复合施力膨胀管装置及其作业方法技术领域
本发明涉及石油工业钻井完井、修井技术领域，特别是涉及复合施力膨胀管装置
及其作业方法。
背景技术
发展于上世纪90年代的实体膨胀管技术在钻井、完井和修井技术领域发挥了重要
作用。
最初的膨胀管技术是利用液压力推动膨胀锥体，同时叠加钻杆对膨胀锥体的上提
力来完成膨胀作业的。
中国专利，申请号201010106783.3，申请日2010.02.03，“膨胀管总成、油井补贴施
工机构及施工方法”公开了一种利用膨胀管修复破损套管的装置及方法，该装置是在膨胀
管的上部设置一套动力缸，在膨胀管的下部设置膨胀锥体，在膨胀锥体的下面又设置了卡
挂定位机构，该装置的动力缸上部压住膨胀管，动力缸的中心管向下拉住卡挂定位机构，通
过动力缸的拉力向上拉动膨胀锥体来膨胀膨胀管。其卡挂定位机构能够单向卡住中心管，
即为膨胀锥体提供一下向上的推力，又能满足动力缸多次行程向上提升的需求。
中国专利，申请号201310220019.2，申请日2013.06.05，“一种膨胀管膨胀工艺方
法及工具系统”公开了一种膨胀管装置，该装置在膨胀锥体下面连接了动力缸，在动力缸下
面又连接了卡瓦锚定装置。作业时，卡瓦锚定装置卡在套管上。动力缸通过液压力上推膨胀
锥体，下推卡瓦锚定装置。
上述两项膨胀管技术都是使用动力缸的液压力推动膨胀锥体来膨胀套管的，当被
膨胀管的强度较高，需要的膨胀力较大时，仅靠动力缸的力就会造成作业液压力较高，存在
安全风险。
发明内容
为解决上述技术问题，发明了能够大幅度降低作业时地面液压泵泵压的复合施力
膨胀管装置及其作业方法，降低了作业风险，保证了施工人员安全。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
复合施力膨胀管装置，底堵安装在膨胀管的底部，底堵与膨胀管相固定且密封连接，膨
胀管下部设扩径腔，膨胀锥安装在所述的扩径腔内，膨胀锥以上设置液缸机构，膨胀锥以下
设置锚定机构，液缸机构的中心管穿过膨胀锥与锚定机构相固定连接；膨胀锥与中心管相
套接且滑动密封，中心管下端与膨胀管内腔液力连通，液缸机构的液缸套与膨胀锥相固定
连接。
优选地，所述的锚定机构是卡瓦锚定机构，所述的卡瓦锚定机构为“T”形槽式卡瓦
锚定机构。所述的卡瓦锚定机构还可以为卡瓦摩擦块一体式卡瓦锚定机构。
优选地，所述的锚定机构还可以是水力锚锚定机构。
复合施力膨胀管装置的作业方法，其使用包括所述的复合施力膨胀管装置，其作
业步骤是，
a、用作业管柱把复合施力膨胀管装置下至井下套管破裂处或裸眼内井；
b、作业管柱上端与地面的液压泵相连；
c、启动液压泵使复合施力膨胀管装置中心管中的液压力升高，推动膨胀锥上行膨胀膨
胀管，液缸机构完成一个上行行程；
d、停止液压泵，卸去复合施力膨胀管装置中心管中的液压力；
e、上提作业管柱使液缸机构上行一个行程；
f、重复步骤c、d、e，直至完成全部膨胀管的膨胀作业。
本发明的技术优点在于，该装置将动力缸的液压力与传统技术推动膨胀锥体的液压力
叠加起来共同推动膨胀锥体实现对膨胀管的膨胀，从而大幅度降低了作业时的泵压，降低
了作业风险，保证了施工人员安全。
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，其中：
图1是复合施力膨胀管装置的结构示意图，图中的液缸机构是一级液缸，锚定机构为卡
瓦锚定机构。
图2是复合施力膨胀管装置的结构示意图，图中的液缸机构是二级液缸，锚定机构
为卡瓦锚定机构。
图3是复合施力膨胀管装置的结构示意图，在膨胀锥的下面设有辅助密封机构皮
碗封隔器。
图4是复合施力膨胀管装置的结构示意图，在膨胀锥的下面设有辅助密封机构密
封圈挡环。
图5是“T”形槽式卡瓦锚定机构的结构示意图。
图6是卡瓦摩擦块一体式卡瓦锚定机构结构示意图。
图7是复合施力膨胀管装置的结构示意图，图中的锚定机构是水力锚锚定机构，其
中的节流器为节流水嘴。
图8是水力锚的结构示意图。
图9是复合施力膨胀管装置的结构示意图，图中的锚定机构是水力锚锚定机构，其
中的节流器为节流阀。
具体实施方式
本说明书的叙述说明中，所述的上、下位置关系，与附图中图示的位置关系相同，
这也是本发明的工具在直井中应用时的各构件间的相互位置关系。
见图1所示，复合施力膨胀管装置，包括膨胀管2、膨胀锥4和底堵6。膨胀管2下部设
扩径腔，膨胀锥4安装在所述的扩径腔内。底堵6安装在膨胀管2的底部，底堵6与膨胀管2相
固定且密封连接。此处以及本说明书的其它部分所述的相固定连接，可以是螺纹连接，也可
以是焊接；所述的相固定且密封连接，可以是密封螺纹连接，如石油油管螺纹，还可以是非
密封螺纹加密封圈连接，也可以是焊接。
中心管1外设液缸套31和活塞32，中心管1、液缸套31和活塞32共同构成液缸机构
3，其中活塞32与中心管1相固定且密封连接，液缸套31与中心管1相套接且形成第一滑动密
封面，液缸套31与活塞32相套接且形成第二滑动密封面，第一滑动密封面与第二滑动密封
面存在直径差，液缸套31和活塞32之间于中心管1侧壁上设进液孔7。
中心管1下端与膨胀管2内腔液力连通，也就是中心管1下端有开孔与膨胀管2和底
堵6所形成的内腔相通。
液缸套31与膨胀锥4相固定连接；膨胀锥4与中心管1相套接且滑动密封；中心管1
下端与锚定机构5相固定连接。
为了利于液体排出，在活塞32以下的液缸套31侧壁上还可以设出液孔8。
图1所示的是由一级液缸套和一级活塞构成的单级液缸机构，液缸机构可以是由
多级液缸套和多级活塞构成的多级液缸机构。见图2所示，这个附图展示了一个二级液缸机
构，包括一级液缸机构201和二级液缸机构202，一二级液缸套连接在一起，其它连接要素与
单级液缸机构相同。三级以上的液缸机构的连接方式与二级液缸机构的连接方式相同。
所述的锚定机构5是卡瓦锚定机构，见图5所示，所述的卡瓦锚定机构为“T”形槽式
卡瓦锚定机构，这是一种在油田井下211型或221型封隔器上常用的锚定机构，也称为“燕尾
槽”式卡瓦锚定机构，包括下中心管56、锚定锥51、卡瓦52、卡瓦托53、弹簧54和挡帽55，锚定
锥51、卡瓦托53、弹簧54和挡帽55自上而下顺次套接在下中心管56外，其中，锚定锥51和挡
帽55还与下中心管56相固定连接；锚定锥51与卡瓦托53的外周上均设“T”形槽，卡瓦52安装
在所述的“T”形槽中。
所述的弹簧54可以是碟簧或圆柱螺旋压缩弹簧。
通过本发明上述的叙述可以看出，本发明的复合施力膨胀管装置包括膨胀管及底
堵、膨胀锥、液缸机构和锚定机构。膨胀管下部，底堵以上设扩径腔，膨胀锥安装在扩径腔
内；膨胀锥以上设液缸机构，膨胀锥以下设锚定机构。中心管从中心穿过膨胀锥，上连液缸
机构，下连锚定机构，中心管既是液缸机构的一部分，也是锚定机构的一部分；液缸机构的
液缸套与膨胀锥相连，液缸机构的活塞通过中心管下连锚定机构。下推锚定机构时，锚定机
构通过卡瓦卡在膨胀管的内壁上，上提锚定机构时，锚定机构则解除锚定沿膨胀管上行。在
液压力作用下，液缸机构下推锚定机构卡住膨胀管不动，其反力则通过液缸套上拉膨胀锥
上行，实现对套管的膨胀。膨胀锥与中心管形成滑动密封，膨胀锥的外周与膨胀管也形成密
封面，液压力作用在膨胀锥的下端，也推动膨胀锥上行。膨胀锥同时受到了液缸机构的向上
拉力和液压力的上推力，这两个力复合起来，与单一膨胀作业的液压力相比，会大大降低。
基于上述设计的基本思路和原理，所述的卡瓦锚定机构还可以为卡瓦摩擦块一体
式卡瓦锚定机构，这也是在油田井下211型或221型封隔器上常用的另一种锚定机构。如图6
所示，卡瓦摩擦块一体式卡瓦锚定机构包括下中心管56、锥体61、摩擦卡瓦62、卡环63、小弹
簧64、卡瓦底托65和挡环66。锥体61、卡瓦底托65和挡环66自上而下顺次套在下中心管56
外，且锥体61、和挡环66还与下中心管56相固定连接；卡瓦底托65设断面为“J”形环状槽，摩
擦卡瓦62下端安装在所述的“J”形环状槽内，小弹簧64横向安装在摩擦卡瓦62和卡瓦底托
65之间，卡环63套在摩擦卡瓦62外周。
基于上述设计的基本思路和原理，所述的锚定机构5还可以是水力锚锚定机构。见
图7和图8所示，所述的水力锚锚定机构包括水力锚71和连接在其下部的节流器73。所述的
节流器73可以是节流水嘴74。所述的节流水嘴74就是在一块板上设节流孔75，俗称节流孔
板。当节流器产生节流压差时，锚牙72就锚定在膨胀管内壁上。当然，当节流水嘴74的节流
孔75直径最小可以为0，此时，锚牙72的锚定力最大。
所述的节流器73还可以是节流阀80，见图9所示，节流阀体83与水力锚连接，节流
阀体83设轴向台肩孔，球81安装在所述的台肩孔内，丝堵84安装在台肩孔下部，丝堵84和球
81之间安装阀弹簧82。节流阀80也可以是油田井下注水管柱常用的节流配水器。
为了提高膨胀锥在膨胀上行过程中的密封效果，所述的膨胀锥4以下于中心管1外
还套有辅助密封机构。见图3所示，所述的辅助密封机构是皮碗封隔器311。皮碗封隔器是油
田井下常用的工具之一。见图4所示，所述的辅助密封机构还可以是密封圈挡环，也就是在
膨胀锥4的外周设密封圈411。
复合施力膨胀管装置通过中心管与作业管柱相连。其作业步骤是：
a、用作业管柱把复合施力膨胀管装置下至井下套管破裂处或裸眼内井；
b、作业管柱上端与地面的液压泵相连；
c、启动液压泵使复合施力膨胀管装置中心管中的液压力升高，推动膨胀锥上行膨胀膨
胀管，液缸机构完成一个上行行程；
d、停止液压泵，卸去复合施力膨胀管装置中心管中的液压力；
e、上提作业管柱使液缸机构上行一个行程；
f、重复步骤c、d、e，直至完成全部膨胀管的膨胀作业。
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。