一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具的制作方法

1.本发明涉及弃井套管回收作业技术领域，特别涉及一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具。


背景技术：

2.随着油田长时间的开发利用，油气资源逐渐枯竭，大量的油气井被永久弃置，在使用水下井口装置时，为实现油气的封隔，避免残余油气泄漏造成环境污染和生态破坏，应该按照行业要求进行永久弃井作业，临时弃井和探井进行永久弃井处理，需要弃井作业的油气井数量逐年增加，《gb2019石油天然气钻井海洋弃井作业规程》要求弃井作业要选择适当的井深处对套管从内至外层层切割和打捞回收，然后用水泥进行永久封堵，在完成固井作业后，内层套管、水泥环、外层套管和地层之间因为水泥浆凝固作用而胶结在一起，大大增加了拔拉套管阻力，导致套管很难拔出甚至是无法拔出井眼，而先切割一小段套管后再逐次进行拔拉，则会增加弃井作业周期和成本。总之，传统弃井作业回收套管方法已远远不能满足弃井作业市场需求，有必要基于创新手段研发新技术对其进行改进。


技术实现要素：

3.本发明为解决以上技术问题，提供一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，以提高弃井作业套管回收效率。本发明创新性使用单活塞偏心挤压方式对水泥环进行间接挤压破坏，降低套管与水泥环之间的胶结作用，在保证弃井作业高效进行的同时，降低了作业成本。
4.本发明是采用以下技术方案得以实现的。
5.一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，包括主轴，所述主轴的一端向内形成活塞槽，活塞槽的中轴线与主轴的中轴线之间形成偏心角；所述活塞槽内嵌入活塞，活塞的末端穿出活塞槽并与压头连接，压头的周向上设有压溃带。
6.进一步的，所述主轴远离压头的一侧设有扶正器。
7.更进一步的，所述扶正器包括硬质合金壳，在硬质合金壳和主轴之间设有并列排布的径向轴承；所述径向轴承的两侧安装有推力轴承，在两个推力轴承的外侧分别设有限位卡块和限位环。
8.进一步的，所述活塞槽的内壁上设有硬质合金套，活塞置于硬质合金套内。
9.更进一步的，所述活塞与硬质合金套之间设有密封圈。
10.进一步的，所述主轴设有活塞槽的一端设有端盖。
11.本技术具有以下有益效果。
12.(1)本发明的水泥环破碎工具结构简单，便于加工制造，实用性好，所使用的轴承均为标准件，便于采购和检修更换。在套管回收作业时，活塞由打压的高压流体获得偏心推力，然后主轴转动带动活塞与压头，挤压套管产生弹性变形，间接使水泥环发生破碎，在套管和水泥环之间形成间隙，达到破坏套管和水泥环之间胶结力的作用，降低了拉套管阻力，
使拔出套管的过程变得容易，减少了套管回收作业周期，在提高套管回收成功率的同时也降低了作业成本，对改进套管回收作业模式有着积极的借鉴意义和推广价值；
13.(2)本发明水泥环破碎工具中的压头在偏心力作用下增大对套管的挤压作用，使套管材料仅产生弹性变形而不产生任何塑性变形，避免了对套管过度挤压而造成套管因产生永久变形而卡住水泥环情况的发生，而一旦卡住水泥环将会增大拔套管力；
14.(3)本发明水泥环破碎工具应用工况范围广，充分考虑了实际固井作业时套管和水泥环之间的偏心状况，即使在套管和水泥环出现最极端的偏心工况下使用本发明工具依旧能获得预期效果，且不会损坏水泥环外层套管，能有效防止有毒有害物质泄露到地层。
附图说明
15.图1是本发明的结构示意图；
16.图2是本发明主轴的结构示意图；
17.图3是本发明压头的结构示意图；
18.图4是本发明的工作原理示意图。
19.其中，1.主轴；101.活塞槽；102.液压通道；103.连接口；104.台阶面；2.限位卡块；3.推力轴承；4.径向轴承；5.限位环；6.扶正器；7.硬质合金壳；8.活塞；9.密封圈；10.硬质合金套；11.端盖；12.压溃带；13.压头；14.地层；15.外层套管；16.水泥环；17.套管。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
21.如图1-3所示，一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，包括主轴1，主轴1为由两段不等径的圆柱体组成的阶梯结构。所述主轴1内形成相互连通的圆柱形的液压通道102和长方体形的活塞槽101；液压通道102远离活塞槽101的一端扩径形成圆台形的连接口103，连接口103位于主轴1小径段的末端，连接口103用于与钻具相连，从而使高压液体作用于活塞8；所述活塞槽101倾斜设置于主轴1的大径段内，活塞槽101的中轴线与主轴1的中轴线之间形成偏心角，偏心角的角度为5～10
°
，需根据实际管径、工具尺寸进行计算调整。
22.本技术主轴1末端(设有活塞槽101的一端)安装端盖11，端盖11上形成通孔，通孔的位置与活塞槽101对应。
23.本技术活塞槽101的内壁上设有硬质合金套10，在硬质合金套10内穿设有活塞8，硬质合金套10和活塞8之间设有密封圈9，进行密封处理。具体的，所述活塞8的两端大小、结构均不同，大端呈长方体形，小端呈圆柱体形，大端置于硬质合金套10内，小端从端盖11的通孔中穿出，端盖11上的通孔孔径大于活塞8小端圆柱体外径，且小于活塞8大端长方体对角线的长度，通过对活塞8大端进行限位从而限制活塞8整体的伸出长度。
24.活塞8的小端穿出端盖11的通孔后与压头13连接。具体的，压头13呈球冠形，球冠的底面向内凹陷形成凹槽，凹槽的侧壁上形成与活塞8小端连接螺纹。所述压头13的表面设有增大挤压力的压溃带12，压溃带12沿压头13的周向设置，并通过焊接方式与压头13固定。在液压作用下，活塞8可在硬质合金套10内移动，使压头13伸出，增大与主轴1的偏心距，并在主轴1的带动下产生偏心运动。
25.本技术工具中还设有扶正器6，扶正器6通过两组轴承和限位卡块2安装在主轴1小
径段上。具体的，扶正器6包括硬质合金壳7、径向轴承4、推力轴承3，硬质合金壳7内圈安装有两个径向轴承4，径向轴承4的两侧设有推力轴承3，推力轴承3与径向轴承4并列安装在主轴1小径段上，在两个推力轴承3的外侧分别设有限位环5和限位卡块2，限位环5抵接在主轴1的台阶面104上，限位卡块2上设有与主轴1上的螺钉孔相配合的螺钉孔，使用螺钉连接的方式将限位卡块2固定在主轴1上。所述限位环5和限位卡块2对扶正器6起到轴向限位作用，将硬质合金壳7、推力轴承3、径向轴承4组成一个整体。
26.本发明的工作原理如下：
27.图4(a)为工具随钻杆下入井下的初始状态，当需要作业挤压破坏水泥环16时，通过对工具注入高压流体，推动活塞8使压头13伸出与套管17接触并保持工作状态，此时压头位置如图4(b)所示，压头13对套管17形成挤压，在钻机的旋转作用下带动工具的转动，工具对套管17施加一个偏心挤压力，并且压头13上存在一圈压溃带12，在挤压作业过程中可明显增大接触力形成初始破坏，继而使水泥环16发生压溃破坏，同时在多次转动下，压头13所在周向位置的水泥环16都将被破坏；在钻机的上拉作用下，水泥环16的损伤轴向破坏宽度逐渐增大，直至整个预期的井下固井水泥环完全发生破坏。工具旋转作业时，套管17对压头13的反作用力由活塞8传递给主轴1使工具整体发生偏心，此时扶正器6一侧与套管17表面接触，套管17对扶正器6的反作用力依次传递给径向轴承4、主轴1，扶正器6使工具作业在增大偏心力的同时又保护了钻杆及工具整体，避免工具受到较大的磨损，也保证了作业的安全。
28.本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，包括主轴(1)，其特征在于：所述主轴(1)的一端向内形成活塞槽(101)，活塞槽(101)的中轴线与主轴(1)的中轴线之间形成偏心角；所述活塞槽(101)内嵌入活塞(8)，活塞(8)的末端穿出活塞槽(101)并与压头(13)连接，压头(13)的周向上设有压溃带(12)。2.根据权利要求1所述的一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，其特征在于：所述主轴(1)远离压头(13)的一侧设有扶正器(6)。3.根据权利要求2所述的一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，其特征在于：所述扶正器(6)包括硬质合金壳(7)，在硬质合金壳(7)和主轴(1)之间设有并列排布的径向轴承(4)；所述径向轴承(4)的两侧安装有推力轴承(3)，在两个推力轴承(3)的外侧分别设有限位卡块(2)和限位环(5)。4.根据权利要求1所述的一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，其特征在于：所述活塞槽(101)的内壁上设有硬质合金套(10)，活塞(8)置于硬质合金套(10)内。5.根据权利要求4所述的一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，其特征在于：所述活塞(8)与硬质合金套(10)之间设有密封圈(9)。6.根据权利要求1所述的一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，其特征在于：所述主轴(1)设有活塞槽(101)的一端设有端盖(11)。

技术总结
本发明公开了一种单活塞偏心挤压式水泥环破碎工具，包括主轴，所述主轴的一端向内形成活塞槽，活塞槽的中轴线与主轴的中轴线之间形成偏心角；所述活塞槽内嵌入活塞，活塞的末端穿出活塞槽并与压头连接，压头的周向上设有压溃带。在钻机的旋转作用下，压头与钻杆的偏心距增大，使套管受到的偏心挤压力增大，从而使水泥环发生压溃破坏，同时压头周向位置的水泥环都将被破坏，在钻机的上拉作用下，工具对水泥环的破坏宽度逐渐增大，最终整个井下固井水泥全部破坏。本发明工具采用单活塞偏心滚动挤压作业的方式将固井水泥层压溃，破坏套管和水泥环之间的胶结作用，大大降低了拔套管力，减小了弃井作业周期，提高了套管回收作业效率。率。率。


技术研发人员：陆玉亮 刘东涛 韦馨洁 宋吉明 肖乔刚
受保护的技术使用者：中海油能源发展股份有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/8/5