专利名称：通用吊管架悬挂组件和完井系统及其安装方法
技术领域：
本发明主要涉及用于油井和气井的海底井口组件，且更具体地涉及用于海 底井口组件的通用吊管架悬挂组件。本发明还涉及用于陆上井口组件的吊管架 悬挂组件。
2. 现有技术说明
常规的海底井口组件包括安装在海底平面的井口壳体。用安装在井口壳体
上的钻孔防喷器(BOP)组，钻出井身同时相继地将同心套管柱安装在井身中。 通常，每个相继的套管柱在其下端粘牢并在井口壳体中其上端包括用机械密封
组件密封的套管悬挂器。
为了产生套管井，生产管柱和吊管架通常通过BOP组进入井身，且吊管架 安置、密封并锁定在井口壳体和/或套管悬挂器中。在密封延伸芽过吊管架的 孔时，移除BOP组，并将采集树(Christmas tree)降低到井口壳体上。采集 树是油田术语，它是指位于井顶部以控制油和气的流量的控制阔和节流器的组 件。在采集树、井口壳体和吊管架之间远程地形成适当连接对井的操作和安全 是至关重要的。
在常规完井系统中，采集树连接到吊管架上方井口壳体的顶部。吊管架支 承沿着井身延伸内的至少一个生产管柱。吊管架提供管柱内的生产孔和与围绕 管柱且在最内部或生产套管柱内部的环空(annulus)连通的管道。此外，吊 管架包括用于在管柱和采集树中相应生产孔之间连通流体的至少一个垂直生 产孔，并通常包括用于在管道环空和采集树上相应环空孔(an皿lus bore)之 间连通流体的至少一个垂直环空孔。吊管架可另外包括用于通过吊管架将控制 流体和井化学物或电力连通至位于吊管架中或吊管架下方的设各或位置的一 个或多个维修和控制管道。吊管架通常密封地并刚性地锁定到它所安置(land)的井口壳体或部件。
在具有常规采集树的井中，吊管架安置在井口壳体中。吊管架通常包括一体式 锁定机构，该机构在致动时将吊管架固定到井口壳体或套管悬挂器中的轮廓。 锁定机构确保作用在吊管架上的来自井内的任何随后的压力不会引起吊管架 从井口壳体举起，并由此导致不安全的情况。
全世界的海底井口设备制造商数量是有限的。目前，海底井口壳体的主要
制造商是ABB Vetco Gray、Cooper Cameron公司、Dril-Quip、FMC禾口 Kvaerner。
每个主要制造商都有它们自己所有的井口壳体和套管悬挂器设计、尺寸和细 节。通常使用来自制造商B的吊管架和/或采集树来在制造商A的井口壳体和 套管悬挂器上完成井。但是，由于制造商A的壳体和套管悬挂器设计是特有 的，所以没有来自制造商A的许可费以将制造商B的设备设计成与制造商A 的井口壳体和套管悬挂器正确互连和匹配，制造商B就不能将其吊管架和/或 采集树连接到制造商A的壳体。这导致当选择购买制造商B的设备用于制造 商A的井口壳体时产生相当量的额外工程和成本或额外设备(诸如浅管)。 由于每个井口壳体/系统制造商有具有不同特有细节的多个型号的壳体和套管 悬挂器，对其它制造商来说建立安装到其它制造商的井口设备上的设备库存是 不实际或不经济的。除了增加的成本，还增加了传输时间，该时间对井主来说 是非常重要的。
3.本发明目的的确定
本发明的主要目的是提供一种适于使用来自所有制造商的井口壳体的海底 完井系统。
另一目的是提供一种适于独立于井口壳体的任何特有细节而设置在井口壳
体中的吊管架组件。
另一目的是提供一种适用于多种井口壳体的通用吊管架组件。 本发明的另一目的是提供一种适用于两个或多个制造商的井口壳体的通用
吊管架组件。
本发明的另一目的是提供一种设置和设计成放置在陆上钻井的井口壳体中 的吊管架组件，它使得吊管架组件是独立于该井口壳体的特有细节和尺寸的。 本发明的另一目的是提供一种用于将通用吊管架组件安装在井口壳体中的 方法，其中井口壳体中承坐面的信息是未知的。
发明内容
本发明体现为用于油井和气井完井系统的吊管架悬挂组件及其安装方法。 用于海底井或陆地井的吊管架悬挂组件包括设置在井口壳体内的吊管架壳体。 吊管架组件包括密封和锁合机构，该密封和锁合机构在生产套管柱中该井口壳 体下方位置处提供生产管的密封和负载支承。连接在吊管架悬挂自通的上端和 采集树组件下端之间的插入接头组件提供井下液压和电动功能和到生产管的 环空通路。
根据本发明的完井系统设置和设计成用于所有制造商的井口壳体。较佳实 施例的吊管架悬挂组件包括独立于井口壳体的任何特有细节地设置在井口壳 体中的吊管架壳体。吊管架悬挂组件的较佳实施例是"通用"的，即适用于多 种井口壳体，包括两个或多个制造商的井口壳体。
根据本发明，吊管架组件安装在井口壳体中，其中井口壳体支承连接到衬
于(line)井身套管柱的套管悬挂器。吊管架组件设有吊管架壳体，吊管架壳
体的外径设置和设计成适配在井口壳体的孔中。吊管架组件包括由吊管架壳体 承载的管状件和锁合组件，两者都设置和设计成适配在套管柱中。吊管架壳体 设置在井口壳体中，且管状件和锁合组件设置在套管柱中，直到吊管架壳体的 底部表面设置在套管悬挂器顶端上方几英寸处。致动锁合组件抵靠套管柱的内 部。于是，吊管架组件由与套管柱锁合组件在吊管架壳体下方的位置的配合来
垂直支承。
参照附图，本发明的目的、优点和特征会更为明显，附图中同样的标号表
示同样的部件，且示出了本发明的说明性实施例，其中
图1是示出了加套井身、井口壳体、连接到井口壳体的防喷器("BOP") 组和吊管架安置在井口壳体中的套管柱的示意性剖视图2是示出了的根据本发明优选实施例的吊管架悬挂组件用吊管架送入工
具降低到加套井身和井口壳体中的示意性剖视图； 图2A是图2的下部的放大图3是图2和2A的吊管架悬挂组件的密封和锁合组件的较佳实施例的示 意性放大剖视图4是类似于图2的视图，其中密封和锁合组件设置在套管柱中且可收回 堵塞器设置在生产管中；
图5是示出了海底采集树的较佳实施例示意性剖视图，插入接头连接到通 用吊管架悬挂组件和井口壳体；
图6是插入接头连接到根据本发明的较佳实施例的通用吊管架组件的剖视 图，箭头表示环空流路；
图7是沿图6的线7-7截取的插入接头的剖视图8是类似于图6的图，示出了用于化学注射和地下安全阀控制装置的通
道；
图9是图8的上部的放大图；以及
图IO是根据本发明的另一实施例的吊管架悬挂组件的一部分的剖视图。
具体实施例方式
具体参照附图详细描述本发明的实施例。本发明涉及已经钻出的井的完成， 且该井的井身孔衬有套管。尽管以下所写的说明书和附图示出了实施在海底井 中的本发明，但本发明也可实现在地面上的井中。参见图1，示出典型的钻井 井身B从海底F向下延伸到区域Z，该区域通常与烃流体的储集层连通。示 出井身B具有从海底F向下沿着井身B延伸的一系列套管的管形柱。这一系 列管柱从最外部柱开始包括导管头12、井口壳体14、具有悬挂器16a的第一 或外部套管柱16和具有悬挂器18a的内部或生产套管柱18。图1中所示的井 是典型井的代表，是为了说明本发明的目的，但是本发明并不限于该具体构造 的井。附图不是按比例绘制的，因为井钻得极深。
还参见图1，导管头12的顶部较佳地在海底F上方。井口壳体14较佳地 是高压壳体，在导管头12上方延伸。较佳的是，井口壳体14的顶部在海底F 上方约十英尺。井口壳体14通常包括用于与防喷器("BOP")组20的连接器20a和油田采集树连接的外部轮廓(未示出)，如下文描述。通常，套管悬 挂器16a和18a安置并固定在井口壳体14中。
尽管未示出，井口壳体14通常包括用于在井口壳体14内安置、锁定和密 封叠置的套管悬挂器16a、 18a的若干个内部轮廓、尺寸和细节。每个井口制 造商有若干个井口壳体，并具有用于每个井口壳体的相应套管悬挂器。于是， 安装在井口壳体14内的套管悬挂器16a、 18a通常由相同公司制造，因为每个 制造商的井口和套管悬挂器与其它制造商的不同。
在如图1所示地设置套管之后，现有技术吊管架组件通常在常规井中行进。 尽管未示出，用于常规井的典型现有技术吊管架(即，吊管架安置在井口壳体 中的井)包括壳体，该壳体具有从壳体基本上向下延伸到生产区域Z的生产 管柱。安装在图1的井口壳体中的典型的现有技术吊管架安置在生产套管悬挂 器18a上的一个或多个肩部18b上。悬挂的管柱的重量由生产套管悬挂器18a 支承。尽管未示出，现有技术的生产套管悬挂器18a包括用于在生产套管悬挂 器18a内安置、锁定和密封典型现有技术吊管架的内部轮廓、尺寸和细节。与 上文类似，每个套管悬挂器制造商关于与吊管架的匹配和连接具有其自己的特 有构造。于是，在典型常规井中，吊管架通常由套管悬挂器的相同制造商制造， 他们通常也是井口壳体的相同制造商。
还参见图1，示出BOP组20具有连接器20a、垂直孔20b、多个闸板(ram) 20r、节流管线20c和压井管线20k。有几种类型和构造的适用于井口壳体14 的BOP组20。示出BOP组20的孔20b的直径约为井口壳体14的直径。但 是，BOP孔直径仅需要具有与必须穿过BOP组20以进行所要求的安装或检 查操作的任何工具或井部件的直径相同或稍大既可。术语"检查"用于表示为 了恢复或增加产量而在生产井上进行的各种补救操作中的一种或几种。
尽管不是必要的，但理想的是确定生产套管悬挂器18a的顶端18c和井口 壳体14的上表面14a之间的距离。顶端18c的深度通常由BOP组20的已知 深度(尺寸)确定。典型的井口壳体14在壳体上表面14a和生产套管悬挂器 18a之间有约24"至36"。
较佳的是，测量并已知多个BOP闸板20r之一 (例如图1的闸板20r')的 顶部和BOP井口连接器20a的内表面20f之间的长度D。由于下文将解释的
原因，该长度D称为"隔开"尺寸。当BOP组20安装到井口壳体14上时井 口连接器20a的内表面20f通常与井口壳体14的上表面14a相邻或毗邻。
图2和2A中示出了根据本发明较佳实施例的通用吊管架悬挂组件10。吊 管架悬挂组件10包括连接到吊管架壳体24的生产管22的管柱。生产管22 限定穿过生产管22轴向延伸的生产管孔22a。吊管架壳体24包括与生产管孔 22a流体连通的生产孔24a。生产孔24a基本上垂直延伸穿过吊管架壳体24。 如前所述，生产管柱22通常向下延伸到生产区域Z。生产管柱22可包括井身 B内所要求深度处的地下安全阀26。
吊管架壳体24还较佳地包括延伸穿过吊管架壳体24的环空通道24b。在 较佳实施例中，在吊管架壳体24中包括环空隔离阀28。环空隔离阀28设置 和设计成密封和关闭环空通道24b。
参见图2A，通用吊管架悬挂组件10较佳地包括在吊管架壳体24下端的吊 管架下部组件32。下部组件32可连接到或一体形成于吊管架壳体24。下部组 件32较佳地包括密封和锁合组件34。下部组件32较佳地为管状件，它具有 一穿孔。管状件32可以是具有穿孔的管子或心轴。吊管架下部组件32较佳地 围绕生产管柱22延伸，生产环空32a限定在两者间。尽管生产管柱22的长度 较佳的是使得其下端大约延伸到生产区域Z，但吊管架下部组件32的长度较 佳地基本上小于管柱22的长度。较佳的是，下部组件32的长度小于管柱22 的长度的50%，更佳地小于管柱22的长度的25%，且最佳地小于管柱22的 长度的15%。
由于管柱22的长度取决于生产区域Z的深度，下部组件32的深度相对于 管柱22的长度在井与井之间不同。较佳的是，下部组件32具有l'至1,500'范 围的长度，更佳地是l'至300'的范围，且最佳地是5'至100'的范围。
较佳的是，密封和锁合组件34由吊管架下部件32承载。较佳的是，密封/ 锁合组件34位于吊管架下部件32的下部端附近。图3中示出了密封/锁合组 件34的放大图。较佳的是，密封/锁合组件34包括外径扩大的管状部分36， 该部分稍小于生产套管18的内径。在较佳实施例中，密封/锁合组件34包括 密封装置38和防止移动的锁定装置或锁合装置40。密封装置38和锁合装置 40可包含在一体式组件中或可以是分开的组件。在具有地下安全阀26的井中，
密封装置38设置在套管柱18中地下安全阀26的上方。锁合装置40也在地下 安全阀的上方。
在较佳实施例中，锁合装置40包括可以是金属或非金属的元件或卡瓦 (slip)，适于与生产套管18的内部配合。配合时，锁合装置.句与套管18 内部配合并"固定"或防止吊管架悬挂组件IO相对于生产套管18的垂直移动。
密封装置38包括可由弹性体或其它材料(包括复合物)制成的密封件或金 属密封件，适于例如通过压縮在生产套管18和管状部分36之间形成环状密封。 密封装置38和锁合装置40可独立致动或共同致动。较佳的是，锁合装置40 和密封装置38的致动和停止通过端口 42a和42b液压控制，如下文解释的那 样。致动和停止也可以是电子地、机械地、或电动地致动或停止的。
如图2A所示，较佳的是一个或多个液压控制线44延伸穿过吊管架壳体24 以提供对吊管架壳体24下方的装置的液压控制。例如，可要求液压控制线致 动和停止密封装置38和锁合装置40。同样，可要求液压控制线44a延伸到地 下安全阀26。较佳的是，这些液压控制线44在下部件32和生产管柱22之间 的生产环空32a中延伸，如图2A所示。地下安全阀液压控制线44a较佳地在 生产套管柱18和生产管柱22之间的环空22b中，且该环空22b在密封和锁合 组件34的下部端下方，如图2A所示。
再参见图2和2A，吊管架悬挂组件10较佳地用吊管架送入工具30降低到 加套井身B和井口壳体14内。吊管架送入工具30适于锁定到吊管架壳体24 的上端内。吊管架送入工具30较佳地包括延伸穿过送入工具30并与吊管架生 产孔24a连通的生产孔30a。吊管架送入工具30还较佳地包括与吊管架环空 通道24b连通的环空进入孔30b和与吊管架壳体24的液压管线44连通的液压 管线30c。吊管架送入工具30较佳地包括用于井下液压和化学剂注入的管线 (未示出)，以与吊管架壳体24中的类似管线连通。
吊管架送入工具30较佳地包括在上部具有间隔心轴调节螺母48或类似机 构的上部心轴46。较佳的是，由于下文解释的原因，螺母48或心轴46和螺 母48长度可调节。如以上参见图1所解释的那样，间隔尺寸D是BOP闸板 20r'的顶部和BOP组20的井口连接器20a的内表面20f之间测得的和已知的 尺寸。该间隔距离D对BOP组20是常数且较佳地在将BOP组降低到水中之前进行测量。如图1所示，当BOP组20连接到井口壳体14时，间隔距离D 还对应于BOP闸板20r'的顶部和井口壳体14的上表面14a之间的距离。
参见图2，吊管架送入工具30的调节螺母48和上部心轴46较佳地在开始 吊管架悬挂组件10的"送入"或安装操作之前"调节"。当如图2所示调节 螺母48与部分封闭的BOP组闸板20r'接触时，调节心轴46和调节螺母48使 得吊管架壳体24接纳在井口壳体14中所要求高度处。较佳实施例中的调节螺 母48的外径比上部心轴46的外径大。随着吊管架悬挂组件10接近其所要求 的深度，较大直径调节螺母48在闸板20r'上"降至最低点"，闸板20r'闭合 成一小于调节螺母48的直径但大于心轴直径的直径。
参见图2和2A，吊管架悬挂组件10的较佳安装操作包括用吊管架送入工 具30和安装管柱50 (较佳地为钻杆)，穿过立管(未示出)禾nBOP组20降 低生产管柱22、密封和锁合组件34、吊管架下部管状件32和吊管架壳体24。 在吊管架壳体24和吊管架送入工具30的下部穿过BOP闸板20r'之后，闸板 20r'部分关闭。在闸板20r'关闭或部分关闭在上部心轴46上时，降低操作继续 直到调节螺母48与闸板20r'接触并使吊管架送入工具30停止在预定距离处。 该预定距离将吊管架壳体24适当地设置在相对于井口壳体14的预定高度上。 在本发明的较佳实施例中，该预定距离适当地将吊管架壳体24设置在井口壳 体14中。例如，该预定距离可将吊管架壳体24的上端设置在井口壳体14的 上表面上方或下方一或二英寸内。由于调节螺母48与闸板20r'接触，吊管架 下部管状件32和密封和锁合组件34垂直地保持在生产套管柱18中的合适位 置。
接下来，如果需要，在井中循环完井流体。较佳的是，BOP闸板20r'围绕 上部心轴46密封。完井流体从钻机向下抽到BOP组20的压井管线20k并进 入吊管架送入工具环空进入孔30b、吊管架环空通道24b、下部件生产环空32a 和生产管环空22b，并向上穿过生产管孔22a、吊管架生产孔24a、送入工具 生产孔30a和安装管柱50的孔50a返回到表面。或者，完井流体可向下抽到 安装管柱孔50a、送入工具生产孔30a、吊管架和生产油柱孔24a和22a抽送， 围绕下部生产封隔器52，并向上到环空孔22b、 32a到吊管架环空通道24b、 送入工具环空孔30b并到穿过BOP节流管线20c或压井管线20k到达表面。
在下部封隔器52设置成在井的下端形成生产套管18和生产管22之间的密封 之前完井流体就在井中循环。应当理解，可在设置密封装置38之前或之后进 行完井流体的上述循环。 '
接着，当密封和锁合组件34致动时，较佳地是通过液压控制线液压致动以 迫使锁合装置40 (见图3)与生产套管18紧密锁定配合。配合的锁合装置40 防止或基本防止下部管状件32和生产套管18之间的相对垂直运动。在密封装 置38致动时，密封装置38形成下部管状件32和生产套管18之间的流体或气 密密封。密封和锁合组件34可包括一组卡瓦，这些卡瓦具有夹住生产套管18 的金属元件。弹性体或其它密封件较佳地由该组卡瓦压缩以形成流体密封。较 佳的是，密封和锁合组件34是通常用在井中的类型的改进的封隔器组件以隔 离生产区域等。在美国专利6,769,491、 5,988,276、 5,271,468和4,296,806中 大致描述了这种代表性封隔器组件技术，且可从诸如Halliburton公司、Baker Hughes Inc.和Weatherford/Lamb， Inc.购得。申请人将美国专利6,769,491、 5,988,276、 5，271，468和4,296,806全部以参见的方式纳入本文。
在本发明的该较佳实施例中，与生产套管18配合的密封和锁合组件34提 供了在井中对通用吊管架悬挂组件IO的密封和载荷支承。密封和锁合组件34 提供了垂直载荷支承以支承通用吊管架组件IO并抵抗可能施加在组件IO上的 向上力。完成和安装吊管架10的密封、锁定和悬挂而不必知道任何井口壳体 14和/或套管悬挂器16a、 18a中的任何临界和特性尺寸。此外，在该较佳实施 例中，吊管架壳体24不要求且较佳的是不与井口壳体14或套管悬挂器16a、 18a锁定或密封。
在致动和设置密封和锁合组件34之后，可以从该密封和锁合组件34上方 或下方对该密封结构进行压力试验。可以通过关闭吊管架壳体24中的环空隔 离阀28，且使闸板20r'围绕上部心轴46密封，从表面通过压井管线20k抽取 流体，并使其向下穿过打开的闸板20r"、围绕BOP孔20b内吊管架送入工具 30的外部、在井口壳体14和吊管架壳体24之间的环空区域、以及生产套管 18和下部件32之间的环形区域中，以从上方对该密封结构进行压力试验。
较佳的是，在成功测试密封和锁合组件34之后，下部封隔器52设置成在 生产管柱22的底部附近密封生产管环空22b。可通过打开隔离阔28和关闭围
绕吊管架送入工具30的BOP闸板20r'和下部闸板20r"而从下方测试下部封隔 器52。为了进行压力试验，通过抽吸流体向下到安装管柱孔50a、吊管架送入 工具生产孔30a、吊管架生产孔24a和生产管孔22a并到封隔器52以下而形 成压力。如果在试验时，封隔器52泄漏流体，则向上穿过管道环空22b、环 空阀28和环空通道24b、闸板20r'和20r"之间，并向上到压井管线20k来吸收 压力和流体。
参照图4，较佳的是封闭件或堵塞器54 (例如通过缆绳)沿着安装管柱孔 50a和吊管架生产孔30a下降并设置在生产管22的孔22a中。封闭件54较佳 地是可收回的堵塞器，且更佳的是可用缆绳可收回的堵塞器。在较佳实施例中， 封闭件54在密封和锁合组件34的深度或以下的深度处设置在生产管22中。 或者，封闭件54可在密封和锁合组件34或以上处设置在生产管22中或设置 在吊管架壳体生产孔24a中。
在设置和测试密封和锁合组件34、下部封隔器52和封闭件54之后，且地 下安全阀26和环空隔离阀28关闭时，吊管架送入工具30从吊管架壳体24 脱开并取回到表面。然后从井口壳体14移除BOP组20。
接着，采集树组件60通过管柱50 (较佳的是钻杆柱)和采集树送入工具 56从水的上表面降低，如图5所示。示出采集树组件60具有生产孔62、生产 总阀64、生产翼阀66和生产抽汲阀68。采集树组件60还包括环空孔70和环 空总阀72。采集树组件60具有适于与井口壳体14密封和连接的采集树井口 连接器60a。
图5中示出的较佳采集树组件60 —般是指单孔采集树；但是本发明不仅适 用于单孔采集树，也适用于双孔和多孔采集树以及试验采集树。此外，尽管本 发明尤其适于海底应用，但发现它也可应用于地面井。
图5示出了具有采集树到吊管架插入接头(stab sub)组件74的采集树组 件60，该插入接头组件提供采集树组件60和通用吊管架悬挂组件10之间的 各种相互连接。插入接头组件74较佳地在将采集树组件60降低到井口壳体 14之前安装在采集树组件60的下端。插入接头组件74包括与采集树生产孔 62密封配合的生产孔74a，并在采集树组件60安装到井口壳体14上时与吊管 架壳体生产孔24a形成密封配合。类似地，插入接头组件74还包括与采集树 环空孔70密封配合的环空孔74b。采集树组件60安装时，环空孔74b形成与 吊管架环空孔24b的密封配合。在插入接头组件74中较佳地有一个或多个液 压控制线74c，这些液压控制线74c提供到液压管线24c、44a和44b的连接(图 9)以控制井下设备和装置。此外，诸如化学剂注入管线之类的其它端口或管 线可设置在插入接头组件74中。使用关于液压和化学剂注入的术语"管线" 意在包括实心件中的管或孔或端口，所述实心件例如吊管架壳体24或插入接 头组件74。
图6示出了连接到通用吊管架壳体24的插入接头组件74的较佳实施例。 示出在吊管架壳体24中有一对环空隔离阀28。图6的右侧示出在封闭位置以 封闭环空通道24b的右阀28，且左侧示出在打开位置以打开环空通道24的左 阀28。较佳的是左和右隔离阀28采用相同的位置并一起操作。如图6和7所 示，插入接头组件74较佳地包括一对环空孔74b以提供足够的截面环形流动 面积，通常该组合面积等于1.5"至2"直径孔的截面面积。各环形孔74b的下 端通过外围沟槽或沟道74b'彼此流体连通。类似地，各环形孔74b的上端通过 外围沟槽或沟道74b"彼此流体连通。或者或附加地，采集树组件60还可包括 外围沟槽以提供到采集树环形孔70和环形总阀72的流体连通(图5)。环空 隔离阀28打开时从密封和锁合组件34下方到采集树组件60的环空流路P在 图6中用箭头表示。
图8和9示出了用于化学剂注入和液压或地下安全阀(SSSV)控制装置的 通道。图8和9的剖视图相对于图6的剖视图已有角度旋转。如图9所示，插 入接头74包括用于地下安全阀26和化学剂注入74d的液压控制装置74c。较 佳地为每个设置上述类似沟道。密封件较佳地设置在各沟道之间以保持各通道 之间的隔离。
在较佳实施例中，外围沟槽或沟道的宽度(沿插入接头74的纵向轴线测量) 比孔74b、 74c和74d的相应直径大，以使在吊管架壳体24和采集树组件60 之间垂直间隔变化范围上的相应通道之间能够连通。例如，吊管架壳体24相 对于井口壳体上表面14a的垂直高度是预定的并通过上述送入工具上部心轴 46和调节螺母48设置。采集树组件60安装在井口壳体14上。插入接头组件 74提供吊管架壳体24和采集树组件60之间的流体和控制联接。由于较佳的 是在降低组件之前将插入接头74连结到采集树组件60，所以当采集树组件60 固定到井口壳体14时吊管架壳体24和插入接头74之间的所有流体/控制连接 可自动匹配是很重要的。上述外围沟槽或沟道的扩大的宽度允许在采集树组件 60和吊管架壳体24之间的一距离范围上实现所要求的匹配。较佳的是，沟道 使插入接头组件74能够在约l"至3"的垂直距离范围上适当地匹配并连通。
如上面参照优选实施例所述沟道使采集树组件60、插入接头组件74和吊 管架壳体24能够独立于分开部件的角度定向而彼此连通和匹配。该装置的这 种"非定向"特征简化了海底部件的送入和安装。本发明也可用于定向的海底 部件。
在固定和测试采集树组件60之后，封闭件54 (见图4)穿过生产管22、 吊管架24、插入接头组件74、采集树组件60、采集树送入工具56和安装管 柱50的孔而撤回到表面。
图IO示出了上面所示和所述本发明实施例的微小更改。在图10中，阻挡 装置80连接到吊管架壳体24的下端。阻挡装置80较佳地为具有上环部分82 和下环部分84的环件。每个环部分82， 84分别包括螺纹端82a、 84a，适于 彼此配合。较佳的是，下环部分84具有下部斜面端84b，该下部斜面端与生 产套管悬挂器18a上的肩部18b对应。较佳的是，阻挡装置80的长度可在安 装吊管架悬挂组件10之前由环部分82和84的螺纹配合来调节。较佳的是， 阻挡装置80的长度使得下部倾斜面端84b与吊管架肩部18b接触并将吊管架 悬挂组件10的重量传递到生产套管悬挂器18a。因此，如果生产套管悬挂器 18a相对于井口壳体14的尺寸和位置是已知的，可采用环阻挡装置80在降低 和安装吊管架悬挂组件IO时提供向下的阻挡。此外，环阻挡装置80可用于代 替图2的调节螺母48。环阻挡装置80不提供密封件，且它不提供对向上力的 阻力 一密封和对向上力的阻力仍然由密封和锁合组件34来提供。
根据本发明的上述说明，可实现一套"通用"的海底井部件。例如，再参 见图1，井口壳体14的通用大小具有18.625"或18.75"的内径(ID)，这取决 于制造商。安装在这些井口壳体14中的套管悬挂器16a、 18a通常为井口壳体 14的上表面14a以下24"至36"。因此，通用吊管架悬挂组件10的吊管架壳体 24 (图2， 2a)可在井口壳体14的上部占据约直径18.5"高度24"的圆柱空间。
由于较佳吊管架壳体24不包括用于锁定到井口壳体14上部可松开锁定机构
(在常规吊管架中是典型的)，18.5"直径基本上可被吊管架壳体24完全使用。 井口壳体14的该较大直径是有利的，因为用于穿过吊管架壳体所需的各种孔 和通道的"可用空间"明显比常规吊管架中的要大。
较佳的是，插入接头组件74的长度(见图5、 6)相同，与采集树组件60 所安装的井口壳体14和套管悬挂器16a， 18a的类型无关。这时由于使用间隔 距离D以无论井口壳体的类型无何都基本上同样地将吊管架24相对于井口壳 体14的顶部设置而完成的。这提供了从井口到井口的设计的简化并允许甩于 较佳采集树组件60的"通用"插入接头组件74。当然，对不同大小的生产管 需要独立的插入接头组件。
因此，应当理解，通用吊管架悬挂组件IO、插入接头74和采集树组件60 能够安装在各种井口壳体14上，并在很大程度上是"通用"且"现货供应" 的物品，消除了当将制造商A的采集树组件安装到制造商B的井口壳体上时 产生的相当大的工程和制造成本。本发明还不再使用安装于制造商B的井口 用于承载制造商A的吊管架的短管(井口连接件和跨越井口壳体)。
在本发明的较佳实施例中，通用吊管架悬挂组件IO、插入接头组件74和 采集树组件60不要求角度定向。该特征显著地简化了安装程序。但是，本发 明并不限于非定向设置，而是还可用于要求相对于彼此定向的部件。用于将采 集树组件定向到吊管架的技术是本技术领域已知的。美国专利5,544,707中, 示了一种类型的合适的定向技术，该技术以参见的方式纳入本文。另一定向技 术是当部件穿过BOP组20时用销更改BOP组20以对部件定向。部件的定向 增加了海底安装过程的成本和复杂度。
本发明包括用于油井和气井的吊管架悬挂组件10及其安装方法。吊管架悬 挂组件IO包括设置在井口壳体14中的吊管架壳体24。吊管架组件IO包括能 够在生产套管柱18中提供生产管22的密封和负载支承的密封和锁合机构34。 连接到吊管架悬挂组件10的上端和采集树组件60的下端的插入接头组件74 提供井下液压和电动功能和到生产管22的环空通路。
使用用于吊管架组件10的间隔和放置的BOP组20不再要求用于间隔的井 口壳体14的精确尺寸并不再需要将海底采集树组件60接口连接到插入接头组
件74的任何内部层叠尺寸。较佳的是，吊管架组件10的间隔通过BOP组20 中的送入工具30的上部心轴46顶部处的可调节间隔螺母48来完成。或者， 吊管架组件10的间隔预定高度可用安置在生产套管悬挂器18中的环阻挡装置 80 (较佳的是可调节的)来完成。使用通过BOP组20而不是井口壳体14将 下部件高度固定在预定高度的管道封隔器技术，使得海底采集树能够接口连接 在任何工业井口系统中。在系统中使用的该装置也不需使用BOP组20或井口 来定向。
上述装置和方法是有利的，因为它们适于与属于井口壳体的特有细节无关 地用于井口壳体14中。本发明的较佳实施例的吊管架悬挂组件10不再需要使 用用于将吊管架壳体24锁定和密封在位的井口壳体或套管悬挂器承坐肩部。 本发明的较佳实施例的吊管架悬挂组件10也不再需要将吊管架壳体24密封到 井口壳体14。较佳实施例通过将密封和锁合组件34密封、固定和锁定在由井 口壳体或系统中的套管悬挂器18a悬挂的生产套管18中而消除了这些需要。
本发明使完成海底井的得以简化且成本降低。吊管架壳体24较佳地不锁定 到井口壳体14、不与其密封或由其支承。因此，井口壳体14不再需要专门相 关于吊管架壳体24的细节、轮廓等。此外，在生产套管柱18中不需要内部轮 廓等来与密封和锁合组件34协配。这提供了将吊管架壳体24安装在所要求的 高度以确保当插入接头组件74与采集树组件60—起降低时由其桥接的适当空 间的灵活性。甚至套管柱18中的密封和锁合组件34的最终高度也可通过改变 下部件32的长度而在较长的距离上变化。根据各种关于井的因素，如果认为 需要，本发明还实施为多个密封和锁合组件34。
本发明提供了可用于吊管架壳体24中的相当大量的增加的截面面积，这是 极为有利的。吊管架壳体24的直径可接近井口壳体14的内径。增加的面积可 使吊管架壳体中需要或想要的增加的生产孔或多个生产孔、环空和各种其它端 口和控制装置等有充足空间。
可从本发明的吊管架悬挂组件的较佳实施例得到的一些优点的说明如下
对于消费者/用户，井口变得对于完井是不可见。这为用户提供了两个方面 的节约工程和硬件接口。在确定诸如层叠公差和尺寸和兼容性问题之类的吊 管架接口方面减少了工程。目前，这包括海底和地面完井的问题。
工程
1. 花费在接口上的工程时间是很显著的。用户花费大约一个人一周的工程 量以完成接口。这大致需要两个工程师以$200/小时的成本，每个制造商的接
口总共$16,000。两个井的成本约为$32，000且十个井是$320,000。
2. 制造商供应解决接口问题的专用图每幅图收费$10，000。通常最少两副图 需要一共$20,000。即使井是相同的且图是复制的也是按井收费的。如果用户 有两个井，收费是$40,000，或如果他有十个井，收费是$200,000。井口制造商 收取这些费用以可获取其需要的专用信息，这些信息用作在金钱方面鼓励用户 来购买井口制造商的吊管架和采集树而不是寻找最经济/商业化的解决方案以 完成他的海底井。
3. 总数在一个井$36,000到十个井$520，000之间。
制造和硬件接口
1. 为了使用常规管道悬挂方法在井口中完成井，其中井口的制造商与采 集树的制造商不同，采集树制造商的常规管道悬挂系统与井口不兼容。因此，
致使用户的完井是无用的。这意味着用户的$1,300,000至$2，000,000完井是无 用的，它必须以时间、进度和硬件的为代价购买另一个采集树。
2. 如果井的情形允许技术缺陷，可使用跨接短管。但是工程中会发生上 述相同问题。跨接短管安装在井口壳体上并设计成适应采集树制造商的吊管 架。除了增加的工程成本，用于跨接的硬件成本约为$500，000，大约增加 $1,500,000至$7,000,000的安装扩展成本。该扩展成本取决于水的深度和地理 位置。
3. 在这方面水平采集树是有帮助的，在水平采集树中，吊管架壳体安置 并密封在采集树(短管)中，而不是井口壳体中。但是，水平采集树还有伴随 有价格和工程接口方面的问题。通常水平采集树成本每个井约高出$1,000，000 以及还有约$1,200,000的辅助费成本。
4. 在本发明的吊管架悬挂组件的较佳实施例中，锁合和密封装置在套管 孔中。这提供了以下方面的优点成本和灵活性。成本对用户来说是降低的， 因为可使用单孔或多孔生产管系统。这使得大的插入接头能够用通过用于采集 树接口的插入接头心轴而在采集树中以带多孔(生产、环空和液压端口)，因此在采集树和完井方面节约了约$500,000至$7,000,000。
本发明，包括通用吊管架悬挂组件10，并不限于在此描述的较佳实施例。 通用吊管架悬挂组件IO并不限于容纳在井口壳体中的吊管架壳体。当然，通 用吊管架悬挂组件10也可用于吊管架容纳在安装在井口壳体上的管道短管或 水平采集树中的井中。应当理解，密封装置38及和可选的锁合装置40应当仍 然设置在套管柱18中。
因此已经阐述了根据本发明的吊管架悬挂组件、完井系统及其安装方法的 优选实施例。但是，本发明不应当过度地限于仅用于说明性目的的上文。不背 离本发明实质范围的本发明的各种实施例对于本技术领域的技术人员来说是 显而易见的。
权利要求
1.一种用于井中的吊管架组件(10)，具有井口壳体(14)和向下沿着井身(B)延伸的套管柱(18)，所述吊管架组件包括吊管架壳体(24)，具有穿过其中的生产孔(24a)；生产管柱(22)，连接到所述吊管架壳体，所述生产管柱具有与所述吊管架壳体生产孔(24a)流体连通的生产孔(22a)；在所述吊管架壳体下端的下部组件，所述下部组件包括下部件(32)、密封装置(38)和防止移动的锁定装置(40)，所述密封装置(38)设置和设计成在所述下部组件和所述套管柱(18)之间形成流体密封，且所述防止移动的锁定装置(40)设置和设计成将所述下部组件锁定在所述套管柱(18)上。
2. 如权利要求1所述的吊管架组件，其特征在于，所述密封装置(38)设 置和设计成所述下部件(32)和所述套管柱(18)之间形成所述流体密封。
3. 如权利要求l所述的吊管架组件，其特征在于，所述防止移动的锁定装置(38)设置和设计成将所述下部件锁定到所述套 管柱。
4. 如权利要求1所述的吊管架组件，其特征在于， 所述吊管架壳体(24)设置和设计成独立于所述井口壳体(14)中。
5. 如权利要求l所述的吊管架组件，其特征在于， 所述吊管架壳体(24)适于仅由所述下部组件垂直支承。
6. 如权利要求5所述的吊管架组件，其特征在于，由所述防止移动的锁定装置(40)与所述套管柱(18)的配合提供吊管架 壳体的垂直支承。
7. 如权利要求1所述的吊管架组件，其特征在于，下部组件具有穿过其中的孔且所述生产管柱(22)的一部分延伸穿过所述 下部组件孔。
8. 如权利要求7所述的吊管架组件，其特征在于，所述生产管柱(22)延伸穿过所述下部组件孔，限定下部组件管道环空 (32a)。
9. 如权利要求8所述的吊管架组件，其特征在于，所述吊管架壳体包括与所述下部组件管道环空(32a)流体连通的环空通道。
10. 如权利要求1所述的吊管架组件，其特征在于，所述生产管柱(22)具有管柱长度，且所述下部组件具有下部组件长度， 且所述下部组件长度小于所述管柱长度的50%。
11. 一种完井系统，包括 井口壳体(14);套管柱(18)，容纳在所述井口壳体中并向下沿着井身(B)延伸； 吊管架组件(10)，包括吊管架壳体(24)、由所述吊管架壳体承载的下部组件(32)和连接到所述吊管架壳体的悬垂管柱(22)，所述下部组件(32)包括密封装置(38)，附连到所述下部组件(32)，其中，所述管柱(22)的一部分延伸穿过所述下部组件(32)且所述密封 装置(38)设置和设计成在所述套管柱(18)和所述下部组件(32)之间形成 流体和气体密封。
12. 如权利要求11所述的完井系统，其特征在于，可致动所述密封装置(38)从非密封状态到密封状态和从所述密封状态到 所述非密封状态。
13. 如权利要求11所述的完井系统，其特征在于，还包括防止移动的锁定装置(40)，该装置适于将所述下部组件(32)锁 定到所述套管柱(18)。
14. 如权利要求13所述的完井系统，其特征在于， 防止移动的锁定装置(40)具有锁定状态和非锁定状态，以及 可致动所述防止移动的锁定装置从所述非锁定到锁定状态和从所述锁定状态到非锁定状态。
15. 如权利要求14所述的完井系统，其特征在于， 所述吊管架壳体(24)由所述下部组件(32)单独地垂直支承。
16. 如权利要求15所述的完井系统，其特征在于，所述吊管架壳体(24)的支承由所述防止移动的锁定装置(40)与所述套管柱(18)的配合提供。
17. 如权利要求ll所述的完井系统，其特征在于，还包括套管悬挂器(18a),附连到所述套管柱(18)上；以及 阻挡装置(80)，附连到所述吊管架壳体(24)，所述阻挡装置与所述套 管悬挂器(18a)协配以限制所述吊管架壳体的向下移动。
18. 如权利要求n所述的完井系统，其特征在于， 所述阻挡装置长度可调节。
19. 如权利要求11所述的完井系统，其特征在于， 所述吊管架壳体(24)具有生产孔(24a)和环空孔(24b); 所述系统还包括采集树组件(60)，具有生产孔(62)和环空孔(70)，所述采集树组件 安装到所述井口壳体；以及插入接头组件(74)，具有连接到所述采集树组件(60)的第一端和连接 到所述吊管架壳体(24)的第二端，所述插入接头组件(74)具有生产孔(74a)， 所述生产孔(74a)提供所述采集树组件(60)和所述吊管架壳体(24)的所 述生产孔(62， 24a)之间的流体连通，且所述插入接头组件(74)具有环空 孔(74b)，所述环空孔(74b)提供所述采集树组件(60)和所述吊管架壳体 (4)的所述环空孔(70， 24b)之间的流体连通。
20. 如权利要求19所述的完井系统，其特征在于，所述吊管架壳体(24)设置并设计有相对于所述井口壳体(14)的垂直高 度范围。
21. 如权利要求19所述的完井系统，其特征在于，延伸穿过所述下部组件(32)的所述管柱(22)的所述部分延伸穿过所述 下部件(32)中的孔，并限定下部组件管道环空(32a)，所述下部组件管道 环空(32a)与所述吊管架壳体(14)的所述环空孔(24b)流体连通。
22. 如权利要求19所述的完井系统，其特征在于，所述管柱(22)具有管柱长度且所述下部组件(32)具有下部组件长度， 且所述下部组件长度小于所述管柱长度的25%。
23. —种完井系统，包括井口壳体(14);套管柱(18)，容纳在所述井口壳体中并向下沿着井身(B)延伸；吊管架组件(10)，包括吊管架壳体(24)、由所述吊管架壳体承载的下 部组件(32)和连接到所述吊管架壳体的悬垂管柱(22)，所述下部组件(32) 包括附连到所述下部件(32)的防止移动的锁定装置(40);其中所述管柱(32)的一部分延伸穿过所述下部组件(32)，且所述防止 移动的锁定装置(44)设置和设计成将所述下部组件(32)锁定到所述套管柱 (18)。
24. 如权利要求23所述的完井系统，其特征在于，所述防止移动的锁定装置(40)包括致动设置以将所述下部组件(32)锁 定到所述套管柱(18)和从所述套管柱(18)解开。
25. 如权利要求23所述的完井系统，其特征在于， 所述吊管架壳体(14)仅由所述下部组件垂直支承。
26. 如权利要求25所述的完井系统，其特征在于，所述吊管架壳体(14)通过所述防止移动的锁定装置(40)与所述套管柱 (18)的配合垂直支承。
27. —种将吊管架组件(10)安装在井口壳体(14)的方法，其中所述井口 壳体(14)支承套管悬挂器(18a)，所述套管悬挂器(18a)连接于套管柱(18)， 该套管柱(18)衬于井身(B)，以及其中，所述井口壳体(14)具有在所述套管悬挂器(18a)的顶端(18c) 上方间隔的顶部环形肩部(14a)，所述方法包括以下步骤，将防喷器(BOP)组(20)安装在所述井口壳体(14)顶上，所述BOP组 (20)包括闸板(20r')，所述BOP的通孔大于或等于所述井口壳体(14)的 通孔，提供吊管架送入工具(30)，该送入工具具有顶端和底端以及设置在所述 顶端的调节螺母(48)，为所述吊管架组件(10)提供吊管架壳体(24)，该吊管架壳体(24)的 外径设置和设计成适配在所述井口壳体(14)的所述通孔中，且该吊管架壳体 (24)还具有由所述吊管架壳体(24)承载并设置和设计成适配在所述套管柱(18)中的下部管状件(22)及密封和锁合组件(34)，将所述送入工具(30)的所述底端闭锁到所述吊管架组件(10)， 调节所述心轴(46)上的所述调节螺母(48)，使得所述调节螺母(48) 的底部和所述吊管架壳体(24)的底部之间的距离大约等于所述闸板(20r') 的顶部表面到离开所述套管悬挂器(18a)的所述顶端(18c)几英寸处的距离， 通过所述BOP组(10)的所述孔降低所述吊管架组件(10)和所述送入工 具(30)，朝向所述心轴(46)部分关闭所述闸板(20r')，继续降低所述吊管架组件(10)和所述送入工具(30)直到所述调节螺母 (48)在所述部分关闭的闸板(20r')上降至最低点，使得所述吊管架壳体(24) 设置在所述井口壳体(14)中，且使得所述吊管架壳体(24)的所述底部设置 在所述套管悬挂器(18a)的所述顶端(18c)上方几英寸。
28. 如权利要求27所述的方法，其特征在于，在将所述吊管架组件(10)下降到所述井口壳体(14)内的同时，将所述 下部管状件(32)和所述密封和锁合组件(34)向下运载到所述套管柱(18) 内，所述方法还包括以下步骤，通过致动所述锁合组件(34)抵靠所述套管柱(18)的所述内部而将所述 吊管架组件(10)垂直地锁定到所述套管柱(18)。
29. 如权利要求28所述的方法，还包括以下步骤， 从所述吊管架组件(10)松开所述送入工具(30)的所述下端， 打开所述闸板(20r')，以及从所述BOP组(20)的所述孔移除所述送入工具(30)。
30. —种将吊管架组件(10)安装在井口壳体(14)的孔中的方法，其中所 述井口壳体(14)支承套管悬挂器(18a)，该套管悬挂器(18a)连接于套管 柱(18)，该套管柱(18)衬于井身(B)，所述方法包括以下步骤为所述吊管架组件(10)提供吊管架壳体(24)，该吊管架壳体(24)的 外径设置和设计成适配在所述井口壳体(14)的所述孔中，该吊管架壳体(24) 还具有由所述吊管架壳体(24)承载并设置和设计成适配在所述套管柱(18) 中的管状件(32)及密封和锁合组件(34)，将所述吊管架组件(10)降低到所述井口壳体(14)中，使得所述吊管架壳体(24)设置在所述井口壳体(14)内且所述管状件(32)和所述锁合组件 (34)设置在所述套管柱(18)内，直到所述吊管架壳体(24)的底部表面设 置在所述套管悬挂器(18a)的顶端(18c)上方几英寸处，以及 致动所述锁合组件(34)抵靠所述套管柱(18)的内部， 由此，所述吊管架组件(10)由所述套管柱(18a)与所述锁合组件(34) 在所述吊管架壳体(24)下方的位置的配合垂直支承。
全文摘要
一种用于油井和气井完井系统的吊管架悬挂组件及其安装方法。吊管架悬挂组件包括设置在井口壳体中的吊管架壳体。吊管架组件包括能够提供生产管在生产套管柱中的密封和负载支承的密封和锁合机构。连接到吊管架悬挂组件的上端和采集树组件的下端的插入接头组件提供井下液压和电动功能以及到生产管的环空通路。
文档编号E21B23/01GK101208495SQ200680017334
公开日2008年6月25日 申请日期2006年5月10日 优先权日2005年5月18日
发明者E·布劳萨德 申请人:阿祖拉能源系统股份有限公司