具体实施方式

下面将结合说明书附图来对本发明作进一步的描述。在下文中，方向性用语“下”、“下游”、“向下”等指的是远离井口的方向，而“上”、“上游”、“向上”等指的是朝向井口的方向。

图1显示了根据本发明的分级注水泥装置的结构示意图。在这一具体实施例中，该分级注水泥装置是膨胀封隔式分级注水泥装置10。

如图1所示，膨胀封隔式分级注水泥装置10包括中空的圆柱形本体100。本体100包括形成在其中的内腔110、贯穿过本体的壁的循环孔120，以及与内腔110连通但不贯穿本体壁的进液孔130(见图2)。在本体100的上游端连接有上接头140，用于连接套管的其它部件。进液孔130设置在循环孔120的下游。循环孔120是用于二级固井的循环孔，其功能是本领域所熟知的，这里不再详细介绍。进液孔130的功能将在下文中详细介绍。

根据本发明，在膨胀封隔式分级注水泥装置10的圆柱形本体100内设置有打开组件300，其包括布置在本体100内的打开套310，以及布置在打开套310内的打开座320。其中，在如图1所示的初始状态下，打开套310通过第一剪切销180与本体100连接，并覆盖了循环孔120。而如图2所示，打开座320则通过第二剪切销182与打开套310连接，并覆盖了进液孔130。在图1和2所显示的实施例中，第一剪切销180设置在循环孔120的下游，但处于第二剪切销182的上游。其中，第一剪切销180的剪切应力设置成大于第二剪切销182的剪切应力，即，第二剪切销182会先于第一剪切销180被剪断。

在本文中，用语“初始状态”也称为“第一状态”，即在一级固井之后、二级固井之前的状态。图1到3显示的均为处于初始状态下的分级注水泥装置10。

另外，根据本发明的一个实施例，打开组件300还可以包括承接座330。如图2更清楚地所示，承接座330例如通过螺纹固定在打开套310内，优选地设置在打开套310的下游端。承接座330用于承接向下运动的打开座320，即，限定打开座320的向下运动的行程。打开座320的这一向下运动将在下文中详细描述。

如图1所示，根据本发明，膨胀封隔式分级注水泥装置100还包括封隔器200，其设置在圆柱形本体100的下游。封隔器200包括封隔阀体210，其例如通过螺纹接合而固定地连接到本体100的下游端。封隔阀体210例如为圆柱体结构，其内壁上设有台阶215。封隔器200还包括例如固定连接到封隔阀体210的下游端处的基管250，以及设置在基管250的外侧的胶筒220。在图示实施例中，基管250的上游端伸入到封隔阀体210的内腔中，并通过螺纹与封隔阀体210的下游端连接。在胶筒220的下游端设有下接头270。下接头270和固定于其上的短套管272一起用于连接后续的工具。

如图2所示，封隔阀体210包括在其内沿轴向延伸的流道230，其与本体100中的进液孔130连通(图2的剖面中未示出具体的连通细节)。流道230轴向地贯穿过封隔阀体210而延伸。另外，如图1所示，胶筒220包括与流道230连通的容液腔240。容液腔240同样可形成为在胶筒230内沿轴向延伸。在一个备选实施例中，容液腔240可由基管250和胶筒230之间的间隙形成。此外，在胶筒230的外部设置有两个彼此分开的支撑套260。其中，处于上游的第一支撑套260与封隔阀体210相连，而处于下游的第二支撑套260与下接头270相连。这两个支撑套260可用于限制胶筒220发生膨胀的轴向位置。即，胶筒220的处于两个支撑套260之间的部分能够向外膨胀。

在胶筒230内的容液腔240中填充有促进剂。该促进剂是一种能够与膨胀液(其例如为顶替液的一部分，优选为液态的环氧树脂)均匀混合并固化的液体，从而实现胶筒220的二次膨胀，这将在下文中详细说明。本领域的技术人员能够根据具体使用的膨胀液而容易地选择促进剂的类型。另外，通过在促进剂中添加必要的成分，可以控制促进剂与膨胀液发生反应的时间，即，让促进剂与膨胀液在预定的时间发生反应，从而在预定的时间实现胶筒的二次膨胀。

根据本发明的一个实施例，胶筒220由吸烃膨胀橡胶加工而成，其遇烃可持续膨胀，同时能够满足一次和二次扩张胀封的性能要求。

此外，如图1所示，在本体100内，在打开套310的上游处还设有关闭套450。在初始状态下，关闭套450直接与打开套310抵接，并通过第三剪切销184与本体100连接。在关闭套450的上端设有关闭座460。在一个优选的实施例中，如图5所示，在关闭套450的外壁上设有卡簧462，而在本体100的内壁上设有能够与卡簧462配合的卡簧槽118。关闭套450和关闭座460以及卡簧462和卡簧槽118的具体功能将在下方中介绍。

如图1和2所示，在初始状态下，打开组件300的打开套310通过第一剪切销180与本体100连接，并覆盖了循环孔120。同时，打开组件300的打开座320则通过第二剪切销182与打开套310连接，并覆盖了进液孔130。此时，本体100的内腔110与封隔器200的封隔阀体210内的流道230不连通。这样，在一级固井替浆过程中进入到本体100的内腔110内的顶替液无法进入到封隔器200的封隔阀体210内的流道230内，使得顶替液与容液腔240中的促进剂物理隔离。

如图3所示，当在根据本发明的膨胀封隔式分级注水泥装置100中投入如图6所示的打开工具400时，打开工具400在下行过程中与打开座320接合，从而封堵住本体100的内腔110。通过在本体100中进行憋压(其在本文中称为“一次憋压”)，使得第二剪切销182剪断。在这种情况下，打开工具400连同打开座320一起向下运动，直到打开座320抵接在承接座330上为止。此时，由于打开座320的向下运动，进液孔130不再被打开座320挡住，从而与内腔110连通。这样，内腔110中的顶替液就能够经进液孔130和封隔阀体210内的流道230进入到胶筒220内的容液腔240中。在膨胀液的液压力的作用下，胶筒220发生膨胀(即，初次膨胀)而与井壁贴合，将环空隔离成上、下两个部分。

之后，继续在本体100中进行憋压(其在本文中称为“二次憋压”)，使得第一剪切销180剪断。在这种情况下，打开套310能够相对于本体100向下运动，直到其抵接在封隔阀体210的台阶215上为止，如图4所示。此时，循环孔120露出，而进液孔130被向下运动的打开套310再次挡住，从而又切断了其与内腔110连通。在这种情况下，可以进行二级固井操作。

在二级循环及固井过程中，膨胀液会和促进剂均匀混合，并与胶筒220固化为一体。在这种情况下，可以实现胶筒220的二次膨胀。此时，可以下入如图7所示的关闭工具410并进行替浆。如图5所示，当关闭工具410下落到关闭座460上并形成密封时，关闭座460的上部形成密闭的容腔。此时在本体100中进行憋压(其在本文中称为“三次憋压”)，使得第三剪切销184剪断。这样，关闭套450相对于主体110下行，并再次关闭了循环孔120。在这一位置下，设置在关闭套450的外壁上的卡簧462进入到设置在本体100的内壁上的卡簧槽118中。通过卡簧462和卡簧槽118的接合，能够防止关闭套450的倒退运动，从而实现了循环孔120的永久性关闭。

在二级固井结束后，在生产过程如果有油、气等烃类介质进入到环空时，由吸烃膨胀橡胶制成的胶筒220会吸收来自井内的烃类介质而继续膨胀(即三次膨胀)，填补微小间隙，阻止油气水上窜，避免环空带压问题。

如上所述，根据本发明的分级注水泥装置100，封隔器200不受管内压力的影响。必须要下入打开工具400才能打开注液通道，因而避免了因管内压力而造成的误打开操作。其次，在注液通道打开后，顶替液进入到胶筒220的容液腔240内，通过膨胀液的液压力实现封隔器的初次胀封而封隔环空。这样，在循环孔120打开后，液柱压力得以降低，从而减少了一级水泥浆的漏失，并阻止了二次水泥的漏失，提高了固井质量。第三，封隔器200内置的促进剂会与顶替液发生化学反应，短时间内实现固化，并与胶筒220形成为一体。这样，在固化后，胶筒220的体积不会收缩而是微膨胀，实现了封隔器200的二次膨胀。因此，可以避免胶筒220的老化损坏而使液体流出，最终导致封隔器200失效。第四，封隔器200的胶筒220采用遇烃膨胀橡胶制备，其在之前扩张的基础上，还能够在遇到储层中的气或油等烃类介质继续膨胀(即三次膨胀)，填补微小间隙，进一步提高了封隔器的长久密封能力。

在本实施例中虽然已经参考优选地对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，在不存在结构冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。