阅读说明：本技术 尾管悬挂器组件及其顶部机械膨胀式封隔器 (Liner hanger assembly and top mechanical expansion type packer thereof ) 是由 唐欣 张敏 黄伟 冯彬 张毅超 李斌 王娟 谢明 于 2020-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种尾管悬挂器组件及其顶部机械膨胀式封隔器,所述机械膨胀式封隔器包括受剪切力可断裂连接件、下接头、中心管以及从上到下依次套装在所述中心管上的座封推筒、止退环、调节螺套、第一胀环、第一密封锥环、胶筒、第二密封锥环和第二胀环。所述第一胀环和第二胀环能够径向膨胀扩张,胶筒能够在挤压作用下爬升至第一密封锥环和/或第二密封锥环的外圆周上用其径向尺寸填满环空间隙以实现密封。在油气田钻井工程技术及装备井下作业工具领域,本发明的尾管悬挂器组件及其顶部机械膨胀式封隔器,改变了传统压缩封隔器的覆盖原理,实现了薄壁胶筒机械封隔较大环空间隙,能实现较大排量固井施工,有利于提高固井质量和固井防窜效果。(The invention provides a liner hanger assembly and a mechanical expansion type packer at the top of the liner hanger assembly, wherein the mechanical expansion type packer comprises a connecting piece which can be broken under the shearing force, a lower joint, a central pipe, a setting push sleeve, a stop ring, an adjusting screw sleeve, a first expansion ring, a first sealing conical ring, a rubber sleeve, a second sealing conical ring and a second expansion ring, wherein the setting push sleeve, the stop ring, the adjusting screw sleeve, the first expansion ring, the first sealing conical ring, the rubber sleeve, the second sealing conical ring and the second expansion ring are sequentially. The first expansion ring and the second expansion ring can expand radially, and the rubber sleeve can climb to the outer circumference of the first sealing conical ring and/or the second sealing conical ring under the extrusion effect to fill the annular space with the radial dimension of the rubber sleeve so as to realize sealing. In the field of oil and gas field drilling engineering technology and equipment downhole operation tools, the liner hanger assembly and the top mechanical expansion type packer thereof change the covering principle of the traditional compression packer, realize the mechanical packing of a thin-wall rubber sleeve into a larger annular space, realize larger displacement well cementation construction, and are beneficial to improving the well cementation quality and the well cementation anti-channeling effect.)

尾管悬挂器组件及其顶部机械膨胀式封隔器

技术领域

本发明涉及油气田钻井工程技术及装备井下作业工具领域，具体来讲，涉及一种用于油气田尾管固井施工的尾管悬挂器组件及其顶部机械膨胀式封隔器。

背景技术

在油气井的尾管固井施工中，常常使用封隔器或带顶部封隔器的尾管悬挂器，防止油、气、水等窜槽，有效实现环空永久机械封隔，提高固井质量。目前，在油气井尾管固井施工中使用的传统封隔器结构，主要有压缩式、扩张式和膨胀式等结构。

中国专利号“CN209430154U”公开了一种封隔式尾管悬挂器顶部封隔组件，包括中心管，中心管外壁上自上而下依次设置有传力套、扶正环、上隔环、上承环、胶筒、下承环和下隔环，该实用新型对密封胶筒保护较好，环空封隔能力有所提高，但其主要针对7寸以下尾管尺寸设计研发，属于小尺寸顶部封隔组件。中国专利号“CN103437734A”公开了一种封隔器结构，包括中心管、座封筒、胶筒座和胶筒，所述胶筒座包括上胶筒座和下胶筒座，所述座封筒、上胶筒座、胶筒和下胶筒座从上至下依次套装在中心管上，所述座封筒与上胶筒座之间设置有自锁机构，胶筒两端分别依次设置有端环和胀环，该发明径向尺寸小，能封隔相对较大的环空间隙，该较大的环空间隙是相对于径向尺寸小来说的。

以上两个专利比较适用于封隔较小的环空间隙，但不能提高尾管悬挂器的环空过流面积，当环空间隙进一步增大时，封隔压力显著下降，环空永久机械封隔将失效，不利于提高固井质量。

中国专利号“CN101173601”公开了一种可旋转液压膨胀式尾管悬挂器，实现了尾管悬挂器座挂、封隔器座封、尾管丢手结构一体化，这就造成其其座挂、座封和丢手需要在注水泥浆顶替到位后才能一次性完成，而此时水泥浆在稠化中，一旦丢手出现复杂情况，不能迅速丢手，将造成恶性事故。中国专利号“CN200620010274.X”公开的一种补偿扩张式注水封隔器，该专利就是通过向胶皮筒内注入流体，使胶皮筒径向扩张，填充环空间隙，实现封隔，该封隔器胶筒较薄，能封隔的环空间隙较大，但该封隔器结构较复杂，生产制造成本高昂。

综上，现有技术中的压缩式封隔器存在径向设计空间大、环空封隔间隙小，不能明显增加环空过流面积缺点；扩张式封隔器存在结构复杂、成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种尾管悬挂器顶部机械膨胀式封隔器，包括受剪切力可断裂连接件、下接头、中心管以及从上到下依次套装在所述中心管上的座封推筒、止退环、调节螺套、第一胀环、第一密封锥环、胶筒、第二密封锥环和第二胀环。其中，所述受剪切力可断裂连接件能够将所述座封推筒固定连接至所述中心管的上端，且能够在所述座封推筒承受从上至下的力的情况下断裂。所述座封推筒的下端具有能够容纳止退环和调节螺套上端的一部分的内腔，且能够向调节螺套施加推力。所述止退环能够阻止调节螺套朝向座封推筒运动。所述第一胀环具有能够在承受调节螺套与第一密封锥环的挤压作用下，沿所述中心管的径向变形和扩张的第一膨胀部，所述第二胀环具有能够在承受第二密封锥环的压力作用下，沿所述中心管的径向变形和扩张的第二膨胀部。所述第一胀环以及第二胀环材质强度较高，能够承受高压密封载荷。所述胶筒被配置为能够在第一密封锥环与第二密封锥环的挤压作用下爬升至第一密封锥环和/或第二密封锥环的外圆周上，且所述胶筒的径向尺寸能够填满第一密封锥环和/或第二密封锥环的外圆周与套管的内圆周之间的空间。

本发明的另一方面提供了一种尾管悬挂器组件，所述尾管悬挂器组件包括尾管悬挂器以及上述的尾管悬挂器顶部机械膨胀式封隔器。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：座封方便，使用安全，封隔压力高，密封可靠；实现了薄壁胶筒机械封隔较大的环空间隙，在封隔器座封前采用具有此封隔器结构的尾管悬挂器组件会具有较大的环空过流面积；能够减小施工节流压力，实现较大排量固井施工，有利于实现尾管固井-防窜，提高固井质量。

附图说明

图1示出了本发明的尾管悬挂器顶部机械膨胀式封隔器的结构示意图。

图中标记：

1-中心管，2-座封推筒，3-受剪切力可断裂连接件，4-止退环，5-调节螺套，6-第一胀环，7-第三胀环，8-密封圈，9-第一密封锥环，10-胶筒、11-第二密封锥环，12-第四胀环，13-第二胀环，14-下接头。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的尾管悬挂器组件及其顶部机械膨胀式封隔器。本文中，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。

实施例1

在本发明的一个示例性实施例中，尾管悬挂器顶部机械膨胀式封隔器包括受剪切力可断裂连接件、下接头、中心管以及从上到下依次套装在中心管上的座封推筒、止退环、调节螺套、第一胀环、第一密封锥环、胶筒、第二密封锥环和第二胀环。

受剪切力可断裂连接件能够将座封推筒固定连接至中心管的上端，且能够在座封推筒承受从上至下的力的情况下断裂。这里，从上至下是指沿中心管的中轴线从中心管的上端至下端的方向，这也是作业时中心管所处的状态。例如，受剪切力可断裂连接件被设置在座封推筒上，并且部分嵌入中心管外壁。又如，受剪切力可断裂连接件可以为销定，例如，为安全销-钉。

座封推筒的下端具有能够容纳止退环并容纳调节螺套上端的一部分的内腔，且座封推筒能够通过与调节螺套的上端的未被容纳部分的外壁接触向调节螺套施加从上至下的推力。例如，座封推筒的下端的内壁和调节螺套上端的被容纳部分的外壁设置有彼此匹配的螺纹，且调节螺套的上端的未被容纳部分的外壁具有至少一个不同角度的倾斜面，能够使得座封推筒向下施加的力能够通过调节螺套可靠向下传递。

止退环能够阻止调节螺套朝向座封推筒运动。例如，中心管的外壁设置有第一止退齿，止退环内壁设置有与第一止退齿配合的第二止退齿。止退环的第一止退齿通过与中心管的外管壁的第二止退齿的配合实现止退环只能从上至下运动，而无法从下至上运动。进而实现阻止调节螺套从下至上的运动，即阻止调节螺套后退的作用。调节螺套上端和止退环下端可以设置一套相互配合的倒角，如调节螺套上端内倒角配合止退环下端外倒角。止退环能够有效控制封隔器各零件的装配间隙，提高使用的安全性，同时还能有效的实现自锁止退，实现封隔器永久机械封隔。

第一胀环具有能够在承受调节螺套与第一密封锥环的挤压力作用下，沿中心管的径向向外扩张的第一膨胀部。例如，第一膨胀部可具有孔径朝向胶筒(也可称为朝下)逐渐扩张的第一内锥孔。第一膨胀部可以为受挤压能够产生预定径向扩张形变量的金属或合金件。第一内锥孔还可以在其锥孔壁上设置若干轴向等分窄隙，使第一膨胀部能够更好地实现受力扩张变形。第一膨胀部在使用过程中，因承受挤压力使得其第一内锥孔的径向尺寸得以扩张而高度尺寸减小，进而实现使第一膨胀部因发生径向扩张而变成直径更大的环带，最终实现第一胀环的膨胀。第一胀环膨胀后能够阻止座封后第一密封锥环或胶筒在挤压力的作用下向上滑出。

第二胀环具有能够在承受第二密封锥环与下接头的挤压力的作用下，沿中心管的径向向外扩张的第二膨胀部。例如，第二膨胀部可具有孔径朝向胶筒(也可称为朝上)逐渐扩张的第二内锥孔。第二膨胀部可以为受挤压能够产生预定径向扩张形变量的金属或合金件。第二内锥孔还可以在其锥孔壁上设置若干轴向等分窄隙，使第二膨胀部能够更好地实现受力扩张变形。第二膨胀部在使用过程中，因承受挤压力使得其第二内锥孔的径向尺寸得以扩张而高度尺寸减少，从而实现使第二膨胀部因发生径向扩张而变成直径更大的环带，最终实现第二胀环的膨胀。第二胀环膨胀后能够阻止座封后第二密封锥环或胶筒在挤压力的作用下向下滑出。

胶筒被配置为能够在第一密封锥环与第二密封锥环的挤压作用下爬上至第一密封锥环以及第二密封锥环的外圆周、第一密封锥环的外圆周或者第二密封锥环的外圆周上，胶筒的径向尺寸被设置为爬升后能够刚好填满第一密封锥环或第二密封锥环与外层套管之间的环空间隙。例如，胶筒为两端设置有内倒角的环形设置有大斜度内锥面的环形，第一密封锥环为靠近胶筒的一端(也可称下端)设置有外倒角的环形，第二密封锥环为靠近胶筒的一端(也可称上端)设置有外倒角的环形。外倒角或大斜度内锥面与内倒角的配合能够方便在受挤压作用下胶筒爬升。

第一密封锥环远离胶筒的一端(也可称上端)可设置一个外倒角(也可称斜面)与第一胀环的第一膨胀部配合，使得第一膨胀部能够更好地膨胀为预期的形状。第一密封锥环的内壁还可以设置一个密封圈以达到更好的封隔效果。例如，在中心管外壁的第一密封锥环处设置第一密封圈或设置一个凹槽放置第一密封圈。

第二密封锥环远离胶筒的一端(也可称下端)可设置一个外倒角与第二胀环的第二膨胀部配合，使得第二膨胀部能够更好的膨胀为预期的形状。第二密封锥环的内壁还可以设置一个密封圈以达到更好的封隔效果。例如，在中心管外壁的第二密封锥环处设置第二密封圈或设置一个凹槽放置第二密封圈。

下接头通过连接中心管的下端和尾管悬挂器来将中心管固定在尾管悬挂器上。下接头的下端能够与尾管悬挂器相固定，上端具有能够容纳中心管的腔体，通过中心管下端外壁设置的相匹配螺纹与该腔体内壁的螺纹相固定，使得下接头与中心管能够保持相对位移不变，从而能够在座封推筒提供向下的压力的情况下给第二胀环提供向上的挤压力。

现场使用时，将装有本发明尾管悬挂器顶部机械膨胀式封隔器的尾管悬挂器组件下入井中。在固井施工准备完成后，进行注替水泥浆作业时，因为该尾管悬挂器组件环空过流面积较大，所以可采用较大的施工排量施工，以节约施工时间，改善水泥浆的顶替效率，从而可提高固井质量。

当注替水泥浆结束，需要座封封隔时。下压座封推筒，使受剪切力可断裂连接件在剪切力的作用下断裂。继续下压座封推筒，通过调节螺套下推第一胀环、第一密封锥环、胶筒、第二密封锥环以及第二胀环。在下压力的作用下，第一胀环的第一膨胀部以及第二胀环的第二膨胀部会膨胀变形，从而阻止第一密封锥环、胶筒以及第二密封锥环的滑出。胶筒沿第一密封锥环和第二密封锥环的锥面膨胀爬升至第一密封锥环与外层套管的环空间隙处、第二密封锥环与外层套管的环空间隙处或第一密封锥环和第二密封锥环与外层套管的环空间隙处。

座封过程中，第一胀环以及第二胀环的胀开和胶筒的膨胀爬升同步进行。当座封推筒下压到位时，第一胀环以及第二胀环均充分胀开，能够充分填满中心管与外层套管之间的环空间隙，胶筒在轴向上基本不需压缩就能充分填满外层套管与第一密封锥环以及第二密封锥环之间的环形空间，止退环与中心管自锁止退。

实施例2

本实施例为本发明的又一示例性实施例，是本发明的一种优选方案，在实施例1的基础上还包括第三胀环以及第四胀环。

参照图1，第三胀环7设置在第一胀环6与第一密封锥环9之间，且具有能够在挤压作用下，沿所述中心管1的径向变形或扩张的第三膨胀部。第三膨胀部的变形或扩张比第一膨胀部的变形或扩张更容易。第三膨胀部是较软易变形的材料制成的，如铜合金材料。第三膨胀部可以为内锥孔形，其锥孔越靠近胶筒直径越大，可以为薄壁喇叭形，喇叭口朝向胶筒，或是其它越靠近胶筒开口越大，越远离胶筒开口越小的筒形。因第三膨胀部比第一膨胀部更易变形，所以第三膨胀部能够在受到第一胀环和第一密封锥环的挤压作用下变形填满第一胀环与第一密封锥环之间的空隙，达到更好的封隔效果。

第四胀环12设置在第二胀环13与第二密封锥环11之间，且具有能够在挤压作用下，沿所述中心管1的径向变形或扩张的第四膨胀部。第四膨胀部的变形或扩张比第一膨胀部的变形或扩张更容易。第四膨胀部是较软易变形的材料制成的，如铜合金材料。第四膨胀部可以为内锥孔形，其锥孔越靠近胶筒直径越大，可以为薄壁喇叭形，喇叭口朝向胶筒，或是其它越靠近胶筒开口越大，越远离胶筒开口越小的筒形。因第四膨胀部比第二膨胀部更易变形，所以第四膨胀部能够在受到第二胀环和第二密封锥环的挤压作用下变形填满第二胀环13与第二密封锥环11之间的空隙，达到更好的封隔效果。

如果想要得到更好的封隔效果，还可在第一密封锥环9的内壁与中心管1的外壁之间设置第一密封圈8，在第二密封锥环11的内壁与中心管1的外壁之间设置第二密封圈。

第三胀环7与第一胀环6以及第四胀环12和第二胀环13的软硬搭配、强度互补能够使得座封更加可靠，实现环空无缝保护封隔器胶筒，如胶筒10，进而达到使本发明的封隔器支撑力更强、封隔压力更高。

现场使用时，将装有本发明尾管悬挂器顶部机械膨胀式封隔器的尾管悬挂器组件下入井中。在固井施工准备完成后，进行注替水泥浆作业时，因为该尾管悬挂器组件环空过流面积较大，所以可采用较大的施工排量施工，以节约施工时间，改善水泥浆的顶替效率，从而可提高固井质量。

当注替水泥浆结束，需要座封封隔时。下压座封推筒2，使受剪切力可断裂连接件3在剪切力的作用下断裂。继续下压座封推筒2，通过调节螺套5下推第一胀环6、第三胀环7、第一密封锥环9、胶筒10、第二密封锥环11、第四胀环12以及第二胀环13。在下压力的作用下，第一胀环6的第一膨胀部、第三胀环7的第三膨胀部、第四胀环12的第四膨胀部以及第二胀环13的第二膨胀部会膨胀变形。第一胀环6和第三胀环7重叠在一起，环面无缝覆盖，能够阻止第一密封锥环9以及胶筒10向上滑出，第四胀环12和第二胀环13重叠在一起，环面无缝覆盖，能够阻止第二密封锥环11以及胶筒10向下滑出。在第一胀环6、第三胀环7、第四胀环12以及第二胀环13膨胀的过程中，胶筒10沿第一密封锥环9和第二密封锥环11的锥面膨胀爬升至第一密封锥环9与外层套管的环空间隙处、第二密封锥环11与外层套管的环空间隙处或第一密封锥环9和第二密封锥环11与外层套管的环空间隙处。

当座封推筒2下压到位时，第一胀环6、第三胀环7、第四胀环12以及第二胀环13均充分胀开，能够充分填满中心管1与外层套管之间的环空间隙，胶筒10在轴向上基本不需压缩就能充分填满外层套管与第一密封锥环9和/或第二密封锥环11之间的环形空间，止退环4与中心管1自锁止退。

综上所述，采用本发明的尾管悬挂器组件或者尾管悬挂器顶部机械膨胀式封隔器能够实现座封方便，使用安全，封隔压力高且密封可靠。同时还能实现使用薄壁胶筒机械封隔较大的环空间隙。在封隔器座封前采用此封隔器结构的尾管悬挂器组件具有较大的环空过流面积，能够减小施工节流压力，实现较大排量固井施工，有利于实现尾管固井防窜，提高固井质量。