CN114961633A - 高摩阻井眼的固井套管串 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高摩阻井眼的固井套管串，包括位于管串底部的旋转引鞋，旋转引鞋的上方依次旋接有浮箍、控制阀和安全阀，安全阀的上方与套管相连；安全阀筒体的中段圆周上均匀分布有多个安全阀旁通口，安全阀筒体的中心孔中段固定有阀芯，阀芯的中段圆周上对称设有两个阀芯旁通孔，两阀芯旁通孔的内端口分别塞有爆破盘，两爆破盘的内端面外缘分别焊接在支撑环的内孔外端口，两支撑环的外端面分别压在阀芯中心孔的内壁；阀芯的顶部抵靠在筒体内台阶下方，阀芯的底部抵靠在定位螺套的上方，定位螺套旋接在筒体定位螺孔中。水泥循环遇堵时可通过旁通流道循环，还可以通过寻找井眼和振荡使套管顺利入井，可满足复杂结构井下套管的固井要求。

Description

高摩阻井眼的固井套管串

技术领域

本发明涉及一种固井工具，特别涉及一种高摩阻井眼的固井套管串，属于石油天然气井下工具技术领域。

背景技术

随着非常规油气田、海油陆采油气田的开发，大位移井、长水平段水平井等复杂结构井越来越多，当井深/垂深≥2时，下套管摩擦阻力就可能超过位于直井段内的管柱重量，造成套管下入困难。针对此类高摩阻井眼，如何将套管顺利下入到预定位置，人们研究开发了多种技术和方法。

传统引鞋在下套管时起到的作用非常单一，因为传统引鞋是固定不动的，并且引鞋的外径与套管外径一样，下套管摩阻非常大，不利于高摩阻井眼中下套管。

国内外解决井下高磨阻及托压的主要方法是使用水力振动工具。此类工具通过水力作用产生沿钻柱轴向的振动，利用振动将静摩擦转变为动摩擦，减小钻进过程中的摩阻，改善钻压传递效果，进而提高机械钻速。现有振动工具主要通过机械部件的配合实现振动，容易磨损或损坏，只能采用钻井液作为介质，不能用于传送水泥浆，没有改善水泥环与管柱和井壁界面的胶结强度，提高水泥石强度和固井质量的功用。

对于在套管柱中串接辅助下套管工具或辅助固井工具一类的技术和方法中，会出现这样一种情况：在套管柱下入到预定位置后，在固井时段内，上述辅助工具容易出现封堵，水泥无法继续向下循环，固井作业被迫终止。由此，对于高摩阻井眼下套管工艺技术，需要配套一种旁通工具，串接在下套管辅助工具前，在辅助工具出现封堵时，旁通工具导通套管与环空间的流道，屏蔽辅助工具，使得水泥可以通过旁通工具继续循环，完成固井作业。

公开号为CN 202220572U的中国发明专利公开了一种“可多次激活循环的旁通短节”，由本体和上、下接头组成带有空腔的外体，本体上部径向开设不少于两个喷嘴，本体内设有与本体构成滑动密封配合的滑套，滑套上部开设与喷嘴对应的径向通孔，通孔下方设有球座，滑套下部轴向开设行程槽，并在其外部套装弹簧，本体设有定位销定，定位销定与滑套下部的行程槽构成下行限位配合，滑套下行止点位置即是滑套通孔与本体喷嘴贯通位置，滑套下方的空腔内设有球篮。该旁通短节结构复杂，长度长，加工要求及制造成本高，尤其是需要投球憋压才能打开旁通通道，在固井注浆过程中，无法进行投球。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种高摩阻井眼的固井套管串，当下方的水泥循环遇堵时，加大泵压即可直接将安全阀的旁通流道导通，水泥通过旁通流道继续循环，可以满足高摩阻井眼等复杂结构井下套管的固井要求。

为解决以上技术问题，本发明的一种高摩阻井眼的固井套管串，包括位于管串底部的旋转引鞋，所述旋转引鞋的上方旋接有浮箍，所述浮箍的上端旋接有控制阀，所述控制阀的上方通过短节旋接有安全阀，所述安全阀的上方与套管相连；所述安全阀包括安全阀筒体，所述安全阀筒体的中段圆周上均匀分布有多个安全阀旁通口，所述安全阀筒体的中心孔中段固定有阀芯，所述阀芯的中段圆周上对称设有两个阀芯旁通孔，两阀芯旁通孔的内端口分别塞有爆破盘，两爆破盘的内端面外缘分别焊接在支撑环的内孔外端口，两支撑环的外端面分别压在阀芯中心孔的内壁；所述阀芯的顶部抵靠在所述安全阀筒体内台阶下方，所述阀芯的底部抵靠在定位螺套的上方，所述定位螺套旋接在安全阀筒体定位螺孔中。

作为本发明的改进，各所述支撑环的内端面对称设有支撑环上斜面和支撑环下斜面；所述阀芯的上部设有阀芯上螺孔，所述阀芯上螺孔旋接有上螺套，所述上螺套的下方设有上压环，所述上压环的左右两侧对称设有上压环斜面，所述上压环斜面对称压在相应的支撑环上斜面上；所述阀芯的下部设有阀芯下螺孔，所述阀芯下螺孔旋接有下螺套，所述下螺套的上方设有下压环，所述下压环的左右两侧对称设有下压环斜面，所述下压环斜面对称压在相应的支撑环下斜面上。

作为本发明的进一步改进，两所述上压环斜面的下部对称设有上压环旁通孔，两所述下压环斜面的上部对称设有下压环旁通孔，所述上压环旁通孔与下压环旁通孔的开口相对；所述支撑环上斜面与支撑环下斜面以支撑环的中截面为中心对称面，且中截面处为最高点。

作为本发明的进一步改进，所述控制阀包括控制阀壳体，所述控制阀壳体的中段设有壳体旁通段，所述壳体旁通段的中下部均匀分布有多个壳体旁通孔，所述壳体旁通段的上方设有壳体内凸台，所述壳体内凸台的上方设有壳体内凸圈，所述壳体内凸圈的孔径小于壳体内凸台的孔径；控制阀壳体中心孔中设有滑套，所述滑套自上而下设有滑套大径段和滑套小径段，滑套大径段的顶部抵靠在壳体内凸圈的下方，且滑套大径段的外周与壳体内凸台的内壁实现密封；所述壳体旁通段的下方设有内径放大的壳体下母螺纹段，所述壳体下母螺纹段与控制阀下接头的中部外螺纹相旋接，下接头中部外螺纹的上方设有缩径的下接头光杆段，下接头光杆段的上方设有缩径且向上延伸的下接头导向套；所述滑套小径段的下端插入所述下接头导向套的内腔且相互密封；所述滑套小径段的下方设有控制凸轮。

作为本发明的进一步改进，所述控制凸轮的下方通过弹簧支撑在控制阀下接头的内台阶上；所述控制凸轮的外周壁对称设有凸轮控制沉槽，所述下接头光杆段的圆周上对称旋接有凸轮销，所述凸轮销的内端头分别嵌入凸轮控制沉槽中；所述凸轮控制沉槽包括多组交替设置且开口向下的凸轮长槽和凸轮短槽，当控制凸轮浮动时，凸轮销交替嵌入凸轮长槽和凸轮短槽。

作为本发明的进一步改进，各凸轮长槽沿轴向向上延伸至控制凸轮的上部，各凸轮长槽及凸轮短槽的下方分别设有开口向上的过渡槽；各凸轮长槽、凸轮短槽及过渡槽的入口分别设有导入斜面，出口分别设有导出竖壁；各过渡槽的导入斜面分别位于凸轮长槽的导出竖壁下方，各过渡槽的导出竖壁分别位于凸轮短槽的导入斜面下方。

作为本发明的进一步改进，所述壳体内凸台的下端口设有下大上小的导向锥面或导向弧面，所述滑套大径段的顶部外周设有外倒角；所述壳体内凸台的长度大于滑套大径段的长度，顶部壳体旁通孔的上缘与壳体内凸台底部之间的距离大于所述滑套大径段的长度；所述下接头导向套的顶部高于顶部壳体旁通孔的上缘。

作为本发明的进一步改进，所述旋转引鞋包括工具上接头，所述工具上接头的下端旋接有轴承压紧接头，所述轴承压紧接头的下端旋接有涡轮壳体，所述涡轮壳体的下端旋接有扶正器接头，所述扶正器接头的下端旋接有扶正器；所述轴承压紧接头的内腔设有上连接轴，所述上连接轴的上部通过轴承支撑在所述轴承压紧接头的内壁；所述涡轮壳体的内腔设有涡轮装置，所述涡轮装置固定在芯轴外周，所述芯轴的上端与所述上连接轴的下端相旋接，所述芯轴的下端与下连接轴的上端相旋接，所述下连接轴的中段通过轴承支撑在所述扶正器的内壁，所述下连接轴的下端旋接有偏心引鞋；所述上连接轴的中心孔底部通过均布的上连接轴旁通孔与所述涡轮装置的上部空间相通，所述下连接轴的中心孔上部通过均布的下连接轴旁通孔与所述涡轮装置的下部空间相通，所述下连接轴中心孔的下端通过偏心引鞋中心孔与偏心引鞋的偏心水眼相通。

作为本发明的进一步改进，所述涡轮装置包括多组涡轮定子和涡轮转子，各涡轮定子依次叠置固定在所述涡轮壳体的内壁，各涡轮转子依次叠置固定在所述芯轴的外周，所述涡轮转子与所述涡轮定子一一对应配对；所述轴承压紧接头的下端口压在顶部涡轮定子的上方，所述扶正器接头的上端口抵靠在底部涡轮定子的下方；顶部涡轮转子的上端口抵靠在所述上连接轴的台肩下方，底部涡轮转子的下端口通过垫圈抵靠在所述下连接轴的台肩上方。

作为本发明的进一步改进，所述扶正器的内腔中上部设有扶正器内台阶，所述扶正器内台阶的上方设有上止推轴承，所述上止推轴承的上方压有上螺套，所述上螺套旋接在所述下连接轴的中上部螺纹段上；所述扶正器内台阶的下方设有下止推轴承，所述下止推轴承的下方压有下螺套，所述下螺套旋接在所述下连接轴的中部螺纹段上；所述下螺套的下方设有下深沟球轴承，所述下深沟球轴承的底部抵靠在下连接轴凸台上；所述上螺套的下部内缘与下螺套的上部内缘之间支撑有隔套，所述上止推轴承和下止推轴承套装在所述支撑有隔套的外周。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：1、安全阀置于套管柱的末端辅助工具前，采用爆破盘作为旁通启动阀，在固井作业过程中爆破盘完好，阀芯旁通孔被爆破盘堵住，使旁通流道处于关闭状态。注水泥过程中，当末端辅助工具遇堵时，直接加大泵压使爆破盘从支撑环上脱落，阀芯旁通孔被打开，旁通流道导通，水泥通过旁通流道继续循环，完成最终固井作业；克服了固井注浆过程中无法进行投球的障碍。通过本安全阀，可以满足高摩阻井眼等复杂结构井下套管固井的要求。爆破盘是由爆破盘和支撑环通过焊接连接在一起，结构简单，操作性强，动作灵敏可靠，施工风险小。

2、旋转引鞋采用多组涡轮装置叠置串联，大大提高了旋转动力；固井管串下井过程中，当遇到较大井壁台阶阻力时，鞋帽的偏心式旋转导引机构，加上扶正器，可实现自动居中，通过偏心式高摩阻井眼的固井套管串与井壁的接触挤压，可实现自动旋转角度，寻找井眼方向，从而实现套管串安全下入到预定位置，可为后续的作业施工创造良好的前提条件。

3、利用滑套上下两端的面积差带来的压差，使滑套获得下滑的动力，由凸轮销限制控制凸轮的高度，从而控制滑套处于高位或低位。当滑套处于高位时，旁通通道处于密封状态，钻井液沿中心孔下行，此时可以驱动旋转引鞋转动，便于寻找井眼。当滑套处于低位时，旁通通道被打开，钻井液通过各壳体旁通孔进入套管环空，此时旋转引鞋不转动下行。钻井泵没启停一次，滑套即可进行工位切换且不需要投球，可以反复切换无数次。当套管下到位后，可通过旁通通道进行反洗，清洗井壁的泥饼，便于下一步注水泥浆并胶结固井。

附图说明

图1是本发明管串的结构示意图；

图2是本发明安全阀初始状态的结构图；

图3是本发明中安全阀筒体的剖视图；

图4是本发明中阀芯的剖视图；

图5是本发明中上压环的立体图；

图6是本发明中爆破结构的立体图；

图7是本发明安全阀的爆炸图；

图8是本发明中控制阀的主视图；

图9是本发明中控制阀的立体爆炸图；

图10为本发明中旋转引鞋的主视图；

图11为图10中上部的放大图；

图12为图10中下部的放大图；

图13为图10中下连接轴的立体图；

图14为图10中偏心引鞋的立体图。

图中：A.套管；B.安全阀；1.安全阀筒体；1a.安全阀筒体上母扣；1b.安全阀筒体内台阶；1c.安全阀旁通口；1d.安全阀筒体定位螺孔；1e.安全阀筒体下母扣；2.阀芯；2a.阀芯上螺孔；2b.阀芯旁通孔；2c.阀芯内壁沉孔；2d.阀芯下螺孔；2e.阀芯密封槽；3.上螺套；3a.上螺套十字槽；4.上压环；4a.上压环斜面；4b.上压环旁通孔；4c.上压环中心孔；5a.爆破盘；5b.支撑环；5b1.支撑环上斜面；5b2.支撑环下斜面；6.下压环；6a.下压环斜面；6b.下压环旁通孔；7.下螺套；7a.下螺套十字槽；8.定位螺套；8a.定位螺套十字槽；9.阀芯上密封圈；10.阀芯下密封圈。

C.控制阀；11.控制阀壳体；11a.壳体上母螺纹段；11b.壳体内凸圈；11c.壳体内凸台；11d.导向锥面；11e.壳体旁通段；11f.壳体旁通孔；11g.壳体下母螺纹段；12.滑套；12a.滑套大径段；12b.滑套小径段；13.控制凸轮；13a.凸轮控制沉槽；13a1.凸轮长槽；13a2.凸轮短槽；13a3.过渡槽；14.凸轮销；15.弹簧；16a.弹簧上座；16b.弹簧下座；17.控制阀下接头；17a.下接头导向套；17b.下接头光杆段；17c.下接头销孔；17d.下接头中部外螺纹；17e.下接头下部外螺纹；18.滑套格莱圈；19.滑套O形圈；20.组合密封圈。

D.浮箍；E.旋转引鞋；21．工具上接头；22.轴承压紧接头；23.上深沟球轴承；24.上连接轴；24a.上连接轴中心孔；24b.上连接轴旁通孔；25.涡轮壳体；26.芯轴；27.涡轮装置；27a.涡轮定子；27b.涡轮转子；28.下连接轴；28a.下连接轴上部螺纹段；28b.下连接轴旁通孔；28c.下连接轴中上部螺纹段；28d.下连接轴中部螺纹段；28e.下连接轴凸台；28f.下连接轴中心孔；29.垫圈；30.扶正器接头；31.扶正器；31a.扶正器内台阶；32.上螺套；33.上止推轴承；34.隔套；35.下止推轴承；36.下螺套；37.下深沟球轴承；38.偏心引鞋；38a.偏心引鞋中心孔；38b.偏心水眼；38c.螺旋引流槽；38d.合金齿。

具体实施方式

在本发明的以下描述中，以靠近管串轴线为“内”，以远离管串轴线为“外”，文中指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置必须具有特定的方位。

如图1所示，本发明的高摩阻井眼的固井套管串包括位于管串底部的旋转引鞋E，旋转引鞋E的上方旋接有浮箍D，浮箍D的上端旋接有控制阀C，控制阀C的上方通过短节旋接有安全阀B，安全阀B的上方与套管A相连。

如图2至图7所示，本发明中的安全阀A包括安全阀筒体1，安全阀筒体1的上下两端分别设有锥形母螺纹，安全阀筒体上母扣1a与上方管柱相连，安全阀筒体下母扣1e与下方管柱相连。安全阀筒体1的中段圆周上均匀分布有多个安全阀旁通口1c。安全阀旁通口1c为沿竖向延伸的长圆孔，拥有较大的过流面积，保证注浆流量。安全阀筒体1的中段内壁设有安全阀筒体环形槽，各安全阀旁通口1c的内端口均与安全阀筒体环形槽相通。

安全阀筒体1的中心孔中段固定有阀芯2，阀芯2上部及下部的外周分别设有阀芯密封槽2e，上部的阀芯密封槽2e中嵌有阀芯上密封圈9，下部的阀芯密封槽2e中嵌有阀芯下密封圈10。

阀芯2的中段圆周上对称设有两个阀芯旁通孔2b，正常作业过程中，阀芯旁通孔2b被爆破结构封闭住。

爆破结构包括焊接为一体的爆破盘5a和支撑环5b，爆破盘5a的内端面外缘分别焊接在支撑环5b的内孔外端口，两者的连接截面很小，以便在受压时实现爆破。爆破盘5a塞入阀芯旁通孔2b的内端口，支撑环5b的外端面分别压在阀芯中心孔的内壁。各阀芯旁通孔2b的内端口外周分别设有阀芯内壁沉孔2c，阀芯内壁沉孔2c与阀芯旁通孔2b共轴线，支撑环5b的外端面分别嵌于阀芯内壁沉孔2c中。

各支撑环5b的内端面对称设有支撑环上斜面5b1和支撑环下斜面5b2，支撑环上斜面5b1与支撑环下斜面5b2以支撑环5b的中截面为中心对称面，且中截面处为最高点。

阀芯2的上部设有阀芯上螺孔2a，阀芯上螺孔2a旋接有上螺套3，上螺套3的上端口设有上螺套十字槽3a。上螺套3的下方设有上压环4，上压环4的左右两侧对称设有上压环斜面4a，上压环斜面4a呈上宽下窄结构，上压环斜面4a对称压在相应的支撑环上斜面5b1上。

阀芯2的下部设有阀芯下螺孔2d，阀芯下螺孔2d旋接有下螺套7，下螺套7的下端口设有下螺套十字槽7a。下螺套7的上方设有下压环6，下压环6的左右两侧对称设有下压环斜面6a，下压环斜面6a对称压在相应的支撑环下斜面5b2上。

两上压环斜面4a的下部对称设有上压环旁通孔4b，上压环旁通孔4b呈开口向下的半圆形，上压环旁通孔4b的内端口与上压环中心孔4c相贯通。

两下压环斜面6a的上部对称设有下压环旁通孔6b，下压环旁通孔6b呈开口向上的半圆形，上压环旁通孔4b与下压环旁通孔6b的开口相对。

阀芯2的顶部抵靠在安全阀筒体1的安全阀筒体内台阶1b下方，阀芯2的底部抵靠在定位螺套8的上方，定位螺套8旋接在安全阀筒体定位螺孔1d中，定位螺套8的下端口设有定位螺套十字槽8a。

装配时，先将爆破盘5a分别塞入阀芯旁通孔2b中，上压环4从上方插入，上压环斜面4a的下端插入两支撑环上斜面5b1之间，然后将上螺套3旋入阀芯上螺孔2a中，上螺套3上端的上螺套十字槽3a便于旋进上螺套3，直至上螺套3将上压环4压紧，上压环斜面4a将两支撑环5b上斜面压紧，使爆破结构得以固定。

接着下压环6从下方插入，下压环斜面6a的上端插入支撑环下斜面5b2之间，然后下螺套7旋入阀芯下螺孔2d中，下螺套十字槽7a便于旋进下螺套7，直至下螺套7将下压环6压紧，下压环斜面6a将两支撑环下斜面5b2压紧。

阀芯2装配好以后，将阀芯2从安全阀筒体1的下端口插入，然后在安全阀筒体定位螺孔1d中旋接定位螺套8，通过定位螺套十字槽8a便于转动定位螺套8，随着定位螺套8的旋进，阀芯2上端抵靠在安全阀筒体中心孔上部的安全阀筒体内台阶1b上，使阀芯2获得定位。

将本安全阀安装在末端辅助工具的上方，在固井作业过程中，阀芯旁通孔2b被爆破盘5a堵住，使旁通流道处于关闭状态。

高摩阻井眼等复杂结构井下套管固井时，注水泥过程中，水泥浆中的碎块容易在小截面孔道出发生堵塞，固井作业被迫终止；如果处理不及时，容易出现复杂状况。此时无需起下钻或投球，直接加大泵压使爆破盘5a破裂或从支撑环5b上脱落，阀芯旁通孔2b被打开，旁通流道导通，水泥浆通过阀芯旁通孔2b先进入安全阀筒体环形槽，经安全阀筒体环形槽扩容后，从各安全阀旁通口1c均匀向外流出，进入套管环空，继续进行固井作业。

如图8、图9所示，控制阀C包括控制阀壳体11，控制阀壳体11的中段设有壳体旁通段11e，壳体旁通段11e的中下部均匀分布有多个壳体旁通孔11f，壳体旁通段11e的上方设有壳体内凸台11c，壳体内凸台11c的上方设有壳体内凸圈11b，壳体内凸圈11b的孔径小于壳体内凸台11c的孔径。

控制阀壳体中心孔中设有滑套12，滑套12自上而下设有滑套大径段12a和滑套小径段12b，滑套大径段12a的顶部抵靠在壳体内凸圈11b的下方。滑套大径段12a的外周嵌有滑套格莱圈18和滑套O形圈19与壳体内凸台11c的内壁实现密封，且滑套格莱圈18位于滑套O形圈19的上方。

壳体旁通段11e的下方设有内径放大的壳体下母螺纹段11g，壳体下母螺纹段11g与控制阀下接头17的中部外螺纹相旋接，下接头中部外螺纹17d的上方设有缩径的下接头光杆段17b，下接头光杆段17b的上方设有缩径且向上延伸的下接头导向套17a；滑套小径段12b的下端插入下接头导向套17a的内腔；滑套小径段12b的下端外壁嵌装有组合密封圈20与下接头导向套17a的内壁实现密封。

滑套小径段12b的下方设有控制凸轮13，控制凸轮13的壁厚与滑套小径段12b的壁厚相等，控制凸轮13的外壁与下接头导向套17a的内壁间隙配合。控制凸轮13的下方设有弹簧15。弹簧15的顶部设有弹簧上座16a，弹簧上座16a抵靠在控制凸轮13的底部；弹簧15的底部设有弹簧下座16b，弹簧下座16b抵靠在控制阀下接头的内台阶上。

控制凸轮13的外周壁对称设有凸轮控制沉槽13a，下接头光杆段17b的圆周上对称设有下接头销孔17c，下接头销孔17c中分别旋接有凸轮销14，凸轮销14的内端头分别嵌入凸轮控制沉槽13a中。弹簧15的张力使控制凸轮13及滑套12保持向上滑动的趋势，凸轮销14的内端头将控制凸轮13控制在需要的高度上。

凸轮控制沉槽13a包括多组交替设置且开口向下的凸轮长槽13a1和凸轮短槽13a2，凸轮销14固定不动，当控制凸轮13浮动时，凸轮销14交替嵌入凸轮长槽13a1和凸轮短槽13a2。

各凸轮长槽13a1沿轴向向上延伸至控制凸轮13的上部，各凸轮长槽13a1及凸轮短槽13a2的下方分别设有开口向上的过渡槽13a3；各凸轮长槽13a1、凸轮短槽13a2及过渡槽13a3的入口分别设有导入斜面，出口分别设有导出竖壁；各过渡槽13a3的导入斜面分别位于凸轮长槽13a1的导出竖壁下方，各过渡槽13a3的导出竖壁分别位于凸轮短槽13a2的导入斜面下方。

壳体内凸台11c的下端口设有下大上小的导向锥面11d或导向弧面，滑套大径段12a的顶部外周设有外倒角。当滑套12向上回程时，在弹簧15张力作用下，滑套大径段12a顶部的外倒角与壳体内凸台11c下端口的导向锥面11d接触，便于滑入壳体内凸台11c的内腔。

壳体内凸台11c的长度大于滑套大径段12a的长度，以确保滑套12处于高位时，滑套大径段12a的外周与壳体内凸台11c的内壁可靠密封。

顶部壳体旁通孔11f的上缘与壳体内凸台11c底部之间的距离大于滑套大径段12a的长度，下接头导向套17a的顶部高于顶部壳体旁通孔11f的上缘。壳体旁通段11e的内壁与下接头导向套17a的外壁之间的环形空间作为环形汇流槽，进入环形汇流槽的钻井液、清洗液或水泥浆从壳体旁通段11e全圆周上的各壳体旁通孔11f流出。当滑套大径段12a的底部搁置在下接头导向套17a的上端口时，滑套大径段12a顶部与壳体内凸台11c底部之间的空间作为环形汇流槽的进液通道。

控制阀壳体11的上端口设有壳体上母螺纹段11a，壳体内凸圈11b位于壳体上母螺纹段11a的下方；控制阀下接头17的下部外周设有下接头下部外螺纹17e与下方的工具或套管旋接。

壳体内凸圈11b的中心孔作为流体的轴向通道，壳体内凸圈11b的底部台阶为滑套大径段12a提供定位。滑套大径段12a的截面积大于滑套小径段12b的截面积，当井口泥浆泵启动时，滑套大径段12a上侧的压力大于下侧，推动滑套下行，凸轮销14的内端头滑入凸轮长槽13a1中，使滑套大径段12a从壳体内凸台11c的内腔滑出，进入壳体旁通段11e，钻井液从滑套大径段12a的顶部进入下接头导向套17a外周的环形汇流槽中，经环形汇流槽均匀分配后从各排各列的壳体旁通孔11f中流出，进入套管环空。此时，套管底部的旋转引鞋不转动，直接下行。

当遇到高摩阻井段时，关闭泥浆泵，滑套大径段12a的上方的压力下降，在弹簧15张力作用下，滑套12上行，滑套大径段12a滑入壳体内凸台11c的底部，此时凸轮销14从凸轮长槽13a1的下端口滑出，并进入过渡槽13a3中，在过渡槽13a3的导入斜面作用下，控制凸轮13转动一个角度，使凸轮销14滑入过渡槽13a3的最深处。

再次启动泥浆泵，滑套12再次下行，凸轮销14从过渡槽13a3中滑出，进入凸轮短槽13a2中，在凸轮短槽13a2的导入斜面作用下，控制凸轮13继续转动直至滑入凸轮短槽13a2的最深处，此时滑套12处于高位，滑套大径段12a仍处于壳体内凸台11c的内腔中处于密封状态，此时钻井液沿滑套12的中心孔向下，从旋转引鞋的水眼流出，旋转引鞋在钻井液作用下，产生转动，旋转寻找井眼。

关闭泥浆泵，在弹簧15张力作用下，滑套12上行，滑套大径段12a滑入壳体内凸台11c的底部，此时凸轮销14从凸轮短槽13a2的下端口滑出，并进入过渡槽13a3中，在过渡槽13a3的导入斜面作用下，控制凸轮13转动一个角度，使凸轮销14滑入过渡槽13a3的最深处。

再次启动泥浆泵，滑套12再次下行，凸轮销14从过渡槽13a3中滑出，进入凸轮长槽13a1中，在凸轮长槽13a1的导入斜面作用下，控制凸轮13继续转动直至滑入凸轮长槽13a1的最深处，此时滑套12处于低位，滑套大径段12a脱离壳体内凸台11c的内腔，此时钻井液从滑套大径段12a的顶部进入壳体旁通段11e的内壁与下接头导向套17a的外壁之间的环形汇流槽中，钻井液从壳体旁通段11e全圆周上的各壳体旁通孔11f流出，旋转引鞋停止转动。

当套管下到位后，凸轮销14嵌于凸轮长槽13a1的底部，滑套12保持在低位，即旁通通道处于打开状态。清洗液沿套管下行，从控制阀的各壳体旁通孔11f流出，沿套管与井眼的环空上行，清洗井壁的泥饼并带出地面。

如图10至图14所示，旋转引鞋E包括工具上接头21、轴承压紧接头22、芯轴26、涡轮装置27和偏心引鞋38，工具上接头21的下端旋接有轴承压紧接头22，轴承压紧接头22的下端旋接有涡轮壳体25，涡轮壳体25的下端旋接有扶正器接头30，扶正器接头30的下端旋接有扶正器31；轴承压紧接头22的内腔设有上连接轴24，上连接轴24的上部通过轴承支撑在轴承压紧接头22的内壁；涡轮壳体25的内腔设有涡轮装置27，涡轮装置27固定在芯轴26外周，芯轴26的上端与上连接轴24的下端相旋接，芯轴26的下端与下连接轴28的上端相旋接，即下连接轴上部螺纹段28a旋接在芯轴26下部的中心螺孔中。

下连接轴28的中段通过轴承支撑在扶正器31的内壁，下连接轴28的下端旋接有偏心引鞋38；上连接轴中心孔24a底部通过均布的上连接轴旁通孔24b与涡轮装置27的上部空间相通，下连接轴中心孔28f上部通过均布的下连接轴旁通孔28b与涡轮装置27的下部空间相通，下连接轴中心孔28f的下端通过偏心引鞋中心孔38a与偏心引鞋38的偏心水眼38b相通。

涡轮装置27包括多组涡轮定子27a和涡轮转子27b，各涡轮定子27a依次叠置固定在涡轮壳体25的内壁，各涡轮转子27b依次叠置固定在芯轴26的外周，涡轮转子27b与涡轮定子27a一一对应配对。

轴承压紧接头22的下端口压在顶部涡轮定子27a的上方，扶正器接头30的上端口抵靠在底部涡轮定子27a的下方。

顶部涡轮转子的上端口抵靠在上连接轴24的台肩下方，底部涡轮转子的下端口通过垫圈29抵靠在下连接轴28的台肩上方。

扶正器31的内腔中上部设有扶正器内台阶31a，扶正器内台阶31a的上方设有上止推轴承33，上止推轴承33的上方压有上螺套32，上螺套32旋接在下连接轴中上部螺纹段28c上；扶正器内台阶31a的下方设有下止推轴承35，下止推轴承35的下方压有下螺套36，下螺套36旋接在下连接轴中部螺纹段28d上；下螺套36的下方设有下深沟球轴承37，下深沟球轴承37的底部抵靠在下连接轴凸台28e上；下深沟球轴承37沿轴向叠置有两个。

上螺套32的下部内缘与下螺套36的上部内缘之间支撑有隔套34，上止推轴承33和下止推轴承35套装在支撑有隔套34的外周。

上螺套32与扶正器内台阶31a实现上止推轴承33的轴向定位，上止推轴承33的上盖内周与隔套34外壁紧配合，与扶正器31内壁间隙配合；上止推轴承33的下盖与扶正器31内壁紧配合，与隔套外壁间隙配合。下止推轴承35的上盖与扶正器31内壁紧配合，与隔套外壁间隙配合；下止推轴承35的下盖内周与隔套外壁紧配合，与扶正器31内壁间隙配合。上止推轴承33与下止推轴承35支撑在扶正器内台阶31a的两侧可承受芯轴26与下连接轴28的轴向负荷。

上连接轴24的上部通过上深沟球轴承23支撑在轴承压紧接头22的内壁，上深沟球轴承23的顶部压在工具上接头21的下端口内缘下方，上深沟球轴承23的底部支撑在轴承压紧接头22的内台阶上；上深沟球轴承23沿轴向叠置有两个。上深沟球轴承23与下深沟球轴承37承受芯轴26的径向载荷。

偏心引鞋38的上部外周均匀设有四道螺旋引流槽38c，相邻螺旋引流槽38c之间的支撑筋上均匀镶焊有合金齿38d。

高压钻井液从工具上接头21的中心孔进入上连接轴中心孔24a中，从上连接轴24圆周上的三个上连接轴旁通孔24b向外喷出，上连接轴旁通孔24b采用沿竖向延伸且向下倾斜的长圆孔，然后高压钻井液进入涡轮装置27所在的空间，从各级涡轮定子27a的旋流槽向下喷出，推动与之配套的涡轮转子27b转动；涡轮定子27a与涡轮转子27b配对组成工作单元。

叠置的涡轮定子27a被夹在轴承压紧接头22的下端口与扶正器接头30的上端口之间，实现轴向定位，与涡轮壳体25一样固定不动。涡轮转子27b套装且叠置在芯轴26外周，被夹在上连接轴24的台肩与下连接轴28的台肩之间实现轴向定位，并跟随驱动芯轴26同步转动。垫圈29呈上宽下窄结构且套装在芯轴26的下端外周，与芯轴下端口共同抵靠在下连接轴28的台肩上。

各级涡轮转子27b共同驱动芯轴26转动，产生较大的旋转驱动力。芯轴26上端通过上连接轴24及上深沟球轴承23支撑在轴承压紧接头22中旋转，芯轴26下端通过下连接轴28及下深沟球轴承37支撑在扶正器31中旋转。

从涡轮装置27底部排出的钻井液通过各下连接轴旁通孔28b汇流进入下连接轴中心孔28f，从下连接轴中心孔28f的下端进入偏心引鞋中心孔38a，再从各偏心水眼38b喷出，提高偏心引鞋38的旋转动力。偏心引鞋38上部外周的四道螺旋引流槽38c，利于钻井液返流，支撑筋上均匀镶焊的合金齿38d，起到切削作用，进一步提高下入效果。

扶正器31可使工具在井眼中自动居中，偏心引鞋38的下部设有偏心式导引结构，通过与井壁的接触挤压，可实现自动旋转角度，在遇到井壁台阶时，较为容易地进行自主爬升，寻找井眼方向，解决遇阻问题，继续前进，从而实现套管串安全下入到预定位置。

套管串到位后，从井口注入水泥浆，水泥浆从控制阀C的中心孔向下流动，再推开浮箍D的球阀进入旋转引鞋E，从各偏心水眼流出并进入套管的环空，水泥浆注到预定高度后，从井口投入胶塞，然后通过钻井液推动胶塞沿套管下行，胶塞将套管内的水泥浆推出，直至胶塞到达浮箍后被锁定并产生碰压，浮箍的单向阀芯防止水泥浆回流，水泥浆凝固后即完成固井。

在注水泥浆过程中，如果水泥浆中的碎屑将旋转引鞋E的水眼堵塞，可以通过泥浆泵的启停将控制阀C的旁通通道打开，水泥浆从控制阀C的旁通孔流出进入套管环空。

以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种高摩阻井眼的固井套管串，包括位于管串底部的旋转引鞋，其特征在于：所述旋转引鞋的上方旋接有浮箍，所述浮箍的上端旋接有控制阀，所述控制阀的上方通过短节旋接有安全阀，所述安全阀的上方与套管相连；所述安全阀包括安全阀筒体，所述安全阀筒体的中段圆周上均匀分布有多个安全阀旁通口，所述安全阀筒体的中心孔中段固定有阀芯，所述阀芯的中段圆周上对称设有两个阀芯旁通孔，两阀芯旁通孔的内端口分别塞有爆破盘，两爆破盘的内端面外缘分别焊接在支撑环的内孔外端口，两支撑环的外端面分别压在阀芯中心孔的内壁；所述阀芯的顶部抵靠在所述安全阀筒体内台阶下方，所述阀芯的底部抵靠在定位螺套的上方，所述定位螺套旋接在安全阀筒体定位螺孔中。

2.根据权利要求1所述的高摩阻井眼的固井套管串，其特征在于：各所述支撑环的内端面对称设有支撑环上斜面和支撑环下斜面；所述阀芯的上部设有阀芯上螺孔，所述阀芯上螺孔旋接有上螺套，所述上螺套的下方设有上压环，所述上压环的左右两侧对称设有上压环斜面，所述上压环斜面对称压在相应的支撑环上斜面上；所述阀芯的下部设有阀芯下螺孔，所述阀芯下螺孔旋接有下螺套，所述下螺套的上方设有下压环，所述下压环的左右两侧对称设有下压环斜面，所述下压环斜面对称压在相应的支撑环下斜面上。

3.根据权利要求2所述的高摩阻井眼的固井套管串，其特征在于：两所述上压环斜面的下部对称设有上压环旁通孔，两所述下压环斜面的上部对称设有下压环旁通孔，所述上压环旁通孔与下压环旁通孔的开口相对；所述支撑环上斜面与支撑环下斜面以支撑环的中截面为中心对称面，且中截面处为最高点。

4.根据权利要求1所述的高摩阻井眼的固井套管串，其特征在于：所述控制阀包括控制阀壳体，所述控制阀壳体的中段设有壳体旁通段，所述壳体旁通段的中下部均匀分布有多个壳体旁通孔，所述壳体旁通段的上方设有壳体内凸台，所述壳体内凸台的上方设有壳体内凸圈，所述壳体内凸圈的孔径小于壳体内凸台的孔径；控制阀壳体中心孔中设有滑套，所述滑套自上而下设有滑套大径段和滑套小径段，滑套大径段的顶部抵靠在壳体内凸圈的下方，且滑套大径段的外周与壳体内凸台的内壁实现密封；所述壳体旁通段的下方设有内径放大的壳体下母螺纹段，所述壳体下母螺纹段与控制阀下接头的中部外螺纹相旋接，下接头中部外螺纹的上方设有缩径的下接头光杆段，下接头光杆段的上方设有缩径且向上延伸的下接头导向套；所述滑套小径段的下端插入所述下接头导向套的内腔且相互密封；所述滑套小径段的下方设有控制凸轮。

5.根据权利要求4所述的高摩阻井眼的固井套管串，其特征在于：所述控制凸轮的下方通过弹簧支撑在控制阀下接头的内台阶上；所述控制凸轮的外周壁对称设有凸轮控制沉槽，所述下接头光杆段的圆周上对称旋接有凸轮销，所述凸轮销的内端头分别嵌入凸轮控制沉槽中；所述凸轮控制沉槽包括多组交替设置且开口向下的凸轮长槽和凸轮短槽，当控制凸轮浮动时，凸轮销交替嵌入凸轮长槽和凸轮短槽。

6.根据权利要求5所述的高摩阻井眼的固井套管串，其特征在于：各凸轮长槽沿轴向向上延伸至控制凸轮的上部，各凸轮长槽及凸轮短槽的下方分别设有开口向上的过渡槽；各凸轮长槽、凸轮短槽及过渡槽的入口分别设有导入斜面，出口分别设有导出竖壁；各过渡槽的导入斜面分别位于凸轮长槽的导出竖壁下方，各过渡槽的导出竖壁分别位于凸轮短槽的导入斜面下方。

7.根据权利要求4所述的高摩阻井眼的固井套管串，其特征在于：所述壳体内凸台的下端口设有下大上小的导向锥面或导向弧面，所述滑套大径段的顶部外周设有外倒角；所述壳体内凸台的长度大于滑套大径段的长度，顶部壳体旁通孔的上缘与壳体内凸台底部之间的距离大于所述滑套大径段的长度；所述下接头导向套的顶部高于顶部壳体旁通孔的上缘。

8.根据权利要求1所述的高摩阻井眼的固井套管串，其特征在于：所述旋转引鞋包括工具上接头，所述工具上接头的下端旋接有轴承压紧接头，所述轴承压紧接头的下端旋接有涡轮壳体，所述涡轮壳体的下端旋接有扶正器接头，所述扶正器接头的下端旋接有扶正器；所述轴承压紧接头的内腔设有上连接轴，所述上连接轴的上部通过轴承支撑在所述轴承压紧接头的内壁；所述涡轮壳体的内腔设有涡轮装置，所述涡轮装置固定在芯轴外周，所述芯轴的上端与所述上连接轴的下端相旋接，所述芯轴的下端与下连接轴的上端相旋接，所述下连接轴的中段通过轴承支撑在所述扶正器的内壁，所述下连接轴的下端旋接有偏心引鞋；所述上连接轴的中心孔底部通过均布的上连接轴旁通孔与所述涡轮装置的上部空间相通，所述下连接轴的中心孔上部通过均布的下连接轴旁通孔与所述涡轮装置的下部空间相通，所述下连接轴中心孔的下端通过偏心引鞋中心孔与偏心引鞋的偏心水眼相通。

9.根据权利要求8所述的高摩阻井眼的固井套管串，其特征在于：所述涡轮装置包括多组涡轮定子和涡轮转子，各涡轮定子依次叠置固定在所述涡轮壳体的内壁，各涡轮转子依次叠置固定在所述芯轴的外周，所述涡轮转子与所述涡轮定子一一对应配对；所述轴承压紧接头的下端口压在顶部涡轮定子的上方，所述扶正器接头的上端口抵靠在底部涡轮定子的下方；顶部涡轮转子的上端口抵靠在所述上连接轴的台肩下方，底部涡轮转子的下端口通过垫圈抵靠在所述下连接轴的台肩上方。

10.根据权利要求8所述的高摩阻井眼的固井套管串，其特征在于：所述扶正器的内腔中上部设有扶正器内台阶，所述扶正器内台阶的上方设有上止推轴承，所述上止推轴承的上方压有上螺套，所述上螺套旋接在所述下连接轴的中上部螺纹段上；所述扶正器内台阶的下方设有下止推轴承，所述下止推轴承的下方压有下螺套，所述下螺套旋接在所述下连接轴的中部螺纹段上；所述下螺套的下方设有下深沟球轴承，所述下深沟球轴承的底部抵靠在下连接轴凸台上；所述上螺套的下部内缘与下螺套的上部内缘之间支撑有隔套，所述上止推轴承和下止推轴承套装在所述支撑有隔套的外周。

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