膨胀管双级膨胀装置的制作方法

本发明涉及一种油气开发用膨胀管的膨胀作业配套工具，尤其是涉及一种膨胀管双级膨胀装置。

背景技术：
在老油田的挖潜改造过程中，为了获得较大的通径，有时用膨胀管完井。而随着油田的开发，受诸多因素影响，油水井套管的漏失、变形、断错等损坏越来越多，严重影响了油田的正常生产，对套管的破损部位进行修补可以延长套管管柱的使用寿命。膨胀管的施工是利用油管或钻杆将膨胀工具和膨胀管下入到预定位置，通过向管柱内泵入液体并憋压，依靠液体压力推动膨胀头相对膨胀管移动，将膨胀管沿半径方向撑大，完成膨胀管的膨胀过程。目前，膨胀管在膨胀过程中所用的膨胀头外径尺寸是固定的，且预先安装在膨胀管发射室内，因此发射室的外径比其它实体部分外径大，膨胀后膨胀管实体的外径和发射室外径相同或略大。因此，对于上部通径小、下部通径大的套管或井筒，无法下入适宜尺寸的膨胀管对下部大通径套管进行补贴或者在下部井筒内进行膨胀管完井。2011年2月9日公开的中国实用新型专利《一种套管补贴工具》(公开号CN201738854U)，通过刚性胀头和弹性胀头两级膨胀，当提拉油管柱向上移动时，刚性胀头先进行初级膨胀，然后弹性胀头继续膨胀，减小膨胀阻力，使膨胀管紧紧补贴在套管内壁上，有效防止因膨胀力过高，膨胀头被卡死，造成补贴失效等事故的发生，但在补贴工具组装以后，弹性胀头就已经是最大外径尺寸了，不能实现膨胀管通过上部通径小、下部通径大的套管或井筒，对下部大通径套管进行补贴或在下部井筒内进行膨胀管完井。2010年12月8日公布的专利《膨胀管用伞式可变径膨胀工具》(公开号CN101906947A)，是一种膨胀管用的伞式可变径膨胀工具，包括固定锥和变径锥两部分。固定锥为上窄下宽的锥体通孔结构，变径锥的张开是依靠提拉膨胀顶锥撑开锥片，不能保证变径膨胀锥胀大到预计的尺寸，且变径膨胀锥胀大后与膨胀管在圆周上的接触是不连续的，因此膨胀管膨胀后的内径不是规则的圆形，不利于后续施工作业。

技术实现要素：
为了克服现有变径膨胀头依靠提拉膨胀顶锥撑开锥片，不能保证变径膨胀头胀大到预计的尺寸，且变径膨胀头胀大后与膨胀管在圆周上的接触是不连续的不足，本发明提供一种膨胀管双级膨胀装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：膨胀管双级膨胀装置包括膨胀管、定径膨胀头、变径膨胀头、液压缸，膨胀管由上部的膨胀管本体和下部的发射室组成，发射室内径大于膨胀管本体的内径，膨胀管本体和发射室通过斜面和圆弧面过渡；变径膨胀头、定径膨胀头位于发射室内，定径膨胀头位于变径膨胀头的上方，定径膨胀头的最大外径与发射室的内径相同，膨胀管内同轴安装有中心管，中心管与膨胀管之间的环空由上至下依次安装有插接总成、液压缸、定径膨胀头、控制机构、变径膨胀头。变径膨胀头的上瓣体、下瓣体、瓣体座由上至下依次安装；上瓣体上端的外凸台安装在连接套下端内孔的凹槽内；下瓣体下端的外凸台安装在瓣体座上端内孔的凹槽内。中心管的液压缸活塞下方有径向通孔；中心管的定径膨胀头与变径膨胀头之间径向安装有限位块，限位块的一端突出于中心管的内孔。变径膨胀头的上瓣体、下瓣体的瓣数分别为2个以上，且数量相等；上瓣体与下瓣体沿圆周间隔交错排布，组成的横截面为圆环形。膨胀管双级膨胀装置装配的初始状态，上瓣体与下瓣体轴向距离大于变径膨胀头上瓣体、下瓣体组合最终形状时的轴向距离。变径膨胀头的上瓣体、下瓣体组合后最终形状的变径膨胀头上端为上小下大的圆台体、下端为上大下小圆台体；两个圆台体的大端尺寸相同，通过圆弧面过渡。上瓣体、下瓣体组合后最终形状的变径膨胀头内孔上部为上小下大的圆台孔，下部为上大下小的圆台孔。上瓣体的横截面由上至下逐渐变窄，下瓣体的横截面由上至下逐渐变宽；组合后最终形状变径膨胀头的上瓣体和下瓣体的接触面曲线在外圆面上呈连续梯形排列，上瓣体与下瓣体在同一横截面上的径向尺寸相等。膨胀管双级膨胀装置装配的初始状态，上瓣体下端和下瓣体上端分别向中心管倾斜，变径膨胀头的外径尺寸小于发射室的内径尺寸。插接总成的上接头下端与中心管上端固定连接；上接头上端部内孔的环形凹槽内安装有锁环，插接头下端部插入上接头内与锁环相配合固定连接。液压缸的缸筒内孔为上大下小的阶梯孔，缸筒小直径孔滑动安装在中心管上；缸筒大直径孔与中心管的环空中部安装有活塞；活塞的径向锁块槽内安装的锁块插入中心管相应位置的环形槽内固定活塞；活塞下方中心管上的径向通孔与缸筒的环空相通。液压缸的数量为2个以上。定径膨胀头的衬套滑动安装在中心管上，衬套为上大下小的阶梯轴，定径膨胀头、密封组件由上至下依次安装在衬套的小轴颈上；衬套下端固定安装有连接套。连接套的内孔为中部小、两端大的阶梯孔，小直径内孔与上端部大直径内孔过渡带为环形凹槽，控制机构的限位块位于环形凹槽的下方；连接套中部小直径内孔的环形槽内安装有止退环。锁环为开口环，锁环内孔为倒齿马牙结构，插接头外圆周上有与锁环内孔倒齿马牙相配合的倒齿马牙结构。止退环为开口环，止退环内孔为倒齿马牙结构。通过向中心管内投入胶塞，胶塞坐在限位块上，向中心管内注入液体并憋压，在压力作用下液压缸的缸筒向下滑动，定径膨胀头、连接套带动变径膨胀头的上瓣体沿中心管向下滑动；当中心管上的限位块进入连接套的环形凹槽内，安装在连接套上的止退环与对应位置的中心管外圆周上倒齿马牙相啮合锁住，变径膨胀头的上瓣体和下瓣体组合为最终形状的变径膨胀头，变径膨胀头的形状尺寸固定。本发明的有益效果是，结构合理，将定径膨胀头和变径膨胀头组合安装在膨胀管发射室内，变径膨胀头的外径小于定径膨胀头的外径，膨胀施工时变径膨胀头的外径首先变得比定径膨胀头大，且外表面圆整，使发射室的外径变得更大，有利于膨胀装置通过较小尺寸的套管或井眼，对下部通径较大的套管进行补贴，或在通径较大的井眼内进行膨胀管完井，膨胀后，膨胀管内径圆整规则，为后续的施工作业提供良好的井筒条件。附图说明图1是本发明膨胀管双级膨胀装置结构示意图。图2是本发明膨胀管双级膨胀装置投入胶塞后示意图。图3是本发明当变径膨胀头尺寸确定时结构示意图意图。图4是本发明膨胀管双级膨胀装置的胶塞示意图。图中：1.插接头，2.锁环，3.上接头，4.中心管，5.缸筒，6.活塞，7.锁块，8.膨胀管本体，9.衬套，10.定径膨胀头，11.密封组件，12.连接套，13.限位块，14.止退环，15.上瓣体，16.下瓣体，17.瓣体座，18.发射室，19.胶塞，20.径向通孔，21.环形凹槽。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。参见附图1～4。本发明膨胀管双级膨胀装置的膨胀管由上部的膨胀管本体8和下部的发射室18组成，发射室18内径大于膨胀管本体8内径，膨胀管本体8和发射室18通过斜面和圆弧面过渡。膨胀管内同轴安装有中心管4，中心管4与膨胀管之间的环空由上至下依次安装有插接总成、液压缸、定径膨胀头、控制机构、变径膨胀头。中心管4上端通过螺纹和油管或钻杆连接。变径膨胀头、定径膨胀头10位于发射室18内，定径膨胀头10位于变径膨胀头的上方，定径膨胀头10可以是球形，也可以是两个圆台的组合，即上部为上小下大的圆台，下部为上大下小的圆台，中间通过圆弧过渡；定径膨胀头10的最大外径与发射室18内径相同。变径膨胀头由上瓣体15、下瓣体16、瓣体座17组成，且由上至下依次安装。上瓣体15上端的外凸台安装在连接套12下端内孔的凹槽内；下瓣体16下端的外凸台安装在瓣体座17上端内孔的凹槽内。变径膨胀头的上瓣体15、下瓣体16的瓣数分别为2个以上，且数量相等。变径膨胀头的上瓣体15、下瓣体16沿圆周间隔交错排布，它们组合后最终形状的变径膨胀头上端为上小下大的圆台体、下端为上大下小的圆台体；两个圆台体的大端尺寸相同，通过圆弧面过渡。上瓣体15、下瓣体16组合后最终形状的变径膨胀头内孔上部为上小下大的圆台孔，下部为上大下小的圆台孔。最终形状的变径膨胀头横截面为圆环形。上瓣体15的横截面由上至下逐渐变窄，下瓣体16的横截面由上至下逐渐变宽；组合后最终形状变径膨胀头的上瓣体15和下瓣体16的接触面曲线在外圆面上呈连续梯形排列，上瓣体15与下瓣体16接触面的径向尺寸相等。膨胀管双级膨胀装置为装配的初始状态时，上瓣体15与下瓣体16之间有间隙，即轴向距离大于变径膨胀头上瓣体15、下瓣体16组合最终形状时的轴向距离；上瓣体15下端和下瓣体16上端分别向中心管4倾斜，此时变径膨胀头的外径尺寸小于发射室18的内径尺寸。插接总成包括插接头1和上接头3，插接头1的下端部插入上接头3内孔中，上接头3下端与中心管4上端固定连接。上接头3上端部内孔的环形凹槽内安装有锁环2，锁环2为开口环，其内孔为倒齿马牙结构。插接头1下端部插入上接头3内，其外圆与锁环2相应位置有与锁环2相啮合的倒齿马牙，将插接头1与上接头3轴向固定连接。液压缸包括缸筒5、活塞6和锁块7。缸筒5内孔为上大下小的阶梯孔，缸筒5的小直径圆孔套在中心管4上，可以沿中心管4上下滑动。缸筒5的大直径圆孔与中心管4的环空中部安装有活塞6，活塞6的径向锁块槽内安装有锁块7，锁块7的一端插入中心管4相应位置的环形槽内，将活塞6轴向固定。中心管4的液压缸活塞6的下方有径向通孔20，径向通孔20将中心管内孔与缸筒5的环空连通。液压缸的数量根据膨胀管的强度等指标确定，通常为2个以上，结构相同。定径膨胀头包括衬套9、定径膨胀头10、密封组件11，衬套9滑动安装在中心管4上。衬套9为上大下小的阶梯轴，定径膨胀头10、密封组件11由上至下依次安装在衬套9的小轴颈上，密封组件11通常由数个橡胶圈及隔环组成，密封衬套9和膨胀管发射室18之间的环空，衬套9和中心管4之间安装有径向密封圈。衬套9下端固定安装有连接套12。连接套12的内孔为中部小、两端大的阶梯孔，小直径内孔与上端部大直径内孔过渡带为环形凹槽21。环形凹槽21下方的中心管4上安装有控制机构的限位块13，限位块13的端部突出于中心管4的内孔。连接套12中部小直径内孔的环形槽内安装有止退环14，止退环14为开口环，内孔为倒齿马牙结构。限位块13下方的中心管4外圆上有倒齿马牙，可与止退环14内孔上的倒齿马牙啮合。参见图2。通过向中心管4内投入胶塞19，胶塞19坐在限位块13上；向中心管内注入液体并憋压，推动液压缸的缸筒5向下滑动，定径膨胀头、连接套12带动变径膨胀头的上瓣体15沿中心管4向下滑动。当中心管4上的限位块13进入连接套12的环形凹槽21内，安装在连接套12上的止退环14与对应位置的中心管4外圆周上的倒齿马牙相啮合锁住，变径膨胀头的上瓣体15和下瓣体16组合为最终形状的变径膨胀头，变径膨胀头的形状尺寸固定。应用本发明膨胀管双级膨胀装置进行膨胀管施工作业的过程是：首先，将不包括插接头1、胶塞19的其他零部件组装完毕，并送入井筒，此时上瓣体15和下瓣体16之间的轴向距离最大，即上瓣体15和下瓣体16之间有间隙；再将插接头1上端固定连接在油管/钻杆的下端，下入膨胀管内；适当加压，使插接头1上的倒齿马牙与锁环2的倒齿马牙啮合，完成快速连接，用油管/钻杆将膨胀管输送到预定位置(参见图1)。然后，向油管/钻杆内投入胶塞19(参见附图4)，泵入液体推动胶塞19向下运动，直到胶塞19坐到限位块13上(参见图2)，在胶塞19上部的油管/钻杆内形成一个密闭腔；继续泵入液体时，随着油管或钻杆内压力的升高，液体压力通过中心管4上的径向通孔20传入液压缸，推动缸筒5向下运动，进而由缸筒5推动衬套9、膨胀头10、密封组件11、连接套12、上瓣体15相对中心管4向下移动；上瓣体15和下瓣体16相互插接，它们在半径方向上的外轮廓尺寸逐步增大，并胀大膨胀管。当插接到一定位置时，它们的最大外径达到预计的尺寸，与膨胀管接触的轨迹形成规则完整的圆周线；此时止退环14的倒齿马牙与中心管4相应位置的倒齿马牙啮合锁紧，上瓣体15与下瓣体16不再发生相对移动，变径膨胀头的形状和尺寸维持不变；限位块13位于连接套12的环形凹槽21处。继续向油管/钻杆内注入液体，在胶塞19的推动下限位块13沿径向向外移动，进入连接套12的环形凹槽21内，限位块13解除对胶塞19的约束；胶塞19继续向下移动，油管/钻杆内畅通，中心管4内外连通(参见图3)。随后，液体压力传到中心管4与膨胀管之间的环空，作用在密封组件11上，给定径膨胀头10向上的推力，加上井口大钩向上提拉油管/钻杆管柱，使双级膨胀装置向上运动，实现对膨胀管的两级膨胀。本发明膨胀管双级膨胀装置通过定径膨胀头和变径膨胀头组合，在其膨胀管的最大外径和使用单一定径膨胀头的膨胀管最大外径相同时，膨胀管可以获得更大的膨胀率，实现了膨胀管通过上部通径较小的套管或井眼，对下部较大通径的套管进行补贴或在较大通径的井眼内进行膨胀管完井，且膨胀后的膨胀管内径圆整规则，保证达到预定的直径尺寸，为后续的施工作业提供良好的井筒条件。应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。