CN115354985B - 一种热力注入井热敏型套管防护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热力注入井热敏型套管防护装置，包括上接头、下接头、中心管、滑套以及多个支撑板；上接头内壁和上中心管外壁之间设有一活塞环，活塞环可滑动地设置于中心管上，活塞环上方形成填充腔，填充腔内装有膨胀剂；活塞环下方固定连接有活塞套，活塞套套于中心管外，滑套上端与活塞套下端固定连接，支撑板内壁与滑套外壁之间设有支撑杆，支撑杆两端分别与支撑板和滑套以可转动方式连接。本发明的有益效果为：该防护装置的热胀剂在受热作用下可推动滑套下移，滑套下移可使支撑杆转动，推动支撑板展开从而贴紧支撑套管内壁，对套管起支撑加强作用防止套管被挤压损坏；同时该护装置具有运行稳定可靠，安装方便的优点。

Description

一种热力注入井热敏型套管防护方法及装置

技术领域

本发明涉及油气井井下作业工具技术领域，具体为一种热力注入井热敏型 套管防护方法及装置。

背景技术

油水井生产套管损坏是目前很多油田面临的一个突出问题，严重影响油田 的正常生产。注水井套管损坏影响分层注水和分层调整；油井套管损坏影响油 井质量和增产措施；同时油水井套管损坏增加油水井套管大修的工作量和工程 成本。注水井套管损坏发生的井段多位于泥岩段，主要是由于注水压力过高超 过了地层破裂压力，将地层压开裂缝，这时高压水就沿着裂缝窜动到泥岩层段，使泥岩中的蒙脱石遇水膨胀，膨胀的蒙脱石会对套管产生极大的外挤力；热采 井套管在高温下存在塑性变形、高温氧化以及管内外流体的腐蚀，使套管壁厚 减薄，使其承受外载能力降低；盐岩层井套管损坏多发生在盐岩层井段，盐岩 层在高温、高压下会产生塑性蠕动，产生很大的挤毁力，挤压套管导致其损坏； 出砂井套管损坏主要是因为油层出砂，油层部位的出砂井段与套管之间形成空 洞，使油层部位套管悬空，易形成地层坍塌，从而挤毁油层部位套管。

发明内容

有鉴于此，为预防出现套管损坏的情况。本发明本提供一种热力注入井热 敏型套管防护装置，包括上接头、下接头、中心管、滑套以及多个支撑板；

所述中心管上端连接于所述上接头内；下接头连接于中心管下端；

上接头内壁和外壁之间设有一活塞环，所述活塞环可滑动地设置于中心管 上，活塞环上方形成填充腔，填充腔内装有膨胀剂；

活塞环下方固定连接有活塞套，活塞套套于中心管外，所述滑套上端与活 塞套下端固定连接，

所述支撑板均为弧形，所述支撑板均上分布有炮眼，支撑板内壁与滑套外 壁之间设有支撑杆，所述支撑杆两端分别于支撑板内壁和滑套外壁以可转动方 式连接；

所述膨胀剂用于受热膨胀，推动活塞环、活塞套以及滑套向下移动，从而 使支撑杆转动，推动支撑板展开。

进一步地，所述滑套外壁设有安装槽，所述支撑杆一端铰接于所述安装槽 内，另一端铰接于支撑板内壁，从而使支撑杆两端分别于支撑板内壁和滑套外 壁以可转动方式连接。

进一步地，所述中心管包括上中心管和下中心管，下中心管上端与上中心 管下端相连，所述上接头连接于所述上中心管上，所述下接头连接于所述下中 心管上，且所述支撑板下端抵住所述下接头。

进一步地，该装置还包括两紧定螺钉，其中一紧定螺钉径向固定上接头和 上中心管，另一紧定螺钉径向固定下接头和下中心管。

进一步地，该装置还包括锁紧器，所述锁紧器包括锁爪和锁环，所述锁爪 连接于所述活塞套内壁，所述锁环位于所述活塞套下方，所述锁紧器和锁环均 与所述中心管采用锯齿配合。

进一步地，所述锁紧器还包括座封剪钉，所述座封剪钉径向固定于所述锁 爪和所述活塞套上，所述座封剪钉用于轴向固定锁爪和活塞套。

进一步地，所有支撑板的曲率均与套管内壁曲率相同，从而使支撑板贴合 支撑于套管内壁。

本发明还提供一种基于上述热力注入井热敏型套管防护装置的热力注入井 热敏型套管防护方法，该方法包括如下步骤：

S1:在该套管防护装置内填充腔填充一定量的膨胀剂；

S2:将该套管防护装置的上接头通过螺纹连接于管柱上，并通过管柱带动该 套管防护装置伸入套管待支撑处；

S3:向该套管防护装置的中心管内通入高温流体；

S4:填充腔的膨胀剂受热膨胀，推动活塞环13、活塞套14以及滑套3向下 移动，从而使支撑杆16转动，推动支撑板4展开，支撑板4展开后，其外壁抵 住套管内壁，从而锁定于套管内的待支撑处；

在步骤S4中，填充腔的膨胀剂受热膨胀后，推动活塞环13、活塞套14以 及滑套4向下移动过程中使座封剪钉剪断15。

S5:通过驱动装置带动管柱转动，使上中心管12和下中心管8的螺纹连接松 开，即完成该套管防护装置的丢手。

进一步地，在步骤S3中，填充腔的膨胀剂受热膨胀后，推动活塞环、活塞 套以及滑套向下移动过程中使座封剪钉剪断。

进一步地，上述步骤S1中填充膨胀剂的量通过如下步骤确定：

S11：通过实验确定热胀剂的膨胀系数α：测量将热胀剂置于容器中，量取 其体积V₁，将容器连通热胀剂加热，温度从T₁升高T₂，量取其体积V₂，

即α＝(V₂-V₁)/{(T₂-T₁)*V₁}

S12：计算热胀剂的初始填充体积V，V计算公式如下：

S₁＝π*(R₁ ²—R₂ ²)；

L₂＝L₁*sinβ；

L₃＝L₁*cosβ；

W₁＝R₃-R₄；

V＝(S₁*W₂)/{α*(T₂-T₁)}

其中，S₁为热胀剂的底面积，W₁为支撑板的移动距离，W₂为滑套的移动距 离，L₁为支撑杆长，L₂和L₃分别为支撑杆两端铰链的垂直距离和水平距离，R₁为装置上接头内径，R₂为中心管12外径，R₃为套管内径，R₄为支撑板最小外 径，β为支撑杆与水平线之间的倾角，T₁为初始环境温度，T₂为注入高温流体 的温度。

本发明一种热力注入井热敏型套管防护方法及装置的有益效果为：本发明 的热力注入井热敏型套管防护装置内设有活塞组件、滑套以及支撑板，活塞组 件的活塞环上方填充有热胀剂，热胀剂在受热作用下可推动滑套下移，滑套和 支撑板之间设有铰接有支撑杆，滑套下移可使支撑杆转动，推动支撑板展开从 而贴紧支撑套管内壁，对套管起支撑加强作用防止套管被挤压损坏；同时该护装置具有结构简单、运行稳定可靠优点；采用本发明的防护方法可简单快速地 完成套管加强防护的过程，提高油气开采效率。

附图说明

图1是本发明实施例一种热力注入井热敏型套管防护装置的支撑板4未展 开时以及未展开时的示意图。

图2是本发明实施例一种热力注入井热敏型套管防护装置的内部结构示意 图。

图3是图1中A-A处的截面图。

图4是图1中B-B处的截面图。

图5是图1中C-C处的截面图。

图6是本发明实施例一种热力注入井热敏型套管防护装置的撑板收缩时最 大外径的计算示意图。

上述图中：1-上接头，2-活塞套，3-滑套，4-支撑板，5-下接头，6-开口锁 环，7-锁爪，8-下中心管，9-解封剪钉，10-第一紧定螺钉，11-热胀剂，12-上中 心管，13-活塞环，14-活塞套，15-座封剪钉；16-支撑杆；17-安装槽，18-第二 紧定螺钉。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地描述。

请参考图1至图5，一种热力注入井热敏型套管防护装置，包括上接头1、 下接头5、中心管、滑套3以及多个支撑板4。

所述中心管包括上中心管12和下中心管8，上中心管12下端通过螺纹于下 中心管12上端，上中心管8上端连接于所述上接头1内；上接头1上端内壁设 有内螺纹，下接头5连接于下中心管12下端。

上接头1内壁和上中心管12之间设有活塞组件，所述活塞组件包括活塞环 13和活塞套14，所述活塞环13可滑动地套设于上中心管8上，活塞环13上方 空腔形成填充腔，填充腔内装有膨胀剂11，膨胀剂11受热则体积膨胀；活塞套 14固定连接于活塞环13下方，活塞套14套于中心管外，活塞套14可相对中心 管滑动；所述滑套3上端与活塞套下端固定连接，且滑套3可滑动地套设于下 中心管8外，所述膨胀剂11受热则体积膨胀后，可推动活塞环13、活塞套14 以及滑套3向下移动。

本实施例中，所述支撑板4数量为四个，四个支撑板4均为弧形，所述支 撑板4均上分布有多个炮眼，支撑板4内壁与滑套3外壁之间设有支撑杆16， 所述支撑杆16两端分别与支撑板4外壁和滑套3内壁以可转动方式连接；本实 施例中，所述滑套3内设有安装槽17，所述支撑杆16一端铰接于所述安装槽17内，另一端铰接于支撑板4内壁，所有支撑板4下端均抵住下接头5，所述 滑套3向下移动，支撑板4由于下端抵住下接头5，无法随滑套3下移，此时支 撑杆16发生推动支撑板4外移，使支撑板4展开。支撑板4展开后，其外壁可 贴紧待支撑的套管内壁，对套管起膨胀支撑作用，从而加强套管强度，防止套 管损坏。

进一步地，该装置还包括两紧定螺钉，两紧定螺钉分别为第一紧定螺钉10 和第二紧定螺钉18，其中第一紧定螺钉10径向固定上接头1和上中心管12， 第二紧定螺钉18径向固定下接头5和下中心管8。

进一步地，该装置还包括锁紧器，所述锁紧器包括锁爪7和锁环6，所述锁 爪连接于所述活塞套内壁，所述锁环位于所述活塞套14下方，所述锁爪7和锁 环6均与所述中心管采用锯齿配合。

进一步地，所述锁紧器还包括座封剪钉15以及解封剪钉9，所述座封剪钉 15径向固定于所述锁爪7和活塞套14，所述上中心管12上，所述座封剪钉15 用于轴向固定锁爪7和上中心管12；所述解封剪钉9径向固定于锁爪7和滑套 3。

进一步地，所有支撑板4的曲率半径均与套管内壁曲率半径相同，从而使 支撑板4展开后能贴合支撑于套管内壁。

更进一步地，所有支撑板4在轴线为连续的凹槽结构(即波浪形)，支撑 板4社会设置为连续的凹槽结构可避免支撑板堵住炮眼，保障开发层油气顺畅 地流入到井筒，并可以增加装置的座封力。

本发明的热力注入井热敏型套管防护装置的热力注入井热敏型套管防护方 法，该方法包括如下步骤：

S1:在该套管防护装置内填充腔填充一定量的膨胀剂；

S2:将该套管防护装置的上接头通过螺纹连接于管柱上，并通过管柱带动该 套管防护装置伸入套管待支撑处；

S3:向该套管防护装置的中心管内通入高温流体；

S4:填充腔的膨胀剂受热膨胀，推动活塞环13、活塞套14以及滑套3向下 移动，从而使支撑杆16转动，推动支撑板4展开，支撑板4展开后，其外壁抵 住套管内壁，从而锁定于套管内的待支撑处；

在步骤S4中，填充腔的膨胀剂受热膨胀后，推动活塞环13、活塞套14以 及滑套4向下移动过程中使座封剪钉剪断15。

S5:通过驱动装置带动管柱转动，使上中心管12和下中心管8的螺纹连接松 开，即完成该套管防护装置的丢手。

上述步骤S1中填充膨胀剂的量通过如下步骤确定：

S11：通过实验确定热胀剂的膨胀系数α(与热胀剂的初始体积、初始温度 和温差有关)：测量将热胀剂置于容器中，量取其体积V₁，将容器连通热胀剂 加热，温度从T₁升高到T₂，量取其体积V₂，

即α＝(V₂-V₁)/{(T₂-T₁)*V₁}

S12：计算热胀剂的初始填充体积V，V计算公式如下：

S₁＝π*(R₁ ²—R₂ ²)；

L₂＝L₁*sinβ；

L₃＝L₁*cosβ；

W₁＝R₃-R₄；

V＝(S₁*W₂)/{α*(T₂-T₁)}

其中，S₁为热胀剂的底面积；W₁为支撑板的移动距离；W₂为滑套的移动距 离；L₁为支撑杆长；L₂和L₃分别为支撑杆两端铰链的垂直距离和水平距离；R₁为装置上接头内径；R₂为中心管12外径；R₃为套管内径；R₄为支撑板最小外 径(每块支撑板弧线上中点与该平面上装置中心点的连接线，图6中CD线段)； β为支撑杆与水平线之间的倾角；T₁为初始环境温度；T₂为注入高温流体的温 度。

本发明中，当支撑板刚好与套管内壁接触后，需根据套管抗内压强度，对 支撑板施加在套管内壁的载荷F进行合理设计，其理论计算过程如下：

热胀剂产生的膨胀挤压力F₁为：

F₁＝γ*V₁*(T₂—T₁)

其中，γ为热胀剂的膨胀挤压系数，与热胀剂的初始体积、初始温度和温 差有关，通过试验测试和曲线拟合所得；V₁为热胀剂的初始体积；T₁为热胀剂 初始温度；T₂为升温后的热胀剂温度。

支撑板4施加在套管内壁的载荷F为：F＝F₁*cosβ。

请参考图6，本发明中，该装置适用的套管需要其内径大于支撑板收缩时最 大外径，支撑板收缩时最大外径(支撑板与支撑板接触点与该平面上装置的中 心点的连接线，图6中CE线段)的计算过程如下：

在该横截面上，A，E点是支撑板的两个端点，B点是支撑板4的中心点， C点是套管的中心点，D点是支撑板的中点，从B点往直线CE上作垂线，交直 线CE于F点，R5是支撑板AE收缩时最大外径。

在三角形BCE中和三角形BFE中，∠BCE＝135°，BF＝CF

分别由正弦定理和勾股定理可得：

BF²-(CE-CF)²＝BE²，

整理得：

即支撑板收缩时最大外径为

其中，W₁为支撑板的移动距离，R₃为套管内径。

本发明的热力注入井热敏型套管防护装置在完成对套管的加强防护作用 后，还可从套管内取出，其取出过程为：

下入打捞工具连接锁紧器上的锁爪6内螺纹，锁爪7撑开锁环6，使锁环6 胀大脱离下中心管8的束缚，带动锁环6、活塞环13、活塞套14和滑套3一起 上移，解封剪钉9剪断，使支撑杆16和支撑板4缓慢收回，直至支撑板4恢复 原位；然后整个热敏型套管防护装置随打捞工具一起上提出套管。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中 以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。 应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。

Claims (7)

1.一种热力注入井热敏型套管防护装置，其特征在于：包括上接头、下接头、中心管、滑套以及多个支撑板；

所述中心管上端连接于所述上接头内；下接头连接于中心管下端；

上接头内壁和中心管外壁之间设有一活塞环，所述活塞环可滑动地设置于中心管上，活塞环上方、中心管外壁和上接头内壁之间形成填充腔，填充腔内装有膨胀剂；

活塞环下方固定连接有活塞套，活塞套套于中心管外，所述滑套上端与活塞套下端固定连接，

所述支撑板均为弧形，所述支撑板上均分布有炮眼，支撑板内壁与滑套外壁之间设有支撑杆，支撑板位于滑套外，所述支撑杆两端分别与支撑板内壁和滑套外壁以可转动方式连接；

所述膨胀剂受热膨胀后，推动活塞环、活塞套以及滑套向下移动，从而使支撑杆转动，支撑杆推动支撑板展开，支撑板张紧支撑于套管内壁；

该装置还包括锁紧器，所述锁紧器包括锁爪和锁环，所述锁爪连接于所述活塞套内壁且位于中心管外，所述锁环位于所述活塞套下方且位于中心管外，所述锁爪和锁环均与所述中心管采用锯齿配合；

所述锁紧器还包括座封剪钉和解封剪钉，所述座封剪钉径向固定于所述锁爪和所述活塞套上，所述座封剪钉用于固定锁爪和活塞套，所述解封剪钉径向固定于锁爪和滑套；

该防护装置在完成对套管的加强防护作用后从井中取出，取出过程为：

下入打捞工具连接锁紧器上的锁爪的内螺纹，锁爪撑开锁环，使锁环胀大脱离中心管的束缚，带动锁环、活塞环、活塞套和滑套一起上移，解封剪钉剪断，使支撑杆和支撑板收回至恢复原位；然后该防护装置随打捞工具一起上提出套管。

2.根据权利要求1所述的一种热力注入井热敏型套管防护装置，其特征在于：所述滑套外壁设有安装槽，所述支撑杆一端铰接于所述安装槽内，所述支撑杆另一端铰接于支撑板内壁，从而使支撑杆两端分别与支撑板内壁和滑套外壁以可转动方式连接。

3.根据权利要求1所述的一种热力注入井热敏型套管防护装置，其特征在于：所述中心管包括上中心管和下中心管，下中心管上端与上中心管下端相连，所述上接头连接于所述上中心管上，所述下接头连接于所述下中心管上，且所述支撑板下端抵住所述下接头。

4.根据权利要求3所述的一种热力注入井热敏型套管防护装置，其特征在于：还包括两紧定螺钉，其中一紧定螺钉径向固定上接头和上中心管，另一紧定螺钉径向固定下接头和下中心管。

5.根据权利要求1所述的一种热力注入井热敏型套管防护装置，其特征在于：所有支撑板的曲率均与套管内壁曲率相同，从而使支撑板贴合支撑于套管内壁。

6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的热力注入井热敏型套管防护装置的热力注入井热敏型套管防护方法，其特征在于：所述中心管包括上中心管和下中心管，该方法包括如下步骤：

S1:在该套管防护装置内的填充腔填充一定量的膨胀剂；

S2:将该套管防护装置的上接头通过螺纹连接于管柱上，并通过管柱带动该套管防护装置伸入套管待支撑处；

S3:向该套管防护装置的中心管内通入高温流体；

S4:填充腔的膨胀剂受热膨胀，推动活塞环、活塞套以及滑套向下移动，从而使支撑杆转动，支撑杆推动支撑板展开，支撑板展开后，支撑板外壁抵住套管内壁，从而锁定于套管内的待支撑处；

在步骤S4中，填充腔的膨胀剂受热膨胀后，推动活塞环、活塞套以及滑套向下移动过程中使座封剪钉剪断；

S5:通过驱动装置带动管柱转动，使上中心管和下中心管的螺纹连接松开，即完成该套管防护装置的丢手；

S6:该防护装置在完成对套管的加强防护作用后从井中取出，其过程为：

下入打捞工具连接锁紧器上的锁爪的内螺纹，锁爪撑开锁环，使锁环胀大脱离中心管的束缚，带动锁环、活塞环、活塞套和滑套一起上移，解封剪钉剪断，使支撑杆和支撑板收回至恢复原位；然后该防护装置随打捞工具一起上提出套管。

7.根据权利要求6所述的一种热力注入井热敏型套管防护装置的防护方法，其特征在于：上述步骤S1中填充膨胀剂的量通过如下步骤确定：

S11：通过实验确定热胀剂的膨胀系数α：测量将热胀剂置于容器中，量取其体积V₁，将容器连通热胀剂加热，温度从T₂升高T₁，量取其体积V₂，

即α＝(V₂-V₁)/{(T₂-T₁)*V₁}

S12：计算热胀剂的初始填充体积V，V计算公式如下：

S₁＝π*(R₁ ²—R₂ ²)；

L₂＝L₁*sinβ；

L₃＝L₁*cosβ；

W₁＝R₃-R₄；

W₂＝L₂-{L₁ ²-(W₁+L₃)²}^1/2；

V＝(S₁*W₂)/{α*(T₂-T₁)}

其中，S₁为热胀剂的底面积，W₁为支撑板的移动距离，W₂为滑套的移动距离，L₁为支撑杆长，L₂和L₃分别为支撑杆两端铰链的垂直距离和水平距离，R₁为上接头内径，R₂为中心管外径，R₃为套管内径，R₄为支撑板最小外径，β为支撑杆与水平线之间的倾角，T₁为初始环境温度，T₂为注入高温流体的温度。