CN104213861B - 一种膨胀管膨胀工艺方法及工具*** - Google Patents

Abstract

一种膨胀管膨胀工艺方法及工具***，属于石油天然气行业中钻完井技术领域。包括提升短节、中心杆总成、连接杆总成、膨胀管总成、连接短节、膨胀锥总成、组合液缸、水力锚、丝堵；提升短节上部有螺纹，与钻杆连接，能将新型膨胀工具串下放到预定位置；提升短节下端与中心杆总成连接，中心杆总成由三根相同的中心杆通过螺纹连接组成，每根中心杆上隔一段距离有一组可以伸缩的挡块，压缩后预置在膨胀管内，当中心杆上提时，挡块露出膨胀管时会自动弹出，当中心杆移动至挡块会固定在膨胀管端部；挡块通过弹簧机构实现伸缩，共4组，均匀分布在中心杆圆周上。本发明降低钻井和完井成本，具有非常广泛的应用前景。

Description

一种膨胀管膨胀工艺方法及工具***

技术领域

本发明涉及一种膨胀管膨胀工艺方法及工具***，属于石油天然气行业中钻完井技术领域。

背景技术

膨胀管技术(Expandable Tubular Technology)是上世纪九十年代产生并发展起来的一项新技术，可应用于钻井、完井、采油、修井等作业过程，被誉为可带来变革性发展的新技术。所谓膨胀管是指用特殊材料制成的金属圆管，其原始状态具有较好的延展性，在膨胀力的作用下，通过膨胀锥的挤压作用，其内径和外径均得到膨胀并发生永久塑性变形，膨胀率可达到15～60％。膨胀管技术通过对膨胀管实施胀管作业，改变膨胀管材料的晶体组织结构和机械性能，使其强度指标得到提高，而塑性指标下降。膨胀管技术通过选择或调整膨胀管材料、控制膨胀率等技术手段，可使膨胀管获得与特定钢级套管相当的机械性能指标，从而满足石油工程的使用要求。

膨胀管技术一般可用来解决复杂地层引起的各种问题，如封堵严重漏失地层，解决井眼垮塌问题等，也可以用于套管的补贴与修复、尾管悬挂、老井加深、分支井、水平井等。根据膨胀管技术的用途对其进行分类，可分为套管补贴***、裸眼***、膨胀尾管悬挂***及等直径钻完井***等几大技术体系。

目前，国内常规膨胀管膨胀工艺采用液体打压膨胀的方式，即膨胀工具串放置于预置的打压腔内，然后一起下放到施工井段，打入高压液体，高压液体推动膨胀锥移动，实现膨胀作业。存在以下不足：膨胀管壁厚太薄时(小于7mm)，无法做螺纹连接，压力腔难以实现。受打压腔尺寸的限制，不能得到最大通径。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种膨胀管膨胀工艺方法及工具***。

本发明的目的是为石油钻井提供一种膨胀工具***，满足膨胀管修复套管、封堵复杂地层等施工作业中的要求。

一种膨胀工具***，利用液压力推动液压缸带动膨胀锥胀开膨胀管，使膨胀管与套管内壁、或者裸眼地层紧密贴合，实现修复套管，封堵地层的目的。

一种膨胀工具***，包括提升短节、中心杆总成、连接杆总成、膨胀管总成、连接短节、膨胀锥总成、组合液缸、水力锚、丝堵。

提升短节上部有螺纹，与钻杆连接，能将新型膨胀工具串下放到预定位置。其特征在于：提升短节下端与中心杆总成连接，中心杆总成由三根相同的中心杆通过螺纹连接组成，每根中心杆上隔一段距离有一组可以伸缩的挡块，压缩后预置在膨胀管内，当中心杆上提时，挡块露出膨胀管时会自动弹出，当中心杆移动至挡块会固定在膨胀管端部。挡块通过弹簧机构实现伸缩，共4组，均匀分布在中心杆圆周上。中心杆下端通过螺纹与连接杆总成连接，连接杆总成由上连接杆、防尘环、卡簧和密封圈组成。

上连接杆下端通过卡簧与组合液缸的一级活塞杆连接。一级活塞杆上套有密封套，密封套内表面与活塞杆密封，外表面与液缸壳体密封。一级活塞杆与二级活塞杆通过活塞头连接。活塞头上部开有泄流孔，用于液体流出，推动活塞杆移动。活塞头外表面开有密封槽，密封槽内安装有密封圈，用于与液缸壳体的密封。组合液缸二级活塞杆下端与下接杆通过螺纹连接。下接杆结构与活塞头相似，其上开有泄流孔，用于液体流出，推动活塞杆移动。下接杆下端通过螺纹与水力锚连接，水力锚下端为丝堵，用于液体密封。

膨胀锥安装在连接压紧套与液缸上接头的台阶下端，而液缸上接头与液缸壳体通过螺纹连接，于是膨胀锥与液缸壳体连接，且上端通过连接压紧套与膨胀管连接短节通过一种负角偏梯左旋螺纹连接。膨胀锥位于膨胀管最下端，其最大外径大于膨胀管的最大外径。膨胀锥采用一种合金钢加工制造，具有较高的表面硬度。

膨胀管最下端通过螺纹接有膨胀管连接短节，膨胀管连接短节下端内表面车有负角偏梯左旋螺纹，与连接压紧套连接。该负角螺纹既其连接作用，又能在膨胀锥向上移动时直接脱扣。膨胀管外表面每隔一定距离硫化有橡胶套，橡胶套可以使膨胀管对裸眼井壁的适应性更好，增强膨胀管对补贴井壁的贴合性。

液缸壳体与膨胀锥总成安装在膨胀管下端，二者构成了新型膨胀管膨胀工具***的膨胀工具串，通过液压力推动膨胀锥实现膨胀管膨胀作业。

一种膨胀管膨胀工艺方法，含有以下步骤；可用钻杆与提升短节连接将整套工具***下入井中预定井段处。连接好地面的高压泵和高压管线后可进行打压胀管作业。打压之前首先上提管柱，当提到中心杆上一个挡块的行程时，开始打压，高压液体通过一级活塞杆上的泄流孔进入到缸体和一级活塞杆之间的空间，同时高压液体通过二级活塞杆上的泄流孔进入到液压缸密封套和二级活塞杆之间的空间，高压液体推动活塞杆具有向下运动的趋势，而中心杆上的弹出的挡块固定在膨胀管端部，阻止了活塞杆向下运动，根据液压缸相对运动原理，液缸壳体只能向上运动。

当注入的高压液体的压力达到设计的膨胀压力时，液缸壳体与膨胀锥总成将向上运动，首先膨胀锥前端的左旋负角螺纹扣被脱开，膨胀锥继续向上运动，将膨胀管膨胀至设计尺寸并贴合在套管壁上。

持续地注入高压液体，液缸壳体与膨胀锥总成可将膨胀管膨胀一定的距离，该距离等于活塞杆在液压缸缸体中的行程。当液缸壳体与膨胀锥总成运动到满行程位置时，高压液体可以从一级液压缸缸体上的泄流孔流出液压缸壳体，此时该工具***无法维持高压，膨胀工具串完成了一个膨胀行程，停泵泄压。

继续上提管柱，露出下一组挡块，继续进行打压。该膨胀工具串的设计采用了多级缸的结构，可以减小胀管施工作业时的膨胀压力，且可以根据实际使用情况方便地更改多级缸的级数和尺寸从而合理的配置膨胀压力。

针对不同的井况，可能需要在某些井段应用较长的膨胀管，因此需要新型膨胀管工具***可以进行多个膨胀行程的胀管作业。当中心杆上所有挡块被提出，此时，膨胀管已有一部分被胀大紧贴在眼井壁上保持静止，继续上体中心管柱，水力锚进入到膨胀管内，当注入高压液体时，水力锚在高压液体作用下张开固定在膨胀管内壁，实现中心杆固定，此时，开泵继续进行打压胀管作业，即可完成下一个膨胀行程。如此反复多次可将膨胀管全部膨胀完成。

发明效果：

本发明提供了一种新型膨胀管膨胀工艺及工具，该工艺施工操作简单，安全可靠，能够完成膨胀管在套管内及裸眼***中的施工作业。应用该工艺进行施工作业后，既能达到处理井下复杂情况的目的，又可保证后续钻井过程的正常进行，因此能够有效处理钻井风险和事故，提高钻井过程的安全可靠性及钻井速度；并且减少原材料使用，得到最大通径，从而降低钻井和完井成本，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1是本发明实施例中以”套管为例，套管破裂或者变形后，补贴140×6mm的膨胀管，套管壁厚为8.94mm。

图2是本发明工具***的结构原理图。图中，1为提升短节，2为膨胀管，3为中心杆，4为挡块，5为上连接杆，6为防尘环，7为卡簧，8为下连接杆，9为一级活塞杆，10为膨胀管连接短节，11为连接压紧套，12为膨胀锥，13为液缸上接头，14为一级液缸，15为活塞头，16为二级活塞杆，17为二级液缸，18为下接杆，19为水力锚，20为丝堵。

图2显示的是一个膨胀行程胀管作业即将开始时，新型膨胀工具***各元件所处位置局部示意图。

图3显示的是一个膨胀行程胀管作业即将开始时，新型膨胀工具***各元件所处位置局部示意图。

图4显示的是一个膨胀行程胀管作业即将开始时，新型膨胀工具***各元件所处位置局部示意图。

图5显示的是一个膨胀行程胀管作业即将开始时，新型膨胀工具***各元件所处位置局部示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种膨胀工具***，膨胀管外表面每隔一定距离硫化橡胶套和台阶，橡胶套可以使膨胀管对裸眼井壁的适应性更好，增强膨胀管对裸眼井壁的贴合性，台阶可以增强膨胀管的贴合和悬挂能力。

膨胀管总成中膨胀连接短节位于膨胀管最下端，通过普通螺纹口与膨胀管连接，另一端车有负角偏梯左旋螺纹扣与连接压紧套连接，膨胀锥膨胀后可以脱扣。

中心杆总成是由三根相同的中心杆、挡块和弹簧组成。每根中心杆上有三组挡块，每组沿圆周方向分布四个挡块，挡块在弹簧作用下可以自动伸缩。

液压缸缸体总成是由一级活塞杆、活塞头、二级活塞杆、下接杆、液缸壳体、液缸上接头组成；

钻杆通过提升短节与中心杆连接，中心杆与上连接杆通过螺纹连接，上连接杆与下连接杆通过卡簧连接，下连接杆通过螺纹与一级活塞杆连接；一级活塞杆通过活塞头与二级活塞杆连接，二级活塞杆通过下接杆与水力锚连接。液缸壳体通过液缸上接头与膨胀锥连接。

上连接杆上端通过螺纹连接中心杆，下端通过卡簧连接下连接杆，上连接杆上套有防尘环，下端外表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈。

液压缸缸体总成中的一级液压缸和二级液压缸的缸体适当位置处开有排气孔和泄流孔。

液压缸缸体总成中的密封套外表面与内表面开有密封槽，密封槽内安装有密封圈。

液压缸缸体总成中活塞头上开有泄流孔，内表面和外表面开有密封槽，密封槽内装有密封圈。

液压缸缸体总成中下接杆上开有泄流孔，外面开有密封槽，密封槽内装有密封圈。

液压缸缸体总成一级活塞杆与二级活塞通过活塞头连接，二级活塞杆与下接杆通过螺纹连接。

液压缸与膨胀锥总成中，膨胀锥套在连接压紧套与液缸上接头的台肩下端；连接压紧套通过负角偏梯左旋螺纹与膨胀管连接；液缸上接头通过螺纹与一级液压缸连接；膨胀锥的最大外径略小于膨胀管的最大外径。

水力锚总成通过下接杆与活塞杆连接，从而实现与中心杆的连接。

以在壁厚为8.94mm的”套管中补贴140×6mm膨胀管为例(如图1所示)，说明该工具***如何使用。

施工时，可用钻杆接入提升短节1把整套工具***下入到预定井段。连接好地面的高压泵和高压管线后可注入清水进行打压胀管作业。打压前，首先上体中心管一个行程，保证挡块露出膨胀管端部，然后开泵打压，清水通过活塞头15上的泄流孔31进入液缸壳体14和一级活塞杆9之间的空间，同时清水通过下接杆17上的泄流孔32进入二级活塞杆16和液缸壳体14之间的空间，从而推动二级活塞杆16和下接杆17具有向下运动的趋势，中心杆3通过上接杆5和下接杆8与活塞杆连接。而中心杆3上的挡块4弹出后卡在膨胀管端部，阻止了这种向下运动的趋势，根据液压缸相对运动原理，液缸壳体14带动液缸上接头13和膨胀锥12具有向上运动的趋势，当注入的清水的压力达到16MPa时，液缸壳体与膨胀锥总成将向上运动，从而使外径为138mm的膨胀锥12将膨胀管2膨胀至

150mm并贴合在”套管套管壁上，如图1所示。该膨胀工具串的设计采用两级缸的结构，使膨胀压力为16MPa。

持续地注入清水，并保持16MPa，液缸壳体与膨胀锥总成可将膨胀管2膨胀一定的距离，该距离等于活塞杆在液压缸缸体中的行程。当活塞杆与膨胀锥总成运动到图4所示的位置时，高压清水可以从液缸壳体14上的泄流孔33和泄流孔34流出缸体，此时工具***无法维持高压，膨胀工具串完成了一个膨胀行程，停泵泄压。

该工具***可以进行多个膨胀行程的胀管作业。当一个膨胀行程的胀管作业结束时，膨胀管2已有一部分被胀大紧贴在裸眼井壁上保持静止。此时，上提中心杆一定距离，直到下一组挡块露出膨胀管端部，继续进行下一个膨胀行程。当中心杆上的9组挡块全部被提出时，此时上提管柱时水力锚18会进入到已经胀大的膨胀管内，开泵继续注入高压清水，水力锚18会在压力作用下会张开固定在膨胀管内，活塞杆的运动趋势被阻止，液缸壳体继续带动膨胀锥运动，完成膨胀作业。如此反复多次可将膨胀管2全部膨胀完成。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种膨胀工具***，其特征在于包括提升短节、中心杆总成、连接杆总成、膨胀管总成、连接短节、膨胀锥总成、组合液缸、水力锚、丝堵；

提升短节上部有螺纹，与钻杆连接，能将新型膨胀工具串下放到预定位置；提升短节下端与中心杆总成连接，中心杆总成由三根相同的中心杆通过螺纹连接组成，每根中心杆上隔一段距离有一组可以伸缩的挡块，压缩后预置在膨胀管内，当中心杆上提时，挡块露出膨胀管时会自动弹出，当中心杆上的挡块弹出后卡在膨胀管端部；挡块通过弹簧机构实现伸缩，共四组，均匀分布在中心杆圆周上；中心杆下端通过螺纹与连接杆总成连接，连接杆总成由上连接杆、下连接杆、防尘环、卡簧和密封圈组成；

上连接杆下端通过卡簧与下连接杆连接，下连接杆通过螺纹与组合液缸的一级活塞杆连接；一级活塞杆上套有密封套，密封套内表面与活塞杆密封，外表面与液缸壳体密封；一级活塞杆与二级活塞杆通过活塞头连接；活塞头上部开有泄流孔，用于液体流出，推动活塞杆移动；活塞头外表面开有密封槽，密封槽内安装有密封圈，用于与液缸壳体的密封；组合液缸二级活塞杆下端与下接杆通过螺纹连接；下接杆结构与活塞头相似，其上开有泄流孔，用于液体流出，推动活塞杆移动；下接杆下端通过螺纹与水力锚连接，水力锚下端为丝堵，用于液体密封；

膨胀锥安装在连接压紧套与液缸上接头的台阶下端，而液缸上接头与液缸壳体通过螺纹连接，于是膨胀锥与液缸壳体连接，且上端通过连接压紧套与膨胀管连接短节通过一种负角偏梯左旋螺纹连接；膨胀锥位于膨胀管最下端，其最大外径大于膨胀管的最大外径；膨胀锥采用一种合金钢加工制造，具有较高的表面硬度；

膨胀管最下端通过螺纹接有膨胀管连接短节，膨胀管连接短节下端内表面车有负角偏梯左旋螺纹，与连接压紧套连接；该负角螺纹既有连接作用，又能在膨胀锥向上移动时直接脱扣；膨胀管外表面每隔一定距离硫化有橡胶套，橡胶套可以使膨胀管对裸眼井壁的适应性更好，增强膨胀管对补贴井壁的贴合性；

液缸壳体与膨胀锥总成安装在膨胀管下端，二者构成了新型膨胀管膨胀工具***的膨胀工具串，通过液压力推动膨胀锥实现膨胀管膨胀作业。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀工具***，其特征在于膨胀管外表面每隔一定距离硫化台阶，台阶可以增强膨胀管的贴合和悬挂能力；膨胀管总成中膨胀连接短节位于膨胀管最下端，通过普通螺纹口与膨胀管连接，另一端车有负角偏梯左旋螺纹扣与连接压紧套连接，膨胀锥膨胀后可以脱扣。

3.根据权利要求1所述的一种膨胀工具***，其特征在于：中心杆总成是由三根相同的中心杆、挡块和弹簧组成；每根中心杆上有三组挡块，每组沿圆周方向分布四个挡块，挡块在弹簧作用下可以自动伸缩。

4.根据权利要求1所述的一种膨胀工具***，其特征在于液压缸缸体总成是由一级活塞杆、活塞头、二级活塞杆、下接杆、液缸壳体、液缸上接头组成；

钻杆通过提升短节与中心杆连接，中心杆与上连接杆通过螺纹连接，上连接杆与下连接杆通过卡簧连接，下连接杆通过螺纹与一级活塞杆连接；一级活塞杆通过活塞头与二级活塞杆连接，二级活塞杆通过下接杆与水力锚连接；液缸壳体通过液缸上接头与膨胀锥连接。

5.根据权利要求1所述的一种膨胀工具***，其特征在于：上连接杆上端通过螺纹连接中心杆，下端通过卡簧连接下连接杆，上连接杆上套有防尘环，下端外表面有密封槽，密封槽内安装有密封圈；

液压缸缸体总成中的一级液压缸和二级液压缸的缸体适当位置处开有排气孔和泄流孔。

6.根据权利要求1所述的一种膨胀工具***，其特征在于液压缸缸体总成中的密封套外表面与内表面开有密封槽，密封槽内安装有密封圈；

液压缸缸体总成中活塞头上开有泄流孔，内表面和外表面开有密封槽，密封槽内装有密封圈。

7.根据权利要求1所述的一种膨胀工具***，其特征在于液压缸缸体总成中下接杆上开有泄流孔，外面开有密封槽，密封槽内装有密封圈。

8.根据权利要求1所述的一种膨胀工具***，其特征在于液缸上接头通过螺纹与一级液压缸连接。

9.根据权利要求1所述的一种膨胀工具***，其特征在于水力锚总成通过下接杆与活塞杆连接，从而实现与中心杆的连接。

10.一种膨胀管膨胀工艺方法，含有以下步骤；用钻杆与提升短节连接将整套工具***下入井中预定井段处；连接好地面的高压泵和高压管线后可进行打压胀管作业；打压之前首先上提管柱，当提到中心杆上一个挡块的行程时，开始打压，高压液体通过一级活塞杆上的泄流孔进入到缸体和一级活塞杆之间的空间，同时高压液体通过二级活塞杆上的泄流孔进入到液压缸密封套和二级活塞杆之间的空间，高压液体推动活塞杆具有向下运动的趋势，而中心杆上的弹出的挡块固定在膨胀管端部，阻止了活塞杆向下运动，根据液压缸相对运动原理，液缸壳体只能向上运动；

当注入的高压液体的压力达到设计的膨胀压力时，液缸壳体与膨胀锥总成将向上运动，首先膨胀锥前端的左旋负角螺纹扣被脱开，膨胀锥继续向上运动，将膨胀管膨胀至设计尺寸并贴合在套管壁上；

持续地注入高压液体，液缸壳体与膨胀锥总成可将膨胀管膨胀一定的距离，该距离等于活塞杆在液压缸缸体中的行程；当液缸壳体与膨胀锥总成运动到满行程位置时，高压液体可以从一级液压缸缸体上的泄流孔流出液压缸壳体，此时该工具***无法维持高压，膨胀工具串完成了一个膨胀行程，停泵泄压；

继续上提管柱，露出下一组挡块，继续进行打压；该膨胀工具串的设计采用了多级缸的结构，可以减小胀管施工作业时的膨胀压力，且可以根据实际使用情况方便地更改多级缸的级数和尺寸从而合理的配置膨胀压力；

针对不同的井况，可能需要在某些井段应用较长的膨胀管，因此需要新型膨胀管工具***可以进行多个膨胀行程的胀管作业；当中心杆上所有挡块被提出，此时，膨胀管已有一部分被胀大紧贴在眼井壁上保持静止，继续上体中心管柱，水力锚进入到膨胀管内，当注入高压液体时，水力锚在高压液体作用下张开固定在膨胀管内壁，实现中心杆固定，此时，开泵继续进行打压胀管作业，即可完成下一个膨胀行程；如此反复多次可将膨胀管全部膨胀完成。