CN110500043A - 固井系统及套管接头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固井系统及套管接头，所述套管接头包括沿轴向延伸的本体，所述本体沿轴向具有相对的第一端和第二端；设于所述第一端的第一接头，所述第一接头用于与固井套管相连接；设于所述第二端的第二接头，所述第二接头用于与固井套管相连接；贴合套设于所述本体外的缓冲套，所述本体设有对所述缓冲套进行轴向限位的限位部；所述缓冲套的弹性模量小于所述本体的弹性模量，所述缓冲套的弹性模量小于水泥环的弹性模量，所述缓冲套用于对所述本体沿径向的形变进行缓冲；所述缓冲套外壁的外径大于所述本体的最大外径。本发明所提供的固井系统及套管接头，能够在不增加固井成本的同时，有效避免环空带压。
Description
技术领域
本发明涉及油气资源开发技术领域，特别涉及一种固井系统及套管接头。
背景技术
本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
水力压裂作为页岩气开发的重要技术手段之一，通过向目标地层中注入压裂液以及支撑剂以形成人造缝网，从而让页岩气从吸附状态转变为游离状态最终形成商业气流。
然而水力压裂泵压高、排量大，使近井筒附近的套管、水泥环、地层承受较高的套管内压以及温度变化，不利于固井水泥环保持密封性。在套管内压较高时，水泥环可能会出现塑性变形甚至是破坏，最终导致井下流体通过失效的水泥环窜流至井口导致环空带压。环空带压会导致页岩气井生产过程中安全风险高，成本显著增加，且后续治理困难，严重影响了页岩气井的单井产量和生产周期，极大地阻碍了页岩气的安全高效开发。
目前避免环空带压的主要方法是使用低弹性模量的水泥浆体系。然而该方法极大地增加了固井成本，且其避免环空带压现象的效果不显著。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种固井系统及套管接头，以能够在不增加固井成本的同时，有效避免环空带压。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
一种固井系统，包括：
多个固井套管，所述固井套管和地层之间具有水泥注入间隙，所述水泥注入间隙用于注入水泥浆形成水泥环；至少两个相邻所述固井套管通过套管接头相连，所述套管接头包括：
沿轴向延伸的本体，所述本体沿轴向具有相对的第一端和第二端；
设于所述第一端的第一接头，所述第一接头用于与固井套管相连接；
设于所述第二端的第二接头，所述第二接头用于与固井套管相连接；
贴合套设于所述本体外的缓冲套，所述本体设有对所述缓冲套进行轴向限位的限位部；所述缓冲套的弹性模量小于所述本体的弹性模量，所述缓冲套的弹性模量小于水泥环的弹性模量，所述缓冲套用于对所述本体沿径向的形变进行缓冲；所述缓冲套外壁的外径大于所述本体的最大外径；所述缓冲套位于所述本体和所述水泥环之间；所述缓冲套的外壁设有多个插入凸起，所述插入凸起插入所述水泥注入间隙中的水泥浆，并在所述水泥浆凝固形成所述水泥环时固定于所述水泥环中。
一种套管接头，包括：
沿轴向延伸的本体，所述本体沿轴向具有相对的第一端和第二端；
设于所述第一端的第一接头，所述第一接头用于与固井套管相连接；
设于所述第二端的第二接头，所述第二接头用于与固井套管相连接；
贴合套设于所述本体外的缓冲套，所述本体设有对所述缓冲套进行轴向限位的限位部；所述缓冲套的弹性模量小于所述本体的弹性模量，所述缓冲套的弹性模量小于水泥环的弹性模量，所述缓冲套用于对所述本体沿径向的形变进行缓冲；所述缓冲套外壁的外径大于所述本体的最大外径。
在一个优选的实施方式中，所述限位部包括设于所述本体外壁的凹槽，所述凹槽沿轴向的长度与所述缓冲套沿轴向的长度相等，所述缓冲套套设于所述凹槽内，所述缓冲套的内壁与所述凹槽表面贴合。
在一个优选的实施方式中，所述缓冲套的上端凸出于所述凹槽的部分设有第一导流斜面；所述第一导流斜面从上至下的外径逐渐扩大；所述第一导流斜面向上倾斜延伸至所述本体位于所述凹槽上侧的外壁面。
在一个优选的实施方式中，所述缓冲套的下端凸出于所述凹槽的部分设有第二导流斜面；所述第二导流斜面从上至下的外径逐渐减小；所述第二导流斜面向下倾斜延伸至所述本体位于所述凹槽下侧的外壁面。
在一个优选的实施方式中，所述缓冲套的外壁设有多个用于插入水泥环中的插入凸起；所述缓冲套的材质为硫化防腐蚀橡胶。
在一个优选的实施方式中，所述缓冲套内部设有多根从上端至下端延伸的钢丝，至少两根所述钢丝交叉延伸。
在一个优选的实施方式中，所述缓冲套的上端具有多个沿周向均匀分布的第一钢丝端点；所述缓冲套的下端具有多个与所述第一钢丝端点一一对应的第二钢丝端点；每根所述钢丝从一个所述第一钢丝端点延伸至与其沿轴向相错开的所述第二钢丝点；每根所述钢丝所对应的圆心角大小相同；沿周向相邻两个所述第一钢丝端点所对应的两根钢丝延伸方向相反。
在一个优选的实施方式中，所述第一接头为公扣螺纹，所述第二接头为母扣螺纹；所述套管接头的内径与相邻固井套管的内径相同，所述套管接头的内径为104.8mm-121.36mm。
在一个优选的实施方式中，所述套管接头的长度为1000mm-2000mm；所述缓冲套的外径为160mm-195mm。
本发明的特点和优点是：本申请实施方式提供的套管接头，用于连接相邻的两个固井套管，套管接头外设有所述缓冲套，能够保护缓冲套与地层之间的水泥环，使水泥环的密封性、完整性得到保证，科学地避免了水力压裂时由于水泥环密封失效导致的环空带压问题。同时，所述套管接头结构简单、无复杂配合件或驱动装置，且安装方便，适合现场快速安装。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
图1是本申请实施方式中提供的一种套管接头的结构示意图；
图2是图1中A-A处的剖面图；
图3是图1中B-B处的剖面图；
图4是本申请实施方式中提供的一种缓冲套的结构透视图；
图5是本申请实施方式中提供的一种套管接头应用在井下时的结构示意图。
附图标记说明：
1、本体；2、凹槽；3、第一接头；4、缓冲套；5、第一导流斜面；6、插入凸起；7、钢丝；8、水泥浆；9、地层；10、固井套管；11、第二接头；12、第二导流斜面。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图5。本申请实施方式提供一种套管接头，其用于连接两段固井套管10。所述套管接头包括本体1、第一接头3、第二接头11以及贴合套设于所述本体1外的缓冲套4。
其中，所述本体1沿轴向延伸，且沿轴向具有相对的第一端和第二端。所述第一接头3设于所述第一端，所述第二接头11设于所述第二端，所述第一接头3和所述第二接头11用于与所述固井套管10相连接。所述本体1设有对所述缓冲套4进行轴向限位的限位部。所述缓冲套4的弹性模量小于所述本体1的弹性模量，所述缓冲套4的弹性模量小于水泥环的弹性模量，所述缓冲套4可以对所述本体1沿径向的形变进行缓冲。所述缓冲套4外壁的外径大于所述本体1的最大外径，能够使缓冲套4和水泥浆8充分接触，当水泥浆8形成水泥环后，缓冲套4能保护所述水泥环，使水泥环的密封性和完整性得到保证，从而避免水力压裂时的环空带压问题。
本申请实施方式提供的套管接头，用于连接相邻的两个固井套管10，套管接头外设有所述缓冲套4，能够保护缓冲套4与地层9之间的水泥环，使水泥环的密封性、完整性得到保证，科学地避免了水力压裂时由于水泥环密封失效导致的环空带压问题。缓冲套4能够发生自适应性变形，吸收套管接头本体1的变形，从而避免了水泥环在径向产生受压破坏以及在周向上产生受拉破坏。同时，所述套管接头结构简单、无复杂配合件或驱动装置，且安装方便，适合现场快速安装。本申请实施方式提供的套管接头能够在不增加固井成本的同时，有效避免环空带压。
需要说明的是，为了便于描述，本申请说明书中将所述套管接头的轴向定义为上下方向。具体的，将所述第一接头3所在方向定义为“上”，将所述第二接头11所在方向定义为“下”。
在本申请实施方式中，所述限位部包括设于所述本体1外壁的凹槽2，所述凹槽2沿轴向的长度与所述缓冲套4沿轴向的长度相等，所述凹槽2用于容纳所述缓冲套4并对所述缓冲套4进行轴向限位。所述缓冲套4套设于所述凹槽2内，所述缓冲套4的内壁与所述凹槽2表面贴合，以更好地吸收套管接头本体1的变形，从而避免水泥环在径向产生受压破坏以及在周向上产生受拉破坏。
具体的，所述缓冲套4的上端凸出于所述凹槽2的部分设有用于使水泥浆8顺利通过的第一导流斜面5。如图2所示，所述第一导流斜面5从上至下的外径逐渐扩大，并且所述第一导流斜面5向上倾斜延伸至所述本体1位于所述凹槽2上侧的外壁面。即所述第一导流斜面5与所述本体1不设有所述凹槽2的部分相接触。所述第一导流斜面5能在固井过程中让水泥浆8顺利通过所述缓冲套4并与所述缓冲套4紧密接触。
更具体的，所述缓冲套4的下端凸出于所述凹槽2的部分设有用于使水泥浆8顺利通过的第二导流斜面12。所述第二导流斜面12从上至下的外径逐渐减小。所述第二导流斜面12向下倾斜延伸至所述本体1位于所述凹槽2下侧的外壁面。即所述第二导流斜面12与所述本体1不设有所述凹槽2的部分相接触。所述第一导流斜面5和第二导流斜面12能在固井过程中让水泥浆8顺利通过所述缓冲套4并与所述缓冲套4紧密接触。
在本申请实施方式中，所述缓冲套4的外壁设有多个用于插入水泥环中的插入凸起6，用于与水泥浆8接触。当水泥浆8为液态时，插入凸起6穿插在液态的水泥浆8内壁；当水泥浆8形成水泥环后，插入凸起6则与水泥环形成一体，增加了缓冲套4与水泥环的胶结强度，从而能够更好地保护水泥环。本申请对所述插入凸起6的分布方式不做限制，其可以均匀分布在缓冲套4的外壁上，以保证缓冲套4与水泥环均匀接触。或者根据需要，使插入凸起6在某处(例如缓冲套4沿轴向的两端)分布较为密集，以增加该处缓冲套4与水泥环的胶结强度。
在本申请实施方式中，所述缓冲套的材质可以为橡胶或者其他弹性模量较小的材料。优选的，所述缓冲套4的材质为具有高变形能力的硫化防腐蚀橡胶，以更好地吸收套管接头本体1的变形，从而避免水泥环在径向产生受压破坏以及在周向上产生受拉破坏。所述缓冲套4的外径为160mm-195mm。
在本申请实施方式中，所述缓冲套4内部设有多根从上端至下端延伸的高强度钢丝7，至少两根所述钢丝7交叉延伸，用于增加缓冲套4的强度。
本申请实施方式对所述钢丝7的分布方式不做限制，多根钢丝7可以在缓冲套4内部分层缠绕式分布。优选的，为了进一步增加缓冲套4的强度，如图4所示，所述缓冲套4的上端具有多个沿周向均匀分布的第一钢丝端点。所述缓冲套4的下端具有多个与所述第一钢丝端点一一对应的第二钢丝端点。每根所述钢丝7从一个所述第一钢丝端点延伸至与其沿轴向相错开的所述第二钢丝点。每根所述钢丝7所对应的圆心角大小相同。沿周向相邻两个所述第一钢丝端点所对应的两根钢丝7延伸方向相反。
在本申请实施方式中，所述套管接头的长度为1000mm-2000mm。所述第一接头3可以为公扣螺纹，所述第二接头11可以为母扣螺纹，分别与固井套管10的螺纹相连接。螺纹连接方式使得可以根据现场需要，将套管接头安装在不同的井深位置。使用螺纹连接可以方便套管接头的安装与拆卸。所述套管接头的内径与相邻固井套管10的内径相同，所述套管接头的内径变化范围为104.8mm-121.36mm。
在本申请实施方式中，所述本体1材料的刚级高于所述固井套管10。例如固井套管10的刚级为TP125V时，短接本体1的刚级应该为TP140V。
如图5所示，将本申请实施方式提供的套管接头应用于井下时，第一接头3、第二接头11分别连接固井套管10，向固井套管10和地层9之间注入水泥浆8，水泥浆8通过缓冲套4的第一导流斜面5和第二导流斜面12顺利流下。插入凸起6穿插在液态的水泥浆8内壁，当水泥浆8形成水泥环后，插入凸起6则与水泥环形成一体。实际压裂过程中，即使套管内压使固井套管10向水泥环方向膨胀，缓冲套4能够发生自适应性变形，吸收套管接头本体1的变形，从而避免了水泥环在径向产生受压破坏以及在周向上产生受拉破坏。
本申请实施方式中还提供一种固井系统，所述固井系统包括多个固井套管10，所述固井套管10和地层之间具有水泥注入间隙，所述水泥注入间隙用于注入水泥浆形成水泥环。至少两个相邻所述固井套管10通过套管接头相连。所述套管接头包括本体1、第一接头3、第二接头11以及贴合套设于所述本体1外的缓冲套4。其中，所述本体1沿轴向延伸，且沿轴向具有相对的第一端和第二端。所述第一接头3设于所述第一端，所述第二接头11设于所述第二端，所述第一接头3和所述第二接头11用于与所述固井套管10相连接。所述本体1设有对所述缓冲套4进行轴向限位的限位部。所述缓冲套4的弹性模量小于所述本体1的弹性模量，所述缓冲套4的弹性模量小于水泥环的弹性模量，所述缓冲套4可以对所述本体1沿径向的形变进行缓冲。所述缓冲套4外壁的外径大于所述本体1的最大外径。所述缓冲套位于所述本体和所述水泥环之间。所述缓冲套的外壁设有多个插入凸起，所述插入凸起插入所述水泥注入间隙中的水泥浆，并在所述水泥浆凝固形成所述水泥环时固定于所述水泥环中。
在水力压裂作业过程中，受地面高压泵组以及静液柱压力的影响，固井套管10需承受极高的套管内压。在高套管内压作用下，固井套管10向水泥环方向膨胀，可能导致水泥环在径向产生受压破坏以及在周向上产生受拉破坏。本申请实施方式通过在固井套管10与固井套管10之间增加密封套管接头，实际压裂过程中，即使套管内压使固井套管10向水泥环方向膨胀，缓冲套4能够发生自适应性变形，吸收套管接头本体1的变形，从而避免了水泥环在径向产生受压破坏以及在周向上产生受拉破坏。
所述固井系统至少包括一个套管接头，建议每两根固井套管10之间安装一个所述套管接头，以最大程度保护水泥环，降低井下油气水上窜的可能性。
该固井系统中的套管接头可以是如上任一实施例或实施方式所述的套管接头，在此不再赘述。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。
Claims (10)
1.一种固井系统，其特征在于，包括：
多个固井套管，所述固井套管和地层之间具有水泥注入间隙，所述水泥注入间隙用于注入水泥浆形成水泥环；至少两个相邻所述固井套管通过套管接头相连，所述套管接头包括：
沿轴向延伸的本体，所述本体沿轴向具有相对的第一端和第二端；
设于所述第一端的第一接头，所述第一接头用于与固井套管相连接；
设于所述第二端的第二接头，所述第二接头用于与固井套管相连接；
贴合套设于所述本体外的缓冲套，所述本体设有对所述缓冲套进行轴向限位的限位部；所述缓冲套的弹性模量小于所述本体的弹性模量，所述缓冲套的弹性模量小于水泥环的弹性模量，所述缓冲套用于对所述本体沿径向的形变进行缓冲；所述缓冲套外壁的外径大于所述本体的最大外径；所述缓冲套位于所述本体和所述水泥环之间；所述缓冲套的外壁设有多个插入凸起，所述插入凸起插入所述水泥注入间隙中的水泥浆，并在所述水泥浆凝固形成所述水泥环时固定于所述水泥环中。
2.一种套管接头，其特征在于，包括：
沿轴向延伸的本体，所述本体沿轴向具有相对的第一端和第二端；
设于所述第一端的第一接头，所述第一接头用于与固井套管相连接；
设于所述第二端的第二接头，所述第二接头用于与固井套管相连接；
贴合套设于所述本体外的缓冲套，所述本体设有对所述缓冲套进行轴向限位的限位部；所述缓冲套的弹性模量小于所述本体的弹性模量，所述缓冲套的弹性模量小于水泥环的弹性模量，所述缓冲套用于对所述本体沿径向的形变进行缓冲；所述缓冲套外壁的外径大于所述本体的最大外径。
3.根据权利要求2所述的套管接头，其特征在于，所述限位部包括设于所述本体外壁的凹槽，所述凹槽沿轴向的长度与所述缓冲套沿轴向的长度相等，所述缓冲套套设于所述凹槽内，所述缓冲套的内壁与所述凹槽表面贴合。
4.根据权利要求3所述的套管接头，其特征在于，所述缓冲套的上端凸出于所述凹槽的部分设有第一导流斜面；所述第一导流斜面从上至下的外径逐渐扩大；所述第一导流斜面向上倾斜延伸至所述本体位于所述凹槽上侧的外壁面。
5.根据权利要求4所述的套管接头，其特征在于，所述缓冲套的下端凸出于所述凹槽的部分设有第二导流斜面；所述第二导流斜面从上至下的外径逐渐减小；所述第二导流斜面向下倾斜延伸至所述本体位于所述凹槽下侧的外壁面。
6.根据权利要求2所述的套管接头，其特征在于，所述缓冲套的外壁设有多个用于插入水泥环中的插入凸起；所述缓冲套的材质为硫化防腐蚀橡胶。
7.根据权利要求2所述的套管接头，其特征在于，所述缓冲套内部设有多根从上端至下端延伸的钢丝，至少两根所述钢丝交叉延伸。
8.根据权利要求7所述的套管接头，其特征在于，所述缓冲套的上端具有多个沿周向均匀分布的第一钢丝端点；所述缓冲套的下端具有多个与所述第一钢丝端点一一对应的第二钢丝端点；每根所述钢丝从一个所述第一钢丝端点延伸至与其沿轴向相错开的所述第二钢丝点；每根所述钢丝所对应的圆心角大小相同；沿周向相邻两个所述第一钢丝端点所对应的两根钢丝延伸方向相反。
9.根据权利要求2所述的套管接头，其特征在于，所述第一接头为公扣螺纹，所述第二接头为母扣螺纹；所述套管接头的内径与相邻固井套管的内径相同，所述套管接头的内径为104.8mm-121.36mm。
10.根据权利要求2所述的套管接头，其特征在于，所述套管接头的长度为1000mm-2000mm；所述缓冲套的外径为160mm-195mm。
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