CN111852389A - 控制套管剪切变形的固井装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种控制套管剪切变形的固井装置，其包括：同心管柱，其包括内套管和外套管；第一封隔器；其连接于同心管柱上端；第一封隔器的侧壁上设置有第一通孔；第二封隔器；其连接于同心管柱的下端；第二封隔器的侧壁上设置有第二通孔；控制阀系，其包括第一控制阀和第二控制阀；控制套管剪切变形的固井装置具有第一控制阀密封第一进液口的第一工作状态、第一控制阀打开第一进液口的第二工作状态、第一控制阀打开第一进液口且第二控制阀密封第二进液口的第三工作状态、第一控制阀和第二控制阀分别打开第一进液口和第二进液口的第四工作状态。本申请实施方式提供了一种能减缓套管剪切变形的控制套管剪切变形的固井装置。

Description

控制套管剪切变形的固井装置

技术领域

本申请涉及石油天然气钻井技术领域，尤其涉及一种控制套管剪切变形的固井装置。

背景技术

页岩气的规模开采已逐步实现高产和稳产，作为替代能源弥补油气能源短缺成为可能。但是在页岩气水平井完井阶段的水力压裂过程中，时常伴随套管变形问题发生。套管变形不仅导致压裂段数减少，单井产量下降，同时降低井筒的完整性，缩短井的生命周期，严重制约着页岩气的高效开发。

套管剪切变形主要是由于在页岩气水平井多级压裂过程中，大量液体被注入到地层中，导致天然裂缝摩擦系数和有效应力降低，进而导致断层被激活，激活后的断层产生滑移，使得穿过天然裂缝的套管产生剪切变形。对此现有的及解决套管剪切变形的方案主要包括：提高套管壁厚和强度、优化水泥石性能等手段。但是实践表明增加套管的强度对缓解岩层滑移引起套损的作用微乎其微，套变率仍然非常高。反之降低滑移面附近套管和水泥环的刚度可以缓解套管变形，但改变水泥石性能也难以解决套管剪切破坏的问题。

因此，有必要提出一种控制套管剪切变形的固井装置，以能解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施方式提供了一种能减缓套管剪切变形的控制套管剪切变形的固井装置。

为实现上述目的，本申请提供了如下的技术方案：一种控制套管剪切变形的固井装置，包括：同心管柱，其包括内套管和套设于所述内套管外的外套管；所述内套管与所述外套管之间形成液流通道；第一封隔器；其连接于所述同心管柱的上端；所述第一封隔器的侧壁上设置有与所述液流通道相连通的第一通孔；第二封隔器；其连接于所述同心管柱的下端；所述第二封隔器的侧壁上设置有与所述液流通道相连通的第二通孔；控制阀系，其包括依次设置于所述内套管中的第一控制阀和第二控制阀；所述第一控制阀和所述第二控制阀分别具有第一进液口和第二进液口；所述控制套管剪切变形的固井装置至少具有所述第一控制阀密封所述第一进液口以使所述第一封隔器能径向膨胀的第一工作状态、所述第一控制阀打开所述第一进液口以使所述第一封隔器能坐封的第二工作状态、所述第一控制阀打开所述第一进液口且所述第二控制阀密封所述第二进液口以使所述第二封隔器能径向膨胀的第三工作状态、所述第一控制阀和所述第二控制阀分别打开所述第一进液口和所述第二进液口以使所述第一封隔器和所述第二封隔器均能坐封进而使固井液能从第二通孔流入所述液流通道并从第一通孔流出的第四工作状态。

作为一种优选的实施方式，所述第一封隔器包括具有第一流道的第一本体和套设于所述第一本体外的第一胶筒；所述第一本体与所述第一胶筒之间形成第一密封空间，所述第一本体上设置有第一进液阀系，在所述第一工作状态下，所述第一进液阀系连通所述第一流道与所述第一密封空间，以使所述第一胶筒能在流体作用下向外膨胀；在所述第二工作状态下，所述第一进液阀系封堵所述第一密封空间以使所述第一胶筒能坐封。

作为一种优选的实施方式，所述第一本体上设置有第一安装孔和第二安装孔；所述第一安装孔与所述第一流道相连通；所述第一进液阀系包括安装于所述第一安装孔内的第一进液阀和安装于所述第二安装孔内的第二进液阀；所述第一本体上还设置有与所述第一密封空间相连通的第一流通通道；所述第一进液阀和所述第二进液阀分别具有第一阀芯和第二阀芯；所述第一流通通道包括第一通道和第二通道；在所述第一工作状态下，所述第一阀芯在所述第一流道内的流体压力下收缩以使所述第二安装孔与所述第一安装孔相连通；所述第二进液阀密封所述第二通道以使所述第一通道与所述第二安装孔相连通，在所述第二工作状态下，第二阀芯在所述第二通道内的流体压力下收缩以密封所述第一流通通道。

作为一种优选的实施方式，所述第一通道和所述第二通道平行设置；所述第二安装孔的端面上设置有用于与所述第一通道相连通的第一端孔；所述第二安装孔的侧壁上设置有用于与所述第二通道相连通的第一壁孔，所述第二进液阀的外壁与所述第二安装孔的内壁密封配合；在所述第一工作状态下，所述第二阀芯伸长以密封所述第一端孔；在所述第二工作状态下，所述第二阀芯收缩以密封所述第一壁孔。

作为一种优选的实施方式，所述第二封隔器包括具有第二流道的第二本体和套设于所述第二本体外的第二胶筒；所述第二本体与所述第二胶筒之间形成第二密封空间，所述第二本体上设置有第二进液阀系，在所述第三工作状态下，所述第二进液阀系连通所述第二流道与所述第二密封空间，以使所述第二胶筒能在流体作用下向外膨胀；在所述第四工作状态下，所述第二进液阀系封堵所述第二密封空间以使所述第二胶筒能坐封。

作为一种优选的实施方式，所述内套管包括位于所述第一封隔器和所述第二封隔器之间的第一延伸段；所述第一延伸端的两端分别伸入所述第一本体和所述第二本体内，所述外套管的两端分别与所述第一本体和所述第二本体相连。

作为一种优选的实施方式，所述第一控制阀包括第一滑动套筒和第一球座；所述第一滑动套筒穿设于内套管中；所述第一球座至少部分穿设于所述第一滑动套筒中；所述第一进液口为设置于所述第一球座上的第一中心孔；在所述第一工作状态下，所述第一中心孔的孔径小于外部封堵球的直径；在所述第二工作状态下，所述第一球座径向扩张以使所述外部封堵球能通过所述第一中心孔。

作为一种优选的实施方式，所述第一滑动套筒上还设置有第一开孔；所述内套管的内壁上还设置有第一限位槽；所述第一球座径向扩张时能通过所述第一开孔伸入所述第一限位槽中。

作为一种优选的实施方式，所述第一滑动套筒通过第一剪钉与所述内套管相连；所述第一滑动套筒能在所述第一剪钉剪断后沿所述内套管滑动，以使所述第一球座能径向扩张。

作为一种优选的实施方式，所述第一滑动套筒内还穿设有第一扩张筒以及位于所述第一扩张筒与所述第一滑动套筒之间的第一弹性件；所述第一扩张筒具有第一斜面，所述第一球座具有面对所述第一斜面的第二斜面；所述第一弹性件用于向所述扩张筒施加弹力，以使所述第二斜面能沿所述第一斜面滑动，进而使所述球座径向扩张。

借由以上的技术方案，本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置通过设置同心管柱、第一封隔器、第二封隔器、控制阀系使得第一封隔器和第二封隔器能分别在断层或者易变形的地层两端坐封，从而可以通过同心管柱内的液流通道和第一封隔器上的第一通孔以及第二封隔器上的第二通孔使得水泥浆能绕过断层或者易变形的地层注入套管与井壁间的环空中，如此一方面保障固井作业的正常进行，另一方面为断层滑移提供空间，进而达到断层滑移后减缓套管剪切变形的目的。进一步地，采用同心管柱增加管柱的抗剪切强度，以增强减缓套管剪切变形的效果。因此，本申请实施方式提供了一种能减缓套管剪切变形的控制套管剪切变形的固井装置。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：

图1为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置下入施工井段的初始状态的结构示意图；

图2为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置下入施工井段后投入外部封堵球后状态的示意图；

图3为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置的第一工作状态的示意图；

图4为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置的第二工作状态的示意图；

图5为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置的中间状态的示意图；

图6为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置的第三工作状态的示意图；

图7为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置的第四工作状态的示意图；

图8为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第一控制阀的结构示意图；

图9为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第二控制阀的结构示意图；

图10为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第一封隔器的结构示意图；

图11为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第二封隔器的结构示意图；

图12为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第一进液阀的结构示意图；

图13为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第二进液阀的结构示意图；

图14为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第三进液阀的结构示意图；

图15为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第一球座的结构示意图；

图16为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第一封隔器的剖视图；

图17为图16中A部分的放大图；

图18为图16中沿G-G方向的剖视图；

图19为图18中C部分的放大图；

图20为本申请实施方式的控制套管剪切变形的固井装置中第二封隔器的剖视图；

图21为图20中B部分的放大图；

图22为图20中沿F-F方向的剖视图；

图23为图22中D部分的放大图。

附图标记说明：

11、内套管；12、外套管；13、液流通道；14、第一封隔器；15、第二封隔器；17、第一通孔；19、第二通孔；21、第一控制阀；29、第二控制阀；31、第一进液口；33、第二进液口；35、第一本体；37、第一胶筒；39、第一流道；41、第一密封空间；43、第一安装孔；45、第二安装孔；47、第三安装孔；49、第四安装孔；51、第五安装孔；53、第六安装孔；55、第二本体；57、第二胶筒；59、第二流道；61、第二密封空间；63、第一进液阀；65、第二进液阀；67、第三进液阀；69、第四进液阀；71、第五进液阀；73、第六进液阀；75、第一通道；77、第二通道；79、第三通道；81、第四通道；83、第一端孔；85、第二端孔；87、第一壁孔；89、第二壁孔；91、第一滑动套筒；93、第二滑动套筒；95、第一球座；97、第二球座；99、第一开孔；16、第二开孔；18、第一限位槽；20、第二限位槽；22、第一剪钉；23、第二剪钉；24、第一扩张筒；25、第二扩张筒；26、第一弹性件；27、第二弹性件；28、第一导向筒；30、第二导向筒；32、外部封堵球；34、第一柱状凸台；36、第一杆体；38、第二杆体；40、第三杆体；42、第一阀芯；44、第二阀芯；46、第三阀芯；50、第三弹簧。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

请参阅图1至图23，本实施方式所提供的一种控制套管剪切变形的固井装置，包括：同心管柱，其包括内套管11和套设于所述内套管11外的外套管12；所述内套管11与所述外套管12之间形成液流通道13；第一封隔器14；其连接于所述同心管柱的上端；所述第一封隔器14的侧壁上设置有与所述液流通道13相连通的第一通孔17；第二封隔器15；其连接于所述同心管柱的下端；所述第二封隔器15的侧壁上设置有与所述液流通道13相连通的第二通孔19；控制阀系，其包括依次设置于所述内套管11中的第一控制阀21和第二控制阀29；所述第一控制阀21和所述第二控制阀29分别具有第一进液口31和第二进液口33；所述控制套管剪切变形的固井装置至少具有所述第一控制阀21密封所述第一进液口31以使所述第一封隔器14能径向膨胀的第一工作状态、所述第一控制阀21打开所述第一进液口31以使所述第一封隔器14能坐封的第二工作状态、所述第一控制阀21打开所述第一进液口31且所述第二控制阀29密封所述第二进液口33以使所述第二封隔器15能径向膨胀的第三工作状态、所述第一控制阀21和所述第二控制阀29分别打开所述第一进液口31和所述第二进液口33以使所述第一封隔器14和所述第二封隔器15均能坐封进而使固井液能从第二通孔19流入所述液流通道13并从第一通孔17流出的第四工作状态。

固井时，首先将第一封隔器14与外部管柱相连。然后通过外部管柱将控制套管剪切变形的固井装置下入井中，并使第一封隔器14和第二封隔器15分别放置在断层或者易变形的地层两端。接着向内套管11中投入外部封堵球32并向内套管11中注入流体，以使得控制套管剪切变形的固井装置分别处于第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态直至第四工作状态。如此当控制套管剪切变形的固井装置处于第四工作状态时，第一封隔器14和第二封隔器15分隔套管与井壁间的环空，此时向内套管11中注入水泥浆，以使得水泥浆能通过内套管11流入第二封隔器15以下的环空中，并通过第二通孔19进入液流通道13中，进而通过第一通孔17进入第一封隔器14以上的环空中，如此同心管柱之间形成的液流通道13充当水泥浆上返通道，而易变行地层井壁与套管之间的环空不固井。

由以上方案可以看出，本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置通过设置同心管柱、第一封隔器14、第二封隔器15、控制阀系使得第一封隔器14和第二封隔器15能分别在断层或者易变形的地层两端坐封，从而可以通过同心管柱内的液流通道13和第一封隔器14上的第一通孔17以及第二封隔器15上的第二通孔19使得水泥浆能绕过断层或者易变形的地层注入套管与井壁间的环空中，如此一方面保障固井作业的正常进行，另一方面为断层滑移提供空间，进而达到断层滑移后减缓套管剪切变形的目的。进一步地，采用同心管柱增加管柱的抗剪切强度，以增强减缓套管剪切变形的效果。

如图1所示，在本实施方式中，同心管柱包括内套管11和套设于内套管11外的外套管12。也即内套管11和外套管12相互套合形成同心管柱。进一步地，内套管11与外套管12之间形成液流通道13。具体地，例如如图1所示，外套管12内径大于内套管11外径。该液流通道13为内套管11与外套管12之间所形成的环形空间。

在本实施方式中，第一封隔器14连接于同心管柱的上端。具体地，如图10所示，第一封隔器14包括具有第一流道39的第一本体35和套设于第一本体35外的第一胶筒37。该第一本体35与第一胶筒37之间形成第一密封空间41。进一步地，第一本体35的上端用于与外部管柱相连。该连接方式可以是螺钉连接、螺栓连接、焊接、一体成型等。在本实施例中，第一本体35的上端设置有用于与外部管柱相连接的内螺纹。进一步地，内套管11包括位于第一封隔器14和第二封隔器15之间的第一延伸段。该第一延伸段的一端伸入第一本体35。具体地，如图1所示，第一延伸段包括靠近第一封隔器14的第一管段、靠近第二封隔器15的第二管段以及位于第一管段和第二管段之间的中间管段。该第一管段与中间管段之间通过第一内管接头相连。该中间管段与第二管段之间通过第二内管接头相连。第一本体35的下端内壁上沿轴向依次设置有第一台阶和第二台阶。第一管段的上端与第一台阶相抵。且第一管段与第一本体35相连。该连接方式可以是螺钉连接、螺栓连接、焊接、一体成型等。进一步地，进一步地，外套管12的一端与第一本体35相连。具体地，如图1所示，外套管12的上端通过第一接头与第一本体35相连。

进一步地，第一封隔器14的侧壁上设置有与液流通道13相连通的第一通孔17。具体地，如图10所示，第二台阶的下端侧壁上沿周向设置有多个第一通孔17。

在本实施方式中，第二封隔器15连接于同心管柱的下端。具体地，如图11所示，第二封隔器15包括具有第二流道59的第二本体55和套设于第二本体55外的第二胶筒57。该第二本体55与第二胶筒57之间形成第二密封空间61。进一步地，第二本体55的上端用于与外套管12的下端相连。该连接方式可以是螺钉连接、螺栓连接、焊接、一体成型等。在本实施例中，第二本体55的上端通过第二接头与外套管12相连。进一步地，第一延伸段的另一端伸入第二本体55。具体地，如图11所示，第二本体55的上端内壁上沿轴向依次设置有第三台阶和第四台阶。第二管段的下端与第四台阶相抵。且第二管段与第二本体55相连。该连接方式可以是螺钉连接、螺栓连接、焊接、一体成型等。

进一步地，第二封隔器15的侧壁上设置有与液流通道13相连通的第二通孔19。具体地，如图11所示，第三台阶的下端侧壁上沿周向设置有多个第二通孔19。从而当第一封隔器14和第二封隔器15分隔套管与井壁间的环空时，向内套管11中注入水泥浆，水泥浆能通过内套管11流入第二封隔器15以下的环空中，并通过第二通孔19进入液流通道13中，进而通过第一通孔17进入第一封隔器14以上的环空中，如此同心管柱之间形成的液流通道13能充当水泥浆上返通道，而易变行地层井壁与套管之间的环空不固井。

在本实施方式中，控制阀系包括依次设置于内套管11中的第一控制阀21和第二控制阀29。第一控制阀21和第二控制阀29分别具有第一进液口31和第二进液口33。进一步地，第一控制阀21设置于第一封隔器14和第二封隔器15之间。第二控制阀29设置于第二封隔器15背对第一封隔器14的一侧。例如如图1所示，内套管11还包括位于第二封隔器15背对第一封隔器14一侧的第二延伸段。该第二延伸段穿设于第二本体55内。第一控制阀21设置于内套管11的第一延伸段内。第二控制阀29设置于内套管11的第二延伸段内。

在一个实施方式中，如图8所示，第一控制阀21包括第一滑动套筒91和第一球座95。第一滑动套筒91穿设于内套管11中。例如如图1所示，第一滑动套筒91密封穿设于第一管段内。具体地，该第一滑动套筒91与第一管段之间设置有第一密封件。该第一密封件例如可以是O型圈。当然该第一密封件不限于为O型圈，还可以是其他的实施方式，例如密封填料，对此本申请不做规定。

进一步地，第一球座95至少部分穿设于第一滑动套筒91中。例如如图8所示，第一滑动套筒91上设置有第一开孔99；第一球座95通过第一开孔99向外伸出。第一进液口31为设置于第一球座95上的第一中心孔。具体地，如图15所示，第一球座95包括多个沿周向拼接而成的第一柱状凸台34。第一柱状凸台34的外径与第一滑动套筒91的外径相等。多个第一柱状凸台34围合成第一中心孔。在第一工作状态下，第一中心孔的孔径小于外部封堵球32的直径；在第二工作状态下，第一球座95径向扩张以使外部封堵球32能通过第一中心孔。进一步地，第一柱状凸台34能通过第一开孔99向外伸出，从而使得第一球座95能径向扩张。

进一步地，内套管11的内壁上还设置有第一限位槽18。例如如图1所示，第一管段的内壁向内凹陷形成第一限位槽18。该第一限位槽18位于第一球座95背对第一封隔器14的一侧。从而第一球座95径向扩张时能通过第一开孔99伸入第一限位槽18中。进而该第一限位槽18能对第一球座95进行限位。

进一步地，第一滑动套筒91通过第一剪钉22与内套管11相连。从而当本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置下入施工井段时，第一剪钉22能避免第一滑动套筒91向下滑动。第一滑动套筒91能在第一剪钉22剪断后沿内套管11滑动，以使第一球座95能径向扩张。

进一步地，第一滑动套筒91内还穿设有第一扩张筒24以及位于第一扩张筒24与第一滑动套筒91之间的第一弹性件26。第一扩张筒24具有第一斜面，第一球座95具有面对第一斜面的第二斜面。第一弹性件26用于向第一扩张筒24施加弹力，以使第二斜面能沿第一斜面滑动，进而使第一球座95径向扩张。例如如图8所示，第一扩张筒24位于第一球座95背对第一封隔器14的一侧。第一柱状凸台34的两端面内壁均为斜面设置。或者第一柱状凸台34的两端面内壁均为锥面设置。如图8所示，第一斜面在自左至右的方向上向上倾斜。第二斜面在自左至右的方向上向上倾斜。第一扩张筒24在第一弹性件26的弹力作用下与第二斜面相抵。从而当第一剪钉22剪断后第一滑动套筒91能沿内套管11滑动，且第一扩张筒24能在第一弹性件26的弹力下推动第一球座95径向扩张。

进一步地，第一滑动套筒91内还穿设有第一导向筒28。该第一导向筒28设置于第一球座95面对第一封隔器14的一侧。例如如图8所示，第一导向筒28设置于第一球座95的左侧。进一步地，第一导向筒28的上端外壁设置有第一外凸台。该第一外凸台与第一滑动套筒91相抵。该第一导向筒28的下端内壁设置有第一内凸台。该第一内凸台与第一球座95相抵。且第一内凸台为斜面设置。或者该第一内凸台为锥面设置。如此当外部封堵球32下入内套管11中时，该第一内凸台能引导该外部封堵球32位于第一球座95上，进而密封第一进液口31。

在一个实施方式中，如图9所示，第二控制阀29包括第二滑动套筒93和第二球座97。第二滑动套筒93穿设于内套管11中。例如如图1所示，第二滑动套筒93密封穿设于第二延伸段内。具体地，该第二滑动套筒93与第二延伸段之间设置有第二密封件。该第二密封件例如可以是O型圈。当然该第二密封件不限于为O型圈，还可以是其他的实施方式，例如密封填料，对此本申请不做规定。

进一步地，第二球座97至少部分穿设于第二滑动套筒93中。例如如图9所示，第二滑动套筒93上设置有第二开孔16；第二球座97通过第二开孔16向外伸出。第二进液口33为设置于第二球座97上的第二中心孔。具体地，第二球座97包括多个沿周向拼接而成的第二柱状凸台。第二柱状凸台的外径与第二滑动套筒93的外径相等。多个第二柱状凸台围合成第二中心孔。在第三工作状态下，第二中心孔的孔径小于外部封堵球32的直径；在第四工作状态下，第二球座97径向扩张以使外部封堵球32能通过第二中心孔。进一步地，第二柱状凸台能通过第二开孔16向外伸出，从而使得第二球座97能径向扩张。

进一步地，内套管11的内壁上还设置有第二限位槽20。例如如图1所示，第二延伸段的内壁向内凹陷形成第二限位槽20。该第二限位槽20位于第二球座97背对第二封隔器15的一侧。从而第二球座97径向扩张时能通过第二开孔16伸入第二限位槽20中。进而该第二限位槽20能对第二球座97进行限位。

进一步地，第二滑动套筒93通过第二剪钉23与内套管11相连。从而当本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置下入施工井段时，第二剪钉23能避免第二滑动套筒93向下滑动。第二滑动套筒93能在第二剪钉23剪断后沿内套管11滑动，以使第二球座97能径向扩张。

进一步地，第二滑动套筒93内还穿设有第二扩张筒25以及位于第二扩张筒25与第二滑动套筒93之间的第二弹性件27。第二扩张筒25具有第三斜面，第二球座97具有面对第三斜面的第四斜面。第二弹性件27用于向第二扩张筒25施加弹力，以使第四斜面能沿第三斜面滑动，进而使第二球座97径向扩张。例如如图9所示，第二扩张筒25位于第二球座97背对第二封隔器15的一侧。第二柱状凸台的两端面内壁均为斜面设置。或者第二柱状凸台的两端面内壁均为锥面设置。如图9所示，第三斜面在自左至右的方向上向上倾斜。第四斜面在自左至右的方向上向上倾斜。第二扩张筒25在第二弹性件27的弹力作用下与第四斜面相抵。从而当第二剪钉23剪断后第二滑动套筒93能沿内套管11滑动，且第二扩张筒25能在第二弹性件27的弹力下推动第二球座97径向扩张。

进一步地，第二滑动套筒93内还穿设有第二导向筒30。该第二导向筒30设置于第二球座97面对第二封隔器15的一侧。例如如图9所示，第二导向筒30设置于第二球座97的左侧。进一步地，第二导向筒30的上端外壁设置有第二外凸台。该第二外凸台与第二滑动套筒93相抵。该第二导向筒30的下端内壁设置有第二内凸台。该第二内凸台与第二球座97相抵。且第二内凸台为斜面设置。或者该第二内凸台为锥面设置。如此当外部封堵球32下入内套管11中时，该第二内凸台能引导该外部封堵球32位于第二球座97上，进而密封第二进液口33。

在本实施方式中，控制套管剪切变形的固井装置至少具有第一控制阀21密封第一进液口31以使第一封隔器14能径向膨胀的第一工作状态、第一控制阀21打开第一进液口31以使第一封隔器14能坐封的第二工作状态、第一控制阀21打开第一进液口31且第二控制阀29密封第二进液口33以使第二封隔器15能径向膨胀的第三工作状态、第一控制阀21和第二控制阀29分别打开第一进液口31和第二进液口33以使第一封隔器14和第二封隔器15均能坐封进而使固井液能从第二通孔19流入液流通道13并从第一通孔17流出的第四工作状态。

请参见图1至图7。图1至图7示出了本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置自下入施工井段的初始状态至向内套管11中投入外部封堵球32后的状态的依次变化过程。更具体地，图1为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置下入施工井段的初始状态。在该初始状态下，外部封堵球32并未下入内套管11中。图2为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置下入施工井段后向内套管11中投入外部封堵球32后的状态。图3为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置的第一工作状态。图4为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置的第二工作状态。图5为本申请实施方式所述的外部封堵球32位于第二球座97上，进而密封第二进液口33的状态。图6为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置的第三工作状态。图7为本申请实施方式所述的控制套管剪切变形的固井装置的第四工作状态。

在一个实施方式中，第一本体35上设置有第一进液阀63系。具体地，第一本体35上设置有第一安装孔43和第二安装孔45。第一安装孔43与第一流道39相连通。第一进液阀63系包括安装于第一安装孔43内的第一进液阀63和安装于第二安装孔45内的第二进液阀65。例如如图16、图17所示，图16为第一封隔器剖视图。图18为图16沿G-G方向的剖视图。可以看出，第一安装孔43的延伸方向与第一本体35的轴线方向相垂直。第二安装孔45的延伸方向与第一本体35的轴线方向相垂直。第一安装孔43的延伸方向与第二安装孔45的延伸方向相垂直。进一步地，如图10所示，第一本体35上还设置有第三安装孔47。该第三安装孔47位于第一安装孔43和第二安装孔45之间。第三安装孔47的延伸方向与第一安装孔43的延伸方向相平行。且第一安装孔43与第三安装孔47之间设置有第一连通通道。第三安装孔47与第二安装孔45之间设置有第二连通通道。第一进液阀63系还包括安装于第三安装孔47内的第三进液阀67。

进一步地，如图12所示，第一进液阀63包括第一杆体36和第一阀芯42。该第一阀芯42设置于第一杆体36的一端。该第一阀芯42能在流体的作用下伸缩，以打开和关闭第一连通通道。

进一步地，如图14所示，第三进液阀67包括第三杆体40、第三阀芯46和第三弹簧50。该第三阀芯46设置于第三杆体40的一端。该第三阀芯46能在流体的作用下伸缩，以打开和关闭第二连通通道。

进一步地，如图13所示，第二进液阀65包括第二杆体38和第二阀芯44。该第二阀芯44设置于第二杆体38的一端。该第二阀芯44能在流体的作用下伸缩，以打开和关闭第一流通通道。

进一步地，第一本体35上还设置有与第一密封空间41相连通的第一流通通道。第一流通通道包括第一通道75和第二通道77。在第一工作状态下，第一阀芯42在第一流道39内的流体压力下收缩以使第二安装孔45与第一安装孔43相连通。第二进液阀65密封第二通道77以使第一通道75与第二安装孔45相连通，在第二工作状态下，第二阀芯44在第二通道77内的流体压力下收缩以密封第一流通通道。进一步地，在第一工作状态下，第一进液阀63系连通第一流道39与第一密封空间41，以使第一胶筒37能在流体作用下向外膨胀。在第二工作状态下，第一进液阀63系封堵第一密封空间41以使第一胶筒37能坐封。

具体地，如图1、图16、图17、图18、图19所示，当向内套管11中投入外部封堵球32时，外部封堵球32在第一导向筒28的导向下坐封于第一进液口31。如此第一流道39关闭，随着钻井液注入第一流道39内，第一封隔器14上端内钻井液压力升高。高压钻井液推动第一进液阀63向第一安装孔43外运动，第一安装孔43与第三安装孔47间的第一连通通道被打开，高压钻井液流入第三安装孔47内。高压钻井液推动第三进液阀67向第三安装孔47外运动，第二安装孔45与第三安装孔47间的第二连通通道被打开，同时第三进液阀67上的第三弹簧50被压缩。随后高压钻井液流入第二安装孔45，再由第一通道75流入第一密封空间41内，随着第一密封空间41内钻井液压力持续升高，第一封隔器14外第一胶筒37在高压钻井液作用下膨胀，封隔与井壁间环空。如此使得固井工具处于第一工作状态。当第一控制阀21达到承压极限时，第一剪钉22剪断，第一球座95径向向外膨胀，第一控制阀21打开第一进液口31，第一流道39内钻井液压力降低，第一密封空间41内高压钻井液通过第二通道77回流至第二安装孔45，推动第二进液阀65向第二安装孔45外运动，封堵第一流通通道，同时第三进液阀67在第三弹簧50作用下复位，封堵第二连通通道，第一进液阀63在第一弹簧作用下复位，封堵第一连通通道，保证第一胶筒37膨胀状态，从而使得固井工具处于第二工作状态。

进一步地，第一通道75和第二通道77平行设置。例如如图18、图19所示，第一通道75与第二通道77的延伸方向均与第一本体35的延伸方向相一致。且第一通道75位于第二通道77的下方。第二安装孔45的端面上设置有用于与第二通道77相连通的第一端孔83。第二安装孔45的侧壁上设置有用于与第一通道75相连通的第一壁孔87。第二进液阀65的外壁与第二安装孔45的内壁密封配合；在第一工作状态下，第二阀芯44伸长以密封第一端孔83；在第二工作状态下，第二阀芯44收缩以密封第一壁孔87。

在一个实施方式中，第二本体55上设置有第二进液阀系，在第三工作状态下，第二进液阀系连通第二流道59与第二密封空间61，以使第二胶筒57能在流体作用下向外膨胀；在第四工作状态下，第二进液阀系封堵第二密封空间61以使第二胶筒57能坐封。

在一个实施方式中，第二本体55上设置有第二进液阀系。具体地，如图20、图21所示，第二本体55上设置有第四安装孔49和第五安装孔51。第四安装孔49与第二流道59相连通。第二进液阀系包括安装于第四安装孔49内的第四进液阀69和安装于第五安装孔51内的第五进液阀71。第四安装孔49的延伸方向与第二本体55的轴线方向相垂直。第五安装孔51的延伸方向与第二本体55的轴线方向相垂直。第四安装孔49的延伸方向与第五安装孔51的延伸方向相垂直。进一步地，第二本体55上还设置有第六安装孔53。该第六安装孔53位于第四安装孔49和第五安装孔51之间。第六安装孔53的延伸方向与第四安装孔49的延伸方向相平行。且第四安装孔49与第六安装孔53之间设置有第三连通通道。第三安装孔47与第五安装孔51之间设置有第四连通通道。第二进液阀系还包括安装于第六安装孔53内的第六进液阀73。

进一步地，第四进液阀69包括第四杆体、第四阀芯和第四弹簧。该第四阀芯设置于第四杆体的一端。该第四阀芯能在流体的作用下伸缩，以打开和关闭第三连通通道。

进一步地，第六进液阀73包括第六杆体、第六阀芯和第六弹簧。该第六阀芯设置于第六杆体的一端。该第六阀芯能在流体的作用下伸缩，以打开和关闭第四连通通道。

进一步地，第五进液阀71包括第五杆体、第五阀芯和第五弹簧。该第五阀芯设置于第五杆体的一端。该第五阀芯能在流体的作用下伸缩，以打开和关闭第二流通通道。

进一步地，第二本体55上还设置有与第二密封空间61相连通的第二流通通道。第二流通通道包括第三通道79和第四通道81。在第三工作状态下，第四阀芯在第二流道59内的流体压力下收缩以使第五安装孔51与第四安装孔49相连通。第五进液阀71密封第四通道81以使第三通道79与第五安装孔51相连通，在第四工作状态下，第五阀芯在第四通道81内的流体压力下收缩以密封第二流通通道。进一步地，在第三工作状态下，第二进液阀系连通第二流道59与第二密封空间61，以使第二胶筒57能在流体作用下向外膨胀。在第四工作状态下，第二进液阀系封堵第二密封空间61以使第二胶筒57能坐封。

具体地，如图1、图20、图21、图22所示，当内套管11中的外部封堵球32在第二导向筒30的导向下坐封于第二进液口33。如此第二流道59关闭，随着钻井液注入第二流道59内，第二封隔器15上端内钻井液压力升高。高压钻井液推动第四进液阀69向第四安装孔49外运动，第四安装孔49与第六安装孔53间的第三连通通道被打开，高压钻井液流入第六安装孔53内。高压钻井液推动第六进液阀73向第六安装孔53外运动，第五安装孔51与第六安装孔53间的第四连通通道被打开，同时第六进液阀73上的第六弹簧被压缩。随后高压钻井液流入第五安装孔51，再由第三通道79流入第二密封空间61内，随着第二密封空间61内钻井液压力持续升高，第二封隔器15外第二胶筒57在高压钻井液作用下膨胀，封隔与井壁间环空。如此使得固井工具处于第三工作状态。当第二控制阀29达到承压极限时，第二剪钉23剪断，第二球座97径向向外膨胀，第二控制阀29打开第二进液口33，第二流道59内钻井液压力降低，第二密封空间61内高压钻井液通过第四通道81回流至第五安装孔51，推动第五进液阀71向第五安装孔51外运动，封堵第二流通通道，同时第六进液阀73在第六弹簧作用下复位，封堵第四连通通道，第四进液阀69在第四弹簧作用下复位，封堵第三连通通道，保证第二胶筒57膨胀状态，从而使得固井工具处于第四工作状态。

进一步地，第三通道79和第四通道81平行设置。第三通道79与第四通道81的延伸方向均与第一本体35的延伸方向相一致。且第三通道79位于第四通道81靠近第二本体55中心线的一侧。第五安装孔51的端面上设置有用于与第四通道81相连通的第二端孔85。第五安装孔51的侧壁上设置有用于与第三通道79相连通的第二壁孔89。第五进液阀71的外壁与第五安装孔51的内壁密封配合；在第三工作状态下，第二阀芯44伸长以密封第二端孔85；在第四工作状态下，第二阀芯44收缩以密封第二壁孔89。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。

Claims (10)

1.一种控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，包括：

同心管柱，其包括内套管和套设于所述内套管外的外套管；所述内套管与所述外套管之间形成液流通道；

第一封隔器；其连接于所述同心管柱的上端；所述第一封隔器的侧壁上设置有与所述液流通道相连通的第一通孔；

第二封隔器；其连接于所述同心管柱的下端；所述第二封隔器的侧壁上设置有与所述液流通道相连通的第二通孔；

控制阀系，其包括依次设置于所述内套管中的第一控制阀和第二控制阀；所述第一控制阀和所述第二控制阀分别具有第一进液口和第二进液口；

所述控制套管剪切变形的固井装置至少具有所述第一控制阀密封所述第一进液口以使所述第一封隔器能径向膨胀的第一工作状态、所述第一控制阀打开所述第一进液口以使所述第一封隔器能坐封的第二工作状态、所述第一控制阀打开所述第一进液口且所述第二控制阀密封所述第二进液口以使所述第二封隔器能径向膨胀的第三工作状态、所述第一控制阀和所述第二控制阀分别打开所述第一进液口和所述第二进液口以使所述第一封隔器和所述第二封隔器均能坐封进而使固井液能从第二通孔流入所述液流通道并从第一通孔流出的第四工作状态。

2.根据权利要求1所述的控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，所述第一封隔器包括具有第一流道的第一本体和套设于所述第一本体外的第一胶筒；所述第一本体与所述第一胶筒之间形成第一密封空间，所述第一本体上设置有第一进液阀系，在所述第一工作状态下，所述第一进液阀系连通所述第一流道与所述第一密封空间，以使所述第一胶筒能在流体作用下向外膨胀；在所述第二工作状态下，所述第一进液阀系封堵所述第一密封空间以使所述第一胶筒能坐封。

3.根据权利要求2所述的控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，所述第一本体上设置有第一安装孔和第二安装孔；所述第一安装孔与所述第一流道相连通；所述第一进液阀系包括安装于所述第一安装孔内的第一进液阀和安装于所述第二安装孔内的第二进液阀；所述第一本体上还设置有与所述第一密封空间相连通的第一流通通道；所述第一进液阀和所述第二进液阀分别具有第一阀芯和第二阀芯；所述第一流通通道包括第一通道和第二通道；在所述第一工作状态下，所述第一阀芯在所述第一流道内的流体压力下收缩以使所述第二安装孔与所述第一安装孔相连通；所述第二进液阀密封所述第二通道以使所述第一通道与所述第二安装孔相连通，在所述第二工作状态下，第二阀芯在所述第二通道内的流体压力下收缩以密封所述第一流通通道。

4.根据权利要求3所述的控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，所述第一通道和所述第二通道平行设置；所述第二安装孔的端面上设置有用于与所述第一通道相连通的第一端孔；所述第二安装孔的侧壁上设置有用于与所述第二通道相连通的第一壁孔，所述第二进液阀的外壁与所述第二安装孔的内壁密封配合；在所述第一工作状态下，所述第二阀芯伸长以密封所述第一端孔；在所述第二工作状态下，所述第二阀芯收缩以密封所述第一壁孔。

5.根据权利要求2所述的控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，所述第二封隔器包括具有第二流道的第二本体和套设于所述第二本体外的第二胶筒；所述第二本体与所述第二胶筒之间形成第二密封空间，所述第二本体上设置有第二进液阀系，在所述第三工作状态下，所述第二进液阀系连通所述第二流道与所述第二密封空间，以使所述第二胶筒能在流体作用下向外膨胀；在所述第四工作状态下，所述第二进液阀系封堵所述第二密封空间以使所述第二胶筒能坐封。

6.根据权利要求5所述的控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，所述内套管包括位于所述第一封隔器和所述第二封隔器之间的第一延伸段；所述第一延伸端的两端分别伸入所述第一本体和所述第二本体内，所述外套管的两端分别与所述第一本体和所述第二本体相连。

7.根据权利要求1所述的控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，所述第一控制阀包括第一滑动套筒和第一球座；所述第一滑动套筒穿设于内套管中；所述第一球座至少部分穿设于所述第一滑动套筒中；所述第一进液口为设置于所述第一球座上的第一中心孔；在所述第一工作状态下，所述第一中心孔的孔径小于外部封堵球的直径；在所述第二工作状态下，所述第一球座径向扩张以使所述外部封堵球能通过所述第一中心孔。

8.根据权利要求7所述的控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，所述第一滑动套筒上还设置有第一开孔；所述内套管的内壁上还设置有第一限位槽；所述第一球座径向扩张时能通过所述第一开孔伸入所述第一限位槽中。

9.根据权利要求7所述的控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，所述第一滑动套筒通过第一剪钉与所述内套管相连；所述第一滑动套筒能在所述第一剪钉剪断后沿所述内套管滑动，以使所述第一球座能径向扩张。

10.根据权利要求7所述的控制套管剪切变形的固井装置，其特征在于，所述第一滑动套筒内还穿设有第一扩张筒以及位于所述第一扩张筒与所述第一滑动套筒之间的第一弹性件；所述第一扩张筒具有第一斜面，所述第一球座具有面对所述第一斜面的第二斜面；所述第一弹性件用于向所述扩张筒施加弹力，以使所述第二斜面能沿所述第一斜面滑动，进而使所述球座径向扩张。

Images