专利名称：一种磁力浮箍浮鞋的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种浮箍浮鞋，尤其是一种磁力复位式阀芯的浮箍浮鞋。
背景技术：
在石油、天然气、地热、盐卤等地下矿产资源勘探开发的钻井过程中，通常需要使用浮箍浮鞋等固井工具。浮箍浮鞋是套管串及固井过程中的一套关键附件，作用是引导套管顺利入井，调整下套管时管柱所受浮力，固井时防止水泥浆倒流，并可承接胶塞完成碰压。浮箍浮鞋本质上是一种安装于和工作于固井套管管道上能承受井下地层高温高压及各类腐蚀性流体介质等复杂条件影响的单流阀，固井界也称回压凡尔或回压阀。阀芯的有效关闭与密封是浮 植浮鞋的关键。固井水泥浆是流经浮箍浮鞋注入到套管外环空的，然后承受由外到内的反向压力，所以在固井过程中，一旦浮箍浮鞋失效，将会带来巨大的经济损失。现有的浮箍浮鞋，虽然在产品的系列化和产品的质量上得到了完善和提高，但随着国内外油气田及地层资源的勘探开发形势发展和钻井工艺技术的进步，深井、超深井、大斜度井、水平井和复杂地质条件下的各种工艺类型的固井不断涌现，对浮箍浮鞋的要求越来越高。耐高温、耐高压、耐冲蚀、抗酸碱，耐油、防硫、抗冲击，过流面积大、流动阻力小，防缠绕能力强，可钻性能好、反向密封可靠性高，这些都是对未来浮箍浮鞋的最基本要求，也是发展方向。现就目前在用浮箍浮鞋的反向密封情况作一简要分析，足以说明现行浮箍浮鞋急需加以改进。目前在用的浮箍浮鞋，其回压复位密封形式大致有三种即自然浮球式、压缩弹簧支撑式和扭簧舌板式。其基本情况如下1、自然浮球式这种密封的浮箍浮鞋要求浮球的视密度要低于流体密度，原则上要低于水的密度才能得到有效保证，然而，如此低密度的球体(包括空心球)其本身的强度、刚度、硬度、耐磨性以及抗腐蚀等方面性能，欲满足在数千米的地下高温高压高腐蚀性复杂恶劣环境要求，往往是十分困难的。2、压缩弹簧支撑式这是目前国内外钻井工程中固井时所用浮箍浮鞋普遍采用的密封方式，通过压缩弹簧的弹力进行回程复位控制，使浮箍浮鞋保持密闭的常态，总体效果不错。但在固井作业中也时常有浮箍浮鞋密封不严，导致固井作业失败的情况发生。究其原因，一般在以下几个方面表现出不足一是复位弹簧因有的井地层温度太高，加之经长时间的循环，成千上万次压缩产生了疲劳，弹性效果变差，预密封力变弱；二是有的井由于出现过漏失等复杂情况，经堵漏等相应处理后的钻井液中常含有较多的杂质，纤维质的材料容易缠绕或挂卡在弹簧上束缚了其正常动作；三是有的非球形阀体因其密封面与密封座的接触点单一，易使硫化橡胶密封面损坏，有的阀体材料夹渣或受腐蚀导致了表面密封缺陷；四是多数弹簧在工作中的摆角幅度过大，尤其在斜井、水平井的固井中，在重力作用下偏离会更大，阀体定向定点回位的可靠性差；五是有的阀体工作时强力撞击球栏造成部分筋条损坏，球栏失效，阀体脱落；六是有的阀杆(阀柄)在导向槽配合度差，在高频率，大行程、非居中力的情况下出现了磨损和挂卡，难以正常复位；七是有的阀芯与本体间因浇铸差或因有的非浇铸式盘根在高压和强振动下损坏，有的也因在井下的高温条件下材料膨胀系数的不一致而形成了微间隙而整体密封失效。而浮箍浮鞋的关闭和密封不严，导致水泥浆倒流，严重时会造成尾管、双级或多级等特殊注水泥固井施工事故和固井质量事故。除了以上密封性能方面的不足外，其内部的弹簧阀杆座或球栏的筋条等内部附件还影响到流道的通畅，增加了流动阻力。同时，坚硬的弹簧钢材等硬金属材料之类的内部附件或配件，也给固井后的钻水泥塞工作造成不利影响，一是弹簧钢材容易对钻头造成损伤，二是钻水泥塞速度变慢，严重影响到钻井速度。3、扭簧舌板式这是一种从结构上将压缩弹簧支撑式的弹簧座从纵向改变成了横向，将伸缩式弹簧换成了扭簧的方式，其实这并没能从根本上克服压缩弹簧支撑式的诸多不足。其横向设置的阀杆，受到杂质缠绕的可能性反而更大。因此，这类扭簧舌板式浮箍浮鞋的应用也远不如压缩弹簧支撑式浮箍浮鞋的应用广泛。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁力复位式的浮箍浮鞋。具有技术方法先进、结构紧凑合理，耐高温、耐高压、耐冲蚀、抗酸碱，耐油、防硫、抗冲击，过流面积大、流动阻力小，防缠绕能力强，可钻性能好、反向密封可靠性高的特点。可适用于当前已知的各种复杂条件下的 各类固井作业。本发明的技术方案是应用磁性物质的优良特性，结合当前国际国内高分子特种工程材料新特点和固井技术基本需求而形成一种借助磁力复位式密封阀芯的浮箍浮鞋。包括本体、磁钢、球座、磁感球、密封圈、导向筒和偏导环等。其中，由磁钢、球座、磁感球、密封圈、导向筒和偏导环等构成了相对独立的磁力复位式单流阀芯，在阀芯与本体之间，可以用特种水泥等胶凝化工材料浇铸固结，也可以用盘根作为密封件，将阀芯安装固定在本体上相应的阻挡台阶位置，形成磁力浮箍浮鞋的成品。而其阀芯，自上至下依次是磁钢、球座、导向筒和偏导环。由球座、导向筒和偏导环形成一畅通式空腔。该空腔球座端入口较小，中间导向筒位置最大，下端偏导环位置的出口较大，是一葫芦形的轴向通道。在下端的偏导环内布置有非对称筋板，筋板的视内径小于磁感球外径。磁感球置于该空腔内，其外径大于球座端入口内径和出口端偏导环的筋板视内径，因而其活动范围也仅限于这空腔内。导向筒和偏导环也可合二为一，制成一体。在球座与导向筒间设有密封圈，可与磁感球上半部分表面接配合球座起辅助密封作用。磁钢由永磁物质制作而成，设置在该空腔的上部球座之上，也可融入在球座之中。磁感球也是作为阀体的一密封球，由优质基材加导磁性物质制作,工艺上可以将导磁物质掺入球体基材中，也可由导磁粉芯置于球体中或其他工艺方式融入球体之中。磁感球位于该空腔内，受磁钢吸力作用，始终保持吸合趋势而落坐于球座之中。本发明的工作原理是通常情况下，磁感球受到磁钢的磁吸力作用，被吸引保持在球座中，在球座和密封圈处实现浮箍浮鞋的常闭密封状态，阻止流体反向流动；当泵注水泥或循环泥浆作业时,流体克服磁钢的磁吸力冲开磁感球而建立循环；此时的磁感球受到向下的流体冲击力、自身重力和向上的浮力及磁钢磁吸力的共同作用，便在由球座、导向筒及偏导环形成的空腔内处于动态的浮游状态；当泵速增加，排量加大，冲击力增大时，磁感球将继续下行，并被偏导环的筋板引导靠向一边，使直接过流通道更畅通，流动阻力更小，并有效避免流体中杂质的阻挠；当停泵停止泵注或循环时，磁感球不再受到流体的冲击力，在浮力、回流流体粘滞力和磁钢较强的磁吸引力作用下，克服重力，迅速回归到球座位置，实现反向关闭与密封。如此周而复始，便达到了浮箍浮鞋防止水泥浆流体倒流的目的。本发明首次提出的磁力复位是一种全新的技术方法，这种磁力复位单流阀芯结构是一全新的结构。这种新型结构的浮箍浮鞋可免去传统弹簧弹力复位浮箍浮鞋内部复杂的附件配件，因而这种磁力复位结构的浮箍浮鞋其过流面积更大，流体在浮箍浮鞋内的流动更通畅，密封性能更加可靠。本发明述及技术新方法的磁力复位单流阀芯，可推广适用于所有流体在任何管道中需要防止反向倒流流动的情形。而对于用在固井套管柱管路中的浮箍浮鞋，还有以下一些但不仅限于这些的基本要求。本体为一圆筒形钢体。一般不低于套管钢级，其抗挤强度抗内压强度不低于套管柱中相邻套管。外径不大于相应套管接箍直径；上部有内螺纹，中部筒内有安装台阶，内部最小直径大于相应套管浮箍下部有外螺纹，外表面及所有螺纹应做防腐(或磷化)处理，浮 鞋下部为引鞋。磁钢为一永磁体。一般由包括铷铁硼、钐钴等稀土合金或铁氧体之类的永磁材料，经烧结、粘结或注塑等工艺制成。其居里温度点大于38 400摄氏度，一般工作温度为常温至100 150摄氏度，最高可达200摄氏度以上。其形状分布，可以是环形，也可以是圆形、方形、条形、柱状、针状及其他形状；可以是多层叠加成体，也可以是若干适当分布的独立磁体。要求应有较高的剩余磁通密度、矫顽力、内禀矫顽力和最大磁能积。球座为一球面密封座，中为通孔。一般以PEEK、PPS等高性能的合成高分子特种工程塑料制作而成的具有化学性稳定，不锈蚀，耐磨、自润性好、抗冲击性好、耐温耐腐蚀性好(有的耐温可达240摄氏度以上)的特点。球座的制作，也可以直接使用一种自带磁性的合成高分子材料注塑而成，或将磁钢置入球座，使磁钢与球座合二为一。磁感球形状上设计成球体，以保其密封性各向均匀，也更易导向归位。其材质以PES、PEI之类轻质高强度的特种工程塑料材料为基础，掺入一定比例的如铁粉之类的导磁物质制作而成，也可在球内置入铁粉芯之类的导磁性物体经注塑等方法制作而成，或用其他材料加入导磁物质，其外表面也可以衬胶。磁感球在满足强度刚度前提下，其视密度应适当降低，要求耐温、耐磨、抗腐蚀性好，抗冲击性强，自润性好、弹性好，化学性质稳定，不变形不锈蚀。密封圈材料可以是橡胶，可以是塑胶及塑料，也可以是金属或其他非金属材料。要求能承受100 150摄氏度，甚至于240摄氏度以上高温；能耐酸耐碱耐油和抗硫防腐。截面形状可以是O型，也可以是V型或其他形状。导向筒，为一带部分内锥面的高分子材料圆筒，其作用一是形成阀芯的内腔，容纳磁感球；二是引导磁感球在受到磁钢吸力时能自然而然顺利地回归球座。偏导环，为一内带斜面偏向筋板的碗形结构，中间为大径通孔，斜面筋板非对称顺序排布其内，径向相对而不相接，形成中空而非连续的“内圆”，使流道无连续的阻挡物；筋板组成的“内圆”内径适当小于磁感球外径，以防止磁感球受冲击脱落。当循环泥浆或注水泥时，筋板将被流体冲下来的磁感球自然地引导至偏离浮箍浮鞋轴心线位置，偏心距在I毫米以上。偏向一边的磁感球，给流体直接过流留出了更大通道，减小了阻力并防止了流体中的杂质阻挠。胶结体是阀芯与本体间的结合体，以水泥等胶凝化工材料浇铸固结为主，也可以用台阶阻挡辅以盘根密封的方式配置。以上所有材料均具有耐高温、耐高压、耐冲蚀、抗酸碱，耐油、防硫、抗冲击特性。除本体外，均为非金属材料或非结构性金属材料，有利于固井后的钻水泥塞工作。
四
附图I为磁力浮箍的结构示意图。图中，I-本体、2-磁钢、3-球座、4-磁感球、5-密封圈、6-导向筒、7-偏导环、8-胶结体
五具体实施例方式为进一步公开本发明的技术方案，下面结合说明书附图通过实施例作进一步描述。但本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的 实施方式。本发明所述中的上和下，是以管路中流体流动自上向下为顺序的。如图I所示结构的磁力浮箍，其磁钢2在球座3之上，磁感球4在球座3之下，球座3在磁钢2和磁感球4之间，磁钢2通过磁吸力始终将磁感球4吸往球座2，使浮箍浮鞋保持常闭状态。球座3在上，密封圈5在球座之下，磁感球4上半部分表面与密封圈5适度接触，以球面密封为主，以密封圈5的密封为辅的方式实现浮箍浮鞋的密封。本体I与磁力阀芯之间用特种水泥浇铸而成。由图I所示的磁力浮箍的结构示意图可见在常态下，磁感球4受到磁钢2的磁力作用，被吸引回到球座3，于球座3和密封圈5处实现浮箍浮鞋的常闭密封状态，起到防止水泥浆倒流的作用；当泵注水泥或循环泥浆时，流体将克服磁钢2的磁吸力冲开磁感球4而建立循环；此时的磁感球4便在由球座3、导向筒6及偏导环7形成的空腔内处于动态平衡状态，冲击力较大时，还会被偏导环7的筋条导至一侧，使流体直接流过的通道更大，流动阻力更小，并可减少流体中杂质阻挠的机率；而一旦停泵停止循环时，磁感球4不再受到流体的冲击力而在磁钢2的磁吸力作用下迅速回到球座3位置，实现反向关闭和密封。如此周而复始，便达到了浮箍浮鞋防止倒流的目的。
权利要求
1.一种磁力浮箍浮鞋，其特征在于包括本体和以磁钢、球座、磁感球、密封圈、导向筒、偏导环等组成的磁力复位单流阀芯。
2.根据权利要求I所述的磁力浮箍浮鞋，首次采用以磁力复位为基本特征的技术新方法。
3.根据权利要求I所述磁力浮箍浮鞋的磁力复位单流阀芯，适用各类流体在各种截面形状管通道中磁力复位的单向流动情形。
4.根据权利要求I所述的磁力浮箍浮鞋，阀体为圆球形的磁感球，置于由球座、导向筒、偏导环构成的腔内，可在腔内游动，沿流动轴线向上吸合至球座即可实现反向关闭和密封。
5.根据权利要求I所述的磁力浮箍浮鞋，以磁钢在上，磁感球在下，球座面在磁钢与磁感球之间的相对位置配置。
6.根据权利要求I所述的磁力浮箍浮鞋，球座为一球面密封座，中为通孔。以球面密封为主，密封圈与磁感球的上半部分表面接触，实现辅助密封。
7.根据权利要求I所述的磁力浮箍浮鞋，偏导环为一内带斜面偏心筋板的碗形结构，中间为大径通孔，斜面筋板非对称地顺序排布其内，径向相对而不相接，形成中空而非连续的“内圆”;“内圆”内径适当小于磁感球外径；“内圆”的圆心与浮箍浮鞋轴心线偏距I毫米以上。
8.根据权利要求I所述的磁力浮箍浮鞋，所用磁钢一般由包括铷铁硼、钐钴等稀土合金、铁氧体之类的磁性材料，经烧结、粘结或注塑等工艺制成，居里温度点在38至400摄氏度以上。
9.根据权利要求I所述的磁力浮箍浮鞋，其磁感球由非金属基础材料中置入或融入一定份量的铁粉芯之类的导磁材料而成。
10.根据权利要求I所述的磁力浮箍浮鞋，内部各件全为高分子特种工程塑料、导磁粉芯、稀土合金及胶凝物质等可钻性强的材料制作。
全文摘要
本发明涉及固井工具技术领域，一种以磁力复位为主要特征的固井浮箍浮鞋包括本体和以磁钢、球座、磁感球、密封圈、导向筒、偏导环等组成的磁力复位单流阀芯，用胶凝材料固结成体。常态下，磁感球被磁钢吸引，保持于球座中，处于反向常闭状态；循环时，磁感球被流体向下冲开，并由偏导环将其导向一边，避免阻挡，流体易于通过；停泵时，磁感球受磁力迅速回归球座，实现反向关闭密封，阻止流体倒流。由于免去了传统的弹簧及弹簧座或球栏、阀杆等附件，具有过流通道畅，流动阻力小，无杂质缠绕及弹簧失效等风险的特点。本发明涉及的浮箍浮鞋结构合理，材料易得，高温高压及抗硫防腐性能稳定，密封可靠，易钻性强，可适合于各种类别的固井。
文档编号E21B33/13GK102787826SQ20111013421
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月15日 优先权日2011年5月15日
发明者其他发明人请求不公开姓名, 李越 申请人:李越