二氧化碳地质封存中管线穿越封隔器的方法及装置 |
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| 申请号 | CN201511016495.8 | 申请日 | 2015-12-29 | 公开(公告)号 | CN105443059A | 公开(公告)日 | 2016-03-30 |
| 申请人 | 中国科学院武汉岩土力学研究所; | 发明人 | 王燕; 郑云飞; 魏宁; 李小春; 胡元武; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种二 氧 化 碳 地质 封存 中管线穿越封隔器的装置，包括穿越器，该穿越器包括位于 套管 一端侧的第一穿越机构和另一端侧的第二穿越机构，两穿越机构的转接接头的筒壁在端部设置有多个管线通道，且与管体上的开口相通，使得各种管线可通过第一穿越机构上的管线通道进入转接接头并在穿越筒壁后进入管体中，再在穿越封隔器后从管体中穿出，从而进入第二穿越机构的管线通道中，实现对封隔器的穿越。本发明还公开了相应的穿越方法。本发明可适用于允许小 角 度折弯的柔性管线、 刚度 较大的管线以及不宜大幅度折弯的铠甲管线多种管线通过，同时设置特殊的密封结构实现防腐液的留存，解决目前二氧化碳地质封存中不适于弯折或者刚性较大的管线无法穿越常规封隔器以及密封防腐的技术问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种二氧化碳地质封存中管线穿越封隔器的装置，用于实现二氧化碳地质封存中的各种管线(1)穿越设置于两端与管体(6)连接的套管(7)中的封隔器(4)而到达地质下层，其中，该装置包括设置在套管(7)两端部的管体上的穿越器(2)，该穿越器(2)包括套装在管体(6)上并位于套管(7)一端侧的第一穿越机构和套装在管体(6)上并位于所述套管(7)另一端侧且呈对称布置的第二穿越机构，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 二氧化碳地质封存中管线穿越封隔器的方法及装置技术领域[0001] 本发明属于二氧化碳地质封存技术领域，更具体地，涉及一种二氧化碳地质封存中管线穿越封隔器的方法及装置。 背景技术[0002] 二氧化碳地质封存实质上就是将二氧化碳气体压缩至超临界状态，并注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中进行长期的封存和隔离，以用于在一段时间内减少大气中二氧化碳排放量，减缓全球变暖与地球环境恶化趋势。 [0003] 二氧化碳地质封存中通常也设置有注入井和排放井，捕集的二氧化碳通过注入井注入地层中，同时地层中相应流体通过迁移从所述排放井中排出。为了防止泄露，类似于油井中防止产液或注液的泄露使用封隔器隔绝产层，地质封存中同样采用封隔器进行将管柱与井眼之间以及各管柱之间的环形空间封隔，以隔绝封存地层。 [0004] 由于井下存在各种检测或测量仪器，为使仪器正常工作并反馈相应数据，需要将各种电缆、光缆或者其他管线穿过封隔器以达到井下的目的，从而实现与仪器连接。目前在油井中存在多种电缆穿越封隔器的方法或装置，例如中国专利申请201210196016.5中公开了一种分体六通道过电缆封隔器，这种封隔器对常规封隔器进行了改造，在其内部加工预留了多个轴向通孔，以用于电缆、测试管线等通道。但是，这种方案需要对常规封隔器进行定制或结构改进，增加了封隔器的成本和加工难度，特别是地质封存中需要穿越的管线众多、类型复杂，需要对封隔器进行较大改造，而且对于部分特殊的管线也无法适用。 [0005] 中国专利申请00123075.1中公开了一种油井中电缆穿越的方法，该方法是在油管上设置电缆转接器，该电缆转接器安装于抽油泵之下和封隔器之上的油管空间，电缆沿着环空下放至油管电缆转接器时经油管电缆转接器上的高压密封塞穿过油管与井下一起相连，从而使电缆顺利绕过封隔器。该方案中通过设置特殊结构的电缆转接器，可以将电缆有效的穿过。但是，在二氧化碳地质封存井中，由于井下仪器种类多，传输管线复杂，它们的连接管线不仅仅是电缆，还包括各种光缆、中空钢管等管线，这种管线的特点是具有防腐蚀防护铠甲，其刚性较大且不宜折弯，这种通过电缆转接器的方法无法适用上述各种管线的穿过。特别是，由于地下环境恶劣复杂，管体中的穿越器以及封隔器等装置极易被腐蚀，使得穿越器的穿越效果受到影响，而且其中穿越的管线容易受到腐蚀或干扰，导致检测精度受到影响。 发明内容[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种二氧化碳地质封存中管线穿越封隔器的装置及方法，其将管线穿过油管壁进入管内，并通过封隔器后再穿过油管壁到达管外，从而成功越过封隔器而无需对封隔器进行改造加工，可适用于包括允许小角度折弯的柔性管线、刚度较大的管线以及不宜大幅度折弯的铠甲管线多种管线通过，特别是通过特殊的密封结构对管体与管体之间的环形空间进行密封，从而可以通过注入防腐液体，实现对穿越器及其中的管线进行防腐，由此解决目前二氧化碳地质封存中各种管线特别是不适于弯折或者刚性较大的管线无法穿越常规封隔器，以及穿越设备和管线易被腐蚀而导致检测精度受到影响的技术问题。 [0007] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种二氧化碳地质封存中管线穿越封隔器的装置，用于实现二氧化碳地质封存中的各种管线穿越设置于两端与管体连接的套管中的封隔器而到达地质下层，其中，该装置包括设置在套管两端部的管体上的穿越器，该穿越器包括套装在管体上并位于套管一端侧的第一穿越机构和套装在管体上并位于所述套管另一端侧且呈对称布置的第二穿越机构，其特征在于， [0008] 该第一穿越机构和第二穿越机构均包括呈中空筒体状的转接接头，其螺纹套装在所述管体外壁，该转接接头的筒壁在其中一端端部设置有多个呈环形布置的沿筒体深度方向贯通筒壁的管线通道，且该管线通道与管体上的用于使管线进入管体的开口相通，使得用于二氧化碳地质封存中的所述各种管线可通过所述第一穿越机构上的转接接头的管线通道进入该转接接头并在穿越其筒壁后进入管体中，并在穿越所述封隔器后从管体中穿出，从而进入所述第二穿越机构的转接接头的管线通道中，并进一步可从其出口穿出，从而实现对封隔器的穿越。 [0009] 作为本发明的改进，所述转接接头中的管线通道由沿筒体轴向方向设置的第一通道和与该第一通道连接并呈一定角度设置的第二通道组成，使得管线进入后经过第一通道和第二通道后可产生一定的方向变化。 [0010] 该角度可以允许小角度折弯的柔性管线、刚度较大的管线以及不宜大幅度折弯的铠甲管线多种管线通过，实现二氧化碳地质封存中各种管线特别是不适于弯折或者刚性较大的管线的顺利穿越。 [0011] 作为本发明的改进，第一通道与第二通道之间的角度为150°以上，优选150°-165°。 [0012] 作为本发明的改进，所述转接接头的第一通道端部设置有密封接头，用于在管线进入所述转接接头或者从转接接头穿出时锁紧该第一通道端部，实现与外界的密封。 [0013] 作为本发明的改进，该第一穿越机构或第二穿越机构上还设置有短节，其为中空筒体，且其中心通孔为台阶孔，其通过其中的较小孔固定套装在所述管体外壁，并进而使其中的较大孔套装在所述转接接头外壁一端，从而可承载并密封所述转接接头。 [0014] 作为本发明的改进，还包括密封机构，其套装设置在所述管体上并位于所述封隔器与任一穿越器之间，其可实现管体与管套之间环形空间的密封从而可通过预留的管线在其中注入防腐材料而实现对封隔器的防腐保护。 [0015] 作为本发明的改进，该密封机构包括密封器和设置在该密封器之外用于作动以驱动该密封器密封管体管套的作动机构，其中所述密封器套装在管体外围，其具有密封所述环形空间的密封层，所述作动机构包括套装在管体外周并与密封器连接的呈筒体结构的缸体，其与管体外周接触的筒壁上开有凹槽，以形成腔体以作为活塞腔，该腔体与管体上的压力注入孔相通，用以通过该注入孔向腔体注入流体，进而可产生压力变化而推动缸体在管体外周壁上轴向往复运动，缸体一端端部与密封器固定连接，其可在缸体驱动下往复运动，从而可压紧或松开密封面，实现对管体与管套之间的环形空间的密封或解封。 [0016] 作为本发明的改进，密封机构设置有滑套锁止装置，其优选为棘齿结构，包括位于缸体上的第一棘齿和位于管体外周壁上的第二棘齿，缸体驱动到位后该第一棘齿与第二棘齿匹配形成锁止，且该第一棘齿与缸体连接处设置有解封螺钉，可在缸体回缩带动第一棘齿回位，从而剪断解封螺钉，使得棘齿解锁。 [0017] 按照本发明的另一方面，提供一种二氧化碳地质封存中管线穿越封隔器的方法，用于实现二氧化碳地质封存中的各种管线穿越设置在两端与管体连接的套管中的封隔器而到达地质下层，该方法包括： [0018] 在套管两端设置穿越器，其中该穿越器包括套装在管体上并位于套管一端侧的第一穿越机构和套装在管体上并位于所述套管另一端侧且呈对称布置的第二穿越机构，两穿越机构均具有呈中空筒体状并螺纹套装在所述管体外壁的转接接头，且转接接头的管壁设置有多个呈环形布置的沿筒体深度方向贯通筒壁的管线通道，其与管体上的用于使管线进入管体的开口相通； [0019] 将用于二氧化碳地质封存中的所述各种管线通过所述第一穿越机构上的转接接头的管线通道进入该转接接头并在穿越其筒壁后进入管体中，然后在穿越所述封隔器后从管体中穿出，从而进入所述第二穿越机构的转接接头的管线通道中，并进一步可从其出口穿出，从而实现对封隔器的穿越。 [0020] 作为本发明的改进，该方法还包括在所述管体上并位于所述封隔器与任一穿越器之间套装设置一密封机构，其可实现管体与管套之间环形空间的密封从而可通过预留的管线在其中注入防腐材料而实现对封隔器的防腐保护。 [0021] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于在封隔器两端均设置穿越机构，能够取得下列有益效果： [0022] (1)本发明中，在管体上的常规封隔器两端均设置穿越机构，一起构成穿越器，使得用于二氧化碳地质封存的各类管线可以经该穿越器进入管体中并从而穿越封隔器，而后从另一端的穿越机构中传出，从而实现顺利对封隔器的穿越，而无需对封隔器进行改造，极大地提高了适用范围并降低了成本。 [0023] (2)本发明中，穿越机构中设置有转接接头，其通过螺纹连接方式与管体外壁套接，且其中管壁上设置多个沿筒体深度方向的管线通道，通道一端与管体开口连通，另一端通过密封接头密封，这样可以适应大量的或者多种不同类型的管线穿越。 [0024] (3)本发明中，转接接头中的管线通道由两个互呈一定角度的通道组成，这种设置可以使得进入或穿出转接接头的管线可以有一定方向的改变，一方面可以匹配管线从外部进入管体内，另一方面可实现允许小角度折弯的柔性管线(如电缆)，刚度较大的管线(如不锈钢管)，不宜大幅度折弯的铠甲管线(如光缆)等的穿越，从而适应二氧化碳地质封存中管线穿越的需求。 [0025] (4)本发明中，在所述管体上并位于所述封隔器与任一穿越器之间套装设置有密封机构，其可实现管体与管套之间环形空间的密封从而可在其中注入防腐材料而实现对封隔器的防腐保护，通过上述手段可以使得管体和管套之间利用其良好密封性而留存防腐液，从而有效保护穿越器以及相应的管线或封隔设备，极大提高穿越设备的防腐性能。 [0026] (5)本发明中管线可顺利绕开封隔器与井下设备相连接，从而使井下设备能顺利工作，可以解决二氧化碳地质封存井中，在不需要更改封隔器结构的情况下能将不同管线穿过封隔器的问题，适用于市场上大多数的封隔器，在二氧化碳地质封存领域中具有广泛的实用性。附图说明 [0027] 图1为按照本发明一个实施例所构建的穿越封隔器的方法或装置中的整体结构示意图； [0028] 图2是图1中的穿越机构的结构示意图； [0029] 图3图1中的短节的结构示意图； [0030] 图4是图1中的密封机构的结构示意图； [0031] 图5是图4中的密封机构的剖面结构示意图； [0032] 图6是图4中的密封机构中的作动单元的结构示意图； [0033] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—管线，2—穿越器，3—短节，4—封隔器，5—金属密封器，6—管体(例如油管),7—套管，8—防腐保护液，9—通道夹角，10—垂直通道，11—斜向通道，12—密封器刚体，13—金属密封层，14—压力注入孔，15—刚体锁紧棘轮，16—密封圈，17—滑套缸体，18—活塞腔，19—滑套锁紧棘轮，20—棘轮解封销钉，21—密封卡套螺母，22—防腐液注入孔，23—防腐液注入管线。 具体实施方式[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 [0035] 按照本发明一个优选实施例所构建的二氧化碳地质封存中的管线穿越封隔器的装置，如图1-2所示，包括穿越器2，其具体包括套装在主管管体6(例如油管或者其他用于注入二氧化碳的管体)上并位于封隔器4一侧(对应于本实施例的图中是位于封隔器的上侧，即进线侧)的第一穿越机构和套装在主管管体6上并位于所述封隔器4另一端(对应于本实施例的图中是位于封隔器的下侧，即穿出侧)端部且呈对称布置的第二穿越机构。 [0036] 在管体6上的常规封隔器4两端均设置穿越机构，一起构成穿越器2，使得用于二氧化碳地质封存的各类管线1可以经该穿越器2进入管体6中并从而穿越封隔器4，而后从另一端的穿越机构中传出，从而实现顺利对封隔器4的穿越，而无需对封隔器4进行改造，极大地提高了适用范围并降低了成本。 [0037] 两穿越机构均包括呈中空筒体状转接接头，其螺纹套装在所述主管管体6的外壁上。如图2所示，本实施例中的第一穿越机构的转接接头的筒体通孔由具有多段不同孔径的孔组成，其中上部孔用于与套设在管体6上的安装座螺纹连接，中部孔的孔径较小，筒壁较厚，用于与管体6之间接触，下部孔的空间较大，筒壁较薄，用于与管体6上具有开孔的管壁套接，相应地，该段管体6管径较大，其中该开孔用于管线1从此进入管体6内部。 [0038] 另外，如图3所示，穿越机构还包括短节3，其也成两端开口的中空筒体结构，其中中空孔也呈台阶孔形式，较大的孔径段用于与转接接头外壁的一端(如图所示对于第一穿越机构来说是下端)套接，较小孔径的一段套接直接在管体6外壁上并紧固，从而可起到支撑穿越器2以及密封的作用。 [0039] 另外，另一侧的穿越机构与该侧的机构呈轴对称布置，相应的结构和组成与该侧穿越机构相同。 [0040] 如图2所示，穿越器2的管线通道设置中筒壁上，具体地，沿筒体深度方向贯通筒壁上设置有多个呈环形布置的管线通道，其与管体上的用于使管线进入管体的开口相通，使得用于二氧化碳地质封存中的各种管线1可通过第一穿越机构上的转接接头的对应的各管线通道进入该转接接头并在穿越其筒壁后进入主管管体6中，并在穿越所述封隔器4后从主管管体6中穿出，从而进入所述第二穿越机构的转接接头的管线通道中，并进一步可从其出口穿出，从而实现对封隔器的穿越。 [0041] 本实施例中，穿越机构中设置有穿越器2，其通过螺纹连接方式与管体6外壁套接，且其中管壁上设置多个沿筒体深度方向的管线通道，通道一端与管体开口连通，另一端通过密封接头密封，这样可以适应大量的或者多种不同类型的管线穿越。 [0042] 穿越器2中的管线通道由沿筒体轴向方向设置的第一通道10(本实施例中优选为与管道轴线平行的垂直通道)和与该第一通道10连接并呈一定角度9设置的第二通道11(本实施例中优选为与管道轴线不平行的斜向通道)组成，使得管线进入后经过第一通道10和第二通道11后可变化一定方向后再穿出。 [0043] 该角度9可以允许小角度折弯的柔性管线、刚度较大的管线以及不宜大幅度折弯的铠甲管线多种管线通过，实现二氧化碳地质封存中各种管线特别是不适于弯折或者刚性较大的管线的顺利穿越。 [0044] 在一个实施例中，本实施例中第一通道10与第二通道11之间的角度9优选为160°度。实际上，本发明中考虑到套管内空间局限性角度不宜过大、以及管线不宜大幅度折弯，同时管线穿越器本身的结构要求，角度优选应大于150°，可以优选为150°—165°，[0045] 另外，转接接头的第一通道10端部设置有密封接头6，用于在管线进入所述穿越器2或者从穿越器2穿出时锁紧该第一通道10端部，实现与外界的密封。 [0046] 如图4-6所示，优选地，本方案中的管线穿越封隔器的装置还包括设置在封隔器4与其中一个穿越器2之间的密封机构，其用于实现管体6与管套7之间的密封从而可在其中注入防腐材料例如防腐液而实现对封隔器的防腐保护。如图1所示，本实施例中优选是密封机构设置在封隔器4与位于下端的穿越器2之间，但密封机构的位置并不限于此，例如还可以设置在封隔器4与位于上端的穿越器2之间。 [0047] 该密封机构包括金属密封器5(也可以是其他类型)和设置在该金属密封器之外用于作动以驱动该密封器密封管体管套的作动机构。其中，金属密封器5用于封堵管体与管套之间的环形空间，其套装在管体外围，优选为回转体结构，其由多个不同半径回转形成，优选为纺锤形，其中最大半径与管套内径匹配，以此作为密封面。当然也可以为其他形状，只需保证其具有与管套内径匹配的密封面即可。作动机构包括套装在管体外周并与密封器5连接的呈筒体结构的缸体17，其与管体外周接触的筒壁上开有凹槽，以形成腔体18以作为活塞腔，该腔体18与管体上的压力注入孔14相通，用以通过该注入孔14向腔体注入流体，进而可产生压力变化而推动缸体在管体外周壁上轴向往复运动。缸体17一端端部与密封器5固定连接，其可在缸体17驱动下往复运动，从而可压紧或松开密封面，实现对管体与管套之间的环形空间的密封或解封。 [0048] 在一个实施例中，该密封机构还设置有滑套锁止装置，其优选为棘齿结构19，包括位于缸体17上的第一棘齿和位于管体外周壁上的第二棘齿，缸体驱动到位后该第一棘齿与第二棘齿匹配形成锁止，且该第一棘齿与缸体连接处设置有解封螺钉，可在缸体回缩带动第一棘齿回位，从而剪断解封螺钉，使得棘齿解锁。 [0049] 密封形成后，可通过管体管壁上的防腐液注入孔22通过预留的防腐液注入管线23向环形空间中注入防腐液，从而可对封隔器4、穿越器2及相应的密封装置进行防腐。 [0050] 实际操作时，在所有的装置安装完成后，设备下至井底相应位置。通过主管管体6的内部中心孔注入流体并加压坐封封隔器4，同时，注入的流体经过密封器刚体12上的压力注入孔14，进入滑套缸体17上的活塞腔18，流体压力上升后推动活塞缸体17向下运动，活塞缸体17进一步推动并挤压金属密封层13，金属密封层13经过挤压后膨胀压紧套管7的管壁，从而密封套管7内的环形空间。同时，滑套锁紧棘轮19与刚体锁紧棘轮15相啮合，达到锁紧状态，这样即使主管管体内压力卸去后金属密封层13也不会回弹。 [0051] 再通过主管管体6上的防腐液注入孔22向该段密封环形空间内注入防腐保护液8，从而起到保护封隔器4的作用。当需要起出井底设备时，解封封隔器4后，上提主管管体6，剪断棘轮解封销钉20，金属密封层13回弹，金属密封器5随之解封，然后可顺利起出所有的设备。 [0052] 通过本发明的上述方式，管线可顺利绕开封隔器与井下设备相连接，从而使井下设备能顺利工作，可以解决二氧化碳地质封存井中，在不需要更改封隔器结构的情况下能将不同管线穿过封隔器的问题，适用于市场上大多数的封隔器，在二氧化碳地质封存领域中具有广泛的实用性。 |
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