套管鞋的制作方法

1.本公开涉及油田固井作业领域，特别涉及一种套管鞋。


背景技术：

2.套管鞋是一种装在套管柱最下端的钢制短节，用以使套管易于下入并加强套管底部。常规套管鞋主要由浮箍短节和引导头两部分组成，引导头位于浮箍短节的一端。
3.相关技术中，常规套管鞋的引导头部分一般加工成表面圆滑的半球圆弧状，用于降低与井壁之间的接触摩擦力，特别是在套管经过井壁不规则井段时，便于克服井内阻力，能够更好地引导套管顺利下入。
4.套管的下入主要靠套管自重的下放和套管鞋的引导。然而，水平井由于其特殊的井眼轨迹，在下套管过程中，套管对井壁的侧压力很大，大大增加了下套管的摩擦阻力。一旦套管在下入过程中遇阻，常规套管鞋的引导作用就失效了，无法继续下入套管。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供了一种套管鞋，可以保证套管鞋在水平井中的引导功能。所述技术方案如下：
6.本公开实施例提供了一种套管鞋，所述套管鞋包括水力涡轮组件、浮箍组件和从上至下依次同轴连接的壳体、旋转套和偏心旋转头，所述壳体与所述旋转套之间、所述旋转套和所述偏心旋转头之间均转动连接；
7.所述水力涡轮组件和所述浮箍组件位于所述壳体内，且所述浮箍组件位于所述水力涡轮组件上方，所述水力涡轮组件用于在水力作用下驱动所述旋转套相对于所述壳体转动，所述旋转套的外壁上沿所述旋转套的周向间隔分布有多个钻块，所述多个钻块呈螺旋形布置。
8.可选地，所述水力涡轮组件包括承托底座、涡轮壳体、分流板、转动轴和旋转叶片；
9.所述承托底座、所述涡轮壳体和所述分流板从上至下依次同轴设置在所述壳体中；
10.所述旋转叶片固定在所述转动轴上，且所述旋转叶片和所述转动轴位于所述涡轮壳体中，所述转动轴的一端可转动地插装在所述承托底座上，所述转动轴的另一端穿过所述分流板后与所述旋转套固定连接；
11.所述承托底座和所述分流板上均具有沿所述壳体的轴向延伸的第一液体通道，所述第一液体通道与所述壳体的内孔连通。
12.可选地，所述转动轴上固定有至少一个所述旋转叶片，所述旋转叶片包括第一叶片和第二叶片，所述第一叶片的外径与所述壳体的内径相匹配，所述第二叶片的外径小于所述壳体的内径，且所述第二叶片的远离所述转动轴的一端固定有配重板。
13.可选地，所述配重板为弧形板，所述弧形板对应的圆心角为60
°
～180
°
。
14.可选地，所述偏心旋转头上具有中心通孔，所述旋转套上具有用于连通所述中心
通孔和所述第一液体通道的连通孔。
15.可选地，所述套管鞋还包括第一固定环、第一定位套和第一轴承，
16.所述旋转套包括同轴连接的第一连接轴和套筒，所述套筒的外径大于所述第一连接轴的外径；
17.所述第一固定环、所述第一定位套和所述第一轴承从上至下依次套设在所述第一连接轴外，所述第一固定环与所述第一连接轴固定连接，所述第一定位套活动套装在所述第一连接轴外且固定在所述壳体的下端，所述第一轴承被夹设在所述第一定位套和所述套筒的端面之间。
18.可选地，所述套管鞋还包括第二固定环、第二定位套和第二轴承；
19.所述偏心旋转头包括同轴连接的第二连接轴和旋转头，所述旋转头的与所述第二连接轴连接的一端的端面直径大于所述第二连接轴的外径；
20.所述第二固定环、所述第二定位套和所述第二轴承从上至下依次套设在所述第二连接轴外，所述第二固定环与所述第二连接轴固定连接，所述第二定位套活动套装在所述第二连接轴外且固定在所述旋转套的下端，所述第二轴承被夹设在所述第二定位套和所述旋转头的端面之间。
21.可选地，所述套管鞋还包括位于所述壳体内的浮箍组件，所述浮箍组件位于所述水力涡轮组件上方，所述浮箍组件包括从上至下依次同轴位于所述壳体内的凡尔座、凡尔杆、弹簧件和分流底座；
22.所述凡尔座与所述壳体固定连接，所述凡尔座的一端与所述分流底座固定连接，所述凡尔座和所述分流底座形成沿所述壳体的轴向延伸的第二液体通道，所述第二液体通道与所述壳体的内孔连通；
23.所述凡尔杆位于所述第二液体通道内，所述凡尔杆的一端具有阻挡部，所述弹簧件套装在所述凡尔杆外，且所述弹簧件夹设在所述阻挡部和所述分流底座之间，所述凡尔杆被配置为，在所述弹簧件的弹力作用下，封堵所述第二液体通道，断开所述第二液体通道与所述壳体的内孔的连通。
24.可选地，所述套管鞋还包括位于所述壳体内的关井组件，所述关井组件位于所述浮箍组件上方，所述关井组件包括固定座和滑套，
25.所述固定座与所述壳体固定连接，所述固定座为一端开口另一端封闭的筒状结构，所述固定座的侧壁上具有至少一个液体流通孔，所述至少一个液体流通孔用于连通所述固定座内部与所述壳体的内孔；
26.所述滑套位于所述固定座内，所述滑套被配置为可操作地从第一位置滑动至第二位置，当所述滑套位于所述第一位置时，所述至少一个液体流通孔连通所述固定座内部与所述壳体的内孔，当所述滑套位于所述第二位置时，所述滑套封堵所述至少一个液体流通孔，以断开所述固定座内部与所述壳体的内孔的连通。
27.可选地，所述滑套为一端具有法兰板的圆筒，所述法兰板的直径大于所述固定座的内径，所述滑套的另一端位于所述固定座内。
28.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
29.通过提供一种套管鞋，该套管鞋包括偏心旋转头，当套管下入至水平井的造斜段和水平段时，由于偏心旋转头的头部偏心设置，可以实现其遇阻时受力的不均衡性，偏心旋
转头会随着其所受阻力的合力方向持续旋转并引导管柱穿越高阻力区继续深入井底，越过障碍物，起到引导作用。同时该套管鞋还增设有旋转套和水力涡轮组件。当套管串下入过程中遇到卡阻或者缩颈处，而偏心旋转头无法越过障碍物时，水力涡轮组件可以进一步驱动旋转套转动，带动旋转套外壁上的多个钻块螺旋转动。多个钻块可以进行旋转划眼，功能似钻头旋转钻进，从而可以强制有效破除井眼障碍，保证套管鞋在水平井中的引导功能。
附图说明
30.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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的附图。
31.图1是本公开实施例提供的一种套管鞋的半剖面图；
32.图2是本公开实施例提供的一种水力涡轮组件的半剖面图；
33.图3是本公开实施例提供的一种套管鞋的部分结构半剖面图；
34.图4是本公开实施例提供的一种浮箍组件的半剖面图。
具体实施方式
35.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
36.图1是本公开实施例提供的一种套管鞋的半剖面图，如图1所示，该套管鞋100包括水力涡轮组件10、浮箍组件70和从上至下依次同轴连接的壳体20、旋转套30和偏心旋转头40。壳体20与旋转套30之间、旋转套30和偏心旋转头40之间均转动连接。
37.水力涡轮组件10和浮箍组件70位于壳体20内，且浮箍组件70位于水力涡轮组件10上方。水力涡轮组件10用于在水力作用下驱动旋转套30相对于壳体20转动。旋转套30的外壁上沿旋转套30的周向间隔分布有多个钻块31，多个钻块31呈螺旋形布置。
38.本公开实施例通过提供一种套管鞋，该套管鞋包括偏心旋转头，当套管下入至水平井的造斜段和水平段时，由于偏心旋转头的头部偏心设置，可以实现其遇阻时受力的不均衡性，偏心旋转头会随着其所受阻力的合力方向持续旋转并引导管柱穿越高阻力区继续深入井底，越过障碍物，起到引导作用。同时该套管鞋还增设有旋转套和水力涡轮组件。当套管串下入过程中遇到卡阻或者缩颈处，而偏心旋转头无法越过障碍物时，水力涡轮组件可以进一步驱动旋转套转动，带动旋转套外壁上的多个钻块螺旋转动。多个钻块可以进行旋转划眼，功能似钻头旋转钻进，从而可以强制有效破除井眼障碍，保证套管鞋在水平井中的引导功能。
39.可选地，多个钻块31均为碳化钨硬质合金材料，以保证其结构强度和韧度，多个钻块31焊接固定在旋转套30的外壁上，以保证与旋转套30的连接强度。
40.图2是本公开实施例提供的一种水力涡轮组件的半剖面图，如图2所示，水力涡轮组件10包括承托底座11、涡轮壳体12、分流板13、转动轴14和旋转叶片141。承托底座11、涡轮壳体12和分流板13从上至下依次同轴设置在壳体20中。旋转叶片141固定在转动轴14上，且旋转叶片141和转动轴14位于涡轮壳体12中，转动轴14的一端可转动地插装在承托底座
11上，转动轴14的另一端穿过分流板13后与旋转套30固定连接(参见图3)。承托底座11和分流板13上均具有沿壳体20的轴向延伸的第一液体通道，第一液体通道与壳体20的内孔连通。
41.示例性地，承托底座11上具有第一定位孔11a和围绕第一定位孔11a设置的至少一个第一连通孔11b。分流板13上具有第二定位孔13a和围绕第二定位孔13a设置的至少一个第二连通孔13b。第一定位孔11a和第二定位孔13a的轴线与壳体20的轴线重合。转动轴14的一端插装在第一定位孔11a中，转动轴14的另一端穿过第二定位孔13a。通过设置第一定位孔11a和第二定位孔13a，可以起到帮助转动轴14轴向定位的作用。
42.其中，至少一个第一连通孔11b、至少一个第二连通孔13b与涡轮壳体12的内孔连通，形成第一液体通道。
43.由于提高注水泥顶替效率的最好方法是活动套管和紊流顶替。然而，在实际施工中活动套管因种种困难难以实施。对于水平井更是如此，特别是水平段的管柱在自重作业下形成宽边和窄边，循环泥浆、注水泥和替浆时窄边处的钻井液不能参与进来，这样水平段的固井质量就很难得到提高。
44.而采用本公开实施例提供的套管鞋，在具体使用时，流体注入到壳体20的内孔中后，进入到第一液体通道。即通过承托底座11上的至少一个第一连通孔11b流入到涡轮壳体12内，并从分流板13上的至少一个第二连通孔13b中流出。
45.此时涡轮壳体12内的旋转叶片141和转动轴14可以在流体的带动下做一定周期的旋转运动。随着旋转叶片141的运动，分流板11会产生周期性压力波，形成轴向振动产生波。波可以把能量作用到介质中，破坏介质的颗粒间以及分子间的结构，改变其原有的物理及化学性能，干预一些反应过程。这样一来，窄边处的钻井液就会被较完全的顶替出去，从而可以显著提高水平段注水泥顶替效率，避免微间隙的产生，提高固井质量。
46.可选地，涡轮壳体12的外周壁与壳体20的内周壁之间设有多个环形密封圈12a。多个环形密封圈12a分别位于涡轮壳体12的两端。
47.可选地，转动轴14上固定有至少一个旋转叶片141，旋转叶片141包括第一叶片141a和第二叶片141b，第一叶片141a的外径与壳体20的内径相匹配，第二叶片141b的外径小于壳体20的内径，且第二叶片141b的远离转动轴14的一端固定有配重板15。
48.通过在尺寸较小的第二叶片141b上固定配重板15，配重板15可以跟随旋转叶片141做周期旋转形成径向振动。因此，本公开实施例提供的套管鞋可以产生轴向和径向的双向振动波，有利于进一步提高环空顶替效率。
49.可选地，配重板15为弧形板，弧形板对应的圆心角为60
°
～180
°
。
50.若弧形板对应的圆心角过大，则弧形板的重量过大，并且在等效离心力的抵消作用下会削弱偏心振动效果，起不到产生径向振动波的作用。若弧形板对应的圆心角过小，则弧形板的重量过小，起不到产生径向振动波的作用。
51.图3是本公开实施例提供的一种套管鞋的部分结构半剖面图，如图3所示，偏心旋转头40上具有中心通孔40a，旋转套30上具有用于连通中心通孔40a和第一液体通道的连通孔30a。
52.当流体从第一液体通道流出后，可以通过旋转套30上的连通孔30a流至壳体20的内孔中，然后从中心通孔40a中流出。
53.可选地，偏心旋转头40的侧壁上还具有至少一个用于连通中心通孔40a和外部的侧孔40b。当流体排量较大时，通过设置侧孔40b有利于流体在偏心旋转头40处的快速排出。
54.在本公开实施例中，偏心旋转头40的重心位于偏心旋转头40的轴线外。
55.可选地，偏心旋转头40包括同轴连接的第二连接轴41和旋转头42，旋转头42的与第二连接轴41连接的一端的端面直径大于第二连接轴41的外径。
56.其中，旋转头42为顶部为尖角的偏心钻头。
57.可选地，偏心旋转头40可以采用航空铝材料制成，从而能够有效保证偏心旋转头40的强度和韧度。同时还可以降低其转动时，与旋转套30之间的旋转阻力，确保偏心旋转头40能够顺利穿越障碍物。
58.可选地，参见图3，套管鞋100还包括第一固定环51、第一定位套52和第一轴承53。
59.旋转套30包括同轴连接的第一连接轴31和套筒32，套筒32的外径大于第一连接轴31的外径，套筒32的外径与壳体20的内径相匹配。
60.第一固定环51、第一定位套52和第一轴承53从上至下依次套设在第一连接轴31外，第一固定环51与第一连接轴31固定连接。第一定位套52活动套装在第一连接轴31外且固定在壳体20的下端。第一轴承53被夹设在第一定位套52和套筒32的端面之间。
61.通过设置第一固定环51，可以防止旋转套30从第一定位套52中脱出。通过设置第一定位套52，可以对旋转套30进行轴向定位。通过设置第一轴承53，可以使得旋转套30能够相对壳体20转动，实现旋转套30与壳体20的转动连接。
62.可选地，第一定位套52的内周壁与旋转套30的第一连接轴31的外周壁之间、以及第一定位套52的外周壁与壳体20的内周壁之间均设有多个环形密封圈。
63.可选地，套管鞋100还包括第二固定环61、第二定位套62和第二轴承63。
64.第二固定环61、第二定位套62和第二轴承63从上至下依次套设在第二连接轴41外，第二固定环61与第二连接轴41固定连接。第二定位套62活动套装在第二连接轴41外且固定在旋转套30的下端。第二轴承63被夹设在第二定位套62和旋转头42的端面之间。
65.通过设置第二固定环61，可以防止偏心旋转头40从第二定位套62中脱出。通过设置第二定位套62，可以对偏心旋转头40进行轴向定位。通过设置第二轴承63，可以使得偏心旋转头40能够相对旋转套30转动，实现旋转套30与偏心旋转头40的转动连接。
66.可选地，第二定位套62与偏心旋转头40的第二连接轴41之间、以及第二定位套62与第二连接轴41之间均设有多个环形密封圈。
67.图4是本公开实施例提供的一种浮箍组件的半剖面图，如图4所示，套管鞋100还包括位于壳体20内的浮箍组件70，浮箍组件70位于水力涡轮组件10上方。浮箍组件70包括从上至下依次同轴位于壳体20内的凡尔座71、凡尔杆72、弹簧件74和分流底座73。
68.凡尔座71与壳体20固定连接。凡尔座71的一端与分流底座73固定连接，凡尔座71和分流底座73形成沿壳体20的轴向延伸的第二液体通道，第二液体通道与壳体20的内孔连通。
69.凡尔杆72位于第二液体通道之间。凡尔杆72的一端具有阻挡部721，弹簧件74套装在凡尔杆72外，且弹簧件74夹设在阻挡部721和分流底座73之间。凡尔杆72被配置为，在弹簧件74的弹力作用下，封堵第二液体通道，以断开第二液体通道与壳体20的内孔的连通。
70.可选地，凡尔座71为中部具有沿壳体20的轴向方向延伸的第三连通孔71a的座体。
分流底座73为一端开口另一端封闭的筒状结构，分流底座73的开口端与凡尔座71通过螺栓固定连接，分流底座73的封闭端具有至少一个沿壳体20的轴向方向延伸的第四连通孔73a，第三连通孔71a和第四连通孔73a连通，形成第二液体通道。
71.其中，分流底座73的封闭端的中部还具有一定位通孔，该定位通孔的中心轴线与壳体20的中心轴线重合，凡尔杆72的一端插设在该定位通孔中。
72.可选地，分流底座73的封闭端具有多个第四连通孔73a，多个第四连通孔73a沿分流底座73的周向间隔布置。
73.常规状态下，在弹簧件74的弹力作用下，凡尔杆72的阻挡部721与凡尔座71相抵，封堵第三连通孔71a，则第三连通孔71a无法与第四连通孔73a连通，第二液体通道封堵。
74.当流体注入壳体20的内孔中时，流体可以克服弹簧件74的弹力从凡尔座71上的第三连通孔71a进入第二液体通道，此时，凡尔杆72在流体作用下，向下移动，弹簧件74被压缩，凡尔杆72的阻挡部721与凡尔座71分离，第三连通孔71a可以与第四连通孔73a连通，流体可以从第四连通孔73a流出。
75.在本公开实施例中，第二液体通道可以与第一液体通道连通。
76.而当流体从第四连通孔73a反向流入内时，在流体和弹簧件74的作用下，凡尔杆72的阻挡部会始终与凡尔座71相抵，堵住第三连通孔71a，从而可以防止流体倒返，实现反向截流和正向引流的功能。
77.示例性地，弹簧件224可以为弹簧。
78.可选地，套管鞋100还包括位于壳体20内的关井组件80。关井组件80位于浮箍组件70上方，关井组件80包括固定座81和滑套82。
79.固定座81与壳体20固定连接，固定座81为一端开口另一端封闭的筒状结构。固定座81的侧壁上具有至少一个液体流通孔81a，至少一个液体流通孔81a用于连通固定座81内部与壳体20的内孔。
80.滑套82位于固定座81内，滑套82被配置为可操作地从第一位置滑动至第二位置。当滑套82位于第一位置时，至少一个液体流通孔81a连通固定座81内部与壳体20的内孔；当滑套82位于第二位置时，滑套82封堵至少一个液体流通孔81a，断开固定座81内部与壳体20的内孔的连通。
81.通过设置关井组件80，能够在碰压时实现硬关井保证流体不倒返。
82.在具体使用时，当固井胶塞下行至滑套82上端面时产生碰压，推动滑套81下行关闭固定座81上的至少一个液体流通孔81a，即可实现井底永久性关井。此时，即使流体经过浮箍组件70倒返，关井组件80仍可以起到二次防倒返的作用。
83.可选地，滑套82为一端具有法兰板821的圆筒，法兰板821的直径大于固定座81的内径，滑套82的另一端位于固定座81内。通过设置法兰板821可以防止滑套82完全滑入固定座81内，不便于取出。
84.关井组件80采用滑套原理，起密封作用的部件不参与到流体循环之中，可以很大程度上避免循环流体对密封部件的冲蚀损坏。
85.可选地，固定座81的内周壁与滑套82的外周壁之间具有至少一个第一环形密封圈831，固定座81的外周壁与壳体20的内周壁之间具有至少一个第二环形密封圈832。
86.可选地，固定座81与滑套82之间通过销钉83固定连接。
87.在本公开实施例中，销钉83在受到大于3mpa的冲击力时会被剪断，使得滑套82滑动至固定座81中，将至少一个液体流通孔81a密封。
88.可选地，套管鞋100包括用于支撑关井组件80的支撑套筒90，支撑套筒90位于浮箍组件70和关井组件80之间。支撑套筒90可以起到限位和支撑作用，在安装时能够有效限制两个组件之间的距离，并且防止关井组件80在碰压过程中向下移动，与浮箍组件70接触，对浮箍组件70造成损坏。
89.可选地，固定座81的开口端具有沿固定座81的径向向外延伸的环形板811。
90.示例性地，支撑套筒90同轴设置在壳体20，且支撑套筒90位于环形板811与浮箍组件70的凡尔座71之间，且支撑套筒90套设在筒体结构的固定座81外。
91.以下简单说明下，在现场应用时，本公开实施例提供的一种套管鞋的操作程：
92.1、在套管前接装本公开实施例提供的套管鞋；
93.2、按照固井作业要求下套管；
94.3、套管串进入裸眼造斜段灌浆时，在灌浆间隙不停地活动套管，上下活动套管距离不小于2cm。当发现井下有遇阻迹象时，停止灌浆，并采用大距离活动套管或接方钻杆循环等措施，等正常后再继续灌浆和下套管。
95.4、套管串进入裸眼造斜段后，控制套管串下放速度，建议不超过2跟/min；
96.5、套管串进入裸眼造斜段后，及时注意井口返浆，如发生异常应立即停止下套管进行处理，待正常后方可继续下套管；
97.6、套管发生遇阻后，若上下活动管串依然无法解阻时，应先接方钻杆或循环头开泵循环，通过液力启动划眼引导头旋转破阻，然后在套管与设备安全的条件下，尽量大可能上下活动套管数次；
98.7、套管下至设计位置时，按照固井设计安装水泥头等，小排量顶通后，正常排量循环洗井；
99.8、后续固井替浆压胶塞等作业均按照操作流程正常进行；
100.9、固井胶塞到底后碰压，记录井口压力表压力，继续小排量打压3-5mpa,确保防倒流止回阀正常关闭，井口无回水说明关井成功。
101.以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。