CN108104771B - 一种大变径套管清洁工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大变径套管清洁工具，包括上心轴、中心轴、下心轴、连接接头、下接头，上心轴设置上限位环、套筒和下限位环；上限位环和上心轴间设置第一复位弹簧，套筒和上心轴间设置上锥体、中上部锥体、第二复位弹簧，套筒和中心轴间设置第三复位弹簧、中下部锥体、下锥体，下限位环和中心轴间设置第四复位弹簧；套筒与中上部锥体和下锥体间设置补偿锥体，补偿锥体与中上部锥体和下锥体间设置弹簧、支撑环和第二锁紧螺母；套筒设置上刮刀片，上刮刀片和上心轴间设置支撑弹簧；套筒下端设置下刮刀片，下刮刀片和中心轴之间均设置支撑弹簧。本发明不仅缩短刮管作业时间，同时又降低了刮管作业风险。

Description

一种大变径套管清洁工具

技术领域

本发明属于石油、天然气完井技术领域，更具体的说，是涉及一种大变径套管清洁工具。

背景技术

刮管洗井是完井阶段的关键作业步骤，是确保完井后续作业步骤正常进行的基础。针对9-5/8″套管下面挂7″套管这样的井身结构，目前常用两种刮管作业方式：一种是将9-5/8″套管刮管器和7″套管刮管器安装在一趟管柱上，上面9-5/8″套管刮下的落物会落入下部井筒，下面的7″套管刮管器存在被卡的风险。另外一种做法是采用两趟管柱，第一趟管柱刮上面的9-5/8″套管，起出第一趟管柱后，下入第二趟管柱刮下面的7″尾管，这种做法刮管器被卡的风险小，但刮管作业时间增加。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种用于9-5/8"套管与7"套管的大变径套管清洁工具，采用一趟刮管管柱，先清洁上面的9-5/8″套管，然后变径为7″套管刮管器再清洁下面的7″套管，这样不仅缩短刮管作业时间，同时又降低了刮管作业风险。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种大变径套管清洁工具，包括由上至下依次连接的上心轴、中心轴和下心轴，所述下心轴外部设置有连接接头，所述连接接头下端连接有下接头，所述上心轴外部设置有由上至下依次连接的上限位环、套筒和下限位环，所述上限位环上端与上心轴连接，所述下限位环下端与下心轴连接；

所述上限位环和上心轴之间设置有第一复位弹簧，所述套筒和上心轴之间由上至下依次设置有上锥体、中上部锥体、第二复位弹簧，所述套筒和中心轴之间由上至下依次设置有第三复位弹簧、中下部锥体、下锥体，所述下限位环和中心轴之间设置有第四复位弹簧，所述第一复位弹簧位于上锥体上端面，所述第四复位弹簧位于下锥体下端面；所述套筒与中上部锥体和下锥体之间均设置有补偿锥体，所述补偿锥体与中上部锥体和下锥体之间均设置有弹簧、支撑环和第二锁紧螺母；

所述套筒上端沿圆周设置有上部刀片槽，每个上部刀片槽内均设置有上刮刀片，每个上刮刀片与上锥体和中上部锥体采用“T”型导程键和“T”型导程槽进行动态约束连接，每个上刮刀片和上心轴之间均设置有位于上锥体和中上部锥体之间的支撑弹簧；

所述套筒下端沿圆周设置有下部刀片槽，每个下部刀片槽内均设置有下刮刀片，每个下刮刀片与中下部锥体和下锥体采用“T”型导程键和“T”型导程槽进行动态约束连接，每个下刮刀片和中心轴之间均设置有位于中下部锥体和下锥体之间的支撑弹簧。

所述上锥体下端面、中上部锥体上端面、中下部锥体下端面和下锥体上端面均设置有“T”型导程槽，每个所述上刮刀片和下刮刀片的上下两端面均设置为锥面，且每个锥面上均设置有“T”型导程键，通过“T”型导程键和“T”型导程槽实现动态约束连接；每个所述上刮刀片和下刮刀片均采用连续流道设计，所述上刮刀片和下刮刀片均设置为四个，且上刮刀片和下刮刀片沿圆周交错45°设置，采用全圆的分布设计，实现了套管内壁360°覆盖。

所述上部刀片槽和下部刀片槽的上下两端均设置有锁环，所述上部刀片槽和下部刀片槽的下端均设置有导向槽，每个补偿锥体下端外部均设置有限位销钉，所述限位销钉和导向槽配合实现定位。

所述上限位环上端和上心轴之间设置有第一剪切环，所述上限位环上端沿圆周设置有径向观察孔，所述下限位环和下心轴之间设置有第二剪切环，第一剪切环和第二剪切环采用180°半圆设计，当达到设定剪切力时剪切，刮削机构解锁；所述下限位环和套筒之间通过第一锁紧螺母连接。

所述下心轴外部设置有第三锁紧螺母，所述第三锁紧螺母设置于连接接头下端，所述第三锁紧螺母下端设置有弹簧挡圈；所述下心轴、下接头、连接接头、弹簧挡圈和第三锁紧螺母构成锁紧机构，主要用来完成扭矩传递、防倒扣功能。

所述第一复位弹簧、第二复位弹簧、第三复位弹簧、第四复位弹簧、上限位环、下限位环、第一剪切环和第二剪切环构成复位机构，主要用来推动上刮刀片和下刮刀片正常复位。

所述上心轴、中心轴、套筒、上刮刀片、下刮刀片、上锥体、中上部锥体、中下部锥体、下锥体和支撑弹簧构成刮削机构，主要用来清洁套管内壁。

所述补偿锥体、弹簧、支撑环、限位销钉和第二锁紧螺母构成补偿机构，主要用来补偿上刮刀片、下刮刀片与支撑套相对运动产生的空间。

每个所述上刮刀片和下刮刀片的上下两端面均设置为30°锥面，补偿锥体上端面加工有30°锥面，所述上锥体下端面、中上部锥体上端面、中下部锥体下端面和下锥体上端面均设置为30°锥面。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明的刮刀部分采用2组全圆的连续刮刀分布设计，实现了套管内壁360°覆盖，同时保证刀片在压缩状态时，不会出现干涉现象。

(2)本发明中刮刀片采用锥面“T”型键设计。实现了刮刀片与锥体的动态约束，解决了常规刮管器刀片无法实现大变径的问题。

(3)本发明提供的其补偿锥体、弹簧、支撑环、限位销钉、锁紧螺母构成整个刮管器的补偿系统，主要用于补偿刮刀片与支撑套相对运动产生的空间，不仅防止了落物进入刮削系统，同事也增强了刮刀片的稳定性。

(4)本发明提供的套管清洁工具在9-5/8″套管内刮刀紧贴在套管内壁，在外界压下的作用下，刮刀片可径向大位移收缩，刮刀片两端在上锥体与中部锥体“T”型槽的导向作用下，发生轴向位移。使得刮刀片径向不断受压而收缩，在压力增加到一定的时候，刮刀片完全收缩进入7″套管。本大变径套管清洁工具结构简单，可以缩短刮管作业周期，又能够确保刮管作业的安全。

(5)本发明不但可应用在常规刮管作业工艺中，还可以随钻头进行钻水泥塞作业。

附图说明

图1是本发明大变径套管清洁工具结构示意图；

图2是本发明A部分结构示意图；

图3是本发明上限位环结构示意图；

图4是本发明第一剪切环或第二剪切环结构示意图；

图5是本发明上锥体结构示意图；

图6是本发明套筒结构示意图；

图7是本发明补偿锥体结构示意图；

图8是本发明上刮刀片或下刮刀片结构示意图；

图9是本发明上心轴结构示意图。

附图标记:1上心轴，2第一剪切环，3上限位环，4第一复位弹簧，5套筒，6上锥体，7支撑弹簧，8上刮刀片，9中上部锥体，10第二复位弹簧，11中心轴，12第三复位弹簧，13第一锁紧螺母，14密封圈，15补偿锥体，16弹簧，17支撑环，18限位销钉，19第二锁紧螺母，20下心轴，21连接接头，22下接头，23第三锁紧螺母，24弹簧挡圈，25锁环，26第二剪切环，27下限位环，28第四复位弹簧，29中下部锥体，30下锥体，31下刮刀片。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实例，并配合附图详细说明如下。

本发明公开了一种大变径套管清洁工具，刮刀片可实现径向大位移，可实现在9-5/8″套管(40#-53.5#)与7″套管(23#-29#)内进行套管清洁作业，本清洁工具结构简单，可以缩短刮管作业周期，又能够确保刮管作业的安全。

如图1至图9所示，本发明的大变径套管清洁工具，包括由上至下依次连接的上心轴1、中心轴11和下心轴20，构成中心管，中心管的作用是串接各个独立的外部单元，使各外部单元完成组装以满足作业工艺要求。

所述上心轴1外部上下两端分别加工有外螺纹，上部外螺纹为API钻杆螺纹与钻杆相连接，下部外螺纹为梯形螺纹与中心轴11连接。中心轴11上部加工有内螺纹，下部加工有外螺纹，上部内螺纹和下部外螺纹均为梯形螺纹，下部外螺纹与下心轴20连接。下心轴20下部分由上至下依次设置有外螺纹、密封面和弹簧挡圈槽。上心轴1、中心轴11和下心轴20外圆设置三组密封圈槽，用于安装密封圈14。

所述上心轴1外部设置有由上至下依次连接的上限位环3、套筒5和下限位环27。所述上限位环3下端设置有外螺纹与套筒5固定连接，所述上限位环3上端和上心轴1之间设置有第一剪切环2，实现上限位环3与上心轴1的固定定位连接，所述上限位环3上端沿圆周设置有径向观察孔。第一剪切环2安装于上心轴1中部外表面的安装槽内，并加以固定，上限位环3从上心轴1下端装入至设计位置，与第一剪切环2下端面接触，通过第一剪切环2限位，并通过上限位环3上的观察孔确认位置。所述下限位环27上端通过第一锁紧螺母13与套筒5连接，所述下限位环27下端和下心轴20之间设置有第二剪切环26，第二剪切环26安装于下心轴20上部外表面的安装槽内，并加以固定，实现下限位环27和下心轴20的固定定位连接。所述第一剪切环2和第二剪切环26均采用180°半圆设计，分别采用两片，当达到设定剪切力时剪切，刮削机构解锁。

所述上限位环3和上心轴1之间设置有第一复位弹簧4，所述套筒5和上心轴1之间由上至下依次设置有上锥体6、中上部锥体9、第二复位弹簧10，所述套筒5和中心轴11之间由上至下依次设置有第三复位弹簧12、中下部锥体29、下锥体30，所述下限位环27和中心轴11之间设置有第四复位弹簧28，所述第一复位弹簧4紧贴于上锥体6上端面，所述第四复位弹簧28紧贴于下锥体30下端面。第一复位弹簧4为上锥体6提供恢复力，第二复位弹簧10为中上部锥体9提供恢复力，第三复位弹簧12为中下部锥体29提供恢复力，第四复位弹簧28为下锥体30提供恢复力。所述套筒5与中上部锥体9和下锥体30之间均设置有补偿锥体15，所述补偿锥体15与中上部锥体9和下锥体30之间均设置有弹簧16、支撑环17和第二锁紧螺母19，补偿锥体15上端面加工有30°锥面，内圆加工有凹槽用于安装弹簧16、支撑环17，下端外圆加工有一组螺纹孔，用于安装限位销钉18。所述支撑环17由内外皆为光面的圆环构成，第二锁紧螺母19内圆加工有内螺纹，分别与中上部锥体9和下锥体30外螺纹连接。

所述套筒5为长圆薄壁筒，套筒5上端沿圆周设置有上部刀片槽，每个上部刀片槽内均设置有上刮刀片8，每个上刮刀片8与上锥体6和中上部锥体9均采用“T”型导程键和“T”型导程槽进行动态约束连接，每个上刮刀片8和上心轴1之间均设置有位于上锥体6和中上部锥体9之间的支撑弹簧7，每个支撑弹簧7的轴线与中心管的轴线相互垂直。所述套筒5下端沿圆周设置有下部刀片槽，每个下部刀片槽内均设置有下刮刀片31，每个下刮刀片31与中下部锥体29和下锥体30均采用“T”型导程键和“T”型导程槽进行动态约束连接，每个下刮刀片8和中心轴11之间均设置有位于中下部锥体29和下锥体30之间的支撑弹簧7。每个支撑弹簧7的轴线与中心管的轴线相互垂直，每个支撑弹簧7分别安装于上刮刀片8或下刮刀片31的圆孔内部，为上刮刀片8和下刮刀片31提供径向支反力。

所述上锥体6下端面、中上部锥体9上端面、中下部锥体29下端面和下锥体30上端面均设置为30°锥面，所述上锥体6下端面、中上部锥体9上端面、中下部锥体29下端面和下锥体30上端面均设置有“T”型导程槽，每个所述上刮刀片8和下刮刀片31的上下两端面均设置为30°锥面，实现与上锥体6、中上部锥体9、中下部锥体29和下锥体30的配合，且每个锥面上均设置有“T”型导程键，通过“T”型导程键和“T”型导程槽实现动态约束定位连接。每个所述上刮刀片8和下刮刀片31均采用连续流道设计，所述上刮刀片8和下刮刀片31均设置为四个，且上刮刀片8和下刮刀片31沿圆周交错45°设置，采用全圆的分布设计，实现了套管内壁360°覆盖，刮刀片安装到位后，实现连续圆周流道，同时保证上刮刀片8和下刮刀片31在压缩状态时，不会出现干涉。所述上部刀片槽和下部刀片槽的上下两端均设置有锁环25，从套筒5上端面套入锁环25至套筒锁环槽，实现固定上刮刀片8和下刮刀片31的目的，组装后，形成整体刀架结构。所述上部刀片槽和下部刀片槽的下端均设置有导向槽，每个补偿锥体15下端外部均设置有限位销钉18，通过导向槽将限位销钉18安装至补偿锥体15外圆面的螺纹孔，通过限位销钉18和导向槽配合实现定位。

所述下心轴20外部设置有连接接头21，连接接头21上端有密封面，上端母螺纹端采用API钻杆螺纹，加工有花键槽通过螺纹连接下心轴20。连接接头21下端加工有外螺纹，螺纹底部加工有密封圈槽，连接接头21下端连接有下接头22，下接头22上端加工有内螺纹，下端加工有外螺纹，内螺纹和外螺纹均采用钻杆螺纹，内部密封面与第三锁紧螺母23外密封面密封配合。所述下心轴20外部设置有第三锁紧螺母23，所述第三锁紧螺母23设置于连接接头21下端，所述第三锁紧螺母23下端设置有弹簧挡圈24，且所述第三锁紧螺母23和弹簧挡圈24均设置于下心轴20和下接头22之间。第三锁紧螺母23上端加工有梯形螺纹，内部密封面与下心轴20外密封面配合，外部密封面与下接头22内部密封面配合，弹簧挡圈24安装在下心轴20的挡圈槽中，防止第三锁紧螺母23倒扣。

其中，第一复位弹簧4、第二复位弹簧10、第三复位弹簧12、第四复位弹簧28、上限位环3、下限位环27、第一剪切环2和第二剪切环26构成本发明的复位机构，主要用来推动上刮刀片8和下刮刀片31正常复位。第一复位弹簧4、第二复位弹簧10、第三复位弹簧12和第四复位弹簧28均为自由状态安装。上心轴1、中心轴11、套筒5、上刮刀片8、下刮刀片31、上锥体6、中上部锥体9、中下部锥体29、下锥体30和支撑弹簧7构成本发明的刮削机构，主要用来清洁套管内壁。下心轴20、下接头22、连接接头21、弹簧挡圈24和第三锁紧螺母23构成本发明的锁紧机构，主要用来完成扭矩传递、防倒扣功能。补偿锥体15、弹簧16、支撑环17、限位销钉18和第二锁紧螺母19构成本发明的补偿机构，主要用来补偿上刮刀片8、下刮刀片31与支撑套相对运动产生的空间。

本发明大变径套管清洁工具，其参与的工作过程如下：

下入刮管过程：

套管清洁工具在下入过程中：清洁工具在9-5/8″套管刮削作业，完毕后，上刮刀片8、下刮刀片31径向收缩，同时上刮刀片8、下刮刀片31通过与上锥体6、中上部锥体9、中下部锥体29和下锥体30的“T”型键槽配合，推动锥体发生轴向位移，进而推动第一复位弹簧4、第二复位弹簧10、第三复位弹簧12、第四复位弹簧28轴向压缩，使得上刮刀片8、下刮刀片31径向不断受压而收缩，在压力增加到一定的时候，上刮刀片8、下刮刀片31收缩进行7″套管刮削作业。一趟钻完成9-5/8″套管和7″套管刮削作业。

在循环刮管过程中，既可正循环刮管，也可反循环刮管。以正循环刮管为例，洗井液通过钻杆进入清洁器中心管，直至井底，再由钻杆套管环空经上刮刀片8、下刮刀片31螺旋导流槽返出，正循环洗井时液流方向与反循环刮管洗井相反。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种大变径套管清洁工具，包括由上至下依次连接的上心轴(1)、中心轴(11)和下心轴(20)，所述下心轴(20)外部设置有连接接头(21)，所述连接接头(21)下端连接有下接头(22)，其特征在于，所述上心轴(1)外部设置有由上至下依次连接的上限位环(3)、套筒(5)和下限位环(27)，所述上限位环(3)上端与上心轴(1)连接，所述下限位环(27)下端与下心轴(20)连接；

所述上限位环(3)和上心轴(1)之间设置有第一复位弹簧(4)，所述套筒(5)和上心轴(1)之间由上至下依次设置有上锥体(6)、中上部锥体(9)、第二复位弹簧(10)，所述套筒(5)和中心轴(11)之间由上至下依次设置有第三复位弹簧(12)、中下部锥体(29)、下锥体(30)，所述下限位环(27)和中心轴(11)之间设置有第四复位弹簧(28)，所述第一复位弹簧(4)位于上锥体(6)上端面，所述第四复位弹簧(28)位于下锥体(30)下端面；所述套筒(5)与中上部锥体(9)和下锥体(30)之间均设置有补偿锥体(15)，所述补偿锥体(15)与中上部锥体(9)和下锥体(30)之间均设置有弹簧(16)、支撑环(17)和第二锁紧螺母(19)；

所述套筒(5)上端沿圆周设置有上部刀片槽，每个上部刀片槽内均设置有上刮刀片(8)，每个上刮刀片(8)与上锥体(6)和中上部锥体(9)均采用“T”型导程键和“T”型导程槽进行动态约束连接，每个上刮刀片(8)和上心轴(1)之间均设置有位于上锥体(6)和中上部锥体(9)之间的支撑弹簧(7)；

所述套筒(5)下端沿圆周设置有下部刀片槽，每个下部刀片槽内均设置有下刮刀片(31)，每个下刮刀片(31)与中下部锥体(29)和下锥体(30)均采用“T”型导程键和“T”型导程槽进行动态约束连接，每个下刮刀片(31)和中心轴(11)之间均设置有位于中下部锥体(29)和下锥体(30)之间的支撑弹簧(7)。

2.根据权利要求1所述的大变径套管清洁工具，其特征在于，所述上锥体(6)下端面、中上部锥体(9)上端面、中下部锥体(29)下端面和下锥体(30)上端面均设置有“T”型导程槽，每个所述上刮刀片(8)和下刮刀片(31)的上下两端面均设置为锥面，且每个锥面上均设置有“T”型导程键，通过“T”型导程键和“T”型导程槽实现动态约束连接；每个所述上刮刀片(8)和下刮刀片(31)均采用连续流道设计，所述上刮刀片(8)和下刮刀片(31)均设置为四个，且上刮刀片(8)和下刮刀片(31)沿圆周交错45°设置，采用全圆的分布设计，实现了套管内壁360°覆盖。

3.根据权利要求1所述的大变径套管清洁工具，其特征在于，所述上部刀片槽和下部刀片槽的上下两端均设置有锁环(25)，所述上部刀片槽和下部刀片槽的下端均设置有导向槽，每个补偿锥体(15)下端外部均设置有限位销钉(18)，所述限位销钉(18)和导向槽配合实现定位。

4.根据权利要求1所述的大变径套管清洁工具，其特征在于，所述上限位环(3)上端和上心轴(1)之间设置有第一剪切环(2)，所述上限位环(3)上端沿圆周设置有径向观察孔，所述下限位环(27)和下心轴(20)之间设置有第二剪切环(26)，第一剪切环(2)和第二剪切环(26)采用180°半圆设计，当达到设定剪切力时剪切，刮削机构解锁；所述下限位环(27)和套筒(5)之间通过第一锁紧螺母(13)连接。

5.根据权利要求1所述的大变径套管清洁工具，其特征在于，所述下心轴(20)外部设置有第三锁紧螺母(23)，所述第三锁紧螺母(23)设置于连接接头(21)下端，所述第三锁紧螺母(23)下端设置有弹簧挡圈(24)；所述下心轴(20)、下接头(22)、连接接头(21)、弹簧挡圈(24)和第三锁紧螺母(23)构成锁紧机构，主要用来完成扭矩传递、防倒扣功能。

6.根据权利要求1或4所述的大变径套管清洁工具，其特征在于，所述第一复位弹簧(4)、第二复位弹簧(10)、第三复位弹簧(12)、第四复位弹簧(28)、上限位环(3)、下限位环(27)、第一剪切环(2)和第二剪切环(26)构成复位机构，主要用来推动上刮刀片(8)和下刮刀片(31)正常复位。

7.根据权利要求1所述的大变径套管清洁工具，其特征在于，所述上心轴(1)、中心轴(11)、套筒(5)、上刮刀片(8)、下刮刀片(31)、上锥体(6)、中上部锥体(9)、中下部锥体(29)、下锥体(30)和支撑弹簧(7)构成刮削机构，主要用来清洁套管内壁。

8.根据权利要求1所述的大变径套管清洁工具，其特征在于，所述补偿锥体(15)、弹簧(16)、支撑环(17)、限位销钉(18)和第二锁紧螺母(19)构成补偿机构，主要用来补偿上刮刀片、下刮刀片与支撑套相对运动产生的空间。

9.根据权利要求1所述的大变径套管清洁工具，其特征在于，每个所述上刮刀片(8)和下刮刀片(31)的上下两端面均设置为30°锥面，补偿锥体(15)上端面加工有30°锥面，所述上锥体(6)下端面、中上部锥体(9)上端面、中下部锥体(29)下端面和下锥体(30)上端面均设置为30°锥面。

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