CN111561294B - 自动灌浆套筒以及固井方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动灌浆套筒以及固井方法，自动灌浆装置同轴安装在石油钻井中的油井套管底端，自动灌浆装置包括有一外套筒，在外套筒内孔中安装有一受力后可轴向滑动的中心管，在外套筒前端开口设置有单向阀组件；在外套筒的前端周向贯穿开设有若干个旁通孔；在内孔的后端设置有台阶，且在中心管后端外壁设置有中心管锁定销，中心管锁定销卡在台阶上以将中心管固定在内孔中并且中心管与旁通孔留有距离，中心管锁定销受到第一压力后断裂，随后中心管受力后在内孔中下行以堵住旁通孔的内侧开口。本发明减轻了工人劳动强度，提高下套管速度，节约能源，提高固井质量和施工安全。

Description

自动灌浆套筒以及固井方法

技术领域

本发明涉及石油勘探开发，具体涉及到一种自动灌浆套筒以及固井方法。

背景技术

石油勘探开发钻井的完井下套管作业过程中，都需要在井口向套管内灌泥浆，保证套管内容积尽可能充满，一般要求3根一充，15根充满，这是为了解决由于水泥和泥浆密度差产生的较大压差，水泥凝固前，在压差作用下水泥返回到套管内，保持压力平衡的U形管效应,所以在套管最下部下入了回压凡尔图1所示，因此，下套管过程中，井筒内泥浆无法进入套管内，而需要井口灌浆，保持套管内外液柱压力平衡。

下套管过程中每15分钟左右要开泵灌浆一次，增加了工人的劳动强度，影响工作时效，同时大量消耗能源。由于套管内有空气，灌浆时会造成井口返喷泥浆，寒冷地区或季节还容易冻灌浆管线。严重影响到下套管速度。如果灌浆不及时，还会造成回压凡尔被顶翻，严重时，可能出现套管因较大的压差挤压产生变形等套管事故。

发明内容

本发明提供了一种自动灌浆装置，所述自动灌浆装置同轴安装在石油钻井中的油井套管底端，所述自动灌浆装置包括有一外套筒，在所述外套筒内孔中安装有一受力后可轴向滑动的中心管，在所述外套筒前端开口设置有单向阀组件；

在所述外套筒的前端周向贯穿开设有若干个旁通孔，所述旁通孔的外侧开口朝向所述外套筒后侧；

在所述内孔的后端设置有台阶，且在所述中心管后端外壁设置有中心管锁定销，所述中心管锁定销卡在所述台阶上以将所述中心管固定在所述内孔中并且所述中心管与旁通孔留有距离，所述中心管锁定销受到第一压力后断裂，随后所述中心管受力后在所述内孔中下行以堵住所述旁通孔的内侧开口。

进一步，所述旁通孔轴线与所述外套筒后轴线呈30°—45°夹角。

进一步，在所述旁通孔前端的所述外套筒外壁上设置有一段螺纹，在所该段螺纹上配置有一流场罩，所述流场罩后端内壁与所述外套筒外壁之间留有间隙，且所述旁通孔外侧开口位于所述间隙中。

进一步，所述单向阀组件由单向阀盖帽、弹簧、单向阀体组成，所述单向阀盖帽安装在所述外套筒的前端开口上，所述单向阀体固定在位于所述单向阀盖帽后端的所述内孔中，所述弹簧的两端抵接在所述单向阀盖帽和所述单向阀体之间。

进一步，在所述内孔后端设置有一段止退内齿，且在所述中心管后端外壁设置有一段止退外齿，

由所述中心管在内孔中的前进下行以堵住所述旁通孔的内侧开口，并且使所述止退内齿和所述止退外齿相咬合。

进一步，还包括：

从井口投入的并与所述中心管后端开口活动连接的密封装置，所述密封装置与所述内孔之间密封配合。

进一步，所述中心管后端开口内壁设置有止退卡块；

所述密封装置包括有橡胶塞，橡胶塞前端设有可插入中心管内的胶塞体，在胶塞体前端设置有弹性止退销，所述胶塞体插入所述中心管后端开口并由所述弹性止退销卡在所述止退卡块上以将所述密封装置卡接固定在所述中心管后端。

进一步，在所述单向阀组件和所述中心管之间设置有抵接在所述内孔内壁上的孔板；

在所述中心管内安装有球座，所述球座与所述中心管内壁之间密封配合，该球座用于承托从井口投入的球体并由该球体堵住所述球座的中心孔，所述球座受到来自球体施加的第二压力后与所述中心管脱离。

进一步，所述球座通过球座销钉安装在所述中心管内，所述球座受到来自球体施加的第二压力后，所述球座销钉断裂使所述球座连同所述球体从所述中心管中掉落至孔板上。

进一步，所述第一压力小于所述第二压力，其中所述第一压力为大于6MPa的压力，所述第二压力为大于9MPa的压力。

一种基于上述自动灌浆装置的固井方法，所述方法包括：

将所述自动灌浆装置同轴安装在石油钻井中的油井套管底端并投入石油钻井中，固井用的水泥泥浆通过油井套管灌入所述自动灌浆装置中，固井水泥通过旁通孔上返并充盈在所述油井套管和石油钻井之间，固井作业完成后，将所述密封装置从井口投入，所述密封装置在所述油井套管中下行并卡在所述中心管的后端开口，由所述密封装置向下推动使所述中心管锁定销断裂，在压力作用下所述中心管在所述外套筒中下行并堵住所述旁通孔。

另外一种固井方法，所述方法包括：

将所述自动灌浆装置同轴安装在石油钻井中的油井套管底端并投入石油钻井中，固井用的水泥泥浆通过油井套管灌入所述自动灌浆装置中，固井水泥通过旁通孔上返并充盈在所述油井套管和石油钻井之间；

将球体从井口投入，球体在所述油井套管中下行并落在所述球座上，开泵憋压至第一压力使所述中心管锁定销断裂，在压力作用下所述中心管在所述外套筒中下行并堵住所述旁通孔；

继续憋压至第二压力致使球座与所述中心管脱离并掉落至孔板上，水泥泥浆通过孔板、单向阀组件从前端开口流出以继续固井作业。

本自动灌浆装置能改变钻井行业一贯的井口灌浆方法，减轻工人劳动强度，提高下套管速度，节约能源，提高固井质量和施工安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为固井过程中回压凡尔的工作原理图；

图2为实施例一中，本发明提供的一种自动灌浆装置内中心管后端连接有密封装置的示意图(中心管未关闭旁通孔状态)；

图3为实施例一中，中心管在外套筒内下行并关闭旁通孔的状态图；

图4为实施例二中，中心管锁定销与外套筒内孔的台阶配合示意图，以及密封装置的弹性止退销与中心管的止退卡块配合示意图；

图5为实施例二中，本发明提供的一种自动灌浆装置在中心管内设置有球座的示意图(中心管未关闭旁通孔状态)；

图6为实施例二中，中心管在外套筒内下行并关闭旁通孔的状态图；

图7为实施例二中，球座以及球体从中心管中掉落至孔板上的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种自动灌浆装置，如图2-4所示，所述自动灌浆装置同轴安装在石油钻井中的油井套管底端，所述自动灌浆装置包括有一外套筒4，在所述外套筒4中安装有一可轴向滑动的中心管11，在所述外套筒4前端开口处设置有单向阀组件100；在所述外套筒4的前端周向贯穿开设有若干个旁通孔7，所述旁通孔7的外侧开口朝向所述外套筒4后侧；在所述内孔的后端设置有台阶16，且在所述中心管11后端外壁设置有中心管锁定销12，所述中心管锁定销12卡在所述台阶16上以将所述中心管11固定在所述内孔中并且所述中心管11与旁通孔7留有距离，所述中心管锁定销12受到第一压力后断裂，随后所述中心管11受力后在所述内孔中下行以堵住所述旁通孔7的内侧开口。可选的，中心管锁定销12插在中心管11的插槽中，受力后中心管锁定销12断裂从而使得中心管11可以在外套筒4的内孔中下行。

在一可选的实施例中，所述旁通孔7为斜孔，孔的轴线与所述外套筒4后轴线呈30°—45°夹角。由于将旁通孔7设置为斜孔，因此在灌浆时，水泥沿着旁通孔7由下而上填充。另外作为可选项，在所述旁通孔7前端的所述外套筒4外壁上设置有一段螺纹，在所该段螺纹上配置有一流场罩6，所述流场罩6后端内壁与所述外套筒4外壁之间留有间隙，且所述旁通孔7外侧开口位于所述间隙中，如图2-3所示。水泥沿着各个旁通孔7上返时，从每个旁通孔7中出来的水泥呈柱状并充盈在套筒与油井之间的空隙中，由于出来的水泥是相对独立的，我们通过设置一个流场罩6，从每个旁通孔7中出来的水泥会受到流场罩6挤压作用进而成一个环状的水泥整体并填充在油井与套筒之间，提高了灌浆效果。

单向阀组件100的作用在于避免油井外的物体回流到本自动灌浆装置内，可选的，单向阀组件100由单向阀盖帽1、弹簧2、单向阀体3组成，所述单向阀盖帽1安装在所述外套筒4的前端开口上，所述单向阀体3固定在位于所述单向阀盖帽1后端的所述内孔中，所述弹簧2的两端抵接在所述单向阀盖帽1和所述单向阀体3之间。

可选的，在中心管11前端设有两个密封圈18，如图2，在中心管11在内孔中下到底并堵住旁通孔7时，旁通孔7位于两个密封圈18之间以保证密封效果。

在一可选的实施例中，在内孔的内壁设置有一段止退内齿20，且在所述中心管11后端外壁设置有一段止退外齿，由所述中心管11在内孔中的前进下行以堵住所述旁通孔7的内侧开口，并且使所述止退内齿20和所述止退外齿相咬合。通过该止退设计，可以有效避免中心管11在下行时回退。可选的，止退外齿可以直接做在中心管11后端外壁上，也可以在中心管11后端套置棘轮环17的方式来使得与内孔中的止退内齿相咬合(如图2和图5)。

在一可选的实施例中，本自动灌浆装置还包括：从井口投入的并与中心管11后端开口活动连接的密封装置200，密封装置200与内孔之间密封配合。其中，中心管11后端开口内壁设置有止退卡块19；密封装置200包括有橡胶塞15，橡胶塞15前端设有可插入中心管11内的胶塞体14，在胶塞体14前端设置有弹性止退销13，胶塞体14插入中心管11后端开口并由弹性止退销13卡在止退卡块19上以将密封装置200卡接固定在中心管11后端。橡胶塞15的外径与外套筒4的内孔紧密贴合以保证密封效果。如图3所示，弹性止退销13底部有弹簧，弹簧顶部有顶块，弹性止退销13在伸到中心管11内时，在弹簧的作用下将顶块向外推，在止退卡块19的作用下卡住顶块，完成密封装置200固定在中心管11后端。

本发明的自动灌浆装置的工作状态如下：

1)自动灌浆工作状态。自动灌浆装置接在油井套管底部，中心管11处于初始位置，旁通孔7处于开启状态，所以下套管过程中井筒泥浆经旁通孔7自动进入套管内，实现自动灌浆目的。

2)关闭工作状态，固井注水泥后压入密封装置200(弹性止退销13、胶塞体14和橡胶塞15)，水泥与顶替液分开，当密封装置200压至自动灌浆装置的中心管11时，套管立压升高，开始推动中心管11下移以关闭旁通孔7，完成固井作业。

在一可选的实施例中，如图5-7，本自动灌浆装置还包括：在单向阀组件100和中心管11之间设置有抵接在内孔内壁上的孔板5；在中心管11内安装有球座9，球座9与中心管11内壁之间密封配合，该球座9用于承托从井口投入的球体10并由该球体10堵住球座9的中心孔，球座9受到来自球体10施加的第二压力后与中心管11脱离。其中，球座9通过球座销钉8固定在中心管11内，球座9受到来自球体10施加的第二压力后，球座销钉8断裂使球座9连同球体10从中心管11中掉落至孔板5上。

其中，第一压力小于第二压力，其中第一压力为大于6MPa的压力，第二压力为大于9MPa的压力。

实施例一

本发明可以直接经过自动灌浆装置的旁通孔固井的方法，在本方法中，孔板5、球座销钉8、球座9、球10可以不装。方法如下：将自动灌浆装置同轴安装在石油钻井中的油井套管底端并投入石油钻井中，固井用的水泥泥浆通过油井套管灌入自动灌浆装置中，固井水泥通过旁通孔7上返并充盈在油井套管和石油钻井之间，固井作业完成后，将密封装置200从井口投入，密封装置200在油井套管中下行并卡在中心管11的后端开口，由密封装置200向下推动使中心管锁定销12断裂，在压力作用下中心管11在外套筒4中下行并堵住旁通孔7，完成固井作业。

实施例二

本发明也可以下完套管后关闭旁通孔，恢复常规工艺固井工艺，其中，孔板5、球座销钉8、球座9、球10都要装上，流场罩6可以不装。具体步骤为：

将自动灌浆装置同轴安装在石油钻井中的油井套管底端并投入石油钻井中，固井用的水泥泥浆通过油井套管灌入自动灌浆装置中，固井水泥通过旁通孔7上返并充盈在所述油井套管外壁和石油钻井内壁之间；

将球体10从井口投入，球体10在油井套管中下行并落在球座9上堵住球座9的中心孔，开泵憋压至第一压力使中心管锁定销12断裂，在压力作用下中心管11在外套筒4中下行并堵住旁通孔7。如果我们需要继续固井作业，那么可以进行下一步：继续憋压至第二压力致使球座9与中心管11脱离并掉落至孔板5上，水泥泥浆通过孔板5、单向阀组件100从前端开口流出至油井与套筒之间的空隙中，由此可以循环泥浆，继续进行固井作业。

本发明的原理为：自动灌浆装置利用液柱压差，开旁通孔建立液体流动通道，使套管外环空与套管内容积的“U”形管效应处于平衡状态，实现自动灌浆目的。油井套管下完，可以投球(即球体10)开泵憋压至第一压力(6MPa)把中心管锁定销12憋断，使中心管11下行，关闭旁通孔7；随后继续憋压至第二压力(9MPa)，剪断球座销钉8，球体10和球座9落入孔板5，回到常规固井方式，泥浆可以对油井进行填充。此外我们也可以不投球，直接固井，通过胶塞(密封装置200)进入中心管推动中心管下行，关闭旁通孔，完成固井，可以由各油田选择相应的使用方式。

本发明提供的自动灌浆装置有以下优点：

1)保护套管免受液柱压差的挤压破坏。

2)减轻工人的劳动强度，不需要井口灌浆。

3)提高下套管速度。

4)不需要开泵灌浆，节约了能源，降低了钻井工程费用。

5)保持了钻台卫生，杜绝了因套管内空气引起的反喷泥浆现象。

6)杜绝了低压灌浆管线在冬季的冻管线故障。

7)避免了下套管过程不及时灌浆造成回压凡尔(即单向阀组件100)被顶翻等情况发生。

8)有利于下套管遇阻的冲通井作业。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种自动灌浆装置，所述自动灌浆装置同轴安装在石油钻井中的油井套管底端，其特征在于，所述自动灌浆装置包括有一外套筒(4)，在所述外套筒(4)内孔中安装有一受力后可轴向滑动的中心管(11)，在所述外套筒(4)前端开口设置有单向阀组件(100)；

在所述外套筒(4)的前端周向贯穿开设有若干个旁通孔(7)，所述旁通孔(7)的外侧开口朝向所述外套筒(4)后侧；

在内孔的后端设置有台阶(16)，且在所述中心管(11)后端外壁设置有中心管锁定销(12)，所述中心管锁定销(12)卡在所述台阶(16)上以将所述中心管(11)固定在所述内孔中并且所述中心管(11)与旁通孔(7)留有距离，所述中心管锁定销(12)受到第一压力后断裂，随后所述中心管(11)受力后在所述内孔中下行以堵住所述旁通孔(7)；

在所述内孔设置有一段止退内齿，且在所述中心管(11)后端外壁设置有一段止退外齿，由所述中心管(11)在内孔中的前进下行以堵住所述旁通孔(7)的内侧开口，并且使所述止退内齿和所述止退外齿相咬合；

在所述单向阀组件和所述中心管(11)之间设置有抵接在所述内孔内壁上的孔板(5)，在所述中心管(11)内安装有球座(9)，所述球座(9)通过球座销钉(8)安装在所述中心管(11)内并与所述中心管(11)内壁之间密封配合，该球座(9)用于承托从井口投入的球体(10)并由该球体(10)堵住所述球座(9)的中心孔，所述球座(9)受到来自球体(10)施加的第二压力后，所述球座销钉(8)断裂使所述球座(9)连同所述球体(10)从所述中心管(11)中掉落至孔板(5)上，所述第一压力小于所述第二压力。

2.如权利要求1所述的自动灌浆装置，其特征在于，在所述旁通孔(7)前端的所述外套筒(4)外壁上设置有一段螺纹，在所该段螺纹上配置有一流场罩(6)，所述流场罩(6)后端内壁与所述外套筒(4)外壁之间留有间隙，且所述旁通孔(7)外侧开口位于所述间隙中；

所述旁通孔(7)轴线与所述外套筒(4)后轴线呈30°—45°夹角。

3.如权利要求1所述的自动灌浆装置，其特征在于，所述单向阀组件(100)由单向阀盖帽(1)、弹簧(2)、单向阀体(3)组成，所述单向阀盖帽(1)安装在所述外套筒(4)的前端开口上，所述单向阀体(3)固定在位于所述单向阀盖帽(1)后端的所述内孔中，所述弹簧(2)的两端抵接在所述单向阀盖帽(1)和所述单向阀体(3)之间。

4.如权利要求1所述的自动灌浆装置，其特征在于，所述中心管(11)后端开口内壁设置有止退卡块(19)；

所述自动灌浆装置还包括：从井口投入的并与所述中心管(11)后端开口活动连接的密封装置(200)，所述密封装置(200)与所述内孔之间密封配合，所述密封装置(200)包括有橡胶塞(15)，橡胶塞(15)前端设有可插入中心管(11)内的胶塞体(14)，在胶塞体(14)前端设置有弹性止退销(13)，所述胶塞体(14)插入所述中心管(11)后端开口并由所述弹性止退销(13)卡在所述止退卡块(19)上以将所述密封装置(200)卡接固定在所述中心管(11)后端。

5.如权利要求1所述的自动灌浆装置，其特征在于，所述第一压力为大于6MPa的压力，所述第二压力为大于9MPa的压力。

6.一种基于权利要求1所述自动灌浆装置的固井方法，其特征在于，所述方法包括：

将所述自动灌浆装置同轴安装在石油钻井中的油井套管底端并投入石油钻井中，固井用的水泥泥浆通过油井套管灌入所述自动灌浆装置中，固井水泥通过旁通孔(7)上返并充盈在所述油井套管和石油钻井之间；

将球体(10)从井口投入，球体(10)在所述油井套管中下行并落在所述球座(9)上，开泵憋压至第一压力使所述中心管锁定销(12)断裂，在压力作用下所述中心管(11)在所述外套筒(4)中下行并堵住所述旁通孔(7)；

继续憋压至第二压力致使球座(9)与所述中心管(11)脱离并掉落至孔板(5)上，水泥泥浆通过孔板(5)、单向阀组件从前端开口流出以继续固井作业。

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