一种分级注水泥装置的制作方法

1.本实用新型涉及油气井开发技术领域，尤其涉及一种分级注水泥装置。


背景技术：

2.我国的煤层气资源十分丰富，但是煤层气的开发由于目的层稳定性差，渗透率低等原因，造成我国的煤层气的勘探开发还处于起步阶段。近年来，随着国家对环境保护和节能减排的重视。
3.在油气井开发开发领域中，随着钻完井工艺技术的发展，油气井的开采难度越来越高。在深井、长封固段井、低压易漏井固井完井中，常规固井技术难以满足地质要求和确保固井质量，往往采用分级固井技术，解决一次性施工压力大的问题，该技术的关键在于分级注水泥器。
4.常规的分级注水泥器，本体上设有固井施工所需的循环孔，施工后滑套下行，利用滑套上的密封圈跨在循环环孔两侧，将分级注水泥器关闭，但滑套上的密封圈由于自身耐压、耐温的局限性，存在后期泄露的风险，尤其对于高温高压井，循环孔泄露的风险较高。
5.为解决上述问题，对于复杂井况，人们选择结构更复杂、施工工艺更难的尾管悬挂器及其尾管回接固井技术，该技术采用液压尾管悬挂器下入尾管，进行常规尾管固井作业，尾管悬挂器上端设有回接密封筒，井口下入回接插头至尾管悬挂器上端，进行上部固井施工作业，施工完成后将回接插头插入到回接密封筒内，形成密封。该技术虽然可以解决管柱上的不留孔眼问题，但施工工艺复杂，后期仍需钻除内部的井附件；而且回接插头上的密封圈一旦密封失效，则带来更严重的后果，影响后期开采作业。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种分级注水泥装置，该分级注水泥装置中的压缩式v型组合密封是具有压缩弹性的，在关闭套管内外的循环时可以增强工具的密封性，使工具关闭后形成永久密封，解决常规工具密封失效问题。
7.为实现上述目的，本实用新型提出了一种分级注水泥装置，包括本体、留井部分以及固井附件；所述留井部分包括外壳体组件、第一活塞以及第二活塞组件，所述外壳体组件套设于所述本体的外侧，且所述外壳体组件与所述本体之间形成有行走空间，所述第一活塞与所述第二活塞组件均设置于所述行走空间内，所述本体开设有与所述行走空间相连通的循环孔和传压孔，所述本体的端部具有水泥封固段，所述第二活塞组件与所述水泥封固段分别位于所述第一活塞的两侧；所述第一活塞与所述第二活塞组件能够在所述行走空间内移动，所述第一活塞具有阻断所述循环孔与所述水泥封固段连通的第一状态和使所述循环孔与所述水泥封固段连通的第二状态；所述固井附件固定于所述本体的内侧并将所述循环孔与所述传压孔密封，所述固井附件能够在外力的作用下移动并露出所述循环孔与所述传压孔；所述第二活塞组件包括依次设置于所述行走空间内的第二活塞、压缩式v型组合密封以及限位环，所述第二活塞组件具有使所述循环孔与所述行走空间连通的第三状态和密
封所述循环孔的第四状态；所述固井附件在外力的作用下移动并露出所述传压孔的状态下，压力通过所述传压孔作用到所述第二活塞的内侧面，并推动所述第二活塞、所述压缩式v型组合密封、所述限位环同时运动，直至所述限位环的底端与所述外壳体组件相抵接，此时所述第二活塞将所述循环孔密封；所述限位环的底端与所述外壳体组件相抵接时，所述压缩式v型组合密封能够在第二活塞的作用下被压缩。该分级注水泥装置中的压缩式v型组合密封是具有压缩弹性的，在关闭套管内外的循环时可以增强工具的密封性，使工具关闭后形成永久密封，解决常规工具密封失效问题。
8.在一个示例中，所述压缩式v型组合密封的唇口朝向所述第二活塞。当压缩式v型组合密封的唇口朝向第二活塞时，其通过受力面的改变，使得压缩式v型组合密封具有自封性能，在被压缩后密封性更好，可解决常规工具密封失效问题。
9.在一个示例中，所述外壳体组件包括上接头、外壳体、连接组件、二级密封筒以及紧固环，所述外壳体的顶部内侧通过所述连接组件与所述上接头的底部外侧固定连接，所述上接头的底部内侧与所述本体的顶部外侧螺纹连接；所述外壳体的底部内侧与所述二级密封筒的顶部外侧螺纹连接，所述二级密封筒的顶部内侧通过二级剪钉固定有所述第一活塞，所述二级密封筒的内侧面与所述水泥封固段的外侧抵接，所述外壳体的底部内侧与所述紧固环螺纹连接，所述紧固环的内侧与所述本体的外侧相抵接。第一活塞通过二级剪钉固定在二级密封筒的内侧并位于行走空间内，当在胶塞的作用下固井附件下行并露出循环孔，第一活塞从第一状态(即第一活塞通过二级剪钉固定在二级密封筒的内侧这一状态)运动至第二状态(即在压力的作用下二级剪钉被剪断第一活塞下行至所述循环孔与所述水泥封固段连通的位置)，套管内外得以建立循环。
10.在一个示例中，所述第二活塞的外侧面设置有卡簧，所述外壳体内侧设置有卡簧槽；所述压缩式v型组合密封在压力的作用下被压缩后，所述第二活塞能够运动至所述卡簧卡入所述卡簧槽的位置，此时所述第二活塞被锁定。卡簧与卡簧槽可在第二活塞组件完成关闭动作后进一步对第二活塞组件进行锁定，避免压缩式v型组合密封产生回弹，避免后期压力变化的情况下第二活塞组件发生移动而导致循环孔泄漏等问题的发生。
11.在一个示例中，所述水泥封固段包括环绕凸设于所述本体端部的外侧面的多个环形的台阶结构，多个所述台阶结构间隔设置，且所述台阶结构开设有多个沿所述本体的轴向延伸的过流通道，相邻的两个所述台阶结构开设的所述过流通道交错设置，所述台阶结构的外侧套设有所述外壳体组件。水泥封固段内的多个台阶结构以及台阶结构上开设的过流通道最终形成迷宫式的过流槽，水泥在经过迷宫式的水泥封固段时形成紊流，紊流作用使水泥浆与工具内金属面充分结合、接触，水泥浆凝固后形成迷宫式水泥封固，达到”钢筋混凝土”的强度效果，实现耐高温、高压与永久密封，提升工具强度，同时起到辅助密封的作用。
12.在一个示例中，开设于同一个所述台阶结构的所述过流通道均匀设置，且相邻的两个过流通道之间的夹角为30
°
，相邻的两个所述台阶结构开设的所述过流通道交错设置且交错角度为15
°
。即在一个台阶结构上平均开设12个过流通道，相邻的两个台阶结构开设的过流通道平均交错设置，可取得较好的紊流效果，水泥与工具内金属面的接触较大且结合良好。
13.在一个示例中，所述固井附件包括中心管、关闭塞座、打开塞座以及锁块，所述中
心管开设有与所述循环孔相对的第一通孔和与所述传压孔相对的第二通孔，所述中心管固定于所述本体的内侧面，所述打开塞座通过打开剪钉固定于所述中心管的内侧面并密封所述第一通孔，所述关闭塞座通过关闭剪钉固定于所述中心管的内侧面并密封所述第二通孔；所述打开塞座的顶端与所述关闭塞座的底端相抵接；所述外壳体组件与所述本体的顶端形成有锁块凹槽，所述中心管开设有锁块孔，所述锁块穿过所述锁块孔并嵌入所述锁块凹槽以将所述中心管锁定在所述本体的内侧面，所述关闭塞座的顶端外侧面与所述锁块的外侧面相抵接。第一通孔与循环孔共同形成了循环通道，第二通孔与传压孔共同形成了传压通道，通过投入胶塞、打压的手段可将打开剪钉剪断，打开塞座下行并露出循环通道，第一活塞从第一状态运动至第二状态，套管内外得以建立循环；进行二级固井时，通过投入胶塞、打压的手段可将关闭剪钉剪断，关闭塞座下行并露出传压通道，管内的压力通过传压通道作用到第二活塞组件，第二活塞组件在行走空间内运动，并从第三状态运动至第四状态，套管内外循环被阻断；而通过锁块、关闭塞座、锁块孔与锁块凹槽的相互配合将固井附件锁定在本体的内侧，当打开塞座与关闭塞座在胶塞的作用下下行时，锁块不再受到关闭塞座的限位，中心管得以从本体上脱落下来，并随打开塞座、关闭塞座共同自由落体至井底，因此施工结束后，固井附件可自由下行至井底，无需进行钻塞，降低施工成本，缩短建井周期，避免钻塞风险。
14.在一个示例中，所述连接组件包括调节环、压紧环以及密封环；所述上接头的外侧具有辅助连接台阶，所述压紧环套设于所述上接头且所述压紧环的外侧与所述外壳体的顶部内侧螺纹连接，所述密封环套设于所述上接头且所述密封环的一侧与所述辅助连接台阶抵接，另一侧与所述压紧环抵接，所述调节环套设于所述上接头并与所述上接头螺纹连接，所述调节环的下端与所述压紧环抵接。可通过转动调节环来调节调节环的下端对压紧环的上端的压力，转动调节环使调节环持续对压紧环施加压力，处于压紧环与辅助连接台阶之间的密封环被不断的挤压，从而填充压紧环与辅助连接台阶之间的空间，使得工具的密封性更好。
15.在一个示例中，所述密封环设置为由碳基材料压制而成的不规则锥环，所述不规则锥环通过金属挤紧压缩形成耐高温高压环。密封环所采用的特殊耐高温、高压碳基密封材料，可以使工具关闭后形成永久密封，解决常规工具密封失效问题。
16.在一个示例中，所述关闭塞座的内侧面设置有两个密封圈，两个所述密封圈分别位于所述第二通孔的两侧。第二通孔两侧的密封圈可进一步对传压孔进行密封。
附图说明
17.此处所说明的附图仅仅用来辅助本领域技术人员理解本实用新型的技术方案，本实用新型结合附图说明的示意性实施例仅仅用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
18.图1为本实用新型实施例提供的分级注水泥装置的部分剖视图；
19.图2为图1中水泥封固段a处的放大结构示意图；
20.图3为图2b
‑
b处的剖面图；
21.图4为图2c
‑
c处的剖面图；
22.图5为本实用新型实施例提供的一级胶塞的结构示意图；
23.图6为本实用新型实施例提供的重力打开塞的结构示意图；
24.图7为本实用新型实施例提供的关闭胶塞的结构示意图。
25.附图标记列表：
26.分级注水泥装置1、本体2、第一活塞3、行走空间4、循环孔5、传压孔6、第二活塞7、压缩式v型组合密封8、限位环9、上接头10、外壳体11、二级密封筒12、紧固环13、二级剪钉14、卡簧15、卡簧槽16、台阶结构17、过流通道18、中心管19、关闭塞座20、打开塞座21、锁块22、第一通孔23、第二通孔24、打开剪钉25、关闭剪钉26、锁块凹槽27、锁块孔28、调节环29、压紧环30、密封环31、辅助连接台阶32、密封圈33、一级胶塞34、重力打开塞35、关闭胶塞36、水泥封固段a。
具体实施方式
27.为了更清楚的阐释本实用新型的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
29.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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个方案”、“一些方案”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该方案或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个方案或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的方案或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个方案或示例中以合适的方式结合。
32.如图1至图7所示，本实用新型提出了一种分级注水泥装置1，包括本体2、留井部分以及固井附件；留井部分包括外壳体组件、第一活塞3以及第二活塞组件，外壳体组件套设于本体2的外侧，且外壳体组件与本体2之间形成有行走空间4，第一活塞3与第二活塞组件均设置于行走空间4内，本体2开设有与行走空间4相连通的循环孔5和传压孔6，本体2的端部具有水泥封固段a，第二活塞组件与水泥封固段a分别位于第一活塞3的两侧；第一活塞3
与第二活塞组件能够在行走空间4内移动，第一活塞3具有阻断循环孔5与水泥封固段a连通的第一状态和使循环孔5与水泥封固段a连通的第二状态；固井附件固定于本体2的内侧并将循环孔5与传压孔6密封，固井附件能够在外力的作用下移动并露出循环孔5与传压孔6；第二活塞组件包括依次设置于行走空间4内的第二活塞7、压缩式v型组合密封8以及限位环9，第二活塞组件具有使循环孔5与行走空间4连通的第三状态和密封循环孔5的第四状态；固井附件在外力的作用下移动并露出传压孔6的状态下，压力通过传压孔6作用到第二活塞7的内侧面，并推动第二活塞7、压缩式v型组合密封8、限位环9同时运动，直至限位环9的底端与外壳体组件相抵接，此时第二活塞7将循环孔5密封；限位环9的底端与外壳体组件相抵接时，压缩式v型组合密封8能够在第二活塞7的作用下被压缩。该分级注水泥装置1中的压缩式v型组合密封8是具有压缩弹性的，在关闭套管内外的循环时可以增强工具的密封性，使工具关闭后形成永久密封，解决常规工具密封失效问题。
33.具体地，如图1所示，压缩式v型组合密封8由多个v型密封所组成。
34.在一个具体实施例中，如图1所示，压缩式v型组合密封8的唇口朝向第二活塞7。当压缩式v型组合密封8的唇口朝向第二活塞7时，其通过受力面的改变，使得压缩式v型组合密封8具有自封性能，在被压缩后密封性更好，可解决常规工具密封失效问题。
35.在一个具体实施例中，如图1所示，外壳体组件包括上接头10、外壳体11、连接组件、二级密封筒12以及紧固环13，外壳体11的顶部内侧通过连接组件与上接头10的底部外侧固定连接，上接头10的底部内侧与本体2的顶部外侧螺纹连接；外壳体11的底部内侧与二级密封筒12的顶部外侧螺纹连接，二级密封筒12的顶部内侧通过二级剪钉14固定有第一活塞3，二级密封筒12的内侧面与水泥封固段a的外侧抵接，外壳体11的底部内侧与紧固环13螺纹连接，紧固环13的内侧与本体2的外侧相抵接。第一活塞3通过二级剪钉14固定在二级密封筒12的内侧并位于行走空间4内，当在胶塞的作用下固井附件下行并露出循环孔5，第一活塞3从第一状态(即第一活塞3通过二级剪钉14固定在二级密封筒13的内侧这一状态)运动至第二状态(即在压力的作用下二级剪钉14被剪断第一活塞3下行至循环孔5与水泥封固段a连通的位置)，套管内外得以建立循环。
36.在一个具体实施例中，如图1所示，第二活塞7的外侧面设置有卡簧15，外壳体11内侧设置有卡簧槽16；压缩式v型组合密封8在压力的作用下被压缩后，第二活塞7能够运动至卡簧15卡入卡簧槽16的位置，此时第二活塞7被锁定。卡簧15与卡簧槽16可在第二活塞组件完成关闭动作后进一步对第二活塞组件进行锁定，避免压缩式v型组合密封8产生回弹，避免后期压力变化的情况下第二活塞组件发生移动而导致循环孔5泄漏等问题的发生。
37.在一个具体实施例中，如图1至图4所示，水泥封固段a包括环绕凸设于本体2端部的外侧面的多个环形的台阶结构17，多个台阶结构17间隔设置，且台阶结构17开设有多个沿本体2的轴向延伸的过流通道18，相邻的两个台阶结构17开设的过流通道18交错设置，台阶结构17的外侧套设有外壳体组件。水泥封固段a内的多个台阶结构17以及台阶结构17上开设的过流通道18最终形成迷宫式的过流槽，水泥在经过迷宫式的水泥封固段a时形成紊流，紊流作用使水泥浆与工具内金属面充分结合、接触，水泥浆凝固后形成迷宫式水泥封固，达到”钢筋混凝土”的强度效果，实现耐高温、高压与永久密封，提升工具强度，同时起到辅助密封的作用。
38.在一个具体实施例中，如图1至图4所示，开设于同一个台阶结构17的过流通道18
均匀设置，且相邻的两个过流通道18之间的夹角为30
°
，相邻的两个台阶结构17开设的过流通道18交错设置且交错角度为15
°
。即在一个台阶结构17上平均开设12个过流通道18，相邻的两个台阶结构17开设的过流通道18平均交错设置，可取得较好的紊流效果，水泥与工具内金属面的接触较大且结合良好。
39.在一个具体实施例中，如图1所示，固井附件包括中心管19、关闭塞座20、打开塞座21以及锁块22，中心管19开设有与循环孔5相对的第一通孔23和与传压孔6相对的第二通孔24，中心管19固定于本体2的内侧面，打开塞座21通过打开剪钉25固定于中心管19的内侧面并密封第一通孔23，关闭塞座20通过关闭剪钉26固定于中心管19的内侧面并密封第二通孔24；打开塞座21的顶端与关闭塞座20的底端相抵接；外壳体组件与本体2的顶端形成有锁块凹槽27，中心管19开设有锁块孔28，锁块22穿过锁块孔28并嵌入锁块凹槽27以将中心管19锁定在本体2的内侧面，关闭塞座20的顶端外侧面与锁块22的外侧面相抵接。第一通孔23与循环孔5共同形成了循环通道，第二通孔24与传压孔6共同形成了传压通道，通过投入胶塞、打压的手段可将打开剪钉25剪断，打开塞座21下行并露出循环通道，第一活塞3从第一状态运动至第二状态，套管内外得以建立循环；进行二级固井时，通过投入胶塞、打压的手段可将关闭剪钉26剪断，关闭塞座20下行并露出传压通道，管内的压力通过传压通道作用到第二活塞组件，第二活塞组件在行走空间4内运动，并从第三状态运动至第四状态，套管内外循环被阻断；而通过锁块22、关闭塞座20、锁块孔28与锁块凹槽27的相互配合将固井附件锁定在本体2的内侧，当打开塞座21与关闭塞座20在胶塞的作用下下行时，锁块22不再受到关闭塞座20的限位，中心管19得以从本体2上脱落下来，并随打开塞座21、关闭塞座20共同自由落体至井底，因此施工结束后，固井附件可自由下行至井底，无需进行钻塞，降低施工成本，缩短建井周期，避免钻塞风险。
40.在一个具体实施例中，如图1所示，连接组件包括调节环29、压紧环30以及密封环31；上接头10的外侧具有辅助连接台阶32，压紧环30套设于上接头10且压紧环30的外侧与外壳体11的顶部内侧螺纹连接，密封环31套设于上接头10且密封环31的一侧与辅助连接台阶32抵接，另一侧与压紧环30抵接，调节环29套设于上接头10并与上接头10螺纹连接，调节环29的下端与压紧环30抵接。可通过转动调节环29来调节调节环29的下端对压紧环30的上端的压力，转动调节环29使调节环29持续对压紧环30施加压力，处于压紧环30与辅助连接台阶32之间的密封环31被不断的挤压，从而填充压紧环30与辅助连接台阶32之间的空间，使得工具的密封性更好。
41.在一个具体实施例中，密封环31设置为由碳基材料压制而成的不规则锥环，不规则锥环通过金属挤紧压缩形成耐高温高压环。密封环31所采用的特殊耐高温、高压碳基密封材料，可以使工具关闭后形成永久密封，解决常规工具密封失效问题。
42.在一个具体实施例中，如图1所示，关闭塞座的内侧面设置有两个密封圈33，两个密封圈33分别位于第二通孔24的两侧。第二通孔24两侧的密封圈33可进一步对传压孔6进行密封。
43.具体地，如图1至图7所示，施工过程如下：
44.1)施工前，首先按设计管串将工具接入(管串结构：浮鞋 套管 浮箍 分级注水泥器 套管串至井口)
45.2)进行正常下套管作业。
46.3)套管下入完成后，开泵循环，进行一级固井作业，井口投入一级胶塞34，下行至井底与碰压浮箍碰压，一级固井作业结束。
47.4)投入重力打开塞35，自由下落至打开塞座21内侧，形成密封，井口加压，剪断打开剪钉25，打开塞座21与重力打开塞35同时下行，露出循环孔5，继续加压，剪断二级剪钉14，第一活塞3下行，套管内外建立循环。
48.5)进行二级固井，井口投入关闭胶塞36，继续开泵顶替，将关闭胶塞36泵送至关闭塞座20内，剪断关闭剪钉26，此时关闭塞座20下行露出锁块22与传压孔6；管内压力通过传压孔6作用到第二活塞7上，第二活塞7、压缩式v型组合密封8、限位环9同时下行至二级密封筒12的上端面上。第二活塞7在压力的作用下继续对压缩式v型组合密封8进行施压，直至卡簧15卡在外壳体11内侧的卡簧槽16内，锁紧，完成关闭动作。
49.6)中心管19及内侧的打开塞座21、重力打开塞35、关闭塞座20、关闭胶塞36一起自由落体至井底。
50.7)施工结束。
51.本实用新型具有以下有益效果：
52.1)依靠压缩式v型组合密封8及特殊耐高温、高压碳基密封材料制成的密封环31，可以使工具关闭后形成永久密封，解决常规工具密封失效问题。
53.2)工具内由多个台阶结构17上的过流通道18组成的迷宫式过流槽，使水泥浆通过时形成紊流，充分与工具内金属面接触，水泥浆凝固后提升工具强度。
54.3)施工结束后，内部固井附件可自由下行至井底，无需进行钻塞，降低施工成本，缩短建井周期，避免钻塞风险，且工具的内径与套管的内径完全一致，完全不影响后期的作业管柱及工具的下入。
55.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
56.以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。