CN111577218B - 一种短半径、超短半径水平井完井工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于水平井固井技术领域，尤其涉及一种短半径、超短半径水平井完井工艺，包括上层套管和柔性尾管，上层套管和柔性尾管之间通过尾管悬挂器连接，柔性尾管的末端连接有小尺寸裸眼封隔器；尾管悬挂器包括膨胀管、膨胀锥和锚定机构，柔性尾管连接在膨胀管的下端；膨胀管分为直径不同的两个区段，分别称为小直径区段和大直径区段，其中，小直径区段在上，大直径区段在下，小直径区段的外侧设置有用于密封上层套管与小直径区段之间的间隙的组合密封结构.本发明设计了结构独特的尾管悬挂器，通过这种尾管悬挂器可将柔性尾管和小尺寸裸眼封隔器下入圆弧井段，卡封复杂地层，可以实现压裂增产、下管柱、防塌、防水淹、连续油管清砂。

Description

一种短半径、超短半径水平井完井工艺

技术领域

本发明创造涉及一种短半径、超短半径水平井完井工艺，属于水平井套管固井射孔完井技术中配套设备。

背景技术

短半径、超短半径水平井钻探技术是提高勘探开发效果、单井产量和油藏采收率的一种全新工艺方式，推动了石油开采工艺的发展，已列为当今石油工业最重要的关键技术之一。短半径、超短半径水平井的结构包括直井段、弧形井段和水平井段，其中，弧形井段的作用是完成直井段和水平井段之间的平缓过渡。但是，现有的短半径、超短半径水平井完井工艺中，弧形井段和水平井段内无法下入套管进行支撑，这种情况下，当弧形井段的半径缩小后，弧形井段的上侧发生塌方的风险便会升高，而一旦发生塌方，将造成很大的经济损失。因此，有必要设计一种全新的短半径、超短半径水平井完井施工艺来解决短半径、超短半径水平井的弧形井段复杂地层、塌方、水淹的问题，为油田后期的压裂增产、连续油管清砂等作业提供有力保障。

发明内容

本发明提供了一种短半径、超短半径水平井完井工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决以上问题，本发明创造的具体技术方案如下：本发明包括上层套管和柔性尾管，上层套管和柔性尾管之间通过尾管悬挂器连接，所述柔性尾管的末端连接有小尺寸裸眼封隔器；

所述的尾管悬挂器包括膨胀管、膨胀锥和锚定机构，所述的柔性尾管连接在膨胀管的下端；

膨胀管分为直径不同的两个区段，分别称为小直径区段和大直径区段，其中，小直径区段在上，大直径区段在下，小直径区段的外侧设置有用于密封上层套管与小直径区段之间的间隙的组合密封结构；

所述膨胀锥安装在所述小直径区段和大直径区段的衔接处，膨胀锥上下两部分的形状分别与小直径区段和大直径区段相匹配，膨胀锥的上端连接有油管，油管延伸至地面，膨胀锥的下端面上设置有起密封作用的皮碗；

所述锚定机构包括锥体、卡瓦、箍环、芯轴和支撑弹簧，锥体的上侧安装有起密封作用的皮碗，锥体的下端与芯轴的上端通过螺纹固定连接，所述箍环套在所述卡瓦的外侧，从而将卡瓦滑动安装在芯轴的外侧，所述锥体下端设置有圆锥面，该圆锥面与卡瓦上端的内侧滑动配合，所述支撑弹簧支撑在卡瓦的下侧，卡瓦在支撑弹簧的作用下始终保持向上的运动趋势；

所述膨胀锥的下端与锥体上端之间连接有盲管，盲管的上端通过螺纹与膨胀锥连接，盲管的下端通过剪钉与锥体连接，盲管下端的侧面设置有用于连通盲管内外空间的过液孔，所述盲管与锥体之间连接有柔性绳。

作为进一步的技术方案，所述的组合密封结构包括一个金属环和两个橡胶环，其中，金属环固定在所述膨胀管的外侧，金属环的横截面整体呈梯形，两个橡胶环分别硫化在金属环的上下两侧。

作为进一步的技术方案，所述金属环的外圆周上加工有横截面为梯形的环形槽，该环形槽内安装有密封圈，且该密封圈的横截面形状与该环形槽的横截面形状相同。

本发明的有益效果为：

1、本发明设计了结构独特的尾管悬挂器，通过这种尾管悬挂器可将柔性尾管下入短半径、超短半径水平井的圆弧井段，当发生塌方或水淹时，仍能够保证井眼通畅，避免了塌方带来的经济损失。

2、本发明在膨胀管外侧预制了由金属材料和橡胶材料构成的经特别设计的组合密封结构，通过液压驱动迫使膨胀锥向上运动，将膨胀管胀大并紧贴在上层套管内壁上，即可承受柔性尾管的悬重，同时形成可靠密封，解决了柔性尾管上端漏失的问题。

具体而言，这种组合密封结构具有以下几点好处：

1)该组合密封结构包括一个金属环和两个橡胶环，其中，金属环固定在所述膨胀管的外侧，具体固定方式可通过顶丝固定，螺纹胶固定或者螺纹固定等固定方式。小直径区段膨胀时，金属环在小直径区段的挤压作用下直径同步扩大，当金属环的外径等于上层套管的内径后，小直径区段和金属环的外径继续扩大，从而使金属环紧紧贴合在上层套管的内壁上，形成可靠的密封。

2)金属环的横截面整体呈梯形，与矩形横截面相比，当梯形的上底与上层套管接触后，不但更容易被挤压变形，而且在作用于膨胀锥上的拉力等其它参数一定的情况下，采用梯形结构可提供更多的密封材料(即指金属环本身的材料)来填充需要密封的缝隙，从而使密封点的承压能力和密封可靠性得到增强。

3)两个橡胶环直接硫化在小直径区段的外侧，可保证橡胶环与小直径区段连接的牢固性，两个橡胶环在金属环的上下两侧分布，当组合密封结构承压时，承压侧的橡胶环在压力作用下发生形变，并塞入金属环与小直径区段之间的极小缝隙，从而保证所述组合密封结构处的整体密封性能。

4)金属环的外圆周上加工横截面为梯形的环形槽(梯形的上底位于该环形槽的槽底)，环形槽的设置可减小金属环与上层套管之间的接触面积。这样，金属环的直径增大过程中，在金属环与上层套管贴合的初期，金属环与上层套管之间的接触面较小，因此压强较大，这种情况下，金属环可以压入上层套管的内表面，如图所示，虽然压入的深度很小，但足以产生明显的改善密封性的效果。

5)环形槽内安装有密封圈，且该密封圈的横截面形状与该环形槽的横截面形状相同且面积相等。组合密封结构被挤压变形后，密封圈被已经发生形变的金属环挤压后紧密填充的在所述环形槽内，从而在密封圈处强制性地将金属环与上层套管之间的间隙堵住，进一步提高密封处的承压性能

3、本发明中，并没有现有技术中经常采用的液压油管锚来配合施工，转而直接在尾管悬挂器上直接设置了结构简单的锚定机构，该锚定机构不仅在结构上与其他动作机构有机结合，而且与现有的油管锚相比，机械结构和坐封过程均更加简单，锚定性能也能得到保证。

4、现有技术中，膨胀锥的结构是一套结构复杂的组件，不但制造成本高，而且动作可靠性较差，完成尾管悬挂后，上层套管和尾管的连接处仍然存在泄漏风险。而在本发明中，膨胀锥是一个金属实体，内部无可动部件，这样的结构可最大程度地保证膨胀管的小直径区段向外膨胀时的均匀性，从而改善上层套管和尾管的连接处的密封性能，并提高该连接处的承载能力。

另外，与现有技术相比，由于本发明中的膨胀锥无需通过中心管打压或其它作业方式启动，因此大幅降低了工艺复杂度，也减小了工艺难度，降低了作业成本。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是图1中尾管悬挂器处的结构示意图；

图3为图2中A处的局部放大图；

图4为图2中B处的局部放大图；

图5为图2中C处的局部放大图；

图6是金属环压入上层套管内壁后的结构示意图；

图7是金属环和橡胶环被充分挤压后的最终状态示意图；

图8是图2中D处的局部放大图。

图中：1-上层套管，2-尾管悬挂器，3-柔性尾管，4-小尺寸裸眼封隔器，5-油管，6-小直径区段，7-膨胀锥，8-皮碗，9-盲管，10-大直径区段，11-柔性绳，12-锥体，13-卡瓦，14-支撑弹簧，15-金属环，16-橡胶环，17-密封圈，18-过液孔，19-剪钉，20-箍环，21-芯轴，22-单向阀组件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本实施例包括上层套管1和柔性尾管3，上层套管1和柔性尾管3之间通过尾管悬挂器2连接，所述柔性尾管3的末端连接有小尺寸裸眼封隔器4。其中，上层套管1与水平井的直井段对应，柔性尾管3与水平井的弧形井段对应，尾管悬挂器2的作用是将柔性尾管3连接在上层套管1上，小尺寸裸眼封隔器4的作用是实现造斜段卡封，从而封隔造斜段20-60米复杂地层或近井带水淹区。

柔性管和小尺寸裸眼封隔器的选择也至关重要，要求能通过短半径、超短半径17m-50m曲率半径的圆弧井段，其中柔性管要求能承50MPa以上的压力，具体牌号可采用QT900。小尺寸裸眼封隔器4的尺寸是：长度≤520mm，外径≤110mm。小尺寸裸眼封隔器4是现有的成熟产品，按需购买即可。

所述的尾管悬挂器2包括膨胀管、膨胀锥7和锚定机构，所述的柔性尾管3连接在膨胀管的下端。膨胀管分为直径不同的两个区段，分别称为小直径区段6和大直径区段10，其中，小直径区段6在上，大直径区段10在下。所述膨胀锥7安装在所述小直径区段6和大直径区段10的衔接处，膨胀锥7上下两部分的形状分别与小直径区段6和大直径区段10相匹配，膨胀锥7的上端连接有油管5，油管5延伸至地面，膨胀锥7的下端面上设置有起密封作用的皮碗8。工作时，膨胀锥7在液压作用下向上移动，与此同时，膨胀管在膨胀锥7的挤压作用下扩张，并贴附在上层套管1的内壁上。锚定机构的作用是：一方面，可在膨胀锥7的下侧形成封闭的液压腔，另一方面，锚定机构锚定在膨胀管上之后，上述的液压腔的容积不能向下扩大，只能向上扩大，从而为膨胀锥7的上移提供力学支撑。

小直径区段6的外侧设置有组合密封结构，在柔性尾管的上端膨胀后，该组合密封结构可将上层套管1与小直径区段6之间间隙封堵，实现上层套管1和柔性尾管3之间的密封。事实上，现有技术中，也有一些尾管悬挂工具，但是，现有的尾管悬挂工具安装后，均不同程度地存在泄漏问题，其原因在于上层套管1和尾管之间的密封结构，设计不合理。而在本发明中，通过采用经过特别设计的组合密封结构，有效保证了密封性能的可靠性，从而避免了柔性尾管3上端的泄漏。

所述的组合密封结构包括一个金属环15和两个橡胶环16，其中，金属环15固定在所述膨胀管的外侧，具体固定方式可通过顶丝固定，螺纹胶固定或者螺纹固定等固定方式。小直径区段6膨胀时，金属环15在小直径区段6的挤压作用下直径同步扩大，当金属环15的外径等于上层套管1的内径后，小直径区段6和金属环15的外径继续扩大，从而使金属环15紧紧贴合在上层套管1的内壁上，形成可靠的密封。

金属环15的横截面整体呈梯形，与矩形横截面相比，当梯形的上底与上层套管1接触后，不但更容易被挤压变形，而且在作用于膨胀锥7上的拉力等其它参数一定的情况下，采用梯形结构可提供更多的密封材料(即指金属环15本身的材料)来填充需要密封的缝隙，从而使密封点的承压能力和密封可靠性得到增强。

两个橡胶环16直接硫化在小直径区段的外侧，可保证橡胶环16与小直径区段6连接的牢固性，两个橡胶环16在金属环15的上下两侧分布，当组合密封结构承压时，承压侧的橡胶环16在压力作用下发生形变，并塞入金属环15与小直径区段6之间的极小缝隙，从而保证所述组合密封结构处的整体密封性能。

为了进一步改善组合密封结构的密封性能，还可在金属环15的外圆周上加工横截面为梯形的环形槽(梯形的上底位于该环形槽的槽底)，环形槽的设置可减小金属环15与上层套管1之间的接触面积。这样，金属环15的直径增大过程中，在金属环15与上层套管1贴合的初期，金属环15与上层套管1之间的接触面较小，因此压强较大，这种情况下，金属环15可以压入上层套管1的内表面，如图6所示，虽然压入的深度很小，但足以产生明显的改善密封性的效果。

为了进一步改善组合密封结构的密封性能，还可在环形槽内安装有密封圈17，且该密封圈17的横截面形状与该环形槽的横截面形状相同且面积相等。组合密封结构被挤压变形后，密封圈17被已经发生形变的金属环15挤压后紧密填充的在所述环形槽内，从而在密封圈17处强制性地将金属环15与上层套管1之间的间隙堵住，进一步提高密封处的承压性能。

所述锚定机构包括锥体12、卡瓦13、箍环20、芯轴21和支撑弹簧14，锥体12的上侧安装有起密封作用的皮碗8，锥体12的下端与芯轴21的上端通过螺纹固定连接，所述箍环20套在所述卡瓦13的外侧，从而将卡瓦13滑动安装在芯轴21的外侧，所述锥体12下端设置有圆锥面，该圆锥面与卡瓦13上端的内侧滑动配合，所述支撑弹簧14支撑在卡瓦13的下侧，卡瓦13在支撑弹簧14的作用下始终保持向上的运动趋势。

所述膨胀锥7的下端与锥体12上端之间连接有盲管9，盲管9的上端通过螺纹与膨胀锥7连接，盲管9的下端通过剪钉19与锥体12连接，盲管9下端的侧面设置有用于连通盲管9内外空间的过液孔18，所述盲管9与锥体12之间连接有柔性绳11。具体实施时，可设置两根柔性绳11，两根柔性绳11在盲管9和锥体12上的连接点均在盲管9两侧对称设置，这样，在上提两根柔性绳11时，锥体12受到对称的拉力，不容易发生卡滞。

锚定机构工作时，向油管5内打压，压力经过过液孔18到达膨胀锥7和锥体12之间，随着压力的升高，剪钉19被剪断，锥体12在压力作用下快速下移，而卡瓦13由于惯性及外侧齿牙的作用，运动会相对滞后，这种情况下，锥体12与卡瓦13发生快速相对运动并锚定在膨胀管的内壁上。

当膨胀锥7从膨胀管的上端钻出后，膨胀锥7和锥体12之间的液压腔不再封闭，此时，膨胀管与上层套管1之间的连接得以完成。此时，通过上提油管5可上提膨胀锥7，同时，锥体12可在柔性绳11的牵引下向上运动并使锚定机构的锚定作用解除，从而使锚定机构得以跟随膨胀锥7一同向上运动并上提出井。

如图2和图8所示，作为进一步的技术方案，所述膨胀锥上设置有单向阀组件22，单向阀组件22的入口与油管5外侧空间连通，单向阀组件22的出口与膨胀锥7的内侧连通。作业时，在膨胀锥7向上运动过程的前半段，可通过向油管5内打压的方式来驱动膨胀锥7运动，在膨胀锥7向上运动过程的后半段，上层套管1和膨胀管之间已经紧密贴合并产生了一定的承压能力，此时，通过向油管5和上层套管1之间的环形空间(即油套环空)打压，也可驱动膨胀锥7继续向上移动，与油管5打压相比，这样的打压方式无需调整地面打压接头，因此更加方便且作业效率更高。

需要说明的是，本工艺不仅适用于采用常规钢制油管油井，也适用于采用连续油管的油井(全井段均可通过连续油管)。

Claims (2)

1.一种短半径、超短半径水平井完井工艺，其特征在于：包括上层套管(1)和柔性尾管(3)，上层套管(1)和柔性尾管(3)之间通过尾管悬挂器(2)连接，所述柔性尾管(3)的末端连接有小尺寸裸眼封隔器(4)；

所述的尾管悬挂器(2)包括膨胀管、膨胀锥(7)和锚定机构，所述的柔性尾管(3)连接在膨胀管的下端；

膨胀管分为直径不同的两个区段，分别称为小直径区段(6)和大直径区段(10)，其中，小直径区段(6)在上，大直径区段(10)在下，小直径区段(6)的外侧设置有用于密封上层套管(1)与小直径区段(6)之间间隙的组合密封结构；

所述膨胀锥(7)安装在所述小直径区段(6)和大直径区段(10)的衔接处，膨胀锥(7)上下两部分的形状分别与小直径区段(6)和大直径区段(10)相匹配，膨胀锥(7)的上端连接有油管(5)，油管(5)延伸至地面，膨胀锥(7)的下端面上设置有起密封作用的皮碗(8)，皮碗（8）由橡胶材料制成；

所述锚定机构包括锥体(12)、卡瓦(13)、箍环(20)、芯轴(21)和支撑弹簧(14)，锥体(12)的上侧安装有起密封作用的皮碗(8)，锥体(12)的下端与芯轴(21)的上端通过螺纹固定连接，所述箍环(20)套在所述卡瓦(13)的外侧，从而将卡瓦(13)滑动安装在芯轴(21)的外侧，所述锥体(12)下端设置有圆锥面，该圆锥面与卡瓦(13)上端的内侧滑动配合，所述支撑弹簧(14)支撑在卡瓦(13)的下侧，卡瓦(13)在支撑弹簧(14)的作用下始终保持向上的运动趋势；

所述膨胀锥(7)的下端与锥体(12)上端之间连接有盲管(9)，盲管(9)的上端通过螺纹与膨胀锥(7)连接，盲管(9)的下端通过剪钉(19)与锥体(12)连接，盲管(9)下端的侧面设置有用于连通盲管(9)内外空间的过液孔(18)，所述盲管(9)与锥体(12)之间连接有柔性绳(11)；

所述的组合密封结构包括一个金属环(15)和两个橡胶环(16)，其中，金属环(15)固定在所述膨胀管的外侧，金属环(15)的横截面整体呈梯形，两个橡胶环(16)分别硫化在金属环(15)的上下两侧。

2.根据权利要求1所述的一种短半径、超短半径水平井完井工艺，其特征在于：所述金属环(15)的外圆周上加工有横截面为梯形的环形槽，该环形槽内安装有密封圈(17)，且该密封圈(17)的横截面形状与该环形槽的横截面形状相同。

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