专利名称：油田完井用膨胀管装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油套管，特别是一种油田完井用变形膨胀的套管材料、管子连接及膨胀装置。
背景技术：
实体膨胀管SET(Solid Expandable Tubulars)是石油钻井、完井、修井、悬挂工程中一项新技术。该方法的特点是将套管送下钻井的预定位置，向管的外侧空隙注入泥浆，然后通过机械滚球挤压或液压锥体扩径，使套管直径膨胀7-30％。这种膨胀管技术可以减小钻孔尺寸，优化井身结构；同时膨胀推压挤实泥浆基础，提高油井使用寿命；另外可用于修补长井段，克服了以往加固技术距离的限制，并能扩大修复通径，还可以继续使用原有工具，扩大原油产量；简化尾管悬挂工艺、效果稳定、密封良好等，因此被称为石油钻采技术的一次革命，引起人们高度重视。中国专利ZL200410019863.X突破了高性能膨胀管材料技术，它在保证材料强度和耐蚀性前提下，又大幅度地提高材料延伸率。但是由于在材料中加入了过多的合金元素，成本较高。此外在现场施工中采用形状记忆连接，工艺也较为复杂。目前国内外应用的膨胀管，价位均过高，配套产品也十分昂贵，这样使膨胀管长距离应用受到限制。目前为止国际上1000米以上或全井膨胀管的应用案例，还不足应用总井数的10％。此外长距离钻井和完井工程使用的膨胀管，配套技术也较为复杂，管柱自重和特殊吊挂力均较大，则对于管连接强度、密封工艺和工程施工提出了更为苛刻要求。因此降低膨胀管成本、简化施工工艺、提高标准化程度、增加产品可靠性已是当前大面积推广膨胀管的关键问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种油田完井用膨胀管装置，可以克服已有技术的不足。本发明兼顾协调了膨胀管长距离与高性能两个矛盾方面的问题。系统地提出作为完井工程应用的膨胀管装置、膨胀管材料、膨胀管连接和膨胀管工具的方案。本发明适用于内陆侧钻井和其他类型深井的完井工程，特别可用于各类海洋井的施工。由于综合效益突出，将部分取代普通石油套管，具有非常广泛的应用前景。
本发明的膨胀管装置包括膨胀管、连接内螺纹、连接外螺纹、镶嵌塑料圈、吊装管箍、吊装管、钻井孔、扶正器、充填泥浆、定位螺母、摆动胀头、固定螺母、压封胶塞、密封填料、柱状封底、辅助缸和固定地矛。它还包括形状记忆合金环，膨胀管借助于其下部连接内螺纹和上端连接外螺纹相互连接；镶嵌塑料圈压装在膨胀管连接内螺纹的中点；吊装管之间借助于吊装管箍螺结；用扶正器定位吊装管，使其处于膨胀管内中心位置；吊装管下端自上而下分别螺结调控位置用的定位螺母、摆动胀头和固定螺母；压封胶塞封闭柱状封底的喷泥浆口；在柱状封底之下的固定地矛受辅助缸驱动，用以固定悬挂膨胀管的下端；柱状封底的外表面涂敷密封填料，装入膨胀管下端，用形状记忆合金环套住装入部分膨胀管外表面；膨胀管与钻井孔之间为充填泥浆，其硬化后作为膨胀管的基础；装置下部膨胀管的上下两端，有摆动胀头和柱状封底，压封胶塞封闭柱状封底，通过吊装管注入高压液体，构成推动胀头运动的发射室。
所说的膨胀管是无缝钢管或有缝钢管。
所说的膨胀管用钢成分的重量百分比为C0.05-0.35，Si0.5-2.5，Mn0.8-2.5，Cr0.05-3.00，Ni0.00-3.00，S≤0.03，P≤0.035，余量为Fe。
所说的膨胀管是钢管进行特殊热处理，其工艺为930-950℃、0.5小时奥氏体化，贝氏体等温淬火温度450℃-550℃、0.5小时水冷，再于300℃-450℃回火1-2小时水冷。本发明采用特殊热处理工艺的目的是形成成分偏离的复相组织，集中的先析块状铁素体和相间沉淀以及贝氏体铁素体是构成材料提高塑性的主要因素。相变时碳浓集奥氏体相中，回火时部分分解，形成的密集碳化物的强化区域，成为提高材料强度的主导因素。这种高碳和低碳相间的复合组织，有助于提高钢的加工硬化率和减少缩颈现象，从而提高了材料塑性。
所说的膨胀管的塑性延伸率为δ＝30-35％，强度σb＝620-650MPa，强塑性K＝18600-22000MPa％。对于调质的碳钢和低合金高强钢，强度和塑性是一对矛盾，降低含碳量，例如C0.20％钢，提高了塑性δ20％，但强度较低σb4800MPa；提高碳含量C0.40％，提高了强度σb620MPa，而塑性明显下降δ16％。可用强塑性K＝σb×δ表征材料综合性能，一般的低合金高强钢的强塑性K相当于9500MPa％，不能满足膨胀管工程的需要。
所说的膨胀管装置中所说的膨胀管借助于其下部连接内螺纹和上端连接外螺纹相互连接是在膨胀管下端内螺纹中点压入塑料螺纹圈；采用外螺纹朝上、内螺纹朝下，膨胀管下端连接内螺纹与膨胀管上端连接外螺纹相连接，以使膨胀头在由下而上膨胀时，膨胀方向与螺纹进动方向相同。
所说的摆动胀头的胀头的轮廓曲线，采用外阿基米德螺线与内阿基米德螺线互补组合的形式，则同向矢径为r1＝r(1+kθ)和r2＝r(1-kθ)，k＝0-0.2，外螺线矢径增加值与内螺线矢径减少值相等，其组合长度恒等不变。其中也包括阿基米德螺线k＝0时的球形。
所说的发射室采用柱状封底，夹于膨胀管之内，通过形状记忆合金套加热，产生复合加压界面接合作用抱紧固定，无焊接、无铆钉和无密封圈。
本发明采用了锒嵌塑料圈密封螺纹连接，为通用起见，扣型仍沿用API无接箍偏梯长齿连接。大量试验表明，膨胀后的螺纹密封不一定与扣形有直接关系，而沿用API装置互换性、专用刀具和标准检测工具，给制造生产带来了极大方便。无接箍端部采用热镦粗局部加厚。为防止螺纹进动相反向挤压发生滑扣，采用外螺纹朝上、内螺纹朝下，以使特殊处理膨胀头在由下而上膨胀时，膨胀方向与螺纹进动方向相同，膨胀头前进过程能稳定顶实压紧结合界面。具体尺寸参照API标准，螺纹面相对中心轴线倾角采用0°或3.5763°(斜度为1/16)。本发明的膨胀管连接，其特征在于在内螺纹中间锒嵌塑料齿型密封圈，其轴向宽度大于螺纹螺距。在膨胀挤压过程中，外螺纹的金属齿与内螺纹塑料齿互相紧密啮合，不但消除了齿侧之间和齿顶与齿根之间的间隙，并且能保持较高正压力，形成理想的密封状态。对于51/2″规格的膨胀管密封，稳定内压大于40MPa，外压达到30MPa。
吊装管一般由钻杆和接箍连接而成，通过它传递主钩的轴向起吊力，并借助其下端螺纹结合拉动膨胀头。摆动胀头在发射室高压液体推动和吊装管拉动的共同作用下，在提升同时进行膨胀。借助吊装管的内孔通道输运高压液体。
普通胀头在挤压膨胀管扩径变形时，经常遇到膨胀管转折或局部凸起，而发生“胀卡”现象，以致中途根阻使井报废，造成重大事故和经济损失。如果膨胀管胀头能自由转动，则会很容易克服上述胀卡现象。
如图2所示普通胀头外形呈锥状或弹丸状，例如近似设定具有矩形截面，直径为2r的膨胀头，因为产生转角会使截面尺寸∑R加大，导致急剧加大阻力，约束压迫很难转动。转角θ时截面矢径∑R很大，有∑R＝2r/tgθ本发明设计的摆动胀头轮廓曲线，采用胀头上部为外阿基米德螺线与下部为内阿基米德螺线互补弥合组合外形。见图3中设定转角θ时，则截面上的外阿基米德螺线方程可写为上部矢径r1＝r(1+kθ)内阿基米德螺线方程可写为下部矢径r2＝r(1-kθ)式中k为系数，量纲为1/弧度，一般取值k＝0-0.2之间。显然在一定范围之内对于任意转角θ(θ＝)，外螺线增加值与内螺线减少值是相等的，恒有∑R＝2r这给胀头自由转动带来方便，胀头在摆动过程中，能完全克服胀卡，同时大大降低了膨胀阻力。从图下中看出，计算所获得的卵状外形，实际是一种仿生处理，这一胀头与鸡、蛇、鸽通过曲折排卵管推出的蛋外形相近，轮廓基本一致。阿基米德螺线当k＝0，也包括球形。
本发明采用了形状记忆紧固封底的设计，为了切削封底可装入一个易削柱状封底，材料用铝或铸铁。一般习惯采用铆钉固紧、胶圈密封的结构，但此处发射室在高压液体作用之下，膨胀管壁将鼓胀变形，这样必然降低密封圈接触的正压力，从而导致泄漏。本发明发射室的特征是无焊接、无铆钉、无密封圈，而采用形状记忆环紧固套柱状封底，预先在结合界面涂敷密封填料，例如酚醛环氧树脂，当记忆合金套加热收缩产生正压力，界面产生了复合加压界面接合(Tahoing)作用，因而具有优异的抗压密封效果，测定密封耐压可达50MPa，这是一种简单易行效果十分稳定的结构。
本发明提供了了一种膨胀管装置，可以克服已有技术的不足，结构简单，膨胀管实用、经济，胀头膨胀阻力小、工作可靠，膨胀管连接方便、高度密封。本发明提出完井工程应用的膨胀管装置、膨胀管材料、膨胀管连接和膨胀管工具的系统方案，发明兼顾协调了膨胀管长距离与高性能两个矛盾方面的问题。本发明适用于内陆侧钻井和其他类型深井的完井工程，特别可用于各类海洋井的施工。由于综合效益突出，并将部分取代普通石油套管，具有非常广泛的应用前景。
图1是本发明的膨胀管装置剖面示意图。
图2是膨胀管普通胀头。
图3是本发明的膨胀管摆动胀头。
具体实施例方式
结合附图，进一步说明本发明的具体实施过程。
如图所示，本发明的膨胀管装置由膨胀管1、连接内螺纹2、连接外螺纹3、镶嵌塑料圈4、吊装管箍5、吊装管6、钻井孔7、扶正器8、充填泥浆9、定位螺母10、摆动胀头11、固定螺母12、压封胶塞13、密封填料14、形状记忆合金环15、柱状封底16、辅助缸17和固定地矛18组成。
膨胀管1可以制作为无缝管，也可以为有缝管，膨胀管1借助于其下部连接内螺纹2和上端连接外螺纹3相互连接。镶嵌塑料圈4压装在膨胀管连接内螺纹的中点。吊装管6之间借助于吊装管箍5螺结。用扶正器8定位吊装管6，使其处于膨胀管内中心位置。吊装管6下端自上而下分别螺结调控位置用的定位螺母10、摆动胀头11和固定螺母12。压封胶塞13能封闭柱状封底16的喷泥浆口。在柱状封底16之下的固定地矛18受辅助缸17驱动，用以固定悬挂膨胀管的下端。膨胀管1与钻井孔7之间为充填泥浆9，其硬化后作为膨胀管的基础。
装置下部膨胀管的上下两端，有摆动胀头和柱状封底，压封胶塞封闭柱状封底，通过吊装管注入高压液体，构成推动胀头运动的发射室。
膨胀管是无缝钢管，进行特殊热处理，其工艺为950℃、0.5小时奥氏体化，贝氏体等温淬火温度500℃、0.5小时水冷，再于450℃回火1小时水冷。
实测膨胀管成分(％)为C0.30，Si2.5，Mn1.00，Cr1.80，S0.02，P0.03，余量为Fe。设计井深3880m，上部技术套管16″，分5级布局，下部膨胀管直径为51/2″(139.7×7.62)；钢管热处理后力学性能抗拉强度σb680MPa，屈服强度σs460MPa，延伸率δ31％，面缩率Ψ72％。钻井打阶梯孔，安装上部技术套管；膨胀管下井之前，预先在吊装管6下端按次序组装定位螺母10，摆动胀头11和固定螺母12；同时在下端膨胀管挤入上述组装胀头；然后在柱状封底16的外表面涂敷密封填料(酚醛环氧树脂)14，装入膨胀管下端，用形状记忆合金环15套住装入部分膨胀管外表面；所用形状记忆合金环材料是铁基形状记忆合金，安装后于300°加热7分钟，记忆合金环收缩抱紧形成高度密封。如图右上所示，膨胀管1在连接前预先在其下端连接内螺纹2的中点，压入影线所表示的锒嵌塑料圈4；膨胀管下端的连接内螺纹2与膨胀管上端连接外螺纹3相连；吊装管6通过吊装管箍5互相连接；特殊处理膨胀管1与吊装管6穿插连接下井，在吊装管中间装入扶正器8；提高泵压注入泥浆，泥浆返高90％；从上面投下压封胶塞13，进入柱状封底中间的喷泥浆孔逐步打压，使压封胶塞深入孔中，打压30MPa完全密封。同时通过辅助缸17推动活塞，利用曲柄连杆机构使固定地矛18展臂插入地层悬挂固定；摆动胀头11受高压液体推动和吊装管牵引向上提升，开始进行膨胀过程；膨胀结束后钻切柱状封底14。
摆动胀头的胀头的轮廓曲线，采用外阿基米德螺线与内阿基米德螺线互补组合的形式，则同向矢径为r1＝r(1+kθ)和r2＝r(1-kθ)。
本发明所提供的长距离施工膨胀管装置结构简单，膨胀管实用、经济，胀头膨胀阻力小工作可靠，膨胀管连接方便高度密封。本发明适用于内陆侧钻井和其他类型深井的完井工程，特别可用于各类海洋井的施工。由于综合效益突出，预计将部分取代普通套管，产品具有非常广泛的应用前景。
权利要求
1.一种膨胀管装置，它包括膨胀管、连接内螺纹、连接外螺纹、镶嵌塑料圈、吊装管箍、吊装管、钻井孔、扶正器、充填泥浆、定位螺母、摆动胀头、固定螺母、压封胶塞、密封填料、柱状封底、辅助缸和固定地矛，其特征在于它还包括形状记忆环，膨胀管借助于其下部连接内螺纹和上端连接外螺纹相互连接；镶嵌塑料圈压装在膨胀管连接内螺纹的中点；吊装管之间借助于吊装管箍螺结；用扶正器定位吊装管，使其处于膨胀管内中心位置；吊装管下端自上而下分别螺结调控位置用的定位螺母、摆动胀头和固定螺母；压封胶塞封闭柱状封底的喷泥浆口；在柱状封底之下的固定地矛受辅助缸驱动，用以固定悬挂膨胀管的下端；柱状封底的外表面涂敷密封填料，装入膨胀管下端，用形状记忆环套住装入部分膨胀管外表面；膨胀管与钻井孔之间为充填泥浆，其硬化后作为膨胀管的基础；装置下部膨胀管的上下两端，有摆动胀头和柱状封底，压封胶塞封闭柱状封底，通过吊装管注入高压液体，构成推动胀头运动的发射室。
2.根据权利要求1所说的膨胀管装置，其特征在于所说的膨胀管是无缝钢管或有缝钢管。
3.根据权利要求1所说的膨胀管装置，其特征在于所说的膨胀管用钢成分的重量百分比为C0.05-0.35，Si0.5-2.5，Mn0.8-2.5，Cr0.05-3.00，Ni0.00-3.00，S≤0.03，P≤0.035，余量为Fe。
4.根据权利要求1所说的膨胀管装置，其特征在于所说的膨胀管是钢管进行特殊热处理，其工艺为930-950℃、0.5小时奥氏体化，贝氏体等温淬火温度450℃-550℃、0.5小时水冷，再于300℃-450℃回火1-2小时水冷。
5.根据权利要求1所说的膨胀管装置，其特征在于所说的膨胀管的塑性延伸率为δ＝30-35％，强度σb＝620-650MPa，强塑性K＝18600-22000MPa％。
6.根据权利要求1所说的膨胀管装置，其特征在于所说的膨胀管借助于其下部连接内螺纹和上端连接外螺纹相互连接是在膨胀管下端内螺纹中点压入塑料螺纹圈；采用外螺纹朝上、内螺纹朝下，膨胀管下端连接内螺纹与膨胀管上端连接外螺纹相连接，以使膨胀头在由下而上膨胀时，膨胀方向与螺纹进动方向相同。
7.根据权利要求1所说的膨胀管装置，其特征在于所说的摆动胀头的胀头的轮廓曲线，采用外阿基米德螺线与内阿基米德螺线互补组合的形式，则同向矢径为r1＝r(1+kθ)和r2＝r(1-kθ)，k＝0-0.2。
8.根据权利要求7所说的膨胀管装置，其特征在于k＝0，摆动胀头轮廓曲线是球形。
9.根据权利要求1所说的膨胀管装置发射室，其特征在于所说的发射室采用柱状封底，夹于膨胀管之内，通过形状记忆合金套加热，产生复合加压界面接合作用抱紧固定，无焊接、无铆钉和无密封圈。
全文摘要
本发明涉及油田完井用膨胀管装置。它包括膨胀管、连接螺纹、镶嵌塑料圈、吊装管箍、吊装管、钻井孔、扶正器、定位螺母、摆动胀头、压封胶塞、密封填料、形状记忆环、柱状封底、辅助缸和固定地矛构成；管材成分的重量百分比为C∶0.05－0.35，Si∶0.5－2.5，Mn∶0.8－2.5，Cr∶0.05－3.00，Ni∶0.00－3.00，S≤0.03，P≤0.035，余量为Fe。膨胀管的塑性延伸率为δ＝30－35％，强度σ
文档编号C21D11/00GK1804365SQ20051012233
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月14日 优先权日2005年12月14日
发明者刘文西, 陈玉如, 刘洁 申请人:刘文西