井眼的密封位置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求了于2015年6月11日提交的第14/736,613号美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用在此合并。

本发明涉及密封井眼的一部分，并且更具体地涉及利用衬管吊架系统密封井眼的一部分。

背景技术：

在建井过程期间，可膨胀衬管可以被安装以提供层位封隔或隔离经历流体循环问题的层位。有时会出现膨胀衬管的诸如无法膨胀的故障，这导致环空未被隔离或未被塞住。在此情况下，未膨胀(和未浇固)衬管可能进一步的井眼操作带来难题。例如，在密封衬管顶部没有压力密封的情况下，则钻井操作不能重新开始，尤其是如果出现没有被有效隔离的严重渗漏的层位。因此，钻井操作会失去现有井眼的相当长地长度，并且在未膨胀的衬管顶部上方需要侧钻操作，以便继续建井过程。另外，需要补救措施以切割衬管并将衬管从井眼中取出。这会导致钻机损失数天以至数周的时间。然而，传统的衬管吊架系统不能根据设备故障后技术方案提供任何有效的补救选择。

技术实现要素：

在总体的实施方案中，一种衬管组件工具包括：中心管，所述中心管包括穿过该中心管的孔；井眼衬管，所述井眼衬管包括衬管顶部装置并被连接至所述中心管；封隔元件，所述封隔元件径向地定位在所述中心管和所述井眼衬管之间以跨设在所述中心管上；和楔形部，所述楔形部被定位成跨设在所述中心管上，并基于通过所述孔供应的特定流体压力使所述封隔元件膨胀以将所述衬管顶部装置至少部分地密封到井眼壁。

在可与前述方面中的任何方面相结合的第二方面中，所述楔形部通过至少一个销构件连接至所述中心管。

可与前述方面中的任何方面相结合的第三方面还包括滑动套筒，所述滑动套筒定位在所述孔内，并且能够基于所述特定流体压力被调节以释放所述销构件并使所述楔形部与所述中心管分离。

在可与前述方面中的任何方面相结合的第四方面中，所述滑动套筒包括基座，所述基座被构造成容纳循环通过所述孔的一构件。

可与前述方面中的任何方面相结合的第五方面还包括至少一个弹簧，所述至少一个弹簧被定位成基于所述滑动套筒的调节将所述销构件从形成在所述楔形部中的凹部中推出。

可与前述方面中的任何方面相结合的第六方面还包括偏压构件，所述偏压构件被定位成邻接所述楔形部，并基于通过所述孔供应的所述特定流体压力驱动所述楔形部以使所述封隔元件膨胀，从而将所述井眼衬管至少部分地密封到所述井眼壁。

在可与前述方面中的任何方面相结合的第七方面中，所述井眼衬管通过一个或多个受剪构件连接至所述中心管。

在可与前述方面中的任何方面相结合的第八方面中，所述一个或多个受剪构件能够基于所述楔形被驱动以使所述封隔元件膨胀而将所述衬管顶部装置至少部分地密封至所述井眼壁而受到切变。

在可与前述方面中的任何方面相结合的第九方面中，所述井眼壁包括井眼套管。

在另一总体实施方案中，一种用于安装井眼衬管的方法，包括：使流体循环通过定位在井眼中的管件的孔；使所述流体以一流体压力循环至衬管悬挂组件，所述衬管悬挂组件定位在所述管件上；基于处于所述流体压力循环的所述流体调节所述衬管悬挂组件的楔形构件；通过所述楔形构件使所述衬管悬挂组件的封隔元件膨胀；和通过已膨胀的所述封隔元件将井眼衬管密封至井眼壁。

可与总体实施方案相结合的第一方面还包括：在通过已膨胀的所述封隔元件将所述井眼衬管密封至所述井眼壁之后，将所述管件与所述衬管悬挂组件一起从所述井眼移除。

在可与先前方面中的任一方面相结合的第二方面中，使所述流体以一流体压力循环至衬管悬挂组件包括：将掉落通过所述井眼的球容纳在所述衬管悬挂组件的套筒的基座处以在所述衬管悬挂组件的套筒的基座处产生流体密封；和将所述球沿井身向上的流体的压力调节至所述流体压力。

在可与先前方面中的任一方面相结合的第三方面中，调节所述楔形构件包括：移动所述套筒以从所述管件释放所述楔形构件；和推动所述楔形构件以使所述封隔元件膨胀。

在可与先前方面中的任一方面相结合的第四方面中，释放所述楔形构件包括：通过移动所述套筒露出将所述楔形构件连接至所述管件的销构件；和推动所述销构件，以从所述销构件将所述楔形构件连接至所述管件的状态变成所述销构件使所述楔形构件与所述管件分离的状态。

在可与先前方面中的任一方面相结合的第五方面中，推动所述楔形构件以使所述封隔元件膨胀包括：通过围绕所述管件定位的势能构件迫使所述楔形构件进入到所述封隔元件和所述管件之间的间隙中；和通过所述楔形构件使所述封隔元件与所述管件分离。

在可与先前方面中的任一方面相结合的第六方面中，使所述封隔元件与所述管件分离包括：损坏将所述封隔元件连接至所述管件的至少一个受剪构件。

可与前述方面中的任一方面相结合的第七方面还包括：调节所述管件在所述井眼中的位置以使所述衬管悬挂组件的一部分落在已膨胀的所述封隔元件的顶部上；和通过所述衬管悬挂组件的所述部分使已膨胀的所述封隔元件在所述井眼衬管的顶部上移动。

可与前述方面中的任一方面相结合的第八方面还包括：使已膨胀的所述封隔元件的肩状部坐落在所述井眼衬管的顶部径向表面上，以将所述井眼衬管密封至所述封隔元件。

在可与前述方面中的任一方面相结合的第九方面中，所述井眼壁包括井眼套管。

根据本发明的衬管顶部系统实施方案可以包括以下特征中的一个或多个。例如，与传统的用于提供密封的顶部封隔器相比，衬管顶部系统可以提供简单和稳固的工具设计。此外，与传统的系统相比，根据本发明的衬管顶部系统可以提供衬管顶部封隔元件的快速安装。作为另一示例，衬管顶部系统可以消除用于井眼的非储层段的衬管悬挂部和顶部封隔器，由此减少井设备成本。此外，与传统的系统相比，所述衬管顶部系统的实施方案可以在斜井或水平井中更有效地操作，在所述斜井或水平井中，衬管重量通常由于重力由井眼支撑。作为又一示例，衬管顶部系统可以减轻潜在的钻机非开采时间并节省例如对可膨胀衬管系统或正常密封间隙钻井衬管系统的补充工具串的井的成本。此外，可以利用衬管顶部系统通过在回接部顶部或抛光孔接受器处安装封隔元件提供用于修理采油封隔器渗漏的成本效率方案。

在本发明中描述的主题的一个或多个实施例的细节在下方参照附图和说明书进行阐述。所述主题的其它特征、方面和优点将从说明书、附图和权利要求变得显而易见。

附图说明

图1是包括衬管顶部系统的示例性井眼系统的示意图；

图2a-2e是示出包括可膨胀扶正器和可膨胀封隔元件的衬管顶部系统的示例性实施方案的操作的示意图；

图3a-3b是示出了包括可膨胀扶正器和可膨胀封隔元件的衬管顶部系统的另一示例性实施方案的示意图；

图4a-4f是示出了图3a-3b的衬管顶部系统的示例性实施方案的操作的示意图；以及

图5是用于衬管顶部系统的示例性封隔元件的图示。

具体实施方式

图1是包括衬管顶部系统140的示例性井眼系统100的示意图。整体上，图1示出了根据本发明的井眼系统100的一个实施例的一部分，其中衬管顶部系统140可以被下入到井眼120中以邻近套管125(例如开采或其它套管式)安装衬管145。在一些方面中，衬管顶部系统140还可以在安装之前对衬管145进行扶正，以及将密封构件(例如，封隔器、衬管顶部封隔器或封隔元件)安装在衬管145的顶部处。

在一些方面中，衬管145是可以替换传统的衬管悬挂系统(例如，所述衬管悬挂系统包括具有滑动件的衬管吊架、衬管顶部封隔器和回接或抛光孔接受器)的裸套管接头。例如，在其中井眼120偏斜或为水平井筒段的情况下，衬管的重量可以由井眼120支撑(例如，由于重力和井眼摩擦力)，因此消除或部分消除对衬管悬挂滑动件的需求。因此，虽然井眼系统100可以包括传统的衬管下入工具，但是图1不显示这种传统的衬管下入工具，其中除了图示的衬管顶部系统140之外，所述传统的衬管下入工具将衬管重量结合到井眼120中并承载所述衬管重量。

如图所示，井眼系统100访问地下地层110，并提供对位于这种地下地层110中的碳氢化合物的访问。在系统100的一个示例性实施方案中，系统100可以用于钻井操作以形成井眼120。在系统100的在另一个示例性实施方案中，系统100可以用于完井操作以在完成井眼120后安装衬管145。地下层带110位于地表105下方。如图所示，诸如地面(或导体)套管115和中间(开采)套管125的一个或多个井眼套管可以安装在井眼120的至少一部分中。

尽管在本示例中图示出地表105在海平面以上(或水体的水平面以上)，但是系统100可以部署在水体上而不是在地表105上。例如，在一些实施例中，地表105可以是其下方可以发现碳氢化合物承载地层的海洋、海湾、海或任何其它水体。简而言之，地表105的参考包括陆地表面和水表面，并且可以根据上述两个位置中的一个或两者构思形成和完善一个或多个井眼系统100。

在本示例中，井眼120被显示为垂直井眼。然而，本发明可构思井眼120可以是垂直的、偏斜的、横向的、水平的或其任何组合的形式。因此，对于“井眼”的参考可以包括沿任何方向延伸穿过地表和一个或多个地下层带的井筒。

如本示例中所示，衬管顶部系统140在井眼120中定位在工具串205(还如图2a-2e所示)上。工具串205由管状段形成，该管状段被连接(例如螺纹连接)以形成连接至衬管顶部系统140的工具串205。工具串205可以根据需要在衬管顶部操作期间被下入到井眼120中(例如，下入到井筒中)和反之从井眼120中起出(例如，从井筒中起出)。通常，工具串205包括通过该工具串的孔(图2a-2e更详细地示出)，流体可以循环通过所述孔以有助于或执行与衬管顶部系统140相关联的操作。

图2a-2e是示出了包括可膨胀扶正器230和可膨胀封隔元件235的衬管顶部系统200示例性实施方案的操作的示意图。在一些实施方案中，如图1所示，衬管顶部系统200可以用作井眼系统100中的衬管顶部系统140。如图2a所示，衬管顶部系统200在井眼中被定位在工具串205上，该井眼包括被固井(通过水泥150)的套管125以在套管125和工具串205之间的环空130。

在本示例性实施方案中，衬管顶部系统200包括防碎屑罩210，该防碎屑罩210跨设在工具串205上并包括轴向形成穿过防碎屑罩210的一个或多个流体旁路215。在本示例中，防碎屑罩210包括盖220，盖220被连接至防碎屑罩210并将防碎屑罩210密封或帮助防碎屑罩210密封至工具串205。在示例性方面中，防碎屑罩210可以防止或减少井眼流体内的碎屑(例如，挫屑、岩石块和其它碎屑)对衬管顶部系统200的操作产生的干扰。

如图所示，衬管顶部装置225连接至防碎屑罩210的一部分并在井眼120内朝向井眼120的井下端延伸。在图2a中，扶正器230、可膨胀元件235和稳定器240被径向定位在衬管顶部装置225和工具串205之间。图2a显示了在利用衬管顶部系统200操作之前在井眼120中处于预备位置的衬管顶部系统200。例如，图2a显示了被定位在井眼中随后进行将套管125固井(通过水泥150)在适当位置的操作的衬管顶部系统200。

图2b图示了当将衬管顶部装置225固定至套管125的操作开始时的衬管顶部系统200。如本示例中所示，衬管顶部装置225与防碎屑罩210间隔开并相对例如扶正器230和可膨胀元件225的井下侧移动。例如，如图2b所示，衬管顶部装置225可以通过使工具串205沿井身向上朝向地表移动(例如拉)而相对地沿井身向下移动，由此使扶正器230和可膨胀元件235朝向地面并远离衬管顶部装置225移动。

图2c图示了衬管顶部系统200的操作中的下一个步骤。如图2c所示，扶正器230(例如以流体连通的方式、机械地或其组合的形式)膨胀以径向接触套管125。通过径向接触，扶正器230调节井眼120中的工具串205，使得工具串的中心管相对于套管125径向居中。例如，在斜井、定向井眼或非垂直井眼125中，被膨胀以接合套管125的扶正器230可以确保或有助于确保工具串205正确地执行衬管顶部操作(例如，通过确保可膨胀元件235径向居中)。

进一步如图2c所示，可膨胀元件235的至少一部分还可以膨胀(例如，以流体连通的方式、机械地或其组合的方式)以接触套管125。在该图中，例如，可膨胀元件235的封隔密封件245从元件245径向膨胀以接合套管125。

图2d图示了衬管顶部系统200的操作中的下一个步骤。如本图中所示，封隔密封件与可膨胀元件235分隔开(例如，被剪切)以保持与套管125相接触。在封隔密封件245与可膨胀元件235分离的过程中或之后，工具串205可以被调节以便使衬管顶部225移动到封隔密封件245和可膨胀元件235之间的位置中。例如，工具串205可以在井下移动使得衬管顶部225定位在接触和接合封隔密封件的适当位置中。如图2d中所示，封隔密封件245在衬管225的(在衬管225的井口端部)和套管125之间进行密封。

图2d图示了衬管顶部系统200的操作中的下一个步骤。在该图中，一旦衬管顶部装置225已经与封隔密封件245接合，则工具串205可以从井眼120中被移除。如图2e所示，例如，衬管225(和衬管225上方的套管125)的全部孔则可以用于流体开采(例如，碳氢化合物开采)、以及流体注入、以及用于将另外的工具串下入到井眼120中。

图3a-3b是示出包括可膨胀扶正器314和可膨胀封隔元件328的衬管顶部系统300的另一个示例性实施方案的示意图。如图3a所示，衬管顶部系统300包括中心管，所述中心管位于包括套管302(在本示例中)的井眼的适当位置。井眼的在中心管306和套管302之间的径向容积包括环空304。中心管306包括穿过该中心管的孔308。

在图3a中示出了衬管顶部系统300的顶部或井口部分。示例性衬管顶部系统300包括固定至或跨设到中心管306的罩310。衬管312至少初始地连接至罩310，而罩310对衬管312和中心管306之间颗粒进入进行密封，如图3a所示。

扶正器314沿井身被定位在罩310的下方并跨设或固定至中心管306。在本示例性实施例中，扶正器314包括跨设在中心管306上的壳体317。

在本示例中，扶正器314可从中心管306径向膨胀并包括滑动套筒316，所述滑动套筒316可移动以遮盖一个或多个流体入口322或将一个或多个流体入口322暴露给中心管306的孔308。在本示例中，滑动套筒316包括在套筒316的井下端处的窄直径基座318。

扶正器314还包括可膨胀圆盘组件320，所述可膨胀圆盘组件320径向定位在扶正器314内并可以随着例如孔308中的流体压力的增加而膨胀。扶正器314还包括形成扶正器314的外径向表面的至少一部分的径向支承表面324(例如，辊、球轴承、滑动部或其它低摩擦表面)。如本示例中所示，支承表面324围绕可膨胀圆盘组件320中径向定位在扶正器314中。

在该示例中，扶正器314还包括凹部326，所述凹部326形成扶正器314相对于滑动套筒316的大直径部分。如这里所示，在初始位置中，滑动套筒316沿井身位于凹部326的上方并遮盖流体入口322。

图3b图示了衬管顶部系统300的井下部分。如图所示，衬管312向下延伸穿过(在系统300的该位置中)封隔元件328，所述封隔元件328可拆卸地连接至中心管306。如本示例中所示，封隔元件328利用一个或多个保持销330连接至中心管306。图示的封隔元件328还包括在元件328的井下端处的径向间隙332，径向间隙332使元件328与中心管306分离。封隔元件328还包括靠近元件328的沿井身向上的端部的径向肩状部315，该径向肩状部将元件328连接至中心管306。

衬管顶部系统300还包括楔形部334，楔形部334跨设在中心管306上并沿井身向下定位在封隔元件328的下方。在本实例中，楔形部334包括朝向楔形部334的沿井身向上的端部的斜面336和在楔形部334的沿井身向下的端部处的肩状部346。如图3b中的位置所示，楔形部334通过一个或多个锁定销340连接至中心管306。锁定销340被定位成与偏压构件338接合接触，在图3b所示的位置中，所述偏压构件338被凹入在中心管306中。

衬管顶部系统300还包括定位在中心管306的孔308内的内套筒342。在初始位置中，内套筒342被定位成与偏压构件338径向相邻，以将保持销限制在适当位置与楔形部334连接接合。如图3b所示，内套筒342包括在套筒342的沿井身向下的部分中的基座344。在本示例中，基座344的直径比套筒342的直径小。

图示的衬管顶部系统300包括绕中心管306径向定位在腔室350内的弹簧构件348(例如，一个或多个压缩弹簧、一个或多个膜片式弹簧垫圈、一个或多个活塞构件)。弹簧构件348沿井身向下定位在楔形部334的下方并与楔形部334的肩状部346相邻。

衬管顶部系统300还包括定位在孔308的内部径向表面上的止动环352。如图所示，止动环352在内套筒342的沿井身向下的下方连接至中心管306或与中心管306连接，并且具有小于孔308的直径的直径。

图4a-4f是示出图3a-3b的衬管顶部系统的示例性实施例的操作的示意图。在本示例中，操作包括安装衬管312以与封隔元件328的至少一部分密封接触，所述封隔元件328进而与套管302密封地接合以防止流体或碎屑在衬管312和套管302之间沿井身向下循环。图3a-3b显示了在开始衬管顶部装置操作之前定位在井眼中的一位置处的衬管顶部系统300。在操作之前，例如，将套管302固井在适当的位置固井操作。例如，在衬管顶部装置操作之前，衬管顶部系统300可以被下入到井眼中到达特定深度。可以循环流体(例如，水或其它流体)以清理孔308和环空304。接下来，可以泵送间隔器和水泥(例如，每个固井计划)。接下来，投掷物(dart)(例如，刮塞投掷物)可以被插入到井眼中并且水泥可以被驱替以将套管302固定至井眼的壁。一旦投掷物恰当地落地，流体压力可以传统地用于启动衬管312从衬管312的沿井身向下的端部到衬管312的沿井身向上的端部的膨胀。然而，在一些情况下，可能会出现压力渗漏或其它问题，从而导致衬管312的不足的膨胀(或不膨胀)。在这种情况下，衬管顶部系统300可以用于通过封隔元件328将衬管312的顶部安装和密封至套管312。在可选的方面中，衬管顶部系统300可以是井眼中的主衬管安装系统。

例如，图4a-4b图示了被拉到井口以使得封隔元件328在衬管312的顶部的井口处的衬管顶部系统300。在一些方面中，衬管312首先与罩310分离，然后中心管306被拉到井口以使得封隔元件328略微在衬管312的顶部上方。

一旦中心管306被向上拉以使得封隔元件328在衬管312的顶部上方，则扶正器314可以被膨胀以使衬管顶部系统300在井居中。利用井眼流体400将球402泵送通过孔308直到球402落在基座318上。当流体400的流体压力增加时，球402沿井身向下的方向移动套筒316直到流体入口322被露出为止。

一旦被露出，通过流体400被持续的流体压力可以通过流体入口322被施加到一个或多个圆盘320。一个或多个圆盘320接着通过流体压力被膨胀以抵靠套管302推动支承表面324。

当流体压力使圆盘320径向膨胀以使支承表面324与套管302接合时，中心管306(和跨设在中心管306上的部件)居中地定位在井眼中。通过流体400持续的流体压力可以进一步使套筒316沿井身向下移动，以使得基座318缩回(例如，径向地)到凹部326中。当基座318缩回到凹部326中时，球402继续沿井身向下循环通过孔308直到该球落在基座344上为止，如图4b所示。

转向图4c，当流体400的流体压力增加时，球402使套筒342沿井身向下移动以露出锁定销340。在露出之前，锁定销340通过被设置在凹口360中而将楔形部334连接至中心管306，所述凹口360形成在楔形部334的径向内表面中。如图4c所示，一旦套筒344移动以露出锁定销340，偏压构件342将锁定销340从凹口360中推出以使楔形部334与中心管306分离。如图4c进一步所示，可以通过增压球402沿井身向下推动套筒342直到套筒342邻接止动环352为止。一旦封隔元件328设置在最终位置(例如，如图4f所示)，如果期望，球上增加的压力可以剪切基座344并使球402进一步沿井身向下循环，由此有助于流体流通通过衬管悬挂系统300的孔308。

转向图4d，一旦楔形部334与中心管306分离，楔形部334被动力弹簧348沿井身向上推动。例如，在动力弹簧348当肩状部346邻接动力弹簧348时被限制在弹簧腔室350中时，动力弹簧348可以在压缩状态下存储相当大的势能。一旦未受限制，例如，由于楔形部334与中心管306分离，压缩状态下的势能可以被释放以通过动力弹簧348抵靠楔形部334的肩状部346施加力。然后，楔形部334可以沿井身向上朝向封隔元件328被驱动。当斜面336在封隔元件328下方滑动(例如，进入元件328的狭槽332中)时，封隔元件328膨胀以接合套管302，如图4d所示。

转向图4e，楔形部334使封隔元件328从中心管306膨胀以剪切保持销330，因此允许封隔元件328与中心管306分离。封隔元件328膨胀直到其接合套管302为止。一旦封隔元件328被接合至套管302(例如，抵靠套管302膨胀以塑性变形)，动力弹簧348退回至中性状态(例如，既不压缩也不拉伸)。

如图4e中所示，一旦封隔元件328与套管302接合，扶正器314沿井身向下移动(例如，在中心管306上)以接触膨胀的封隔元件328的顶部表面。一旦接触，扶正器314可以用于沿井身向下推动封隔元件328直到元件328接合衬管312的顶部为止。

一旦与衬管312的顶部接合，膨胀的封隔元件328可以密封井眼的在衬管312和套管302之间的一部分，使得例如没有或者很少有流体可以在衬管312和套管302之间沿井身向上循环。转向图4f，一旦封隔元件328膨胀至套管302并与衬管312接合时，中心管306可以从井眼中被移除，由此允许全部的流体流通通过井眼和衬管312。

图5说明了用于衬管顶部系统的示例性封隔元件500。在一些实施方案中，封隔元件500可以用在衬管顶部系统300中。如本示例性实施方案中所示，封隔元件500包括管件504和带槽指状部506，所述管件504包括保持销502，带槽指状部506绕管件504径向延伸。管件504还包括在管的底端处的实心楔形锥部508。如图5所示，封隔元件500可以跨设在中心管510上。

在操作中，更详细地参照图4a-4f，楔形部可以跨设在中心管510上并(例如通过偏压构件)在实心楔形锥部508下方被推动。当楔形部使实心楔形锥部508膨胀时，带槽指状部506向外径向膨胀以接合套管或井眼壁。

已经描述了大量实施方案。然而，将被理解的是，可以在不背离本发明的精神和保护范围的情况下进行各种修改。例如，这里描述的示例性操作、方法、或过程可以包括比描述的更多的步骤或更少的步骤。此外，这种示例性操作中的步骤、方法、或过程可以以与附图中所述或所示不同的顺序被执行。因此，其它实施例在以下权利要求的保护范围内。