CN108240205A - 井下套管双级锥膨胀装置及其作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明的井下套管双级锥膨胀装置及作业方法，包括一级膨胀锥、二级膨胀锥、中心管、连接外管、限位机构和顶部挡块等部件，中心管主要由花键轴、双层内管、连接内管等组成，其双层内管包括中心里管和中心外管构成。当膨胀套管发生一级膨胀时，一级膨胀锥连同连接外管、顶部挡块沿中心管共同上行，限位后完成一级膨胀；发生二级膨胀时，二级膨胀锥、中心管、限位机构相对一级膨胀锥上行，二级限位后结束单次行程膨胀；通过重复双级膨胀行程，分次完成膨胀套管的液压膨胀，直至膨胀套管全部完成膨胀。本发明能有效套管井下降低膨胀力，具有将膨胀套管膨胀至更大的可能，降低施工风险，可用于膨胀套管补贴修井、完井和钻井封堵等领域的膨胀套管作业中。

Description

井下套管双级锥膨胀装置及其作业方法

技术领域

本发明涉及石油钻井完井技术领域的膨胀管作业装置，特别是涉及一种井下套管双级锥膨胀装置及作业方法。

背景技术

在老油田开发过程中，面临新井难打、老井难修等问题，为了获得最大的内通径，有时可以采用膨胀套管进行套管补贴和特殊工艺完井等，对诸多套损井进行套管修复，也可对侧钻井、加深井等进行完井作业，同时对钻井过程中钻遇漏失层、高压层、坍塌层等复杂地层时，采用膨胀套管封堵也是一种非常有效的地层封堵方法。然而，由于地层和井下状况复杂多变，时常会发生膨胀套管在井下膨胀作业压力偏高的情况，给膨胀螺纹、地面管线和设备等承压工具和设备增加施工风险，甚至造成因膨胀压力过高而导致套管不能有效膨胀、管体膨胀失败等作业风险。

目前，常规膨胀率的膨胀套管在膨胀过程中一般采用一个固定尺寸的膨胀锥完成膨胀套管的井下膨胀作业，膨胀时遇到膨胀压力过高时只能通过液压和机械拉拔相结合的方式解决，实际上仍不能有效降低套管的膨胀压力。而另一种膨胀率较大的等井径膨胀套管则采用可变径膨胀工具对膨胀套管进行等井径膨胀，其管体膨胀率更大，主要用于无内径损失的钻井封堵，如公开号CN104005725A的专利公开了一种膨胀管双级膨胀装置，采用的是定径膨胀头和变径膨胀头的双级膨胀机构，其定径膨胀头和变径膨胀头是在液压作用下同时运动，完成套管的等径膨胀，未能有效降低套管的膨胀力，而且变径膨胀头和液缸系统的结构过于复杂，不适用于常规膨胀率的膨胀套管系统。因此，无论使用固定尺寸膨胀锥还是使用变径膨胀锥，只要套管管体的一次膨胀率恒定，其膨胀压力就不能有效降低，由膨胀压力高带来的高压施工风险就难以有效降低，不利于套管的膨胀施工作业。

发明内容

针对现有膨胀套管膨胀时所面临的膨胀压力过大等难题，解决井下套管膨胀时压力过高而导致膨胀螺纹易破损、地面管线及施工管柱承压风险等问题，发明了一种井下套管双级锥膨胀装置及其作业方法，通过双级膨胀锥机构，将膨胀管实现分级膨胀，从而降低套管井下膨胀压力，降低施工风险。

本发明的井下套管双级锥膨胀装置，包括一级膨胀锥2、二级膨胀锥3、中心管28、连接外管7、限位机构8和顶部挡块9，其中：中心管为两段组成的空心结构，上段为连接内管6，下段为双层内管5，双层内管5下端固定连接有花键轴4，双层内管5设有轴向流道，在双层内管5外管壁上下端部分别设有上进液孔15和下进液孔16，上进液孔15和下进液孔16与轴向流道贯通；在连接内管6和双层内管5连接段固定安装有一的限位机构8，限位机构8内设有进液通道26，在连接内管6底部设有顶部进液孔14，顶部进液孔14 与进液通道26、上进液孔15、轴向流道、下进液孔16贯通；一级膨胀锥2的最大外径小于二级膨胀锥3的最大外径；一级膨胀锥2和二级膨胀锥3上下依次套装在花键轴4上部的双层内管5外，一级膨胀锥2与双层内管5 构成轴向滑动密封配合；一级膨胀锥2上部与连接外管7相连，连接外管7与中心管28间隔配合，在连接外管7顶部通过顶部挡块9与连接内管6构成轴向滑动密封配合；限位机构8位于连接外管7和中心管28环空内；连接外管7上下端部分别设有上排液孔17和下排液孔18；双层内管5的下进液孔16位于一级膨胀锥2与二级膨胀锥3对合部之间；一级膨胀锥2、连接外管7和顶部挡块9构成联动，花键轴4、二级膨胀锥3、双层内管5和连接内管6构成联动。

本发明的井下套管双级锥膨胀装置还包括密封堵头19，密封堵头19通过花键槽与花键轴4配合。

上述装置中进一步包括：

所述密封堵头19设有轴向通道，通道口设有密封球座，密封球20外径小于中心管28内径且大于通道口内径。

双层内管5 的轴向流道由中心里管12和中心外管13组成两端封闭的内环空结构。

连接外管7与中心管28的环空内分别套装有上圆环组件10和下圆环组件11，上圆环组件10和下圆环组件11分别设在限位机构8上、下环空内。

本发明还包括利用井下套管双级锥膨胀装置的作业方法，包括以下步骤：

步骤一：装置组装，首先根据一级膨胀锥、二级膨胀锥的规格尺寸在膨胀套管末端加工出与一级膨胀锥、二级膨胀锥配套的膨胀启动器，将井下套管双级锥膨胀装置沿膨胀启动器插入膨胀套管内，最后用密封堵头与膨胀启动器下端固定连接；

步骤二、装置下入，将井下套管双级锥膨胀装置下至预定位置，循环；

步骤三、沿中心管投密封球或胶塞，起压，液体从中心管内通过顶部进液孔、限位机构的进液通道、上进液孔和下进液孔，进入一级膨胀腔；

步骤四、一级膨胀，液压到达一级膨胀腔后，一级膨胀锥在液压作用下，先行向上运动，带动连接外管和顶部挡块一同上行，使膨胀套管发生一级膨胀；

步骤五、一级限位，待一级膨胀锥上行至限位机构处时，一级膨胀限位，膨胀套管本行程的一级膨胀结束；

步骤六、二级膨胀，二级膨胀锥在液压作用下，连同花键轴、双层内管、连接内管和限位机构上行，使膨胀套管发生二级膨胀，一级膨胀锥相对套管不发生相对运动；

步骤七、二级限位，结束一个膨胀行程，待限位机构上行至顶部挡块时，形成二级限位，一级膨胀锥和二级膨胀锥达到初始状态位置，结束一个膨胀行程；

步骤八、重复步骤四～步骤七，采用双级膨胀锥交替膨胀方式，重复双级膨胀行程，完成膨胀套管的液压分级膨胀，直至膨胀套管全部完成膨胀。

本发明的优点在于：通过一级膨胀锥和二级膨胀锥使套管发生双级膨胀，减少套管单级膨胀率，从而有效降低套管膨胀压力；通过重复多次膨胀行程，完成全井段套管的分级膨胀，解决井下套管膨胀时压力过高而导致膨胀螺纹易破损、地面管线及施工管柱承压风险等问题，从而降低套管井下膨胀压力，降低施工风险。

附图说明

图1为井下套管双级锥膨胀装置局部放大示意图

图2为初始膨胀前的井下套管双级锥膨胀装置示意图

图3为井下套管双级锥膨胀装置一级膨胀示意图

图4为井下套管双级锥膨胀装置二级膨胀示意图

图5为井下套管双级锥膨胀装置双级膨胀后示意图

图中：1.膨胀套管，2.一级膨胀锥，3、二级膨胀锥，4.花键轴，5.双层内管， 6.连接内管，7.连接外管，8.限位机构，9.顶部挡块，10.上圆环组件，11.下圆环组件，12.中心里管，13.中心外管，14.顶部进液孔，15.上进液孔，16.下进液孔，17.上排液孔，18.下排液孔，19.密封堵头，20.密封球，21.膨胀启动器，22.一级膨胀锥面，23.二级膨胀锥面，24.一级膨胀腔，25.二级膨胀腔，26.进液通道，27.密封组件，28.中心管。

具体实施方式

现结合说明书附图对发明作进一步的描述。

图1示意性地显示了根据本发明的井下套管双级锥膨胀装置的一个实施例结构。包括膨胀套管1、一级膨胀锥2、二级膨胀锥3、中心管28、连接外管7、限位机构8和顶部挡块9等部件。

中心管28包括花键轴4、双层内管5、连接内管6等部件，花键轴4、双层内管5和连接内管6依次连接组成，在连接内管6和双层内管5连接处安装有一的限位机构8。一级膨胀锥2和二级膨胀锥3安装在花键轴4和双层内管5上，一级膨胀锥2上部与连接外管7相连，连接外管7上部与顶部挡块9固定连接，顶部挡块9位于连接外管7和连接内管6之间，限位机构8位于连接外管7和中心管28环空内。一级膨胀锥2、连接外管7和顶部挡块9在液压作用下可一同运动，二级膨胀锥3、花键轴4、双层内管5和连接内管6在液压作用下也可一同运动。

如图1～图5所示，膨胀套管1底部为一双级喇叭口状的膨胀启动器21，上部为未膨胀的膨胀套管1，膨胀启动器21预先已实现双级膨胀，其双级膨胀外径均大于膨胀前的膨胀套管1外径，用于预置不同尺寸的一级膨胀锥2和二级膨胀锥3，膨胀启动器21底部安装有密封堵头19，密封堵头19通过内部花键槽与中心管28上的花键轴4配合。一级膨胀锥2和二级膨胀锥3均预置于膨胀启动器21内部，一级膨胀锥2位于上部，其膨胀锥面与膨胀套管1的一级膨胀锥面22配合，二级膨胀锥3位于一级膨胀锥2下部，整个膨胀管柱重量作用于一级膨胀锥面22和二级膨胀锥面23，依靠双级膨胀锥面实现膨胀管柱的支撑和下入。

如图1～图5所示，所述的井下套管双级锥膨胀装置，其双层内管5包括中心里管12和中心外管13构成，在限位机构8内设有进液通道26，加工在连接内管6下部的顶部进液孔14和加工在中心外管13上部的上进液孔15均位于限位机构8内，且与进液通道26连通，加工在中心外管13下部的下进液孔16位于一级膨胀锥2和二级膨胀锥3之间，液体可以在顶部进液孔14、限位机构8内进液通道26、上进液孔15和下进液孔16之间形成液流通道，进入一级膨胀腔24。

如图1～图5所示，所述的井下套管双级锥膨胀装置，其连接外管7上部和下部加工有上排液孔17和下排液孔18，在连接内管6和连接外管7环空安装有上圆环组件10，上圆环组件10位于顶部挡块9和限位机构8之间，上圆环组件10可沿连接内管6运动，在连接外管7和中心外管13环空同样安装有下圆环组件11，下圆环组件11可沿双层内管5运动。上圆环组件10和下圆环组件11可以在中心管28和连接外管7环空活动，随着中心管28聚拢或散开，数量可为3～8个，用于膨胀时辅助限位机构8进行限位，也可以改为若干球体结构。

如图1～图5所示的井下套管双级锥膨胀装置，当膨胀套管1发生一级膨胀时，一级膨胀锥2连同连接外管7、顶部挡块9沿中心管28共同上行，下圆环组件11聚拢至限位机构8处形成一级限位，连接外管7和双层内管5环空的液体经下排液孔18排出；当其发生二级膨胀时，二级膨胀锥3、中心管28、限位机构8相对一级膨胀锥2上行，一级膨胀腔24内的液体反向排出，上圆环组件10聚拢至顶部挡块9处发生二级限位，连接外管7和连接内管6间的液体经上排液孔17排出。

如图1～图5所示，所述的井下套管双级锥膨胀装置，其顶部挡块9与连接外管7、连接内管6间均安装有密封组件27，一级膨胀锥2和二级膨胀锥3与连接外管7间也安装有密封组件27。

本发明提出了使用根据上文所述的井下套管双级锥膨胀装置实现膨胀套管的作业方法，包括以下步骤：

步骤一：装置组装。首先根据一级膨胀锥、二级膨胀锥的规格尺寸在膨胀套管末端加工出与一级膨胀锥、二级膨胀锥配套的膨胀启动器，将井下套管双级锥膨胀装置沿膨胀启动器插入膨胀套管内，最后用密封堵头与膨胀启动器下端固定连接。如图1所示。

步骤二、装置下入。如图2所示，井眼通井后，采用油管或钻杆伴送，将井下套管双级锥膨胀装置下至预定位置，循环，根据井况和设计要求，可先进行固井作业。

步骤三、投密封球20或胶塞至密封堵头19处，起压，液体从中心管28内通过顶部进液孔14、限位机构8的进液通道26、上进液孔15和下进液孔16，进入一级膨胀腔24。

步骤四、一级膨胀。如图3所示，待液体到达一级膨胀腔24后，一级膨胀锥2在液压作用下，沿中心管28先行向上运动，带动连接外管7和顶部挡块9一同上行，使膨胀套管1发生一级膨胀。由于一级膨胀锥2位于二级膨胀锥3上部，而且膨胀套管1发生一级膨胀的压力小于其发生二级膨胀的压力，因此，在液压作业下，膨胀套管1发生一级膨胀先于二级膨胀。

步骤五、一级限位。在膨胀套管1发生一级膨胀时，下圆环组件11也随之上行聚拢，而中心管28和二级膨胀锥3与膨胀套管1之间无相对位移，待一级膨胀锥2上行，并将下圆环组件11排列压缩至限位机构8处时，实现一级膨胀限位，一级膨胀锥2不能继续上行，膨胀套管1完成一级膨胀，见图3。

步骤六、二级膨胀。如图4所示，待膨胀套管1完成一级膨胀后，二级膨胀腔25内的高压液体推动二级膨胀锥3运动，连同花键轴4、双层内管5、连接内管6和限位机构8上行，使膨胀套管1发生二级膨胀；而此时，一级膨胀锥2相对膨胀套管1未发生相对运动，上圆环组件10上行向顶部挡块9靠拢，下圆环组件11逐步散开。

步骤七、二级限位。结束一个膨胀行程。如图5所示，待上圆环组件10上行至顶部挡块9时，上圆环组件10限位于顶部挡块9和限位机构8之间，形成二级限位，一级膨胀锥2和二级膨胀锥3达到初始状态位置，膨胀套管1完成二级膨胀，结束一个膨胀套管1双级膨胀行程。

步骤八、重复步骤四～步骤七，重复双级膨胀行程，分双级完成膨胀套管1的液压膨胀，直至膨胀套管1全部完成膨胀。

如图1～图5所示，在一个实施例中，所述的井下套管双级锥膨胀装置，根据有限元模拟分析结果，以Φ193.7mm膨胀套管为例，当其膨胀率为16%时，双级锥膨胀力较单级膨胀力降低约45%；Φ139.7mm膨胀套管膨胀率为27%时，则双级膨胀力较单级膨胀力降低约48%，能有效降低膨胀力，具有将膨胀套管1膨胀至更大的可能。

本发明可用于膨胀套管补贴修井、完井和钻井封堵等领域的膨胀套管作业中，通过一级膨胀锥和二级膨胀锥使膨胀套管发生双级膨胀，减少膨胀套管单级膨胀率，从而有效降低膨胀套管膨胀压力；通过重复多次膨胀行程，完成全井段膨胀套管的分级膨胀，从而降低膨胀套管井下膨胀压力，降低施工风险。

Claims (6)

1.一种井下套管双级锥膨胀装置，包括一级膨胀锥[2]、二级膨胀锥[3]、中心管[28]、连接外管[7]、限位机构[8]和顶部挡块[9]，其特征是：中心管为两段组成的空心结构，上段为连接内管[6]，下段为双层内管[5]，双层内管[5]下端固定连接有花键轴[4]，双层内管[5]设有轴向流道，在双层内管[5]外管壁上下端部分别设有上进液孔[15]和下进液孔[16]，上进液孔[15]和下进液孔[16]与轴向流道贯通；在连接内管[6]和双层内管[5]连接段固定安装有一的限位机构[8]，限位机构[8]内设有进液通道[26]，在连接内管[6]底部设有顶部进液孔[14]，顶部进液孔[14] 与进液通道[26]、上进液孔[15]、轴向流道、下进液孔[16]贯通；一级膨胀锥[2]的最大外径小于二级膨胀锥[3]的最大外径；一级膨胀锥[2]和二级膨胀锥[3]上下依次套装在花键轴[4]上部的双层内管[5]外，一级膨胀锥[2]与双层内管[5] 构成轴向滑动密封配合；一级膨胀锥[2]上部与连接外管[7]相连，连接外管[7]与中心管[28]间隔配合，在连接外管[7]顶部通过顶部挡块[9]与连接内管[6]构成轴向滑动密封配合；限位机构[8]位于连接外管[7]和中心管[28]环空内；连接外管[7]上下端部分别设有上排液孔[17]和下排液孔[18]；双层内管[5]的下进液孔[16]位于一级膨胀锥[2]与二级膨胀锥[3]对合部之间；一级膨胀锥[2]、连接外管[7]和顶部挡块[9]构成联动，花键轴[4]、二级膨胀锥[3]、双层内管[5]和连接内管[6]构成联动。

2.如权利要求1所述的井下套管双级锥膨胀装置，其特征是：还包括密封堵头[19]，密封堵头[19]通过花键槽与花键轴[4]配合。

3.如权利要求2所述的井下套管双级锥膨胀装置，其特征是：所述密封堵头[19]设有轴向通道，通道口设有密封球座，密封球[20]外径小于中心管[28]内径且大于通道口内径。

4.如权利要求1、2或3所述的井下套管双级锥膨胀装置，其特征是：双层内管[5] 的轴向流道由中心里管[12]和中心外管[13]组成两端封闭的内环空结构。

5.如权利要求1、2或3所述的井下套管双级锥膨胀装置，其特征在于：连接外管[7]与中心管[28]的环空内分别套装有上圆环组件[10]和下圆环组件[11]，上圆环组件[10]和下圆环组件[11]分别设在限位机构[8]上、下环空内。

6.如权利要求1、2或3所述的井下套管双级锥膨胀装置的作业方法，包括以下步骤：

步骤一：装置组装，首先根据一级膨胀锥、二级膨胀锥的规格尺寸在膨胀套管末端加工出与一级膨胀锥、二级膨胀锥配套的膨胀启动器，将井下套管双级锥膨胀装置沿膨胀启动器插入膨胀套管内，最后用密封堵头与膨胀启动器下端固定连接；

步骤二、装置下入，将井下套管双级锥膨胀装置下至预定位置，循环；

步骤三、沿中心管投密封球或胶塞，起压，液体从中心管内通过顶部进液孔、限位机构的进液通道、上进液孔和下进液孔，进入一级膨胀腔；

步骤四、一级膨胀，液压到达一级膨胀腔后，一级膨胀锥在液压作用下，先行向上运动，带动连接外管和顶部挡块一同上行，使膨胀套管发生一级膨胀；

步骤五、一级限位，待一级膨胀锥上行至限位机构处时，一级膨胀限位，膨胀套管本行程的一级膨胀结束；

步骤六、二级膨胀，二级膨胀锥在液压作用下，连同花键轴、双层内管、连接内管和限位机构上行，使膨胀套管发生二级膨胀，一级膨胀锥相对套管不发生相对运动；

步骤七、二级限位，结束一个膨胀行程，待限位机构上行至顶部挡块时，形成二级限位，一级膨胀锥和二级膨胀锥达到初始状态位置，结束一个膨胀行程；

步骤八、重复步骤四～步骤七，采用双级膨胀锥交替膨胀方式，重复双级膨胀行程，完成膨胀套管的液压分级膨胀，直至膨胀套管全部完成膨胀。