CN104487652B - 用于小井眼井的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于提供存在于深井中的小井眼井中的衬管回接连接或衬管悬架形式的管连接的设备和方法。当安装套管节段时，提供了具有与相邻套管节段的表面不同的异形表面(304)的第一套管节段(300)。衬管行进到第一套管节段(300)内，并且一部分的局部径向地膨胀，从而在异形表面(304)处抵靠第一套管节段的内表面变形，并形成密封的接头。提供了异形表面的各种布置。衬管也可以具有异形表面。通过使套管节段适合于直接接收衬管，实现小井眼井结构。
Description
技术领域
本发明涉及用于连接井筒中的管状构件的设备和方法，并且更具体但不完全涉及用于提供小井眼井中的回接(tieback)连接的设备和方法。
背景技术
井筒通常通过以下方式形成，即将钻孔钻到第一预定深度，且然后使钻孔与钢套管成一直线。通常使用多个直径减小的套管节段。在井已经钻到第一指定深度之后，套管的第一节段降入到井筒内并从表面悬挂。水泥然后被散布在套管的外壁与钻孔之间的环中。井然后钻到第二指定深度，并且套管的具有更小直径的第二节段行进到井内。通常用另外的直径减小的套管节段重复这个过程，直至井已经钻到总需要的深度。
根据一种方案，第二节段可以是足够长的，以延伸到井口，并在表面处“悬挂”在井口中。在“悬挂”之后，第二套管节段然后以与第一节段相同的方式粘固。在一些情况下，工程师更喜欢这套方案来维持井完整性。然而，在某些环境中(例如，在深海环境中)，长套管往往太重以至于冒单独部署的风险。而且，长管柱的当量循环密度(ECD)可能过高，引起循环损失区域的潜在性。而且，在钻井期间，钻柱与套管之间的环在井下钻井组件与井口之间一直相对狭小，意味着需要更高的压力泵送钻井流体通过环回到表面。这样的高压可能高到足以引起钻井泥浆被泵送到正被钻的形成物内，并且因此对储层造成损伤或甚至破坏。
根据替代方案，第二节段被固定在使得第二节段的上部与套管的第一节段的下部重叠的深度处。在这个示例中，未延伸到表面的套管被称为“衬管”。衬管节段然后诸如通过使用称为衬管悬架的装置固定到第一套管节段。衬管节段然后以与第一套管节段相同的方式粘固。因为井设计由于更长的失步和更深的目标而变得更具挑战性并且储层被耗尽，所以存在很多原因设计具有随着衬管行进的关键套管柱的井结构。而且，在大多数井中，衬管的使用减轻了与长套管的使用相关的高泥浆压力问题，因为衬管被使用时，环仅在衬管内相对狭小，并且在套管内在衬管上面变得更宽。
在钻完井之后，会需要将衬管柱接回到表面(或井中更高的点)。在这种情况下，套管的管柱被密封地连接到衬管节段的顶部，并且一直行进回到表面，使得衬管被“回接”到表面(或井中在表面与衬管悬架之间的更高的点)。
井的采油区上面的区域通过使用套管或衬管内的封隔器密封，并且经由更小直径的生产油管连接到表面。这为泄露提供了多余屏障，并且允许受损节段被更换。而且，更小直径的生产油管增加了油和天然气的速度。地下储层的自然压力可以高到足以使油或天然气流到表面。当这自然压力不足时，诸如对于较老的井来说，安装更小直径的油管会有助于生产，但也会需要机械采油方法，诸如气升(gas lift)。井需要被配置为接收机械采油设备。
用于将套管的回接管柱密封地连接到井下衬管节段内的已知方法通常涉及称为抛光孔座(PBR)的工具的使用。PBR是被旋到衬管节段的顶部的单独工具。PBR具有被配置为接收回接套管的下端的光滑的圆柱形内孔。回接套管座落在PBR中，从而在回接套管与衬管之间形成密封的连接。回接套管的下部被配置为在其外径上具有密封件，并且这些密封件在PBR内密封。
图1示出了提供井筒100中的衬管回接连接的已知方法，其中第二管10使用第一管12回接到表面。井筒100衬有套管102，套管102的直径随着深度增加而逐渐减小。用于气升的具有内部气升阀106的油管104被提供在套管102内。第二管10具有95/8英寸(244mm)的直径，并且向上延伸到具有133/8英寸(340mm)的直径的上相邻套管内。PBR 14被连接到第二管10的上端。上部处的衬管悬架16和下部处的水泥108将第二管10固定在井筒100内。第一管12下降，并且第一管12的下端配合在PBR 14的抛光孔内。通过它本身，特别是在严酷环境中，PBR 14不能提供足够的密封，并且因此回接封隔器18能够被提供在第一与第二管的接头上面。通过PBR 14提供的可滑动密封不能在井筒100中辅助支撑第一管12，并且因此还会提供锚固件20。
这种已知回接连接的主要缺点是，PBR的内侧长度的大部分暴露出来，并且当其他井下工具行进到井筒内时其易受到损伤。正行进通过PBR的井下工具可能会在在其向井下的路径上影响PBR的抛光的内表面。这会引起降低PBR的密封能力的损伤。而且，钻井碎屑可能会使PBR密封表面退化。此外，特别是在严酷环境中，相关的部件，诸如回接托架、密封杆和封隔器可能泄露是已知的。此外，PBR允许回接衬管纵向的热膨胀和收缩，在此期间，衬管密封件能够在PBR中上下移动。随着时间的推移，这种移动可能会引起密封件磨损并最终失效。这被认为是传统PBR的一个主要限制。传统密封杆依赖于弹性体密封件在PBR内产生回接管柱与衬管之间的密封。弹性体密封件易于在部署期间损伤，且固有地易于随着时间而磨损，并且因此不能依赖弹性体密封件延续井的寿命。此外，由于生产期间的井温度变化和周期性关闭时的相对移动，弹性体密封件将会磨损。因此，在一些地区，弹性体密封件不再被考虑适用于井屏障。此外，PBR一般是短的(3-4m)，引起回接管柱的分隔有时候难以第一次成功地实现。在深井中，特别是海底井口，这可能会有相当大时间和成本问题。衬管悬架系统的设计而加长PBR通常是不可能的。PBR易于损伤，并且相对较小的刻痕会损害密封件。此外，在某些地方，例如在北海的挪威领域中，不允许在井屏障外壳中使用弹性体密封件。由于上述原因，工程师有时宁愿行进长套管柱。
申请人已经认识到对这样的连接到衬管的可替代装置的需要，该装置消除了的需要或降低了对PBR造成损伤的可能性，并且已经提供了这样的可替代装置。这种装置在WO2011/048426A2中进行了描述，并且在图2至图5中被图示说明为提供井筒100中的衬管回接连接的可替代现有技术方法。对于图1的那些特征来说，相同的特征给予了相同的参考编号。回接轮廓装置30被提供在第二管10的上端处，使得它具有比第二管10的直径更大的直径。装置30在内孔处包括多个内部凹槽32。133/8英寸(340mm)乘以113/4英寸(298mm)衬管悬架34被连接到装置30的顶部，并且该衬管悬架34在井筒100的内表面处附接到套管。衬管悬架34、装置30和第二管10的上部都被配置为从133/8英寸(340mm)跨越到95/8英寸(244mm)的外径。图3至图5图示说明了用于安装第一管12的顺序。第一管12下降，使得其下端在装置30内并低于装置30的内部凹槽32(图4)。可膨胀工具40然后在钻杆的管柱的下端上向下行进通过第一管12的孔，直至工具40与装置30的凹槽32对齐。工具40包括用于定位在正确竖直深度处的深度闩锁装置42。工具40包括竖直间隔开大于上与下凹槽之间的竖直距离的一对密封件。密封件被致动为形成工具40的外表面与第一管12的内表面之间的密封，从而在密封件之间限定腔。水被泵送通过钻柱，进入工具40的孔，并通过工具40的孔进入腔。当水压力足够时，第一管12通过到凹槽32内塑形变形膨胀。这经由装置30在第二管10与第一管12之间产生了机械固定以及金属到金属的密封。第一管12现在被回接到表面。然后可以停用密封件，并从井筒100移除钻杆管柱和工具40。
改善的装置提供了优于传统PBR的多个优点。金属到金属的密封对热产生的轴向载荷有足够的抵抗能力。因此几乎没有或没有移动，并且因此没有磨损。而且，消除了对弹性体密封件的需要，因此该装置没有弹性体材料磨损或损伤。而且，该装置的内径不是抛光的密封表面，并且因此其性能更少受损伤影响。而且，能够实现更高的破裂和倒塌载荷。
然而，虽然这种方法消除了使用PBR连接的需要，但它具有如下主要限制，即对于某些井来说外套管柱ID与衬管柱OD之间的环形空间太小以至于不能符合可膨胀的回接连接。在相对狭小直径或小井眼井结构(这对于例如里海或墨西哥湾来说是典型的)中，外套管柱与衬管之间有非常小的环形空间。典型的是，外套管柱具有16英寸(40.6cm)的外径(OD)和14.6英寸(37.1cm)的内径(ID)，而衬管柱具有14英寸(35.6cm)的OD。外套管柱ID和衬管柱OD之间的0.3英寸(0.8cm)的环形空间太小以至于不能符合PBR或WO2011/048426A2的可膨胀回接连接。我们考虑了环形空间太小以至于作为小井眼井不能符合标准PBR的任何井筒。
因此，本发明的至少一个实施例的目的是提供适合于在小井眼井结构中使用的可膨胀回接连接。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于小井眼井的管连接设备，其包含：
多个套管节段，其中至少第一套管节段包含管状构件，该构件具有与相邻套管节段的表面不同的异形(profiled)表面；
衬管，其中衬管的一部分被布置在第一套管节段内，并且部分的至少一部已经径向地膨胀，从而在衬管与第一套管节段之间形成密封的接头。
以此方式，衬管被直接连接到套管，并不需要PBR或可膨胀回接连接。因此，通过使套管节段适合于直接接收衬管，外套管柱ID与衬管柱OD之间的环形空间仅需要具有允许衬管行进到套管柱内的容差。这为小井眼井结构提供了可能用于衬管的最大内孔直径。
优选地，异形表面是内表面的至少一部分，该内表面具有比相邻套管节段的内径更小的内径。而且优选地，第一套管节段的外表面也是异形的，其具有带有比相邻套管节段的外径更大的外径的至少一部分。以此方式，第一套管节段是异形的，从而提供比相邻套管节段更大的壁厚。
可代替地或额外地，异形表面包括一个或更多个凹槽。异形表面可以是第一套管节段的内表面和/或第一套管节段的外表面。以此方式，第一套管节段是异形的，从而辅助将衬管锚固到第一套管节段。
优选地，衬管的部分是衬管的下端。以此方式，该设备是衬管回接连接。
可替代地，衬管的部分是衬管的上端。以此方式，该设备是衬管悬架连接。
在一个实施例中，存在第一衬管和第二衬管，其中第一衬管的部分(为上端)被布置在第一套管节段内，而第二衬管的部分(为下端)被布置在与第一套管节段内，第二衬管与第一衬管轴向向上地间隔开。
可替代地，该设备包括另一衬管，另一衬管通过已知方法从第一套管节段的下端悬挂，并且衬管被布置为形成根据本发明的衬管回接连接。
优选地，第一套管节段和衬管的部分的至少局部包含即金属部分，当局部抵抗第一套管节段膨胀时，该金属部分形成金属到金属的密封的接头。
优选地，流体排出材料被布置在一个或更多个凹槽内。在一种布置中，流体排出材料包含闭孔泡沫，例如像，金属泡沫或复合泡沫。
可替代地，一个或更多个凹槽包括阀，该阀被配置为当流体遭受到来自衬管的膨胀到凹槽内的局部的压力时允许流体离开凹槽。在一种布置中，阀是单向阀，当凹槽中的压力增加时，该单向阀允许流体逸出，在第一套管节段的密封的接头已经形成之后，该单向阀被衬管的局部密封关闭。可替代地，阀可以泄压阀，当凹槽中的压力高于阀的开启值时，该泄压阀允许流体逸入大气腔。
在外表面或内表面上具有一个或更多个凹槽的所有类型的套管中，凹槽形状、深度和宽度被调整为适合套管和/或正被膨胀到该套管内的衬管的强度和重量。此外，优选地，第一套管节段的屈服应力被选择为高于衬管的部分的局部的屈服应力。
优选地，衬管的部分的局部包含具有壁的管状构件，壁限定内孔以及第一和第二端，内孔在端部之间延伸并且具有异形表面。
在一种这样的布置中，该局部的内孔在区域中间处具有更大的直径，并且内孔从中间区域向端部渐缩。优选地，在这种变体中，该局部的壁的厚度从中间区域向端部增加。这确保，当该局部膨胀时，该局部在中间区域处开始膨胀，并且朝向端部继续膨胀，引起衬管与第一套管节段之间的界面处的流体被排出，由此防止液压锁闭的发生。
在另一变体中，该局部的内孔从一端向另一端渐缩。优选地，在这种变体中，该局部的壁的厚度从一端向另一端增加，使得当该局部膨胀时，该局部在较薄端处开始膨胀，并且朝向较厚端继续膨胀，引起衬管与第一套管节段之间的界面处的流体被排出。
该局部可以在外表面上具有周向密封件，以增强衬管与第一套管节段之间的密封性能。
该设备可以进一步包括磨损保护管状遮盖物。优选地，磨损保护遮盖物是套筒。优选地，遮盖物包括将遮盖物附加到第一套管节段的内表面的紧固装置。该紧固装置可以是剪切销或弹簧闩锁机构。遮盖物可以具有在遮盖物的外表面(即在使用时面向套管的内表面的表面)上的密封机构，使得在使用时，密封机构被定位在遮盖物与套管之间，以防止井碎屑进入遮盖物与套管之间的空间，并且防止引起遮盖物在适当位置被卡住。
根据本发明的第二方面，提供了一种形成用于小井眼井的管连接的方法，该方法包含以下步骤：
a)将多个套管节段安装在井筒中，其中至少第一套管节段包含管状构件，构件具有与相邻套管节段的表面不同的异形表面；
b)将套管节段放在井筒中；
c)使衬管行进到井筒内，使得衬管的一部分被布置在第一套管节段内；以及
d)在异形表面处抵靠第一套管节段径向地膨胀衬管的部分的至少局部，直至在衬管与第一套管节段之间形成密封的接头。
优选地，异形表面是内表面的至少一部分，该内表面具有比相邻套管节段的内径更小的内径。而且优选地，第一套管节段的外表面也是异形的，其具有带有比相邻套管节段的外径更大的外径的至少一部分。以此方式，第一套管节段是异形的，从而提供比相邻套管节段更大的壁厚。
可代替地或额外地，异形表面包括一个或更多个凹槽。异形表面可以是第一套管节段的内表面和/或第一套管节段的外表面。以此方式，第一套管节段是异形的，从而辅助将衬管锚固到第一套管节段。
优选地，在步骤(c)中，衬管的部分是衬管的下端。以此方式，实现衬管回接连接。
可替代地，在步骤(c)中，衬管的部分是衬管的上端。以此方式，实现衬管悬架连接。
在一个实施例中，步骤(c)包括使第一衬管行进到井筒内，使得第一衬管的一部分(为上端)被布置在第一套管节段内；并且该方法进一步包括以下步骤：
e)使第二衬管进到井筒内，使得第二衬管的一部分(为下端)被布置在第一套管节段内，第二衬管与第一衬管轴向向上地间隔开；以及
f)在异形表面处抵靠套管径向地膨胀第二衬管的部分的至少局部，直至在衬管与第一套管节段之间形成密封的接头。
以此方式，衬管悬架和回接连接都被形成在套管节段上。
可替代地，该方法可以包括以下步骤，即在根据本发明形成的第二衬管的衬管回接连接之前，通过已知技术方法从第一套管节段的下端悬挂第一衬管。第一衬管可以使用合适的密封装置(例如像，一个或更多个封隔器)密封到第一套管节段。
优选地，步骤(d)包括使衬管的部分的局部弹性地且塑性地变形。而且优选地，步骤(d)包括使第一套管节段的一部分弹性地变形。
优选地，步骤(d)包括径向地膨胀衬管的局部，使得局部的外径从小于套管的内径的直径膨胀到匹配第一套管节段的内径的直径。
优选地，步骤(d)包括在膨胀期间从布置在第一套管节段的表面上的一个或更多个凹槽排出流体。在一个实施例中，流体可以通过阀离开凹槽。该方法可以包括以下步骤，即在膨胀之后用衬管的局部密封阀。
上述方法都有助于消除或降低液压锁闭发生的风险。
优选地，该方法包括以下步骤，即使流体膨胀工具在管状柱上行进通过衬管的孔。该方法可以包括以下步骤，即使膨胀工具与第一套管节段的衬管抵靠膨胀的部分对齐。该方法可以包括使用深度闩锁装置将可膨胀工具定位在正确竖直深度。
优选地，该方法包括以下步骤：致动膨胀工具的一对密封件，密封件在衬管的部分的局部上面间隔开；在工具的外表面与衬管的内表面之间产生密封的腔；将流体供应到腔内；将流体压力施加在衬管的部分的局部的内表面上，由此引起局部抵靠第一套管节段的内表面的膨胀，并且在衬管的部分的局部的外表面与第一套管节段的内表面之间形成密封的接头。优选地，流体是高压流体(例如超过20,000psi或138MPa的压力)。优选地，该局部抵靠第一套管节段的内表面变形，使得局部获得第一套管节段的内表面的形状。
在一些情况下，希望行进并放置第一套管节段，从第一套管节段悬挂衬管，然后在将衬管回接到井口之前，开始钻下一个开孔的节段。在这些情况下，第一套管节段的内表面的衬管抵靠膨胀以形成密封的接头的部分可以在相当长的时间段(天或周)内保持暴露于井中流体和旋转的钻柱，并且被钻柱和流体损伤。因此，有利地，该方法包括以下步骤，即将磨损保护管状遮盖物安装在第一套管节段的内表面上面。该方法然后可以在步骤(c)之前移除遮盖物的步骤。这可以通过以下方式来完成，即使用拔取工具或标准套管叉释放遮盖物与第一套管节段之间的紧固装置。
附图说明
现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是根据现有技术的提供衬管回接连接的方法的剖面侧视图；
图2是提供衬管回接连接的另一现有技术方法的剖面侧视图；
图3至图5是图2的现有技术方法的阶段的剖面侧视图；
图6至图9是根据本发明的可以在提供管连接的方法中使用的第一套管节段的多个不同实施例的剖面侧视图；
图10是示出结合用于本发明的方法中的第一套管节段使用的遮盖物的剖面侧视图；
图11至图13是用于与图6至图10的第一套管节段连接的衬管的部分的局部的剖面侧视图；
图14至图17是根据本发明的方法的阶段的剖面侧视图(使用图7的第一套管节段的实施例)；以及
图18至图25是示出用于根据本发明的方法中的将衬管连接到第一套管节段的实施例的阶段的剖面侧视图。
具体实施方式
参照图6至图25，这些示出了根据本发明的提供小井眼井筒200中的油管连接的方法。
首先参照图14至图17，井筒200衬有如在图14中示出的套管300，其中套管300是根据本发明的。套管300将会邻近本领域中众所周知的其他标准套管布置。
在一个实施例中，第一管状构件(在附图中未示出)(通常为井下衬管)悬挂在井筒200中，使得第一管状构件的上端部分大致位于套管300的下端302，并与套管300的下端302重叠，类似于在图1中示出的布置。第一管状构件使用合适的密封装置(诸如一个或更多个封隔器，类似于图1中的封隔器18)密封到套管300。该方法的下一个步骤(如在图15中示出的)用于将会行进到井筒200内的第二管状构件400(通常为回接衬管400)，并且它在套管300中被操纵，使得第二管状构件400的下端402被布置为朝向套管300的下端302并且在第一管状构件的上端部分上面且与第一管状构件的上端部分竖直地间隔开。应当注意，尽管图14至图17的方法示出了图7的套管300的实施例的使用，但也可以使用来自图6或图8至图10的套管300的实施例中的任一个。
第二管状构件400在下端402处包含可膨胀部分404。可膨胀部分404是第二管状构件400的一部分。最初，可膨胀部分404具有小于套管300的内径的外径，使得可膨胀部分404可以在套管300中前进到套管300内的正确位置。在被定位在正确位置处之后，第二管状构件404的可膨胀部分404通过膨胀工具600(参见图16)变形并抵靠套管300的内表面308径向向外地膨胀，直至在第二管状构件400的外表面466与套管300的内孔之间形成密封的连接(参见图17)，将会在下文中更详细地描述膨胀工具600。在膨胀之后，可膨胀部分404的外径匹配套管300的内径。套管300和第二管状构件400由金属制成。因此，当第二管状构件400抵靠套管300膨胀时，形成金属到金属密封的接头。
如图14中示出的，套管300的第一实施例包含异形表面304，异形表面304具有在套管300的内表面308中的周向凹槽306(还参见图7、图10、图24和图25)形式的接合元件。凹槽306适合于在可膨胀部分404膨胀之后与第二管状构件400的可膨胀部分404协作，从而与其形成密封。在图14至图17的实施例中，凹槽306以在套管300的内孔中形成的多个纵向间隔开的沟槽形式提供。如在图17和图25中示出的，第二管状构件400的可膨胀部分404膨胀到凹槽306内，从而在第二管状构件400的外部上形成周向突出408，周向突出408进入对应的凹槽306，从而与套管300形成密封的接头。
为了允许第二管状构件400膨胀到凹槽306内，凹槽306必须是流体自由的。在图14至图17中(以及在图7、图24和图25中)示出的实施例中，闭孔泡沫310(例如，金属泡沫或复合泡沫)被放入到一个或更多个凹槽306内。在第二管状构件400膨胀之前，泡沫310填满凹槽306(由此防止流体进入凹槽306)，且当第二管状构件400膨胀时，泡沫310被压缩以允许突出408进入凹槽306。额外地或可替代地，通过在套管300的侧壁中或经过套管300的侧壁与每个凹槽306成直线地放置阀312(参见图7和图10)，可以从凹槽306移除流体。阀312被配置为当流体遭受到来自第二管状构件400的膨胀到凹槽306内的突出408的压力时允许流体离开离开凹槽306。阀312可以例如是单向阀，当凹槽中的压力增加时，该单向阀允许流体逸出，在套管300的密封的接头已经形成之后，该单向阀被第二管状构件400的突出408密封关闭。可替代地，阀312可以是泄压阀，当凹槽306中的压力高于阀312的开启值时，该泄压阀允许流体逸入大气腔。
图6至图9示出了套管300的异形表面的更改。在图6中，套管300具有在套管的管状壁上包含加厚部分的异形表面314。当第二管状构件400抵靠加厚部分膨胀时，加厚部分充当异形表面314的接合构件，从而与套管300形成密封的接头(还参见图18和图19)。图7示出了在图14至图17的方法中用于图示说明目的的套管300，其中凹槽306的上半部分使用阀312，而凹槽的下半部分使用泡沫310。
在图8的异形表面316中，一组凹槽318被形成在套管300的外表面320中，而且将会类似地导致周向突出408的产生，并且也会在一定程度上导致凹槽306(如在图21中示出的)在以下步骤中的产生，即第二管状构件400抵靠套管300的内表面308膨胀从而与套管300形成密封的接头。如在图8、图20和图21中图示说明的，一组凹槽318被预先形成在套管300的外表面320中，由此在套管300中产生具有减小的厚度的对应区域(即变薄部分322)。变薄部分322的提供便于套管300通过第二管状构件400的变形，然后在套管300的内表面308中有效地产生凹槽306，并且同时有效地产生在第二管状构件400的外部上形成的周向突出408，由此便于密封的接头的形成。此外，在套管300的外表面320中提供凹槽318有助于消除或降低液压锁闭在第二管状构件400的膨胀期间发生的风险。
在图9的异形表面324中，如同在图8的异形表面316，凹槽318也被形成在套管300的外表面320中。此外，当异形区域以向内的突出326的形式提供在套管300的内表面308上时，内表面308也具有异形表面。突出326便于第二管状构件400的膨胀期间的第二管状构件400与套管300之间的界面处的增加的反作用力的产生，由此便于第二管状构件400与套管300之间的有效的密封的接头的产生(还参见图22和图23)。
在各内表面308或外表面320上具有一个或更多个凹槽306、318的所有类型的套管300中，凹槽形状、深度和宽度被调整为适合套管300和/或正被膨胀到套管300内的第二管状构件400的强度和重量。套管300的屈服应力被选择为高于第二管状构件400的屈服应力。
在图11至图13中，图示说明了第二管状构件400的可膨胀部分404的均示出异形内表面的三种不同变体。在所有这些变体中，各个可膨胀部分404a、404b、404c以管状构件的形式提供，该管状构件具有壁406a、406b、406c，壁406a、406b、406c限定了在相对端410、412之间延伸的内孔418a、418b、418c。可膨胀部分404a、404b、404c通过向可膨胀部分404a、404b、404c的内表面414施加径向向外的力膨胀。可膨胀部分404a、404b、404c适合于通过高压液体(例如超过20,000psi或138MPa的压力)的液压变形膨胀，直至它与套管300依从接触并与其形成密封的接头。可膨胀部分404a、404b、404c被配置为以便使第二管状构件400与套管300之间的密封的接触和接头的强度最优化。为了这个目的，在图11中，可膨胀部分404a的内孔418a在中心地位于端部410、412之间的区域处具有更大的直径，并且内孔418a从中心定位的区域向端部410、412渐缩，而可膨胀部分404a的壁406a的厚度从中心定位的区域向端部410、412增加。这确保，当可膨胀部分404a膨胀时，可膨胀部分404a在中心定位的区域处开始膨胀，并且朝向端部410、412继续膨胀，从而引起第二管状构件400与套管300之间的界面处的流体被排出，由此防止液压锁闭在其之间的发生。在图12中，可膨胀部分404b的内孔418b从一端410向另一端412渐缩，而可膨胀部分404b的壁406b的厚度从一端410向另一端412增加，因此当可膨胀部分404b径向膨胀时，可膨胀部分404b在较薄端410处开始膨胀，并且朝向较厚端412继续膨胀，从而引起第二管状构件400与套管300之间的界面处的流体被排出。在图13中，可膨胀部分404c在外表面466上具有周向密封件416，以增加第二管状构件400与套管300之间的密封性能(还参见图18和图19)。
在一些情况下，希望行进并放置套管300，并使第一管状构件(在附图中未示出)悬离套管300，然后在将第一管状构件回接到井口之前，开始钻下一个开孔的节段。在这些情况下，套管300的内异形表面304、314、316、324可以在相当长的时间段(天或周)内保持暴露于井中流体和旋转的钻柱，并且被钻柱和流体损伤。为了这个目的，在使套管300行进到井内之前，磨损保护管状遮盖物被安装在套管300中。图10示出了具有遮盖套管300的内表面308的套筒500的形式的磨损保护遮盖物的异形表面304。套筒500被剪切销502固定在适当位置，并且套筒500的外表面506上具有密封环504，在使用时密封环504被夹在遮盖物500与套管300之间，以防止井碎屑进入套筒500与套管300之间的空间，并且防止引起套筒500在适当位置被卡住。当第二管状构件400将要在套管300中行进时，套筒500通过使用拔取或打捞工具(未示出)或标准套管叉(未示出)来移除，以释放剪切销502并从井中移除套筒500。
虽然图14至图17图示说明了与下端处的部分插入套管300中的第二管状构件400的回接连接，但应认识到，第二管状构件400可以插入通过套管300，使得第二管状构件400的上端的一部分位于套管300的下端中。
在根据本发明的所有实施例的情况下，由于第一管状构件和第二管状构件400都被直接固定到外套管300的内表面308，第一管状构件的内和外径大致对应于第二管状构件400的各内径和外径。
图16示出了用于以类似于结合图3至图5的现有技术方法描述的方式膨胀第二管状构件400的流体膨胀工具600。为此，膨胀工具600在钻柱602上行进通过第二管状构件400的孔418。膨胀工具600然后与第二管状构件400的可膨胀部分404对齐，可膨胀部分404进而与套管300的异形表面304对齐。工具600包括用于将工具600定位在正确竖直深度的深度闩锁装置。工具600包括竖直间隔开大于、等于或小于(但优选大于或等于)异形表面304的上与下凹槽306之间的竖直距离的一对密封件608。密封件608被致动为形成工具600的外表面610与可膨胀部分404的内表面414之间的密封，从而在密封件608之间限定腔614。液压流体(其可以是油或水)然后被泵送通过钻柱602，进入工具600的内孔(在附图中不可见)，并通过工具600中的孔(未示出)进入腔614。当液压流体压力足够时，可膨胀部分404膨胀，并且因此接触套管300的内表面308，并且由于凹槽306或318，突出408最初通过弹性变形然后通过塑形变形而形成，因此突出408膨胀到凹槽306或318内。这产生了第二管状构件400与套管300之间的机械固定以及金属到金属的密封。悬离套管300的下端302的第一管状构件因此经由套管300被第二管状构件400回接到表面。然后可以停用工具600的密封件608，并且从井筒200移除钻柱602和600。
根据上述实施例的密封的接头可以以任何合适的深度和任何合适的长度形成在套管与第二管状构件之间，以提供所需的连接。传统PBR是非常短的(例如10ft或3m)，使得正确分隔难以在第一次尝试时实现，但是多次尝试花费相当长的时间，并且因此具有显著成本。根据发明的实施例的方法和设备的回接连接可以是非常长的，并且因此分隔可能总是在第一尝试时实现；提供了比使用传统PBR实现的更大的内孔直径，并且因此消除了井筒中的高泥浆压力的问题；省掉了使用弹性体密封件的需要，并且消除了PBR易于损伤井筒的问题；以及紧凑地配合在现有套管结构内，并且因此适合于小井眼井结构，不像现有技术衬管回接连接。
因此，本发明的方法和设备消除或减轻了与使用现有技术手段提供小井眼井中的衬管悬架和回接连接相关的缺少环形空间的问题。本发明的衬管回接连接和悬架连接紧凑地配合在现有套管300内，并且因此适合于小井眼井结构，而不像现有技术衬管回接和悬架连接。
虽然已经在上文中描述了本发明的具体实施例，但应认识到更改也可能在本发明的范围内。
Claims (32)
1.一种在小井眼井中使用的管连接设备，其包含：
多个套管节段，其中至少第一套管节段包含管状构件，所述构件具有与相邻套管节段的表面不同的异形表面；
衬管，其中所述衬管的一部分被布置在所述第一套管节段内，并且所述部分的至少局部已经径向地膨胀并且由所述管状构件的所述异形表面直接接收，从而在所述衬管与所述管状构件的所述异形表面之间形成密封的接头，所述密封的接头防止在所述衬管和所述管状构件之间的轴向移动并且创建所述衬管和所述管状构件之间的压力密封；
其中所述异形表面包括一个或更多个凹槽；并且
其中所述一个或更多个凹槽包括阀，所述阀被配置为当流体遭受到来自所述衬管的膨胀到所述凹槽内的所述局部的压力时允许所述流体离开所述凹槽。
2.根据权利要求1所述的管连接设备，其中所述第一套管节段的内表面是异形的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的管连接设备，其中所述第一套管节段的外表面是异形的。
4.根据权利要求3所述的管连接设备，其中所述第一套管节段的所述内表面上的异形表面是所述内表面的至少一部分，所述内表面的所述至少一部分具有比相邻套管节段的内径更小的内径。
5.根据权利要求4所述的管连接设备，其中所述外表面上的异形表面是所述外表面的至少一部分，所述外表面的所述至少一部分具有比相邻套管节段的外径更大的外径。
6.根据权利要求5所述的管连接设备，其中每个凹槽是周向沟槽。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的管连接设备，其中所述衬管的所述部分是提供衬管回接连接的所述衬管的下端。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的管连接设备，其中所述衬管的所述部分是提供衬管悬架连接的所述衬管的上端。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的管连接设备，其包括第一衬管和第二衬管，其中所述第一衬管的为上端的部分位于所述第一套管节段内，而所述第二衬管的为下端的部分位于所述第一套管节段内，所述第二衬管与所述第一衬管轴向向上地间隔开。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的管连接设备，其中所述第一套管节段和所述衬管的所述部分的至少所述局部包含金属部分，当所述局部抵靠所述第一套管节段膨胀时，所述金属部分形成金属到金属的密封的接头。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的管连接设备，其中流体排出材料被布置在所述一个或更多个凹槽内。
12.根据权利要求11所述的管连接设备，其中所述流体排出材料包含闭孔泡沫。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的管连接设备，其中所述第一套管节段的屈服应力被选择为高于所述衬管的所述部分的所述局部的屈服应力。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的管连接设备，其中所述衬管的所述部分的所述局部包含具有壁的管状构件，所述壁限定内孔以及第一端和第二端，所述内孔在所述端之间延伸并且具有内异形表面。
15.根据权利要求14所述的管连接设备，其中所述内异形表面从一端向另一端渐缩。
16.根据权利要求14所述的管连接设备，其中所述内异形表面从中间区域向所述端渐缩，因此所述局部的所述内孔在所述中间区域处具有更大的直径。
17.根据权利要求1或权利要求2所述的管连接设备，其中所述局部在所述衬管的外表面上被配置有周向密封件。
18.根据权利要求2所述的管连接设备，其中所述设备进一步包括磨损保护管状遮盖物，所述磨损保护管状遮盖物适合于布置在所述第一套管节段的所述内表面的至少一部分上面。
19.根据权利要求18所述的管连接设备，其中所述磨损保护管状遮盖物是套筒。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的管连接设备，其中所述遮盖物包括将所述遮盖物附接到所述第一套管节段的所述内表面的紧固装置。
21.根据权利要求18至19中任一项所述的管连接设备，其中所述遮盖物被提供有在所述遮盖物的外表面上的密封机构。
22.一种形成在小井眼井中使用的管连接的方法，所述方法包含以下步骤：
(a)将多个套管节段安装在井筒中，其中至少第一套管节段包含管状构件，所述构件具有与相邻套管节段的表面不同的异形表面；
(b)将所述套管节段放在所述井筒中；
(c)使衬管行进到所述井筒内，使得所述衬管的一部分被布置在所述第一套管节段内；以及
(d)在所述异形表面处抵靠所述第一套管节段径向地膨胀所述衬管的所述部分的至少局部，并且在膨胀期间通过阀从形成所述第一套管节段的所述异形表面的一个或更多个凹槽排出流体，所述第一套管节段直接接收已经膨胀的所述衬管的所述部分的至少局部，直至在所述衬管与所述第一套管节段之间形成密封的接头，所述密封的接头防止在所述衬管和所述第一套管节段之间的轴向移动并且创建所述衬管和所述第一套管节段之间的压力密封。
23.根据权利要求22所述的方法，其中在步骤(c)处，所述衬管的所述部分是所述衬管的下端，并且实现衬管回接连接。
24.根据权利要求22所述的方法，其中在步骤(c)处，所述衬管的所述部分是所述衬管的上端，并且实现衬管悬架连接。
25.根据权利要求22所述的方法，其中步骤(c)包括使第一衬管行进到所述井筒内，使得所述第一衬管的为上端的一部分位于所述第一套管节段内；并且所述方法进一步包括以下步骤：
(e)使第二衬管行进到所述井筒内，使得所述第二衬管的为下端的一部分位于所述第一套管节段内，所述第二衬管与所述第一衬管轴向向上地间隔开；以及
(f)在所述异形表面处抵靠所述套管径向地膨胀所述第二衬管的所述部分的至少局部，直至在所述衬管与所述第一套管节段之间形成密封的接头。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中步骤(d)包括使所述衬管的所述部分的所述局部弹性地且塑性地变形。
27.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中步骤(d)包括使所述第一套管节段的一部分弹性地变形。
28.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中步骤(d)包括径向地膨胀所述衬管的所述局部，使得所述局部的外径从小于所述套管的内径的直径膨胀到匹配所述第一套管节段的所述内径的直径。
29.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤，即，使流体膨胀工具在管状柱上行进通过所述衬管的孔，并且使所述膨胀工具与所述第一套管节段的部分对齐，所述衬管将抵靠所述第一套管节段的所述部分膨胀。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：致动所述膨胀工具的一对密封件，所述密封件在所述衬管的所述部分的所述局部上面间隔开；在所述工具的外表面与所述衬管的内表面之间产生密封的腔；将流体供应到所述腔内；将流体压力施加在所述衬管的所述部分的所述局部的内表面上，由此引起所述局部抵靠所述第一套管节段的内表面的膨胀，并且在所述衬管的所述部分的所述局部的外表面与所述第一套管节段的所述内表面之间形成密封的接头。
31.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中所述局部抵靠所述第一套管节段的内表面变形，使得所述局部获得所述第一套管节段的所述内表面的形状。
32.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤，即，将磨损保护管状遮盖物安装在所述第一套管节段的内表面上面，并且在步骤(c)之前移除所述磨损保护管状遮盖物。
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