CN115596386A - 一种裸眼锚定器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种裸眼锚定器，包括：心轴，心轴设有传压孔；上接头；套设在心轴上的膨胀筒；套设在心轴上的液压驱动组件，其包括套设在心轴上的液压缸套和活塞筒，活塞筒安装在液压缸套与心轴之间，且在液压缸套、心轴与活塞筒之间形成有液压腔体，液压腔体通过传压孔与心轴的内部流道连通，通过投球憋压能够使液压腔体内压力增大并推动活塞筒上行，从而挤压膨胀筒径向扩张，直至膨胀筒与井壁形成锚固；其中，膨胀筒构造成包括第一圆筒和第二圆筒，第一圆筒的内壁面设有多个切割槽，在第一圆筒的处于切割槽的轴向内侧设有多个贯穿侧壁的切割缝，在第一圆筒与第二圆筒的连接处的外表面设有多个周向均布的应力槽，应力槽能够引导膨胀筒径向膨胀。

Description

一种裸眼锚定器

技术领域

本发明属于石油天然气完井工程中裸眼分段技术领域，具体涉及一种裸眼锚定器。

背景技术

目前，水平井裸眼分段压裂改造已经成为提高低渗、特低渗油藏储量动用程度和采收率的重要手段。水平井裸眼分段压裂改造技术不仅能够增加油气井的产量，而且能够大大降低固井、射孔作业所带来的成本和风险，同时还能减轻对地层造成的污染和伤害，是低渗透油藏开发的趋势。

在裸眼分段工艺中，为保护封隔器及其管柱，现有技术一般采用水力锚或悬挂器锚定在靠近裸眼段前端的套管内，但对于裸眼段，由于裸眼井壁的不规则性，水力锚或卡瓦下入过程中易意外张开发生卡钻事故，其适应性较差，裸眼封隔器之间完全依靠胶筒摩擦力锚定，一般无其他锚定装置。

在高压施工过程中，由于管柱承受较大的压力发生鼓胀效率而使管柱伸长，以88.9mm油管为例，压裂时管柱伸长率可达到2‰。管柱伸长，一方面会带动已坐封在裸眼井壁上的封隔器胶筒发生轴向移动，受井壁岩石而破坏，造成封隔器密封失效。另一方面，压裂时，管柱由于液压产生的伸长作用而形成的拉力直接作用在油管及其丝扣上，很容易导致油管断裂或丝扣脱扣。现有技术中，为确保裸眼封隔器密封效果及管柱安全，裸眼分段管柱中应配备与该工艺相适应的锚定手段。例如，采用扶正锚定装置，然而现有的扶正锚定装置在实际应用中存在一些问题，如锚栓需嵌入到裸眼井壁内，这对井壁破坏性较大，易引起井壁坍塌，并且扶正锚定装置性能的可靠性达不到应用要求。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种裸眼锚定器，该裸眼锚定器能够大大减少对裸眼井壁的破坏，并能够锚定管柱、保护管柱以及防止管柱在高压施工过程中蠕动而造成封隔器失效。

为此，根据本发明提供了一种裸眼锚定器，包括：中空管状的心轴，所述心轴设有贯穿侧壁的传压孔；固定连接在所述心轴的上端的上接头；套设在所述心轴上的膨胀筒；以及套设在所述心轴上的液压驱动组件，所述液压驱动组件包括套设在所述心轴上的液压缸套和活塞筒，所述活塞筒安装在所述液压缸套与所述心轴之间，且在所述液压缸套、所述心轴与所述活塞筒之间形成有液压腔体，所述液压腔体通过所述传压孔与所述心轴的内部流道连通，通过投球憋压能够使液压腔体内压力增大并推动所述活塞筒上行，从而挤压所述膨胀筒径向扩张，直至所述膨胀筒与井壁形成锚固；其中，所述膨胀筒构造成包括第一圆筒和与所述第一圆筒连接的第二圆筒，所述第一圆筒的上端内壁面设有多个沿轴向延伸的切割槽，在所述第一圆筒的处于所述切割槽的轴向内侧的侧壁区域设有多个贯穿侧壁的切割缝，所述切割缝沿轴向延伸设置，且在所述第一圆筒与所述第二圆筒的连接处的外表面设有多个周向均布的应力槽，所述应力槽能够引导膨胀筒径向膨胀。

在一个实施例中，多个所述切割槽在周向上均匀分布，多个所述切割缝在周向上均匀分布，且所述切割槽和所述切割缝的周向位置相对应。

在一个实施例中，所述上接头的下端外壁设置成第一锥面，所述膨胀筒的处于所述切割槽的轴向内侧的内壁设置有第二锥面，所述第二锥面与所述第一锥面适配安装。

在一个实施例中，所述液压缸套通过多个第一固定销钉与所述心轴固定连接，多个第一固定销钉在周向上均布。

在一个实施例中，所述液压缸套的内壁设有端面朝上的台肩，所述液压腔体形成于所述液压缸套的内壁、所述台肩与所述心轴的外壁之间。

在一个实施例中，在所述活塞筒与所述液压缸套之间设有剪切环，所述剪切环与所述液压缸套固定连接，且通过第一剪切销钉与所述活塞筒固定连接。

在一个实施例中，所述活塞筒通过第二剪切销钉与所述膨胀筒固定连接，所述第一剪切销钉的剪切值小于所述第二剪切销钉的剪切值，在投球憋压过程中，所述活塞筒先剪断所述第一剪切销钉，并轴向向上运动而轴向压缩所述膨胀筒，使所述膨胀筒径向扩张至与井筒壁接触并产生摩擦力，所述第二剪切销钉在摩擦力大于其剪切值时被剪断，从而完成锚定。

在一个实施例中，所述活塞筒的外壁面设有第一棘齿，在所述液压缸套的内壁面设有锁环，所述锁环的内壁设有与所述第一棘齿适配的第二棘齿，用于防止所述活塞筒回退。

在一个实施例中，在所述液压缸套的内壁设有端面朝上的安装台阶，所述安装台阶处于所述剪切环的轴向内侧，所述锁环安装在所述安装台阶上。

在一个实施例中，在所述上接头与所述心轴的连接面之间设有密封件，在所述活塞筒与所述心轴和所述液压缸套之间分别设有密封件，在所述液压缸套与所述心轴之间设有密封件。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

根据本发明的裸眼锚定器能够自适应20％裸眼扩大率的裸眼分段管柱的向上锚定。裸眼锚定器可随裸眼封隔器一同下入裸眼段，其下入安全性高。裸眼锚定器通过上接头的第一锥面结构、膨胀筒及裸眼壁之间的摩擦力对管柱进行锚定，大大减少了对裸眼井壁的破坏，同时能够起到锚定管柱、保护管柱和防止管柱在高压施工过程中蠕动造成封隔器失效的作用。此外，膨胀筒通过设置切割槽和切割缝的结构，能够有效防止裸眼锚定器在裸眼下入过程中意外张开，从而有效避免卡钻的风险。这非常有利于提高裸眼锚定器的下入裸眼井的效率和锚定效率。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的裸眼锚定器的结构。

图2是图1中A区域的放大图。

图3是图1中B区域的放大图。

图4显示了图1所示裸眼锚定器中的膨胀筒的结构。

图5是图4中沿线C-C的剖视图。

图6是图4中沿线D-D的剖视图。

图7显示了图1所示裸眼锚定器中的活塞筒的结构。

图8是图7中E区域的放大图。

图9a和图9b显示了图1所示裸眼锚定器中的锁环的结构。

图10是图9a中F区域的放大图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

在本申请中，需要说明的是，将根据本发明的裸眼锚定器下放到井筒中远离井口的一端定义为下端或相似用语，将靠近井口的一端定义为下端或相似用语。

图1显示了根据本发明的裸眼锚定器100的结构。如图1所示，裸眼锚定器100包括中空管状的心轴2、固定连接在心轴2的上端的上接头1、套设在心轴2上的膨胀筒3，以及套设在心轴2上的液压驱动组件。液压驱动组件构造成能够轴向推动膨胀筒3向上运动而实现径向扩张，进而与井壁接触并产生形成摩擦，从而能够实现锚定。裸眼锚定器100可随裸眼封隔器一同下入裸眼段，其下入安全性高，并且其通过摩擦力对管柱进行锚定，大大减少了对裸眼井壁的破坏，同时能够起到锚定管柱、保护管柱和防止管柱在高压施工过程中蠕动造成封隔器失效的作用。

如图1所示，在一个实施例中，上接头1与心轴2的上端通过螺纹连接。上接头1的下端构造成内台阶形连接扣，心轴2的上端与台阶形连接扣适配连接，并通过螺纹形成固定连接。同时，心轴2的上端与上接头1的连接处还设有对称分布的第二固定销钉12，用于防止螺纹松动而导致螺纹旋转退扣，以保证心轴2与上接头1之间连接的稳定性。例如，上接头1设有供第二固定销钉12穿过的销钉孔，在心轴2的外壁面对应设有销钉槽。

此外，为了保证心轴2与上接头1的连接处的密封性，在心轴2与上接头1的连接面之间设有多组密封件11。例如，在上接头1的下端内壁面设有多个密封槽，密封件11对应安装在密封槽内。优选地，密封件11设置在心轴2的上端面与第二固定销钉12的轴向之间。这非常有利于保证裸眼锚定器100的密封性。

根据本发明的一个实施例，上接头1的上端内壁面设置内螺纹，用于连接上部裸眼分段油管或工具(未示出)。并且，心轴2的下端外壁面设置有外螺纹，用于连接裸眼分段管柱的油管或其它分段工具(未示出)。

如图4所示，膨胀筒3为圆筒状，膨胀筒3构造成包括第一圆筒31和与第一圆筒31连接的第二圆筒32。第一圆筒31的上端内壁面设有多个沿轴向延伸的切割槽33(见图6)，多个切割槽33在周向上均匀分布。裸眼锚定器100在裸眼下入过程中，切割槽33用于防止膨胀筒4意外张开，从而避免卡钻的风险。在第一圆筒31的处于切割槽33的轴向内侧的侧壁区域设有多个贯穿侧壁的切割缝34(见图5)，切割缝34沿轴向延伸设置，多个切割缝34在周向上均匀分布。优选地，切割槽33和切割缝34的周向位置可以设置成对应，方便径向扩张。在第一圆筒31与第二圆筒32的连接处的外表面设有多个周向均布的应力槽35。在一个实施例中，应力槽35沿轴向延伸设置，应力槽35的中间设置为矩形，两端设置成半圆，用于引导膨胀筒3径向膨胀。同时，应力槽35能够有效避免应力集中。

根据本发明的一个实施例，上接头1的下端外壁构造成第一锥面。膨胀筒3套设在心轴2上且处于上接头1的轴向内侧。膨胀筒3的上端部分的内壁面构造成第二锥面，膨胀筒3的第二锥面与上接头1的第一锥面适配安装。这种锥面配合结构用于引导膨胀筒3的轴向运动，从而有利于膨胀筒3的径向扩张。

如图2和图3所示，液压驱动组件包括套设在心轴2上的液压缸套7和活塞筒4。液压缸套7构造成大致圆筒状，在液压缸套7的内壁设有端面朝上的台肩73。在液压缸套7的处于台肩73的下端部分的内壁设有内螺纹，且在心轴2的外壁面对应设有外螺纹，液压缸套7通过螺纹与心轴2固定连接。同时，在液压缸套7与心轴2的螺纹连接处设有两个对称分布的第一固定销钉72。第一固定销钉72能够防止螺纹松动回退，有效保证液压缸套7与心轴2稳定连接。

为了保证液压缸套7与心轴2之间的密封性，在液压缸套7与心轴2的连接面之间设有多组密封件75。优选地，密封件75设置在液压缸套7的台肩73与第一固定销钉72的轴向之间。这非常有利于保证裸眼锚定器100的密封性。

如图3所示，活塞筒4安装在液压缸套7与心轴2之间，并且在液压缸套7的台肩73、心轴2与活塞筒4之间形成有液压腔体8。同时，心轴2设有贯穿侧壁的传压孔21。传压孔21与液压腔体8连通，从而使液压腔体8连通心轴2的内部流道。活塞筒4的上端通过多个第二剪切销钉36与膨胀筒3固定连接。例如，膨胀筒3的下端侧壁设有多个供第二剪切销钉36穿过的销钉孔，多个销钉孔周向均布，在活塞筒4的上端外壁面对应设有销钉槽。在工作时，通过投球憋压能够增大心轴2内的液体压力，进而使液压腔体8内压力增大，并推动活塞筒4上行，从而轴向推动膨胀筒3以挤压膨胀筒3径向扩张。由此，实现液压驱动功能。

为了保证液压腔体8的密封性，在活塞筒4与心轴2和液压缸套7之间分别设有密封件。例如，在活塞筒4的下端的内壁设有两组密封槽45，同时在活塞筒4的下端的外壁轴向错开设有两组密封槽46，在密封槽45、密封槽46分别安装密封件42和密封件43。这样能够有效保证密封腔体8的密封性，从而能够起到密封保压的作用。

根据本发明的一个实施例，在活塞筒4与液压缸套7之间设有剪切环5。活塞筒4的外表面设有径向向外延伸的环形凸起44(见图7)。剪切环5与液压缸套7固定连接，并且剪切环5通过多个第一剪切销钉51与活塞筒4固定连接，多个第一剪切销钉51在周向上均匀分布。在初始状态下，剪切环5的上端面与环形凸起44的下端面接触。通过多个第一剪切销钉51能够有效防止管柱在下入过程中，由于操作失误或遇阻卡，造成活塞筒4意外启动，推动膨胀筒3意外张开发生卡钻的事故发生。

剪切环5为圆筒状，剪切环5外表面设有端面朝下的台阶结构，且设有外螺纹。液压缸套7的上端内壁设有端面朝上的台阶结构，且设置有内螺纹。剪切环5与液压缸套7通过台阶结构适配安装，并通过螺纹形成固定连接。同时，在剪切环5与液压缸套7的连接处设有两个对称分布的固定销钉71，固定销钉71能够防止螺纹旋转退扣，从而有效保证剪切环5与液压缸套7之间连接的稳定性。

根据本发明，第一剪切销钉51的剪切值小于第二剪切销钉36的剪切值。在投球憋压过程中，活塞筒4先剪断第一剪切销钉51，并轴向向上运动而轴向压缩膨胀筒3，使膨胀筒3径向扩张至与井筒壁接触。当膨胀筒3扩张到裸眼壁上后，在液压力的进一步推动下，膨胀筒3与裸眼壁之间的摩擦力加大，当摩擦力大于第二剪切销钉36的剪切值时，第二剪切销钉36被剪断，膨胀筒3与管柱断开连接，从而在上接头1、活塞筒4和裸眼壁摩擦力的作用下，实现管柱方向的锚定。

根据本发明的一个实施例，如图7和图8所示，活塞筒4的外壁面设有第一棘齿41。第一棘齿41优选设置在活塞筒4的外表面的中部区域。在液压缸套7的内壁面设有锁环6，在液压缸套7的内壁设有端面朝上的安装台阶74，安装台阶74处于剪切环5的轴向内侧，锁环6安装在安装台阶74上。如图9a、9b和图10所示，锁环6为设有开口62的环形结构，锁环6的内壁设有与第一棘齿41适配的第二棘齿61，用于防止活塞筒7回退。优选地，第一棘齿41的锁定方向设置成与活塞筒4的运动方向相反，且右旋设计，便于安装。这样在中途意外泄压情况下，膨胀筒3能够始终往径向膨胀方向扩张而不回弹，起保持膨胀力的作用。另外，在第一棘齿41的前端和后端分别设置有进刀槽和退刀槽，便于加工。

根据本发明的裸眼锚定器100在实际安装过程中，在上接头1下端内壁设置的密封槽内安装密封件11，并在上接头1与心轴2的连接面分别抹密封油，进而将心轴2与上接头1通过螺纹连接并上紧。之后，从心轴2的下端往上套装膨胀筒3，使膨胀筒3的上端面与上接头1的第一锥面相抵接。然后，从活塞筒4的下端往上装入剪切环5，使剪切环5上端面与活塞筒4环形凸起44的下端面相抵接，同时，使剪切环5的销钉孔正对活塞筒4的环形凸起44下部设置的销钉槽，并上紧第一剪切销钉51。之后，从活塞筒4的下端采用剪钳将锁环6安装到活塞筒4的第一棘齿41上，并使锁环6的上端面与剪切环5的下端面相抵接。之后，在活塞筒4的密封槽45、密封槽46内分别安装密封件42和密封件43，并涂抹密封油。同时，在心轴2的与密封件42和密封件43对应的密封面抹密封油，从而组装完成活塞筒组件。之后，从心轴2的下端往上将活塞筒组件套装到心轴2上，使活塞筒4的处于环形凸起44的上部的销钉槽正对膨胀筒3的下部的销钉孔，并上紧第二剪切销钉36。之后，在液压缸套7的内壁上设置的密封槽内安装密封件75，并在液压缸套7和心轴2的连接面之间抹密封油，进而从心轴2的下端往上套装液压缸套7，并上紧螺纹，使液压缸套7的上端面与剪切环5的端面朝下的台阶结构相抵接，最后，安装第一固定销钉72，从而装配完成裸眼锚定器100。

下面简述根据本发明的裸眼锚定器100的工作过程。首先，将裸眼锚定器100连接到裸眼分段管柱上，裸眼锚定器100初始状态下，膨胀筒3未膨胀，膨胀筒3的外径与液压缸套7的外径基本一致，且略小于上接头1的最大外径，这方便工具下入到裸眼段内。之后，通过管柱带动裸眼锚定器100下入井筒直至达到预定位置。之后，通过投球憋压，使心轴2内的液体压力不断增大并进入液压腔体8内，液压腔体8内的液压压力作用于活塞筒4的下端面，直至达到第一剪切销钉51的剪切值时，活塞筒4剪断第一剪切销钉51，并推动膨胀筒3轴向移动，从而使膨胀筒3受挤压而径向扩张，直至膨胀筒3径向扩张至与井筒壁接触。当膨胀筒3扩张到裸眼壁上后，在液压力的进一步推动下，膨胀筒3与裸眼壁之间的摩擦力不断增大，当摩擦力大于第二剪切销钉36的剪切值时，第二剪切销钉36被剪断，膨胀筒3与管柱断开连接，此时，在上接头1、活塞筒4和裸眼壁摩擦力的作用下，使得管柱实现锚定。

根据本发明的裸眼锚定器100能够自适应20％裸眼扩大率的裸眼分段管柱的向上锚定。裸眼锚定器100可随裸眼封隔器一同下入裸眼段，其下入安全性高。裸眼锚定器100通过上接头1的第一锥面结构、膨胀筒3及裸眼壁之间的摩擦力对管柱进行锚定，大大减少了对裸眼井壁的破坏，同时能够起到锚定管柱、保护管柱和防止管柱在高压施工过程中蠕动造成封隔器失效的作用。此外，膨胀筒3通过设置切割槽33和切割缝34的结构，能够有效防止裸眼锚定器100在裸眼下入过程中意外张开，从而有效避免卡钻的风险。这非常有利于提高裸眼锚定器100的下入裸眼井的效率和锚定效率。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)

1.一种裸眼锚定器，其特征在于，包括：

中空管状的心轴(2)，所述心轴设有贯穿侧壁的传压孔(21)；

固定连接在所述心轴的上端的上接头(1)；

套设在所述心轴上的膨胀筒(3)；以及

套设在所述心轴上的液压驱动组件，所述液压驱动组件包括套设在所述心轴上的液压缸套(7)和活塞筒(4)，所述活塞筒安装在所述液压缸套与所述心轴之间，且在所述液压缸套、所述心轴与所述活塞筒之间形成有液压腔体(8)，所述液压腔体通过所述传压孔与所述心轴的内部流道连通，通过投球憋压能够使液压腔体内压力增大并推动所述活塞筒上行，从而挤压所述膨胀筒径向扩张，直至所述膨胀筒与井壁形成锚固；

其中，所述膨胀筒构造成包括第一圆筒(31)和与所述第一圆筒连接的第二圆筒(32)，所述第一圆筒的上端内壁面设有多个沿轴向延伸的切割槽(33)，在所述第一圆筒的处于所述切割槽的轴向内侧的侧壁区域设有多个贯穿侧壁的切割缝(34)，所述切割缝沿轴向延伸设置，且在所述第一圆筒与所述第二圆筒的连接处的外表面设有多个周向均布的应力槽(35)，所述应力槽能够引导膨胀筒径向膨胀。

2.根据权利要求1所述的裸眼锚定器，其特征在于，多个所述切割槽在周向上均匀分布，多个所述切割缝在周向上均匀分布，且所述切割槽和所述切割缝的周向位置相对应。

3.根据权利要求1或2所述的裸眼锚定器，其特征在于，所述上接头的下端外壁设置成第一锥面，所述膨胀筒的处于所述切割槽的轴向内侧的内壁设置有第二锥面，所述第二锥面与所述第一锥面适配安装。

4.根据权利要求1所述的裸眼锚定器，其特征在于，所述液压缸套通过多个第一固定销钉(72)与所述心轴固定连接，多个第一固定销钉在周向上均布。

5.根据权利要求1所述的裸眼锚定器，其特征在于，所述液压缸套的内壁设有端面朝上的台肩(73)，所述液压腔体形成于所述液压缸套的内壁、所述台肩与所述心轴的外壁之间。

6.根据权利要求1所述的裸眼锚定器，其特征在于，在所述活塞筒与所述液压缸套之间设有剪切环(5)，所述剪切环与所述液压缸套固定连接，且通过第一剪切销钉(51)与所述活塞筒固定连接。

7.根据权利要求6所述的裸眼锚定器，其特征在于，所述活塞筒通过第二剪切销钉(36)与所述膨胀筒固定连接，所述第一剪切销钉的剪切值小于所述第二剪切销钉的剪切值，

在投球憋压过程中，所述活塞筒先剪断所述第一剪切销钉，并轴向向上运动而轴向压缩所述膨胀筒，使所述膨胀筒径向扩张至与井筒壁接触并产生摩擦力，所述第二剪切销钉在摩擦力大于其剪切值时被剪断，从而完成锚定。

8.根据权利要求6所述的裸眼锚定器，其特征在于，所述活塞筒的外壁面设有第一棘齿(41)，在所述液压缸套的内壁面设有锁环(6)，所述锁环的内壁设有与所述第一棘齿适配的第二棘齿(61)，用于防止所述活塞筒回退。

9.根据权利要求8所述的裸眼锚定器，其特征在于，在所述液压缸套的内壁设有端面朝上的安装台阶(74)，所述安装台阶处于所述剪切环的轴向内侧，所述锁环安装在所述安装台阶上。

10.根据权利要求6所述的裸眼锚定器，其特征在于，在所述上接头与所述心轴的连接面之间设有密封件，在所述活塞筒与所述心轴和所述液压缸套之间分别设有密封件，在所述液压缸套与所述心轴之间设有密封件。

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