本實(shí)用新型涉及油氣田開(kāi)發(fā)應(yīng)用的井下工具技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可完全降解金屬橋塞。

背景技術(shù)：

在試油封層、卡層或者壓裂過(guò)程中，經(jīng)常需要使用橋塞實(shí)現(xiàn)對(duì)已射孔或壓裂井段的封堵。目前使用的橋塞多數(shù)是可鉆或者可撈式，壓裂施工后，需要使用油管帶井下工具，對(duì)橋塞進(jìn)鉆磨或者打撈，來(lái)釋放封堵的油層，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，經(jīng)常因?yàn)樘坠茏冃味霈F(xiàn)鉆磨或者打撈失敗的情況，為此需要研究可降解的橋塞，減少后續(xù)打撈或者鉆磨橋塞的工序。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種解決壓裂后需要鉆塞或者打撈橋塞的問(wèn)題的可完全降解金屬橋塞。

為此，本實(shí)用新型技術(shù)方案如下：

一種可完全降解金屬橋塞，包括中心管和自上而下依次套裝在中心管外側(cè)且與中心管之間形成有環(huán)空的上擴(kuò)張塊和密封筒；其中，

中心管頂端沿軸向向上延伸形成上接頭、底端沿軸向向下延伸形成有外徑逐漸增大的下擴(kuò)張塊；在中心管下側(cè)外壁上設(shè)置有第一鎖定機(jī)構(gòu)；在位于第一鎖定機(jī)構(gòu)和下擴(kuò)張塊之間的中心管外壁上設(shè)有容置一密封圈的環(huán)形凸臺(tái)；在中心管和上接頭的連接處外壁上加工有環(huán)形凹槽；

上擴(kuò)張塊頂端通過(guò)至少一個(gè)剪切銷釘固定在中心管頂端、下側(cè)外壁向內(nèi)收縮為錐形；在上擴(kuò)張塊內(nèi)壁上開(kāi)設(shè)有環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽內(nèi)設(shè)置有與第一鎖定機(jī)構(gòu) 相互配合的第二鎖定機(jī)構(gòu)；

密封筒為一能夠伸縮變形的筒體結(jié)構(gòu)，在密封筒側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有泄壓孔、兩端分別加工有用于與上擴(kuò)張塊和下擴(kuò)張塊的錐形接觸面相互配合錐面結(jié)構(gòu)，使密封筒兩端分別與上擴(kuò)張塊和下擴(kuò)張塊對(duì)應(yīng)端面緊密貼合。

進(jìn)一步地，第一鎖定機(jī)構(gòu)為在中心管外壁上加工的多排環(huán)形臺(tái)階結(jié)構(gòu)形成的鎖齒，環(huán)形臺(tái)階的軸向剖面呈三角形；第二鎖定機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在靠近上擴(kuò)張塊底端槽壁處的中空?qǐng)A柱形鎖塊和設(shè)置在另一側(cè)槽壁與鎖塊之間的鎖塊彈簧，鎖塊內(nèi)壁上同樣加工有多排環(huán)形臺(tái)階結(jié)構(gòu)鎖齒，且與第一鎖定機(jī)構(gòu)鎖齒相互配合；環(huán)形凹槽的槽深自上而下依次減小。

進(jìn)一步地，上擴(kuò)張塊上側(cè)外壁向內(nèi)收縮形成有一環(huán)形臺(tái)階。

進(jìn)一步地，下擴(kuò)張塊的最大外徑與上擴(kuò)張塊的最大外徑一致，且大于密封筒的外徑；上擴(kuò)張塊的內(nèi)徑略大于密封臺(tái)的外徑，且小于密封圈的外徑。

進(jìn)一步地，在下擴(kuò)張塊底端側(cè)壁上設(shè)置有一密封圈。

進(jìn)一步地，上接頭外壁上設(shè)有用于與坐封工具的芯軸螺紋連接的連接外螺紋。

在材料選擇上，中心管、密封筒和上擴(kuò)張塊選用能夠在鹽酸、KCl溶液、NaCl溶液、MgCl₂溶液或者地層水中降解的材料制成；降解材料包括鎂鋁合金、鋁鎂合金、鎂銅合金、鎂鋅合金、聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乙烯、聚丙烯等材料中的一種或幾種。

具體地，中心管和上擴(kuò)張塊采用鋁鎂合金制成；鋁鎂合金由0.5～3wt%Mg、90～95wt%Al和余量的鎳、銅、鐵、銀、石墨中的一種或多種組成。密封筒采用采用鎂鋁合金制成，鎂鋁合金由85～95wt%Mg、2～10wt%Al和余量的鎳、銅、鐵、銀、石墨中的一種或多種組成。中心管、上擴(kuò)張塊和密封筒采用半連續(xù)拉鑄或鑄造方法制得。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該可完全降解金屬橋塞結(jié)構(gòu)合理，在坐封工具的作用下橋 塞完成坐封并固定在套管上，通過(guò)中心管、上擴(kuò)張塊和密封筒之間的相互配合，保證下井過(guò)程橋塞不提前坐封；并且完成坐封后的橋塞在接觸到地層水或者含有KCl溶液、NaCl溶液、MgCl₂溶液、鹽酸等水溶液后，逐漸完全降解，避免了后續(xù)鉆塞工作，大大提高了生產(chǎn)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的可完全降解金屬橋塞的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的可完全降解金屬橋塞通過(guò)坐封工具實(shí)現(xiàn)坐封的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明，但下述實(shí)施例絕非對(duì)本實(shí)用新型有任何限制。

如圖1所示，一種可完全降解金屬橋塞包括中心管16和自上而下依次套裝在中心管16外側(cè)且與中心管16之間形成有環(huán)空的上擴(kuò)張塊5和密封筒2；其中：

中心管16頂端沿軸向向上延伸形成上接頭10、底端沿軸向向下延伸形成有外徑逐漸增大的下擴(kuò)張塊1；上接頭10外壁上設(shè)有用于與坐封工具的芯軸14螺紋連接的連接外螺紋；

在中心管16下側(cè)外壁上加工的多排環(huán)形臺(tái)階結(jié)構(gòu)形成的鎖齒4，每排鎖齒4的軸向剖面均呈斜三角形；在位于鎖齒4和下擴(kuò)張塊1之間的中心管16外壁上設(shè)有環(huán)形凸臺(tái)11，環(huán)形凸臺(tái)11外壁上開(kāi)設(shè)有環(huán)形密封圈座，環(huán)形密封圈座內(nèi)設(shè)置O形密封圈，形成用于密封的密封臺(tái)；在中心管16和上接頭10的連接處外壁上加工有環(huán)形凹槽20；環(huán)形凹槽20即為中心管16完成坐封后與坐封工具脫離時(shí)的斷裂點(diǎn)，環(huán)形凹槽20的深度由坐封工具最大推力決定，一般為1～5mm；

上擴(kuò)張塊5頂端通過(guò)至少一個(gè)剪切銷釘12固定在中心管16頂端，使坐封工具的芯軸14與上接頭10螺紋連接后，推筒剛好壓配在上擴(kuò)張塊5的頂面上；上 擴(kuò)張塊5下側(cè)外壁向內(nèi)收縮為錐形，便于擠壓密封筒2使其形變；在上擴(kuò)張塊5內(nèi)壁上開(kāi)設(shè)有環(huán)形凹槽8，環(huán)形凹槽8內(nèi)設(shè)置有中空?qǐng)A柱形的鎖塊6和鎖塊彈簧7，鎖塊6位于靠近上擴(kuò)張塊5底端槽壁處，鎖塊彈簧7設(shè)置在另一側(cè)槽壁與鎖塊6之間，使鎖塊6只有在壓縮鎖塊彈簧7情況下在環(huán)形凹槽8內(nèi)沿軸向移動(dòng)；在鎖塊6內(nèi)壁上加工有多排環(huán)形臺(tái)階結(jié)構(gòu)形成鎖齒，且鎖齒軸向剖面同樣呈斜三角形，中心管16外壁上形成的鎖齒的斜向方向與鎖塊6上形成的鎖齒相互配合且斜向方向剛好相反，同時(shí)環(huán)形凹槽8的槽深自上而下依次減小，當(dāng)中心管16上的鎖齒在與鎖塊6上的鎖齒發(fā)生“咬合”的過(guò)程中，鎖塊6壓鎖塊彈簧7向環(huán)形凹槽8的大槽深方向移動(dòng)，從而使中心管16上的鎖齒在與鎖塊6上的鎖齒的間距增大至能夠滿足兩部分鎖齒相對(duì)移動(dòng)的要求，根據(jù)需要兩部分鎖齒相互“咬合”在適當(dāng)位置上并形成無(wú)法恢復(fù)到初始位置的自鎖狀態(tài)；

密封筒2為一能夠伸縮變形的筒體結(jié)構(gòu)，在密封筒2側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有一個(gè)泄壓孔3、兩端分別加工有用于與上擴(kuò)張塊5和下擴(kuò)張塊1的錐形接觸面相互配合錐面結(jié)構(gòu)，使密封筒2兩端分別與上擴(kuò)張塊5和下擴(kuò)張塊1對(duì)應(yīng)端面緊密貼合；

上擴(kuò)張塊5上側(cè)外壁向內(nèi)收縮形成有一環(huán)形臺(tái)階；環(huán)形臺(tái)階的設(shè)置使上擴(kuò)張塊5擠壓密封筒2并局部插裝在密封筒2與中心管16之間形成的環(huán)空的過(guò)程中，減小上擴(kuò)張塊5的外壁（或推筒13的外壁）與密封筒2內(nèi)壁之間的摩擦，使坐封過(guò)程更加快速和順暢；

在下擴(kuò)張塊1底端側(cè)壁上設(shè)置有一密封圈9；當(dāng)上擴(kuò)張塊5擠壓密封筒2時(shí)，下擴(kuò)張塊1也對(duì)密封筒2產(chǎn)生擠壓作用，使密封筒2與下擴(kuò)張塊1之間發(fā)生位移，當(dāng)密封筒2受擠壓向下擴(kuò)張塊1底端移動(dòng)時(shí)，密封圈9位于下擴(kuò)張塊與密封筒2之間，形成密封；

下擴(kuò)張塊1的最大外徑與上擴(kuò)張塊5的最大外徑一致，且大于密封筒2的外徑；上擴(kuò)張塊5的內(nèi)徑略大于環(huán)形凸臺(tái)11的外徑，且小于密封圈的外徑，使上擴(kuò)張塊5擠壓密封筒2并移動(dòng)至下擴(kuò)張塊1處時(shí)，密封臺(tái)位于中心管16與上擴(kuò) 張塊5之間，形成密封；同時(shí)當(dāng)向中心管16內(nèi)打壓時(shí)，中心管16通過(guò)密封臺(tái)擠壓上擴(kuò)張塊5使上擴(kuò)張塊5的錐形壁面緊密貼合在受擠壓變形的密封筒2內(nèi)壁上；

其中，中心管和上擴(kuò)張塊采用鋁鎂合金制成；鋁鎂合金由0.5～3wt%Mg、90～95wt%Al和余量的鎳、銅、鐵、銀、石墨中的一種或多種組成。密封筒采用采用鎂鋁合金制成，鎂鋁合金由85～95wt%Mg、2～10wt%Al和余量的鎳、銅、鐵、銀、石墨中的一種或多種組成。中心管、上擴(kuò)張塊和密封筒采用半連續(xù)拉鑄或鑄造方法制得。

該可完全降解金屬橋塞的工作原理：

如圖2所示，橋塞與坐封工具連接后下井，坐封工具的芯軸14與橋塞的上接頭10連接，此時(shí)，坐封工具的推筒13緊靠在上擴(kuò)張塊5的頂部，橋塞到位后，坐封工具的芯軸14不動(dòng)，推筒13向下移動(dòng)擠壓上擴(kuò)張塊5，剪切銷釘12剪斷，上、下擴(kuò)張塊的距離開(kāi)始變短，密封筒兩端在上、下擴(kuò)張塊的擠壓下，外徑變大，并與套管15緊密貼合，密封筒和套管之間的液體通過(guò)泄壓孔3進(jìn)入橋塞內(nèi)部，提高了密封筒2和套管15的貼合效果并減小了擴(kuò)張塊移動(dòng)的阻力；隨著坐封工具的推動(dòng)，下擴(kuò)張塊1設(shè)置的密封圈9進(jìn)入擴(kuò)張后的密封筒2后起到密封作用；密封臺(tái)進(jìn)入上擴(kuò)張塊內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)中心管16與上擴(kuò)張塊5之間的密封，此時(shí)上、下擴(kuò)張塊遇到一起，推筒停止移動(dòng)，處于橋塞上接頭處的斷裂點(diǎn)在推動(dòng)的推力下斷裂，坐封工具與橋塞脫手；中心管16上的鎖齒4與上擴(kuò)張塊5內(nèi)的鎖塊形成自鎖，上、下擴(kuò)張塊無(wú)法相對(duì)移動(dòng)，橋塞完成坐封并固定在套管上；其中，橋塞下井過(guò)程中，剪切銷釘12固定住中心管1和上擴(kuò)張塊，保證下井過(guò)程橋塞不坐封。

以下通過(guò)具體實(shí)施例和降解實(shí)驗(yàn)對(duì)該可完全降解金屬橋塞的性能和降解能力進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明：

一種可完全降解金屬橋塞，用于對(duì)套管內(nèi)徑121mm的壓裂井段進(jìn)行坐封，包括中心管16和自上而下依次套裝在中心管16外側(cè)且與中心管16之間形成有 環(huán)空的上擴(kuò)張塊5和密封筒2；具體地：

中心管16的長(zhǎng)度為1500mm，外徑為80mm，其頂端軸向延長(zhǎng)有與中心管16內(nèi)徑相同，外徑為80mm、長(zhǎng)度為60mm的上接頭，其底端軸向延伸形成有長(zhǎng)度為260mm的下擴(kuò)張塊1，下擴(kuò)張塊1最大外徑處為117mm；在中心管16下側(cè)外壁上加工的50排軸向剖面呈三角形的環(huán)形臺(tái)階結(jié)構(gòu)形成鎖齒4，鎖齒4底端到中心管16外壁的垂直距離為3mm，在位于鎖齒4和下擴(kuò)張塊1之間的中心管16外壁上加工有高度為5的且側(cè)壁上容置有一O形密封圈的環(huán)形凸臺(tái)，形成密封臺(tái)；在中心管16和上接頭10的連接處外壁上加工有深度為3mm的環(huán)形凹槽20；

上擴(kuò)張塊5為一長(zhǎng)度為300mm、內(nèi)徑為90.5mm、外徑為117mm的筒體結(jié)構(gòu)，其上端面與中心管16的上端面齊平并通過(guò)兩個(gè)位于對(duì)位的剪切銷釘12固定在中心管16的頂端；上擴(kuò)張塊5下側(cè)外壁向內(nèi)收縮為錐形，在上擴(kuò)張塊5內(nèi)壁上開(kāi)設(shè)有槽深自上而下依次減小的環(huán)形凹槽8，環(huán)形凹槽8長(zhǎng)度為70mm，環(huán)形凹槽的最大槽深和最小槽深處分別為8mm和6mm，環(huán)形凹槽8內(nèi)設(shè)置有靠近上擴(kuò)張塊5底端槽壁處的中空?qǐng)A柱形鎖塊6和設(shè)置在另一側(cè)槽壁與鎖塊6之間的鎖塊彈簧7，鎖塊6長(zhǎng)度為50mm，其內(nèi)壁上加工有多排與中心管16上的鎖齒4相互配合鎖齒結(jié)構(gòu)，鎖塊6上的鎖齒端至外壁垂直距離為3mm；

密封筒2為一長(zhǎng)度為1100mm、內(nèi)徑為106mm、外徑為118mm的筒體結(jié)構(gòu)，在密封筒2中部側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有一孔徑為2mm的泄壓孔3，密封筒2兩端分別加工有用于與上擴(kuò)張塊5和下擴(kuò)張塊1的錐形接觸面相互配合錐面結(jié)構(gòu)，使密封筒2兩端分別與上擴(kuò)張塊5和下擴(kuò)張塊1對(duì)應(yīng)端面緊密貼并壓配在一起；

材料方面，中心管16和上擴(kuò)張塊5采用鋁鎂合金制成；其中，鋁鎂合金為3%Mg粉末、94%Al粉末和余量的鎳粉末（總量按100%計(jì)）通過(guò)半連續(xù)拉鑄的方法制備而成；密封筒2采用采用鎂鋁合金制成；其中，鎂鋁合金為90%Mg粉末、5%Al粉末和余量的鐵、銅、鎳粉末（總量按100%計(jì)）通過(guò)半連續(xù)拉鑄的方法制備而成。

該可完全降解金屬橋塞在壓裂井段進(jìn)行坐封時(shí)，坐封工具的推筒13擠壓上擴(kuò)張塊5時(shí)，當(dāng)作用力超過(guò)1.5噸時(shí)，剪切銷釘12剪斷，上擴(kuò)張塊5隨推筒13推動(dòng)相對(duì)于中心管16產(chǎn)生位移，當(dāng)上擴(kuò)張塊5移動(dòng)至密封臺(tái)處，上擴(kuò)張塊5與中心管16形成密封，此時(shí)密封筒2實(shí)現(xiàn)坐封；在液壓作用下，中心管16和上接頭10的連接處外壁上加工的環(huán)形凹槽20處應(yīng)力集中發(fā)生斷裂，坐封工具與橋塞脫離。降解測(cè)試：將該可完全降解金屬橋塞在壓裂液（成分：1wt%氯化鈉溶液，井下溫度為100℃）中15天內(nèi)完全溶解，滿足需要的井下坐封時(shí)間，且井下打撈物中無(wú)橋塞部件。

綜上所述，該可完全降解金屬橋塞能保證下井過(guò)程橋塞不提前坐封的同時(shí)，在完成坐封后接觸到地層水或者壓裂液環(huán)境在一定時(shí)間內(nèi)完全降解，有效提高了井下作業(yè)的施工效率。