CN101353954A - 向井下工具中的封隔器施加轴向力的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
说明了向井下工具中的封隔器施加轴向力的方法和装置。在一种所述示例中,向关联到井下工具的可膨胀封隔器施加轴向力的装置,包括套管,其滑动联接到所述井下工具主体和所述封隔器一端。所述套管内部部分相对于所述井下工具主体密封,以形成腔,而且所述腔流体联接到与所述井下工具关联的泵,从而接收受压流体,以使所述套管向所述封隔器施加轴向力。
Description
技术领域
本公开基本上涉及井下工具,更具体地说,涉及向井下工具中的封隔器施加轴向力的方法和装置。
背景技术
用于从地下地层中采样流体、测量地层流体压力、进行地层测试等的井下工具通常包括一个或多个可膨胀封隔器组件或封隔器(例如,跨式封隔器),以液压隔离或密封透入待测试或采样地层的一段井筒或井孔。这种可膨胀封隔器组件通常包括柔性封隔器元件,其由金属板条或绳缆加强的弹性材料制成。但是,由于许多井孔中条件恶劣(例如,高温),所以封隔器元件弹性材料的弹性和机械强度可能受到显著损害。因此,封隔器可以膨胀来密封一部分井孔,而在膨胀压力释放后可能保持相对较大的外径。在某些情况下,先前膨胀过的封隔器外径可能大到阻止其所连接的井下工具从井孔中取出,从而导致成本高昂的修井和/或工具回收操作。
此外,在可膨胀封隔器与经由钻柱部署的井下工具一起使用的应用场合中,封隔器元件可能因旋转而不小心地扩张,并且嵌入井孔中。这样可能导致封隔器损坏或甚至导致工具卡在井孔中。
发明内容
在一种示例中,一种向关联到井下工具的可膨胀封隔器施加轴向力的装置包括套管,该套管滑动联接到井下工具的主体和封隔器端部。该套管内部部分相对于井下工具主体密封并形成腔,所述腔流体联接到与井下工具关联的泵以接收受压流体,从而导致该套管向封隔器施加轴向力。
在另一种示例中,井下工具包括泵模块、流体联接到该泵模块的可膨胀封隔器、联接到该可膨胀封隔器的滑动部件、形成在所述滑动部件和井下工具主体之间的腔,和流体联接所述腔和所述泵模块以使所述滑动模块向所述可膨胀封隔器施加轴向力的流体通道。
在另一种示例中,收回关联到井下工具的封隔器的方法涉及:紧缩所述封隔器并将流体泵入形成在联接于所述封隔器一端的滑动套管和井下工具主体之间的腔,从而收回所述封隔器。
在另一种示例中,改变施加到可膨胀封隔器的轴向力的方法涉及从其中定位有所述可膨胀封隔器的井孔中获取流体,并将所述流体泵入或泵出形成在联接于所述封隔器一端的滑动套管和井下工具主体之间的腔,以改变施加到所述封隔器的轴向力。
在另一种示例中,获取井下压力测量值的方法包括:将井下工具降入钻井中;膨胀设置在所述工具上的至少一个封隔器;在由所述封隔器至少局部限定的井孔区域中测量压力;用传感器测量与所述套管移动相关的参数;和将测量参数与测量压力关联起来。
附图说明
图1描绘了采用公知可膨胀封隔器组件的井下工具示例;
图2是图1所示其中一个可膨胀封隔器组件详细截面图;
图3是替代的公知可膨胀封隔器组件一部分的截面图,该组件具有向封隔器元件施加轴向力的机构,且该组件可以取代图2所示的可膨胀封隔器组件;
图4是示例可膨胀封隔器组件一部分的截面图,该组件具有向封隔器元件施加轴向力的机构,且该组件可以取代图2所示的可膨胀封隔器组件;
图5是示例泵模块的框图,其可以用在图4所示的示例可膨胀封隔器中。
具体实施方式
在上述附图中示出了特定示例并在以下详细说明。在所述示例中,类似或相同附图标记用来表示共用或类似元件。所述附图并未按比例绘制且某些特征和附图的某些视图以夸大的比例示出,或为了清晰和/或简洁起见,示意性地示出。
一般来说,本发明所述示例方法和装置可以用来向可膨胀封隔器元件施加轴向力。所述示例方法和装置例如可以用来收回以前膨胀过的且与井下工具关联的封隔器。更具体地说,本发明所述示例方法和装置涉及可膨胀封隔器组件,其与井下工具一起使用,所述可膨胀封隔器元件(例如,弹性囊或主体)一端联接到向所述封隔器元件施加轴向力的滑动构件、套管、环或轴环,从而在所述封隔器元件膨胀和紧缩之后,收回封隔器元件(即,将封隔器元件朝向井下工具的主体收回)。以此方式,在显著降低封隔器元件弹性的井下条件下(例如,相对高温),已经膨胀的封隔器元件仍旧可以收回,以充分减小其外径,从而能让封隔器元件所连接的井下工具从井孔中取出。
在一种所述示例中,与井下工具关联的可膨胀封隔器组件包括滑动联接(例如,经由螺纹)到井下工具主体、心轴或任何其他管状部分和封隔器端部的轴环、环或套管。封隔器的另一端相对于所述井下工具的主体、心轴或其他管状部分固定(即,不移动)。所述套管的内部部分经由两个滑动密封件(例如,O形环、T形密封件)密封在井下工具主体上,以形成腔。该腔流体联接到泵,诸如例如与井下工具关联的泵出(pumpout)或泵模块内的泵,从而接收受压流体(例如,井孔流体)以施加轴向力,该轴向力移动所述套管,从而朝向井下工具收回封隔器。
起初,在操作中,所述泵或泵模块可以用来将受压井孔流体泵浦到封隔器中,膨胀该封隔器并隔离或密封其中设置所述井下工具的一段井孔(例如,与待采样或运行其他测试的地层关联的一段)。在该隔离的一段井孔中进行采样或其他测试之后,该封隔器中的受压井孔流体释放,从而紧缩该封隔器或使其减压。然后所述泵或泵模块用来将受压井孔流体泵浦到由该滑动件、轴环、环或套管形成的腔中。当所述腔中的流体压力超过井下工具周围井孔中的流体静压时,所述套管相对于井下工具主体沿远离封隔器固定端方向移动或滑动,由此向所述封隔器施加轴向力,该力使封隔器向井下工具主体收回,从而减小封隔器外径,以使井下工具易于从井孔中取出。
此外,或可替代地,本发明所述示例装置和方法可以利用施加到封隔器端部的轴向力来给封隔器施加张力,从而例如在与封隔器关联的井下工具旋转过程中,防止封隔器元件无意展开或伸张(例如,在可膨胀封隔器处于紧缩状态时)。
图1描绘了采用公知可膨胀封隔器组件102和104的井下工具100。示例井下工具100描绘为部署到(例如,降下)井筒或井孔106中,从地下地层F中采集流体。井下工具100描绘为线缆式工具(wireline type tool),因此经由绳缆(cable)108降入井孔106中,其中所述绳缆承受井下工具100的重量且包括电线和额外的绳缆来在工具100和地面上靠近井孔106的电子装置和处理单元(electronics and processing unit)110之间传输电力、控制信号、携带信息的信号等。虽然示例井下工具100描绘成作为线缆式设备部署在井孔106中,但是可以替代地或额外地利用连续油管(coiled tubing)或者利用其他将工具部署到井孔中的公知方法,将工具100部署在钻柱中。
井下工具100包括采样模块112,该采样模块具有采样入口114。采样模块112可以进一步包括与入口114关联的可伸展探头(未示出)和将工具100和探头锚定在合适位置以接触地层F的可伸展锚定构件(未示出)。入口114,如图所示,是单入口。但是,第二或额外的入口(未示出)可以与入口114结合操作,以促进双入口(即,防护)采样。
为了从封隔器102和104其中之一或两者隔开的区域提取井孔流体,工具100包括泵浦模块118。泵浦模块118可以包括一个或多个泵、液压马达、电动马达、阀、流线等,以使得可以将井孔流体从井孔106的选定区域中取出。
为了在地面(例如,向/从电子装置和处理单元110)和构成井下工具100的各节段和模块之间传输电力、通信信号、控制信号等,工具100包括电子模块120。电子模块120例如可以用来控制泵浦模块118的操作与封隔器102和/或104的操作结合,例如用来液压隔离一部分井孔106,从而有利于对地层F部分进行采样和测试。
在操作中,井下工具100可以经由绳缆108降入井孔106,到达采样模块112特别是采样入口与待采样的地层F部分对准的深度。然后泵浦模块118可以用来将受压井孔流体泵浦到封隔器102和104中,将封隔器102和104膨胀,以使封隔器102和104的外圆周表面密封地接合井孔106的壁122。因为封隔器102和104膨胀,封隔器102和104之间的井孔106区域和节段124与井孔106剩余部分液压隔离。区域124可以称为间隔,并且包含在其间的流体将处于间隔压力下。然后泵浦模块118用来(例如受到电子模块120和/或电子装置和处理单元110的控制)将井孔流体泵出井孔106的区域或节段124。接着,泵浦模块118用来将地层流体经由入口114和流线125从地层F泵入工具100中的采样腔127里。采样腔1127不需要如图所示定位在采样模块112中,而例如也可以定位在其自身的采样模块中。
在收集完样本之后,封隔器102和104中的受压流体被释放(例如,通过泵浦模块118)到区域124之外的井孔106中。但是,即使封隔器102和104紧缩或封隔器102和104中的受压流体释放,封隔器102和104仍可能保持相对较大的外径(即,未完全缩减到其膨胀前的直径),特别是如果井孔106的区域124处于相对高温时。如果封隔器102和104其中之一或两者的外径没有减小到小于井孔106的最小直径,则从井孔106撤回工具100可能会非常困难,或者不可能不对工具100和/或井孔106造成显著损害。
图2是用来实施图1所示封隔器组件102和104的公知可膨胀封隔器组件200的详细截面图。可膨胀封隔器组件200包括柔性封隔器元件202(例如,弹性材料,形成可膨胀的囊、管等),该封隔器元件联接到工具100的管状主体或心轴204,以限定腔206,该腔可以由受压井孔流体填充以使封隔器元件202密封地接合井孔壁122。正如所知,封隔器元件202可以包括加强绳缆或板条(未示出)来增强封隔器元件202和促使封隔器元件202返回到其原始(即,膨胀前)形状。从图2中看出,端部208联接到工具100且固定就位(即,不会相对于工具100的主体移动)。与此对照,端部210连接到滑动接合工具100的滑动构件211。在这种结构中,滑动构件211在封隔器构件202膨胀过程中朝向端部208来回运动。
优选封隔器元件下端(如图1中的取向)滑动接合所述工具,同时上端固定。滑动的下端保证在工具100从井孔抽出时,封隔器元件和井孔之间的摩擦将封隔器朝向闭合位置偏置,同时在从井孔中抽出工具100时,滑动上端可能会将封隔器元件堵塞或聚积(bunch)在工具和井孔壁面122之间。
图3是可替代的公知可膨胀封隔器组件300一部分的截面图,该封隔器组件具有收回机构302,该可膨胀封隔器组件300可以用来代替图2所示的可膨胀封隔器组件200。对于封隔器组件300,封隔器元件304一端(未示出)固定到井下工具(例如,类似于图1中的工具100)的管状主体或心轴306,另一端308经由螺纹310和312联接到滑动构件、轴环、环或套管314。滑动构件314与接合工具100的主体306的套管316滑动密封接合,并在滑动构件314和套管316之间形成低压腔318(例如,大气压)。密封件(例如,O形环)320和322在滑动构件314内表面和套管316外表面之间提供滑动密封。连接到封隔器元件314的滑动构件314的端部324,较之与滑动构件314的相对端部326关联的表面积(即,A3)而言,具有较大的表面积(即,A1+A2)暴露于井孔流体压力。因此,如果滑动构件314的两端324和326都暴露于井孔流体的流体静压(例如,当封隔器元件304膨胀),则将滑动构件314朝向滑动构件314较小表面326促动(即,远离封隔器元件304的端部328)的净力导致滑动构件314向封隔器元件304施加轴向力。向封隔器元件304施加这种轴向力,将封隔器元件304朝向工具主体306牵引并减小封隔器元件304的外径。对于这种公知封隔器组件300更为详细地说明,可见于美国专利公开No.2006/0090905,该专利公开的内容在此并入作为参考。
图4是示例可膨胀封隔器组件400一部分的截面图,该组件具有机构402来向封隔器元件施加轴向力,并且该组件可以代替图3所示的公知可膨胀封隔器组件300。为了清晰简洁起见,图4仅描绘了示例可膨胀封隔器组件400的一部分。但是,鉴于示于图4的结构,本领域普通技术人员将更容易理解如何实施这些与可膨胀封隔器组件有关的结构以用于井下工具。
细节转到图4,滑动构件、轴环、环或套管404经由滑动密封件406和408滑动并密封地接合井下工具(例如,类似于图1所示的工具100)的心轴或管状主体410。滑动构件404的端部412经由联接元件413联接到可膨胀封隔器或封隔器元件416的端部414,以便在促动、驱使和/或移动滑动构件404离开(例如,在图4中向下)封隔器元件416时,使轴向力施加在封隔器元件416上,以收回或减小处于紧缩状态或条件下的封隔器元件416的外径。联接元件413可以螺纹啮合或以其他方式啮合或连接到套管404的端部412。此外,联接元件413提供止动表面417来限制套管404的行程范围。
如图4所示,滑动构件404具有基本上L形截面或轮廓,具有唇部418,其至少局部限定了腔420。在图4所示的示例中,环422联接(例如,螺纹)到管状主体或心轴以进一步限定腔420。可以设置额外的密封件(例如,O形环)424来消除腔(chamber)420和封隔器元件416限定的空腔(cavity)426之间潜在的泄漏路径。如以下参照图5更为详细地说明,腔420经由管线428流体联接到受压井孔流体源,以使井孔流体向腔420施加超过工具周围(例如,井孔中)流体静压的压力,从而向封隔器元件416施加轴向力,例如用来在紧缩封隔器元件416时收回封隔器元件416(即减小其外径)。此外,可以经由管线428将流体泵出腔420,从而将腔420中的压力减小到小于工具周围的流体静压。
图5是示例泵模块500的框图,该模块可用于图4所示的示例可膨胀封隔器组件400。如图5所示,泵模块500包括泵502、多个阀504、506和508以及控制器510,该控制器经由总线、导线或电连接件521可操作地联接到泵502和阀504、506和508。在操作中,泵模块500可以用来将一个或多个采样腔513中存储的流体和/或井孔流体泵浦到一个或多个封隔器来膨胀封隔器,以液压隔离一段井孔,从该液压隔离的这一部分井孔内的地层泵浦或提取地层流体,将提取的地层流体输送到一个或多个可设置在单独采样模块中的采样腔513,收缩该封隔器,并将井孔流体泵浦到示例机构402的腔420中,例如用来收回紧缩的封隔器,以使井下工具易于从井孔中取出。
在示例泵模块500的一种示例操作中,泵502和阀504、506和508可以受到控制器510的控制来经由封隔器膨胀/紧缩流线514将受压井孔流体泵浦到空腔426(图4),从而膨胀封隔器元件416或多个这种封隔器元件。在封隔器元件416液压隔离与待采样地层(例如,地层F)关联的一段井孔的情况下,控制器510可以控制泵502和阀504、506和508,通过采样流线516提取地层流体。开始时,阀504、506和508由控制器510控制,将经由采样流线516提取的流体行进到流线518,将采样流体排放到井孔环隙(即,不处于液压隔离的那一段之中的井孔段)。如果由泵502经由采样流线516提取的流体足够无污染(例如,滤液浓度足够低),则控制器510可以控制泵502和阀504、506和508,以使采样流体行进到流线520,该流线联接一个或多个采样腔513。在收集完样本之后,控制器510可以控制泵502和/或阀504、506和508,经由例如封隔器膨胀/紧缩流线514紧缩封隔器元件416。例如,阀504、506和508可以受到控制,从而将空腔426中的受压井孔流体经由线路514和518行进到所述环隙,从而削弱空腔426中的压力。最后,在封隔器元件416紧缩后,控制器510可以控制泵502和阀504、506和508,将受压井孔流体经由流线428行进到腔420。以受压井孔流体填充腔420导致滑动构件、套管、环或轴环404向封隔器元件416施加轴向力,因此将收回封隔器元件416来减小其外径。
示例机构402较之图3所示公知收回机构302提供若干优势。具体来说,机构402不用依赖静流井孔流体压力(hydrostatic borehole fluid pressure)来使滑动构件404向紧缩的封隔器元件416施加足够的轴向力或收回力。因此,即使在表现出静流井孔流体压力相对较低的浅层井孔中,腔420中的受压流体也能产生足以收回封隔器元件416的力。而且,示例机构402的滑动密封件406和408不必承受密封件320和322所承受的力那样显著的力(例如,由于压力差较大)。因此,密封件406和408产生相对较小的摩擦力来阻止滑动构件404的滑动,这样将使密封件406和408寿命更长,而且由腔420中受压流体产生的力更多地施加在封隔器元件416上。
除了上述操作外,示例机构402可以用来以其他方式使用和/或针对其他井下活动来使用,从而改善可膨胀封隔器组件的性能。例如,在涉及将可膨胀封隔器使用在联接到钻柱的井下工具中时,机构402可以用来在钻孔、扩孔、入井(run-in-hole)、出井(pull-out-of-hole)和/或任何其他可能导致可膨胀封隔器元件以不希望的方式扩张而损害操作时,将可膨胀封隔器元件416张紧。换句话说,机构402可以用来将可膨胀封隔器元件416保持在位置上,以使可膨胀封隔器元件416的外径的增大最小化,或者基本上消除。
而且,机构402可以锁定或者暂时固定,这样可以更为牢靠地膨胀元件416和/或协助在井孔(图1)区域或节段124内获得更为精确的压力测量值。具体来说,一旦封隔器元件416已经适当膨胀,通过激活或闭合阀508,则机构420可以闭合或锁定,从而将流体封在腔420中。通过锁定机构402,滑动构件404暂时相对于管状主体或心轴410固定。在滑动构件404固定的情况下,区域或节段124的体积将更好地保持一致,从而提供区域或节段124内的流体的更为精确的压力测量。可替代的是,滑动构件404可以接触环422,从而基本上消除腔420。
在测量操作中(例如,测量地层参数),当收回机构402的腔420中压力固定时(例如,通过关闭进和/或出腔420的任何流线),腔420中的压力例如可以通过压力传感器522来监测。反过来,被监测的压力可以用来评估所做测量的潜在质量。例如,如果在测量操作中发现腔420中压力发生很小的变化,如果这种变化存在的话,则表示测量质量可能较高,而足够大的压力变化则可能表示测量不良或者夹杂干扰。当滑动构件404与环422接触时,也可以进行类似判断。例如,位于腔420处或其附近的传感器(未示出)能判断滑动构件404和环422之间的相对移动或者接触丧失。具体来说,如果检测到滑动构件404和环422分离,则可能表示较差的压力测量或者存在干扰。
通过跟踪或测量滑动构件404相对于环422或管状主体或心轴410的位置(例如,通过位置传感器)可以进行更为精确的分析。传感器430可以是电位计、霍尔效应传感器等,并且可以定位在腔420中,以避免因与地层或钻液(drilling fluid)接触所造成的恶劣环境。在获取滑动构件404的移动测量值时,可能获得因滑动构件404移动而造成的可量化误差或结果压力变化。这种移动可以用来调节、纠正或解释压力测量值或异常,而没有这种移动可能表示较高测量质量。
虽然这里已经说明了特定的方法、装置和制造物品,但是本发明的范围并未限于此。相反,本发明覆盖基本上落入附带的权利要求书字面或同等原理的范围内的全部方法、装置和制造物品。
Claims (32)
1.一种向关联到井下工具的可膨胀封隔器施加轴向力的装置,包括:
套管,其滑动联接到所述井下工具主体和所述封隔器一端,其中所述套管内部部分相对于所述井下工具主体密封,以形成腔,而且所述腔流体联接到与所述井下工具关联的泵以接收受压流体,以使所述套管向所述封隔器施加轴向力。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述腔接收受压流体来施加轴向力,以进行下述两种操作至少其中之一:张紧紧缩的封隔器或收回所述封隔器。
3.如权利要求1所述的装置,其特征在于,与所述井下工具关联的泵用来减小所述腔的体积。
4.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述受压流体是井孔流体和采样腔中存储的流体其中之一。
5.如权利要求1所述的装置,进一步包括O形环、T形密封件其中之一,以相对于所述井下工具主体密封所述套管。
6.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述受压流体处于超过以下两种压力中至少一种的压力下:流体静压和间隔压力。
7.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述井下工具主体包括心轴。
8.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述套管经由螺纹联接到所述封隔器一端。
9.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述腔至少局部地由朝向所述井下工具主体延伸的一部分套管形成。
10.如权利要求9所述的装置,其特征在于,所述一部分套管包括唇部。
11.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述腔至少局部地由联接到所述井下工具主体并延伸离开从所述井下工具主体的环形成。
12.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述套管具有基本L形截面。
13.一种井下工具,包括:
泵模块;
流体联接到所述泵模块的可膨胀封隔器;
联接到所述可膨胀封隔器的滑动构件;
形成于所述滑动构件和所述井下工具主体之间的腔;和
流体通道,其将所述腔流体联接到所述泵模块以使所述滑动构件向所述可膨胀封隔器施加轴向力。
14.如权利要求13所述的井下工具,其特征在于,所述轴向力用来收回所述封隔器。
15.如权利要求13所述的井下工具,其特征在于,所述轴向力用来张紧所述封隔器。
16.如权利要求13所述的井下工具,其特征在于,所述滑动构件包括密封件以密封所述腔。
17.如权利要求13所述的井下工具,其特征在于,所述泵模块流体联接到入口和采样腔至少其中之一。
18.如权利要求13所述的井下工具,其特征在于,所述泵模块向所述腔施压,使压力大于所述井下工具至少一部分周围的压力,以使所述滑动构件向所述封隔器施加轴向力。
19.如权利要求13所述的井下工具,其特征在于,所述泵模块流体联接到第二可膨胀封隔器。
20.一种收回与井下工具关联的封隔器的方法,包括:
紧缩所述封隔器;和
将流体泵入形成在联接于所述封隔器一端的滑动套管和所述井下工具主体之间腔中,以收回所述封隔器。
21.如权利要求20所述的方法,其特征在于,紧缩所述封隔器包括将所述封隔器中流体泵入井孔。
22.如权利要求20所述的方法,其特征在于,将流体泵入所述腔包括利用所述井下工具中的泵将井孔流体泵入所述腔。
23.如权利要求20所述的方法,其特征在于,将流体泵入所述腔包括将所述腔中的压力增大到超过井孔中的流体静压,所述井下工具设置在所述井孔中。
24.一种改变施加到可膨胀封隔器的轴向力的方法,包括:
从井孔中获取流体,其中所述可膨胀封隔器位于所述井孔中;和
将所述流体泵入或泵出形成在联接于所述封隔器一端的滑动套管和所述井下工具主体之间的腔中,以改变施加到所述封隔器的轴向力。
25.如权利要求24所述的方法,其特征在于,将所述流体泵入所述腔导致所述滑动套管收回所述可膨胀封隔器。
26.如权利要求24所述的方法,其特征在于,将所述流体泵入所述腔导致所述滑动套管在所述井下工具旋转过程中,张紧所述可膨胀封隔器。
27.如权利要求24所述的方法,进一步包括:将所述流体锁定在所述腔中。
28.如权利要求27所述的方法,进一步包括:测量所述腔中的压力和测量所述滑动套管移动至少其中之一,其中这两项操作与所述井下测量质量有关。
29.一种获取井下压力测量值的方法,包括:
将井下工具降入井筒,所述工具具有主体;
膨胀设置在所述工具上的至少一个封隔器,从而使关联到所述封隔器的套管沿着所述主体移动;
测量至少局部由所述封隔器限定的井孔区域中的压力;
用传感器测量与所述套管移动相关的参数;和
将所述测量参数与所述测量压力关联。
30.如权利要求29所述的方法,其特征在于,测量参数包括测量所述套管相对于所述主体的移动。
31.如权利要求29所述的方法,其特征在于,测量参数包括测量至少局部由所述套管限定的腔中的压力变化。
32.如权利要求30所述的方法,其特征在于,将所述测量参数关联包括指示出所述压力测量中的异常归因于所述套管移动。
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