CN115749656B - 冲击式变形套管修复工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击式变形套管修复工具，包括冲击器和修复工具；冲击器包括上接头、上壳体、液压结构、中接头和冲锤；液压结构包括碟簧、密封盖、射流元件、液压缸、活塞杆组合和缸盖；修复工具包括下壳体、花键套、下接头、推块结构和锥体结构；推块结构包括主推块和推块；锥体结构包括锥盖、锥体、内锥体、径向弹簧和外锥体；冲击器的中接头和修复工具的下壳体在轴向将两部分连接在一起，冲击器轴向的另一端连接井上控制系统；本发明的驱动力由液压缸提供，能适用井下特殊环境，磨损损耗低，使用寿命更长；本发明直接由井上控制系统回收或下放，可以实现连续作业；修复变形套管时准备时间少、操作简单、修复更迅速、更安全和可控。

Description

冲击式变形套管修复工具

技术领域

本发明涉及变形套管修复领域，尤其涉及一种冲击式变形套管修复工具。

背景技术

随着油田中原油的不断开采,油井底部和油层中流体的压力会发生巨大的变化,再加上经常地修井作业和油水井措施以及井深结构、完井固井质量、管材腐蚀等诸多因素的影响，这让油井套管本身的状况越来越差，从而造成套管破裂、变形、穿孔、错断等影响油井正常运作的现象。

油井套管的状况会对油田的开发产生严重的影响，情况严重时还可能会直接导致油田的停产，所以对于一些老油田来说，套管的高效快速修复就成为了首先需要解决的问题。在所有的损坏套管中，套管变形的所占有的比例是十分巨大的，而国内外对于套管变形的修复方法主要采用机械整形、爆炸整形和磨铣打通管道等，这些方法普遍存在的问题就是修复时间过长，无法实现连续作业、成功率较低与工具寿命较短等。

发明内容

本发明的目的是公开一种冲击式变形套管修复工具，以解决上述背景中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种冲击式变形套管修复工具，其特征在于：包括冲击器和修复工具；

所述的冲击器包括上接头、上壳体、液压结构、中接头和冲锤；上接头和液压结构连接，液压结构的另一端和冲锤连接，冲锤安装在中接头内部，液压结构整体安装在上壳体内部，上壳体连接上接头和中接头；所述的上接头具有一个用于连接其它设备的连接孔和一个用于安装密封盖的装配孔；

所述的液压结构包括碟簧、密封盖、射流元件、液压缸、活塞杆组合和缸盖，密封盖安装在上接头的装配孔中，密封盖和上接头中间夹有碟簧，密封盖的另一端连接射流元件，射流元件的另一端连接液压缸，液压缸内部装有活塞杆组合，液压缸和缸盖连接在一起形成一个闭合的结构，活塞杆组合穿过缸盖，活塞杆组合的末端和冲锤连接在一起；所述的密封盖中间具有一个通孔；所述的液压缸包括一个进液通道和一个出液通道；所述的射流元件包括控制道、主喷嘴、排空道和输出道，主喷嘴的轴心延长线和密封盖中间的通孔的轴心延长线重合，排空道和液压缸的出液通道连接，输出道和液压缸的进液通道连接，所述的控制道有两条，一条连接主喷嘴和排空道，另一条连接主喷嘴和输出道；

所述的修复工具包括下壳体、花键套、下接头、推块结构和锥体结构；下壳体套在花键套的外侧，花键套的内侧套在下接头的外侧，下接头的另一端连接推块结构，推块结构和锥体结构相连接；

所述的推块结构包括主推块和推块，主推块有凹槽的一端和下接头连接，主推块的另一端装有推块；

所述的锥体结构包括锥盖、锥体、内锥体、径向弹簧和外锥体，锥盖套在推块结构的推块上，锥盖的端面和推块的端面在同一平面，锥体安装在锥盖上，内锥体整体套在推块结构的主推块上，内锥体的一侧和推块结构的推块连接，内锥体的另一侧的端面和推块结构的主推块的端面在同一平面，外锥体由内锥体和径向弹簧合力固定在锥体的几个凹孔处，外锥体的内表面和内锥体的外表面相互配合连接；

所述的冲击器的中接头和修复工具的下壳体在轴向将两部分连接在一起，冲击器的冲锤在初始状态下抵在修复工具的下接头上，冲击器轴向的另一端连接井上控制系统。

作为本发明进一步的技术方案，所述的冲锤的材料为35CrMo的高强度合金结构钢，这种钢材需要经过调质，调质后钢材的硬度在HRC20和HRC30之间；冲锤右端开了6个冲锤键槽用来放置水平导向块，6个冲锤键槽以60°环形阵列分布在冲锤上；所述的水平导向块的数量也为6个，水平导向块的材料为碳纤维增强聚四氟乙烯。

作为本发明进一步的技术方案，所述的活塞杆组合的材料为35CrMo的高强度合金结构钢，且活塞杆组合上开有密封槽，密封槽用以提高活塞杆组合的寿命和稳定性；活塞杆组合和冲锤的连接方式为螺纹连接，使活塞杆组合在运动时可以连带冲锤一起运动。

作为本发明进一步的技术方案，所述的液压缸的材料为20CrMnTi的高强度合金结构钢。

作为本发明进一步的技术方案，所述的射流元件总共有2个，2个射流元件对向安装形成一个整体；射流元件可以将通过它内部的高压流体，由射流元件自身的结构交替输送到液压缸的进液通道和出液通道，实现液压缸内活塞杆组合的往复运动。

作为本发明进一步的技术方案，所述的碟簧安装在上接头和密封盖内部之前要经过表面处理，磷化处理表面后再加上润滑油。

作为本发明进一步的技术方案，所述外锥体受到锥体的约束限制，只能沿着锥体的径向方向移动；外锥体在工作时与要修复的套管内径正好重合，以此保证修复效果；外锥体的数量为8个，锥体上的凹孔数量也为8个，外锥体和锥体上的凹孔呈45°环形阵列分布在圆周范围内。

作为本发明进一步的技术方案，所述的径向弹簧为高弹性系数的弹簧，径向弹簧的数量为8个，可以保证径向力的提供。

作为本发明进一步的技术方案，所述花键套可以使下壳体、下接头和推块结构在安装时对准它们的轴心。

作为本发明进一步的技术方案，所述推块结构在工作时的驱动力由冲击器的冲锤冲击下接头提供，驱动力通过下接头传递给推块结构再传递给内锥体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的冲击器部分放弃了传统的液力锚固定整体，在套管变形部位被修复工具修复后可直接由井上控制系统操控整个装置选择回收还是下放继续修复其他部位，由此可以实现连续作业。

2、本发明的冲击器部分相对于目前其他的冲击器来说，运动部件较少，没有使用多级涡轮马达而是靠液压缸完成驱动力传递，液压缸对井下环境的泛用性较强，能量利用率高，在高温高压下可以稳定工作。

3、液压缸在进行往复运动时发热量较低，没有使用圆柱凸轮在高转速下的发热量，能减少冲击式冲击器零件的磨损，延长各个部件的使用寿命；修复工具部分相对于目前其他的修复工具来说，运动部件较少，运动过程中也没有转动摩擦损耗和刚体碰撞损耗，运动过程相对简单，各个零件的使用寿命相对更长。

4、本发明的修复工具部分在工作时的驱动力主要由冲击器部分的冲锤提供，并将冲锤轴向驱动力转化为径向的扩张力，从而达到套管变形修复的目的，相较于爆炸整形更加可控、稳定和安全，同时成本低廉且操作简单。

5、外锥体在修复工具抵达套管变形部位时，可以立刻由径向弹簧推动并开始执行修复变形的套管的工作，此过程准备时间少，径向弹簧执行迅速，相较于目前常见的套管变形修复工具，本发明的修复速度更快。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明图1中的A-A截面示意图。

图3为本发明图1中的B-B截面示意图。

图4为本发明中液压缸的正视剖面结构示意图。

图5为本发明中液压缸的俯视结构示意图。

图6为本发明中活塞杆组合的结构示意图。

图7为本发明中缸盖的结构示意图。

图8为本发明中冲锤的结构示意图。

图9为本发明图8中的A-A截面示意图。

图10为本发明中密封盖的结构示意图。

图11为本发明中射流元件的结构示意图。

图12为本发明中锥体的结构示意图。

图13为本发明中内锥体的结构示意图。

图14为本发明中下接头的结构示意图。

图中：1-上接头，2-上壳体，3-碟簧，4-密封盖，5-射流元件，6-液压缸，7-活塞杆组合，8-缸盖，9-中接头，10-冲锤，11-外锥体，12-内锥体，13-锥体，14-锥盖，15-推块，16-主推块，17-下接头，18-花键套，19-下壳体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种冲击式变形套管修复工具，其特征在于：包括钻进器和修复工具；

所述的钻进器包括上接头1、上壳体2、液压结构、中接头9和冲锤10；上接头1和液压结构连接，液压结构的另一端和冲锤10连接，冲锤10安装在中接头9内部，液压结构整体安装在上壳体2内部，上壳体2连接上接头1和中接头9；所述的上接头1具有一个用于连接其它设备的连接孔和一个用于安装密封盖4的装配孔；

所述的液压结构包括碟簧3、密封盖4、射流元件5、液压缸6、活塞杆组合7和缸盖8，密封盖4安装在上接头1的装配孔中，密封盖4和上接头1中间夹有碟簧3，密封盖4的另一端连接射流元件5，射流元件的另一端连接液压缸6，液压缸6内部装有活塞杆组合7，液压缸6和缸盖8连接在一起形成一个闭合的结构，活塞杆组合7穿过缸盖8，活塞杆组合7的末端和冲锤10连接在一起；所述的密封盖4中间具有一个通孔；所述的液压缸6包括一个进液通道和一个出液通道；所述的射流元件5包括控制道、主喷嘴、排空道和输出道，主喷嘴的轴心延长线和密封盖4中间的通孔的轴心延长线重合，排空道和液压缸6的出液通道连接，输出道和液压缸6的进液通道连接，所述的控制道有两条，一条连接主喷嘴和排空道，另一条连接主喷嘴和输出道；

所述的修复工具包括下壳体19、花键套18、下接头17、推块结构和锥体结构；下壳体19套在花键套18的外侧，花键套18的内侧套在下接头17的外侧，下接头17的另一端连接推块结构，推块结构和锥体结构相连接；

所述的推块结构包括主推块16和推块15，主推块16有凹槽的一端和下接头17连接，主推块16的另一端装有推块15；

所述的锥体结构包括锥盖14、锥体13、内锥体12、径向弹簧和外锥体11，锥盖14套在推块结构的推块15上，锥盖14的端面和推块15的端面在同一平面，锥体13安装在锥盖14上，内锥体12整体套在推块结构的主推块16上，内锥体12的一侧和推块结构的推块15连接，内锥体12的另一侧的端面和推块结构的主推块16的端面在同一平面，外锥体11由内锥体12和径向弹簧合力固定在锥体13的几个凹孔处，外锥体11的内表面和内锥体12的外表面相互配合连接；

所述的钻进器的中接头9和修复工具的下壳体19在轴向将两部分连接在一起，钻进器的冲锤10在初始状态下抵在修复工具的下接头17上，钻进器轴向的另一端连接井上控制系统。

本实施例中，整个修复工具的下放和回收主要由井上的控制平台的操作决定。

所述的冲锤10的材料为35CrMo的高强度合金结构钢，这种钢材需要经过调质，调质后钢材的硬度在HRC20和HRC30之间；冲锤10右端开了6个冲锤键槽用来放置水平导向块，6个冲锤键槽以60°环形阵列分布在冲锤10上；所述的水平导向块的数量也为6个，水平导向块的材料为碳纤维增强聚四氟乙烯。

在本实施例中，HRC20和HRC30之间的硬度刚好能满足正常工作的需要；将水平导向块连接在冲锤10上的冲锤键槽时，通常使用粘结的方式连接，粘结过程中使用钠萘溶液、丙酮溶液和环氧树脂进行粘结。

所述的活塞杆组合7的材料为35CrMo的高强度合金结构钢，且活塞杆组合7上开有密封槽，密封槽用以提高活塞杆组合7的寿命和稳定性；活塞杆组合7和冲锤10的连接方式为螺纹连接，使活塞杆组合7在运动时可以连带冲锤10一起运动。

所述的液压缸6的材料为20CrMnTi的高强度合金结构钢。

在本实施例中，20CrMnTi的高强度合金结构钢才满足液压缸6的高温度和高压强的要求。

所述的射流元件5总共有2个，2个射流元件5对向安装形成一个整体；射流元件5可以将通过它内部的高压流体，由射流元件5自身的结构交替输送到液压缸6的进液通道和出液通道，实现液压缸6内活塞杆组合7的往复运动。

在本实施例中，射流元件5是实现整个冲击式钻进器不断进行冲击的关键元件，主要作用就是将通过它的高压液压油通过自身结构交替输送到液压缸6的上下两端，从而实现冲锤10的往复冲击。

所述的碟簧3安装在上接头1和密封盖4内部之前要经过表面处理，磷化处理表面后再加上润滑油。

在本实施例中，磷化处理表面的作用是提高涂装后的碟簧3表面涂层的耐蚀性和耐磨性。

所述外锥体11受到锥体13的约束限制，只能沿着锥体13的径向方向移动；外锥体11在工作时与要修复的套管内径正好重合，以此保证修复效果；外锥体11的数量为8个，锥体13上的凹孔数量也为8个，外锥体11和锥体13上的凹孔呈45°环形阵列分布在圆周范围内。

所述的径向弹簧为高弹性系数的弹簧，径向弹簧的数量为8个，可以保证径向的力的提供。

在本实施例中，高弹性系数的径向弹簧，可以将从推块结构传递过来的驱动力充分转化为弹性势能，从而使外锥体11在径向方向上移动；由于径向弹簧本身可以拉伸和压缩，起到缓冲的作用，能避免在传递力的过程中对内锥体12、外锥体11和锥体13造成损坏。

所述花键套18可以使下壳体19、下接头17和推块结构在安装时对准它们的轴心。

所述推块结构在工作时的驱动力由钻进器的冲锤10冲击下接头17提供，驱动力通过下接头17传递给推块结构再传递给内锥体12。

在本实施例中，修复工具部分通常在接受到来自冲锤10周期性的冲击力后，可以将轴向的冲击力由下接头17转化为驱动力，使一部分驱动力由修复工具的推块结构直接传递给锥体结构进行一个轴向冲击，另一部分驱动力通过锥体结构的内锥体12和外锥体11的相对运动实现外锥体11对套管变形处的径向整形。

在本实施例中，钻进器放弃了传统的液力锚固定整体，在套管变形部位被修复工具修复后可直接由井上控制系统操控冲击式钻进器选择回收修复工具还是下放继续修复其他部位，由此可以实现连续作业。相比之下，传统的液力锚最大的弊端在于液力锚到达支撑的形态之后，需要有外力将其固定，一般是采用销钉的结构，而如果想要解除支撑状态，就需要剪断销钉，但是这样操作之后就无法进行连续的修复作业，这对于钻进器的工作效率影响很大。

优选的，可以在修复工具的下接头17的两端装有橡胶垫圈，避免在传递力的过程中下接头17和推块结构被损坏。

射流元件5的工作原理：高压液压油进入射流元件5的主喷嘴，形成高速的射流，随后射流首先在射流元件5的下侧壁面发生附壁效应，高速射流径直通过流道进入液压缸6无活塞杆组合7的腔室，液压缸6无活塞杆组合7的腔室压力升高，推动活塞杆组合7连带冲锤10向右冲击，产生冲击力传递给套管变形的修复工具，以此让修复工具执行修复工作；当活塞杆组合7到达右侧的极限位置时，活塞杆组合7的速度变为零，就会在液压缸6无活塞杆组合7的腔室产生一个瞬时的压力，这个压力就会通过控制道反馈给主喷嘴的入口处，形成高速射流冲击主射流，发生射流切换；切换后的主射流通过另外一条流道进入液压缸6的有活塞杆组合7的腔室，推动活塞杆组合7连带冲锤10向左运动，直至活塞杆组合7运动到左极限位置，至此单次冲击过程结束，液压缸6在不断进行上述动作的循环下进行连续冲击，低压液压油则是通过射流元件5的排空道流入套管的环空，直至循环到井上控制系统。

钻进器的工作原理：液压油进入射流元件5后，由于液压油的流速很快，会随机附着于射流元件5的一个侧壁，形成附壁效应，液压油进入液压缸6后推动活塞杆组合7，活塞杆组合7再带动冲锤10向一侧运动，在活塞杆组合7到达极限位置之后，液压缸6的缸内流体会瞬间产生一个水击压力，这个压力会反馈给控制道，形成新的高速射流冲击主射流，从而改变主射流的方向，这样活塞杆组合7和冲锤10就会重复和之前相反的动作，进而形成冲锤10的往复冲击。此时冲锤10便会驱动修复工具部分传递冲击力从而开始修复工作。

修复工具的工作原理：修复工具的主推块16在钻进器的冲锤10的作用下，克服径向弹簧的作用力将推块15和内锥体12向下推，外锥体11的内表面和内锥体12外表面是相互配合的，外锥体11由于受到锥体13的约束，只能朝着锥体13的径向方向移动，直到内锥体12移动到最右端，此时的外锥体11也移动到与套管内径正好重合或者略大于内径，只有外锥体11略大于套管内径，对套管的修复效果才会更好，此时将与下壳体19连接的钻进器所提供的轴向冲击力转化为径向和轴向的套管整形力。

装置回收的工作原理：整个装置在受到向上的拉力之后，主推块16、推块15和内锥体12就会向上运动，内锥体12和外锥体11就会分开，外锥体11在径向弹簧的作用下，会回收到13锥体内，修复工具部分就会恢复初始的状态，此时可以由井上控制系统将整个装置回收。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种冲击式变形套管修复工具，其特征在于：包括冲击器和修复工具；

所述的冲击器包括上接头（1）、上壳体（2）、液压结构、中接头（9）和冲锤（10）；上接头（1）和液压结构连接，液压结构的另一端和冲锤（10）连接，冲锤（10）安装在中接头（9）内部，液压结构整体安装在上壳体（2）内部，上壳体（2）连接上接头（1）和中接头（9）；所述的上接头（1）具有一个用于连接其它设备的连接孔和一个用于安装密封盖（4）的装配孔；

所述的液压结构包括碟簧（3）、密封盖（4）、射流元件（5）、液压缸（6）、活塞杆组合（7）和缸盖（8），密封盖（4）安装在上接头（1）的装配孔中，密封盖（4）和上接头（1）中间设有碟簧（3），密封盖（4）的另一端连接射流元件（5），射流元件的另一端连接液压缸（6），液压缸（6）内部装有活塞杆组合（7），液压缸（6）和缸盖（8）连接在一起形成一个闭合的结构，活塞杆组合（7）穿过缸盖（8），活塞杆组合（7）的末端和冲锤（10）连接在一起；所述的密封盖（4）中间具有一个通孔；所述的液压缸（6）包括一个进液通道和一个出液通道；所述的射流元件（5）包括控制道、主喷嘴、排空道和输出道，主喷嘴的轴心延长线和密封盖（4）中间的通孔的轴心延长线重合，排空道和液压缸（6）的出液通道连接，输出道和液压缸（6）的进液通道连接，所述的控制道有两条，一条连接主喷嘴和排空道，另一条连接主喷嘴和输出道；

所述的修复工具包括下壳体（19）、花键套（18）、下接头（17）、推块结构和锥体结构；下壳体（19）套在花键套（18）的外侧，花键套（18）的内侧套在下接头（17）的外侧，下接头（17）的另一端连接推块结构，推块结构和锥体结构相连接；

所述的推块结构包括主推块（16）和推块（15），主推块（16）有凹槽的一端和下接头（17）连接，主推块（16）的另一端装有推块（15）；

所述的锥体结构包括锥盖（14）、锥体（13）、内锥体（12）、径向弹簧和外锥体（11），锥盖（14）套在推块结构的推块（15）上，锥盖（14）的端面和推块（15）的端面在同一平面，锥体（13）安装在锥盖（14）上，内锥体（12）整体套在推块结构的主推块（16）上，内锥体（12）的一侧和推块结构的推块（15）连接，内锥体（12）的另一侧的端面和推块结构的主推块（16）的端面在同一平面，外锥体（11）由内锥体（12）和径向弹簧合力固定在锥体（13）的几个凹孔处，外锥体（11）的内表面和内锥体（12）的外表面相互配合连接；

所述的冲击器的中接头（9）和修复工具的下壳体（19）在轴向将两部分连接在一起，冲击器的冲锤（10）在初始状态下抵在修复工具的下接头（17）上，冲击器轴向的另一端连接井上控制系统。

2.根据权利要求1所述的冲击式变形套管修复工具，其特征在于：所述的冲锤（10）右端开有6个冲锤键槽用来放置水平导向块，6个冲锤键槽以60°环形阵列分布在冲锤（10）上；所述的水平导向块的数量也为6个，水平导向块的材料为碳纤维增强聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的冲击式变形套管修复工具，其特征在于：所述的活塞杆组合（7）的材料为35CrMo的高强度合金结构钢，且活塞杆组合（7）上开有密封槽，密封槽用以提高活塞杆组合（7）的寿命和稳定性；活塞杆组合（7）和冲锤（10）的连接方式为螺纹连接，使活塞杆组合（7）在运动时可以连带冲锤（10）一起运动。

4.根据权利要求1所述的冲击式变形套管修复工具，其特征在于：所述的液压缸（6）的材料为20CrMnTi的高强度合金结构钢。

5.根据权利要求1所述的冲击式变形套管修复工具，其特征在于：所述的射流元件（5）总共有2个，2个射流元件（5）对向安装形成一个整体；射流元件（5）可以将通过它内部的高压流体，由射流元件（5）自身的结构交替输送到液压缸（6）的进液通道和出液通道，实现液压缸（6）内活塞杆组合（7）的往复运动。

6.根据权利要求1所述的冲击式变形套管修复工具，其特征在于：所述的碟簧（3）安装在上接头（1）和密封盖（4）内部之前要经过表面处理，磷化处理表面后再加上润滑油。

7.根据权利要求1所述的冲击式变形套管修复工具，其特征在于：所述外锥体（11）受到锥体（13）的约束限制，只能沿着锥体（13）的径向方向移动；外锥体（11）在工作时与要修复的套管内径正好重合，以此保证修复效果；外锥体（11）的数量为8个，锥体（13）上的凹孔数量也为8个，外锥体（11）和锥体（13）上的凹孔呈45°环形阵列分布在圆周范围内。

8.根据权利要求1所述的冲击式变形套管修复工具，其特征在于：所述的径向弹簧为高弹性系数的弹簧，径向弹簧的数量为8个，可以保证径向力的提供。

9.根据权利要求1所述的冲击式变形套管修复工具，其特征在于：所述花键套（18）可以使下壳体（19）、下接头（17）和推块结构在安装时对准它们的轴心。

10.根据权利要求1所述的冲击式变形套管修复工具，其特征在于：所述推块结构在工作时的驱动力由冲击器的冲锤（10）冲击下接头（17）提供，驱动力通过下接头（17）传递给推块结构再传递给内锥体（12）。