一种无极变径堵漏装置及其方法与流程

1.本发明属于油田井下工具领域，具体涉及一种无极变径堵漏装置及其方法。


背景技术：

2.井漏主要的漏失液体是钻井液、水泥浆和完井液以及其他工作流体等浸入地层，在平常大多数钻井过程中都存在着不同程度的漏失，而严重的井漏会导致井内压力失衡，影响正常钻井工作进行、引起井壁失稳、诱发地层流体涌入井筒并发生井喷现象，甚至可能造成井塌、卡钻、井喷等其他井下复杂情况和重大事故，对钻井工作危害极大，更甚会导致井眼报废，造成巨大的经济损失，目前在实际的钻井、固井作业中由于地层漏失引起下面诸多问题：（1）堵漏要消耗大量的泥浆材料，增加施工成本。
3.（2）延长施工期：井漏到无法继续时，必须停下来进行堵漏，少则几个小时，多则几天甚至几个月。
4.（3）井漏使井内液面下降，液柱压力降低，使得液柱压力不能平衡较高地层压力，发生井喷，导致井塌甚至卡钻，发生井喷、卡钻事故，如果处理不当，还会导致部分井段或全井段报废，造成巨大的经济损失。
5.（4）影响固井质量：漏失井往往难以承受水泥浆压力，造成固井时环空无水泥封固或者固井质量不达到，进而缩减井的寿命，部分井采用成本高较的分级固井仍然不能解决问题。
6.据统计，全世界井漏发生率占钻井总数的20%～25%，而井漏的处理是石油钻井中的难点，特别是复杂井漏问题尤为棘手，恶性井漏损失占井漏总损失的50%以上，且堵漏很难成功，因此亟需加强恶性井漏的防治研究。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供无极变径堵漏装置及其方法，以克服上述技术缺陷。
8.为解决上述技术问题，本发明提供了一种无极变径堵漏装置，包括同心套设的三根空心管柱，自内向外依次是中心管、膨胀胶筒和薄壁金属管，中心管的管壁开设有若干进液孔，每个进液孔的轴向中心线垂直于中心管的轴向中心线，在薄壁金属管的外管壁套设有至少一个可变径自锁的支撑环；三根管柱中的任意相邻两根管柱的端部环空均被密封封闭。
9.优选地，薄壁金属管的外管壁套设有两个支撑环，分别是上支撑环和下支撑环，其中上支撑环靠近薄壁金属管的上端部，下支撑环靠近薄壁金属管的下端部。
10.进一步地，支撑环的结构相同，它包括可同步变径的内变径环和外变径环，外变径环是由多个第一弧形件拼装组成的圆环结构，相邻两个第一弧形件相接或间隔，每个第一弧形件的内弧面均布设有第一锯齿；内变径环是由多个第二弧形件拼装组成的圆环结构，相邻两个第二弧形件相接或间隔，每个第二弧形件的外弧面均布设有第二锯齿；
内变径环的第二锯齿啮合于外变径环的第一锯齿。
11.进一步地，内变径环是由四个第一弧形件均匀间隔拼成的圆环结构，外变径环是由四个第二弧形件均匀间隔拼成的圆环结构，其中每个第二弧形件正对相邻两个第一弧形件的间隔处，且每个第二弧形件的第二锯齿同时啮合于与其正对的且相邻的两个第一弧形件的第一锯齿。
12.优选地，第一锯齿和第二锯齿均为倾斜设置的斜齿，且同一个第一弧形件或同一个第二弧形件均设有两种倾斜方向的锯齿，以第一锯齿的中点为界或以第二锯齿的中点为界，在中点的两侧是对称而设的斜齿。
13.进一步地，外变径环的外周面均匀间隔布设有若干个铆钉。
14.优选地，中心管的外管壁套设有至少两个密封件，分别是位于顶部的上密封件和位于底部的下密封件，其中上密封件和下密封件的内周面均紧贴中心管的外管壁，上密封件和下密封件的外周面均紧贴膨胀胶筒的内筒壁。
15.优选地，膨胀胶筒的外筒壁的上下端分别套设环形胶筒顶座和环形胶筒底座，其中环形胶筒顶座和环形胶筒底座的内圆周面均紧贴膨胀胶筒的外筒壁，薄壁金属管被夹持于环形胶筒顶座的下环形端面与环形胶筒底座的上环形端面之间。
16.本发明还提供了一种无极变径堵漏方法，至少包括无极变径堵漏装置，具体包括：获取目标漏失点；下放无极变径堵漏装置至目标井内；启动地面泵车，泵送高压液体至无极变径堵漏装置内；高压液体输入中心管，经进液孔排至中心管与膨胀胶筒的环形空腔内；膨胀胶筒膨胀挤压薄壁金属管，薄壁金属管胀开；持续泵送高压液体，直至支撑环撑开并嵌入目标井筒壁；停泵泄压，膨胀胶筒收缩，薄壁金属管补贴封堵目标漏失点并脱离膨胀胶筒；上提管柱，起出无极变径堵漏装置。
17.进一步地，薄壁金属管胀开，持续泵送高压液体，支撑环撑开并嵌入目标井筒壁，具体包括：薄壁金属管胀开，同时上支撑环和下支撑环打开；每个支撑环的内变径环和外变径环同步变径撑开；稳压5～10分钟，使外变径环的铆钉楔入目标井筒壁。
18.本发明的有益效果如下：（1）本发明采用无级膨胀胶筒，可以通过地面泵车控制中心管与膨胀胶筒的环形空腔的压力大小，从而控制膨胀胶筒的胀大尺寸，避免井筒内液体进入地层，从而阻止井漏引起的的井塌、卡钻、井喷等其他井下复杂情况和重大事故，同时也可以节约量的钻井液材料、钻机及人员费用，提高钻井效果与效率。
19.（2）本发明的无级膨胀胶筒主要通过同心套设的内变径环和外变径环实现，内外两个变径环通过啮合单向撑开，结合啮合斜齿的自锁作用，达到支撑环只可撑开不能缩小的目的，确保薄壁金属管补贴漏失点的牢固性，不易脱离。
20.为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。
附图说明
21.图1是无极变径堵漏装置的剖视图。
22.图2是支撑环未变径撑开的结构示意图。
23.图3是支撑环已变径撑开的结构示意图。
24.附图标记说明：1.中心管；2.膨胀胶筒；3.薄壁金属管；4.进液孔；5.上支撑环；6.下支撑环；7.内变径环；8.外变径环；9.铆钉；10.上密封件；11.下密封件；12.环形胶筒顶座；13.环形胶筒底座；14.目标漏失点。
具体实施方式
25.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
26.需说明的是，在本发明中，图中的上、下、左、右即视为本说明书中所述的无极变径堵漏装置的上、下、左、右。
27.现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
28.除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
29.第一实施方式本实施方式涉及无极变径堵漏装置，如图1所示，包括同心套设的三根空心管柱，自内向外依次是中心管1、膨胀胶筒2和薄壁金属管3，中心管1的管壁开设有若干进液孔4，每个进液孔4的轴向中心线垂直于中心管1的轴向中心线，在薄壁金属管3的外管壁套设有至少一个可变径自锁的支撑环，三根管柱中的任意相邻两根管柱的端部环空均被密封封闭。
30.无极变径堵漏装置的工作原理如下：获取目标漏失点14，下放无极变径堵漏装置至目标井内，启动地面泵车，泵送高压液体至无极变径堵漏装置内，高压液体输入中心管1，经进液孔4排至中心管1与膨胀胶筒2的环形空腔内，膨胀胶筒2膨胀20%～40%，推动挤压薄壁金属管3，薄壁金属管3胀开，持续泵送高压液体，直至支撑环撑开并嵌入目标井筒壁，停泵泄压，膨胀胶筒2收缩，薄壁金属管3补贴封堵目标漏失点并脱离膨胀胶筒2，上提管柱，起出无极变径堵漏装置。
31.上述目标漏失点14参照图1，薄壁金属管3完全覆盖目标漏失点14，以确保堵漏完整。
32.高压液体可以是清水、钻井泥浆或其他，压力以使膨胀胶筒2逐步膨胀为优，如50mpa。
33.进液孔4的作用是引流高压液体至中心管1与膨胀胶筒2的环形空腔内，为了使高
压液体快速充盈环形空腔内，可以将进液孔4开设在中心管1的中部，但不限于此，也可以在中心管1的其他任何位置。
34.为了确保高压液体的压力以及膨胀胶筒2的合理膨胀，中心管1与膨胀胶筒2的环形空腔的上下两端必须是封闭的，因此本实施方式提出了三根管柱中的任意相邻两根管柱的端部环空均被密封封闭。
35.在膨胀胶筒2膨胀后，首先会推动薄壁金属管3沿径向扩张，与此同时，薄壁金属管3上的支撑环也会沿径向扩径，随着膨胀胶筒2的持续膨胀，薄壁金属管3也同时继续沿径向扩张，直至支撑环楔入目标井筒壁，然后再持续膨胀，此时的薄壁金属管3则嵌入了目标井筒壁，目标漏失点14被薄壁金属管3完全覆盖，完成了对漏失点的堵漏。
36.支撑环不仅仅是导引限位薄壁金属管3，同时它的自锁功能可以防止薄壁金属管3收缩。
37.在实际应用中，可以将多个无极变径堵漏装置串接于钻杆串中，同时实现对多个漏失点的堵漏，无极变径堵漏装置可通过丝扣旋接于钻杆串。
38.第二实施方式本实施方式涉及无极变径堵漏装置，如图1所示，包括同心套设的三根空心管柱，自内向外依次是中心管1、膨胀胶筒2和薄壁金属管3，中心管1的管壁开设有若干进液孔4，每个进液孔4的轴向中心线垂直于中心管1的轴向中心线，在薄壁金属管3的外管壁套设有至少一个可变径自锁的支撑环，三根管柱中的任意相邻两根管柱的端部环空均被密封封闭。
39.参照图1，薄壁金属管3的外管壁套设有两个支撑环，分别是上支撑环5和下支撑环6，其中上支撑环5靠近薄壁金属管3的上端部，下支撑环6靠近薄壁金属管3的下端部。
40.支撑环的数量不唯一，可以根据需要套设相应数量的支撑环，本实施方式优选两个支撑环，一方面是考虑到对薄壁金属管3的平衡支撑，另一方面则是确保薄壁金属管3可以稳固封隔覆盖目标漏失点14，阻止井筒内的液体与地层液体流通。
41.参照图2和图3，支撑环的结构相同，它包括可同步变径的内变径环7和外变径环8，外变径环8是由多个第一弧形件拼装组成的圆环结构，相邻两个第一弧形件相接或间隔，每个第一弧形件的内弧面均布设有第一锯齿；内变径环7是由多个第二弧形件拼装组成的圆环结构，相邻两个第二弧形件相接或间隔，每个第二弧形件的外弧面均布设有第二锯齿，内变径环7的第二锯齿啮合于外变径环8的第一锯齿。
42.内变径环7套设于薄壁金属管3，当薄壁金属管3逐渐胀开时，内变径环7直径增大，由于内外变径环通过锯齿啮合在一起，通过内变径环7的胀力推动内外锯齿啮合，外变径环8也同步胀开，持续膨胀直至支撑环嵌入目标井筒壁，限制薄壁金属管3的径向活动。
43.内变径环7是由四个第一弧形件均匀间隔拼成的圆环结构，外变径环8是由四个第二弧形件均匀间隔拼成的圆环结构，其中每个第二弧形件正对相邻两个第一弧形件的间隔处，且每个第二弧形件的第二锯齿同时啮合于与其正对的且相邻的两个第一弧形件的第一锯齿。
44.如图3所示，如果对外变径环8的第二弧形件沿顺时针方向编号，则依次编号为abcd，其中a是指正上方的第二弧形件，以a和b为例，那么同一个第一弧形件则同时啮合于第二弧形件a和第二弧形件b，这样既可以将内外变径环联系起来，同时可以通过调节弧形
件的数量而控制变径大小。
45.支撑环的自锁功能通过以下结构实现：第一锯齿和第二锯齿均为倾斜设置的斜齿，且同一个第一弧形件或同一个第二弧形件均设有两种倾斜方向的锯齿，以第一锯齿的中点为界或以第二锯齿的中点为界，在中点的两侧是对称而设的斜齿。
46.图2所示为支撑环未撑开时的状态，当膨胀胶筒2经过高压液体膨胀后将薄壁金属管3与上下支撑环一起胀开，支撑环撑开，如图3所示，支撑环直径增大，由于内外变径环分布有一定斜度的齿啮合在一起，通过内变径环7的胀力推动内外齿啮合，支撑环直径只可增大，不能收缩，即一旦膨胀撑开，将不可收回，即实现自锁功能。
47.为了将膨胀后的薄壁金属管3限位，防止其沿井筒上下活动，需要将其在轴向限位，因此在外变径环8的外周面均匀间隔布设有若干个铆钉9，在支撑环胀开后通过铆钉9将薄壁金属管3嵌入井壁，限制其上下活动，此时的薄壁金属管3的轴向与径向均已限位固井。
48.图2和图3所示铆钉9，可以看出，每根铆钉9都带有倒刺，其目的是引导支撑环刺入目标井筒壁，倒刺可以防止支撑环退出，即进一步保证支撑环稳固地嵌入目标井筒壁。
49.参照图1，中心管1的外管壁套设有至少两个密封件，分别是位于顶部的上密封件10和位于底部的下密封件11，其中上密封件10和下密封件11的内周面均紧贴中心管1的外管壁，上密封件10和下密封件11的外周面均紧贴膨胀胶筒2的内筒壁。
50.高压液体经进液孔4进入中心管1与膨胀胶筒2的环形空腔，由于两个密封件的密封，环形空腔内的高压液体可以积聚保压，进而可以推动膨胀胶筒2，避免提前泄压，影响膨胀胶筒2的膨胀作用。
51.膨胀胶筒2的外筒壁的上下端分别套设环形胶筒顶座12和环形胶筒底座13，其中环形胶筒顶座12和环形胶筒底座13的内圆周面均紧贴膨胀胶筒2的外筒壁，薄壁金属管3被夹持于环形胶筒顶座12的下环形端面与环形胶筒底座13的上环形端面之间。
52.环形胶筒顶座12和环形胶筒底座13可以为膨胀胶筒2提供座体，同时也起到对薄壁金属管3的限位作用，避免在正常状态下的滑脱，以及确保受到推动时薄壁金属管3可以顺利嵌入目标井筒壁。
53.钻井、固井过程中地层漏失是处于裸眼井段，由于井径扩大率不同，漏失处裸眼井段的井径尺寸变化范围大，本实施方式采用无级膨胀胶筒（可无极变径的支撑环），可以通过地面泵车控制中心管与膨胀胶筒的环形空腔压力的大小，从而控制膨胀胶筒胀大尺寸，可满足不同井径扩大率裸眼井段的漏层封隔。
54.第三实施方式本实施方式保护了一种无极变径堵漏方法，至少包括无极变径堵漏装置，具体包括：获取目标漏失点；下放无极变径堵漏装置至目标井内；启动地面泵车，泵送高压液体至无极变径堵漏装置内；高压液体输入中心管，经进液孔排至中心管与膨胀胶筒的环形空腔内；膨胀胶筒膨胀挤压薄壁金属管，薄壁金属管胀开；持续泵送高压液体，直至支撑环撑开并嵌入目标井筒壁；
停泵泄压，膨胀胶筒收缩，薄壁金属管补贴封堵目标漏失点并脱离膨胀胶筒；上提管柱，起出无极变径堵漏装置。
55.其中薄壁金属管胀开，持续泵送高压液体，支撑环撑开并嵌入目标井筒壁，具体包括：薄壁金属管胀开，同时上支撑环和下支撑环打开；每个支撑环的内变径环和外变径环同步变径撑开；稳压5～10分钟，使外变径环的铆钉楔入目标井筒壁。
56.无极变径堵漏装置，其特征在于：包括同心套设的三根空心管柱，自内向外依次是中心管1、膨胀胶筒2和薄壁金属管3，中心管1的管壁开设有若干进液孔4，每个进液孔4的轴向中心线垂直于中心管1的轴向中心线，在薄壁金属管3的外管壁套设有至少一个可变径自锁的支撑环；三根管柱中的任意相邻两根管柱的端部环空均被密封封闭。
57.薄壁金属管3的外管壁套设有两个支撑环，分别是上支撑环5和下支撑环6，其中上支撑环5靠近薄壁金属管3的上端部，下支撑环6靠近薄壁金属管3的下端部。
58.支撑环的结构相同，它包括可同步变径的内变径环7和外变径环8，外变径环8是由多个第一弧形件拼装组成的圆环结构，相邻两个第一弧形件相接或间隔，每个第一弧形件的内弧面均布设有第一锯齿；内变径环7是由多个第二弧形件拼装组成的圆环结构，相邻两个第二弧形件相接或间隔，每个第二弧形件的外弧面均布设有第二锯齿；内变径环7的第二锯齿啮合于外变径环8的第一锯齿。
59.内变径环7是由四个第一弧形件均匀间隔拼成的圆环结构，外变径环8是由四个第二弧形件均匀间隔拼成的圆环结构，其中每个第二弧形件正对相邻两个第一弧形件的间隔处，且每个第二弧形件的第二锯齿同时啮合于与其正对的且相邻的两个第一弧形件的第一锯齿。
60.第一锯齿和第二锯齿均为倾斜设置的斜齿，且同一个第一弧形件或同一个第二弧形件均设有两种倾斜方向的锯齿，以第一锯齿的中点为界或以第二锯齿的中点为界，在中点的两侧是对称而设的斜齿。
61.外变径环8的外周面均匀间隔布设有若干个铆钉9。
62.中心管1的外管壁套设有至少两个密封件，分别是位于顶部的上密封件10和位于底部的下密封件11，其中上密封件10和下密封件11的内周面均紧贴中心管1的外管壁，上密封件10和下密封件11的外周面均紧贴膨胀胶筒2的内筒壁。
63.膨胀胶筒2的外筒壁的上下端分别套设环形胶筒顶座12和环形胶筒底座13，其中环形胶筒顶座12和环形胶筒底座13的内圆周面均紧贴膨胀胶筒2的外筒壁，薄壁金属管3被夹持于环形胶筒顶座12的下环形端面与环形胶筒底座13的上环形端面之间。
64.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。