CN111472689A - 一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置及作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置及作业方法，该装置主要包括尾管钻进组件，内管钻进组件和膨胀悬挂组件三大部分；尾管钻进组件包括辅助扩眼钻头、扩眼驱动机构和旋转密封机构等；内管钻进组件主要由随钻扩眼钻头、底部钻具组合、锚定机构、马达和中心管、内管等构成，膨胀悬挂组件主要由膨胀悬挂器、膨胀锥、密封堵头、尾管和传压机构等构成。本装置可进行尾管导向钻进作业，实现旋转导向钻进和随钻测量，内管钻进组件一次性全部回收，尾管可充当技术套管完井，为后续钻进提供条件，解决克服漏失以及井眼不稳定等问题，实现尾管回接和裸眼封堵的方式封隔复杂层，从而减少井下事故，提高了钻井安全性。

Description

一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置及作业方法

技术领域

本发明涉及石油天然气行业钻井完井技术领域可实现尾管钻进作业和膨胀悬挂作业的井下装置，特别是一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置及作业方法。

背景技术

尾管钻井技术是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。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；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；专利201510655103.6公开了一种膨胀式尾管钻井作业装置及其作业方法，其中一种膨胀式尾管钻井作业装置，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、密封中心管和设置在密封中心管内的浮箍、球座；尾管连接及启动组件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：与密封中心管通过剪切销钉连接的花键轴，与花键轴连接的在其中心管，和设在花键轴上方的膨胀锥，密封中心管上部设有密封头，花键轴外设有花键头；外管柱包括：与膨胀套管连接的膨胀启动器，连接在膨胀启动器下方的锁定短节和空心扩眼钻头，锁定短节下部设有与密封中心管上部密封头阻挡配合的剪切座，且密封头与锁定短节构成轴向滑动密封配合，锁定短节上部设有与花键轴外设花键头滑动配合的花键槽，膨胀锥与膨胀启动器的膨胀锥面形成密封配合；尾管膨胀组件位于尾管钻井作业装置上部，包括膨胀套管、固化在膨胀套管外的膨胀悬挂器、连接在膨胀套管顶部的膨胀喇叭口，以及贯穿膨胀喇叭口向下与花键轴连接的在其中心管。该装置和方法将尾管钻井和膨胀套管结合为一次实现，但仅仅能实现膨胀管柱回收，尾管钻进管柱永久性留在井底，为一次性尾管钻井和完井装置。上述公开的尾管钻井技术均采用尾管充当完井尾管进行完井作业，难以进行旋转导向钻井和随钻测量，无法进行后续钻进作业，无法充当技术套管封隔地层。

发明内容

本发明的目的是针对现有尾管钻井所面临的难题，提出一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置及作业方法。本发明不仅将膨胀悬挂器技术与尾管钻井技术有机结合在一起，可在底部钻具上安装随钻测量设备进行旋转导向钻井，并可实现在尾管完成钻井作业后进行膨胀悬挂作业，坐挂后内管一次性回收，可充当技术套管封隔复杂地层后可继续钻进。

为了解决以上技术问题，本发明是通过采用以下技术方案方式实现的：

一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置，包括内管钻具组件、尾管钻进组件和膨胀悬挂组件；内管钻进组件包括内管和自上而下依次连接内管上的随钻扩眼钻头、底部钻具组合、球座、锚定机构、马达、中心管和传压机构，在中心管外壁设有打捞接头；尾管钻进组件套装在内管钻具组件中的锚定机构外部，包括空心结构的辅助扩眼钻头和连接在辅助扩眼钻头上部的扩眼驱动机构；膨胀悬挂组件套在内管钻具组件和尾管钻进组件的外部，自上而下依次包括自上而下依次连接的膨胀喇叭口、膨胀悬挂器、变扣接头和尾管，以及设置在膨胀喇叭口与内管之间的喇叭口挡块、设置在膨胀悬挂器与内管之间的膨胀锥、密封堵头；其中：

膨胀悬挂器为一段可膨胀的套管，外部硫化有多段密封橡胶，膨胀悬挂器下部预膨胀段与变扣接头连接，变扣接头下部缩径段与尾管连接；膨胀锥设置在膨胀悬挂器下端预置的预膨胀段内，膨胀锥内与内管轴向滑动密封配合，膨胀锥外与膨胀悬挂器构成轴向密封滑动扩径配合，密封堵头连接在变扣接头上端口，密封堵头与中心管构成轴向密封滑动配合，膨胀锥和密封堵头与膨胀悬挂器下端预置的预膨胀段构成环形密闭活塞腔；传压机构设置在中心管顶部与内管连接端，传压机构内设有脉冲压力阀，传压机构周向设有与脉冲压力阀连通的传压孔，传压孔对应于膨胀锥和密封堵头之间的活塞腔处；锚定机构设置在在中心管底部与内管连接端，锚定机构内置弹性锚爪，锚爪与扩眼驱动机构锚爪槽构成径向锚定配合；扩眼驱动机构外部尾管构成旋转密封配合，扩眼驱动机构下部与辅助扩眼钻头连接联动。

上述方案进一步包括：

在膨胀锥下部的内管固定有锥坐键，膨胀锥与锥坐键构成轴向键槽配合。

在扩眼驱动机构与尾管之间设有旋转密封机构。

所述旋转密封机构包括密封轴承。

所述的底部钻具组合8包括旁通阀、螺杆钻具、螺旋稳定器和旋转导向工具的一种或几种组合。

一种利用膨胀悬挂式尾管钻井作业装置的作业方法，包括以下步骤：

步骤一尾管钻进组件装配：依次下入辅助扩眼钻头、扩眼驱动机构、旋转密封机构、尾管；

步骤二膨胀悬挂式尾管钻井作业装置下入：先连接下入内管钻进组件，并与膨胀悬挂组件相连，然后将膨胀悬挂组件与尾管钻进组件连接，再采用钻杆伴送的方式下入；

步骤三尾管钻进：滑动钻进时，先使锚定机构实现与扩眼驱动机构的锚定，马达驱动随钻扩眼钻头和辅助扩眼钻头旋转，实现随钻扩眼和辅助扩眼同步进行，马达以上的内管钻进组件和尾管不旋转；复合钻进时，井口转动转盘和钻杆，尾管钻进组件和内管钻进组件均转动，实现尾管钻进组件复合钻进，膨胀悬挂式尾管钻井作业装置随钻下入裸眼井眼；

步骤四固井作业：先解除锚定机构与扩眼驱动机构间的锚定，再进行固井作业，投入胶塞顶替，在球座处碰压；

步骤五膨胀悬挂作业：固井碰压后，打开传压机构的传压孔，压力传递至膨胀锥处，通过液压力和机械力实现膨胀悬挂器的膨胀坐挂，完成尾管悬挂作业；

步骤六起出内管钻进组件：膨胀悬挂器坐挂后，起出内管钻进组件；

步骤七后续钻进作业：下入钻头扫水泥塞，继续进行后续钻进作业。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)采用随钻扩眼钻头和辅助扩眼钻头相结合的钻进扩眼方式，有效保证了尾管随钻下入的安全性；

(2)尾管钻进及悬挂后，内管钻进组件一次性全部回收，尾管可充当技术套管完井，为后续钻进提供条件；

(3)本装置可在内管钻进组件上安装LWD或MWD等随钻测量仪器，实现旋转导向钻进和随钻测量。

(4)采用锚定机构和扩眼驱动机构、旋转密封机构配合设计，可同时实现尾管滑动钻进和复合钻进，提高钻进速度；

(5)本装置可通过膨胀悬挂器和水泥浆封固，实现尾管回接和裸眼封堵的方式封隔复杂层，保障钻井安全。

附图说明

图1为本发明的一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置结构示意图；

图2为本发明的一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置尾管管柱装配示意图；

图3为本发明的一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置下入示意图；

图4为本发明的一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置尾管钻进示意图；

图5为本发明的一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置尾管固井作业示意图；

图6为本发明的一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置坐挂示意图；

图7为本发明的一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置完井示意图；

图8为本发明的一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置后续钻进作业示意图。

图中：1.内管钻进组件，2.尾管钻进组件，3.膨胀悬挂组件，4.随钻扩眼钻头，5.辅助扩眼钻头，6.扩眼驱动机构，7.旋转密封机构，8.底部钻具组合，9.锚定机构，10.马达，11.尾管，12.变扣接头，13.膨胀悬挂器，14. 膨胀锥，15.锥坐键，16.密封堵头，17.传压机构，18.传压孔，19.膨胀喇叭口，20喇叭口挡块，21.密封橡胶，22.中心管，23.打捞接头，24.内管，25. 钻杆，26.上层套管，27.球座，28.胶塞，29.裸眼井眼，30.钻头。

具体实施方式

现结合说明书附图对发明专利作进一步的描述。

实施例1：一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置，包括内管钻具组件1、尾管钻进组件2和膨胀悬挂组件3；内管钻进组件1包括内管24和自上而下依次连接内管24上的随钻扩眼钻头4、底部钻具组合8、球座27、锚定机构9、马达10、中心管22和传压机构17，在中心管22外壁设有打捞接头23；尾管钻进组件2套装在内管钻具组件1中的锚定机构9外部，包括空心结构的辅助扩眼钻头5和连接在辅助扩眼钻头5上部的扩眼驱动机构 6；膨胀悬挂组件3套在内管钻具组件1和尾管钻进组件2的外部，自上而下依次包括自上而下依次连接的膨胀喇叭口19、膨胀悬挂器13、变扣接头 12和尾管11，以及设置在膨胀喇叭口19与内管24之间的喇叭口挡块20、设置在膨胀悬挂器13与内管24之间的膨胀锥14、密封堵头16；其中：

膨胀悬挂器13为一段可膨胀的套管，外部硫化有多段密封橡胶21，膨胀悬挂器13下部预膨胀段与变扣接头12连接，变扣接头12下部缩径段与尾管11连接；膨胀锥14设置在膨胀悬挂器13下端预置的预膨胀段内，膨胀锥14内与内管24轴向滑动密封配合，膨胀锥14外与膨胀悬挂器13 构成轴向密封滑动扩径配合，密封堵头16连接在变扣接头12上端口，密封堵头16与中心管22构成轴向密封滑动配合，膨胀锥14和密封堵头16 与膨胀悬挂器13下端预置的预膨胀段构成环形密闭活塞腔；传压机构17 设置在中心管22顶部与内管24连接端，传压机构17内设有脉冲压力阀，传压机构17周向设有与脉冲压力阀连通的传压孔，传压孔对应于膨胀锥 14和密封堵头16之间的活塞腔处；锚定机构9设置在在中心管22底部与内管24连接端，锚定机构9内置弹性锚爪，锚爪与扩眼驱动机构6锚爪槽构成径向锚定配合；扩眼驱动机构6外部尾管11构成旋转密封配合，扩眼驱动机构6下部与辅助扩眼钻头5连接联动。

实施例2：在实施例1的基础上进一步包括：

在膨胀锥14下部的内管24固定有锥坐键15，膨胀锥14与锥坐键15 构成轴向键槽配合。

在扩眼驱动机构6与尾管11之间设有旋转密封机构7，旋转密封机构 7包括密封轴承。

所述的底部钻具组合8包括旁通阀、螺杆钻具、螺旋稳定器和旋转导向工具等，可根据实际需要进行调整，可安装LWD或MWD等随钻测量仪器，实现定向钻进和随钻测量。

典型实施例3：参照图1～图8，一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置，包括内管钻进组件1、尾管钻进组件2和膨胀悬挂组件3三大部分。

尾管钻进组件2为尾管钻井装置的外管柱，包括辅助扩眼钻头5、扩眼驱动机构6和旋转密封机构7。辅助扩眼钻头5为可与尾管11连接的空心PDC套管扩眼钻头，扩眼驱动机构6连接在辅助扩眼钻头5上部，旋转密封机构7上安装有密封轴承，可实现旋转密封，扩眼驱动机构6和尾管 11之间通过旋转密封机7构形成旋转的动密封，尾管11不随辅助扩眼钻头5转动。

内管钻进组件1为尾管钻井装置的内管柱，主要包括随钻扩眼钻头4、底部钻具组合8、球座27、锚定机构9、马达10和中心管22、内管24，其中随钻扩眼钻头4、底部钻具组合8和球座27伸出尾管钻进组件2，锚定机构9、马达10和中心管22、内管24位于尾管钻进组件2内部。

锚定机构9将尾管钻进组件2的扩眼驱动机构6与内管钻进组件1的辅助扩眼钻头4连接。锚定机构9位于尾管钻进组件2的扩眼驱动机构6 内，初始状态下，锚定机构9上的锚爪呈收缩状态，通过钻井液脉冲信号可伸出锚爪，实现锚定机构9和扩眼驱动机构6之间锚定。

马达10带动内管钻进组件1转动，锚定机构9带动尾管钻进组件2的扩眼驱动机构6和辅助扩眼钻头5转动，实现辅助扩眼钻头5和随钻扩眼钻头4同步钻进。底部钻具组合8包括旁通阀、螺杆钻具、螺旋稳定器和旋转导向工具，可根据实际需要进行调整，可安装LWD或MWD类型的随钻测量仪器，实现定向钻进和随钻测量。

膨胀悬挂组件3位于尾管钻井装置的上部，实现尾管11的下入和悬挂，主要包括膨胀悬挂器13、变扣接头12、膨胀锥14、锥坐键15和传压机构 18。膨胀悬挂器13为一段可膨胀的套管短节，外部硫化有多段密封橡胶 21，上部加工有膨胀喇叭口19和喇叭口挡块20，下部通过变扣接头12与尾管11连接。在膨胀悬挂器13下端的预膨胀段内预置有膨胀锥14和密封堵头16，在锥坐键15下部的中心管22上安装有密封堵头16和打捞接头 23，密封堵头16可沿中心管22滑动，中心管22与内管钻进组件1的内管 24连接。锥坐键15上设有花键，膨胀锥14内设有与花键相配合的花键槽，传压机构17内设有在液压状态下可打开的传压孔18。

实施例4：根据前述膨胀悬挂式尾管钻井作业装置的作业方法，包括以下步骤：

步骤一，尾管钻进组件2装配：参照附图2，依次下入辅助扩眼钻头5、扩眼驱动机构6、旋转密封机构7、尾管11。

步骤二，膨胀悬挂式尾管钻井装置下入：首先依次下入内管钻进组件 1中的随钻扩眼钻头4、底部钻具组合8、球座27、内管24、锚定机构9、马达10，并将膨胀悬挂组件3和内管钻进组件1相连，然后将膨胀悬挂组件3的变扣接头12与尾管11连接，再采用钻杆25伴送的方式下入膨胀悬挂式尾管钻井装置，参照附图3。

步骤三，尾管钻进：滑动钻进时，先通过钻井液脉冲信号使锚定机构 9动作，实现与扩眼驱动机构6的锚定，马达10带动随钻扩眼钻头4转动，同时通过锚定机构9和扩眼驱动机构6带动辅助扩眼钻头5旋转，实现随钻扩眼和辅助扩眼同步进行，但马达10以上的内管钻进组件1和尾管11 不旋转；复合钻进时，井口转动转盘和钻杆25，钻杆25和马达10共同作用，实现尾管钻进组件2复合钻进，膨胀悬挂式尾管钻井装置随钻下入裸眼井眼29，参照附图4。

步骤四，固井作业：尾管钻井装置钻达目的层后，先通过钻井液脉冲信号解除锚定机构9与扩眼驱动机构6间的锚定，再进行固井作业，投入胶塞28顶替，在球座27处碰压，参照附图5。若底部钻具组合8上带有 LWD、MWD类型的仪器设备，可不进行固井作业。

步骤五，膨胀悬挂作业：固井碰压后，打压使位于传压机构17上的传压孔18打开，压力传递至膨胀锥14处，继续打压，通过液压力和机械力实现膨胀悬挂器13的膨胀坐挂，将密封橡胶21挤压在膨胀悬挂器13和上层套管26之间，完成尾管悬挂作业，参照附图6。

步骤六，起出内管钻进组件：膨胀悬挂器13坐挂后，上提钻具，起出内管钻进组件1，密封堵头16通过中心管22和打捞接头23同时起出，参照附图7。

步骤七，后续钻进作业：下入钻头30扫水泥塞，并继续进行后续钻进作业，参照附图8。

本膨胀悬挂式尾管钻井作业装置，采用随钻扩眼钻头4和辅助扩眼钻头5相结合的钻进扩眼方式，实现旋转导向钻进和随钻测量，内管钻进组件1一次性全部回收，尾管11充当技术套管完井，为后续钻进提供条件，克服了漏失以及井眼不稳定等问题，实现尾管11回接和裸眼封堵的方式封隔复杂层，从而减少井下事故，提高了钻井安全性。

Claims (6)

1.一种膨胀悬挂式尾管钻井作业装置，包括内管钻具组件(1)、尾管钻进组件(2)和膨胀悬挂组件(3)；其特征在于：内管钻进组件(1)包括内管(24)和自上而下依次连接内管(24)上的随钻扩眼钻头(4)、底部钻具组合(8)、球座(27)、锚定机构(9)、马达(10)、中心管(22)和传压机构(17)，在中心管(22)外壁设有打捞接头(23)；尾管钻进组件(2)套装在内管钻具组件(1)中的锚定机构(9)外部，包括空心结构的辅助扩眼钻头(5)和连接在辅助扩眼钻头(5)上部的扩眼驱动机构(6)；膨胀悬挂组件(3)套在内管钻具组件(1)和尾管钻进组件(2)的外部，自上而下依次包括自上而下依次连接的膨胀喇叭口(19)、膨胀悬挂器(13)、变扣接头(12)和尾管(11)，以及设置在膨胀喇叭口(19)与内管(24)之间的喇叭口挡块(20)、设置在膨胀悬挂器(13)与内管(24)之间的膨胀锥(14)、密封堵头(16)；其中：

膨胀悬挂器(13)为一段可膨胀的套管，外部硫化有多段密封橡胶(21)，膨胀悬挂器(13)下部预膨胀段与变扣接头(12)连接，变扣接头(12)下部缩径段与尾管(11)连接；膨胀锥(14)设置在膨胀悬挂器(13)下端预置的预膨胀段内，膨胀锥(14)内与内管(24)轴向滑动密封配合，膨胀锥(14)外与膨胀悬挂器(13)构成轴向密封滑动扩径配合，密封堵头(16)连接在变扣接头(12)上端口，密封堵头(16)与中心管(22)构成轴向密封滑动配合，膨胀锥(14)和密封堵头(16)与膨胀悬挂器(13)下端预置的预膨胀段构成环形密闭活塞腔；传压机构(17)设置在中心管(22)顶部与内管(24)连接端，传压机构(17)内设有脉冲压力阀，传压机构(17)周向设有与脉冲压力阀连通的传压孔，传压孔对应于膨胀锥(14)和密封堵头(16)之间的活塞腔处；锚定机构(9)设置在在中心管(22)底部与内管(24)连接端，锚定机构(9)内置弹性锚爪，锚爪与扩眼驱动机构(6)锚爪槽构成径向锚定配合；扩眼驱动机构(6)外部尾管(11)构成旋转密封配合，扩眼驱动机构(6)下部与辅助扩眼钻头(5)连接联动。

2.根据权利要求1所述的膨胀悬挂式尾管钻井作业装置，其特征在于：在膨胀锥(14)下部的内管(24)固定有锥坐键(15)，膨胀锥(14)与锥坐键(15)构成轴向键槽配合。

3.根据权利要求2所述的膨胀悬挂式尾管钻井作业装置，其特征在于：在扩眼驱动机构(6)与尾管(11)之间设有旋转密封机构(7)。

4.根据权利要求3所述的膨胀悬挂式尾管钻井作业装置，其特征在于：所述旋转密封机构(7)包括密封轴承。

5.根据权利要求1或2、3、4所述的膨胀悬挂式尾管钻井作业装置，其特征在于：所述的底部钻具组合(8)包括旁通阀、螺杆钻具、螺旋稳定器和旋转导向工具的一种或几种组合。

6.一种利用权利要求3或4所述膨胀悬挂式尾管钻井作业装置的作业方法，包括以下步骤：

步骤一尾管钻进组件装配：依次下入辅助扩眼钻头、扩眼驱动机构、旋转密封机构、尾管；

步骤二膨胀悬挂式尾管钻井作业装置下入：先连接下入内管钻进组件，并与膨胀悬挂组件相连，然后将膨胀悬挂组件与尾管钻进组件连接，再采用钻杆伴送的方式下入；

步骤三尾管钻进：滑动钻进时，先使锚定机构实现与扩眼驱动机构的锚定，马达驱动随钻扩眼钻头和辅助扩眼钻头旋转，实现随钻扩眼和辅助扩眼同步进行，马达以上的内管钻进组件和尾管不旋转；复合钻进时，井口转动转盘和钻杆，尾管钻进组件和内管钻进组件均转动，实现尾管钻进组件复合钻进，膨胀悬挂式尾管钻井作业装置随钻下入裸眼井眼；

步骤四固井作业：先解除锚定机构与扩眼驱动机构间的锚定，再进行固井作业，投入胶塞顶替，在球座处碰压；

步骤五膨胀悬挂作业：固井碰压后，打开传压机构的传压孔，压力传递至膨胀锥处，通过液压力和机械力实现膨胀悬挂器的膨胀坐挂，完成尾管悬挂作业；

步骤六起出内管钻进组件：膨胀悬挂器坐挂后，起出内管钻进组件；

步骤七后续钻进作业：下入钻头扫水泥塞，继续进行后续钻进作业。

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