爪套式分级注水泥器的制作方法

本发明涉及油气井固完井作业中固完井工具技术领域，特别涉及一种爪套式分级注水泥器。

背景技术：

随着科技的进步，钻井技术的快速发展，在勘探和开发油气过程中深井及超深井的数量越来越多，在深井或超深井的固完井过程中如果对全井套管需要封固，必不可少的就要用分级注水泥器，现场生产中分级注水泥器的用量很大。

使用分级注水泥器进行固完井作业优点很多，可以简化施工程序，简化注水泥设备要求，降低生产成本；可以避免一次性注入水泥浆量过大时高压施工带来的危险；防止地层不能承受过大的液柱压力，避免压漏地层；方便封隔特殊地层；封隔目的层温差大时，可方便调节水泥浆性能。

目前现场上使用的多家厂商生产的分级注水泥器，其结构非常接近。存在结构复杂，加工制造成本高，装配工艺复杂的问题。由于结构复杂，各生产厂商之间加工能力存在差异，装配后的分级注水泥器质量难以得到保证，产品性能不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷保证固井质量的爪套式分级注水泥器。

为此，本发明技术方案如下：

一种爪套式分级注水泥器，包括筒形本体，套装在所述筒形本体内侧的滑套，以及自上而下依次套装在所述滑套内侧的关闭套和打开套；其中，所述筒形本体的上部内壁上设有第一环形凸缘、中部侧壁上沿圆周方向均布开设有多个本体循环孔；所述滑套的顶端外壁上设有第二环形凸缘，其中部外壁上沿轴向开设有多条沿圆周方向均布的导向限位凹槽，且在位于所述导向限位凹槽下方的侧壁上沿圆周方向均布开设有多个滑套循环孔；所述滑套通过将第二环形凸缘的下端面压配在所述第一环形凸缘的上端面固定在所述筒形本体上；在所述筒形本体的侧壁上的侧壁上沿圆周方向均布有多个导向销钉，所述导向销钉贯穿所述筒形本体的侧壁，使每个销钉的端部分别一一设置在每条所述导向限位凹槽内并位于导向限位凹槽最下方；所述滑套循环孔与所述本体循环孔一一对应并形成连通；自所述滑套顶面沿轴向向下开设有多条沿圆周方向均布的割缝，使所述滑套顶端端部形成弹性爪；所述关闭套和所述打开套间隔设置；所述关闭套通过沿圆周方向均布设置在所述滑套外侧的多个关闭销固定在所述滑套上，且设置在所述关闭套的顶端外壁上的第三环形凸缘将所述第二环形凸缘紧抵在第一环形凸缘的上端面处；所述打开套封堵在所述滑套循环孔处，且通过沿圆周方向均布设置在所述滑套外侧的多个打开销固定在所述滑套上。

进一步地，在位于导向限位凹槽上方的滑套的外壁上、位于导向限位凹槽与滑套循环孔之间的滑套的外壁上、以及位于滑套循环孔下方的滑套的外壁上各设置有一道密封圈，使滑套与筒形本体之间形成密封；在关闭套的外壁上设置有一道密封圈，使滑套与关闭套之间形成密封；在位于滑套循环孔上方的打开套的外壁上、以及位于滑套循环孔下方的打开套的外壁上各设置有一道密封圈，使打开套与滑套之间形成密封。

进一步地，在所述第二环形凸缘的外侧壁面上沿轴向设置有多排呈倒齿状的锯齿牙，在位于所述第一环形凸缘下方的筒形本体内壁上开设有一与所述锯齿牙相互配合的锯齿槽，所述锯齿槽与所述锯齿牙相互配合使所述锯齿牙下行并限制其上行。

进一步地，在所述筒形本体的外壁上设置有一与所述导向限位凹槽连通的压力平衡阀。

进一步地，该爪套式分级注水泥器还包括防转套，所述防转套通过反扣螺纹连接在所述筒形本体底端内壁上；且在所述防转套的顶端端面上和所述打开套的底端端面上分别交错设置有防转套上凸块和打开套下凸块，使所述防转套和所述打开套能够插装连接固定，在所述打开套的顶端端面上和所述关闭套的底端端面上分别交错设置有打开套上凸块和关闭套下凸块，使所述打开套和所述关闭套能够插装连接固定。

进一步地，该爪套式分级注水泥器还内包括螺纹连接在所述筒形本体顶端内壁上的上接头，所述上接头壁上设有连接内螺纹。

进一步地，所述筒形本体通过沿圆周方向设置在外壁上的多个紧固螺钉固定在所述上接头上。

进一步地，所述上接头的内径小于所述滑套的外径，使所述上接头的下端面形成所述滑套上行的限位端面。

进一步地，该爪套式分级注水泥器还包括与所述打开套配套使用的重力塞和与所述关闭套配套使用的关闭塞。

该爪套式分级注水泥器通过传统水泥器的结构进行改进，使装置结构和装配工艺都得到了简化的同时降低了加工成本，提高了生产效率，使用过程中性能更加稳定，使固井质量得到保证。

附图说明

图1为本发明的爪套式分级注水泥器的结构示意图；

图2为本发明的爪套式分级注水泥器的滑套的结构示意图；

图3为本发明的爪套式分级注水泥器的重力塞的结构示意图；

图4为本发明的爪套式分级注水泥器的关闭塞的结构示意图；

图5为使用本发明的爪套式分级注水泥器建立了二级循环的示意图；

图6为本发明的爪套式分级注水泥器在施工结束循环孔被彻底关闭后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，爪套式分级注水泥器包括上接头1、筒形本体2、套装在筒形本体2内侧的滑套3、以及自上而下依次套装在滑套3内侧且间隔设置的关闭套5、打开套6和防转套8；其中，

上接头1螺纹连接在筒形本体2的顶端内壁上，且筒形本体2通过沿圆周方向设置在外壁上的多个紧固螺钉4固定在上接头1上，防止脱扣；在上接头1内壁上设有用于连接套管串的连接内螺纹；上接头1的内径小于滑套3的外径，使上接头1的下端面形成滑套3的上行限位端面；

筒形本体2的上部内壁上设有第一环形凸缘，筒形本体2的中部侧壁上沿圆周方向均布开设有2～4个本体循环孔201；筒形本体底端侧壁向内收缩，且在筒形本体底端外壁上设有用于与套管串连接的连接外螺纹；

如图2所示，滑套3的顶端外壁上设有第二环形凸缘，滑套3通过将第二环形凸缘的下端面压配在第一环形凸缘上端面上，使滑套3设置并固定在筒形本体2的内侧；同时，自滑套3顶面沿轴向向下开设有4～8条沿圆周方向均布的割缝，使滑套3顶端端部形成弹性爪301

在所述第二环形凸缘的外侧壁面上沿轴向设置有多个螺距为2～4mm锯齿牙302，且锯齿牙302呈倒齿状；在位于所述第一环形凸缘下方的筒形本体2内壁上开设有一与所述锯齿牙302相互配合的锯齿槽202，使锯齿牙302只能与锯齿槽202相互配合下行。

在滑套3上部外壁上沿轴向开设有2～3条沿圆周方向均布的导向限位凹槽304，对应地，在所述筒形本体2的侧壁上的侧壁上沿圆周方向均布有2～3导向销钉9；导向销钉9与导向限位凹槽304的条数相同，所述导向销钉9贯穿所述筒形本体2的侧壁，使销钉端部分别一一设置在所述导向限位凹槽304内并位于导向限位凹槽304最下方；

为避免滑套3或本体2形成真空后发生受压变形，在筒形本体2的外壁上设置有一与导向限位凹槽304连通的压力平衡阀7；

在滑套3中部侧壁上沿圆周方向均布开设有2～4个滑套循环孔303；滑套循环孔303的数量与本体循环孔201的数量一致，且滑套循环孔303和本体循环孔201一一对应并形成连通；

其中，导向限位槽304的长度大于与第二环形凸缘的轴向长度，保证有足够的导向下行距离；同时，导向下行距离与滑套循环孔303的孔径相适应，使滑套在导向限位槽304的导向下相对于筒形本体2完成下行后，滑套循环孔303与本体循环孔201完全错开，连通筒形本体2内外的循环孔处于关闭状态；

关闭套5通过沿圆周方向均布设置在滑套3外侧的2～3个关闭销10固定在滑套3上，且设置在关闭套5的顶端外壁上的第三环形凸缘将第二环形凸缘紧抵在第一环形凸缘的上端面处，避免所述弹性爪301向内收缩；打开套6封堵在滑套循环孔303处，且通过沿圆周方向均布设置在滑套3外侧的2～3个打开销11固定在滑套3上；其中，打开套6的底面至防转套8顶面的距离大于打开套6的顶面至滑套循环孔303下下方孔壁的距离，使打开套6下行至防转套8处时，保证滑套循环孔303完全打开；

为保证装置的密封性，在位于导向限位凹槽304上方的滑套3的外壁上、位于导向限位凹槽304与滑套循环孔303之间的滑套3的外壁上、以及位于滑套循环孔303下方的滑套3的外壁上各设置有一道密封圈305，使滑套3与筒形本体2之间形成密封；在关闭套5的外壁上设置有一道密封圈，使滑套3与关闭套5之间形成密封；在位于滑套循环孔303上方的打开套6的外壁上、以及位于滑套循环孔303下方的打开套6的外壁上各设置有一道密封圈，使打开套6与滑套3之间形成密封；

防转套8通过反扣螺纹连接在筒形本体2底端内壁上；且在防转套8的顶端端面上和打开套6的底端端面上分别交错设置有防转套上凸块a和打开套下凸块b，使防转套8和打开套6能够插装连接固定且避免发生相对转动；在打开套6的顶端端面上和关闭套5的底端端面上分别交错设置有打开套上凸块c和关闭套下凸块d，使打开套6和关闭套5能够插装连接固定且避免发生相对转动。

如图3和图4所示，该爪套式分级注水泥器还包括与打开套6配套使用的重力塞和与关闭套5配套使用的关闭塞；具体地，重力塞的外径与打开套6的内径相适应，关闭塞的外径与关闭套5的内径相适应。

该爪套式分级注水泥器的实施方法如下：

首先，如图1所示，对该爪套式分级注水泥器进行组装，然后组装作业管串；具体地，由于该爪套式分级注水泥器入井时一般放在套管串的中部，具体位置由固完井设计工艺决定；管串结构从下至上为依次连接的浮鞋、1～2根套管、浮箍、1～2根套管、碰压座、套管串、爪套式分级注水泥器、套管串和套管水泥头；配合管柱使用的挠性塞、重力塞和关闭塞则留在井口待用；

然后，将连接好的管串下到设计位置后，循环钻井液并注第一级水泥浆，第一级水泥浆注完后投入挠性塞14，用钻井液替第一级水泥浆，当挠性塞被顶替到管串下端的碰压座后，压力突然升高，即碰压；碰压后井口放压，由于管串底端有浮箍浮鞋的作用，被顶替到环空中的第一级水泥浆不会回流到管串内，第一级注水泥作业结束；

第一级注水泥作业结束后，从井口套管水泥头处投入重力塞，由于重力塞内腔中灌有金属铅，增加了重力塞的重量，重力塞在自重作用下自行下落到打开套上并形成密封，此时给管串蹩压，管串达到一定压力后打开销被剪断，推动重力塞及打开套下行，直至打开套的下端面落到防转套的上端面上，此时滑套循环孔露出，钻井液经滑套循环孔和本体循环孔流到管串外的环空中，建立了第二级循环，如图5所示；

待第一级水泥浆凝固后，即可进行第二级注水泥浆作业；具体地，第二级水泥浆注完后，在套管水泥头处释放关闭塞，继续用钻井液顶替关闭塞；此时第二水泥浆经过滑套循环孔和本体循环孔流到管串的外环空，当关闭塞被顶替并坐到关闭套上时，管串压力升高并蹩压将关闭销剪断，关闭套下行，弹性爪没有了关闭套的撑持作用发生内缩，弹性爪最上端的外环形凸缘绕过本体上的内环形凸缘下行，关闭套也推动弹性爪及滑套一起下行，下行过程中弹性爪上端外侧的锯齿牙和本体内侧的锯齿槽咬合在一起，由于锯齿牙是倒齿，滑套只能下行不能回退，当压力到达一定值时，滑套将本体循环孔彻底关闭；

井口放压后，外环空中的水泥浆不会回流到管串内，本体循环孔被永久关闭，第二级注水泥浆作业结束，如图6所示；

当第二级水泥浆彻底凝固后，用钻头钻除分级注水泥器内的关闭塞、关闭套、重力塞、打开套和防转套打通管柱内通径；钻除中，由于防转套上凸块与打开套下凸块，以及打开套上凸块与关闭套下凸块相互插装为一体，同时防转套通过反向螺纹和滑套相连，因此在钻除时不会发生相对转动，相应的关闭套和打开套在凸块作用下也不会转动，滑套又通过导向限位槽、导向螺钉和本体固定在一起，所以在钻除内部附件时，附件不会发生转动，极易被钻除。