支撑式无锚定深井分层注水管柱及油管支撑封隔器的制作方法

本发明涉及一种支撑式无锚定深井分层注水管柱及油管支撑封隔器，是一种用于油田深井的生产作业过程中需要密封油管和套管之间环形空间，封隔不同油层，对不同油层进行注水的装置，属于油田应用技术领域。

背景技术：

目前，我国各油田使用的分层注水管柱主要有以下几种方式：

1、悬挂式无锚定管柱（参见图1），管柱悬挂在井口，底部是自由状态（见图1）。特点是结构简单、施工方便，适用于井深1000m左右的井，封隔器一般采用压力坐封上提解封的封隔器。不足之处是不适用于深井。原因是：深井的井内由于温度、压力都很高，在管柱上产生各种应力，造成管柱的上下伸缩位移，造成封隔器胶筒磨损失效，管柱收缩时会产生向上的位移，会造成上提式解封的封隔器意外解封。所述的管柱指所有工具串的总成，油管是管柱组成中的一部份。

2、悬挂式有锚定管柱，顶部悬挂在井口底部采用锚定封器锚定在套管内壁上，两端都固定（见图2）。特点是管柱由双向卡瓦封隔器（如y441）通过锚牙锚定在套管内壁上，防止由于温度、压力变化造成的管柱伸缩位移，适用于深井及注水压力较高的井，不足之处是锚牙容易卡死在套管内壁，容易卡死在井下无法提出。

3、卡瓦支撑式管柱，顶部悬挂在井口底部采用支撑卡瓦支撑在套管内壁上，两端都固定（见图3）。特点是管柱采用人工井底或支撑卡瓦为支撑点支撑在套管内壁，约束管柱在温度及压力变化时不产生伸缩现像，不足之外是多年后支撑卡瓦会卡死在套管内壁上，容易卡死在井下无法提出。

通过对深井注水管柱的分析，可以得出如下结论：a.悬挂式无锚定管柱不适用于深井;b.悬挂式有锚定管柱存在解封难的问题;c.卡瓦支撑式管柱存在解封难的问题。

现有的封隔器技术大多采用压力坐封和上提解封，解封时需要剪断解封剪钉才可以实现解封，如果封隔器的解封剪钉设计得强度过低会在工作过程中产生意外解封，所以为了防止封隔器意外解封，常常将解封剪钉设计得过于安全，造成真正需要解封时封隔器反而无法解封，往往采用硬拨的方式完成提出作业，这种方式在深井上会卡死，严重的会造成油井大修或报废。

技术实现要素：

为克服现有技术上述的的缺陷，本发明提供一种支撑式无锚定深井分层注水管柱及油管支撑封隔器，用于取代深井分层注水用的现有工艺。

本发明的技术方案是：一种支撑式无锚定管柱的安装结构，包括安装在套管内的调距器、油管、油管支撑封隔器、配水器、洗井单向凡尔、筛管和密封接头，调距器安装在套管的井口，并连接在油管悬挂器的下端；调距器向下顺次通过螺纹连接油管、油管支撑封隔器、配水器、洗井单向凡尔、筛管和密封接头；其中的油管支撑封隔器的上下两端分别通过螺纹与上下对应的一节油管的端部连接，该油管支撑封隔器的外周面与该套管的内壁相抵，并位于相邻的油层之间；该配水器设在与油层对应的位置；所述的油管支撑封隔器、配水器与井下油层数量匹配，成组交替使用；其特征在于，在所述的密封接头的底端与井底之间支撑有支撑管柱。

一种所述的支撑式无锚定管柱的安装结构所采用的油管支撑封隔器，其特征在于，包括接箍、上中心管、上刚性扶正机构、上弹性扶正机构、洗井凡尔组件、坐封环组件、坐封驱动组件、下弹性扶正机构和下刚性扶正机构，该上刚性扶正机构的上端和下端分别通过螺纹与接箍的下端和上弹性扶正机构的上端连接，该上弹性扶正机构下端的内周面通过内螺纹与上中心管上端的外螺纹相互连接，该上弹性扶正机构下端的外周面通过螺纹与洗井凡尔组件的上端连接；该上中心管下端的外侧与坐封驱动组件的上部的内侧连接；在该上中心管的外侧从上至下依次装有洗井凡尔组件和坐封环组件；在该坐封驱动组件的下端通过通过螺纹依次与下弹性扶正机构和下刚性扶正机构连接，该下弹性扶正机构和下刚性扶正机构与所述的上刚性扶正机构和上弹性扶正机构的结构相同并呈上下对称设置；在该下刚性扶正机构的下端设有用于与所述的支撑管柱连接的螺纹接口。

本发明的优点是：管柱在下井后下端直接支撑在井底，上端固定在井口，管柱的受力状态是受压状态，不会因井深过深产生的因力变力变化而使管柱伸缩，所以封隔器胶筒不会磨损；取消了锚定封隔器和支撑卡瓦等直接支撑在套管内壁的设施，不会发生无法提出的问题；取消了解封剪钉，不会发生无法解封或解封困难的问题。

附图说明

图1是现有悬挂式无锚定管柱的剖视结构示意图；

图2是现有悬挂式有锚定管柱的剖视结构示意图；

图3是现有卡瓦支撑式管柱的剖视结构示意图；

图4是本发明管柱的总体结构示意图；

图5-图7是本发明油管支撑封隔器的轴向半剖视结构示意图（其中图5为上部，图6为中部，图7为下部）。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

参见图4，本发明一种支撑式无锚定深井分层注水管柱，包括安装在套管11内的调距器1、油管2、油管支撑封隔器3、配水器4、洗井单向凡尔5、筛管6和密封接头7，调距器1安装在套管11的井口，并连接在油管悬挂器10的下端；调距器1向下顺次通过螺纹连接油管2、油管支撑封隔器3、配水器4、洗井单向凡尔5、筛管6和密封接头7；其中的油管支撑封隔器3的上下两端分别通过螺纹与上下对应的一节油管2的端部连接，该油管支撑封隔器3的外周面与该套管11的内壁相抵，并位于相邻的油层14之间；该配水器4设在与油层14对应的位置；所述的油管支撑封隔器3、配水器4与井下油层数量匹配，成组交替使用；在所述的密封接头7的底端与井底之间支撑有支撑管柱8，支撑在井底。

参见图5-图7，本发明一种支撑式无锚定深井分层注水管柱所采用的油管支撑封隔器，其特征在于，包括接箍3.1、上中心管3.17、上刚性扶正机构、上弹性扶正机构、洗井凡尔组件、坐封环组件、坐封驱动组件、下弹性扶正机构和下刚性扶正机构，该上刚性扶正机构的上端和下端分别通过螺纹与接箍3.1的下端和上弹性扶正机构的上端连接，该上弹性扶正机构下端的内周面通过内螺纹与上中心管3.17上端的外螺纹相互连接，该上弹性扶正机构下端的外周面通过螺纹与洗井凡尔组件的上端连接；该上中心管3.17下端的外侧与坐封驱动组件的上部的内侧连接；在该上中心管3.17的外侧从上至下依次装有洗井凡尔组件和坐封环组件；在该坐封驱动组件的下端通过通过螺纹依次与下弹性扶正机构和下刚性扶正机构连接，该下弹性扶正机构和下刚性扶正机构与所述的上刚性扶正机构和上弹性扶正机构的结构相同并呈上下对称设置；在该下刚性扶正机构的下端设有用于与所述的支撑管柱8连接的螺纹接口。

所述的上刚性扶正机构包括连接管3.2、钢球套3.3、第一平端紧定螺钉3.4、钢球3.5、定位螺钉3.6、第一o型密封圈3.7和第二o型密封圈3.8，连接管3.2的上端通过外螺纹与所述的接箍3.1下端的内螺纹连接，在该连接管3.2上开设有导向槽3.2.1、台肩3.2.2、定位孔3.2.3和钢球举升锥面3.2.4，所述的连接管3.2外部安装有钢球套3.3，钢球套3.3的侧壁上开设有钢球定位孔3.3.1，所述的连接管3.2上开设有台肩3.2.2防止钢球套3.3向下脱落；在该钢球套3.3下部的内侧和外侧分别设有第一o型密封圈3.7和第二o型密封圈3.8，分别用于与连接管3.2的下端外侧以及所述的上弹性扶正机构的上端之间形成密封；钢球套3.3的侧壁上螺纹安装有第一平端紧定螺钉3.4和定位螺钉3.6，所述的第一平端紧定螺钉3.4延伸到连接管3.2上相对应的导向槽3.2.1内，定位螺钉3.6的内侧直端安装在连接管3.2外壁上的定位孔3.2.3内，钢球定位孔3.3.1里面安装有钢球3.5；所述的接箍3.1的上端以及所述的下刚性扶正机构下端的连接管3.2分别用于与对应的油管2端口螺纹连接。

所述的上弹性扶正机构包括上弹性扶正体3.9、弹性扶正球头3.10、扶正弹簧3.11、限位螺母3.12、第二平端紧定螺钉3.13和第三o型密封圈3.14，所述的钢球套3.3下端通过螺纹联接有上弹性扶正体3.9，钢球套3.3上安装有第一o型密封圈3.7与上弹性扶正体3.9形成密封，上弹性扶正体3.9侧壁上开设有上扶正定位孔3.9.1，上扶正定位孔3.9.1内安装有弹性扶正球头3.10和扶正弹簧3.11，扶正弹簧3.11给弹性扶正球头3.10提供向外的径向推力，上扶正定位孔3.9.1外侧开口处螺纹安装有限位螺母3.12，限位螺母3.12用于限定弹性扶正球头3.10的极限位置，限位螺母3.12和上扶正定位孔3.9.1之间安装有第二平端紧定螺钉3.13；在该上弹性扶正体3.9的下部外侧装有第三o型密封圈3.14，用于与洗井凡尔组件的上端形成密封连接；所述的上弹性扶正体3.9下端的内螺纹与该上中心管3.17上端的外螺纹连接。

所述的洗井凡尔组件包括洗井凡尔套3.15、复位弹簧3.16、洗井凡尔主体3.18、第四o型密封圈3.19、洗井凡尔压帽3.20、t型胶圈3.21、衬套3.22、洗井凡尔座3.23和第五o型密封圈3.24，所述的上中心管3.17与洗井凡尔套3.15之间的环形空间内从上至下顺次安装有复位弹簧3.16、洗井凡尔主体3.18、t型胶圈3.21、洗井凡尔压帽3.20，所述的复位弹簧3.16与上弹性扶正体3.9相抵，所述的洗井凡尔主体3.18、洗井凡尔压帽3.20之间能过螺纹连接，洗井凡尔主体3.18、洗井凡尔压帽3.20将t型胶圈3.21夹在中间形成密封，所述的t型胶圈3.2与衬套3.22形成密封；在所述的洗井凡尔主体3.18的外侧和内侧分别装有第一o型密封圈3.7和第四o型密封圈3.19，分别用于与洗井凡尔套3.15和上中心管3.17之间形成密封；所述的洗井凡尔压帽3.20套在洗井凡尔座3.23的上端；在该洗井凡尔座3.23的下端内侧装有第五o型密封圈3.24，用于与所述的坐封环组件的上端之间形成密封；在所述的洗井凡尔套3.15上开设有洗井液进液孔3.15.1，所述的上中心管3.17上开设有洗井回位过液孔3.17.1、洗井过液槽3.17.2、小卡簧槽3.17.3、坐封过液孔3.17.4，所述的衬套3.22位于洗井过液槽3.17.2外侧，所述的衬套3.22上开设有洗井液入口3.22.1和洗井液出口3.22.2；该衬套3.22安装在该上中心管3.17的外侧。

所述的坐封环组件包括边胶筒3.25、隔环3.26和中胶筒3.27，在一个中胶筒3.27的上下联动分数有设有两个金属的隔环3.26，在上部的隔环3.26的上端以及下部隔环3.26的下端分别设有一个边胶筒3.25，该边胶筒3.25、隔环3.26和中胶筒3.27套装在所述的衬套3.22的外侧。

所述的坐封驱动组件包括挡环3.28、小卡簧3.29、第六o型密封圈3.30、坐封活塞3.31、坐封活塞套3.32、下中心管3.33、坐封销钉3.34、卡块3.35、悬挂体3.36、第七o型密封圈3.37、第八o型密封圈3.38、卡簧座3.39、大卡簧3.40、保护环3.41、第三平端紧定螺钉3.42和键3.43，在下部的边胶筒3.25的下端的该衬套3.22的外侧向下依次套装有挡环3.28和坐封活塞3.31；下中心管3.33的上端通过内螺纹与所述的上中心管3.17下端的外螺纹连接；该小卡簧3.29安装在小卡簧槽3.17.3内，所述的下中心管3.33上开设有键槽3.33.1，键槽3.33.1里面安装有键3.43；该卡簧座3.39下端的外侧通过螺纹与所述下弹性扶正机构的下弹性扶正体3.44的上端连接。

所述的挡环3.28内孔安装有所述的第五o型密封圈3.24与该衬套3.22形成密封；所述的坐封活塞3.31安装有第六o型密封圈3.30与该上中心管3.17形成密封；所述的挡环3.28和坐封活塞3.31之间螺纹连接，在所述的挡环3.28上开设有洗井液排出孔3.28.1。

所述的坐封活塞3.31下端螺纹连接坐封活塞套3.32，坐封活塞3.31上安装有该第三o型密封圈3.14与坐封活塞套3.32形成密封，所述的坐封活塞3.31内孔的上部、中部和下部分别与该上中心管3.17的下端以及下中心管3.33和悬挂体3.36的上端连接；在所述的下中心管3.33上开设有坐封销钉定位孔3.33.1和第一卡块定位槽3.33.2，所述的悬挂体3.36的上端上开设有第二卡块定位槽3.36.1，所述的第一卡块定位槽3.33.2和第二卡块定位槽3.36.1相对应，卡块3.35安装在第一卡块定位槽3.33.2和第二卡块定位槽3.36.1共同构成的空间内，所述的坐封活塞3.31的侧壁上螺纹安装有坐封销钉3.34，所述的坐封销钉3.34的直端安装在坐封销钉定位孔3.33.1内，此时，所述的卡块3.35位于坐封活塞3.31的内孔保护之下限定了下中心管3.33和悬挂体3.36的轴向位置。

所述的悬挂体3.36的下端位于下中心管3.33和坐封活塞套3.32之间的环形空间内，悬挂体3.36上安装有第七o型密封圈3.37和第八o型密封圈3.38，所述的第七o型密封圈3.37与坐封活塞套3.32形成密封，所述的悬挂体3.36向下螺纹连接卡簧座3.39，所述的第八o型密封圈3.38用于密封悬挂体3.36和卡簧座3.39，所述的卡簧座3.39上开设有大卡簧槽3.39.1和键导向槽3.39.2，所述的大卡簧槽3.39.1内安装有大卡簧3.40，所述的键导向槽3.39.2套面键3.43上，所述的卡簧座3.39外径上螺纹安装保护环3.41，保护环3.41位于坐封活塞套3.32下端，所述的保护环3.41上螺纹安装有第三平端紧定螺钉3.42，所述的坐封活塞套3.32上开设有卡簧锁定槽3.32.1。

所述的卡簧座3.39下端螺纹连接所述的下弹性扶正机构的下弹性扶正体3.44，下弹性扶正体3.44螺纹连接钢球套3.3，所述的钢球套3.3上的该第一o型密封圈3.7与下弹性扶正体3.44形成密封。

本发明的工作原理是：

弹性扶正球头3.10在扶正弹簧3.11的推力下向外涨起，支撑在套管11内壁上，下井过程中，起到弹性扶正作用，防止边胶筒3.25和中胶筒3.27磨损。

管柱下井后，支撑管柱8向下直接支撑在井底,井底承载整个管柱的重量，整个管柱从受拉状态转变成轴向受压状态。在管柱的重力作用下，定位螺钉3.6被剪断，油管支撑封隔器3两端的连接管3.2向油管支撑封隔器3中间位置方向滑移，此时钢球举升锥面3.2.4推动钢球3.5向外径向位移，最终支撑在套管11内壁上，形成刚性扶正，防止边胶筒3.25和中胶筒3.27在坐封周边受力不均。

管柱下放结束后，调距器1安装在油管悬挂器10下方，固定在井口装置9上，管柱上下两端在调距器1和支撑管柱8的作用下固定，油管支撑封隔器3被限定在套管11内壁的固定位置，不会产生不断的伸缩位移，所以防止边胶筒3.25和中胶筒3.27在工作过程中磨损。

需要封隔器坐封时，在管柱内孔打压，压力通过油管支撑封隔器3上的坐封过液孔3.17.4向上推动坐封活塞3.31剪断坐封销钉3.34，坐封活塞3.31通过上下两端螺纹带动挡环3.28和坐封活塞套3.32向上移动，挡环3.28推挤边胶筒3.25、隔环3.26和中胶筒3.27运动，边胶筒3.25和中胶筒3.27轴向压缩径向膨胀压紧在套管11内壁上实现坐封，同时，坐封活塞套3.32上的卡簧锁定槽3.32.1运动到大卡簧3.40的外侧，卡在大卡簧3.40上，实现定位，保持坐封状态。此时封隔器将不同的油层封隔开。此时坐封活塞3.31下端内孔从卡块3.35外部脱离，卡块3.35处于自由释放状态，失去限定下中心管3.33和悬挂体3.36轴向位置的作用，中心管3.33和悬挂体3.36的轴向位置由上下两端的轴向压力保持。

需要注水作业时，在管柱内加压注水，水流通过配水器4注入对应的油层。

需要洗井作业时，在油管2和套管11间的环形空间加压注入洗井液，可以推动洗井液通过洗井凡尔套3.15上的洗井液进液孔3.15.1推动洗井凡尔压帽3.20，当洗井凡尔压帽3.20下上两端产生的推力差超过复位弹簧3.16的预设力时，洗井液推动洗井凡尔压帽3.20、t型胶圈3.21、洗井凡尔主体18和此处安装的第一o型密封圈3.7整体上行，复位弹簧3.16被压缩，直至露出洗井液入口3.22.1，此时的洗井液从洗井液入口3.22.1向下依次流经洗井过液槽3.17.2和洗井液出口3.22.2向下运行，直至从筛管6进入管柱内部经洗井单向凡尔5向上直到从井口排出；当洗井作业结束时外部压力消失，且此时的管柱内部压力通过洗井回位过液孔3.17.1会向下推动洗井凡尔主体18，强制洗井凡尔主体18、t型胶圈3.21、洗井凡尔压帽3.20回位恢复密封；当内外压力相同时，复位弹簧3.16的推力可以保证系统安全工作，保持封隔器的工作状态。

当需要上提管柱作业时，在地面上提油管悬挂器10，管柱整体上行，管住从受压状态转换成受拉，油管支撑封隔器3上的连接管3.2在上端拉力和下端重力的作用下向两端拉开，此时钢球举升锥面3.2.4脱离钢球3.5，钢球3.5得到释放沿径向回位，解除刚性扶正状态。继续上提管柱时，下中心管3.33和悬挂体3.36失去卡块3.35的制约作用脱离，悬挂体3.36带动坐封活塞套3.32、卡簧座3.39从下中心管3.33上向下滑行，此时边胶筒3.25和中胶筒3.27的压缩状态得到释放，在弹性作用下复位，上提管柱从井口提出完成作业，不存在现有技术的坐封剪钉，不存在解封因难问题。