变径式膨胀头及膨胀管膨胀作业用膨胀装置的制作方法

本发明涉及侧钻井完井施工技术领域，涉及膨胀管的膨胀作业配套工具技术，具体适用一种变径式膨胀头及膨胀管膨胀作业用膨胀装置。

背景技术：

膨胀管技术是在油气井内的特定层位，利用一种依靠机械力或液压力推动的膨胀装置，对可膨胀管材进行机械膨胀以达到预定工程目的技术。

目前，膨胀套管在井下实施膨胀作业主要有两种方式：固定膨胀锥膨胀扩管方法和变径膨胀锥膨胀扩管方法。固定膨胀锥膨胀扩管方法是一种挤压膨胀方法，具体的，当膨胀套管下入到油气井设定的工作深度后，在液压或机械力的作用下，推动膨胀锥在膨胀套管内由下至上移动，使膨胀套管膨胀变形。固定膨胀锥膨胀扩管方法主要适用于小膨胀率的膨胀作业，而对大膨胀率的套管膨胀作业的适用性比较差。变径膨胀锥膨胀扩管方法的工作原理与固定膨胀锥膨胀扩管方法的工作原理相同，但变径膨胀锥是通过膨胀锥外径尺寸的改变实现膨胀最大直径的变化。比如，专利申请号为：201310542734.8，名称为：膨胀管弧形变径膨胀装置的发明专利公开了一种变径式膨胀锥装置。变径式膨胀锥膨胀扩管方法弥补了现有固定膨胀锥膨胀扩管方法的不足，能满足大膨胀率的膨胀要求。

采用现有的固定式膨胀装置和变径式膨胀装置进行膨胀作业，均在一定程度上存在套管膨胀后内圈圆度差、管内面出现棱面等不足，膨胀管的成型质量有待进一步提高,另外，膨胀作业的启动驱动力大，也是现有膨胀装置的不足之处。

经现有技术检索，未检索到与本专利相近技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种降低膨化作用的启动驱动力，能达到较大的膨胀率，且能提高管内圈圆度、避免管内面出现棱面，进而提高膨胀管的成型质量的变径式膨胀头及膨胀管膨胀作业用膨胀装置。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种变径式膨胀头，其特征在于：包括导向锥套和多个膨胀块，导向锥套的外周由沿圆周方向均布设置有多个安装面构成，每个安装面的中部制有燕尾状导向槽，每个膨胀块内侧制有燕尾状导向带，多个膨胀块一一安装于导向锥套的多个安装面处，导向带与对应位置的导向槽形成滑动式插装配合；沿导向锥套的小端至大端方向，膨胀块外侧面由导向锥面段和膨胀作用段构成，膨胀作用段由多段圆弧型曲面段过渡连接构成，且沿导向锥套的小端至大端方向，多段圆弧型曲面段的凸起高度逐渐减小；在沿着导向锥套的圆周方向上，膨胀块两侧在膨胀作用段所对应位置处呈形状匹配的曲线边；在多个膨胀块位于导向锥套的小端位，相邻膨胀块的侧面一一咬合连接，多个膨胀块形成整体闭合式结构，在多个膨胀块移至导向锥套的大端位，多个膨胀块整体呈沿径向外移胀开状。

一种膨胀管膨胀作业用膨胀装置，其特征在于：包括中心轴、导向头、膨胀头和膨胀头变径用液压驱动机构和套座；

所述膨胀头为变径式膨胀头结构，包括导向锥套和多个膨胀块，导向锥套的外周由沿圆周方向均布设置有多个安装面构成，每个安装面的中部制有燕尾状导向槽，每个膨胀块内侧制有燕尾状导向带，多个膨胀块一一安装于导向锥套的多个安装面处，导向带与对应位置的导向槽形成滑动式插装配合；沿导向锥套的小端至大端方向，膨胀块外侧面由导向锥面段和膨胀作用段构成，膨胀作用段由多段圆弧型曲面段过渡连接构成，且沿导向锥套的小端至大端方向，多段圆弧型曲面段的凸起高度逐渐减小；在沿着导向锥套的圆周方向，膨胀块两侧在膨胀作用段所对应位置处呈形状匹配的曲线边；在多个膨胀块位于导向锥套的小端位，相邻膨胀块的侧面一一咬合连接，多个膨胀块形成整体闭合式结构，在多个膨胀块移至导向锥套的大端位，多个膨胀块整体呈沿径向外移胀开状；

所述中心轴为中空轴，在中心轴上靠近下端部位的部位设置有限位台面，所述导向头和膨胀头以上下方式安装于中心轴上，导向头外侧面与待膨胀管体的内壁密封接触，导向锥套的下端与限位台面接触；所述液压驱动机构安装于导向头与膨胀头之间的中心轴段上，液压驱动机构由多个液压缸依次接触构成，在中心轴上对应于每个液压缸位置均设置有与液压缸内腔连通的径向进油孔，位于最下端的液压缸的端部与多个膨胀块的上端接触，在最上端的液压缸的上方连接有卸油座，在中心轴上设置有卸油孔；

所述套座通过外螺纹与套管待膨胀部位的下端部形成螺纹连接；在膨胀作业前，中心轴位于限位台面的下部与套装形成密封式插装配合，且卸油座位于卸油孔处的中心轴段上，使卸油孔外封闭；在预膨胀作业阶段，卸油座、液压缸和多个膨胀块下移至膨胀块下端与限位台面接触位；在膨胀作业阶段，中心轴上的卸油孔与卸油座脱离，中心轴、导向头、膨胀头、液压缸及卸油座整体同步上移，中心轴的下端部与座套脱离配合。

本发明具有的优点和积极效果：

1、采用本变径式膨胀锥头，在膨胀装置进行预膨胀作业阶段，通过膨胀作业段上的多段圆弧型曲面可实现由小至大多次先后膨胀作用，减小了一次膨胀到尺寸的作用力，可使套管达到较大的膨胀率。

2、在预膨胀作业阶段通过多个液压缸串联式驱动，且驱动方向朝下，加之通过多段圆弧型曲面进行多次膨胀，这样相比于现有技术，可大幅度降低膨胀作业的启动驱动力。

3、由于膨胀头的多个膨胀块的膨胀作用段的两侧采用形状匹配的曲线边，这样，相邻的膨胀块的侧面可形成部分嵌入，从而最大程度的保证了在对套管进行膨胀时，套管内壁的各个部位均能与膨胀头的膨胀作用面相接触，相比于现有膨胀块的侧面采用直面的结构，提高了管内圈圆度、避免管内面出现棱面，进而提高了膨胀管的成型质量。

4、多个膨胀块与导向锥套采用燕尾槽与燕尾导向带的配合结构，相比于现有两者通过螺纹连接的方式，可大幅度提高膨胀块在导向锥套上的位置精度，有利于提高膨胀管的成型质量。

附图说明

图1是本发明变径式膨胀头的立体结构示意图；

图2是图1中导向锥套的立体结构示意图；

图3是图1中膨胀块的立体结构示意图；

图4是图1中膨胀块的平面结构示意图；

图5是本发明膨胀装置在膨胀作用前的各部分配合示意图；

图6是本发明膨胀装置在预膨胀作业阶段的各部分配合结构示意图；

图7是本发明膨胀装置在膨胀作业阶段的各部分配合结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种变径式膨胀头，请参见图1-4，其发明点为：

包括导向锥套9和多个膨胀块8，比如，附图所述的六个膨胀块。导向锥套的外周由沿圆周方向均布设置有多个安装面9-2构成，比如附图所述的六个安装面，每个安装面的中部制有燕尾状导向槽9-3，每个膨胀块内侧制有燕尾状导向带8-3，多个膨胀块一一安装于导向锥套的多个安装面处，导向带与对应位置的导向槽形成滑动式插装配合。沿导向锥套的小端9-1至大端9-4方向，膨胀块外侧面由导向锥面段8-1和膨胀作用段8-2构成，膨胀作用段由多段圆弧型曲面段过渡连接构成，且沿导向锥套的小端至大端方向，多段圆弧型曲面段的凸起高度逐渐减小。在沿着导向锥套的圆周方向，膨胀块两侧在膨胀作用段所对应位置处呈形状匹配的曲线边8-4，比如附图所示由直线段和曲线段连接构成的近似z型边。在多个膨胀块位于导向锥套的小端位，相邻膨胀块的侧面一一咬合连接，多个膨胀块形成整体闭合式结构，在多个膨胀块移至导向锥套的大端位，多个膨胀块整体呈沿径向外移胀开状。

一种膨胀管膨胀作业用膨胀装置，请参见图1-7，其发明点为：包括中心轴3、导向头2、膨胀头和膨胀头变径用液压驱动机构和套座11。

所述膨胀头为变径式膨胀头结构，包括导向锥套和多个膨胀块，导向锥套的外周由沿圆周方向均布设置有多个安装面构成，每个安装面的中部制有燕尾状导向槽，每个膨胀块内侧制有燕尾状导向带，多个膨胀块一一安装于导向锥套的多个安装面处，导向带与对应位置的导向槽形成滑动式插装配合；沿导向锥套的小端至大端方向，膨胀块外侧面由导向锥面段和膨胀作用段构成，膨胀作用段由多段圆弧型曲面段过渡连接构成，且沿导向锥套的小端至大端方向，多段圆弧型曲面段的凸起高度逐渐减小；在沿着导向锥套的圆周方向，膨胀块两侧在膨胀作用段所对应位置处呈形状匹配的曲线边；在多个膨胀块位于导向锥套的小端位，相邻膨胀块的侧面一一咬合连接，多个膨胀块形成整体闭合式结构，在多个膨胀块移至导向锥套的大端位，多个膨胀块整体呈沿径向外移胀开状。

所述中心轴为中空轴，在中心轴上靠近下端部位的部位设置有限位台面10，所述导向头和膨胀头以上下方式安装于中心轴上，导向头外侧面与待膨胀管套1的内壁密封接触，导向锥套的下端与限位台面接触。所述液压驱动机构安装于导向头与膨胀头之间的中心轴段上，液压驱动机构由多个液压缸6依次接触构成，比如附图所述的两个液压缸结构。在中心轴上对应于每个液压缸位置均设置有与液压缸内腔连通的径向进油孔7，位于最下端的液压缸的端部与多个膨胀块的上端接触，在最上端的液压缸的上方连接有卸油座4，在中心轴上设置有卸油孔5。上述液压缸采用中心轴进油、缸体移动做功的液压缸结构，在中心轴上位于缸体内固定有活塞。

所述套座通过外螺纹与套管待膨胀部位的下端部形成螺纹连接。在膨胀作业前，中心轴位于限位台面的下部与套装形成密封式插装配合，且卸油座位于卸油孔处的中心轴段上，使卸油孔外封闭。在预膨胀作业阶段(即膨胀作业启动阶段)，卸油座、液压缸和多个膨胀块下移至膨胀块下端与限位台面接触位。在膨胀作业阶段，中心轴上的卸油孔与卸油座脱离，中心轴、导向头、膨胀头、液压缸及卸油座整体同步上移，中心轴的下端部与座套脱离配合。

采用本膨胀装置进行套管膨胀作用的过程为：

在膨胀作业前，由井口投入一些金属球，金属球通过中心轴上中心孔掉落堆积到座套内，起到座套与中心轴下端部配合的密封加强作用，然后从井口向中心轴的中心孔内输入驱动液体(一般采用油)，驱动液体流入到座套与中心轴的下端部配合位置被截流，由于多个液压缸分别对应的径向进油孔均位于卸油孔的下方，且此时卸油孔被密封，因此驱动液体首先通过多个径向进油孔分别流入到各个液压缸的进油腔内，分别驱动各个液压缸的缸体朝下移动，同时卸油座也向下移动，进入预膨胀作业阶段，液压缸推动多个膨胀块朝向导向锥套的大端方向移动，实现外移变径，使套管的下端部实现径向膨大，当多个膨胀块的下端与中心轴上的限位台面接触后，被限位，此时膨胀头变径到最大值，同时中心轴上的卸油孔脱离了卸油座的封闭，驱动液体通过卸油孔进入到套管内位于导向头与膨胀头之间的空间，继而驱动液体推动导向头，同时带动中心轴、导向头、膨胀头、多个液压缸同步上移动，在上移的过程中，通过膨胀头对套管进行膨胀作业，当中心轴的下端部与座套脱离面密封接触后，驱动液体流入到膨胀头的下方，驱动中心轴、导向头、膨胀头、多个液压缸和导向头同步上移。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。