CN103261578A - 岩石锚定件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将管状件固定在裸眼井中的地层固定设备，该地层固定设备包括管状部件、固定单元和流体通道。此外，本发明还涉及一种用于将包括第一端和第二端的套管固定在裸眼井中的井下固定系统，以及一种将管状部件永久地固定在裸眼井中的方法和一种根据本发明的地层固定设备的用于将管状部件固定在裸眼井中的用途。

Description

岩石锚定件

技术领域

本发明涉及一种用于将管状件固定在裸眼井中的地层固定设备。此外，本发明还涉及一种用于将包括第一端和第二端的套管固定在裸眼井中的井下固定系统，以及一种将管状部件永久地固定在裸眼井中的方法和一种根据本发明的地层固定设备的用于将管状部件固定在裸眼井中的用途。

背景技术

以多种方式来实现完井作业：一些制成为裸眼完井，一些为套管完井。在套管完井中，套管经常被粘合在井眼中。该过程是缓慢的并且在井表面处需要使用起来非常昂贵的钻井设备。期望能够尽快地将套管插入并固定在裸眼井中。以降低与租赁昂贵的钻井设备相关的成本。

在WO09/120759中公开了一种粘合套管的替代方案，在该专利中描述了一种组合的“井眼锚定件和隔离系统”，其包括可以被附接到工具钻柱并被下降到井中的管状件。该管状件设置有锚定系统，该锚定系统包括通过从内部施加液压压力而沿径向延伸的伸缩活塞。各伸缩活塞由三个可相对于彼此移动的环组成。在该管状件的外侧上设置有隔离元件，从而当该隔离元件与井眼的壁接合时创建一隔离区域。

当已将套管定位在裸眼井中时，某些情况下重要的是不移动该套管且保持其准确位置。当使用环形障碍物来密封井眼的部段时，这尤其重要。如果套管随着环形障碍物的布置而被移动的话，则环形障碍物的密封性能可被减弱。环形障碍物的布置自身可导致套管在井中移动。

发明内容

本发明的目的是全部地或部分地克服现有技术中的上述缺点和缺陷。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的用于将套管固定在裸眼井井下的地层固定设备、系统和方法。

通过根据本发明的解决方案将实现从以下的说明中变得明显的上述目的以及多个其他目的、优点和特征，该解决方案在于提供一种用于将管状件固定在裸眼井中的永久地层固定设备，所述地层固定设备包括：

-沿轴向延伸的管状部件，所述管状部件具有外表面和中空内部，

-固定单元，其设置在所述管状部件的外表面上，所述固定单元具有能够相对于彼此沿轴向移动的第一端和第二端，以及

-流体通道，其从所述中空内部延伸至所述固定单元的其中一个端部；

其中，当从内部向所述管状部件加压时，所述固定单元的至少一个端部被移动，从而迫使所述固定单元沿径向相对于所述管状部件突出，从而使所述固定单元进入突出位置。

这样的优点在于，可以在油井或气井的构建期间，仅通过例如借助于钻杆从内部向套管加压就可以将套管快速地固定在裸眼井中。这减少了完成井所需的时间，并由此减少了需要昂贵的钻井设备的天数。此外，可以将套管固定在井眼中，并且基本上同时地、作为相同的作业程序的一部分地布置环形障碍物。

在本发明的一个实施例中，所述固定单元可包括用于将所述固定单元永久地锁定在所述突出位置中的锁定机构。

这样的优点在于，当管状部件不再受压时，固定单元不会塌陷。

此外，所述固定单元可包括带槽衬套，所述带槽衬套具有多个连接所述第一端和所述第二端的构件，当所述固定单元的端部朝向彼此移动时，所述构件沿径向相对于所述管状部件突出。

这产生了带有多个与地层接合的构件的简单可靠的结构。

所述带槽衬套可包围所述管状部件。

此外，各所述构件可具有弯曲启动器，诸如横向槽或折痕，所述弯曲启动器设置在各所述构件的沿轴向的大致中间部位。

通过具有弯曲启动器，所述构件的弯曲点可被控制并且启动弯曲，由此减小了启动弯曲所使用的力的大小。

此外，所述固定单元可包括两个枢转地连接的构件。

另外，所述固定单元可设置在所述管状部件的凹部中。

这样的优点在于，固定单元与套管的组合使用不会影响套管的外径。

此外，所述固定单元可设置在管状部件的外侧上。

另外，所述固定单元可与所述管状部件的外表面连接。

此外，所述固定单元可部分地设置在所述管状部件内部，并且延伸穿过所述外表面中的槽。

在一个实施例中，所述固定单元的其中一个端部可构成包括一如下的表面的活塞部件：该表面适于接收由包含在所述管状部件的中空内部中的加压介质所引起的力。

在另一实施例中，所述固定单元的两个端部均构成包括一如下的表面的活塞部件：该表面适于接收由包含在所述管状部件的中空内部中的加压介质所引起的力。

此外，所述固定单元的其中一个端部可相对于所述管状部件被固定。

另外，所述固定单元的两个端部能够相对于所述管状部件移动。

这可以减小所述设备在固定单元致动期间的轴向移动距离，并有利于所述固定单元与所述地层的接合。

在一个实施例中，所述地层固定设备可包括多个固定单元。

所述多个固定单元可围绕所述管状部件的周缘分布。

此外，所述多个固定单元可沿着所述管状部件的轴向分布。由此，所述地层固定设备在井眼内部对齐。

此外，所述多个活塞部件可围绕所述管状件的周缘分布。

另外，所述多个活塞部件可移动所述固定单元、例如带槽衬套的一端。

此外，沿着所述管状部件的轴向分布的多个固定单元可围绕所述管状部件的周缘相对于彼此移位。

另外，所述多个固定单元可沿轴向并围绕所述管状部件的周缘均匀地分布。

本发明还涉及一种用于将包括第一端和第二端的套管固定在裸眼井中的井下固定系统，所述固定系统包括：

-上述的地层固定设备，

-与所述地层固定设备的管状件连接的套管，

-一个或多个环形障碍物，所述环形障碍物包括管状部件和周围的可膨胀套筒，以及

-压力产生设备，其与所述地层固定设备的管状部件的中空内部流体连通。

在一个实施例中，所述压力产生设备可以是井下工具，其适用于被设置成与所述流体通道流体连通。

此外，所述压力产生设备可以是定位在井眼外部的泵。

此外，所述压力产生设备可以与所述钻杆的一端连接，所述钻杆的另一端可以与连接单元连接，该连接单元可与所述套管的第一端密封地连接，所述套管的第二端被密封。

另外，可以围绕钻杆在所述流体通道的相对侧上设置密封装置，如封隔器，由此可对所述套管的限定部段加压。

此外，本发明涉及一种将管状部件永久地固定在裸眼井中的方法，所述方法包括如下步骤：

-将上述的永久地层固定设备与一个或多个套管元件连接，

-将所述地层固定设备定位在裸眼井中的预定位置处，以及

-通过向所述固定单元的其中一个端部施加液压压力来致动所述固定单元，由此使所述固定单元与井眼的侧部接合。

最后，本发明涉及一种如上所述的地层固定设备的用于将管状部件固定在裸眼井中的用途。

附图说明

以下将参考示意附图详细地说明本发明及其许多优点，这些示意附图为了说明的目的示出一些非限制性的实施例，其中：

图1a示出根据本发明的处于非设定状态下的地层固定设备的视图，

图1b示出图1a中示出的地层固定设备的处于设定状态下的视图，

图2a示出包括带槽衬套的地层固定设备的一个实施例，

图2b示出图2a所示的地层固定设备的沿剖面线a-a的剖面图，

图2c示出具有弯曲启动器的构件的视图，

图3示出在图2a中示出的实施例处于设定状态下的视图，

图4示出处于中间位置的固定单元的一个实施例的视图，

图5a示出锁定机构的视图，

图5b示出锁定机构的又一实施例，

图6示出带有设置在管状部件的凹部中的固定单元的永久地层固定设备的替代实施例，

图7a示出带有永久地层固定设备的裸眼井的示意图，其中该地层固定设备设置成与其他套管元件和布置在井中的压力产生设备连接，以及

图7b示出了带有布置在井中的替代压力产生设备的裸眼井的示意图。

所有的附图都是高度示意的，并不一定按比例绘制，并且他们仅示出为解释本发明所必需的那些部分，其他部分被省略或仅被提及。

具体实施方式

图1a和图1b示出了用于定位在裸眼井中的地层固定设备1。图1a示出了处于松弛位置中的未设定状态下的地层固定设备1，然而图1b示出了处于被致动位置中的地层固定设备。在图1a和图1b中，地层固定设备1包括具有中空内部29的管状部件10。管状部件10沿轴向延伸且具有限定地层固定设备1的周缘的外表面11。地层固定设备1还包括固定单元20，该固定单元20能够沿管状部件的径向突出从而用于通过从管状件内部加压而将地层固定设备固定在井眼中，由此使固定单元20刺入地层。

当地层固定设备1处于松弛位置中时，固定单元20能够被致动，由此使固定单元20沿径向相对于管状部件10突出。当固定单元20突出使得固定单元被固定或锚定在井眼的壁（即，地层）中时，地层固定设备1被称为处于如图1b所示的被致动或设定状态。

各固定单元20包括第一端21和第二端22，当管状部件从内部被加压时，第一端21和第二端22可沿管状部件10的轴向相对于彼此移动。在地层固定设备1的致动期间，通过使第一端21朝向相对于管状部件10被固定的第二端22移动距离“d”而使固定单元20突出。作为图1a和图1b所示的实施例的替代方案，第二端22也可朝向第一端21移动，或者两端均可朝向彼此移动。

在图2a中，固定单元20示出为包括包围管状部件10的带槽衬套26。带槽衬套26具有第一端21和第二端22。带槽衬套26包括多个槽25，所述槽25形成连接第一端21和第二端22的构件23。

如图2b和2c所示，各构件23具有弯曲启动器24。弯曲启动器24设置在各构件23的大致中间部位，但也可可选地沿着构件23的长度设置在其他位置。在图2c中，弯曲启动器24是凹口，但也可以是槽或折痕或任何其他适当的用于启动和/或控制构件23的弯曲的启动器。通过具有弯曲启动器24，构件23的弯曲被控制为在弯曲启动器的位置处发生，并且明显减小了启动弯曲所需的力。

在图3中，当地层固定设备1处于设定或被致动状态下时，带槽衬套26的构件23示出为处于其弯曲和突出位置。通过使第一端21朝向第二端22移动距离“d”而使构件23突出，由此在构件中诱发力并且启动各构件的弯曲，并从而使固定单元20突出。代替地，通过使第二端22朝向第一端21移动或者通过使两端21、22朝向彼此移动而使构件23突出。

管状部件10沿地层固定设备1的整个长度延伸，如图2a的轴向虚线所示。地层固定设备1是中空的，并因此具有沿着轴向方向从一端延伸到另一端的中空腔。在图2a和3中，管状部件10示出为具有围绕管状部件10的周缘延伸的突出部27。邻近固定单元20的第一端21的突出部27具有中空内部28，固定单元20的第一端21延伸到该中空内部28中。在图4中示出了具有中空内部28的突出部27的原理图。设置在突出部27的中空内部28中的第一端21形成为活塞部件30，该活塞部件30在部分起活塞壳体作用的中空内部28中活动。第二端22固定在由另一突出部27中的边缘14形成的凹部中，与图6中所示的视图类似。或者，第二端22可以通过焊接或技术人员认为适当的任何其他方式固定到管状部件10上。

突出部27的内部28（固定单元20的第一端21的活塞部件30设置在该中空部28中）构成了管状部件10的中空内部29与第一端21的活塞部件30之间的流体通道28。当通过给管状部件10的内部中的流体加压而致动地层固定设备1时，流体被推过流体通道28，由此向活塞部件30的表面40施力。该力被引导到构件23上，由此迫使构件23突出并且当构件压靠且部分进入到井眼的壁中时，固定单元20进入设定位置。

图4示出了包括两个枢转地连接的构件31的固定单元20。各构件31b的一端枢转地固定到管状部件10的表面11，各构件31a的另一端枢转地连接到活塞部件30。当活塞部件30朝向内部28的表面41移动时，构件31a和31b之间的角度减小，并且固定单元20沿径向突出。

图5a和图5b示出了固定单元20的第一端21的细节。第一端21定位在突出部27的内部28中，并且在第一端21和内部28的内表面之间于活塞部件30的外表面中的槽中设置有密封件42。密封件42创建流体密封连接，并且防止在从内部对管件加压时中空内部29中的流体流到地层固定设备1周围的环形空间中，并且防止在管状部件不再被加压时地层流体流入到管状部件10中。在如图1a和1b所示的解决方案中，各密封件设置在活塞部件30上，在图2a至3的解决方案中，密封件设置为带槽衬套26的内表面和外表面上的周向密封件。

固定单元20还包括锁定机构50，当地层固定设备1已经被致动时，该锁定机构50用于将固定单元20固定在突出和设定位置中。图5a和图5b示出了锁定机构50的两个不同示例，这两个示例可与地层固定设备1的上述实施例中的任何一个连用。

图5a示出了一锁定机构50。管状部件10的外表面11是锯齿状的、螺纹状的或者带齿的，由此形成多个突起51和中间槽。突起51构造为用于与定位在活塞部件30上的齿状物52接合。随着活塞部件30朝向表面41移动，齿状物52从与一个突起51接合转变为与随后的突起51接合，直到固定单元20已经到达其设定位置。

如图5b示出的锁定机构50在活塞部件30中包括多个凹部54。设置在管状部件10的凹部中的弹簧加载的突起53被推入与活塞部件30的凹部54接合。随着活塞部件30朝向表面41移动，弹簧加载的突起53从与活塞部件30上的一个凹部54接合转变为与随后的凹部接合。

在如图1a和1b所示的解决方案中，各活塞部件30包括一锁定机构50，在图2a至3所示的解决方案中，锁定机构包括围绕着管状部件10的周缘而设置的若干个弹簧加载的突起53，所述弹簧加载的突起与带槽衬套26的内表面上的周向凹部54连接。

对于本领域的技术人员而言明显的是，这种锁定机构50可以被设计为多种其他方式，如机械锁定机构、电子机械锁定机构等。

在如图1a和图1b所示的解决方案中，固定单元20设置在如图6所示的管状部件10的凹部12中。固定单元20的第一端21形成为活塞部件30，且被设置在管状部件10与管状部件10的内壁13之间。第二端22通过形成凹部的边缘14被固定。或者，第二端22可通过例如焊接的方式固定到管状部件10上。仍参考图6，在固定单元20的外侧和内侧上示出了多个弯曲启动器24。如上所述，弯曲启动器24设置在固定单元20的大致中间部位，但是也可以邻近固定单元20的端部21、22。弯曲启动器24形成为凹口、但也可以是槽或者折痕。通过具有弯曲启动器24，构件23的弯曲被控制为在弯曲启动器24的位置处发生，且显著地减小了启动弯曲所需的力。

对于本领域的技术人员而言明显的是，结合上述的实施例可设想若干其他的解决方案。例如，枢转地安装的活塞部件30可以与带槽衬套26结合使用。如图4所示的解决方案中的活塞部件30也可以与构件31a一体地形成。此外，不论固定单元是否包括带槽衬套26或者连结的构件31a、31b，固定单元20均可设置在管状部件10中的凹部中或者设置在管状部件10的与突出部27连接的外侧上。固定单元20也可以构造为具有两个可相对于管状部件10移动的端部21、22。

已经说明了结构特征，以下将进一步详细说明功能和用途。

从例如如图2a所示的非设定状态开始，通过在管状部件10的中空内部29中加压来致动地层固定设备1。可以通过注入流体（诸如，存在于油井或气井井下的流体、钻探流体或者从井眼表面供给的任何其他流体）来给中空内部29加压。当流体被注入和被加压时，其流入到流体通道28中，并在固定单元20的表面40上施力。施加在活塞部件30上的力的大小取决于表面40的表面积和地层固定设备1内部的流体压力。为了使固定单元20突出，施加在表面40上的力必须超过由地层固定设备1周围的环形空间70中的地层压力施加在固定单元20上的力。施加在表面40上的力也必须足以使构件23、31a、31b刺入地层。

在图5a中，被加压的流体使得活塞部件30远离其起始位置朝向内部28的表面41移动。由于锁定机构50防止向后的移动，因此活塞部件30仅能沿一个方向移动。随着活塞部件30移动，固定单元20逐渐地径向突出。当固定单元20撞击到井眼的壁或地层时，该固定单元20将逐渐挖入地层中，并且锚定地层固定设备1。取决于地层的特性，固定单元20将或深或浅地挖入地层中。当由例如地层沙体或岩石施加在固定单元20上的力超过由地层固定设备1内部的被加压流体所施加的力时，固定单元20停止突出。或者，当活塞部件30抵接表面41时，所述突出停止。

地层固定设备1可单独使用或与待固定到裸眼井眼中的设备或结构组合使用。现参考图7a，地层固定设备1与套管组件80或套管钻柱中的套管元件64和一个或多个环形障碍物63组合使用。套管元件64、环形障碍物63和一个或多个地层固定设备1例如通过旋拧而被在表面处组装到套管钻柱中，并被降入井眼中。当地层固定设备1与环形障碍物63组合使用时，地层固定设备1定位成恰好靠近环形障碍物。这样做确保了以最好的可能方式通过地层固定设备1使环形障碍物63在井眼中的位置固定。当固定衬套悬挂器时，也可以使用地层固定设备。

当一个或多个地层固定设备1处于期望位置时，地层固定设备1被致动以将套管组件80固定在井眼中。当被致动时，一个或多个地层固定设备1的固定单元20沿径向突出并且与井眼的壁接合。根据围绕井眼的地层的物质组成，固定单元20刺入壁的程度改变。以此，固定单元20将地层固定设备1以及所附接的套管元件64固定在井眼中。除了固定套管之外，地层固定设备1还有助于套管元件6在井眼中的定中心。

通过以多种方式注入流体可致动一个或多个地层固定设备1。可以在套管组件80的包括一个或多个流体通道28的限定部段内局部地注入流体。可以通过将带有周向封隔器的钻杆60下降到套管组件80中并将封隔器61定位在一个或多个流体通道28的相对侧上来进行局部注入。通过经由钻杆60将流体注入到封隔器61之间的中空内部29中，固定设备1被加压和致动。或者，局部注入可通过包括泵的井下工具完成。这种工具可被降到套管组件80中，并且直接连接到流体通道28。该井下工具可注入已存在于井中的流体或者由工具带入到流体通道28中的流体。

作为局部注入的替代方案，如图7b所示，可以向整个套管组件80加压。在该实施例中，套管组件80在一端被密封。套管组件80的另一端经由在钻杆60与套管组件80之间创建密封的连接单元连接到钻杆60。然后通过向整个套管组件80中注入流体来致动一个或多个地层固定设备1。这种流体注入还可被用于同时致动环形障碍物63，并由此使障碍物的可膨胀套筒膨胀。

地层固定设备1可以是永久固定设备。“永久”意味着在不破坏地层固定设备1的功能的情况下固定单元20不能被撤回。因此，地层固定设备1在已被致动或首次设定之后不能被重新使用。当地层固定设备1已被致动并且固定单元20已挖入地层中时，该固定单元锁定在设定位置。当固定单元20已被设定并且地层固定设备1处于被致动状态时，不必维持地层固定设备中的压力。地层固定设备1被永久地锁定在被致动位置。

流体或井流体是指任意类型的可存在于油井或气井井下的流体，诸如天然气、油、油基泥浆、原油、水等。套管是指用在井下的与油或天然气生产有关的任意类型的管、管道、管状件、衬套、筒体等。

虽然以上已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域的技术人员而言明显的是，在不脱离由下述权利要求所限定的本发明的情况下可以设想进行若干修改。

Claims (16)

1.一种用于将管状件固定在裸眼井中的地层固定设备（1），所述地层固定设备（1）包括：

-沿轴向延伸的管状部件（10），所述管状部件（10）具有外表面（11）和中空内部（29），

-固定单元（20），其设置在所述管状部件（10）的所述外表面（11）上，所述固定单元具有能够沿轴向相对于彼此移动的第一端（21）和第二端（22），以及

-流体通道（28），其从所述中空内部延伸至所述固定单元的其中一个端部（21，22）；

其中，当从内部向所述管状部件加压时，所述固定单元的至少一个所述端部（21，22）被移动，从而迫使所述固定单元沿径向相对于所述管状部件突出，从而使所述固定单元进入突出位置。

2.根据权利要求1所述的地层固定设备，其特征在于，所述固定单元包括用于将所述固定单元永久地锁定在所述突出位置中的锁定机构（50）。

3.根据权利要求1或2所述的地层固定设备，其特征在于，所述固定单元包括带槽衬套（26），所述带槽衬套具有多个连接所述第一端和所述第二端的构件（23），当所述固定单元的所述端部朝向彼此移动时，所述构件沿径向相对于所述管状部件突出。

4.根据权利要求3所述的地层固定设备，其特征在于，所述带槽衬套包围所述管状部件。

5.根据权利要求3或4所述的地层固定设备，其特征在于，各所述构件具有弯曲启动器（24），诸如横向槽或折痕，所述弯曲启动器设置在各构件的沿轴向的大致中间部位。

6.根据权利要求1或2所述的地层固定设备，其特征在于，所述固定单元包括两个枢转地连接的构件（31）。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的地层固定设备，其特征在于，所述固定单元设置在所述管状部件的凹部中。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的地层固定设备，其特征在于，所述固定单元的其中一个端部构成包括一表面（40）的活塞部件（30），所述表面适于接收由包含在所述管状部件的中空内部中的加压介质所引起的力。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的地层固定设备，其特征在于，所述固定单元的两个端部均构成包括一表面的活塞部件，所述表面适于接收由包含在所述管状部件的中空内部中的加压介质所引起的力。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的地层固定设备，其特征在于，所述固定单元的两个端部均能够相对于所述管状部件移动。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的地层固定设备，其特征在于，所述固定设备包括多个固定单元。

12.一种用于将包括第一端和第二端的套管固定在裸眼井中的井下固定系统，所述固定系统包括：

-根据权利要求1至11中的任一项所述的地层固定设备，

-与所述地层固定设备的管状件连接的套管，

-一个或多个环形障碍物，所述环形障碍物包括管状部件和周围的可膨

胀套筒，以及

-压力产生设备，其与所述地层固定设备的管状部件的中空内部流体连通。

13.根据权利要求12所述的井下固定系统，其特征在于，所述压力产生设备是井下工具，所述井下工具适于被设置成与所述流体通道流体连通。

14.根据权利要求12所述的井下固定系统，其特征在于，所述压力产生设备是定位在井眼外部的泵。

15.一种将管状部件永久地固定在裸眼井中的方法，所述方法包括如下步骤：

-将根据权利要求1-11中的任一项所述的永久地层固定设备与一个或多个套管元件连接，

-将所述地层固定设备定位在裸眼井中的预定位置，以及

-通过向所述固定单元的其中一个端部施加液压压力来致动所述固定单元，由此使所述固定单元与井眼的侧部接合。

16.根据权利要求1至11中的任一项所述的地层固定设备的用于将管状部件固定在裸眼井中的用途。

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