一种微量橡胶密封式可溶桥塞
阅读说明：本技术 一种微量橡胶密封式可溶桥塞 (Trace rubber sealed soluble bridge plug ) 是由 杨超 曾斌 杨敏 丁兵 陈霖 刘涛 于 2021-02-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微量橡胶密封式可溶桥塞,包括由可溶材料制作而成的芯轴,所述芯轴上依次设有推力环、上卡瓦、锥体、下卡瓦、引鞋,所述锥体与所述芯轴之间设有单向锁定结构,所述单向锁定结构的锁定方向为沿芯轴轴向且远离引鞋方向,所述锥体包括第一锥面和第二锥面,所述上卡瓦靠近所述锥体的一端设有与所述第一锥面匹配的锥形面内表面一,所述下卡瓦靠近所述锥体的一端设有与所述第二锥面匹配的锥形内表面二,所述第二锥面上依次套设有胶环上保护环、胶环、胶环下保护环,所述胶环下保护环与所述下卡瓦的上端面相连,所述胶环的长度根据工况液体压强进行确定。本发明总体长度短,橡胶用量少,能够缩短桥塞溶解时间。(The invention discloses a trace rubber sealed soluble bridge plug, which comprises a mandrel made of soluble material, the mandrel is sequentially provided with a thrust ring, an upper slip, a cone, a lower slip and a guide shoe, a one-way locking structure is arranged between the cone and the mandrel, the locking direction of the one-way locking structure is along the axial direction of the mandrel and is far away from the direction of the guide shoe, the cone comprises a first conical surface and a second conical surface, one end of the upper slip close to the cone is provided with a first conical surface inner surface matched with the first conical surface, one end of the lower slip close to the cone is provided with a second conical inner surface matched with the second conical surface, the second conical surface is sequentially sleeved with an upper rubber ring protection ring, a rubber ring and a lower rubber ring protection ring, the lower rubber ring protection ring is connected with the upper end face of the lower slip, and the length of the rubber ring is determined according to the working condition liquid pressure. The invention has short overall length and less rubber consumption, and can shorten the dissolving time of the bridge plug.)
技术领域
本发明涉及桥塞技术领域，特别涉及一种微量橡胶密封式可溶桥塞。
背景技术
可溶桥塞是一直常用的分段压裂工具，结构主要由芯轴、卡瓦锚定系统、胶筒密封系统和引鞋组成，用电缆或连续油管下到井筒套管设计位置，通过火药爆炸产生的推力或液压作用挤压胶筒，使胶筒压缩膨胀，同时带动锥体下移，使卡瓦受力撑开，咬住套管。胶筒进一步挤压膨胀并密封整个套管，桥塞完成坐封。当推力达到丢手销钉剪切值时，销钉剪断，桥塞丢手。
可溶桥塞由可溶的镁铝合金材料和可溶的胶筒组成，当桥塞与水接触时，镁铝材料会与水发生电化学反应，从而达到溶解的目的，可溶胶筒在高温的水溶液中也会发生降解。但目前可溶桥塞的溶解性能并不理想，溶解本体溶解不彻底，仍有较多残留不溶物，溶解物不易返排，而且溶解的时间也较长。尤其是胶筒，其溶解只与温度有关，受矿化度影响不大，是可溶桥塞最难溶的部件。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种微量橡胶密封式可溶桥塞，能够提高桥塞的溶解性。
本发明的技术方案如下：
一种微量橡胶密封式可溶桥塞，包括由可溶材料制作而成的芯轴，所述芯轴上依次设有推力环、上卡瓦、锥体、下卡瓦、引鞋，所述锥体与所述芯轴之间设有单向锁定结构，所述单向锁定结构的锁定方向为沿芯轴轴向且远离引鞋方向，所述锥体包括第一锥面和第二锥面，所述上卡瓦靠近所述锥体的一端设有与所述第一锥面匹配的锥形面内表面一，所述下卡瓦靠近所述锥体的一端设有与所述第二锥面匹配的锥形内表面二，所述第二锥面上依次套设有胶环上保护环、胶环、胶环下保护环，所述胶环下保护环与所述下卡瓦的上端面相连，所述胶环的长度根据工况液体压强进行确定。
作为优选，所述胶环的长度具体通过下式进行确定：
式中：L为胶环的长度，mm；P为液体压强，MPa；ρ为胶环密度，g/cm3；S为套管内径横截面积，mm2。
作为优选，所述胶环由橡胶和单晶单质材料制成。
作为优选，所述单晶单质材料占所述胶环总质量的3-8％。
作为优选，所述单晶单质材料采用石墨烯。
作为优选，所述胶环上保护环包括第一保护环和第二保护环，所述第一保护环上设有第一开口，与所述第一开口对称的第一保护环的下表面设有第一凸起，所述第一保护环的下表面中心设有第一凸缘，所述第一凸缘的凸出高度小于所述第一凸起的凸出高度且小于所述第二保护环的厚度；所述第二保护环上设有与所述第一凸起相匹配的第二开口，与所述第二开口对称的第二保护环的上表面设有与所述第一开口匹配的第二凸起，所述第二保护环的上表面中心设有与所述第一凸缘匹配的第一凹槽。
作为优选，所述第一凸起的高度为所述第二保护环的厚度，所述第二凸起的高度为所述第一保护环的厚度。
作为优选，所述胶环下保护环包括第三保护环和第四保护环，所述第三保护环上设有第三开口，与所述第三开口对称的第三保护环的下表面设有第三凸起，所述第三保护环的下表面中心设有第三凸缘，所述第三凸缘的高度小于所述第三凸起的高度且小于所述第四保护环的厚度；所述第四保护环上设有与所述第三凸起匹配的第四开口，与所述第四开口对称的第四保护环的上表面设有与所述第三开口匹配的第四凸起，与所述第四开口对称的第四保护环的下表面设有第五凸起，所述第四保护环的上表面中心设有与所述第三凸缘匹配的第二凹槽，所述第四保护环的下表面中心设有第四凸缘。
作为优选，所述第三凸起的高度为所述第四保护环的厚度，所述第四凸起的高度为所述第三保护环的厚度。
作为优选，所述下卡瓦的上表面设有与所述第四凸缘匹配的第三凹槽，所述下卡瓦的导向槽宽度与所述第五凸起的宽度相匹配。
本发明的有益效果是：
本发明相比于现有桥塞，其总长度和总质量均有所下降，另外橡胶由现有技术的胶筒替换为本发明的胶环，其长度和质量也均有所下降，使得本发明的溶解时间总体缩短，不溶物比例下降，溶解性能提升。
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，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明微量橡胶密封式可溶桥塞的结构示意图；
图2为本发明微量橡胶密封式可溶桥塞的剖面结构示意图；
图3为本发明微量橡胶密封式可溶桥塞胶环上保护环第一保护环的下表面结构示意图；
图4为本发明微量橡胶密封式可溶桥塞胶环上保护环第二保护环的上表面结构示意图；
图5为本发明微量橡胶密封式可溶桥塞胶环下保护环第三保护环的下表面结构示意图；
图6为本发明微量橡胶密封式可溶桥塞胶环下保护环第四保护环的上表面结构示意图；
图7为本发明微量橡胶密封式可溶桥塞胶环下保护环第四保护环的下表面结构示意图；
图8为本发明微量橡胶密封式可溶桥塞下卡瓦的一个实施例结构示意图；
图9为本发明微量橡胶密封式可溶桥塞单向锁定结构的一个实施例结构示意图。
图中标号：1-芯轴、2-推力环、3-上卡瓦、4-锥体、5-胶环上保护环、510-第一保护环、511-第一开口、512-第一凸起、513-第一凸缘520-第二保护环、521-第二开口、522-第二凸起、523-第一凹槽、6-胶环、7-胶环下保护环、730-第三保护环、731-第三开口、732-第三凸起、733-第三凸缘、740-第四保护环、741-第四开口、742-第四凸起、743-第五凸起、744-第二凹槽、745-第四凸缘、8-下卡瓦、801-第三凹槽、802-导向槽、9-引鞋、10-单向锁定结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语；使用的术语中“上”、“下”、“左”、“右”等通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言；同样地，为便于理解和描述，“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。但上述方位词并不用于限制本发明。
如图1-9所示，本发明提供一种微量橡胶密封式可溶桥塞，包括由可溶材料制作而成的芯轴1，所述芯轴1上依次设有推力环2、上卡瓦3、锥体4、下卡瓦8、引鞋9，所述锥体4与所述芯轴1之间设有单向锁定结构10，所述单向锁定结构10的锁定方向为沿芯轴1轴向且远离引鞋9方向，所述锥体4包括第一锥面和第二锥面，所述上卡瓦3靠近所述锥体4的一端设有与所述第一锥面匹配的锥形面内表面一，所述下卡瓦8靠近所述锥体4的一端设有与所述第二锥面匹配的锥形内表面二，所述第二锥面上依次套设有胶环上保护环5、胶环6、胶环下保护环7，所述胶环下保护环7与所述下卡瓦8的上端面相连，所述胶环6的长度根据工况液体压强进行确定。
本发明的胶环密封原理如下：分段压裂坐封工具施加一定的压力推动推力环2，随着压力不断增大，锥体4向下移动撑开胶环上保护环5、胶环6、胶环下保护环7、下卡瓦8，使胶环6紧贴套管内壁，实现密封。其中的胶环上保护环5和胶环下保护环7能够使橡胶流失更少，用更少的橡胶可以起到密封作用。
在一个具体的实施例中，所述胶环6的长度具体通过下式进行确定：
式中：L为胶环的长度，mm；P为液体压强，MPa；ρ为胶环密度，g/cm3；S为套管内径横截面积，mm2。
所述套管内径横截面积即为胶环密封时的横截面积；且在本实施例中，胶环长度取L的最小值，即Lmin＝L/ρS。需要说明的是，胶环长度L越接近Lmin，胶环用量越少，溶解时间越短，当然L也可以比Lmin大，具体胶环长度可根据溶解时间需求进行确定。
在一个具体的实施例中，所述胶环6由橡胶和单晶单质材料制成，所述单晶单质材料占所述胶环6总质量的3-8％。可选地，所述单晶单质材料采用片状石墨烯。
在一个具体的实施例中，所述片状石墨烯占胶环6总质量的5％，在本实施例中的胶环性能测试结果如表1所示：
表1胶环性能测试结果
性能
纯橡胶
本实施例胶环(橡胶+5％石墨烯)
提高率
伸长率(％)
267
317
18.73％
机械力(MPa)
22.7
24.8
9.25％
弹性(cm)
5.5
11.1
101.82％
溶解时间(天)
10
7
30.00％
根据表1的性能测试结果可知，本发明添加石墨烯的胶环其伸长率、机械力、弹性、溶解性等均有所提升，能够有效解决现有技术中橡胶难溶的问题。
在一个具体的实施例中，所述胶环上保护环5包括第一保护环510和第二保护环520，所述第一保护环510上设有第一开口511，与所述第一开口511对称的第一保护环510的下表面设有第一凸起512，所述第一保护环510的下表面中心设有第一凸缘513，所述第一凸缘513的凸出高度小于所述第一凸起512的凸出高度且小于所述第二保护环520的厚度；所述第二保护环520上设有与所述第一凸起512相匹配的第二开口521，与所述第二开口521对称的第二保护环520的上表面设有与所述第一开口511匹配的第二凸起522，所述第二保护环520的上表面中心设有与所述第一凸缘513匹配的第一凹槽523。
所述胶环下保护环7包括第三保护环730和第四保护环740，所述第三保护环730上设有第三开口731，与所述第三开口731对称的第三保护环730的下表面设有第三凸起732，所述第三保护环730的下表面中心设有第三凸缘733，所述第三凸缘733的高度小于所述第三凸起732的高度且小于所述第四保护环740的厚度；所述第四保护环740上设有与所述第三凸起732匹配的第四开口741，与所述第四开口741对称的第四保护环740的上表面设有与所述第三开口731匹配的第四凸起742，与所述第四开口741对称的第四保护环740的下表面设有第五凸起743，所述第四保护环740的上表面中心设有与所述第三凸缘733匹配的第二凹槽744，所述第四保护环740的下表面中心设有第四凸缘745。
可选地，所述第一凸起512的高度为所述第二保护环520的厚度，所述第二凸起522的高度为所述第一保护环510的厚度。所述第三凸起732的高度为所述第四保护环740的厚度，所述第四凸起742的高度为所述第三保护环730的厚度。
可选地，所述第一保护环510、第二保护环520、第三保护环730、第四保护环740的厚度均相同。
可选地，所述第一开口511与所述第三凸起732在同一轴线上。
在一个具体的实施例中，所述下卡瓦8的上表面设有与所述第四凸缘745匹配的第三凹槽801，所述下卡瓦8的导向槽802的宽度与所述第五凸起743的宽度相匹配。
在一个具体的实施例中，所述上卡瓦3和所述下卡瓦8均为整体式结构，且在整体式上均分为8瓣，所述上卡瓦3每瓣均匀分布三颗卡瓦齿(图中未示出)，所述下卡瓦8每瓣均匀分布4颗卡瓦齿。可选地，所述卡瓦齿外表面涂有硬质涂层，所述上卡瓦齿和所述下卡瓦齿采用圆柱形合金颗粒或圆柱形陶瓷颗粒。
在一个具体的实施例中，引鞋9外表面设有多个防磨齿(图中未示出)，所述防磨齿在引鞋9径向上均匀分布形成双排，且双排的防磨齿错位分布。
在一个具体的实施例中，所述单向锁定结构10包括位于所述锥体4与所述芯轴1之间的锁环，所述锁环与所述锥体4的接触面上设有相互配合的卡齿。
在一个具体的实施例中，所述锥体4与所述芯轴1之间设有橡胶密封圈(图中未示出)，可选地，所述橡胶密封圈设置两个。所述橡胶密封圈能够使得锥体4与芯轴1之间紧贴密封，防止坐封后水溶液从套管内壁和芯轴表面渗漏。
在一个具体的实施例中，所述锥体4的第一锥面与所述第二锥面共用同一个端面。在另一个具体的实施例中，所述锥体4的第一锥面的下表面与柱体的上端面相连，所述第二锥面的上表面与所述柱体的下端面相连。
在一个具体的实施例中，所述微量橡胶密封式可溶桥塞的总体长度为360.1mm，总体质量为3300g，其中芯轴1的内径为35mm、外径为48mm、顶部外径为70mm、长度为327.6mm；推力环2的外径为98mm；上卡瓦3外径为92mm、长度为51mm；锥体4的最大外径为98mm、长度为141.7mm；下卡瓦8的外径为92mm、长度为85mm；引鞋9外径较小的一端为63.4mm、较大的一端为98mm；胶环6长度14mm、质量为50g。本实施例的桥塞坐封丢手力为10-15t，胶环密封耐压压力为70MPa，陶瓷粒子设置24颗(7mm)。本实施例的桥塞本体溶解时间为3天，胶环溶解时间为6天，不溶物比例小于1％。相比于现有技术的桥塞本体溶解时间8-10天，胶筒溶解时间10-12天，不溶物比例2％，本发明的溶解性能整体提升50％以上，与现有技术相比，具有显著的进步。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
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