CN102791956A - 阀系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于钻井孔的阀系统，包括偏心工作筒和一个或多个钻井工具，该偏心工作筒（6）包括细长的管体部（7），该细长的管体部（7）在其端部设置有连接件（8），细长的管体部（7）设置有与钻井管柱（3）对齐的大致全开的主孔（9）和横向偏离的偏心孔（10）。至少一个贯通开口（12）设置在偏心工作筒（6）上并且导向至偏心孔（10）内，并且至少一个贯通开口（13）设置在内壁（11）上并且导向至主孔（9）内，至少两个开口（12，13）通过偏心孔（10）流体连通，其中偏心孔（10）的至少两个阀（100，101）成列设置，以在主孔和偏心工作筒的外侧之间形成双流体屏障，所述至少两个阀通过设置在偏心工作筒的内壁上的至少一个安装开口可单独回收。

Description

阀系统

技术领域

本发明涉及用于在油井和/或气井中执行各种操作的阀系统，特别是涉及用于在钻井中促进地层压力的人工举升系统，以从地层中提取出更多的烃。

但是，本领域技术人员公知的，本发明不限于人工举升，根据本发明的阀系统也能够应用于其它操作中，例如将化学品注射入井中等。

背景技术

油井和/或气井被钻入生成烃的地层内，通常在地层内能够形成钻井，以允许从地层中产出烃类产品。这样的地层可以包括几个不同的层，其中每个层可以包括一种或者多种烃类成分。经常地，这样的地层也包括水、气体等。因此，生产条件（即地层中的油、气体、水的总量和压力）通常在地层的不同层中变化，并且在地层的形成过程中也发生变化。

烃类产品通常在地层中开始于足够的压力，以压迫烃至地表。随着钻井生产的继续，储层通常会失去压力，直到来自钻井的烃类产品不再由地层压力提供。此外，在一些钻井中，即使钻井是首次开采，地层压力也不足以支持产品喷出钻井。

因此，被称为人工举升的操作被用于补充地层压力，以从地层将烃举升到钻井的地表。所有人工举升系统的基本理念是从储层中提取更多的烃。

例如，油井/或气井可以设置有抽油杆举升系统（sucker rod liftingsystem），这样的系统通常包括驱动机构、抽油杆管柱以及一个或多个井下的正排量泵，所述驱动机构设置在钻井的地表上的。然后，烃能够通过井下的泵的泵送动作被输送到钻井孔的地表。

一种可替换的人工举升系统是被称为气体举升系统，高压水或高压气体被注射到地质层本身或者钻井的生产管柱中。气体举升系统可以是可回收管柱的气体举升系统或可回收钢丝绳的气体举升系统。

在气体举升系统中，来自地表的高压气体能够例如提供给生产管柱和钻井的壳体之间的空间（环形区域）。气体通过多个气举阀（gas lift valve）从环形区域的侧面进入生产管柱内，该多个气举阀沿生产管柱的长度方向设置。然后，气举阀可以布置或者设置在生产管柱本身中，或者气举阀可以设置在所谓的偏心工作筒（side pocket mandrel）内。

偏心工作筒通常安装在钻井孔中的一系列生产管柱内。偏心工作筒设置有全开孔，该全开孔与生产管柱的孔对齐并且与横向偏离的偏心孔对齐，该偏心孔设计为收纳不同的钻井工具。这样钻井工具能够穿过生产管柱并且可回收地放置在偏离的偏心孔中，以在钻井孔或者生产管柱中执行或监控不同的操作。钻井工具为可回收的并且能够放置在偏离的偏心孔上以及能够从偏离的偏心孔上回收，例如通过使用反冲式工具（kick over tool）或者类似的工具。钻井工具通常可以包括流体控制装置、气举装置、化学品注射装置等，以用于传统的生产操作。偏心工作筒还可以容纳其它设备，例如传感器、堵头等。

偏心工作筒通常包括主芯轴体部，该主芯轴体部设置有大致全开的主孔和横向偏离的偏心孔，主芯轴体部通过合适的方式（例如通过焊接等）连接于锥形端部。当偏心工作筒连接于例如生产管柱时，全开主孔与生产管柱的孔对齐，从而允许生产流体流经偏心工作筒。横向偏离的偏心孔用于容纳钻井工具或其它井下设备。然后，钻井工具或井下设备通过一个或多个锁定凸缘或者锁定夹具固定于或者放置在横向偏离的偏心孔的内侧上。

主芯轴体部以由内壁分隔的全开主孔和横向偏离的偏心孔的方式形成，使得钻井工具和/或其它井下设备与产品流通过全开孔分开。如果偏心工作筒用于气举系统中，横向偏离的偏心孔的表面和偏心工作筒的内壁均设置有一个或多个贯通槽或通孔，使得引入环形区域的压力气体能够流经横向偏离的偏心孔的一个或多个槽或孔，并且通过设置在横向偏离的偏心孔的内侧的阀流入横向偏离的偏心孔内，然后通过内壁的槽或孔流入生产管柱内。然后，在偏心孔内的阀将根据其特定的设计控制压力气体进入生产管柱内的实际流量。

但是，与将压力气体的主注射流打破为较小的流和/或气泡不同，被释放到生产管柱内的压力气体通常不可控。这会引起释放气体流的主要部分作用在生产流体（即在生产管柱中增加向下的趋势）上，从而引起生产流体的减少。

此外，在钻井执行不同操作的过程中，通常必须利用设置在偏心工作筒内的钻井工具和/或井下设备。例如，气举阀通常在使用一段时间之后要求进行维护、修理、更换和/或改变气举阀的压力设定等使用。为了执行必要的操作，气举阀必须从横向偏离的偏心孔中回收。这会引起偏心工作筒“打开”，从而生产管柱的生产流体将被允许从生产管柱流入钻井的环形区域内。为了防止上述现象，钻井必须以其它方式关闭，这会引起不需要的生产停滞，并且增加生产成本。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种阀系统，该阀系统最小化和/或减轻上述问题。

本发明的再一个目的是提供一种阀系统，该阀系统能够以更有效地方式控制注射气体的流量，从而增加生产管柱的生产流量。

本发明的另一个目的是提供一种阀系统，该阀系统允许更换钻井工具和/或井下设备而不需要关闭钻井。

本发明的还一个目的是提供一种阀系统，钻井工具和/或井下设备能够彼此单独地更换。

这些目的可以通过所附的独立权利要求限定的根据本发明的偏心工作筒获得，本发明的实施方式在独立权利要求中给出。

本发明涉及在油井和/或气井中用于执行不同操作的装置，例如人工举升操作。更特别地，本发明涉及一种用于钻井孔的阀系统，该阀系统包括偏心工作筒，该偏心工作筒包括细长的管体部，该细长的管体部包括与钻井管柱对齐的大致全开的主孔和具有孔的横向偏离的侧腔，所述大致全开的主孔和所述横向偏离的偏心孔通过内壁分开。至少一个贯穿开口设置在所述偏心工作筒上并且导向至所述横向偏离的偏心孔内，并且至少一个贯穿开口设置在所述内壁上并且导向至所述大致全开的主孔内。所述至少两个贯穿开口通过所述横向偏离的偏心孔流体连通，这种结构允许流体从环形区域注射进钻井管柱内，从而流体将通过设置在所述偏心工作筒上的所述至少一个开口进入横向偏离的偏心孔内，流过横向偏离的偏心孔，然后通过内壁上的开口进入细长的管体部的大致全开的主孔。在横向偏离的偏心孔内，至少两个阀成列设置，以在横向偏离的偏心孔内形成双屏障，所述至少两个阀通过设置在所述偏心工作筒的所述内壁上的至少一个安装开彼此可单独地回收。

如本领域技术人员公知的，所述阀可以为不同的流量控制装置、气举装置、化学品注射装置等。

根据本发明的阀系统还可以容纳其它井下工具、设备和/或装置。

在本发明的一种优选实施方式中，设置在所述横向偏离的偏心孔内的所述至少两个阀为气举阀，这种结构在偏心工作筒的外侧和内侧之间提供连接，使得流体（例如压力气体）可以通过壳体和生产管柱之间的环形空间注射进生产管柱内。在这样的结构中，所述至少两个可回收的阀中的每一个将作为单独并且独立的流体屏障，从而在偏心工作筒内形成双流体屏障。

根据本发明的另一种实施方式，所述阀系统还可以设置有另外的压力或流体屏障，这种压力或流体屏障能够设置为与设置在所述偏心工作筒的横向偏离的侧腔内的所述至少一个开口（槽或入口）连接。

如上所示，“流体屏障”可以为具有阻止流体介质流经该元件的性能的任何元件。这样的元件可以为例如气举阀、单向阀、节流阀、波纹管阀、充氮圆顶阀（nitrogen charged dome valve）、先导阀、差动阀等。

容纳在横向偏离的侧腔中的阀例如可以是气举阀或化学介质注射阀、单向阀等，这些用于增加油井和/或气井的产量。

偏心工作筒在其两端还设置有连接件，以将偏心工作筒连接于钻井管柱，例如生产管柱。设置在各个端部的连接件在本发明的一种优选实施方式中可以为螺纹。但是，应该理解的是夹具、螺栓等也可以用于将偏心工作筒连接于邻近的管件。偏心工作筒还可以焊接于生产管柱。

容纳在横向偏离的偏心孔内的所述至少两个阀优选设置为可回收的，但是应该理解的是其中一个阀也可以永久性地安装在横向偏离的偏心孔内。

此外，所述至少两个阀彼此流体连通，所述阀彼此直接连接或通过所述横向偏离的偏心孔彼此间接连接。

优选地，设置为靠近在横向偏离的侧腔的所述至少一个贯通开口（入口）的阀被认为是在偏心工作筒内形成主要的流体屏障，同时设置为在内壁靠近大致全开的主孔的所述至少一个开口（出口）的阀将形成次要的流体屏障。此外，在本发明的优选实施方式中，形成主要流体屏障的阀具有恒定并且不可调的节流孔，同时形成次要流体屏障的阀具有可调的节流孔。

设置在横向偏离的侧腔内的所述阀可以设置为以相同的压力打开或关闭，但是它们也可以设置为以不同的压力操作。后者的结构将例如引起根据本发明的阀系统能够适应于各个钻井孔的特定参数，从而能够防止不必要的事故。

根据本发明的阀系统的偏心工作筒优选地可以包括其它井下工具、测量设备和/或装置，这依赖于需要执行怎样的操作以及油井和/或气井的特定的特征。

细长的管件部的横向偏离的偏心孔和大致全开的主孔之间的内壁可以设置多个贯通开口（注射节流孔、出口），开口的数量依赖于钻井的特征、被注射到钻井的管柱中的哪种介质等。此外，开口还可以设置为相对于偏心工作筒的纵向轴线斜切或成角度，或者形成为在注射介质进入生产管柱之前提供旋转力，以优化生产流体的激励作用。此外，至少一个可更换的套筒还可以设置在所述细长的管体的主孔或偏离的侧腔的外侧或内侧上，所述至少一个套筒通过调节可以控制开口的“打开”。至少一个套筒可以设置为围绕孔旋转或沿孔的长度方向滑动。

开口的打开或关闭可以是液控或电控，或通过注射流体中的压力脉冲或压力波动控制。特定的工具还可以用于机械地控制出口的调节。然后，特定的工具进入钻井中。

为了能够控制生产管柱中的气体和/或化学品的注射，偏心工作筒和套筒可以设置为电控操作、液控操作或通过远程控制操作。但是，在本发明的优选实施方式中，偏心工作筒和套筒均采用液控操作。当然，也可以将偏心工作筒设置为液控操作，而旋转的套筒例如可以设置为电控操作。相同的，第二可回收的“流体屏障”的可调节的节流孔也可以设置为可控的。

在本发明的一种优选实施方式中，所述至少一个可旋转或可滑动的套筒在其表面上设置有至少一个贯通槽。这将给操作者带来控制来自偏心工作筒的气体和/或化学品注射进生产管柱的可能性，因为套筒能够围绕生产管柱的纵向轴线旋转或沿生产管柱的纵向轴线滑动，从而通过套筒上的槽调节在开口（注射节流孔、出口）的打开。套筒上的槽还可以形成为优化从阀进入生产管柱的注射流。在注射节流的情况下，套筒上的槽可以形成为斜切的或成角度的。

在本发明的一种优选实施方式中，阀系统的偏心工作设置具有测量装置，在钻井生产的激励过程中，生产参数会改变。在该操作的过程中会改变的典型的参数可以是压力、温度、气/油比、含水量等。通过执行这些测量，能够影响介质的注射，从而获得将注射介质到生产管柱的优选条件。另外的测量装置可以测量泄漏量、烃的组分等。

根据本发明的阀系统的偏心工作筒将容纳很多阀和/或其它井下装置，适于由几部分制成偏心工作筒。然后，每部分能够形成为容纳特定的“工具”，这会使偏心工作筒能够独立地适于每个钻井。每部分可以具有螺纹、快速连接件等，以彼此连接。

在不同的阀和/或井下装置在偏心工作筒的安装过程中，由于阀和/或装置是否安全地放进其端部止挡件内而经常存在一定程度的不确定性。因此，根据本发明的偏心工作筒可以设置定位装置，从而确保操作者能够接收到阀和/或装置适当地安装的信号。

附图说明

本发明的新颖特征和发明本身将从附图结合下面的说明最好地理解，其中，相同的参考数字表示相同的部件，其中：

图1是油井和/或气井的示意图，

图2表示根据本发明的优选实施方式的阀系统，以及

图3表示根据图2的阀系统的芯轴的放大的横截面视图。

具体实施方式

当本发明具有各种修改和可选择的形式时，具体实施方式通过示例的方式在附图中图示并且在此处将详细描述。附图不必是按照比例绘制的并且特定部分的比例被放大，以更好地说明本发明的特定的细节。

现在结合图1，图示的是本发明的实施方式，浮动结构1或海基结构或陆基结构（未图示）通过生产管柱3连接于油井和/或气井2。浮动结构1和海基结构或陆基结构可以是生产设施和/或储存设施。在该实施方式中，根据本发明的阀系统被用作人工举升系统。

为了增加油井和/或气井2的产量，压力流体介质注射进位于油井和/或气井2的壳体5和生产管柱3之间的环形空间（环形区域）4中。沿生产管柱3设置有多个偏心工作筒6，偏心工作筒6以合适的方式连接于生产管柱3的管件。

图2表示根据本发明的阀系统，该阀系统包括偏心工作筒6，在该偏心工作筒6中设置有气举阀形式（参见图3）的至少两个阀100、101。每个阀100、101和其中一个阀100、101在偏心工作筒6中形成“流体屏障”。阀100、101设计为在钻井中的两种流体之间或两个位置之间以不同的给定压力打开，例如在钻井中穿过阀100、101或者以两个不同的位置位于彼此上方地相对设置，这种不同的压力会在不同的阀100、101之间改变。另外，如果在环形空间4中的压力流体达到特定的极限值时，然后阀100、101将打开并且将允许压力流体流动通过阀100、101并流入生产管柱3。

流体介质可以是气体、液体、处理过的钻井流体或者甚至是来自储层的钻井流体的一部分，并且能够在偏心工作筒6（即从钻井）附近的位置获取或者从远离偏心工作筒6的浮动结构1（或其它海基结构或者陆基结构，未图示）中增加。

沿生产管柱3应该设置多少个偏心工作筒6以及它们应该具有哪些特征将依赖于本领域或者每个特定钻井的需要。

图3表示为阀系统的偏心工作筒6的放大的横截面视图（图2中B指示的），其中可见偏心工作筒6包括细长的管体部7，该管体部7在其两端设置有连接件8（仅标记）。连接件8在管体部7的内侧（或外侧）具有螺纹部，使得管体部7能够连接于钻井管柱，例如生产管柱3。管体部7设置有贯通的大致全开的主孔9和横向偏离的偏心孔10。当偏心工作筒6连接于生产管柱3时，主孔9将与生产管柱3的孔对齐。

然后，管体部7将具有两个流动路径，并且大致全开的主孔9与横向偏离的偏心孔10通过内壁11（也参见图3）分开。

横向偏离的偏心孔10形成为容纳至少两个“流体屏障”元件，例如以气举阀100、101和/或其它设备或工具（未图示）的形式。措辞“流体屏障”应该被理解为防止流体介质在至少一个方向流过的元件。这将在偏心工作筒6内提供双屏障。如果例如在横向偏离的偏心孔10中，其中一个阀100、101由于不同的原因必须维护、更换或校正时，为了回收阀100、101，反冲式工具会下放到生产管柱3中。然后，至少一个安装开口（未图示）设置在偏心工作筒6的内壁11上。当阀100、101通过反冲式工具移除时，在偏心工作筒6中其它剩余的阀100、101将防止生产管柱3内的生产流体通过偏心工作筒6流出生产管柱3，并且防止流入生产管柱3和钻井的壳体5之间的环形空间4中。

横向偏离的偏心孔10在其内侧设置有用于阀100、101和/或其它设备的至少两个起落容纳部15，使得阀100、101和/或其他设备（未图示）能够固定在起落容纳部15中。起落容纳部15设置有至少一组密封件14。当阀100、101和/或其它设备插入起落容纳部15时，由于密封件14产生的压力，阀100、101和/或其它设备将在压力下保持。这也将在阀100、101和/或其它设备与起落容纳部15之间提供必要的密封。

阀系统的偏心工作筒6以使得阀100、101和/或其它设备在需要时不必拉出管柱的情况下可以更换的方式设计。这样的更换可以通过使特定的工具（未图示）下降并穿过生产管柱3的内部的操作来完成。所述特定的工具连接于细钢丝绳或金属线。特定的工具可以例如是反冲式工具等。

此外，偏心工作筒6设置有至少一个贯通开口（入口）12（仅标记），其中，所述至少一个贯通开口12设置在横向偏离的偏心孔10上。这将在横向偏离的偏心孔10的外侧和内侧之间提供连通。类似地，在横向偏离的偏心孔10中用于大致全开的主孔9的至少一个开口（出口）13（仅标记）（将是大致全开的主孔9的入口）设置在内壁11上，该内壁11将大致全开的主孔9和横向偏离的偏心孔10分开。这将在偏心工作筒6的外侧和内侧之间提供连通。

在图中，至少一个开口12设置在位于横向偏离的偏心孔10中的阀100的入口（未图示）附近，使得当环形空间的流体进入横向偏离的偏心孔10时，流体介质将导向进入第一阀100的入口内。然后，第一阀100将被认为是在偏心工作筒6中的主要流体屏障。当流体达到极限值（通过阀的压力设定而设置），阀100将打开并且允许流体介质流过阀100。然后，流体介质将到达设置在横向偏离的偏心孔10中的第二阀101，该阀101被认为是在偏心工作筒6中的次要流体屏障。该第二阀101可以具有与第一阀100相同的压力设定，但是优选地第二阀101将具有较低压力的极限值。因此，阀101将打开并且允许流体流过阀101并且通过横向偏离的偏心孔10的所述至少一个开口（出口）13流入管体部7的大致全开的主孔9。

此外，至少一个可更换的套筒（未图示）设置在主孔9的外侧或内侧或偏离的偏心孔10的外侧或内侧上，通过调节所述至少一个套筒能够控制开口12、13的“开启”。所述至少一个套筒可以设置为围绕孔9、10转动或沿孔9、10的长度方向滑动。

尽管本发明结合其优选实施方式进行了描述，在不脱离本发明的理念、精神和范围的情况下，对本领域技术人员显而易见的是可以对此处描述的优选实施方式做出各种修改。对本领域技术人员来说所有这样的相似的替换物和改变均视为在权利要求限定的本发明的精神、范围和主旨内。

Claims (11)

1.一种用于钻井孔的阀系统，该阀系统包括偏心工作筒（6），该偏心工作筒（6）包括细长的管体部（7），该细长的管体部（7）包括与钻井管柱（3）对齐的大致全开的主孔（9）和具有孔（10）的横向偏离的侧腔，所述大致全开的主孔（9）和所述横向偏离的偏心孔（10）通过内壁（11）分开，其特征在于，至少一个贯穿开口（12）设置在所述偏心工作筒（6）上并且导向至所述偏心孔（10）内，并且至少一个贯穿开口（13）设置在所述内壁（11）上并且导向至所述主孔（9）内，所述至少两个开口（12，13）通过所述偏心孔（10）流体连通，其中偏心孔（10）的至少两个阀（100，101）成列设置，以在所述主孔（9）和所述偏心工作筒（6）的外侧之间形成双流体屏障，所述至少两个阀（100，101）通过设置在所述偏心工作筒（6）的所述内壁（11）上的至少一个安装开口可单独回收。

2.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，所述阀（100，101）选自包括流量控制装置、气举装置、化学品注射装置等的一组装置。

3.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，所述至少两个阀（100，101）设置在所述偏心孔（10）内，所述阀（100，101）彼此直接连接或通过所述偏心孔（10）间接流体连通。

4.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，一个阀（100，101）设置有至少一个恒定的节流孔。

5.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，一个阀（100，101）设置有至少一个可调节的节流孔。

6.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，所述阀（100，101）设置为以相同的压力打开或关闭。

7.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，所述阀（100，101）设置为以不同的压力打开或关闭。

8.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，所述偏心工作筒（6）还包括测量装置。

9.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，所述偏心孔（10）设置有至少两组锁定凸缘或者锁定夹具（15）。

10.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，至少一个套筒设置在所述偏心工作筒（6）的外侧或内侧上，所述可旋转的套筒设置为覆盖所述横向偏离的偏心孔（10）或内壁（11）的所述至少一个贯通开口。

11.根据权利要求1或10所述的阀系统，其特征在于，所述可旋转的套筒设置有至少一个贯通槽。

Images