用于井下套管的打孔和注入工具及其使用方法与流程

1.本发明涉及一种用于在套管壁上打孔并将密封剂从套管的内部空间注入到套管周围的环形空间的井下工具。本发明还涉及一种将密封剂注入钻孔中套管周围的环形空间中的方法。


背景技术：

2.在地下钻孔和钻孔施工的技术中，安装套管是常见的做法。套管通常通过用水泥填充套管周围的环形空间而在钻孔中粘合到位。随着时间的推移，可能会在环形空间中的水泥体中或附近形成微环或裂缝，这可能导致水泥中出现不必要的泄漏。泄漏也可能是不良位移或收缩的结果。
3.美国专利2,381,929说明了一种用于密封钻孔壁与其套管之间的空间的工具。该工具适用于对套管进行穿孔，并且还用于通过钻孔壁和套管之间形成的一个或多个穿孔将密封材料(例如常规水泥或其他水合材料)注入到钻孔壁和套管之间的空间中。该工具使用一个冲头，该冲头被强制穿过外壳。
4.通过穿孔注入密封材料后，冲头被拉回套管穿孔中。该冲头通过一个由相对较小截面制成的螺钉固定到位，该螺钉被设计为在拉伸应力下断裂，该拉伸应力小于将冲头从套管中取出所需的应力。因此，当施加力将穿孔和注入装置恢复到其正常位置时，螺钉将断裂，使冲头卡在套管中。
5.美国专利2,381,929的工具有许多缺点。一是该工具必须能够对冲头施加张力。此外，必须在密封材料固化或硬化之前将冲头拉回外壳中。然而，最严重的缺点是无法保证由卡在套管中的冲头产生充分密封。如果密封不充分，密封材料将回流到套管中，从而有可能在环形空间中留下空的空间。


技术实现要素：

6.在一个方面，提供了一种用于在套管壁上打孔并将密封剂从套管的内部空间注入到套管周围的环形空间的井下工具，包括：
7.‑
具有纵向轴线的工具外壳；
8.‑
包括流体通道的刺针，以通过流体通道形成从工具外壳内部到工具外壳外部的流体连通；
9.‑
压力装置，其作用在刺针上，迫使刺针沿径向向外方向从工具外壳远离纵向轴线；
10.‑
布置在所述流体通道中的止回阀，其允许从工具外壳内部到工具外壳外部的方向的流体连通并且阻止沿相反方向的流体流动。
11.在另一方面，提供了一种将密封剂注入钻孔中套管周围的环形空间中的方法，所述方法包括：
12.‑
横穿具有工具外壳的打孔和注入工具，该工具外壳具有轴向地穿过预先布置在
钻孔中的套管；
13.‑
从工具外壳径向向外迫使刺针远离纵向轴线；
14.‑
通过由刺针限定的流体通道和布置在所述流体通道中的止回阀将密封剂从工具外壳内注入工具外壳的外部，从而允许从工具外壳内部到工具外壳外部的方向的流体连通，并阻止流体沿相反方向流动。
附图说明
15.附图仅通过举例的方式而非限制的方式描绘了根据本交到的一个或多个实施方案。在附图中，相似的附图标记是指相同或相似的元件。
16.图1示出了套管内的打孔和注入工具的示意性剖视图，其中刺针穿过套管；
17.图2示出了图1中刺的详细剖视图。
具体实施方式
18.本领域技术人员将容易理解，虽然将参考一个或多个实施例来对本发明进行详细说明，每个实施例具有特征和措施的特定组合，但大部分这些特征和措施可以同等或类似地独立应用在其他实施例或组合中。
19.公开了一种用于在套管壁中打孔并将密封剂从套管的内部空间注入到套管周围的环形空间的井下工具。它利用可以从工具内强制穿过套管壁的刺针在套管壁上穿孔。由于流体通道可用于注入密封剂，因此可以将刺针牢固地安装在套管壁中。然后可以通过设置在刺针内的流体通道将密封剂注入到外壳周围的环形空间中。止回阀将密封剂保持在环形空间中，并且无需重新定位刺针以避免密封剂回流。
20.因此，刺针可以紧紧地配合在穿孔中，并且可以最小化刺和套管壁之间的泄漏路径。该工具的一个优点是它允许在有压力差的情况下固化或凝固密封剂而不会造成套管完整性的损失。事实上，由于该工具允许对环形空间中的密封剂施加压缩预应力，因此密封效果更好。
21.止回阀可配置在刺针内的内腔中。这样，单向阀机构就可以免受穿过套管时受到的穿刺力的影响。止回阀本身在穿孔过程中不受机械负载的影响，从而保证其在注入过程中的操作。
22.在优选实施例中，当工具缩回时，包括止回阀在内的刺针的远端可以从工具上切断并留在套管壁中。与需要在固化或凝固过程中保持原位的系统相比，大大节省了时间。
23.图1中提供了该工具的简化图示，其示出了配置在套管3的孔内的工具1。套管3可以粘合到钻孔中或者存在围绕套管的开放环形空间。套管周围的环形空间可以由无套管钻孔(基本上是岩石层)或另一个钻井孔管限定。
24.该工具包括围绕纵向轴线a延伸的外壳5。刺针10包括流体通道12。可以通过流体通道12形成从工具外壳5内部到工具外壳外部的流体连通。压力装置14作用在刺针10上，以在径向向外从工具外壳5推动刺针10远离纵向轴线a，并且优选地横向于纵向轴线a。刺针10可以穿过周围的套管墙7。
25.适当地，刺针10由注入管15组装而成，注入管15的孔用作流体通道12，被冲头护套17包围。形成注入管15和冲头护套17的材料可以根据它们各自的功能定制。注入管仅包含
密封剂，但在使用中仅接触相对较低的机械负载。可选择铝或复合聚合物作为注入管15的材料。另一方面，冲头护套17被迫穿过外壳壁7，并且应该优选地由更硬的材料例如碳化钨制成。由于刺针10结合了穿孔冲头和注入管的功能，所以可称其为冲头和注入管。
26.压力装置14适当地包括可以液压驱动的活塞。活塞可以与刺针10成一体或与刺针10接合，如图1所示。可以通过液压管路18向气缸供给液压流体。
27.刺针施加到套管壁上的力应该足以从套管壁上基本剪下圆柱件。理论上的剪切力等于穿孔周围的周长乘以壁厚，再乘以材料的剪切强度。当套管后面存在水泥时，该力也应足以使水泥产生移位或变形。
28.虽然液压机设备适用于此目的，但还有许多其他选择，包括机械压力机。图1示出了汽缸活塞组件的一种非常基本的形式，技术人员可以应用正常的设计实践来优化组件。例如，活塞的形状可以为椭圆形，以扩大其在工具纵向方向上的面积(因为横向方向通常受外壳尺寸的限制)。尺寸将取决于可用于启动设备的液压。
29.止回阀20布置在流体通道12中。止回阀12适当地配置在刺针10内的内腔中，完全屏蔽外部机械负载。止回阀20允许沿从工具外壳5内部到工具外壳5外部的方向的流体连通，但阻止沿相反方向的流体流动。流体通道12可通过密封剂管线16连接到流体密封剂源头(未示出)。在图1的示例中，刺针10通过一个或多个滑动密封件13可伸缩地连接到密封剂管线16。可以使用替代方案，例如柔性线。
30.可以设置止动体19，当井下工具1在套管3内被致动时，止动体19在径向向外与刺针10一起移动，直到止动体19与套管壁7的内侧接合。因此，无论工具外壳5在外壳3内的位置如何，都保证了刺针10相对于外壳壁7的固定的预定最大穿透深度。
31.图2示出了刺针10的详细结构。明显可见插入冲头护套17中的注入管15。止回阀20以球21的形式配置。可选地，当压差为零或低时，配置弹簧22以将球21保持在其底座中。当流体通道12中密封剂的注入压力超过弹簧载荷和喷嘴25中的外部压力时，止回阀20打开，从而在流体通道12和喷嘴25之间形成流体连通。
32.刺针10适当地包括释放段26，以将刺针10的远端24(图中右手侧)从工具外壳上切断。止回阀20布置在所述刺针10的所述远端24中。释放段26包括易碎区域，其可以通过例如预切入冲头护套17来配置。图2简单示出了易碎区域，其包括易碎管段29，易碎管段29由围绕易碎管段29的多个加强环28加强，与相邻的加强环相互邻接。易碎管段29适当地具有与加强环28接合的螺纹。
33.当刺针10被推出工具外壳5时，释放段26适当地位于工具外壳5的外部。适当地，之后部分释放段26位于套管壁7内并且部分地位于套管孔内，使得它可以在套管内的相邻加强环28之间的第一暴露界面处断裂或剪断。加强环28可由与冲头护套17的其余部分相同的材料制成。
34.在操作中，该工具使用方式如下。打孔和注入工具1可以穿过壳体3的孔，到达需要注入密封剂的合适位置。然后将刺针10从工具外壳5沿径向向外推离纵向轴线a，并且优选地横向于纵向轴线a。套管壁7用刺针10穿孔。
35.随后，将密封剂从工具外壳5内注入工具外壳的外部并注入外壳3周围的环形空间中。密封剂从源头(可集成到外壳5中或在外壳5外部)通过由刺针10限定的流体通道12并通过布置在所述流体通道12中的止回阀20。在手术的这个阶段，刺针10的远端24由套管壁7紧
紧地固定到位。不需要流体通过刺针10和套管壁7之间的穿孔。
36.密封剂可以是多组分组合物(适当地，可以是环氧树脂系统)或任何其他能够获得足够高的粘度或在注入后固化以产生足够密封的液体材料。
37.或者，密封剂可以是单组分树脂系统，其通过与钻井孔流体(例如水或盐水)反应而硬化。例如，2020年2月26日提交的ep申请no.20159582.4中说明了此类单组分树脂体系，其公开内容通过引用引入本文。合适的单组分树脂可以是湿固化聚氨酯树脂。
38.当已注入足够量的密封剂时，可以切断刺针10的远端24。止回阀20布置在刺针10的远端24中，因此其也保持在后面卡在套管壁7中。之后，工具1可以通过外壳3的孔缩回，同时将远端24留在后面。然后可以在工具已经取回并准备进行下一轮操作时让密封剂固化或以其他方式硬化。
39.本领域技术人员应理解，在不脱离权利要求书的范围的情况下，可以以多种方式来实施本发明。