一种套管伸缩补偿装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气固井工具技术领域，尤其涉及一种套管伸缩补偿装置。

背景技术

受井下温度环境变化的影响，套管随温度的变化而产生形变，导致套管变形引起损坏。近年来随着套管在固井中的广泛应用，因井下温度变化造成的套管损坏有越来越严重的趋势。为了防止生产减缓或套管损坏，在完井工艺技术措施方面做了大量的工作，且取得了一定的成效，但由于在工艺、工具及特殊的地质条件下，工艺技术措施实施不到位，导致套管损坏井仍以大于10％的速度增加。套管因受轴向变化的热应力，导致丝扣破坏或者套管变形，影响后期生产作业。

发明内容

本发明的目的在于提供一种套管伸缩补偿装置，以缓解套管柱热应力变形，通过轴向伸缩调节，将套管内应力值控制在屈服极限范围之内，以减少套管损坏。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

一种套管伸缩补偿装置，包括中心管组和套装于中心管组的外管组；中心管组和外管组之间形成容纳空间，容纳空间内设置有温度记忆合金，温度记忆合金配置为能够推动中心管组和外管组发生相对位移，以使中心管组和外管组由固定连接状态转变为能够沿中心管组的轴线方向相对滑动的自由状态。

进一步的，中心管组包括中心管，中心管的外圆的中部设置有限位凸台，限位凸台的外侧与外管组的内侧接触。

进一步的，中心管组还包括下接头，下接头套装于中心管且与中心管螺接。

进一步的，外管组包括压环，压环包括抵接于中心管顶部端面的主体部和伸入容纳空间的伸入部；伸入部套装于中心管，并与中心管滑动连接。

进一步的，外管组还包括外管，外管套装于中心管，外管的内圆、中心管的外圆、限位凸台、压环形成容纳空间。

进一步的，外管组还包括上接头，上接头插装于外管且与外管螺接，上接头的下端与压环之间设置有缓冲垫环。

进一步的，外管组还包括变扣接头，变扣接头包括上部接头和下部接头，上部接头和下部接头的连接处的内圆设置有第一凸台；上部接头套装于外管的下端，与外管螺接，第一凸台抵接于外管的下端。

进一步的，外管组还包括限位环，限位环设置于第一凸台的下方，限位环和限位凸台之间的空间为中心管组和外管组的滑动空间。

进一步的，外管组还包括压帽环，压帽环套装于下部接头，与下部接头螺接，压帽环设置有第二台阶面，第二台阶面与限位环的下端接触，限制限位环的位置。

进一步的，外管组还包括耐高温防砂环，耐高温防砂环的上端与压帽环的下端连接。

综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：

本发明提供的套管伸缩补偿装置包括中心管组和套装于中心管组的外管组；中心管组和外管组之间的初始连接状态为固定连接状态；中心管组和外管组之间形成容纳空间，容纳空间内设置有温度记忆合金，温度记忆合金配置为能够推动中心管组和外管组发生相对位移，以使中心管组和外管组由固定连接状态转变为能够沿中心管组的轴线方向相对滑动的自由状态。

需要说明的是：本发明提供的套管伸缩补偿装置设置于套管的中间，将一根套管分为上套管和下套管，中心管组的下端与下套管连接，外管组的上端与上套管连接。以下将中心管组的与下套管连接的端部，以及外管组与上套管连接的端部命名为连接端。

由于本发明提供的套管伸缩补偿装置由于中心管组和外管组在温度记忆合金推动中心管组和外管组发生相对位移后，使中心管组和外管组由固定连接状态转变为能够沿中心管组的轴线方向相对滑动的自由状态，使得套管伸缩补偿装置的长短可以在一定范围内自由变化。即温度升高时，套管长度增加，使上套管和下套管的连接端的距离减小，进而压缩套管伸缩补偿装置；温度降低时，套管长度减小，上套管和下套管的连接端的距离增大，从而拉伸套管伸缩补偿装置。因此通过中心管组和外管组的相对滑动补偿套管长度的变化，减少套管因温度长度变化产生的内应力，将套管的内应力值控制在屈服极限范围之内，减少套管的损坏。避免出现一根套管因温度变化发生长度变化时，因两端固定使长度变化受阻导致套管内应力增大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例提供的套管伸缩补偿装置的半剖示意图；

图2为图1中压环400的剖视图；

图3为图1中变扣接头700的剖视图；

图4为图1中压帽环900的剖视图；

图5位图1中下接头1300的剖视图。

图标：100-上接头；200-外管；300-缓冲垫环；400-压环；500-中心管；600-温度记忆合金；700-变扣接头；800-限位环；900-压帽环；1000-复合密封环；1100-销钉；1200-耐高温防砂环；1300-下接头；410-主体部；420-伸入部；510-限位凸台；710-上部接头；720-下部接头；730-第一台阶面；740-第一凸台；910-第二台阶面；920-第一密封槽；1310-第二密封槽；1320-第三台阶面。

具体实施方式

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可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

受井下温度环境变化的影响，套管随温度的变化而产生形变，导致套管变形引起损坏。近年来随着套管在固井中的广泛应用，因井下温度变化造成的套管损坏有越来越严重的趋势。为了防止生产减缓或套管损坏，在完井工艺技术措施方面做了大量的工作，且取得了一定的成效，但由于在工艺、工具及特殊的地质条件下，工艺技术措施实施不到位，导致套管损坏井仍以大于10％的速度增加。套管因受轴向变化的热应力，导致丝扣破坏或者套管变形，影响后期生产作业。

有鉴于此，本发明提供了一种套管伸缩补偿装置，包括中心管组和套装于中心管组的外管组；中心管组和外管组之间的初始连接状态为固定连接状态；中心管组和外管组之间形成容纳空间，容纳空间内设置有温度记忆合金600，温度记忆合金600配置为能够推动中心管组和外管组发生相对位移，以使中心管组和外管组由固定连接状态转变为能够沿中心管组的轴线方向相对滑动的自由状态。

需要说明的是：本发明提供的套管伸缩补偿装置设置于套管的中间，将一根套管分为上套管和下套管，中心管组的下端与下套管连接，外管组的上端与上套管连接。以下将中心管组的与下套管连接的端部，以及外管组与上套管连接的端部命名为连接端。

由于本发明提供的套管伸缩补偿装置由于中心管组和外管组在温度记忆合金600推动中心管组和外管组发生相对位移后，使中心管组和外管组由固定连接状态转变为能够沿中心管组的轴线方向相对滑动的自由状态，使得套管伸缩补偿装置的长短可以在一定范围内自由变化。即温度升高时，套管长度增加，使上套管和下套管的连接端的距离减小，进而压缩套管伸缩补偿装置；温度降低时，套管长度减小，上套管和下套管的连接端的距离增大，从而拉伸套管伸缩补偿装置。因此通过中心管组和外管组的相对滑动补偿套管长度的变化，减少套管因温度长度变化产生的内应力，将套管的内应力值控制在屈服极限范围之内，减少套管的损坏。避免出现一根套管因温度变化发生长度变化时，因两端固定使长度变化受阻导致套管内应力增大。

以下结合附图对本实施例提供的套管伸缩补偿装置的结构和形状进行详细说明：

本实施例中的中心管组包括中心管500，如图1所示，中心管500的外圆的中部设置有限位凸台510，中心管500的两侧均设置有外螺纹。

进一步的，限位凸台510的外侧开有密封槽，密封槽处设置有密封圈，以提高限位凸台510与外管组之间的密封性。

进一步的，中心管500外表面设置有镀层，以提高中心管500外表面的热化学稳定性和耐腐蚀性，提高工具的使用寿命。

进一步的，中心管500外表面镀铬，以提高中心管500外表面的稳定性、耐磨程度以及表面的光滑程度。

进一步的，中心管组还包括下接头1300，如图1、5所示，下接头1300套装于中心管500的下侧，上接头100的上侧设置有内螺纹，与中心管500下侧的外螺纹配合使中心管500与上接头100螺接。

进一步的，下接头1300内侧设置有第三台阶面1320，第三台阶面1320与中心管500的下端面配合以限制下接头1300套入中心管500的深度。

进一步的，下接头1300的下端设置有外螺纹，用于与套管连接。

进一步的，第三台阶面1320的上方设置有第二密封槽1310，第二密封槽1310内设置有密封圈，以提高下接头1300与中心管500连接处的密封性。

本实施例中的外管组包括压环400，如图1、2所示，压环400包括抵接于中心管500顶部端面的主体部410和伸入容纳空间的伸入部420；伸入部420套装于中心管500，并与中心管500滑动连接。

进一步的，外管组还包括外管200，如图1所示，外管200套装于中心管500，外管200的内圆、中心管500的外圆、限位凸台510和伸入部420的下端面形成容纳空间，容纳空间中填充温度记忆合金600。

进一步的，外管组还包括上接头100，上接头100的下侧设置有外螺纹，外管200的上侧设置有内螺纹，上接头100插装于外管200并与外管200通过螺纹固定连接。上接头100的上侧设置有内螺纹，用于与套管连接。

进一步的，上接头100的下侧的外圆设置有密封槽，密封槽设置于上接头100下侧外螺纹的下方，密封槽内设置有密封圈，以提高上接头100与外管200之间的密封性。

更进一步的，上接头100的外圆面设置有台阶面，台阶面与中心管500顶部端面抵接，台阶面用于限制上接头100插入外管200的深度。

进一步的，上接头100与压环400之间设置有缓冲垫环300，上接头100的下端面与缓冲垫环300的上端面接触，压环400的主体部410的上端面与缓冲垫环300的下端面接触，当温度记忆合金600受热膨胀时，用于减少压环400对上接头100的冲击，并通过上接头100对压帽环900上移的距离进行限制。

进一步的，外管组还包括变扣接头700，如图1、3所示，变扣接头700包括上部接头710和下部接头720；上部接头710套装于外管200的下侧，上部接头710设置有内螺纹，外管200的下侧设置有外螺纹，上部接头710与外管200的下侧通过螺纹连接；同时外管200的下侧螺纹的末端设置有台阶面，该台阶面与上部接头710的上端面相抵，以限制上部接头710套入外管200的深度；外管200上部接头710和下部接头720的连接处的内圆设置有第一凸台740，第一凸台740抵接与外管200的下端面，以限制上部接头710套入外管200的深度。

进一步的，外管组件还包括限位环800，限位环800的上端面与第一凸台740的下端面接触，限位环800与限位凸台510之间的空间构成中心管组合外管组的滑动空间，通过限位环800与限位凸台510的配合以限制中心管组向下移动的距离。

进一步的，外管组还包括压帽环900，如图1、4所示，压帽环900的上侧设置有内螺纹，下部接头720设置有外螺纹，压帽环900套装于下部接头720并与下部接头720通过螺纹连接。压帽环900设置有第二台阶面910，第二台阶面910与限位环800的下端面接触，与第一凸台740的下端面配合共同限制限位环800的位置。进一步的，变扣接头700还设置有第一台阶面730，第一台阶面730位于下部接头720的外螺纹的末端，限制压帽环900套入下部接头720的深度。

进一步的，外管组还包括销钉1100，销钉1100在径向穿过压帽环900后插入中心管500，使中心管500与压帽环900固定连接，进而使中心管组和外管组固定连接。

进一步的，压帽环900内侧还设置有第一密封槽920，第一密封槽920内设置有复合密封环1000，复合密封环1000与中心管500的外表面形成滑动密封配合，以保证固井或后期作业过程中工具的密封性。

进一步的，外管组还包括耐高温防砂环1200，耐高温防砂环1200设置于下接头1300的上方并与压帽环900的下端连接，以防止井下岩屑进入中心管500外表面，从而延长工具的使用寿命。进一步的，耐高温防砂环1200由耐高温柔性金属材料制成。

进一步的，本发明提供的套管伸缩补偿装置可根据套管柱的长度设置有多个，以保证充分消除套管的应力。

本发明提供的套管伸缩补偿装置组装过程如下：

首先将外管200、变扣接头700、限位环800、压帽环900、耐高温防砂环1200依次连接；然后在压帽环900上装入复合密封环1000；之后在中心管500的限位凸台510上套入密封圈，在下接头1300的第二密封槽1310处套上密封圈；然后将中心管500穿入外管200，再讲下接头1300套入中心管500并通过螺纹连接；随后打入销钉1100将压帽环900和中心管500固定连接；然后向容纳空间中装入温度记忆合金600并插入压环400；之后放入缓冲垫环300；最后在上接头100上套入密封圈并将上接头100插入外管200并通过螺纹连接。

本发明提供的套管伸缩补偿装置的工作过程如下：

将套管分为两段，分别连接在套管伸缩补偿装置的两端，安装套管时，将套管下端投入井下，然后固定套管下端的位置。井下温度升高后温度记忆合金600膨胀，首先推动压环400，使压环400挤压缓冲垫环300，最终挤压上接头100，进而使中心管组与外管组发生相对移动，因套管下端固定且中心管组与套管伸缩补偿装置下方的套管连接，故使中心管组相对不动，使外管组被向上推动，进而剪断销钉1100，使外管组和中心管组可以沿轴线方向滑动。然后根据中心管组和外管组可滑动的距离调整位于套管伸缩装置上方的套管的位置，使套管伸缩装置可以在轴向方向上的长度伸长或缩短，以保证充足的伸缩补偿量，并将套管伸缩装置上方的套管固定。当温度继续升高时，套管伸缩补偿装置两端的套管长度伸长，压缩套管伸缩补偿装置的长度；当温度下降时，套管伸缩补偿装置两端的套管长度缩短，拉长套管伸缩补偿装置的长度，通过套管伸缩补偿装置长度的变化来抵消套管因温度变化产生的应力，控制套管内应力值，减少套管因应力产生的损坏。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。