CN106907120B - 用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具及其施工方法 - Google Patents

用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具及其施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水平井砾石充填完井防砂领域,公开了一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具,可采用管内打压脱手式或管外打压脱手式,由坐封转换机构、正转送入机构和液压逐级脱手机构三个部分组成;坐封转换机构上端与坐封工具的活塞螺纹连接,其下端面直接接触需要送入的封隔器外推筒;正转送入机构和液压逐级脱手机构由上至下依次设置在坐封转换机构内部,正转送入机构上端螺纹连接坐封工具的芯轴,液压逐级脱手机构下端螺纹连接其它服务工具。本发明在防砂管柱下井过程中可实现可正转下入,降低管柱遇阻可能性,脱手方式有液压式和机械式两种,液压脱手压力低,剪切值稳定可靠,机械脱手过程管柱扭矩值较低,作业安全系数高。

Description

用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具及其施工方法
技术领域
本发明属于油田开发生产中的水平井砾石充填完井防砂技术领域,具体的说,是涉及一种用于水平井砾石充填防砂管柱的服务工具及其施工方法。
背景技术
在目前公知的油田开发中,随着深井、复杂井钻采开发的增多,尤其是完井工艺的不断革新进步,对完井工具的各项功能及使用提出了更高的要求。用于水平井砾石充填防砂管柱的送入脱手工具是水平井裸眼砾石充填防砂作业中防砂工具完成不同作业的必要服务工具。目前市场上的送入脱手工具多种多样,但调研发现各自存在不同的技术瓶颈,例如有的送入脱手工具不能实现多种送入脱手作业方案,可能只具有机械脱手功能或者液压脱手功能,当其脱手功能失效时,不能保证其作为服务工具安全可靠的脱手;或者出现液压脱手压力达到4500psi,压力过高,对现场设备要求过高等等,这些缺陷给现场作业带来很大的作业风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,现有送入脱手工具不能满足正转送入和可选择性管内打压或管外打压脱手的需要,以及液压脱手施工易受井况影响而导致脱手压力偏差过大等技术风险,提供了一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具及其施工方法,结构简单,施工操作简便且安全可靠。
为了解决上述技术问题,本发明通过以下的技术方案予以实现:
一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具,采用管内打压脱手式,由坐封转换机构、正转送入机构和液压逐级脱手机构三个部分组成;所述坐封转换机构上端与坐封工具的活塞螺纹连接,其下端面直接接触需要送入的封隔器外推筒;所述正转送入机构和所述液压逐级脱手机构由上至下依次设置在所述坐封转换机构内部,所述正转送入机构上端螺纹连接坐封工具的芯轴,所述液压逐级脱手机构下端螺纹连接其它服务工具;
所述坐封转换机构包括转换套和推筒;所述转换套的上端螺纹连接于坐封工具的活塞,并使用所述第一固定销钉固定;所述转换套的下端螺纹连接于所述推筒,并使用所述第二固定销钉固定;所述推筒你下端直接接触于封隔器外推筒;
所述正转送入机构包括上接头、限位套、上环套、卡簧、防转套、防转销和第一剪切销钉;所述上接头上端螺纹连接于坐封工具的芯轴,并使用第三固定销钉固定,同时以第一密封圈进行密封;所述防转套设置在所述上接头的外侧,所述防转套的剪切销钉孔与所述上接头的剪切销钉槽对准并使用所述第一剪切销钉轴向固定;所述防转套与所述上环套螺纹连接且两者之间安装所述卡簧,所述上环套、所述卡簧、所述防转套由上至下依次套装于所述上接头外部;所述防转套下端加工有环形均布的四个方形插板,可插入封隔器上接头对应的四个外插槽中;所述上接头与所述防转套通过所述第一剪切销钉轴向固定的同时,所述上接头的传压孔正对于所述防转套的压差截面;所述上接头的传压孔上方设置有安装于所述防转套内回转面的第二密封圈、下方设置有安装于所述上接头外回转面的第三密封圈,所述第三密封圈的直径大于所述第二密封圈的直径,当管内压力高于外部压力并达到第一设定值时,压差由所述上接头的传压孔传入并通过所述防转套的压差截面推动所述上环套、所述卡簧、所述防转套一同向上移动,直至由于所述限位套的限位而停止继续上行,此时所述卡簧径向收回落入所述上接头设置的卡簧槽中,且所述防转套下端的方形插板完全退出封隔器上接头的外插槽;所述限位套与所述上接头螺纹连接,并使用第四固定销钉固定;所述防转套的防转销滑动槽与所述上接头的防转销孔对准并使用所述防转销轴向固定;
所述液压逐级脱手机构包括连接套、平键、弹簧、弹性爪、剪切套、芯轴、传动套、支撑体、下接头、第二剪切销钉;所述连接套上端与所述上接头下端螺纹连接,并通过第四密封圈进行密封;所述连接套下端与所述芯轴上端螺纹连接,并通过第五密封圈进行密封;所述芯轴下端与所述下接头上端螺纹连接,并通过第八密封圈进行密封;所述剪切套、所述支撑体分别扣合于所述传动套,所述剪切套下部的内回转面均匀的设置有4组内沟槽;四个相同的所述传动套呈分瓣式均匀地布置在所述芯轴外部,每个所述传动套均为上下两端均具有内轴肩的U形截面传动结构;所述支撑体为上端具有整圆周内轴肩的回转体;所述剪切套以其下部的内沟槽扣在所述传动套上端的内轴肩上,所述支撑体以其整圆周内轴肩套在所述传动套下端的内轴肩上,所述剪切套、所述传动套、所述支撑体由上至下连接并整体套装于所述芯轴外部;其中,所述剪切套的内沟槽与所述传动套上端的内轴肩之间设置有轴向间距,并且该轴向间距不小于所述第二剪切销钉的直径;所述剪切套与所述芯轴通过所述第二剪切销钉轴向固定,同时所述芯轴的传压孔与所述剪切套的压差截面对齐,所述芯轴的传压孔上方设置有安装于所述剪切套内回转面的第六密封圈、下方设置有安装于所述芯轴外回转面的第七密封圈,所述第七密封圈的直径大于所述第六密封圈的直径,当管内压力高于外部压力并达到第二设定值时,压差由所述芯轴的传压孔传入并通过剪切套的压差截面剪断第二剪切销钉,再推动剪切套向上移动,直至所述连接套底端端面对所述剪切套限位;所述弹性爪套装于所述剪切套外部,所述弹性爪上端延伸至所述连接套外部并与所述连接套通过平键连接,所述弹性爪的上端面与所述上接头的下端面之间安装有弹簧,所述弹性爪下端的分瓣式插入爪由所述支撑体支撑,从而可以与封隔器上接头连接;所述支撑体由所述剪切套和所述传动套带动上移后,所述弹性爪的分瓣式插入爪径向收回从而与封隔器上接头脱扣。
其中,所述推筒下部开设有观察孔。
其中,所述下接头上端设置有开槽的定位台肩,且其内部设置有大倒角的球座密封面。
其中,所述弹性爪与封隔器上接头连接处设计有外螺纹,该外螺纹为左旋外螺纹,该左旋外螺纹小径由上到下具有逐渐变小的锥度,锥度设计为1:16;该左旋外螺纹由上部的平顶式梯形牙型和下部的全三角牙型组合而成,且全三角牙型两侧具有不同倾角。
上述用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具的施工方法,按照如下步骤进行:
(1)将送入脱手工具下部的所述弹性爪与封隔器上接头通过左旋螺纹连接,所述上接头与坐封工具的芯轴螺纹连接,所述转换套与坐封工具的活塞螺纹连接,完成坐封工具、送入脱手工具、封隔器一趟管柱的组装连接后,在井口用钻杆连接坐封工具入井;
(2)下入到位后,首先管内投球打压坐封封隔器,当管内压力升高至第一设定值时,所述第一剪切销钉剪断,所述防转套上移至下端的方形插板完全退出封隔器上接头的外插槽,同时所述卡簧径向收回至卡簧槽内;
(3)封隔器坐封到位后,继续提高管内压力至第二设定值时,所述第二剪切销钉剪断,所述剪切套向上移动并依次带动所述传动套和所述支撑体上移,使得所述弹性爪下端的分瓣式插入爪失去支撑而径向收回,上提钻杆、坐封工具、送入脱手工具,可使送入脱手工具与封隔器上接头脱离。
当发生管内加压失效而无法实现液压脱手时,可在所述防转套上移到位后,直接正转使送入脱手工具的所述弹性爪与封隔器上接头螺纹脱扣。
一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具,采用管外打压脱手式,由坐封转换机构、正转送入机构和液压逐级脱手机构三个部分组成;所述坐封转换机构上端与坐封工具的活塞螺纹连接,其下端面直接接触需要送入的封隔器外推筒;所述正转送入机构和所述液压逐级脱手机构由上至下依次设置在所述坐封转换机构内部,所述正转送入机构上端螺纹连接坐封工具的芯轴,所述液压逐级脱手机构下端螺纹连接其它服务工具;
所述坐封转换机构包括转换套和推筒;所述转换套的上端螺纹连接于坐封工具的活塞,并使用所述第一固定销钉固定;所述转换套的下端螺纹连接于所述推筒,并使用所述第二固定销钉固定;所述推筒你下端直接接触于封隔器外推筒;
所述正转送入机构包括上接头、限位套、上环套、卡簧、防转套、防转销和第一剪切销钉;所述上接头上端螺纹连接于坐封工具的芯轴,并使用第三固定销钉固定,同时以第一密封圈进行密封;所述防转套设置在所述上接头的外侧,所述防转套的剪切销钉孔与所述上接头的剪切销钉槽对准并使用所述第一剪切销钉轴向固定;所述防转套与所述上环套螺纹连接且两者之间安装所述卡簧,所述上环套、所述卡簧、所述防转套由上至下依次套装于所述上接头外部;所述防转套下端加工有环形均布的四个方形插板,可插入封隔器上接头对应的四个外插槽中;所述上接头与所述防转套通过所述第一剪切销钉轴向固定的同时,所述上接头的传压孔正对于所述防转套的压差截面;所述上接头的传压孔上方设置有安装于所述防转套内回转面的第二密封圈、下方设置有安装于所述上接头外回转面的第三密封圈,所述第三密封圈的直径大于所述第二密封圈的直径,当管内压力高于外部压力并达到第一设定值时,压差由所述上接头的传压孔传入并通过所述防转套的压差截面推动所述上环套、所述卡簧、所述防转套一同向上移动,直至由于所述限位套的限位而停止继续上行,此时所述卡簧径向收回落入所述上接头设置的卡簧槽中,且所述防转套下端的方形插板完全退出封隔器上接头的外插槽;所述限位套与所述上接头螺纹连接,并使用第四固定销钉固定;所述防转套的防转销滑动槽与所述上接头的防转销孔对准并使用所述防转销轴向固定;
所述液压逐级脱手机构包括连接套、平键、弹簧、弹性爪、剪切套、传动套、支撑体、下接头、第二剪切销钉;所述连接套上端与所述上接头下端螺纹连接,并通过第四密封圈进行密封;所述连接套下端与所述下接头上端螺纹连接,并通过第八密封圈进行密封;所述剪切套、所述支撑体分别扣合于所述传动套,所述剪切套下部的内回转面均匀的设置有4组内沟槽;四个相同的所述传动套呈分瓣式均匀地布置在所述连接套外部,每个所述传动套均为上下两端均具有内轴肩的U形截面传动结构;所述支撑体为上端具有整圆周内轴肩的回转体;所述剪切套以其下部的内沟槽扣在所述传动套上端的内轴肩上,所述支撑体以其整圆周内轴肩套在所述传动套下端的内轴肩上,所述剪切套、所述传动套、所述支撑体由上至下连接并整体套装于所述连接套下部外周;其中,所述剪切套的内沟槽与所述传动套上端的内轴肩之间设置有轴向间距,并且该轴向间距不小于所述第二剪切销钉的直径;所述剪切套与所述连接套通过所述第二剪切销钉轴向固定,同时所述连接套的传压孔与所述剪切套的压差截面对齐,所述连接套的传压孔上方设置有安装于所述连接套外回转面的第六密封圈、下方设置有安装于所述剪切套内回转面的第七密封圈,所述第六密封圈的直径大于所述第七密封圈的直径,当管外加压时,压差向上推动所述剪切套而剪切所述第二剪切销钉,而后所述剪切套上移并依次带动所述传动套和所述支撑体上移,直至所述连接套对所述剪切套限位;所述弹性爪套装于所述剪切套外部,所述弹性爪上端延伸至所述连接套外部并与所述连接套通过平键连接,所述弹性爪的上端面与所述上接头的下端面之间安装有弹簧,所述弹性爪下端的分瓣式插入爪由所述支撑体支撑,从而可以与封隔器上接头连接;所述支撑体由所述剪切套和所述传动套带动上移后,所述弹性爪的分瓣式插入爪径向收回从而与封隔器上接头脱扣。
其中,所述推筒下部开设有观察孔。
其中,所述下接头上端设置有开槽的定位台肩,且其内部设置有大倒角的球座密封面。
其中,所述弹性爪与封隔器上接头连接处设计有外螺纹,该外螺纹为左旋外螺纹,该左旋外螺纹小径由上到下具有逐渐变小的锥度,锥度设计为1:16;该左旋外螺纹由上部的平顶式梯形牙型和下部的全三角牙型组合而成,且全三角牙型两侧具有不同倾角。
上述用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具的施工方法,按照如下步骤进行:
(1)将送入脱手工具下部的所述弹性爪与封隔器上接头通过左旋螺纹连接,所述上接头与坐封工具的芯轴螺纹连接,所述转换套与坐封工具的活塞螺纹连接,完成坐封工具、送入脱手工具、封隔器一趟管柱的组装连接后,在井口用钻杆连接坐封工具入井;
(2)下入到位后,首先管内投球打压坐封封隔器,当管内压力升高至第一设定值时,所述第一剪切销钉剪断,所述防转套上移至下端的方形插板完全退出封隔器上接头的外插槽,同时所述卡簧径向收回至卡簧槽内;
(3)封隔器坐封到位后,管外加压至至第三设定值时,所述第二剪切销钉剪断,所述剪切套向上移动并依次带动所述传动套和所述支撑体上移,使得所述弹性爪下端的分瓣式插入爪失去支撑而径向收回,上提钻杆、坐封工具、送入脱手工具,可使送入脱手工具与封隔器上接头脱离。
当发生管内加压失效而无法实现液压脱手时,可在所述防转套上移到位后,直接正转使送入脱手工具的所述弹性爪与封隔器上接头螺纹脱扣。
当发生封隔器未完全坐封,可回插送入脱手工具使所述弹性爪重新进入封隔器上接头内,然后管内加压至第四设定值继续坐封封隔器,同时由于管内压力高于管外压力,所述剪切套的压差截面依次推动所述剪切套、所述传动套和所述支撑体向下移动并支撑所述弹性爪,以满足继续坐封封隔器的需求,坐封完成之后,再通过环空加压的方式进行液压脱手,亦可通过正转管柱的方式进行机械正转脱手。
本发明的有益效果是:
本发明在防砂管柱下井过程中可实现可正转下入,降低管柱遇阻可能性,脱手方式有液压式和机械式两种,液压脱手压力低,剪切值稳定可靠,机械脱手过程管柱扭矩值较低,作业安全系数高。
具体地,本发明可通过更换管内打压式和管外打压式逐级脱手机构,实现送入脱手工具选择性液压脱手,同时满足正转脱手的需求。液压脱手工具上端连接坐封工具至钻杆,下端连接其它防砂服务工具,当送入防砂管柱到位并完成坐封后,如采用管内打压式逐级脱手机构,可通过管内加压使剪切套逐级剪切,同时带动支撑体上移使弹性爪内部无支撑,最终上提服务管柱实现送入脱手工具与防砂管柱释放脱离,如采用管外打压式逐级脱手机构,可通过管外加压使剪切套逐级剪切,同时带动支撑体上移使弹性爪内部无支撑,最终上提服务管柱实现送入脱手工具与防砂管柱释放脱离。
附图说明
图1是实施例1所提供的用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具的结构示意图;
图2是图1的A-A剖面图;
图3是图1的B-B剖面图;
图4是图1的C-C剖面图;
图5是上接头的结构示意图;
图6是防转套的结构示意图;
图7是下接头的结构示意图;
图8是剪切套的结构示意图;
图9是支撑体的结构示意图;
图10是传动套的结构示意图;
图11是弹性爪的结构示意图;
图12是封隔器上接头的结构示意图;
图13是实施例2所提供的用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具的结构示意图;
1:第一固定销钉;2:第二固定销钉;3:转换套;4:第三固定销钉;5:第一密封圈;6:推筒;7:限位套;8:第四固定销钉;9:上接头;10:上环套;11:卡簧;12:第二密封圈;13:第三密封圈;14:防转套;15:第四密封圈;16:第一剪切销钉;17:防转销;18:弹簧;19:平键;20-1、20-2:连接套;21:第五密封圈;22:第六密封圈;23:第七密封圈;24-1、24-2:剪切套;25:第二剪切销钉;26:弹性爪;27:芯轴;28:第八密封圈;29:下接头;30:支撑体;31:传动套;32:封隔器上接头。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果,兹例举以下实施例,并配合附图详细说明如下:
实施例1
如图1至图4所示,本实施例提供了一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具,采用管内打压脱手式,主要由坐封转换机构、正转送入机构和液压逐级脱手机构三个部分组成。坐封转换机构上端与坐封工具活塞采用螺纹连接,其下端面直接接触需要送入的封隔器外推筒。正转送入机构和液压逐级脱手机构由上至下依次设置在坐封转换机构内部,正转送入机构上端螺纹连接坐封工具的芯轴至钻杆,液压逐级脱手机构下端螺纹连接其它服务工具。
坐封转换机构包括转换套3、推筒6、第一固定销钉1、第二固定销钉2。
转换套3的上端通过内螺纹连接于坐封工具活塞的外螺纹,并使用第一固定销钉1对两者进行固定。转换套3以其下端的外螺纹与推筒6上端的内螺纹连接,并使用第二固定销钉2将转换套3和推筒6固定。推筒6下端直接接触于封隔器外推筒,能够对封隔器外推筒施加向下推动的作用力。
坐封转换机构采用了可实现两级调节间距的组合式结构,第一级是转换套3的内螺纹与坐封工具活塞的外螺纹连接可调节推筒6与封隔器之间的轴向间距,第二级是转换套3的外螺纹与推筒6的内螺纹连接可再次调节推筒6与封隔器之间的轴向间距,相比把转换套3与推筒6直接做成一体,更有利于组装过程中的间隙调节和分部总成模块式组装。
推筒6下部还开设有观察孔,用于观察脱手工具与封隔器组装时,弹性爪26的外螺纹是否完全反转上扣进入封隔器上接头32的内螺纹,观察到位后,可以敲击防转套14使其方形插板进入封隔器上接头32的外插槽,如图12所示,最后拧上防转套14上的第一剪切销钉16等。
正转送入机构主要包括上接头9、限位套7、上环套10、卡簧11、防转套14、防转销17和第一剪切销钉16。
上接头9上端通过内螺纹连接于坐封工具的芯轴,并使用第三固定销钉4进行固定。同时,上接头9设置有密封圈槽用于安装第一密封圈5,第一密封圈5对上接头9和坐封工具的芯轴之间的缝隙进行密封。上接头9通过下端的内螺纹与连接套20-1上端的外螺纹连接,并通过安装在上接头4和连接套20-1之间的第四密封圈15进行两者间的密封。
如图5和图6所示,上接头9的外侧设置有防转套14,防转套14设置有剪切销钉孔,上接头9设置有剪切销钉槽,两者的剪切销钉孔与剪切销钉槽对准并使用第一剪切销钉16轴向固定。防转套14以其上端的外螺纹与上环套10的内螺纹连接,且防转套14和上环套10之间安装有卡簧11,上环套10、卡簧11、防转套14由上至下依次套装于上接头9外部。防转套14下端加工有环形均布的四个方形插板,可插入封隔器上接头32对应的四个外插槽中。
上接头9设置有传压孔,防转套14设置有压差截面,上接头9与防转套14通过第一剪切销钉16轴向固定的同时,上接头9的传压孔正对于防转套14的压差截面。上接头9的传压孔上方设置有安装于防转套14内回转面的第二密封圈12、下方设置有安装于上接头9外回转面的第三密封圈13,上端直径较小的第二密封圈12和下端直径较大的第三密封圈13组合从而建立向上的压差,当管内压力高于外部压力时,压差由第二密封圈12和第三密封圈1之间的传压孔传入并通过压差截面先剪断第一剪切销钉16,然后推动上环套10、卡簧11、防转套14向上移动,直至与防转套14连接的上环套10由于限位套7的限位而使防转套14停止继续上行,此时防转套14下端的方形插板也完全退出封隔器上接头32的外插槽。上接头9的外回转面在上环套10的上方设置有卡簧槽,用于在上环套10、卡簧11、防转套14相对于上接头9上行至由于限位套7限位的同时,使卡簧11径向收回而落入其中,以此防止防转套14出现意外重新进入封隔器上接头32的外插槽。限位套7通过其内螺纹与上接头9螺纹连接,同时通过第四固定销钉8与上接头9固定。
防转套14设置有防转销滑动槽,上接头9设置有防转销孔,两者的防转销滑动槽和防转销孔对准并使用防转销17轴向固定,由此防止防转套14相对于上接头9转动,进一步防止防转套14和与连接套20-1通过平键19连接的弹性爪26之间发生相对转动。
送入脱手工具在下入过程中存在管内正循环和管外反循环的作业环节:当管外反循环使外压大于内压时,防转套14有向下移动的趋势,由于其压差截面的存在,可防止防转套14轴向向下移动;即当管内正循环是内压大于外压时,防转套14有向上移动的趋势,首先使防转套14上的第一剪切销钉16剪断,防转套14继续上移至限位套7限位,同时卡簧11径向收回,最终是防转套14下端的方形插板与封隔器上接头21的外插槽轴向脱离,可实现送入脱手工具弹性爪26的外螺纹与封隔器上接头21的内螺纹发生相对正转脱手,并且这样才能保证其下入时防转套14轴向不发生意外窜动。
液压逐级脱手机构包括连接套20-1、平键19、弹簧18、弹性爪26、剪切套24-1、芯轴27、传动套31、支撑体30、下接头29、第二剪切销钉25。
连接套20下端通过内螺纹与芯轴27上端的外螺纹连接,并通过安装在连接套20和芯轴27之间的第五密封圈21进行密封。芯轴27下端通过外螺纹与下接头29上端的内螺纹连接,并通过安装在芯轴27外回转面的第八密封圈28进行密封。如图7所示,下接头29上端设计有开槽的定位台肩,且其内部设计有大倒角的球座密封面。定位台肩可用于组装连接弹性爪26的外螺纹与封隔器上接头32的内螺纹时轴向定位,其开槽结构能够在定位台肩与封隔器上接头32轴向定位后,不会出现金属接触挤压密封,防止液锁发生而影响送入后的脱手。球座密封面用于在作业时井口投放密封球,以建立管内密封的高压腔,其大倒角可便于在作业时多次投入下部密封球穿越该球座,以及上部密封球的引导和承托稳压。
剪切套24-1、支撑体30分别扣合在传动套31上,并使用第二剪切销钉25轴向固定剪切套24-1和芯轴27。具体地,如图8至图10所示,剪切套24-1下部的内回转面均匀的设置有4组内沟槽;四个相同的传动套31呈分瓣式均匀地布置在芯轴27外部,每个传动套31均为上下两端均具有内轴肩的U形截面传动结构;支撑体30为上端具有整圆周内轴肩的回转体。装配时剪切套24-1以其下部的内沟槽首先扣在传动套31上端的内轴肩上,同时支撑体30以其整圆周轴内肩套在传动套31下端的内轴肩上,然后将三个部件总成从上至下直接套在芯轴27外部,最后上紧第二剪切销钉25进行固定。需要注意的是,装配之后剪切套24-1的内沟槽与传动套31上端的内轴肩之间需要留有轴向间距,并且该轴向间距应不小于第二剪切销钉25的直径,由此保证第二剪切销钉25被剪切后逐级带动支撑体30上移,避免第二剪切销钉25未完全剪切时受弹性爪26挤压支撑体30的摩阻影响而导致剪切压力不稳定,进而保证了第二剪切销钉25完全剪切后支撑体30满足低压逐级启动以实现弹性爪26径向顺利收回的功能可靠性。
剪切套24-1、支撑体30和传动套31整体套装于芯轴27外部,并且第二剪切销钉25将剪切套24-1和芯轴27轴向固定后,芯轴27的传压孔与剪切套24-1的压差截面对齐。芯轴27的传压孔上方设置有安装于剪切套24-1内回转面的第六密封圈22、下方设置有安装于芯轴27外回转面的第七密封圈23,上端直径较小的第六密封圈22和下端直径较大的第七密封圈23组合从而建立向上的压差,压差由第六密封圈22和第七密封圈23之间的传压孔传入并通过压差截面先剪断第二剪切销钉25,再推动剪切套24-1向上移动,直至运动到连接套20底端端面对剪切套24-1限位。
弹性爪26套装于剪切套24-1外部,弹性爪26上端延伸至连接套20外部,且其上端的内回转面设置有平键槽,该平键槽与连接套12中部外回转面的平键槽对齐。平键19装入连接套20与弹性爪26所形成的平键槽内,从而建立弹性爪26与连接套20之间的扭矩传递通道,进而产生两个作用,作用之一是当防转套14未轴向移动并脱离封隔器上接头32时,由于防转套14与上接头9有防转销17传递扭矩,上接头9与连接套20又是正转螺纹连接,连接套20再与弹性爪26通过平键19连接,故可以防止防止下入过程中正转管柱至封隔器上接头32时,弹性爪26的外螺纹就不会与封隔器上接头32的内螺纹发生脱扣;作用之二是当防转套14轴向移动并脱离封隔器上接头32时,传扭方式一致,但当此时正转管柱至封隔器上接头32时,弹性爪26的外螺纹就会与封隔器上接头的内螺纹发生正转脱扣。
弹性爪26底部的分瓣式插入爪套装在支撑体30外部,弹性爪26的分瓣式插入爪由支撑体30支撑时,弹性爪26与封隔器上接头32连接;支撑体30由剪切套24-1和传动套31带动上移后,弹性爪26的分瓣式插入爪径向收回,弹性爪26与封隔器上接头32脱扣。弹性爪26与封隔器上接头32连接处设计有外螺纹,该外螺纹为特殊的左旋外螺纹,首先该左旋外螺纹小径由上到下具有逐渐变小的锥度,锥度设计为1:16;其次该左旋外螺纹由上部的平顶式梯形牙型和下部的全三角牙型组合而成,平顶式梯形牙型与全三角牙型所占长度的比例范围为1/4~1/3,该组合和比例的重点在于前端全三角牙型易于上扣和回插引入,后端平顶式梯形牙型用于承受较高的轴向载荷;且全三角牙型两侧具有不同倾角,一般下端倾角为60°左右,上端倾角为45°左右,其作用在于下端倾角较大易于上扣和回插引入,上端倾角较小既能满足液压脱手时便于拔出,又能满足矩形螺纹较高的承载需要和可正转螺纹脱手释放的要求。弹性爪26的特殊左旋外螺纹有利于该螺纹与封隔器上接头32内螺纹的往复插入和拔出,与整个管柱其它正旋连接螺纹相比,可实现正转管柱时该螺纹顺利脱扣,以实现机械式的正转脱手。
弹性爪26上端面与上接头9下端面之间安装有弹簧18,弹簧18满足工具入井后,当送入脱手工具与封隔器上接头32需要正转脱手时,由于管柱重量很大,正转时封隔器上接头32已经座挂在井壁上,可以视为不动,当正转管柱则势必发生弹性爪26上移,如果是刚性连接而没有弹簧18,则导致脱扣时整个服务管柱的重量慢慢施加在弹性爪26上,不利于脱手,但有了弹簧18这种软性连接,则正转脱扣时整个服务管柱仍可视为不动,只是脱手弹性爪26上移的力量克服弹簧18本身的力量即可,与此同时,送入脱手工具需要往复与封隔器上接头32回插和拔出,带弹簧18的软性连接优于刚性连接,可保证其工作可靠性和使用寿命。
本实施例的工作流程如下:
1.首先在车间将送入脱手工具下部的弹性爪26与封隔器上接头32通过左旋螺纹连接,送入脱手工具上部的上接头9与坐封工具的芯轴螺纹连接,送入脱手工具外部的转换套3与坐封工具的活塞螺纹连接,完成坐封工具+送入脱手工具+封隔器一趟管柱的组装连接,然后在井口用钻杆连接坐封工具入井;
2.下入过程中如遇套管变形等问题,可以根据作业需要在井口正转整个管柱调节封隔器最大外径的高边,使其通过风险井段,由于防转套14未发生轴向运动,故正转时,不会让送入脱手工具的弹性爪26与封隔器上接头32意外发生脱扣,保证正转扭矩有效传递至封隔器;
3.下入到位后,首先管内投球打压坐封封隔器,当管内压力升高至800psi时,防转套14由于其压差截面而使第一剪切销钉16剪断,防转套14继续上移至限位套7限位,同时使防转套14下端的方形插板完全退出封隔器上接头32的外插槽,同时卡簧11径向缩回至卡簧槽内,可防止防转套14出现意外重新进入封隔器上接头32的外插槽;
4.封隔器坐封到位后,继续提高管内压力至3500Psi时,由于剪切套24-1的压差截面,首先推动剪切套24-1剪切第二剪切销钉25,然后剪切套24-1向上移动至紧贴传动套31,传动套31再带动支撑体30向上移动,使得弹性爪26下端没有支撑而径向收回,即通过这种逐级先剪切第二剪切销钉25再带动支撑体30上移的方式,确保了弹性爪26径向收回的可靠性,最后直接上提钻杆+坐封工具+送入脱手工具+下部服务工具,可使送入脱手工具与封隔器上接头32顺利脱离,满足液压脱手的可靠性;
5.如发生管内加压失效而无法实现液压脱手时,可在防转套14运动后,直接正转服务工具使送入脱手工具的弹性爪26外螺纹与封隔器上接头32正转脱扣,而顺利脱手。
实施例2
如图9所示,本实施例提供了一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具,采用管外打压脱手式,其与实施例1的区别仅在于,将实施例1中的连接套20-1和芯轴27设计为一个整体结构,称为连接套20-2;同时由于是管外打压脱手的方式,故调整了剪切套的压差截面方向,即改变了剪切套24-2的结构,其余结构一致。
具体地,剪切套24-2、支撑体30和传动套31整体套装于连接套20-2的下部外侧,并且第二剪切销钉25将剪切套24-2和连接套20-2轴向固定后,连接套20-2的第二传压孔与剪切套24-2的压差截面对齐。连接套20-2的传压孔上方设置有安装于连接套20-2外回转面的第六密封圈22、下方设置有安装于剪切套24-2内回转面的第七密封圈23,上端直径较大的第六密封圈22和下端直径较小的第七密封圈23组合从而建立向上的压差,当管外加压时,压差向上推动剪切套24-2,首先剪切第二剪切销钉25,然后推动剪切套24-2上移并依次带动传动套31和支撑体30上移,使弹性爪26径向收回。
本实施例的工作流程如下:
1.首先在车间将送入脱手工具下部的弹性爪26与封隔器上接头32通过左旋螺纹连接,送入脱手工具上部的上接头9与坐封工具的芯轴螺纹连接,送入脱手工具外部的转换套3与坐封工具的活塞螺纹连接,完成坐封工具+送入脱手工具+封隔器一趟管柱的组装连接,然后在井口用钻杆连接坐封工具入井;
2.下入过程中如遇套管变形等问题,可以根据作业需要在井口正转整个管柱调节封隔器最大外径的高边,使其通过风险井段,由于防转套14未发生轴向运动,故正转时,不会让送入脱手工具的弹性爪26与封隔器上接头32意外发生脱扣,保证正转扭矩有效传递至封隔器;
3.下入到位后,首先管内投球打压坐封封隔器,当管内压力升高至800psi时,防转套14由于其压差截面而使第一剪切销钉16剪断,防转套14继续上移至限位套7限位,同时使防转套14下端的方形插板完全退出封隔器上接头32的外插槽,同时卡簧11径向缩回至卡簧槽内,可防止防转套14出现意外重新进入封隔器上接头32的外插槽;
4.封隔器坐封到位后,采用管外加压至2000Psi的方式,由于剪切套24-1的压差截面,首先推动剪切套24-2剪切第二剪切销钉25,然后剪切套24-1向上移动至紧贴传动套31,传动套31再带动支撑体30向上移动,使得弹性爪26下端没有支撑而径向收回,即通过这种逐级先剪切第二剪切销钉25再带动支撑体30上移的方式,确保了弹性爪26径向收回的可靠性,最后直接上提钻杆+坐封工具+送入脱手工具+下部服务工具,可使送入脱手工具与封隔器上接头32顺利脱离,满足液压脱手的可靠性;
5.如发生管内加压失效而无法实现液压脱手时,可在防转套14运动后,直接正转服务工具使送入脱手工具的弹性爪26外螺纹与封隔器上接头32正转脱扣,而顺利脱手。
6.如发生封隔器未完全坐封,可回插送入脱手工具使弹性爪26重新进入封隔器上接头32内,然后管内加压至2500Psi继续坐封封隔器,同时由于管内压力高于管外压力,剪切套24-2的压差截面会依次推动剪切套24-2、传动套31和支撑体30向下移动并支撑住弹性爪26,以此满足继续坐封封隔器的需求,在坐封完成之后,再可通过环空加压的方式进行液压脱手,亦可通过正转管柱的方式进行机械正转脱手。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,并不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可以作出很多形式的具体变换,这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具,其特征在于,采用管内打压脱手式,由坐封转换机构、正转送入机构和液压逐级脱手机构三个部分组成;所述坐封转换机构上端与坐封工具的活塞螺纹连接,其下端面直接接触需要送入的封隔器外推筒;所述正转送入机构和所述液压逐级脱手机构由上至下依次设置在所述坐封转换机构内部,所述正转送入机构上端螺纹连接坐封工具的芯轴,所述液压逐级脱手机构下端螺纹连接其它服务工具;
所述坐封转换机构包括转换套和推筒;所述转换套的上端螺纹连接于坐封工具的活塞,并使用第一固定销钉固定;所述转换套的下端螺纹连接于所述推筒,并使用第二固定销钉固定;所述推筒的下端直接接触于封隔器外推筒;
所述正转送入机构包括上接头、限位套、上环套、卡簧、防转套、防转销和第一剪切销钉;所述上接头上端螺纹连接于坐封工具的芯轴,并使用第三固定销钉固定,同时以第一密封圈进行密封;所述防转套设置在所述上接头的外侧,所述防转套的剪切销钉孔与所述上接头的剪切销钉槽对准并使用所述第一剪切销钉轴向固定;所述防转套与所述上环套螺纹连接且两者之间安装所述卡簧,所述上环套、所述卡簧、所述防转套由上至下依次套装于所述上接头外部;所述防转套下端加工有环形均布的四个方形插板,可插入封隔器上接头对应的四个外插槽中;所述上接头与所述防转套通过所述第一剪切销钉轴向固定的同时,所述上接头的传压孔正对于所述防转套的压差截面;所述上接头的传压孔上方设置有安装于所述防转套内回转面的第二密封圈、下方设置有安装于所述上接头外回转面的第三密封圈,所述第三密封圈的直径大于所述第二密封圈的直径,当管内压力高于外部压力并达到第一设定值时,压差由所述上接头的传压孔传入并通过所述防转套的压差截面推动所述上环套、所述卡簧、所述防转套一同向上移动,直至由于所述限位套的限位而停止继续上行,此时所述卡簧径向收回落入所述上接头设置的卡簧槽中,且所述防转套下端的方形插板完全退出封隔器上接头的外插槽;所述限位套与所述上接头螺纹连接,并使用第四固定销钉固定;所述防转套的防转销滑动槽与所述上接头的防转销孔对准并使用所述防转销轴向固定;
所述液压逐级脱手机构包括连接套、平键、弹簧、弹性爪、剪切套、芯轴、传动套、支撑体、下接头、第二剪切销钉;所述连接套上端与所述上接头下端螺纹连接,并通过第四密封圈进行密封;所述连接套下端与所述液压逐级脱手机构的芯轴上端螺纹连接,并通过第五密封圈进行密封;所述液压逐级脱手机构的芯轴下端与所述下接头上端螺纹连接,并通过第八密封圈进行密封;所述剪切套、所述支撑体分别扣合于所述传动套,所述剪切套下部的内回转面均匀的设置有4组内沟槽;四个相同的所述传动套呈分瓣式均匀地布置在所述液压逐级脱手机构的芯轴外部,每个所述传动套均为上下两端均具有外轴肩的U形截面传动结构;所述支撑体为上端具有整圆周内轴肩的回转体;所述剪切套以其下部的内沟槽扣在所述传动套上端的外轴肩上,所述支撑体以其整圆周内轴肩套在所述传动套下端的外轴肩上,所述剪切套、所述传动套、所述支撑体由上至下连接并整体套装于所述液压逐级脱手机构的芯轴外部;其中,所述剪切套的内沟槽与所述传动套上端的外轴肩之间设置有轴向间距,并且该轴向间距不小于所述第二剪切销钉的直径;所述剪切套与所述液压逐级脱手机构的芯轴通过所述第二剪切销钉轴向固定,同时所述液压逐级脱手机构的芯轴的传压孔与所述剪切套的压差截面对齐,所述液压逐级脱手机构的芯轴的传压孔上方设置有安装于所述剪切套内回转面的第六密封圈、下方设置有安装于所述液压逐级脱手机构的芯轴外回转面的第七密封圈,所述第七密封圈的直径大于所述第六密封圈的直径,当管内压力高于外部压力并达到第二设定值时,压差由所述液压逐级脱手机构的芯轴的传压孔传入并通过剪切套的压差截面剪断第二剪切销钉,再推动剪切套向上移动,直至所述连接套底端端面对所述剪切套限位;所述弹性爪套装于所述剪切套外部,所述弹性爪上端延伸至所述连接套外部并与所述连接套通过平键连接,所述弹性爪的上端面与所述上接头的下端面之间安装有弹簧,所述弹性爪下端的分瓣式插入爪由所述支撑体支撑,从而可以与封隔器上接头连接;所述支撑体由所述剪切套和所述传动套带动上移后,所述弹性爪的分瓣式插入爪径向收回从而与封隔器上接头脱扣。
2.根据权利要求1所述的一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具,其特征在于,所述弹性爪与封隔器上接头连接处设计有外螺纹,该外螺纹为左旋外螺纹,该左旋外螺纹小径由上到下具有逐渐变小的锥度,锥度设计为1:16;该左旋外螺纹由上部的平顶式梯形牙型和下部的全三角牙型组合而成,且全三角牙型两侧具有不同倾角。
3.一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具,其特征在于,采用管外打压脱手式,由坐封转换机构、正转送入机构和液压逐级脱手机构三个部分组成;所述坐封转换机构上端与坐封工具的活塞螺纹连接,其下端面直接接触需要送入的封隔器外推筒;所述正转送入机构和所述液压逐级脱手机构由上至下依次设置在所述坐封转换机构内部,所述正转送入机构上端螺纹连接坐封工具的芯轴,所述液压逐级脱手机构下端螺纹连接其它服务工具;
所述坐封转换机构包括转换套和推筒;所述转换套的上端螺纹连接于坐封工具的活塞,并使用第一固定销钉固定;所述转换套的下端螺纹连接于所述推筒,并使用第二固定销钉固定;所述推筒的下端直接接触于封隔器外推筒;
所述正转送入机构包括上接头、限位套、上环套、卡簧、防转套、防转销和第一剪切销钉;所述上接头上端螺纹连接于坐封工具的芯轴,并使用第三固定销钉固定,同时以第一密封圈进行密封;所述防转套设置在所述上接头的外侧,所述防转套的剪切销钉孔与所述上接头的剪切销钉槽对准并使用所述第一剪切销钉轴向固定;所述防转套与所述上环套螺纹连接且两者之间安装所述卡簧,所述上环套、所述卡簧、所述防转套由上至下依次套装于所述上接头外部;所述防转套下端加工有环形均布的四个方形插板,可插入封隔器上接头对应的四个外插槽中;所述上接头与所述防转套通过所述第一剪切销钉轴向固定的同时,所述上接头的传压孔正对于所述防转套的压差截面;所述上接头的传压孔上方设置有安装于所述防转套内回转面的第二密封圈、下方设置有安装于所述上接头外回转面的第三密封圈,所述第三密封圈的直径大于所述第二密封圈的直径,当管内压力高于外部压力并达到第一设定值时,压差由所述上接头的传压孔传入并通过所述防转套的压差截面推动所述上环套、所述卡簧、所述防转套一同向上移动,直至由于所述限位套的限位而停止继续上行,此时所述卡簧径向收回落入所述上接头设置的卡簧槽中,且所述防转套下端的方形插板完全退出封隔器上接头的外插槽;所述限位套与所述上接头螺纹连接,并使用第四固定销钉固定;所述防转套的防转销滑动槽与所述上接头的防转销孔对准并使用所述防转销轴向固定;
所述液压逐级脱手机构包括连接套、平键、弹簧、弹性爪、剪切套、传动套、支撑体、下接头、第二剪切销钉;所述连接套上端与所述上接头下端螺纹连接,并通过第四密封圈进行密封;所述连接套下端与所述下接头上端螺纹连接,并通过第八密封圈进行密封;所述剪切套、所述支撑体分别扣合于所述传动套,所述剪切套下部的内回转面均匀的设置有4组内沟槽;四个相同的所述传动套呈分瓣式均匀地布置在所述连接套外部,每个所述传动套均为上下两端均具有外轴肩的U形截面传动结构;所述支撑体为上端具有整圆周内轴肩的回转体;所述剪切套以其下部的内沟槽扣在所述传动套上端的外轴肩上,所述支撑体以其整圆周内轴肩套在所述传动套下端的外轴肩上,所述剪切套、所述传动套、所述支撑体由上至下连接并整体套装于所述连接套下部外周;其中,所述剪切套的内沟槽与所述传动套上端的外轴肩之间设置有轴向间距,并且该轴向间距不小于所述第二剪切销钉的直径;所述剪切套与所述连接套通过所述第二剪切销钉轴向固定,同时所述连接套的传压孔与所述剪切套的压差截面对齐,所述连接套的传压孔上方设置有安装于所述连接套外回转面的第六密封圈、下方设置有安装于所述剪切套内回转面的第七密封圈,所述第六密封圈的直径大于所述第七密封圈的直径,当管外加压时,压差向上推动所述剪切套而剪切所述第二剪切销钉,而后所述剪切套上移并依次带动所述传动套和所述支撑体上移,直至所述连接套对所述剪切套限位;所述弹性爪套装于所述剪切套外部,所述弹性爪上端延伸至所述连接套外部并与所述连接套通过平键连接,所述弹性爪的上端面与所述上接头的下端面之间安装有弹簧,所述弹性爪下端的分瓣式插入爪由所述支撑体支撑,从而可以与封隔器上接头连接;所述支撑体由所述剪切套和所述传动套带动上移后,所述弹性爪的分瓣式插入爪径向收回从而与封隔器上接头脱扣。
4.根据权利要求3所述的一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具,其特征在于,所述弹性爪与封隔器上接头连接处设计有外螺纹,该外螺纹为左旋外螺纹,该左旋外螺纹小径由上到下具有逐渐变小的锥度,锥度设计为1:16;该左旋外螺纹由上部的平顶式梯形牙型和下部的全三角牙型组合而成,且全三角牙型两侧具有不同倾角。
5.一种如权利要求1-2中任一项所述的一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具的施工方法,其特征在于,按照如下步骤进行:
(1)将送入脱手工具下部的所述弹性爪与封隔器上接头通过左旋螺纹连接,所述上接头与坐封工具的芯轴螺纹连接,所述转换套与坐封工具的活塞螺纹连接,完成坐封工具、送入脱手工具、封隔器一趟管柱的组装连接后,在井口用钻杆连接坐封工具入井;
(2)下入到位后,首先管内投球打压坐封封隔器,当管内压力升高至第一设定值时,所述第一剪切销钉剪断,所述防转套上移至下端的方形插板完全退出封隔器上接头的外插槽,同时所述卡簧径向收回至卡簧槽内;
(3)封隔器坐封到位后,继续提高管内压力至第二设定值时,所述第二剪切销钉剪断,所述剪切套向上移动并依次带动所述传动套和所述支撑体上移,使得所述弹性爪下端的分瓣式插入爪失去支撑而径向收回,上提钻杆、坐封工具、送入脱手工具,可使送入脱手工具与封隔器上接头脱离。
6.根据权利要求5所述的一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具的施工方法,其特征在于,当发生管内加压失效而无法实现液压脱手时,在所述防转套上移到位后,直接正转使送入脱手工具的所述弹性爪与封隔器上接头螺纹脱扣。
7.一种如权利要求3-4中任一项所述的一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具的施工方法,其特征在于,按照如下步骤进行:
(1)将送入脱手工具下部的所述弹性爪与封隔器上接头通过左旋螺纹连接,所述上接头与坐封工具的芯轴螺纹连接,所述转换套与坐封工具的活塞螺纹连接,完成坐封工具、送入脱手工具、封隔器一趟管柱的组装连接后,在井口用钻杆连接坐封工具入井;
(2)下入到位后,首先管内投球打压坐封封隔器,当管内压力升高至第一设定值时,所述第一剪切销钉剪断,所述防转套上移至下端的方形插板完全退出封隔器上接头的外插槽,同时所述卡簧径向收回至卡簧槽内;
(3)封隔器坐封到位后,管外加压至第三设定值时,所述第二剪切销钉剪断,所述剪切套向上移动并依次带动所述传动套和所述支撑体上移,使得所述弹性爪下端的分瓣式插入爪失去支撑而径向收回,上提钻杆、坐封工具、送入脱手工具,可使送入脱手工具与封隔器上接头脱离。
8.根据权利要求7所述的一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具的施工方法,其特征在于,当发生管外加压失效而无法实现液压脱手时,在所述防转套上移到位后,直接正转使送入脱手工具的所述弹性爪与封隔器上接头螺纹脱扣。
9.根据权利要求7所述的一种用于水平井砾石充填防砂管柱送入脱手工具的施工方法,其特征在于,当发生封隔器未完全坐封,通过回插送入脱手工具使所述弹性爪重新进入封隔器上接头内,然后管内加压至第四设定值继续坐封封隔器,同时由于管内压力高于管外压力,所述剪切套的压差截面依次推动所述剪切套、所述传动套和所述支撑体向下移动并支撑所述弹性爪,以满足继续坐封封隔器的需求,坐封完成之后,再通过环空加压的方式进行液压脱手,或者,通过正转管柱的方式进行机械正转脱手。
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