修补石油热采井的密封膨胀管装置和实现方法.pdf

本发明涉及一种修补石油热采井的密封膨胀管装置和实现方法。该装置包括：膨胀管体、高温密封圈、应力松弛节、应力阻隔环、膨胀胀头、杆密封组、座密封组、投球、膨胀底座、套管、钻杆、管接头。膨胀管主要由膨胀管体、高温密封圈、应力松弛节和应力阻隔环组成，膨胀管之间借助于密封螺纹进行连接。本发明以在循环加热和冷却过程中密封材料能保持稳定的弥合性，根本解决了修补热采井的老大难问题，对于周期通高温蒸汽油井的修复简单实用。

1、  一种修补石油热采井的膨胀管密封装置，其特征在于它包括：膨胀管体、高温密封圈、应力松弛节、应力阻隔环、膨胀胀头、杆密封组、座密封组、投球、膨胀底座、套管、钻杆、管接头；
该膨胀管主要由膨胀管体、高温密封圈、应力松弛节和应力阻隔环组成，膨胀管之间借助于密封螺纹进行连接；高温密封圈环绕在膨胀管体的外表面，截面呈矩形的环带；应力阻隔环是膨胀管外表面上的突起，其截面呈三角形；应力松弛节是指局部膨胀管体的管内外壁车成波形状起伏的部分；高温密封圈、应力阻隔环、应力松弛节三者在膨胀管轴向互相间隔分布；
所述的钻杆是中空的，钻杆之间用管接头螺纹互相连接，连接钻杆下端以螺纹旋入所述的膨胀头的中心孔中，膨胀胀头中心孔内壁有密封胶圈，环绕抱住钻杆；杆密封组套装在钻杆下部；膨胀底座位于膨胀管内下端，用销钉固定在膨胀底座的位置；膨胀底座外缘装有密封胶圈；膨胀室封底上部安装有盘密封组，盘密封组由若干片带中孔盘状密封胶圈和盘状塑料隔板组合而成，盘密封组上端边部有盘状螺母用于旋紧固定；膨胀室封底中孔上部有倒角凹窝，以备接纳投球。

2、  根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的高温密封圈的熔化温度为180-660℃的合金材料密封圈。

3、  根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述的高温密封圈为CuSb合金，其中Cu成分的重量百分比范围为48-97％，其余为Sb。

4、  根据权利要求1所述的，其特征在于所述的应力松弛节是局部管内外壁车成波形状起伏，形状是在膨胀管壁内外表面呈等距离半圆槽，其半径R和间距T与壁厚t的关系式：
R＝(0.1-0.125)t；             T＝(0.4-2)t。

5、  根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的应力阻隔环的分布在膨胀管表面，其截面呈三角形。

6、  根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的杆密封组由若干片带中孔盘状密封胶圈和盘状塑料隔板组合而成，杆密封组下端边部有盘状螺母用于旋紧固定。

7、  根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的膨胀底座是由铸铁或铝合金易削材料制作。

8、  一种修补石油热采井的膨胀管密封装置的实现方法，其特征在于包括的步骤：
1)将油井钻铣、清洗处理完毕后，测定出及校对套管的损坏部位，下入修补热采井的膨胀管装置，通过钻杆中心孔和膨胀室封底中孔打水洗井；
2)将投球送入膨胀室上部倒角凹窝，给水憋压，此时膨胀封底、膨胀胀头的轴密封组与周边膨胀管内侧，形成封闭的膨胀室，憋压后水压不断增加，膨胀胀头中心孔外的环状面积，在水压作用下产生向上推力，当超过启动阻力时，膨胀胀头便开始向上运动，同时膨胀管向外扩径膨胀，并压迫高温密封圈及应力阻隔环，指向套管内壁形成悬挂；
3)膨胀管扩径后，三角形尖峰嵌入套管壁，使膨胀管对于套管轴向位置相对固定，控制膨胀管的轴向位移和应力传递。

修补石油热采井的密封膨胀管装置和实现方法
技术领域
本发明涉及油井套管修补技术，特别是一种修补石油热采井的密封膨胀管装置和实现方法。
背景技术
目前，一般油井由于环境腐蚀和各种外力作用，套管形成孔洞、裂纹和错断，采用膨胀管修补，即通过液压或机械扩胀方式，使膨胀管紧密贴服于油井内壁，则能稳定而持久地保持密封，其中特别是ZL200410019863.X“石油膨胀管合金材料及膨胀装置”具有代表性，应用收到了良好效果。但是对于稠油热采井的修补，目前还是一个尚未解决的难题。所谓热采井是指为了熔化稠油，周期采用350℃热蒸汽，待稠油稀释再行抽取。热采井在辽河油田、克拉玛依油田、胜利油田以及其它油田占有不小比例，在国际上热采井也是一个分布较广的井型，由于蒸汽加热及随后井内自然冷却，温度变化使套管发生轴向胀缩。在热疲劳应力作用下，套管本身易于损伤，同时也破坏了套管与基础之间的结合，甚至导致二者松动脱离，这样更加剧套管破坏。分析用普通套管或膨胀管内套修补失效的原因：对于采用紫铜、软铁、纯铝金属硬密封，由于热疲劳应力反复作用，材料的位错密度不断增加，则引发加工硬化，材料的塑性明显下降，于是失去密封弥合性，导致接触界面局部密封压力下降引起泄漏；另外采用密封弥合良好的丁氰橡胶、氟橡胶和硅橡胶等软密封材料，在高温环境作用下材料加速老化或发生软化和液化，丧失密封能力，几次循环即发生泄漏。目前国际上对热采井还没有一种行之有效的修补方法，这成为国内外长久以来积存的老大难问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种修补石油热采井的密封膨胀管装置和实现方法，它是针对周期地通入热蒸汽的石油热采井的修补问题，设计一种新型结构的膨胀管和带有新型材料的密封圈，根本解决了修补热采井的老大难问题，给出了热采井行之有效的修补方案。
本发明提供的修补石油热采井的膨胀管密封装置包括：膨胀管体、高温密封圈、应力松弛节、应力阻隔环、膨胀胀头、杆密封组、座密封组、投球、膨胀底座、套管、钻杆、管接头。膨胀管主要由膨胀管体、高温密封圈、应力松弛节和应力阻隔环组成，膨胀管之间借助于密封螺纹进行连接。
所述的膨胀管体是指内外表面为直线素线回转面的膨胀管主体部分，高温密封圈环绕在膨胀管体的外表面，截面呈矩形的环带；所述的应力阻隔环是膨胀管外表面上的突起，该突起的截面呈三角形；应力松弛节是指局部膨胀管体的管内外壁车成波形状起伏的部分；高温密封圈、应力阻隔环、应力松弛节三者在膨胀管轴向互相间隔分布。
所述的钻杆是中空的，钻杆之间用管接头螺纹互相连接，连接钻杆下端以螺纹旋入所述的膨胀头的中心孔中，膨胀胀头中心孔内壁有密封胶圈，环绕抱住钻杆。所述的杆密封组套装在钻杆下部，杆密封组由多片带中孔盘状密封胶圈和盘状塑料隔板组合而成，其下端边部有盘状螺母用于旋紧固定。位置在膨胀管内下端的所述的膨胀底座是由铸铁或铝合金等易削材料作的，用销钉固定膨胀底座的位置。为防止泄漏，膨胀底座外缘装有密封胶圈，以保证膨胀底座与膨胀管之间的密封。为了加强密封可靠性，在膨胀室封底上部装入所述的盘密封组，盘密封组由多片带中孔盘状密封胶圈和盘状塑料隔板组合而成，其上端边部有盘状螺母用于旋紧固定。膨胀室封底中孔上部，有倒角凹窝，以备接纳投球。
所述的应力阻隔环的分布在膨胀管表面，其截面呈三角形，以降低膨胀阻力。膨胀管扩径后，三角形尖峰嵌入套管壁，使膨胀管对于套管轴向位置相对固定，控制膨胀管的轴向位移和应力传递。
本发明提供的修补石油热采井的密封膨胀管装置的实现方法包括的步骤：
1)将油井钻铣、清洗处理完毕后，测定出及校对套管的损坏部位，下入膨胀管修补热采井的装置，通过钻杆中心孔和膨胀室封底中孔打水洗井。
2)将投球送入膨胀室上部倒角凹窝，给水憋压，此时膨胀封底、膨胀胀头的轴密封组与周边膨胀管内侧，形成封闭的膨胀室。憋压后水压不断增加，膨胀胀头中心孔外的环状面积，在水压作用下产生向上推力，当超过启动阻力时，膨胀胀头便开始向上运动，同时膨胀管向外扩径膨胀，并压迫高温密封圈及应力阻隔环，指向套管内壁形成悬挂。
3)膨胀管扩径后，三角形尖峰嵌入套管壁，使膨胀管对于套管轴向位置相对固定，控制膨胀管的轴向位移和应力传递。
本发明提供的密封膨胀管修补石油热采井的装置具体突出的特点：
1)在周期通入热蒸汽及随后冷却时，高温密封圈处于加热与冷却多次循环当中，首先它耐高温不会熔化流淌或软化失效；其次，实际井下热蒸汽高端温度高于密封圈的再结晶温度，则密封圈在高温蒸汽作用下，进行完全再结晶退火，这样不会发生积累性或持续性加工硬化，保证了材料的密封弥合性能。
2)膨胀管扩径后其外缘的应力阻隔环嵌入套管壁，产生局部固定作用，定点限制了膨胀管的轴上胀缩，分散了应力集中。剩余的胀缩应力继续传递时，又由于应力松弛节发生弯曲或伸直变形，进一步消耗能量，避开应力峰值，缓解了热应力作用，充分保证热采井的修补效果。
本发明根本解决了修补热采井的老大难问题，给出了热采井行之有效的修补方法方案，在高温蒸汽下稳定可靠，实用性用。
附图说明
图1是本发明修补石油热采井的密封膨胀管装置结构示意图。
具体实施方式
本发明结合详细说明如下：
如图所示，1、钻杆，2、管接头，3、膨胀管体，4、应力阻隔环，5、高温密封圈，6、应力松弛壁，7、膨胀胀头，8、杆密封组，9、投球，10、盘状密封组，11、膨胀底座，12、套管。
本发明提供的修补石油热采井的密封膨胀管装置包括：膨胀管体3、高温密封圈5、应力松弛节6、应力阻隔环4、膨胀胀头7、杆密封组8、投球9、盘状密封组10、膨胀底座11、套管12、钻杆1、管接头2组成。所说的膨胀管体、高温密封圈、应力松弛节和应力阻隔环4等统一组成为膨胀管，膨胀管之间借助于密封螺纹进行连接。
上述所说的膨胀管体3是指内外表面为直线素线回转面的膨胀管主体部分；所说的高温密封圈5是环绕在膨胀管体的外表面、截面呈矩形的环带；所说的应力阻隔环4是膨胀管外表面上突起的三角形截面的环棱，所说的应力松弛节是指局部管体的内外壁车成波形状起伏的膨胀管部分。所说的高温密封圈、应力阻隔环、应力松弛节三者在膨胀管轴向是互相间隔分布的。
所说的钻杆1是中空的定长管段，钻杆之间用管接头螺纹互相连接，连接钻杆下端以螺纹旋入所说的膨胀头7的中心孔中，膨胀胀头中心孔内壁有密封胶圈，环绕抱住钻杆。所说的杆密封组8套装在钻杆1下部，杆密封组由多片带中孔盘状密封胶圈和盘状塑料板间隔叠加而成，其下端边部有盘状螺母用于旋紧固定。位置在膨胀管内下端的所说的膨胀底座11是由铸铁或铝合金等易削材料作的，用销钉固定膨胀底座的位置。为防止泄漏，膨胀底座外缘装有密封胶圈，以保证膨胀底座与膨胀管之间的密封。为了加强密封可靠性，在膨胀底座上部装入所说的盘密封组10，盘密封组由多片带中孔盘状密封胶圈和盘状塑料板间隔叠加而成，其上端边部有盘状螺母用于旋紧固定。膨胀室封底中孔上部，有倒角凹窝，以备接纳投球。吊装膨胀头的钻杆带有打压注水的中孔。
上述所说的高温密封圈5实际是合金材料密封圈，根据使用要求，该材料的再结晶温度应低于井下热蒸汽的实际温度250℃，应当在蒸汽条件下材料能得到充分再结晶退火，这样使材料持续保持柔韧弥合。另外为了在成分有限变化的范围，使其熔化的温度保持恒定，故理论推测和试验验证，应当选取低共熔或部分低共熔合金；当然，其下限温度也不宜过低，以避免合金过早熔化，丧失密封支持强度。本发明提供的高密封圈材料为CuSb合金，其成分中Cu的重量百分比范围为48-97％，再结晶温度211℃。
所说的应力松弛节6是指局部管体的内外壁车成波形状起伏的膨胀管部分。具体形状设计是在膨胀管壁内外表面车出等距离半圆槽，其半径R和间距T与壁厚t有关：
R＝(0.1-0.125)t；                      T＝(0.4-2)t，
膨胀后仍然保持波状雏形。当管承受轴向拉压时，应力松弛节发生弹性或塑性变形，可释放应力，避免应力集中。
所说的应力阻隔环4是膨胀管外表面上突起的三角形截面的环棱，以降低膨胀阻力。膨胀管扩径后，三角形尖峰嵌入套管壁，使膨胀管对于套管轴向位置相对固定，控制膨胀管的轴向位移和应力传递。
本发明修补石油热采井的密封膨胀管装置的实现方法包括的步骤：
将油井钻铣、清洗处理完毕后，测定及校对套管损坏部位，下入本膨胀管修补热采井装置，通过钻杆中心孔和膨胀室封底中孔打水洗井；
投球落入膨胀室上部倒角凹窝，给水憋压，此时膨胀封底、膨胀胀头与周边膨胀管，形成封闭的膨胀室。憋压后水压不断增加，膨胀胀头中心孔外的环状面积，在水压作用下产生向上推力，膨胀胀头便开始向上运动，同时膨胀管向外扩径膨胀，并压迫高温密封圈及应力阻隔环，压向套管内壁形成悬挂。
在周期通入热蒸汽及随后冷却时，高温密封圈处于加热与冷却多次循环当中，首先它耐高温不会熔化流淌或软化失效；其次，实际井下热蒸汽高端温度高于密封圈的再结晶温度，则密封圈在高温蒸汽作用下，进行完全再结晶退火，这样不会发生积累性或持续性加工硬化，保证了材料的密封弥合性能。
膨胀管扩径后其外缘的应力阻隔环嵌入套管壁，产生局部固定作用，定点限制了膨胀管的轴上胀缩，分散了应力集中。剩余的胀缩应力继续作用时，由于应力松弛节发生弯曲或伸直变形，进一步消耗能量避开应力峰值，控制了热应力的传递，充分保证热采井的修补效果。
本发明解决了修补热采井的老大难问题，给出热采井行之有效的整套修补方案，这对于周期通高温蒸汽油井的修复简单实用。
应用实施例
某油田7″(Φ177.8mm，内径Φ161.2mm)试验井，在30m深井口附近模拟热采井工艺。下2m×Φ148mm通井规检查处理井效果.用16臂复验井下破损部位，为井下22.43-22.57m纵裂纹。下膨胀管ERW ZP08，最大外径Φ154mm，壁厚8mm，内径Φ132mm，膨胀胀头尺寸Φ142mm的扩径量△＝10mm修补石油热采井装置。接高压水软缆，水清洗后投球，注水蹩压，完成膨胀过程。
相对内径扩张量△/Φ_内＝7.6％。相对外径扩张量6.8％。
应力阻隔环截面为正三角形，变为1.6mm。经过计算应力阻隔环膨胀后嵌入套管壁0.1mm，压缩比为6％。
膨胀管车深0.5mm槽，密封圈尺寸3.5mm高。经过计算密封圈膨胀后压缩量1.5mm，压缩比为43％。
应力松弛壁形状如图，内外壁半圆半径R＝1/8t＝1mm；间隔分布距离T＝t＝8mm。
密封胶圈对比，一种为CuSb合金：Cu62％、Sb38％，再结晶温度211℃，另外一种为某厂家推荐的高温耐200℃的氟橡胶胶圈。通蒸汽温度300℃(3小时)×10次，下井膨胀后未通蒸汽先行试压，结果耐压均高于35MPa，通1次蒸汽后所谓耐高温氟橡胶发生胶状分裂并发生局部液化，完全不适合在高温条件下应用。而高温合金密封圈经过10次打压后仍然可超过35MPa，证明本发明装置在高温蒸汽下稳定可靠，能投入使用。