一种内管回收式膨胀尾管钻井作业装置及作业方法

技术领域

本发明涉及石油钻井完井技术领域的一种尾管钻进作业和后续尾管膨胀作业装置和作业方法，尤其是一种一种内管回收式膨胀尾管钻井作业装置及作业方法。

背景技术

尾管钻井技术是指用常规钻井工艺钻到一定井深后，用钻杆与尾管钻井系统连接进行钻进，完钻后固井并将钻杆起出，把尾管留在井下的一种钻井技术，是国际前沿的新兴钻井技术。发表于《石油钻探技术》2003年31卷第2期的论文《尾管钻井技术及其应用》介绍了国外尾管钻井技术现状及应用情况；专利200810137580.3公开了一种尾管钻井和完井工艺，但在深井、超深井中复杂层的尾管钻井完井内径小，且所用的尾管悬挂器结构复杂，给尾管钻井和固完井施工带来较大风险。专利201510655103.6公开了一种膨胀式尾管钻井作业装置及其作业方法，该装置和方法将尾管钻井和膨胀套管结合为一趟钻实现，但仅仅能实现膨胀管柱回收，尾管钻进管柱永久性留在井底，给后续钻井造成较大困难。此外，在尾管钻进过程中，膨胀套管管柱也必须跟随一同转动，易造成外管柱磨损破坏，影响膨胀作业。因此仅可用于钻井过程中的最后一开次完井，即充当完井尾管进行完井作业，难以进行后续钻进作业，无法充当技术套管封隔地层，为一次性尾管钻井和完井装置。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种内管回收式膨胀尾管钻井作业装置，本发明的另一个目的是提供一种利用内管回收式膨胀尾管钻井作业装置的作业方法。本发明提供的膨胀尾管钻井作业装置和作业方法克服了现有技术的不足，可实现尾管钻井和增大完井内径的双重目标提供契机，为复杂地层、枯竭地层的尾管钻井提供技术解决方案，有利于拓展尾管钻井技术领域。

本发明的目的是针对上述不足，提供一种内管回收式膨胀尾管钻井作业装置及作业方法。

其技术方案如下：

一种内管回收式膨胀尾管钻井作业装置，包括尾管钻进组件，尾管膨胀组件和尾管悬挂组件三大部分，其中：

尾管钻进组件位于尾管钻井装置底部，包括随钻扩眼钻头、辅助扩眼钻头、扩眼驱动机构、旋转密封机构、加压机构、传压机构和马达；扩眼驱动机构位于辅助扩眼钻头和旋转密封机构之间，马达通过中心管驱动随钻扩眼钻头旋转，旋转密封机构带动扩眼驱动机构驱动辅助扩眼钻头旋转，并在膨胀套管和中心管之间形成持续的旋转密封配合。

尾管膨胀组件连接在尾管钻进组件和尾管悬挂组件之间，包括膨胀套管、与膨胀套管连接的膨胀启动器、预置在膨胀启动器内的膨胀锥和锥坐键、连接在锥坐键两端的对扣机构和丢手机构、连接丢手机构和尾管钻进组件中马达的中心管，以及固化在膨胀套管外的密封材料。

尾管悬挂组件位于尾管钻井装置上部，包括连接在膨胀套管顶部的膨胀出口、位于膨胀出口和钻杆之间的喇叭口挡块、用于悬挂尾管的膨胀悬挂器、以及贯穿膨胀出口向下与对扣机构连接的中心管。

内管回收式膨胀尾管钻井作业装置，其旋转密封机构包括密封轴承、与中心管相连的花键轴、扩眼驱动机构上的花键槽、密封圈，花键轴和花键槽构成花键配合。

内管回收式膨胀尾管钻井作业装置，其传压机构和加压机构分别位于旋转密封机构上部，通过中心管和加压机构、传压机构可实现钻压同时传递至辅助扩眼钻头和随钻扩眼钻头。

上述方案进一步包括：所述随钻扩眼钻头为偏心钻头或双心钻头，所述膨胀悬挂器可为多级可膨胀的密封材料，如遇油水自膨胀的密封橡胶筒。锥坐键上设有花键，膨胀锥内设有花键槽，在中心管与膨胀套管的环空内可设有挡泥器，旋转密封机构的花键轴和扩眼驱动机构上设有密封槽和密封圈，随钻扩眼钻头上部设有密封球座，丢手机构以下部分内管可打捞。

内管回收式膨胀尾管钻井作业装置，其可将辅助扩眼钻头、扩眼驱动机构、旋转密封机构、膨胀启动器、膨胀套管、膨胀悬挂器和膨胀出口部件组成外管柱，将随钻扩眼钻头、密封球座、中心管、马达、丢手机构、锥坐键、膨胀锥、对扣机构位于外管柱内部的部件统称为内管柱，尾管钻井和膨胀作业完成后，外管柱留在井内，内管柱分两次回收。

根据前述内管回收式膨胀尾管钻井作业装置的作业方法，包括以下步骤：

步骤一：膨胀尾管钻井装置装配；依次下入辅助扩眼钻头、扩眼驱动机构、旋转密封机构、膨胀启动器、膨胀套管、膨胀悬挂器和膨胀出口，并将丢手机构以下的内管柱预置在膨胀启动器和辅助扩眼钻头内，包括随钻扩眼钻头、中心管、马达、丢手机构、锥坐键和膨胀锥；

步骤二：膨胀尾管钻井装置下入；采用对扣机构与预置的内管连接、钻杆伴送的方式下入膨胀尾管钻井装置；

步骤三：尾管钻进；正常滑动钻进时，马达带动中心管和随钻扩眼钻头转动，并通过旋转密封机构带动扩眼驱动机构和辅助扩眼钻头旋转，实现尾管领眼钻井和辅助扩眼同步进行，但膨胀锥、钻杆之类马达以上的内管柱和膨胀启动器以上外管柱不旋转；正常复合钻进时，井口转动转盘和钻杆，钻杆和马达共同作用，实现尾管钻进组件复合钻进，膨胀尾管钻井装置随钻下入裸眼井眼；

步骤四：启动膨胀作业；尾管钻井装置钻达目的层后，循环投入密封球，待密封球碰压至密封球座后，打压至一定压力值，丢手机构发生液压丢手，压力传递至膨胀锥处；

步骤五：尾管膨胀作业；膨胀套管启动膨胀后，依靠液压力和机械拉拔力，依次完成膨胀套管、膨胀悬挂器和膨胀出口的塑性膨胀，将密封材料和膨胀悬挂器挤压在膨胀套管和上层套管、膨胀套管和裸眼井眼之间，实现膨胀套管的双向悬挂和密封；

步骤六：尾管完井作业；在膨胀套管完成膨胀作业后，膨胀锥从膨胀出口处自动丢手，压力释放，起出膨胀锥及钻杆；

步骤七：内管工具打捞作业；下入打捞工具，将留在井内的随钻扩眼钻头、密封球座、中心管、马达、丢手机构打捞出井口；

步骤八：后续钻进作业；下入钻头，继续进行后续钻井作业。

本发明的有益效果是：

（1）将尾管钻井技术和尾管膨胀技术有机结合，在尾管钻井完成后，直接实现尾管的膨胀作业，单趟钻实现尾管钻井和尾管膨胀；

（2）采用随钻扩眼钻头和辅助扩眼钻头相结合的钻进扩眼方式，有效保证了尾管随钻下入的安全性；

（3）采用马达和旋转密封机构配合设计，可同时实现尾管滑动钻进和复合钻进，提高钻进速度；

（4）尾管钻进及膨胀后，内管柱可实现全部回收，尾管可充当技术套管完井，为后续钻进提供条件；

（5）尾管钻进后实现膨胀作业，可实现尾管回接和裸眼封堵复杂层，节约井眼空间，保障钻井安全。

附图说明

图1为本发明的内管回收式膨胀尾管钻井作业装置结构示意图；

图2为本发明的作业装置尾管钻进组件示意图；

图3为本发明的作业装置膨胀尾管装置装配示意图；

图4为本发明的作业装置膨胀尾管装置下入示意图；

图5为本发明的内管回收式膨胀尾管钻进示意图；

图6为本发明的作业装置尾管启动膨胀示意图；

图7为本发明的作业装置尾管膨胀作业示意图；

图8为本发明的作业装置底部内管打捞回收示意图；

图9为本发明的作业装置后续钻进作业示意图。

图中：1.尾管钻进组件，2.尾管膨胀组件，3.尾管悬挂组件，4.随钻扩眼钻头，5.辅助扩眼钻头，6.扩眼驱动机构，7.旋转密封机构，701.密封轴承，702.花键轴，703.花键槽，704.密封圈，8.加压机构，9.传压机构，10.膨胀启动器，11.膨胀套管，12.膨胀锥，13.膨胀悬挂器，14.膨胀出口，15喇叭口挡块，16.密封材料，17.中心管，18.马达，19.丢手机构，20.锥坐键，21.对扣机构，22.钻杆，23.密封球座，24.上层套管，25.密封球，26.裸眼井眼，27.打捞工具，28.钻头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参照说明书附图1至9，本发明的一种内管回收式膨胀尾管钻井作业装置，主要包括尾管钻进组件1，尾管膨胀组件2和尾管悬挂组件3三大部分。

尾管钻进组件1位于尾管钻井装置底部，实现尾管钻进功能，由随钻扩眼钻头4、辅助扩眼钻头5、扩眼驱动机构6、旋转密封机构7、加压机构8、传压机构9和马达18组成。扩眼驱动机构6位于辅助扩眼钻头4和旋转密封机构7之间，马达18通过中心管17驱动随钻扩眼钻头4旋转。旋转密封机构7包括密封轴承701、与中心管17相连的花键轴702、扩眼驱动机构6上的花键槽703和密封圈704，花键轴702和花键槽703相互构成花键配合，传递扭矩；旋转密封机构7带动扩眼驱动机构6旋转，进而驱动辅助扩眼钻头5旋转，并在膨胀套管11和中心管17之间形成持续的旋转密封配合。传压机构9和加压机构8位于旋转密封机构上7部，通过中心管17和加压机构8、传压机构9可实现钻压同时传递至辅助扩眼钻头8和随钻扩眼钻头4。随钻扩眼钻头4为偏心钻头或双心扩眼钻头，可实现随钻扩眼作业，便于尾管下入；辅助扩眼钻头5为空心的PDC扩眼钻头，底部和保径部分均加工有PDC齿，在尾管钻进时辅助扩眼钻头5也辅助随钻扩眼钻进，以便使膨胀套管11能顺利下入。

尾管膨胀组件2连接在尾管钻进组件1和尾管悬挂组件3之间，用于尾管钻进后的膨胀完井作业。尾管膨胀组件2由膨胀启动器10、膨胀套管11、膨胀锥12、锥坐键20、对扣机构21、丢手机构19和中心管17构成。下部膨胀套管11的外表面加工有多段固化的密封材料16，膨胀启动器10与膨胀套管11相连，膨胀锥12预置在膨胀启动器10内。锥坐键20上设有花键，膨胀锥12内设有花键槽，膨胀锥12安装在锥坐键20上，锥坐键20上下两端分别连接有对扣机构21和丢手机构19，并通过中心管17与马达18和钻杆22连接，在中心管17与膨胀套管11的环空内可设有挡泥器。

尾管悬挂组件3位于尾管钻井装置上部，用于尾管膨胀后的悬挂作业，由膨胀悬挂器13、膨胀出口14、喇叭口挡块15、中心管17、钻杆22构成。膨胀悬挂器13和膨胀出口14依次连接在膨胀套管11顶部，膨胀悬挂器13上固化加工有多级可膨胀的密封材料16，如遇油水自膨胀的密封橡胶筒，通过挤压密封材料16提供尾管密封悬挂功能。在膨胀出口14处安装有喇叭口挡块15，固定在中心管17和膨胀出口14之间，防止异物进入膨胀套管11内，中心管17上部与钻杆22连接。

下面根据附图1-图9来描述来利用内管回收式膨胀尾管钻井作业装置进行膨胀尾管钻井及完井的作业方法实施例，其包括以下步骤：

步骤一：膨胀尾管钻井装置装配。提前装配好尾管钻进组件1，包括辅助扩眼钻头5、扩眼驱动机构6、旋转密封机构7以及随钻扩眼钻头4、密封球座23、中心管17、马达18，并将膨胀锥12、锥坐键20预置于膨胀启动器10内，与装配好的尾管钻进组件1相连；然后依次下入膨胀套管11、膨胀悬挂器13和膨胀出口14，参照附图1至3。值得说明的是，如果需要进行固井作业，可在随钻扩眼钻头4和密封球座23之间安装浮箍、浮鞋类固井附件。

步骤二：膨胀尾管钻井装置下入。下入中心管17和对扣机构21，通过对扣机构21与预置的中心管17对扣连接，采用钻杆伴22送方式，将膨胀尾管钻井装置下至井内预定位置，参照图4。

步骤三：尾管钻进。本装置可正常实现管柱的滑动钻进和复合钻进，正常滑动钻进时，马达18带动中心管17和随钻扩眼钻头4转动，实现随钻扩眼作业，并通过旋转密封机构7带动扩眼驱动机构6和辅助扩眼钻头5旋转，可同时实现尾管钻进和随钻扩眼作业，但膨胀锥12、钻杆22、马达18以上的内管柱和膨胀启动器10以上外管柱不旋转；正常复合钻进时，马达18正常带动随钻扩眼钻头4和辅助扩眼钻头5转动，井口转动转盘和钻杆55时，钻杆55和马达18共同作用，实现尾管钻进组件1复合钻进，膨胀尾管钻井装置随钻下入裸眼井眼26，参照附图5。

步骤四：启动膨胀作业。尾管钻井装置钻达目的层后，循环投入密封球25，待密封球25碰压至密封球座23后，打压至设定压力值，丢手机构19发生液压丢手，压力传递至膨胀锥12处，参照附图6。

步骤五：尾管膨胀作业。膨胀套管11启动膨胀后，保持压力在20～30MPa，依靠液压力和机械拉拔力，依次完成膨胀套管11、膨胀悬挂器13和膨胀出口14的塑性膨胀，增大完井尾管内径，将密封材料16和膨胀悬挂器13挤压在膨胀套管11和上层套管24、膨胀套管11和裸眼井眼26之间，实现膨胀套管11的双向悬挂和密封，参照附图7。

步骤六：尾管完井作业。在膨胀套管11完成膨胀作业后，膨胀锥12从膨胀出口14处自动丢手，压力释放，起出膨胀锥12、锥坐键20、中心管17及钻杆22，参照附图7和8。

步骤七：内管工具打捞作业。下入打捞工具27，将留在井内的随钻扩眼钻头4、密封球座23、中心管17、马达18、丢手机构19打捞出井口，参照附图8。

步骤八：后续钻进作业。下入钻头28，进行后续钻井作业，参照附图9。

值得注意的是，本装置提供的作业方法为尾管钻进后不固井的实施例，采用密封材料16和膨胀悬挂器13提供密封，不进行固井作业；如果需要进行固井作业，需在尾管钻进后、尾管膨胀作业前实施，但需要在优化尾管钻进组件结构。

本发明所示的内管回收式膨胀尾管钻井作业装置及作业方法，将尾管钻井技术和尾管膨胀技术有机结合，可实现尾管滑动钻进和复合钻进，解决克服漏失以及井眼不稳定的问题，从而减少井下事故，提高了钻井安全性，并能在尾管钻进和膨胀作业后，全部内管可回收，使尾管可充当技术套管完井，为后续钻进提供条件，保障钻井安全，有效提高完井后井眼直径，便于后续采油及作业，降低钻井成本。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。