專利名稱：旋轉軌道卡瓦式封隔器的制作方法
技術領域：
本發明涉及改進的油、氣井用旋轉軌道卡瓦式封隔器，特別是使用外徑為139.7毫米套管時的旋轉軌道卡瓦式封隔器。
卡瓦式封隔器是油、氣田用的重要井下工具之一，它的各種性能直接關系到油、氣田工藝改造。卡瓦式封隔器可防止油管柱的軸向移動，所用膠筒為壓縮式，一般均靠下放一定管柱重量坐卡和坐封。中原油田的油、氣埋藏深、滲透率低，采油工藝復雜。目前油田大量采用的勝利油田產品SL251-6型卡瓦式封隔器，由于設計不夠合理，所以安全坐封載荷小，對于中原油田三千米左右的深井來說常易導致卡瓦錨將套管擠毀，操作困難，往往造成井下發生卡、斷、脫的事故。曾采用引進的哈里伯頓等公司的卡瓦式封隔器也往往同樣被卡在井下起不出來。
目前油、氣田所用卡瓦式封隔器，其卡瓦錨的卡瓦托均為整體式，卡瓦錨由限位套、楔形體、卡瓦和卡瓦托組成。卡瓦的片數大多數為四片，也有少數產品采用六片結構，但為了適應裝配關系其六片結構卡瓦的厚度必須減薄。在整體裝配形式下，無論卡瓦的片數是四片還是六片，卡瓦的最大寬度不得大于與楔形體組裝時楔形體端面各卡瓦槽限定卡瓦所構成的最小正N邊形(N＝4～6)的邊長，因此這種整體裝配結構有下列缺點(1)需要一定的專用裝配工具，否則難于裝配;(2)卡瓦的片數、厚度、寬度、牙面長度等主要參數相互制約，它們無法同時達到優化設計值，從而導致卡瓦錨達不到主要設計性能。從理論上分析，封隔器承載后，套管壁上的應力分布狀態與卡瓦片數、牙面長度、寬度和厚度有直接關系，尤其是卡瓦的片數影響最大。現有技術的卡瓦錨，由于其結構所限，使各項設計參數不能同時達到優選設計值，所以這類封隔器本身的承載能力低，套管壁上的應力分布極不均勻，是造成井下事故的重要原因之一。
其次，現有技術的扶正器與卡瓦錨的連接結構都采用整體聯動式，這種結構的缺點如下當扶正器的軌道銷釘在J形槽的上死點與下死點之間往復運動時，帶動卡瓦錨的卡瓦托與其相隨而動，因此卡瓦也隨之一起動作。由于楔形體的燕尾鍵槽的斜面作用，使卡瓦的設計尺寸得不到保證。為了在扶正器上竄時卡瓦的徑向設計尺寸得到保證，唯一的做法是將卡瓦厚度減薄，這樣做的后果是卡瓦容易斷裂或脫落，而且使卡瓦牙面長度減小。因此必須改造這種扶正器與卡瓦錨的整體聯動結構。
第三，目前我國使用的國內各油田以及引進的哈里伯頓、貝克、卡莫柯的各種旋轉坐封的封隔器，由于它們的J型軌道槽均采用J型盲槽式，其坐封方式均采用傳統的方式，即先將油管柱上提至坐封高度后，也就是使軌道銷釘處于J型槽下死點，然后邊旋轉邊下放油管柱，使軌道銷釘的運動軌跡成為一種合成運動，軌道銷釘在合成運動下被導入J型軌道槽長軌后進行坐封，由于這種軌道槽上死點為盲槽式，在坐封操作上相當困難，特別是中原油田的深井操作就更加困難。還因為軌道銷釘合成運動的軸向有效行程不大于50毫米，在此50毫米軸向下放過程中，一旦合成運動不諧調，就易使軌道銷釘導入J型槽上死點，從而不可能坐封成功，這種情況一旦發生，唯一的辦法是將油管柱提起，再重復前述過程，直到產生坐封。特別是在中原油田深井作業中，要在如此小的軸向有效行程情況下產生穩靠的坐封是難于得到保證的，也即既難確定旋轉圈數;又難于保證合適的坐封載荷，有時甚至無法坐封。在國外也有采用J型滑槽式軌道轉向結構的，但很少，這種J型滑槽式，因坐封軌道銷釘處于J型滑槽的短軌道上死點，可使坐封操作的合成運動分解為分步操作，先旋轉再下放，其先決條件是必須使滑面39盡可能地大，滑面角度α盡可能保證在10～15°之間(見附圖7)，否則軌道銷釘容易因油管柱下放速度快而產生蠕動及扭曲，從而自動滑出滑面39進入長軌道41中，以致產生誤坐(見附圖7)。美國專利說明書3，386，764介紹了一種J型軌道槽，它就是J型滑槽式，但由于其卡瓦錨與扶正器的連接方式是整體聯動式，所以它仍具有該整體聯動式的基本缺點。為了盡可能保證卡瓦厚度(從該說明書附圖中可明顯地看出，其卡瓦厚度已大為減薄)，該發明已將其J型軌道槽的短軌道槽的軸向移動距離L限制到最小值，J型滑槽的滑動長度、滑動角度及軌道斜面的43角都處于一種不佳狀態。為了使軌道槽斜面的43角盡可能小以便保證其自動復位功能，該發明已將J型軌道槽的短槽下部的形狀作了不理想的修正。此外，這種J型滑槽式封隔器在操作時還需要有足夠的右旋圈數，可見其操作的可靠性也是難于得到保證的。
本發明的目的在于提供一種改進的旋轉卡瓦式封隔器，特別是提供新型的卡瓦錨結構和卡瓦錨與扶正器的鎖緊分動式結構以及改進的J型滑槽式軌道槽，以改善套管的受力狀態，防止卡瓦的斷裂與脫落，同時提高坐封成功率，減輕工人勞動強度。
經過多年的研究，通過理論上的計算，按照本發明最佳實施方案，上述目的已經完全達到。本發明提供一種新型結構的卡瓦錨，并將其整體組裝形式改變為逐片組裝形式，以保證卡瓦的主要設計參數同時達到優化設計值;本發明還設計了新型鎖緊裝置，將扶正器與卡瓦錨的連接結構從整體聯動式改為鎖緊分動式，以進一步保證卡瓦錨的各重要參數同時達到優化設計值;將J型軌道槽改進為新型J型滑動槽，從而提供了一種改進的旋轉軌道卡瓦式封隔器。
本發明封隔器見附

圖1，由封隔密封、卡瓦錨、鎖緊裝置和軌道轉向四部分組成。封隔密封部分由上部接頭1、長膠筒3、7、短膠筒5、隔環4等組成。卡瓦錨部由楔形帽8、楔形體10、卡瓦17、組合卡瓦托14、19、20、21組成。鎖緊裝置由護罩22、鎖球23(直徑為14毫米)、鎖球套37、四個擋球套29、中心管鎖球環槽24組成。軌道換向部分由摩擦塊31、壓縮彈簧32、扶正器30、軌道銷釘34、軌道中心管11組成。
在封隔器下井過程中，軌道銷釘34處于短軌道位置38，當封隔器下至設計井深的坐封高度，旋轉油管柱1～2圈，使軌道銷釘34自動換入長軌道41，再下放管柱，軌道換向部分沿長軌道41相對滑動，自動釋放緊鎖裝置，使卡瓦錨錨定在管套內壁上，再繼續下放管柱，由于管柱的重量壓縮膠筒3、5、7，從而密封油套環形空間。本發明封隔器可用于水力活塞采油、卡堵水、找水、氣舉采油、下氣錨、分層壓裂、分層試油等。本發明封隔器所用套管內徑為118.6～127.3毫米，特別是127.3毫米。
現有技術卡瓦錨的卡瓦托是整體結構，其裝配順序是將卡瓦全部裝入卡瓦托上的T型槽內，并使卡瓦組成的N邊形保持在最小內切圓直徑上，然后從軸向方向由上往下將卡瓦全部裝入楔形體的燕尾槽中，這種整體結構使卡瓦的主要設計參數不能同時達到優化設計值。本發明從理論上研究了卡瓦的主要設計參數，其結果見附圖2，假設套管外徑為139.7毫米，套管厚度為6.2毫米，坐封載荷為100千牛時，分別計算了卡瓦數N＝3、4、6三種卡瓦錨的卡瓦牙面半徑的變化與套管段圓形上周向應力σθ變化的關系曲線。其中，OD代表外壁應力曲線，ID代表內壁應力曲線。關于θK可見附圖3，其中θK為卡瓦牙面的半角，α為套管內壁的半徑，q為單位卡瓦牙面與套管內壁接觸的徑向載荷。從附圖2各曲線對比可見，N＝3時周向應力最大，而N＝6時周向應力最小，當周向應力大時容易將套管擠毀，因此N越大σθ越小，在附圖2情況下以N＝6最能保護套管不致被擠毀。從內外壁應力曲線的對比看來，在N相等的兩條內、外壁應力曲線交點的左側，隨著θK的減小，外壁周向應力曲線的斜率逐漸增加;而內壁周向應力曲線的斜率逐漸減小，因此，內、外壁周向應力曲線的交點就是θK值的最小臨界值。θK值是套管內半徑α、套管外半徑b、套管壁厚δ、卡瓦片數N的函數，即θK＝f(a、b、δ、N)，如將上述各函數值代入θK優化公式，就可計算出相應的θK最小值，這時也就確定了在一定條件下卡瓦牙面的最小寬度。
根據上述理論，設計出一種新型封隔器卡瓦錨，該卡瓦錨主要由楔形帽8，楔形體10、限位螺栓12、緊固螺栓14、卡瓦17、小卡瓦擋塊19、大卡瓦擋塊20、連接環21八部分組成，見附圖4。附圖4A是卡瓦錨卡瓦部分A-A橫截面圖，附圖4B是卡瓦托連接環部分的B-B橫截面圖。卡瓦錨的主要設計值全部滿足了各優化設計值，主要體現以下幾個主要方面1、新的卡瓦錨的N片(N＝4-6)卡瓦在裝配前、后所組成的內N邊形內切圓的直徑φ相同，見附圖4A，從而可保證在一定結構下其厚度達到優化設計值，在使用外徑為139.7毫米套管時，卡瓦錨的卡瓦厚度的優化設計值為23毫米。
2、當新的卡瓦錨卡瓦的厚度達到優化值和楔形體10的燕尾鍵槽49的斜面在一定結構下為一定值時，可使卡瓦牙面的長度設計達到優化值，在使用外徑為139.7毫米套管時，本發明卡瓦錨卡瓦牙面長度優化設計值為78-108毫米。
3、既然新的卡瓦錨的N片(N＝4～6)卡瓦在安配前，后所組成的N邊形的內切圓直徑φ相同，則在保證卡瓦厚度的同時也可使N片卡瓦組成的N邊形的邊長最大，見附圖4A，也就是說卡瓦的寬度在一定的結構下達到優化設計值。當使用外徑為139.7毫米套管時，本發明卡瓦錨卡瓦的寬度的優化設計值為28～34毫米。
4、當用外徑為139.7毫米套管時，新的卡瓦錨的卡瓦片數為6片，根據附圖2的分析可見，隨著卡瓦片數N的增加，套管壁上的周向應力越小和周向應力趨于均勻分布，但卡瓦的最小寬度又受到卡瓦牙面半角θK臨界值的限制，因而在一定結構下卡瓦的片數不可能無限制地增加，當用外徑為139.7毫米套管時，卡瓦的片數N＝6為最佳值，當用外徑為177.8～219.1毫米套管時，卡瓦的片數可達到8。
表1示出了本發明封隔器卡瓦錨卡瓦的主要設計參數的實施例與國內外同類產品〔SL251-6(勝利油田)、哈里伯頓公司(美國)貝克公司(美國)〕的比較，從其中可見本發明卡瓦錨的優越性。
表1
附圖5示出了本發明封隔器卡瓦錨在坐封載荷Q＞19.6千牛、套管外徑D為139.7毫米、壁厚δ＝7.72毫米的條件下，與SL251-6(勝利油田)，哈里伯頓公司、貝克公司同類產品在套管內壁(ID)、套管外壁(OD)的周向應力分布σθ的比較，從圖中可見本發明套管內、外壁上的周向應力最小和分布最均勻，從而使套管不被卡瓦錨所擠毀。
5、為了滿足設計的條件，將整體卡瓦托改為組合卡瓦托，改進后的卡瓦托由三塊小卡瓦擋塊19，三塊大卡瓦擋塊20、連接環21和九個緊固螺栓14組成(見附圖4、4B)，由一個大卡瓦擋塊和二個相鄰的小卡瓦擋塊組成二個完整的T形槽18、具體尺寸視T形槽與中心軸經大小而定。新的卡瓦錨的裝配方式如下先將卡瓦17全部裝入楔形體10的燕尾鍵槽49中，然后從徑向方向將三個卡瓦大擋塊20和三個卡瓦小擋塊19全部裝入由二個相鄰卡瓦面組成的T型槽18中，再將六個卡瓦擋塊的徑向定位環面47全部裝入連接環21的徑向定位環形槽中，再將緊固螺栓14穿過連接環21的圓孔13與六個卡瓦擋塊的螺孔50擰緊。
本發明封隔器的扶正器(見附圖6)由扶正體30、六塊摩擦塊31、36個壓縮彈簧32、二個軌道銷釘34、壓帽35組成。本發明封隔器的鎖緊裝置由護罩22、擋球套29、四個鎖球23(直徑為14毫米)，鎖球套37、中心管鎖球環槽24組成，護罩22和鎖球套37通過內外螺紋15、16連接為一體，鎖球套37的圓柱面上均勻分布四個鎖球孔25，鎖球套37下端有一凸緣44可防止擋球套29脫落，擋球套29內圓柱面上有一個鎖球環槽28，其下端與扶正器連接為一體，中心管11上有一鎖球環槽24，四個鎖球23分別裝在鎖球孔25及中心管鎖球環槽24中。鎖緊裝置的裝配順序如下將鎖球套37裝在中心管11上，并使鎖球套37上的鎖球孔25與鎖球環槽24對正后裝上鎖球23，再將擋球套29裝在鎖球套37上。由于鎖球套37上凸綠44的作用使擋球套29不會脫落，通過螺紋16將護罩22與鎖球套37接在一起，螺紋15又將護罩22與連接環21連接在一起，螺紋45又將擋球套37與扶正器連接為一體。當扶正器的軌道銷釘34在J型軌道槽33短槽的上死點38和下死點40之間移動時(見附圖7)，帶動擋球套29與鎖球套37作相對運動，其移動距離L不足以使擋球套29上的環槽28與鎖球套37上的鎖緊孔25相吻合。在擋球套29上的圓柱面27的作用下，使鎖球23不能退出中心管11上的鎖球環槽24，因而鎖球套37不隨扶正器的軸向移動而移動。由于鎖球套37不解鎖，從而保證組合卡瓦托(14、19、20、21)不隨之而動，結果卡瓦的徑向設計尺寸可被保證在一定結構下的最佳值，便卡瓦錨的主要優化設計參數得到進一步保證。這種連接卡瓦錨與扶正器的鎖緊分動式結構是本發明與現有技術相區別的重要特征，因為現有技術封隔器是整體聯動式結構，沒有鎖緊裝置這一結構，因此這種結構決定了現有技術卡瓦錨卡瓦的重要設計參數不能同時達到優化設計值。當本發明封隔器的油管柱右旋，同時扶正器的軌道銷釘34滑入J型軌道槽33的長槽41(見圖7)時，下放油管柱(見圖7)，由于扶正器的摩擦塊31在壓縮彈簧32的作用下與套管壁之間產生一種摩擦力，阻止扶正器隨油管下放，使擋球套29與鎖球套37產生大幅度相對運動。這時使擋球套29上的環槽28與鎖球孔25相吻合成為可能，一旦吻合，鎖球23退出中心管11上的鎖球環槽24，鎖球套37解鎖，此時護罩22的內上端面46將阻止擋球套29繼續上行。由于扶正器摩擦塊31與套管壁之間的摩擦力的作用使中心管11與卡瓦錨產生相對運動，在楔形體10的作用下使卡瓦撐開，達到坐封的目的。雖然這種鎖緊裝置是常用裝置，但用到封隔器上來改進封隔器性能還是本發明所首創，鎖緊裝置使卡瓦錨的主要參數同時達到優化設計值得到進一步保證，并與改進的J型滑槽配合起來，使本發明封隔器性能達到優化設計要求。
本發明J槽軌道槽為J型滑槽式(見附圖7)其特征是，在中心管11上開有如附圖7所示的兩個對稱的J型槽，其滑面39的長度為35毫米，滑面水平夾角α為10～15°，J型軌道斜面42的角度43為30～40°，J型軌道槽的短軌道的上死點38與下死點40的中心距L為52毫米。
滑面39的長度愈長愈能有效地防止由于油管下放的速度快而產生蠕動和扭曲所造成的中途誤坐封。如滑面水平夾角α過大，則在坐封操作過程中右旋管柱時，對軌道銷釘34的滑動過程造成過大的阻力，從而難于實現該坐封操作過程，甚至失敗;如滑面水平夾角過小，則在正常作業過程中容易產生中途誤坐。如J型軌道斜面42的角度43過大，則將軌道銷釘34的自動復位性能破壞;如過小，又將使滑面39的長度偏小，在本發明J型滑槽中將角度43設在30～40°之間是適宜的。
本發明通過優選卡瓦錨的主要設計參數，提供新型卡瓦錨，解決了卡瓦封隔器的卡瓦擠毀套管的關鍵問題，使卡瓦錨在錨定后，改善套管內的受力狀態，達到提高套管抗擠毀的最大安全坐封載荷的目的，以鋼級J-55套管為例，可使套管抗擠毀載荷達到294千牛，而哈里伯頓封隔器為121.4千牛。本發明卡瓦錨是由逐片組裝卡瓦的形式組裝起來的，一方面無需專用裝配工具，一方面使得卡瓦的主要設計參數同時達到優化設計值。本發明還在封隔器上首先使用鎖緊裝置，該鎖緊裝置的設置使卡瓦錨與扶正器的聯動結構改為鎖緊分動式結構，從而使卡瓦的徑向設計尺寸可保證在一定結構下的最佳尺寸。本發明還解決了J型軌道槽的合理設計問題，不但有效地防止中途誤坐，而且徹底地改變了傳統式的上提油管柱到坐封高度后，邊旋轉邊下放進行坐封的方式，結構改進后，既能確定正常情況下的旋轉圈數，僅能保證一定的坐封載荷，保證在3500米內井深情況下，在地面僅僅旋轉1～2圈即可產生穩定坐封的效果，這種效果是突出的，從而提高氣，油井作業質量與效率，減輕作業工人的勞動強度。到目前為止，本發明旋轉軌道卡瓦式封隔器已經受了現場試驗171井次的考驗，都做到在地面僅旋轉1～2圈，一次坐封成功，從未發現卡瓦擠毀套管從而起不出來的事故，這些試驗完全證明本發明設計的合理性、高度靈活性和作業可靠性。
以上僅說明了本發明的一些實施例，根據本發明思想還可有許多不同的變動與改進，應了解到這些變動與改進都屬于本發明權利要求的范圍。
權利要求
1.一種旋轉軌道卡瓦式封隔器，其特征在于，所說的封隔器由封隔密封、卡瓦錨、鎖緊裝置和軌道轉向四部分組成，該卡瓦錨的卡瓦17的主要設計參數如片數、厚度、寬度和牙面長度同時達到優化設計值，該卡瓦錨的卡瓦托是由緊固螺栓14、小卡瓦擋塊19、大卡瓦擋塊20、連接環21組成的組合結構，該卡瓦錨的組裝形式是逐片組裝，所說的鎖緊裝置是將卡瓦錨與扶正器連接起來的分動式結構，所說的軌道轉向部分是改進的J型滑槽式結構。
2.權利要求1所說的旋轉軌道卡瓦式封隔器，其特征在于，所說的卡瓦錨由楔形帽8、楔形體10、限位螺栓12、緊固螺栓14、卡瓦17、小卡瓦擋塊19、大卡瓦擋塊20、連接環21所組成，所說的卡瓦17的主要設計參數同時達到的優化設計值當使用外徑為139.7毫米套管時分別為卡瓦片數為6片，卡瓦厚度為23毫米，卡瓦寬度為28-34毫米，卡瓦牙面長度為78～108毫米。
3.權利要求1所說的旋轉軌道卡瓦式封隔器，其特征在于，所說的卡瓦錨的組合卡瓦托包括三塊小卡瓦擋塊19和三塊大卡瓦擋塊20，由所說的六塊卡瓦擋塊組成一個完整的圓柱面，由一個大卡瓦擋塊20和二個與其相鄰的小卡瓦擋塊19組成二個完整的T形槽18，所說的六個卡瓦擋塊19、20的徑向定位環面47全部裝配在連接環21的徑向定位環形槽中，由緊固螺栓14將連接環21與所說的六個卡瓦擋塊的螺孔50擰緊。
4.權利要求1所說的旋轉軌道卡瓦式封隔器，其特征在于，所說的鎖緊裝置由護罩22、四個鎖球23、鎖球套37、擋球套29、中心管11上的鎖球環槽24所組成，護罩22和鎖球套37通過內外螺紋15、16連接為一體。鎖球套37的圓柱面上均勻分布四個鎖球孔25，鎖球套37下端有一凸綠44可防止擋球套脫落，擋球套29內圓柱面上有鎖球環槽28，其下端與扶正器連接為一體。中心管11上有一鎖球環槽24、四個鎖球23分別裝在鎖球孔25及中心管鎖球環槽24中。
5.權利要求1或4所說的旋轉軌道卡瓦式封隔器，其特征在于，所說的鎖球23的直徑為14毫米。
6.所說的J型滑槽式結構是在中心管11上開出的兩個對稱J型槽，其滑面39的長度為35毫米，滑面水平夾角為10～15°，J型軌道斜面42的角度43為30～40°，J型軌道槽的上死點38與下死點40的中心距L為52毫米。
全文摘要
本發明涉及改進的油、氣井用旋轉軌道卡瓦式封隔器，特別是使用外徑為139.7毫米套管的旋轉軌道卡瓦式封隔器。本發明封隔器由封隔密封、卡瓦錨、鎖緊裝置和軌道轉向四部分組成。其特征是卡瓦錨的卡瓦的主要設計參數如片數、厚度、寬度、卡瓦牙面長度同時達到優選設計值；卡瓦托是組合結構；卡瓦錨的組裝形式為逐片組裝而不是整體組裝；提供了新型鎖緊裝置和改進的J型滑動槽。
文檔編號E21B33/12GK1031742SQ8710608
公開日1989年3月15日 申請日期1987年9月4日 優先權日1987年9月4日
發明者趙遠綱, 魯鐵嶺, 傅建偉, 李志義 申請人:中原石油勘探局采油工藝研究所