CN103775015A - 套管井下膨胀工具及使用其膨胀套管方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种套管井下膨胀工具及使用其膨胀套管的方法，该膨胀工具包括用于对套管进行膨胀的膨胀组件和用于驱动膨胀组件进行膨胀的驱动组件。通过本发明的膨胀工具，在钻井时可保持井眼尺寸的恒定，实现全井等井径钻井及完井作业，特别适合于深井、超深井和复杂井的施工。

Description

套管井下膨胀工具及使用其膨胀套管方法

技术领域

本发明涉及一种钻井完井装置，特别是一种套管井下膨胀工具。本发明还涉及使用这种套管井下膨胀工具实现套管膨胀的方法。

背景技术

在传统的油气田钻井作业中，为了钻井安全及顺利钻达目的层，需要向井内下套管来实现地层封堵。因此在井身结构的套管序列中，随着井内套管层数增加，套管尺寸会逐级减小，井眼尺寸也不断缩小，井眼锥度不断增大，由此常导致深井、超深井和复杂井无法顺利钻达目的层或井眼尺寸过小而影响后期生产作业。

因此，为了在钻井过程中实现全井具有统一井眼尺寸和完井内径，使井能够打得更深，需要对井身结构及钻井、完井技术进行改进。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种套管井下膨胀工具。通过本发明的膨胀工具，在钻井时可保持井眼尺寸的恒定，特别适合于深井、超深井和复杂井的施工。本发明还涉及使用这种套管井下膨胀工具膨胀套管的方法。

根据本发明的第一方面，提出了一种套管井下膨胀工具包括用于对套管进行膨胀的膨胀组件和用于驱动膨胀组件进行膨胀的驱动组件，

驱动组件包括由内到外依次套装的中心管、芯管和外管，中心管的下游端部能封闭并且与钻杆连通，在中心管上沿轴向设置有传液孔；芯管与钻杆固定连接，并且芯管包括彼此间通过第一连接件固定相连的一组分别处于上游和下游的芯管节，在下游芯管节上设置有进液孔，中心管通过限位组件与芯管滑动式连接；外管包括彼此间通过第二连接件固定相连的一组分别处于上游和下游的外管节，并且外管通过第四剪钉与芯管相连，

其中，第一连接件处于进液孔的上游，第二连接件处于进液孔的下游，并且第一连接件与外管密封式滑动接触，第二连接件与芯管密封式滑动接触，从而由第一连接件、第二连接件、下游芯管节以及上游外管节形成液压腔，

膨胀组件包括多个活动式安装在下游外管节的下游端部的膨胀锥片和固定设置在膨胀锥片下游的锥坐件，

其中，在初始状态中，传液孔与进液孔不连通，在套管膨胀时，中心管的下游端部封闭，中心管在充入液体的压力作用下在限位组件的引导下朝向下游运动，使得传液孔与进液孔连通而导致液体进入液压腔内，剪断第四剪钉而驱动外管朝向下游运动并带动膨胀锥片朝向下游运动，膨胀锥片在锥坐件的支撑下径向张开，从而实现套管的膨胀。

根据本发明的套管井下膨胀工具，通过在地面上向套管井下膨胀工具施加液压力，就能够实现膨胀套管，方便了操作。

在一个实施例中，限位组件包括滑动式设置在中心管和芯管之间的限位滑套，限位滑套通过第一剪钉与芯管相连并且通过处于第一剪钉下游的第二剪钉与中心管相连，在芯管内壁上设置有径向向内凸出的第一限位台阶，在限位滑套外壁上设置有与第一限位台阶相匹配的第一限位环，第一剪钉在套管膨胀期间受到充入液体的压力作用而被剪断，使得中心管和限位滑套整体朝向下游运动直到第一限位环与第一限位台阶配合在一起，这时传液孔和进液孔连通。在一个优选的实施例中，在限位滑套的内壁上设置有径向向内凸出的第二限位台阶，在中心管上设置有与第二限位台阶相匹配的第二限位环，在膨胀锥片张开后，第二剪钉在增大的液压力下被剪断，中心管朝向下游运动直到第二限位环与第二限位台阶配合在一起，这时传液孔和进液孔不再连通。液压腔仅用于驱动外管向下游运动以实现膨胀锥片的张开。通过这种结构的限位组件，可在膨胀锥片张开之后将液压腔关闭，使之不再向第一连接件和第二连接件施加作用力，这有助于提高工具的使用寿命。

在一个实施例中，锥坐件包括处于其上游部分的用于使膨胀锥片张开的支撑区、处于其下游部分的连接区以及在支撑区和连接区之间的过渡区。优选地，支撑区构造成小端朝向上游的锥形。这种形状的锥坐件使得膨胀锥片能够顺利到达其上，即锥坐件将膨胀锥片支撑起来，从而顺利实现膨胀锥片的张开。

在一个实施例中，在中心管的下游端部连接有用于封闭中心管的膨胀辅助件，其包括通过第三剪钉与中心管的下游端部相连的复合胶塞，与锥坐件的连接区固定相连的胶塞导管，在套管膨胀时，中心管通过向其内部投入能与复合胶塞自动复合的钻杆胶塞而实现封闭。

在一个实施例中，在锥坐件的过渡区设置有爆破孔，胶塞导管与密封连接于套管下游端部的固井附件密封连接，从而胶塞导管、固井附件、套管和锥坐件围成第一密封膨胀腔。优选地，在胶塞导管内设置有胶塞座，在套管膨胀期间，在膨胀锥片张开并且第二剪钉被剪断后，第三剪钉在增加的液压力下被剪断，使得复合胶塞连同钻杆胶塞一起朝向下游运动并封住胶塞座，液体反流到锥坐件的腔内并从爆破孔流入第一密封膨胀腔。通过这种结构，套管膨胀期间，由于液体的存在，膨胀锥片和套管内壁之间的摩擦力大大减小，有利于提拉钻杆以进行膨胀整个套管。在一个优选的实施例中，在初始状态中，爆破孔由片体堵塞。这样能够防止外界污染物通过爆破孔进入锥坐件的内部而对套管膨胀施工带来不利影响。

在一个实施例中，在锥坐件过渡区的爆破孔的下游部分设置有能与套管密封接触的环台。通过这种结构，在爆破孔贯穿后会，套管和锥坐件会围成体积较小临时密封腔。液体能快速将该临时密封腔充满进而润滑膨胀锥片和套管以减小摩擦。由于临时密封腔体积较小，液体能快速将其填满，从而缩短了从注入液体到膨胀之间的时间，提高了工作效率。另外，通过设置环台而形成临时密封腔，能够防止在套管膨胀前，固井物质返到膨胀锥片和套管的接触面，而造成后续的膨胀施工难以进行。

在一个实施例中，还包括中空的与外管的下游端部固定连接的固定锥，膨胀锥片活动式连接在固定锥的下游端。通过设置固定锥，有利于膨胀锥片的装配。在一个优选的实施例中，固定锥为小端朝向上游的圆台形，并且其侧面的倾斜度小于膨胀锥片外表面的倾斜度。通过这种结构，在进行膨胀时，固定锥会首先小幅膨胀套管，然后张开的膨胀锥片会将套管膨胀到所要求的程度，这有助于膨胀施工顺利进行。

在一个实施例中，在下游芯管节的下游部分固定设有与外管密封式滑动接触的锁定连接件，在固定锥的上游部分构造成外径缩小的台阶部分，台阶部分插入到外管和锁定连接件之间并与外管固定连接，外管的下游端顶靠台阶面。通过固定锥的台阶结构与外管的配合，保证了固定锥与外管成一个整体运动，从而保证外管能带动膨胀锥片运动。在一个优选的实施例中，在锁定连接件上还设置有锁定件，其包括设置在锁定连接件上的径向向外的凹槽和通过弹性件与凹槽相连的锁块，在初始阶段，台阶部分压住锁块；在套管膨胀期间，锁块由于台阶部分朝向下游运动而在弹性件的作用下径向向外凸出并顶住台阶部分的上游端部。通过设置这种锁定件，能够有效防止在套管膨胀期间，膨胀锥片与锥坐件脱开而导致膨胀施工不能正常进行的问题。

在一个实施例中，芯管包括多个彼此间通过第一连接件固定相连的芯管节，外管包括多个彼此间通过第二连接件固定相连的外管节，并且第一连接件和第二连接件均处于锁定连接件的上游，在每一个芯管节上均设置有一个进液孔，相邻于每个进液孔并且在其上游设置有第一连接件，在其下游设置有第二连接件，在相邻的第一连接件和第二连接件之间设置有间隔。在一个优选的实施例中，第一连接件与第二连接件相间地设置。这种结构的套管井下膨胀工具由于具有多个接受液压力的第二连接件，因此其能够产生更大的驱动力，有助于套管膨胀施工的顺利进行。

根据本发明的第二方面，提出了使用根据上文所述的套管井下膨胀工具膨胀套管的方法，包括以下步骤：

步骤一：钻裸眼，向裸眼内下入第一级套管并进行第一次固井，第一级套管的下游部分预扩大并且下游端部封闭；

步骤二：向井内下入钻进工具以钻穿第一级套管并继续钻进，所钻穿的第一级套管的下游部分侧壁形成搭接部分；

步骤三：向井内下入第二级套管和膨胀工具，在第二级套管下游端部密封安装有固井附件，第二级套管的下游部分为预扩大的膨胀启动区，在膨胀启动区的上游设置有搭接区，而其上游部分处于第一级套管的搭接部分；膨胀工具设置为其固定锥处于所述膨胀启动区中；

步骤四：进行固井，并投入钻杆胶塞，钻杆胶塞与膨胀工具的复合胶塞相复合而密封中心管的下游端部；

步骤五：向套管井下膨胀工具内充入液体，加压使膨胀工具对第二级套管实现膨胀，通过上提套管井下膨胀工具以将第二级套管的外径膨胀为与第一级套管的内径相等并且使得第二级套管与第一级套管固定连接在一起；

步骤六：重复步骤二到五，并且将下游套管的上游部分与上游套管的搭接区连接在一起，完成多级套管等井径膨胀作业。

通过本发明的方法能够实现套管等井径膨胀，即套管膨胀后可达到与上游套管相等的内径，从而实现无井径损失钻井（即全井等井径钻井）。另外，由于井径不变，因此在钻井过程中，可始终采用一种规格的钻具，从而降低了钻完井成本，提高钻井效率。

在一个实施例中，在步骤三中，膨胀工具的固定锥构造为其外径小于膨胀启动区的内径，并且大于第二级套管的处于膨胀启动区的上游部分的内径。这样，在膨胀施工前，能方便地将膨胀工具与第二级套管装配到一起，有利于进行膨胀施工。

在一个实施例中，在步骤四中，每级套管膨胀完毕之后，去除套管下游端部的未膨胀部分。该操作的目的是能够保证顺畅下入下一级套管。

在一个实施例中，在第二级套管的搭接区的外侧设置有能压缩的用于隔离水泥的填充体。在一个具体的实施例中，填充体为空气。空气的压缩性能很大，这样为固井后再进行膨胀施工提供了作业空间，消除了外部水泥环对膨胀所产生的约束而造成套管搭接区不能膨胀的问题，有助于固井后的膨胀施工。

在一个实施例中，在搭接的套管之间还还设置有密封件。通过设置有密封件，能够保证相互搭接的套管之间的密封连接。

在本申请中，用语“上游”是指朝向地面的方向，“下游”是指与上游相反的方向。用语“初始状态”是指管井下膨胀工具在进行膨胀之前的状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于，首先通过本发明的套管井下膨胀工具，将多级套管进行液压等井径膨胀，从而实现了无井径损失钻井（即全井等井径钻井）。通过在地面上向套管井下膨胀工具施加液压力，就能够实现套管膨胀，操作方便。在套管搭接区外侧设置填充体，充填可压缩材料，为套管及其搭接区进行膨胀搭接提供作业空间，消除外部水泥环对其膨胀所产生的约束而造成套管搭接区不能膨胀的问题。另外，由于井径不变，因此在钻井过程中，可始终采用一种规格的钻具，从而降低了钻完井成本，提高钻井效率。

附图说明

在下文中将基于不同的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的套管井下膨胀工具的驱动组件的第一实施例的示意图；

图2是图1中A部分的完整视图；

图3是根据本发明的套管井下膨胀工具的中心管限位组件的放大视图；

图4是根据本发明的套管井下膨胀工具的驱动组件的第二实施例的示意图；

图5是根据本发明的套管井下膨胀工具的膨胀锥片设置方式的示意图；

图6是锥坐件的结构示意图；

图7是锥坐件的另一结构示意图；

图8是根据本发明的锁定连接件的放大视图；

图9-15是使用根据本发明的套管井下膨胀工具进行膨胀套管的步骤示意图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的套管井下膨胀工具10（以下称之为膨胀工具10）第一实施例的结构。如图1所示，膨胀工具10包括用于对套管11进行膨胀的膨胀组件和用于驱动膨胀组件进行膨胀的驱动组件，将在下文中对其进行详细描述。

驱动组件包括由内到外依次套装的中心管101、芯管102和外管103。芯管102与钻杆（未示出）固定连接，而中心管101与钻杆相连通，在这里钻杆是空心钻杆以便于向膨胀工具10内注入液体。中心管101的下游端部可封闭，在其侧壁上设置有传液孔104。中心管101的下游部分从芯管102中延伸出来，而芯管102的下游部分从外管103中延伸出来并且两者通过第四剪钉113相连（见图3）。中心管101与芯管102则通过限位组件相连，如图3所示。

芯管102包括彼此间通过第一连接件107固定相连的一组分别处于上游和下游的芯管节105、106，在下游芯管节106上设置有进液孔117。外管103包括彼此间通过第二连接件108固定相连一组分别处于上游和下游的外管节109、110。此外，第一连接件107与外管103密封式滑动接触，第二连接件108与芯管102密封式滑动接触。如图1所示，在第一连接件107与外管103的接触面上设置有第一密封件114，在第二连接件108与芯管102的接触面上设置有第二密封件115，这些密封件例如可选择为O形圈，由此实现这里所述的密封接触。第一连接件107处于进液孔117的上游，第二连接件108处于进液孔117的下游，从而由第一连接件107、第二连接件108、下游芯管节106以及上游外管节109形成液压腔111。

仍根据图1，膨胀组件包括多个活动式安装在下游外管节110的下游端部的膨胀锥片201和固定设置在膨胀锥片201下游的锥坐件202。在图1所示的实施例中，中心管101从锥坐件202的下游延伸出来。芯管102延伸穿过膨胀锥片201，并且锥坐件202固定套接在芯管102的下游部分。当膨胀锥片201朝向下游运动并接触到锥坐件202后，膨胀锥片201会像伞一样在径向中张开而实现对套管11进行膨胀。图1显示了膨胀锥片201张开的情况。锥坐件202的结构将在下文中详细描述。

如图3所示，限位组件包括滑动式设置在中心管101和芯管102之间的限位滑套401。限位滑套401通过第一剪钉402与芯管102相连并且通过处于第一剪钉402下游的第二剪钉403与中心管101相连。在芯管102内壁上设置有径向向内凸出的第一限位台阶404，在限位滑套401外壁上设置有与第一限位台阶404相匹配的第一限位环405，在图3所示的实施例中，第一限位环405实际上由限位滑套401的上游端部径向向外凸出而形成。这样，在套管膨胀期间，当第一剪钉402被剪断后，中心管101和限位滑套401会在第二剪钉403的连接下以一个整体整体朝向下游运动直到第一限位环405与第一限位台阶404配合在一起，这时传液孔104和进液孔117连通，这样液体会流入液压腔111内从而剪断第四剪钉113并驱动外管103朝向下游运动。

在限位滑套401上设置有第二限位台阶，在图3所示的实施例中，第二限位台阶可为第一限位环405的内侧边缘，在中心管101上设置有与第二限位台阶相匹配的第二限位环407，在图3所示的实施例中，第二限位环407实际上由中心管101的上游端部径向向外凸出而形成。在膨胀锥片201张开后，进一步增大液压力以将第二剪钉403剪断，这样中心管101朝向下游运动直到第二限位环407与第二限位台阶配合在一起，这时传液孔104和进液孔117不再连通，原本处于液压腔111内的液体会被封在液压腔111内。第一限位环405与第一限位台阶404配合在一起，以及第二限位台阶与第二限位环407配合在一起后，中心管101不会与芯管102脱开而是始终为一体运动。

在膨胀工具10装配完成之后，进行膨胀之前，外管103通过第四剪钉113与芯管102固定连接，中心管101通过限位组件与芯管102相连，并且传液孔104处于进液孔117的上游而彼此不连通。

在将套管11进行膨胀时，首先将中心管101的下游端部封闭。接着，通过中空的钻杆向中心管101内充入液体例如钻井液。将液体加压以剪断第一剪钉402使得中心管101和限位滑套401一起朝向下游运动，直到第一限位环405与第一限位台阶404配合在一起，传液孔104与进液孔117连通。这样，液体会从中心管101内经过传液孔104与进液孔117而进入到液压腔111中。由于液压腔111的下游受力面为与外管103相连的第二连接件108，并且与钻杆相连的芯管102固定不动，因此在朝向下游的液压力作用下，第四剪钉113会被剪断使得外管103朝向下游运动并带动膨胀锥片201朝向下游运动。当膨胀锥片201进入到锥坐件202与套管11之间时，或者说当锥坐件202处于膨胀锥片201和芯管102之间时，膨胀锥片201会径向张开（即形成伞状）而实现膨胀套管11，如图1所示。上提钻杆，在芯管102和与芯管102固定相连的锥坐件202的带动下，中心管101、芯管102和外管103会被整体提出，在此期间，膨胀锥片201仍保持径向张开状态而实现膨胀整个套管11。

为了方便地实现中心管101的封闭，在中心管101的下游端部连接有膨胀辅助件，如图1和2所示。膨胀辅助件包括：通过第三剪钉304与中心管101的下游端部相连的复合胶塞301，与锥坐件202的下游端部固定相连的胶塞导管302，并且复合胶塞301处于胶塞导管302的区域内。在胶塞导管302内设置有胶塞座303，当复合胶塞301与中心管101分开后，复合胶塞301会向下游运动并封住胶塞座303。在进行膨胀施工之前，首先向中心管101内投入钻杆胶塞305（如图2所示），钻杆胶塞305会自动与复合胶塞301复合的从而封住中心管101的下游端部。

应理解的是，膨胀工具10的驱动组件的芯管102可包括多个彼此间通过第一连接件107’、107’’固定相连的芯管节106’、106’’，而外管103可包括多个彼此间通过第二连接件108’、108’’固定相连的外管节110’、110’’，如图4所示。在每个芯管节上均设置有进液孔如117’、117’’，中心管101上也设置有多个传液孔104’、104’’，这样驱动组件就会包括多个液压腔111’、111’’（如图4所示）从而能产生更大的驱动力，以使得套管膨胀施工顺利进行。在图4所示的实施例中，还应注意地是，实际上多个液压腔成间隔分布，即在相邻的液压腔之间存在有始终不会充入液体的空腔112，因此在膨胀施工期间，作用于在第二连接件108上的朝向下游的作用力不会被抵消。在图4所示的实施例中，膨胀组件、限位组件和膨胀辅助件均与上文所述相同，为了简单起见，这里不再赘述。

如图6所示，锥坐件202可分为三部分：处于上游部分的支撑区601、处于下游部分的连接区602以及在支撑区601和连接区602之间的过渡区603。支撑区601用于在膨胀施工期间使膨胀锥片201张开。在一个优选的实施例中，支撑区601构造成小端朝向上游的锥形，这样膨胀锥片201能够顺利到达锥坐件202上，从而顺利实现膨胀锥片201的张开。另外，锥形的支撑区601也可是固定于芯管102的独立的部分。

为了使向上提拉膨胀工具10更加方便，在锥坐件202的过渡区603上设置有爆破孔204，如图6示。胶塞导管302与密封连接于套管11下游端部的固井附件12密封连接，从而胶塞导管302、固井附件12、套管11和锥坐件202围成第一密封膨胀腔306。

在初始阶段，爆破孔204由片体（未示出）例如金属片而堵塞。在套管11膨胀期间，在膨胀锥片201径向张开后继续对液体加压以剪断第三剪钉304，复合胶塞301连同钻杆胶塞305一起朝向下游运动并封住胶塞座303。液体通过中心管101和锥坐件202之间的间隙反流到锥坐件202的腔内并冲开爆破孔204进入第一密封膨胀腔306内。在液体将第一密封膨胀腔306填满之后，会润滑膨胀锥片201与套管11之间的接触面，降低膨胀锥片201与套管11之间的摩擦力，从而有利于向上提拉膨胀工具10。

在一个优选的实施例中，在锥坐件202的周向侧壁爆破孔204的下游设置有环台205，如图7所示。在初始阶段，环台205与套管11密封接触，这可通过在环台205的侧面上设置第三密封件206而实现。这样，套管11和锥坐件202会围成体积较小临时密封腔207。在套管11膨胀期间，反流的液体冲开爆破孔204后，会进入到临时密封腔207中。由于临时密封腔207的体积小于上文所述的第一密封膨胀腔306，因此液体会很快填满临时密封腔207并由此润滑膨胀锥片201与套管11之间的接触面，这样就缩短了从注入液体到提拉膨胀工具10的时间，提高了工作效率。另外，通过设置环台205而形成临时密封腔207，能够防止在套管膨胀施工前，井内液体（例如，钻井液和水泥浆等）及杂质返流到临时密封腔207，而造成后续的膨胀施工难以进行。在向上游提拉膨胀工具10的过程中，当环台205进入到已经膨胀的套管部分后，临时密封腔207会与上文描述的第一密封膨胀腔306形成为一体，液体也因此会将第一密封膨胀腔306填满，继续进行套管膨胀。

为了方便膨胀锥片201的装配，膨胀锥片201通过固定锥208与外管103相连，如图5所示。固定锥208可构造为中空圆台形（也可称之为中空截头锥形）以套接在芯管102的下游部分，并且固定锥208还装配为小端朝向上游与外管103的下游端部相连，大端朝向下游并活动式连接有膨胀锥片201。在一个优选的实施例中，固定锥208的侧面的倾斜度小于膨胀锥片201外表面的倾斜度。在本申请中，用语“倾斜度”是指固定锥208的母线相对于套管11中心轴线的倾角，或者图5中膨胀锥片201的膨胀面的轮廓线相对于套管11中心轴线的倾角，对于本领域的技术人员，“倾斜度”的概念也是熟知的。此外，固定锥208的最大直径还小于膨胀锥片201张开后形成的形状的最大直径。固定锥208的这种结构的优点将在下文中描述。

为了确保外管103带动固定锥208运动，如图8所示，在芯管102的下游部分固定设有与外管103密封式滑动接触的锁定连接件801，并且在固定锥208的上游部分构造成外径缩小的台阶部分209。台阶部分209插入到外管103和锁定连接件801之间并且与外管103固定连接，外管103的下游端部还顶靠台阶面210。这样将膨胀锥片201张开时，固定锥208朝向下游运动会驱动膨胀锥片201朝向下游运动而实现膨胀锥片201的张开。在上提钻杆期间，外管103与固定锥208的固定连接会带动膨胀锥片201向上游运动，而锥坐件202会以同样的运动速度朝向上游运动，从而膨胀锥片201不会与锥坐件202脱开而闭合。在一个优选的实施例中，在锁定连接件801上还设置有锁定件。如图8所示，锁定件包括设置在锁定连接件801上的径向向外的凹槽212和通过弹性件213与凹槽212相连的锁块214。在初始阶段，台阶部分209会压住锁块214；在膨胀时，台阶部分209朝向下游运动而离开锁块214，锁块214在弹性件213的作用下径向向外凸出来而顶住台阶部分209的上游端部。这样在上提膨胀工具10时，锁块214会对固定锥208产生约束，避免膨胀锥片201与锥坐件202脱开。

下面将根据图1到15来描述使用膨胀工具10对套管11进行膨胀的方法，其包括以下步骤：

步骤一：钻裸眼1101，向裸眼1101内下入第一级套管1102并进行第一次固井。在将第一级套管1102下入裸眼1101之前，第一级套管1102的下游部分1103已经进行了预扩大并且其下游端部封闭，如图9所示。

步骤二：向井内下入钻进工具1201以钻穿第一级套管1102并继续钻进。根据实际情况，可行扩眼作业以提供实现等井径钻井作业的井眼空间。被钻穿的第一级套管1102的下游部分侧壁形成搭接部分1202，如图10所示。

步骤三：向井内下入第二级套管1301和膨胀工具10，并且使第二级套管1301的上游部分处于第一级套管的搭接部分1202。在第二级套管1301的下游端部密封安装有固井附件1302。第二级套管1301的下游部分为预扩大的膨胀启动区1303，在膨胀启动区1303的上游设置有搭接区1304，膨胀工具10设置为其固定锥208处于膨胀启动区1303中，如图11所示。固井附件1302例如为浮箍、浮鞋等设备，这些均是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。

步骤四：进行固井，并投入钻杆胶塞305。钻杆胶塞305与膨胀工具的复合胶塞复合301而密封中心管101的下游端部。在一个实施例中，选择缓凝水泥进行固井，保证在水泥浆稠化前完成套管11的正常膨胀作业。

步骤五：向膨胀工具10内充入液体，加压膨胀锥片201张开从而膨胀工具10对第二级套管1301实现膨胀，如图12所示。通过上提套管井下膨胀工具10，将第二级套管1301膨胀为其外径与第一级套管1102的内径相等并且使得第二级套管1301与第一级套管1102在搭接部分1202处固定连接在一起，如图13和14所示。

步骤六：重复步骤二到五，并且将下游套管的上游部分与上游套管的搭接区连接在一起，完成多级套管等井径膨胀作业，如图15。

应当注意地是，在本方法中，除第一级套管1102的下游部分1103进行了预扩大，其余的套管在下入井内之前没有进行预扩大，而是通过膨胀工具10一次膨胀而将其内径膨胀为与第一级套管1102的内径相等。

通过本发明的方法，实现了多个套管的等井径膨胀，即所有的套管膨胀后可达到与上游套管相等的内径，如图15所示。这实现了无井径损失钻井（即全井等井径钻井）。另外，由于井径不变，因此在钻井过程中，可始终采用一种规格的钻具，从而降低了钻完井成本，提高钻井效率。

在一个实施例中，膨胀工具10的固定锥208构造为其外径小于膨胀启动区1303的内径，并且大于第二级套管1301的处于膨胀启动区1303的上游部分的内径。这样，在膨胀施工前，能方便地将膨胀工具10与第二级套管1301装配到一起，有利于进行膨胀施工。此外，如上文所述，固定锥208的侧面的倾斜度小于膨胀锥片201外表面的倾斜度，并且固定锥208的最大直径还小于膨胀锥片201张开后形成的形状的最大直径。在进行膨胀作业时，固定锥208会首先小幅膨胀套管11，而张开的膨胀锥片201会将套管11膨胀到所要求的等井径尺寸，这样固定锥208和膨胀锥片201实际上形成了双级膨胀，这有助于膨胀施工顺利进行。

为了保证顺利施工，在步骤五中，每级套管膨胀完毕之后，还需要去除套管下游端部的未膨胀部分1305，例如可通过向井内下入磨铣工具来实现，如图14所示。为了提高多级套管的连接密封性，在搭接的套管之间还还设置有第四密封件1203，如橡胶筒、软金属件等，套管11膨胀及搭接后压缩在双层套管之间形成密封。在搭接区1304的套管11外侧设置有隔离水泥的填充体1306。在一个实施例中，填充体1306为能压缩的材料，例如空气（也就是在在第二级套管1301的搭接区1304的外侧设置有用于隔离水泥的空腔1307）。在固井及膨胀作业期间，这种空腔1307能够隔离水泥浆，即在空腔1307内不形成水泥环，为第二级套管1301及其搭接区1304进行膨胀搭接提供作业空间，消除外部水泥环对其膨胀所产生的约束。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的物质。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (22)

1.一种套管井下膨胀工具，包括用于对套管进行膨胀的膨胀组件和用于驱动所述膨胀组件进行膨胀的驱动组件，

所述驱动组件包括由内到外依次套装的中心管、芯管和外管，所述中心管的下游端部能封闭并且与钻杆连通，在所述中心管上沿轴向设置有传液孔；所述芯管与钻杆固定连接，并且所述芯管包括彼此间通过第一连接件固定相连的一组分别处于上游和下游的芯管节，在下游芯管节上设置有进液孔，所述中心管通过限位组件与所述芯管滑动式连接；所述外管包括彼此间通过第二连接件固定相连的一组分别处于上游和下游的外管节，并且所述外管通过第四剪钉与所述芯管相连，

其中，所述第一连接件处于所述进液孔的上游，所述第二连接件处于所述进液孔的下游，并且所述第一连接件与所述外管密封式滑动接触，所述第二连接件与所述芯管密封式滑动接触，从而由所述第一连接件、第二连接件、下游芯管节以及上游外管节形成液压腔，

所述膨胀组件包括多个活动式安装在所述下游外管节的下游端部的膨胀锥片和固定设置在所述膨胀锥片下游的锥坐件，

其中，在初始状态中，所述传液孔与所述进液孔不连通，

在套管膨胀时，所述中心管的下游端部封闭，所述中心管在充入液体的压力作用下在所述限位组件的引导下朝向下游运动，使得所述传液孔与所述进液孔连通而导致液体进入液压腔内，剪断所述第四剪钉而驱动外管朝向下游运动并带动膨胀锥片朝向下游运动，所述膨胀锥片在所述锥坐件的支撑下径向张开，从而实现套管的膨胀。

2.根据权利要求1所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，所述限位组件包括，滑动式设置在所述中心管和芯管之间的限位滑套，所述限位滑套通过第一剪钉与所述芯管相连并且通过处于所述第一剪钉下游的第二剪钉与所述中心管相连，在所述芯管内壁上设置有径向向内凸出的第一限位台阶，在所述限位滑套外壁上设置有与所述第一限位台阶相匹配的第一限位环，

所述第一剪钉在套管膨胀期间受到充入液体的压力作用而被剪断，使得所述中心管和所述限位滑套整体朝向下游运动直到所述第一限位环与所述第一限位台阶配合在一起，这时所述传液孔和进液孔连通。

3.根据权利要求2所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，在所述限位滑套的内壁上设置有径向向内凸出的第二限位台阶，在所述中心管上设置有与所述第二限位台阶相匹配的第二限位环，

在所述膨胀锥片张开后，所述第二剪钉在增大的液压力下被剪断，所述中心管朝向下游运动直到所述第二限位环与所述第二限位台阶配合在一起，这时所述传液孔和进液孔不再连通。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，所述锥坐件包括处于其上游部分的用于使所述膨胀锥片张开的支撑区、处于其下游部分的连接区以及在所述支撑区和所述连接区之间的过渡区。

5.根据权利要求4所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，所述支撑区构造成小端朝向上游的锥形。

6.根据权利要求4或5所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，在所述中心管的下游端部连接有用于封闭中心管的膨胀辅助件，其包括通过第三剪钉与所述中心管的下游端部相连的复合胶塞，与所述锥坐件的连接区固定相连的胶塞导管，在套管膨胀时，所述中心管通过向其内部投入能与所述复合胶塞自动复合的钻杆胶塞而实现封闭。

7.根据权利要求4到6中的任一项所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，在所述锥坐件的过渡区设置有爆破孔，所述胶塞导管与密封连接于套管下游端部的固井附件密封连接，从而所述胶塞导管、固井附件、套管和锥坐件围成第一密封膨胀腔。

8.根据权利要求7所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，在所述胶塞导管内设置有胶塞座，在套管膨胀期间，在所述膨胀锥片张开并且所述第二剪钉被剪断后，所述第三剪钉在增加的液压力下被剪断，使得所述复合胶塞连同所述钻杆胶塞一起朝向下游运动并封住所述胶塞座，所述液体反流到所述锥坐件的腔内并从所述爆破孔流入第一密封膨胀腔。

9.根据权利要求7或8所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，在初始状态中，所述爆破孔由片体堵塞。

10.根据权利要求7到9中任一项所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，在所述锥坐件过渡区的爆破孔的下游部分设置有能与所述套管密封接触的环台。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，还包括中空的与所述外管的下游端部固定连接的固定锥，所述膨胀锥片活动式连接在所述固定锥的下游端。

12.根据权利要求11所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，所述固定锥为小端朝向上游的圆台形，并且其侧面的倾斜度小于所述膨胀锥片外表面的倾斜度。

13.根据权利要求11或12所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，在所述下游芯管节的下游部分固定设有与所述外管密封式滑动接触的锁定连接件，在所述固定锥的上游部分构造成外径缩小的台阶部分，所述台阶部分插入到所述外管和锁定连接件之间并与所述外管固定连接，所述外管的下游端顶靠所述台阶面。

14.根据权利要求13所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，在所述锁定连接件上还设置有锁定件，其包括设置在所述锁定连接件上的径向向外的凹槽和通过弹性件与所述凹槽相连的锁块，在初始阶段，所述台阶部分压住所述锁块；在套管膨胀期间，所述锁块由于所述台阶部分朝向下游运动而在弹性件的作用下径向向外凸出并顶住所述台阶部分的上游端部。

15.根据权利要求1到14中任一项所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，所述芯管包括多个彼此间通过第一连接件固定相连的芯管节，所述外管包括多个彼此间通过第二连接件固定相连的外管节，并且所有第一连接件和第二连接件均处于所述锁定连接件的上游，

在每一个芯管节上均设置有一个进液孔，相邻于每个进液孔并且在其上游设置有第一连接件，在其下游设置有第二连接件，在相邻的第一连接件和第二连接件之间设置有间隔。

16.根据权利要求15所述的套管井下膨胀工具，其特征在于，所述第一连接件与所述第二连接件相间地设置。

17.一种使用根据权利要求1到16中任一项所述的套管井下膨胀工具膨胀套管的方法，包括以下步骤：

步骤一：钻裸眼，向所述裸眼内下入第一级套管并进行第一次固井，所述第一级套管的下游部分预扩大并且下游端部封闭；

步骤二：向井内下入钻进工具以钻穿所述第一级套管并继续钻进，所钻穿的第一级套管的下游部分侧壁形成搭接部分；

步骤三：向井内下入第二级套管和膨胀工具，在所述第二级套管下游端部密封安装有固井附件，所述第二级套管的下游部分为预扩大的膨胀启动区，在膨胀启动区的上游设置有搭接区，而其上游部分处于所述第一级套管的搭接部分；所述膨胀工具设置为其固定锥处于所述膨胀启动区中；

步骤四：进行固井，并投入钻杆胶塞，钻杆胶塞与膨胀工具的复合胶塞相复合而密封中心管的下游端部；

步骤五：向所述套管井下膨胀工具内充入液体，加压使所述膨胀工具对所述第二级套管实现膨胀，通过上提所述套管井下膨胀工具以将第二级套管的外径膨胀为与所述第一级套管的内径相等并且使得所述第二级套管与所述第一级套管固定连接在一起；

步骤六：重复步骤二到五，并且将下游套管的上游部分与上游套管的搭接区连接在一起，完成多级套管等井径膨胀作业。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，膨胀工具的固定锥构造为其外径小于所述膨胀启动区的内径，并且大于所述第二级套管的处于所述膨胀启动区的上游部分的内径。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，在所述步骤四中，每级套管膨胀完毕之后，去除所述套管下游端部的未膨胀部分。

20.根据权利要求17到19中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第二级套管的搭接区的外侧设置有能压缩的用于隔离水泥的填充体。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述填充体为空气。

22.根据权利要求17到21中任一项所述的方法，其特征在于，在所搭接的套管之间还设置有密封件。

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