CN102996089B - 带变径膨胀锥的稠油热采水平井多级液压膨胀尾管悬挂系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带变径膨胀锥的稠油热采水平井多级液压膨胀尾管悬挂系统，它包括多级液压缸动力系统、变径膨胀锥、膨胀管悬挂器（27）及液压-机械双作用式丢手系统；多级液压膨胀尾管悬挂系统包括多级液压缸套（2）和空心活塞杆（3），变径膨胀锥包括上爪盘（7）、变径膨胀块（8）和下爪盘（9），液压-机械双作用式丢手系统包括丢手本体（10）、扭矩滑套（11）、丢手接箍（12）、套爪（13）、销钉卡座（14）和憋压球座（16）。本发明的有益效果是：采用多级液压缸动力系统，安全系数更高，适用范围更广；采用变径膨胀锥，提高了系统的适应能力；采用液压-机械双作用式丢手系统，降低了操作风险，提高了装置的稳定性。

Description

带变径膨胀锥的稠油热采水平井多级液压膨胀尾管悬挂系统

技术领域

本发明涉及油井完井技术领域，特别是带变径膨胀锥的稠油热采水平井多级液压膨胀尾管悬挂系统。

背景技术

水平井技术以其热驱扫范围广，储层动用程度高，综合开发效益好的优点而被广泛的应用于稠油热采领域。尾管悬挂完井技术是充分发挥热采水平井产能优势的关键环节，在热采水平井中采用尾管悬挂完井技术可为后期注汽采油作业提供更大的井眼尺寸，也可减少套管重叠，节约水泥用量，降低钻井成本，就一口单井而言，仅节省的套管费用就可达几十万甚至上百万美元，经济效益十分明显。膨胀尾管悬挂工具是尾管悬挂完井技术的核心之一，从现有的膨胀尾管悬挂工具来看，国内外主要的石油技术服务公司已经相继开发了多种膨胀尾管悬挂系统，其动力系统包括液压式和机械式，密封方式有橡胶密封、金属密封及橡胶-金属组合密封，丢手方式涵盖机械式、液压式和机械-液压双作用式，膨胀工具有实体膨胀锥和可变径膨胀锥，这些系统各具特色，形成了较为完善的体系。但由于稠油热采水平井特殊的井眼环境，在应用现有膨胀尾管悬挂工具时存在以下难点：（1）实践证明液压膨胀比机械膨胀可操作性更强，但现有膨胀尾管悬挂工具多采用直接打压膨胀或单级液压缸膨胀，所需泵压高，施工风险大，一旦出现压力泄露，将无法继续膨胀；（2）在进行膨胀作业时，特别是在大斜度井段或弯曲井段进行膨胀作业时，常规实体膨胀锥阻卡风险很大，若自上而下膨胀遇阻卡后强行上提膨胀锥，会损坏膨胀管内壁，影响工具使用寿命；若自下而上膨胀遇阻卡，则难以将膨胀锥提出，从而带来巨大的修井工作量，严重的甚至会造成井眼报废，而采用变径膨胀工具可有效解决这一难题，但目前带有变径膨胀工具的膨胀尾管悬挂系统还未见报道；（3）座封后的膨胀尾管悬挂工具面临的是300℃的高温蒸汽环境，在火驱开发时环境温度可达到600℃甚至更高，如此高的温度极易导致悬挂工具上的密封件失效，高温蒸汽通过密封件缺口发生窜流，影响油井的注汽效果；同时，高温会使岩石受力状态发生改变，地层不稳定性加剧，采油时地层流体大量携砂从密封件缺口进入井筒，堵塞甚至掩埋井内采抽设备，严重影响油井的正常生产。

中国专利2012200061410，公开了一种膨胀管挂式悬挂器，其仅具有液压膨胀系统，液压缸失效时，该工具不能继续使用；其膨胀锥为固定结构，膨胀遇阻卡后不易解决；其在膨胀管的上端设置有三道橡胶环，在高温环境下极易导致密封件失效，使用稳定性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种安全系数更高、适用范围更广、稳定性更好的带变径膨胀锥的稠油热采水平井多级液压膨胀尾管悬挂系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：带变径膨胀锥的稠油热采水平井多级液压膨胀尾管悬挂系统，它包括上接头、多级液压缸动力系统、变径膨胀锥、膨胀管悬挂器及液压-机械双作用式丢手系统；

所述的多级液压膨胀尾管悬挂系统包括多级液压缸套和空心活塞杆，上接头与空心活塞杆连接，多级液压缸套内设有沿轴向依次连接的多个相互独立的液压缸，液压缸的端面上均设有空心活塞杆孔，空心活塞杆设置于空心活塞杆孔内，且空心活塞杆位于每个液压缸内的部分上均设有一个活塞，液压缸的端面与空心活塞杆之间、活塞与液压缸的内壁之间均为滑动密封配合，位于液压缸内、活塞下方的空心活塞杆上设有连通液压缸内部的液流孔；

所述的变径膨胀锥包括上爪盘、变径膨胀块和下爪盘，上爪盘上设置有沿周向均布的上膨胀块，下爪盘上设置有沿周向均布的下膨胀块，上爪盘和下爪盘均套装于空心活塞杆的外侧，下膨胀块与上膨胀块周向错开设置，上爪盘与多级液压缸套连接，下爪盘与空心活塞杆连接；

所述的液压-机械双作用式丢手系统包括丢手本体、扭矩滑套、丢手接箍、套爪、销钉卡座、阻环和憋压球座，丢手本体的上端连接空心活塞杆，丢手本体的下端连接憋压球座，憋压球座内部设有球座，扭矩滑套套装于丢手本体的外侧，且扭矩滑套通过销钉A与丢手本体固定连接，扭矩滑套与丢手本体间形成封闭腔体A，套爪套装于位于扭矩滑套下方的丢手本体外，扭矩滑套的下端面设有花键，套爪的上端面也设有与扭矩滑套的下端面相配合的花键，套爪的下部设有凸爪；丢手本体下部与憋压球座间的间隙内设置有套装于憋压球座上的销钉卡座，销钉卡座通过销钉B与憋压球座固定连接，丢手本体、憋压球座和销钉卡座围成封闭腔体B，憋压球座上设有连通封闭腔体B的通孔，丢手本体上设有连通封闭腔体A与封闭腔体B的通孔；销钉卡座的底部设有支撑圈，支撑圈抵压于凸爪的内壁上，阻环固设于憋压球座的外壁上且位于销钉卡座的下方；套爪的外部套装有丢手接箍，丢手接箍的上部内壁设有与套爪的上端面花键相配合的凹槽A，丢手接箍的下部内壁设有与套爪的凸爪相配合的凹槽B，丢手接箍的上端外壁连接膨胀管悬挂器，丢手接箍的下端外壁连接尾管；膨胀管悬挂器的上端外壁套装有金属密封圈，膨胀管悬挂器的外壁设有凹槽，金属密封圈安装于该凹槽内。

所述的液压缸的端面与空心活塞杆之间设有滑动密封件，滑动密封件内径比活塞杆外径小10毫米，活塞与液压缸的内壁之间设有台阶密封件，台阶密封件外径比多级液压缸套最大内径大10毫米。

所述的膨胀管悬挂器的上端外壁套装有三个轴向间隔设置的金属密封圈。

所述的憋压球座的末端通过螺纹连接内冲洗工具。

本发明具有以下优点：

1、本发明的液压缸采用多级液压缸动力系统，其能在较低的泵压条件下就能产生足够的膨胀推力，较直接打压膨胀或单液压缸动力系统安全系数更高，适用范围更广，稳定性更好。

2、本发明的膨胀部件采用变径膨胀锥，一旦发生膨胀锥阻卡事故，可通过调整上爪盘与下爪盘的间距随时缩小膨胀工具的直径，解除阻卡，并及时采取补救措施，大大提高系统对井下复杂情况的适应能力，避免了井下工具的损坏，降低了生产成本。

3、膨胀管悬挂器上的金属密封圈能够提供足够的尾管悬挂力，能够满足在稠油热采井超高温环境下的密封性能，可有效解决因膨胀管悬挂器密封失效而导致的汽窜和砂堵砂埋问题。

4、本发明可进行边循环钻井液边下入管柱的操作，减小管柱下入摩阻，提高管柱下入效率，保持井眼清洁。

5、本发明采用液压-机械双作用式丢手系统，当液压丢手操作失效时，可采用机械式丢手系统进行丢手，降低了操作风险，提高了装置的稳定性。

附图说明

图1 为本发明下到设计位置后，膨胀坐挂前的结构示意图

图2 为本发明膨胀坐挂后的结构示意图

图3 为本发明成功丢手后的结构示意图

图中，1-上接头，2-多级液压缸套，3-空心活塞杆，4-液压缸，5-活塞，6-液流孔，7-上爪盘，8-变径膨胀块，9-下爪盘，10-丢手本体，11-扭矩滑套，12-丢手接箍，13-套爪，14-销钉卡座，15-阻环，16-憋压球座，17-球座，18-销钉A，19-封闭腔体A，20-凸爪，21-销钉B，22-封闭腔体B，23-支撑圈，24-金属密封圈，25-滑动密封件，26-台阶密封件，27-膨胀管悬挂器，28-尾管，29-憋压球。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，带变径膨胀锥的稠油热采水平井多级液压膨胀尾管悬挂系统，它包括上接头1、多级液压缸动力系统、变径膨胀锥、膨胀管悬挂器27及液压-机械双作用式丢手系统，上接头1设有内螺纹。

所述的多级液压膨胀尾管悬挂系统包括多级液压缸套2和空心活塞杆3，上接头1的下端内螺纹与空心活塞杆3的上端连接，多级液压缸套2内设有沿轴向依次连接的多个相互独立的液压缸4，液压缸4两端的端面上均设有空心活塞杆孔，空心活塞杆3设置于空心活塞杆孔内，且空心活塞杆3位于每个液压缸4内的部分上均设有一个活塞5，液压缸4的端面与空心活塞杆3之间、活塞5与液压缸4的内壁之间均为滑动密封配合，位于液压缸4内、活塞5下方的空心活塞杆3上设有连通空心活塞杆3中空部与液压缸4内部的液流孔6。多个液压缸4串联的结构可为该膨胀尾管28悬挂系统提供足够的动力，液压缸4级数可根据所需的膨胀力大小进行灵活选择。所述的液压缸4的端面与空心活塞杆3之间设有滑动密封件25，滑动密封件25内径比活塞5杆外径小10毫米，活塞5与液压缸4的内壁之间设有台阶密封件26，台阶密封件26外径比多级液压缸套2最大内径大10毫米。

所述的变径膨胀锥包括上爪盘7、变径膨胀块8和下爪盘9，上爪盘7上设置有沿周向均布的三个上膨胀块，下爪盘9上设置有沿周向均布的三个下膨胀块，上爪盘7和下爪盘9均套装于空心活塞杆3的外侧，下膨胀块与上膨胀块周向错开设置，上爪盘7与多级液压缸套2通过螺纹连接，下爪盘9与空心活塞杆3固定连接，变径膨胀锥的轴向推力来源于多级液压缸动力系统，膨胀锥的移动方向为从上到下，膨胀锥的下行距离为多级液压缸4的单向行程距离。

所述的液压-机械双作用式丢手系统包括丢手本体10、扭矩滑套11、丢手接箍12、套爪13、销钉卡座14、阻环15、憋压球座16；

丢手本体10的上端设有内螺纹孔，内螺纹孔的上端与空心活塞杆3的下端通过螺纹连接，内螺纹孔的下端通过螺纹连接憋压球座16，憋压球座16为空心管体，管体内部设有球座17；

扭矩滑套11套装于丢手本体10的外侧，且扭矩滑套11通过销钉A18与丢手本体10固定连接，扭矩滑套11与丢手本体10间形成封闭腔体A19，套爪13套装于位于扭矩滑套11下方的丢手本体10外，套爪13与丢手本体10通过螺纹连接，扭矩滑套11的下端面设有花键，套爪13的上端面也设有花键，套爪13的上端面花键与扭矩滑套11的下端面花键咬合在一起，限制套爪13和丢手本体10的相对转动，套爪13的下部设有凸爪20；

丢手本体10下部与憋压球座16间存在间隙，该间隙内设置有套装于憋压球座16上的销钉卡座14，销钉卡座14通过销钉B21与憋压球座16固定连接，丢手本体10、憋压球座16和销钉卡座14围成封闭腔体B22，憋压球座16上设有连通憋压球座16内部与封闭腔体B22的通孔，丢手本体10上设有连通封闭腔体A19与封闭腔体B22的通孔；销钉卡座14的底部设有支撑圈23，支撑圈23抵压于凸爪20的内壁上，限制套爪13的径向移动，将套爪13的凸爪20限制于丢手接箍12的凹槽B内，即限制了套爪13的轴向移动，但不限制套爪13的径向旋转；

阻环15固设于憋压球座16的外壁上且位于销钉卡座14的下方；

套爪13的外部套装有丢手接箍12，丢手接箍12的上部内壁设有与套爪13的上端面花键相配合的凹槽A，限制了套爪13的径向旋转，但不限制套爪13的轴向移动；丢手接箍12的下部内壁设有与套爪13的凸爪20相配合的凹槽B，丢手接箍12的上端外壁通过螺纹连接膨胀管悬挂器27，丢手接箍12的下端外壁通过螺纹连接尾管28；膨胀管悬挂器27为空心管体，膨胀管悬挂器27的上端外壁套装有金属密封圈24，膨胀管悬挂器27的外壁设有凹槽，金属密封圈24安装于该凹槽内，金属密封圈24在热采井高温条件下具有稳定的悬挂性能和密封性能；所述的膨胀管悬挂器27的上端外壁套装有三个轴向间隔设置的金属密封圈24。

膨胀管悬挂器27坐挂后，打压启动液压丢手系统进行丢手操作，若液压丢手系统失效，则启动机械丢手系统备用进行丢手操作。

憋压球座16的末端通过螺纹连接内冲洗工具。在悬挂筛管完井时，若筛管类型为常开孔、缝型筛管，所述的憋压球座16下端接头可连接内冲管至筛管引鞋处，实现边循环钻井液边下入管串的功能；若筛管类型为承压型热敏筛管，所述的憋压球座16下端接头可直接连接冲洗头进行边循环钻井液边下入管串的操作。

本发明的工作过程如下：钻井作业完成以后，送入管柱通过螺纹连接带变径膨胀锥的稠油热采水平井多级液压膨胀尾管悬挂系统的上接头1，并将膨胀尾管28悬挂系统送入到设计井深；送入管柱的上接头1连接方钻杆，开泵循环钻井液，一切正常后上提管柱卸下方钻杆，投入憋压球29；再次连接方钻杆，将管串下放到设计深度；连接打压管汇，开泵低压缓慢供液，待憋压球29下落到球座17位置时，升高泵压；泵车降低排量，缓慢升压至15MPa时，多级液压缸套2开始下行产生轴向推力，推动变径膨胀锥缓慢下移，膨胀管悬挂器27胀封开始；保持泵车压力10分钟，密切记录压力变化曲线；如图2所示，多级液压缸套2单向满行程后，变径膨胀锥胀大，膨胀管悬挂器27到位，膨胀管悬挂器27胀开段紧贴套管内壁，膨胀作业结束；泵压升高至22MPa，剪断销钉卡座14的销钉B21，销钉卡座14下移至阻环15位置，套爪13径向限制解除，再次建立循环，泵压迅速下降，丢手成功，如图3所示；如果泵压出现异常，则尝试适当提高泵压，憋压一段时间后，压力还不下降则说明液压丢手失效，立即启动备用机械丢手方式进行丢手操作；泵压升高至30MPa，剪断扭矩滑套11的销钉A18，扭矩滑套11上行并脱离套爪13上端的花键，丢手本体10转动限制解除，开动转盘正转30圈丢手；丢手成功后，上提送入管柱，变径膨胀锥直径变小，销钉卡座14带出套爪13，缓慢提出送入管柱，避免工具因猛烈磕碰井壁而受损，完成膨胀悬挂作业。

Claims (1)

1.带变径膨胀锥的稠油热采水平井多级液压膨胀尾管悬挂系统，其特征在于：它包括上接头（1）、多级液压缸动力系统、变径膨胀锥、膨胀管悬挂器（27）及液压-机械双作用式丢手系统；

所述的多级液压膨胀尾管悬挂系统包括多级液压缸套（2）和空心活塞杆（3），上接头（1）与空心活塞杆（3）连接，多级液压缸套（2）内设有沿轴向依次连接的多个相互独立的液压缸（4），液压缸（4）的端面上均设有空心活塞杆孔，空心活塞杆（3）设置于空心活塞杆孔内，且空心活塞杆（3）位于每个液压缸（4）内的部分上均设有一个活塞（5），液压缸（4）的端面与空心活塞杆（3）之间、活塞（5）与液压缸（4）的内壁之间均为滑动密封配合，位于液压缸（4）内、活塞（5）下方的空心活塞杆（3）上设有连通液压缸（4）内部的液流孔（6）；

所述的变径膨胀锥包括上爪盘（7）、变径膨胀块（8）和下爪盘（9），上爪盘（7）上设置有沿周向均布的上膨胀块，下爪盘（9）上设置有沿周向均布的下膨胀块，上爪盘（7）和下爪盘（9）均套装于空心活塞杆（3）的外侧，下膨胀块与上膨胀块周向错开设置，上爪盘（7）与多级液压缸套（2）连接，下爪盘（9）与空心活塞杆（3）连接；

所述的液压-机械双作用式丢手系统包括丢手本体（10）、扭矩滑套（11）、丢手接箍（12）、套爪（13）、销钉卡座（14）、阻环（15）和憋压球座（16），丢手本体（10）的上端连接空心活塞杆（3），丢手本体（10）的下端连接憋压球座（16），憋压球座（16）内部设有球座（17），扭矩滑套（11）套装于丢手本体（10）的外侧，且扭矩滑套（11）通过销钉A（18）与丢手本体（10）固定连接，扭矩滑套（11）与丢手本体（10）间形成封闭腔体A（19），套爪（13）套装于位于扭矩滑套（11）下方的丢手本体（10）外，扭矩滑套（11）的下端面设有花键，套爪（13）的上端面也设有与扭矩滑套（11）的下端面相配合的花键，套爪（13）的下部设有凸爪（20）；丢手本体（10）下部与憋压球座（16）间的间隙内设置有套装于憋压球座（16）上的销钉卡座（14），销钉卡座（14）通过销钉B（21）与憋压球座（16）固定连接，丢手本体（10）、憋压球座（16）和销钉卡座（14）围成封闭腔体B（22），憋压球座（16）上设有连通封闭腔体B（22）的通孔，丢手本体（10）上设有连通封闭腔体A（19）与封闭腔体B（22）的通孔；销钉卡座（14）的底部设有支撑圈（23），支撑圈（23）抵压于凸爪（20）的内壁上，阻环（15）固设于憋压球座（16）的外壁上且位于销钉卡座（14）的下方；套爪（13）的外部套装有丢手接箍（12），丢手接箍（12）的上部内壁设有与套爪（13）的上端面花键相配合的凹槽A，丢手接箍（12）的下部内壁设有与套爪（13）的凸爪（20）相配合的凹槽B，丢手接箍（12）的上端外壁连接膨胀管悬挂器（27），丢手接箍（12）的下端外壁连接尾管（28）；膨胀管悬挂器（27）的上端外壁套装有金属密封圈（24）；

所述的液压缸（4）的端面与空心活塞杆（3）之间设有滑动密封件（25），滑动密封件（25）内径比活塞（5）杆外径小10毫米，活塞（5）与液压缸（4）的内壁之间设有台阶密封件（26），台阶密封件（26）外径比多级液压缸套（2）最大内径大10毫米；

所述的膨胀管悬挂器（27）的上端外壁套装有三个轴向间隔设置的金属密封圈（24）；

所述的憋压球座（16）的末端连接内冲洗工具。