CN106567676A - 膨胀式尾管钻井作业装置及其作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的一种膨胀式尾管钻井作业装置及其作业方法，该装置主要包括尾管钻进组件，尾管连接及启动组件和尾管膨胀组件三大部分。尾管钻进组件包括双心扩眼钻头、浮箍、球座和密封中心管等；尾管连接及启动组件主要由密封中心管、花键轴、膨胀锥、空心扩眼钻头、锁定短节和膨胀启动器等部件构成；尾管膨胀组件主要由膨胀套管、膨胀悬挂器、膨胀喇叭口、密封胶筒、中心管、挡泥器、喇叭口挡块等构成。采用本发明的作业装置及方法，可实现在尾管钻井作业的同时，实现尾管膨胀作业，增大完井内径，从而克服漏失以及井眼不稳定等问题，从而减少井下事故，提高了钻井安全性，降低钻井成本。

Description

膨胀式尾管钻井作业装置及其作业方法

技术领域

发明涉及石油天然气行业中的钻井完井技术领域，特别是涉及一种膨胀式尾管钻井作业装置及其作业方法，可实现尾管钻进作业和钻井后的膨胀套管膨胀作业单趟钻完成。

背景技术

在传统的油气田钻进作业中，下套管作业是在钻进作业之后进行的，钻达目的层后，需要进行短起下、通井等作业处理井眼以保证套管顺利下到位。下套管过程中可能会出现井喷、套管柱不到位等复杂情况。为减少井下复杂情况，节约钻井周期，开发了套管钻井技术，能保证边钻边下入套管，可有效节约钻井周期，减少井下复杂情况。

尾管钻井技术是套管钻井技术的一个分支，指用常规钻井工艺钻到一定井深后，用钻杆与尾管钻井系统连接进行钻进，完钻后固井并将钻杆起出，把尾管留在井下的一种钻井技术，是国际前沿的新兴钻井技术，仅贝克休斯具有该技术服务能力，国内也开展了尾管钻井工艺研究。发表于《石油钻探技术》2003年31卷第2期的论文《尾管钻井技术及其应用》介绍了国外尾管钻井技术现状及应用情况，但常规的尾管钻井面临着完井内径过小等问题，常常难以满足后期采油及作业；专利200810137580.3公开了一种尾管钻井和完井工艺，但在深井、超深井中复杂层的尾管钻井完井内径小，且所用的尾管悬挂器结构复杂，给尾管钻井和固完井施工带来较大风险。

膨胀套管技术已在国内外钻完井领域得到广泛实施，展现出强劲的发展势头，研究表明采用膨胀套管进行尾管固井作业具有较大的完井井眼、能够有效提高固井质量，同时尾管头具有密封和悬挂双重功能。因此，将膨胀套管技术引入尾管钻井技术领域，为尾管钻井技术实现尾管钻井和增大完井内径的双重目标提供契机，有利于拓展尾管钻井技术领域。

发明内容

针对现有尾管钻井所面临的难题，发明了一种膨胀式尾管钻井作业装置，将膨胀套管技术与尾管钻井技术有机结合在一起，从而可实现在尾管完成钻井作业后进行整个尾管膨胀作业，可避免复杂地质条件下的压差卡钻和钻井液漏失等问题；本发明还涉及应用该装置实现膨胀式尾管钻井作业的方法。

本发明的技术方案是：

一种膨胀式尾管钻井作业装置，包括尾管钻进组件103，尾管连接及启动组件102和尾管膨胀组件101三大部分，其中：

尾管钻进组件103为伸出底部尾管的钻进工具部分，包括自下而上依次连接的双心扩眼钻头1、密封中心管5和设置在密封中心管5内的浮箍2、球座3；

尾管连接及启动组件102连接在尾管膨胀组件与尾管钻进组件之间，由内管柱和外管柱两部分套装组成；其中，内管柱包括：与密封中心管5通过剪切销钉13连接的花键轴10，与花键轴10连接的在其中心管18，和设在花键轴10上方的膨胀锥15，密封中心管5上部设有密封头8，花键轴10外设有花键头11；外管柱包括：与膨胀套管17连接的膨胀启动器14，连接在膨胀启动器14下方的锁定短节9和空心扩眼钻头4，锁定短节9下部设有与密封中心管5上部密封头8阻挡配合的剪切座7，且密封头8与 锁定短节9构成轴向滑动密封配合，锁定短节9上部设有与花键轴10外设花键头11滑动配合的花键槽12，膨胀锥15与膨胀启动器14的膨胀锥面16 形成密封配合；

尾管膨胀组件101位于尾管钻井作业装置上部，包括膨胀套管17、固化在膨胀套管17外的膨胀悬挂器20、连接在膨胀套管17顶部的膨胀喇叭口22，以及贯穿膨胀喇叭口22向下与花键轴10连接的在其中心管18。

上述方案进一步包括：所述双心扩眼钻头1为偏心钻头，所述膨胀悬挂器20为多级密封胶筒21。密封中心管5的密封头8上设有密封槽和密封圈27，在膨胀喇叭口22处设有喇叭口挡块23 ，在中心管18与膨胀套管17的环空内设有挡泥器19。

根据前述膨胀式尾管钻井作业装置的作业方法，包括以下步骤：

步骤一：下入膨胀式尾管钻井作业装置，通过钻杆25与中心管18对扣和伴送方式，将尾管钻井作业装置下至井底；

步骤二：尾管钻进；正常钻进时，双心扩眼钻头1实现随钻扩眼作业，同时通过花键轴10与锁定短节9间的花键配合，使空心扩眼钻头4实现辅助扩眼作业，使膨胀式尾管钻井装置随钻下入裸眼井段；

步骤三：固井作业；在钻达目的层后，上提管柱2-3m，循环后进行注水泥固井，投入固井胶塞28，顶替，碰压；

步骤四：启动膨胀作业；在固井胶塞28碰压后，打压至一定压力值，密封中心管5和花键轴10间的剪切销钉13发生剪切，密封中心管5沿锁定短节9内壁下行至锁定短节9内的剪切座7，压力传递至膨胀锥15处；

步骤五：尾管膨胀作业；膨胀套管17启动膨胀后，依靠液压力和机械拉拔力，依次完成膨胀套管17和膨胀悬挂器20的塑性膨胀，挤压在膨胀套管17和技术套管26之间，实现膨胀套管17的悬挂和密封；

步骤六：膨胀式尾管钻井完井；在膨胀套管17完成膨胀作业后，膨胀锥15从膨胀喇叭口22处自动丢手，压力释放，循环出多余水泥浆29，将尾管钻进组件和密封中心管等部件留井完井。

本发明的优点在于：创新地实现将尾管完井技术和膨胀套管技术有机结合，可在尾管钻井完成后，直接实现尾管的膨胀作业，单趟钻实现尾管钻井和尾管膨胀；采用双心扩眼钻头和空心扩眼钻头相结合的双管扩眼方式，有效保证了尾管随钻下入的安全性；此外，本发明将球座和浮箍等固井附件安装在钻柱上，并留井，降低了膨胀式尾管钻进及膨胀的风险。

附图说明

图1为膨胀式尾管钻井作业装置示意图；

图2为花键头和花键槽配合截面图；

图3为膨胀式尾管钻井作业示意图；

图4为膨胀式尾管钻井后固井示意图；

图5为膨胀式尾管启动膨胀示意图；

图6为膨胀式尾管膨胀作业示意图；

图7为膨胀式尾管完井作业示意图。

图中：101. 尾管膨胀组件，102.尾管连接及启动组件，103. 尾管钻进组件，1.双心扩眼钻头，2.浮箍，3.球座，4.空心扩眼钻头，5.密封中心管，6.连接螺纹，7.剪切座，8.密封头，9.锁定短节，10.花键轴，11.花键头，12.花键槽，13.剪切销钉，14.膨胀启动器，15.膨胀锥，16.膨胀套管锥面，17.膨胀套管，18.中心管，19.挡泥器，20.膨胀悬挂器，21.密封胶筒，22.膨胀喇叭口，23.喇叭口挡块，24紧固销钉，25.钻杆，26.技术套管，27.密封圈，28.固井胶塞，29.水泥浆。

具体实施方式

现结合说明书附图对发明作进一步的描述。

如图1、图2所示，所涉及的一种膨胀式尾管钻井作业装置，主要包括尾管膨胀组件101，尾管连接及启动组件102和尾管钻进组件103三大部分。

尾管钻进组件103为伸出尾管底部的内管钻井工具，实现尾管钻进功能。包括双心扩眼钻头1、浮箍2、球座3和密封中心管5下部。双心扩眼钻头1为偏心钻头，可实现随钻扩眼作业，便于尾管下入。

尾管连接及启动组件102为尾管与钻进组件连接装置，实现尾管与钻进连接及扭矩传递等功能。其内管柱包括密封中心管5、密封头8、花键轴10和膨胀锥15，密封中心管5上加工有密封头8，在密封头8上的密封槽内安装有密封圈27，密封中心管5上部通过剪切销钉13与花键轴10相连，花键轴10上加工有花键头11，膨胀锥15安装在花键轴10上；外管柱包括空心扩眼钻头4、锁定短节9和膨胀启动器14。空心扩眼钻头4为空心的PDC扩眼钻头，空心扩眼钻头4底部和保径部分均加工有PDC齿，在尾管钻进时空心扩眼钻头4也辅助扩眼钻进，以便使膨胀套管17能顺利下入。锁定短节9通过连接螺纹6与空心扩眼钻头4相连，内部加工有剪切座7台阶，密封头8与锁定短节9密封配合，且位于剪切座7台阶上部。锁定短节9上端加工有花键槽12，从而与花键轴12上的花键头8形成配合以传递扭矩。膨胀启动器14的膨胀套管锥面16与膨胀锥15的锥面形成锥面密封配合，依靠锥面承受尾管重量。

尾管膨胀组件101位于尾管钻井作业装置上部，用于尾管钻进后的膨胀完井作业。由膨胀套管17、膨胀悬挂器20、膨胀喇叭口22、密封胶筒21、中心管18、挡泥器19、喇叭口挡块23和钻杆25等构成。膨胀启动器14依次与膨胀套管17、膨胀悬挂器20和膨胀喇叭口22相连，花键轴10与中心管18相连，在中心管18上安装有挡泥器19，防止落物进入膨胀套管锥面16，膨胀悬挂器20上硫化有密封胶筒21，通过密封胶筒21挤压提供密封悬挂功能，在膨胀喇叭口22处安装有喇叭口挡块23，通过紧固销钉24固定在中心管18和喇叭口22之间，防止异物进入膨胀套管17内。

下面根据图1-图7来描述来利用膨胀式尾管钻井作业装置进行Ф139.7mm膨胀式尾管钻井及完井的作业方法，其包括以下步骤：

步骤一：工具装配。提前装配好尾管连接及启动组件102，将Ф134.5mm膨胀锥15预置于Ф149.3mm膨胀启动器14内，并与组装好尾管连接组件相连，包括膨胀启动器14、锁定短节9、膨胀锥15、花键轴10、密封中心管5等，如图1所示。

步骤二：下入膨胀式尾管钻井作业装置。在已装配好的尾管连接及启动组件102上依次安装Ф150mm空心扩眼钻头4、球座3、浮箍2和Φ149.2mm×165mm双心扩眼钻头1，然后下入Ф139.7mm膨胀套管17、Φ177.8mm×139.7mm膨胀悬挂器20和膨胀喇叭口22，再通过下入中心管18进行对扣和钻杆25伴送方式，将尾管钻井作业装置下至井底，如图1所示。值得说明的是，球座3及浮箍2等固井附件常规均安装在套管上，本发明中安装在钻杆25上，需要对其结构及扣型加以改进优化。

步骤三：尾管钻进。正常钻进时，双心扩眼钻头1可实现随钻扩眼作业，同时通过花键轴10与锁定短节9间的花键配合，带动外管转动，使空心扩眼钻头4实现辅助扩眼作业，保证膨胀式尾管钻井装置顺利下入裸眼井段，如图3所示。

步骤四：固井作业。在钻达目的层后，上提管柱2-3m，循环后进行注水泥固井，投入固井胶塞28，顶替，使固井胶塞28在球座3处碰压至20MPa，如图4所示。

步骤五：启动膨胀作业。在固井胶塞28碰压后，继续打压至25～30MPa，密封中心管5和花键轴10间的剪切销钉13发生剪切，密封中心管5沿锁定短节9内壁下行，直至密封头8下行至锁定短节9内的剪切座7，密封中心管5和花键轴10脱离，压力传递至膨胀锥15处，如图5所示。

步骤六：尾管膨胀作业。膨胀套管17启动膨胀后，保持压力在20～30MPa，依靠液压力和机械拉拔力，依次完成膨胀套管17和膨胀悬挂器20的塑性膨胀，增大完井尾管内径，并将密封胶筒21挤压在膨胀套管17和技术套管26之间，依靠膨胀悬挂器20上的密封胶筒21实现膨胀套管17的悬挂密封，如图6所示。

步骤七：膨胀式尾管钻井完井。在膨胀套管17完成膨胀作业后，膨胀锥15从膨胀喇叭口22处自动丢手，压力释放，循环出多余水泥浆29后完井，将尾管钻进组件101和密封中心管5等部件留井，完井，如图7所示。

本发明所示的膨胀式尾管钻井作业装置及作业方法，可实现尾管钻井从而克服漏失以及井眼不稳定等问题，从而减少井下事故，提高了钻井安全性，又能在尾管钻到预定深度后实现尾管膨胀坐挂，有效提高完井后井眼直径，便于后续采油及作业，降低钻井成本。

Claims (4)

1.一种膨胀式尾管钻井作业装置，包括尾管钻进组件[103]，尾管连接及启动组件[102]和尾管膨胀组件[101]三大部分，其特征是：

尾管钻进组件[103]为伸出底部尾管的钻进工具部分，包括自下而上依次连接的双心扩眼钻头[1]、密封中心管[5]和设置在密封中心管[5]内的浮箍[2]、球座[3]；

尾管连接及启动组件[102]连接在尾管膨胀组件与尾管钻进组件之间，由内管柱和外管柱两部分套装组成；其中，内管柱包括：与密封中心管[5]通过剪切销钉[13]连接的花键轴[10]，与花键轴[10]连接的在其中心管[18]，和设在花键轴[10]上方的膨胀锥[15]，密封中心管[5]上部设有密封头[8]，花键轴[10]外设有花键头[11]；外管柱包括：与膨胀套管[17]连接的膨胀启动器[14]，连接在膨胀启动器[14]下方的锁定短节[9]和空心扩眼钻头[4]，锁定短节[9]下部设有与密封中心管[5]上部密封头[8]阻挡配合的剪切座[7]，且密封头[8]与 锁定短节[9]构成轴向滑动密封配合，锁定短节[9]上部设有与花键轴[10]外设花键头[11]滑动配合的花键槽[12]，膨胀锥[15]与膨胀启动器[14]的膨胀锥面[16] 形成密封配合；

尾管膨胀组件[101]位于尾管钻井作业装置上部，包括膨胀套管[17]、固化在膨胀套管[17]外的膨胀悬挂器[20]、连接在膨胀套管[17]顶部的膨胀喇叭口[22]，以及贯穿膨胀喇叭口[22]向下与花键轴[10]连接的在其中心管[18]。

2.如权利要求1所述的膨胀式尾管钻井作业装置，其特征在于：所述双心扩眼钻头[1]为偏心钻头，所述膨胀悬挂器[20]为多级密封胶筒[21]。

3.如权利要求2所述的膨胀式尾管钻井作业装置，其特征在于：密封中心管[5]的密封头[8]上设有密封槽和密封圈[27]，在膨胀喇叭口[22]处设有喇叭口挡块[23] ，在中心管[18]与膨胀套管[17]的环空内设有挡泥器[19]。

4.如权利要求1至3中任一项所述的膨胀式尾管钻井作业装置的作业方法，包括以下步骤：

步骤一：下入膨胀式尾管钻井作业装置，通过钻杆[25]与中心管[18]对扣和伴送方式，将尾管钻井作业装置下至井底；

步骤二：尾管钻进；正常钻进时，双心扩眼钻头[1]实现随钻扩眼作业，同时通过花键轴[10]与锁定短节[9]间的花键配合，使空心扩眼钻头[4]实现辅助扩眼作业，使膨胀式尾管钻井装置随钻下入裸眼井段；

步骤三：固井作业；在钻达目的层后，上提管柱2-3m，循环后进行注水泥固井，投入固井胶塞[28]，顶替，碰压；

步骤四：启动膨胀作业；在固井胶塞[28]碰压后，打压至一定压力值，密封中心管[5]和花键轴[10]间的剪切销钉[13]发生剪切，密封中心管[5]沿锁定短节[9]内壁下行至锁定短节[9]内的剪切座[7]，压力传递至膨胀锥[15]处；

步骤五：尾管膨胀作业；膨胀套管[17]启动膨胀后，依靠液压力和机械拉拔力，依次完成膨胀套管[17]和膨胀悬挂器[20]的塑性膨胀，挤压在膨胀套管[17]和技术套管[26]之间，实现膨胀套管[17]的悬挂和密封；

步骤六：膨胀式尾管钻井完井；在膨胀套管[17]完成膨胀作业后，膨胀锥[15]从膨胀喇叭口[22]处自动丢手，压力释放，循环出多余水泥浆[29]，完井。