可膨胀式衬管悬挂器以及使用方法
【专利说明】可膨胀式衬管悬挂器以及使用方法
[0001]发明人:ShaohuaZHOU
[0002]受让人:Saudi Arabian Oil Company (沙特阿拉伯石油公司)
【背景技术】
[0003]1.
技术领域
[0004]本发明涉及钻油井和气井。特别地，本发明涉及衬管悬挂器系统，用于在油井和气井中通过衬管套管柱提供粘结区域隔离。
[0005]2.相关技术描述
[0006]油井通常具有套管柱或者衬管，在穿透储层并开始产出油和气之前安装该套管柱或者衬管。这种套管柱提供了重量悬挂能力以及压力区域隔离。在一些情况下，会需要布置多于一个套管柱。在这些情况下，安装在井顶部的第一套管柱具有最大的直径。之后，通过使后续套管柱穿过已经安装好的第一套管柱而将其布置于井中。
[0007]在将套管柱的后续部分定位到井中时，特别是定位到储层的顶部处时，通常经由衬管悬挂器组件将套管柱密封并锁定到已经安装好的套管柱。此外，通常通过钻管和衬管柱将水泥泵送下井，之后，水泥在衬管柱的外侧保护支撑(back up)井。重要的是，适当地将衬管柱悬挂和粘结，以在衬管柱内将产物流路隔离。如果没有适当地安装衬管柱，以后会导致钻井时间大量损失的问题、额外的井修复费用问题、以及井筒耐压强度的问题。尽管已经开发出许多常规的衬管悬挂组件，但本产业中仍不断报道有故障事故，例如，越过衬管顶部封隔器(packer)的泄露、以及布置工具和调整工具方面的问题。
[0008]一种用于安装衬管的元件是可膨胀式衬管悬挂器。在可膨胀式衬管悬挂器中，通过先前安装好的外侧套管柱，在井筒内将内侧套管柱布置到位。一旦处于合适的位置，通常是在其底部上方两百英尺的深度处，扩张内侧套管柱的上端，成为与外侧套管柱的内侧壁接触。通过迫使膨胀锥进入外侧套管柱的顶部，使内侧套管柱的直径扩大。
[0009]因为膨胀锥通常位于抛光孔座(polished bore receptacle，PBR)或者回接座(tie-back receptacle, TBR)(其紧邻布置于可膨胀套管柱以及密封元件之上)的底部，水泥浆流动的区域受到限制。在具有较高岩层压力的井内，其要求高泥浆比重和高密度的水泥浆，在衬管粘结操作期间增加了发生水泥浆损失的风险。在很大程度上这是由于，因膨胀锥外径与调整工具壳体以及外套管之间的间隙过窄，导致高当量循环密度(highequivalent circulating density)。因此，可能出现外套管与衬管之间和/或衬管与岩层之间出现孔穴或水泥粘结不良，这会导致可能出现泄露通道或区域隔离不良。
【发明内容】
[0010]本发明的一个实施例提供了一种可膨胀式衬管悬挂器系统，用于在井筒内达成压力密封以及悬挂压靠外侧套管柱的衬管。该可膨胀式衬管悬挂器系统包括外侧套管柱以及内侧套管柱，该内侧套管柱定位在外侧套管柱内并具有内径。此外，可膨胀式衬管悬挂器系统包括细长的内管具，该内管具可选择性地插入内侧套管柱并具有扭矩锁定套，该扭矩锁定套以可移除方式与内侧套管柱结合。还包括膨胀锥，其可沿内管具滑动，并具有大于内侧套管柱内径的直径，使得当推压该锥进入内侧套管柱时，较大直径的锥使内侧套管柱径向向外变形成为与外侧套管柱接合。
[0011]在一些实施例中，内侧套管柱在其外表面上可以具有锁定脊，布置锁定脊使得当内侧套管柱的部分扩张成为与外侧套管柱接合时，锁定脊与外侧套管柱牢固地接合。此外，可以设置有密封件，使其围绕内侧套管柱，并布置为，当内侧套管柱的部分扩张成为与外侧套管柱接合时，该密封件密封内侧套管柱与外侧套管柱之间的界面。
[0012]可膨胀式衬管悬挂器系统还可以包括具有第一端和第二端的滑动杆件，其中，滑动杆件附接至内管具并可相对于内管具轴向滑动。滑动杆件可以布置为，当膨胀锥插入内侧套管柱时，滑动杆件的上端与膨胀锥接触，以及，在与膨胀锥接触时，下端与扭矩锁定套接触，并推压扭矩锁定套使其与内管具分离。
[0013]膨胀锥可具有均压孔，该均压孔提供膨胀锥的底部与顶部之间的流体联通，从而，在将膨胀锥推入内侧套管柱时，使膨胀锥下方区域与膨胀锥上方区域之间的压力均等化。此外，剪切销能够使扭矩锁定套与内侧套管柱接合，以限制扭矩锁定套与内侧套管柱之间的轴向移动。
[0014]在特定的实施例中，可膨胀式衬管悬挂器还可以包括用于推进膨胀锥的液力增强器，其包括滑动心轴，该滑动心轴具有第一端和第二端，并且围绕内管具，滑动心轴在第一位置和第二位置之间以液压方式驱动。液力增强器还可以包括压头，其附接于滑动心轴的第二端，当滑动心轴从第一位置向第二位置移动时，滑动心轴的第二端与膨胀锥接触，并将其推入内侧套管柱。此外，在滑动心轴的至少一部分与内管具之间，液力增强器可以包括间隙，通过流体口，该间隙与内管具的内表面流体连接，以及，内侧可移动套筒定位在内管具的内部并具有孔，该内侧可移动套筒具有开启位置和关闭位置。当处于开启位置时，孔与流体口对准，使得间隙与内管具的内部之间流体联通。当处于关闭位置时，孔与流体口不对准，使得间隙与内管具的内部隔离。
[0015]本发明的一些实施例提出，液力增强器的内管具具有齿或者螺纹形式，该齿或者螺纹形式与内侧套管柱接合，以防止内管具相对于内侧套管柱轴向移动。在膨胀锥抵靠内侧套管柱(可膨胀衬管悬挂器)顶部的行程期间，此螺纹接合提供抗衡力。此外，一些实施例提出，膨胀锥具有楔形的上表面和下表面，该上表面和下表面具有最小直径小于内侧套管柱内径。
[0016]本发明的另一实施例提供一种用于在井筒内将扩张工具插入套管柱的井下液力增强器。该井下液力增强器包括:内管具，其具有上端、下端、以及轴孔，并且该内管具延伸进入井筒，下端设置为，在井筒内与套管柱以能解除方式接合；以及滑动心轴，其具有上位和下位，并具有心轴部分，滑动心轴围绕内管具并可以相对于内管具轴向滑动。该液力增强器进一步包括外壳，该外壳围绕内管具和滑动心轴，外壳和滑动心轴设置为，外壳与各心轴部分的至少一部分之间具有间隙，通过流体口，该间隙与内管具轴孔流体联通。外壳和滑动心轴设置为，在外壳与各心轴部分之间间隙的上方位置和下方位置处，各心轴部分密封地与外壳接合。当滑动心轴位于其上位时，外壳与各心轴部分之间的间隙小于当滑动心轴位于其下位时的间隙，以及，在心轴位于其上位时将流体引入各间隙内，增加了间隙内的液压力，因此，迫使间隙扩张，并推压滑动心轴进入其下位。当滑动心轴位于其下位时，其与扩张工具接触并推压扩张工具成为与套管柱接合。
[0017]井下液力增强器还可以包括位于内管具轴孔内的球、以及位于内管具轴孔内的球座。球座可以设置为，密封地与球接合以在轴孔内限制球的向下移动，从而，当球与球座接合时，轴孔内的流体不能继续行进通过轴孔，而是迫使流体通过流体口并进入外壳与心轴部分之间的间隙。
[0018]此外，间隙可以设置在滑动心轴的至少一部分与内管具之间，通过流体口，该间隙与内管具的内表面流体连接。内侧可移动套筒可以定位在内管具的内部，并且可以具有孔，该内侧可移动套筒具有开启位置和关闭位置。当处于开启位置时，孔可以与流体口对准，使得间隙与内管具的内部之间流体联通。当处于关闭位置时，孔可以从流体口偏置，使得间隙与内管具的内部隔离。在一些实施例中，球座可以附接至内侧可移动套筒，并且，球与球座之间的接触可以使内侧可移动套筒从关闭位置移动至开启位置。
[0019]本发明的又一实施例提供了一种在井筒内将内侧套管柱锁定并密封至外侧套管柱的方法。该方法包括以下步骤:(a)将内侧套管柱插入外侧套管柱，(b)将膨胀锥插入外侧套管柱，至位于内侧套管柱的顶端之上，以及(C)将液力增强器插入外侧套管柱。该方法还包括以下步骤:(d)用液力增强器向下推压膨胀锥，使其进入内侧套管柱的顶部，以使内侧套管柱的顶部扩张成为与外侧套管柱接合，以及(e)将液力增强器和膨胀锥从井筒移除。
[0020]在一些实施例中，该方法还可以包括:在上述步骤(d)之前，通过内侧套管柱加入水泥、以便将内侧套管柱粘结至井筒的步骤。此外，该方法可以包括:通过内侧套管柱加入水泥之后，通过内管具插入刮镖、以清洁残留水泥的步骤。
[0021]在一些实施例中，该方法可以包括:在步骤(d)之后，向外侧套管柱加入清洁流体、以便从外侧套管柱中位于内侧套管柱上方的部分处移除残留水泥的步骤。该方法还可以包括:在步骤(d)之后，压力测试内侧套管柱与外侧套管柱之间界面的步骤，以及，在步骤(e)之前，降低环形空间内的压力的步骤。
【附图说明】
[0022]通过下文参照附图对非限制性实施例的详细描述，将更好地理解本发明的实施例，其中:
[0023]图1是可膨胀式衬管悬挂器系统的实施例的侧向剖视图；
[0024]图2是沿图1的线2-2剖切的横向剖视图；
[0025]图3是沿图1的线3-3剖切的横向剖视图；
[0026]图4是可膨胀式衬管悬挂器系统的实施例的侧向剖视图，该可膨胀式衬管悬挂器系统在内管具的轴孔内具有刮镖；
[0027]图5是可膨胀式衬管悬挂器系统的实施例的侧向剖视图，该可膨胀式衬管悬挂器系统在中空衬管刮塞内具有刮镖；
[0028]图6是可膨胀式衬管悬挂器系