CN113090224B - 一种固井用引鞋以及膨胀悬挂固井管柱 - Google Patents

Abstract

本发明为一种固井用引鞋以及膨胀悬挂固井管柱，其中，固井用引鞋包括竖直设置且上端开口下端封闭的外护管，在外护管的中部内壁和上端内壁分别设有一直径缩小的第一凸环和第二凸环。在外护管内且位于第一凸环的下方固定有挡板，在第一凸环和挡板之间设有第一密封球和弹性复位机构，第一密封球的直径大于第一凸环的内径。在第二凸环的下端内壁套设有密封环，并在密封环和第一凸环之间设有第二密封球，第二密封球的直径大于密封环的内径以及第一凸环的内径。本发明中的固井用引鞋以及固井管柱能够实现双级密封，密封更加可靠，能够有效防止水泥返吐现象，且结构简单、操作简便。

Description

一种固井用引鞋以及膨胀悬挂固井管柱

技术领域

本发明是涉及石油行业悬挂小套管或者筛管完井作业技术，尤其涉及一种固井用引鞋以及膨胀悬挂固井管柱。

背景技术

新钻井是确保油田稳产的一项关键技术措施，新钻井各层完井套管均需要固井。另外，在修井作业领域中，套管生产一定年限后会损坏，严重损坏的套管往往不易修复，而新钻一口井成本又太高，通常采取在套损部位的上端侧钻后下小套管(即补救套管)或筛管固井完成，或者直接悬挂补救套管或筛管固井完井来补救。固井工艺对于油田来说，是一个应用非常普遍的工艺技术，目前悬挂补救套管一般是利用悬挂器下端依次连接补救套管和固井附件来实现固井以及悬挂。但是，目前的固井工艺仍存在如下不足：

一方面，目前现场所用的固件附件为了能够达到阻留、碰压、引导和防水泥返吐的作用，需要利用多个固井工具配合使用，操作起来非常繁琐；而且各工具的材质各不相同，常常存在密封不严、不易钻磨等缺点，同时现有的固井附件的密封性并不好，仍然会存在水泥返吐现象，存在施工危险。

另一方面，目前常见的悬挂器有机械式悬挂器和膨胀式悬挂器，对于机械式悬挂器来说，其内通径一般小于其悬挂的补救套管或筛管，而且由于工作原理的需要其内部设有台阶，对于后续作业过程中起、下工具非常不便，经常会遇到卡阻；同时机械式悬挂器在下管柱过程中存在中途坐封的风险；另外，机械式悬挂器只能起到悬挂，起不到密封作用。对于膨胀式悬挂器来说，其按照用途可划分为固井式和非固井式，但是目前的固井用膨胀式悬挂器结构相对复杂，生产加工难度较高，而且当井下不起压时一般就直接丢手了，导致膨胀管无法正常膨胀坐封，并没有任何补救措施。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种固井用引鞋以及膨胀悬挂固井管柱，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固井用引鞋以及膨胀悬挂固井管柱，能够实现双级密封，密封更加可靠，能够有效防止水泥返吐现象，且结构简单、操作简便。

本发明的目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供了一种固井用引鞋，包括竖直设置且上端开口下端封闭的外护管，在外护管的中部内壁和上端内壁分别设有一直径缩小的第一凸环和第二凸环；在外护管内且位于第一凸环的下方固定有挡板，在第一凸环和挡板之间设有第一密封球和弹性复位机构，第一密封球的直径大于第一凸环的内径，第一密封球的上端顶靠在第一凸环的下端面，第一密封球的下端与弹性复位机构的上端固定连接，挡板上设有一个中心孔和多个开孔，弹性复位机构的下端能轴向滑动地穿设在中心孔内；在第二凸环的下端内壁套设有密封环，并在密封环和第一凸环之间设有第二密封球，第二密封球的直径大于密封环的内径以及第一凸环的内径。

在本发明的一较佳实施方式中，弹性复位机构包括阀杆、弹簧以及具有轴向贯穿孔的弹簧座；阀杆的上端与第一密封球的下端固定，阀杆的下端能轴向滑动地穿设在轴向贯穿孔内，轴向贯穿孔的上部设有一直径扩大的过孔；弹簧套设在阀杆上且其两端分别抵靠在过孔的孔肩和第一密封球的下端，弹簧座的下端外壁向下设有一直径缩小的限位台阶，弹簧座的下端插设在中心孔内且限位台阶抵靠在挡板的顶面。

在本发明的一较佳实施方式中，还包括双头螺柱、垫片和螺母；第一凸环上开设有多个内螺纹孔，挡板上开设有多个安装通孔，双头螺柱设在第一凸环和挡板之间且与外护管的轴线方向平行；双头螺柱的上端与内螺纹孔螺纹连接，双头螺柱的下端穿过安装通孔并在挡板的底面外部依次套设垫片和螺母。

在本发明的一较佳实施方式中，在外护管的下端外壁且位于挡板的下方设有多个引流孔，外护管的下端外壁为直径向下渐缩的锥面。

本发明还提供了一种膨胀悬挂固井管柱，包括从上至下顺序固定的固井用膨胀式悬挂器、补救套管以及上述的固井用引鞋。

在本发明的一较佳实施方式中，固井用膨胀式悬挂器包括：

竖直设置的中心管，中心管中段的外径小于中心管上段和中心管下段的外径，在中心管中段的下端侧壁沿其周向间隔设有多个过流孔；

膨胀外管，套设在中心管外壁上，其上端内壁与中心管上段外壁接触，其下端内壁与中心管下段外壁接触，膨胀外管的内壁与中心管中段的外壁之间构成环形空腔，在中心管中段外壁上且位于环形空腔内套设有膨胀锥套，膨胀锥套的外径大于膨胀外管的内径；膨胀锥套将环形空腔分割成上环形空腔和下环形空腔，下环形空腔为密封腔，过流孔与下环形空腔相连通；

胶塞管，套设在膨胀外管内，并通过剪切销钉固定在中心管的下端，胶塞管的下端外壁设有第一锁簧，在第二凸环的上端内壁设有第一限位槽，第一锁簧能卡设在第一限位槽内；

以及能密封插设在胶塞管中的密封胶塞，其下端外壁设有第二锁簧，在胶塞管的下端内壁设有第二限位槽，第二锁簧能卡设在第二限位槽内。

在本发明的一较佳实施方式中，第二锁簧包括多个能够径向平移地沿周向相邻设置在密封胶塞的下端外壁的径向涨块，每个径向涨块的横截面呈圆弧状，每个径向涨块的上端外壁设有呈斜齿状的锁牙，且锁牙的斜齿状斜边朝向密封胶塞能轴向呈向下单向移动的方向设置，第二限位槽包括多条环状的牙槽，且牙槽的形状与径向涨块外壁锁牙的形状相同。

在本发明的一较佳实施方式中，密封胶塞的下端外壁沿周向设有环形凹槽，在环形凹槽内套设有环形限位套，环形限位套的下端内侧壁与环形凹槽的槽底接触，环形限位套的上端呈管状并与环形凹槽的槽底之间设有间隔，该间隔构成环形限位空间；在环形限位套的上端沿周向间隔设有多个安装孔，在环形凹槽的底面沿周向间隔设有多个第一安装槽，每个径向涨块的内壁凹设有第二安装槽，第二安装槽的数量、安装孔的数量均与径向涨块的数量相同；每个径向涨块插设在环形限位空间内且第一安装槽正对第二安装槽设置，径向涨块的上端锁牙卡设在安装孔内，径向涨块的下端抵靠在限位环形空间的底面，第一安装槽和第二安装槽之间夹设有弹性件。

在本发明的一较佳实施方式中，密封胶塞的上端外壁套设有多个第一密封皮碗，胶塞管的下端外壁套设有多个第二密封皮碗。

在本发明的一较佳实施方式中，膨胀锥套的上端外壁为直径向上渐缩的锥面，在膨胀外管的下端内壁向下设有一直径扩大的倾斜面，倾斜面与锥面相抵靠。

在本发明的一较佳实施方式中，中心管包括自上而下顺序固定的上接管、中间接管和下接管，上接管构成中心管的上段，中间接管构成中心管的中段，下接管构成中心管的下段，过流孔设在中间接管的下端侧壁，膨胀锥套套设在中间接管上，下接管的下端通过剪切销钉与胶塞管固定连接。

在本发明的一较佳实施方式中，膨胀外管包括自上而下顺序固定的膨胀套管、中间套管和下套管，膨胀套管的上端内壁与上接管的下端外壁接触，中间套管的内壁和下套管的上端内壁与下接管的外壁接触。

在本发明的一较佳实施方式中，还包括钢球；下接管的上端内壁且位于中间接管的下方设有一直径缩小的限位凸环，钢球的直径大于限位凸环的内径小于中间接管的内径。

在本发明的一较佳实施方式中，在中间接管外壁且位于过流孔的下方套设有活塞套，活塞套的外壁和内壁分别与膨胀套管内壁和中间接管外壁密封接触，膨胀锥套的外壁和内壁分别与膨胀套管内壁和中间接管外壁密封接触。

在本发明的一较佳实施方式中，在中间接管的外壁且位于膨胀锥套和活塞之间设有一直径扩大的限位凸台，过流孔开设在限位凸台上。

在本发明的一较佳实施方式中，膨胀套管的外壁沿其周向环设有多道密封凸环。

在本发明的一较佳实施方式中，在中间接管的外壁且位于上环形空腔内套设有扶正环，且扶正环的内壁和外壁分别与中间接管的外壁和膨胀套管的内壁过盈配合。

在本发明的一较佳实施方式中，在下接管的上端沿其轴向固定有锁紧凸块，中间套管的上端沿其轴向设有键槽，键槽向上延伸至中间套管的顶部，锁紧凸块插设在键槽内。

由上所述，本发明中的固井用引鞋以及固井管柱，通过第一凸环和第一密封球的配合能够实现一级密封作用，通过密封环和第二密封球的配合能够实现二级密封，两者构成了双级密封，密封更加可靠。因此，当井口需要放压时，底部的水泥在双极密封作用下也不会倒流，能够确保密封性良好，进而有效避免水泥返吐，提高了固井质量，保证了施工安全。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明提供的固井用引鞋的结构剖视图。

图2：为本发明提供的膨胀悬挂固井管柱的结构示意图。

图3：为本发明提供的固井用膨胀式悬挂器的半剖视图。

图4：为本发明提供的中间接管的半剖视图。

图5：为本发明提供的胶塞管的半剖视图。

图6：为本发明提供的密封胶塞的半剖视图。

图7：为图6中A处的局部放大图。

图8：为本发明提供的下接杆的半剖视图。

图9：为本发明提供的堵头的半剖视图。

图10：为本发明提供的径向涨块的半剖视图。

图11：为本发明提供的径向涨块的俯视剖面图。

图12：为本发明提供的环形限位套的半剖视图。

图13：为本发明提供的环形限位套的俯视剖面图。

附图标号说明：

100、地层；101、表层套管；102、井口四通；103、防喷器；104、油层套管；1041、变形损坏部位；1042、漏点部位；

200、钻杆；201、旋塞阀；202、高压软管线；203、泵车；204、罐车；

300、补救套管；

400、固井用引鞋；

401、外护管；4011、上连接套；4012、中间接箍；4013、下连接套；40131、引流孔；4014、上球座；40141、密封环；40142、第一限位槽；4015、下球座；

402、第一密封球；403、第二密封球；404、挡板；405、阀杆；406、弹簧；407、弹簧座；408、双头螺柱；

500、固井用膨胀式悬挂器；

1、中心管；11、上接管；12、中间接管；121、限位凸台；1211、过流孔；13、下接管；131、限位凸环；132、锁紧凸块；

2、膨胀外管；21、膨胀套管；211、密封凸环；22、中间套管；23、下套管；

3、上环形空腔；4、下环形空腔；

5、膨胀锥套；51、延伸套；

6、胶塞管；61、第一接管；611、剪切销钉；612、第二密封皮碗；613、第二限位槽；62、第二接管；621、第一锁簧；63、接箍；

7、密封胶塞；71、中心杆；711、第一密封皮碗；712、螺母；713、垫片；72、下接杆；721、第二锁簧；7211、径向涨块；7212、环形限位套；7213、弹性件；722、阶梯杆；73、堵头；

8、活塞套；

9、扶正环。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例提供一种固井用引鞋，包括竖直设置且上端开口下端封闭的外护管401。

其中，在外护管401的中部内壁和上端内壁分别设有一直径缩小的第一凸环和第二凸环，在外护管401内且位于第一凸环的下方固定有挡板404，在第一凸环和挡板404之间设有第一密封球402和弹性复位机构，第一密封球402的直径大于第一凸环的内径，第一密封球402的上端顶靠在第一凸环的下端面，第一密封球402的下端与弹性复位机构的上端固定连接，挡板404上设有一个中心孔和多个开孔，弹性复位机构的下端能轴向滑动地穿设在中心孔内。在第二凸环的下端内壁套设有密封环40141，并在密封环40141和第一凸环之间设有第二密封球403，第二密封球403的直径大于密封环40141的内径以及第一凸环的内径。

具体而言，一般挡板404上的多个开孔围绕中心孔均匀布置，通过第一凸环和第一密封球402的相互配合能够实现一级密封，且第一密封球402在弹性复位机构的作用下能够使得水泥顺利通过，同时能够快速复位以封堵第一凸环。通过密封环40141和第二密封球403的相互配合能够实现二级密封，且第二密封球403主要是靠浮力作用实现与密封环40141的密封。一般第二密封球403采用较轻的材质制成，例如第二密封球403为尼龙球，以便水泥通过时第二密封球403能够依靠浮力上升，而不会封堵第一凸环。当然，第二密封球403也可以根据需要采用其他较轻的材质，本实施例仅为举例说明。

在使用时，该固井用引鞋400作为固井附件连接在下述的补救套管300的下端，注入水泥并打压后，水泥由补救套管300挤入固井用引鞋400，并通过第一凸环、第二凸环和挡板404上的开孔进入外护管401的下端腔室，然后通过下述的引流孔40131挤到补救套管300与油层套管104之间的环空内，实现固井。当打压结束后，井口需要放压，即“返排”，来测试水泥是否倒流，此时由于上述的一级密封和二级密封的双级密封作用，能够有效防止水泥倒流现象。

由此，本实施例中的固井用引鞋400通过第一凸环和第一密封球402的配合能够实现一级密封作用，通过密封环40141和第二密封球403的配合能够实现二级密封，两者构成了双级密封，密封更加可靠。因此，当井口需要放压时，底部的水泥在双极密封作用下也不会倒流，能够确保密封性良好，进而有效避免水泥返吐，提高了固井质量，保证了施工安全。

在具体实现方式中，如图1所示，弹性复位机构包括阀杆405、弹簧406以及具有轴向贯穿孔的弹簧座407，阀杆405的上端与第一密封球402的下端固定，阀杆405的下端能轴向滑动地穿设在轴向贯穿孔内，轴向贯穿孔的上部设有一直径扩大的过孔。弹簧406套设在阀杆405上且其两端分别抵靠在过孔的孔肩和第一密封球402的下端，弹簧座407的下端外壁向下设有一直径缩小的限位台阶，弹簧座407的下端插设在中心孔内且限位台阶抵靠在挡板404的顶面。这样，第一凸环和第一密封球402通过弹簧406上顶力实现一级密封，并在弹簧406的上顶力作用下使得第一密封球402能够快速实现复位，保证密封效果。一般为了便于安装，第一密封球402为半球结构。

为了便于调节弹簧406的上顶力大小，固井用引鞋400还包括双头螺柱408、垫片和螺母，第一凸环上开设有多个内螺纹孔，挡板404上开设有多个安装通孔，双头螺柱408设在第一凸环和挡板404之间且与外护管401的轴线方向平行。双头螺柱408的上端与内螺纹孔螺纹连接，双头螺柱408的下端穿过安装通孔并在挡板404的底面外部依次套设垫片和螺母，螺母与双头螺柱408的下端螺纹连接。

其中，内螺纹孔、安装通孔、双头螺柱408、垫片和螺母的数量相同，且内螺纹孔和安装通孔上下正对设置，多个内螺纹孔一般沿周向均匀布置，以保证结构稳定。通过双头螺柱408和螺母配合能够调节第一凸环和挡板404之间的距离，进而实现调节弹簧406的上顶力，简单方便。

在实际应用中，为了便于下述的胶塞管6下行至固井用引鞋400的位置时实现胶塞管6与固井用引鞋400的限位阻留，在第二凸环的上端内壁设有第一限位槽40142，该第一限位槽40142优选采用牙槽，以便于与下述的胶塞管6上的第一锁簧621卡合固定，此时胶塞管6密封管内后形成密闭空间，管内压力迅速上升，实现“碰压”，即表示水泥已经全部进入环空。在外护管401的下端外壁且位于挡板404的下方设有多个引流孔40131，水泥通过该引流孔40131挤到环空内。为了便于在固井管柱下行时起到引导作用，外护管401的下端外壁为直径向下渐缩的锥面，以保证管柱能够顺利下到井底。

如此，利用固井用引鞋400这一个工具便可以同时具有阻留、碰压、引导和密封防水泥返吐的作用，能够同时替代现有技术中的固井阻流环、浮鞋浮箍和套管引鞋等工具，并不需要多个工具共同作用来实现这些功能，因此安装使用更加方便。

进一步地，为了便于加工和安装，外护管401包括从上至下顺序固定的上连接套4011、中间接箍4012和下端封闭的下连接套4013。在上连接套4011内固定有上球座4014，在下连接套4013的上端固定有下球座4015，上球座4014构成的第二凸环，下球座4015构成的第一凸环，引流孔40131设在下连接套4013的下端侧壁上。其中，一般上连接套4011的下端内壁与中间接箍4012的上端外壁螺纹连接，中间接箍4012的下端外壁与下连接套4013的上端内壁螺纹连接，上球座4014外壁与上连接套4011内壁螺纹连接，下球座4015外壁与下连接套4013上端内壁螺纹连接。

为了保证第一密封球402和第二密封球403分别能够与第一凸环和第二凸环下端紧密贴合，以提高密封效果，第一凸环和第二凸环的下端内壁均设有向下渐扩的锥面，一般在第二凸环的下端锥面上开设有环形凹槽，上述的密封环40141嵌设在环形凹槽内。为了进一步提高密封效果，一般第一密封球402为钢球，第二密封球403为尼龙球，密封环40141的材质为橡胶。

进一步地，为了在固井后需要钻除固井用引鞋400时易于钻除，上述的上连接套4011、中间接箍4012、下连接套4013、上球座4014、下球座4015、挡板404、阀杆405、弹簧座407的材质均为铝合金，既能保证工具强度，又便于钻磨，尤其适用于固井后需要钻除固井附件的情况。

综上，本实施例中的固井用引鞋400具有使用方便、安全可靠、容易钻除、固井质量好以及适应性强等优点，能够广泛应用于油田修井钻井或修井作业下补救套管300固井完井工艺。

本实施例还提供一种膨胀悬挂固井管柱，如图2所示，包括从上至下顺序固定的固井用膨胀式悬挂器500、补救套管300以及上述的固井用引鞋400。

在实际应用中，整个固井管柱还包括钻杆200以及设在钻杆200上端的旋塞阀201。以图2中示出的在地层100内下入有表层套管101，在井口设有井口四通102和防喷器103，在表层套管101内下入有油层套管104，油层套管104的下端存在变形损坏部位1041以及漏点部位1042的井筒为例，此时修井时需要在油层套管104内下入一个补救套管300(即外径小于油层套管104内径的一个小套管)，悬挂该补救套管300的过程则利用该固井管柱来完成。

详细来说，如图3、图5和图6所示，上述的固井用膨胀式悬挂器500包括竖直设置的中心管1、膨胀外管2、胶塞管6以及密封胶塞7。

其中，中心管1中段的外径小于中心管1上段和中心管1下段的外径，在中心管1中段的下端侧壁沿其周向间隔设有多个过流孔1211。膨胀外管2套设在中心管1外壁上，其上端内壁与中心管1上段外壁接触，其下端内壁与中心管1下段外壁接触，膨胀外管2的内壁与中心管1中段的外壁之间构成环形空腔，在中心管1中段外壁上且位于环形空腔内套设有膨胀锥套5，膨胀锥套5的外径大于膨胀外管2的内径。膨胀锥套5将环形空腔分割成上环形空腔3和下环形空腔4，下环形空腔4为密封腔，过流孔1211与下环形空腔4相连通。

胶塞管6套设在膨胀外管2内，并通过剪切销钉611固定在中心管1的下端，胶塞管6的下端外壁设有第一锁簧621，在第二凸环的上端内壁设有第一限位槽40142，第一锁簧621能卡设在第一限位槽40142内。密封胶塞7能密封插设在胶塞管6中，密封胶塞7的下端外壁设有第二锁簧721，在胶塞管6的下端内壁设有第二限位槽613，第二锁簧721能卡设在第二限位槽613内。

具体而言，一般剪切销钉611被剪断所需的力小于膨胀锥套5上行所需的力。在使用之前先计算固井所用的水泥量，具体计算方法为：根据补救套管300的长度，计算补救套管300和油层套管104之间的环空体积，再乘以一定的余量系数可以得出固井用水泥量。再根据固井管柱以及补救套管300和油层套管104的环空水泥返高计算顶替液用量。

在使用时，膨胀外管2的下端(即下述的下套管23的下端)连接需要悬挂的补救套管300，在补救套管300的最下端连接上述的固井用引鞋400，中心管1的上端(即下述的上接管11的上端)连接钻杆200，利用钻杆200将整个悬挂器和下端悬挂的补救套管300和固井用引鞋400下入到油层套管104内。

下到井下设计位置后，按照设计固井水泥用量，将罐车204中的水泥通过泵车203、高压软管线202、旋塞阀201和钻杆200按照计算用量泵入到井下，水泥通过悬挂器和固井用引鞋400后进入补救套管300和油层套管104之间的环空。当泵入计算用量的水泥后，关闭旋塞阀201，卸掉高压软管线202，向钻杆200内投入密封胶塞7，然后重新连接高压软管线202，打开旋塞阀201，向井内泵入顶替液。

顶替液推动密封胶塞7和水泥下行，当密封胶塞7达到胶塞管6的位置时，密封胶塞7上的第二锁簧721卡设在胶塞管6上的第二限位槽613内，实现了限位和密封的作用。压力继续推动密封胶塞7，当推力达到一定值后剪切销钉611被剪断，密封胶塞7和胶塞管6一起推动水泥继续下行，在下行过程中，下方的水泥通过固井用引鞋400被挤到补救套管300与油层套管104之间的环空内，当密封胶塞7和胶塞管6下行到固井用引鞋400的位置后，胶塞管6上的第一锁簧621卡设在固井用引鞋400的第一限位槽40142内，实现限位和密封，完成“碰压”。碰压完成后，由于下端通道密封，管柱内形成密闭腔，从井口能够观察到管内压力迅速上升，说明水泥已经基本全部被挤到环空内，实现了固井。

此时继续打压，管内的压力会继续升高，当压力达到膨胀锥套5的启动压力并憋压到一定数值后，液体推动膨胀锥套5上行，由于膨胀锥套5的外径大于膨胀外管2的内径，在上行过程将膨胀外管2开始膨胀，以使膨胀外管2紧贴于油层套管104内壁上，实现悬挂和密封下端的补救套管300的目的。当膨胀锥套5继续上行走到上环形空腔3的顶部时或者在膨胀锥套5继续上行的过程中，将带着中心管1一起继续上行，当膨胀锥套5上行至与膨胀外管2的顶端脱离后，下环形空腔4的压力下降，此时通过上提管柱，通过观察悬重变化来判断是否丢手成功，若丢手成功，循环出多余的水泥，试压合格后将中心管1和膨胀锥套5一同起出，膨胀外管2则与下端悬挂的补救套管300、固井用引鞋400、胶塞管6和密封胶塞7一同悬挂在井内，即完成了补救套管300的悬挂。

由此，本实施例中的悬挂器，由于膨胀外管2内部并没有台阶，当中心管1起出后，留在井内的膨胀外管2的内通径相较于现有的机械式悬挂器内部有台阶的结构来说更大，便于后续起下工具，且在起下工具过程中在悬挂器部位不会出现卡阻现象。同时，当膨胀外管2在膨胀锥套5的作用下膨胀而紧贴在油层套管104内壁上时，就能够同时起到悬挂和密封的作用。而且，在打压憋压到一定数值之前膨胀外管2并不会膨胀，因此并不会出现中途坐封的风险，性能可靠。另外，在固井过程中利用胶塞管6和密封胶塞7进行配合，以及固井用引鞋400中的双级密封作用，当打压结束后，能够有效防止水泥返吐现象，保证了施工的安全。整个悬挂器结构简单，操作简便，便于加工。

在具体实现方式中，如图5、图6和图7所示，第二锁簧721包括多个能够径向平移地沿周向相邻设置在密封胶塞7的下端外壁的径向涨块7211，每个径向涨块7211的横截面呈圆弧状，每个径向涨块7211的上端外壁设有呈斜齿状的锁牙，且锁牙的斜齿状斜边朝向密封胶塞7能轴向呈向下单向移动的方向设置(即锁牙的外壁向上呈渐扩状)，第二限位槽613包括多条环状的牙槽，且牙槽的形状与径向涨块7211外壁锁牙的形状相同。

需要说明的是，上述所说的多个径向涨块7211相邻设置是指相邻两个径向涨块7211之间设有一定间隙，以便在径向被压缩时能够相互靠近。在本实施例中，共对称设有四个径向涨块7211，每个径向涨块7211的上端外壁设有三个锁牙，当然，在其他的实施方式中，也可以根据需要设置其他数量的径向涨块7211以及锁牙，本实施例仅为举例说明。

详细来说，如图6至图13所示，密封胶塞7的下端外壁沿周向设有环形凹槽，在环形凹槽内套设有环形限位套7212，环形限位套7212的下端内侧壁与环形凹槽的槽底接触，环形限位套7212的上端呈管状并与环形凹槽的槽底之间设有间隔，该间隔构成环形限位空间。在环形限位套7212的上端沿周向间隔设有多个安装孔，在环形凹槽的底面沿周向间隔设有多个第一安装槽，每个径向涨块7211的内壁凹设有第二安装槽，第二安装槽的数量、安装孔的数量均与径向涨块7211的数量相同。每个径向涨块7211插设在环形限位空间内且第一安装槽正对第二安装槽设置，且径向涨块7211的上端锁牙卡设在安装孔内，径向涨块7211的下端抵靠在限位环形空间的底面，第一安装槽和第二安装槽之间夹设有弹性件7213，该弹性件7213优选为弹簧406。

如此，当密封胶塞7下行到胶塞管6的位置时，径向涨块7211的上端锁牙能够自密封胶塞7径向平移缩回后再径向平移伸出并卡设在牙槽内，以实现限位作用，同时由于径向涨块7211的上端外壁锁牙以及牙槽的特殊形状，使得第二锁簧721卡设在牙槽后并不会后退，进而密封胶塞7不会再向上移动，有效防止了防止水泥返吐现象。

在实际应用中，如图5和图6所示，为了在固井过程中能够刮掉钻杆200内壁以及补救套管300内壁上的水泥，保证管内清洁，以保证后续正常作业，降低工程事故，密封胶塞7的上端外壁套设有多个第一密封皮碗711，胶塞管6的下端外壁套设有多个第二密封皮碗612。

其中，第一密封皮碗711和第二密封皮碗612均为采用橡胶硫化在铝合金属上形成的碗状结构，一般第一密封皮碗711和第二密封皮碗612的碗口均朝上设置，以便于打压时顺利下行。第一密封皮碗711的外径略大于钻杆200的内径，同时略大于下述的上接管11和中间接管12的内径；第二密封皮碗612的外径略大于补救套管300的内径，同时略大于下述的下套管23的内径，以使第一密封皮碗711的外壁能够与钻杆200内壁以及下述的上接管11和中间接管12内壁构成过盈配合，第二密封皮碗612的外壁能够与补救套管300内壁以及下述的下套管23内壁构成过盈配合，保证刮浆更干净。

这样，密封胶塞7在顶替液的推动下下行时第一密封皮碗711便可以有效刮出钻杆200内壁的水泥，当密封胶塞7和胶塞管6一起下行过程中第二密封皮碗612便可以有效刮出补救套管300内壁的水泥，进而最大程度将固井水泥挤入环空内，提高固井效果。

如图6至图9所示，为了便于加工和安装，密封胶塞7包括自上而下顺序固定的中心杆71、下接杆72和堵头73，多个第一密封皮碗711均套设在中心杆71上，并在中心杆71的上端设有固定件，第二锁簧721设在下接杆72的下端侧壁上。

具体而言，一般在下接杆72的上端顶面设有第三安装槽，中心杆71的下端外壁与第三安装槽的侧壁螺纹连接。上述的固定件主要用来对多个第一密封皮碗711进行紧固定位，包括依次套设在中心杆71上端的螺母712和垫片713，且螺母712与中心杆71外壁螺纹连接。在堵头73的上端顶面设有第四安装槽，在下接杆72的下端设有一直径缩小的阶梯杆722，该阶梯杆722的下端外壁与第四安装槽的侧壁螺纹连接，堵头73的上端外径大于阶梯杆722的直径，该阶梯杆722的外壁与阶梯杆722的轴肩和堵头73的顶面之间构成上述密封胶塞7的下端外壁上的环形凹槽，环形限位套7212的底面抵靠在堵头73的顶面上，环形限位套7212的顶面顶靠在阶梯杆722的轴肩上。

另外，为了便于密封胶塞7的下行，堵头73的下端外壁为直径向下渐缩的锥面。为了保证密封胶塞7到达胶塞管6的位置后与胶塞管6之间的密封性，在下接杆72的下端外壁上设有多道环形凹槽，并在环形凹槽内设有密封圈。

进一步地，如图5所示，为了便于加工和安装，胶塞管6包括自上而下顺序固定的第一接管61和第二接管62和接箍63，多个第二密封皮碗612均套设在第一接管61外壁上，剪切销钉611设在第一接管61外壁上并位于第二密封皮碗612的上方，第二限位槽613设在第一接管61的下端内壁。

其中，一般第一接管61的下端外壁与第二接管62的上端内壁螺纹连接，接箍63的上端内壁与第二接管62的下端外壁螺纹连接。另外，为了便于胶塞管6与固井用引鞋400的限位固定，在第二接管62的下端侧壁设有第一锁簧621，以便于与固井用引鞋400中的第一限位槽40142卡合，该第一锁簧621的结构与密封胶塞7上的第二锁簧721结构相同，同样包括径向涨块、环形限位套和弹性件，在此不再赘述。为了保证胶塞管6达到固井用引鞋400的位置后与固井用引鞋400之间的密封性，在胶塞管6的下端外壁上且位于第一锁簧621的下方设有多道环形凹槽，并在环形凹槽内设有密封圈。

在具体实现过程中，为了便于膨胀锥套5在打压后能够顺利上行，膨胀锥套5的上端外壁为直径向上渐缩的锥面，在膨胀外管2的下端内壁向下设有一直径扩大的倾斜面，倾斜面与锥面相抵靠。

需要说明的是，在下入管柱过程中，整个膨胀外管2主要依靠膨胀锥套5上的锥面与膨胀外管2上的倾斜面之间的摩擦力来保证打压之前膨胀外管2不会自动掉落。其中，该摩擦力的大小主要由下述的膨胀套管21的壁厚以及倾斜面和锥面的倾斜角度来决定的。因此，在整个结构的尺寸设计完成后，该摩擦力大小数值也就确定，在使用时只要保证悬挂器下端悬挂的补救套管300的管柱重量小于该摩擦力值，就能保证下入管柱时膨胀外管2的位置稳定。

进一步地，如图3所示，为了方便加工和安装，中心管1包括自上而下顺序固定的上接管11、中间接管12和下接管13。其中，上接管11构成中心管1的上段，中间接管12构成中心管1的中段，下接管13构成中心管1的下段，中间接管12的外径小于上接管11和下接管13的外径，过流孔1211设在中间接管12的下端侧壁，膨胀锥套5套设在中间接管12上，下接管13的下端通过上述的剪切销钉611与胶塞管6固定连接。其中，为了保证在向中心管1内打压时中心管1内腔的密封性，在中间接管12的上端外壁与上接管11的下端内壁之间也需要密封，一般在上接管11的下端内壁开设环形凹槽，并在环形凹槽内设置密封圈即可。

为了进一步便于加工和安装以及节约成本，膨胀外管2包括自上而下顺序固定的膨胀套管21、中间套管22和下套管23，膨胀套管21的上端内壁与上接管11的下端外壁接触，中间套管22的内壁和下套管23的上端内壁与下接管13的外壁接触，上述的倾斜面设在膨胀套管21的下端内壁上。

详细来说，一般中间接管12的上端外壁与上接管11的下端内壁螺纹连接，中间接管12的下端外壁与下接管13的上端内壁螺纹连接。膨胀套管21的下端内壁与中间套管22的上端外壁螺纹连接，中间套管22的下端外壁与下套管23的上端内壁螺纹连接，膨胀套管21的内壁与上接管11的底面、中间接管12的外壁以及下接管13和中间套管22的顶面之间构成上述的环形空腔。一般为了便于膨胀锥套5的安装，膨胀锥套5的上端向上延伸设有一外径缩小的延伸套51。

在实际应用中，上述的膨胀锥套5的外径大于膨胀套管21的内径的范围优选为6～16mm，以避免太大造成施工风险太大，同时避免太小而造成膨胀套管21膨胀时达不到较高的密封和悬挂效果。一般膨胀套管21采用具有良好延展性和一定强度的材质制成，例如材质采用20G或者软不锈钢。上述的膨胀锥套5则需要采用强度高的材质，例如55SiMiMo。为了在膨胀套管21与中间套管22连接时防止粘扣，中间套管22的材质一般采用铝青铜。而对于上接管11、中间接管12、下接管13以及下套管23的材质采用普通钢材即可，例如42Mo。当然，对于各部件采用的具体材质根据实际性能进行选择，本实施例仅为举例说明。

进一步地，在使用过程中，有时会由于补救套管300本体漏、丝扣连接漏、密封胶塞7与胶塞管6之间密封不严或者胶塞管6与固井用引鞋400之间密封不严(此种情况相对较少)等原因，会导致注顶替液后管内不起压，无法起到膨胀锥套5，将导致膨胀坐封失败。因此，为了在井下不起压时能够采取一定补救措施来正常起压，如图3所示，整个悬挂器还包括钢球，下接管13的上端内壁且位于中间接管12的下方设有一直径缩小的限位凸环131，钢球的直径大于限位凸环131的内径小于中间接管12的内径。

其中，图1中的中心管1内示出的圆形虚线代表钢球，该限位凸环131构成一球座，在使用过程中出现井下不起压现象时，可以向管内投球，当钢球落到该球座上后再进行打压，由于该钢球对中心管1内部起到密封作用，能够保证正常起压，以启动膨胀锥套5实施膨胀作业，进而有效避免管内因无法憋压而导致工程失败的风险。一般为了提高钢球与限位凸环131的密封效果，限位凸环131的上端内壁设有向上渐扩的锥面。

为了有效保证下环形空腔4的密封性，保证投球作业时能够正常憋压而启动膨胀锥套5，如图3所示，在中间接管12外壁且位于过流孔1211的下方套设有活塞套8，活塞套8的外壁和内壁分别与膨胀套管21内壁和中间接管12外壁密封接触，膨胀锥套5的外壁和内壁分别与膨胀套管21内壁和中间接管12外壁密封接触。具体是，在在延伸套51的上端内壁、膨胀锥套5的下端外壁、以及活塞套8的外壁和内壁上均设有环形凹槽，并在每个环形凹槽内设置密封圈即可实现密封，一般采用O型密封圈。

在实际应用中，在投球作业时，为了避免打压过程中由于活塞套8下方出现液体泄漏而导致活塞套8一起和膨胀锥套5上行，活塞套8将无法起到对下环形空腔4的密封作用，如图4所示，在中间接管12的外壁且位于膨胀锥套5和活塞之间设有一直径扩大的限位凸台121，上述的过流孔1211开设在限位凸台121上。这样，利用限位凸台121的作用能够将膨胀锥套5和活塞套8分割开，并保证活塞套8始终位于过流孔1211下方的位置，即便活塞套8下方出现漏油现象也不会导致活塞套8上行，保证打压时下环形空腔4的密封性。

进一步地，为了在膨胀套管21膨胀时能够提高悬挂和密封效果，如图3所示，膨胀套管21的外壁沿其周向环设有多道密封凸环211。这样，当膨胀锥套5将膨胀套管21胀大后，将会挤压密封凸环211紧贴于油层套管104内壁上，实现并提高悬挂和密封作用。通过调节膨胀套管21的壁厚，可以实现较好的密封性能和较高的悬挂力。另外，在整个悬挂器下入油层套管104时，一般密封凸环211的外侧壁与油层套管104的内壁之间设有间隙，该间隙一般至少3mm左右，具体的尺寸要求根据实际需要进行选择，本发明对此不进行限定。

在实际应用中，为了对密封凸环211更好的保护，每个密封凸环211包括间隔设置的多个第一金属凸环以及位于多个第一金属凸环两侧的第二金属凸环，在每个第一金属凸环上设有硫化橡胶层。

具体来说，一般第一金属凸环和第二金属凸环材质和膨胀套管21材质相同，加工时直接在膨胀套管21的外壁上采用车床加工而成，且两者的外径相同，一般高出膨胀套管21的外径1～3mm，然后在第一金属凸环上硫化一层橡胶构成硫化橡胶层，硫化橡胶层的厚度一般为1mm左右。由于第一金属凸环和第二金属凸环的设置，通过挤压膨胀后能够起到高温密封的作用，最高耐温可达到280℃。

在第一金属凸环外壁设置硫化橡胶层能够保证硫化橡胶层的稳定性，防止硫化橡胶层容易脱落。同时，在硫化橡胶层的两侧设有第二金属凸环，能过在使用时防止后续作业过程中高温注汽对硫化橡胶层造成损坏，起到一定的保护作用。设置硫化橡胶层后第一金属凸环处的总外径大于第二金属凸环的外径，因此在膨胀套管21膨胀后，设有硫化橡胶层的第一金属凸环起到主要的悬挂和密封作用，两侧的第二金属凸环起到辅助的悬挂和密封作用。对于第一金属凸环和第二金属凸环的个数根据需要进行设置，例如可以设置三个第一金属凸环，并在三个第一金属凸环的两侧各设置一个第二金属凸环。

进一步地，由于打压后在膨胀锥套5上行过程中，有可能在膨胀锥套5走到上环形空腔3的顶部之前就会带动中心管1一起上行，当上接管11的下端与膨胀套管21的上端相脱离时，有可能会导致膨胀套管21稍有偏斜。然而，一旦膨胀套管21偏斜，一方面会造成膨胀套管21的两侧外壁与油层套管104内壁之间的间隙一侧大一侧小，在膨胀套管21膨胀时有可能会造成受力不均匀而导致采用延展性材质的膨胀套管21膨胀时堆在一起；另一方面会造成密封不严，会增大后续的膨胀力，严重的可能会导致施工失败。

因此，为了避免膨胀套管21发生偏斜，如图3所示，在中间接管12的外壁且位于上环形空腔3内套设有扶正环9，且扶正环9的内壁和外壁分别与中间接管12的外壁和膨胀套管21的内壁过盈配合。由于扶正环9与中间接管12和膨胀套管21之间均是过盈配合，相互之间基本没有间隙，所以，在膨胀锥套5推动扶正环9一同上行时，在扶正环9脱离膨胀套管21上端之前，膨胀套管21便不会发生偏斜，进而避免了上述的问题。

进一步地，由于井壁内并不光滑，在整个悬挂器下入油层套管104中出现下入困难时，为了便于带动膨胀外管2一起旋转，在下接管13的上端沿其轴向固定有锁紧凸块132，中间套管22的上端沿其轴向设有键槽，键槽向上延伸至中间套管22的顶部，锁紧凸块132插设在键槽内。

其中，一般在下接管13的上端沿其轴向开设有键槽，锁紧凸块132固定在该键槽内。通过锁紧凸块132的作用能够传递扭矩，一旦悬挂器下入困难，通过旋转中心管1便可带动膨胀外管2一起转动，以保证顺利下入设计位置。

以上仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (16)

1.一种固井用引鞋，其特征在于，包括竖直设置且上端开口下端封闭的外护管，在所述外护管的中部内壁和上端内壁分别设有一直径缩小的第一凸环和第二凸环；

在所述外护管内且位于所述第一凸环的下方固定有挡板，在所述第一凸环和所述挡板之间设有第一密封球和弹性复位机构，所述第一密封球的直径大于所述第一凸环的内径，所述第一密封球的上端顶靠在所述第一凸环的下端面，所述第一密封球的下端与所述弹性复位机构的上端固定连接，所述挡板上设有一个中心孔和多个开孔，所述弹性复位机构的下端能轴向滑动地穿设在所述中心孔内；

在所述第二凸环的下端内壁套设有密封环，并在所述密封环和所述第一凸环之间设有第二密封球，所述第二密封球的直径大于所述密封环的内径以及所述第一凸环的内径；

所述弹性复位机构包括阀杆、弹簧、以及具有轴向贯穿孔的弹簧座，所述阀杆的上端与所述第一密封球的下端固定，所述阀杆的下端能轴向滑动地穿设在所述轴向贯穿孔内，所述轴向贯穿孔的上部设有一直径扩大的过孔，所述弹簧套设在所述阀杆上，所述弹簧的两端分别抵靠在所述过孔的孔肩和所述第一密封球的下端，所述弹簧座的下端外壁向下设有一直径缩小的限位台阶，所述弹簧座的下端插设在所述中心孔内且所述限位台阶抵靠在所述挡板的顶面；

所述第一凸环和所述第一密封球之间能通过所述弹簧的上顶力实现密封，所述第一密封球能在所述弹簧的上顶力作用下实现快速复位；

所述固井用引鞋还包括双头螺柱、垫片和螺母；

所述第一凸环上开设有多个内螺纹孔，所述挡板上开设有多个安装通孔，所述双头螺柱设在所述第一凸环和所述挡板之间且与所述外护管的轴线方向平行；

所述双头螺柱的上端与所述内螺纹孔螺纹连接，所述双头螺柱的下端穿过所述安装通孔并在所述挡板的底面外部依次套设所述垫片和螺母，所述螺母与所述双头螺柱的下端螺纹连接，所述双头螺柱和所述螺母能够调节所述第一凸环和所述挡板之间的距离，以调节所述弹簧的上顶力。

2.如权利要求1所述的固井用引鞋，其特征在于，

在所述外护管的下端外壁且位于所述挡板的下方设有多个引流孔，所述外护管的下端外壁为直径向下渐缩的锥面。

3.一种膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，包括从上至下顺序固定的固井用膨胀式悬挂器、补救套管以及如权利要求1-2任一项所述的固井用引鞋。

4.如权利要求3所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，所述固井用膨胀式悬挂器包括：

竖直设置的中心管，所述中心管中段的外径小于中心管上段和中心管下段的外径，在所述中心管中段的下端侧壁沿其周向间隔设有多个过流孔；

膨胀外管，套设在所述中心管外壁上，其上端内壁与所述中心管上段外壁接触，其下端内壁与所述中心管下段外壁接触，所述膨胀外管的内壁与所述中心管中段的外壁之间构成环形空腔，在所述中心管中段外壁上且位于所述环形空腔内套设有膨胀锥套，所述膨胀锥套的外径大于所述膨胀外管的内径；所述膨胀锥套将所述环形空腔分割成上环形空腔和下环形空腔，所述下环形空腔为密封腔，所述过流孔与所述下环形空腔相连通；

胶塞管，套设在所述膨胀外管内，并通过剪切销钉固定在所述中心管的下端，所述胶塞管的下端外壁设有第一锁簧，在所述第二凸环的上端内壁设有第一限位槽，所述第一锁簧能卡设在所述第一限位槽内；

以及能密封插设在所述胶塞管中的密封胶塞，其下端外壁设有第二锁簧，在所述胶塞管的下端内壁设有第二限位槽，所述第二锁簧能卡设在所述第二限位槽内。

5.如权利要求4所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

所述第二锁簧包括多个能够径向平移地沿周向相邻设置在所述密封胶塞的下端外壁的径向涨块，每个所述径向涨块的横截面呈圆弧状，每个所述径向涨块的上端外壁设有呈斜齿状的锁牙，且所述锁牙的斜齿状斜边朝向所述密封胶塞能轴向呈向下单向移动的方向设置，所述第二限位槽包括多条环状的牙槽，且所述牙槽的形状与所述径向涨块外壁锁牙的形状相同。

6.如权利要求5所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

所述密封胶塞的下端外壁沿周向设有环形凹槽，在所述环形凹槽内套设有环形限位套，所述环形限位套的下端内侧壁与所述环形凹槽的槽底接触，所述环形限位套的上端呈管状并与所述环形凹槽的槽底之间设有间隔，该间隔构成环形限位空间；

在所述环形限位套的上端沿周向间隔设有多个安装孔，在所述环形凹槽的底面沿周向间隔设有多个第一安装槽，每个所述径向涨块的内壁凹设有第二安装槽，所述第二安装槽的数量、所述安装孔的数量均与所述径向涨块的数量相同；

每个所述径向涨块插设在所述环形限位空间内且所述第一安装槽正对所述第二安装槽设置，所述径向涨块的上端锁牙卡设在所述安装孔内，所述径向涨块的下端抵靠在所述限位环形空间的底面，所述第一安装槽和第二安装槽之间夹设有弹性件。

7.如权利要求4所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

所述密封胶塞的上端外壁套设有多个第一密封皮碗，所述胶塞管的下端外壁套设有多个第二密封皮碗。

8.如权利要求4所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

所述膨胀锥套的上端外壁为直径向上渐缩的锥面，在所述膨胀外管的下端内壁向下设有一直径扩大的倾斜面，所述倾斜面与所述锥面相抵靠。

9.如权利要求8所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

所述中心管包括自上而下顺序固定的上接管、中间接管和下接管，所述上接管构成所述中心管的上段，所述中间接管构成所述中心管的中段，所述下接管构成所述中心管的下段，所述过流孔设在所述中间接管的下端侧壁，所述膨胀锥套套设在所述中间接管上，所述下接管的下端通过所述剪切销钉与所述胶塞管固定连接。

10.如权利要求9所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

所述膨胀外管包括自上而下顺序固定的膨胀套管、中间套管和下套管，所述膨胀套管的上端内壁与所述上接管的下端外壁接触，所述中间套管的内壁和所述下套管的上端内壁与所述下接管的外壁接触。

11.如权利要求10所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，还包括钢球；

所述下接管的上端内壁且位于所述中间接管的下方设有一直径缩小的限位凸环，所述钢球的直径大于所述限位凸环的内径小于所述中间接管的内径。

12.如权利要求11所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

在所述中间接管外壁且位于所述过流孔的下方套设有活塞套，所述活塞套的外壁和内壁分别与所述膨胀套管内壁和所述中间接管外壁密封接触，所述膨胀锥套的外壁和内壁分别与所述膨胀套管内壁和所述中间接管外壁密封接触。

13.如权利要求12所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

在所述中间接管的外壁且位于所述膨胀锥套和所述活塞之间设有一直径扩大的限位凸台，所述过流孔开设在所述限位凸台上。

14.如权利要求10所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

所述膨胀套管的外壁沿其周向环设有多道密封凸环。

15.如权利要求10所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

在所述中间接管的外壁且位于所述上环形空腔内套设有扶正环，且所述扶正环的内壁和外壁分别与所述中间接管的外壁和膨胀套管的内壁过盈配合。

16.如权利要求10所述的膨胀悬挂固井管柱，其特征在于，

在所述下接管的上端沿其轴向固定有锁紧凸块，所述中间套管的上端沿其轴向设有键槽，所述键槽向上延伸至所述中间套管的顶部，所述锁紧凸块插设在所述键槽内。

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