本實用新型涉及石油鉆井完井技術(shù)領(lǐng)域的膨脹管作業(yè)裝置，特別是涉及一種井下套管雙級錐膨脹裝置。

背景技術(shù)：

在老油田開發(fā)過程中，面臨新井難打、老井難修等問題，為了獲得最大的內(nèi)通徑，有時可以采用膨脹套管進行套管補貼和特殊工藝完井等，對諸多套損井進行套管修復(fù)，也可對側(cè)鉆井、加深井等進行完井作業(yè)，同時對鉆井過程中鉆遇漏失層、高壓層、坍塌層等復(fù)雜地層時，采用膨脹套管封堵也是一種非常有效的地層封堵方法。然而，由于地層和井下狀況復(fù)雜多變，時常會發(fā)生膨脹套管在井下膨脹作業(yè)壓力偏高的情況，給膨脹螺紋、地面管線和設(shè)備等承壓工具和設(shè)備增加施工風(fēng)險，甚至造成因膨脹壓力過高而導(dǎo)致套管不能有效膨脹、管體膨脹失敗等作業(yè)風(fēng)險。

目前，常規(guī)膨脹率的膨脹套管在膨脹過程中一般采用一個固定尺寸的膨脹錐完成膨脹套管的井下膨脹作業(yè)，膨脹時遇到膨脹壓力過高時只能通過液壓和機械拉拔相結(jié)合的方式解決，實際上仍不能有效降低套管的膨脹壓力。而另一種膨脹率較大的等井徑膨脹套管則采用可變徑膨脹工具對膨脹套管進行等井徑膨脹，其管體膨脹率更大，主要用于無內(nèi)徑損失的鉆井封堵，如公開號CN104005725A的專利公開了一種膨脹管雙級膨脹裝置，采用的是定徑膨脹頭和變徑膨脹頭的雙級膨脹機構(gòu)，其定徑膨脹頭和變徑膨脹頭是在液壓作用下同時運動，完成套管的等徑膨脹，未能有效降低套管的膨脹力，而且變徑膨脹頭和液缸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不適用于常規(guī)膨脹率的膨脹套管系統(tǒng)。因此，無論使用固定尺寸膨脹錐還是使用變徑膨脹錐，只要套管管體的一次膨脹率恒定，其膨脹壓力就不能有效降低，由膨脹壓力高帶來的高壓施工風(fēng)險就難以有效降低，不利于套管的膨脹施工作業(yè)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有膨脹套管膨脹時所面臨的膨脹壓力過大等難題，解決井下套管膨脹時壓力過高而導(dǎo)致膨脹螺紋易破損、地面管線及施工管柱承壓風(fēng)險等問題，實用新型了一種井下套管雙級錐膨脹裝置，通過雙級膨脹錐機構(gòu)，將膨脹管實現(xiàn)分級膨脹，從而降低套管井下膨脹壓力，降低施工風(fēng)險。

本實用新型的井下套管雙級錐膨脹裝置，包括一級膨脹錐2、二級膨脹錐3、中心管28、連接外管7、限位機構(gòu)8和頂部擋塊9，其中：中心管為兩段組成的空心結(jié)構(gòu)，上段為連接內(nèi)管6，下段為雙層內(nèi)管5，雙層內(nèi)管5下端固定連接有花鍵軸4，雙層內(nèi)管5設(shè)有軸向流道，在雙層內(nèi)管5外管壁上下端部分別設(shè)有上進液孔15和下進液孔16，上進液孔15和下進液孔16與軸向流道貫通；在連接內(nèi)管6和雙層內(nèi)管5連接段固定安裝有一限位機構(gòu)8，限位機構(gòu)8內(nèi)設(shè)有進液通道26，在連接內(nèi)管6底部設(shè)有頂部進液孔14，頂部進液孔14 與進液通道26、上進液孔15、軸向流道、下進液孔16貫通；一級膨脹錐2的最大外徑小于二級膨脹錐3的最大外徑；一級膨脹錐2和二級膨脹錐3上下依次套裝在花鍵軸4上部的雙層內(nèi)管5外，一級膨脹錐2與雙層內(nèi)管5 構(gòu)成軸向滑動密封配合；一級膨脹錐2上部與連接外管7相連，連接外管7與中心管28間隔配合，在連接外管7頂部通過頂部擋塊9與連接內(nèi)管6構(gòu)成軸向滑動密封配合；限位機構(gòu)8位于連接外管7和中心管28環(huán)空內(nèi)；連接外管7上下端部分別設(shè)有上排液孔17和下排液孔18；雙層內(nèi)管5的下進液孔16位于一級膨脹錐2與二級膨脹錐3對合部之間；一級膨脹錐2、連接外管7和頂部擋塊9構(gòu)成聯(lián)動，花鍵軸4、二級膨脹錐3、雙層內(nèi)管5和連接內(nèi)管6構(gòu)成聯(lián)動。

本實用新型的井下套管雙級錐膨脹裝置還包括密封堵頭19，密封堵頭19通過花鍵槽與花鍵軸4配合。

上述裝置中進一步包括：

所述密封堵頭19設(shè)有軸向通道，通道口設(shè)有密封球座，密封球20外徑小于中心管28內(nèi)徑且大于通道口內(nèi)徑。

雙層內(nèi)管5 的軸向流道由中心里管12和中心外管13組成兩端封閉的內(nèi)環(huán)空結(jié)構(gòu)。

連接外管7與中心管28的環(huán)空內(nèi)分別套裝有上圓環(huán)組件10和下圓環(huán)組件11，上圓環(huán)組件10和下圓環(huán)組件11分別設(shè)在限位機構(gòu)8上、下環(huán)空內(nèi)。

本實用新型的優(yōu)點在于：通過一級膨脹錐和二級膨脹錐使套管發(fā)生雙級膨脹，減少套管單級膨脹率，從而有效降低套管膨脹壓力；通過重復(fù)多次膨脹行程，完成全井段套管的分級膨脹，解決井下套管膨脹時壓力過高而導(dǎo)致膨脹螺紋易破損、地面管線及施工管柱承壓風(fēng)險等問題，從而降低套管井下膨脹壓力，降低施工風(fēng)險。

附圖說明

圖1為井下套管雙級錐膨脹裝置局部放大示意圖

圖2為初始膨脹前的井下套管雙級錐膨脹裝置示意圖

圖3為井下套管雙級錐膨脹裝置一級膨脹示意圖

圖4為井下套管雙級錐膨脹裝置二級膨脹示意圖

圖5為井下套管雙級錐膨脹裝置雙級膨脹后示意圖

圖中：1.膨脹套管，2.一級膨脹錐，3、二級膨脹錐，4.花鍵軸，5.雙層內(nèi)管， 6.連接內(nèi)管，7.連接外管，8.限位機構(gòu)，9.頂部擋塊，10.上圓環(huán)組件，11.下圓環(huán)組件，12.中心里管，13.中心外管，14.頂部進液孔，15.上進液孔，16.下進液孔，17.上排液孔，18.下排液孔，19.密封堵頭，20.密封球，21.膨脹啟動器，22.一級膨脹錐面，23.二級膨脹錐面，24.一級膨脹腔，25.二級膨脹腔，26.進液通道，27.密封組件，28.中心管。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合說明書附圖對實用新型作進一步的描述。

圖1示意性地顯示了根據(jù)本實用新型的井下套管雙級錐膨脹裝置的一個實施例結(jié)構(gòu)。包括膨脹套管1、一級膨脹錐2、二級膨脹錐3、中心管28、連接外管7、限位機構(gòu)8和頂部擋塊9等部件。

中心管28包括花鍵軸4、雙層內(nèi)管5、連接內(nèi)管6等部件，花鍵軸4、雙層內(nèi)管5和連接內(nèi)管6依次連接組成，在連接內(nèi)管6和雙層內(nèi)管5連接處安裝有一的限位機構(gòu)8。一級膨脹錐2和二級膨脹錐3安裝在花鍵軸4和雙層內(nèi)管5上，一級膨脹錐2上部與連接外管7相連，連接外管7上部與頂部擋塊9固定連接，頂部擋塊9位于連接外管7和連接內(nèi)管6之間，限位機構(gòu)8位于連接外管7和中心管28環(huán)空內(nèi)。一級膨脹錐2、連接外管7和頂部擋塊9在液壓作用下可一同運動，二級膨脹錐3、花鍵軸4、雙層內(nèi)管5和連接內(nèi)管6在液壓作用下也可一同運動。

如圖1～圖5所示，膨脹套管1底部為一雙級喇叭口狀的膨脹啟動器21，上部為未膨脹的膨脹套管1，膨脹啟動器21預(yù)先已實現(xiàn)雙級膨脹，其雙級膨脹外徑均大于膨脹前的膨脹套管1外徑，用于預(yù)置不同尺寸的一級膨脹錐2和二級膨脹錐3，膨脹啟動器21底部安裝有密封堵頭19，密封堵頭19通過內(nèi)部花鍵槽與中心管28上的花鍵軸4配合。一級膨脹錐2和二級膨脹錐3均預(yù)置于膨脹啟動器21內(nèi)部，一級膨脹錐2位于上部，其膨脹錐面與膨脹套管1的一級膨脹錐面22配合，二級膨脹錐3位于一級膨脹錐2下部，整個膨脹管柱重量作用于一級膨脹錐面22和二級膨脹錐面23，依靠雙級膨脹錐面實現(xiàn)膨脹管柱的支撐和下入。

如圖1～圖5所示，所述的井下套管雙級錐膨脹裝置，其雙層內(nèi)管5包括中心里管12和中心外管13構(gòu)成，在限位機構(gòu)8內(nèi)設(shè)有進液通道26，加工在連接內(nèi)管6下部的頂部進液孔14和加工在中心外管13上部的上進液孔15均位于限位機構(gòu)8內(nèi)，且與進液通道26連通，加工在中心外管13下部的下進液孔16位于一級膨脹錐2和二級膨脹錐3之間，液體可以在頂部進液孔14、限位機構(gòu)8內(nèi)進液通道26、上進液孔15和下進液孔16之間形成液流通道，進入一級膨脹腔24。

如圖1～圖5所示，所述的井下套管雙級錐膨脹裝置，其連接外管7上部和下部加工有上排液孔17和下排液孔18，在連接內(nèi)管6和連接外管7環(huán)空安裝有上圓環(huán)組件10，上圓環(huán)組件10位于頂部擋塊9和限位機構(gòu)8之間，上圓環(huán)組件10可沿連接內(nèi)管6運動，在連接外管7和中心外管13環(huán)空同樣安裝有下圓環(huán)組件11，下圓環(huán)組件11可沿雙層內(nèi)管5運動。上圓環(huán)組件10和下圓環(huán)組件11可以在中心管28和連接外管7環(huán)空活動，隨著中心管28聚攏或散開，數(shù)量可為3～8個，用于膨脹時輔助限位機構(gòu)8進行限位，也可以改為若干球體結(jié)構(gòu)。

如圖1～圖5所示的井下套管雙級錐膨脹裝置，當(dāng)膨脹套管1發(fā)生一級膨脹時，一級膨脹錐2連同連接外管7、頂部擋塊9沿中心管28共同上行，下圓環(huán)組件11聚攏至限位機構(gòu)8處形成一級限位，連接外管7和雙層內(nèi)管5環(huán)空的液體經(jīng)下排液孔18排出；當(dāng)其發(fā)生二級膨脹時，二級膨脹錐3、中心管28、限位機構(gòu)8相對一級膨脹錐2上行，一級膨脹腔24內(nèi)的液體反向排出，上圓環(huán)組件10聚攏至頂部擋塊9處發(fā)生二級限位，連接外管7和連接內(nèi)管6間的液體經(jīng)上排液孔17排出。

如圖1～圖5所示，所述的井下套管雙級錐膨脹裝置，其頂部擋塊9與連接外管7、連接內(nèi)管6間均安裝有密封組件27，一級膨脹錐2和二級膨脹錐3與連接外管7間也安裝有密封組件27。

應(yīng)用本實用新型裝置實現(xiàn)膨脹套管的作業(yè)方法，包括以下步驟：

步驟一：裝置組裝。首先根據(jù)一級膨脹錐、二級膨脹錐的規(guī)格尺寸在膨脹套管末端加工出與一級膨脹錐、二級膨脹錐配套的膨脹啟動器，將井下套管雙級錐膨脹裝置沿膨脹啟動器插入膨脹套管內(nèi)，最后用密封堵頭與膨脹啟動器下端固定連接。如圖1所示。

步驟二、裝置下入。如圖2所示，井眼通井后，采用油管或鉆桿伴送，將井下套管雙級錐膨脹裝置下至預(yù)定位置，循環(huán)，根據(jù)井況和設(shè)計要求，可先進行固井作業(yè)。

步驟三、投密封球20或膠塞至密封堵頭19處，起壓，液體從中心管28內(nèi)通過頂部進液孔14、限位機構(gòu)8的進液通道26、上進液孔15和下進液孔16，進入一級膨脹腔24。

步驟四、一級膨脹。如圖3所示，待液體到達一級膨脹腔24后，一級膨脹錐2在液壓作用下，沿中心管28先行向上運動，帶動連接外管7和頂部擋塊9一同上行，使膨脹套管1發(fā)生一級膨脹。由于一級膨脹錐2位于二級膨脹錐3上部，而且膨脹套管1發(fā)生一級膨脹的壓力小于其發(fā)生二級膨脹的壓力，因此，在液壓作業(yè)下，膨脹套管1發(fā)生一級膨脹先于二級膨脹。

步驟五、一級限位。在膨脹套管1發(fā)生一級膨脹時，下圓環(huán)組件11也隨之上行聚攏，而中心管28和二級膨脹錐3與膨脹套管1之間無相對位移，待一級膨脹錐2上行，并將下圓環(huán)組件11排列壓縮至限位機構(gòu)8處時，實現(xiàn)一級膨脹限位，一級膨脹錐2不能繼續(xù)上行，膨脹套管1完成一級膨脹，見圖3。

步驟六、二級膨脹。如圖4所示，待膨脹套管1完成一級膨脹后，二級膨脹腔25內(nèi)的高壓液體推動二級膨脹錐3運動，連同花鍵軸4、雙層內(nèi)管5、連接內(nèi)管6和限位機構(gòu)8上行，使膨脹套管1發(fā)生二級膨脹；而此時，一級膨脹錐2相對膨脹套管1未發(fā)生相對運動，上圓環(huán)組件10上行向頂部擋塊9靠攏，下圓環(huán)組件11逐步散開。

步驟七、二級限位。結(jié)束一個膨脹行程。如圖5所示，待上圓環(huán)組件10上行至頂部擋塊9時，上圓環(huán)組件10限位于頂部擋塊9和限位機構(gòu)8之間，形成二級限位，一級膨脹錐2和二級膨脹錐3達到初始狀態(tài)位置，膨脹套管1完成二級膨脹，結(jié)束一個膨脹套管1雙級膨脹行程。

步驟八、重復(fù)步驟四～步驟七，重復(fù)雙級膨脹行程，分雙級完成膨脹套管1的液壓膨脹，直至膨脹套管1全部完成膨脹。

如圖1～圖5所示，在一個實施例中，所述的井下套管雙級錐膨脹裝置，根據(jù)有限元模擬分析結(jié)果，以Φ193.7mm膨脹套管為例，當(dāng)其膨脹率為16%時，雙級錐膨脹力較單級膨脹力降低約45%；Φ139.7mm膨脹套管膨脹率為27%時，則雙級膨脹力較單級膨脹力降低約48%，能有效降低膨脹力，具有將膨脹套管1膨脹至更大的可能。

本實用新型可用于膨脹套管補貼修井、完井和鉆井封堵等領(lǐng)域的膨脹套管作業(yè)中，通過一級膨脹錐和二級膨脹錐使膨脹套管發(fā)生雙級膨脹，減少膨脹套管單級膨脹率，從而有效降低膨脹套管膨脹壓力；通過重復(fù)多次膨脹行程，完成全井段膨脹套管的分級膨脹，從而降低膨脹套管井下膨脹壓力，降低施工風(fēng)險。