可控除砂粒度的膨胀筛管装置的制作方法

本发明属于石油钻采工程领域，尤其是涉及一种控制除砂粒度的膨胀筛管。

背景技术：

膨胀筛管技术(Expandable Sand Screen)是一种新兴防砂技术，防砂筛管在井下施工中要经受膨胀扩径，这一工艺首次在阿曼Thayfut5井中应用，除砂和增产效果均取得肯定，该技术虽然也传播到一定范围，但是遇到问题是其膨胀过程中无法控制过滤缝隙，一般膨胀过滤缝隙要加宽几倍，严重影响到除砂效果。

中国专利CN201410223276.6中公开了一种膨胀筛管，包括从内到外依次固定套装的内层管、中间管和外层管，所述内层管的管壁上分布有若干割缝，中层管由丝状物螺旋盘绕而成，所述外层管的管壁上也分布有若干孔。虽然提到控制砂粒问题,但没有涉及膨胀过程控制缝隙任何措施，仍然达不到控制除砂粒度目的,原因是该膨胀筛管的结构设计不尽合理。已有的技术中关于膨胀管和膨胀筛管的联接组合问题均为涉及，为此本发明提出膨胀筛管控制除砂粒度特征结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可控除砂粒度的膨胀筛管装置。本发明通过膨胀安装机构和膨胀筛管过滤机构及其结合的技术方案，克服了已有技术的缺陷。采用膨胀扩径提高泄油面积，采油产量可以增加一半。根据筛网几何尺寸和膨胀率大小可直接用公式计算确定除砂粒度范围。本发明除砂稳定效率高；耐磨损，抗硫化氢腐蚀，结构刚度好，不易扭曲，使用寿命高；并且安装施工易行，膨胀阻力小，过程平稳密封可靠。

本发明提供的可控除砂粒度的膨胀筛管装置包括膨胀安装机构和膨胀筛管过滤机构。

膨胀安装机构包括：悬挂器、套管、钻杆、上胶圈、射孔、胀头导向、智能胀头、下固定胶圈、膨胀密封胶圈、膨胀密封垫、底封垫片、底封胶圈、钢球、底座。

套管通过悬挂器悬挂连接，固定在井壁内侧，套管管壁上通过打孔留有进油用的射孔；用钻杆向下送进以下机构部件：胀头导向、智能胀头以及膨胀筛管过滤机构；上胶圈和下固定胶圈通过硫化工艺分别环绕包裹在膨胀管上,起固定密封作用；多层交叠在一起的膨胀密封胶圈和膨胀密封垫位于智能胀头正下方，起密封作用；钢球是独立部件，打水压前顺钻杆中孔投入至装置最底部的底座内，起密封作用；底封垫片和底封胶圈多层交叠，通过硫化环绕包裹固定在底座顶端外侧，起密封蹩压作用。

膨胀筛管过滤机构包括：膨胀管、端部螺纹、筛管、中间螺纹、外护层、横缝层（横缝层截面为其局部结构放大图）、内连层（内连层截面为其局部结构放大图）、内连层圆孔、外护层圆孔、筛管横缝。

筛管通过端部螺纹和上方的膨胀管连接，通过中间螺纹和下方的膨胀管连接，即连接筛管两端的内连层构成筛管机构连续固定骨架；筛管的空间结构从外到内依次是外护层、横缝层和内连层；内连层圆孔、外护层圆孔、筛管横缝层是筛管的内部结构及其形态样式。

上述所述的筛管过滤机构至少采用内连层、横缝层和外护层三层组成，或大于三层的多层结构；

其中的横缝层的结构设计具有均匀相等和位置固定的缝隙w_o 和缝间隔尺寸t，并且缝走向与筛管中心轴走向基本垂直。

在通常膨胀率的条件下，膨胀后缝隙宽度W的设计可直接用以下公式计算:

W=hw_o+kt

其中系数h、k是膨胀率的函数，取值范围h=0.94-0.96；k=0.0004-0.0008。

所述的缝隙可以是周期断续，也可以是连续的。所述的横缝结构部件制备可通过磨削或腐蚀，使筛管截面形成30^o斜口的拓展型筛孔，横缝层中间形成外小内大的缝隙形状，保证砂粒顺畅滑落，不堵塞筛孔。

通过氮化筛管表面形成氮化物耐磨层。对筛管进行热处理时，往热处理炉内通入含C、N的介质，使筛管表面形成Fe（NC），增加耐磨性。

使用本发明，对于石油竖井注浆固井套管射孔后，安装膨胀筛管可如图1所示。长井段采用多段筛管直接螺纹连接，两端由带有螺纹的实体膨胀管组成。

本发明所述的内连管作为膨胀筛管的骨架，连接各段筛管。对应由下至上顺茬膨胀方式：下段管端阳螺纹与上段管端阴螺纹连接。每段膨胀管外护层和横缝层都焊接到内连层上。

本发明所述的膨胀管内连层外表面或内表面加工一定宽度带圆角未通透的割缝，是为了减小膨胀阻力。

本发明可控除砂粒度的膨胀筛管装置固定安装工艺非常方便。具体步骤为：

1）钻杆带动实体膨胀管、筛管以及发射装置下井；

2）冲洗裸眼后投球，形成封闭发射室空间；

3）注水蹩压装置下沉，与胀头错动过程中封闭下胶圈固定装置下端；

4）向上提拉胀头，进行膨胀筛管；采用智能胀头运行保证不卡井。

5）膨胀胀头至装置上部，压紧胶圈进行密封射孔上下空间；

6）胀头提出井外，钻通下部底座，安装过程结束。

本发明通过膨胀安装机构和膨胀筛管过滤机构及其结合协同作用的技术方案，克服了已有技术的缺陷,取得突出的积极效果是：

1）本发明由公式W=hw_o+kt可以精确计算出膨胀前后筛管孔隙的大小，从而有针对性的控制除砂粒度，提高除砂效率；

2）本发明扩径膨胀后，筛管孔径增大，泄油面积增大 ，原油增产50%左右；

3）本发明膨胀基本不回弹，密封悬挂阻力大于60吨，防止上下水串；

4）本发明装置刚性好不易损坏，不易堵砂，使用寿命久；

5）本发明装置抗硫化氢腐蚀，同时抗CO₂腐蚀；

6）本发明装置采用中国专利CN200510122335.1中的智能胀头装置，总体膨胀过程阻力均衡，作业平稳，安全运行，简单方便。

附图说明

图1是本发明的整体结构组成的示意图。

图2为本发明筛管处的横剖图。

图3为本发明装置下部竖剖图。

具体实施方式

为了进一步说明内容，结合附图对本发明做出详细说明。具体叙述中所用的设备、部件、材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。未注明具体的试验、测试方法及其条件，通常按照常规方法或条件以及手册中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。

如附图所示，1、悬挂器,2、套管,3、钻杆,4、上胶圈,5、膨胀管,6、端部螺纹,7、筛管,

8、射孔, 9、中间螺纹,10、内连层截面（为内连层13的局部结构放大图）,11、外护层,12、横缝层,13、内连层,14、横缝层截面（为横缝层12的局部结构放大图）,15、内连层圆孔,16、外护层圆孔,17、筛管横缝 ,18、胀头导向 ,19、智能胀头,20、下固定胶圈，21、膨胀密封胶圈,22、膨胀密封垫,23、底封垫片,24、底封胶圈,25、钢球,26、底座。

膨胀安装机构和膨胀筛管过滤机构两个部分及其安装的基础关联环境为:

第一部分是膨胀安装机构，其中包括悬挂器1、套管2、钻杆3、上胶圈4、射孔8、胀头导向18、智能胀头19、下固定胶圈20、膨胀密封胶圈21、膨胀密封垫22、底封垫片23、底封胶圈24、钢球25、底座26。

套管2通过悬挂器1 悬挂连接，固定在井壁内侧，套管2管壁上通过打孔留有进油用的射孔8；用钻杆3向下递进以下机构部件：胀头导向18、智能胀头19以及膨胀筛管过滤机构中的膨胀管5和筛管7；上胶圈4和下固定胶圈20通过硫化工艺分别环绕包裹在膨胀管5上起固定密封作用；多层交叠在一起的膨胀密封胶圈21和膨胀密封垫22位于智能胀头19正下方，起密封作用；钢球25是独立部件，打水压前顺钻杆3中孔投入至装置最底部的底座26内，起密封作用；底封垫片23和底封胶圈24多层交叠，通过硫化环绕包裹固定在底座26顶端外侧，起密封蹩压作用。

第二部分是膨胀筛管过滤机构，其中包括膨胀管5、端部螺纹6、筛管7、中间螺纹9、外护层11、横缝层12，横缝层截面14（为横缝层12的局部结构放大图）、内连层13（内连层截面10为其局部结构放大图）、内连层圆孔15、外护层圆孔16、筛管横缝17。

筛管7通过端部螺纹6和上方的膨胀管5连接，通过中间螺纹9和下方的膨胀管5连接，即连接筛管7两端的内连层10构成筛管机构连续固定骨架；筛管的空间结构从外到内依次是外护层11、横缝层12和内连层13；内连层圆孔15、外护层圆孔16和筛管横缝17是筛管的内部结构及其形态样式。

上述两部分机构的结合是通过提拉钻杆3带动智能胀头19和胀头导向18向上对膨胀管5和筛管7进行扩径，使膨胀管5和筛管7与套管2紧密贴合在一起，提出胀头19和胀头导向18，钻通底座26完成施工。

在图1的基础上，结合局部放大的图2和图3，可以较详细地描述的本发明构造结构及其明显效果。

如图1所示，高压水由钻杆3中孔引入。发射室是由膨胀密封垫22、钢球25、底座26、底封垫片23、筛管7及膨胀管5围成的封闭空间。注水加压后推动胀头导向18和智能胀头19作上升运动。

智能胀头19上升的过程引起膨胀管5和筛管7由下至上膨胀扩张，从而压紧下固定胶圈20和上胶圈4，使之与套管2紧密贴合，起密封固定的作用。

膨胀前后筛管缝隙产生了变化，但具有一定规律，为了得到需要的缝隙宽度，用公式W=hw_o+kt进行设计。膨胀后缝隙宽度可以达到0.02mm,结果与设计完全符合。

图中筛管7由外护层11、横缝层12、内连层13三层，或多层（复合）组成。其特点为必有控制除砂粒度的横缝层组成。原油从射孔8进入贮油空间。依次通过外护层11、横缝层12、内连层13，在横缝层12处进行狭缝除砂。

内连管作为膨胀筛管的骨架，连接筛管。每段外护层和横缝层都焊接到内连层上。

如若需要长井段筛管，可以采用多段筛管直接螺纹连接，两端由带有螺纹的实体膨胀管组成。

所述的横缝结构部件制备通过磨削或腐蚀，使筛管截面形成30^o斜口的拓展型筛孔，横缝层中间形成外小内大的缝隙形状，保证砂粒顺畅滑落，不堵塞筛孔。

如图2所示，内连层13放大细部，显示的端部螺纹6、中间螺纹9均属于双层实体膨胀管螺纹连接，为了减轻膨胀阻力，在内连层13外表面或内表面加工一定厚度带圆角未通透割缝。

所述的缝隙是周期断续，或是连续的。所述的筛管采用抗硫化氢不锈钢制造；所述的筛管通过氮化筛管表面（包括任一公知的氮化方法），形成Fe（NC）的氮化物耐磨层，增加耐磨性。

本发明是基于地层中存在腐蚀性气体，如硫化氢。所以用于制作筛管的材料要耐腐蚀。本发明所述的筛管采用抗硫化氢不锈钢制造。此筛管可采用CN201210179052.0中的抗腐蚀膨胀管材料（具体为化学成分元素质量百分数如下：C 0.01-0.06、Mn≤0.80、Si≤0.30、S≤0.02、P≤0.03、Cr 16.00-18.00、 Ni 7.00-9.00、Mo 0.30-0.60、Al 0.50-0.80、Cu 0-1.0、RE0.02-0.06、其余为Fe。）制作而成，可膨胀，刚性好，耐硫化氢和二氧化碳腐蚀。

本发明装置采用中国专利CN200510122335.1中的智能胀头装置（即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，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）。

上述具体实施方式的图中所示的组合方案和可能组成的其它方案，不只可用于石油竖井，也可用于石油定向井和水平井中。凡是在说明和附图中直接涉及解释内容及由此组合引申的内容，均属于本专利涵盖的范围。