CN104428487A - 多级井隔离 - Google Patents

Abstract

提供一种单元件液压裸井封隔器。提供一种钻井孔的多级隔离和流体处理方法，其中提供第一压裂阀工具和第二压裂阀工具，第一封隔器安装在第一压裂阀工具的下游，第二封隔器安装在第一压裂阀工具和第二压裂阀工具之间，第三封隔器安装在第二压裂阀工具的上游，第一、第二和第三封隔器中的至少一个是具有单封隔元件的液压坐封封隔器，第一压裂阀工具可在关闭位置和打开位置之间移动，第二压裂阀工具可在关闭位置和打开位置之间移动；使衬管到达钻井孔中；液压坐封单元件封隔器；将用于移动第一压裂阀工具的部件运至打开位置；以及通过第一压裂滑套工具挤出压裂液。

Description

多级井隔离

技术领域

本发明涉及用于多级水平井隔离的装置。

背景技术

油气井生产中的一个重要挑战是提取阻塞在地层中并且不易流动的碳氢化合物。在这种情况下，对该地层的处理或压裂是必须的，以将该地层破裂并且提供碳氢化合物到钻井孔的通道，碳氢化合物可从该通道引出到地面并且产出。

传统上，通过水平钻井孔来压裂地层涉及将压裂液经由钻井孔的套管井部分或裸井部分注入到该地层，以将该地层压裂并且从此处产出碳氢化合物。

在许多情况下，希望将该地层的多个部分同时或分级压裂。用于地层的多级压裂的管柱通常包括由一个或多个封隔器分开的一个或多个压裂工具。

在一些情况下，压裂系统部署在套管钻井孔中，在此情况下，套管中设置有孔眼，以允许压裂液穿过压裂工具和有孔套管，以激发到地层之外。在其他情况下，面临的是在无套管的裸井中进行压裂。在多级裸井压裂的情况下，有效地隔离地层的各部分通常是一个挑战。这是由于裸井钻孔的内表面不均匀及封隔器的封隔元件与该表面之间难以进行充分密封接触。

在本技术领域中现有的封隔器，包括可膨胀封隔器，其包括能与钻井孔中的碳氢化合物或水反应并引起膨胀的物质。可膨胀封隔器依赖于该可膨胀物质充分暴露于触发膨胀的钻井孔流体。使用这种可膨胀封隔器，完全封隔要压裂的各部分的处理可能需要几天至几周。用燃气或空气使封隔元件膨胀来驱动的膨胀型封隔器在本技术领域中也是已知的。

液压型封隔器通常被定义为封隔元件可以被来自钻井孔流体的液压驱动的封隔器。液压型封隔器已经用在一些裸井情况中，然而，液压型封隔器通常要求每个封隔器需要多个封隔元件，以提供与裸井的内钻井孔表面充分接触，并且提供用于多级封隔的适当隔离。

因此，在本技术领域中需要结构简单、尺寸小并且在裸井钻井孔中封隔有效的封隔器。

发明内容

一方面，提供一种单元件液压裸井封隔器。第二方面，提供一种单元件液压裸井封隔器，包括组装在裸井封隔器的芯轴上的棘轮套环。

还提供一种用于钻井孔的多级隔离和流体处理的方法，该方法包括：提供用于钻井孔处理的设备，该设备包括衬管、第一压裂阀工具、沿着该衬管在该第一压裂阀工具上游的第二压裂阀工具、用于将该衬管周围密封并且在该第一压裂阀工具下游安装在该衬管上的第一封隔器、用于将该衬管周围密封并且在该第一压裂阀工具和该第二压裂阀工具之间安装在该衬管上的第二封隔器、用于将该衬管周围密封并且在该第二压裂阀工具上游安装在该衬管上的第三封隔器，所述第一、第二和第三封隔器中的至少一个是液压坐封封隔器，并且所述第一、第二和第三封隔器中的至少一个具有单封隔元件，该第一压裂阀工具可在关闭位置和允许流体流过该第一压裂阀工具的打开位置之间移动，该第二压裂阀工具可在关闭位置和允许流体流过该第二压裂阀工具的打开位置之间移动；使该衬管到达钻井孔中的用于处理该钻井孔的期望位置；液压坐封该单元件封隔器；将用于移动该第一压裂阀工具的部件运至该打开位置；以及通过该第一压裂滑套工具挤出压裂液。

附图说明

图1是配备有本发明的工具的水平井的示意图；

图2是本发明的裸井封隔器300在不同使用阶段的一个例子的截面图；以及

图3是在一个井中钻出的两个水平井的示意图。

具体实施方式

提供了一种封隔工具，其通过在安装期间提供增强的安全性，减少装配时间及更大的可靠性来改进隔离工具。

通过结合纤细的外径和短的长度，本封隔工具消除了对处理短节的需要，从而降低衬管的刚性。这些特征允许将更柔性、外径更小的工具管柱更容易地部署在钻井孔中。

更优选地，本封隔器是裸井封隔器，能够利用对应的压裂工具将其沿着衬管部署，并且部署在钻井孔的裸井部分中。本封隔器提供用于隔离水平钻井孔的各级的部件。一旦被隔离，就可从地面泵入压裂液，并且通过各种压裂工具将其用于压裂地层的各部分。

参考图1，在优选的部署方法中，本封隔器可以部署在管柱上，该管柱还包括在衬管的底端的浮鞋或导向器50、离开浮鞋50预定距离处的驱动工具100、第一级压裂阀工具200，然后是包括本裸井封隔器300与后一级压裂阀工具400交替的系列，直到最后的套管井封隔器500。本领域的技术人员应当理解，图1仅描述了管状压裂工具管柱的一个例子，并且在不偏离本发明的范围的情况下可以对所示出的工具管柱及其部件进行添加、省略和替换。

图2中在未坐封位置(a)和坐封位置(b)示出了裸井封隔器300。本裸井封隔器300具有单封隔元件328，其与其他裸井封隔器的区别在于典型地具有双元件并且需要多个活塞，以产生足够的力将这些元件封隔。单调步元件328和单坐封活塞302允许本裸井封隔器300保持其短的长度而并不需要在任一端上操作用的短节。

本裸井封隔器300比通常的封隔器更短，并且外径也更纤细，提供了更容易的部署和更好的工具管柱柔性。通过消除短节，降低了安装期间钻台上的安全问题。

本裸井封隔器300可以用手举起，并且可用手螺装在衬管上，该衬管通常在钻台上被夹紧，然后通常在升降机或类似装置中被抓牢的上管线部可下降到裸井封隔器300上，并且封隔器300的一体式允许扭矩从上衬管部经由裸井封隔器300施加到衬管中，以组装成衬管柱。

本裸井封隔器300包括至少部分由坐封活塞302和单封隔元件328围绕的芯轴体308。坐封活塞302包括第一直径和第二直径，分别为D1和D2。当D1暴露于钻井孔流体并且经受钻井孔压力时，D2暴露于来自衬管内的流体压力。这些压力差与这些直接差的乘积定义了将坐封活塞302移位及将裸井封隔器300从未坐封位置(a)移动到坐封位置(b)所需的力。坐封活塞302和芯轴体308之间的一对封口312引导从未坐封到坐封的移动。

棘轮套环304位于芯轴体308和坐封活塞302之间，用于防止活塞302从坐封位置后退，从而确保一旦坐封，封隔元件328就保持在坐封位置。坐封活塞302上棘轮套环304和密封构件312二者不是具有各自的行程长度，裸井封隔器300的新颖设计是将两个行程结合为一个行程。

在本裸井封隔器300中，棘轮套环304优选由具有内表面棘轮外形和外表面棘轮外形的开口环构成。优选地，内表面棘轮外形比外表面棘轮外形更精细。

棘轮套环304首先组装在芯轴308上，芯轴308的外表面的至少一部分具有与棘轮套环304的内表面棘轮外形配合的棘轮外形。优选地，棘轮套环304组装在安装于芯轴308上的一个或多个弹簧销306之上，以控制棘轮机构304的位置和对准。然后将形成在坐封活塞302的内表面上的锁定体螺纹310安装在棘轮套环304之上。优选地，锁定体螺纹310与棘轮套环304的外表面棘轮外形配合。

典型的封隔器具有安装在活塞的锁定螺纹中的棘轮套环。该锁定体螺纹通常具有安装于此的弹簧销，以控制棘轮套环相对于活塞302的位置和对准。然后具有棘轮套环的该活塞必须被安装在芯轴体上。本发明与此不同之处在于，作为组装的第一阶段，棘轮套环304直接安装在芯轴308上。

芯轴308上的O形环凸区320具有比芯轴308的棘轮外形的直径大的直径。为了组装该工具，在安装坐封活塞302之前，首先将棘轮套环304置于芯轴308上。在本配置中，将坐封活塞302和棘轮套环304的坐封行程二者结合为一个行程，从而允许裸井封隔器300的长度更短。

如果必须首先将棘轮套环304和坐封活塞302安装到坐封活塞302中，则需要减小O行环凸区320的直径，进而使坐封活塞302的坐封面积减小。如果O形环凸区320被减小，则需要棘轮套环304的独立行程和坐封凸轮302的独立行程，这进而必须增加裸井封隔器300的长度。

棘轮套环304的内表面棘轮外形的取向允许活塞302和棘轮套环304沿着芯轴体从未坐封位置行进到坐封位置，同时防止活塞302和棘轮套环304从坐封位置向未坐封方向滑动回来。棘轮套环304的外表面棘轮外形的取向允许活塞302在棘轮套环的外表面上滑动，并且在棘轮套环304上方安装在芯轴308上。一旦锁定体螺纹310与棘轮套环304的外表面棘轮外形配合，则当活塞302从未坐封位置向坐封位置移动时，这些配合外形将棘轮套环304锁定到活塞302。

棘轮套环304和坐封活塞302具有比芯轴308大的内径，从而能够使凸区320骑跨在芯轴308上，而不必将锁定体310从坐封活塞302上分开。

裸井封隔器300是等径孔道，没有内部芯轴限制。它具有与衬管相同的内径。裸井封隔器300模块化设计允许若干个封隔器300堆叠在一起，彼此之间的距离不同。如果钻孔例如从关注的地层出来并进入相邻的地层，然后再钻回到关注的地层，则通过将裸井封隔器300置于斜层的两端以有效地骑跨至不在关注地层中的钻孔部分，可以隔离在关注地层外部的钻孔部分。

优选地，本裸井封隔器300包括行程限制器330，其用于在裸井封隔器300坐封在钻孔的特大部分的情况下，防止坐封活塞302上的O形环封口312离开密封表面并打开泄露路径。

通过坐封活塞302从未坐封位置移动到坐封位置来驱动封隔元件328。坐封活塞302和芯轴308限定可扩张腔体332，加压流体流入该可扩张腔体332并且推动活塞直径表面D2，从而使腔体332扩张并且将坐封活塞302移动到坐封位置。坐封活塞302进而压迫封隔元件328，使封隔元件突出到钻井孔中，直到它与裸井壁密封接触，从而在封隔元件328的两侧分开并隔离钻井孔的部分。坐封活塞302保持在位并且防止通过棘轮套环304解除坐封。

封隔元件328由柔性材料的固体带构成，其厚度使得在未坐封位置时封隔元件328的外表面与坐封活塞302的外表面平齐。尽管本领域的技术人员应当理解，具有弹性和足够强度以使封隔器经受住钻井孔流体压力的柔性材料适合于本发明的目的，但是适合用于封隔元件的材料包括一定数量的氟碳化合物和全氟碳化合物，如AFLAS^TM、HNBR和Viton^TM。

在一优选实施例中，封隔元件328在其轴向中点处比其他任何位置都薄。更优选地，封隔元件328在轴向中点处在其内表面周围形成有预定宽度和深度的环向槽336，该槽336产生封隔元件328的较薄的中部。槽336确保封隔元件328从其轴向中点突出，从而提供与钻井孔的均匀接触和确实的密封。在更优选的实施例中，在芯轴308上设置封隔元件环334，封隔元件槽336安置在该封隔元件环334上。封隔元件环334填充在槽336的空隙中并且确保封隔元件328的中点在驱动时向外突出，并且不会向其内折回。

一个或多个密封挡圈314在驱动时将封隔元件328保持在位，并且挤压封隔元件328。更优选地，密封挡圈314在一端位于垫圈340和坐封活塞302之间，在第二端位于另一个垫圈340和下锥体318之间。

密封挡圈314优选被紧紧限制住，以防止它们在安装期间在芯轴308上来回动。这消除了松散的密封挡圈314在井中运行期间卡在物体上及潜在地引起衬管堵塞的可能性。

垫圈340优选的形状为允许坐封活塞302的一端沿着垫圈340的一个轮廓行进并楔入该轮廓中，同时允许密封挡圈314沿着坐封活塞302和垫圈340的另一个轮廓之间行进并且楔入其间。关于封隔元件328的第二端的下锥体318和密封挡圈314，出现类似的行进和楔入效果。这种楔入防止封隔元件328向内突出并且防止封隔元件在高压差下蠕动，及坐封期间帮助裸井封隔件300居中。

密封挡圈314和封隔元件328优选保持在密封装置316中。密封挡圈314和封隔元件328的容差累积产生密封装置316长度差，并且优选地通过邻近下锥体318的一般用322表示的调节机构补偿这些长度差。调节机构322更优选地包括具有与芯轴体308上的对应槽配合的一系列环向槽的开口环324。

开口环324的确切位置由可膨胀密封挡圈314和封隔元件328所需的实际密封装置316长度来确定。然后将盖326螺装在下锥体318、开口环324和芯轴体308上，以将调节机构322锁定在位并且固定密封装置长度。调节机构322确保密封挡圈314的紧装配，以防止它们来回动。作为选择，可以采用有螺纹的锥体与具有锁定环的盖结合。在该实施例中，该盖可以锚定到芯轴308，并且在该锥体和该盖之间进行调节。

裸井封隔器300坐封之后，本密封挡圈314和垫圈340的相互作用在封隔元件328周围产生壁垒。没有该壁垒，封隔元件328将不能在大内径钻孔中在高压力差下保持密封。该相互作用还有利地消除了裸井封隔器上多个封隔元件处理这种高压力差的需要。该单元件封隔器配置进而又减小了裸井封隔器300的必要长度，允许更容易地安装和部署。

成功部署包含密封挡圈314的该裸井封隔器300的可能性允许工具具有纤细的外径，并且仍能有效地密封衬管和钻井孔之间的环形空间。由于补偿密封装置316长度波动的补偿机构322，进而能够使用密封挡圈314。

在本裸井封隔器300的一个操作例子中，衬管可以组装有浮鞋50、驱动工具100、衬管、第一级压裂阀工具200，然后是包括衬管、本裸井封隔器300、衬管和后一级压裂阀工具400的系列。任选地，可以在驱动工具100和第一级压裂阀工具200之间使用裸井锚600，以将该衬管锚定到钻井孔。还可以使用居中器、稳定器或本领域中已知的其他适当装置代替裸井锚600用于此目的。

优选地，可以在例如与裸井封隔器300隔开的在衬管上成串地使用多达40个压裂阀400。套管井封隔器500装配到管线的上端。可以使用栓锁密封组件或者其他已知装置将套管井封隔器500连接到工作管柱。

该衬管通过工作管柱或者在压裂管柱上行进到调节好的钻孔。在预定的深度，驱动工具100被驱动以使流体停止流动。衬管中的压力现在从套管井封隔器500和裸井封隔器300二者开始坐封的触发压力增加到套管井封隔器500和裸井封隔器300充分坐封的最后封隔压力。在套管内可以任选地进行压力测试，以确定套管井封隔器500是否已经适当坐封。如果衬管在工作管柱上行进，则接下来从套管井封隔器500去除栓锁密封组件或者其他连接装置，并且从该井去除工作管柱和栓锁密封组件，并且部署压裂管柱和栓锁密封组件。否则，如果衬管在压裂管柱上向下打眼，则不必进行更换。

对压裂管柱进一步施加压力。在比封隔压力更高的预定坐封压力，第一级压裂阀工具200切换到打开位置，压裂液被泵入到地层中并使其破裂。然后将支撑剂泵入到裂缝中。接下来后续压裂阀工具从最靠近钻井孔的底部开始被驱动，从而打开衬管的内部与骑跨特定压裂阀400的两个裸井封隔器300之间的地层的隔离部之间的连通。

通过压裂阀400泵入的压裂液压裂用于隔离该级的裸井封隔器300之间的裸露的地层。当该级被压裂时，下一个压裂阀400被驱动，并且重复该过程。例如在衬管中该过程可以重复总共多达40次。其他尺寸的衬管具有不同数量的压裂阀工具400和裸井封隔器300。当所有期望的级都已经被压裂，则该井被允许流动并且来自地层流体流动的地层压力使压裂阀无效，并且允许地层流体流入衬管。之后，可以从该井中取出压裂管柱和连接装置。

在压裂阀工具400驱动的落球的情况下，如果需要，可以稍后钻取出压裂阀400的底座。

在操作者需要在裸井中坐封衬管的情况下，裸井锚600可以替换套管井封隔器500。如图15中所示，在一个井中钻出两个水平井时，都可以存在这种情况。液压坐封裸井锚600是等径孔道。它进而又与裸井封隔器300和回接连接座(未示出)结合，用作密封和锚定裸井中的衬管的装置。回接连接座提供用于部署衬管的装置，然后用作将压裂管柱密封并锚定到衬管的装置。

裸井锚600优选是没有芯轴限制的等径孔道，并且具有与衬管相同的内径。优选地，利用卡瓦将衬管锚定到地层。

优选地，在钻孔已近被钻探之后并且在衬管被安装之前，进行扩孔器启用。该扩孔器具有模拟衬管串上最硬部件几何的独特设计。该扩孔器具有一组刀片而不是多组刀片，其减小的外径和短长度，使其能够快速部署和取回，同时仍确保钻孔无阻碍地利用当前的压裂工具组使衬管行进。

在上述说明中，结合特定实施例描述了本发明；然而，在不偏离本发明的较宽精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变化，这是显而易见的。

Claims (24)

1.一种单元件液压裸井封隔器。

2.一种单元件液压裸井封隔器，其包括组装在所述裸井封隔器的芯轴上的棘轮套环。

3.根据权利要求2的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，在所述棘轮套环和芯轴的顶上组装有活塞。

4.根据权利要求3的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述活塞包括形成在坐封活塞的至少一部分的内表面上的一体的锁定体螺纹。

5.根据权利要求4的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述棘轮套环包括与设置在芯轴的外表面的至少一部分上的棘轮外形配合的内表面棘轮外形，及进一步包括与所述活塞的锁定体螺纹配合的外表面棘轮外形。

6.根据权利要求5的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述内表面棘轮外形的取向允许活塞和棘轮套环沿着芯轴体从封隔器未坐封位置移动到封隔器坐封位置，及防止从封隔器坐封位置移回至封隔器未坐封位置。

7.根据权利要求5的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述外表面棘轮外形的取向允许将活塞组装在棘轮套环的外表面之上，并且用于在活塞和棘轮套环从封隔器未坐封位置移动到封隔器坐封位置期间将棘轮套环锁定到活塞。

8.根据权利要求2的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述棘轮套环组装到芯轴，位于安装于芯轴的一个或多个弹簧销之上。

9.一种单元件液压裸井封隔器，包括邻近单元件的一个或多个密封挡圈。

10.根据权利要求9的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述一个或多个密封挡圈包括两个密封挡圈，其中一个位于单元件封隔器的一侧，另外一个位于单元件封隔器的另一侧，用于在驱动中抵靠封隔元件。

11.根据权利要求10的单元件液压裸井封隔器，还包括垫圈，位于每个密封挡圈和封隔元件之间。

12.根据权利要求11的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，，所述密封挡圈在封隔器未坐封时保持与裸井封隔器的外表面平齐。

13.根据权利要求12的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述一个或多个防转动挡圈与它们的对应垫圈的相互作用用于防止单封隔元件向内挤压并蠕动。

14.根据权利要求13的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，第一垫圈包括活塞可与之接合的第一轮廓和第一密封挡圈可与之接合的第二轮廓，及第二垫圈包括封隔器的一端可与之接合的第一轮廓和第二密封挡圈可与之接合的第二轮廓。

15.根据权利要求14的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述一个或多个密封挡圈和单密封元件保持在可调节的密封装置中。

16.根据权利要求15的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述密封装置可通过与封隔器的一端邻近的调节机构来调节。

17.根据权利要求16的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述调节机构包括具有与芯轴上的对应槽配合的一系列环向槽的开口环和可螺装到芯轴上以将调节机构锁定在位并且固定密封装置长度的盖。

18.一种单元件液压裸井封隔器，其特征在于，当封隔器被坐封时，单封隔元件从单封隔元件的轴向中点突出。

19.根据权利要求18的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述单封隔元件在其轴向中点比单封隔元件上的任何其他轴向点都薄。

20.根据权利要求19的单元件液压裸井封隔器，其特征在于，所述封隔元件在轴向中点处在其内表面周围形成有预定宽度和深度的环向槽。

21.根据权利要求20的单元件液压裸井封隔器，还包括在该芯轴上的封隔元件环，在所述封隔元件环上设置有封隔元件槽。

22.一种用于钻井孔的多级隔离和流体处理的方法，所述方法包括：

a.提供用于钻井孔处理的设备，所述设备包括衬管、第一压裂阀工具、沿着衬管在第一压裂阀工具上游的第二压裂阀工具、用于将衬管周围密封并且在第一压裂阀工具下游安装在该衬管上的第一封隔器、用于将衬管周围密封并且在第一压裂阀工具和第二压裂阀工具之间安装在衬管上的第二封隔器、用于将衬管周围密封并且在第二压裂阀工具上游安装在衬管上的第三封隔器，所述第一、第二和第三封隔器中的至少一个是液压坐封封隔器，及所述第一、第二和第三封隔器中的至少一个具有单封隔元件，第一压裂阀工具可在关闭位置和允许流体流过第一压裂阀工具的打开位置之间移动，第二压裂阀工具可在关闭位置和允许流体流过第二压裂阀工具的打开位置之间移动；

b.使衬管到达钻井孔中的用于处理钻井孔的期望位置；

c.液压坐封单元件封隔器；

d.将用于移动第一压裂阀工具的部件运至打开位置；及

e.通过第一压裂滑套工具挤出压裂液。

23.根据权利要求22的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三封隔器中的至少一个是裸井封隔器。

24.根据权利要求22的方法，还包括以下步骤：

f.将用于移动第二压裂阀工具的部件运至打开位置；及

g.通过第二压裂阀工具挤出压裂液。