一种膨胀管式尾管悬挂器.pdf

膨胀管式尾管悬挂器，应用于石油钻井完井尾管悬挂施工。主要由送入接头、中心管、螺帽、浮阀、丢手筒、膨胀管、回接筒、膨胀锥、浮阀关闭套、钻杆胶塞和丢手顶套组成。送入接头下部内螺纹连接中心管。丢手筒下端采用花键连接花键套上端。花键套下端螺纹连接膨胀管。膨胀管外壁上有环形凸台。在膨胀管的下端连接回接筒上端。在回接筒内并且在中心管的下端连接有膨胀装置组件。在尾管胶塞挂座与螺帽的外壁上套有浮阀关闭套。浮阀关闭套连接膨胀锥。在浮阀关闭套与螺帽之间通过销钉连接。膨胀管外壁有金属凸台，通过金属凸台和外层套管的过盈配合完成悬挂和坐封，不像常规尾管悬挂器受重力和卡瓦偏心影响。

1、  一种膨胀管式尾管悬挂器，主要由送入接头(1)、中心管(2)、螺帽(3)、浮阀装配体(4)、尾管胶塞挂座(5)、尾管胶塞(6)、丢手筒(7)、花键套(8)、键(9)、剪销钉(10)、膨胀管(11)、回接筒(12)、膨胀锥(13)、浮阀关闭套(14)、销钉(15)、剪钉(16)、钻杆胶塞(17)和丢手顶套(18)组成，送入接头(1)有中心孔，送入接头(1)上部有内螺纹，其特征是：送入接头(1)下部有外螺纹，送入接头(1)下部外螺纹连接丢手筒(7)，送入接头(1)下部内螺纹连接中心管(2)上端；
丢手筒(7)为圆筒状，丢手筒(7)下端外壁有花键，花键套(8)上端内壁有花键，丢手筒(7)下端采用花键连接花键套(8)上端，丢手筒7下端外壁与花键套8上端通过花键嵌合连接，花键套(8)为圆筒状，花键套(8)下端有螺纹，花键套(8)下端螺纹连接膨胀管(11)的上端；
在丢手筒(7)的内壁上有一个圆环柱形丢手顶套(18)，丢手顶套(18)与丢手筒(7)之间采用剪销钉(10)固定，在丢手筒(7)和花键套(8)之间通过键(9)固定，丢手顶套18的外壁顶住键9；
膨胀管11为圆筒状，膨胀管11上端和下端有连接螺纹，膨胀管(11)外壁上有环形凸台，在膨胀管(11)的下端螺纹连接回接筒(12)上端，回接筒(12)为阶梯形圆筒状；
在回接筒(12)内并且在中心管(2)的下端连接有膨胀装置组件，膨胀装置组件包括膨胀锥(13)、浮阀关闭套(14)、螺帽(3)、尾管胶塞挂座(5)和浮阀(4)，其中螺帽(3)外壁为阶梯状，螺帽(3)有中心孔，螺帽(3)上端内壁有螺纹，螺帽(3)外壁下部是外螺纹，螺帽(3)上端内螺纹连接在中心管(2)的下端，螺帽(3)下部外螺纹连接尾管胶塞挂座(5)上端，尾管胶塞挂座(5)的中部有导压孔，尾管胶塞挂座(5)的下端通过剪钉(16)连接一个尾管胶塞(6)，尾管胶塞(6)的胶塞裙部分在回接筒(12)内；
在尾管胶塞挂座(5)与螺帽(3)的外壁上套有浮阀关闭套(14)，浮阀关闭套(14)为圆筒状内壁有台阶，浮阀关闭套(14)内壁台阶座在螺帽(3)的上端面上，浮阀关闭套(14)通过销钉(15)固定在螺帽(3)的外壁上，浮阀关闭套(14)下部固定有浮阀(4)，浮阀(4)的位置在尾管胶塞挂座(5)中部的导压孔旁；
浮阀关闭套(14)上端外螺纹连接一个膨胀锥(13)，膨胀锥(13)中心孔套在中心管(2)的外壁上，膨胀锥(13)的外形为圆锥台形，膨胀锥(13)上端直径小于下端直径并且膨胀锥(13)下端直径大于膨胀管(11)内壁直径9-13毫米；
在浮阀关闭套(14)与螺帽(3)之间通过销钉(15)连接。

2、  根据权利要求1所述的膨胀管式尾管悬挂器，其特征是：所述的键(9)为长方体形，丢手筒(7)壁上有长方形键槽孔。

3、  根据权利要求1所述的膨胀管式尾管悬挂器，其特征是：所述的丢手筒(7)上端内螺纹是采用矩形螺纹或梯形螺纹。

4、  根据权利要求1所述的膨胀管式尾管悬挂器，其特征是：所述的膨胀管11外壁上的环形凸台，环形凸台的宽度在3-15毫米之间，高度在2-5毫米之间，每两个环形凸台之间的间隔在100-200毫米之间。

5、  根据权利要求1、2、3或4所述的膨胀管式尾管悬挂器，其特征是：膨胀管11外壁上的环形凸台的截面是矩形、三角形或梯形。

一种膨胀管式尾管悬挂器
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种钻井完井尾管悬挂的专用工具，是一种尾管悬挂器
背景技术
一般钻井完井用的尾管悬挂器为机械式或液压式，钻杆连接尾管悬挂器和尾管入井到位后，利用机械动作或者液压方式使悬挂器上的卡瓦牙打开贴紧在外层技术套管内壁上，卡瓦牙能悬挂尾管重量。一般在尾管悬挂器悬挂完成后注水泥固井。目前的机械式或液压式尾管悬挂器在功能又可分为密封和不密封两种：(1)能够实现顶部密封的悬挂器在完成注水泥后，可以继续动作，通过橡胶件的变形实现对悬挂部分的密封；(2)不能够实现密封功能的尾管悬挂器在完成悬挂和注水泥后，为实现上部的密封，必须将钻杆和悬挂器的中心管丢手，再下入封隔器工具将上部密封。无论是机械式还是液压式尾管悬挂器在服役一定时间后很容易上部密封失效，由于尾管水泥环经过较长时间后也无法达到密封效果，影响了开发效果和后续作业。除此之外，常规机械式和液压式尾管悬挂器为满足悬挂和坐封功能，在径向结构设计了较多的机械零部件，造成悬挂器的内通径小，工具下入时会收到一些限制。另外一些常规尾管悬挂器在水平井中坐挂困难。一般尾管悬挂器设计有反扣用于丢手，因此固井过程中不能正转，否则可能导致尾管脱落，如反转则可能造成钻杆脱扣；常规尾管悬挂器入井是卡瓦牙与井壁碰撞，容易损坏，同时由于受重力作用，卡瓦牙相对井筒轴线为非对称状态，容易破坏悬挂效果，结构可靠性差。常规尾管悬挂器往往注水泥后要投胶塞和投球，水泥头复杂，作业复杂，悬挂、坐封和丢手工艺也比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种膨胀管式尾管悬挂器，实现以下目的：(1)保证尾管下入到位后，能在固井过程中旋转管柱和上下活动管柱，改善环空水泥浆流动性，提高固井质量。(2)实现很好的自身密封，省去封隔器工具的密封这一环节，保证悬挂段更大通径和更好的密封效果。(3)通过膨胀管式尾管悬挂器实现更简单可靠的注水泥、悬挂、坐封和丢手作业工艺。(4)替代常规的液压式和机械式尾管悬挂器或旋转尾管悬挂器，解决斜井、水平井等复杂井的完井作业中施工作业的可靠性，提高固井质量，满足斜井、水平井等复杂完井的需要。
本发明采用的技术方案是：膨胀管式尾管悬挂器，主要由送入接头、中心管、螺帽、浮阀装配体、尾管胶塞挂座、尾管胶塞、丢手筒、花键套、键、剪销钉、膨胀管、回接筒、膨胀锥、浮阀关闭套、销钉、剪钉、钻杆胶塞和丢手顶套组成。送入接头有中心孔，送入接头上部有内螺纹，用于连接上部钻杆；其特征是：送入接头下部有外螺纹，送入接头下部外螺纹连接丢手筒，送入接头下部内螺纹连接中心管上端。中心管用于连接上端的送入接头和下端的螺帽，同时是膨胀锥滑动的芯轴。
丢手筒为圆筒状，丢手筒下端外壁有花键，花键套上端内壁有花键，丢手筒下端采用花键连接花键套上端。丢手筒下端外壁与花键套上端通过花键嵌合连接，用于传递旋转扭矩，能旋转下部管柱。花键套为圆筒状，花键套下端有螺纹。花键套下端螺纹连接膨胀管的上端。
在丢手筒的内壁上有一个圆环柱形丢手顶套，丢手顶套与丢手筒之间采用剪销钉固定。在丢手筒和花键套之间通过键固定。丢手顶套的外壁顶住键，防止键退回。键能连接丢手筒和花键套，能承受下部全部管柱的重力。
在膨胀管的下端螺纹连接回接筒上端。回接筒为阶梯形圆筒状，回接筒的作用是下部连接固井套管柱；回接筒的另一个作用是将中心管下端的膨胀装置组件带入井下，并保护膨胀装置组件。膨胀管为圆筒状，膨胀管上端和下端有连接螺纹的结构已经被技术人员所熟知，用于石油井下的膨胀管的公开专利较多，不详细叙述。但在金属膨胀管的外壁上有环形凸台，在公开的专利中没有涉及。本专利的关键是依靠膨胀管膨胀后，膨胀管外壁上的环形凸台与套管内壁形成过盈配合，实现悬挂尾管。
在回接筒内并且在中心管的下端连接有膨胀装置组件，膨胀装置组件包括膨胀锥、浮阀关闭套、螺帽、尾管胶塞挂座和浮阀。其中螺帽外壁为阶梯状，螺帽有中心孔，螺帽上端内壁有螺纹，螺帽外壁下部是外螺纹。螺帽上端内螺纹连接在中心管的下端。螺帽下部外螺纹连接尾管胶塞挂座上端，尾管胶塞挂座的中部有导压孔，导压孔主要作用是将中心管中的液体压力传递到膨胀锥大端底面，如不开此孔，则无法将液压力导入到膨胀锥大端底面。尾管胶塞挂座的下端通过剪钉连接一个尾管胶塞。尾管胶塞的胶塞裙部分在回接筒内。尾管胶塞是石油固井经常使用的井下工具，因为其胶塞裙与套管内壁是过盈配合，尾管胶塞在尾管固井施工中，是一个常规部件，作用清扫下部套管柱中的水泥。
在尾管胶塞挂座与螺帽的外壁上套有浮阀关闭套。浮阀关闭套为圆筒状内壁有台阶，浮阀关闭套内壁台阶座在螺帽的上端面上。浮阀关闭套通过销钉固定在螺帽的外壁上。浮阀关闭套下部固定有浮阀，浮阀的位置在尾管胶塞挂座中部的导压孔旁，浮阀上的圆形盖板在扭簧作用下能够与导压孔上部紧密结合，实现上部钻杆与中心管内孔液体空间和下部尾管液体空间的分隔，浮阀在扭簧的作用下将阀板压盖在导压孔上，使导压孔关闭。
浮阀关闭套上端外螺纹连接一个膨胀锥，膨胀锥中心孔套在中心管的外壁上。膨胀锥的外形为圆锥台形。膨胀锥上端直径小于下端直径并且膨胀锥下端直径大于膨胀管内壁直径9-13毫米。膨胀锥能在液体压力作用下向上滑动，膨胀锥外壁对膨胀管进行扩径。
在浮阀关闭套与螺帽之间通过销钉连接，销钉在循环泥浆和注水泥过程中不会被剪断。即只有在泵压达到设计的膨胀压差，而循环泥浆和注水泥在膨胀锥上下造成的压差较小时被剪断。销钉未被剪断时，浮阀关闭套使浮阀处于打开状态；销钉被剪断后，膨胀锥开始上行，浮阀在膨胀锥带动下向上行，不再被浮阀关闭套限位，浮阀上安装有扭簧使浮阀关闭。
所述的浮阀的公开类似产品较多，井下安全阀和套管阀一般均采用阀板结构，开启状态时阀板沿管柱轴向竖立，同时挡套对其限位，在一定条件下，挡套运动到一定位置，对阀板不再形成限位，此时阀板会在扭簧作用下从竖直状态旋转至管柱轴向法向，与阀座结合，关闭尾管胶塞挂座中部的导压孔，即液体压力向尾管传体的通道。
所述的键为长方体形，丢手筒壁上有长方形键槽孔，安装时先将丢手筒与花键套套好定位；将键从丢手筒上的长方形键槽孔放入，从丢手筒下端放入丢手顶套，丢手顶套将键按压在花键套上的键槽孔内，穿入销钉，即完成该键的装配。
所述的丢手筒上端内螺纹是采用矩形螺纹或梯形螺纹，其与送入接头形成连接，下入时悬挂管柱的下部管柱重量。当发生卡钻等井下事故时，通过上提和下放钻具方法解卡，这时丢手筒上端内螺纹只起悬持下部管柱的作用；当未能解卡必须采取丢手时，通过键和键槽的配合实现丢手。
为了使膨胀管被膨胀后，与套管内壁之间有足够的摩擦力悬挂尾管，所述的膨胀管外壁上的环形凸台，宽度在3-15毫米之间，高度在2-5毫米之间，每两个环形凸台之间的间隔在100-200毫米之间。膨胀管外壁上的环形凸台的截面可以是矩形，也可以是三角形或梯形。
简述膨胀管式尾管悬挂器的原理和使用过程。参阅图1和图2。
1、钻杆连接尾管悬挂器、尾管入井至设计深度，此时钻杆胶塞位于水泥头中备用；
2、地面开泵，循环泥浆；
3、注水泥，从水泥头中释放钻杆胶塞17顶替水泥；钻杆胶塞17通过水泥头投放到钻杆中，所以一般称钻杆胶塞，作用一是顶替钻杆中的水泥，另外当其到达尾管胶塞6的位置时，和尾管胶塞6配合，剪断剪钉16。
4、钻杆胶塞17在顶替液的作用下从钻杆内孔直至其进入尾管胶塞6的内孔，此时地面泵压升高，将剪钉16剪断，泵压下降；
5、地面继续打压，
6、尾管胶塞6和钻杆胶塞17形成的组合胶塞清扫尾管中的水泥，直到此组合胶塞到达尾管的浮箍位置，并与其碰压；组合胶塞和浮箍碰压后，泵压升高，随着液体压力升高，膨胀锥13在液体压力作用下带动浮阀关闭套14将销钉15剪断，浮阀4关闭；浮阀4关闭后，将中心管和下部尾管连接的中心孔关闭，上部空间液体压力持续升高，直至液体压力推动膨胀锥13在中心管2上向上滑动并将膨胀管11内径进行扩径，胀后膨胀管11外壁上的金属凸台与外层技术套管形成过盈配合，提供尾管最终的悬挂和密封；
7、继续打压直至膨胀锥13行进到膨胀管11的上端，顶住丢手顶套18，直至将剪销钉10剪断，键9落入丢手顶套18上的小径部分，解除丢手筒7和花键套8之间的连接关系，直至泄压；
8、上提钻杆，钻杆带送入接头1、丢手筒7、中心管2、丢手顶套18、膨胀锥13、浮阀关闭套14、浮阀4、尾管胶塞挂套5等部件出井，完成全部作业程序。
本发明的主要特征是：
1、只需投放一个钻杆胶塞17，能使注完水泥浆后，顶胶塞、替泥浆、碰压、悬挂、脱手、循环连续完成，并在固井过程中可以旋转和上下活动套管柱；
2、当钻杆胶塞17与尾管胶塞6组合并与浮箍碰压后，浮阀4关闭，避免了膨胀管11膨胀过程中，整个套管柱承受高压；
3、膨胀锥13沿着中心管2向上滑动，对膨胀管11进行扩径；
4、丢手筒7和花键套8之间的设计的嵌合花键，能为注水泥作业后旋转管柱提供扭矩，旋转管柱可提高固井质量。
本发明的有益效果：
1、本发明膨胀管式尾管悬挂器能满足斜井、水平井等复杂完井的需要。常规尾管悬挂器入井是卡瓦牙与井壁碰撞，容易损坏，同时由于受重力作用，卡瓦牙相对井筒轴线为非对称状态，容易破坏悬挂效果，结构可靠性差。本发明膨胀管式尾管悬挂器中的膨胀管上加工有金属凸台，下入过程中不易损坏，同时通过金属凸台和外层套管的过盈配合完成悬挂和坐封，不像常规尾管悬挂器受重力和卡瓦偏心影响。
2、膨胀管式尾管悬挂器可以保证尾管下入到位后，在固井过程中旋转和上下活动管柱，改善环空水泥浆流动性，提高固井质量。一般尾管悬挂器设计有反扣用于丢手，因此固井过程中不能正转，否则可能导致尾管脱落，如反转则可能造成钻杆脱扣。膨胀管式尾管悬挂器中丢手筒和花键套设计有花键配合，如图3所示，在固井作业中可以正转管柱和上下活动管柱，实现更好的固井效果；
3、能保证悬挂段更大通径和更好的密封效果。在使用常规机械式或液压式尾管悬挂器悬挂尾管、筛管等管柱时，由于悬挂器动作机构本身径向尺寸的限制，当完成悬挂后，悬挂器最大的内通径往往很小，在某种程度上由于悬挂器的通径小，其所悬挂尾管或筛管等管柱的内通径也相应受到限制。为降低常规尾管悬挂器对内径尺寸的限制，增大悬挂后的内径，方便后续作业工具的进入，本发明将膨胀管作为悬挂器，将其下端连接其它完井管柱，实现了较常规尾管悬挂器更大的通径。同时膨胀管式尾管悬挂器通过膨胀锥对膨胀管进行扩径，使膨胀管贴合在外层技术套管内壁，通过在密封的金属凸台直接硫化橡胶，可以使密封和悬挂更可靠。
4、通过膨胀管式尾管悬挂器实现更简单可靠的注水泥、悬挂、坐封和丢手作业工艺。常规尾管悬挂器往往注水泥后要投胶塞和投球，水泥头复杂，作业复杂，悬挂、坐封和丢手工艺也比较复杂。采用此膨胀管式尾管悬挂器注水泥时，只需要投一个钻杆胶塞，无需投球，因此水泥头的结构更简单。注水泥、碰压、膨胀管膨胀、丢手作业无需任何停顿，直接到最后丢手泄压，工艺更简单。
5、膨胀管式尾管悬挂器的技术特点可使其替代常规的液压式和机械式尾管悬挂器以及旋转尾管悬挂器，特别是在斜井、水平井等复杂井的完井作业中更可靠。
附图说明
图1是本发明膨胀管式尾管悬挂器上半部分结构剖面示意图。
图2是本发明膨胀管式尾管悬挂器下半部分结构剖面示意图。
图3是图2的横剖面示意图。
图4a是丢手筒7的立体示意图；图4b是花键套的立体示意图；
图4c是键9的立体示意图。
图中，1.送入接头，2.中心管，3.螺帽，4.浮阀，5.尾管胶塞挂座，6.尾管胶塞，7.丢手筒，8.花键套，9.键，10.剪销钉，11.膨胀管，12.回接筒，13.膨胀锥，14.浮阀关闭套，15.销钉，16.剪钉，17.钻杆胶塞，18.丢手顶套。
具体实施方式
实施例1：以一个在9⁵/₈″技术套管中悬挂7″套管，所使用的膨胀管式尾管悬挂器为例，对发明作进一步详细说明。膨胀锥13的外径为195mm，即在作业完成后，膨胀管11的内径为195mm。
参阅图1。本发明膨胀管式尾管悬挂器，主要由送入接头1、中心管2、螺帽3、浮阀装配体4、尾管胶塞挂座5、尾管胶塞6、丢手筒7、花键套8、键9、剪销钉10、膨胀管11、回接筒12、膨胀锥13、浮阀关闭套14、销钉15、剪钉16、钻杆胶塞17和丢手顶套18组成。送入接头1有中心孔，送入接头1上部有内螺纹，施工时能连接上部钻杆。
送入接头1下部有矩形外螺纹，丢手筒7上端采用矩形内螺纹，送入接头1下部外螺纹连接丢手筒7，送入接头1下部内螺纹连接中心管2上端。中心管2的长度约2000毫米，外径80毫米，壁厚7。中心管2用于连接上端的送入接头1和下端的螺帽3，同时还是膨胀锥13的滑动芯轴。
丢手筒7为圆筒状，丢手筒7下端外壁有花键，花键套8上端内壁有花键，丢手筒7下端采用花键连接花键套8上端。参阅图3。丢手筒7下端外壁与花键套8上端通过花键嵌合连接。花键套8为圆筒状，花键套8下端有螺纹。花键套8下端螺纹连接膨胀管11的上端。
膨胀管11的长度1500毫米，内径187毫米。膨胀管11外壁上有10个环形凸台，环形凸台的宽度为8毫米，高度为3毫米，每两个环形凸台之间的间隔为120毫米。膨胀管11外壁上的环形凸台的截面是矩形。
在丢手筒7的内壁上有一个圆环柱形丢手顶套18，丢手顶套18与丢手筒7之间采用2个剪销钉10固定，3-5吨轴向压力能剪断剪销钉10。在丢手筒7和花键套8之间通过8个键9固定。键9为长方体形键，键9上下平面有圆弧。丢手筒7壁上有长方形键槽孔。在花键套8内壁对应键9的位置有一个环形凹槽。丢手顶套18的外壁顶住键9，防止键9退回。8个键9的外端在花键套8内壁的环形凹槽内。键9能连接丢手筒7和花键套8，能承受下部全部管柱的重力。
在膨胀管11的下端螺纹连接回接筒12上端。回接筒12为阶梯形圆筒状。
参阅图2。在回接筒12内并且在中心管2的下端连接有一套膨胀装置组件，膨胀装置组件包括有膨胀锥13、浮阀关闭套14、螺帽3、尾管胶塞挂座5和浮阀4。其中螺帽3外壁为阶梯状，螺帽3有中心孔，螺帽3上端内壁有螺纹，螺帽3外壁下部是外螺纹。螺帽3上端内螺纹连接在中心管2的下端。螺帽3下部外螺纹连接尾管胶塞挂座5上端，尾管胶塞挂座5的中部均布有2个导压孔，尾管胶塞挂座5的下端通过2个剪钉16连接一个尾管胶塞6。尾管胶塞6的胶塞裙部分在回接筒12内。
在尾管胶塞挂座5与螺帽3的外壁上套有一个浮阀关闭套14。浮阀关闭套14为圆筒状内壁有台阶，浮阀关闭套14内壁台阶座在螺帽3的上端面上。浮阀关闭套14通过销钉15固定在螺帽3的外壁上。浮阀关闭套14下部固定有浮阀4，浮阀4的位置在尾管胶塞挂座5中部的导压孔。
浮阀关闭套14上端外螺纹连接一个膨胀锥13，膨胀锥13中心孔套在中心管2的外壁上。膨胀锥13的外形为圆锥台形。膨胀锥13上端直径小于下端直径并且膨胀锥13下端直径为195毫米，膨胀锥13上端直径为182毫米。
在浮阀关闭套14与螺帽3之间通过2销钉15连接。
键9为长方体形，丢手筒7壁上有长方形键槽孔，(参阅图4)安装时先将丢手筒7与花键套8套好定位；将键9从丢手筒7上的长方形键槽孔放入，从丢手筒7下端放入丢手顶套18，丢手顶套18将键9按压在花键套8上的键槽孔内，穿入销钉10，即完成该键9的装配。
在作业完成后，膨胀管11的内径为195mm，远大于常规尾管悬挂器悬挂完成后的内通径。本发明与常规机械式和液压式尾管悬挂器以及旋转尾管悬挂器相比有较大优势，由于可以获得更大内径，本发明的应用可方便后续入井作业，同时有更好的悬挂和密封效果。
钻杆胶塞17是膨胀管式尾管悬挂器悬挂施工时，从井口投入随钻井液向下行，能到达尾管胶塞6的上部，起到别泵作用。
实施例2：与实施例1不同点是膨胀管11外壁上的环形凸台的截面三角形。
实施例3：与实施例1不同点是膨胀管11外壁上的环形凸台的截面是梯形。