CN105370241B - 一种用于弃井的随钻封隔装置和方法 - Google Patents

一种用于弃井的随钻封隔装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于弃井的随钻封隔装置和方法。该装置包括丢手机构和封隔机构,丢手机构包括与钻柱的钻铤连接的上接头,以及与上接头可拆卸式连接的下接头,封隔机构包括与下接头连接的中心管、两端密封式套接在中心管的外壁上的胶筒,以及形成于中心管与胶筒之间的憋压腔,其中,憋压腔能接受来自中心管的内腔的流体而使胶筒径向膨胀以封隔钻柱与井筒的环空间隙,丢手机构的上接头和下接头构造成在环空间隙被封隔之后彼此脱开。当井下出现溢流时,此装置能迅速对钻柱与井筒之间的环空进行封隔,控制溢流物的上返。并且在封隔后能实现上部钻柱与封隔机构的脱开,有利于将上部钻柱提出井筒。

Description

一种用于弃井的随钻封隔装置和方法
技术领域
[0001] 本发明属于油田井下工具技术领域,具体涉及一种用于弃井的随钻封隔装置和方 法。
背景技术
[0002] 随着油气勘探开发领域的扩展,钻井地质环境越来越复杂,可能存在地层压力不 稳定、钻井液密度窗口窄、喷漏同存等复杂情况,十分难以处理。特别是在探井作业中,当井 下出现严重复杂情况时,需要在钻井途中或者结束后进行临时性或永久性弃井,以便于进 行后续作业。
[0003] 目前,在钻井过程中的弃井作业中经常采用注水泥塞回填井眼至侧钻点的方式。 但是这种方式存在许多缺点,例如:工序复杂,作业时间长,大大地延长了钻井周期;作业时 效差,无法做到随钻快速处理,因而溢出物易导致井筒污染,增加了后续处理的难度和成 本;注水泥对泥浆污染严重,大幅度增加了泥浆维护成本;井壁残留的水泥在后续钻井作业 中易发生掉块而造成卡钻事故。尤其是在大斜度井中,由于井斜较大,易形成泥浆滞留区, 水泥顶替效果差,水泥塞封堵效果差等复杂问题。
[0004] 因此,提供结构简单、便于操作、安全可靠并可以大幅提高作业时效,以降低钻井 成本的用于弃井的随钻封隔装置成为了急需解决的技术问题。
发明内容
[0005] 为了解决上述部分或全部技术问题,本发明的目的是提供一种用于弃井的随钻封 隔装置和方法。该装置可以作为钻柱的一部分被下放到井筒中。当井下出现溢流时,该装置 的胶筒可以迅速地对钻柱与井筒之间的环空通道进行封隔,控制溢流物的上返。并且该装 置能实现在封隔后将上部钻柱与封隔机构脱开。由此,根据本发明的装置在不影响正常的 钻井作业的情况下,能实现安全快速地弃井。
[0006]根据本发明的一方面,提出了一种用于弃井的随钻封隔装置。装置包括:
[0007] 丢手机构,丢手机构包括与钻柱的钻铤连接的上接头,以及与上接头可拆卸式连 接的下接头,
[0008] 封隔机构,封隔机构包括与下接头连接的中心管、两端密封式套接在中心管的外 壁上的胶筒,以及形成于中心管与胶筒之间的憋压腔,
[0009] 其中,憋压腔能接受来自中心管的内腔的流体而使胶筒径向膨胀以封隔钻柱与井 筒的环空间隙,丢手机构的上接头和下接头构造成在环空间隙被封隔之后彼此脱开。
[0010] 在一个实施例中,上接头设置有沿轴向向下延伸的弹性爪,在弹性爪上设置径向 向内的承载体以与设置在下接头的外壁上的承载槽配合,从而将下接头悬挂在上接头上, 在弹性爪的外壁上设置能限制承载体位于承载槽内的液缸,液缸构造为在流体作用下轴向 移动,以让出弹性爪,从而使承载体移出承载槽内。
[0011] 在一个实施例中,在下接头的外壁上设置有外花键,在弹性爪上设置有用于与花 键配合的键槽。
[0012] 在一个实施例中,液缸通过第一剪切销固定在下接头的外壁上。
[0013] 一个实施例中,在中心管上设置用于连通憋压腔的单向阀,以及用于控制单向阀 开启和关闭的开启阀和关闭阀。
[0014] 在一个实施例中,使开启阀和关闭阀启动的压力值小于使第一剪切销剪断的压力 值。
[0015] 在一个实施例中,在胶筒的上、下两端分别设置径向向外突出的第二扶正环和第 三扶正环,第二扶正环和第三扶正环的外径均大于胶筒的外径。
[0016] 在一个实施例中,在液缸的上端设置径向向外突出的第一扶正环,液缸位于第一 扶正环和第二扶正环之间,其中,第一扶正环和第二扶正环的外径均大于液缸的外径。
[0017] 在一个实施例中,装置还包括设置在封隔机构的下游的胶塞座,胶塞座构造为能 与外投式胶塞复合以封堵钻柱的流体通道。
[0018] 根据本发明的另一方面,提供了一种使用上述装置来进行弃井的方法,包括以下 步骤:
[0019] 步骤一:将装置连接于钻铤与钻头之间,并下放入井;
[0020] 步骤二:当井下出现溢流的情况时,在钻杆中投入胶塞,并进行杲送使胶塞下行与 设置在封隔机构的下游的胶塞座复合,封堵钻柱的流体通道;
[0021] 步骤三:继续栗压,中心管内的压力提高使胶筒径向膨胀以封隔钻柱与井筒的环 空间隙;
[0022]步骤四:中心管内的压力继续提高,推动丢手机构的液缸运动,使上接头与下接头 脱开;
[0023] 步骤五:将上部钻柱提出井口。
[0024] 本申请中,用语“上”“下”以装置的实际工作方向为参考。
[0025]与现有技术相比,本发明包括以下优点。此装置可安装在钻柱上,在正常钻进的情 况下,仅作为钻柱的一部分。当井下出现溢流时,通过胶筒径向膨胀能迅速对钻柱与井筒之 间的环空进行封隔,控制溢流物的上返。从而避免了现有技术的弃井工序复杂,作业时间差 等问题,能做到随钻快速处理,避免井筒污染。并且在封隔后,通过将上接头与下接头脱开 而实现上部钻柱与封隔机构的脱开,有利于将上部钻柱提出井筒,降低了后续处理成本。从 而采用此装置在不影响正常钻井作业时,能安全快速地进行弃井作业。
附图说明
[0026]在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
[0027] 图1显示了根据本发明的一种用于弃井的随钻封隔装置的结构;
[0028] 图2显不了丢手机构的结构;
[0029] 图3显示了封隔机构的结构;
[0030]图4显示了液缸下移后的丢手机构的结构;以及 [0031]图5显示了胶塞的结构。
[0032]在附图中,相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
[0033]下面将结合附图对本发明做进一步说明。
[0034]图1显示了根据本发明的一种用于弃井的随钻封隔装置1〇〇的结构。如图1所示,装 置100包括丢手机构2和设置在丢手机构2下游的封隔机构3。装置100作为钻柱50—部分连 接于钻铤1和钻头5之间,在正常钻进的情况下,装置100仅作为钻柱50的一部分,起到连接 钻铤1和钻头5的作用。在井下出现溢流时,封隔机构3可迅速地对井筒51与钻柱50之间的环 空通道进行封隔,控制溢流物的上返。在封隔之后可以利用丢手机构2使钻铤1与封隔机构3 脱开,并将钻柱50的上部分能提出井筒51之外。由此使用装置1〇〇能实现安全快速地弃井作 业。
[0035]如图2所示,丢手机构2包括上接头6,以及与上接头6可拆卸式连接的下接头8。在 一个实施例中,上接头6设置有沿轴向向下延伸的用于悬挂下接头8的弹性爪9。弹性爪9的 下端具有径向向内延伸的承载体91。在下接头8的与承载体91相对应的位置设置承载槽81, 承载体91能嵌入到承载槽81中并与之配合。在弹性爪9的外壁上套接有液缸11。在正常钻进 过程中,液缸11套接在弹性爪9的外壁上,用于限制承载体91位于承载槽81内,并且承载体 91不能径向移动,从而阻止上接头6和下接头8相互脱离。在井下出现溢流并且封隔机构3封 隔钻柱50与井筒51的环空间隙后,液缸11在流体作用下能轴向下移,让出弹性爪9,使承载 体91能由承载槽81移出,从而消除上接头6和下接头8的悬挂关系。
[0036] 根据本发明,如图4所示,在弹性爪9上设置有键槽92,其位于承载体91的上游。相 对应地,在下接头8的外壁上设置有径向向外的花键82,其能与键槽92配合。在装置100下入 到井筒中后,钻头5旋转,由于花键82与键槽92配合,使装置100作为钻柱50的一部分随钻头 5旋转,即能传递正常钻进时的扭矩。例如,弹性状9可构造为由上接头6向下延伸出来的沿 周向布置的齿93。承载体91设置在齿93的最下端处。而齿93周向之间的缝隙形成了多个键 槽92。从而,在下接头8的外壁上周向设置有多个花键82与键槽92配合,以更好地实现上接 头6和下接头8之间的同步转动。
[0037]如图2所示,在下接头8的侧壁上设置传压孔83,用于连通下接头8的内腔和液缸 11。通过第一剪切销10将液缸11固定在下接头8的外壁上。当流体由传压孔83进入液缸11, 在压力作用下,剪断第一剪切销10后,使得液缸11能够下移,从而将弹性爪9让出。由于装置 100需要先封隔钻柱50与井筒51的环空间隙,再实现上接头6和下接头8的脱开以丢手。因 此,使第一剪切销10剪断的压力值要大于封隔机构3安全坐封的压力值。
[0038]如图3所示,封隔机构3包括与下接头8连接的中心管17、两端密封式套接在中心管 17的外壁上的胶筒19,以及形成于中心管17与胶筒19之间的憋压腔20。其中,憋压腔20能接 受来自中心管17的内腔的流体而使胶筒19径向膨胀以封隔钻柱50与井筒51的环空间隙。为 了保证憋压腔20的轴向两端的密封性,在胶筒19的上下两端分别设置密封箍18。密封箍18 压接胶筒19的上下两端并套接在中心管17的外壁上。
[0039]封隔机构3还包括设置在中心管17的下游的接头22。在接头22上设置用于连通憋 压腔2 〇的单向阀2 4,以及用于控制单向阀2 4开启和关闭的开启阀2 3和关闭阀2 5。当中心管 17内的液体压力达到使开启阀23打开的设定值时,流体能通过单向阀24进入憋压腔20,促 使胶筒19径向膨胀,从而封隔钻柱5〇与井筒51的环空间隙。当憋压腔20内的压力达到关闭 阀25的设定值时,关闭阀25启动将单向阀24关闭。此时,胶筒19坐封结束,中心管17内的流 体压力对憋压腔20内的压力无任何影响,保证了安全坐封。
[0040] 如图1所示,在液缸11的上游设置径向向外突出的第一扶正环94,并在液缸11的下 游设置径向向外突出的第二扶正环95,液缸11位于第一扶正环94和第二扶正环95之间,第 一扶正环94和第二扶正环95的外径大于液缸11的外径。优选地,第一扶正环94设置在上接 头6的外壁上,而第二扶正环95设置在下接头8的外壁上。因此,第一扶正环94和第二扶正环 95在校正装置100与井筒51的对中度的同时,能起到保护液缸11的作用,防止液缸11与井筒 51剐蹭而移动导致的上接头6和下接头8提前脱开。同理地,在胶筒19的下游还设置第三扶 正环96,从而胶筒19设置在第二扶正环95和第三扶正环96之间,并且第二扶正环95和第三 扶正环96的外径要大于胶筒19的外径。第二扶正环95和第三扶正环96在保证装置100的在 井筒51中居中度的同时,保护胶筒19不因剐蹭而破坏。在第一扶正环94、第二扶正环95和第 三扶正环96均开有旋流槽97,用于液体在井筒51内的更好的流通。
[0041]如图1所示,装置100还包括设置在封隔机构3的下游的胶塞碰压短节4。胶塞碰压 短节4与封隔机构3的接头22连接。在胶塞碰压短节4的内腔中设置用于与外投式胶塞28复 合的胶塞座41,其中,胶塞28的结构图在图5中示出。在井下出现溢流状况时,可向钻柱50内 投入胶塞28,胶塞28下行,与胶塞座41碰压后,堵塞钻柱50内部流体通道,用于憋压启动封 隔机构3和丢手机构2。
[0042]在传压孔83处设置丝堵12,防止在正常钻进过程中,下接头8内的液体由传压孔83 进入,引起第一剪切销1 〇剪断而引起的液缸11下行,如图2所示。同理,在开启阀23处设置堵 头21,用于防止正常的钻进过程中,开启阀23提前动作而引起的胶筒17提前坐封,如图3所 不。
[0043]如图2所示,在下接头8的上端设置钻杆螺纹84。在下接头8与上接头6脱开后,可下 入打捞工具与钻杆螺纹84配合将下部钻柱50起出。此结构简单,有助于简单方便地将下部 钻柱50起出。
[0044]需要注意的是,丢失机构2、封隔机构3和胶塞碰压短节4可采用本申请中描述的分 体式结构,使得便于生产制造,同时有利于后期维护。例如,在某一部分出现问题时,能将其 快速拆卸下来并更换或维修。但是,丢失机构2、封隔机构3和胶塞碰压短节4不限于此种分 体式结构,还可以采用上下游位置关系不变但两两整体式或全部整体式结构。例如,封隔机 构3和胶塞碰压短节4为一体化结构,胶塞座41可设置在接头22上,如图1所示。
[0045]为了保证连接方便,同时有利于加工、安装以及后期维护。在钻铤1与上接头6连接 处、下接头8与中心管17的连接处、中心管17与接头22的连接处,接头22与胶塞碰压短节4的 连接处,以及胶塞碰压短节4与钻头5的连接处均采用螺纹连接。需要特别说明的是,丢失机 构2、封隔机构3和胶塞碰压短节4为分体式结构,如果在组装过程中,出现有两者不能连接 或不能连接到位的情况,可增加中间连接结构。例如,下接头8与中心管17的螺纹不匹配,导 致两者不能连接到一起,因此在两者中间设置了变丝接头14以将两者连接在一起。
[0046]需要注意地是,本申请中并不限于外投胶塞28以实现堵塞钻柱50的流体通道。还 可以采用其他结构,例如,可以采用投球方式以堵塞钻柱50的流体通道。则在接头22的下端 内腔中可设置与所投的球相匹配的球座。
[0047]下面根据图1到5详细描述利用装置1〇〇进行弃井的方法。
[0048] 首先,将装置100连接到钻柱50上,使装置100的上接头6与钻柱50的钻铤1连接,胶 塞碰压短节4与钻柱50的钻头5连接。并将钻柱50下放到井筒51中,进行正常钻进。
[0049]当钻遇溢流层,井口有返出物时,上提钻柱50至合适位置。将胶塞28投入钻柱50的 内腔中,连接泥浆泵或水泥车,栗送胶塞28下行,胶塞28在下行过程中,先后打断丢手机构2 的丝堵12和封隔机构3的丝堵21。当压力表示数上升超过第一压力值时(例如5MPa),判断胶 塞28已与胶塞座41复合碰压。从而钻柱50内的流体通道被堵塞。
[0050]继续向钻柱50内栗送流体,憋压至第二压力值(例如9MPa)时,流体进入开启阀23, 当压力达到启动开启阀23的设定值时,开启阀23打开,使单向阀24与憋压腔20连通,液体从 中心管17内经过单向阀24进入憋压腔20内,使胶筒19径向膨胀与井壁51紧密接触形成密 封。当憋压腔20内的压力达到关闭阀25的设定值时,关闭阀25启动将单向阀24关闭。此时憋 压腔20相对外界密封,中心管17内压力的大小对憋压腔20内的压力无任何影响,实现安全 坐封。
[0051]记录钻柱50的悬重,缓慢上提钻柱50进行封隔机构3的验封,当指重表示数超过自 由悬重一定值(例如5吨)时,判断封隔机构3坐封完毕。
[0052]下放钻柱50,当指重表示数小于自由悬重一定值(例如5吨)左右时,钻柱50内继^ 憋压。流体由传压孔83进入液缸11,当液缸11内的压力至第三压力值(35MPa)左右,第一剪 切销10被剪断,从而在压力作用下,液缸11下行将弹性爪9让出,弹性爪9的承载体91由承载 槽81位置脱开,上接头6与下接头9脱开,丢手机构2丢手成功。若栗压表指示有明显下降,可 初步判断丢手机构2丢手成功,停栗,缓慢上提钻柱50。若钻柱50悬重不增加,泵冲无变化泵 压下降,表面上接头6与下接头9脱开。
[0053]继续上提钻柱50将上接头6与钻铤1 一起提出井筒51。
[0054]综上,利用本发明实现了对钻井过程中产生的溢流进行及时有效地封隔,有利于 井下复杂情况的快速处理,为后续作用减少难度,降低了钻井成本。同时,装置1〇〇结构简 单,作业时效性好,操作简单,并能达到非常好的封隔效果。
[0055]虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述,但在不脱离本发明的范围的情况 下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公 开的特定实施例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1. 一种用于弃井的随钻封隔装置,其特征在于,包括: 丢手机构,所述丢手机构包括与钻柱的钻铤连接的上接头,以及与所述上接头可拆卸 式连接的下接头, 封隔机构,所述封隔机构包括与所述下接头连接的中心管、两端密封式套接在所述中 心管的外壁上的胶筒,以及形成于所述中心管与所述胶筒之间的憋压腔, 其中,所述憋压腔能接受来自所述中心管的内腔的流体而使所述胶筒径向膨胀以封隔 钻柱与井筒的环空间隙,所述丢手机构的所述上接头和所述下接头构造成在环空间隙被封 隔之后彼此脱开, 在所述中心管上设置用于连通所述憋压腔的单向阀,以及用于控制所述单向阀开启和 关闭的开启阀和关闭阀, 使所述开启阀和所述关闭阀启动的压力值小于使第一剪切销剪断的压力值。
2. 根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述上接头设置有沿轴向向下延伸的弹性 爪,在所述弹性爪上设置径向向内的承载体以与设置在所述下接头的外壁上的承载槽配 合,从而将所述下接头悬挂在所述上接头上,在所述弹性爪的外壁上设置能限制所述承载 体位于所述承载槽内的液缸,所述液缸构造为在流体作用下轴向移动,以让出所述弹性爪, 从而使所述承载体移出所述承载槽内。
3. 根据权利要求2所述的装置,其特征在于,在所述下接头的外壁上设置有外花键,在 所述弹性爪上设置有用于与所述花键配合的键槽。
4. 根据权利要求2所述的装置,其特征在于,在所述胶筒的上、下两端分别设置径向向 外突出的第二扶正环和第三扶正环,所述第二扶正环和所述第三扶正环的外径均大于所述 胶筒的外径。
5. 根据权利要求4所述的装置,其特征在于,在所述液缸的上端设置径向向外突出的第 一扶正环,所述液缸位于所述第一扶正环和所述第二扶正环之间,其中,所述第一扶正环和 所述第二扶正环的外径均大于所述液缸的外径。
6. 根据权利要求1所述的装置,其特征在于,在所述封隔机构的下游设置胶塞座,所述 胶塞座构造为能与外投式胶塞复合以封堵所述钻柱的流体通道。
7. —种使用根据权利要求1到6中任一项所述的装置来进行弃井的方法,包括以下步 骤: 步骤一:将所述装置连接于所述钻铤与所述钻柱的钻头之间,并下放入井; 步骤二:当井下出现溢流的情况时,在钻杆中投入胶塞,并使所述胶塞下行与设置在所 述封隔机构的下游的胶塞座复合,从而封堵所述钻柱的流体通道; 步骤三:提高所述中心管内的压力使所述胶筒径向膨胀以封隔所述钻柱与所述井筒的 环空间隙; 步骤四:继续提高所述中心管内的压力,通过所述丢手机构的液缸来使所述上接头与 所述下接头脱开; 步骤五:将上部钻柱提出井口。
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