CN101285375A - 一种适用于水平井的套管膨胀方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及在油气井工程中用于钻井、修井和完井等领域的膨胀套管技术，尤其是一种适用于水平井的套管膨胀方法，也适用于垂直井、定向井。该方法主要包括：将膨胀器与待膨胀的套管一同下入井内预定位置，此时膨胀器装在一段联结于待膨胀套管下端的短节内；在液压动力作用下，膨胀器外径径向膨胀至设定的外径，此时利用专门的锁定机构制动膨胀器的径向伸缩；膨胀器在动力作用下沿待膨胀套管的轴线移动，同时膨胀器也围绕其自身中心轴线旋转，直至膨胀机构穿过整个待膨胀套管，从而将待膨胀套管直径扩大至设计要求；将锁定机构打开，膨胀机构外径回缩，上提回收整个膨胀器，完成整个膨胀作业。该方法所需操作动力小、参数选取灵活、适应性强。

Description

一种适用于水平井的套管膨胀方法

技术领域

本发明专利涉及一种在油气井工程中用于钻井、修井和完井等领域的膨胀套管技术，尤其是一种适用于水平井的套管膨胀方法，该方法也适合于垂直井、定向井。

背景技术

在传统的油气井钻井作业中，随着井深的增加，下入井眼中的套管层次也在增加，从而使可利用的井眼直径越来越小。在深井超深井等复杂地层的钻进中，井眼直径的不断减小，特别是遇到一些必须封固的突发层段，井眼将进一步被缩小，这样最终可能导致无法钻达目的层。膨胀套管技术主要是针对这一问题而产生的一项新兴的钻井技术。主要应用于钻井、封堵复杂层、尾管悬挂器以及套管修复等多个领域，该技术的最终目的是实现使用同一尺寸的套管代替现行的多层套管，以提高对付多个复杂地层的能力，提高钻井作业效率，降低钻井成本。膨胀套管技术就是在井眼中将管柱径向膨胀至塑性变形区域，整体达到所要求的直径尺寸，以实现“节省”井眼直径为目的的一种钻井工程新技术。井眼变“瘦”可以使钻井成本显著降低，而且可以用膨胀套管技术对以前一些因为钻井成本太高而无法开采的井进行经济开采。在钻井中，把膨胀套管下入技术套管内，然后用特殊工具和工艺将下入的膨胀套管膨胀至与上层技术套管内壁紧贴。在裸眼部分可注水泥，在套管内重叠部分具有悬挂和密封元件。两层套管之间的内径差仅仅是膨胀后套管的壁厚，从而最大限度的节省了井眼直径，使可下入的套管层数增加，给深井，复杂地质条件的钻井和井身结构带来“革命性”的影响和重大技术经济效益。

膨胀套管技术由少数几个外国石油公司所垄断，主要包括Weatherford、BakerHughes Qiltool公司、Enventure公司、Halliburton公司等，其中应用该技术最成熟的是Enventure公司。至2004年3月，Enventure公司已在世界上实施了209口膨胀套管作业井，累计膨胀管长度为62862m，膨胀套管接头总共为5417个，已经成为比较成熟的商业化技术，而且有广阔的应用前景。特别是在水平井开发技术中如何发挥膨胀套管的技术优势已经引起业内人士的关注，例如如何在水平井的水平段利用膨胀套管进行封堵出水层等。目前国内已经掌握了一些膨胀套管技术，但有许多关键技术，如：膨胀套管接头、密封、润滑以及膨胀机构的结构设计等属于商业保密，将该技术引进国内，其成本较高，因此迫切需要我们开发具有自主知识产权的膨胀套管技术。

但目前常规的膨胀器主要适合于垂直井，因为此类膨胀器的外径大于膨胀套管的外径，如果需要在水平井段进行膨胀作业，那么常规的膨胀器很难或者不能通过曲率半径过小的造斜段以及不能通过井眼直径过小的水平段，这是需要解决的问题。

发明的目的

本发明的目的在于提供一种改进的、针对水平井内的套管进行径向膨胀的方法，以克服目前水平井段进行膨胀作业中存在的不足，该方法在直井、定向井中同样适用。

技术方案

为了实现上述目的采取的技术方案，本发明提出一种适用于水平井的套管膨胀方法，该方法包括下列步骤：

(1)将膨胀器与待膨胀套管联结一起下入井底预定位置，由于本方法设计的膨胀器放在膨胀器接头的内部，因此下放整段管柱以及膨胀器接头不会因为其外径过大而不利于工具的下放。

(2)利用专门的液压机构或者是其它能够实现该功能的机构完成膨胀器膨胀部位的径向膨胀(在此过程中需要钻杆带动整个膨胀器围绕自身中心轴线旋转)，使其外径达到设计尺寸(该尺寸与膨胀后套管的内径相等)，即完成膨胀器由收缩状态到膨胀状态的转换，由于膨胀器外部的套管短节由强度较低的管材制成，因此在较小的膨胀压力下就可以完成套管短节的预膨胀(相当于管材拉拔工艺中的预制喇叭口)，此时通过一个锁定机构将膨胀器的径向收缩锁死，防止其在膨胀过程中回缩。

(3)通过液压推动以及轴向钻杆的旋转带动膨胀器沿井筒轴线移动并旋转，穿过整个待膨胀套管，使得整个待膨胀套管内径达到设计要求。

(4)将膨胀器控制径向回缩是锁死机构打开，膨胀器膨胀部位回缩以后，上提钻杆将膨胀器取出，完成整个膨胀作业。

实现上述套管膨胀方法，其膨胀过程中所使用的膨胀装置主要包括待膨胀套管；钻柱；用于预先膨胀的套管短节；膨胀器，该膨胀器的定径段具有收缩状态和膨胀状态；密封件，该密封件能够密封两层无缝套管之间的环向间隙以及起到锚定作用。

所述膨胀器在本发明中要求可以径向伸缩，主要包括有膨胀器的锥度段、可以收缩和膨胀的定径段、膨胀器径向膨胀推动活塞、对径向推动活塞起制动作用的径向伸缩锁定机构以及联结螺纹母扣，其中收缩状态时的定径段直径在前述膨胀器径向膨胀推动活塞的作用下可以扩径到设计要求的膨胀状态时的定径段。膨胀器在下入井下过程中具有较小的外径因此比以往的膨胀器设计更容易下放；由于膨胀器的外径可以沿自身径向伸缩，通过调节膨胀器径向尺寸，使待套管由膨胀器从初始内径膨胀至设计要求的内径(根据实际需要膨胀幅度在5％～20％)，使得管状元件实现设计要求的径向膨胀；同时，由于整个膨胀装置在沿井筒轴向运动的同时自身也在绕其中心轴线旋转，因此具有较小的液压推动力。

本方案中所述膨胀器在膨胀器径向膨胀推动活塞和膨胀器径向伸缩锁定机构的控制下有收缩和膨胀两种状态，当膨胀器处于收缩状态时，整个膨胀器径向尺寸较小，可以方便的在井筒内上提和下放；当膨胀器处于膨胀状态时，可以对待膨胀套管实施膨胀作业。

本发明的优点

(1)通过膨胀器径向尺寸的伸缩调节，可以进行不同膨胀幅度的套管膨胀作业；(2)在整个膨胀作业中，膨胀器在沿轴向穿行的同时亦围绕其自身轴线旋转，因此所需的轴向推动力较小；(3)对于以往固定尺寸的芯头在进行多次膨胀后的磨损而造成的膨胀后套管内径偏小的问题可以通过本方案得到有效解决；(4)由于膨胀器放置在膨胀器接头内部，完成膨胀作业后径向回缩，因此膨胀器在井筒内部的下放和上提作业所受到的阻力较小，这一点对于套管在水平井中水平段的下放过程尤为重要；(5)由于膨胀器是在下放至井下预定位置后才转换至膨胀状态，因此膨胀幅度不受上层套管内壁直径的影响，具有更大的膨胀幅度。

下面结合附图和具体实施例子对本发明的技术方案进行详细地说明。

附图说明：

图1是本发明一种适用于水平井的套管膨胀方法的主视图；

图2是图1所示膨胀器的俯视图；

图3是本发明一种适用于水平井的套管膨胀方法步骤(1)；

图4是本发明一种适用于水平井的套管膨胀方法步骤(2)；

图5是本发明一种适用于水平井的套管膨胀方法步骤(3)；

图6是本发明一种适用于水平井的套管膨胀方法步骤(4)。

图中：1.膨胀器，2.膨胀器的锥度段，3.膨胀器处于收缩状态时的定径段，4.膨胀器处于膨胀状态时的定径段，5.与钻杆联结的联结螺纹母扣，6.膨胀器径向膨胀推动活塞，7.膨胀器径向伸缩锁定机构，8.上层套管，9.钻杆，10.两层管件间的密封件，11.待膨胀套管，12.特殊联结螺纹，13.用于预先膨胀的套管短节，14密封件。

具体实施方式：

如图1和图2中所示为本发明方法中对一水平井井下水平段套管进行径向膨胀的膨胀器1，所述膨胀器1主要包括锥度段2、膨胀器处于收缩状态时的定径段3、膨胀器处于膨胀状态时的定径段4、与钻杆9联结的联结螺纹母扣5、膨胀器径向膨胀推动活塞6和膨胀器径向伸缩锁定机构7。其中膨胀器处于收缩状态时的定径段3的直径在前述膨胀器径向膨胀推动活塞6的作用下可以扩径到设计要求的处于膨胀状态时的定径段4，以完成不同膨胀幅度施工作业。

结合上述膨胀器的结构说明其本发明方法具体过程，如图3所示：将本发明所设计的膨胀器1与待膨胀套管11一起下入井下预定深度，其中用于预先膨胀的套管短节13与待膨胀套管11通过特殊联结螺纹12联结，此时膨胀器处于收缩状态时的定径段3的外径为D₁，放置在与待膨胀套管相联结的膨胀器外部的套管短节13内部(该套管短节的材质强度较低)，至此完成膨胀作业的第一步。

如图4所示，在膨胀器1内部的径向膨胀推动活塞6在液体压力的作用下，使得膨胀器处于收缩状态时的定径段3外径由D₁膨胀至D₂，(根据实际需要膨胀幅度在5％～20％)，即膨胀器处于膨胀状态时的定径段4，此时打开径向伸缩锁定机构7的锁定系统对膨胀器径向膨胀推动活塞6进行制动，使其不再能沿径向伸缩，并且在此过程中整个膨胀器1需要在上端联结钻杆9的带动下沿其自身轴线作轴向旋转，以降低工作液体压力和保证套管短节13内壁的均匀性，完成套管短节13的预膨胀。由于这一阶段被预膨胀的套管短节13的材质强度较低，因此在较低的液压下即可顺利完成此步预膨胀，将待膨胀套管11的一端制成喇叭状，是以便后续的膨胀作业能够顺利进行，至此完成膨胀作业的第二步。

如图5所示，膨胀器1在轴向上受到下部液体压力的推动下沿待膨胀套管11轴线运动，锥度段2以及起定径作用的处于膨胀状态的定径段4挤压待膨胀套管11内壁，使其发生永久塑性变形，直至穿过整个待膨胀套管11，在此过程中，整个膨胀器1在上接钻杆9的旋转带动下也绕自身轴线作旋转，旋转运动大大降低了带动膨胀器1轴向运动的轴向力，因此所需的液体压力较小，至此完成了膨胀作业的第三步。

如图6所示，将膨胀器1内部的径向伸缩锁定机构7打开，膨胀器的处于膨胀状态的定径段4将在外部挤压力的作用下回缩至收缩状态时的定径段3，此时通过钻杆9上提整个膨胀器1，完成整个膨胀施工作业。

最后，膨胀完成的套管如图6所示，膨胀完成后的套管11的一端外壁与上层套管8内壁紧贴，有专门的密封件兼锚定件10保证膨胀后的套管11固定在上层套管8上以及良好的密封性，另一端通过密封件14与裸眼井段的外围岩石密封固定。

在上述实施例说明中，是以一种典型的水平井下水平段套管的膨胀作为施工实例作为描述对象的，具体应用中所需要膨胀的管件形式、悬挂方式等可以有所不同，相关技术人员可对其做相应的调整。

Claims (3)

1.一种适用于水平井的套管膨胀方法，其特征在于该方法包括下列步骤：①将膨胀器(1)与待膨胀套管(11)联结在一起下入井底预定位置，由于本方法中所用的膨胀器(1)放在套管短节(13)的内部，因此下放整段管柱以及膨胀器(1)不会因为其外径过大而不利于工具的下放；②利用专门的液压机构或者是其它能够实现该功能的机构推动膨胀器径向膨胀推动活塞(6)径向推出(在此过程中需要钻杆(9)带动整个膨胀器围绕自身中心轴线旋转)，使得膨胀器处于收缩状态时的定径段(3)的外径增大到设计尺寸(该尺寸与膨胀后套管的内径相等)，由于膨胀器(1)外部的套管短节(13)由强度较低的管材制成，因此在较小的膨胀压力下就可以完成套管短节(13)的预膨胀(相当于管材拉拔工艺中的预制喇叭口)，此时通过膨胀器径向伸缩锁定机构(7)将膨胀器的径向收缩锁死，防止其在膨胀过程中回缩；③通过液压推动以及轴向钻杆(9)的旋转带动膨胀器(1)沿井筒轴线移动并旋转，穿过整个待膨胀套管(11)，使得整个待膨胀套管(11)内径达到设计要求；④将膨胀器(1)控制径向回缩的膨胀器径向伸缩锁定机构(7)打开，膨胀器(1)处于膨胀状态的定径段(4)回缩，上提钻杆(9)将膨胀器(1)取出，完成整个膨胀作业。

2.根据权利要求1所述一种适用于水平井的套管膨胀方法，其特征在于，所述膨胀器(1)在膨胀器径向膨胀推动活塞(6)和膨胀器径向伸缩锁定机构(7)的控制下有收缩和膨胀两种状态，当膨胀器(1)处于收缩状态时，整个膨胀器(1)径向尺寸较小，可以方便的在井筒内上提和下放；当膨胀器(1)处于膨胀状态时，可以对待膨胀套管(11)实施膨胀作业。

3.根据权利要求1所述一种适用于水平井的套管膨胀方法，其特征在于，通过调节膨胀器(1)径向尺寸，使待膨胀套管(11)由膨胀器(1)从初始内径膨胀至设计要求的内径(根据实际需要膨胀幅度为5％～20％)。

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