CN112855067A - 机械扩张式堵漏工具及其堵漏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种机械扩张式堵漏工具及其施工方法，该堵漏工具包括：送入管柱，压缩扩张机构，其上端连接送入管柱；异型截面桥架，其连接送入管柱且设在在压缩扩张机构外，所述桥架在压缩扩张机构的向外扩张下形成塑性变形；丢手机构，其连接在压缩扩张机构的下端并位于桥架内，用于分离扩张后的送入管柱、压缩扩张机构和桥架的连接；和桥架附件，其连接在桥架下方辅助桥架截留堵漏材料，丢手机构至少部分地连接在桥架附件内。该堵漏工具通过桥架在溶洞内形成支撑结构，进而可使用堵漏材料封堵孔洞，实现对溶洞型漏失的封堵作业。

Description

机械扩张式堵漏工具及其堵漏方法

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，主要涉及一种机械扩张式堵漏工具及其施工方法。

背景技术

石油钻井过程中，经常会钻遇地层中的裂缝和溶洞。由于压差作用，钻井液会沿缝洞发生漏失。当钻井液柱压力无法平衡地层压力时，会导致井塌、井涌、井喷等严重事故，导致钻进无法进行。因此必须进行堵漏作业，防止钻井液漏失。

对于裂缝型漏失，常规的堵漏技术通过在裂缝中填充较大颗粒的材料，实现对缝洞的封堵。对于开放型的大裂缝和溶洞型漏失，由于堵漏材料的颗粒远小于裂缝和溶洞的尺寸，无法承留堵漏水泥，造成堵漏材料漏失，导致堵漏作业失败。膨胀管堵漏技术虽然能够用于溶洞型堵漏作业，但由于需要扩眼作业，成本高、难度大、速度慢，没有得到广泛应用。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种机械扩张式堵漏工具及其施工方法，该机械扩张式堵漏工具通过桥架在溶洞内形成支撑结构，进而可使用堵漏材料封堵孔洞，实现对溶洞型漏失的封堵作业。

为了实现以上发明目的，一方面，本发明提出了一种一种机械扩张式堵漏工具，其特征在于，该堵漏工具包括：

送入管柱，

压缩扩张机构，其上端连接送入管柱；

异型截面桥架，其连接送入管柱且设在在压缩扩张机构外，所述桥架在压缩扩张机构的向外扩张下形成塑性变形；

丢手机构，其连接在压缩扩张机构的下端并位于桥架内，用于分离扩张后的送入管柱、压缩扩张机构和桥架的连接；和

桥架附件，其连接在桥架下方辅助桥架截留堵漏材料，丢手机构至少部分地连接在桥架附件内。

在一种实施方案中，所述异型截面桥架采用易钻管材，在不扩张时异型截面桥架为柱状结构，横截面为花瓣形或多边形结构。

在一种实施方案中，所述送入管柱连接有限位接头，所述限位接头下端连接有伸缩管，所述伸缩管的下端内接有中心管，所述中心管外连接压缩扩张机构，所述伸缩管的下端抵接压缩扩张机构的上端；所述伸缩管位于压缩扩张机构上端设有保护盖，所述桥架上端连接保护盖，下端连接在桥架附件上。

在一种实施方案中，所述压缩扩张机构包括：连接在中心管外的上下两个连接柱面以及连接在两个连接柱面之间的至少一组连杆组件，所述连杆组件由两根相互铰接的连杆连接而成。

在一种实施方案中，所述桥架附件为中空的柱状塞结构，上端中部设有供丢手机构下端伸出的卡接通孔，下端中部设有通流孔，下端外侧形成有导向圆角。

另一方面，本发明还公开了一种机械扩展式堵漏方法，该方法采用如上述的堵漏工具，并包括以下步骤：

将堵漏工具下入到堵漏目标位置，激活压缩扩张机构；

压缩扩张机构驱动异型截面桥架扩张，使异型截面桥架向井壁扩张形成支撑结构；

通过丢手机构使得异型截面桥架和送入管柱分离；

向变形后的异型截面桥架内注入含有堵漏材料的水泥浆；

待水泥浆凝固后，下钻扫塞，堵漏完成。

在一种实施方案中，钻遇溶洞时，先强行在溶洞底部再钻进一小段，将堵漏工具用送入钻柱送入，所述堵漏工具在下入过程中不激活，且下入时管柱内外联通循环泥浆。

在一种实施方案中，当堵漏工具下入到位后，异型截面桥架上下两端位于正常的井眼内，中段对正溶洞；启动压缩扩张机构，异型截面桥架向井壁扩张；贴紧井壁后，桥架两端与井壁贴合，中段继续扩张到溶洞内形成近似灯笼状。

在一种实施方案中，当桥架扩张到位后，激活丢手机构，将桥架及桥架附件与送入钻柱分离；上提送入管柱，压缩扩张机构收缩；继续上提送入管柱至桥架上端面，然后可向钻柱内泵注堵漏水泥浆。

在一种实施方案中，上提送入管柱至桥架的上端部，通过管柱内孔向钻柱内泵注水泥浆，在桥架内形成水泥塞；达到堵漏的目的；当水泥塞凝固后，下钻具将井筒内的部分水泥塞、桥架钻除，进行下一步钻井作业。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)通过桥架在溶洞内形成支撑结构，承留堵漏材料，实现对溶洞型漏失的封堵作业；

2)桥架选用高强度材料，承压能力高，可用于大尺寸溶洞堵漏；

3)通过机械扩张的方法使桥架在溶洞内扩张，扩张后桥架中段直径大于井径，实现堵漏后继续钻进的目的；

4)作业过程中可循环钻井液，设置丢手机构实现一趟管柱实现桥架机械扩张和注水泥。

本发明通过使用机械下压力驱动压缩扩张机构，使异形截面管形状的桥架外径扩大，在溶洞内形成高强度骨架，达到承留水泥浆实现堵漏的目的，适用溶洞尺寸范围广。通过合理设计扩张机构形式和丢手结构，使一趟管柱集成了突发情况处理、桥架扩张和注水泥功能，降低了堵漏风险、提高了堵漏效率。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示是本发明的机械扩张式堵漏工具的其中一种实施例在入井定位时的结构示意图。

图2所示是图1的机械扩张式堵漏工具在入井后桥架扩张状态的结构示意图。

图3所示是图2的机械扩张式堵漏工具在桥架丢手及注堵漏水泥状态的结构示意图。

图4所示是图3的机械扩张式堵漏工具在扫塞并能继续钻井状态的结构示意图。

图5所示是图1中采用的压缩扩张机构的其中一种实施例的立体结构示意图。

图6所示是图5中压缩扩张机构的主视结构示意图。

图7所示是本发明中采用单级压缩扩张结构时的扩张原理示意图。

图8所示是本发明中采用多级压缩扩张结构时的扩张原理示意图。

图9所示是图1中采用的其中一种异型截面桥架的立体结构示意图。

图10所示是图9中的异型截面桥架的横截面结构示意图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

发明人在发明过程中注意到，石油钻井过程中钻遇地层中的裂缝和溶洞时，对于开放型的大裂缝和溶洞型漏失，由于堵漏材料的颗粒远小于裂缝和溶洞的尺寸，导致无法承留堵漏水泥，造成堵漏材料漏失，导致堵漏作业失败。

针对以上不足，本发明的实施例提出了一种机械扩张式堵漏工具及其堵漏方法，下面进行详细说明。

图1所示是本发明的机械扩张式堵漏工具的其中一种实施例，在该实施例中，显示了本发明的机械扩张式堵漏工具在入井定位时的结构示意图。图2所示本发明的机械扩张式堵漏工具在入井后桥架扩张状态的结构示意图。图3所示是本发明的机械扩张式堵漏工具在桥架丢手及注堵漏水泥状态的结构示意图。图4所示是本发明的机械扩张式堵漏工具在扫塞后能继续钻井状态的结构示意图。图5所示是本发明的机械扩张式堵漏工具中采用的压缩扩张机构的其中一种实施例的立体结构示意图。图6所示是图5中压缩扩张机构的主视结构示意图。图7所示是本发明的机械扩张式堵漏工具采用的单级压缩扩张结构时的扩张原理示意图。图8所示是本发明的机械扩张式堵漏工具采用的多级压缩扩张结构时的扩张原理示意图。图9所示是本发明的机械扩张式堵漏工具采用的其中一种异型截面桥架的立体结构示意图。图10所示是图9中的异型截面桥架的横截面结构示意图。

图1至图3显示了本发明的机械扩张式堵漏工具的其中一种实施例。在该实施例中，显示了该机械扩张式堵漏工具在入井定位时的状态。该机械扩张式堵漏工具主要包括送入管柱(图1中未示出，其上连接有压缩扩张机构6的激活机构)、压缩扩张机构6、异型截面桥架7、丢手机构8和桥架附件9。其中，压缩扩张机构6的上端连接送入管柱。异型截面桥架7连接在压缩扩张机构6外。桥架7在压缩扩张机构6的向外扩张下形成塑性变形截留堵漏材料。丢手机构8连接在压缩扩张机构6的下端并位于桥架7内，用于分离扩张后的送入管柱、压缩扩张机构6和桥架7的连接。桥架附件9连接在桥架7的下方辅助桥架7截留堵漏材料。丢手机构8至少部分地连接在桥架附件9内。

在一个实施例中，如图9和图10所示，异型截面桥架7采用易钻管材。在不扩张时异型截面桥架7为柱状结构，横截面为花瓣形或多边形结构，内部受压后外径扩张。调整管壁厚度和截面形状，即可控制扩张直径、扩张压力。

如图10示出了一种花瓣型的桥架截面形状。入井过程中桥架7的最大外径小于井径，入井后桥架7的外径扩张大于井径。在一个未示出的实施例中，如图10所示的花瓣型截面的桥架7也可采用其它形状的凹型截面易钻管材替代。该易钻管材一般选用具有一定强度并在扩张力作用下容易发生塑性变形的材料制作。

在一个实施例中，如图1和图2所示，该桥架7的长度不小于溶洞高度的两倍。此处溶洞高度指的是形成溶洞或缝隙的两部分之间的高度。若溶洞高度用h表示。也就是说，该桥架3的长度应不小于2h。

在一个实施例中，如图2和图3所示，压缩扩张机构6推动桥架7在地层裂缝或溶洞处向外扩展形成塑性变形成为中间直径大、两端直径小的近似灯笼状。

在一个实施例中，如图1至图3所示，送入管柱的下端连接有限位接头1，该限位接头1的下端连接有伸缩管2，伸缩管2的下端内接中心管5。中心管5的上端外连接压缩扩张机构6，伸缩管2的下端抵接压缩扩张机构6的上端。伸缩管2位于压缩扩张机构6的上端设有保护盖3，桥架7的上端连接在保护盖3上，桥架7的下端连接在桥架附件9上。在压缩扩张机构6向下的作用力下，桥架7的上端沿中心管5下移从而向外扩张。

在一个实施例中，如图5和图6所示，压缩扩张机构6主要包括：上下两个连接柱面601和605、以及连接在两个连接柱面之间的一组连杆组件602和604。两个连接柱面601和605连接在中心管5外，连杆组件由两根通过铰接轴603相互铰接的连杆602和604连接而成。扩张时，如图7所示，两根连杆在铰接轴603处向外扩张。如图5所示，当相向压缩两个连接盘601和605时，两根连杆602和604连接位置沿径向向外扩张。组装完成后，两根连杆602和604的连接处向外弯曲，保证压缩连接盘601时向外扩张。

在一个实施例中，如图3和图8所示，压缩扩张机构6主要包括：上下两个连接柱面以及两组或者三组连杆机构。相邻连杆机构可分别通过连接柱面固定连接，也可共用连接柱面。另外，在一个实施例中，如图8所示，采用三组连杆机构的压缩扩张机构6，还可以通过连杆的长度，形成中部扩张幅度大、两端扩张幅度小的结构。容易理解的是，本发明中针对不同形状的溶洞，可以采用不同的压缩扩张机构，以提高封堵效果。

在一个实施例中，也可以在连杆602和604连接处安装滚轮，减少压缩扩张机构6与中心管5等部件的摩擦。

在一个实施例中，如图1至图3所示，桥架附件9为中空的柱状塞结构。桥架附件9的上端中部设有供丢手机构8的下端伸出的卡接通孔，桥架附件9的下端中部设有通流孔，桥架附件9的下端外侧形成有导向圆角。

另一方面，本发明还公开了一种机械扩展式堵漏方法。该方法采用本发明的机械扩张式堵漏工具，并包括以下步骤：

将堵漏工具下入到堵漏目标位置，激活压缩扩张机构6；

压缩扩张机构6驱动异型截面桥架7扩张，使异型截面桥架7向井壁401扩张形成支撑结构；

通过丢手机构8使得异型截面桥架7和送入管柱分离；

向变形后的异型截面桥架7内注入含有堵漏材料的水泥浆；

待水泥浆凝固后，下钻扫塞，堵漏完成。

在一个实施例中，如图1所示，将限位接头1、伸缩管2、保护盖3、中心管5、压缩扩张机构6、桥架7、丢手机构8、桥架附件9先按图示进行组装好。钻遇溶洞402时，先强行在溶洞402底部再钻进一小段，将堵漏工具用送入钻柱送入，堵漏工具在下入过程中不激活，且下入时管柱内外联通循环泥浆。

在一个实施例中，如图1所示，当堵漏工具下入到位后，异型截面桥架7的上下两端位于正常的井眼内，中段对正溶洞402。如图2所示，启动压缩扩张机构6，异型截面桥架7向井壁401扩张。更具体地，在本发明的一个实施例中，下压送入管柱，伸缩管2下行。伸缩管2向下推动压缩扩张机构6，由于压缩扩张机构6的下端固定，压缩扩张机构6的连杆向外扩张。在压缩扩张机构6的驱动下，桥架7的褶皱张开，外径扩大进入溶洞402。在该过程中，开始时桥架7的两端与井壁401贴合，中段继续扩张到溶洞402内形成近似灯笼状。当桥架7扩大至预定直径后，限位接头1与中心管5接触，伸缩管2不能继续下行。

在一个实施例中，当桥架7扩张到位后，激活丢手机构8，将桥架7及桥架附件9与送入钻柱分离。在一个实施例中，丢手机构8采用反旋螺纹副，通过旋转钻柱丢手。如图3所示，上提送入管柱，压缩扩张机构6收缩；继续上提送入管柱至桥架7的上端面，然后可向钻柱内泵注堵漏水泥浆。

在一个优选的实施例中，通过旋转送入管柱，带动中心管5转动，激活丢手机构8。桥架7及桥架附件9从送入管柱上脱离。上提送入管柱并调整位置，使中心管5的下端与桥架7的上端对齐。

在一个实施例中，如图3所示，上提送入管柱至桥架7的上端部后，通过管柱内孔向钻柱内泵注水泥浆，在桥架7内形成水泥塞，达到堵漏的目的。更具体地，在一个实施例中，通过送入管柱内向井底注入适量的水泥浆，由于桥架7和桥架附件9的承留作用，水泥浆停留在桥架7内部，凝固后形成水泥塞10。

在一个实施例中，当水泥塞10凝固后，下钻具将井筒内的部分水泥塞、桥架7钻除，钻除后的效果如图4所示，然后可以进行下一步钻井作业。更具体地，将送入管柱提出井筒后，下入钻铣管柱。将井筒内多余的桥架7、桥架附件9、水泥塞10钻铣掉，然后继续钻进。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械扩张式堵漏工具，其特征在于，该堵漏工具包括：

送入管柱，

压缩扩张机构，其上端连接送入管柱；

异型截面桥架，其连接送入管柱且设在在压缩扩张机构外，所述桥架在压缩扩张机构的向外扩张下形成塑性变形；

丢手机构，其连接在压缩扩张机构的下端并位于桥架内，用于分离扩张后的送入管柱、压缩扩张机构和桥架的连接；和

桥架附件，其连接在桥架下方辅助桥架截留堵漏材料，丢手机构至少部分地连接在桥架附件内。

2.根据权利要求1所述的机械扩张式堵漏工具，其特征在于，所述异型截面桥架采用易钻管材，在不扩张时异型截面桥架为柱状结构，横截面为花瓣形或多边形结构。

3.根据权利要求1或2所述的机械扩张式堵漏工具，其特征在于，所述送入管柱连接有限位接头，所述限位接头下端连接有伸缩管，所述伸缩管的下端内接有中心管，所述中心管外连接压缩扩张机构，所述伸缩管的下端抵接压缩扩张机构的上端；所述伸缩管位于压缩扩张机构上端设有保护盖，所述桥架上端连接保护盖，下端连接在桥架附件上。

4.根据权利要求3所述的机械扩张式堵漏工具，其特征在于，所述压缩扩张机构包括：连接在中心管外的上下两个连接柱面以及连接在两个连接柱面之间的至少一组连杆组件，所述连杆组件由两根相互铰接的连杆连接而成。

5.根据权利要求1所述的机械扩张式堵漏工具，其特征在于，所述桥架附件为中空的柱状塞结构，上端中部设有供丢手机构下端伸出的卡接通孔，下端中部设有通流孔，下端外侧形成有导向圆角。

6.一种机械扩展式堵漏方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1至5中任一项所述的堵漏工具，并包括以下步骤：

将堵漏工具下入到堵漏目标位置，激活压缩扩张机构；

压缩扩张机构驱动异型截面桥架扩张，使异型截面桥架向井壁扩张形成支撑结构；

通过丢手机构使得异型截面桥架和送入管柱分离；

向变形后的异型截面桥架内注入含有堵漏材料的水泥浆；

待水泥浆凝固后，下钻扫塞，堵漏完成。

7.根据权利要求6所述的堵漏方法，其特征在于，钻遇溶洞时，先强行在溶洞底部再钻进一小段，将堵漏工具用送入钻柱送入，所述堵漏工具在下入过程中不激活，且下入时管柱内外联通循环泥浆。

8.根据权利要求7所述的堵漏方法，其特征在于，当堵漏工具下入到位后，异型截面桥架上下两端位于正常的井眼内，中段对正溶洞；启动压缩扩张机构，异型截面桥架向井壁扩张；贴紧井壁后，桥架两端与井壁贴合，中段继续扩张到溶洞内形成近似灯笼状。

9.根据权利要求8所述的堵漏方法，其特征在于，当桥架扩张到位后，激活丢手机构，将桥架及桥架附件与送入钻柱分离；上提送入管柱，压缩扩张机构收缩；继续上提送入管柱至桥架上端面，然后可向钻柱内泵注堵漏水泥浆。

10.根据权利要求9所述的堵漏方法，其特征在于，上提送入管柱至桥架的上端部，通过管柱内孔向钻柱内泵注水泥浆，在桥架内形成水泥塞；达到堵漏的目的；当水泥塞凝固后，下钻具将井筒内的部分水泥塞、桥架钻除，进行下一步钻井作业。

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