一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器及其操作方法与流程

1.本发明属于油田钻探工程技术领域，涉及一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器及其操作方法。

背景技术：

2.如今，随着诸如页岩气、致密油、砾岩油等非常规油气资源的大规模开发，深井超深井钻井越来越广泛，随着井深的增加，一方面下入井眼中套管层次随之增加，另一方面钻遇异常高压、恶性漏失和井壁不稳定(出砂掉块、恶性垮塌等)等复杂地层的概率也越来越大，这都对开展膨胀管裸眼封堵或等径井钻井等作业，实现更快更高效更安全地封堵风险点、优化井身结构、获得更大完井内径等目的，提出了更为迫切需求和新挑战。
3.在进行膨胀管裸眼封堵作业或等井径钻井作业时，通常需要提前对作业井段进行扩眼，膨胀管和井壁之间的环空间隙随之增大，若此时井斜角或狗腿度也较大，或井眼存在不规则变径，或膨胀管外无固井水泥支撑，或地层岩石非均质性强，则极易导致胀后膨胀管在井筒中居中度严重下降，进而对膨胀管作业成功和下步顺利钻进带来巨大风险，风险主要体现在以下三个方面。
4.风险一：井筒钻头通过性差，继续钻进风险大。进行膨胀管裸眼封堵作业，一般采用悬挂器将下层膨胀管回接入上层套管中，此时作业完成后，套管和膨胀管同心度好，钻头容易通过二者的重叠段，即井筒钻头通过性好。但随着井深越来越深，地层特性越来越复杂，出于最大限度节省井眼直径的目的，更希望膨胀管不回接入上层套管中，此时若下层膨胀管上端口和上层套管鞋距离较远，则套管和膨胀管同心度往往较差，继续钻进时，钻头不易顺利通过二者之间的裸眼段进入下层膨胀管中，即钻头通过性差，容易导致后续钻进无法顺利进行。
5.风险二：容易出现压差黏附卡钻，不利于顺利膨胀。膨胀管在裸眼段施工作业过程中，会因自身重量、井眼不规则、井斜较大、高渗层泥岩层存在等原因贴在一侧井壁上，若管体外壁无扶正器扶正、且不及时进行上提下放或泥浆循环，则极易在短时间内反复出现压差或黏附卡钻等现象，对膨胀管顺利膨胀和安全作业带来巨大风险。
6.风险三：复杂井段膨胀管易发生损坏。由于膨胀管裸眼封堵技术主要应用于异常高压、恶性漏失和井壁异常不稳定等复杂地层，同时膨胀前通常需要进行扩眼和大排量通井循环，这些因素都增加了井眼出现“大肚子”(异常扩径)的概率，若此时膨胀管外无固井水泥或扶正器等进行有效支撑，则管体在后续钻进时钻具的反复上提下放的冲击磨蚀下，极易出现震颤、屈曲、开裂、甚至挫断等严重后果，导致膨胀管裸眼封堵作业失败。
7.针对上述这些风险，现有相关扶正器普遍不能满足膨胀管作业时对居中度的高技术要求，不足之处主要体现在以下四个方面：
8.第一：现有相关扶正器，工具结构往往比较复杂、核心设计参数优化欠缺，普遍存在扶正器下放摩阻大、定位困难、零件易损坏等不足。
9.第二：现有相关扶正器，主要是利用扶正片产生弹性变形的方法来进行扶正，该方
法虽然具有原理简单容易实现的优点，但也存在当扶正器工作所需环空间隙狭小或不规则变化时，扶正片弹性变形不易启动，扶正力小等缺点，极易扶正失败，严重时甚至出现扶正失败“多米诺骨牌”现象。
10.第三：膨胀管使用井段储层特性往往比较复杂，常遭遇不规则变径、地层岩石非均质性强等情况，而扶正器随膨胀管下入井中后，一般无法再通过地面手段实现对扶正器工作状态的调控，因此就要求扶正器扶正时能够自动适应复杂井径和地层变化，即具有较强的自适应性，但现有相关扶正器一般不具备自适应性或较差。
11.第四：现有相关扶正器，普遍不能针对井下复杂工况、实际井身结构设计和膨胀管具体使用规格等因素进行个性化设计，也不能对扶正效果进行可视化预测，严重制约了包含扶正器在内的膨胀管安全作业配套技术和工具的完善。

技术实现要素：

12.本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器及其操作方法，通过工具可实现膨胀管在裸眼段扶正，能够有效提高固井质量，降低施工风险，达到降本增效的目的。本发明能有效增强膨胀管遭遇复杂井段和地层时在井筒中的居中度，从而促进解决开展膨胀管裸眼封堵和等井径钻井作业时，常出现井筒钻头通过性差、易压差黏附卡钻、复杂地层管体易损伤等诸多问题，最终实现为膨胀管深井超深井安全高效钻进提供配套技术保障的目的。
13.为了达到上述技术目的，本发明的实施例是这样实现的：
14.一方面，本发明的实施例提供了一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器，包括固定环箍和扶正片两组零件，所述固定环箍上设有扶正片连接槽，扶正片和固定环箍通过焊接连接，所述固定环箍上还设有装配槽，在膨胀管外壁上设有环箍定位切槽，所述固定环箍通过过盈配合嵌入在环箍定位切槽中，所述扶正器和膨胀管通过固定环箍上的装配槽焊接连接。
15.进一步，所述固定环箍的数量为2个。
16.进一步，所述扶正片的数量为6～8片。
17.进一步，所述扶正片的长度为400～800mm。
18.进一步，所属扶正片采用塑性较强的金属加工而成。
19.进一步，所述扶正片中间厚两边薄，两边厚度2～4mm，中间厚度3～8mm，厚度差控制在1～5mm范围内。
20.进一步，所述扶正片的形状呈中心角扭转30
°
～60
°
的螺旋形状。
21.进一步，所述扶正片在固定环箍上的安装倾斜角度为30
°
～60
°
。
22.另一方面，本发明的实施例提供了一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器的操作方法，包括以下步骤：
23.步骤1、组装扶正器，根据现场实际使用需求，将扶正器装配在膨胀管特定位置上；
24.步骤2、扶正器随膨胀管下入井中，下放到位后，进行固井和打压膨胀等作业；
25.步骤3、随着膨胀管膨胀过程的不断进行，扶正器逐渐进入工作状态，扶正片隆起形成多个扶正弓，并不断发生移动、定位和硬化，最终强有力的支撑在井壁上，对膨胀管进行有效扶正。
26.优选地，每100m长度膨胀管上可根据实际井况布置10～20个扶正器，扶正器彼此之间间距为2～10m，从而增强扶正器对膨胀管的扶正作用和对复杂地层的适应能力。
27.本发明实施例的有益效果是：
28.(1)本发明的技术方案可在未工作时，降低膨胀管柱下放摩阻，促进膨胀管顺利下放，下放定位后，能在膨胀过程中顺利隆起，有效形成“扶正弓”，从而对管体进行有效扶正，避免出现扶正失败“多米诺骨牌”现象。
29.(2)本发明的螺旋结构地层自适应塑性扶正器，通过对结构、参数和材料等进行特殊设计和优化，可增强扶正器对不规则变径、地层非均质性强、井斜角和狗腿度变化较大等复杂井段和地层的自适应能力，保证了其能够在复杂地层条件下，对膨胀管进行有效支撑和扶正。
30.(3)本发明的扶正器，可有效提升膨胀管在井筒中的居中度，从而提升等井径钻井时下层膨胀管和上层套管鞋之间井筒的钻头通过性；降低膨胀管在遭遇高渗层、泥岩层等发生粘卡的概率，增大井下复杂处理的窗口；提升膨胀管在复杂井段中固井质量，同时通过改善膨胀管受力，降低发生损伤的概率；拓宽膨胀管在复杂地层中的应用范围。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
32.图1是扶正器整体结构示意图；
33.图2是扶正器零件示意图，其中，a为扶正器固定环箍示意图，b为扶正器扶正片示意图；
34.图3是扶正器装配示意图，其中，a为布置扶正器的局部膨胀管示意图，b为扶正器在膨胀管上组装示意图；
35.图4是扶正器工作原理示意图，其中，a为扶正器未进入工作状态示意图，b为扶正器逐渐进入工作状态示意图，c为扶正器完全进入工作状态示意图；
36.图5是扶正器使用井况示意图，其中，a为未安装扶正器的膨胀管胀后在井筒中居中度差示意图，b为a的沿a-a的截面图，c为未安装扶正器的膨胀管胀后在井筒中居中度好示意图，d为c的沿b-b的截面图。
37.图中：1-固定环箍；2-扶正片；3-装配槽；4-扶正片连接槽；5-膨胀管；6-环箍定位切槽；7-扶正弓；8-裸眼井段；9-膨胀管连接螺纹；10-地层岩石；11-进入工作状态的扶正器。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。
39.参阅图1至图3所示，扶正器由扶正片固定环箍(2个)和扶正片(6～8片)组成，固定环箍上预制扶正片连接槽，组装扶正器时，扶正片两端先插入扶正片连接槽中，扶正片通过焊接方式与环箍连接在一起。固定环箍上还开有装配槽，以方便和膨胀管进行装配。组装好扶正器后，在膨胀管外壁上加工环箍定位切槽，固定环箍通过过盈配合，嵌入在环箍定位切槽中，嵌入完成后，将固定环箍上的装配槽焊死，则扶正器和膨胀管装配完成。
40.参阅图4所示，当膨胀锥从左向右对膨胀管进行膨胀时，膨胀管本身从左向右发生缩短，此时就会对扶正器两个固定环箍形成一个挤压，两个固定环箍进一步挤压焊在其上的扶正片，扶正片在挤压作用下发生隆起形成扶正弓，从而紧紧贴在地层(井壁)上，对膨胀管起到扶正作用。
41.扶正器可根据实际井况需要，安装在膨胀管需要支撑位置上，比如应用于斜井段中，通过安装扶正器，增强膨胀管在斜井段裸眼地层中的居中度，参阅图5。
42.本发明中所述一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器总体方案技术细节为：
43.(1)为实现扶正器顺利下放：首先对扶正片形状进行了中间厚两边薄处理(厚度差为1～5mm)，其次每个扶正片呈一定倾斜角度(30
°
～60
°
)安装在固定环箍上，所有扶正片整体在膨胀管外壁上呈现螺旋状结构，最后对扶正片进行预隆处理，通过这些设计可保证扶正器在有效扶正的前提下，使扶正片略高于外管壁，同时将扶正片与地层之间的面接触变为线接触，从而综合减小管柱与井壁之间的摩擦面积，降低下放摩阻。
44.(2)为实现扶正器有效扶正：首先对扶正片预隆位置和高度进行优化，以保证扶正器在井下能够顺利启动隆起，进而造“扶正弓”来扶正；其次对扶正器各零件连接处进行优化处理(如扶正片施加倒角、固定环槽加工成半燕尾状)，以保证扶正器在工作时不发生开裂脱落等；其次对扶正片结构参数(主要是长度、宽度和厚度参数)进行优化，以保证具有良好且足够的造“扶正弓”能力；最后对扶正片材料进行优选，采用塑性较大的金属，以充分利用材料本身的弹塑性特性，保证“扶正弓”在合适时机由弹性隆起向塑性硬化转变，从而使扶正片能够强有力的支撑在井壁上起到扶正作用，避免出现扶正失败“多米诺骨牌”现象。
45.(3)增强扶正器自适应能力：为增强扶正器自适应性(自动适应复杂地层能力)，首先对扶正片结构参数(主要是数量和长度参数)进行优化，保证扶正器在遭遇井眼不规则变径、地层非均质性强等复杂情况时，能在井壁纵向上多点同时造“扶正弓”，且“弓”可以根据井壁特特性流动、定位和硬化，从而抑制井壁纵向不规则和岩石非均质性对扶正片同时、均匀、有效隆起和造弓的负面影响。其次对扶正片在固定环箍上的安装倾斜角度(30
°
～60
°
)进行优化，以保证扶正器在有效扶正的前提下，井壁环向上所受的扶正力的反作用力更加均匀，抑制井壁环向不规则和岩石非均质性对扶正的负面影响。最后对扶正器安装数量和彼此之间间距进行优化，以促进多个扶正器之间形成协同扶正，进一步增强扶正器对诸如井斜角和狗腿度变化较大等复杂井段和地层的自适应能力，起到有效扶正的作用。
46.本发明中所述一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器总体方案工作原理为：
47.(1)扶正器在地面组装好后，通过固井环箍和膨胀管外管壁上的环箍定位切槽，将扶正器和膨胀管装配成一个整体，并随膨胀管一起下放入井，此时扶正器未进入工作状态，由于扶正片倾斜布置且略高于膨胀管外管壁，因此可降低膨胀管下放摩阻。
48.(2)膨胀管下放到位后，对其进行打压膨胀，随着膨胀的进行，膨胀管会沿着管体轴线(基本和井筒轴线重合)方向缩短，外管壁上两个扶正器固定环箍之间的距离也随之减
小。随着环箍间距开始减小，扶正片逐渐在井筒轴线方向上受到环箍的挤压作用，开始在井筒径向上隆起，形成初始“扶正弓”，支撑在井壁上，此时由于扶正片均以弹性隆起变形为主，“扶正弓”软，扶正力小，因此有利于有所扶正片均匀隆起。
49.(3)随着环箍间距进一步减小，扶正片受到的挤压作用越来越强，形成一些新“扶正弓”，由于对扶正片结构、参数和材料等进行了特殊设计和优选，所有这些“扶正弓”会根据井径实际变化情况和岩石非均质特性，自适应的在特定位置形成，并不断发生移动、定位和硬化，最终强有力的支撑在井壁上，此时，扶正片以塑性变形为主，“扶正弓”硬，扶正力大，可对膨胀管进行有效扶正。
50.本发明中所述一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器总体方案使用方法为：
51.(1)组装扶正器，根据现场实际使用需求，将扶正器装配在膨胀管特定位置上(加工厂内完成)；
52.(2)扶正器随膨胀管下入井中，下放到位后，进行固井和打压膨胀等作业；
53.(3)随着膨胀管膨胀过程的不断进行，扶正器逐渐进入工作状态，扶正片隆起形成多个“扶正弓”，并不断发生移动、定位和硬化，最终强有力的支撑在井壁上，对膨胀管进行有效扶正，如图3所示。
54.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

技术特征：

1.一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器，其特征在于，包括固定环箍和扶正片两组零件，所述固定环箍上设有扶正片连接槽，扶正片和固定环箍通过焊接连接，所述固定环箍上还设有装配槽，在膨胀管外壁上设有环箍定位切槽，所述固定环箍通过过盈配合嵌入在环箍定位切槽中，所述扶正器和膨胀管通过固定环箍上的装配槽焊接连接。2.根据权利要求1所述的螺旋结构地层自适应塑性扶正器，其特征在于，所述固定环箍的数量为2个。3.根据权利要求1所述的螺旋结构地层自适应塑性扶正器，其特征在于，所述扶正片的数量为6～8片。4.根据权利要求1所述的螺旋结构地层自适应塑性扶正器，其特征在于，所述扶正片中间厚两边薄，厚度差为1～5mm。5.根据权利要求1所述的螺旋结构地层自适应塑性扶正器，其特征在于，所述扶正片的形状呈中心角扭转30
°
～60
°
的螺旋形状。6.根据权利要求1所述的螺旋结构地层自适应塑性扶正器，其特征在于，所述扶正片在固定环箍上的安装倾斜角度为30
°
～60
°
。7.一种权利要求1至6任一项所述的螺旋结构地层自适应塑性扶正器的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、组装扶正器，根据现场实际使用需求，将扶正器装配在膨胀管特定位置上；步骤2、扶正器随膨胀管下入井中，下放到位后，进行固井和打压膨胀的作业；步骤3、随着膨胀管膨胀过程的不断进行，扶正器逐渐进入工作状态，扶正片隆起形成多个扶正弓，扶正弓不断发生移动、定位和硬化，最终强有力的支撑在井壁上，对膨胀管进行有效扶正。8.根据权利要求7所述的螺旋结构地层自适应塑性扶正器的操作方法，其特征在于，每100m长度膨胀管上根据实际井况布置10～20个扶正器，扶正器彼此之间间距为2～10m。

技术总结

本发明公开了一种螺旋结构地层自适应塑性扶正器及其操作方法，属于油田钻探工程技术领域，其包括固定环箍和扶正片两组零件，所述固定环箍上设有扶正片连接槽，扶正片和固定环箍通过焊接连接，所述固定环箍上还设有装配槽，在膨胀管外壁上设有环箍定位切槽，所述固定环箍通过过盈配合嵌入在环箍定位切槽中，所述扶正器和膨胀管通过固定环箍上的装配槽焊接连接。同时，本发明还公开了螺旋结构地层自适应塑性扶正器的操作方法。本发明的技术方案能有效增强膨胀管遭遇复杂井段和地层时在井筒中的居中度，从而促进解决现有技术中存在的诸多问题，最终实现为膨胀管深井超深井安全高效钻进提供配套技术保障的目的，适合推广应用。用。用。