CN112119199A - 井下完井系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在具有顶部的井的井孔中提供金属井管结构的井下完井系统，其包括：配置成布置在井孔中的金属井管结构。金属井管结构具有最靠近顶部的第一端部和第二端部；和至少一个环状屏障，其具有：安装为金属井管结构的一部分的管状金属部件；环绕管状金属部件的可膨胀金属套筒，可膨胀金属套筒的每个端部均与管状金属部件连接，从而限定出环状屏障空间；和在所述管状金属部件中的膨胀开口，该膨胀开口用于使流体进入环状屏障空间以使套筒膨胀，并且其中井下完井系统还包括完井封闭单元，其配置成在第一位置允许流动穿过第二端部并且配置成在第二位置封闭第二端部，封闭单元包括：具有敞开的第一单元端部和封闭的第二单元端部的管状单元部件；布置在管状单元部件的外表面上从而限定出腔室的滑动套筒；在管状单元部件上的至少一个第一开口；对着腔室位于管状单元部件上的至少一个第二开口，所述至少一个第二开口布置成比所述至少一个第一开口更靠近第一单元端部；和在所述至少一个第一开口与所述至少一个第二开口之间布置在管状单元部件中的球座。本发明还涉及一种封闭单元，其配置成在第一位置允许流动穿过金属井管结构的在井下的第二端部并配置成在第二位置封闭第二端部。

Description

井下完井系统

技术领域

本发明涉及一种用于在具有顶部的井的井孔中提供金属井管结构的井下完井系统。本发明还涉及一种封闭单元。

背景技术

在井下完井系统中，套管或衬管被下入井中，该套管或衬管带有端部开口，以能够流动穿过/通流并能在套管/衬管的内部与井之间平衡压力并且以便能使泥浆等循环并被清洁出去。在循环之后，套管/衬管的端部被封闭以对套管/衬管加压以例如坐放封隔器、屏障，或者以便使套筒移动以打开而进行生产。为了封闭套管/衬管的端部，往往将球体下沉，但球座可能不够清洁，并且因此流体仍能在球体与球座之间通过。另一方案是使球体坐落在滑动套筒中并且在压力增大时，该套筒移动至封闭位置。然而，这些已知套筒倾向于因井中的污垢或其他因素而被卡住，并且于是该端部被不适当地封闭。

发明内容

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更特别地，一个目的是提供一种改进的井下完井系统，其能在下入井孔中时提供通流/能被流动穿过，同时还能在后续提供可靠的封闭，即使是在泥浆和其他污垢被冲刷经过端部中的开口的情况下也是如此。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过一种井下完井系统来实现，该井下完井系统用于在具有顶部的井的井孔中提供金属井管结构，该井下完井系统包括：

-配置成布置在井孔中的金属井管结构，该金属井管结构具有第二端部和最靠近所述顶部的第一端部；

-至少一个环状屏障，所述环状屏障具有：

-安装为所述金属井管结构的一部分的管状金属部件；

-环绕该管状金属部件的可膨胀金属套筒，所述可膨胀金属套筒的每个端部均与所述管状金属部件连接，从而限定出环状屏障空间；和

-在所述管状金属部件上的膨胀开口，该膨胀开口用于使流体进入所述环状屏障空间中以使所述套筒膨胀，以及

其中，井下完井系统还包括完井封闭单元，该完井封闭单元配置成在第一位置允许流动穿过该第二端部并且配置成在第二位置封闭该第二端部，该封闭单元包括：

-管状单元部件，该管状单元部件具有敞开的第一单元端部和封闭的第二单元端部；

-滑动套筒，该滑动套筒布置在该管状单元部件的外表面上，从而限定出腔室；

-在该管状单元部件上的至少一个第一开口；

-对着该腔室地位于该管状单元部件上的至少一个第二开口，所述至少一个第二开口布置成比所述至少一个第一开口更靠近所述第一单元端部；和

-球座，其在所述至少一个第一开口与所述至少一个第二开口之间布置在所述管状单元部件中。

该滑动套筒在该第一位置可露出该至少一个第一开口并且该滑动套筒在该第二位置可覆盖该至少一个第一开口。

此外，所述滑动套筒借助于进入所述腔室的流体而从所述第一位置移动至所述第二位置，所述腔室随所述滑动套筒移动远离所述第一单元端部而增大。

此外，该滑动套筒可充当活塞。

此外，该封闭单元可包括至少一个剪切销，该至少一个剪切销用于将该套筒维持在该第一位置，直至达到预定压力。

此外，在该第二单元端部处的外表面可包括周向凹槽，该周向凹槽与所述滑动套筒的呈棘轮系统形式的端部部件的卡爪接合。

此外，该滑动套筒可包括开口，该滑动套筒的开口在所述第一位置与所述管状单元部件上的所述至少一个第一开口对准。

所述封闭单元还可包括在该至少一个第一开口的两侧上布置在该滑动套筒与该管状单元部件之间的第一密封机构和第二密封机构以及在该第一单元端部与该至少一个第二开口之间布置在该滑动套筒与该管状单元部件之间的第三密封机构。

根据本发明的井下完井系统还可包括单元壳体，该单元壳体围绕该管状单元部件和该滑动套筒，以使该滑动套筒能在该单元壳体与该管状单元部件之间滑动。

上述井下完井系统还可包括端盖，该端盖具有孔洞并连接至该单元壳体。

此外，该单元壳体可包括在内表面上的凸起，该凸起用于接纳该管状单元部件的凸缘，以便阻止该管状单元部件移动超过该凸起。

此外，该管状单元部件可具有第三单元区段，该第三单元区段具有大于第二外径的第三外径。

此外，该第三外径可大于该第二套筒部分的外径，从而形成用于允许该第二套筒部分滑动的空间。

此外，该第二套筒部分可被允许滑动直至到达该凸起。

此外，该第一套筒部分的外径可小于该凸起的内径，以便允许该第一套筒部分自由地滑动通过该凸起。

此外，该至少一个第二开口的直径可小于该至少一个第一开口的直径。

此外，该滑动套筒可具有第一套筒部分和第二套筒部分，该第一套筒部分具有第一套筒内径，该第二套筒部分具有第二套筒内径，该管状单元部件具有第一单元区段和第二单元区段，该第一单元区段具有对应于该第一套筒内径的第一外径，该管状单元部件的第二单元区段具有对应于该第二套筒内径的第二外径。

此外，该管状单元部件可在该第一单元端部处具有逐渐减小的内径，以用于将球体引向该球座。

此外，该管状单元部件可安装在该单元壳体内。

此外，该井下完井系统还可包括泵送单元，该泵送单元用于在该金属井管结构的内部形成增大的压力，以使该滑动套筒从该第一位置移动至该第二位置。

此外，该金属井管结构可悬挂于套管即地面套管。

最后，本发明涉及一种封闭单元，该封闭单元配置成能在第一位置允许流动穿过金属井管结构的在井下的第二端部并且配置成能在第二位置封闭该第二端部，该封闭单元包括：

-管状单元部件，其具有敞开的第一单元端部和封闭的第二单元端部；

-滑动套筒，其布置在该管状单元部件的外表面上，从而限定出腔室；

-在该管状单元部件上的至少一个第一开口；

-对着该腔室位于该管状单元部件上的至少一个第二开口，该至少一个第二开口布置成比该至少一个第一开口更靠近该第一单元端部；和

-球座，其在该至少一个第一开口与该至少一个第二开口之间布置在该管状单元部件中。

附图说明

下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出了井下完井系统的局部剖视图；

图2A是处于其打开的第一位置的封闭单元的剖视图；

图2B是处于其第一位置的图2A的封闭单元的剖视图，其中，球体阻碍了自由流动；和

图2C是处于其封闭的第二位置的图2A的封闭单元的剖视图；和

图3是处于其打开的第一位置的另一封闭单元的剖视图。

所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。

具体实施方式

图1示出了井下完井系统1，其具有在具有顶部5的井4的井孔3中的金属井管结构2。该金属井管结构具有最靠近顶部的第一端部7和较靠近井孔的底部的第二端部8。该井下完井系统还包括两个环状屏障10，每个环状屏障均包括安装为金属井管结构的一部分的管状金属部件11、环绕该管状金属部件的可膨胀金属套筒12。可膨胀金属套筒的每个端部14均与管状金属部件连接，从而限定出环状屏障空间15。膨胀开口16设置在管状金属部件中，用于使流体从金属井管结构进入环状屏障空间以使套筒膨胀。该井下完井系统还包括完井封闭单元20，其在第一位置(在图2A中示出)中配置成允许流动穿过该第二端部并且在第二位置(在图2C中示出)配置成封闭该第二端部。该封闭单元包括管状单元部件21，该管状单元部件具有第一单元端部22，该第一单元端部敞开并与金属井管结构的内部6流体连通。

如图2A所示，管状单元部件具有封闭的第二单元端部23。该完井封闭单元还包括滑动套筒24，该滑动套筒布置在该管状单元部件的外表面25上，从而在其间限定出腔室26。管状单元部件还包括至少一个第一开口27和对着该腔室布置的至少一个第二开口28。该至少一个第二开口比该至少一个第一开口更靠近该第一单元端部布置。该封闭单元还包括球座29，该球座在该至少一个第一开口与该至少一个第二开口之间布置在该管状单元部件中。当该金属井管结构被下入井中时，该封闭单元处于其第一位置，该第一位置允许流动穿过/通流，即允许该金属井管结构周围的井筒流体经由端盖36的孔洞37进入该金属井管结构的第二端部。该滑动套筒不会如现有技术方案中那样地被卡住，因为，滑动套筒是在管状单元部件21的外表面上滑动而不是在内表面上滑动，来自泥浆的颗粒会在该内表面处积聚在底部从而妨碍滑动套筒滑动。如果任何颗粒已经积聚在管状单元部件21的外表面上，则套筒仅需在套筒朝第二位置滑动时将任何元素从管状单元部件21的外表面推走。

因此，在该第一位置中，该滑动套筒未覆盖该第一开口，并且在该第二位置，该滑动套筒覆盖该第一开口并因此封闭该金属井管结构的端部。滑动套筒通过以下方式从第一位置移动至第二位置，即通过使流体经由第二开口28进入腔室26并且推压在滑动套筒上，从而随着滑动套筒朝第二单元端部23移动远离该第一单元端部22而使腔室增大的方式。因此，滑动套筒充当活塞。

如能在图2A和图2B中看到的，完井封闭单元包括剪切销31，其用于将滑动套筒维持在第一位置处直至在金属井管结构的内部6上达到预定压力并且推压在滑动套筒上，从而使剪切销断开并因此使滑动套筒开始向如在图2C中所示的第二位置移动。

为了阻止完井封闭单元返回至第二位置而是仍保持封闭，在第二单元端部处的外表面包括周向凹槽47，该周向凹槽与滑动套筒的呈棘轮系统形式端部部件48的卡爪32接合。在另一实施例中，筒夹可随着滑动套筒的移动而被释放并且所述筒夹随着滑动套筒朝向第二位置移动而落入在滑动套筒后面形成的空间中，因此能阻止滑动套筒返回至第一位置。

在图2A中，滑动套筒可包括开口33，该开口33在第一位置处与管状单元部件21的第一开口27对准并且因此露出该第一开口。在另一实施例中，滑动套筒在第一位置处不与第一开口27重叠，但在第二位置覆盖该第一开口。

为了恰当地密封第一开口，完井封闭单元20还包括在该第一开口的两侧上布置在该滑动套筒24与该管状单元部件21之间的第一密封机构34A和第二密封机构34B。在图2A中，第一密封机构34A和第二密封机构34B布置在管状单元部件21的周向凹槽49中。为了提供滑动套筒24的可靠的滑动，封闭单元20还包括第三密封机构34C，该第三密封机构在第一单元端部22与第二开口28之间布置在滑动套筒24与管状单元部件21之间。

在图2A-2C中，井下完井系统还包括单元壳体35，该单元壳体围绕该管状单元部件21和滑动套筒24，从而该滑动套筒在单元壳体35与管状单元部件21之间滑动。

该单元壳体可包括在内表面39上的凸起38，该凸起用于接纳管状单元部件的凸缘41，从而阻止管状单元部件21移动超过凸起38并超过第一开口27。以这种方式，确保了该滑动套筒不会滑动的过远，并且因此确保其再次露出第一开口27。如能在图2A-2C中看到的，第二开口的直径小于所述至少一个第一开口的直径。

该滑动套筒具有第一套筒部分42和第二套筒部分43，该第一套筒部分具有第一套筒内径ID1，该第二套筒部分具有第二套筒内径ID2，并且管状单元部件21具有第一单元区段44和第二单元区段45，该第一单元区段具有对应于第一套筒内径ID1的第一外径OD1，该第二单元区段具有对应于第二套筒内径ID2的第二外径OD2。该第一套筒内径小于该第二套筒内径，从而提供了形成该腔室的可能性。

管状单元部件21具有第三单元区段52，该第三单元区段具有大于该第二外径OD2的第三外径OD3。第三外径OD3大于第二套筒部分43的外径，从而形成空间，该空间允许第二套筒部分滑动直至到达凸起38。第一套筒部分42的外径小于凸起的内径，从而允许第一套筒部分42自由滑动超过该凸起。

该管状单元部件可具有从第一单元端部处的开口端朝向球座逐渐减小的内径，用于将球体46朝向球座引导。

如图2A-2C所示，该管状单元部件可安装在单元壳体内，但在另一实施例中，该单元壳体和该管状单元部件结合成一个部件，从而具有滑动套筒在其内滑动的细长形凹槽。在没有单元壳体或没有围绕滑动套筒24的外部部件的情况下，该封闭单元可充当套筒，其刚好在滑动套筒朝向第二位置滑动时将任何元素从管状单元部件21外表面移走。

该完井封闭单元在第一位置处配置成允许流动穿过该金属井管结构的在井下的第二端部并且在第二位置处配置成封闭该第二端部。该封闭单元在金属井管结构的端部处安装为金属井管结构的一部分。封闭单元20因此包括管状单元部件21，该管状单元部件具有敞开的第一单元端部22和封闭的第二单元端部23。滑动套筒24布置在管状单元部件的外表面25上，从而在套筒与管状单元部件之间限定出腔室26。封闭单元20还包括在管状单元部件上的第一开口27和第二开口28，其中，与该第一开口相比，该第二开口布置成更靠近第一单元端部。封闭单元20还包括球座29，该球座在第一开口与第二开口之间布置在该管状单元部件中，从而使流体进入第二开口，以移动该滑动套筒。

在图3中，完井封闭单元的滑动套筒24不包括开口33，其中，当滑动套筒处于其初始位置即在腔室26被加压从而使剪切销31断裂之前，该滑动套筒不足以长到覆盖开口27。管状单元部件具有弹簧加载的元件88布置在其中的凹部，从而当滑动套筒滑动至覆盖开口27时，该弹簧加载的元件径向突出到腔室26中，从而阻止滑动套筒在突出后的弹簧加载的元件88接合管状单元部件21的边缘89时返回。

如图1所示，该井下完井系统可包括布置在顶部5处的泵送单元51，用于在金属井管结构的内部产生增大的压力，以便使滑动套筒24从第一位置移动至第二位置。增大的压力可也通过将工具浸入金属井管结构中来形成。

流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。

套管、衬管或金属井管结构是指井下使用的与油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。

在该工具不是完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来推动所述工具完全进入井中的位置。井下牵引器可具有带轮子的可突伸的臂部，其中，轮子接触套管的内表面，用于在套管内推进该牵引器和该工具前进。井下牵引器是能够在井下推动或拉动工具的任何类型的驱动工具，例如Well

尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (15)

1.一种井下完井系统(1)，其用于在具有顶部(5)的井(4)的井孔(3)中提供金属井管结构(2)，所述井下完井系统包括：

-配置成布置在所述井孔中的金属井管结构(6)，所述金属井管结构具有第二端部(8)和最靠近所述顶部的第一端部(7)；

-至少一个环状屏障(10)，所述环状屏障具有：

-安装为所述金属井管结构的一部分的管状金属部件(11)；

-环绕所述管状金属部件的可膨胀金属套筒(12)，所述可膨胀金属套筒的每个端部(14)均与所述管状金属部件连接，从而限定出环状屏障空间(15)；和

-在所述管状金属部件上的膨胀开口(16)，所述膨胀开口用于使流体进入所述环状屏障空间中以使所述套筒膨胀，以及

其中，所述井下完井系统还包括完井封闭单元(20)，所述完井封闭单元具有允许流动穿过所述第二端部的第一位置和其中所述第二端部被封闭的第二位置，所述封闭单元包括：

-管状单元部件(21)，其具有敞开的第一单元端部(22)和封闭的第二单元端部(23)；

-滑动套筒(24)，其布置在所述管状单元部件的外表面(25)上，从而限定出腔室(26)；

-在所述管状单元部件上的至少一个第一开口(27)；

-对着所述腔室位于所述管状单元部件上的至少一个第二开口(28)，所述至少一个第二开口布置成比所述至少一个第一开口更靠近所述第一单元端部；和

-球座(29)，其在所述至少一个第一开口与所述至少一个第二开口之间布置在所述管状单元部件中。

2.根据权利要求1所述的井下完井系统，其中，所述滑动套筒在所述第一位置露出所述至少一个第一开口并且所述滑动套筒在所述第二位置覆盖所述至少一个第一开口。

3.根据权利要求1或2所述的井下完井系统，其中，所述滑动套筒借助于进入所述腔室的流体而从所述第一位置移动至所述第二位置，所述腔室随所述滑动套筒移动远离所述第一单元端部而增大。

4.根据前述权利要求中任一项所述的井下完井系统，其中，所述封闭单元包括至少一个剪切销(31)，所述至少一个剪切销用于将所述套筒维持在所述第一位置，直至达到预定压力。

5.根据前述权利要求中任一项所述的井下完井系统，其中，在所述第二单元端部处的外表面包括周向凹槽(47)，所述周向凹槽与所述滑动套筒的呈棘轮系统形式的端部部件的卡爪接合。

6.根据前述权利要求中任一项所述的井下完井系统，其中，所述滑动套筒包括开口(33)，所述滑动套筒的开口在所述第一位置与所述管状单元部件上的所述至少一个第一开口对准。

7.根据前述权利要求中任一项所述的井下完井系统，其中，所述封闭单元还包括在所述至少一个第一开口的两侧上布置在所述滑动套筒与所述管状单元部件之间的第一密封机构(34A)和第二密封机构(34B)以及在所述第一单元端部与所述至少一个第二开口之间布置在所述滑动套筒与所述管状单元部件之间的第三密封机构(34C)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的井下完井系统，还包括单元壳体，所述单元壳体围绕所述管状单元部件和所述滑动套筒，以便所述滑动套筒能在所述单元壳体与所述管状单元部件之间滑动。

9.根据权利要求8所述的井下完井系统，还包括端盖(36)，所述端盖具有孔洞(37)并连接至所述单元壳体。

10.根据权利要求8或9所述的井下完井系统，其中，所述单元壳体包括在内表面(39)上的凸起，所述凸起用于接纳所述管状单元部件的凸缘，以便阻止所述管状单元部件移动超过所述凸起。

11.根据前述权利要求中任一项所述的井下完井系统，其中，所述至少一个第二开口的直径小于所述至少一个第一开口的直径。

12.根据前述权利要求中任一项所述的井下完井系统，其中，所述滑动套筒具有第一套筒部分(42)和第二套筒部分(43)，所述第一套筒部分具有第一套筒内径(ID1)，所述第二套筒部分具有第二套筒内径(ID2)，所述管状单元部件具有第一单元区段(44)和第二单元区段(45)，所述第一单元区段具有对应于所述第一套筒内径的第一外径(OD1)，所述管状单元部件的第二单元区段具有对应于所述第二套筒内径的第二外径(OD2)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的井下完井系统，其中，所述管状单元部件在所述第一单元端部处具有逐渐减小的内径，以用于将球体(46)引向所述球座。

14.根据权利要求8或9所述的井下完井系统，其中，所述管状单元部件安装在所述单元壳体内。

15.一种完井封闭单元，其用于安装为金属井管结构的第二端部的一部分，所述金属井管结构具有比所述第二端部更靠近所述井的顶部的第一端部，并且所述完井封闭单元用于在第一位置允许在井下流动穿过所述金属井管结构(2)的第二端部(8)和在第二位置封闭所述第二端部，所述封闭单元包括：

-管状单元部件(21)，其具有敞开的第一单元端部(22)和封闭的第二单元端部(23)；

-滑动套筒(24)，其围绕所述管状单元部件的外表面(25)布置，从而在所述管状单元部件的外表面与所述滑动套筒之间限定出腔室(26)，所述滑动套筒能在所述第一位置与所述第二位置之间滑动；

-在所述管状单元部件上的至少一个第一开口(27)；

-对着所述腔室位于所述管状单元部件上的至少一个第二开口(28)，所述至少一个第二开口布置成比所述至少一个第一开口更靠近所述第一单元端部；和

-球座(29)，其在所述至少一个第一开口与所述至少一个第二开口之间布置在所述管状单元部件中。

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