠筒背壓環(huán)(7)外徑相同；小圓環(huán)體的內(nèi)徑與管體⑴的外徑相同；錐形圓環(huán)體的斜度與自膨脹橡膠筒背壓環(huán)(7)外端的斜度相同； 在大圓環(huán)體和錐形圓環(huán)體上至少有一個(gè)連續(xù)的軸向開口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器，其特征是中間擋環(huán)(6)的兩端有內(nèi)斜錐面，中間擋環(huán)(6)兩端的內(nèi)斜錐面分別與金屬環(huán)⑶之間的距離為 0 8mm;限位環(huán)(4)的一端有內(nèi)斜錐面，限位環(huán)(4)的內(nèi)斜錐面與金屬環(huán)(8)之間的距離為0 8mm。
專利摘要儲(chǔ)層改造用水平井耐高壓封隔器，應(yīng)用于石油開采用儲(chǔ)層改造用。在管體外壁上模壓并硫化有3～8節(jié)自膨脹橡膠筒；在相鄰兩節(jié)自膨脹橡膠筒之間通過緊固螺栓固定有一個(gè)環(huán)形中間擋環(huán)，在兩端自膨脹橡膠筒的外端部通過緊固螺栓分別固定有一個(gè)限位環(huán)；自膨脹橡膠筒由自膨脹橡膠筒本體、自膨脹橡膠筒背壓環(huán)和金屬環(huán)組成；在自膨脹橡膠筒本體的兩端分別有自膨脹橡膠筒背壓環(huán)；在自膨脹橡膠筒背壓環(huán)的外壁表面硫化有金屬環(huán)。自膨脹橡膠筒有效支撐，保證封隔器在高壓差環(huán)境下可靠的工作，同時(shí)減小了自膨脹橡膠筒的長度，有利于工具的順利下入；通徑更大，油氣井投產(chǎn)后產(chǎn)量更高，修井時(shí)也更方便；可靠性高，降低了作業(yè)過程中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。
文檔編號(hào)E21B33/127GK202000955SQ20102068106
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者張國文, 沈澤俊, 王新忠, 童征, 薛建軍, 郝忠獻(xiàn), 錢杰, 高向前 申請(qǐng)人:中國石油天然氣股份有限公司