CN111101886B - 一种分段固井工具及工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分段固井工具及工艺方法，下入固井工艺管柱，按照设计水泥量，注入水泥浆固井；投入胶塞碰压；在胶塞碰压的同时，打开分段固井工具的内部液体进入通道；地面停止打压，分段固井工具外部水泥浆的压力大于其内部液体的压力，水泥浆进入分段固井工具的水泥收纳腔；中心管打压，使分段固井工具内部压力大于外部水泥浆的压力，推动分段固井工具水泥收纳腔内的水泥进入分段固井工具的胶筒内部；侯凝，实现分段固井。本发明一趟固井管柱实现分段固井，提高固井质量，固井工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及油田固井技术，具体地说是一种分段固井工具及工艺方法。
背景技术
对于多套油水层，并且夹层比较薄的油藏，如果套管外固井质量差，就会出现窜槽问题。分层开采、分层注水或者改造(酸化、压裂)等措施均难以实施。对于不同压力级别的多套层系，在水泥浆凝固过程中，由于“失重”原因，高压层流体有可能向低压层流动，形成窜槽。固井质量的好坏是影响油田开发效果的重要因素。
目前的固井工艺一般有两种，笼统固井和分段固井。笼统固井需要固井段一次性完成，该种固井工艺由于水泥的沉降、井眼轨迹的质量等影响因素导致固井质量一般，尤其对于斜井、水平井、侧钻井等。分段固井一般为分多道工序实施，专利《分段固井工具》CN20082021859.7和《分段固井注水泥装置》CN03284514.6均公开了一种分段固井工艺方法，其施工工艺均为自下而上逐段固井，完成第一段的封固后，上提送入管柱至上一个目的层。该种方法固井工艺复杂，固井时间较长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分段固井工具及工艺方法，将该工具安装在常规的固井工艺管串中，置于分级箍/浮箍的上部，在现有固井工艺的基础上，不增加现有工序，一趟固井管柱实现分段固井，提高固井质量，固井工艺简单。
为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种分段固井工艺方法，包括以下步骤：
步骤一，下入固井工艺管柱，固井工艺管柱包括套管、分段固井工具、分级箍/浮箍，所述分段固井工具连接在套管上，所述分级箍/浮箍连接在套管最底部，所述分段固井工具至少设置一个；
步骤二，按照设计水泥量，注入水泥浆固井；
步骤三，投入胶塞碰压；
步骤四，在胶塞碰压的同时，打开分段固井工具的内部液体进入通道；
步骤五，地面停止打压，分段固井工具外部水泥浆的压力大于其内部液体的压力，水泥浆进入分段固井工具的水泥收纳腔；
步骤六，中心管打压，使分段固井工具内部压力大于外部水泥浆的压力，推动分段固井工具水泥收纳腔内的水泥进入分段固井工具的胶筒内部；
步骤七，多次进行步骤五、步骤六，即中心管间歇重复打压，直至胶筒被完全张开，并密封封隔套管外环空；
步骤八，侯凝，实现分段固井。
所述步骤四、步骤五、步骤六、步骤七中的分段固井工具的工作过程为，水泥吸入机构实现在中心管内压力小于工具外部压力时，水泥自工具外部进入水泥腔中，暂时储存；活塞机构实现在中心管内压力大于工具外部压力时，将水泥自水泥收纳腔内注入到水泥注入机构；水泥注入机构实现将水泥注入到胶筒密封机构内部；胶筒密封机构为长段的扩张式胶筒，在内部水泥压力的作用下，不断扩张，最终扩张至套管内壁上，并通过高的接触压力实现了对水泥的分段，固井质量得到提高，同时实现永久的封固、分层。
为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种分段固井工具，包括中心管机构、至少一组活塞机构、至少一组水泥吸入机构、至少一组水泥注入机构、至少一组胶筒密封机构、至少一个剪断销，所述活塞机构、水泥吸入机构、水泥注入机构、胶筒密封机构均套装在中心管机构外部，所述胶筒密封机构上端或下端连接水泥注入机构，水泥注入机构连接水泥吸入机构，水泥吸入机构连接活塞机构，所述剪断销外端封堵在中心管机构开设的径向传压孔中，剪断销内端伸向于中心管机构内腔中。
所述中心管机构包括自上而下依次连接的上中心管、上连接器、下中心管，所述上中心管上端连接上接头，所述下中心管下端通过下连接器连接下接头。
所述活塞机构包括活塞套、活塞，所述活塞套上端连接上接头，下端连接水泥吸入机构的吸入套上端，所述活塞设置在活塞套内，活塞上方的腔体连通中心管机构开设的径向传压孔，活塞下方的空间形成水泥吸入机构的水泥收纳腔。
所述水泥吸入机构包括吸入套、吸入弹簧套、吸入弹簧、吸入顶杆、上吸入锥体、吸入橡胶塞、下吸入锥体，所述吸入套上端连接活塞套，吸入套内壁与上中心管外壁之间形成环空间隙，即第一环空间隙，吸入套内部安装上吸入锥体，所述下吸入锥体上端斜面上设置吸入橡胶塞，吸入橡胶塞上端对接上吸入锥体的下端斜面，所述上吸入锥体上端被吸入顶杆顶住，吸入顶杆上端连接吸入弹簧，吸入弹簧上端固定在吸入弹簧套上，吸入弹簧套上端固定在吸入套内部台阶面上，所述吸入套开设吸入孔，吸入孔对应吸入橡胶塞位置，所述下吸入锥体内壁和上连接器之间构成中心管轴向通道，所述水泥收纳腔、吸入套和上中心管之间的环空间隙、中心管轴向通道相互连通。
所述水泥注入机构包括注入橡胶塞、注入锥体、注入顶杆、注入弹簧、注入弹簧套、注入套，所述注入套上端连接下吸入锥体，注入套内壁与下中心管外壁之间形成环空间隙，即第二环空间隙，所述注入锥体设置在注入套内部，注入锥体上端斜面与注入橡胶塞接触，注入橡胶塞套装在下中心管外壁，当注入锥体上端斜面顶住注入橡胶塞时，注入橡胶塞阻塞住中心管轴向通道与第二环空间隙的连通，注入锥体下端面被注入顶杆顶住，注入顶杆下端连接注入弹簧，注入弹簧下端连接注入弹簧套，注入弹簧套固定在注入套内壁开设的台阶面上。
所述胶筒密封机构包括上护套、上硫化接头、胶筒、下护套、下硫化接头，所述胶筒套装在下中心管外部，胶筒和下中心管之间形成环空间隙，即第三环空间隙，所述胶筒上端外壁套装上护套，上护套上端连接注入套，胶筒下端外壁套装下护套，下护套下端连接下连接器，胶筒上端内壁连接上硫化接头，上硫化接头上端连接上护套内壁，胶筒下端内壁连接下硫化接头，下硫化接头下端连接下护套内壁，所述第二环空间隙与第三环空间隙连通。
所述水泥吸入机构包括吸入套、吸入弹簧套、吸入弹簧、吸入顶杆、上吸入体、吸入橡胶塞、下吸入体，所述吸入套上端连接活塞套，吸入套内壁与上中心管外壁之间形成环空间隙，即第一环空间隙，吸入套内部安装上吸入体，所述下吸入体上端平面上设置吸入橡胶塞，吸入橡胶塞上端对接上吸入体的下端平面，所述上吸入体上端被吸入顶杆顶住，吸入顶杆上端连接吸入弹簧，吸入弹簧上端固定在吸入弹簧套上，吸入弹簧套上端固定在吸入套内部台阶面上，所述吸入套开设吸入孔，吸入孔对应吸入橡胶塞位置，所述下吸入体内壁和上连接器之间构成中心管轴向通道，所述水泥收纳腔、吸入套和上中心管之间的环空间隙、中心管轴向通道相互连通。
所述水泥吸入机构包括吸入套、吸入球座、单向球、吸入橡胶塞、下吸入体，所述吸入套上端连接活塞套，吸入套内壁与上中心管外壁之间形成环空间隙，即第一环空间隙，吸入套内部安装吸入球座，吸入球座上半段开设径向的水泥进入孔，吸入球座下半段开设水泥吸入轴向通道，水泥吸入轴向通道上端口放置单向球，所述下吸入体上端平面上设置吸入橡胶塞，吸入橡胶塞上端对接吸入球座的下端平面，所述吸入球座上端顶在吸入套内部台阶面上，所述吸入套开设吸入孔，吸入孔对应吸入橡胶塞位置，所述下吸入体内壁和上连接器之间构成中心管轴向通道，所述水泥收纳腔、吸入套和上中心管之间的环空间隙、中心管轴向通道相互连通。
所述水泥注入机构包括注入橡胶塞、注入体、注入顶杆、注入弹簧、注入弹簧套、注入套，所述注入套上端连接下吸入锥体，注入套内壁与下中心管外壁之间形成环空间隙，即第二环空间隙，所述注入体设置在注入套内部，注入体上端平面与注入橡胶塞接触，注入橡胶塞套装在上连接器上，当注入体上端平面顶住注入橡胶塞时，注入橡胶塞阻塞住中心管轴向通道与第二环空间隙的连通，注入体下端面被注入顶杆顶住，注入顶杆下端连接注入弹簧，注入弹簧下端连接注入弹簧套，注入弹簧套固定在注入套内壁开设的台阶面上。
所述水泥注入机构包括注入橡胶塞、注入球座、注入球、注入套，所述注入套上端连接下吸入锥体，注入套内壁与下中心管外壁之间形成环空间隙，即第二环空间隙，所述注入球座设置在注入套内部，注入球座上端平面与注入橡胶塞接触，注入橡胶塞套装在上连接器上，注入球座开设轴向通道，轴向通道变径处安装注入球，注入球座底部开设水泥注入孔，水泥注入孔使第二环空间隙与轴向通道连通，轴向通道上端连通中心管轴向通道，注入球座上端内壁与下中心管外壁为密封状态。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
分段固井工具可实现固井段的分段固井和封隔，将水泥段分隔为多段后，可大大减小水泥“失重”、沉降等带来的影响，提高固井质量，且工艺简单。同时，分段固井工具相当于分段封隔器，且由于其内部为水泥浆填充，分段密封效果持久，油井后期可采取分层段压裂、分层段采油、分层段酸化等增产措施。
对于需要分多段固井的井，在固井工艺管柱中增加多组分段固井工具即可实现。本发明专利公开的固井工具和工艺方法适用于全井段固井、钻塞固井或免钻塞固井工艺等，均是在现在固井工艺管柱分级箍/浮箍以上增加一个或多个分段工具，实现分段固井，提高固井质量而不增加固井工序。
附图说明
图1为本发明的一种分段固井工具结构示意图；
图2、图3是注水泥、投胶塞顶替时工艺管柱图；
图4是胶塞碰压胶塞座时工艺管柱图；
图5是侯凝后的管柱结构；
图6是分3段固井工艺管柱结构；
图7是分段固井工具的一个优选实施例示意图；
图8a、图8b、图8c分别是分段固井工具中水泥吸入机构的三种不同结构；
图9a、图9b、图9c分别是分段固井工具中水泥注入机构的三种不同结构；
图10是分段固井工具的另一个优选实施例示意图。
图中：1-井眼；2-套管；03-分段固井工具；031-内部密封销；032-内部进液孔；033-活塞；034-水泥进入孔；035-胶筒；036-水泥收纳腔；4-分级箍/浮箍；5-水泥浆；剪断销61；
上接头11、上中心管12、上连接器13、下中心管14、下连接器15、下接头16；
活塞套21、活塞22、腔体24；
吸入套31、吸入弹簧套32、吸入弹簧33、吸入顶杆34、上吸入锥体35、吸入橡胶塞36、吸入孔37、环空间隙38、水泥收纳腔39；
橡胶塞41、注入锥体42、注入顶杆43、注入弹簧44、注入弹簧套45、注入套46、中心管轴向通道47、环空间隙48；
上护套51、上硫化接头52、胶筒53、下护套54、下硫化接头55、环空间隙56。
上吸入体352、吸入橡胶塞362；
吸入球座323、水泥进入孔333、单向球343、水泥吸入轴向通道353、吸入孔373；
注入橡胶塞412；注入体422；
注入橡胶塞413、注入球座423、注入球433、轴向通道443、水泥注入孔453。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了提高固井质量，尤其是斜井、水平井、侧钻井等的固井质量，同时简化施工工艺，本专利提出一种分段固井工具及工艺方法。本发明的设计思路是在固井工艺管柱中分级箍/浮箍以上增加一个或多个分段固井工具，现有固井工艺管柱和工艺的基础上，不增加现有工序，一趟固井管柱实现分段固井，提高固井质量，且固井工艺简单。
图1是是分两段固井；对于需要分更多段固井的井，在固井工艺管柱中再增加分段固井工具的数量即可。图6是分三段固井示例。
同时，图1只是固井工艺管柱中的一种，对于其他固井工艺管柱，在分级箍/浮箍以上预置分段固井工具，即可实现其他固井方式的分段固井。
以图1为例，其具体实施固井工艺为：①下入固井工艺管柱，见图1，管柱为：套管2+分段固井工具03+套管+分级箍/浮箍4；②按照设计水泥量，注入水泥浆5固井，见图2；③投入胶塞碰压，在胶塞碰压的同时，打开分段固井工具的内部液体进入通道，见图3、图4；⑤地面停止打压，分段固井工具外部水泥浆的压力大于其内部液体的压力，水泥浆进入分段固井工具的水泥收纳腔036；⑥中心管打压，使分段固井工具内部压力大于外部水泥浆的压力，推动分段固井工具水泥收纳腔036内的水泥进入分段固井工具的胶筒035内部；⑦多次进行⑤、⑥步，即中心管间歇重复打压，直至胶筒035被完全张开，并密封封隔套管外环空；⑧侯凝，实现分段固井，见图5。
对于需要分多段固井的井，在固井工艺管柱中增加多组分段固井工具即可实现，图6为分段固井的工艺管柱结构示意图。
图1-图6中示例为全井段固井图示，但仍适用于其他固井工艺，钻塞固井或免钻塞固井工艺等，均是在现在固井工艺管柱分级箍/浮箍以上增加一个或多个分段工具，实现分段固井，提高固井质量而不增加固井工序。
根据图1至图10，本发明提供了一种分段固井工具，包括中心管机构、至少一组活塞机构、至少一组水泥吸入机构、至少一组水泥注入机构、至少一组胶筒密封机构、至少一个剪断销，所述活塞机构、水泥吸入机构、水泥注入机构、胶筒密封机构均套装在中心管机构外部，所述胶筒密封机构上端或下端连接水泥注入机构，水泥注入机构连接水泥吸入机构，水泥吸入机构连接活塞机构，所述剪断销外端封堵在中心管机构开设的径向传压孔中，剪断销内端伸向于中心管机构内腔中。
所述中心管机构包括自上而下依次连接的上中心管12、上连接器13、下中心管14，所述上中心管上端连接上接头11，所述下中心管下端通过下连接器15连接下接头16。
所述活塞机构包括活塞套21、活塞22，所述活塞套上端连接上接头，下端连接水泥吸入机构的吸入套上端，所述活塞设置在活塞套内，活塞上方的腔体24连通中心管机构开设的径向传压孔，活塞下方的空间形成水泥吸入机构的水泥收纳腔39。
所述水泥吸入机构包括吸入套31、吸入弹簧套32、吸入弹簧33、吸入顶杆34、上吸入锥体35、吸入橡胶塞36、下吸入锥体，所述吸入套上端连接活塞套，吸入套内壁与上中心管外壁之间形成环空间隙38，即第一环空间隙，吸入套内部安装上吸入锥体，所述下吸入锥体上端斜面上设置吸入橡胶塞36，吸入橡胶塞上端对接上吸入锥体的下端斜面，所述上吸入锥体上端被吸入顶杆顶住，吸入顶杆上端连接吸入弹簧，吸入弹簧上端固定在吸入弹簧套上，吸入弹簧套上端固定在吸入套内部台阶面上，所述吸入套开设吸入孔37，吸入孔对应吸入橡胶塞位置，所述下吸入锥体内壁和上连接器之间构成中心管轴向通道，所述水泥收纳腔39、吸入套和上中心管之间的环空间隙38、中心管轴向通道47相互连通。
所述水泥注入机构包括注入橡胶塞41、注入锥体42、注入顶杆43、注入弹簧44、注入弹簧套45、注入套46，所述注入套上端连接下吸入锥体，注入套内壁与下中心管外壁之间形成环空间隙48，即第二环空间隙，所述注入锥体设置在注入套内部，注入锥体上端斜面与注入橡胶塞接触，注入橡胶塞套装在下中心管外壁，当注入锥体上端斜面顶住注入橡胶塞时，注入橡胶塞阻塞住中心管轴向通道与第二环空间隙的连通，注入锥体下端面被注入顶杆顶住，注入顶杆下端连接注入弹簧，注入弹簧下端连接注入弹簧套，注入弹簧套固定在注入套内壁开设的台阶面上。
所述胶筒密封机构包括上护套51、上硫化接头52、胶筒53、下护套54、下硫化接头55，所述胶筒套装在下中心管外部，胶筒和下中心管之间形成环空间隙56，即第三环空间隙，所述胶筒上端外壁套装上护套，上护套上端连接注入套，胶筒下端外壁套装下护套，下护套下端连接下连接器，胶筒上端内壁连接上硫化接头，上硫化接头上端连接上护套内壁，胶筒下端内壁连接下硫化接头，下硫化接头下端连接下护套内壁，所述第二环空间隙与第三环空间隙连通。
图8b所示，所述水泥吸入机构包括吸入套、吸入弹簧套、吸入弹簧、吸入顶杆、上吸入体352、吸入橡胶塞362、下吸入体，所述吸入套上端连接活塞套，吸入套内壁与上中心管外壁之间形成环空间隙，即第一环空间隙，吸入套内部安装上吸入体，所述下吸入体上端平面上设置吸入橡胶塞，吸入橡胶塞上端对接上吸入体的下端平面，所述上吸入体上端被吸入顶杆顶住，吸入顶杆上端连接吸入弹簧，吸入弹簧上端固定在吸入弹簧套上，吸入弹簧套上端固定在吸入套内部台阶面上，所述吸入套开设吸入孔，吸入孔对应吸入橡胶塞位置，所述下吸入体内壁和上连接器之间构成中心管轴向通道，所述水泥收纳腔、吸入套和上中心管之间的环空间隙、中心管轴向通道相互连通。
图8c所示，所述水泥吸入机构包括吸入套、吸入球座323、单向球343、吸入橡胶塞、下吸入体，所述吸入套上端连接活塞套，吸入套内壁与上中心管外壁之间形成环空间隙，即第一环空间隙，吸入套内部安装吸入球座，吸入球座上半段开设径向的水泥进入孔333，吸入球座下半段开设水泥吸入轴向通道353，水泥吸入轴向通道上端口放置单向球，所述下吸入体上端平面上设置吸入橡胶塞，吸入橡胶塞上端对接吸入球座的下端平面，所述吸入球座上端顶在吸入套内部台阶面上，所述吸入套开设吸入孔373，吸入孔对应吸入橡胶塞位置，所述下吸入体内壁和上连接器之间构成中心管轴向通道，所述水泥收纳腔、吸入套和上中心管之间的环空间隙、中心管轴向通道相互连通。
图9b所示，所述水泥注入机构包括注入橡胶塞412、注入体422、注入顶杆、注入弹簧、注入弹簧套、注入套，所述注入套上端连接下吸入锥体，注入套内壁与下中心管外壁之间形成环空间隙，即第二环空间隙，所述注入体设置在注入套内部，注入体上端平面与注入橡胶塞接触，注入橡胶塞套装在上连接器上，当注入体上端平面顶住注入橡胶塞时，注入橡胶塞阻塞住中心管轴向通道与第二环空间隙的连通，注入体下端面被注入顶杆顶住，注入顶杆下端连接注入弹簧，注入弹簧下端连接注入弹簧套，注入弹簧套固定在注入套内壁开设的台阶面上。
图9c所示，所述水泥注入机构包括注入橡胶塞413、注入球座423、注入球433、注入套，所述注入套上端连接下吸入锥体，注入套内壁与下中心管外壁之间形成环空间隙，即第二环空间隙，所述注入球座设置在注入套内部，注入球座上端平面与注入橡胶塞接触，注入橡胶塞套装在上连接器上，注入球座开设轴向通道443，轴向通道变径处安装注入球，注入球座底部开设水泥注入孔453，水泥注入孔使第二环空间隙与轴向通道连通，轴向通道上端连通中心管轴向通道，注入球座上端内壁与下中心管外壁为密封状态。
图7是本发明工艺中分段固井工具的一个具体实施例。见图7所示，分段固井工具由中心管机构、活塞机构、水泥吸入机构、水泥注入机构、胶筒密封机构、剪断销61组成。
中心管机构由上接头11、上中心管12、上连接器13、下中心管14、下连接器15、下接头16组成，共同组成分段固井工具的内部芯子。上接头11与上中心管12之间、上中心管12与上连接器13之间、上连接器与下中心管之间14之间、下中心管14与下连接器15之间、下连接器15与下接头16之间均有螺纹和密封。
活塞机构由活塞套21、活塞22组成，活塞22置于中心管机构20与活塞套21之间，三者同轴，活塞22的上部形成腔体24。当剪断销61被剪断后，中心管内部空间与腔体24连通。
水泥吸入机构由吸入套31、吸入弹簧套32、吸入弹簧33、吸入顶杆34、吸入锥体35、吸入橡胶塞36组成。在吸入套31下端周向上开有多个吸入孔37，在中心管机构与水泥吸入机构之间形成间隙腔38。吸入橡胶塞36与上吸入锥体35之间密封接触，当吸入孔37内液体压力大于中心管内部压力时，吸入橡胶36与上吸入锥体35之间可以分开。吸入弹簧33在吸入锥体35的推动下可以发生更大的压缩变形。吸入套31的上端与活塞22之间形成水泥收纳腔29。
水泥注入机构由注入橡胶塞41、注入锥体42、注入顶杆43、注入弹簧44、注入弹簧套45、注入套46组成。在中心管机构的的上连接器13侧边有轴向的孔道47，孔道47与水泥吸入机构的间隙腔38相连通。注入橡胶塞41与注入锥体42之间密封接触，当孔道47内有高压液体时，注入橡胶塞41与注入锥体42之间可以分开。注入弹簧44在注入锥体42的推动下可以发生更大的压缩变形。
水泥吸入机构和水泥注入机构是单向阀结构，其他任何可实现单向阀功能的机构均可应用于此处。
图8a、图8b、图8c分别是分段固井工具中水泥吸入机构的三种不同结构，图8a中吸入橡胶塞36与吸入锥体35之间密封接触为斜面接触；图8b中吸入橡胶塞362与吸入体352之间密封接触为平面接触；图8c中水泥吸入机构由吸入套31、吸入球座323、单向球343、吸入密封胶塞36组成。在吸入球座323的内侧上方设有水泥进入孔333，在吸入球座323的环向上形成多条水泥吸入轴向通道353。
图9a、图9b、图9c是分段固井工具中水泥注入机构的三种不同结构，图9a中注入橡胶塞41与注入锥体42之间密封接触为斜面接触；图9b中注入橡胶塞412与注入体422之间密封接触为平面接触；图9c中水泥注入机构由注入橡胶塞413、注入球座423、注入球433、注入套46组成。在注入球座423的内侧下方设有水泥注入孔453，在注入球座423的环向上形成多条水泥注入轴向通道443。
本发明分段固井工具不限于附图中所示的水泥吸入机构和水泥注入机构的结构，其他可实现该功能的结构均在本发明专利的保护范围之内。
胶筒密封机构由上护套51、上硫化接头52、胶筒53、下护套54、下硫化接头55组成。胶筒密封机构为常规的扩张式胶筒的结构，是已知技术。
以优选实施例图7说明分段固井工具的具体实施方式为：工具随固井工艺管柱一起下入，注水泥后，投胶塞碰压的时候胶塞把剪断销61剪断，中心管内部空间与活塞上部腔体24连通。胶塞碰压后，中心管机构内采取脉冲式给压，当中心管停止打压，其内部压力小于工具外部压力时，水泥从水泥吸入孔37进入，水泥推动吸入锥体35向上运动压缩弹簧，吸入橡胶36与吸入锥体35之间打开间隙，水泥沿着环空间隙38上行，进入到水泥收纳腔39。当中心管打压使管内压力高于工具外部压力时，活塞22上部腔体24充满高压液体，高压液体推动活塞22下行，推动水泥收纳腔内39内的水泥向下运动，并沿着环空间隙38、中心管轴向通道47向下运动，高压液体推动水泥注入机构的注入锥体42压缩弹簧向下运动，注入橡胶塞41与注入锥体42之间打开间隙，水泥沿着环空间隙48向下运动，进入到胶筒密封机构内部的环空间隙56，到达胶筒内部。胶筒密封机构为长段的扩张式胶筒。中心管不断脉冲给压，水泥不断地被挤入到胶筒53的内部，在内部水泥压力的作用下，胶筒不断扩张，最终扩张至套管内壁上，通过高的接触压力实现对水泥的分段，固井质量得到提高，同时实现永久的封固、分层。
在上述分段固井工具的优选实施例中，分段固井工具中活塞机构、水泥吸入机构和水泥注入机构均为一组，实施例不限于此，可以包含两组活塞机构、水泥吸入机构和水泥注入机构。当然，也可以包含多组胶筒密封机构、多组活塞机构、水泥吸入机构和水泥注入机构。
图10是本发明分段固井工具的另一个优选实施例，水泥吸入机构和水泥注入机构分别包含2组，分别置于胶筒密封机构的上方和下方，胶筒内水泥注入更加均匀，胶筒密封效果更好。
当然，本发明还包含其他优选实施例，如胶筒密封机构包含2组。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位指示或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种分段固井工具，其特征在于，包括中心管机构、至少一组活塞机构、至少一组水泥吸入机构、至少一组水泥注入机构、至少一组胶筒密封机构、至少一个剪断销，所述活塞机构、水泥吸入机构、水泥注入机构、胶筒密封机构均套装在中心管机构外部，所述胶筒密封机构上端或下端连接水泥注入机构，水泥注入机构连接水泥吸入机构，水泥吸入机构连接活塞机构，所述剪断销外端封堵在中心管机构开设的径向传压孔中，剪断销内端伸向于中心管机构内腔中；
所述中心管机构包括自上而下依次连接的上中心管、上连接器、下中心管，所述上中心管上端连接上接头，所述下中心管下端通过下连接器连接下接头；
所述活塞机构包括活塞套、活塞，所述活塞套上端连接上接头，下端连接水泥吸入机构的吸入套上端，所述活塞设置在活塞套内，活塞上方的腔体连通中心管机构开设的径向传压孔，活塞下方的空间形成水泥吸入机构的水泥收纳腔；
所述水泥吸入机构包括吸入套、吸入弹簧套、吸入弹簧、吸入顶杆、上吸入锥体、吸入橡胶塞、下吸入锥体，所述吸入套上端连接活塞套，吸入套内壁与上中心管外壁之间形成环空间隙，即第一环空间隙，吸入套内部安装上吸入锥体，所述下吸入锥体上端斜面上设置吸入橡胶塞，吸入橡胶塞上端对接上吸入锥体的下端斜面，所述上吸入锥体上端被吸入顶杆顶住，吸入顶杆上端连接吸入弹簧，吸入弹簧上端固定在吸入弹簧套上，吸入弹簧套上端固定在吸入套内部台阶面上，所述吸入套开设吸入孔，吸入孔对应吸入橡胶塞位置，所述下吸入锥体内壁和上连接器之间构成中心管轴向通道，所述水泥收纳腔、吸入套和上中心管之间的环空间隙、中心管轴向通道相互连通。
2.根据权利要求1所述的一种分段固井工具，其特征在于，所述水泥注入机构包括注入橡胶塞、注入锥体、注入顶杆、注入弹簧、注入弹簧套、注入套，所述注入套上端连接下吸入锥体，注入套内壁与下中心管外壁之间形成环空间隙，即第二环空间隙，所述注入锥体设置在注入套内部，注入锥体上端斜面与注入橡胶塞接触，注入橡胶塞套装在下中心管外壁，当注入锥体上端斜面顶住注入橡胶塞时，注入橡胶塞阻塞住中心管轴向通道与第二环空间隙的连通，注入锥体下端面被注入顶杆顶住，注入顶杆下端连接注入弹簧，注入弹簧下端连接注入弹簧套，注入弹簧套固定在注入套内壁开设的台阶面上。
3.根据权利要求2所述的一种分段固井工具，其特征在于，所述胶筒密封机构包括上护套、上硫化接头、胶筒、下护套、下硫化接头，所述胶筒套装在下中心管外部，胶筒和下中心管之间形成环空间隙，即第三环空间隙，所述胶筒上端外壁套装上护套，上护套上端连接注入套，胶筒下端外壁套装下护套，下护套下端连接下连接器，胶筒上端内壁连接上硫化接头，上硫化接头上端连接上护套内壁，胶筒下端内壁连接下硫化接头，下硫化接头下端连接下护套内壁，所述第二环空间隙与第三环空间隙连通。
4.根据权利要求1所述的一种分段固井工具，其特征在于，或者所述水泥吸入机构包括吸入套、吸入弹簧套、吸入弹簧、吸入顶杆、上吸入体、吸入橡胶塞、下吸入体，所述吸入套上端连接活塞套，吸入套内壁与上中心管外壁之间形成环空间隙，即第一环空间隙，吸入套内部安装上吸入体，所述下吸入体上端平面上设置吸入橡胶塞，吸入橡胶塞上端对接上吸入体的下端平面，所述上吸入体上端被吸入顶杆顶住，吸入顶杆上端连接吸入弹簧，吸入弹簧上端固定在吸入弹簧套上，吸入弹簧套上端固定在吸入套内部台阶面上，所述吸入套开设吸入孔，吸入孔对应吸入橡胶塞位置，所述下吸入体内壁和上连接器之间构成中心管轴向通道，所述水泥收纳腔、吸入套和上中心管之间的环空间隙、中心管轴向通道相互连通。
5.根据权利要求1所述的一种分段固井工具，其特征在于，或者所述水泥吸入机构包括吸入套、吸入球座、单向球、吸入橡胶塞、下吸入体，所述吸入套上端连接活塞套，吸入套内壁与上中心管外壁之间形成环空间隙，即第一环空间隙，吸入套内部安装吸入球座，吸入球座上半段开设径向的水泥进入孔，吸入球座下半段开设水泥吸入轴向通道，水泥吸入轴向通道上端口放置单向球，所述下吸入体上端平面上设置吸入橡胶塞，吸入橡胶塞上端对接吸入球座的下端平面，所述吸入球座上端顶在吸入套内部台阶面上，所述吸入套开设吸入孔，吸入孔对应吸入橡胶塞位置，所述下吸入体内壁和上连接器之间构成中心管轴向通道，所述水泥收纳腔、吸入套和上中心管之间的环空间隙、中心管轴向通道相互连通。
6.根据权利要求1所述的一种分段固井工具，其特征在于，所述水泥注入机构包括注入橡胶塞、注入体、注入顶杆、注入弹簧、注入弹簧套、注入套，所述注入套上端连接下吸入锥体，注入套内壁与下中心管外壁之间形成环空间隙，即第二环空间隙，所述注入体设置在注入套内部，注入体上端平面与注入橡胶塞接触，注入橡胶塞套装在上连接器上，当注入体上端平面顶住注入橡胶塞时，注入橡胶塞阻塞住中心管轴向通道与第二环空间隙的连通，注入体下端面被注入顶杆顶住，注入顶杆下端连接注入弹簧，注入弹簧下端连接注入弹簧套，注入弹簧套固定在注入套内壁开设的台阶面上。
7.根据权利要求1所述的一种分段固井工具，其特征在于，所述水泥注入机构包括注入橡胶塞、注入球座、注入球、注入套，所述注入套上端连接下吸入锥体，注入套内壁与下中心管外壁之间形成环空间隙，即第二环空间隙，所述注入球座设置在注入套内部，注入球座上端平面与注入橡胶塞接触，注入橡胶塞套装在上连接器上，注入球座开设轴向通道，轴向通道变径处安装注入球，注入球座底部开设水泥注入孔，水泥注入孔使第二环空间隙与轴向通道连通，轴向通道上端连通中心管轴向通道，注入球座上端内壁与下中心管外壁为密封状态。
8.一种采用如权利要求1～7任一所述的分段固井工具的分段固井工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，下入固井工艺管柱，固井工艺管柱包括套管、分段固井工具、分级箍/浮箍，所述分段固井工具连接在套管上，所述分级箍/浮箍连接在套管最底部，所述分段固井工具至少设置一个；
步骤二，按照设计水泥量，注入水泥浆固井；
步骤三，投入胶塞碰压；
步骤四，在胶塞碰压的同时，打开分段固井工具的内部液体进入通道；
步骤五，地面停止打压，分段固井工具外部水泥浆的压力大于其内部液体的压力，水泥浆进入分段固井工具的水泥收纳腔；
步骤六，中心管打压，使分段固井工具内部压力大于外部水泥浆的压力，推动分段固井工具水泥收纳腔内的水泥进入分段固井工具的胶筒内部；
步骤七，多次进行步骤五、步骤六，即中心管间歇重复打压，直至胶筒被完全张开，并密封封隔套管外环空；
步骤八，侯凝，实现分段固井。
9.根据权利要求8所述的一种分段固井工艺方法，其特征在于，所述步骤四、步骤五、步骤六、步骤七中的分段固井工具的工作过程为，水泥吸入机构实现在中心管内压力小于工具外部压力时，水泥自工具外部进入水泥腔中，暂时储存；活塞机构实现在中心管内压力大于工具外部压力时，将水泥自水泥收纳腔内注入到水泥注入机构；水泥注入机构实现将水泥注入到胶筒密封机构内部；胶筒密封机构为长段的扩张式胶筒，在内部水泥压力的作用下，不断扩张，最终扩张至套管内壁上，并通过高的接触压力实现了对水泥的分段，固井质量得到提高，同时实现永久的封固、分层。
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