CN110023583A - 用于密封围绕井套管的固化水泥护层中或附近的空腔的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于密封围绕地下井筒的井套管(3)的固化水泥护层(4)中或附近的空腔的方法，其包括：‑提供具有边缘扩展段(2)的扩展装置(1)，所述装置构造成随着呈未扩展构造的所述扩展段(2)上下移动穿过所述井套管(3)；‑将所述未扩展的扩展装置(1)移动到所述井套管(3)中的选定深度处；并且‑在所述选定深度处扩展所述边缘扩展段(2)，从而使选定的套管部分可塑性地扩展并将所述扩展的套管部分压入所述周围的水泥护层中，从而密封所述空腔。

Description

用于密封围绕井套管的固化水泥护层中或附近的空腔的方法

发明领域

本发明涉及一种用于密封围绕地下井筒的井套管的固化水泥护层中或附近的空腔的方法。

背景技术

美国专利4,716,965描述了一种密封方法，其中由弹性泡沫制成的柔性套筒缠绕在井套管周围，以便密封井套管和周围套管形成环中的水泥之间的任何微环。已知的套筒只可以围绕井套管布置，并且不适于包覆井套管的内表面，因为它易于损坏和从其上脱离。

在美国专利8,157,007中公开的另一种密封方法中，井衬管或套管沿其长度在若干位置处通过可膨胀气囊局部扩展，以产生层位封隔。这种已知方法的局限性是由充气囊产生的扩展力有限，使得气囊不适于至少与周围的固化水泥护层的内部部分一起扩展厚壁井套管。

用于密封围绕井套管的水泥护层的其它解决方案包括更换套管后面的水泥和/或添加额外的材料以改善环形空间中的密封。这些更换和补充水泥的技术称为“分段磨铣和固井”“射孔-清洗和固井”“射孔和挤水泥或树脂”，并且需要通过对套管进行磨铣或射孔来产生进入环形空间的通道并且涉及复杂的坑井介入，其中一些需要井场存在昂贵的钻机。这些更换或补充水泥的技术的成功率是有限的，通常介于30％至60％之间。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于密封围绕地下井筒的井套管的固化水泥护层中或附近的空腔的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供具有边缘扩展段的扩展装置，所述装置构造成随着呈未扩展构造的所述扩展段上下移动穿过所述井套管；

-将所述未扩展的扩展装置移动到所述井套管中的选定深度处；并且

-在所述选定深度处扩展所述边缘扩展段，从而将周向间隔的凹部压入所述选定的套管部分的内表面，并使所述选定且扩展的套管部分的外表面扩展到所述周围的水泥护层中，从而密封所述空腔。

在所附权利要求、摘要和附图中描述的非限制性实施例的以下详细描述中描述了所述方法以及合适的扩展装置的这些和其它特征、实施例和优点，附图中使用了描述参考数字，其是指图中描绘的相应参考数字。

不同图中的相似参考数字表示相同或相似的对象。图中描绘的和/或本说明书、摘要和/或权利要求中描述的对象和其它特征可以由本领域技术人员以不同的方式组合。

附图说明

图1示出了合适的扩展装置的实例，其中边缘扩展段处于未扩展构造；

图2示出了图1的扩展装置，其中边缘扩展段处于扩展构造；

图3是胶结井套管的纵向剖视图，其中短小部分已经通过边缘扩展段扩展并压入周围的水泥护层中；

图4是另一种合适的扩展装置的透视图；

图5是从不同视角看，图4的扩展装置的区段的放大透视图；

图6a和6b分别是图4的扩展装置的侧视图和纵向剖视图；及

图7a至7c以纵向剖视图示出了图4的扩展装置在井套管中的后续操作阶段。

具体实施方式

申请人已经发现需要一种改进且可靠的水泥护层密封方法，该方法不依赖于更换或补充套管后面的材料并且不需要穿透套管。还需要一种改进的成本有效且可靠的水泥密封方法，该方法使用已经就位的原位材料并且可以在简单的介入操作中通过坚固的工具展开，优选地不使用昂贵的钻机。此外，可能需要一种改进的水泥护层密封方法和系统，其能够扩展厚壁井套管或其它井衬管和至少一部分周围的固化水泥护层以便密封水泥护层中和附近的微环和其它空腔并克服用于密封井套管和其它井衬管周围的水泥护层的已知方法和系统的限制和缺点。

通过在选定深度处对着胶结套管扩展边缘扩展段，从而将周向间隔的凹部压入所述套管部分的内表面，所述套管部分的外表面可以局部扩展到周围的水泥护层中。令人惊讶地发现，可以密封水泥护层中的空腔。据信，硬化的水泥在因选定的套管部分局部扩展到水泥护层中所施加的应力下会表现出塑性变形。由于扩展，扩展的套管部分和周围水泥护层的外表面的至少一部分可以塑性变形。

可以永久密封空腔。至少已经发现，在松开扩展装置之后，空腔的密封仍然存在。水泥护层的塑性变形可以增强保持效果，这可能导致空腔塑性填充水泥。

空腔可以包括在固化水泥护层中和与其相邻的微环，并且在扩展步骤期间，扩展装置可以位于井筒内基本上固定的深度处。任选地，扩展选定的套管部分的步骤之后是将未扩展的扩展装置上下移动通过井筒到另一深度，在另一深度处另一选定的套管部分可以扩展以密封所述另一深度处的微环和/或其它空腔。这可以重复几次，以密封沿着井筒的长度在几个深度处的微环和其它空腔。

该方法可适当地采用扩展装置，用于密封围绕地下井筒的井套管的固化水泥护层中或附近的空腔。扩展装置适当地包括一系列周向间隔的边缘扩展段，其构造成塑性扩展选定的套管部分中的一圈周向间隔的凹部，从而将扩展的套管部分压入周围的水泥护层中，从而密封空腔。

扩展装置可以悬挂在管柱、钢丝绳或电子线，电力和任选水力和/或信号可以通过其在地球表面上在所述扩展装置和控制组件之间传输。扩展段可以在纵向上具有基本上呈V形的边缘，并且可以构造成扩展选定的套管部分，使其在纵向上具有一圈基本呈V形的凹部，该部分通过平滑地向外弯曲的凹形半扩展套管部分连接到相邻的非扩展套管部分。基本上呈V形的边缘的纵向长度可小于20cm，可选小于10cm或小于5cm。扩展装置可包括液压致动组件，其径向地扩展和收缩所述扩展段。

图1示出了扩展装置1的实施例。装置1包括边缘扩展段2，并且构造成如图1所示随着呈未扩展构造的扩展段2上下移动穿过图2和3中所示的井套管3。

图2示出了扩展装置1上方的井套管3，其中边缘扩展段2处于扩展构造。

图1和图2还显示扩展段2包括V形外边缘12和凹槽，其中嵌入了O形弹性环13，该环在局部套管扩展操作之后将扩展段2拉回到缩回模式。外边缘12可以在周向上在边缘处修圆，例如通过图1和2中所示的锥形小平面14。因此，可以避免过度的应变集中，否则当将区段2扩展到套管壁时可能会发生这种情况。

图3是井套管3的纵向剖视图，短小部分已经通过边缘扩展段2扩展并压入周围的水泥护层中4。

周向间隔的V形凹部6是V形扩展段2已径向压入井套管3中的区域。

目前提出的局部套管扩展方法和系统可用作现有井的整改和/或修复技术，其中井套管柱3(其可包括互连套管或衬管部分、井下筛管和/或其它管件)胶结在套管5或岩石内部，并且沿着井筒的长度在环形区域中通过固化、硬化水泥和套管或岩石之间的界面存在流体或气体的渗漏。

图3示出了内井套管3的任选范围的纵向间隔的环形扩展部6中的一个，其中套管3的外部压缩周围的水泥护层4，从而改善了水泥护层3和内套管3之间的粘合和密封界面7以及水泥护层4和外井套管5或岩石之间的密封界面8。对着受限的硬水泥护层4扩展内套管3而局部施加的应力使得直接在扩展环后面的受限水泥塑性变形，这导致改善的密封界面7和8。

在操作中，未扩展的扩展装置1可以下降到井筒中。未扩展的扩展装置1移动到井套管中的选定深度。这通常涉及将未扩展的扩展装置1降低到所述选定深度。扩展装置1构造成使其可以在单次调度中沿着井筒的长度按顺序执行多次挤压，并且可以容易地输送到井筒中到达目标位置。

图1还显示扩展装置1包括锥形扩展器10，其驱动边缘扩展段2抵靠并进入井套管3中，如图3所示。成形扩展器10可以适当地为刻面楔形物，其可以相对于边缘段2在纵向上移动。每个小平面都可以接触其中一个边缘扩展段2。

在径向上向外推动V形扩展段2，同时相对于套管3和扩展段2使锥形扩展器10在固定的行程长度上轴向移动，以产生预定的直径增大或施加在套管3上的预定力。

将锥形扩展器10的角度和与扩展段2匹配的接触区域设计成优化所产生的力，同时使摩擦最小化，并防止表面磨损和变形。将扩展段2的形状设计成使套管的局部挤压最大化，同时防止套管破裂和所述区段的接触区域变形。

锥形扩展器10可以由多活塞液压致动器致动，以优化所需的力、工作压力和直径限制之间的关系。

液压可以由井下液压泵和/或通过由地面上的液压泵产生的液压动力来产生，液压动力通过称为毛细管的小直径盘管传递到扩展装置。用于致动液压缸的流体可以携带并存储在扩展装置1中。

扩展装置1可以使用各种调度技术移动通过井筒，例如钢丝、电子线、盘管或连接管。用于使扩展装置1移动通过井的优选输送方法是借助于钢丝绳，在这种情况下，不需要钻机来进行调度。

使用扩展装置1的实验室测试表明：

-限制在管道之间的环形空间内的硬水泥将在应力下表现出塑性变形。

-该方法的应用使得渗漏率降低100倍并且有单个环形变形。

图4-6示出了另一种适于执行所述方法的扩展装置。在该实施例中，可扩展段以叶片22的形式体现。叶片22弹性支撑在底座圈24上。在本实施例中，叶片22和底座圈形成整体件。为了避免应力集中，可以在刀片22的边缘处远离底座圈24加工小块材料，如切口25所示。V形外边缘12设置在叶片22的另一端。底座圈24可设置有连接器装置26，以将工具固定到致动器接头(未示出)。每个叶片22还可以设置有一个或多个横向通孔16，用于将接触块固定在每个叶片22的内侧上，该接触块经优化为与内部楔形物的小平面滑动接触(内部楔形物在图7a-7c中示出)。可以替代或另外使用其它连接方式，包括焊接或粘合剂。与前一实施例相似，外边缘12可以在周向上在边缘处修圆，例如通过锥形小平面14。

现在参照图7a-7c，显示图4至图6的扩展装置在操作时处于井套管3内。在这些图中，锥形扩展器10可见，致动时，其可相对于叶片22在纵向上移动。用于移动的驱动力可以经由液压致动组件(未示出)通过液压施加。适当地，锥形扩展器10沿中心纵向心轴(未示出)滑动。锥体可以具有与接触块18滑动接合的小平面，接触块18固定在叶片内的凹部中。每个小平面适当地与一个接触块18接合。接触块18可以由与叶片22不同的材料构成。扩展锥体10可以由另一种材料构成。所有材料优选为不同等级的铬/钼/钒钢和/或铬钢。或者，可以使用其它类型的高强度耐腐蚀材料，例如镍合金。

在将处于未扩展状态的装置移动到井套管3内的选定位置之后，如图7a所示，液压系统致动，之后扩展锥体10在叶片22内移动，而叶片22又将在径向上向外弹性移动直到所述区段的V形边缘12与井套管3的内表面接合(图7b)。在扩展锥体10进一步移动时，将迫使V形边缘12进入套管3和周围的硬化水泥中，如上所述。这在图7c中示出。在扩展锥体10缩回时，叶片22将弹性缩回，直到扩展装置再次处于未扩展状态。通过适当选择叶片的长度、厚度、形状和材料，可以调节弹性特性以起作用。这样，可能不需要单独的弹簧，例如参考图1和2所述的O形弹性环13。当回到未扩展状态时，扩展装置可以从井筒中抽出或移动到井套管内的另一个位置以重复该过程。

图8说明了局部扩展套管3的优选顺序。显示的是密封操作完成后的井筒。首先，将未扩展的扩展装置移动到井套管3中的第一选定深度21，之后扩展边缘扩展段，导致周向间隔的凹部6进入选定的套管部分的内表面。选定的扩展套管部分的外表面已经扩展到周围的水泥护层4中，同时保持扩展装置基本上固定位于第一选定深度21处。在这之后将未扩展的扩展装置移动到井套管3中的第二选定深度22。在这种情况下，第二深度22比第一选定深度21更深。它不应与第一选定深度21一致。在第二选定深度22处重复扩展步骤。之后，将未扩展的扩展装置分别移动到第三和第四选定深度23和24。这些是介于所述第一选定深度21和所述第二选定深度22之间的中间深度。由此实现了，当在那里重复扩展步骤时，使中间深度处的水泥护层4中的水泥甚至更加处于应力下，因为在第一和第二深度21和22处的先前扩展步骤限制硬化水泥沿环形变形。

所述方法、系统和/或产品非常适于实现所提及的目的和优点以及其中固有的那些目的和优点。

上文所公开的特定实施例仅为说明性的，这是因为可以对得益于本文中的教示的所属领域的技术人员来说显而易见的不同但等效的方式来修改、组合和/或实践本发明。此外，除了如下面权利要求中所述之外，不希望对本文所示的构造或设计的细节进行限制。因此明显，可以改变、组合和/或修改上面公开的特定说明性实施例，并且所有这些变化都视为在所附权利要求所限定的本发明的范围内。

虽然以“包含”、“含有”或“包括”各种描述的特征和/或步骤的方式描述体现本发明的任何方法、系统和/或产品，但它们也可以“基本上由”或“由”各种描述的特征和步骤组成。

上面公开的所有数字和范围可以有一定量的变化。每当公开具有下限和上限的数值范围，则特定地公开落入所述范围内的任何数字和任何包含的范围。具体而言，本文公开的每个值范围(具有形式“约a至约b”或等效地“大约a至b”或等效地“大约a-b”)应理解为阐述包含在更宽的值范围内的每个数字和范围。

此外，除非专利权人另外明确清楚地定义，否则权利要求中的术语具有其平常的普通含义。

而且，如权利要求中所用的不定冠词“一”或“一个(种)”在本文中定义为意指其引入的元件中的一个或一个以上。

如果本说明书中的词语或术语的使用与本文通过参考引用的一个或多个专利或其它文件存在任何冲突，则应采用与本说明书一致的定义。

Claims (13)

1.一种用于密封围绕地下井筒的井套管的固化水泥护层中或附近的空腔的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供具有边缘扩展段的扩展装置，所述装置构造成随着呈未扩展构造的所述扩展段上下移动穿过所述井套管；

-将所述未扩展的扩展装置移动到所述井套管中的选定深度处；并且

-在所述选定深度处扩展所述边缘扩展段，从而将周向间隔的凹部压入所述选定的套管部分的内表面并且使所述选定且扩展的套管部分的外表面扩展到所述周围的水泥护层中，从而密封所述空腔。

2.根据权利要求1所述的方法，随后包括使所述扩展装置处于未扩展条件下，之后上下移动所述未扩展的扩展装置通过所述井筒。

3.根据权利要求2所述的方法，其中在使所述扩展装置处于未扩展条件下之后，所述空腔的密封持续。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述空腔包括在所述固化水泥护层中和/或附近的微环。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述扩展步骤期间，所述扩展装置位于所述井筒内基本上固定的深度处并且在所述选定的套管部分扩展后所述未扩展的扩展装置上下移动通过所述井筒到另一深度，在另一深度处另一选定的套管部分扩展以密封所述另一深度处的微环和/或其它空腔。

6.根据权利要求5所述的方法，其中扩展选定的套管部分并将所述未扩展的扩展装置上下移动通过所述井筒到扩展另一选定的套管部分的另一深度处的步骤重复几次以密封沿着所述井筒的长度在几个深度处的微环和/或其它空腔。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：

-将所述未扩展的扩展装置移动到所述井套管中的第一选定深度；

-在所述第一选定深度处扩展所述边缘扩展段，从而将周向间隔的凹部压入所述选定的套管部分的内表面，并使所述选定且扩展的套管部分的外表面扩展到所述周围的固化水泥护层中，同时保持所述扩展装置位于基本上固定的深度；接着：

-将所述未扩展的扩展装置移动到所述井套管中的第二选定深度，第二选定深度与所述第一选定深度不一致；

-在所述第二选定深度处重复所述扩展步骤；接着：

-将所述未扩展的扩展装置移动到所述井套管中介于所述第一选定深度和所述第二选定深度之间的一个或多个选定中间深度；并且

-在每个所述选定中间深度处重复所述扩展步骤。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述扩展段在纵向上具有基本上呈V形的外轮廓，并且被构造为扩展所述选定的套管部分，使其具有一圈基本上呈V形的周向间隔的凹部。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述扩展段具有在周向上具有分段环形外轮廓的V形边缘并且被构造成扩展所述选定的套管部分，使得所述凹部在纵向上具有基本上呈V形的内轮廓，所述部分通过平滑地向外弯曲的凹形半扩展套管部分连接到相邻的非扩展套管部分。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述基本上呈V形的边缘的长度小于20cm。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述扩展的套管部分和所述周围的固化水泥护层的外表面的至少一部分由于所述扩展而塑性变形。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述扩展装置包括径向扩展和收缩所述扩展段的液压致动组件。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述扩展装置悬挂于管柱、钢丝绳或电子线，电力和/或信号可以通过其在地球表面上在所述扩展装置和控制组件之间传输。