一种浮箍浮鞋及其使用方法

技术领域

本发明涉及石油钻井行业中固井工具技术领域，尤其涉及一种浮箍浮鞋及其使用方法。

背景技术

石油钻井行业中,固井是重要的一个环节,固井过程中会用到的工具附件保证固井质量。有时进行固井作业时，现有工具很难满足固井需要，甚至会造成整个工程的失败。为了保证这些复杂井的固井质量和满足固井现场需要，需要相应的固井工具。

浮鞋或浮箍是能产生浮力的套管引鞋或接箍，具有防止水泥浆回流的作用，同时还具有在固井时胶塞碰压、限制人工并底的深度及套管柱下底脚水泥塞的高度的作用，从而保证油层套管底部的封固质量。浮箍和浮鞋有水泥式的和金属的，浮鞋一般在套管的最下端，而浮箍一般在浮鞋上端一点，在双级注水泥的时候也会加个浮箍，基本作用就是用来防止注水泥时水泥浆倒返的。

现有技术中，浮箍浮鞋普遍存在密封效率低、密封效果差以及承压能力差等缺点。此外，由于浮箍浮鞋中缺少消除震颤的减震结构，而固井过程中泥浆等流体引起的震颤较大，震颤会使阀芯的位置发生偏移，导致阀芯与阀座之间的密封性进一步降低，甚至引起水泥浆倒流，造成固井事故。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种浮箍浮鞋，包括壳体，所述壳体的内腔中自下而上设有阀座和阀芯组件，所述阀芯组件包括阀芯和套设于所述阀芯侧壁上方的弹簧，所述弹簧的另一端固定于所述壳体的内腔中，所述阀芯包括阀芯本体，所述阀芯本体轴向设有半封闭的流道，侧壁设有连通所述流道的第一通孔，所述流道远离所述阀座的一端连通所述壳体的内腔。

壳体为浮箍壳体或浮鞋壳体，阀芯本体内部开设流道，可以降低阀芯的整体重量，提高其对压力的敏感性，提高开关效率。初始状态下，弹簧处于伸展状态，阀芯本体抵接阀座，封闭固井泥浆的入口。当泵入泥浆时，泥浆对阀芯本体产生向上的推力，阀芯本体被推离阀座，弹簧被压缩，泥浆可以通过阀芯本体上的第一通孔进入流道中，最终替到套管外的环形空间内进行封固。当泥浆回压时，泥浆对流道的封闭端产生向下的推力，阀芯本体在该推力的作用以及弹簧的回弹力作用下复位，抵接阀座，封闭固井泥浆的入口，阻止泥浆返流。

优选的，所述阀芯本体的侧壁外侧由下到上依次设有导向部和施压部，所述第一通孔设于所述导向部和所述施压部之间，所述导向部和所述施压部的外侧壁抵接所述内腔，并可沿所述内腔轴向滑动，所述施压部上方设有所述弹簧。

优选的，所述导向部呈翼状，圆周等距设于所述阀芯本体外侧，所述导向部的下端面为平面，上端面为沿所述阀芯本体的径向向下倾斜延伸的斜面，上下两个端面沿所述阀芯本体的径向延伸的面积小，轴向延伸的面积大；所述施压部呈环状，将所述壳体的内腔分隔成下半腔和上半腔，所述施压部的上方设有碟簧，所述碟簧上方连接滑动件，所述滑动件的上方连接所述弹簧。

优选的，所述第一通孔在轴向上交错设有两组，每一组都至少包括圆周等距设置的两个第一通孔；所述第一通孔处轴向设有旋转叶片，所述旋转叶片可相对所述第一通孔向内腔翻转，打开或封闭所述第一通孔。

优选的，所述旋转叶片的顶端与所述第一通孔的内侧壁铰接，铰接处设有扭簧，当所述旋转叶片封闭所述第一通孔时，所述扭簧处于自然伸展状态，所述旋转叶片的底端抵接所述第一通孔的下端面，所述第一通孔的上端面设有斜面，下端面设有第一阶台部。

优选的，所述旋转叶片上设有弯折部，所述弯折部可围绕所述第一通孔的斜面弯曲。

优选的，所述壳体的内侧壁由下到上依次设有第一密封圈槽，滑槽和第二阶台部，所述第一密封圈槽设于所述阀座与所述内腔相接处，所述滑槽与所述导向部对应设置，所述第二阶台部下方固定所述弹簧；

所述阀座包括阀座本体，所述阀座本体轴心处设有第二通孔，外侧壁设有第二密封圈槽。

优选的，所述导向部的下端面设有缓冲塞，所述阀座的上端面设有与所述缓冲塞相应的缓冲座。

优选的，所述缓冲塞包括一体成型的连接座、第一曲面侧壁和球头部，所述连接底座连接于所述导向部的下端面，所述球头部的径向最大距离大于所述第一曲面侧壁的径向最小距离；

所述缓冲座包括设于所述阀座上端面的缓冲槽，设于所述缓冲槽内的柔性套和设于所述缓冲槽和所述柔性套侧壁之间的锁紧环；

所述缓冲槽包括主槽，设于所述主槽的嵌入槽以及设于所述主槽侧壁的扩张槽；

所述锁紧环放置于所述扩张槽内，是一个具有开口的弹性金属环，初始状态下，所述锁紧环的内径尺寸小于所述缓冲塞的球头部的最大径向尺寸；

所述柔性套包括中心槽，与所述主槽相应的侧壁，与所述嵌入槽相应的凸缘以及与所述锁紧环的内环面相应的第二曲面侧壁，所述中心槽具有与所述缓冲塞的第一曲面侧壁和球头部相应的曲面形状。

一种浮箍浮鞋的使用方法，包括以下步骤：

步骤S100、将所述浮箍浮鞋安装于套管末端或套管连接扣之间，引导套管柱下入井底；

步骤S200、泵入固井泥浆，泥浆进入阀座下方，通过阀座本体轴心处的第二通孔顶开阀芯本体，导向部沿滑槽上滑，施压部向碟簧施压，碟簧被压缩的同时向滑动件施压，滑动件上滑使弹簧压缩；

步骤S300、泥浆进入阀芯本体、施压部与内腔围合形成的下半腔，对第一通孔上的旋转叶片施加径向向内的力，旋转叶片旋转打开第一通孔，泥浆经第一通孔进入流道后流入上半腔内，泥浆最终替到套管外的环形空间内进行封固；

步骤S400、碰压时，胶塞下行到阻流位置，泥浆回压，一部分回压泥浆对滑动件施加轴向力，滑动件通过碟簧向施压部施加回压力，另一部分回压泥浆进入流道，对旋转叶片施加回压力，旋转叶片在压力及扭簧的共同作用下旋转至第一阶台部，将第一通孔封闭，回压泥浆对阀芯本体施加回压力，阀芯在多重回压力的作用下复位，卡入阀座的第二通孔中，关闭泥浆通路。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

1、阀芯本体的侧壁开设第一通孔，内部开设连通第一通孔的流道，可以降低阀芯的整体重量，提高其对压力的敏感性，提高开关效率；

2、第一通孔处设置旋转叶片，在泥浆正向流动时起到减震的作用，抑制震颤，在泥浆返流时起到阻流的作用，提高阻止泥浆返流的效果；

3、在阀芯本体上设置导向部，可以有效防止阀芯本体发生径向偏移，提高阀芯与阀座的密封性，从而进一步提高阻止泥浆返流的效果；

4、在阀芯本体上设置施压部，施压部将壳体的内腔分隔成下半腔和上半腔，增加泥浆对阀芯的施压面积，从而提高阀芯对泥浆压力的敏感性；

5、施压部和弹簧之间设置碟簧和滑动件，形成二级缓冲结构，进一步降低泥浆流动引起的震颤，提高工艺稳定性；

6、壳体内侧壁上设置滑槽，通过滑槽限制导向部的轴向滑动距离同时降低滑动阻力，提高阀芯的开关效率；

7、导向部和阀座抵接处设置缓冲锁定机构，既可以对阀芯和阀座进行锁定，又可以进一步降低抵接时引起的震颤。

综上所述，本发明提供的浮箍浮鞋，可以提高阀芯的开关效率，同时有效降低泥浆流动时产生的震颤，保证工艺稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中壳体的结构示意图；

图3为图1中阀芯组件的结构示意图；

图4为图3中阀芯的结构示意图；

图5为图1中阀座的结构示意图；

图6为阀芯闭合状态的结构示意图；

图7为阀芯开启状态的结构示意图；

图8为缓冲塞和缓冲座的结构示意图；

图9为图8中A的局部放大图；

图10为图8中锁紧环的结构示意图；

图11为图8中阀芯本体上导向部和缓冲塞的结构示意图；

图12为本发明中旋转叶片的结构示意图；

图13为本发明中旋转叶片的另一结构示意图。

附图标记说明：

1、壳体，2、阀座，3、阀芯组件，4、密封圈，

11、内腔，111、下半腔，112、上半腔，12、第一密封圈槽，13、滑槽，14、第二阶台部，

21、阀座本体，22、第二通孔，23、第二密封圈槽，24、缓冲座，241、缓冲槽，2411、嵌入槽，2412、主槽，2413、扩张槽，242、锁紧环，2421、开口，243、柔性套，2431、凸缘，2432、侧壁，2433、第二曲面侧壁，2434、中心槽，

31、阀芯，311、阀芯本体，312、导向部，313、第一通孔，3131、斜面，3132、第一阶台部，314、施压部，315、流道，316、旋转叶片，317、缓冲塞，3171、连接座，3172、第一曲面侧壁，3173、球头部，32、滑动件，33、碟簧，34，弹簧。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-7所示，本发明提供了一种浮箍浮鞋，包括壳体1，所述壳体1的内腔11中自下而上设有阀座2和阀芯组件3，所述阀芯组件3包括阀芯31和套设于所述阀芯31侧壁上方的弹簧34，所述弹簧34的另一端固定于所述壳体1的内腔11中，所述阀芯31包括阀芯本体311，所述阀芯本体311轴向设有半封闭的流道315，侧壁设有连通所述流道315的第一通孔313，所述流道315远离所述阀座2的一端连通所述壳体1的内腔11。

壳体1可以为如图1所示的浮箍壳体，浮箍壳体具有两个连接端，可以连接于任意两个套管之间。壳体1也可以为浮鞋壳体（图中未示出），浮鞋壳体只有一个连接端，只能连接在套管的最前端。阀芯本体311内部开设流道315，可以降低阀芯31的整体重量，提高其对压力的敏感性，提高开关效率。初始状态下，如图6所示，弹簧34处于伸展状态，阀芯本体311抵接阀座2，封闭固井泥浆的入口。当泵入泥浆时，如图7所示，泥浆对阀芯本体311产生向上的推力，阀芯本体311被推离阀座2，弹簧34被压缩，泥浆可以通过阀芯本体311上的第一通孔313进入流道315中，最终替到套管外的环形空间内进行封固。当泥浆回压时，泥浆对流道315的封闭端产生向下的推力，阀芯本体311在该推力的作用以及弹簧34的回弹力作用下复位，抵接阀座2，封闭固井泥浆的入口，阻止泥浆返流。

在一个具体实施例中，阀芯31还包括如下结构，如图1和图4所示，所述阀芯本体311的侧壁外侧由下到上依次设有导向部312和施压部314，所述第一通孔313设于所述导向部312和所述施压部314之间，所述导向部312和所述施压部314的外侧壁抵接所述内腔11，并可沿所述内腔11轴向滑动，所述施压部314上方设有所述弹簧34。

上述结构中，导向部312起到定位和导向的作用，可以进一步提高阀芯31在泥浆返流时的阻流效果。在泵入泥浆的过程中，由于流体压力和震颤的共同作用，阀芯本体311容易发生径向偏移，当阀芯本体311发生径向偏移时，阀芯31与阀座2的密封性降低，影响阻流效果。

在一个具体实施例中，所述导向部312呈翼状，圆周等距设于所述阀芯本体311外侧，所述施压部314呈环状。翼状是指类似机翼的形状，所述导向部312的下端面为平面，上端面为沿所述阀芯本体311的径向向下倾斜延伸的斜面，上下两个端面沿所述阀芯本体311的径向延伸的面积小，轴向延伸的面积大。径向延伸面积小可以降低导向部312对泥浆流动产生的阻力，轴向延伸面积大可以提高导向的稳定性。施压部314为环状，其内侧壁与阀芯本体311的外侧壁密封连接，优选为一体成型，外侧壁抵接壳体1的内侧壁，并可沿其内侧壁轴向滑动。环状的结构一方面可以起到防止阀芯本体311在压力作用下发生径向偏移的作用，另一方面起到阻流的作用，施压部314将壳体1的内腔分隔成下半腔111和上半腔112，当泥浆正向流动时，一部分泥浆通过阀芯本体311的第一通孔313进入流道315，一部分未进入流道315的泥浆对施压部314产生向上的推力，可以进一步打开阀芯31与阀座2之间的泥浆通路，提高泥浆的过流速度。当泥浆返流时，进入流道315内的泥浆对阀芯本体311产生向下的推力，未进入流道315的泥浆对施压部314产生向下的推力，在两方推力的作用下，阀芯31迅速复位到和阀座2抵接密封的状态，关闭泥浆通路。

在一个具体实施例中，阀芯组件3的具体技术方案如下，如图1和图3所示，所述施压部314的上方设有碟簧33，所述碟簧33上方连接滑动件32，所述滑动件32的上方连接所述弹簧34。

上述技术方案中，在施压部314和弹簧34之间设置了滑动件32和碟簧33，实现了对压力的二次缓冲，进一步降低震颤。滑动件32可以沿阀芯本体311轴向滑动，可以采用与施压部314同样的环状结构，也可以采用其他结构，只要具有能够支撑碟簧33和弹簧34的上下两个表面即可。当泥浆正向流动时，施压部314在压力作用下向上滑动，对碟簧33施压，碟簧33形变抵消部分震颤，同时将压力传递给滑动件32，滑动件32向上滑动，对弹簧34施压，弹簧34发生压缩形变，抵消部分震颤。在碟簧33和弹簧34的双重作用下，泥浆流动引起的震颤可以大幅度降低，保证了工艺的稳定性。

在一个具体实施例中，阀芯31的技术方案如下，如图1和图4所示，所述第一通孔313在轴向上至少设有一组，优选为两组，每一组都至少包括圆周等距设置的两个第一通孔；轴向上的第一通孔313交错设置，可以进一步提高过流效率。

所述第一通孔313处轴向设有旋转叶片316，所述旋转叶片316可相对所述第一通孔313向内腔11翻转，打开或封闭所述第一通孔313。

所述旋转叶片316的顶端与所述第一通孔313的内侧壁铰接，铰接处设有扭簧（图中未示出），当所述旋转叶片316封闭所述第一通孔313时，所述扭簧处于自然伸展状态，所述旋转叶片316的底端抵接所述第一通孔313的下端面，所述第一通孔313的上端面设有斜面3131，下端面设有第一阶台部3132。

在上述技术方案中，旋转叶片316起到阻流和减震的作用，当泵入的泥浆正向压力大于回压的压力时，泥浆从阀芯本体311的外侧向流道315内施压，旋转叶片316在压力所用下向流道内部翻转抵靠在第一通孔313上端面的斜面3131上，旋转叶片316的旋转抵消部分由于泥浆的泵入引起的震颤，扭簧发生形变积聚回弹力，同时也消耗掉部分由于泥浆的泵入引起的震颤，此时泥浆从阀芯本体311的外侧环空处通过第一通孔313进入流道315。当泥浆的回压压力大于正向压力时，泥浆返流，此时泥浆对抵靠在第一通孔313上端面的斜面3131上的旋转叶片316施加向下的力，在该力和扭簧积聚的回弹力的共同作用下，旋转叶片316旋转至初始位置，即抵靠在第一通孔313下端面的第一阶台部3132上，封闭第一通孔313。此时泥浆从流道315的内部对阀芯本体311施加轴向向下的压力，推动阀芯本体311向下移动直至抵靠在阀座2上，封闭泥浆通路从而阻止泥浆返流。

在一个具体实施例中，所述旋转叶片316上设有弯折部3161，所述弯折部3161可围绕所述第一通孔313的斜面3131弯曲。如图12所示，弯折部3161可以为弧形簧片，密封插接在旋转叶片316的中心处，其内凹面面向阀芯本体311的轴心，当旋转叶片316旋转抵靠在第一通孔313的斜面3131上时，在泥浆的压力所用下弯折部3161发生形变，旋转叶片316的自由端（与铰接端相对的一端）紧贴流道315的内侧壁，从而增加泥浆的过流面积，提高固井效率。此外，弯折部3161的形变也可以抵消部分泥浆流动产生的震颤，提高工艺稳定性。如图13所示，弯折部3161也可以为与旋转叶片316一体成型的波纹状，此时弯折部316的材质选用弹性金属，其原理和作用与插接式的弧形簧片相同。本发明中的弯折部3161并不限于上述两种结构，其他可以在压力作用下发生形变使旋转叶片316的自由端抵靠在流道315内侧壁的结构都适用于本发明。

在一个具体实施例中，壳体1和阀座2的具体技术方案如下，如图1和图2所示，所述壳体1的内侧壁由下到上依次设有第一密封圈槽12，滑槽13和第二阶台部14，所述第一密封圈槽12设于所述阀座2与所述内腔11相接处，所述滑槽13与所述导向部312对应设置，所述第二阶台部14下方固定所述弹簧34；

如图5所示，所述阀座2包括阀座本体21，所述阀座本体21轴心处设有第二通孔22，外侧壁设有第二密封圈槽23。

上述技术方案中，壳体1内侧壁上的滑槽13既可以降低导向部312的滑动阻力又可以限制导向部312的轴向滑动距离，进一步提高阀芯31在泥浆返流时的阻流效率。当泥浆正向流动时，若导向部312在压力作用下滑动距离过大，则在泥浆反流时阀芯31需要更长的复位时间，影响阻流的效率，通过设置滑槽13就可以使滑动距离保持在一个合适的范围内，既能满足开启阀芯31的需要，又能快速使其复位。

在一个具体实施例中，导向部312和阀座2的抵接处设有缓冲锁定机构，具体技术方案如下，如图8所示，所述导向部312的下端面设有缓冲塞317，所述阀座21的上端面设有与所述缓冲塞317相应的缓冲座24。

如图9至图11所示，所述缓冲塞317包括一体成型的连接座3171、第一曲面侧壁3172和球头部3173，所述连接底座3171连接于所述导向部312的下端面，所述球头部3173的径向最大距离大于所述第一曲面侧壁3172的径向最小距离；

所述缓冲座24包括设于所述阀座2上端面的缓冲槽241，设于所述缓冲槽241内的柔性套243和设于所述缓冲槽241和所述柔性套243侧壁之间的锁紧环242；

所述缓冲槽241包括主槽2412，设于所述主槽2412的嵌入槽2411以及设于所述主槽2412侧壁的扩张槽2413；

所述锁紧环242放置于所述扩张槽2413内，是一个具有开口2421的弹性金属环，初始状态下，所述锁紧环242的内径尺寸小于缓冲塞317的球头部3173的最大径向尺寸；

所述柔性套243包括中心槽2434，与所述主槽2412相应的侧壁2432，与所述嵌入槽2411相应的凸缘2431以及与所述锁紧环242的内环面相应的第二曲面侧壁2433，所述中心槽2434具有与所述缓冲塞317的第一曲面侧壁3172和球头部3173相应的曲面形状。

上述技术方案中，柔性套243的凸缘2431固定在缓冲槽241的嵌入槽2411内，保证柔性套243牢固的套设在缓冲槽241内，防止其松动掉落，柔性套243优选的采用具有弹性的材料制成，即可以保护缓冲塞317不受磨损，又能够起到减震和密封的作用。锁紧环242初始状态下的内径尺寸小于缓冲塞317的球头部3173的径向最大尺寸，当缓冲塞317插入或脱离柔性套243的中心槽2434时，球头部3173挤压锁紧环242使其在扩张槽2413内径向扩张。初始状态下，缓冲塞317完全贴合在缓冲槽241的中心槽2434内，此时锁紧环242卡在缓冲塞317的第一曲面侧壁3172处，当泥浆正向流动时，阀芯本体311收到向上的推力，缓冲塞317的球头部3173上移推动锁紧环242在扩张槽2413内径向扩张直至缓冲塞317脱离缓冲槽241，锁紧环242恢复初始状态。当泥浆返流时，阀芯本体311收到向下的推力，缓冲塞317在推力作用下重新插入中心槽2434内，恢复锁定状态。在缓冲塞317脱离和进入中心槽2434的过程中，锁紧环242 径向扩张和收缩还可以抵消部分震颤。

本发明还提供了一种浮箍浮鞋的使用方法，包括以下步骤：

步骤S100、将所述浮箍浮鞋安装于套管末端或套管连接扣之间，引导套管柱下入井底；

步骤S200、泵入固井泥浆，泥浆进入阀座2下方，通过阀座本体21轴心处的第二通孔22顶开阀芯本体311，导向部312沿滑槽13上滑，施压部314向碟簧33施压，碟簧33被压缩的同时向滑动件32施压，滑动件32上滑使弹簧34压缩；

步骤S300、泥浆进入阀芯本体311、施压部314与内腔11围合形成的下半腔111，对第一通孔313上的旋转叶片316施加径向向内的力，旋转叶片316旋转打开第一通孔313，泥浆经第一通孔313进入流道315后流入上半腔112内，泥浆最终替到套管外的环形空间内进行封固；

步骤S400、碰压时，胶塞下行到阻流位置，泥浆回压，一部分回压泥浆对滑动件32施加轴向力，滑动件32通过碟簧33向施压部314施加回压力，另一部分回压泥浆进入流道315，对旋转叶片316施加回压力，旋转叶片316在压力及扭簧的共同作用下旋转至第一阶台部2132，将第一通孔313封闭，回压泥浆对阀芯本体311施加回压力，阀芯3在多重回压力的作用下复位，卡入阀座2的第二通孔22中，关闭泥浆通路。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。