CN104797773A - 改进的衬管悬挂器系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种改进的衬管悬挂器系统。该改进的衬管悬挂器系统包括定位在套管内的衬管悬挂器。该衬管悬挂器包括具有一个或多个钉的钉部，其中钉包括平部。一个或多个钉中的至少一个可扩张，而当钉在扩张位置时，一个或多个钉中的每个的平部与套管相接。衬管被联接到该衬管悬挂器。

Description

改进的衬管悬挂器系统

技术领域

本申请大体涉及结合地下井利用的装置以及执行的操作，更具体地涉及改进的衬管悬挂器系统。

背景技术

当执行地下操作时，典型地钻井眼并完井以利于从地下地层移走期望的原料(例如，烃)。通常，一旦钻井眼，套管可被插入井眼中。接着可以使用水泥来使套管安装在井眼中，并防止套管与井眼壁之间的环空中的流体迁移。在某些实施中，套管可以由重型钢制成。

一旦钻出井眼的上部并套管，可能期望继续钻井，并用通过井眼的上部套管部下降的衬管来使井眼的下部对齐。衬管悬挂器通常用于从先前安装的套管的下端来机械地支撑衬管的上端。另外，衬管悬挂器可用于密封衬管与套管。

传统的衬管悬挂器利用卡瓦从套管和封隔器机械地支撑衬管，以密封不同部件。目前已经开发出可扩张的衬管悬挂器(“ELH”)，比如可以从哈里伯顿能源服务集团(Halliburton Energy Services)获得的VERSAFLEX^TM，其提供了超越传统衬管悬挂器的改进。特别地，ELH利用一段可扩张油管上携带的弹性体环(例如，由橡胶制成的环)来同时提供机械支撑和流体密封。因此，一旦ELH被放置在井下套管内的期望位置，则扩张锥可被迫穿过ELH。扩张锥使ELH的弹性体环扩张，使它们与套管接触，从而同时提供套管与衬管之间的机械支撑和流体密封。

通常期望在较大尺寸的套管(例如，具有在大约5.5英寸到大约22英寸之间的直径的套管)和/或井下高压高温(“HPHT”)环境中使用ELH。但是，ELH的弹性体环的性质经常易受到压力和温度的影响变化。因此，高压高温HPHT环境会对ELH提供机械支撑和/或密封衬管与套管的能力有不利影响。当衬管被安装在大套管中时的情况下，这些不利影响变得更加明显。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，可获得对本发明及其优点更全面的理解，在附图中相同的附图标记指示相同的特征。

图1是根据现有技术的衬管悬挂器系统的剖视图。

图2是根据本申请的示例性实施例的衬管悬挂器系统的剖视图。

图3是根据本申请的另一示例性实施例的衬管悬挂器的钉(spike)的截面图。

虽然已经描绘并描述了本申请的实施例，并参照本申请的示意性实施例限定，但是这样的参照并不暗示着对本申请的限制，而且不能推测这样的限制。如得益于本申请的相关领域技术人员将想到的，公开的主题能够对形式和功能进行相当修改、变更以及等价替换。本申请所描绘和描述的实施例只是一些示例，并不是本申请的范围的全部。

具体实施方式

本申请大体涉及结合地下井使用的装置以及执行的操作，更具体地涉及改进的衬管悬挂器系统。

以下详细描述了本申请的示例性实施例。为了清楚，本说明书中没有描述实际实施的全部特征。当然应理解，在任何这种实际实施例的发展中，必须作出许多特定实施的决定来实现开发者的特定目标，比如遵守关于系统或关于商业的限制条件，这在各实施之间将是不同的。另外，将理解，这种开发努力可能复杂且耗时，但是尽管如此，对于得益于本申请的本领域普通技术人员而言是需进行的惯例。

为了有助于更好地理解本申请，给出了以下某些实施例的示例。以下示例不应该以任何方式被解读为限制或限定本申请的范围。本申请的实施例可适用于在任何类型的地层中的水平、竖直、倾斜或其它非线性井眼。实施例可以适用于注入井以及生产井，包括烃井。根据某些实施例的设备和方法可以在一个或多个测井电缆、随钻测量(MWD)以及随钻测井(LWD)操作中使用。根据本申请的某些实施例可为单程衬管设定和钻探组件作准备。

本文使用的术语“联接”旨在意味着间接或直接的连接。因此，如果第一设备联接到第二设备，那么连接可以经过直接连接，或者经由其它设备和连接的间接电连接或机械连接。本文使用的术语“井眼”指的是为了开采或提取自然资源(例如像烃)而钻入地层的任何孔。本文使用的术语“井上(uphole)”意味着从远端沿着钻柱或孔朝向地表，而本文使用的“井下(downhole)”意味着从地表沿着钻柱或孔朝向远端。

应理解，术语“油井钻井装置”或“油井钻井系统”并不旨在用那些术语将使用描述的装置和过程限于钻油井。这些术语通常还包含钻天然气井或烃井。另外，这种井可以用于有关从地下回收烃或其它原料的生产、监测或注入。这还可以包括旨在提供热能源而不是烃的地热井。实施例可以适用于注入井以及生产井，包括烃井。

图1示出根据现有技术的ELH。如图1所示，可通过地层12钻出井眼10。接着套管14可以放置在井10的上部16中并且通过注入套管14与井10的上端16之间的水泥18来保持位置。

在套管14下方，井眼10的下部20可通过套管14钻出。下部20可以具有比上部16小的直径。一段衬管22被示出为位于下部20内。衬管22可以用于使下部20对齐或套管，和/或钻出下部20。如果期望，水泥可以放置在衬管22与井眼10的下部20之间。衬管22可以借助工作管柱24安装在井眼10中。工作管柱24可以包括能释放的夹头(未示出)，由此当衬管22被放置在井眼中时，可以通过该夹头支撑和旋转衬管22。

衬管悬挂器26附接到衬管22的上端，或形成为衬管22的整体部分，衬管悬挂器26可以包括许多环形密封件28。虽然为了说明性的目的描绘了三个密封件28，但是可以使用任何数量的密封件28。抛光的孔眼连接座(borereceptacle)或回接连接座(tie back receptacle)30可以被联接到衬管悬挂器26的上端。在一个实施例中，抛光的孔眼连接座30可以由螺纹接头32联接到衬管悬挂器26，但是在其它实施例中可以利用不同的联接机构。抛光的孔眼连接座30的内孔眼可以是光滑的，且机加工到精密公差以允许工作管柱、生产油管等以不透水、耐压的方式连接到衬管22。例如，工作管柱可以借助抛光的孔眼连接座30来连接，并用于向下泵送高压的压裂流体至井眼10的下部20，不使套管14暴露于压裂压力。

衬管22的外径尽可能大，同时能够穿过套管14使衬管22下降是期望的。抛光的孔眼连接座30和衬管悬挂器26的外径与衬管22的直径差不多相同也是期望的。在下钻条件下，衬管悬挂器26的外径由环形密封件28的外径来限定。在下钻条件下，衬管悬挂器26的本体和筒体34的外径约减去密封件28的厚度，以便使密封件的外径大约与衬管22和回接连接座30的外径相同。

在这个实施例中，第一扩张锥36和第二扩张锥38可以被承载于恰好在衬管悬挂器26的减小直径本体34的上方的工作管柱24上。应用于工作管柱24与衬管悬挂器26之间的流体压力可以用于驱动锥36、38向下穿过衬管悬挂器26，以使本体34扩张到迫使密封件28密封并支撑接触套管14的外径。第一扩张锥36可以是实心的或固定直径的锥，其具有小于螺纹接头32的内径33的固定外径。在下钻条件下，第二扩张锥38可以具有大于第一锥36且还大于螺纹接头32的内径33的外径。在实施例中，第二扩张锥38可折叠，也就是说，当需要从衬管悬挂器26收回第二扩张锥38时，其直径可以减小到小于螺纹接头32的内径33。在一些环境中，第二扩张锥38可以被称为可折叠的扩张锥。在衬管悬挂器26扩张之后，扩张锥36、38可以从衬管悬挂器26通过抛光的孔眼连接座30收回，且与工作管柱24一起离开井眼10。

典型的密封件28由弹性体元件(例如，橡胶)制成，如上述讨论的该弹性体元件可能由于暴露于高温和高压井下环境而易于退化。根据本申请的实施例，密封件28可被一个或多个金属钉替换。图2示出包括改进的衬管悬挂器26’的系统的剖视图，其中根据本申请的示例性实施例的钉202已经替代密封件28。这些钉202可以是金属钉。金属钉可以由任何合适等级的钢、铝、任何可延展材料以及这些的组合制成。在某些实施中，钉可以由一种或多种所述材料的组合制成。在某些实施例中，钉202可以由AISI4140钢或AISI4340钢制成。在某些实施中，每个钉202可以是在期望的轴向位置沿着衬管悬挂器26’的外周边延伸的圆环。但是，本申请并不限于钉202的这个具体构造。例如，在某些实施例中，钉202可以沿着衬管悬挂器26’的轴向方向延伸。另外，在某些实施中，不同的钉202可以具有不同的表面几何形状，而不背离本申请范围。特别地，第一钉可以在沿着衬管悬挂器26’的第一轴向位置处沿着衬管悬挂器26’的外周边延伸，而第二钉可以在沿着衬管悬挂器26’的第二轴向位置处沿着衬管悬挂器26’的外周边延伸。

钉202可以使用本领域普通技术人员已知的任何合适方法来形成。例如，在某些实施中，钉202可以通过机加工悬挂器本体26’来形成。但是，本申请不限于机加工的钉。实际上，对于本领域一般技术人员已知的任何方法都可以用于形成钉202。例如，在某些实施中，钉202可以被形成为可以使用本领域普通技术人员已知的任何合适联接机构来联接到衬管悬挂器26’的独立结构。此外，任何数量的钉202可沿衬管悬挂器26’的轴向方向形成。沿衬管悬挂器26’的轴向方向所形成的钉202的数量可取决于很多因素，例如像期望达到的锚定载荷。

因此，每个钉202提供衬管悬挂器26’和套管14之间的金属间(metal-to-metal)的密封。在某些实施中，钉202可以具有平顶部204。与尖的钉和螺纹相反，使用带有平顶部204的钉202是有益的，这是因为平的钉202对于套管的变化的不太敏感度且比尖的钉具有更高的载荷能力。钉202可以对称地对齐，使得如图2所示，两侧上每个钉202的角度θ相同。然而，在某些实施中，相对侧的钉202的角度θ可不同，并不背离本申请的范围。本文的角度θ被称为“钉角”。在一个实施例中，选择钉角(θ)，使得在扩张之后，钉202基本上保持正交衬管悬挂器26’本体。例如，在某些实施中，钉角(θ)可以在大约30°到大约70°的范围中选择。

此外，如图2所示，尺寸δ表示钉202的平部204的宽度且在本文中被称为钉宽度(δ)。钉宽度(δ)可按期望选择，使得衬管悬挂器26’能够扩张而不会显著增大扩张压力，同时维持钉202与套管14之间的最佳接触面积。特别地，随着钉202扩张，钉的平部204与套管14的内表面相接，并最终将衬管悬挂器26’联接到套管14。钉202可使用一个或多个扩张锥以类似于结合图1的密封件28的扩张而公开的方式延伸。如图2所示，沿着衬管悬挂器26’的长度的多个钉202之间的间隔被表示为“L”。钉之间的距离(L)可以被构造为，使得由钉202所诱发的套管14的变形区被隔离了。可以选择距离(L)，以最大化每个钉的悬挂能力。本文使用的术语“悬挂能力”指的是在悬挂器被设定在套管中之后，悬挂器在不诱发悬挂器26’和套管14之间明显的相对运动的情况下所能承载的最大井下载荷(锚定载荷)。因此，在某些实施中，可能不期望钉之间距离(L)降到一定阈值以下。例如，在某些实施中，可能不期望钉之间距离(L)小于套管14的厚度的三倍。因此，钉202之间距离(L)具有最优值，其取决于很多因素，包括但不限于，悬挂器的外径(悬挂器OD)、悬挂器壁厚、套管的内径(套管ID)以及套管壁厚。另外，衬管悬挂器26’的可用长度可以限制放置于其上的钉202的数量。超过最佳值，距离(L)的增加将不再提高每个钉的悬挂能力。

钉202的高度(H)(以及它们最后的外径(OD))可被构造为具有与密封件28类似的尺寸。特别地，在某些实施中，必须选择钉的高度(H)(本文也被称为“钉高度”)，使其在上界限和下界限之间。钉高度的上界限可选择为，衬管悬挂器26’周围期望的流动面积的量和衬管悬挂器26’与套管14之间可能的橡胶压缩量的函数。相比之下，钉高度下界限可选择为，衬管悬挂器26’与套管14之间期望的橡胶压缩量的函数。另外，如果钉高度太大，则随着扩张可能破坏井下装置，而如果长钉高度太小，则不能按期望支撑衬管。高度(H)的构造可以导致钉202的显著变形以及套管明显的局部塑性变形。一旦衬管悬挂器26’的钉202扩张，则钉202和套管14的内径形成多个金属间密封。衬管悬挂器26’联接到衬管22。因此，衬管悬挂器26’的钉202为衬管22提供机械支撑。

图3示出根据本申请的另一实施的具有钉302的衬管悬挂器26”的局部截面图。钉302可以以与上述结合图2相同的方式构造。钉302可以是金属钉。在某些实施中，每个钉302可以是沿着衬管悬挂器26”的外周边延伸的圆环。钉302可以使用本领域普通技术人员已知的任何合适方法形成。例如，在某些实施中，钉302可以通过机加工悬挂器本体26”来形成。此外，任何数量的钉30可沿衬管悬挂器26”的轴向方向形成。沿衬管悬挂器26”的轴向方向形成的钉的数量可以取决于很多因素，例如像期望达到的锚定载荷。因此，每个钉302可以提供衬管悬挂器26”和套管14之间的金属间密封。

根据这个实施，密封元件可以被定位在期望位置且结合钉302来利用。例如，在某些实施中，密封元件304可以被放置在钉302上方和/或下方的衬管悬挂器26”上的轴向位置处。包含钉302的衬管悬挂器的轴向段在本文中可被称为“钉部”。在图3的示例性实施例中，第一密封元件304A和第二密封元件304B被定位在钉部的远端。在衬管悬挂器26”的长顶部的远端中的一者或两者处放置密封元件可以为系统提供冗余和压力的整体性。在当衬管悬挂器26”被导向井下时，一个或多个前引钉302被损坏的情况下，这个冗余可能是特别有利的。

密封元件304可以由任何合适的材料制成，包括但不限于，橡胶、延展性极大的金属(例如，AISI型316L不锈钢)、其他聚合材料、或本领域普通技术人员已知的任何其它挠性材料。衬管悬挂器的钉302在扩张位置，则密封元件304加固衬管22与套管14之间的密封。在安装到大尺寸套管中或具有明显内径焊缝的有损伤的套管内径时的情况下，图3的实施可能是特别有益的。

虽然图3中示出了一个密封元件304，但是受益于本申请的本领域普通技术人员将理解，在钉302之间可使用两个或多个密封元件304，而不背离本申请的范围。此外，密封元件304可以位于沿着衬管悬挂器26”的任何期望位置。例如，一个密封元件304可位于相对于钉部的井上衬管悬挂器26”的轴向位置，以及/或者一个密封元件304可位于相对于钉部的井下衬管悬挂器26”的轴向位置。在某些实施中，密封元件304可以被定位为，使得相对于密封元件304在井上和井下设置有相等数量的钉302。

当暴露于高温和/或高压的井下环境时，改进的衬管悬挂器系统(26’或26”)的金属钉202、302比传统弹性体密封件28较不易退化。此外，钉202、302的平部最小化衬管悬挂器(26’或26”)对于给定重量的套管的变化的敏感度。因此，改进的衬管悬挂器(26’或26”)提供了若干益处。它不仅仅提供改进的锚固载荷承载能力，还减少了有关使用衬管悬挂器执行操作的成本。特别地，使用金属钉弹性体密封件28减轻了在井下HTHP环境下执行地下操作所需的替换弹性体密封件28的需要。

此外，改进的衬管悬挂器(26’或26”)降低了在ELH扩张期间，挤压长弹性体超出标准保持器钉的可能性。特别地，随着衬管悬挂器26”的扩张，钉302和密封元件304也移动直到它们触碰套管14的内径“ID”。随着衬管悬挂器26”的扩张继续，由于衬管悬挂器26”、套管14的内壁以及位于密封元件的两个相对侧端的钉302应用于密封元件304的压力，使得密封元件304沿着衬管悬挂器26”的轴线被压缩并沿着衬管悬挂器26”的周边被拉伸。因此，随着密封元件304被压缩，其最终将溢出位于其侧端的钉302。但是，由于钉302也被衬管悬挂器26”拉出，所以它们切断了密封件元304的溢出部，并且密封元件的新压缩体积被陷在衬管悬挂器26”和套管14之间。

此外，使用衬管悬挂器(26’或26”)的可扩张钉(202、302)优于使用传统机械机构，例如像测量悬挂器。特别地，在某些实施中，可扩张钉提供了一简单、单件机构，其在套管和衬管之间形成可靠且牢固的密封并且支撑衬管。此外，钉(202、302)的使用在套管14的内径不完整的应用中提供了牢固的密封。

因此，一旦在地下操作中钻井眼，可以使用本领域普通技术人员已知的方法和系统进行套管。例如，套管可以被下入井眼中并用水泥固定位置。联接根据本申请的实施的衬管悬挂器的衬管可以通过套管下入井下。一旦衬管到达井下期望位置，则沿着衬管悬挂器的周边延伸的金属钉扩张。一旦金属悬挂器扩张，钉的平部与套管的内表面形成金属间密封。

虽然，附图描绘了本申请的具体导向的实施例，但是本领域技术人员应理解，本申请的实施例适于在各种导向使用。另外，本领域技术人员应理解，使用的方向术语(比如之上、之下、上、下、向上、向下等)是关于附图中所描绘的示例性实施例所使用的，向上的方向是朝向相应附图的顶部，而向下方向是朝向相应附图的底部。

因此，本申请很好地适应于实现所提及的目的和优势，以及其中内在的那些目的和优势。上述公开的具体实施例仅仅是示例性的，本申请可以对于受益于本申请教授内容的本领域技术人员明显的不同但等同方式进行修改和实践。此外，除了以下权利要求书中所描述的，不旨在限制本文所示的构造或设计的细节。因此，明显的，上述公开的具体示例性实施例可以被更改或修改，并且所有这样的变化均被认为在本申请的范围和精神内。而且，除非专利权人明确且清晰地限定，否则权利要求书中的术语具有它们平义的、通常的含义。权利要求书中使用的不定冠词“一”或“一个”在本文被定义为表明一个或多于一个具体文章介绍的元件；而随后使用的定冠词“所述”不旨在否定这个含义。

Claims (20)

1.一种执行地下操作的系统，包括：

衬管悬挂器，定位在套管中，

其中所述衬管悬挂器包括具有一个或多个钉的钉部，其中所述钉包括平部，

其中所述一个或多个钉中的至少一个是能扩张的，以及

其中当所述钉在扩张位置时，所述一个或多个钉中的每个的平部与所述套管相接；以及

衬管，联接到所述衬管悬挂器。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个钉沿着所述衬管悬挂器的外周边延伸。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个钉由选自铝、钢以及其组合组成的组中的材料制成。

4.根据权利要求1所述的系统，其中扩张所述一个或多个钉使所述衬管悬挂器联接到所述套管。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个钉的钉高度选自钉高度上界限和钉高度下界限之间的值。

6.根据权利要求1所述的系统，还包括密封元件，其中所述密封元件被定位在所述钉部的远端。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述密封元件选自橡胶、聚合材料以及可延展金属组成的组。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个钉包括位于沿所述衬管悬挂器的第一轴向位置的第一钉，以及位于沿所述衬管悬挂器的第二轴向位置的第二钉。

9.在地下地层中，将衬管联接到套管井眼的套管的方法，包括：

将衬管悬挂器联接到所述衬管，

其中所述衬管悬挂器包括具有第一金属钉的钉部；

使所述衬管和所述衬管悬挂器通过所述套管下入井下；以及

扩张所述第一钉，

其中扩张第一钉使所述衬管悬挂器联接到所述套管。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一钉的钉高度选自钉高度上界限和钉高度下界限之间的值。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括密封元件，其中所述密封元件被定位在所述钉部的远端。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述钉部还包括第二金属钉，其中所述第一金属钉位于沿所述衬管悬挂器第一轴向位置，而所述第二金属钉位于沿所述衬管悬挂器的第二轴向位置。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一金属钉通过机加工形成。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一金属钉由选自铝、钢以及其组合组成的组中的材料制成。

15.在套管中支撑衬管的系统，包括：

衬管悬挂器，联接到所述衬管；

第一金属钉和第二金属钉，在所述衬管悬挂器的钉部上形成，

其中所述第一金属钉和第二金属钉沿着所述衬管悬挂器的外周边延伸，

其中所述第一金属钉位于沿所述衬管悬挂器的第一轴向位置，而所述第二金属钉位于沿所述衬管悬挂器的第二轴向位置，以及

其中扩张所述第一金属钉和第二金属钉中的至少一个使所述衬管联接到所述套管。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一金属钉和第二金属钉的钉高度选自钉高度上界限和钉高度下界限之间的值。

17.根据权利要求15所述的系统，还包括密封元件，其中所述密封元件位于所述钉部的远端。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述密封元件选自橡胶、聚合材料以及可延展金属组成的组。

19.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一金属钉和第二金属钉中的至少一个通过机加工形成。

20.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一金属钉和第二金属钉中的至少一个由选自铝、钢以及其组合组成的组中的材料制成。