CN107849908B - 井下随钻时密封钻杆周围环空的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种井下随钻时密封钻杆周围环空的方法包括：在钻杆上提供井下随钻时紧缩的封隔器；使用球启动阀打开通向封隔器的一个或多个端口；以及循环钻井液经所述一个或多个端口使所述封隔器膨胀，从而在钻杆周围的环空中形成密封。也提供了执行该方法的装置。

Description

井下随钻时密封钻杆周围环空的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种井下随钻时密封钻杆周围环空的方法和装置，无论是在套管井还是裸眼井中。

背景技术

在撰写本文时，在不使用各种复杂的电子装置、电池驱动的装置或有线管的情况下，没有商业用途的工具以允许在钻井过程中将钻井完全地或部分地密封在裸眼井中。

X Drilling Tools生产一种名为LossMaster^TM的工具，该工具包括钻柱锚和封隔器，所述钻柱锚和封隔器在钻杆和套管之间，而不是裸眼井中，密封。该工具使用球启动滑动使工具锚定至套管，并且然后使用重量来扩大封隔器。

此外，在填充水泥时膨胀的外部套管封隔器(ECPs)，已知用在生产过程中而不是在钻井时隔离套管和井眼之间的区域。

传统技术也不允许在设置时与密封件上方和下方的各工具/传感器进行通信。

因此，本发明的一个目的是提供有助于解决上述问题的在井下随钻时密封钻杆周围环空的方法和装置，即使放置在随钻测量(MWD)脉冲发生器和/或涡轮机的上方，也可以提供从封隔器/密封元件的下方的压力测量。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种井下随钻时密封钻杆周围环空的方法，包括：

在钻杆上提供井下随钻时的紧缩的封隔器；

用球启动阀打开一个或多个端口通向所述封隔器；以及

循环钻井液经所述一个或多个端口使所述封隔器膨胀，由此在钻杆周围环空中形成密封。

因此，本发明的各实施方式提供了一种简单且便宜的用于井下随钻密封钻杆周围的环空的方法。该方法可用于在问题出现时迅速解决问题，例如，由于漏失、侵入(即闯入)或两井段间的交叉流。特别地，该方法可用于在狭窄的操作窗口范围内显著改善钻井时的井控情况。

实际上，当钻井时，该方法可用于在需要的时候快速地且容易地部署临时屏障或栓塞于井筒中，以便适当地评估井情况并作出关于是采取补救措施还是永久废弃井的决定。

有利地，该方法可以用于裸眼井，因为它不需要在安装封隔器之前锚定钻杆。该方法也仅涉及一种被容易地操作的简单的机械启动阀，在钻井液进行循环时，由于一个或多个球可以与钻井液一起穿过钻杆下落。此外，使用钻井液(其将已经作为钻井过程的一部分在钻杆中循环)以液压地使封隔器膨胀增加该方法的速度和效率。另外，该方法以实现使钻杆的钻孔基本上打开以进入井下。这允许通信或控制电缆可以不受阻碍地继续穿过钻孔。可选地，电缆可以安置入封隔器的区域内的钻杆/工具的壁内。

该方法可以进一步包括在封隔器已经膨胀之后关闭所述的一个或多个端口的步骤。关闭所述一个或多个端口的步骤可以包括使用球启动阀。这可以是不同于前面提到的另一个球启动阀或者可以进一步使用相同的球启动阀—在这种情况下，该步骤可以包括增加球启动阀上的压力。这样，可以设置单个球启动阀来打开和关闭在封隔器上的一个或多个端口。

提供在钻杆上的井下随钻时紧缩的封隔器的步骤可以包括提供在钻杆上的工具，所述工具包括容纳封隔器的一个或多个端口并支撑所述封隔器的外部本体；和构成球启动阀的内部套筒。所述套筒可以包括横向阀座，所述横向阀座具有配置成接收一个或多个球的一个或多个孔，和其中具有至少一个缝隙的纵向本体，所述纵向本体与工具本体中的一个或多个端口对正以使封隔器膨胀。工具本体可以包括位于封隔器上游的一个或多个另外的端口，以允许流入封隔器上方的环空。

打开通向封隔器的一个或多个端口的步骤可以包括将一个或多个球落入钻杆中，以使一个或多个球位于阀座中的一个或多个孔中。然后所述方法可以包括增加阀座上方的压力(例如：通过增加进入钻杆的钻井液的流速，或者由于套筒中的各横向孔被球关闭而自然发生)以迫使套筒在工具本体内向下游移动。当套筒体中的至少一个缝隙与工具本体中的一个或多个端口对正时，将引起通过钻杆循环的钻井液由于压差流入封隔器而使封隔器膨胀。一旦封隔器膨胀，在阀座上方和下方的压力梯度可能导致套筒在工具本体内进一步向下游移动，以在工具本体中封闭封隔器的一个或多个端口和/或打开在封隔器上游的一个或多个另外的端口，以允许流体进入封隔器上方的环空。另外地或可替代地，移动套筒以封闭通向封隔器的端口并打开通向环空的端口可以通过一个或多个另外的球的下落激发。一个或多个另外的球可以具有与最初的一个或多个球不同的尺寸(例如，另外的球/多个球可以更大)。

该方法可以进一步包括测量封隔器上游和/或下游的压力。可以使用已知的各传感器来测量压力。

有利地，球启动阀可以由多个相对小的球(即，当与钻杆的直径比较时)启动，因为与大球相比，这些可以更容易地与钻井液穿过钻杆循环。更具体地，使用小球将允许通道穿过工具，例如可以位于封隔器上游的随钻测量(MWD)工具。

在一些实施方式中，诸如MWD工具或随钻测井(LWD)工具的测量工具可位于封隔器的下游。在这种情况下，启动球启动阀所需的一个或多个球不需要穿过测量工具，也因此一个或多个球的尺寸不会相应地受到限制(因此，例如，可以使用单个大球)。然而，在这种情况下，希望设置穿过钻杆并从测量工具到地面的通信和/或控制通道。相应地，本工具(封隔器)可以包括在其中穿过(例如，通过工具的钻孔或内置在工具的壁中)的通信和/或控制通道。

在一些实施方式中，根据本发明的第一方面，可以布置并可以启动两个或多个封隔器。在这种情况下，可以在两个或多个封隔器之间设置测量工具(例如，MWD工具)。

可以设置单向阀(例如“浮子”)以密封钻杆的钻孔。单向阀可以位于封隔器的上游。

钻杆可以被配置成使位于封隔器上游的顶部部分可以被断开并且被拉出钻孔。顶部部分的断开可以通过进一步增加钻杆中的压力或者通过使用另外的球启动阀(例如使用更大的球)来实现。向上至并包括封隔器的底部钻具组合(BHA)可以留在钻孔中并且水泥关井。

可能希望紧缩或破坏封隔器(例如，一旦井情况在控制之下)。这可以通过改变封隔器区域中的压力梯度或通过破坏封隔器(例如：通过拉动或旋转钻柱)来进行。一旦封隔器被紧缩/破坏，钻井可以继续和/或钻杆(包括BHA)可以被拉至地面。

封隔器可以位于距钻头最多约20m远。

根据本发明的第二方面，设置了一种用于在井下随钻密封钻杆周围环空的装置，包括：

支撑封隔器并容纳通向封隔器的一个或多个端口的外部本体；以及

内部套筒，包括：横向阀座，具有一个或多个孔，所述孔被配置成接收一个或多个以球启动的球；和其中具有至少一个缝隙的纵向本体，当启动时，所述至少一个缝隙与外部本体中的一个或多个端口对正以使封隔器膨胀。

外部本体可以包括位于封隔器上游的一个或多个另外的端口，以允许流体进入封隔器上方的环空。

该装置可以包括穿过其中的通信和/或控制通道(例如，通过外部本体的钻孔或内置在外部本体的壁中)。

该装置可以包括单向阀(例如“浮子”)以密封钻杆的钻孔。

该装置可以包括断开机制，该机制被配置成将该装置与钻杆断开。

本发明的装置可以被认为是钻柱封隔器子或钻杆封隔器工具。

附图说明

通过实施例的方式，现在将参照附图描述本发明的具体实施方式，在附图中：

图1展示了根据本发明的第一实施例，在第一位置设置有在井下随钻时密封钻杆周围环空的装置的井筒纵向部分剖面视图；

图2展示了在所述装置已经被移动至第二位置以使封隔器膨胀之后的图1中的井筒；

图3展示了在所述装置已经被移动至第三位置以密封膨胀的封隔器之后的图2中的井筒；

图4展示了根据本发明的第二实施例，在第一位置设置有井下随钻密封在钻杆周围环空装置的井筒纵向部分剖面视图；

图5展示了在所述装置已经被移动至第二位置以使封隔器膨胀之后的图4中的井筒；以及

图6展示了在所述装置已经被移动至第三位置以密封膨胀的封隔器之后的图5中的井筒。

具体实施方式

参看图1、图2和图3，展示了根据本发明的第一实施例的井下随钻时密封钻杆14周围环空12的方法和装置/工具10。本方法包括在井下随钻时在钻杆14上提供紧缩的封隔器16，如图1所示；使用球启动阀20打开通向封隔器16的各端口18，并循环钻井液22以通过各端口18使封隔器16膨胀，由此在钻杆14周围的环空12里形成密封，如图2所示。本方法进一步包括在封隔器膨胀后封闭通向封隔器16的各端口18，并打开另外各端口24以允许流体进入在封隔器16上方的环空12，如图3所示。

图1更详细地展示了在第一位置的装置10，其中，未布置封隔器16且钻探正在进行中。装置10包括外部本体26，所述外部本体支撑封隔器16并容纳各封隔器端口18和各环空端口24。球启动阀20由包含横向阀座28的内部套筒组成，所述横向阀座28包括各孔30，所述孔30被配置成接收用于球启动的球32(见图2和图3)。阀20也包括纵向本体34，所述纵向本体其中具有缝隙36，当启动时，所述缝隙能够与外部本体26上的各封隔器端口18对正以使封隔器16膨胀。

在图1中所示的位置中，钻井液22(例如钻井泥浆)被允许循环穿过钻杆14的全长，因为钻井液可以流经阀座28中的未堵塞的各孔30。

图2展示了在第二位置的装置10，在各球32已经落下以充填各孔30之后，并且由于来自上方的增加的压力，阀20已经向下移动，直至各缝隙36同各封隔器端口18对正。然后利用钻井液22使封隔器16膨胀以扩大封隔器16，以使在钻杆14和井眼的裸眼38之间形成密封。在本实施例中，封隔器16可以通过来自阀座28之下的环空或钻杆14的现有钻井液22膨胀，或者可以增加阀座28上方的压力以在阀座28上施加剪切力并通过阀20重新获得循环。可选地，阀座28可以设置在阀20的底部，在各缝隙36以下。

一旦封隔器16膨胀，系统压力升高以将阀20移位至更低的位置以封闭各封隔器端口18并由此保持封隔器16充分地膨胀，如图3所示(即：由于各缝隙36不再与各封隔器端口18对正)。此外，本步骤将套筒本体34移动到工具本体26中的所述的另外的端口24之下，以使钻井液22可以在钻杆14中向下循环并从封隔器16上方出来进入环空12中。在本位置，由于封隔器16密封环空且阀座28密封钻杆14的钻孔，封隔器16的下方的井眼被有效密封。

图4、图5和图6展示了本发明的第二实施方式，其与上述实施例相似，并且所以在适当的地方将使用类似的标号。图4至图6中的装置40和图1至图3的装置的主要不同是阀座28’的位置和配置。在第二实施方式中，阀座28’设置在阀体34的下游端并配置为接收单个大球32’(注意在阀座28’中相应的孔在各图中未显示)。

如上所述，在图4至图6中展示的方法包括在钻杆14上提供井下随钻时的紧缩的封隔器16，如图4所示。然后球32’落入阀座28’中，并在对位于阀座28’上方的钻杆14升压之后，封隔器16上的各端口18被打开(通过与阀体34中的各缝隙36对正)。然后钻井液22循环通过各缝隙36和各端口18以使封隔器16膨胀，由此在钻杆14周围的环空12中形成密封，如图5所示。本方法进一步包括在使封隔器已经膨胀之后(通过向下移动各缝隙36)，封闭在封隔器16上的各端口18，并打开在工具本体26上的另外的端口24，以使流体进入在封隔器16上方的环空12中，如图6所示。

尽管未在任何具体实施方式中展示，如果希望的话，装置10、40可以从钻杆14的上部断开以允许上部被移除且井眼被注入水泥封闭。可选地，封隔器16可以在使用后被破坏或者紧缩以使钻井继续。此外，将要理解的是，在本发明的各实施方式中，控制和/或通信通道可以被设置穿过装置10、40(例如，建在外部本体26的壁中)以使在封隔器以下的压力可以被测量并传至地面。

在此公开的方法和装置可以通过下列编号的段落进一步说明。

1.一种井下随钻时密封钻杆周围环空的方法，包括：

在钻杆上设置井下随钻的紧缩的封隔器；

用球启动阀在所述封隔器上打开一个或多个端口；以及

循环钻井液穿过所述一个或多个端口使所述封隔器膨胀，由此在钻杆周围的环空中形成密封。

2.根据段落1所述的方法，进一步包括在封隔器膨胀后关闭所述一个或多个端口的步骤。

3.根据段落2所述的方法，其中，关闭所述一个或很多端口的步骤包括使用球启动阀。

4.根据段落3所述的方法，其中，设置单个球启动阀以打开和关闭通向所述封隔器的一个或多个端口。

5.根据任何以上段落所述的方法，其中，在钻杆上提供井下随钻时的紧缩的封隔器的步骤包括：在钻杆上设置工具，所述工具包括外部本体以容纳通向封隔器的一个或多个端口并支撑所述封隔器；和构成球启动阀的内部套筒。

6.根据段落5所述的方法，其中，套筒包括横向阀座，所述横向阀座具有一个或多个孔，所述孔被配置成接收一个或多个球，和纵向本体，所述本体其中具有至少一个缝隙，所述缝隙与在本体上的一个或多个端口对正以使封隔器膨胀。

7.根据段落5或段落6所述的方法，其中，工具本体包括位于封隔器的上游的一个或多个另外的端口以允许流体进入封隔器上方的环空。

8.根据段落6或段落7所述的方法，包括使一个或多个球落在阀座上并增加阀座上方的压力以迫使套筒在本体内向下游移动以打开通向封隔器的一个或多个端口。

9.根据段落7所述的方法，包括在封隔器已经膨胀之后，使用在阀座上方和下方的压力梯度，以引起套筒在工具本体内进一步向下游移动以关闭通向封隔器的一个或多个端口和/或在工具本体中打开在封隔器的上游的一个或多个另外的端口，以允许流体进入封隔器上方的环空。

10.根据任何以上段落所述的方法，进一步包括测量封隔器上游和/或下游的压力。

11.根据任何以上段落所述的方法，其中，球启动阀由复数个球启动并且每个球的直径小于钻杆的钻孔一半的直径。

12.根据任何以上段落所述的方法，其中，设置通信和/或控制通道穿过钻杆从测量工具到地面。

13.根据任何以上段落所述的方法，其中，以根据段落1所述的方式，两个或多个封隔器被安置并被启动。

14.根据段落13所述的方法，其中，测量工具设置在两个或多个封隔器之间。

15.根据任何以上段落所述的方法，其中，在封隔器上游，单向阀被设置以密封钻杆的钻孔。

16.根据任何以上段落所述的方法，包括断开并移除钻杆的顶部部分，该顶部部分位于封隔器的上游。

17.根据任何以上段落所述的方法，包括在使用后紧缩或破坏封隔器。

18.一种井下随钻密封钻杆周围环空的装置，包括：

外部本体，支撑封隔器并容纳通向封隔器的一个或多个端口；以及

内部套筒，其包括横向阀座，所述横向阀座具有一个或多个孔，所述孔被配置为接收一个或多个球以球启动，和纵向本体，所述纵向本体其中具有至少一个缝隙，当启动时，所述缝隙与外部本体中的一个或多个端口对正以使封隔器膨胀。

19.根据段落18所述的装置，其中，外部本体包括一个或多个另外的端口位于封隔器的上游，以允许流体进入封隔器上方的环空。

20.根据段落18或段落19所述的装置，包括通信和/或控制通道穿过其中。

21.根据段落18至段落20任何一个所述的装置，包括单向阀以封闭外部本体的钻孔。

22.根据段落18至段落21任何一个所述的装置，包括断开机制，所述机制被配置以将装置从钻杆上断开。

本领域的技术人员将理解：不脱离权利要求所限定的本发明的范围，可以对上述各实施方式进行各种修改。此外，在一个实施方式中描述的特征可以与在另一个实施方式中描述的特征混合和匹配。

Claims (18)

1.一种井下随钻时密封钻杆周围环空的方法，包括：

在外部本体上提供在井下随钻时紧缩的封隔器；

用球启动阀打开通向所述封隔器的一个或多个端口，其中所述打开包括将所述球启动阀的内部套筒的一个或多个端口与配置在外部本体上的一个或多个端口对正；

循环钻井液经所述配置在外部本体上的一个或多个端口使所述封隔器膨胀，由此在钻杆周围的环空中形成密封；以及

将内部套筒移动至配置在外部本体中的位于封隔器上方的一个或多个另外的端口的下方，并循环钻井液经所述配置在外部本体中的位于封隔器上方的一个或多个另外的端口进入封隔器上方的环空内。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在封隔器膨胀后关闭所述配置在外部本体上的一个或多个端口的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，关闭所述配置在外部本体上的一个或多个端口的步骤包括使用球启动阀。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，设置单个球启动阀以打开和关闭配置在外部本体上的通向所述封隔器的一个或多个端口。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在外部本体上提供在井下随钻时紧缩的封隔器的步骤包括：在钻杆上设置工具，该工具包括外部本体以容纳配置在外部本体上的通向封隔器的一个或多个端口并支撑封隔器；和构成球启动阀的内部套筒。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，套筒包括横向阀座，所述横向阀座具有配置成接收一个或多个球的一个或多个孔，和纵向本体，所述纵向本体其中具有至少一个缝隙，所述缝隙能够与配置在外部本体上的一个或多个端口对正以使封隔器膨胀。

7.根据权利要求6所述的方法，包括使一个或多个球落在阀座上，并增加阀座上方的压力以迫使套筒在工具内向下游移动，以打开配置在外部本体上的通向封隔器的一个或多个端口。

8.根据权利要求1所述的方法，包括在封隔器已经膨胀之后，使用在阀座上方和下方的压力梯度，以引起套筒在外部本体内进一步向下游移动以关闭配置在外部本体上的通向封隔器的一个或多个端口和/或打开配置在外部本体中的位于封隔器上方的一个或多个另外的端口，以允许钻井液流入封隔器上方的环空。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括测量封隔器上游和/或下游的压力。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，球启动阀被复数个球启动，并且每个球的直径小于钻杆的钻孔直径的一半。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，设置通信和/或控制通道穿过钻杆从测量工具到地面。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，在封隔器上游，单向阀被设置以密封钻杆的钻孔。

13.根据权利要求1所述的方法，包括断开并移除钻杆的顶部部分，该顶部部分位于封隔器的上游。

14.根据权利要求1所述的方法，包括在使用后紧缩或破坏封隔器。

15.一种井下随钻时密封钻杆周围环空的装置，包括：

外部本体，其支撑封隔器并容纳通向封隔器的一个或多个端口；

内部套筒，其包括横向阀座，所述横向阀座具有配置为接收一个或多个球以实现球启动的一个或多个孔，和纵向本体，其内具有至少一个缝隙，所述缝隙与外部本体中的一个或多个端口对正以使封隔器膨胀；以及

所述外部本体容纳外部本体中的位于封隔器上方的一个或多个另外的端口，用以当内部套筒被移动至所述外部本体中的位于封隔器上方的一个或多个另外的端口下方时循环钻井液使之流入封隔器上方的环空内。

16.根据权利要求15所述的装置，包括穿过钻杆从测量工具到地面的通信和/或控制通道。

17.根据权利要求15所述的装置，包括单向阀，用以封闭钻杆的钻孔。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的装置，包括断开装置，其被配置成将装置从钻杆上断开。

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