CN108119107B - 衬管吊架设置工具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种在内部设置有套管柱的井筒中使用的衬管安装系统。所述系统包括具有衬管吊架和衬管顶部的衬管柱以及具有膨胀锥体组件和定位筒的设置工具。在将所述衬管柱穿过所述套管柱送入使得至少所述衬管吊架定位在所述井筒套管内之后，将所述设置工具穿过所述套管柱送入直到所述定位筒接触所述衬管顶部。此后，轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱使所述衬管吊架径向膨胀成与所述套管柱接触。

Description

衬管吊架设置工具及其使用方法

本申请是申请人为哈利伯顿能源服务公司、申请日为2013年12月5日、申请号为201380080500.4、发明名称为“衬管吊架设置工具及其使用方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开总体上涉及结合关于地下井执行的操作所利用的设备，并且具体地涉及用于将预先定位的衬管柱安装在地下井筒中的套管柱内的衬管吊架设置工具。

背景技术

在不限制本发明范围的情况下，例如参考构建地下井描述本发明背景。

在常规的实践中，石油或天然气井的钻探涉及形成穿过许多地下地层的井筒。出于各种原因，优选地密封井所穿过的每个地层。例如，避免来自地层的地层流体、气体或材料进入井筒中或者对于进入地层的井筒流体的不期望的通道是重要的。此外，通常需要将生产地层与彼此以及与非生产地层隔离。

因此，常规井结构通常包括井筒内安装的套管。除了提供密封功能，套管还提供井筒稳定性以抵抗诸如压缩力、地震力和构造力的地层的地质力学，从而防止井筒壁坍塌。通常由水泥层将套管固定在井筒内，所述水泥层填满套管外表面与井筒壁之间的环形空间。例如，一旦套管柱在井中位于其所需位置，水泥泥浆通过套管内部泵送，围绕套管下端并向上进入环形空间中。在利用水泥泥浆充分填充围绕套管的环形空间之后，水泥泥浆允许硬化，从而支撑套管并形成基本上不可渗透的阻隔层。

在标准实践中，在层段中钻探井筒，其中在钻探下一个层段之前，将套管安装在每个层段中。因此，放置在井筒中的每个后续套管柱当与先前安装的套管柱相比时通常具有减小尺寸的外径。具体地，待安装在下井筒层段中的套管必须穿过先前安装在上井筒层段中的套管柱。在一种方法中，每个套管柱从表面向井下延伸，使得每个套管柱的仅仅下部分邻近井筒壁。可替代地，井筒套管柱可包括一个或多个衬管柱，所述衬管柱未延伸到井筒表面，而是通常从先前安装的套管的底端附近向下延伸到井筒的不加套管的部分中。在这种安装中，衬管柱可通过在衬管柱的井口端部附近定位的衬管吊架设置或悬吊。

发明内容

为了更完全地理解本公开的特征和优点，现参考具体实施方式连同附图，其中不同附图中的对应数字是指对应部分，并且其中：

图1是根据本公开的实施方案的在地下井筒中安装衬管柱期间的近海石油和天然气平台的示意图；

图2A-图2E是根据本公开的实施方案的在插入衬管柱之前在地下井筒中运行的衬管吊架设置工具的连续轴向部分的截面视图；

图3A-图3E是根据本公开的实施方案的位于地下井筒中的衬管吊架的衬管顶部上的衬管吊架设置工具的连续轴向部分的截面视图；

图4A-图4E是根据本公开的实施方案的在地下井筒中的衬管吊架膨胀之后的衬管吊架设置工具的连续轴向部分的截面视图；

图5是根据本公开的实施方案的用于衬管吊架设置工具的定位筒的截面视图；以及

图6A-图6B是根据本公开的实施方案的在顶部挤压水泥操作之后在插入衬管柱之前在地下井筒中运行的衬管吊架设置工具的连续轴向部分的截面视图。

具体实施方式

尽管下文详细讨论了各种系统、方法和其他实施方案，但是应理解，本公开提供能够在各种各样的特定背景下体现的许多适用的发明概念。本文讨论的特定实施方案仅仅是说明性的，并不界定本公开的范围。

在第一方面，本公开涉及一种用于在被设置在井筒内的套管柱中安装衬管柱的方法。所述方法包括将衬管柱定位在井筒中，所述衬管柱包括衬管吊架和衬管顶部；将衬管柱穿过套管柱送入，使得至少将衬管吊架定位在井筒套管内；在将衬管柱穿过套管柱送入之后，将设置工具定位在井筒中，所述设置工具具有膨胀锥体组件和定位筒；将设置工具穿过套管柱送入；使衬管顶部与定位筒接触；轴向移动膨胀锥体组件穿过衬管柱以使衬管吊架径向膨胀成与套管柱接触；并且将设置工具从井筒中取出。

所述方法还可以包括在轴向移动膨胀锥体组件穿过衬管柱之前将设置工具锚定在衬管柱内；机械致动与设置工具可操作地关联的锚定组件；液压致动与设置工具可操作地关联的锚定组件；相对于定位筒液压移动与膨胀锥体可操作地关联的活塞；通过将延伸穿过定位筒的至少一个旁通口暴露至液压移动活塞的操作流体来限定膨胀锥体组件的整个行程；轴向移动膨胀锥体组件穿过衬管柱用于衬管吊架的初级膨胀；轴向移动膨胀锥体组件穿过衬管柱用于衬管吊架的再膨胀；在将设置工具定位在井筒中和/或将衬管吊架锚定和密封在套管柱内之前，从衬管顶部向下用水泥胶结衬管柱的至少部分。

在第二方面，本公开涉及用于内部设置有套管柱的井筒的衬管安装系统。所述系统包括具有衬管吊架和衬管顶部的衬管柱以及具有膨胀锥体组件和定位筒的设置工具。在将衬管柱穿过套管柱送入使得至少衬管吊架定位在套管柱内之后，将设置工具穿过套管柱送入直到定位筒接触衬管顶部。此后，轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱使所述衬管吊架径向膨胀成与所述套管柱接触。

在一些实施方案中，设置工具可包括锚定组件，所述锚定组件在将膨胀锥体组件轴向移动穿过衬管柱之前可操作来将设置工具锚定在衬管柱内。在这些实施方案中，锚定组件可以是机械致动的锚定组件、液压致动的锚定组件等。在某些实施方案中，膨胀锥体组件可包括活塞，所述活塞可操作为响应于液压而相对于定位筒进行轴向移动。在各种实施方案中，定位筒可包括至少一个旁通口，所述至少一个旁通口当其暴露至液压时可操作来限定膨胀锥体组件的整个行程。在一个实施方案中，与套管柱接触的衬管吊架的径向膨胀可以是衬管吊架的初级膨胀。在另一个实施方案中，与套管柱接触的衬管吊架的径向膨胀可以是衬管吊架的再膨胀。在某些实施方案中，在将设置工具穿过套管柱送入之前可从衬管顶部向下将水泥定位在衬管柱与套管柱之间。在具体实施方案中，与套管柱接触的衬管吊架的径向膨胀可引起将衬管吊架锚定和密封在套管柱内。

首先参考图1，可从示意性示出并且通常指定为10的近海石油或天然气平台部署用于将衬管柱安装在地下井筒中的设置工具。半潜式平台12在位于海底16下方的沉没的油气地层14上方居于中心处。海底管道18从平台12的甲板20延伸到包括防喷器24的井头装置22。平台12具有用于升高和降低管柱(诸如工作柱36)的起重设备26、井架28、游动滑车30、钩子32和转环34。

已在穿过包括地层14的各种地球岩层的部分中钻探井筒38。套管柱40由水泥42固定在井筒38的上部部分内。本文使用的术语“套管”指示可操作来定位在井筒中以提供井筒稳定性的管柱。套管可以具有对本领域技术人员已知为“衬管”的类型，并且可由诸如钢或复合材料的任何材料制成。套管可以是接合管柱或连续管柱。从套管柱40向井下延伸到井筒38的下部部分中的是衬管柱44，所述衬管柱44在其上端处包括衬管吊架46和衬管顶部48。在示出的实施方案中，衬管柱44预先定位在井筒38中但是尚未安装或未完全安装在套管柱40内。例如，衬管柱44可能已在包括设置组件的常规送入工具上向井下送入，但是由于某种原因，设置组件操作中的操作或故障未能成功地设置衬管吊架46，使得没有建立所需的锚载荷和/或密封。可替代地，衬管柱44可能已在不包括设置组件的送入工具上向井下送入，使得例如可执行顶部挤压水泥操作。不论衬管吊架46未完全安装的原因如何，设置工具50随后已在工作柱36上向井下送入。一旦设置工具50已合适地接触衬管顶部48，设置工具50的膨胀锥体组件的轴向移动可操作来使衬管吊架46径向膨胀成与套管柱40接触，优选地将衬管吊架46锚定和密封在套管柱40内。此后，可从井筒38中取出设置工具50。在其中先前设置操作失败的情况下，设置工具50的操作可认为是衬管吊架46的再膨胀操作。在其中没有尝试先前设置操作的情况下，设置工具50的操作可认为是衬管吊架46的初级膨胀操作。

尽管图1描绘安装在倾斜井筒中的衬管柱，但是本领域技术人员应理解，本系统同样非常适用于具有其他取向的井筒，包括垂直井筒、水平井筒、偏斜井筒等。因此，本领域技术人员应理解，使用的诸如上方、下方、上、下、向上、向下、井上、井下等方向术语当它们在附图中描绘时关于说明性实施方案来使用，向上的方向朝向对应附图顶部，并且向下的方向朝向对应附图底部，井上方向朝向井表面，井下方向朝向井趾部。同样，尽管图1描绘近海作业，本领域技术人员应理解，本系统同样非常适合用在陆上作业中。

接着参考图2A-图2E，其中描绘了包括衬管吊架设置工具的井系统，所述衬管吊架设置工具定位在具有设置在其中的衬管柱的通常指定为100的套管柱中。如图2C-图2D中最佳所示，衬管柱102已预先定位但是未设置在套管柱40中。衬管柱102可包括任何数量的大致管状部分，所述管状部分优选地由螺纹联接在一起的接合管件形成。在示出部分中，衬管柱102包括具有多个弹性元件的衬管吊架104，所述多个弹性元件描绘成可操作来接合套管柱40的内表面从而当衬管吊架104膨胀时与其建立密封和锚定关系的橡胶元件106。衬管吊架104包括锥体接收件108和衬管顶部110。衬管吊架104还可包括其他元件，诸如可操作来将配对工具接合或接收在其中的闩锁轮廓112。

设置在套管柱40内并且部分设置在衬管柱102内的是衬管吊架设置工具120。设置工具120包括多个大致管状构件，所述管状构件可称为一起配合以形成贯穿延伸的中心孔124的管状心轴子组件122。管状心轴子组件122包括上部本体126，所述上部本体126在其上端处可螺纹且密封联接到工作柱的其他部件。上部本体126螺纹联接到上部心轴组件128，所述上部心轴组件128螺纹联接到包括一个或多个流体通道132的交叉心轴组件130，所述一个或多个流体通道132以虚线描绘因为它们未在示出的截面中。交叉心轴组件130在其下端处螺纹联接到中间心轴组件134。心轴联接件136将中间心轴组件134螺纹连接到下部心轴组件138。下部心轴组件138螺纹联接到下部本体140，所述下部本体140在其下端(诸如锚定组件142)处可螺纹且密封联接到工作柱的其他部件。

通常定位在上部心轴组件128和交叉心轴组件130之间的是液压连通组件144，所述液压连通组件144包括球座146和流体路径148，所述流体路径148与交叉心轴组件130的流体通道132流体连通。设置工具120包括多个大致管状构件，所述管状构件可以称为管状外壳子组件150。外壳子组件150包括上部外壳组件152，所述上部外壳组件152螺纹联接到中间外壳组件154，所述中间外壳组件154继而螺纹联接到下部外壳组件156。下部外壳组件156螺纹联接到定位筒158。如图5中最佳所示，定位筒158包括多个旁通口160，所述多个旁通口160围绕定位筒158的径向减小部分162设置。另外，定位筒158包括锥形前端164，所述锥形前端164有助于设置工具120当到达井筒限制物(诸如衬管顶部110)时通过设置工具120的旋转来穿过此类限制物的通行。定位筒158还包括凸肩166，所述凸肩166可操作为不继续式衬管顶部110。

设置工具120具有膨胀锥体组件180，所述膨胀锥体组件180包括可滑动且密封地接收在中间心轴组件134与定位筒158之间的活塞182。膨胀锥体组件180还包括驱动套筒184、支撑环186、支撑套筒188、膨胀锥体190和座192。膨胀锥体190具有截头圆锥形，所述截头圆锥形具有小于衬管吊架104的内径的最小外径和大于衬管吊架104的内径的最大外径。膨胀锥体190可接收在衬管吊架104的锥形接收器108中，其中衬管吊架104在还未径向膨胀的情况下其内径足够大以接受膨胀锥体190，如图3C中最佳所示。驱动套筒184最初由描绘成剪切螺钉192的一个或多个易碎构件固定到心轴联接件136。

在操作中并且另外参考图3A-图3E和图4A-图4E，设置工具120用于将衬管柱102安装在套管柱40中。在示出的实施方案中，衬管柱102在先前送入到井筒中时已预先定位在套管柱40中，使得衬管吊架106设置在套管柱40的下部部分内。例如，可能需要将衬管柱102预先定位在套管柱40中以允许顶部挤压水泥操作将水泥194放置在衬管柱102与套管40之间，如图6A-图6B中最佳所示。可替代地，由于与衬管柱102相关联的常规送入和设置操作的失败，可将衬管柱102预先定位在套管柱40中。在任何情况下，在将衬管柱102预先定位在套管柱40中之后，设置工具120可在工作柱36或其他运输工具上送入井筒中。当下入井筒中时，定位筒158的锥形前端164有助于设置工具120当到达井筒限制物(包括衬管顶部110)时通过旋转设置工具120来穿过此类限制物的通行。如在比较图2C和图3C中最佳所示，当设置工具120进入衬管柱102时，衬管顶部110与定位筒158之间存在紧密间隙。锥形前端164使得设置工具120能够合适地对准和定位在衬管柱102内，从而使得设置工具120能够插入衬管柱102内直到凸肩166接触衬管顶部110，如图3C中最佳所示。

一旦设置工具120合适地位于衬管柱102内，可通过对内部通道124内的流体加压、机械地通过例如工作柱36的旋转、或者通过将设置工具120固定在衬管柱102内的其他装置来液压地设置锚定组件142，如图3E中最佳所示。可将描绘成球196的插塞元件部署到井筒中以使得能够进行设置工具120并且具体地是膨胀锥体组件180的液压操作。如图3A中最佳所示，一旦球196接合球座146，通过液压连通组件144的流体路径148在内部通道124与交叉心轴组件130的流体通道132之间建立流体连通。在这种配置中，来自表面的流体压力可通过工作柱36施加至设置工具120的内部通道124。在球196阻塞内部通道124的情况下，流体压力进入液压连通组件144的流体路径148并引导至交叉心轴组件130的流体路径132。流体压力随后在作用于活塞182的上表面之前进入心轴子组件122与外壳子组件150之间的腔室198。最初，由作用于活塞198上的流体压力产生的井下力由将驱动套筒184固定到心轴联接件136的剪切螺钉192抵消。然而当由作用于活塞198上的流体压力产生足够的力时，剪切螺钉192会损坏，从而允许膨胀锥体组件180与心轴子组件122之间的相对移动。

为了使衬管吊架104膨胀，膨胀锥体组件180由作用于活塞198上的流体压力向井下驱动，使得膨胀锥体190行进通过衬管吊架104以使衬管吊架104径向膨胀且塑性变形。在某些情况下，膨胀锥体190的大小可以设定成使衬管吊架104径向膨胀且塑性变形，使得将衬管吊架104的外径按压成与套管柱40抓握且密封接合，如图4C-图4D中最佳所示。在示出的实施方案中，衬管吊架104包括多个周向密封件106，所述多个周向密封件106促进与套管柱40的抓握和密封接合。当活塞182充分进入定位筒158的径向减小部分162时，使膨胀锥体组件180和膨胀锥体190停止向井下行进，使得旁通口160暴露于内部通道124内的压力。在这种配置中，压力进入设置工具120与套管柱40之间的环形空间并行进至表面以提供成功设置衬管吊架104的信号。一旦膨胀锥体190完成其行进通过衬管吊架104并使衬管吊架104径向膨胀成与套管柱40的所需抓握与密封接合，可通过由工作柱36施加负载和/或转矩释放锚定组件142来使设置工具120与衬管柱102脱离接合。此后，可利用工作柱36将设置工具120取出到表面。

本领域技术人员应理解，本文描述的说明性实施方案不意图具有限制意义。本领域技术人员在参考本公开之后将清楚明白说明性实施方案以及其他实施方案的各种修改和组合。因此，随附权利要求书意图涵盖任何这类修改或实施方案。

Claims (20)

1.一种用于将衬管柱安装在被设置在井筒内的套管柱中的方法，所述方法包括：

将所述衬管柱定位在所述井筒中，所述衬管柱包括衬管吊架和衬管顶部；

将所述衬管柱穿过所述套管柱送入，使得至少将所述衬管吊架定位在所述套管柱内；

在将所述衬管柱穿过所述套管柱送入之后，将设置工具定位在所述井筒中，所述设置工具具有膨胀锥体组件和定位筒；

将所述设置工具穿过所述套管柱送入；

使所述衬管顶部与所述定位筒接触；

轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱以使所述衬管吊架径向膨胀成与所述套管柱接触；以及

将所述设置工具从所述井筒中取出，

其中，在轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱以使所述衬管吊架径向膨胀成与所述套管柱接触期间，所述定位筒与所述衬管顶部保持接触。

2.如权利要求1所述的方法，其还包括在将所述膨胀锥体组件轴向移动穿过所述衬管柱之前将所述设置工具锚定在所述衬管柱内。

3.如权利要求2所述的方法，其中将所述设置工具锚定在所述衬管柱内还包括机械致动与所述设置工具可操作地关联的锚定组件。

4.如权利要求2所述的方法，其中将所述设置工具锚定在所述衬管柱内还包括液压致动与所述设置工具可操作地关联的锚定组件。

5.如权利要求1所述的方法，其中轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱还包括相对于所述定位筒液压移动与所述膨胀锥体组件可操作地关联的活塞。

6.如权利要求5所述的方法，其还包括通过将延伸穿过所述定位筒的至少一个旁通口暴露至液压移动所述活塞的操作流体来限定所述膨胀锥体组件的整个行程。

7.如权利要求1所述的方法，其中轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱以使所述衬管吊架径向膨胀成与所述套管柱接触还包括所述衬管吊架的初级膨胀。

8.如权利要求1所述的方法，其中轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱以使所述衬管吊架径向膨胀成与所述套管柱接触还包括所述衬管吊架的再膨胀。

9.如权利要求1所述的方法，其还包括在将所述设置工具定位在所述井筒中之前，从所述衬管顶部向下用水泥胶结所述衬管柱的至少部分。

10.如权利要求1所述的方法，其中轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱以使所述衬管吊架径向膨胀成与所述套管柱接触还包括将所述衬管吊架锚定和密封在所述套管柱内。

11.一种在内部设置有套管柱的井筒中使用的衬管安装系统，所述系统包括：

衬管柱，所述衬管柱具有衬管吊架和衬管顶部，其中所述衬管柱被穿过所述套管柱送入以使至少所述衬管吊架位于所述套管柱中；以及

设置工具，所述设置工具具有膨胀锥体组件和定位筒；

其中，在将所述衬管柱穿过所述套管柱送入使得至少所述衬管吊架定位在所述套管柱内之后，将所述设置工具穿过所述套管柱送入直到所述定位筒接触所述衬管顶部；

其中，轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱使所述衬管吊架径向膨胀成与所述套管柱接触；以及

其中，在轴向移动所述膨胀锥体组件穿过所述衬管柱以使所述衬管吊架径向膨胀成与所述套管柱接触期间，所述定位筒与所述衬管顶部保持接触。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述设置工具还包括锚定组件，所述锚定组件在将所述膨胀锥体组件轴向移动穿过所述衬管柱之前能操作来将所述设置工具锚定在所述衬管柱内。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述锚定组件还包括机械致动的锚定组件。

14.如权利要求12所述的系统，其中所述锚定组件还包括液压致动的锚定组件。

15.如权利要求11所述的系统，其中所述膨胀锥体组件还包括响应于液压能操作用于相对于所述定位筒的轴向移动的活塞。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述定位筒还包括至少一个旁通口，所述至少一个旁通口当其暴露至所述液压时能操作来限定所述膨胀锥体组件的整个行程。

17.如权利要求11所述的系统，其中与所述套管柱接触的所述衬管吊架的所述径向膨胀还包括所述衬管吊架的初级膨胀。

18.如权利要求11所述的系统，其中与所述套管柱接触的所述衬管吊架的所述径向膨胀还包括所述衬管吊架的再膨胀。

19.如权利要求11所述的系统，其还包括在将所述设置工具穿过所述套管柱送入之前从所述衬管顶部向下定位在所述衬管柱与所述套管柱之间的水泥。

20.如权利要求11所述的系统，其中所述衬管吊架与所述套管柱接触的所述径向膨胀还包括将所述衬管吊架锚定和密封在所述套管柱内。

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