一种树脂固井堵漏装置及施工方法

技术领域

本发明涉及固井技术领域，具体涉及一种树脂固井堵漏装置及施工方法。

背景技术

在大位移水平井的固井施工过程中，将套管串在水平段顺利下入存在较大困难，而采用套管漂浮技术是较为有效的技术手段；该技术的核心是采用套管漂浮接箍将水平段套管内掏空或注入低密度液体，然后利用井眼内液体浮力作用降低套管下入摩阻；目前的套管漂浮接箍主要有滑套型和盲板型两种类型。

其中滑套型浮箍需由固井胶塞将其内部结构推至井底；另外，由于其内部结构与套管内壁之间的间隙较小，一旦因套管变形或其它原因导致阻卡，将会造成严重的固井质量事故。而盲板型漂浮接箍，该类型的漂浮接箍内部主要结构是由脆性材料制成的盲板，其主要不足在于，考虑不同深度的井体在不同密度的钻井液和液流环境中破通压力很难准确的控制；当破通压力过低时会导致套管漂浮下套管作业失败，而破通压力过高时则会影响固井施工作业的顺利进行，不利于安全施工。

与此同时，现有的浮箍在套管内的破通作业中大多是一次性的，如果破通后的压力不满足，则很难进行补救或者重新进行破通前的压力状态的构建。

发明内容

本发明的目的在于提供一种树脂固井堵漏装置及施工方法，以解决现有技术中浮箍结构复杂以及浮箍破通压力无法准确控制和调节造成固井作业中的破通压力过大或者过小的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种树脂固井堵漏装置，包括柱状管体，所述柱状管体的内部设置承压结构，与所述承压结构的周向表面对应的所述柱状管体的内壁上设置有嵌入环槽，所述嵌入环槽的侧壁表面设置有摩擦密封机构，所述摩擦密封机构与所述承压结构的周向表面接触，提供所述承压结构朝向所述柱状管体轴向的支撑力；

其中，所述摩擦密封机构允许所述承压结构在所述承压结构两端的压力差发生变化时发生轴向位移并且在所述承压结构的位移过程中对所述承压结构的周向进行持续密封。

作为本发明的一种优选方案，所述摩擦密封机构包括设置在所述嵌入环槽的内壁上的密封圈组；

其中，所述承压结构的轴向高度小于所述嵌入环槽的轴向高度，所述承压结构的周向设置有与所述密封圈组相配合的密封环槽，且所述密封环槽的数量小于所述密封圈组的密封圈数量。

作为本发明的一种优选方案，所述嵌入环槽的底部的所述柱状管体内壁上设置有限位机构，所述限位机构用于在所述承压结构移动至所述限位机构时对所述承压结构进行锁止，且在所述承压结构继续沿所述柱状管体的轴向位移时对所述承压结构施加沿所述承压结构径向的作用力。

作为本发明的一种优选方案，所述承压结构包括由多个弧形板体单元组成的分割环体，所述分割环体的中间设置有瓣导向柱，所述瓣导向柱的顶部设置有导向锥面体，所述导向锥面体的底部与所述分割环体的上表面贴合；

其中，所述弧形板体单元的高度大于宽度且相邻两个所述弧形板体单元的侧表面紧密贴合。

作为本发明的一种优选方案，多个所述弧形板体单元包括交替设置的第一弧形板体和第二弧形板体，所述第一弧形板体的底部设置有与所述第一弧形板体一体成型的弧形凸边，所述弧形凸边从所述柱状管体的内壁向所述柱状管体的轴心位置的高度逐渐减小；

在所述承压结构持续沿所述柱状管体的轴向位移时，所述限位机构对所述承压结构施加沿所述承压结构径向的作用力使所述第一弧形板体和所述第二弧形板体接触的表面之间脱离。

作为本发明的一种优选方案，所述限位机构包括等间距环形阵列在位于所述嵌入环槽下部的所述柱状管体的内壁上的多个楔形凸起，所述楔形凸起沿所述柱状管体轴向设置，且所述楔形凸起在所述柱状管体径向上的高度逐渐增大；

其中，所述楔形凸起的顶部与所述弧形凸边靠近所述柱状管体的底部在同一竖直线上；

在所述承压结构持续沿所述柱状管体的轴向位移时，所述楔形凸起用于对所述弧形凸边和第一弧形板体的变形方向进行导向。

作为本发明的一种优选方案，所述嵌入环槽的顶部和所述嵌入环槽的底部均设置有平滑肩台，所述平滑肩台使所述嵌入环槽的侧壁和所述柱状管体的内壁光滑过渡。

作为本发明的一种优选方案，所述承压结构的外侧壁上套装有外套圈，所述密封环槽设置在所述外套圈的外侧表面；

其中，所述外套圈的结构强度小于所述承压结构的结构强度。

本发明提供了一种施工方法，包括具体步骤：

步骤100、利用如权利要求所述的固井用浮箍组件连接上套管和下套管，并在上套管中构建高压环境以及在下套管中构建低压环境，形成固井套管结构；

步骤200、将连接好的固井套管结构放入井中，从井口对上套管中的高压环境进行阶段性的增压和保压，直至上套管中的压力呈线性增加；

步骤300、继续增压，使得在承压机构持续沿柱状管体的轴向位移，限位机构对承压结构施加沿承压结构径向的作用力使第一弧形板体和第二弧形板体接触的表面之间脱离；在楔形凸起的导向作用下，使得第一弧形板体和第二弧形板体被液流冲向井底，固井套管结构内液流通道完全连通，进行后续的注水泥浆固定工作。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明提供的固井用浮箍组件能够对套管破通作业中进行适压以及试压，并且能够进行二次甚至是多次的套管破通前的压力状态的重新构建，避免出现破通压力过高或者过低情况的发生，使得固井施工作业更加顺利的进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的一种树脂固井堵漏装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的分割环体安装外套圈的结构示意图。

图中的标号分别表示如下：

1-柱状管体；2-承压结构；3-嵌入环槽；4-摩擦密封机构；5-楔形凸起；6-平滑肩台；7-外套圈；

21-分割环体；22-弧形板体单元；23-瓣导向柱；24-导向锥面体；221-第一弧形板体；222-第二弧形板体；223-弧形凸边；

41-密封圈组；42-密封环槽。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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

在各类型具备套管大位移水平的漂浮下套管作业及固井施工作业中，随着位移的延长，井内的压力并不是在固井的所有过程中都保持着稳定的压力状态，尤其是在对套管内以及井内施压的过程中，这其中会使得浮箍组件承受着变压，这种情况下，如果浮箍组件因为达到瞬间破通压力或者在浮箍组件两端的压力不断变化的过程中发生主动破通的动作，并且这种反复变压的状态也会影响浮箍组件最终的主动破通压力的精确控制，为此：

如图1所示，本发明提供了一种树脂固井堵漏装置，包括柱状管体1，柱状管体1的内部设置承压结构2，与承压结构2的周向表面对应的柱状管体的内壁上设置有嵌入环槽3，嵌入环槽3的侧壁表面设置有摩擦密封机构4，摩擦密封机构4与承压结构2的周向表面接触，提供承压结构2朝向柱状管体1轴向的支撑力。

其中，摩擦密封机构4允许承压结构2在承压结构2两端的压力差发生变化时发生轴向位移并且在承压结构2的位移过程中对承压结构2的周向进行持续密封。

本发明中提供可以根据套管内压力的变化(浮箍组件未破通前，两端构造的压力环境以及受外力变化的作用下)，使得承压结构2能够适应性的移动改变套管内的压力柱的长度，从而在套管下井作业以及破通前对于井内压力的主动适应，与此同时承压结构2需要在此位移过程中依然保持密封的状态，也就是需要对承压结构2的周向进行适应的密封。

本发明提供的固井用浮箍组件能够对套管破通作业中进行适压以及试压，并且能够进行二次甚至是多次的套管破通前的压力状态的重新构建，避免出现破通压力过高或者过低情况的发生，使得固井施工作业更加顺利的进行。

虽然在现有技术中可以直接通过橡胶密封圈进行密封，但由于在最终的破通过程中，承压结构2需要在设定的压力状态下进行主动破碎，从而导通承压结构2两端的套管中的液流，为此，本发明提供了一种摩擦密封机构4的具体实施方式，包括设置在嵌入环槽3的内壁上的密封圈组41。

其中，承压结构2的轴向高度小于嵌入环槽3的轴向高度，承压结构2的周向设置有与密封圈组41相配合的密封环槽42，且密封环槽42的数量小于密封圈组41的密封圈数量，将密封圈组41设置在嵌入环槽3中，这样对承压结构2的崩碎不会造成影响，密封圈组41也不会掉入浮鞋或者对套管下端的止回阀的密封造成影响，也能够使得承压结构2能够顺利通过止回阀结构。

当然本发明中的密封圈组的密封圈安装在嵌入环槽3中的结构可以是纵截面呈水平的8字形结构或者葫芦形结构，这样来保证密封圈的密封效果。

在承压结构2位移的过程中由于承压结构2的轴向高度小于嵌入环槽3，并且嵌入环槽3的沿柱状管体1的轴向等间距分布多个密封圈，密封圈的数量大于密封环槽42的数量，承压结构2的位移会使得在位移路径上的密封圈不断进入密封环槽42，并且在移动过程中依然存在密封圈和密封环槽42结合的情况，也就是即使承压结构2位移也依然能够对承压结构2的周向进行密封(此时的承压结构2受到的压力完全没有达到承压结构2的崩碎的压力，这压力的控制可以通过设置密封圈的形变系数来控制，以及通过设置在密封圈的有效密封直径，即与承压结构2接触的部分的直径)。

由于嵌入环槽3的直径大于柱状管体1的内径，在承压结构2位移到达嵌入环槽3的端部时，则是承压结构2进行破通动作的气动时刻，承压结构2的直径范围是大于略大于柱状管体1的内径，小于嵌入环槽3的直径。

那么，本发明为了更确定的控制承压结构2的破通时机(套管内的破通压力值)，进行承压结构2的主动接触方式的崩碎，不仅仅是通过增加套管上方压力的方式，因为如果无法有效控制套管上方(承压结构2上方压力柱)的压力柱的压力，为了追求破通的结果而增大压力使得套管发生变形，使得套管发生损坏。

为此，本发明中在嵌入环槽3的底部的柱状管体1内壁上设置有限位机构，限位机构用于在承压结构2移动至限位机构时对承压结构进行锁止，且在承压结构2继续沿柱状管体1的轴向位移时对承压结构2施加沿承压结构2径向的作用力。那么在承压结构2在破通前的使得压力保持稳定，也就是达到理想的套管内液流的破通压力环境。

承压结构2包括由多个弧形板体单元22组成的分割环体21，分割环体21的中间设置有瓣导向柱23，瓣导向柱23的顶部设置有导向锥面体24，导向锥面体24的底部与分割环体21的上表面贴合。

在实际的实现过程中，由于承压结构2是由多个单元组成的，那么越靠近承压结构2的圆心位置，其结构强度显然需要更大，当增加圆心处的组成单元的连接强度的同时，也就意味着为承压结构2的崩碎提供了不确定性。

因此，本发明中通过在分割环体21的中间设置导向锥面体24，通过导向锥面体24使得压力柱的压力向分割环体21的周向边缘转移，而分割环体21的周向表面是和柱状管体1的内壁接触的，也就是将压力柱施加在承压结构2上的压力向径向转移(当然转移的作用力对于套管的影响微乎其微)，那么能够保证承压结构2整体在位移过程中的稳定性。

其中，弧形板体单元22的高度大于宽度且相邻两个弧形板体单元22的侧表面紧密贴合。

虽然，在构建分割环体21时，组成分割环体21的单元越细小，则在崩碎的时候能够实现理想化的破通，并且不会影响卡阻的现象发生，但是组成单元越小，对于相邻两个组成单元的连接状态的控制则越复杂和精细，在分割环体21的制备上则越复杂。而流线性的结构能够更加适应液流在管体中的流动，从而使得崩碎后的承压结构2能够顺利排至井底部。

进一步地，本发明为了能够精确的控制分割环体21的崩碎效果，多个弧形板体单元22包括交替设置的第一弧形板体221和第二弧形板体222，第一弧形板体221的底部设置有与第一弧形板体221一体成型的弧形凸边223，弧形凸边223从柱状管体1的内壁向柱状管体1的轴心位置的高度逐渐减小。

在构建了承压结构的基于导向锥面体的受力结构下，那么我们只需要在承压结构2持续沿柱状管体1的轴向位移时，限位机构对承压结构2施加沿承压结构2径向的作用力使第一弧形板体221和第二弧形板体222接触的表面之间脱离。

限位机构包括等间距环形阵列在位于嵌入环槽3下部的柱状管体1的内壁上的多个楔形凸起5，楔形凸起5沿柱状管体1轴向设置，且楔形凸起5在柱状管体1径向上的高度逐渐增大。

其中，楔形凸起5的顶部与弧形凸边223靠近柱状管体1的底部在同一竖直线上，弧形凸边233则是起到加强筋的作用，但相邻两个第一弧形板体211之间的孔隙(也就是第二弧形板体222的底部)给了楔形凸起5侵入引起第一弧形板体211的形变的空间。

进一步地，本发明在承压结构2的最终破通过程中，能够通过楔形凸起5的导流作用对破碎的部分进行导流，从而使得破碎的组成单元能够顺利通过止回阀结构。

在承压结构2持续沿柱状管体1的轴向位移时，楔形凸起5用于对弧形凸边223和第一弧形板体221的变形方向进行导向。

嵌入环槽3的顶部和嵌入环槽3的底部均设置有平滑肩台6，平滑肩台6使嵌入环槽3的侧壁和柱状管体1的内壁光滑过渡，也就是供承压结构2能够以稳定状态通过平滑肩台6到达柱状管体1，进行破通的最终准备。

进一步地，本发明为了进一步地实现承压结构2的崩碎导通，承压结构2的外侧壁上套装有外套圈7，密封环槽42设置在外套圈7的外侧表面。

其中，外套圈7的结构强度小于承压结构2的结构强度。其目的是，使得在最终的破通过程中，楔形凸起5能够在接触外套圈7时，使得外套圈7首先发生崩碎，随手第一弧形板体和第二弧形板体的之间发生崩碎。

此时，第一弧形板体和第二弧形板体与外套圈7之间的连接强度可以尽可能的减小来提高破碎的效果，因为第一弧形板体和第二弧形板体之间的紧密接触是通过对于承压结构的整体径向施力来实现的，当这个径向的力被改变之后，那么第一弧形板体和第二弧形板体之间则很容易发生分离，那么第一弧形板体和第二弧形板体之间的连接强度也可以进一步地降低。

这是由于第一弧形板体和第二弧形板体是弧形表面接触形成的盘形结构，这意味着，在不对盘形结构(分割环体)施加沿径向的压力时，第一弧形板体和第二弧形板体本身具备恢复其结构稳定的内应力，使得第一弧形板体和第二弧形板体具备“伸长展开”的趋势，这样使得第一弧形板体和第二弧形板体接触的表面容易发生撕裂，而在对盘形结构(分割环体)施加沿径向的过大压力时，又会使得第一弧形板体和第二弧形板体进一步的弯曲，从而也容易使得第一弧形板体和第二弧形板体接触的表面容易发生撕裂。那么将施力范围控制在第一弧形板体和第二弧形板体可控范围内，则可以使得第一弧形板体和第二弧形板体之间具备稳定的贴合接触，超过这个范围则可以结构本身发生崩碎，这也是本发明选择弧形板体结构作为组成分割环体21的组成单元的原因。

进一步地，这意味着在制备第一弧形板体和第二弧形板体时使其具备这种内应力，本发明中的承压结构2是通过固化树脂材料制备，而楔形凸起则可以通过金属材料进行制备，来保证其强度远大于承压结构2。

本发明提供了一种施工方法，包括具体步骤：

步骤100、利用如权利要求1-8任意一项所述的固井用浮箍组件连接上套管和下套管，并在上套管中构建高压环境以及在下套管中构建低压环境，形成固井套管结构；

步骤200、将连接好的固井套管结构放入井中，从井口对上套管中的高压环境进行阶段性的增压和保压，直至上套管中的压力呈线性增加；

步骤300、继续增压，使得在承压机构持续沿柱状管体的轴向位移，限位机构对承压结构施加沿承压结构径向的作用力使第一弧形板体和第二弧形板体接触的表面之间脱离；在楔形凸起的导向作用下，使得第一弧形板体和第二弧形板体被液流冲向井底，固井套管结构内液流通道完全连通，进行后续的注水泥浆固定工作。

在上述的本发明中能够尽可能的控制套管内的压力值而避免套管发生形变的前提下，可以通过上套管中的压力是否呈线性增加的结果进行承压结构的再次塞入套管内，使得承压结构能够移动至柱状管体的嵌入环槽内，进行再一次的破通作用。

当然这时候，承压结构的直径应该等于套管内径，而承压结构与套管之间的密封则可以通过设置在承压结构周向的外套圈，那么则需要外套圈具备一定的形变能力。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。