CN102635322A - 裸眼井段膨胀套管的工具 - Google Patents

Abstract

裸眼井段膨胀套管的工具，应用于石油钻完井裸眼井段膨胀套管施工。主要分为液压缸缸体总成、活塞杆与膨胀锥总成和膨胀管与锚定器总成三部分。效果是：能够完成膨胀管技术体系中的裸眼系统的施工作业。应用该工具系统进行施工作业后，既能达到处理井下复杂情况的目的，又可保证后续钻井过程的正常进行，因此能够有效处理钻井风险和事故，提高钻井过程的安全可靠性及钻井速度；并且减少原材料使用，从而降低钻井和完井成本。

Description

裸眼井段膨胀套管的工具

技术领域

本发明涉及石油天然气行业中钻完井技术领域，特别涉及一种可应用于属于膨胀管技术体系的裸眼系统的裸眼井段膨胀套管的工具。

背景技术

膨胀管技术(Expandable Tubular Technology)是上世纪九十年代产生并发展起来的一项新技术，可应用于钻井、完井、采油、修井等作业过程，被誉为可带来变革性发展的新技术。所谓膨胀管是指用特殊材料制成的金属圆管，其原始状态具有较好的延展性，在膨胀力的作用下，通过膨胀锥的挤压作用，其内径和外径均得到膨胀并发生永久塑性变形，膨胀率可达到15～30％。膨胀管技术通过对膨胀管实施胀管作业，改变膨胀管材料的晶体组织结构和机械性能，使其强度指标得到提高，而塑性指标下降。膨胀管技术通过选择或调整膨胀管材料、控制膨胀率等技术手段，可使膨胀管获得与特定钢级套管相当的机械性能指标，从而满足石油工程的使用要求。

膨胀管技术一般可用来解决复杂地层引起的各种问题，如封堵严重漏失地层，解决井眼垮塌问题等，也可以用于套管的补贴与修复。根据膨胀管技术的用途对其进行分类，可分为套管补贴系统、裸眼系统、膨胀尾管悬挂系统及等直径钻完井系统等几大技术体系。

膨胀管裸眼系统是指当钻井过程中钻遇有问题的裸眼井段时，在该裸眼井段原常用的套管系列间加入一段(或多段)膨胀管，并使膨胀管的机械性能与原套管相当的技术。在常规情况下，钻井施工可采取提前下套管的技术措施来解决钻遇问题，其结果是由于打乱了原钻井设计所规定的套管序列，将引起一系列的连带技术问题，甚至影响到最终目的层的钻达。膨胀管裸眼系统技术利用在原常用的套管系列间加入的膨胀管，施工过程完成后，井眼通径几乎不损失，从而既达到了处理井下复杂情况的目的，又能保证后续钻井过程的正常进行。

发明内容

本发明的目的是：提供一种裸眼井段膨胀套管的工具，能在裸眼井段完成膨胀套管的施工，达到膨胀套管的技术要求。

本发明采用的技术方案是：裸眼井段膨胀套管的工具，主要由上油管接箍、提升连接杆、弹簧座、弹簧、楔形块、弹簧套、剪钉、膨胀套管、活塞防尘环、内油管接箍、活塞调整杆、转换接头、缸体防尘环、缸体调整套、橡胶套、一级液压缸缸体、一级活塞杆、缸体连接杆、二级活塞杆、二级液压缸缸体、液压缸密封套、膨胀锥连接杆、膨胀锥和固定螺母组成。分为液压缸缸体总成、活塞杆与膨胀锥总成和膨胀管与锚定器总成三部分。

液压缸缸体总成的结构是上油管接箍下端与提升连接杆上端通过螺纹连接。提升连接杆下端与转换接头上端通过内油管接箍相连。转换接头下端与缸体调整套上端螺纹连接，缸体防尘环套在转换接头下端且紧靠缸体调整套上端，在与一级活塞杆外表面相配合的缸体调整套的内表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈。缸体调整套下端与一级液压缸缸体上端螺纹连接，在一级液压缸缸体上的活塞行程中止处开有排气孔，并且在一级液压缸缸体上的活塞行程中止处的活塞下端开有泄流孔。一级液压缸缸体下端与缸体连接杆上端螺纹连接，缸体连接杆上端外表面和下端内表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈。缸体连接杆下端与二级液压缸缸体上端螺纹连接，在二级液压缸缸体上的活塞行程中止处开有排气孔。二级液压缸缸体下端与液压缸密封套螺纹连接，液压缸密封套上端外表面和下端内表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈。

活塞杆与膨胀锥总成的构成是活塞防尘环套在活塞调整杆上端，且与活塞调整杆相对固定。活塞调整杆下端与一级活塞杆上端螺纹连接，在与一级液压缸缸体内表面相配合的一级活塞杆的外表面上有密封槽，密封槽内安装有密封圈，一级活塞杆的活塞下端还开有泄流孔。一级活塞杆下端与二级活塞杆上端螺纹连接，在与二级液压缸缸体内表面相配合的二级活塞杆的外表面上有密封槽，密封槽内安装有密封圈，二级活塞杆的活塞下端开有泄流孔。二级活塞杆下端与膨胀锥连接杆上端螺纹连接，膨胀锥连接杆沿中心轴开有盲孔，杆体外表面有凸出的台肩以固定膨胀锥。膨胀锥套在膨胀锥连接杆的下端且紧靠在膨胀锥连接杆的台肩下端。膨胀锥处于膨胀套管最下端，且膨胀锥的一部分处于膨胀套管外，膨胀锥的最大外径等于膨胀管的最大外径。膨胀锥采用一种合金钢加工制造，具有较高的表面硬度。固定螺母安装在膨胀锥连接杆下端且紧靠膨胀锥下端以锁定膨胀锥，固定螺母下端配有轴用弹性挡圈以防松。

膨胀管与锚定器总成的构成是弹簧座与弹簧套上端螺纹连接。弹簧套下端与膨胀套管上端通过剪钉连接，弹簧套下部内表面是具有锥度为5°的斜面。楔形块的外表面是与弹簧套下部内表面具有相同锥度的斜面，楔形块的内表面具有防滑齿。楔形块安装在弹簧套下部内侧，且楔形块的外表面紧贴在弹簧套下部内表面。膨胀套管外表面每隔120～150mm的距离硫化橡胶套，橡胶套可以使膨胀套管对裸眼井壁的适应性更好，增强膨胀套管对裸眼井壁的贴合性。

活塞杆与膨胀锥总成安装在液压缸缸体总成内部，二者构成了裸眼井段膨胀套管的工具的膨胀工具串，膨胀工具串安装在膨胀管与锚定器总成内部用来膨胀膨胀套管。

简述使用裸眼井段膨胀套管的工具施工过程。进行施工时，可用油管连接工具系统的上油管接箍或者用钻杆连接转换接头再连接工具系统的上油管接箍将整套工具系统下入井中预定的裸眼井段处。连接好地面的高压泵和高压管线后可进行打压胀管作业。打压时，高压液体通过一级活塞杆上的泄流孔进入缸体连接杆和一级活塞杆之间的空间，同时高压液体通过二级活塞杆上的泄流孔进入液压缸密封套和二级活塞杆之间的空间，从而推动液压缸缸体总成和活塞杆与膨胀锥总成相对运动，液压缸缸体总成具有向下的运动趋势，活塞杆与膨胀锥总成具有向上的运动趋势。但是，由于在膨胀管与锚定器总成中采用了具有楔形块的设计，使得液压缸缸体总成向下的运动趋势被阻止，因此裸眼井段膨胀套管的工具的膨胀工具串只具有向上的运动趋势。当注入的高压液体的压力达到设计的膨胀压力时，活塞杆与膨胀锥总成将向上运动，从而使膨胀锥将膨胀套管膨胀至设计尺寸并贴合在裸眼井壁上。该膨胀工具串的设计采用了多级缸的结构，可以减小胀管施工作业时的膨胀压力，且可以根据实际使用情况方便地更改多级缸的级数和尺寸从而合理的配置膨胀压力。

持续地注入高压液体，活塞杆与膨胀锥总成可将膨胀套管膨胀800mm的距离，该距离等于活塞杆在液压缸缸体中的行程。当活塞杆与膨胀锥总成运动到满行程位置时，高压液体可以从一级液压缸缸体上的泄流孔流出液压缸缸体，此时该工具系统无法维持高压，膨胀工具串完成了一个膨胀行程，停泵泄压。

针对不同的井况，可能需要在裸眼井段应用较长的膨胀管，因此需要裸眼井段膨胀套管的工具可以进行多个膨胀行程的胀管作业。当一个膨胀行程的胀管作业结束时，膨胀套管已有一部分被胀大紧贴在裸眼井壁上保持静止。此时，上提膨胀工具串，由于膨胀套管卡住膨胀锥，因此活塞杆与膨胀锥总成无法向上运动。同时，由于膨胀管与锚定器总成中的楔形块只能限制液压缸缸体总成向下运动，并不能限制液压缸缸体总成向上运动，因此当上提膨胀工具串时液压缸缸体总成可向上运动回复至液压缸缸体总成活塞杆与膨胀锥总成的第一次打压胀管前的相对位置。此时，开泵继续进行打压胀管作业，即可完成下一个膨胀行程。如此反复多次可将膨胀套管全部膨胀完成。

当膨胀套管全部膨胀完成时，继续上提膨胀工具串，内油管接箍10将推动弹簧套有向上运动的趋势，当上提膨胀工具串的上提力达到设计值时，剪钉被剪断，继续上提膨胀工具串可将该工具系统起出井口，只留下被胀大的膨胀套管紧贴在裸眼井壁上，此时井眼通径为膨胀锥的外径，因此井眼通径几乎没有损失。至此，应用裸眼井段膨胀套管的工具的施工作业结束，可按照钻井设计进行后续的施工作业。

本发明的有益效果：本发明裸眼井段膨胀套管的工具，能够完成膨胀管技术体系中的裸眼系统的施工作业。应用该工具系统进行施工作业后，既能达到处理井下复杂情况的目的，又可保证后续钻井过程的正常进行，因此能够有效处理钻井风险和事故，提高钻井过程的安全可靠性及钻井速度；并且减少原材料使用，从而降低钻井和完井成本，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

图1a、图1b和图1c是本发明裸眼井段膨胀套管的工具的结构剖面示意图。图1a是上段，图1b是中段，图1c是下段。

图2a、图2b和图2c是一个膨胀行程胀管作业结束时，裸眼井段膨胀套管的工具的各元件所处位置示意图。图2a是上段，图2b是中段，图2c是下段。

图3a和图3b是本发明实施例中的以在95/8”套管壁厚为11.05mm中下入81/2”钻头并扩眼至228～230mm的裸眼井眼结构剖面示意图。图3a是实施前井眼剖面图，图3b是实施后井眼剖面图。

图中，1-上油管接箍，2-提升连接杆，3-弹簧座，4-弹簧，5-楔形块，6-弹簧套，7-剪钉，8-膨胀套管，9-活塞防尘环，10-内油管接箍，11-活塞调整杆，12-转换接头，13-缸体防尘环，14-缸体调整套，15-橡胶套，16-一级液压缸缸体，17-一级活塞杆，18-缸体连接杆，19-二级活塞杆，20-二级液压缸缸体，21-液压缸密封套，22-膨胀锥连接杆，23-膨胀锥，24-固定螺母。

具体实施方式

实施例1：以一个裸眼井段膨胀套管的工具为例，对本发明作进一步详细说明。

参阅图1a、图1b和图1c。本发明裸眼井段膨胀套管的工具，主要包括上油管接箍1、提升连接杆2、弹簧座3、弹簧4、楔形块5、弹簧套6、剪钉7、膨胀套管8、活塞防尘环9、内油管接箍10、活塞调整杆11、转换接头12、缸体防尘环13、缸体调整套14、橡胶套15、一级液压缸缸体16、一级活塞杆17、缸体连接杆18、二级活塞杆19、二级液压缸缸体20、液压缸密封套21、膨胀锥连接杆22、膨胀锥23和固定螺母24组成。分为液压缸缸体总成、活塞杆与膨胀锥总成和膨胀管与锚定器总成三部分，液压缸缸体总成和活塞杆与膨胀锥总成又构成了裸眼井段膨胀套管的工具的膨胀工具串。

液压缸缸体总成的构成：上油管接箍1下端与提升连接杆2上端通过螺纹连接。提升连接杆2下端与转换接头12上端通过内油管接箍10相连。转换接头12下端与缸体调整套14上端螺纹连接，缸体防尘环13套在转换接头12下端且紧靠缸体调整套14上端，在与一级活塞杆17外表面相配合的缸体调整套14的内表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈。缸体调整套14下端与一级液压缸缸体16上端螺纹连接，在一级液压缸缸体16上的活塞行程中止处开有1个排气孔①，并且在一级液压缸缸体16上的活塞行程中止处的活塞下端开有2个泄流孔②。一级液压缸缸体16下端与缸体连接杆18上端螺纹连接，缸体连接杆18上端外表面和下端内表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈。缸体连接杆18下端与二级液压缸缸体20上端螺纹连接，在二级液压缸缸体20上的活塞行程中止处开有排气孔④。二级液压缸缸体20下端与液压缸密封套21螺纹连接，液压缸密封套21上端外表面和下端内表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈。

活塞杆与膨胀锥总成的构成：活塞防尘环9套在活塞调整杆11上端，且与活塞调整杆11相对固定。活塞调整杆11下端与一级活塞杆17上端螺纹连接，在与一级液压缸缸体16内表面相配合的一级活塞杆17的外表面上有密封槽，密封槽内安装有密封圈，一级活塞杆17还开有泄流孔③。一级活塞杆17下端与二级活塞杆19上端螺纹连接，在与二级液压缸缸体20内表面相配合的二级活塞杆19的外表面上有密封槽，密封槽内安装有密封圈，二级活塞杆19还开有泄流孔⑤。二级活塞杆19下端与膨胀锥连接杆22上端螺纹连接，膨胀锥连接杆22沿中心轴开有盲孔，杆体外表面有凸出的台肩以固定膨胀锥23。膨胀锥23套在膨胀锥连接杆22的下端且紧靠在膨胀锥连接杆22的台肩下端，膨胀锥23采用一种合金钢加工制造，具有较高的表面硬度。固定螺母24安装在膨胀锥连接杆22下端且紧靠膨胀锥23下端以锁定膨胀锥23，固定螺母24下端配有轴用弹性挡圈以防松。

膨胀管与锚定器总成的构成：弹簧座3与弹簧套6上端螺纹连接。弹簧套6下端与膨胀套管8上端通过剪钉7连接，弹簧套6下部内表面是具有锥度为5°的斜面。楔形块5的外表面是与弹簧套6下部内表面具有相同锥度的斜面，楔形块5的内表面具有防滑齿。楔形块5安装在弹簧套6下部内侧，且楔形块5的外表面紧贴在弹簧套6下部内表面。膨胀套管8外表面每隔130mm的距离硫化橡胶套15，橡胶套15可以使膨胀套管8对裸眼井壁的适应性更好，增强膨胀套管8对裸眼井壁的贴合性。

以在壁厚为11.05mm的95/8”套管中下入81/2”钻头并扩眼至228～230mm的裸眼井眼为例(参阅图3a)，说明该工具系统如何使用。

施工时，可先用油管连接工具系统的上油管接箍1或者用钻杆连接转换接头再连接工具系统的上油管接箍1将整套工具系统下入该裸眼井眼。连接好地面的高压泵和高压管线后可注入清水进行打压胀管作业。打压时，清水通过一级活塞杆17上的泄流孔③进入缸体连接杆18和一级活塞杆17之间的空间，同时清水通过二级活塞杆19上的泄流孔⑤进入液压缸密封套21和二级活塞杆19之间的空间，从而推动液压缸缸体总成和活塞杆与膨胀锥总成相对运动，液压缸缸体总成具有向下的运动趋势，活塞杆与膨胀锥总成具有向上的运动趋势。但是，由于在膨胀管与锚定器总成中采用了具有楔形块5的设计，使得液压缸缸体总成向下的运动趋势被阻止，因此该工具系统的膨胀工具串只具有向上的运动趋势。当注入的清水的压力达到25MPa时，活塞杆与膨胀锥总成将向上运动，从而使外径为218mm的膨胀锥23将膨胀套管8膨胀至外径228mm并贴合在裸眼井壁上。参阅图3b所示，该膨胀工具串的设计采用两级缸的结构，使膨胀压力为25MPa。若取消缸体连接杆18、二级活塞杆19和二级液压缸缸体20，同时将一级液压缸缸体16的下部加长、一级活塞杆17的上部加长，且使一级液压缸缸体16下端与液压缸密封套21螺纹连接、一级活塞杆17下端与膨胀锥连接杆22上端螺纹连接，则膨胀工具串的将变成一级缸的结构，从而膨胀压力变为为50MPa。反之亦可增加缸的级数，从而使膨胀压力变小。

持续地注入清水，并保持25MPa，活塞杆与膨胀锥总成可将膨胀套管8膨胀800mm的距离，该距离等于活塞杆在液压缸缸体中的行程。当活塞杆与膨胀锥总成运动到图2a、图2b和图2c所示的位置时，高压清水可以从一级液压缸缸体16上的泄流孔②流出液压缸缸体，此时工具系统无法维持高压，膨胀工具串完成了一个膨胀行程，停泵泄压。

该工具系统可以进行多个膨胀行程的胀管作业。如附图2a、图2b和图2c所示，当一个膨胀行程的胀管作业结束时，膨胀套管8已有一部分被胀大紧贴在裸眼井壁上保持静止。此时，上提膨胀工具串，由于膨胀套管8卡住膨胀锥23，因此活塞杆与膨胀锥总成无法向上运动。同时，由于膨胀管与锚定器总成中的楔形块5只能限制液压缸缸体总成向下运动，并不能限制液压缸缸体总成向上运动，因此当上提膨胀工具串时液压缸缸体总成可向上运动至如附图1a、图1b和图1c所示的液压缸缸体总成活塞杆与膨胀锥总成的相对位置。此时，开泵继续注入高压清水，即可完成下一个膨胀行程。如此反复多次可将膨胀套管8全部膨胀完成。

当膨胀套管8全部膨胀完成时，继续上提膨胀工具串，内油管接箍10将推动弹簧套6有向上运动的趋势，当上提膨胀工具串的上提力达50KN时，剪钉7被剪断，继续上提膨胀工具串可将工具系统起出井口，只留下被胀大的膨胀套管8紧贴在裸眼井壁上，此时井眼通径为220mm，井眼通径损失2mm。至此，应用该工具系统的施工作业结束，可按照钻井设计进行后续的施工作业，例如可继续下入81/2″钻头，7″套管固井。

Claims (14)

1.一种裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：主要由上油管接箍、提升连接杆、弹簧座、弹簧、楔形块、弹簧套、剪钉、膨胀套管、活塞防尘环、内油管接箍、活塞调整杆、转换接头、缸体防尘环、缸体调整套、橡胶套、一级液压缸缸体、一级活塞杆、缸体连接杆、二级活塞杆、二级液压缸缸体、液压缸密封套、膨胀锥连接杆、膨胀锥和固定螺母组成；分为液压缸缸体总成、活塞杆与膨胀锥总成和膨胀管与锚定器总成三部分。

2.根据权利要求1所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：液压缸缸体总成的结构是上油管接箍下端与提升连接杆上端通过螺纹连接；提升连接杆下端与转换接头上端通过内油管接箍相连；转换接头下端与缸体调整套上端螺纹连接，缸体调整套下端与一级液压缸缸体上端连接，一级液压缸缸体下端与缸体连接杆上端连接，缸体连接杆下端与二级液压缸缸体上端连接，二级液压缸缸体下端与液压缸密封套连接。

3.根据权利要求2所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：在液压缸缸体总成中的一级液压缸和二级液压缸的缸体上的活塞行程中止处开有排气孔，并且在一级液压缸缸体上的活塞行程中止处的活塞下端开有泄流孔。

4.根据权利要求2所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：液压缸缸体总成中的一级液压缸和二级液压缸的液压缸密封套上端外表面和下端内表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈。

5.根据权利要求2所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：液压缸缸体总成中，缸体防尘环套在转换接头下端且紧靠缸体调整套上端，在与一级活塞杆外表面相配合的缸体调整套的内表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈。

6.根据权利要求1所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：活塞杆与膨胀锥总成的构成是活塞调整杆下端与一级活塞杆上端连接，一级活塞杆下端与二级活塞杆上端连接，二级活塞杆下端与膨胀锥连接杆上端连接，膨胀锥连接杆沿中心轴开有盲孔，杆体外表面有凸出的台肩以固定膨胀锥。

7.根据权利要求6所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：活塞杆与膨胀锥总成中，活塞防尘环套在活塞调整杆上端，且与活塞调整杆相对固定。

8.根据权利要求6所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：活塞杆与膨胀锥总成中，在与一级液压缸缸体内表面相配合的一级活塞杆的外表面上有密封槽，密封槽内安装有密封圈，一级活塞杆的活塞下端还开有泄流孔；在与二级液压缸缸体内表面相配合的二级活塞杆的外表面上有密封槽，密封槽内安装有密封圈，二级活塞杆的活塞下端开有泄流孔。

9.根据权利要求6所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：活塞杆与膨胀锥总成中，膨胀锥套在膨胀锥连接杆的下端且紧靠在膨胀锥连接杆的台肩下端；膨胀锥处于膨胀套管最下端，且膨胀锥的一部分处于膨胀套管外，膨胀锥的最大外径等于膨胀管的最大外径；膨胀锥采用一种合金钢加工制造，具有较高的表面硬度；固定螺母安装在膨胀锥连接杆下端且紧靠膨胀锥下端以锁定膨胀锥，固定螺母下端配有轴用弹性挡圈以防松。

10.根据权利要求1所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：膨胀管与锚定器总成的构成是弹簧座与弹簧套上端连接；弹簧套下端与膨胀套管上端连接，弹簧套下部内表面是具有锥度为5°的斜面。

11.根据权利要求10所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：膨胀管与锚定器总成中，弹簧套下端与膨胀套管上端通过剪钉连接。

12.根据权利要求10所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：膨胀管与锚定器总成中，楔形块安装在弹簧套下部内侧，且楔形块的外表面紧贴在弹簧套下部内表面；楔形块的外表面是与弹簧套下部内表面具有相同锥度的斜面，楔形块的内表面具有防滑齿。

13.根据权利要求10所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：膨胀管与锚定器总成中，膨胀套管外表面每隔120～150mm的距离硫化橡胶套，橡胶套使膨胀套管对裸眼井壁的适应性更好，增强膨胀套管对裸眼井壁的贴合性。

14.根据权利要求10所述的裸眼井段膨胀套管的工具，其特征在于：活塞杆与膨胀锥总成安装在液压缸缸体总成内部，活塞杆与膨胀锥总成二者构成了裸眼井段膨胀套管的工具的膨胀工具串，膨胀工具串安装在膨胀管与锚定器总成内部用来膨胀膨胀套管。

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