CN104563900A - 一种基于金属橡胶承载和密封的膨胀尾管悬挂器接头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻井、完井和固井装备领域，尤其是一种基于金属橡胶承载和密封的膨胀尾管悬挂器接头。本发明包括套管、变径尾管、密封元件和膨胀锥，在变径尾管上段外壁等距离套装密封元件，变径尾管装有密封元件的部分套装在套管内，膨胀锥安装在变径尾管，其基本构思是：密封元件采用金属橡胶筒，金属橡胶筒紧密套装在变径尾管外壁，与金属橡胶筒套装配合段的变径尾管外壁表面及套管与金属橡胶筒配合段的内壁，采用经过粗糙度加工处理过的粗糙面。本发明密封元件采用金属橡胶筒，与其配合件的安装表面经过粗糙度加工后其结构稳定性、密封性好，耐油耐酸性极强，抗老化，延长了膨胀尾管悬挂器的使用寿命，提高了工作效率、降低了运行成本。

Description

一种基于金属橡胶承载和密封的膨胀尾管悬挂器接头

一、技术领域

本发明涉及石油钻井、完井和固井装备领域，尤其是一种基于金属橡胶承载和密封的膨胀尾管悬挂器接头。

二、背景技术

膨胀套管技术是近年来快速发展的一项新兴工程技术，膨胀管悬挂系统作为膨胀套管的关键技术，可应用于尾管悬挂、套管补贴及裸眼封堵回接等相关膨胀管技术，在侧钻井、加深井、深井钻井等尾管完井以及固井等应用中起到至关重要的作用，能提供有效尾管头密封，是石油工程领域的一个极具魅力的井下工具。

膨胀悬挂器主要依靠密封元件实现套管与套管环空之间的封隔，隔绝环空压力传递，防止油、气、水窜的出现。因此，使用不同的耐温、耐压、抗剪切性能好、耐腐蚀的弹性材料制成密封元件，并采用特殊的防突保护装置和肩部保护装置，以适应不同的流体工况，实现高温、高压下封隔器的封隔功能。在深井、超深井和热采井中，由于井内温度较高，目前膨胀悬挂器所选用的氢化丁腈橡胶筒最高使用温度在150℃左右，难以保证其在热采井中的作业安全。此外，在恶劣环境下普通橡胶老化现象严重，无法长时间以最好性能服役。

膨胀管悬挂系统在井下工作时，又面临高拉伸应力的威胁，若套管膨胀成形后承载拉伸的能力较小，则不能满足完井、固井等工况下对尾管悬挂器承载性能的要求，因此，对膨胀后的悬挂筒的承载力提出了极高的要求。

中国国家知识产权局2012年12月06日公开了公开号为CN102979472A，名称为“膨胀式悬挂器”；该技术在膨胀管的上部外壁上固定有硫化橡胶圈。中国国家知识产权局2014年03月12日公开了公开号为CN103628834A，名称为“锁定式膨胀尾管悬挂器”；该技术的膨胀管外壁有硫化橡胶。中国国家知识产权局2010年12月08日公开了公开号为CN101906945A，名称为“一种用于膨胀筛管的液压膨胀式悬挂器”；该技术采用的橡胶环为环形结构，紧密固定在悬挂器本体的外表面。中国国家知识产权局2013年03月13日公开了公开号为CN101906946B，名称为“一种液压膨胀式旋转尾管悬挂器”；该技术的本体上小径端加工有多段橡胶环，膨胀后橡胶环紧贴于上层套管和悬挂器本体之间，形成有效的密封。中国国家知识产权局2014年01月22日公开了公开号为CN103527136A名称为“膨胀悬挂器”；该技术的膨胀管本体在径向发生永久塑性变形并挤压悬挂器本体上的密封橡胶，使其与外层套管内壁紧密结合。中国国家知识产权局2013年04月22日公开了公开号为CN201225110Y，名称为“一种悬挂膨胀器”；该技术其密封材料可以直接压胶在本体上，也可以为环形结构套装在其上。中国国家知识产权局2013年03月20日公开了公开号为CN102979470A，名称为“非固井式膨胀尾管悬挂器”；该技术在膨胀管的外部固定有至少一个的橡胶圈，能够起到坐挂的作用，而且能够在压力较大的条件下起到保护膨胀管的作用。中国国家知识产权局2013年01月23日公开了公开号为CN102889063A，名称为“热采水平井膨胀管悬挂器及其使用方法”；该技术悬挂胶环是由牢固压合在所述膨胀管外表面的环形胶圈及金属复合组成。上述结构中采用的橡胶具有不耐高温、易腐蚀和易老化的问题。与橡胶接触的内外壁无粗造化处理，在承载过程中易出现拉脱的现象。

中国国家知识产权局2011年05月25日公开了公开号为CN102071893A，名称为“井下自膨胀式悬挂器”；该技术的密封元件为遇油自膨胀橡胶或遇水自膨胀橡胶，在使用现场将自膨胀橡胶筒组件套在管体的外壁上，相邻两个自膨胀橡胶筒组件之间的距离相同。该技术无需膨胀工具，依靠橡胶遇水或者油的自膨胀特性实现悬挂和密封，同样存在使用过程中橡胶老化的问题。

中国国家知识产权局2009年11月11日公开了公开号为CN101575951A，名称为公开了名称为“石油膨胀管悬挂器及施工工艺”；该技术的膨胀管悬挂体由套管、悬挂管、悬挂牙凸和悬挂胶环组成。通过膨胀悬挂管，使悬挂管扩径并压挤悬挂牙凸和悬挂胶环咬合于套管内壁，形成轴向悬挂力。中国国家知识产权局2013年03月06日公开了公开号为CN102953698A，名称为“一种膨胀式可旋转尾管悬挂器”；该技术在其膨胀段外表面上设计有一组三角状环形凸起，并在相邻两个三角状环形凸起之间硫化有环状橡胶段，所述环状橡胶段的直径大于所述三角状环形凸起的顶部外径。这两种方案存在的问题是：牙凸或者环状凸起在挤压过程中易破坏套管内壁的完整性，且由于牙凸或者环状凸起与橡胶的硬度不同，造成膨胀中变形不协调，橡胶不能得到有效挤压，悬挂和密封效果都会受到影响。

三、发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，有效的解决尾管悬挂器服役时橡胶不耐高温、易腐蚀、易老化，承载力不足的问题，提供一种基于金属橡胶承载和密封的膨胀尾管悬挂器接头。

本发明包括套管、变径尾管、密封元件和膨胀锥，在变径尾管上段外壁等距离套装密封元件，变径尾管装有密封元件的部分套装在套管内，膨胀锥安装在变径尾管内；本发明的构思方案为：密封元件采用金属橡胶筒，金属橡胶筒紧密套装在变径尾管外壁，与金属橡胶筒套装配合段的变径尾管外壁表面及套管与金属橡胶筒段配合的内壁，采用经过粗糙度加工处理过的粗糙面。

应用时，膨胀锥自下而上通过变径尾管，使尾管发生永久塑性变形，直径扩大，密封元件被扩径后的尾管挤压，并与外部套管紧密接触。

本发明的发明机理：本发明所采用的密封元件“金属橡胶”为均质的弹性多孔物质，已经有成熟的生产工艺。它的原材料是金属丝，制成品既具有所选金属固有的防腐蚀、耐高温、耐油耐酸性、抗老化的特性，又具有像高分子橡胶一样的弹性特征，是优化尾管悬挂器设计的最佳材料。但是，与传统橡胶材料相比，“金属橡胶”与尾管悬挂器中相配合的金属材料构件的安装面之间摩擦系数小，影响到结合的承载力和密封效果。本发明采用了经过粗糙度加工处理过的粗糙面，巧妙的解决了该问题。与金属橡胶筒套装配合段的变径尾管外壁，采用的粗糙度加工工艺为滚花加工，套管与金属橡胶筒段配合的内壁采用的粗糙度加工为喷砂处理。由于尾管外壁与金属橡胶筒配合的部位及套管与金属橡胶筒段配合的内壁经过粗糙度加工以后，尾管外壁与金属橡胶筒配合的部位及套管与金属橡胶筒段配合的内壁之间摩擦系数增大，增强了配合面的牢固性和密封效果。

本发明的优点在于：

(1)橡胶筒优选耐高温、耐压和耐介质腐蚀性能优异的金属橡胶。金属橡胶具有高度的结构稳定性，是目前所有弹性体中耐介质性能最好的一种，耐油耐酸性极强，且其耐高温性能是目前弹性体中最好的，可以在300℃下长期使用。金属橡胶无老化现象，能大大延长尾管悬挂器的使用寿命，提高了工作效率、降低了运行成本。

(2)膨胀开始前，金属橡胶筒与变径尾管的紧密配合关系，增大二者之间初始预紧力，橡胶筒在变径尾管安放在套管的过程中不发生轴向滑动，同时，也可防止膨胀过程中的金属橡胶筒相对变径尾管的轴向滑动。

(3)套管与金属橡胶筒接触部位有滚花结构，增大了金属橡胶筒与变径尾管的接触面积，悬挂器膨胀成形后承载能力得到提高。

(4)套管内壁与金属橡胶筒配合的部位经过喷砂处理，增加了金属橡胶筒与套管之间的摩擦力，提高了承载性能。

四、附图说明

图1为本发明变径尾管膨胀前整体结构示意图主视图的剖视示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明变径尾管膨胀前，变径尾管带滚花的部分与金属橡胶筒的安装配合结构示意图的局部放大图；

图4为本发明变径尾管膨胀后整体结构示意图主视图的剖视图；

图5为图4的B-B剖视图；

图6为本发明变径尾管膨胀后，变径尾管带滚花的部分与金属橡胶筒的安装配合结构示意图的局部放大图。

附图标记

1、套管  1-1、套管内壁经过的喷砂处理的粗糙表面结构  2、金属橡胶筒  3、变径尾管3-1、变径尾管外壁经滚花处理的粗糙表面结构  4、膨胀锥

五、具体实施方式

结合附图，进一步描述本发明的具体实施过程，如图1、图3、图4、图6所示。

本发明包括套管1、变径尾管3、膨胀锥4、金属橡胶筒2，在变径尾管3上段外壁等距离套装金属橡胶筒2，套管1套装在套装橡胶筒2的变径尾管3的外部，膨胀锥4安装在变径尾管3下端；橡胶筒2采用金属橡胶材料，与金属橡胶筒2套装匹配的变径尾管3外壁经过滚花处理的粗糙表面结构3-1；套管1与金属橡胶筒2配合部分的内壁经过喷砂处理的粗糙表面结构1-1。

以140*114膨胀悬挂器为例，变径尾管3的主体部分规格为变径部分规格为套管规格为利用车床对变径尾管3的外壁进行三段滚花加工，第一段滚花部位距离变径尾管3上端的距离为60mm，三段滚花的长度相同均为400mm，间距相等均为400mm。三段金属橡胶筒2的长度均为400mm，利用金属橡胶筒2的自身弹性变形，将金属橡胶筒2紧密安装在变径尾管3外壁的滚花位置，即经过滚花处理的粗糙表面结构3-1处。由于金属橡胶筒2为弹性材料，所以，所选金属橡胶筒2的内径为以保证带滚花的变径尾管3与金属橡胶筒2的配合关系为紧密配合。金属橡胶筒2与变径尾管3依靠滚花结构4和紧密配合关系连接在一起，且能够有效避免金属橡胶筒2在变径尾管3上的轴向位移。在套管1下入井下前，利用喷砂机对套管1的与三段金属橡胶筒2配合处的内壁部位进行喷砂处理，增加套管1内壁处的粗糙度。

膨胀锥4为可变径结构，安装至变径尾管3内前处于闭合状态，外径为安装至变径尾管3后，启动变径机构，大端外径变为小端外径仍为利用工具将安装好三段金属橡胶筒2的变径尾管3(内含膨胀锥4)下入井下至套管1的相应位置，使三段金属橡胶筒2处于套管1内，并与三段喷砂处理的区域重合。将变径尾管3下端固定，膨胀锥4在液体压力的作用下自下而上运动并通过变径尾管3，最终离开变径尾管3，使得变径尾管3沿径向发生不可逆的永久塑性变形。金属橡胶筒2随变径尾管3的膨胀径向膨胀，并与经过喷砂处理过的套管1的内壁发生挤压作用，实现了与套管1的紧密贴合，从而达到非常稳定的通过摩擦力承载悬挂的目的。

如附图1、附图2、附图4、附图5所示，金属橡胶筒2在膨胀前后发生变形，膨胀完成后厚度减薄、直径增大，并与套管1的紧密接触，金属橡胶筒2耐高温、高压、腐蚀、耐老化性能优异，在恶劣环境下有效延长了膨胀尾管悬挂器的悬挂时间。本发明提高了接头的使用寿命，提高了工作效率、极大地降低了运行成本。

Claims (1)

1.一种基于金属橡胶承载和密封的膨胀尾管悬挂器接头，包括套管、变径尾管、密封元件和膨胀锥，在变径尾管上段外壁等距离套装密封元件，变径尾管装有密封元件的部分套装在套管内，膨胀锥安装在变径尾管段，其特征为：密封元件采用金属橡胶筒，金属橡胶筒紧密套装在变径尾管外壁，与金属橡胶筒套装配合段的变径尾管外壁表面及套管与金属橡胶筒配合段的内壁，采用经过粗糙度加工处理过的粗糙面。