CN102808594B - 一趟管柱多级分层防砂完井装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种一趟管柱多级分层防砂完井装置及方法，装置有依次插入到第一油层、第二油层和第三油层内的油层套管，在油层套管内设置有盲管，盲管的内部设置坐封验封一体化管柱，盲管的外侧由上至下套有丢手悬挂封隔器、第一安全接头、第一防砂管柱、第一隔离封隔器、第二安全接头、第二防砂管柱、第二隔离封隔器、第三防砂管柱和支撑卡瓦，坐封验封一体化管柱上部与标准油管连接，下部与丢手悬挂封隔器相连，并与丢手悬挂封隔器形成一个整体，第一防砂管柱对准第一油层，第二防砂管柱对准第二油层，第三防砂管柱对准第三油层，支撑卡瓦安装在盲管的下端并位于第三油层的下方。本发明分层级数不受限制，实现了边坐封、边验封，保证了各级封隔器的密封效果，提高了修井效率。

Description

一趟管柱多级分层防砂完井装置及方法

技术领域

本发明涉及一种防砂完井方法与装置。特别是涉及一种能够满足海上油田对于多级分层防砂工艺需求的一趟管柱多级分层防砂完井装置及方法。

背景技术

多级分层挂滤防砂作为一种简易防砂完井工艺，在各大疏松砂岩油藏的油水井中广泛应用。特别是在海上油田，为提高采油速度，单井多层系开采，开采层段多数在3层以上，需要分层防砂完井后再实施其它生产工艺。目前常规分层防砂工艺主要分两种：一种采用逐层施工工艺，即施工完一层、验封一层，再逐级向上施工，这种工艺施工周期长，防砂完井后留井通径小，不利于后期分层采油或注水工艺的开展；另外一种采用一次管柱坐封所有防砂工具，但该工艺不具备验封功能，需单独下入一趟验封工具，层位较多时施工周期较长，作业费用较高。以上两种工艺采用的均采用锚定式封隔器分层，解封方式为强制上提解封，解封难度较大，为后续修井作业增加风险，解封失败后往往造成大修作业，大大增加了修井成本。因此，常规的分层防砂完井工艺无法满足海上油田快速、安全生产的需求，需要一种更为安全、更为有效的分层防砂工艺，具备较大内通径，能为后期采油、注水提供足够的完井通道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种实现了边坐封、边验封，保证了各级封隔器密封效果的一趟管柱多级分层防砂完井装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种一趟管柱多级分层防砂完井装置及方法，一趟管柱多级分层防砂完井装置，包括有依次插入到第一油层、第二油层和第三油层内的油层套管，在油层套管内设置有盲管，所述的盲管的内部设置坐封验封一体化管柱，所述的盲管的外侧由上至下套有丢手悬挂封隔器、第一安全接头、第一防砂管柱、第一隔离封隔器、第二安全接头、第二防砂管柱、第二隔离封隔器、第三防砂管柱和支撑卡瓦，其中，所述的坐封验封一体化管柱上部与标准油管连接，下部与丢手悬挂封隔器相连，并与丢手悬挂封隔器形成一个整体，所述的第一防砂管柱对准第一油层，第二防砂管柱对准第二油层，第三防砂管柱对准第三油层，所述的支撑卡瓦安装在盲管的下端并位于第三油层的下方。

所述的坐封验封一体化管柱包括有管柱，设置在管柱下部外侧的第一扩张式封隔器和第二扩张式封隔器，设置在管柱内并位于第一扩张式封隔器和第二扩张式封隔器之间的节流器，设置在管柱上并连接在第二扩张式封隔器下方的坐封开关，设置在管柱的底端的单流阀，其中，所述的第一扩张式封隔器连接在丢手悬挂封隔器的下端，第一扩张式封隔器、第二扩张式封隔器、节流器、坐封开关和单流阀之间通过标准油管连接。

所述的丢手悬挂封隔器包括有包括：位于中心的丢手中心管和内连接头，所述的内连接头是通过变扣接头连接在丢手中心管的底端，所述的丢手中心管的顶端套有丢手上接头，所述的丢手中心管的外侧设置有解封机构，所述解封机构的外侧设置有锁定机构，所述的丢手中心管和内连接头的外侧且位于锁定机构的下端设置有下中心管，所述下中心管的底端通过套在内连接头的外侧的下连接头进行定位，并通过锚定机构进行固定，所述的下中心管的外侧设置有外中心管，所述的外中心管的外侧且位于锁定机构和锚定机构之间设置有密封机构，其中，所述的解封机构的顶端通过密封短接与所述的丢手上接头及丢手中心管密封连接，并通过打捞接头进行固定，所述的丢手上接头和打捞接头的外侧套有导向头，所述的丢手中心管的外侧并位于下中心管的内侧还设置有滑套，所述的滑套与所述的下中心管的内侧为密封接触。

所述的解封机构包括有解封中心管，设置在解封中心管的外侧由上至下依次设置的解封挡环、支撑体、解封棘爪和中间接头，其中，所述的解封中心管的顶端的内侧通过密封短接与所述的丢手上接头及丢手中心管密封连接，所述的解封挡环嵌入在所述的解封中心管顶端的外侧与所述的锁定机构的顶端以及打捞接头的底端之间，所述的中间接头位于所述的外中心管的上端，所述的解封中心管通过支撑体与锁定机构固定连接，所述的解封棘爪和中间接头为固定连接；所述的锁定机构包括有锁套、锁套环、大锁环、缸套、活塞及锁块，其中，所述的锁套分别与解封机构中的支撑体和解封挡环固定连接，所述的缸套套在锁套的外侧，缸套的顶端通过锁套环定位，所述的大锁环设置在所述的缸套的顶端与所述的锁套环内侧之间的间隙内，所述的活塞设置在所述的缸套与解封机构中的中间接头之间，并且，所述的锁块设置在活塞与所述的中间接头之间，所述的缸套、活塞和锁块的下端分别与密封机构相连接。

所述的密封机构包括有由上至下依次套在外中心管外侧的上胶筒座、上胶筒、下胶筒和下胶筒座，所述的上胶筒座的顶端分别与锁定机构中的缸套、活塞和锁块相连接，所述的上胶筒和下胶筒之间设置有胶筒隔环，所述的下胶筒座的下端连接锚定机构；所述的锚定机构包括有套在下中心管的外侧，上端嵌入在密封机构中的下胶筒座的内侧并与外中心管固定连接的上锥体，套在下中心管的外侧并通过固定套定位的下锥体，所述的上锥体与下锥体之间设置有卡瓦，所述的卡瓦通过卡瓦套定位，所述的卡瓦套固定在固定套上，所述的卡瓦上设置有调整弹簧。

所述的第一隔离封隔器和第二隔离封隔器结构完全相同，均包括有：用来连接位于上面的第一防砂管柱或第二防砂管柱以及盲管的上接头，上中心管、下中心管、密封胶筒结构、坐封机构、密封机构、锁紧机构和下接头，所述的上中心管和下中心管通过中间接头固定连接，所述的上接头的下端连接在上中心管顶端的外侧，并位于密封胶筒结构顶端的内侧，所述的上接头的下端设置有套在上中心管外侧的衬管，所述的下接头的上端连接在下中心管下端的外侧并通过护环固定，下接头的下端用于连接第二防砂管柱或第三防砂管柱以及盲管，所述的密封胶筒结构套接在衬管的外侧，坐封机构连接在密封胶筒结构的下面，密封机构设置在坐封机构的外侧，锁紧机构连接在密封机构的下面。

所述的密封胶筒结构包括：由上至下依次设置的上胶筒座、第一胶筒、第一隔环、第二胶筒、第二隔环和第三胶筒，其中，所述的上胶筒座设置在上接头的外侧；

所述的坐封机构包括：连接在密封胶筒结构底端的坐封活塞、连接在坐封活塞的下端并位于衬管的外侧的锁块，所述的坐封活塞的下端并位于锁块的外侧还设置有解封密封环，在所述的解封密封环内侧与所述的中间接头顶端的连接处设置有限位环；

所述的密封机构包括：连接在中间接头下端的密封环，套在中间接头和密封环外侧的内密封环，上部分套在所述的坐封机构的外侧，下部分套在内密封环外侧的外密封环，以及上端嵌入在所述的内密封环和下中心管之间的下密封环，所述的下密封环下方设置有套在下中心管外侧的转承环；

所述的锁紧机构包括：位于下密封环的底端套在下中心管外侧的小锁环、套在下密封环的下部和小锁环的外侧底端并嵌入在小锁环和转承环之间的锁环套、套在下密封环和锁环套以及转承环的外侧的变位套、位于变位套的底端并套在转承环外侧的螺母挡圈，套在外密封环下部的解锁套，所述的解锁套的下端通过套接在转承环外侧的锁环座定位，所述的锁环座下部的内侧与所述的转承环之间由上至下依次嵌入有大锁环和挡环。

所述的坐封开关，包括上连接头、下连接头、定压阀部分、变位活塞部分和换轨机构，所述的上连接头、定压阀部分、变位活塞部分、换轨机构和下连接头由上至下依次连接，所述上连接头和下连接头的另一端分别连接标准油管，所述的定压阀部分包括：与上连接头相连接的阀座，位于阀座下方的阀体，位于阀体下方的定压弹簧，设置在阀座和阀体之间的密封垫，所述的阀体和定压弹簧的内侧套有与所述的上连接头相连通的上中心管，所述的上中心管上形成有过流口，所述的阀座与阀体之间形成有与上中心管上的过流口相连通的且可开关的节流出口，所述的节流出口开关对应坐封与验封两种状态。

所述的变位活塞部分包括：连接在定压阀部分中的上中心管下面的连接管，并且，所述连接管的上顶端与定压阀部分中的定压弹簧为接触连接，所述的连接管的外侧依次套有活塞和限位套，所述的活塞的外侧形成有向外凸出的凸台，所述的限位套的下端被支撑在活塞的凸台上，所述的活塞的凸台下方卡套有液缸套，所述的液缸套的内侧插入有复位弹簧，所述复位弹簧的上端与活塞的下端连接，所述复位弹簧和液缸套的下端与换轨机构相连，所述的换轨机构包括：插入在变位活塞部分中的复位弹簧内的下中心管，所述下中心管的上端与变位活塞部分中的连接管相连接，下端与下连接头相连，还设置有连接在变位活塞部分中的复位弹簧和液缸套下端的转换接头，套在转换接头下端外侧的摆动滑套，以及位于摆动滑套下面并且套在下中心管下端外侧的护环，所述的下中心管与摆动滑套之间形成有间隙，所述的间隙内设置有摆动环，所述的摆动环内设置有沿下中心管外周面移动的轨道销钉，所述的下中心管下部分的外周面上沿外周面形成有一圈轨迹为往复式的轨道滑槽，所述的轨道销钉的一端位于轨道滑槽内，并在变位活塞部分的驱动下沿所述的轨道滑槽滑动。

一种用于一趟管柱多级分层防砂完井装置的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据分层防砂层段数，备好相应数量的防砂管柱、油层套管、丢手悬挂封隔器、隔离封隔器、安全接头；

步骤二、按照设定的工具的先后顺序，自下而上将各个工具依次连接下入，当完成最上一层的防砂管柱及油层套管的连接时，下井管柱暂时固定于井口上方作业平台处，开始准备扩张式封隔器、节流器、坐封开关、单流阀工具；

步骤三、按管柱自下而上依次下入单流阀、坐封开关、扩张式封隔器、节流器、扩张式封隔器，形成坐封验封一体化管柱，内层坐封验封一体化管柱通过油管连接于丢手悬挂封隔器内连接头处；

步骤四、丢手悬挂封隔器的外连接头处与井口处防砂管柱相连，防砂管柱、坐封验封一体化管柱通过丢手悬挂封隔器连接成一个整体，通过普通油管或钻杆下入井下油层部位；

步骤五、分级坐封与验封：坐封开关的管柱内打压，扩张式封隔器密封，液压进入丢手悬挂封隔器及各级隔离封隔器，封隔器完成坐封，丢手悬挂封隔器锚定机构支撑在油层套管壁上，同时胶筒压缩与油层套管壁形成密封；各级隔离封隔器液压下坐封，胶筒在油层套管壁上形成密封带，实现各层间的隔离；继续增压，丢手悬挂封隔器完成丢手动作，实现坐封管柱与防砂管柱的分离；泄压后，坐封开关换轨至开启状态，液流从坐封开关流出，进入地层，观察油管与套管环空是否有返出液，从而验证该级隔离封隔器坐封是否合格，无连续返出液为合格，方可继续下一步操作；

步骤六、上提坐封验封一体化管柱至上一级隔离封隔器位置，重复步骤五，对该级隔离封隔器进行坐封和验封；

步骤七、验封合格后，起出坐封验封一体化管柱，将防砂管柱留在井底，作为井下分层注水或采油的完井管柱长期使用；

步骤八、后期修井作业需要起出步骤七中所述的防砂管柱，下入捞矛打捞上接头，上提防砂管柱，即解封顶部丢手悬挂封隔器，继续上提防砂管柱，各级隔离封隔器和底部支撑卡瓦将自动解封。

本发明的一趟管柱多级分层防砂完井装置及方法，分层级数不受限制，内通径保持一致，实现了边坐封、边验封，保证了各级封隔器的密封效果，整个工艺操作方法简单，施工时间短，是一种新型高效的多层防砂工艺管柱。防砂配套装置的特殊解封方式，大大降低了后期作业的风险，提高了修井效率。

附图说明

图1是本发明一趟管柱多级分层防砂完井装置的坐封过程结构示意图；；

图2是坐封验封一体化管柱的结构示意图；

图3是本发明一趟管柱多级分层防砂完井装置的验封过程结构示意图；

图4是本发明中丢手悬挂封隔器的结构示意图；

图5是本发明中隔离封隔器的结构示意图；

图6是本发明中坐封开关的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一趟管柱多级分层防砂完井装置及方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的一趟管柱多级分层防砂完井装置，包括有依次插入到第一油层8、第二油层9和第三油层10内的油层套管1，在油层套管1内设置有盲管11，所述的盲管11的内部设置坐封验封一体化管柱2，所述的盲管11的外侧由上至下套有丢手悬挂封隔器3、第一安全接头4A、第一防砂管柱5A、第一隔离封隔器6A、第二安全接头4B、第二防砂管柱5B、第二隔离封隔器6B、第三防砂管柱5C和支撑卡瓦7，其中，所述的坐封验封一体化管柱2上部与标准油管连接，下部与丢手悬挂封隔器3相连，并与丢手悬挂封隔器3形成一个整体，所述的第一防砂管柱5A对准第一油层8，第二防砂管柱5B对准第二油层9，第三防砂管柱5C对准第三油层10，所述的支撑卡瓦7安装在盲管11的下端并位于第三油层10的下方。

油层套管1为本发明工艺管柱的实施空间，坐封验封一体化管柱2上部与标准油管连接，下部与丢手悬挂封隔器3相连，并与丢手悬挂封隔器3形成一个整体，安全接头4安装于丢手悬挂封隔器3下部，根据现场需要可以在第一隔离封隔器6A与第二隔离封隔器6B下部加装安全接头4，第一防砂管柱5A、第二防砂管柱5B和第三防砂管柱5C安装于各级隔离封隔器6之间，其位置对准油层。支撑卡瓦7安装于防砂管柱的底部，位于油层3的下方。防砂管5、隔离封隔器6、安全接头4的数量，可根据油层数量相应增加级数。

如图2所示，所述的坐封验封一体化管柱2包括有管柱25，设置在管柱25下部外侧的第一扩张式封隔器21A和第二扩张式封隔器21B，设置在管柱25内并位于第一扩张式封隔器21A和第二扩张式封隔器21B之间的节流器22，设置在管柱25上并连接在第二扩张式封隔器21B下方的坐封开关23，设置在管柱25的底端的单流阀24，其中，所述的第一扩张式封隔器21A连接在丢手悬挂封隔器3的下端，第一扩张式封隔器21A、第二扩张式封隔器21B、节流器22、坐封开关23和单流阀24之间通过标准油管连接。

如图3所示，是本发明的大通径分层防砂与验封一体化工艺管柱，与图1的不同之处在于，该管柱处于隔离封隔器6B的坐封验封工作状态，坐封验封一体化管柱2中的工具用来作用于第二隔离封隔器6B，该图为该工艺重复施工操作中的一种工作状态。依次类推，可以对第一隔离封隔器6A采用同样的方法来实现坐封验封。

如图4所示，本发明的丢手悬挂封隔器3，包括：位于中心的丢手中心管31和内连接头32，所述的内连接头32是通过变扣接头33连接在丢手中心管31的底端，所述的丢手中心管31的顶端套有丢手上接头34，丢手上接头34位于最上端，用来连接标准油管与丢手悬挂封隔器。所述的丢手中心管31的外侧设置有解封机构，所述解封机构的外侧设置有锁定机构，所述的丢手中心管31和内连接头32的外侧且位于锁定机构的下端设置有下中心管35，所述下中心管35的底端通过套在内连接头32的外侧的下连接头36进行定位，并通过锚定机构进行固定，所述的下中心管35的外侧设置有外中心管37，所述的外中心管37的外侧且位于锁定机构和锚定机构之间设置有密封机构，其中，所述的解封机构的顶端通过密封短接38与所述的丢手上接头34及丢手中心管31密封连接，并通过打捞接头39进行固定，所述的丢手上接头34和打捞接头39的外侧套有导向头310，导向头310连接于打捞接头39上部，打捞接头39下部与坐封机构相连，所述的丢手中心管31的外侧并位于下中心管35的内侧还设置有滑套311，所述的滑套311与所述的下中心管35的内侧为密封接触。

所述的解封机构包括有解封中心管312，设置在解封中心管312的外侧由上至下依次设置的解封挡环313、支撑体316、解封棘爪314和中间接头315，其中，所述的解封中心管312的顶端的内侧通过密封短接38与所述的丢手上接头34及丢手中心管31密封连接，所述的解封挡环313嵌入在所述的解封中心管312顶端的外侧与所述的锁定机构的顶端以及打捞接头39的底端之间，所述的中间接头315位于所述的外中心管37的上端，所述的解封中心管312通过支撑体316与锁定机构固定连接，所述的解封棘爪314和中间接头315为固定连接。

所述的锁定机构包括有锁套317、锁套环318、大锁环319、缸套320、活塞321及锁块322，其中，所述的锁套317分别与解封机构中的支撑体316和解封挡环313固定连接，所述的缸套320套在锁套317的外侧，缸套320的顶端通过锁套环318定位，所述的大锁环319设置在所述的缸套320的顶端与所述的锁套环318内侧之间的间隙内，所述的活塞321设置在所述的缸套320与解封机构中的中间接头315之间，并且，所述的锁块322设置在活塞321与所述的中间接头315之间，所述的缸套320、活塞321和锁块322的下端分别与密封机构相连接。

所述的密封机构包括有由上至下依次套在外中心管37外侧的上胶筒座323、上胶筒324、下胶筒325和下胶筒座326，所述的上胶筒座323的顶端分别与锁定机构中的缸套320、活塞321和锁块322相连接，所述的上胶筒324和下胶筒325之间设置有胶筒隔环327，所述的下胶筒座326的下端连接锚定机构。

所述的锚定机构包括有套在下中心管35的外侧，上端嵌入在密封机构中的下胶筒座326的内侧并与外中心管37固定连接的上锥体328，套在下中心管35的外侧并通过固定套329定位的下锥体330，所述的上锥体328与下锥体330之间设置有卡瓦331，所述的卡瓦331通过卡瓦套332定位，所述的卡瓦套332固定在固定套329上，所述的卡瓦31上设置有调整弹簧333。

下连接头36一端连接于锚定机构，另一端用来连接防砂管柱，内连接头32位于工具最下端，上部与丢手上接头34相连，下部用来连接坐封服务工具。

本发明的丢手悬挂封隔器，解封机构由解封挡环、支撑体、解封中心管，解封棘爪组成独立系统，解封时上提打捞接头，解封机构动作，锁定机构释放，胶筒座和卡瓦受力解除。其上提力不直接作用在锚定结构上，解封负荷小。

锁块322可以防止中途坐封；锁定机构具有单向步进锁定功能，在油管泄压时，维持坐封状态；密封机构胶筒的U型槽结构，保证胶筒受力均匀，有效密封。其解封机构独立成系统，具有解封力小，无任何附加解封负荷，安全可靠的优点，后期打捞作业方便。丢手悬挂封隔器的下连接头与外防砂管柱相连，是外防砂管柱的最上端部分。丢手总成的上接头连接油管或钻杆，其内连接头下接坐封服务工具，其丢手为双重丢手方式，丢手安全可靠。

本发明中通过锚定机构向上向外扩张作用实现对整个外防砂管柱的悬挂。所述的锁块与活塞配合，形成定压启动，防止下井过程中的中途坐封情况。锁定机构为特殊锯齿波螺纹结构，形成单向步进锁定，在坐封与解封过程中，为单向运动方式，若油管泄压，活塞不会因胶筒恢复变形而有轴向位移，最终维持油管内最大压力时的坐封状态。其密封机构，密封面胶筒为中部U型槽结构，胶筒挤压受力时，其作用力均布于整个胶筒，防止作用力集中于中部上下表面，造成中部凸起，密封不严。所述的解封机构为独立系统，主要由解封挡环、支撑体、解封中心管，解封棘爪组成。解封时，上提打捞接头，解封机构动作，锁定机构释放，从而胶筒座和卡瓦受力自行解除。解封上提力不直接作用在锚定结构上，解封负荷小，根据需要的解封力可以自行调节，避免强制上提解封方式造成的管柱拉断或解封失效。

丢手上接头连接油管或钻杆；内连接头下接坐封服务工具；其丢手方式为旋转丢手与打压两种方式，防止单纯打压无法脱手时，可以采用有备用丢手方式。完成丢手动作后，实现内部坐封服务工具与防砂管柱的分离。

使用本发明的丢手悬挂封隔器包括以下步骤：

(1)封隔器打压，达到一定压力，坐封机构开始启动，压力液推动活塞移动，锚定机构在径向上向外扩张，卡瓦齿咬紧套管内壁，实现悬挂丢手封隔器对整个外防砂管柱的悬挂作用。

(2)坐封卡瓦过程中，随着卡瓦扩张到最大外径，活塞开始压缩封隔器的胶筒，上、下胶筒受力后均匀膨胀，密封机构封堵油套之间的环空，达到防砂段分层密封的目的。

(3)继续增压，完成丢手动作，实现坐封服务工具与防砂管柱的分离。

(4)后期需要打捞丢手悬挂封隔器时，只需对接打捞接头或下捞矛打捞中心管，解封中心管12向上动作，锁套17失去支撑，上、下胶筒和卡瓦受力解除，即可完成悬挂丢手封隔器的解封。

如图5所示，本发明所述的第一隔离封隔器6A和第二隔离封隔器6B结构完全相同，均包括有：用来连接位于上面的第一防砂管柱5A或第二防砂管柱5B以及盲管11的上接头61，上中心管66、下中心管、密封胶筒结构、坐封机构、密封机构、锁紧机构和下接头627，所述的上中心管66和下中心管通过中间接头611固定连接，所述的上接头61的下端连接在上中心管66顶端的外侧，并位于密封胶筒结构顶端的内侧，所述的上接头61的下端设置有套在上中心管66外侧的衬管65，所述的下接头627的上端连接在下中心管下端的外侧并通过护环626固定，下接头627的下端用于连接第二防砂管柱5B或第三防砂管柱5C以及盲管11，所述的密封胶筒结构套接在衬管65的外侧，坐封机构连接在密封胶筒结构的下面，密封机构设置在坐封机构的外侧，锁紧机构连接在密封机构的下面。

所述的密封胶筒结构包括：由上至下依次设置的上胶筒座62、第一胶筒631、第一隔环、第二胶筒、第二隔环和第三胶筒，其中，所述的上胶筒座62设置在上接头61的外侧；

所述的坐封机构包括：连接在密封胶筒结构底端的坐封活塞67、连接在坐封活塞67的下端并位于衬管65的外侧的锁块68，所述的坐封活塞67的下端并位于锁块68的外侧还设置有解封密封环610，在所述的解封密封环610内侧与所述的中间接头611顶端的连接处设置有限位环69；

所述的密封机构包括：连接在中间接头611下端的密封环613，套在中间接头611和密封环613外侧的内密封环612，上部分套在所述的坐封机构的外侧，下部分套在内密封环612外侧的外密封环614，以及上端嵌入在所述的内密封环612和下中心管之间的下密封环616，所述的下密封环616下方设置有套在下中心管622外侧的转承环；

所述的锁紧机构包括：位于下密封环616的底端套在下中心管外侧的小锁环619、套在下密封环616的下部和小锁环619的外侧底端并嵌入在小锁环619和转承环之间的锁环套618、套在下密封环616和锁环套618以及转承环的外侧的变位套617、位于变位套617的底端并套在转承环外侧的螺母挡圈621，套在外密封环614下部的解锁套615，所述的解锁套615的下端通过套接在转承环外侧的锁环座623定位，所述的锁环座623下部的内侧与所述的转承环之间由上至下依次嵌入有大锁环和挡环625。

如图6所示，本发明的坐封开关23，包括上连接头231和下连接头235，还设置有定压阀部分232、变位活塞部分233和换轨机构234，所述的上连接头231、定压阀部分232、变位活塞部分233、换轨机构234和下连接头235由上至下依次连接，所述上连接头231和下连接头235的另一端分别连接标准油管。

所述的定压阀部分232包括：与上连接头231相连接的阀座2321，位于阀座2321下方的阀体2322，位于阀体2322下方的定压弹簧2324，设置在阀座2321和阀体2322之间的密封垫2323，增加阀座与阀体的密封性。所述的阀体2322和定压弹簧2324的内侧套有与所述的上连接头231相连通的上中心管2325。

所述的上中心管2325上形成有过流口，所述的阀座2321与阀体2322之间形成有与上中心管2325上的过流口相连通的且可开关的节流出口2326，定压弹簧2324位于节流出口下方，控制其出口压力。所述的节流出口开关对应坐封与验封两种状态。

所述的变位活塞部分233包括：连接在定压阀部分232中的上中心管2325下面的连接管2333，并且，所述连接管2333的上顶端与定压阀部分232中的定压弹簧2324为接触连接，所述的连接管2333的外侧依次套有活塞2332和限位套2331，所述的活塞2332的外侧形成有向外凸出的凸台，所述的限位套2331的下端被支撑在活塞2332的凸台上，所述的活塞2332的凸台下方卡套有液缸套2335，所述的液缸套2335的内侧插入有复位弹簧2334，所述复位弹簧2334的上端与活塞2332的下端连接，所述复位弹簧2334和液缸套2335的下端与换轨机构234相连。

所述的变位活塞部分233的行程位置分为三种：1.原始位置C；2.位置A，变位活塞部分233轴向上移，抵住阀体2322，封堵节流出口，节流出口处于关状态；3.位置B，变位活塞部分233压缩定压弹簧2324上移,无法封住节流出口，节流出口处于开状态。其变位活塞部分233的位置由换轨机构234的轨道滑槽路线决定。

所述的换轨机构234包括：插入在变位活塞部分233中的复位弹簧2334内的下中心管2342，所述下中心管2342的上端与变位活塞部分233中的连接管2333相连接，下端与下连接头235相连，还设置有连接在变位活塞部分233中的复位弹簧2334和液缸套2335下端的转换接头2341，套在转换接头2341下端外侧的摆动滑套2344，以及位于摆动滑套2344下面并且套在下中心管2342下端外侧的护环2346。

所述的下中心管2342与摆动滑套2344之间形成有间隙，所述的间隙内设置有摆动环2345，所述的摆动环2345内设置有沿下中心管2342外周面移动的轨道销钉2343，所述的下中心管2342下部分的外周面上沿外周面形成有一圈轨迹为往复式的轨道滑槽，所述的轨道销钉2343的一端位于轨道滑槽内，并在变位活塞部分233的驱动下沿所述的轨道滑槽滑动。

变位活塞部分233上移，带动轨道销钉2343运动，轨道销钉2343反复运动，其运动轨迹始终在下中心管2342的轨道滑槽内，轨道滑槽的路线决定轨道销钉2343的轴向位移。

轨道销钉的运动轨迹由下中心管外周面上的轨道滑槽设计路线决定。在不断打压和泄压的过程中，轨道销钉处于轨道滑槽的不同位置。未加压时，本发明的坐封开关的变位活塞中的活塞2332在复位弹簧2334的作用下处于原始状态。

本发明的坐封开关，为坐封与验封的转换开关阀。当轨道开关阀关闭时，液体通过上方流出，坐封对应封隔器，重复打压可以多次坐封封隔器，保证封隔器坐封达到最佳效果；当轨道开关阀开启时，管内液体增加轨道开关阀与管外的通道，液体可以由轨道开关阀流向管外，作用在隔离封隔器上，验证其密封性。

本发明的用于一趟管柱多级分层防砂完井装置的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据分层防砂层段数，备好相应数量的防砂管柱、油层套管、丢手悬挂封隔器、隔离封隔器、安全接头；

步骤二、按照设定的工具的先后顺序，自下而上将各个工具依次连接下入，当完成最上一层的防砂管柱及油层套管的连接时，下井管柱暂时固定于井口上方作业平台处，开始准备扩张式封隔器、节流器、坐封开关、单流阀工具；

步骤三、按管柱自下而上依次下入单流阀、坐封开关、扩张式封隔器、节流器、扩张式封隔器，形成坐封验封一体化管柱，内层坐封验封一体化管柱通过油管连接于丢手悬挂封隔器内连接头处；

步骤四、丢手悬挂封隔器的外连接头处与井口处防砂管柱相连，防砂管柱、坐封验封一体化管柱通过丢手悬挂封隔器连接成一个整体，通过普通油管或钻杆下入井下油层部位；

步骤五、分级坐封与验封：坐封开关的管柱内打压，扩张式封隔器密封，液压进入丢手悬挂封隔器及各级隔离封隔器，封隔器完成坐封，丢手悬挂封隔器锚定机构支撑在油层套管壁上，同时胶筒压缩与油层套管壁形成密封；各级隔离封隔器液压下坐封，胶筒在油层套管壁上形成密封带，实现各层间的隔离；继续增压，丢手悬挂封隔器完成丢手动作，实现坐封管柱与防砂管柱的分离；泄压后，坐封开关换轨至开启状态，液流从坐封开关流出，进入地层，观察油管与套管环空是否有返出液，从而验证该级隔离封隔器坐封是否合格，无连续返出液为合格，方可继续下一步操作；

步骤六、上提坐封验封一体化管柱至上一级隔离封隔器位置，重复步骤五，对该级隔离封隔器进行坐封和验封；

步骤七、验封合格后，起出坐封验封一体化管柱，将防砂管柱留在井底，作为井下分层注水或采油的完井管柱长期使用；

步骤八、后期修井作业需要起出步骤七中所述的防砂管柱，下入捞矛打捞上接头，上提防砂管柱即解封顶部丢手悬挂封隔器，继续上提防砂管柱，各级隔离封隔器和底部支撑卡瓦将自动解封。

Claims (10)

1.一种一趟管柱多级分层防砂完井装置，包括有依次插入到第一油层(8)、第二油层(9)和第三油层(10)内的油层套管(1)，其特征在于，在油层套管(1)内设置有盲管(11)，所述的盲管(11)的内部设置坐封验封一体化管柱(2)，所述的盲管(11)的外侧由上至下套有丢手悬挂封隔器(3)、第一安全接头(4A)、第一防砂管柱(5A)、第一隔离封隔器(6A)、第二安全接头(4B)、第二防砂管柱(5B)、第二隔离封隔器(6B)、第三防砂管柱(5C)和支撑卡瓦(7)，其中，所述的坐封验封一体化管柱(2)上部与标准油管连接，下部与丢手悬挂封隔器(3)相连，并与丢手悬挂封隔器(3)形成一个整体，所述的第一防砂管柱(5A)对准第一油层(8)，第二防砂管柱(5B)对准第二油层(9)，第三防砂管柱(5C)对准第三油层(10)，所述的支撑卡瓦(7)安装在盲管(11)的下端并位于第三油层(10)的下方。 

2.根据权利要求1所述的一趟管柱多级分层防砂完井装置，其特征在于，所述的坐封验封一体化管柱(2)包括有管柱(25)，设置在管柱(25)下部外侧的第一扩张式封隔器(21A)和第二扩张式封隔器(21B)，设置在管柱(25)内并位于第一扩张式封隔器(21A)和第二扩张式封隔器(21B)之间的节流器(22)，设置在管柱(25)上并连接在第二扩张式封隔器(21B)下方的坐封开关(23)，设置在管柱(25)的底端的单流阀(24)，其中，所述的第一扩张式封隔器(21A)连接在丢手悬挂封隔器(3)的下端，第一扩张式封隔器(21A)、第二扩张式封隔器(21B)、节流器(22)、坐封开关(23)和单流阀(24)之间通过标准油管连接。 

3.根据权利要求1所述的一趟管柱多级分层防砂完井装置，其特征在于，所述的丢手悬挂封隔器(3)包括有：位于中心的丢手中心管(31)和内连接头(32)，所述的内连接头(32)是通过变扣接头(33)连接在丢手中心管(31)的底端，所述的丢手中心管(31)的顶端套有丢手上接头(34)，所述的丢手中心管(31)的外侧设置有解封机构，所述解封机构的外侧设置有锁定机构，所述的丢手中心管(31)和内连接头(32)的外侧且位于锁定机构的下端设置有下中心管(35)，所述下中心管(35)的底端通过套在内连接头(32)的外侧的下连接头(36)进行定位，并通过锚定机构进行固定，所述的下中心管(35)的外侧设置有外中心管(37)，所述的外中心管(37)的外侧且位于锁定机构和锚定机构之间设置有密封机构，其中，所述的解封机构的顶端通过密封短接(38)与所述的丢手上接头(34)及丢手中心管(31)密封连接，并通过打捞接头(39)进行固定，所述的丢手上接头(34)和打捞接头(39)的外侧套有导向头(310)，所述的丢手中心管(31)的外侧并位于下中心管(35)的内侧还设置有滑套(311)，所述的滑套(311)与所述的下中心管(35)的内侧为密封接触。 

4.根据权利要求3所述的一趟管柱多级分层防砂完井装置，其特征在于，所述的解封机构包括有解封中心管(312)，设置在解封中心管(312)的外侧由上至下依次设置的解封挡环(313)、支撑体(316)、解封棘爪(314)和中间接头(315)，其中，所述的解封中心管(312)的顶端的内侧通过密封短接(38)与所述的丢手上接头(34)及丢手中心管(31)密封连接，所述的解封挡环(313)嵌入在所述的解封中心管(312)顶端的外侧与所述的 锁定机构的顶端以及打捞接头(39)的底端之间，所述的中间接头(315)位于所述的外中心管(37)的上端，所述的解封中心管(312)通过支撑体(316)与锁定机构固定连接，所述的解封棘爪(314)和中间接头(315)为固定连接；所述的锁定机构包括有锁套(317)、锁套环(318)、大锁环(319)、缸套(320)、活塞(321)及锁块(322)，其中，所述的锁套(317)分别与解封机构中的支撑体(316)和解封挡环(313)固定连接，所述的缸套(320)套在锁套(317)的外侧，缸套(320)的顶端通过锁套环(318)定位，所述的大锁环(319)设置在所述的缸套(320)的顶端与所述的锁套环(318)内侧之间的间隙内，所述的活塞(321)设置在所述的缸套(320)与解封机构中的中间接头(315)之间，并且，所述的锁块(322)设置在活塞(321)与所述的中间接头(315)之间，所述的缸套(320)、活塞(321)和锁块(322)的下端分别与密封机构相连接。 

5.根据权利要求3所述的一趟管柱多级分层防砂完井装置，其特征在于，所述的密封机构包括有由上至下依次套在外中心管(37)外侧的上胶筒座(323)、上胶筒(324)、下胶筒(325)和下胶筒座(326)，所述的上胶筒座(323)的顶端分别与锁定机构中的缸套(320)、活塞(321)和锁块(322)相连接，所述的上胶筒(324)和下胶筒(325)之间设置有胶筒隔环(327)，所述的下胶筒座(326)的下端连接锚定机构；所述的锚定机构包括有套在下中心管(35)的外侧，上端嵌入在密封机构中的下胶筒座(326)的内侧并与外中心管(37)固定连接的上锥体(328)，套在下中心管(35)的外侧并通过固定套(329)定位的下锥体(330)，所述的上锥体(328)与下锥体(330)之间设置有卡瓦(331)，所述的卡瓦(331)通过卡瓦套(332)定位，所述的卡瓦套(332)固定在固定套(329)上，所述的卡瓦(331)上设置有调整弹簧(333)。 

6.根据权利要求1所述的一趟管柱多级分层防砂完井装置，其特征在于，所述的第一隔离封隔器(6A)和第二隔离封隔器(6B)结构完全相同，均包括有：用来连接位于上面的第一防砂管柱(5A)或第二防砂管柱(5B)以及盲管(11)的上接头(61)，上中心管(66)、下中心管、密封胶筒结构、坐封机构、密封机构、锁紧机构和下接头(627)，所述的上中心管(66)和下中心管通过中间接头(611)固定连接，所述的上接头(61)的下端连接在上中心管(66)顶端的外侧，并位于密封胶筒结构顶端的内侧，所述的上接头(61)的下端设置有套在上中心管(66)外侧的衬管(65)，所述的下接头(627)的上端连接在下中心管下端的外侧并通过护环(626)固定，下接头(627)的下端用于连接第二防砂管柱(5B)或第三防砂管柱(5C)以及盲管(11)，所述的密封胶筒结构套接在衬管(65)的外侧，坐封机构连接在密封胶筒结构的下面，密封机构设置在坐封机构的外侧，锁紧机构连接在密封机构的下面。 

7.根据权利要求6所述的一趟管柱多级分层防砂完井装置，其特征在于， 

所述的密封胶筒结构包括：由上至下依次设置的上胶筒座(62)、第一胶筒、第一隔环、第二胶筒、第二隔环和第三胶筒，其中，所述的上胶筒座(62)设置在上接头(61)的外侧； 

所述的坐封机构包括：连接在密封胶筒结构底端的坐封活塞(67)、连接在坐封活塞(67)的下端并位于衬管(65)的外侧的锁块(68)，所述的坐封活塞(67)的下端并位于锁块(68) 的外侧还设置有解封密封环(610)，在所述的解封密封环(610)内侧与所述的中间接头(611)顶端的连接处设置有限位环(69)； 

所述的密封机构包括：连接在中间接头(611)下端的密封环(613)，套在中间接头(611)和密封环(613)外侧的内密封环(612)，上部分套在所述的坐封机构的外侧，下部分套在内密封环(612)外侧的外密封环(614)，以及上端嵌入在所述的内密封环(612)和下中心管之间的下密封环(616)，所述的下密封环(616)下方设置有套在下中心管外侧的转承环； 

所述的锁紧机构包括：位于下密封环(616)的底端套在下中心管外侧的小锁环(619)、套在下密封环(616)的下部和小锁环(619)的外侧底端并嵌入在小锁环(619)和转承环之间的锁环套(618)、套在下密封环(616)和锁环套(618)以及转承环的外侧的变位套(617)、位于变位套(617)的底端并套在转承环外侧的螺母挡圈(621)，套在外密封环(614)下部的解锁套(615)，所述的解锁套(615)的下端通过套接在转承环外侧的锁环座(623)定位，所述的锁环座(623)下部的内侧与所述的转承环之间由上至下依次嵌入有大锁环和挡环(625)。 

8.根据权利要求2所述的一趟管柱多级分层防砂完井装置，其特征在于，所述的坐封开关(23)，包括上连接头(2311)、下连接头(235)、定压阀部分(232)、变位活塞部分(233)和换轨机构(234)，所述的上连接头(231)、定压阀部分(232)、变位活塞部分(233)、换轨机构(234)和下连接头(235)由上至下依次连接，所述上连接头(231)和下连接头(235)的另一端分别连接标准油管，所述的定压阀部分(232)包括：与上连接头(231)相连接的阀座(2321)，位于阀座(2321)下方的阀体(2322)，位于阀体(2322)下方的定压弹簧(2324)，设置在阀座(2321)和阀体(2322)之间的密封垫(2323)，所述的阀体(2322)和定压弹簧(2324)的内侧套有与所述的上连接头(231)相连通的上中心管(2325)，所述的上中心管(2325)上形成有过流口，所述的阀座(2321)与阀体(2322)之间形成有与上中心管(2325)上的过流口相连通的且可开关的节流出口(2326)，所述的节流出口开关对应坐封与验封两种状态。 

9.根据权利要求8所述的一趟管柱多级分层防砂完井装置，其特征在于，所述的变位活塞部分(233)包括：连接在定压阀部分(232)中的上中心管(2325)下面的连接管(2333)，并且，所述连接管(2333)的上顶端与定压阀部分(232)中的定压弹簧(2324)为接触连接，所述的连接管(2333)的外侧依次套有活塞(2332)和限位套(2331)，所述的活塞(2332)的外侧形成有向外凸出的凸台，所述的限位套(2331)的下端被支撑在活塞(2332)的凸台上，所述的活塞(2332)的凸台下方卡套有液缸套(2335)，所述的液缸套(2335)的内侧插入有复位弹簧(2334)，所述复位弹簧(2334)的上端与活塞(2332)的下端连接，所述复位弹簧(2334)和液缸套(2335)的下端与换轨机构(234)相连，所述的换轨机构(234)包括：插入在变位活塞部分(233)中的复位弹簧(2334)内的下中心管(2342)，所述下中心管(2342)的上端与变位活塞部分(233)中的连接管(2333)相连接，下端与下连接头(235)相连，还设置有连接在变位活塞部分(233)中的复位弹簧(2334)和液缸套(2335)下端的转换接头(2341)，套在转换接头(2341)下端外侧的摆动滑套(2344)， 以及位于摆动滑套(2344)下面并且套在下中心管(2342)下端外侧的护环(2346)，所述的下中心管(2342)与摆动滑套(2344)之间形成有间隙，所述的间隙内设置有摆动环(2345)，所述的摆动环(2345)内设置有沿下中心管(2342)外周面移动的轨道销钉(2343)，所述的下中心管(2342)下部分的外周面上沿外周面形成有一圈轨迹为往复式的轨道滑槽，所述的轨道销钉(2343)的一端位于轨道滑槽内，并在变位活塞部分(233)的驱动下沿所述的轨道滑槽滑动。 

10.一种用于权利要求1所述的一趟管柱多级分层防砂完井装置的方法，其特在于，包括如下步骤： 

步骤一、根据分层防砂层段数，备好相应数量的防砂管柱、油层套管、丢手悬挂封隔器、隔离封隔器、安全接头； 

步骤二、按照设定的工具的先后顺序，自下而上将各个工具依次连接下入，当完成最上一层的防砂管柱及油层套管的连接时，下井管柱暂时固定于井口上方作业平台处，开始准备扩张式封隔器、节流器、坐封开关、单流阀工具； 

步骤三、按管柱自下而上依次下入单流阀、坐封开关、扩张式封隔器、节流器、扩张式封隔器，形成坐封验封一体化管柱，内层坐封验封一体化管柱通过油管连接于丢手悬挂封隔器内连接头处； 

步骤四、丢手悬挂封隔器的外连接头处与井口处防砂管柱相连，防砂管柱、坐封验封一体化管柱通过丢手悬挂封隔器连接成一个整体，通过普通油管或钻杆下入井下油层部位； 

步骤五、分级坐封与验封：坐封开关的管柱内打压，扩张式封隔器密封，液压进入丢手悬挂封隔器及各级隔离封隔器，封隔器完成坐封，丢手悬挂封隔器锚定机构支撑在油层套管壁上，同时胶筒压缩与油层套管壁形成密封；各级隔离封隔器液压下坐封，胶筒在油层套管壁上形成密封带，实现各层间的隔离；继续增压，丢手悬挂封隔器完成丢手动作，实现坐封管柱与防砂管柱的分离；泄压后，坐封开关换轨至开启状态，液流从坐封开关流出，进入地层，观察油管与套管环空是否有返出液，从而验证该级隔离封隔器坐封是否合格，无连续返出液为合格，方可继续下一步操作； 

步骤六、上提坐封验封一体化管柱至上一级隔离封隔器位置，重复步骤五，对该级隔离封隔器进行坐封和验封； 

步骤七、验封合格后，起出坐封验封一体化管柱，将防砂管柱留在井底，作为井下分层注水或采油的完井管柱长期使用； 

步骤八、后期修井作业需要起出步骤七中所述的防砂管柱，下入捞矛打捞上接头，上提防砂管柱，即解封顶部丢手悬挂封隔器，继续上提防砂管柱，各级隔离封隔器和底部支撑卡瓦将自动解封。