液压丢手工具、完井管柱及油气田完井的施工作业方法与流程

1.本发明涉及石油天然气工业井下作业工具的制造技术领域，具体来讲，涉及一种液压丢手工具、包括该液压丢手工具的完井管柱以及使用该液压丢手工具的油气田完井的施工作业方法。


背景技术：

2.连续油管作业技术由于其本身具有的柔性刚度及自动化程度高、可带压作业等特性，近年来获得飞速发展，随着大斜度井、水平井在钻完井工程中应用的逐渐发展。
3.在油气田完井作业中，很多时候需要将工具管串或一些特殊工具送至设计井段进行丢手作业，或者在连续油管作业中，由于卡钻需要投球进行丢手作业，更换连续油管井下工具串后再进行打捞作业。使送入管柱和被送入的管串或特殊工具仪器脱离，然后将送入管柱提出井口。目前大多数使用的是丢手工具，丢手工具是将井下工具在井里分成两部分，一部分提出到井上来，一部分留在井内工具。现有丢手工具不但结构复杂，可靠性不高，常规丢手在投球后有时并不能准确判断丢手是否成功。
4.公告号为cn202659185u的中国专利申请公开了一种弹性释放丢手工具，其包括外筒体、丢手爪座、中心管、丢手爪套和丢手爪筒；外筒体的下部内壁上有环形凹槽，丢手爪座上部固定安装在环形凹槽内，中心管上部套装在外筒体内，中心管的下端固定安装有丢手爪套，丢手爪套套装在丢手爪座内；丢手爪筒套装在外筒体内部，丢手爪筒的下端分布有开口朝下的卡爪分瓣槽并形成能够向内收缩的弹性卡爪，中心管的中部外侧有心管外环台。本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，通过下压中心管使心管外环台脱离丢手爪筒，使弹性卡爪弹性释放后回缩，从而实现丢手作业，径向拉力弹簧可为弹性卡爪提供额外的收缩力，保证丢手作业顺利实施。
5.现阶段常用的液压丢手工具，其结构较为复杂，投球后容易发生锁死现象，无法脱开，或者在未投球时自动脱落，丢手可靠性不高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种丢手解锁可靠的液压丢手工具。
7.为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种液压丢手工具，液压丢手工具包括锁块、剪切固定件、坐封组件以及同轴布置的上接头、短节、下接头和芯轴，其中，上接头、短节和下接头沿液体流动方向依次设置，所述上接头的靠近第一端的管壁上形成有贯穿管壁的泄压孔，所述上接头的靠近第二端的管壁上形成有贯穿管壁的锁块安装孔；所述锁块置于所述锁块安装孔内，所述锁块的下底面由芯轴支撑，所述锁块的顶部被锁块安装孔暴露且所述锁块的顶部的侧面与所述短节的第二端端面相抵靠；所述下接头的内壁、所述短节的第二端端面之间形成有容纳所述锁块的顶部的空间，所述下接头的内壁上在与锁块对应的位置处形成有止挡部；所述剪切固定件用于将所述上接头和芯轴沿轴向相对固定在第
一位置，且能够在受到第一轴向剪切力的作用下被剪断；所述芯轴上形成有外径缩径段，所述外径缩径段所形成的凹槽深度至少比所述锁块的顶面超出所述锁块安装孔的高度大，在所述第一位置，所述外径缩径段沿液体流动方向位于所述锁块安装孔的上游，所述芯轴的第一端封堵住所述泄压孔；所述坐封组件被设置为能够在靠近所述芯轴的第一端的坐封位置处封堵住所述芯轴的流道。
8.在本发明的一个示例性实施例中，所述锁块安装孔的开口宽度可以沿径向朝靠近轴线的方向逐渐减小，形成第一引导斜面；所述锁块可以具有与所述锁块安装孔的第一引导斜面相对应的第二引导斜面；所述短节的第二端端面处可以形成有与所述锁块的第二引导斜面相对应的第三引导斜面。
9.在本发明的一个示例性实施例中，所述上接头外侧壁可以形成第一外径段和第二外径段，第二外径段的外径比第一外径段的外径小，以形成台阶部；所述短节套装在所述上接头的第二外径段的外壁上并且通过抗扭组件与所述上接头连接。
10.在本发明的一个示例性实施例中，所述抗扭组件可包括：抗扭键槽，形成在所述短节的第一端与所述上接头的台阶部中的一者上；和抗扭花键，沿轴向突出地形成在所述短节的第一端与所述上接头的台阶部中的另一者上，所述抗扭花键嵌入抗扭键槽内。
11.在本发明的一个示例性实施例中，所述芯轴的第二端的内腔结构可以与所述芯轴的第一端的内腔结构相同。
12.在本发明的一个示例性实施例中，所述上接头的靠近第二端的内壁的内径减小以形成排渣斜面和缩径结构，在所述第一位置，所述芯轴的第二端与所述排渣斜面具有距离。
13.在本发明的一个示例性实施例中，所述短节的第一端内侧壁上可以形成有gs打捞口，以供打捞工具与短节连接。
14.在本发明的一个示例性实施例中，所述剪切固定件可以为剪切销钉，所述上接头的靠近第二端的侧壁上可以形成有剪切销钉孔，所述芯轴的外侧壁上可以形成有剪切销钉槽，所述剪切销钉可以为一个或多个，所述第一轴向剪切力可以通过所述剪切销钉的数量来调节。
15.在本发明的一个示例性实施例中，所述坐封组件可以包括：坐封限位部，沿周向设置在所述芯轴的位于坐封位置处的内壁上；和坐封球，在所述坐封位置处抵靠在所述坐封限位部上并与所述坐封限位部配合实现封堵所述芯轴的流道。
16.本发明的另一方面提供了一种完井管柱，所述完井管柱包括：如上所述的液压丢手工具；以及压力监测单元，被配置为监测管柱内的压力，并通过判断管柱内的压力变化来判断所述剪切固定件是否完成剪切作业。
17.本发明的又一方面提供了一种油气田完井的施工作业方法，所述方法采用如上所述的完井管柱，所述方法包括：将工具管串或特殊工具仪器连接到所述液压丢手工具上并送至井筒内；当送至井筒内的预定位置时，进行丢手作业，所述丢手作业包括：启动坐封组件，以封堵住所述芯轴的流道；向管柱内加压，当管柱内液体达到设定压力值时，所述剪切固定件受到向下的推力并在达到第一轴向剪切力时被剪断，所述芯轴向下移动；当所述芯轴向下移动的行程超过预定距离，使所述泄压孔与所述上接头的流道连通，通过压力监测单元监测所述管柱内的压力来判断是否完成剪切作业；当所述压力监测单元判断的结果为已完成剪切作业时，上提所述上接头以上的上部管柱，实现上接头、锁块、剪切固定件、芯轴
及坐封组件与下接头和短节的分离；当需要打捞时，将gs打捞工具下入井筒内，并使gs打捞工具与所述短节连接，上提所述gs打捞工具，完成打捞。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：解决了现有液压丢手工具投球后容易发生锁死现象，无法脱开，或者在未投球时自动脱落，丢手可靠性低等问题，结构简单、零部件少，降低加工难度、生产和维护成本。
附图说明
19.图1为本发明示例性实施例的液压丢手工具的立体示意图；
20.图2示出了图1中的液压丢手工具的内部结构图。
21.图3示出了图2中的液压丢手工具的上接头的结构示意图。
22.图4示出了图2中的液压丢手工具的短节的结构示意图。
23.图5示出了图2中的液压丢手工具的锁块的结构示意图。
24.图6示出了图2中的液压丢手工具的芯轴的结构示意图。
25.附图标记说明：
26.1、上接头，1-1、泄压孔，1-2、抗扭键槽，1-3、第一引导斜面，1-4、剪切销钉孔，1-5、密封槽，1-6、排渣斜面，1-7、缩径结构，2、短节，2-1、抗扭花键，2-2、密封圈，2-3、标准gs打捞口，2-4、密封圈，2-5、第三引导斜面、3、下接头，3-1、止挡部，4、锁块，4-1和4-2、第二引导斜面，5、剪切销钉，6、芯轴，6-1、上部密封圈，6-2、凹槽，6-3、剪切销钉槽，6-4、下部密封圈，6-5、坐封限位部、7、坐封球。
具体实施方式
27.在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本发明的液压丢手工具、完井管柱及油气田完井的施工作业方法。
28.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。在本技术中，各部件的“第一端”可为图上所示的“上端”，“第二端”可为图上所示的“下端”，“上端”、“下端”与附图本身的上、下方向一致，但并不对本公开的组件的结构起限定作用，例如，附图上所示的组件方向变化后，“第一端”也可为图上所示的“左端”，“第二端”可为图上所示的“右端”等。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
29.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。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。
30.轴密封和连接的方法可采用本领域常用的方式(如轴密封可通过密封环或密封组实现，如密封组可包括若干个o型密封圈和若干个o型密封圈背环，连接可采用螺纹连接、卡扣连接或卡塞连接)，本公开不作过多赘述。
31.图1为本发明示例性实施例的液压丢手工具的立体示意图；图2示出了图1中的液
压丢手工具的内部结构图。
32.根据本发明一方面的实施例，提供了一种液压丢手工具，如图1和图2中所示，该液压丢手工具包括锁块4、剪切固定件、坐封组件、上接头1、短节2、下接头3和芯轴6。其中，上接头1、短节2、下接头3和芯轴6同轴布置，上接头1、短节2和下接头3沿液体流动方向依次设置。上接头1的靠近第一端的管壁上形成有贯穿管壁的泄压孔1-1，上接头1的靠近第二端的管壁上形成有贯穿管壁的锁块安装孔；锁块4置于锁块安装孔内，锁块4的下底面由芯轴6支撑，锁块4的顶部被锁块安装孔暴露且锁块的顶部的侧面与短节2的第二端端面相抵靠；下接头3的内壁、短节2的第二端端面之间形成有容纳锁块4的顶部的空间(锁窗)，下接头3的内壁上在与锁块4对应的位置处形成有止挡部3-1；剪切固定件用于将上接头1和芯轴6沿轴向相对固定在第一位置，且能够在受到第一轴向剪切力的作用下被剪断；芯轴6上形成有外径缩径段，外径缩径段所形成的凹槽6-2深度至少比锁块4的顶面超出锁块安装孔的高度大，在第一位置，外径缩径段沿液体流动方向位于锁块安装孔的上游；坐封组件被设置为能够在靠近芯轴的第一端的坐封位置处封堵住芯轴的流道。
33.现场施工作业时，若根据工艺要求，需要丢手操作时，可启动坐封组件，以封堵住芯轴的内腔(流道)。向管柱内加压，例如，通入液体(例如，循环液)，为芯轴6提供沿上接头1的第一端至上接头1的第二端的方向向下的推力(图2中的从左至右的方向)，当管柱内液体达到设定压力值时，剪切固定件受到向下的推力并在达到第一轴向剪切力时被剪断，芯轴6与上接头1脱离连接，并向下移动。
34.如图2中所示，在初始状态，芯轴6通过剪切固定件(例如，剪切销钉5)与上接头1相对固定在第一位置(锁定位置)，此时，芯轴6的第一端封堵住泄压孔1-1，从上接头1的第一端通入的流体只能通过芯轴6的内腔(流道)流过。
35.下接头3的内侧壁、芯轴6的第一端端面以及上接头1靠近锁块安装孔的外壁之间形成锁窗，锁窗对应于锁块安装孔，当锁块4放置于锁块安装孔内时，锁块4的顶部容纳在锁窗内。
36.当芯轴6在剪切固定件被剪断之后且受到沿流体流动方向向下的推力下运动的行程超过预定距离，例如，运动至第二位置(解锁位置)时，锁块4沉入凹槽6-2内，并且芯轴6远离泄压孔1-1以使得泄压孔1-1与上接头1的流道连通。此时，可以由于从上接头1的第一端通入的流体可以通过泄压孔1-1排出，使得管柱内的压力变化，地面操作人员可通过管柱内压力变化判断是否完成剪切作业。
37.完成剪切作业后，可上提上接头1及上部管柱，通过上接头1顺利带出上接头1、锁块4、剪切销钉5、芯轴6以及坐封球7等部件，实现与下部工具(例如，短节、下接头等)的脱离，完成丢手作业。
38.根据本发明实施例的液压丢手工具，通过锁块4将液压丢手下部工具与上部管柱连接，依靠设置在工具内部的剪切销钉受剪解除芯轴限位，改善了两零件受力，防止作业过程中震动等造成误丢手。
39.图3示出了图2中的液压丢手工具的上接头的结构示意图。图4示出了图2中的液压丢手工具的短节的结构示意图。图5示出了图2中的液压丢手工具的锁块的结构示意图。图6示出了图2中的液压丢手工具的芯轴的结构示意图。
40.如图3至图5中所示，锁块安装孔的开口宽度沿径向朝靠近轴线的方向逐渐减小，
形成第一引导斜面1-3；锁块具有与锁块安装孔的第一引导斜面1-3相对应的第二引导斜面4-1和4-2；短节的第二端端面处形成有与锁块的第二引导斜面相对应的第三引导斜面2-5。
41.锁块4上的第二引导斜面4-1和4-2，与短节2上的第三引导斜面2-5，上接头1上的第一引导斜面1-3形成配合。在完成剪切销钉的剪切作业，解除芯轴限位后，上提管柱时可给予锁块4沿径向向内的推力，使锁块4沉入芯轴6上的缩径空位(凹槽)6-2，辅助实现锁块4的解锁。
42.参照图5，锁块4上两个引导斜面4-1和4-2完成剪切作业后两个方向给锁块4提供引导力，有效防止锁块4卡死。芯轴6上形成有缩径空位6-2，为锁块4解锁提供空间，进一步防止锁块4卡死，提高丢手的可靠性。优选地，芯轴6的缩径空位6-2靠近锁块安装孔。
43.如图3中所示，上接头1的靠近第二端的内壁的内径减小以形成排渣斜面1-6和缩径结构1-7，在第一位置，芯轴的第二端与排渣斜面具有距离。在完成剪切销钉的剪切作业，解除芯轴限位后，芯轴受压力向井底方向向下移动，该排渣斜面1-6对芯轴实现限位，以实现芯轴的缩径空位(凹槽)6-2正对锁块4，便于锁块4沉入凹槽6-2中，可有效防止锁块4卡死。完成剪切作业后，上提管柱时多方面配合，例如，上述多个引导斜面、排渣斜面1-6、锁块4的配合，提高丢手的可靠性。
44.排渣斜面1-6还可以芯轴下移过程中起排渣作用，防止杂质干扰芯轴的行程。该排渣斜面1-6同时可以降低工具应力集中的作用。在完成剪切作业后通过缩径结构1-7，取出芯轴6等部件。
45.上接头1的第一端(左端)可用于与用于与上游部件(例如，送入管柱)固定连接。例如，上接头1的第一端上可设置有螺纹，上接头1可通过螺纹与上游部件固定连接。然而，本公开不限于此，上接头与上游部件也可以通过其他方式固定连接。
46.上接头1外侧壁形成第一外径段和第二外径段，第二外径段的外径比第一外径段的外径小，以形成台阶部。台阶部上形成有抗扭键槽1-2。
47.短节2套装在上接头的第二外径段的外壁上。短节2的第一端形成有与抗扭键槽1-2匹配的抗扭花键2-1，抗扭花键2-1可嵌入抗扭键槽1-2内。抗扭花键2-1可沿轴向突出地形成在短节的第一端，即，整体可呈直线形。抗扭花键2-1和抗扭键槽1-2形成为彼此嵌套的结构，使得抗扭花键2-1嵌入抗扭键槽1-2并且被限制在抗扭键槽1-2内，用于传递扭矩。抗扭花键2-1和抗扭键槽1-2的数量可以为多个，沿周向间隔布置。
48.根据本发明的示例性实施例，抗扭花键2-1和抗扭键槽1-2彼此配合，形成用于传递管柱扭矩的抗扭组件。短节2通过抗扭组件与上接头连接。但本发明不限于此，根据需要，抗扭花键2-1和抗扭键槽1-2的位置可互换。也就是说，抗扭键槽形成在短节2的第一端与上接头的台阶部中的一者上；抗扭花键沿轴向突出地形成在短节2的第一端与上接头1的台阶部中的另一者上。
49.为保持工具内部清洁，提高密封效果，上接头1的靠近第二端的外壁上形成有密封组件，例如，密封槽1-5和嵌入其中的密封圈。正常作业工程中，通过密封组件确保管柱内部介质不进入工具内部，保持工具内部清洁。
50.如图4中所示，短节2的第一端内侧壁上形成有标准gs打捞口2-3，以供打捞工具与短节连接，完成丢手后期的打捞作业。打捞过程，由于在短节2上部设计有标准的gs打捞口2-3，用gs打捞工具下入井筒内，实现打捞工具与短节2的连接，上提打捞工具即可完成打捞
作业。
51.短节2上还可设置有密封圈2-2和2-4，密封圈2-2形成在短节内壁上，密封圈2-4形成在短节2的外壁上，可有效阻止工具外部介质进入工具内部，保持工具内部清洁，延长工具使用寿命。
52.下接头3的第一端套设在短节2和上接头1的第二端的外壁上。下接头3的第二端(右端)可与下游部件(例如，需要送入井下的工具管串或特殊工具仪器)固定连接。例如，下接头3的第二端上可设置有外螺纹，下接头可通过螺纹与下游部件固定连接。然而，本公开不限于此，下接头与下游部件也可以通过其他方式固定连接。
53.坐封组件设置在芯轴的流道中并能够在靠近芯轴的第一端的坐封位置处封堵住芯轴的流道。坐封组件可以包括坐封限位部6-5和坐封球7。坐封限位部8沿周向设置在芯轴的位于坐封位置处的内壁上。坐封球7在坐封位置处抵靠在坐封限位部上6-5并与坐封限位部配合实现封堵芯轴6的流道。
54.在本实施例中，芯轴6的第一端通过内径收缩形成坐封限位部6-5，如图6中所示，芯轴6的第一端的内径逐渐减小，形成喇叭形开口。芯轴6在坐封位置处的内径小于或等于坐封球7的直径。但本发明不限于此，还可以设置坐封球座来作为坐封限位部。具体地，坐封球座可沿周向设置在靠近芯轴的靠近第一端的内壁上，坐封球座可以从芯轴的内壁上沿径向向内突出，并形成有球状坐封面。坐封球座可以与芯轴之间可拆卸连接，例如，通过诸如螺钉、螺栓等紧固件可拆卸地连接。也可以一体成型在芯轴的内侧壁上。
55.坐封球7可以为球体、类球体、半球体、类半球体等，只要坐封球7和坐封限位部彼此配合以在坐封位置处形成封堵即可。坐封球7的直径比芯轴的位于非坐封位置处的内径小，并且大于或等于上接头的位于坐封位置处的内径。也就是说，坐封球7的直径小于芯轴整体的内径，并且大于或等于坐封限位部的顶面之间的距离。坐封球7可以为钢球，但本发明不限于此，还可以采用其它硬度等满足需要的材质来制成坐封球7。
56.为了将芯轴6和上接头1沿径向固定，并在需要的时候使芯轴6和上接头1解除锁定、相互脱离，剪切固定件可以包括若干个剪切销钉5，上接头1的靠近第二端的侧壁上形成有剪切销钉孔1-4，芯轴6的外侧壁上形成有剪切销钉槽6-3，剪切销钉5可以为一个或多个，第一轴向剪切力通过剪切销钉的数量来调节。但本发明不限于此，剪切固定件还可以为剪销等，只要能实现在外力作用下可以被剪断的固定件都可。通过剪切销钉5与芯轴6上的剪切销钉槽6-3配合，可通过调节剪切销钉数量，调节剪切液压值。
57.参照图6，在芯轴6设有上部密封圈6-1、下部密封圈6-4，上下部密封圈可有效阻止管柱内部介质进入工具内部，保持工具内部清洁，延长工具使用寿命。
58.进一步地，芯轴6的整体内径一致，芯轴6的第二端的内腔结构与芯轴的第一端的内腔结构相同。由于芯轴6的上、下两端直径一样，在正常施工作业过程中芯轴6两端受力平衡，在管柱振动、压力波动等工况可有效防止误丢手，提高工作效率。
59.本发明的另一方面提供一种完井管柱，其包括如上所述的液压丢手工具以及压力监测单元。压力监测单元被配置为监测管柱内的压力，并通过判断管柱内的压力变化来判断剪切固定件是否完成剪切作业。可选地，可通过地面操作人员来检测压力变化，也可以通过常用的压力监测设备来监测。
60.本发明的另一方面提供一种油气田完井的施工作业方法，所述方法采用如上所述
的完井管柱，所述方法包括：将工具管串或特殊工具仪器连接到所述液压丢手工具上并送至井筒内；当送至井筒内的预定位置时，进行丢手作业。
61.丢手作业可以包括：投球、启动坐封组件，以封堵住芯轴6的流道；向管柱内加压，当管柱内液体达到设定压力值时，剪切固定件受到向下的推力并在达到第一轴向剪切力时被剪断，芯轴向下移动；当芯轴6向下移动的行程超过预定距离，使泄压孔1-1与上接头1的流道连通，通过压力监测单元监测管柱内的压力来判断是否完成剪切作业；当压力监测单元判断的结果为已完成剪切作业时，上提上接头以上的上部管柱，实现上接头、锁块、剪切固定件、芯轴及坐封组件与下接头和短节的分离。
62.当需要打捞时，将gs打捞工具下入井筒内，并使gs打捞工具与所述短节连接，上提gs打捞工具，完成打捞。根据本发明，所提及gs打捞工具、gs打捞口可为连续油管用的常规gs打捞工具。
63.根据本发明的液压丢手工具，在正常施工作业过程中，上接头1外侧设有抗扭键槽与短节2上的抗扭花键形成配合，起到传递上接头1与短节2之间扭矩的作用。进行丢手作业时，坐封球7在芯轴6中完成座封后，通过液压压力推动芯轴6向下移动，最终将液压压力传递到剪切销钉5上，可通过调节剪切销钉5的数量实现调节最大液压压力。在完成剪切销钉5的剪切作业后，芯轴6向下移动，在芯轴6行程超过设计值后可通过上接头1上的泄压孔排出管柱内的压力，地面操作人员可通过管柱内压力变化判断是否完成剪切作业。完成剪切作业后上提上接头1及上部管柱，通过上接头1顺利带出上接头1、锁块4、剪切销钉5、芯轴6以及球7等部件，实现与下部工具的脱离。
64.根据本发明的实施例，具有的有益效果之1为：在上接头上设置有排渣斜面，该斜面有两方面作用：1)在解除芯轴限位后，芯轴受压力向井底方向移动，该斜面对芯轴实现限位，以实现芯轴缩径段空位正对锁块；2)芯轴下移过程中起排渣作用，防止杂质干扰芯轴的行程。
65.根据本发明的实施例，具有的有益效果之2为：上接头的锁块安装孔设置有引导斜面，与锁块上的引导斜面相互配合，在解除芯轴限位后，上提管柱给予锁块向内的推力，实现解锁，通过有益效果2和3的结合，确保液压丢手解锁可靠。
66.根据本发明的实施例，具有的有益效果之3为：通过锁块4将液压丢手下部工具与上部管柱连接，依靠设置在工具内部的剪切销钉受剪解除芯轴限位，改善了两零件受力，防止作业过程中震动等造成误丢手。
67.根据本发明的实施例，具有的有益效果之4为：液压丢手芯轴两端面积相同，不存在压力差，不会造成使用过程中未投球就发生自动丢手现象。
68.尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。