CN114183086A - 一种用于膨胀管裸眼系统的防砂工具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，包括竖直设置的芯管，在芯管的外壁间隔套设有防砂管，该间隔形成两端封闭的环形腔室，在防砂管的下部外壁套设固定有防砂皮碗，防砂皮碗的开口朝上设置。在防砂管的管壁上且位于防砂皮碗的上方和下方的位置分别开设有多个第一循环孔和多个第二循环孔，第一循环孔和第二循环孔均与环形腔室以及防砂管的外部连通。本发明的防砂工具能够阻挡掉落的固相物体颗粒，且在膨胀锥运动遇阻时能够进行冲洗作业将固相物体颗粒冲出，避免对膨胀锥的运动造成影响，保证了膨胀管的顺利膨胀。

Description

一种用于膨胀管裸眼系统的防砂工具

技术领域

本发明是关于石油天然气行业中钻完井技术领域，尤其涉及一种用于膨胀管裸眼系统的防砂工具。

背景技术

膨胀管技术作为一种非常规技术于上世纪80年代诞生于壳牌石油公司，90年代末达到商用水平，被称为是“21世纪石油工业发展的核心技术之一”。所谓膨胀管，又称实体膨胀管，是指用特殊材料制成的实体金属圆管，其原始状态具有较好的延展性，在膨胀力的作用下，通过膨胀锥的挤压扩张作用，其内径和外径均得到膨胀并发生永久塑性变形，一般膨胀率可达到10～30％。膨胀管技术是将膨胀管管柱下到预定井深位置，采用机械或液压的方法，通过拉力或液压力使膨胀管膨胀，达到扩大井眼或生产管柱内径的目的，可实现修井、完井和钻井封堵等作业目标。膨胀管技术的应用主要有四个技术体系：膨胀管套管补贴系统(属于修井领域)、膨胀式尾管悬挂器系统(属于完井领域)、膨胀管裸眼系统(属于钻井领域)及等井径钻井系统。膨胀管裸眼系统一般包括膨胀管裸眼尾管技术系统和膨胀管裸眼补贴技术系统，可用来处理钻遇复杂地层引起的工程难题，如恶性严重漏失地层的封堵，易垮塌地层的封堵，常规提前下套管造成无法钻达目的层等。

如图1所示，膨胀管裸眼系统的工具串通常包括膨胀管外管柱和膨胀管内管柱，分别简称内管柱01和外管柱02。一般内管柱01包括自下而上设置的连接短节和钻杆011(或油管及钻杆011)，外管柱02包括自下而上设置的底堵、膨胀锥总成和膨胀管021，膨胀管021的下部具有打压腔023，膨胀锥022设在打压腔023内并抵靠在打压腔023对应的膨胀管021的内壁斜面上，膨胀管021的上下两端外壁安装具有密封悬挂功能的橡胶环，膨胀管021一般由多节子膨胀管螺纹密封连接构成。施工时，内管柱01可下入到膨胀管021下部并与膨胀管021对接，用于下放膨胀管021，同时为膨胀作业提供高压液体通道。外管柱02与内管柱01连接后下放到预定封堵井段，通过向内管柱01内打压，液体进入打压腔023后向上推动膨胀锥022，便可实现膨胀管021的膨胀作业。膨胀作业完成后，内管柱01自动丢手、起钻，内管柱01和膨胀锥022一起被起出，之后可以通过磨铣或打捞底堵，连通井眼。

目前，在施工现场下入膨胀管裸眼系统的工具串时，一般要在内管柱01与外管柱02的内外环空中灌满羧甲基纤维素(CM)溶液或黄原胶(XC)溶液等具有悬浮作用的粘稠性液体，以防止下钻过程中以及膨胀管021膨胀作业时有固相物体颗粒进入至内管柱01与外管柱02的内外环空阻碍膨胀锥的运动。然而，粘稠液体并非被密封在该内外环空中，由于钻井液的密度、成分等与这些粘稠性液体存在差别，可能会产生重力置换，使这些粘稠性液体在井下流失或失效(这里所说的失效是指钻井液与粘稠性液体发生化学反应，导致粘稠性液体不再粘稠的现象)，从而导致固相物体颗粒进入内管柱01与外管柱02的内外环空，严重地甚至可以使膨胀锥022无法运动、膨胀管021无法膨胀，造成严重的卡钻事故。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，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用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，能够阻挡掉落的固相物体颗粒，且在膨胀锥运动遇阻时能够进行冲洗作业将固相物体颗粒冲出，避免对膨胀锥的运动造成影响，保证了膨胀管的顺利膨胀。

本发明的目的是这样实现的，一种用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，包括竖直设置的芯管；在芯管的外壁间隔套设有防砂管，该间隔形成两端封闭的环形腔室，在防砂管的下部外壁套设固定有防砂皮碗，防砂皮碗的开口朝上设置；在防砂管的管壁上且位于防砂皮碗的上方和下方的位置分别开设有多个第一循环孔和多个第二循环孔，第一循环孔和第二循环孔均与环形腔室以及防砂管的外部连通。

在本发明的一较佳实施方式中，在芯管的外壁且位于环形腔室内沿其轴向间隔形成有多组支撑组件，每组支撑组件包括沿芯管的周向间隔排布的多个支撑块，且每个支撑块的外壁为弧面。

在本发明的一较佳实施方式中，多个第一循环孔以及多个第二循环孔分别设在防砂管的上端管壁和下端管壁上，并均沿防砂管的周向间隔排布。

在本发明的一较佳实施方式中，芯管包括呈上下密封固定的上接管和下接管，防砂管套设在上接管的外侧。

在本发明的一较佳实施方式中，下接管的上端内壁向上形成内径依次扩大的第一阶梯孔和第二阶梯孔，上接管的下端插设在第一阶梯孔内并密封固定；上接管的上部外壁向上形成外径依次增大的第一限位台阶和第二限位台阶，防砂管的上端顶靠在第二限位台阶上，防砂管的下端插设在第二阶梯孔内并抵靠在第二阶梯孔的底部孔肩上，上接管的外壁、防砂管的内壁、第一限位台阶与第二阶梯孔的底部孔肩之间构成环形腔室。

在本发明的一较佳实施方式中，在上接管的下端外壁开设有第一环槽，并在第一环槽内嵌设有密封圈，上接管的下端外壁与第一阶梯孔的孔壁螺纹固定。

在本发明的一较佳实施方式中，在上接管的下端外壁与第一阶梯孔的孔壁之间插设有防转螺钉。

在本发明的一较佳实施方式中，上接管的内径与下接管的内径相同。

在本发明的一较佳实施方式中，在防砂管的下部外壁且位于防砂皮碗的下方套设固定有皮碗座，防砂皮碗与皮碗座固定连接。

在本发明的一较佳实施方式中，在皮碗座的上端面开设有第二环槽，防砂皮碗的底端向下凸设形成凸环，凸环嵌设在第二环槽内并与皮碗座硫化固定。

在本发明的一较佳实施方式中，在防砂管的下部外壁向上形成外径扩大的第三限位台阶，皮碗座的上端和下端分别顶抵在第三限位台阶和下接管的上端面上；第二阶梯孔对应的下接管的管壁上沿其周向间隔开设有多个透槽，透槽向上延伸至下接管的顶部，第二循环孔与透槽相连通。

在本发明的一较佳实施方式中，在上接管的上端内壁形成有内螺纹，在下接管的下端外壁形成有外螺纹。

由上所述，本发明中的防砂工具，通过防砂皮碗的设置在膨胀管下放入井以及膨胀作业时能够抵挡防砂皮碗上方空间掉下来的固相物体颗粒，又不会影响膨胀锥的膨胀作业，增加了膨胀作业的安全性。若有细小颗粒未能被防砂皮碗阻挡而掉落，且细小颗粒的堆积影响或者阻止膨胀锥的运动时，可以适当下放内管柱后进行打压，利用第二循环孔、环形腔室和第一循环孔构成的液体循环通道，能够将膨胀锥表面或者膨胀锥上面空间的固相物体颗粒冲出，恢复膨胀作业。整个防砂工具结构简单，操作简便，更换易损件后可以重复使用，安全可靠，具有广泛的应用前景。

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：为现有技术中膨胀管裸眼系统的工具串的结构示意图。

图2：为本发明提供的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具的结构示意图。

图3：为图2中沿A-A方向的剖视图。

图4：为图2中沿B-B方向的剖视图。

图5：为图2中沿C-C方向的剖视图。

图6：为图2中沿D处的局部放大图。

图7：为本发明提供的上接管的结构示意图。

图8：为图7中沿E-E方向的剖视图。

图9：为本发明提供的下接管的结构示意图。

图10：为图9的俯视图。

图11：为本发明提供的防砂皮碗的结构示意图。

图12：为本发明提供的皮碗座的结构示意图。

图13：为本发明提供的防砂工具连接在内管柱后整个膨胀管裸眼系统的工具串的结构示意图。

图14：为本发明提供的进行冲洗时将内管柱下放后整个膨胀管裸眼系统的工具串的结构示意图。

附图标号说明：

现有技术：

01、内管柱；011、钻杆；02、外管柱；021、膨胀管；022、膨胀锥；023、打压腔。

本发明：

1、芯管；

11、上接管；111、支撑块；112、第一限位台阶；113、第二限位台阶；114、第一环槽；115、密封圈；116、防转螺钉；

12、下接管；121、第一阶梯孔；122、第二阶梯孔；123、透槽；

2、防砂管；21、第一循环孔；22、第二循环孔；23、第三限位台阶；

3、环形腔室；

4、防砂皮碗；41、凸环；

5、皮碗座；51、第二环槽；

100、内管柱；101、钻杆；

200、外管柱；201、膨胀管；202、膨胀锥；203、打压腔。

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2至图14所示，本实施例提供一种用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，包括竖直设置的芯管1，在芯管1的外壁间隔套设有防砂管2，该间隔形成两端封闭的环形腔室3，在防砂管2的下部外壁套设固定有防砂皮碗4，防砂皮碗4的开口朝上设置。在防砂管2的管壁上且位于防砂皮碗4的上方和下方的位置分别开设有多个第一循环孔21和多个第二循环孔22，第一循环孔21和第二循环孔22均与环形腔室3以及防砂管2的外部连通。

其中，整个防砂工具的外径规格根据膨胀管201的规格进行选取，以便与不同内径规格的膨胀管201配合使用。防砂皮碗4由橡胶制成，防砂皮碗4的外径应能够与膨胀前的膨胀管201内壁过盈配合。安装时，如图13所示，整个防砂工具安装在膨胀管201内，并安装在膨胀锥202上方的钻杆柱之间，芯管1的上端和下端分别与内管柱100的钻杆101端部连接，整个防砂工具作为内管柱100(即膨胀管内管柱)的一部分。根据需要在钻杆柱之间可以布置一个或者多个防砂工具来提高防砂效果，本实施例中以布置一个防砂工具为例来进行说明。

使用时，先下入外管柱200(即膨胀管外管柱)，再下入带有该防砂工具的内管柱100，与外管柱200对接后一起下放至预定封堵井段。在进行膨胀作业之前先进行固井作业，固定完成后，在水泥浆的侯凝阶段再通过向内管柱100内打压来实现膨胀作业。膨胀作业时，由于防砂皮碗4的外壁与膨胀前的膨胀管201内壁是过盈配合，既可以抵挡防砂皮碗4上方空间掉下来的固相物体颗粒，又不会影响膨胀锥202的正常胀管作业，通过防砂皮碗4的作用能够基本将固相物颗粒阻挡下来。

假如存在极少数的细小颗粒未被防砂皮碗4阻挡而掉落下来，且这些细小颗粒的堆积造成膨胀锥202卡堵无法运动，可以适当的下放内管柱100，如图14所示，使得膨胀锥202与膨胀管201内壁的斜面之间存在一定间隙。之后开泵循环，向内管柱100内打压，液体通过内管柱100向下流入到膨胀锥202底部的打压腔203内，由于膨胀锥202的外径会略小于膨胀后的膨胀管201内径，膨胀锥202与下方已膨胀的膨胀管201内壁之间存在一定间隙。因此，高压液体流入膨胀锥202的底部后，将会经膨胀锥202与下方已膨胀的膨胀管201内壁之间的间隙以及膨胀锥202与膨胀管201内壁的斜面之间的间隙流出，然后上返；再经防砂皮碗4下方的第二循环孔22流入环形腔室3内，并由防砂皮碗4上方的第一循环孔21流出至内管柱100和外管柱200之间的内环环空中，达到冲洗膨胀锥202表面以及膨胀锥202的上面空间的目的，从而将进入膨胀管201内的固相物体颗粒从膨胀管201内排出，恢复膨胀作业，使膨胀管201继续膨胀直至施工结束，以满足膨胀管裸眼系统现场施工作业的要求。

当膨胀管201膨胀作业完成时，内管柱100自动丢手，起钻，防砂工具随内管柱100一起被起出井口。若防砂皮碗4等部件没有损坏，则经清洁、检查和保养后，可重复使用。需要说明的是，由于防砂皮碗4的存在掉落在膨胀锥202上的基本为细小颗粒，几乎不会存在较大颗粒，因此，上述的第一循环孔21和第二循环孔22的孔径相对较小也是可以满足冲洗需求的，而且在冲洗时一般冲洗液流量不会太大，以避免泵压过高。

由此，本实施例中的防砂工具，通过防砂皮碗4的设置在膨胀管201下放入井以及膨胀作业时能够抵挡防砂皮碗4上方空间掉下来的固相物体颗粒，又不会影响膨胀锥202的膨胀作业，增加了膨胀作业的安全性。若有细小颗粒未能被防砂皮碗4阻挡而掉落，且细小颗粒的堆积影响或者阻止膨胀锥202的运动时，可以适当下放内管柱100后进行打压，利用第二循环孔22、环形腔室3和第一循环孔21构成的液体循环通道，能够将膨胀锥202表面或者膨胀锥202上面空间的固相物体颗粒冲出，恢复膨胀作业。整个防砂工具结构简单，操作简便，更换易损件后可以重复使用，安全可靠，具有广泛的应用前景。

在具体实现方式中，由于一般防砂管2较长，为了便于防砂管2的安装，如图2、图4、图7和图8所示，在芯管1的外壁且位于环形腔室3内沿其轴向间隔形成有多组支撑组件，每组支撑组件包括沿芯管1的周向间隔排布的多个支撑块111，且每个支撑块111的外壁为弧面(沿芯管1的周向延伸的弧面)。

其中，各支撑块111的外壁与防砂管2的内壁间隙配合，对防砂管2起到一定的支撑作用，同时各支撑块111之间的间隔与环形腔室3连通，能够作为液体循环通道。对于支撑组件的组数以及支撑块111的个数根据实际需要而定，例如本实施例中共设有两组支撑组件，每组支撑组件包括均匀间隔排布的四个支撑块111。

在实际应用中，为了保证防砂工具具有足够的强度，如图2所示，多个第一循环孔21以及多个第二循环孔22分别设在防砂管2的上端管壁和下端管壁上，并均沿防砂管2的周向间隔排布。当然，在满足强度要求的情况下，根据需要也可以在防砂管2上部管壁的其他位置设置多个第一循环孔21以及在防砂管2下端管壁的其他位置设置多个第二循环孔22，本实施例仅为举例说明。

进一步地，为了便于加工和安装，如图2所示，芯管1包括呈上下密封固定的上接管11和下接管12，防砂管2套设在上接管11的外侧，支撑组件形成在上接管11的外壁上。

为了便于防砂管2的安装和固定，如图2、图7和图9所示，下接管12的上端内壁向上形成内径依次扩大的第一阶梯孔121和第二阶梯孔122，上接管11的下端插设在第一阶梯孔121内并密封固定。上接管11的上部外壁向上形成外径依次增大的第一限位台阶112和第二限位台阶113，防砂管2的上端顶靠在第二限位台阶113上，防砂管2的下端插设在第二阶梯孔122内并抵靠在第二阶梯孔122的底部孔肩上，上接管11的外壁、防砂管2的内壁、第一限位台阶112与第二阶梯孔122的底部孔肩之间构成环形腔室3。

为了便于实现上接管11和下接管12和密封固定，如图2和图7所示，在上接管11的下端外壁开设有第一环槽114，并在第一环槽114内嵌设有密封圈115，上接管11的下端外壁与第一阶梯孔121的孔壁螺纹固定。一般为了避免上接管11和下接管12之间发生转动，保证结构的稳定性，在上接管11的下端外壁与第一阶梯孔121的孔壁之间插设有防转螺钉116。

由于进行膨胀作业之前还需要先进行固井作业，为了便于膨胀管专用固井胶塞能够顺利通过，上接管11的内径与下接管12的内径(即第一阶梯孔121下方的下接管12部分的内径)相同。

进一步地，为了便于对防砂皮碗4进行固定，如图2、图11和图12所示，在防砂管2的下部外壁且位于防砂皮碗4的下方套设固定有皮碗座5，防砂皮碗4与皮碗座5固定连接。一般在皮碗座5的上端面开设有第二环槽51，防砂皮碗4的底端向下凸设形成凸环41，凸环41嵌设在第二环槽51内并与皮碗座5硫化固定。

在实际使用时，为了便于对皮碗座5进行固定限位，如图2、图6、图9和图10所示，在防砂管2的下部外壁向上形成外径扩大的第三限位台阶23，皮碗座5的上端和下端分别顶抵在第三限位台阶23和下接管12的上端面上。第二阶梯孔122对应的下接管12的管壁上沿其周向间隔开设有多个透槽123，透槽123向上延伸至下接管12的顶部，第二循环孔22与透槽123相连通。

这样，通过第三限位台阶23以及下接管12的上端面能够对皮碗座5起到轴向限位的作用，防止防砂皮碗4和皮碗座5沿着防砂管2的轴线上下移动。同时，各透槽123的设置能够保证各第二循环孔22能够与内外环空连通，保证第二循环孔22的正常过液。

进一步地，为了便于防砂工具的两端与相应的钻杆101连接，在上接管11的上端内壁形成有内螺纹，在下接管12的下端外壁形成有外螺纹。

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 (12)

1.一种用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，包括竖直设置的芯管；

在所述芯管的外壁间隔套设有防砂管，该间隔形成两端封闭的环形腔室，在所述防砂管的下部外壁套设固定有防砂皮碗，所述防砂皮碗的开口朝上设置；

在所述防砂管的管壁上且位于所述防砂皮碗的上方和下方的位置分别开设有多个第一循环孔和多个第二循环孔，所述第一循环孔和所述第二循环孔均与所述环形腔室以及所述防砂管的外部连通。

2.如权利要求1所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

在所述芯管的外壁且位于所述环形腔室内沿其轴向间隔形成有多组支撑组件，每组支撑组件包括沿所述芯管的周向间隔排布的多个支撑块，且每个所述支撑块的外壁为弧面。

3.如权利要求1所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

多个所述第一循环孔以及多个所述第二循环孔分别设在所述防砂管的上端管壁和下端管壁上，并均沿所述防砂管的周向间隔排布。

4.如权利要求1所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

所述芯管包括呈上下密封固定的上接管和下接管，所述防砂管套设在所述上接管的外侧。

5.如权利要求4所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

所述下接管的上端内壁向上形成内径依次扩大的第一阶梯孔和第二阶梯孔，所述上接管的下端插设在所述第一阶梯孔内并密封固定；

所述上接管的上部外壁向上形成外径依次增大的第一限位台阶和第二限位台阶，所述防砂管的上端顶靠在所述第二限位台阶上，所述防砂管的下端插设在所述第二阶梯孔内并抵靠在所述第二阶梯孔的底部孔肩上，所述上接管的外壁、所述防砂管的内壁、所述第一限位台阶与所述第二阶梯孔的底部孔肩之间构成所述环形腔室。

6.如权利要求5所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

在所述上接管的下端外壁开设有第一环槽，并在所述第一环槽内嵌设有密封圈，所述上接管的下端外壁与所述第一阶梯孔的孔壁螺纹固定。

7.如权利要求6所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

在所述上接管的下端外壁与所述第一阶梯孔的孔壁之间插设有防转螺钉。

8.如权利要求5所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

所述上接管的内径与所述下接管的内径相同。

9.如权利要求5所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

在所述防砂管的下部外壁且位于所述防砂皮碗的下方套设固定有皮碗座，所述防砂皮碗与所述皮碗座固定连接。

10.如权利要求9所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

在所述皮碗座的上端面开设有第二环槽，所述防砂皮碗的底端向下凸设形成凸环，所述凸环嵌设在所述第二环槽内并与所述皮碗座硫化固定。

11.如权利要求9所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

在所述防砂管的下部外壁向上形成外径扩大的第三限位台阶，所述皮碗座的上端和下端分别顶抵在所述第三限位台阶和所述下接管的上端面上；

所述第二阶梯孔对应的所述下接管的管壁上沿其周向间隔开设有多个透槽，所述透槽向上延伸至所述下接管的顶部，所述第二循环孔与所述透槽相连通。

12.如权利要求4所述的用于膨胀管裸眼系统的防砂工具，其特征在于，

在所述上接管的上端内壁形成有内螺纹，在所述下接管的下端外壁形成有外螺纹。

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