CN110691887A - 井筒流体连通工具 - Google Patents

Abstract

一种针对在井筒的构造期间使用井筒流体连通工具在油气层内的间隔开的位置处执行单程固井作业的系统和方法。在一个实施方案中，所述工具被部署在所述油气层上方的管柱上并且包括：外壳，所述外壳包括至少一个径向端口；密封组件；外部套筒组件，所述外部套筒组件具有在闭合时可操作来平移穿过所述密封组件的门组件；内芯轴和座组件。所述工具促进将水泥从井上位置代替所述井筒的底部放置在井筒环空内，从而使执行固井工作所需的压力最小化。同时，所述门组件在闭合时平移穿过所述密封组件的能力确保所述密封件不因重复打开和闭合所述门组件而损坏。

Description

井筒流体连通工具

技术领域

本公开整体涉及井筒的构造。更具体地，本公开涉及用于在井筒的构造期间使用井筒流体完井工具来促进单程固井作业的系统和方法。

背景技术

在许多情况下，用于生产油气的井筒的构造需要钻探数百甚至数千英尺深的井筒以到达油气生产层。通常，一次固井作业可作为井筒构造过程的一部分来执行。一次固井作业的最常用的方法是通过将水泥通过管柱泵送到套管部分的底部，然后向上到井筒环空，以在套管部分与井筒壁之间的井筒内形成水泥屏障。水泥屏障可起到许多功能，诸如防止生产层之间的流体连通或保护套管部分免受地层流体的腐蚀。

由于套管部分可被安装的深度，一次固井作业可能需要使用极高的压力，以便将水泥通过管柱输送到井筒环空。此类压力可导致井底地层的意外压裂。防止此问题的常用方法是钻探井筒并分段安装套管，从而在井筒中多次送入管柱以执行一次固井作业。然而，从时间和成本的角度来看，此方法通常被视为低效的。为了解决这些问题，已开发一种用于与环空从顶部到底部连通的方法。

附图说明

图1描绘根据一个或多个示例性实施方案的在井筒的构造期间在井筒中执行的单程井筒固井作业的示意图。

图2A描绘根据一个或多个示例性实施方案的在单程井筒固井作业中使用的闭合的井筒流体连通工具的第一构型的剖视图。

图2B描绘根据一个或多个示例性实施方案的在单程井筒固井作业中使用的闭合的井筒流体连通工具的第二构型的剖视图。

图2C描绘根据一个或多个示例性实施方案的处于打开构型的井筒流体连通工具的剖视图。

图2D描绘根据一个或多个示例性实施方案的处于打开构型的井筒流体连通工具的另选实施方案的剖视图。

图2E描绘根据一个或多个示例性实施方案的一旦在单程井筒固井作业完成之后就闭合的井筒流体连通工具的剖视图。

图2F描绘根据一个或多个示例性实施方案的一旦在单程井筒固井作业完成之后就密封的井筒流体连通工具的剖视图。

图3是描绘在井筒的构造期间用于使用井筒流体连通工具执行在井筒中执行的单程井筒固井作业的示例性方法的流程图。

图4描绘根据一个或多个示例性实施方案的用于在管柱与井筒之间建立流体连通的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本公开的实施方案涉及在井的构造期间使用井筒流体连通工具来执行单程井筒固井作业。尽管在本文中参考特定应用的示意性实施方案来描述本公开，但应理解，实施方案不限于此。其他实施方案是可能的，并且在本文教导内容的精神和范围以及其中实施方案将具有显著的实用性的另外领域内，可对实施方案进行修改。

本公开可以重复各种示例或附图中的元件符号和/或字母。此重复是为了简单和清晰的目的，并且本身并不决定所论述的各种实施方案和/或构型之间的关系。此外，为便于描述，在本文中可使用诸如在下面、下方、下部、上方、上部、上游、下游等等空间相对术语来描述如所示出的一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，向上方向是朝对应附图的顶部，并且向下方向是朝对应附图的底部。除非另有说明，否则空间相对术语意图包含除图中所描绘的定向之外的在使用中或操作中的设备的不同定向。例如，如果图中的设备翻转过来，那么描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将随后被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以包含上方和下方的这两个定向。可以其他方式来定向设备(旋转90度或以其他定向)，且可以同样地相应解释本文所使用的空间相对描述词。

如上所述，本公开的实施方案涉及在井的构造期间使用井筒流体连通工具来执行单程井筒固井作业。虽然井筒流体连通工具在本文是在井筒固井作业背景下进行描述的，但是据设想，井筒流体连通工具在阀门可在闭合位置与打开位置之间致动的情况下可用于任何应用，并且在阀门的致动期间必须保持阀门的密封完整性。例如，井筒流体连通工具可用作分流装置，以均衡管柱内部和管柱外部区域(诸如井筒的环空)的压力。同样，井筒流体连通工具可在生产作业中(诸如在生产柱中)用作阀门。在任何情况下，关于在固井作业中使用的通用实施方案，用于在井筒中执行单程井筒固井作业的系统可包括管柱，所述管柱具有井筒流体连通工具、衬管悬挂器送入工具、可膨胀衬管悬挂器、衬管和浮子组件。在一个实施方案中，井筒流体连通工具可包括：外壳，所述外壳具有穿过其中的中心通道，所述外壳包括在中心通道与井筒流体连通工具外部的位置之间的至少一个径向端口；密封组件，所述密封组件沿中心通道并邻近径向端口设置；外部套筒组件，所述外部套筒组件沿中心通道设置在外壳内，所述外部套筒组件具有包括彼此邻接以限定门间隙的第一门和第二门的门组件，所述门间隙最初定位在密封组件的上游；内芯轴，所述内芯轴具有径向孔口；以及第一座组件，所述第一座组件设置在外部套筒组件内并耦接到内芯轴。在另一个实施方案中，井筒流体连通工具可包括第二座组件。

参见图1，示出在井筒的构造期间在井筒中执行的单程井筒固井作业的示意图。虽然在陆上环境下介绍了单程井筒固井作业，但是本文所述的方法和系统也可以在海上环境下实现。在某些实施方案中，可使用地表14处的水泥源10(诸如水泥卡车)和井架12来实现单程井筒固井作业。井架12可用于促进将固井头16和井口18安装在已钻过油气层22的井筒20的顶部。在一个实施方案中，水泥源10可包括水泥罐24、吸入管线26、水泥泵28和进料管线30。

如图1进一步所示，在某些实施方案中，井筒20可包括部分加套管部分32，其中通过水泥36来固定套管34的一部分，以及向下延伸至井筒底部40的裸眼井段38；然而，在另选实施方案中，井筒20可以不包括加套管部分32。管柱42可从地表14送入井筒20中到达井筒底部40附近的位置。在一个优选的实施方案中，管柱42可包括钻管44、井筒流体连通工具46和浮子组件54的段。管柱42还可包括衬管悬挂器送入工具48、可膨胀衬管悬挂器50和衬管52。在一个或多个实施方案中，井筒流体连通工具46可以是固井工具。在某些实施方案中，浮子组件54可包括具有防回流阀58和导靴60的浮箍56。管柱42在井筒20内的放置在套管34和/或井筒壁64与管柱42之间形成环空62。为了执行单程井筒20固井作业，井筒流体连通工具46定位在浮子组件54上方的第一位置处，并且浮子组件54被间隔开并在井筒20内的管柱42上定位在井筒流体连通工具46下方。

在将管柱42放置在井筒20内时，单程固井作业分两个阶段执行：一次固井作业和二次固井作业，这将参考井筒流体连通工具46和下面的图2A至图2F进行讨论。通过使用水泥泵28、使用吸入管线26从水泥罐24吸出水泥来开始一次固井作业。然后使用水泥泵28将水泥通过进料管线30排入固井头16中。固井头16注入水泥通过井口18和管柱42，其中通过浮子组件54的导靴60邻近井筒底部40排出水泥。当井筒20的期望区域填充有水泥时，终止在管柱42内注入水泥。例如，可以期望在油气层22的下方固井(未示出)。然后，在某些实施方案中，可穿过管柱42部署刮塞(未示出)以清除任何残余的水泥直到停在浮子组件54的浮箍56中，从而有效地密封衬管52的底部。随后，在一些实施方案中，通过管柱42注入一定体积的解卡液66以填充衬管52。解卡液66优选地具有防止水泥与解卡液66充分混合的流体特性。这样，当水泥和解卡液66设置在封闭空间内时，解卡液66将优选地从水泥中沉淀出来。例如，在一个实施方案中，解卡液66可具有的密度比在本文所述的单程固井作业中使用的水泥的密度高。

图2A描绘闭合的井筒流体连通工具46在管柱42上送入井筒20中时的第一构型的剖视图。(参见图1)。如本文所用，关于井筒流体连通工具46的术语“闭合的”指出，井筒流体连通工具46的各种部件被构造来防止井筒流体连通工具46的内部与外部之间的流体连通。井筒流体连通工具46用于促进单程固井作业的第二阶段(即，二次固井作业)，其中水泥在井筒底部40的上游位置处通过井筒流体连通工具46进入井筒20的环空62并向下流向井筒底部40。以另一种方式描述，井筒流体连通工具46促进在二次固井作业期间从在一次固井作业期间将水泥引入井筒20中的位置的井上的位置将水泥引入井筒20中。此类型的作业与常规固井作业相反，所述常规固井作业更类似于本文所述的将在相似构型下的仅一次固井作业；要求将水泥从地表14通过井筒20内的管柱42注入并从浮子组件54的导靴60在井筒底部40附近出来并回到井筒20的环空62。根据井筒20的深度，常规固井作业需要极高的压力以使水泥循环回到井筒20的环空62，其可潜在地将油气层22压裂或可替代地需要在井筒20中进行多次固井以使所需压力最小化。

如图2A所示，井筒流体连通工具46包括外壳100，所述外壳100限定促进沿纵轴104与管柱42的钻管44流体连通的中心通道102。井筒流体连通工具46还可包括沿中心通道102设置的密封组件106、外部套筒组件108、中间外壳环110、中间外壳环挡块112和内部芯轴114。如本文中进一步讨论的，井筒流体连通工具46通过外部套筒组件108和内芯轴114在外壳100内沿纵轴104的一系列轴向移动来打开、闭合和密封。

在某些实施方案中，外壳100可具有上部外壳部分116、中间外壳部分118和下部外壳部分120；然而，在某些实施方案中，外壳100可形成为连续体。上部外壳部分116可包括用于分别接合管柱42的钻管44和中间外壳部分118的螺纹122。

虽然不限于特定的附接机构，但是在一个或多个实施方案中，中间外壳部分118可包括用于接合上部外壳部分116和下部外壳部分120的螺纹124。中间外壳部分118还包括一组一个或多个第一剪切销126和一组一个或多个第二剪切销128。如下面进一步详细讨论的，第一剪切销126与外部套筒组件108接合并且第二剪切销128与中间外壳环110接合。中间外壳部分118还包括一个或多个径向端口130。虽然在图2A中示出两个径向端口130，但是预期，在一些实施方案中，中间外壳部分118可包括多个径向端口130，所述径向端口130可沿外壳100的长度处于多个平面中。密封组件106邻近径向端口130定位。在某些实施方案中，密封组件106可具有定位在径向端口130的相反侧上、在中间外壳部分118与外部套筒组件108之间进行密封的第一外壳端口密封件132和第二外壳端口密封件134。所述密封件可设置在端口130的相反侧上的形成于中间外壳部分118中的密封座中。虽然不限于用于构造密封件的特定类型的材料，但是在一个或多个实施方案中，密封件132、134可由各种类型的弹性体(包括但不限于不饱和橡胶、饱和橡胶和热塑性弹性体)形成。

类似于上部外壳部分116，下部外壳部分120包括用于分别接合管柱42的钻管44和中间外壳部分118的螺纹122。在一些实施方案中，井筒流体连通工具46可包括设置在上部外壳部分116与中间外壳部分118之间的上部外壳密封件136。此外，下部外壳138密封件可设置在下部外壳部分120与中间外壳部分118之间。

在一个优选的实施方案中，外部套筒组件108可包括门组件140、第一套筒套环142和第二套筒套环144。此外，如下面进一步讨论的，外部套筒组件108可包括多个可释放附接机构(如下所述)，诸如设置在门组件140、第一套筒套环142和第二套筒套环144内的凸耳。门组件140可包括彼此邻近定位以在其间限定门间隙或接头150的第一门146和第二门148。如将在下文中说明的，在井筒流体连通工具46的某些构型中，门146、148能够相对于彼此移动以便改变门间隙150的尺寸，或换句话讲，以改变门146、148之间的间距。当门146、148基本上彼此邻近或以其他方式彼此邻接时，在使门146、148彼此远离地移动增加门间隙150的间距的情况下，门间隙150可表征为“狭窄”。在任何情况下，在井筒流体连通工具46的第一构型中，处于狭窄构型的门间隙150定位在中间外壳环挡块112与第一外壳端口密封件132之间。第一门146可包括上部部分152、第一可释放附接机构154(诸如第一组凸耳)和下部部分156。类似地，第二门148可包括上部部分158、第二可释放附接机构160(诸如第二组凸耳160)和下部部分162。当井筒流体连通工具46处于第一闭合构型时，凸耳154和凸耳160通过弹簧或本领域中已知的某种其他偏置机构来朝内芯轴114偏置并与其接合。此外，剪切销126与门组件140的第一门146的上部部分152接合。

在一个实施方案中，第一套筒套环142和第二套筒套环144可以分别与门组件140轴向间隔开地定位。第一套筒套环142可包括基部164，所述基部164包括第三可释放附接机构，诸如第三组凸耳166，其通过弹簧或本领域中已知的某种其他偏置机构来朝内芯轴114偏置。在一个实施方案中，凸耳可由嵌套在形成于凸耳166的外径上的沟槽中的卡紧弹簧偏置。第一套筒套环142还可包括其中限定有肩部170的冠部168。此外，可在第一套筒套环142的冠部168与内芯轴114之间限定环空172。第二套筒套环144还可包括基部174，所述基部174容纳第四可释放附接机构，诸如第四组凸耳176，其通过弹簧或本领域中已知的某种其他偏置机构来朝内芯轴114偏置。第二套筒套环144还可包括具有附连到下部外壳部分120的凸缘180的冠部178。类似于第一套筒套环142，可在第二套筒套环144的冠部178与内芯轴114之间限定环空182。在一个实施方案中，第二套筒套环的冠部178和基部174可使用螺纹122、124来接合在一起。然而，在其他实施方案中，冠部178和基部174可形成为连续体。

继续参见图2A，内芯轴114包括上端184、下端186、与中心通道102流体连通的通道188、一个或多个径向孔口190、包括一个或多个沟槽194的外轮廓192，以及基本上设置在外部套筒组件108内的下芯轴肩部196。虽然图2A中示出一组径向孔口190，可以预期，在一些实施方案中，内芯轴114可包括以一组或多组径向孔口190布置的一个或多个孔口190。在某些实施方案中，外轮廓192上的多个沟槽194包括第一芯轴沟槽194a、第二芯轴沟槽194b、第三芯轴沟槽194c和第四芯轴沟槽194d。在井筒流体连通工具46的第一闭合构型中，凸耳154与第一芯轴沟槽194a接合，所述第一芯轴沟槽194a与中间外壳环110径向对准。凸耳160与第二芯轴沟槽194b接合，所述第二芯轴沟槽194b定位在第二外壳端口密封件134的正下方。第三芯轴沟槽194c定位在第二门148的下部部分162与第一套筒套环142的冠部168之间。最后，第四芯轴沟槽194d和下芯轴肩部196定位在第二套筒套环144的环空182中。

井筒流体连通工具46还可包括具有物体座202的第一座组件198，所述物体座202定位在内芯轴114的上端184附近。在一个或多个实施方案中，座组件198还可包括邻近物体座202的上唇口200。此外，物体座202可以是可挤压的。在另选的实施方案中，在本文中将进一步讨论的，井筒流体连通工具46可包括另外的座组件(未示出)。在某些实施方案中，第一座组件198可通过使用螺纹122、124来与内芯轴114的上端184接合。

现在转向图2B，示出闭合的井筒流体连通工具46的第二构型的剖视图。在此第二构型中，闭合的门组件140已朝第一套筒套环142平移，其中狭窄门间隙150平移穿过第一外壳端口密封件132。使处于闭合位置的门组件140平移穿过密封组件106防止密封组件106发生损坏。如上面所讨论的，第一外壳端口密封件132和第二外壳端口密封件134可由弹性材料制成，所述弹性材料易由于剪切应力而退化。由于处于闭合位置的门组件140包括狭窄门间隙150，所以第一门146与第二门148之间的区域相对较小，从而导致相当平滑地平移穿过第一外壳端口密封件132和第二外壳端口密封件134。相比之下，类似工具具有的设计需要具有较大面积的开孔以平移穿过弹性密封件，其有可能在密封件上产生光栅效应。此光栅效应可随时间推移使密封件的完整性和工具的可操作性变弱。

为了将井筒流体连通工具46从第一闭合构型转变到第二闭合构型，第一物体204落在第一座组件198的座202上。如本文所用，第一物体204可以是沿井筒下落或向下泵送以落在座202上的任何装置，包括但不限于球、飞镖或其他物体。在任何情况下，管柱42被加压并且压力通过中心通道102被施加到第一物体204。第一物体204的井上压力的累积导致门组件140、第一座组件198和内芯轴114的轴向平移。最初，在第一物体204的上游侧上累积的压力致使剪切销126从第一门146的上部部分152剪切，这允许第一门146的上部部分152沿中间外壳部分118轴向向下平移直到第一门146的上部部分152的外部肩部206接合中间外壳环110。此移动允许门间隙150以其狭窄构型平移穿过第一外壳端口密封件132和第二门148的下部部分162以进入第一套筒套环142的环空172。一旦第一门146的上部部分152接合中间外壳环110，凸耳154就脱离第一芯轴沟槽194a，从而允许内芯轴114向下平移。此向下移动致使径向孔口190朝中间外壳部分118的径向端口130平移、第二芯轴沟槽194b朝第一套筒套环142的冠部168平移、第三芯轴沟槽194c朝第一套筒套环142的冠部168平移、第四芯轴沟槽194d进一步平移到第二套筒套环144的冠部178中，并且下芯轴肩部196平移到第二套筒套环144的基部174中。凸耳160与第二芯轴沟槽194b的接合防止内芯轴114在中心通道102内进一步平移。

在图2C中，示出对处于打开构型的井筒流体连通工具46的描述。为了打开井筒流体连通工具46，通过管柱42和中心通道102向第一物体204施加另外的压力。此压力导致在内芯轴114上的向下的力，从而致使内芯轴114进一步平移到中心通道102中，其导致内芯轴114的径向孔口190与中间外壳部分118的径向端口130径向对准。在具有唇口200的实施方案中，第一座组件198的上唇口200接合内芯轴114。内芯轴114的此向下移动致使第二芯轴沟槽194b接合凸耳160并在其上施加力，继而所述凸耳160在第二门148的上部部分158和下部部分162上施加向下的力，从而使第二门148的下部部分162平移到第一套筒套环142的环空172中，直到静止在第一套筒套环142的冠部168内的肩部170上。一旦第二门148的下部部分162接合第一套筒套环142的肩部170，门间隙150间距就完全扩大，从而有效地打开井筒流体连通工具46的门组件140并提供穿过管柱42、中心通道102、径向孔口190和中间外壳部分118中的径向端口130到井筒20的环空62的流体连通路径“F”。此外，当第二门148已接合第一套筒套环142的肩部170时，第四芯轴沟槽194d已进一步平移到第二套筒套环144的冠部178中，并且下部芯轴肩部196已平移经过凸耳176，从而允许凸耳176在内部芯轴114的外轮廓192的主要外径“OD”上塌缩。此主要外径“OD”限定在外轮廓192上、在内芯轴114的上端184与下芯轴肩部196之间。因为凸耳176与下芯轴肩部196的接合阻止内芯轴114的向上平移，所以此构型防止内芯轴114的不期望的向上移动，所述不期望的向上移动将使门组件140闭合并阻塞流体连通路径“F”。

如先前所讨论的，当井筒流体连通工具46处于打开构型时，可实现单程固井作业的第二阶段。一旦打开井筒流体连通工具46的门组件140，就可增大管柱42中的压力以从第一座组件198挤出第一物体204。随后将水泥从固井头16注入通过管柱42并进入井筒流体连通工具46中。如参考图1所讨论的，密封的浮子组件54和先前泵入衬管52中的解卡液66充当屏障，从而迫使水泥行进穿过中间外壳部分118的径向端口130并向下进入井筒20的环空62中。

在另选的实施方案中，如图2D所示，井筒流体连通工具46包括具有座210的第二座组件208，所述第二座组件208设置在内芯轴114的下端186处。除第二座组件208外，井筒流体连通工具46的此另选实施方案包括与先前关于图2A至图2C所描述的相同特征。在作业中，一旦井筒连通工具46的门组件140已打开，来自第一座组件198的第一物体204就被挤出并落在第二座组件208中。代替防止水泥行进到衬管52中的解卡液66，第二座组件208与落在其中的第一物体204一起用作屏障，从而迫使水泥行进穿过中间外壳部分118的多个径向端口130并向下进入井筒20的环空62中。一旦完成二次固井作业，在某些实施方案中，增大通过管柱42和中心通道102中的压力以从第二座组件208挤出第一物体204。

图2E示出根据一个或多个示例性实施方案的在单程井筒固井作业完成之后闭合的井筒流体连通工具46的剖视图。为了使井筒流体连通工具46闭合，在某些实施方案中可大于第一物体204的第二物体212落在第一座组件198的物体座202中。管柱42再次被加压并且压力通过中心通道102被施加到第二物体212。抵靠第二物体212的井上压力导致第二剪切销128从中间外壳环110剪切，其致使中间外壳环110向下移动。此移动使得第一门146的下部部分156能够平移穿过中间外壳部分118的多个径向端口130，直到与第二门148的上部部分158配合，从而在多个径向端口130与第二外壳端口密封件134之间形成门组件140的狭窄门间隙150并有效地使门组件140闭合。

第二剪切销128从中间外壳环110上的剪切还导致第一座组件198和内芯轴114在中心通道102内进一步向下平移。抵靠第二物体212累积的压力致使第一座组件198诸如通过上唇口200在内芯轴114上施加向下的力。此力致使第二芯轴沟槽194b脱离第二门148中的凸耳160，从而迫使凸耳160在径向方向上朝向第一套筒套环142的冠部168，并且促进第二芯轴沟槽194b、第三芯轴沟槽194c、第四芯轴沟槽194d和下芯轴肩部196进一步向下平移。此进一步向下平移导致凸耳166在第三芯轴沟槽194c中的塌缩和安置。此外，此平移致使第四芯轴沟槽194d在第二套筒套环144的冠部178内进一步移动且下芯轴肩部196定位在第二套筒套环144的外部。

图2F示出一旦在单程井筒固井作业完成之后就密封的井筒流体连通工具46的剖视图。为了密封井筒流体连通工具46的门组件140，向先前落在第一座组件198的物体座202中的第二物体212施加另外的压力。此压力致使第一座组件198诸如通过上唇口200在第一门146和内芯轴114上施加向下的力。此向下的力致使第一门146的上部部分152向下推动中间外壳环110，直到其接合中间外壳环挡块112，从而进一步导致狭窄门间隙150平移穿过第二外壳端口密封件134并且第一套筒套环142的基部164平移进入第二套筒套环144的冠部178中。如图2E所述，通过将凸耳166安置在第三芯轴沟槽194c中来进一步促进第一套筒套环142的基部164平移进入第二套筒套环144的冠部178中。此外，如上所述的向下的力导致内芯轴114在中心通道102内进一步平移，从而促进将凸耳176安置在第四芯轴沟槽194d内。

在某些实施方案中，一旦井筒流体连通工具46被密封，就可向第二物体212施加进一步的压力以将其从第一座组件198挤出。第二物体212可被挤出并用于致动管柱42下游上的任何数量的工具。例如，如图1所述，第二物体212可落在衬管悬挂器送入工具48中以用于设置可膨胀衬管悬挂器50。

参考图3，描述用于在井筒20中执行单程固井作业的示例性方法300的流程图。虽然固井作业不需要限于井筒20中的特定位置，但是在一个或多个实施方案中，可在井筒20的构造期间使用井筒流体连通工具46在油气层22的上方和下方执行所述作业。

方法300通过将包括钻管段44、闭合的井筒流体连通工具46和浮子组件54的管柱42送入到井筒20中来在步骤302中开始，所述井筒20已钻过油气层22。所述管柱还可包括衬管悬挂器送入工具48、可膨胀衬管悬挂器50和衬管52。在所述方法的优选的实施方案中，井筒流体连通工具46定位在井筒20中的第一位置处。第一位置与在第一位置下游或井下的第二位置间隔开。在优选的实施方案中，当流体连通工具46处于第一位置时，浮子组件54处于第二位置，所述第二位置可邻近井筒20的底部40。第一位置可在油气层22上方，并且浮子组件54定位在第二位置，即油气层22下方的位置处。在其他实施方案中，井筒流体连通工具46可根据需要定位在沿井筒20的任何位置。更一般地，本文所述的井筒流体连通工具46不需要仅用于固井作业，而且可在期望在管柱42的内部与围绕管柱42的环空62之间建立流体连通的任何作业中使用。

在管柱42已定位在井筒20内的第一位置处之后，在步骤304中，通过使固井流体通过管柱42到油气层22下方的位置来在第二位置处执行一次固井作业。通过使用水泥泵28将水泥排入位于地表14处的固井头16中来开始一次固井作业。固井头16注入水泥通过管柱42，其中通过浮子组件54的导靴60将水泥排到井筒底部40。当在油气层22下方的井筒20的期望区域填充有水泥时，终止在管柱42内注入水泥。然后，在一些实施方案中，可穿过管柱42部署刮塞以清除任何残余的水泥直到停在浮子组件54的浮箍56中，从而有效地密封衬管52的底部。在一些实施方案中，通过管柱42注入一定体积的解卡液66以填充衬管52。

在步骤306中，将井筒流体连通工具46的门组件140对井筒20的环空62打开。在优选的实施方案中，井筒流体连通工具46包括外壳100，所述外壳100包括穿过其中的中心通道102，外壳100包括一个或多个径向端口130，所述一个或多个径向端口130促进中心通道102与外壳100外部的位置(诸如井筒20的环空62)之间的流体连通。井筒流体连通工具46还包括沿中心通道102设置的以下者：密封组件106；外部套筒组件108，所述外部套筒组件108具有门组件140，所述门组件140可操作来平移穿过处于闭合位置的密封组件106和多个凸耳(154、160、166和176)；内芯轴114，所述内芯轴114具有一个或多个径向孔口190和多个沟槽194a-194d；以及第一座组件198，所述第一座组件198设置在外部套筒组件108内并耦接到内芯轴114。

为了开始打开井筒流体连通工具46的门组件140，井筒流体连通工具46必须从第一闭合构型转变到第二闭合构型。在井筒流体连通工具46的第一闭合构型中，门146、148彼此邻接或基本上彼此靠近，使得门间隙150处于其狭窄构型，并且通过第一可释放锁定机构(诸如剪切销126)来防止门组件140相对于外壳100移动。为了开始转变，将第一物体204落在第一座组件198中并且通过管柱42和中心通道102抵靠第一物体204施加第一压力。在某些实施方案中，第一物体204可从地表下落或泵出；然而，据设想，也可使用沿管柱42设置的物体下落组件工具(未示出)来从井下位置部署第一物体204。

尽管如此，抵靠第一物体204施加的压力致使第一可释放锁定机构，即第一剪切销126剪切。施加在闭合门组件140上的持续向下的力致使闭合门组件140，并且具体地，处于其邻接位置的第一门146和第二门148共同在向下的轴向方向上平移直到外部套筒108接合中间外壳环110。值得注意的是，选择第一剪切销126以在施加由第一压力施加的第一力时剪切。在任何情况下，门组件140的轴向移动都会导致门间隙150—处于其狭窄构型，即当门146、148彼此邻接或基本上彼此靠近时—平移穿过密封组件106的第一外壳端口密封件132。换句话讲，门146、148一起共同平移或移动，并且门间隙150穿过第一外壳端口密封件132。因为门146、148在闭合位置一起共同平移，所以使门间隙150对第一外壳端口密封件132的损坏最小化。一旦发生这种情况，闭合门组件140中的凸耳154就从内芯轴114的第一芯轴沟槽194a脱离，从而促进内芯轴114和第一座组件198进一步向下平移到中心通道102中。

为了打开井筒流体连通工具46的门组件140，可抵靠第一物体204施加可高于、低于或等于第一压力的第二压力，从而致使第一座组件198在内芯轴114上施加向下的力。在此力下，内芯轴114沿中心通道102进一步平移到内芯轴114的孔口190与外壳100的径向端口130对准的位置。内芯轴114的此向下移动还致使第二芯轴沟槽194b接合门组件140的凸耳160并在其上施加力，这继而在第二门148上施加轴向向下的力，从而致使第二门148向下偏移，单独地平移离开第一门146。具体地，第二门148平移到第一套筒套环142的环空172中，从而扩大门间隙150，从而有效地打开井筒流体连通工具46的门组件140，并且提供在穿过管柱42、中心通道102、内芯轴114中的径向孔口190与外壳100中通向井筒20的环空62的径向端口130之间的流体连通路径“F”。在一个或多个实施方案中，在施加第二压力的情况下，内芯轴114和第二门148在此步骤中同时发生平移，使得在第二门148单独地平移或移动离开第一门146的情况下，端口130和孔口190对准。如上面所讨论的，第二压力可大于、等于或小于第一压力，可以理解的是，一旦销126剪切，内芯轴114就可以在施加比剪切销126所需的压力小的压力的情况下平移。

一旦井筒流体连通工具46处于打开构型，则在步骤308中，可通过在油气层22或通过将固井流体引导穿过对准的孔口190和端口130的一次固井作业的位置上方的打开的井筒流体连通工具46来执行二次固井作业，以便将固井流体输送到围绕井筒流体连通工具46的环空。在一个或多个实施方案中，为了开始二次固井作业，增大管柱42中的压力以从第一座组件198驱动或以其他方式挤出着落的第一物体204。随后将水泥从固井头16注入通过管柱42并进入井筒流体连通工具46中。如参考步骤302所讨论的，密封的浮子组件54和先前泵送通过管柱42并进入衬管52的解卡液66充当屏障，从而迫使水泥行进穿过外壳100的径向端口130并向下进入井筒20的环空62中。

在另选的实施方案中，井筒流体连通工具46包括第二座组件208，所述第二座组件208设置在内芯轴114的下端186处。除第二座组件208外，井筒流体连通工具46的此另选实施方案包括与先前关于步骤302-306所描述的相同特征。在作业中，一旦井筒连通工具46的门组件140已打开，来自第一座组件198的第一物体204就被挤出并落在第二座组件208中。代替防止水泥行进到衬管52中的解卡液66，第二座组件208与落在其中的第一物体204一起用于迫使水泥行进穿过中间外壳部分118的径向端口130并向下进入井筒20的环空62中。

在步骤310中，使井筒流体连通工具46对井筒20的环空62闭合。为了使井筒流体连通工具46闭合，在某些实施方案中大于第一物体204的第二物体212落在第一座组件198中。管柱42再次被加压并且压力通过中心通道102被施加到第二物体212。抵靠第二物体212的井上压力导致第二剪切销128从中间外壳环110剪切，其致使中间外壳环110向下移动，从而使得第一门146能够平移穿过外壳100的多个径向端口130直到与第二门148配合，从而将门间隙150驱动到“狭窄”构型并将门组件140的门间隙150定位在径向端口130与第二外壳端口密封件134之间，并有效地使井筒流体连通工具46的门组件140闭合。

在步骤312中，密封井筒流体连通工具46。为了密封井筒流体连通工具46的门组件140，向先前落在第一座组件198中的第二物体212施加另外的压力。此压力致使第一座组件198在第一门146和内芯轴114上施加向下的力。在某些实施方案中，向下的力平移通过座组件198的上唇口200。此向下的力致使第一门146向下推动中间外壳环110，直到其接合中间外壳环挡块112，从而进一步导致狭窄门间隙150平移穿过第二外壳端口密封件134并且第一套筒套环142平移到第二套筒套环144中，从而有效地密封井筒流体连通工具46的门组件。

最后，在步骤314中，一旦井筒流体连通工具被密封，在某些实施方案中，就可将可膨胀衬管悬挂器50设置在井筒20内。为了设置可膨胀衬管悬挂器50，可通过管柱42和中心通道102向第二物体212施加进一步的压力，以将其从第一座组件198挤出或以其他方式赶出。然后，第二物体212可落在衬管悬挂器送入工具48中以用于将可膨胀衬管悬挂器50设置在井筒20内。

参考图4，示出用于在管柱42与井筒20之间建立流体连通的示例性方法400的流程图。

方法400通过将井筒流体连通工具46定位在井筒20中来在步骤402中开始。在某些实施方案中，这可以通过将包括钻管段44的管柱42和处于第一闭合构型的井筒流体连通工具46送入到井筒20中来实现。在井筒流体连通工具46的第一闭合构型中，门146、148彼此邻接或基本上彼此靠近，使得门间隙150处于其狭窄构型，并且通过第一可释放锁定机构(诸如剪切销126)来防止门组件140相对于外壳100移动。根据地下作业的范围，闭合的井筒流体连通工具46可放置在沿管柱42的需要与井筒20流体连通的任何位置处。

在步骤404中，向井筒流体连通工具46施加第一压力，以使基本上邻接的工具的第一门146和第二门148共同平移穿过第一外壳端口密封件132。一旦井筒流体连通工具46定位在井筒20内的所需位置处，第一物体204就落在第一座组件198中，并且通过管柱42和中心通道102抵靠第一物体204施加压力。在某些实施方案中，第一物体204可从地表下落或泵出；然而，据设想，也可使用沿管柱42设置的物体下落组件工具(未示出)来从井下位置部署第一物体204。

尽管如此，抵靠第一物体204施加的压力致使第一可释放锁定机构，即剪切销126剪切。施加在闭合门组件140上的持续向下的力致使闭合门组件140，并且具体地，处于其邻接位置的第一门146和第二门148共同在向下的轴向方向上平移直到外部套筒108接合中间外壳环110。值得注意的是，选择第一剪切销126以在施加由第一压力施加的第一力时剪切。在任何情况下，门组件140的轴向移动都会导致门间隙150—处于其狭窄构型，即当门146、148彼此邻接或基本上彼此靠近时—平移穿过密封组件106的第一外壳端口密封件132。换句话讲，门146、148一起共同平移或移动，并且门间隙150穿过密封件132。因为门146、148在闭合位置一起共同平移，所以使门间隙150对第一外壳端口密封件132的损坏最小化。一旦发生这种情况，闭合门组件140中的凸耳154就从内芯轴114的第一芯轴沟槽194a脱离，从而促进内芯轴114和第一座组件198进一步向下平移到中心通道102中。

在步骤406中，通过以下方式来将井筒流体连通工具46对井筒20的环空62打开：向井筒流体连通工具46施加第二压力以使至少一个径向端口130与井筒流体连通工具46的至少一个内孔口190对准并且将第二门148移离第一门146，从而在径向端口130、内孔口190与井筒20的环空62之间建立流体连通。

为了开始此过程，如前所述，可抵靠第一物体204施加可高于、低于或等于第一压力的第二压力，从而致使第一座组件198在内芯轴114上施加向下的力。在此力下，内芯轴114沿中心通道102进一步平移到内芯轴114的孔口190与外壳100的径向端口130对准的位置。内芯轴114的此向下移动还致使第二芯轴沟槽194b接合门组件140的凸耳160并在其上施加力，这继而在第二门148上施加轴向向下的力，从而致使第二门148向下偏移，单独地平移离开第一门146。具体地，第二门148平移到第一套筒套环142的环空172中，从而扩大门间隙150，从而有效地打开井筒流体连通工具46的门组件140，并且提供在穿过管柱42、中心通道102、内芯轴114中的径向孔口190与外壳100中通向井筒20的环空62的径向端口130之间的流体连通路径“F”。在一个或多个实施方案中，在施加第二压力的情况下，内芯轴114和第二门148在此步骤中同时发生平移，使得在第二门148单独地平移或移动离开第一门146的情况下，端口130和孔口190对准。如先前所讨论的，第二压力可大于、等于或小于第一压力，可以理解的是，一旦销126剪切，内芯轴114就可以在施加比剪切销126所需的压力小的压力的情况下平移。

因此，已描述井筒流体连通工具。所述工具的实施方案可包括外壳，所述外壳具有沿纵轴穿过其中的中心通道，所述外壳包括至少一个径向端口；密封组件，所述密封组件沿中心通道并邻近径向端口设置；外部套筒组件，所述外部套筒组件沿中心通道设置在外壳内，所述套筒组件具有彼此邻接以限定门间隙的第一门和第二门，所述门间隙最初定位在所述密封组件的上游；内芯轴，所述内芯轴具有径向孔口，所述内芯轴可操作来通过设置在所述内芯轴的外轮廓上的多个沟槽和下芯轴肩部选择性地接合所述外部套筒组件；以及第一座组件，所述第一座组件设置在所述外部套筒组件内并耦接到所述内芯轴；其中第一门和第二门可操作来选择性地促进所述中心通道与所述外壳外部的位置之间的流体连通。

对于前述实施方案，井筒流体连通工具还可以单独地或彼此组合地包括以下元件中的任一个：

中间外壳环，所述中间外壳环可释放地固定到所述外壳并且与限定在所述外部套筒上的肩部间隔开。

第一可释放锁定机构，所述第一可释放锁定机构被设置来将所述外壳和外部套筒彼此锁定；以及第二可释放锁定机构，所述第二可释放锁定机构被设置来将所述中间外壳环锁定到所述外壳。

所述密封组件还包括第一外壳端口密封件和第二外壳端口密封件，所述第一外壳端口密封件和所述第二外壳端口密封件设置在所述径向端口的相反侧上。

所述外部套筒组件还包括第一套筒套环和第二套筒套环，所述第一套筒套环和所述第二套筒套环定位在所述第一门和所述第二门下方。

第二套筒套环附连到外壳。

所述第一套筒套环围绕所述内芯轴动地设置在所述第二门下方和所述第二套筒套环上方。

所述外部套筒组件还包括多个凸耳，所述多个凸耳可操作来选择性地接合所述内芯轴的所述多个沟槽和所述下芯轴肩部。

第二座组件在所述内芯轴内设置在所述下芯轴肩部附近。

此外，本文已描述井筒流体连通工具的另选实施方案。这种实施方案可包括外壳，所述外壳具有在第一端与第二端之间延伸并沿纵轴限定的穿过其中的中心通道，所述外壳包括至少一个径向端口；密封组件，所述密封组件沿所述外壳、沿所述中心通道设置在所述外壳的所述径向端口与所述第一端之间；外部套筒组件，所述外部套筒组件沿所述中心通道设置在所述外壳内，所述套筒组件具有彼此邻接以限定门间隙的第一门和第二门，当所述第一门和所述第二门处于第一闭合位置时，所述门间隙定位在所述密封组件与所述外壳的所述第一端之间；内芯轴，所述内芯轴具有径向孔口，所述内芯轴设置在所述外部套筒组件内，使得所述径向孔口邻近所述门间隙，所述内芯轴具有沿其限定的多个沟槽；第一可释放锁定机构，所述第一可释放锁定机构在所述第一锁定位置将所述外部套筒组件固定到所述外壳；第一可释放附接机构，所述第一可释放附接机构从所述外部套筒组件延伸以接合所述内芯轴的沟槽，以在所述第一位置将所述内芯轴固定到所述外部套筒组件；以及第一座组件，所述第一座组件设置在所述外部套筒组件内并耦接到所述内芯轴，当释放所述第一可释放锁定机构时，所述外部套筒组件和所述内芯轴可在所述外壳内滑动到第二位置。

对于前述实施方案，井筒流体连通工具还可以单独地或彼此组合地包括以下元件中的任一个：

所述外部套筒组件包括肩部，并且所述井筒流体连通工具还包括通过第二可释放锁定机构固定到所述外壳的中间外壳环，当所述工具处于所述第一位置时，所述外壳环与所述外部套筒肩部间隔开。

第一可释放锁定机构是剪切销。

密封组件沿所述外壳设置在所述径向端口的相反侧上。

所述外部套筒组件还包括第一套筒套环和第二套筒套环，所述第一套筒套环和所述第二套筒套环定位在所述第一门和所述第二门下方。

因此，本文已描述一种用于在井筒中进行固井作业的方法，其中所述方法包括将固井工具定位在井筒中的第一位置处，所述第一位置与所述第一位置下游的第二位置间隔开；在所述第二位置处进行固井作业；在所述第二位置处的所述固井作业之后，向所述固井工具施加第一压力，以使基本上邻接的第一门和第二门一起共同平移穿过所述固井工具的密封件；向所述固井工具施加第二压力，以(i)将所述固井工具的孔口与所述固井工具的端口对准并且(ii)单独地使所述第二门平移离开所述第一门，从而在所述孔口与所述端口之间建立流体连通；以及在所述第二位置处进行固井作业。

对于前述实施方案，方法可以单独地或彼此组合地包括以下步骤中的任一个：

在所述第二位置处的固井作业包括：引导固井流体通过所述对准的孔口和端口，以便将固井流体输送到围绕所述固井工具的环空。

通过以下方式来施加所述第一压力：将物体落在所述固井工具内的座上，并且向所述物体施加压力直到剪切机构破裂，从而允许所述第一门和所述第二门共同平移。

在所述第二位置处进行固井作业包括：将所述着落的物体从座赶出并使固井流体穿过所述座到达所述对准的孔口和端口。

因此，本文已描述一种用于在井筒中建立流体连通的方法，其中所述方法包括：将井筒流体连通工具定位在井筒中；向所述工具施加第一压力，以使基本上邻接的所述工具的第一门和第二门共同平移穿过密封件；以及向井筒流体连通工具施加第二压力，以(i)将所述工具的外孔口与所述工具的内端口对准并且(ii)将所述第二门移离所述第一门，从而在所述孔口与所述端口之间建立流体连通。

对于前述实施方案，所述方法可包括以下步骤：

通过以下方式来施加所述第一压力：将物体落在所述工具的座中，并且向所述物体施加所述第一压力直到剪切销将所述第一门和所述第二门从第一闭合位置释放，从而允许所述门共同平移到第二闭合位置。

以上特定的示例性实施方案并不旨在限制权利要求书的范围。示例性实施方案可通过包括、执行或组合本公开中所描述的一个或多个特征或功能来修改。

Claims (20)

1.一种井筒流体连通工具，所述工具包括：

外壳，所述外壳具有沿纵轴穿过其中的中心通道，所述外壳包括至少一个径向端口；

密封组件，所述密封组件沿所述中心通道并邻近所述径向端口设置；

外部套筒组件，所述外部套筒组件沿所述中心通道设置在所述外壳内，所述套筒组件具有彼此邻接以限定门间隙的第一门和第二门，所述门间隙最初定位在所述密封组件的上游；

内芯轴，所述内芯轴具有径向孔口，所述内芯轴能够操作来通过设置在所述内芯轴的外轮廓上的多个沟槽和下芯轴肩部选择性地接合所述外部套筒组件；以及

第一座组件，所述第一座组件设置在所述外部套筒组件内并耦接到所述内芯轴；

其中第一门和第二门能够操作来选择性地促进所述中心通道与所述外壳外部的位置之间的流体连通。

2.如权利要求1所述的井筒流体连通工具，其还包括中间外壳环，所述中间外壳环能释放地固定到所述外壳并且与限定在所述外部套筒上的肩部间隔开。

3.如权利要求2所述的井筒流体连通工具，其中所述外壳还包括：第一可释放锁定机构，所述第一可释放锁定机构被设置来将所述外壳和外部套筒彼此锁定；以及第二可释放锁定机构，所述第二可释放锁定机构被设置来将所述中间外壳环锁定到所述外壳。

4.如权利要求1所述的井筒流体连通工具，其中所述密封组件还包括第一外壳端口密封件和第二外壳端口密封件，所述第一外壳端口密封件和所述第二外壳端口密封件设置在所述径向端口的相反侧上。

5.如权利要求1所述的井筒流体连通工具，其中所述外部套筒组件还包括第一套筒套环和第二套筒套环，所述第一套筒套环和所述第二套筒套环定位在所述第一门和所述第二门下方。

6.如权利要求5所述的井筒流体连通工具，其中所述第二套筒套环附连到所述外壳。

7.如权利要求5所述的井筒流体连通工具，其中所述第一套筒套环围绕所述内芯轴能滑动地设置在所述第二门下方和所述第二套筒套环上方。

8.如权利要求1所述的井筒流体连通工具，其中所述外部套筒组件还包括多个凸耳，所述多个凸耳能够操作来选择性地接合所述内芯轴的所述多个沟槽和所述下芯轴肩部。

9.如权利要求1所述的井筒流体连通工具，其还包括第二座组件，所述第二座组件在所述内芯轴内设置在所述下芯轴肩部附近。

10.一种井筒流体连通工具，所述工具包括：

外壳，所述外壳具有在第一端与第二端之间延伸并沿纵轴限定的穿过其中的中心通道，所述外壳包括至少一个径向端口；

密封组件，所述密封组件沿所述外壳、沿所述中心通道设置在所述外壳的所述第一端与所述径向端口之间；

外部套筒组件，所述外部套筒组件沿所述中心通道设置在所述外壳内，所述套筒组件具有彼此邻接以限定门间隙的第一门和第二门，当所述第一门和所述第二门处于第一闭合位置时，所述门间隙定位在所述密封组件与所述外壳的所述第一端之间；

内芯轴，所述内芯轴具有径向孔口，所述内芯轴设置在所述外部套筒组件内，使得所述径向孔口邻近所述门间隙，所述内芯轴具有沿其限定的多个沟槽；

第一可释放锁定机构，所述第一可释放锁定机构在所述第一锁定位置将所述外部套筒组件固定到所述外壳；

第一可释放附接机构，所述第一可释放附接机构从所述外部套筒组件延伸以接合所述内芯轴的沟槽，以在所述第一位置将所述内芯轴固定到所述外部套筒组件；以及

第一座组件，所述第一座组件设置在所述外部套筒组件内并耦接到所述内芯轴，

当释放所述第一可释放锁定机构时，所述外部套筒组件和所述内芯轴能在所述外壳内滑动到第二位置。

11.如权利要求10所述的井筒流体连通工具，其中所述外部套筒组件包括肩部，并且所述井筒流体连通工具还包括通过第二可释放锁定机构固定到所述外壳的中间外壳环，当所述工具处于所述第一位置时，所述外壳环与所述外部套筒肩部间隔开。

12.如权利要求10所述的井筒流体连通工具，其中所述第一可释放锁定机构是剪切销。

13.如权利要求10所述的井筒流体连通工具，其中密封组件沿所述外壳设置在所述径向端口的相反侧上。

14.如权利要求10所述的井筒流体连通工具，其中所述外部套筒组件还包括第一套筒套环和第二套筒套环，所述第一套筒套环和所述第二套筒套环定位在所述第一门和所述第二门下方。

15.一种用于在井筒中进行固井作业的方法，所述方法包括：

将固井工具定位在井筒中的第一位置处，所述第一位置与所述第一位置下游的第二位置间隔开；

在所述第二位置处进行固井作业；

在所述第二位置处的所述固井作业之后，向所述固井工具施加第一压力，以使基本上邻接的第一门和第二门一起共同平移穿过所述固井工具的密封件；

向所述固井工具施加第二压力，以(i)将所述固井工具的孔口与所述固井工具的端口对准并且(ii)单独地使所述第二门平移离开所述第一门，从而在所述孔口与所述端口之间建立流体连通；以及

在所述第二位置处进行固井作业。

16.如权利要求15所述的方法，其中在所述第二位置处的固井作业包括：引导固井流体通过所述对准的孔口和端口，以便将固井流体输送到围绕所述固井工具的环空。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述第一压力是通过以下方式来施加：将物体落在所述固井工具内的座上，并且向所述物体施加压力直到剪切机构破裂，从而允许所述第一门和所述第二门共同平移。

18.如权利要求15所述的方法，其中在所述第二位置处进行固井作业包括：将所述着落的物体从座赶出并使固井流体穿过所述座到达所述对准的孔口和端口。

19.一种用于在井筒中建立流体连通的方法，所述方法包括：

将井筒流体连通工具定位在井筒中；

向所述工具施加第一压力，以使基本上邻接的所述工具的第一门和第二门共同平移穿过密封件；以及

向井筒流体连通工具施加第二压力，以(i)将所述工具的外孔口与所述工具的内端口对准并且(ii)将所述第二门移离所述第一门，从而在所述孔口与所述端口之间建立流体连通。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述第一压力是通过以下方式来施加：将物体落在所述工具的座中，并且向所述物体施加所述第一压力直到剪切销将所述第一门和所述第二门从第一闭合位置释放，从而允许所述门共同平移到第二闭合位置。

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