双悬挂双密封式耐高温膨胀悬挂器的制作方法

本发明涉及石油钻井完井工具领域中的一种双悬挂双密封式耐高温膨胀悬挂器。

背景技术：

尾管悬挂固井工艺是深井、侧钻井和加深井固井中最常见的一种完井方法，可以节约套管，降低注水泥施工中的环空流动阻力和顶替压力，简化井身结构，利于尾管管柱下入，解决深井、复杂井的固完井难题。

目前，尾管悬挂器按其座挂方式可分为卡瓦式尾管悬挂器和膨胀式尾管悬挂器。总体来说，卡瓦式尾管悬挂器存在座挂不可靠、座挂通径小、密封效果不理想的问题；膨胀式尾管悬挂器普遍采用液压方式实现悬挂器的膨胀座挂，使橡胶筒挤压在双层套管之间实现密封，悬挂及坐挂方式单一，且在深井、热采井高温条件下依靠单一橡胶密封仍存在橡胶高温老化失效、倒扣丢手困难的风险。例如，中国专利cn101161982b公开了一种液压膨胀式尾管悬挂器。该液压膨胀式尾管悬挂器由送入接头、水泥胶塞、中心管、膨胀管、胀塞、卡簧、剪钉、密封胶塞、胶塞导管、阻挡环和下连接管等组成。送入接头上端有螺纹，能连接钻具。送入接头下端外壁与膨胀管左旋螺纹连接；送入接头下端内壁与中心管螺纹连接。中心管下端通过剪钉固定有密封胶塞。密封胶塞的内径比中心管的内径小8-20毫米。胀塞在中心管和膨胀管之间的环形空间内的下端，胀塞与中心管之间动密封配合，胀塞能在中心管上面滑动；卡簧形状为环形，卡在中心管的下端外壁沟槽内；胶塞导管连接在膨胀管的下端；胶塞导管下端螺纹连接下连接管，下连接管的下端有螺纹，下连接管的作用是连接需要在井下悬挂的尾管串。阻挡环坐放于下连接管的内部台肩上。阻挡环上部中心孔的直径与密封胶塞下端外径相同，阻挡环下部中心孔的直径小于密封胶塞下端外径。为了使膨胀管与套管悬挂更牢固，膨胀管的外侧至少有一个环形凸起，环形凸起的截面为梯形，环形凸起外径与膨胀管的端部直径相同。膨胀管外壁直接与套管内壁密封；也可以采用橡胶密封，即在膨胀管外壁上套有橡胶圈；或者在膨胀管外壁上套有金属与橡胶组合密封圈，采用金属与橡胶组合密封。该液压膨胀式尾管悬挂器与现有的技术相比的主要特点在于：利用液压力作用，推动胀塞自下向上胀开膨胀管，膨胀管与套管内壁紧密接触进行悬挂尾管。在结构设计有较大的改进，但是未设计倒扣丢手机构，存在悬挂尾管长度受限、管柱下入困难的风险，同时采用单一悬挂方式作业，液压力不足或未碰压条件下难以有效座挂。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有膨胀悬挂器存在的技术问题，提供一种双悬挂双密封式耐高温膨胀尾管悬挂器，满足油气井尾管固井施工要求，特别适用于深井、热采井特殊工况条件下的尾管完井作业，减少膨胀式尾管悬挂器在液压坐挂、橡胶密封和倒扣丢手方面的安全隐患。

本发明解决技术问题的技术方案：

一种双悬挂双密封式耐高温膨胀悬挂器，包括膨胀悬挂筒、卡瓦坐挂机构、悬挂密封机构、膨胀机构和倒扣机构；

所述膨胀悬挂筒为可膨胀的短节，其顶部和底部分别加工有预先膨胀、呈上喇叭口状的膨胀出口和下喇叭口状的膨胀启动器；膨胀悬挂筒底部通过变扣接头与尾管固定连接；

所述卡瓦坐挂机构包括中心管、上膨胀锥和液压机构，液缸机构与上膨胀锥相连，上膨胀锥设有朝下的膨胀锥面，并预置于膨胀悬挂筒的膨胀出口处，上膨胀锥与中心管构成轴向滑动密封配合，液缸机构上设有与中心管内贯通的进液孔，液缸机构为一级或多级液缸结构；在上膨胀锥下行程止点处的中心管上设有限位结构，限位结构与在中心管上轴向移动的上膨胀锥限位配合；

所述悬挂密封机构包括固定在膨胀悬挂筒外表面的金属卡瓦和密封筒，金属卡瓦由呈圆周排列的多块卡瓦块组成，相邻卡瓦块之间预设循环通道；

所述膨胀机构包括膨胀芯轴和下膨胀锥，膨胀机构预置于膨胀悬挂筒的膨胀启动器内，膨胀芯轴和下膨胀锥为一体空心结构或者是组合套装空心结构，下膨胀锥外表面设有向上的膨胀锥面；膨胀芯轴上部与中心管固定连接；

所述倒扣机构位于膨胀机构下部，包括空心胶塞、轴承芯轴、轴承、弹簧套、弹簧和倒扣接头、变扣接头；轴承芯轴上安装有倒扣接头，倒扣接头上设有倒扣螺纹，倒扣接头通过倒扣螺纹与变扣接头配合连接；倒扣接头与轴承芯轴构成周向同步转动、周向滑动配合；在倒扣接头上部的轴承芯轴上装有弹簧和弹簧套，弹簧位于轴承芯轴和弹簧套之间，轴承芯轴上部与膨胀芯轴固定连接，在轴承芯轴上的弹簧套和膨胀芯轴之间安装有轴承；空心胶塞通过销钉接在轴承芯轴底部；

所述膨胀悬挂筒、变扣接头自上而下依次固定连接组成外管柱；液缸机构、中心管、膨胀芯轴、轴承芯轴、空心胶塞自上而下依次固定连接组成内管柱。

上述方案进一步包括：

所述密封筒为橡胶筒、橡胶筒-梯形金属环或橡胶筒-锯齿形金属环中的一种或几种搭配组合构成。

所述的橡胶筒采用耐高温的氟橡胶，橡胶筒部位的膨胀悬挂筒外表面设有与橡胶筒限位配合的金属凸起。

梯形金属环为外宽内窄结构，梯形金属环和锯齿形金属环采用软金属材料，且外径略小于橡胶筒外径。

所述卡瓦块上加工有卡瓦牙，相邻卡瓦块之间通过连接筋和固定环固定；连接筋为开口的非闭环结构，连接筋外径小于卡瓦块外径；固定环外径略小于卡瓦块外径。

所述相邻卡瓦块之间通过下部和中部的连接筋固定，卡瓦块上部由固定环固定。

所述倒扣机构还包括胶塞杆，空心胶塞通过销钉固定安装在胶塞杆底部，胶塞杆与轴承芯轴相连，空心胶塞预置于与膨胀悬挂器相连的尾管内。

所述悬挂密封机构还包括固定短节，膨胀芯轴和下膨胀锥通过固定短节与上方的中心管固定连接。

本发明的主要优点在于：

（1）采用金属卡瓦和密封筒双重悬挂以及金属和橡胶双重材料密封的双悬挂双密封方式作业，有效提高膨胀悬挂器的悬挂和密封性能；

（2）密封筒采用耐高温的氟橡胶筒和梯形金属环、锯齿形金属环相结合的密封方式，提高高温条件下的密封能力，适用于热采井和深井、超深井高温井况条件下的尾管完井作业。

（3）采用轴承结构的倒扣机构，中和点载荷倒扣时，倒扣螺纹承受较小的轴向载荷，便于倒扣作业，提高倒扣作业成功率。

（4）采用上膨胀锥和下膨胀锥先坐挂卡瓦、再坐挂膨胀悬挂筒的作业方式，可增加机械坐挂力，降低液压膨胀力，降低作业风险。

附图说明

图1为本发明的一种双悬挂双密封式耐高温膨胀悬挂器实施例总体结构剖视图；

图2为本发明一种实施例的金属卡瓦结构示意图；

图3为本发明一种实施例的密封筒段结构示意图；

图4为本发明一种实施例的下入状态示意图；

图5为本发明一种实施例的固井前倒扣状态示意图；

图6为本发明一种实施例的固井及金属卡瓦坐挂状态示意图；

图7为本发明一种实施例的坐挂状态示意图；

图8为本发明一种实施例的施工结束后管柱状态示意图。

其中：1.膨胀悬挂筒，2.金属卡瓦，201.卡瓦块，202.卡瓦牙，203.连接筋，204.固定环，205.循环通道，3.密封筒，301.橡胶筒，302.梯形金属环，303.锯齿形金属环，4.上膨胀锥，5.下膨胀锥，6.液缸机构，7.中心管，8.固定短节，9.膨胀芯轴，10.轴承芯轴，11.轴承，12.弹簧套，13.弹簧，14.倒扣接头，15.变扣接头，16.尾管，17.胶塞杆，18.空心胶塞，19.钻杆，20.钻杆胶塞，21.技术套管，22.膨胀启动器，23.膨胀出口，24.卡瓦坐挂机构，25.悬挂密封机构，26.膨胀机构，27.倒扣机构。

具体实施方式

现结合说明书附图对本发明作进一步的描述。

实施例1

参照附图1，一种双悬挂双密封式耐高温膨胀悬挂器，包括膨胀悬挂筒1、卡瓦坐挂机构24、悬挂密封机构25、膨胀机构26和倒扣机构27。其中：

所述膨胀悬挂筒1为可膨胀的短节，其顶部和底部分别加工有预先膨胀、呈上喇叭口状的膨胀出口23和下喇叭口状的膨胀启动器22；膨胀悬挂筒1底部通过变扣接头15与尾管16固定连接。

所述卡瓦坐挂机构24包括中心管7、上膨胀锥4和液压机构6，液缸机构6与上膨胀锥4相连，上膨胀锥4设有朝下的膨胀锥面，并预置于膨胀悬挂筒1的膨胀出口23处，上膨胀锥4与中心管7构成轴向滑动密封配合，液缸机构6上设有与中心管内贯通的进液孔，液缸机构7为一级或多级液缸结构；在上膨胀锥4下行程止点处的中心管7上设有限位结构，限位结构与在中心管7上轴向移动的上膨胀锥4限位配合。

所述悬挂密封机构25包括固定在膨胀悬挂筒1外表面的金属卡瓦2和密封筒3，金属卡瓦2由呈圆周排列的多块卡瓦块201组成，相邻卡瓦块201之间预设循环通道205。

所述膨胀机构26包括膨胀芯轴9和下膨胀锥5，膨胀机构26预置于膨胀悬挂筒1的膨胀启动器22内，膨胀芯轴9和下膨胀锥5为一体空心结构或者是组合套装空心结构，下膨胀锥4外表面设有向上的膨胀锥面；膨胀芯轴9上部与中心管7固定连接。

所述倒扣机构27位于膨胀机构26下部，包括空心胶塞18、轴承芯轴10、轴承11、弹簧套12、弹簧13和倒扣接头14、变扣接头15；轴承芯轴10上安装有倒扣接头14，倒扣接头14上设有倒扣螺纹，倒扣接头14通过倒扣螺纹与变扣接头15配合连接；倒扣接头14与轴承芯轴10构成周向同步转动、周向滑动配合；在倒扣接头14上部的轴承芯轴10上装有弹簧13和弹簧套12，弹簧13位于轴承芯轴10和弹簧套12之间，轴承芯轴10上部与膨胀芯轴9固定连接，在轴承芯轴10上的弹簧套12和膨胀芯轴9之间安装有轴承11；空心胶塞18通过销钉接在轴承芯轴10底部。

前述膨胀悬挂筒1、变扣接头15自上而下依次固定连接组成外管柱；液缸机构6、中心管7、膨胀芯轴9、轴承芯轴10、空心胶塞18自上而下依次固定连接组成内管柱。

实施例2

参照附图3，在实施例1的基础上进一步包括：

密封筒3为橡胶筒301、橡胶筒301-梯形金属环302或橡胶筒301-锯齿形金属环303中的一种或几种搭配组合构成。其中橡胶筒301采用耐高温的氟橡胶，橡胶筒301部位的膨胀悬挂筒1外表面设有与橡胶筒301限位配合的金属凸起。梯形金属环302为外宽内窄结构，梯形金属环302和锯齿形金属环303采用软金属材料，且外径略小于橡胶筒301外径。

参照附图2，所述卡瓦块201上加工有卡瓦牙202，相邻卡瓦块201之间通过连接筋203和固定环204固定；连接筋203为开口的非闭环结构，连接筋203外径小于卡瓦块201外径；固定环204外径略小于卡瓦块201外径。相邻卡瓦块201之间通过下部和中部的连接筋203固定，卡瓦块201上部由固定环204固定。

更进一步的，倒扣机构27还包括胶塞杆17，空心胶塞18通过销钉固定安装在胶塞杆17底部，胶塞杆17与轴承芯轴10相连，空心胶塞18预置于与膨胀悬挂器相连的尾管16内。悬挂密封机构25还包括固定短节8，膨胀芯轴9和下膨胀锥5通过固定短节8与上方的中心管7固定连接。

典型实施例3

参照附图1至3，一种双悬挂双密封式耐高温膨胀悬挂器，包括膨胀悬挂筒1、卡瓦坐挂机构24、悬挂密封机构25、膨胀机构26、倒扣机构27、变扣接头15和尾管16部件。

膨胀悬挂筒1为一段可膨胀的套管短节，其顶部和底部分别加工有预先膨胀、呈上喇叭口状的膨胀出口23和下喇叭口状的膨胀启动器22，卡瓦坐挂机构24的上膨胀锥4预置在膨胀出口23内。尾管16通过变扣接头15与膨胀悬挂筒1底部的膨胀启动器22螺纹连接。

悬挂密封机构25主要包括金属卡瓦2和多段密封筒3，金属卡瓦2和密封筒3均固定在膨胀悬挂筒1外表面。金属卡瓦2由多块卡瓦块201呈圆周排列组成，卡瓦块201上加工有卡瓦牙202。相邻卡瓦块201之间通过下部和中部的连接筋203固定，卡瓦块201上部由固定环204固定。固定环204外径略小于卡瓦块201外径，连接筋203可为开口的非闭环结构，连接筋203外径小于卡瓦块201外径。在相邻卡瓦块201之间的连接筋203处存在循环通道205。

密封筒3由橡胶筒301、梯形金属环302、锯齿形金属环303形式搭配组合构成，形成金属和橡胶双重复合密封材料。橡胶筒301采用耐高温的氟橡胶，橡胶筒301部位的膨胀悬挂筒1外表面设有金属凸起，梯形金属环302为外宽内窄结构，梯形金属环302和锯齿形金属环303采用黄铜之类的软金属材料，

梯形金属环302和锯齿形金属环303外径略小于橡胶筒301外径，位于上下相邻橡胶筒301之间的梯形金属环302为外宽内窄结构，可确保橡胶筒301在膨胀悬挂筒1膨胀过程中不易脱胶。膨胀后，密封筒3压缩在膨胀悬挂筒1和技术套管21之间，形成金属和橡胶双重材料密封。

卡瓦坐挂机构24包括中心管7、上膨胀锥4和液压机构6，位于中心管7上的上膨胀锥4安装在膨胀悬挂筒1的膨胀出口23位置，上膨胀锥4加工有朝下的膨胀锥面，上膨胀锥4套装在在中心管7上并可以轴向运动。中心管7下部设有限位结构，对在中心管7上轴向移动的上膨胀锥4进行限位。

液缸机构6与中心管7相连，上膨胀锥4安装在液缸机构6下方，且预置在膨胀出口23内。液缸机构6上加工有进液孔，液缸机构6可为多级液缸结构，应根据金属卡瓦2坐挂压力设定液缸级数，确保施工作业安全。

膨胀机构26由膨胀芯轴9、下膨胀锥5和固定短节8构成。下膨胀锥5为锥柱形通孔结构，并套装在膨胀芯轴9上，下膨胀锥5表面设有向上的膨胀锥面。固定短节8下部与膨胀芯轴9固定连接，固定短节8上部与中心管7固定连接，并将下膨胀锥5固定在膨胀芯轴9上。膨胀机构26预置于膨胀悬挂筒1的膨胀启动器22内，用于膨胀坐挂膨胀悬挂筒1，实现尾管悬挂密封。

倒扣机构27位于膨胀机构26下部，由轴承芯轴10、轴承11、弹簧套12、弹簧13和倒扣接头14部件组成。轴承芯轴10上安装有倒扣接头14，倒扣接头14随轴承芯轴10转动，同时也能够在轴承芯轴10上轴向运动，倒扣接头14上加工有倒扣螺纹。在倒扣接头14上部的轴承芯轴10上套装有弹簧13和弹簧套12，弹簧13位于轴承芯轴10和弹簧套12之间，弹簧套12可压缩弹簧13并沿轴承芯轴10轴向运动。轴承芯轴10上部与膨胀芯轴9通过螺纹固定连接，在轴承芯轴10上的弹簧套12和膨胀芯轴9之间安装有轴承11，倒扣接头14通过倒扣螺纹与变扣接头15配合连接。

双悬挂双密封式耐高温膨胀悬挂器，其预置于尾管16内部的空心胶塞18通过胶塞杆17连接在轴承芯轴10底部，空心胶塞18与胶塞杆17为销钉连接，且空心胶塞18内径小于钻杆胶塞外径，当有钻杆胶塞进入空心胶塞18时钻杆胶塞下行受阻，在压差条件下发生剪切，销钉被切断。

悬挂密封机构25，其橡胶筒301采用耐高温的氟橡胶，橡胶筒301部位的膨胀悬挂筒1外表面可加工有金属凸起，梯形金属环302和锯齿形金属环303采用黄铜之类的软金属材料。

双悬挂双密封式耐高温膨胀悬挂器，膨胀悬挂筒1、变扣接头15和尾管16依次通过螺纹连接组成外管柱，胶塞杆17、轴承芯轴10、膨胀芯轴9、固定短节8、中心管7、液缸机构6和送入钻杆19依次通过螺纹连接组成内管柱。

本发明膨胀悬挂器的作业程序主要包括以下步骤：尾管16下入、倒扣、金属卡瓦2坐挂和悬挂筒1坐挂。

步骤一：尾管16下入。参照附图4，在现场下入尾管16时，将组装好的膨胀悬挂器连接在尾管16管柱上部，再通过钻杆19连接伴送，完成尾管16管柱的安全下入。在尾管16管柱下入过程中出现遇阻现象，可通过上提下放活动钻杆19进行管柱辅助下入。

步骤二：循环倒扣。参照附图5，当尾管16下入到设计井深后，进行循环洗井，在注水泥作业前进行倒扣丢手作业。倒扣作业时，调整钻具悬重，找到钻具的中和点，正转管柱倒扣。由于井眼轨迹和摩阻因素影响，即使调整井口钻具悬重找到中和点，膨胀悬挂器的倒扣机构也可能处于上提或下压状态，在中和点载荷位置，上提或下压钻具至一定载荷，因倒扣接头14可在轴承芯轴10上轴向滑动，弹簧套12可压缩弹簧13上下活动，从而可吸收一定载荷，轴承芯轴10具有一定活动行程，使得倒扣螺纹承载较小的轴向力。正转钻杆19，轴承芯轴10带动倒扣接头14转动，弹簧13和弹簧套12通过轴承11与膨胀芯轴9发生相对转动，使倒扣接头14和变扣接头15连接的倒扣螺纹脱开，完成丢手作业。相对于常规倒扣螺纹丢手，本发明的倒扣机构27可减少倒扣螺纹轴向力，便于找到中和点载荷，提高倒扣成功率。

步骤三：卡瓦坐挂。参照附图1和6，膨胀悬挂器倒扣结束后，位于膨胀芯轴9上的下膨胀锥5与膨胀悬挂筒1的膨胀启动器22锥面接触，按正常程序注水泥固井、投钻杆胶塞20顶替。当钻杆胶塞20被顶替至胶塞杆17底部的空心胶塞18处受阻，形成内压，液压力传递至液缸机构6，液缸机构6推动上膨胀锥4沿中心管7下行，胀封膨胀悬挂筒1上部的膨胀出口23和金属卡瓦2。金属卡瓦2胀封时卡瓦块201不膨胀，但连接卡瓦块201的连接筋203被拉伸，卡瓦块201上的的卡瓦牙202被挤压锚定在技术套管21内壁上。当上膨胀锥4下行至中心管7下部的限位结构处不再继续下行，此时金属卡瓦2完成坐挂。

液缸机构6为多级液缸结构，根据金属卡瓦2坐挂压力，可调整液缸机构6的液缸级数。金属卡瓦2坐挂后，位于卡瓦块201之间的连接筋203处仍存在循环通道205，可允许液体流通。继续憋压剪切空心胶塞18，空心胶塞18脱离胶塞杆17，继续被顶替下行至固井附件处碰压。

步骤四：悬挂器坐挂。参照附图7，空心胶塞18碰压后，井口继续憋压至设计压力，井口钻具悬重下降时，上提钻具，依靠液压推动下膨胀锥5使膨胀悬挂筒1发生膨胀，并将悬挂密封机构25上的密封筒3膨胀挤压在膨胀悬挂筒1和技术套管21之间，形成强有力的“金属+橡胶”双重材料的机械密封。当下膨胀锥5膨胀至密封筒3时，由于密封筒3挤压，其坐挂压力较膨胀悬挂筒1内压要高，为避免膨胀压力过高，坐挂后的金属卡瓦2可提供机械支撑力，降低密封筒3处的坐挂膨胀压力。

步骤五：丢手完井。参照附图8，当下膨胀锥5全部完成膨胀悬挂筒1的膨胀，下膨胀锥5在液压和机械上提力作用下，从膨胀悬挂筒1内丢手，井口泄压，完成膨胀悬挂筒1的膨胀坐挂，将多余的水泥浆循环出井口后，上提钻具完井。

该双悬挂双密封式耐高温膨胀悬挂器，坐挂后可实现金属卡瓦2和密封筒3双重悬挂、金属和橡胶双重密封，有效提高膨胀悬挂器的悬挂力，显著提高膨胀悬挂器高温条件下的密封能力，适用于热采井和深井、超深井高温井况条件下的尾管完井作业。