深水油气井套管圈闭空间的压力释放装置技术领域
本发明涉及深水高温高压油气井测试技术领域，尤其涉及一种采用深水水下井口
完井并且具有套管圈闭空间的井身结构设计的一种深水油气井套管圈闭空间的压力释放
装置及其深水油气井的完井井身结构。
背景技术
深水油气井井口完井通常采用水下完井方式，其完井工艺与完井方法完全不同于
陆上或浅海油气井。深水完井的工艺施工过程中，多层中间套管的水泥返高通常返至泥面
以下一定高度，即中间技术套管需要一定长度的自由段，从而致使部分完井液被圈闭在井
口密封圈、水泥返高面和中间套管所限定的环形空间。不同于陆地和浅水的干式井口，深水
采用水下井口，无法在生产和测试过程中进行环空压力的释放，进而会对井筒完整性带来
严重的危害。
当深水油气井测试或生产过程中，高温高压地层流体从油管中流经井筒，加热了
各圈闭空间中的圈闭流体，各层套管间的圈闭空间流体受热膨胀而产生的附加压力载荷，
易导致套管挤毁、套管涨裂、水下井口上窜、井口密封失效等井下安全事故，给安全生产带
来严重隐患。
现有深水圈闭压力控制技术措施主要有：泡沫材料技术、破裂盘技术和固井水泥
返高控制技术等。应用破裂盘技术的主要问题是破坏了套管井筒的完整性，应用泡沫材料
技术的主要难题是泡沫材料绑缚在套管外壁上，由于泡沫材料本身的强度、且下入过程中
要穿过长段的深水隔水管及井下套管，施工过程中易发泡沫材料磨损掉块、整体脱落、下入
定位不准等一系列技术难题，增加了深水钻井作业的风险。固井水泥返高控制技术，由于深
水固井强度设计的要求而限制了其推广应用范围。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种深水油气井套管圈闭空间的压力
释放装置及其深水油气井的完井井身结构，以能够有效规避油气井测试过程中，因高温高
压地层流体流经井筒而致使套管圈闭空间中产生破坏性附加热应力，从而实现深水高温高
压测试过程中的套管多层圈闭环空(圈闭空间)的安全，保障深水井筒的测试完整性。
本发明采用以下技术方案解决以上技术问题：
一种用于套管圈闭空间的压力释放装置，所述圈闭空间位于油气井的井口密封
圈、水泥返高面，且位于所述套管外；所述压力释放装置包括：
能固定安装于所述套管外壁上的主体；所述主体设有通入所述套管内部的腔室；
所述主体上设有连通所述腔室与所述圈闭空间的过流通道；
设置于所述腔室内的弹性件、阀体及阀座；所述阀体在所述弹性件的作用下封堵
所述阀座；所述弹性件施加于所述阀体一初始开启压力；
所述阀体在所述圈闭空间内的压力大于所述初始开启压力时，所述阀体打开所述
阀座，从而使圈闭空间与所述套管内部连通；
所述阀体在所述圈闭空间内的压力小于所述初始开启压力时，所述阀体封堵所述
阀座，从而使圈闭空间与所述套管内部不连通。
作为一种优选的实施方式，所述弹性件的初始状态为压缩状态。
作为一种优选的实施方式，所述阀座设置于所述腔室的一端；所述阀座具有相背
对的第一端及第二端；
所述阀座的第一端的端面设有向第二端延伸的凹槽；所述过流通道与所述凹槽相
连通；
所述阀座设置有将所述凹槽的底部与第二端的端面之间贯穿的过流孔；所述阀体
能将所述过流孔封堵。
作为一种优选的实施方式，所述阀体包括封堵所述过流孔端部的阀球；所述阀球
的数量与所述过流孔的数量相等。
作为一种优选的实施方式，所述弹性件的一端顶抵所述腔室的另一端，所述弹性
件的另一端顶抵一压盖；所述压盖推动所述阀球封堵所述过流孔。
作为一种优选的实施方式，所述压盖与所述阀座的第二端之间设置有阀球限位垫
片；所述阀球限位垫片上设有限位所述阀球的限位通孔；所述限位通孔、所述阀球以及所述
过流孔一一对应设置。
作为一种优选的实施方式，所述弹性件套设于所述压盖远离所述阀座的一端。
作为一种优选的实施方式，所述弹性件远离所述阀座的一端连接有弹簧座。
作为一种优选的实施方式，所述弹性件的形变方向与所述腔室的长度方向相同。
作为一种优选的实施方式，所述弹性件为圆柱弹簧。
作为一种优选的实施方式，所述腔室内还设有调力机构；所述调力机构能够调节
所述初始开启压力的大小。
作为一种优选的实施方式，所述调力机构包括设置于所述弹性件与所述腔室的内
壁之间调整垫片；所述调整垫片的厚度可调。
作为一种优选的实施方式，所述过流通道远离所述腔室的一端设置有测试接口；
所述测试接口用于测量所述初始开启压力。
一种深水油气井的完井井身结构，包括：套管、井口密封圈；
所述套管外设有圈闭空间，所述圈闭空间位于所述井口密封圈与水泥返高面之
间；所述套管上设有套管通孔；所述圈闭空间内设置有如上任一实施方式所述的压力释放
装置；所述套管通孔通入所述压力释放装置的腔室。
作为一种优选的实施方式，所述压力释放装置的主体密封焊接在所述套管的外壁
上。
作为一种优选的实施方式，所述套管包括油层套管、中间套管；所述中间套管套设
于所述油层套管外；所述中间套管外套设有表层套管；
所述油层套管的外壁设置有所述压力释放装置；所述中间套管的外壁设置有所述
压力释放装置。
作为一种优选的实施方式，设置于所述中间套管上的压力释放装置的初始开启压
力大于设置于所述油层套管上的压力释放装置的初始开启压力3至5兆帕。
作为一种优选的实施方式，所述油层套管与所述中间套管之间圈闭空间内的流体
经所述压力释放装置仅能单向流入所述油层套管内；所述中间套管与所述表层套管之间圈
闭空间内的流体经所述压力释放装置仅能单向流入所述中间套管内。
作为一种优选的实施方式，所述压力释放装置的腔室的长度方向与所述套管的轴
向平行。
作为一种优选的实施方式，所述套管通孔与所述压力释放装置的阀体沿所述套管
的径向对齐。
作为一种优选的实施方式，所述压力释放装置能扶正所述套管。
通过以上描述可以看出，本发明提供的压力释放装置通过弹性件施加于阀体一初
始开启压力，使得圈闭空间中的流体只能单向释放因温度升高而产生的附加的热压力，并
在热压力释放后，阀体在弹性件的作用下迅速关闭，保证了深水油气井的井筒完整性。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原
理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权
利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多
个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并
不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
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本
发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根
据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种实施方式提供的深水油气井的完井井身结构示意图；
图2是图1中套管短节结构示意图；
图3是图2中的压力释放装置结构示意图；
图4是图3中部分压力释放装置结构的放大图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保
护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上
或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接
到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、
“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的
技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个
相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图4，为本发明一种实施方式提供的一种深水油气井套管圈闭空间5
的压力释放装置4结构示意图。如图1所示，所述圈闭空间5位于油气井的井口密封圈2、水泥
返高面3(完井浇筑的水泥返回至套管1内所形成的顶部表面)，且位于所述套管1外。
所述压力释放装置4包括：能固定安装于所述套管1外壁上的主体41；所述主体41
设有通入所述套管1内部的腔室410；所述主体41上设有连通所述腔室410与所述圈闭空间5
的过流通道46；设置于所述腔室410内的弹性件44、阀体42及阀座43；所述阀体42在所述弹
性件44的作用下封堵所述阀座43；所述弹性件44施加于所述阀体42一初始开启压力；所述
阀体42在所述圈闭空间5内的压力大于所述初始开启压力时，所述阀体42打开所述阀座43，
从而使圈闭空间5与所述套管1内部连通；所述阀体42在所述圈闭空间5内的压力小于所述
初始开启压力时，所述阀体42封堵所述阀座43，从而使圈闭空间5与所述套管1内部不连通。
当套管1圈闭空间5内的流体因温度升高产生附加压力到初始开启压力时，圈闭空
间5内的流体沿主体41的过流通道46进入阀座43，由于圈闭空间5的压力大于初始开启压
力，使得阀体42发生微小位移，这时，环空圈闭空间5内的部分流体将沿阀座43经腔室410进
入套管1的相对低压空间内，从而使得套管1内外达到压力平衡。当圈闭空间5内的流体压力
未达到阀体42的初始开启压力时，阀体42在弹性件44作用下始终处于关闭状态，从而阻断
了套管1内外空间的连通性。
通过以上描述可以看出，本实施方式提供的压力释放装置4通过弹性件44施加于
阀体42一初始开启压力，使得圈闭空间5中的流体只能单向释放因温度升高而产生的附加
的热压力，并在热压力释放后，阀体42在弹性件44的作用下迅速关闭，保证了深水油气井的
井筒完整性。
如图2、图3所示，在本实施方式中，主体41可以为压力释放装置4的壳体，其可以安
装于套管1的外壁上。主体41的形状可以具备多种，比如，主体41的形状可以为规则块体(矩
形块、管体等等)，也可以为不规则形状。为适应井下的高温高压环境，主体41的材质优选为
金属，比如主体41为钢质。同时，主体41可以焊接于套管1的外壁上，其中，主体41的外周边
均通过焊缝50连接套管1。
作为优选的，所述压力释放装置4能扶正所述套管1。具体的，所述压力释放装置4
的主体41的纵剖面为梯形；所述梯形的长边连接所述套管1，短边与所述长边相对。如图2所
示，在压力释放装置4安装于一套管短节1时，主体41的外缘面所在的外径为整个套管短节1
的最大外径，从而在套管1下井时对套管1进行扶正。具体的，沿套管1的周向可以设置有多
个压力释放装置4，多个压力释放装置4均匀分布在套管1的周向上。
主体41设有容纳阀体42及阀座43的腔室410。其中，阀体42可以在腔室410内动作。
本实施方式中对于腔室410的形状也并无限制，可以为圆柱形腔室410，也可以为环形腔室
410等等，其可以与主体41的形状相适应。
在本实施方式中，腔室410的长度方向可以与弹性件44的形变方向相一致。如图3
所示，腔室410的长度方向与套管1的轴向相平行，弹性件44可以在腔室410的长度方向伸
缩。在读者面对图3时，弹性件44为上下伸缩，腔室410的长度方向为上下方向；主体41的纵
剖面的长边与短边一左一右分布。
在本实施方式中，弹性件44的初始状态可以为拉伸状态，也可以为压缩状态，从而
向阀体42上施加一初始开启压力。为方便制造，所述弹性件44的初始状态为压缩状态。通过
控制弹性件44的压缩量可以控制阀体42的初始开启压力。
如图4所示，在本实施方式中，所述阀座43设置于所述腔室410的一端；所述阀座43
具有相背对的第一端(图4中的下端)及第二端(图4中的上端)；所述阀座43的第一端的端面
设有向第二端延伸的凹槽431；所述过流通道46与所述凹槽431相连通；所述阀座43设置有
将所述凹槽431的底部与第二端的端面之间贯穿的过流孔432；所述阀体42能将所述过流孔
432封堵。
如图4所示，所述腔室410的下端设有安装台阶，阀座43的第二端扩径形成阀座43
头。阀座43的第一端伸入安装台阶中，阀座43头被安装台阶顶抵。其中，阀座43头与安装台
阶之间设有密封圈2，以将阀座43与腔室410内壁之间密封。
阀座43的凹槽431通过过流通道46与圈闭空间5相通。其中，过流通道46设置于主
体41的下端。如图3所示，过流通道46为直线型流道。过流孔432设置于凹槽431的底部与第
二端的端面之间，其中，过流孔432将阀座43头贯穿。其中，过流孔432的孔径大小远远小于
凹槽431的孔径大小，从而能够限制过流孔432内流体的量，避免圈闭空间5过多的流体流入
套管1内，防止破坏深水油气井的井筒完整性。
在本实施方式中，所述阀体42包括封堵所述过流孔432端部的阀球42；所述阀球42
的数量与所述过流孔432的数量相等。当然，阀体42也可以为其他构造，比如锥形体、棱台等
等。
在本实施方式中，所述弹性件44的一端顶抵所述腔室410的另一端，所述弹性件44
的另一端顶抵一压盖45；所述压盖45推动所述阀球42封堵所述过流孔432。其中，过流孔432
及阀球42的数量在多个的情况下，通过压盖45可以将阀球42统一压紧在过流孔432的上端
(以读者面对图3时)。
为防止阀球42被顶开后的开度过大，而破坏井筒结构的完整性，所述压盖45与所
述阀座43的第二端之间设置有阀球限位垫片51片。所述阀球限位垫片51上设有限位所述阀
球42的限位通孔(未标示)。所述限位通孔、所述阀球42以及所述过流孔432一一对应设置。
其中，阀球42位于限位通孔中，该限位通孔可限制阀球42的活动度。在阀球42被圈
闭空间5的压力顶开移动一定距离后，该限位通孔可以限制阀球42继续上移；在泄去压力
后，压盖45在弹性件44的顶抵作用下将阀球42下压，重新将过流孔432重新封堵。
弹性件44的下端顶抵压盖45，另一端顶抵腔室410的上端。为防止压盖45与弹性件
44之间脱开，如图3所示，所述弹性件44套设于所述压盖45远离所述阀座43的一端。所述弹
性件44远离所述阀座43的一端连接有弹簧座47。
在本实施方式中，所述弹性件44的形变方向与所述腔室410的长度方向相同。所述
弹性件44优选为圆柱弹簧。当然，弹性件44还可以为塔形弹性、卷簧等等。
在本实施方式中，为提升压力释放装置4的适应场景能力，精确控制压力释放装置
4的开启时机，所述腔室410内还可以设有调力机构；所述调力机构能够调节所述初始开启
压力的大小。其中，调力机构可以通过调节弹性件44的初始压缩长度或初始拉伸长度来调
节所述初始开启压力。具体的，所述调力机构可以包括设置于所述弹性件44与所述腔室410
的内壁之间调整垫片48；所述调整垫片48的厚度可调。如图3所示，调整垫片48设置于弹簧
座47与腔室410的内壁之间。
所述过流通道46远离所述腔室410的一端设置有测试接口49；所述测试接口49用
于测量所述初始开启压力。其中，所述测试接口49可以连接测试仪器，测试仪器经过过流通
道46向腔室410内打压，测试阀体42是否过早开启或过晚开启，从而测试压力释放装置4的
初始开启压力是否为设定值。在测试到初始开启压力不准确时，通过上述调力机构调节弹
簧的初始状态即可。
请参阅图1至图4，本发明另一种实施方式还提供一种深水油气井的完井井身结
构，该深水油气井的完井井身结构包括：套管1、井口密封圈2；所述套管1外设有圈闭空间5，
所述圈闭空间5位于所述井口密封圈2与水泥返高面3之间；所述套管1上设有套管通孔10；
所述圈闭空间5内设置有上任一实施方式所述的压力释放装置4；所述套管通孔10通入所述
压力释放装置4的腔室410。
在本实施方式中，压力释放装置4的形状、构造及其功能均可以参阅上述实施方式
中的压力释放装置4，本实施方式中不再一一赘述。
在本实施方式中，压力释放装置4可以通过螺栓连接的方式(中间设置密封垫)安
装在套管1上，也可以通过铆接等其他方式。优选的，所述压力释放装置4的主体41密封焊接
在所述套管1的外壁上。其中，所述套管通孔10与所述压力释放装置4的阀体42沿所述套管1
的径向对齐。
所述套管1包括油层套管11、中间套管12。所述中间套管12套设于所述油层套管11
外。所述中间套管12外套设有表层套管15。所述油层套管11的外壁设置有所述压力释放装
置4。所述中间套管12的外壁设置有所述压力释放装置4。
其中，所述油层套管11与所述中间套管12之间圈闭空间内的流体经所述压力释放
装置4仅能单向流入所述油层套管11内。所述中间套管12与所述表层套管15之间圈闭空间
内的流体经所述压力释放装置4仅能单向流入所述中间套管12内。
在本实施方式中，设置于所述中间套管12上的压力释放装置4的初始开启压力大
于设置于所述油层套管11上的压力释放装置4的初始开启压力。具体的，设置于所述中间套
管12上的压力释放装置4的初始开启压力大于设置于所述油层套管11上的压力释放装置4
的初始开启压力3至5兆帕。例如，设置于所述中间套管12上的压力释放装置4的初始开启压
力为55兆帕；设置于所述油层套管11上的压力释放装置4的初始开启压力为50兆帕。
承接上一实施方式的描述，所述压力释放装置4能扶正所述套管1。其中，所述压力
释放装置4的主体41的纵剖面为梯形；所述梯形的长边连接所述套管1，短边与所述长边相
对。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和
上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如
果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20
到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到
68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。
这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能
组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用
的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约
30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结
合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实
质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或
“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件
或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何
属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选
地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来
描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件
或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描
述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易
见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这
些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专
利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的
任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的
发明主题的一部分。