套管保护装置及套管井的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种套管保护装置及一种套管井，所述用于保护地下的套管。所述套管保护装置包括包裹在套管上的弹性机构、以及用于限制弹性机构移动的限位机构。在本实用新型的套管保护装置及套管井中，套管外包裹了弹性机构，当水平方向地应力作用时，弹性机构利用自己的弹性变形来应对地应力。可以在一定范围内承受各方向地应力的作用，提升套管承受地应力的能力，有效的对钻井套管起到了保护作用。
【专利说明】套管保护装置及套管井
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及套管井【技术领域】，特别是一种套管保护装置及一种套管井。
【背景技术】
[0002]套管钻井技术是指在钻井过程中，直接利用套管代替钻柱来完成钻井作业，即用套管代替钻杆和钻挺来对钻头施加扭矩和钻压，做到边钻进边下套管，钻完后套管留在井内作完井用的一种钻井技术。
[0003]套管井的损坏问题是世界范围的亟待解决的难题，在地下气化、油田开发、煤层气开采等领域均不同程度的发生了套管损坏的问题。套管井损坏严重地区主要有中国、美国、俄罗斯、北海白垩纪盆地等。杜永军在其博士论文(套损的影响因素地层的流体压力与地应力研宄，2005年)中指出:套管损坏普遍认为有两种形式，一是套管弯断机理，二是套管挤压缩径机理。无论是哪一种的套管损坏形式，都是与地层中的流体压力和地应力的异常变化有直接关系，也就是说地层中的流体压力与地应力的变化是套管损坏的主要因素。其中，地应力是指在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应。地应力是地球固体介质受重力、多种地球构造力和天文动力以及挖掘工程附加动力作用，在介质内部引起相应变形的力学参数，它无所不在，无时不在，直接影响着固体介质及其蕴含的各种流体的力学行为。李四光教授是中国地应力测量的创始人，早在20世纪40年代他就提出地壳中水平运动为主，水平应力起主导作用。
[0004]现有的用于保护套管的一种套管保护装置，主要是采用在内管上联接套管接箍，且与上部套管联接，内管置于外管中，在外管与内管中间安装有密封环和弹簧，并在上部装有销钉，外管下端与下接头联接，下接头联接井下套管。当地层上升时，伸缩管内管脱离，滑动一段距离，能防止套管断裂，油井仍然能保持安全生产。但是其只能防止因地层上升造成套管断裂，对于水平方向的地应力造成的套管断裂没有任何效果。
实用新型内容
[0005]本实用新型目的在于提供一种套管保护装置和一种套管井，能够有效的保护埋入地下的套管不受水平方向的地应力破坏。
[0006]为达上述优点，本实用新型提供一种套管保护装置，用于保护地下的套管。所述套管保护装置包括包裹在套管上的弹性机构、以及用于限制弹性机构移动的限位机构。在本实用新型套管保护装置的一个实施例中，所述套管保护装置还包括固定在套管外壁的轨道，所述弹性机构在套管侧的表面上设有与轨道对应的凹槽或凸起。
[0007]在本实用新型套管保护装置的一个实施例中，所述轨道为与套管的轴线平行的竖直凸起。
[0008]在本实用新型套管保护装置的一个实施例中，所述轨道为设于套管外壁上的条形结构、环形结构或螺纹形结构。
[0009]在本实用新型套管保护装置的一个实施例中，所述弹性机构包括外壁层、内壁层及弹性填充物，所述弹性填充物填充在外壁层和内壁层之间，所述外壁层受到地应力时变形。
[0010]在本实用新型套管保护装置的一个实施例中，所述弹性机构还包括设置在外壁层和内壁层上部或下部的环形层，所述环形层受到地应力时变形。
[0011 ] 在本实用新型套管保护装置的一个实施例中，所述套管由数节管节连接组成。
[0012]在本实用新型套管保护装置的一个实施例中，所述弹性机构和所述限位机构的数量为多个，每一弹性机构包裹在套管上的管节连接处，每一限位机构设置于对应的弹性机构的底部。
[0013]在本实用新型套管保护装置的一个实施例中，所述每一限位机构为一圈水平平行于所述套管横截面的卡环。
[0014]本实用新型还提出一种套管井，所述套管井包括上述任意一种套管保护装置。
[0015]在本实用新型的套管保护装置及套管井中，套管外包裹了弹性机构，当水平方向地应力作用时，弹性机构利用自己的弹性变形来应对地应力。可以在一定范围内承受各方向地应力的作用，提升套管承受地应力的能力，有效的对钻井套管起到了保护作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1所示为本实用新型第一实施例的套管保护装置的结构示意图。
[0017]图2所示为本实用新型第二实施例的套管保护装置的结构示意图。
[0018]图3所示为本实用新型第三实施例的套管保护装置的结构示意图。
[0019]图4所示为本实用新型第四实施例的套管保护装置的结构示意图。
[0020]图5所示为图4的套管保护装置的弹性机构的截面示意图。
【具体实施方式】
[0021]为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出【具体实施方式】、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0022]图1所示为本实用新型第一实施例的套管保护装置的结构示意图。请参见图1，本实施例的套管保护装置10用于保护埋入地下的套管20，包括轨道11、弹性机构13、限位机构15，其中轨道11固定在套管20的外壁上，弹性机构13可在轨道11上移动，限位机构15用于对弹性机构13进行限位。
[0023]套管20的长度为263.45m，套管20的外径Φ 219mm。套管20插设于地下钻孔中，自地面311向下穿过岩层31、含水层33、岩层35后进入煤层37。套管保护装置10保护套管20不受岩层31、含水层33、岩层35及煤层37产生的地应力破坏。套管20露出地面311的部分长lm，深入煤层37的部分长4m。套管20由标准管节通过焊接连接在一起组成。
[0024]轨道11为套管20外壁上的条形结构，例如为与套管20的轴线平行的竖直凸起；4根轨道11均匀的焊接在套管20上；轨道11与套管20的轴线平行。套管20露出地面311及深入煤层37的部分不设轨道11。轨道11与套管20的轴线也可以不平行，4根轨道11之间相互平行。弹性机构13为橡胶层，橡胶层的长度为258.45m。所需橡胶层的宽度为套管的外周长，即688mm(3i*219mm)，橡胶层的具体厚度通过测量当地地应力后确定，但厚度不能超过90.5mm (地下钻孔孔径400mm与套管外径219mm差值的一半)。弹性机构13的朝向套管20的表面上设有与轨道11对应的凹槽或凸起，该凹槽或凸起具有可容纳轨道11的空间或间隙，从而使得弹性机构13可沿轨道11滑动。
[0025]限位机构15设置在轨道11的下部，限位机构15为焊接在轨道11或套管20上的4个凸起物，所述凸起物为板状、杆状或块状凸起。当弹性机构13到达预定位置时，弹性机构13下部与该凸起物接触。限位机构15可有效地对弹性机构13进行限位。
[0026]套管20安装完成后，弹性机构13安装时，需先将弹性机构13卷成圆柱形；使用束紧带束紧；弹性机构13沿轨道11滑动，通过轨道11安装到套管20上；弹性机构13的与限位机构15接触实现限位。常规洗井，向钻孔内套管20外注入填充物，如水泥浆，固定套管20及周围岩层。即完成该地下气化用钻孔的施工。
[0027]图2所示为本实用新型第二实施例的套管保护装置的结构示意图。请参见图2，本实施例的套管保护装置10用于保护埋入地下的套管20，包括轨道11、弹性机构13、限位机构15，其中轨道11固定在套管20的外壁上，弹性机构13可在轨道11上移动，限位机构15设置于弹性机构13的底部，用于对弹性机构13进行限位。
[0028]套管20的长度为268m，套管20的外径为Φ 219mm。套管20自地面311向下穿过岩层31、含水层33、岩层35后进入煤层37。套管保护装置10保护套管20不受岩层31、含水层33、岩层35及煤层37产生的地应力破坏。第二实施例的套管20与第一实施例的套管20的不同之处在于，第二实施例的套管20由11根标准长度为25m的管节通过螺纹连接在一起组成，轨道11的数量为10根，弹性机构13和限位机构15的数量为10个，每一限位机构15设置于对应的弹性机构13的底部。套管20上具有10个管节连接处20a。套管20露出地面311的部分长lm，深入煤层37的部分长4m。
[0029]轨道11为套管20外壁上的环形结构；轨道11与套管20截面平行。10根轨道11均匀的焊接在套管20的管节连接处20a上方Im处。弹性机构13为复合橡胶弹簧，复合橡胶弹簧是由金属螺旋弹簧及其外边包裹的优质硫化橡胶或橡胶共同构成。弹性机构13的内径等于套管20的外径，即219mm，外径由地应力决定。弹性机构13的长度为2m ;弹性机构13在套管20侧的表面上设有与轨道11对应的凹槽或凸起，该凹槽或凸起具有可容纳轨道11的空间或间隙。
[0030]限位机构15设置在管节连接处20a的下方，限位机构15为焊接在轨道11或套管20上的凸起物，在本实施例中，限位机构15为一圈水平平行于套管20横截面的卡环，但不以此为限。当弹性机构13到达预定位置时，弹性机构13与该凸起物接触。限位机构15可有效的对弹性机构13进行限位。
[0031]在套管20的管节安装过程中，将弹性机构13安装到套管20上；弹性机构13的与限位机构15接触实现限位。然后常规洗井，向钻孔内套管20外注入填充物，如水泥浆，固定套管20及周围岩层。即完成该地下气化用钻孔的施工。
[0032]需要说明的是，在第二实施例中，套管20、轨道11、弹性机构13及限位机构15的数量不以本实施例为限，在其他实施例中，套管20、轨道11、弹性机构13及限位机构15的数量为多个即可，具体数量可依照实际情况作调整。
[0033]图3所示为本实用新型第三实施例的套管保护装置的结构示意图。请参见图3，本实施例的套管保护装置10用于保护埋入地下的套管20，包括轨道11、弹性机构13、限位机构15，其中轨道11固定在套管20的外壁上，弹性机构13可在轨道11上移动，限位机构15用于对弹性机构13进行限位。
[0034]套管20长度为1000m，套管20自地面311向下穿过岩层31、含水层33、岩层35后进入煤层37。套管保护装置10保护套管20不受岩层31、含水层33、岩层35及煤层37产生的地应力破坏。套管20由标准管节通过螺纹连接在一起组成。套管20露出地面311的部分长lm，深入煤层37的部分长4m。套管20主要的承受地应力作用区域位于套管20下部500m?800m处。
[0035]轨道11为套管20外壁上的条形结构；8根轨道11均匀的焊接在套管20下部480m?820m处；轨道11与套管20的轴线平行。轨道11与套管20的轴线也可以不平行，但8根轨道11之间需相互平行。弹性机构13为橡胶弹簧，橡胶弹簧是一种高弹性体，制作材料包括普通橡胶。弹性机构13的高度为320m。弹性机构13的内径等于套管20的外径，外径由地应力决定。弹性机构13在套管20侧的表面上设有与轨道11对应的凹槽或凸起，该凹槽或凸起具有可容纳轨道11的空间或间隙。
[0036]限位机构15设置在弹性机构13的下部和上部，限位机构15为固定在轨道11或套管20上的凸起物，当弹性机构13到达预定位置时，弹性机构13与该凸起物接触。限位机构15可有效的对弹性机构13进行限位。在套管20的管节安装过程中，将弹性机构13分段安装到套管20上；弹性机构13的与限位机构15接触实现限位。然后常规洗井，向钻孔内套管20外注入填充物，如水泥浆，固定套管20及周围岩层。即完成该地下气化用钻孔的施工。
[0037]在本实用新型实施例中也可以在套管20有轨道11的部分的管节安装完毕后先安装弹性机构13，再安装余下部分的管节。
[0038]图4所示为本实用新型第四实施例的套管保护装置的结构示意图。请参见图4，本实施例的套管保护装置10用于保护埋入地下的套管20包括轨道11、弹性机构13、限位机构15，其中轨道11固定在套管20的外壁上，弹性机构13可在轨道11上移动，限位机构15用于对弹性机构13进行限位。
[0039]套管20为进出气共用孔，钻孔钻进的气化煤层，套管20的长度为1000m，套管20由20m长的标准管节通过螺纹连接在一起组成；套管20自地面311向下穿过岩层31、含水层33、岩层35后进入煤层37。套管保护装置10保护套管20不受岩层31、含水层33、岩层35及煤层37产生的地应力破坏。套管20露出地面311的部分长lm，深入煤层37的部分长4m。套管20主要的承受地应力作用区域位于套管20下部500m?800m处。轨道11为套管20外壁上的螺纹形结构；轨道11设置在套管20的承受地应力作用区域内的管节连接处20a上下2m范围。
[0040]图5所示为图4的套管保护装置的弹性机构的截面示意图。请一并参见图5，弹性机构13的高度为3m。弹性机构13的内径等于套管20的外径，外径由地应力决定。弹性机构13包括外壁层131、内壁层133、弹性填充物135及固定在外壁层131和内壁层133上部及下部的环形层(图未示)。外壁层131及环形层在承受地应力时会产生变形，如布、塑料层，外壁层131最好采用变形时能够产生一定回复力的材料，如铁皮、橡胶皮、旧轮胎。内壁层133在套管20侧的表面上设有与轨道11对应的凹槽或凸起，凹槽或凸起内具有足够的空间或间隙可以使弹性机构13受到各方向地应力时，在一定范围内活动。弹性填充物135可以是橡胶粉、橡胶颗粒、泡沫塑料、海绵、弹性胶泥和弹簧其中的一种或几种。在本实用新型实施例中也可以不设置环形层或内壁层133及轨道11。
[0041]限位机构15设置在轨道11的上部和下部，其为固定在轨道11或套管20上的凸起物，在本实施例中，限位机构15为一圈水平平行于套管20横截面的卡环，但不以此为限。当弹性机构13到达预定位置时，弹性机构13与该凸起物接触。限位机构15可有效的对弹性机构13进行限位。在套管20的管节安装过程中，将弹性机构13安装到套管20上；弹性机构13的与限位机构15接触实现限位。然后常规洗井，向钻孔内套管20外注入填充物，如水泥浆，固定套管20及周围岩层。即完成该地下气化用钻孔的施工。
[0042]需要提出的是在本实用新型的各实施例中可不设轨道11 ;弹性机构13在套管侧的表面上也可不设与轨道对应的凹槽或凸起。
[0043]本实用新型还提供一种套管井，其包括套管保护装置10，套管保护装置10的结构及具体工作原理在此不再赘述。
[0044]综上所述，本实用新型的套管保护装置和套管井至少具有以下的优点:
[0045](I)在本实用新型的套管保护装置及套管井中，套管外包裹了弹性机构，当水平方向地应力作用时，弹性机构利用自己的弹性变形来应对地应力。另外，弹性机构还可以在一定距离内上下滑动或者左右转动，使其可以在一定范围内承受各方向地应力的作用，提升套管承受地应力的能力，有效的对钻井套管起到了保护作用，解决了长期未能解决的技术难题。
[0046](2)在本实用新型的套管保护装置及套管井的一个实施例中，弹性机构的外壁层采用如薄铁皮、橡胶皮、布、塑料层，旧轮胎；弹性填充物可以是橡胶粉、橡胶颗粒、泡沫塑料、海绵、弹性胶泥和弹簧其中的一种或几种。套管保护装置对材料要求低可由废旧的材料制成，一方面可降低成本，另一方面有效的实现废物利用。
[0047](3)在本实用新型的套管保护装置及套管井的一个实施例中，弹性机构为复合橡胶弹簧，复合橡胶弹簧集金属弹簧和橡胶弹簧的优点于一体，克服了金属弹簧刚性大、工作噪音高及橡胶弹簧承重量小、形状及机械性能稳定性差等缺点。具有更高的载荷量和大变形量、减震降噪效果更好、工作平稳、共振区间短等优点。
[0048](4)在本实用新型的套管保护装置及套管井的一个实施例中，弹性机构为橡胶弹簧，橡胶弹簧弹性模量小，受载后有较大的弹性变形，借以吸收冲击和振动。它能同时受多向载荷。如有特殊要求可用耐油橡胶制成。该产品减振效果好，共振领域小，使用寿命长，成本低，还有良好的耐寒性，优良的气密性，防水性，电绝缘性。
[0049]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种套管保护装置(10)，用于保护地下的套管(20)，其特征在于:所述套管保护装置(10)包括包裹在套管(20)上的弹性机构(13)、以及用于限制弹性机构(13)移动的限位机构(15) ο
2.根据权利要求1所述的套管保护装置(10)，其特征在于:所述套管保护装置(10)还包括固定在套管(20)外壁的轨道(11)，所述弹性机构(13)在套管(20)侧的表面上设有与轨道(11)对应的凹槽或凸起。
3.根据权利要求2所述的套管保护装置(10)，其特征在于:所述轨道(11)为与套管(20)的轴线平行的竖直凸起。
4.根据权利要求2所述的套管保护装置(10)，其特征在于:所述轨道(11)为设于套管(20)外壁上的条形结构、环形结构或螺纹形结构。
5.根据权利要求1所述的套管保护装置(10)，其特征在于:所述弹性机构(13)包括外壁层(131)、内壁层(133)及弹性填充物(135)，所述弹性填充物(135)填充在外壁层(131)和内壁层(133)之间，所述外壁层受到地应力时变形。
6.根据权利要求5所述的套管保护装置(10)，其特征在于:所述弹性机构(13)还包括设置在外壁层(131)和内壁层(133)上部或下部的环形层，所述环形层受到地应力时变形。
7.根据权利要求1所述的套管保护装置(10)，其特征在于:所述套管(20)由数节管节连接组成。
8.根据权利要求7所述的套管保护装置(10)，其特征在于:所述弹性机构(13)和所述限位机构(15)的数量为多个，每一弹性机构(13)包裹在套管(20)上的管节连接处(20a)，每一限位机构(15)设置于对应的弹性机构(13)的底部。
9.根据权利要求1所述的套管保护装置(10)，其特征在于:每一限位机构(15)为一圈水平平行于所述套管(20)横截面的卡环。
10.一种套管井，其特征在于:所述套管井包括权利要求1至9任一项权利要求所述的套管保护装置(10)。
【文档编号】E21B17/10GK204252861SQ201420639429
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】王媛媛, 赵娟 申请人:新奥气化采煤有限公司