一種全壓結構大通徑漂浮接箍的製作方法
2023-05-08 16:42:13 3
1.本發明涉及油田大位移水平井漂浮下套管技術領域，具體涉及一種全壓結構大通徑漂浮接箍。
背景技術：
2.漂浮接箍安裝在套管串中起到臨時堵塞的作用。漂浮接箍下部和浮箍之間的套管就是漂浮段，漂浮段內是空氣或低密度鑽井液，漂浮接箍上部套管灌泥漿。在套管外鑽井液浮力的作用下，漂浮段套管在水平段會減小對井壁的正壓力，從而減小套管下入過程中的摩阻，有助於大位移水平井套管順利下入。
3.目前，漂浮接箍主要有滑套式漂浮接箍和破碎式漂浮接箍兩種。滑套式漂浮接箍主要由本體、內外滑套、銷釘和密封圈等組成。外滑套與本體、外滑套與內化套通過銷釘連接。下套管完成後，需要套管內憋壓剪斷金屬銷釘，實現套管內循環。滑套式漂浮接箍內部部件需要運動到井底，在套管內受阻受卡的影響因素多，存在卡阻事故風險。
4.破碎式漂浮接箍由接頭本體、環形套以及鋼化玻璃的平面盲板組成。下完套管後，通過憋壓使鋼化玻璃的盲板破碎成小顆粒，形成套管正常通徑。但是鋼化玻璃的破碎式漂浮接箍，平面盲板破碎顆粒大，破碎不完全，通徑難保證。
技術實現要素：
5.本發明提供一種全壓結構大通徑漂浮接箍，用以解決現有技術中，平面盲板破碎顆粒大，破碎不完全，通徑難保證的問題。
6.本發明提供一種全壓結構大通徑漂浮接箍，包括：相互套裝的第一接管和第二接管，所述第二接管位於第一接管的下方，還包括：
7.內臺階孔，開設在第二接管的內壁；
8.密封墊環，安裝在內臺階孔內；
9.盲板，為扁球殼結構，安裝在密封墊環的上方，所述盲板的端面與密封墊環的頂面相抵；
10.壓緊環，其側壁與第二接管的內壁螺紋連接，所述壓緊環的底面緊貼盲板的端面。
11.優選地，所述盲板端面的延長線過盲板的球心，所述盲板端面的延長線與水平線的夾角為θ。
12.優選地，所述密封墊環的縱截面為直角梯形，直角梯形的斜邊與水平線的夾角與θ的角度一致。
13.優選地，所述壓緊環裝配盲板的軸向預緊力為f0，θ範圍的計算方法如下：
14.d1、預緊壓點在盲板與壓緊環接觸的周向，則預緊壓面為內徑周長2πr與壓緊面弧長c的乘積，即2πcr；
15.d2、在不計摩擦係數的條件下，則軸向預緊力f0在預緊壓點產生的法向載荷n與壓應力σ分別為：
16.n＝f0/sinθ；
[0017][0018]
d3、根據壓縮強度準則，預緊壓點的壓應力不超過盲板材料的破壞強度，可以確定盲板端面的延長線與水平線的夾角θ範圍為：
[0019][0020]
其中，σb為盲板材料的破壞強度。
[0021]
優選地，所述θ的範圍為0
°‑
75
°
。
[0022]
優選地，還包括：
[0023]
兩個止退螺栓，對稱設置，其一端由左至右依次穿過第二接管、第一接管的側壁後與第一接管固定。
[0024]
優選地，還包括：
[0025]
環形槽，沿第一接管的周向開設；
[0026]
密封圈，套裝在環形槽內。
[0027]
優選地，所述盲板的內、外球半徑sr0和sr1計算方法如下：
[0028]
s1、已知套管的通徑為2r，則盲板的內球半徑sr0為：
[0029]
sr0＝r/cosθ；
[0030]
s2、應用莫爾準則可知，盲板的外球半徑sr1為：
[0031][0032]
其中，p為暫堵壓力，σ
cb
為盲板材料壓縮破壞強度的期望值；
[0033]
s3、當盲板的承壓可靠性達到99.7％時，盲板的外球半徑sr1表達式如下：
[0034][0035]
其中，δ為標準差。
[0036]
與現有技術相比，本發明公開一種全壓結構大通徑漂浮接箍，其有益效果是：
[0037]
本裝置的盲板為扁球殼的結構，區別與半球殼，扁球殼結構反向承壓能力更強，承壓更為穩定，破碎時產生的粒度更小，破碎後在密封墊環上基本無殘留物，破碎後的顆粒物可以隨鑽進液循環出井筒，不存在卡阻事故風險。本裝置在使用時，將密封墊環、盲板以及壓緊環安裝在第二接管內，然後安裝好第一接管和第二接管，安裝好後的兩端連接在水平井段的套管串上，暫堵管內泥漿，降低第二接管時的水平井段摩擦阻力。第二接管到位後，再通過井口加壓擊碎盲板。其中第一接管和第二接管連接後的內通徑與連接套管的內通徑基本一致，屬於大通徑，壓緊環、密封墊環的內徑以及盲板的內球徑都與套管的內通徑一致，且在靜水壓力下，盲板的表面全部處於壓應力狀態，以實現在破碎盲板時，可以完全破碎，達到全通徑，同時實現破碎顆粒尺寸毫米級，可以在套管內外建立循環通道，實施後續固井作業。此外，盲板採用脆性材料，便於破碎，密封墊環為金屬複合橡膠的材質。本發明可以實現完全破碎，達到全通徑，便於後續固井作業，保證了破碎的結構可靠性。
附圖說明
[0038]
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0039]
圖1為本發明的結構示意圖；
[0040]
圖2為本發明盲板的結構示意圖；
[0041]
圖3為本發明第二接管的剖視圖；
[0042]
圖4為本發明第一接管的剖視圖；
[0043]
圖5為本發明密封墊環的剖視圖；
[0044]
圖6為本發明壓緊環的剖視圖。
[0045]
圖中各個標號含義：1—第二接管，2—密封墊環，3—盲板，4—壓緊環，5—密封圈，6—止退螺栓，7—第一接管，21—密封墊環2的縱截面，22—密封墊環2的頂面與底面。
具體實施方式
[0046]
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0047]
本發明實施例提供一種全壓結構大通徑漂浮接箍如圖1所示，包括：相互套裝的第一接管7和第二接管1，所述第二接管1位於第一接管7的下方，第一接管7下端側壁設有外螺紋，第二接管1上端內壁設有內螺紋，安裝時將第一接管7與第二接管1螺紋旋緊，本裝置是連接在套管串上的一根短接，因此在結構設計中第一接管7和第二接管1要求留有套管標準螺紋的連接接口，如圖1所示的1:16錐面lc扣型，其中第一接管7上留有母扣接口，第二接管1上留有公扣接口。
[0048]
還包括：內臺階孔、密封墊環2、盲板3、壓緊環4。如圖3所示，內臺階孔開設在第二接管1的內壁；密封墊環2安裝在內臺階孔內；盲板3為扁球殼結構，區別與半球殼，扁球殼結構反向承壓能力更強，承壓更為穩定，破碎時產生的粒度更小，破碎後在密封墊環上基本無殘留物，破碎後的顆粒物可以隨鑽進液循環出井筒，安裝在密封墊環2的上方，所述盲板3的端面與密封墊環2的頂面相抵，盲板3和密封墊環2是壓緊配合結構，夠成靜水壓力下扁球殼盲板3的全壓應力狀態，以及密封墊環2的密封支撐邊界條件；如圖6所示，壓緊環4的側壁設有外螺紋與第二接管1內壁的內螺紋螺紋連接，所述壓緊環4的底面緊貼盲板3的端面，旋動壓緊環4直至使壓緊環4的底面壓緊盲板3的端面。本裝置在使用時，將密封墊環2、盲板3以及壓緊環4安裝在第二接管1內，然後安裝好第一接管7和第二接管1，安裝好後的兩端連接在水平井段的套管串上，暫堵管內泥漿，降低第二接管1時的水平井段摩擦阻力。第二接管1到位後，再通過井口加壓擊碎盲板3。其中第一接管7和第二接管1連接後的內通徑與連接套管的內通徑基本一致，屬於大通徑，壓緊環4、密封墊環2的內徑以及盲板3的內球徑都與套管的內通徑一致，且在靜水壓力下，盲板3的表面全部處於壓應力狀態，以實現在破碎盲板3時，可以完全破碎，達到全通徑，同時實現破碎顆粒尺寸毫米級，可以在套管內外建立循環
通道，實施後續固井作業。此外，盲板3採用脆性材料，便於破碎，密封墊環2為金屬複合橡膠的材質。
[0049]
所述的第二接管1是根據套管內通徑2r設計第二接管最小內徑2r，也就是第二接管的通徑。管內依次有密封止口、內螺紋、內臺階和通徑孔；管外有止退臺階孔和套管標準的外螺紋，如圖3所示；第二接管外圓直徑大於配套套管的外徑10mm～30mm。(大通徑漂浮接箍在實際使用時要與配套的套管對接，形成套管串安裝在水平井內，第二接管外圓直徑大於套管的外徑10mm～30mm，以確保第二接管有足夠的強度。)
[0050]
所述的第一接管7是根據套管內通徑2r設計第一接管最小內徑2r，也就是第一接管的通徑。管內有套管標準的內螺紋和通徑孔；管外依次有管外圓軸、外臺階軸、止退盲孔、兩道密封槽和外螺紋，外螺紋與第二接管1的內螺紋配合，如圖4所示；外圓直徑大於配套套管的外徑0～10mm。(同理，在實際使用時第一接管外圓直徑大於套管的外徑0mm～10mm，以確保第一接管有足夠的強度。)
[0051]
進一步的，如圖2所示，所述盲板3端面的延長線過盲板3的球心，所述盲板3端面的延長線與水平線的夾角為θ。
[0052]
進一步的，所述密封墊環2的縱截面為直角梯形，直角梯形的斜邊與水平線的夾角與θ的角度一致。如圖5所示，21為密封墊環2的縱截面；22為密封墊環2的頂面與底面，其材質為硫化密封橡膠敷層。
[0053]
進一步的，所述壓緊環4裝配盲板3的軸向預緊力為f0，用於支撐一定的反向壓力的風險設計(否則當鑽井液從第二接管下方進入，對盲板作用反向壓力時，起不到暫堵的作用)，θ範圍的計算方法如下：
[0054]
d1、預緊壓點在盲板3與壓緊環4接觸的周向，則預緊壓面為內徑周長2πr與壓緊面弧長c的乘積，即2πcr；
[0055]
d2、在不計摩擦係數的條件下，則軸向預緊力f0在預緊壓點產生的法向載荷n與壓應力σ分別為：
[0056]
n＝f0sinθ；
[0057][0058]
d3、根據壓縮強度準則，預緊壓點的壓應力不超過盲板3材料的破壞強度(否則起不到暫堵的作用，在固井前就盲板就會破碎)，可以確定盲板3端面的延長線與水平線的夾角θ範圍為：
[0059][0060]
其中，σb為盲板3材料的破壞強度。
[0061]
進一步的，所述θ的範圍為0
°‑
75
°
。本範圍是根據實際工況，代入上式計算得到的θ的範圍值，在此範圍內的，盲板3在破碎時可以破碎完全，實現破碎顆粒尺寸毫米級。
[0062]
進一步的，所述盲板3的內、外球半徑sr0和sr1計算方法如下：
[0063]
s1、已知套管的通徑為2r，則盲板3的內球半徑sr0為(確保盲板破碎後漂浮接箍與套管的通徑一致)：
[0064]
sr0＝r/cosθ；
[0065]
s2、應用莫爾準則可知，盲板3的外球半徑sr1為：
[0066][0067]
其中，p為暫堵壓力，σ
cb
為盲板3材料壓縮破壞強度的期望值；
[0068]
s3、當盲板3的承壓可靠性達到99.7％時，盲板3的外球半徑sr1表達式如下：
[0069][0070]
其中，其中，δ為盲板3材料壓縮破壞強度多次試驗後計算得到的標準差。(此式可用於在確定暫堵壓力後，計算盲板承壓可靠度達到99.7％的外球半徑sr1的範圍)
[0071]
實施例2
[0072]
作為在實施例1基礎上的進一步的改進方案，還包括：兩個止退螺栓6對稱設置，其一端由左至右依次穿過第二接管1、第一接管7的側壁後與第一接管7固定。設置止退螺栓6進一步固定第二接管1和第一接管7的位置，設置止退螺栓的目的是確保在安裝和使用過程中防止第一接管7與第二接管1在對接處發生滑移和鬆動。
[0073]
其中，本實施例的其他結構與實施例1一致，只是對實施例1做出的優化。
[0074]
實施例3
[0075]
作為在實施例1基礎上的進一步的改進方案，如圖2所示，還包括：環形槽、密封圈5。環形槽沿第一接管7的周向開設；密封圈5套裝在環形槽內。在本實施例中，密封圈5設有兩個，都為標準密封圈5，確保漂浮接箍的密封性。
[0076]
其中，本實施例的其他結構與實施例1一致，只是對實施例1做出的優化。
[0077]
根據上述實施例所述原理以及實際工況來設計本裝置的漂浮接箍，針對φ139.7mm的套管，內通徑尺寸為φ121mm，上下接頭類型lc扣型。使用工況是井底泥漿液柱壓力為p＝45mpa。已知扁球殼盲板的材料壓縮強度期望值σ
cb
＝385mpa，標準差δ＝92mpa。全壓結構破碎盲板的全通徑漂浮接箍的，設計流程如下：
[0078]
1、盲板3的尺寸設計
[0079]
通徑尺寸φ121mm，則盲板3的跨距2r＝121mm，得r＝60.50mm。
[0080]
設計夾角θ＝30
°
，其內球半徑和外球半徑分別為：
[0081]
sr0＝r/cosθ＝69.86mm
[0082][0083]
按照可靠度為9999.7％計算確定的範圍區間是：
[0084][0085]
即：72.85mm≤sr1≤80.21mm
[0086]
得到圓整盲板3結構設計尺寸：sr0為70.00mm；sr1為75.00mm；壁厚δ為5.00mm；外錐面夾角θ＝30
°
。
[0087]
2、密封墊環2的配合設計
[0088]
通徑尺寸φ121mm，則密封墊環內通徑2r＝121mm，得r＝60.50mm。
[0089]
密封墊環2外半徑r不是控制尺寸，但是依據緊湊設計原則為r＝60.5mm+δ＝65.65mm圓整為67.00mm，則直徑為φ134mm。
[0090]
密封墊環2上部的內錐面角度配合扁球殼盲板也是θ＝30
°
，下部是平面。
[0091]
密封墊環2上部內錐面和下部平面都硫化約2mm厚度的密封橡膠敷層。
[0092]
密封墊環2的高度不受限，適配即可，一般取5mm～15mm。
[0093]
3、壓緊環4的配合設計
[0094]
通徑尺寸φ121mm，則壓緊環內通徑2r＝121mm，得內半徑r＝60.50mm。
[0095]
壓緊環4外徑尺寸要求大於密封墊環2的φ134mm直徑，外徑採用抗剪切的梯形直螺紋，即為tr140
ⅹ
5mm的常用標準。
[0096]
壓緊環4通過螺紋擠壓盲板3的外圓，一般要3
ⅹ
3內倒角。
[0097]
壓緊環4的高度不受限，適配即可，可以設為38mm。
[0098]
4、第二接管1的銜接設計
[0099]
通徑尺寸φ121mm，則第二接管1設計的內通徑也是φ121mm，外部是套管標準扣型的連接公扣。
[0100]
第二接管1的內臺階孔外徑過渡配合密封墊環2，尺寸為φ134mm，內臺階孔深度也配合密封墊環2的高度，為5mm～15mm。
[0101]
第二接管1內螺紋銜接壓緊環4的外螺紋tr140
ⅹ
5mm，螺紋深度遠大於壓緊環4的高度，目的是同一個螺紋還需要對接第一接管7。考慮對接拉伸載荷下的材料剪切強度，螺紋深度一般等於壓緊環4外螺紋高度+第一接管內螺紋深度+2mm，約為240mm。
[0102]
第二接管1內止口面用於密封和鎖緊，止口直徑φ145mm，長度120mm。
[0103]
第二接管1外徑考慮使用沉頭鎖緊的止退螺栓6的使用空間，壁厚採用15mm，得到第二接管1外徑φ175mm。
[0104]
第二接管1的沉頭孔配做。
[0105]
5、第一接管7的對接設計
[0106]
通徑尺寸φ121mm，則第一接管7設計的內通徑也是φ121mm，內孔是套管標準扣型的連接母扣。
[0107]
第一接管7套管標準扣型的連接母扣對應的外圓按照壁厚套管外徑φ139.7mm。則第一接管內通徑對應的外圓設計為φ150mm，存在對接第二接管7內止口的密封面、止退盲孔和外螺紋tr140
ⅹ
5mm，對接第二接管7。
[0108]
本裝置的裝配工藝：在第二接管1的在內臺階孔上先安裝密封墊環2；密封墊環2上部依次安裝盲板3和壓緊環4；壓緊環4有外螺紋，配合第二接管1的內螺紋；通過螺紋旋轉使得壓緊環4的底面壓在盲板3的外球殼面，壓緊盲板3與密封墊環2的配合面。再在第一接管7的外部密封槽中安裝兩道o型密封圈5，通過外螺紋與第二接管1的內螺紋連接到位後，密封止口，擠緊兩道o型密封圈5後，安裝一對止退螺栓6，完成裝配工藝。
[0109]
本發明的優點在於，
[0110]
1、承壓和破碎的結構可靠性
[0111]
基於盲板材料壓縮強度期望值及其標準差，根據在圍壓條件下扁球殼結構的應力
水平，計算承壓和破碎可靠度為99.7％的結構參數，是結構可靠性的設計基礎。
[0112]
2、破碎充分和通徑設計的全通徑
[0113]
脆性材料的軸對稱性結構表現出來的高承壓特徵，既是高承壓結構特點，也是脆性材料耐壓特徵。設計結構用材料極少，破碎儲能極大，斷裂釋放能量充分，結構破碎粒度可控，加上通徑設計來保證全通徑。
[0114]
3、整體結構設計的簡潔穩定
[0115]
穩定實現設計功能的最高境界就是簡潔穩定，是保證全通徑漂浮接箍安全可靠的基礎。
[0116]
以下的表格為幾個常見尺寸的套管，根據這些尺寸及基本工況設計得到本裝置漂浮接箍的各項參數值及範圍變化。
[0117]
表1外錐面角度變化
[0118]
[0119]
[0120][0121]
表2暫堵壓力變化(錐角30
°
)
[0122]
[0123]
[0124][0125]
表3暫堵壓力變化(小錐角15
°
)
[0126]
[0127]
[0128][0129]
表4暫堵壓力變化(小錐角0
°
)
[0130]
[0131]
[0132][0133]
以上公開的僅為本發明的幾個具體實施例，但是，本發明實施例並非局限於此，任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本發明的保護範圍。