CN113846990A - 分级注水泥装置 - Google Patents
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Abstract
一种分级注水泥装置，包括：具有内腔的圆柱形本体，在本体的壁上设有循环孔和朝向内腔敞开的进液孔；设置在本体内的打开组件，其包括打开套和设置在打开套内的打开座，其中在初始状态下，打开套通过第一剪切销与本体连接并覆盖了循环孔，而打开座通过第二剪切销与打开套连接并覆盖了进液孔；以及封隔器，其包括封隔阀体和胶筒，封隔阀体包括与进液孔连通的流道，胶筒包括与流道连通的容液腔。第二剪切销构造成能够在一级固井结束后响应于本体内腔中的憋压而剪断，导致打开座向下游运动而打开进液孔。由此，在一级固井期间进入到本体内腔中的膨胀液能够经进液孔和流道而进入容液腔，从而导致胶筒膨胀。
Description
技术领域
本发明涉及石油固井技术，具体涉及一种分级注水泥装置，尤其是涉及一种膨胀封隔式分级注水泥装置，以及使用这种装置的分级注水泥方法。
背景技术
固井技术是钻完井过程中的重要技术环节。固井质量直接影响后续的油气开采作业。
分级注水泥工艺是固井技术中的常用工艺。随着勘探开发的不断深入，超深井不断增多。在对部分井进行技术套管分级固井时，因地层的胶结能力差，承压能力低，采用分级固井工艺可降低液柱压力，减少漏失。然而对于超深漏失井来说，分级注水泥工艺也会存在一级漏失，并且在一级固井后，漏失层未被封固，那么在二级固井过程中还会出现漏失的问题，甚至出现失返性漏失。即使后期通过挤水泥补救，固井质量也难以保证，费效比低，难以实现油田开发的提速提效要求。另外，部分地区投产后，技术套管环空会出现不同程度的带压问题。为保证安全生产，需要向环空打入保护液，但成本高，管理难度大。
采用封隔式分级注水泥装置可以封堵漏失层或储层，部分地解决漏失的问题。然而，封隔器的胀封液采用的是无强度的钻井液。在施工结束后，封隔器一直处于液压压力下，导致存在着封隔器老化、液体泄漏的风险。此外，井眼存在着不规则性，这在封隔器的胀封过程中会导致微间隙的出现。当井中有气体时，气体会穿透封隔器而出现环空带压的问题。
因此，目前的分级固井注水泥工艺难以满足现代固井的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种分级注水泥装置，以及采用这种分级注水泥装置来进行分级注水泥的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种分级注水泥装置，包括：具有内腔的中空的圆柱形本体，在所述本体的壁上设有贯穿的循环孔，以及朝向所述内腔敞开的进液孔；设置在所述本体内的打开组件，所述打开组件包括打开套和设置在所述打开套内的打开座，其中，在初始状态下，所述打开套通过第一剪切销与所述本体连接，并覆盖了所述循环孔，而所述打开座通过第二剪切销与所述打开套连接，并覆盖了所述进液孔；以及封隔器，所述封隔器包括与所述本体的下游端相连的封隔阀体和设置在所述封隔阀体的下游的胶筒，所述封隔阀体包括与所述进液孔连通的流道，所述胶筒包括与所述流道连通的容液腔。其中，所述第二剪切销构造成能够在一级固井结束后响应于所述本体的内腔中的一次憋压而剪断，导致所述打开座向下游运动而打开所述进液孔，由此，在一级固井期间进入到所述本体的内腔中的膨胀液能够经进液孔和流道而进入所述容液腔，从而导致所述胶筒膨胀。
在一个实施例中，在所述容液腔内填充有促进剂，所述促进剂能够与所述膨胀液发生反应，导致所述胶筒的二次膨胀。
在一个实施例中，膨胀液为顶替液的一部分，优选为液态环氧树脂，促进剂是液态助剂。
在一个实施例中，所述一次憋压通过下入能够与所述打开座接合的打开工具来实现。
在一个实施例中，在所述打开套的下端处还设有承接座，用于限制所述打开座的向下游运动的行程。
在一个实施例中，所述进液孔构造为形成在所述本体的内壁上的凹槽，所述流道形成在所述封隔阀体的圆柱形壁内，并沿轴向贯穿所述封隔阀体而延伸。
在一个实施例中，所述封隔器还包括与所述封隔阀体固定连接的基管，其中，所述基管位于所述胶筒的径向内侧，所述基管和胶筒之间的间隙形成为所述容液腔。
在一个实施例中，在所述胶筒的外表面上设有两个彼此分开的支撑套，用于限制所述胶筒发生膨胀的轴向位置。
在一个实施例中，所述第一剪切销能够响应于二次憋压而剪断，导致所述打开套向下游运动，从而打开所述循环孔且关闭所述进液孔。
在一个实施例中，在所述打开套的上游端设有关闭套，所述关闭套通过第三剪切销与所述本体连接，其中，所述第三剪切销构造成能够在二级固井过程中响应于三次憋压而剪断，导致所述关闭套向下游运动而关闭所述循环孔。
在一个实施例中，在所述关闭套内设有关闭座，所述三次憋压通过下入能够与所述关闭座接合的关闭工具来实现。
在一个实施例中，所述关闭套的外壁上设有弹性件，在所述本体的内壁上设有弹性件容纳槽，用于在所述关闭套关闭所述循环孔后容纳所述弹性件而限制所述关闭套的位置。
在一个实施例中，所述胶筒由吸烃膨胀橡胶制成。
根据本发明的第二方面，提供了一种利用上述的分级注水泥装置来进行的分级注水泥方法，包括步骤：在分级注水泥装置内下入打开工具以与打开座接合，进行一次憋压而剪断第二剪切销，导致打开座向下游运动以打开所述进液孔；使膨胀液经本体的内腔、进液孔和流道进入容液腔，从而导致胶筒膨胀；进行二次憋压而剪断第一剪切销，导致打开套向下游运动而打开循环孔，同时切断进液孔和流道之间的连通；以及下入关闭工具以与关闭座接合，进行三次憋压而剪断第三剪切销，导致关闭套向下游运动而再次关闭循环孔。
在一个实施例中，膨胀液与容液腔中的促进剂发生反应，从而促使胶筒二次膨胀。
根据本发明的分级注水泥装置，封隔器不受管内压力的影响，必须要下入打开工具才能打开注液通道，因而避免了因管内压力而造成的误打开操作。其次，在注液通道打开后，顶替液进入到胶筒的容液腔内，实现封隔器的初次膨胀而封隔环空。这样，在循环孔打开后，因封隔器的初次胀封而封隔环空而导致液柱压力得以降低，从而减少了一级水泥浆的漏失，同时也阻止了二级固井时的水泥的漏失，提高了固井质量。第三，封隔器内置的促进剂会与顶替液发生化学反应，在预定时间内实现固化，并与胶筒形成为一体。这样，固化后胶筒的体积不会收缩而是微膨胀，实现了封隔器的二次膨胀。因此，可以避免胶筒老化损坏而使液体流出，最终导致封隔器失效。第四，封隔器的胶筒采用遇烃膨胀橡胶制备，其在之前扩张的基础上，还能够在遇到储层中的气或油等烃类介质继续膨胀(即三次膨胀)，填补微小间隙，进而提高封隔器的长久密封能力。
附图说明
下面将参照附图并通过示意性的示例性实施例来对本发明进行更加详细的说明。在图中：
图1显示了根据本发明的一个具体实施例的分级注水泥装置的整体结构，其中该装置处于初始状态下；
图2是图1所示装置的局部放大视图，显示了打开座和打开套的位置；
图3显示了根据本发明的分级注水泥装置，其中胶筒处于膨胀状态，但循环孔仍被关闭；
图4显示了根据本发明的分级注水泥装置，其中胶筒处于膨胀状态，并且循环孔已经打开；
图5是根据本发明的分级注水泥装置的局部示意图，显示了循环孔再次处于关闭的状态；
图6显示了根据本发明的一个实施例的打开工具；和
图7显示了根据本发明的一个实施例的关闭工具。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合说明书附图来对本发明作进一步的描述。在下文中，方向性用语“下”、“下游”、“向下”等指的是远离井口的方向，而“上”、“上游”、“向上”等指的是朝向井口的方向。
图1显示了根据本发明的分级注水泥装置的结构示意图。在这一具体实施例中，该分级注水泥装置是膨胀封隔式分级注水泥装置10。
如图1所示，膨胀封隔式分级注水泥装置10包括中空的圆柱形本体100。本体100包括形成在其中的内腔110、贯穿过本体的壁的循环孔120，以及与内腔110连通但不贯穿本体壁的进液孔130(见图2)。在本体100的上游端连接有上接头140，用于连接套管的其它部件。进液孔130设置在循环孔120的下游。循环孔120是用于二级固井的循环孔，其功能是本领域所熟知的，这里不再详细介绍。进液孔130的功能将在下文中详细介绍。
根据本发明，在膨胀封隔式分级注水泥装置10的圆柱形本体100内设置有打开组件300，其包括布置在本体100内的打开套310，以及布置在打开套310内的打开座320。其中，在如图1所示的初始状态下，打开套310通过第一剪切销180与本体100连接，并覆盖了循环孔120。而如图2所示，打开座320则通过第二剪切销182与打开套310连接，并覆盖了进液孔130。在图1和2所显示的实施例中，第一剪切销180设置在循环孔120的下游，但处于第二剪切销182的上游。其中，第一剪切销180的剪切应力设置成大于第二剪切销182的剪切应力，即，第二剪切销182会先于第一剪切销180被剪断。
在本文中，用语“初始状态”也称为“第一状态”，即在一级固井之后、二级固井之前的状态。图1到3显示的均为处于初始状态下的分级注水泥装置10。
另外，根据本发明的一个实施例，打开组件300还可以包括承接座330。如图2更清楚地所示，承接座330例如通过螺纹固定在打开套310内，优选地设置在打开套310的下游端。承接座330用于承接向下运动的打开座320，即，限定打开座320的向下运动的行程。打开座320的这一向下运动将在下文中详细描述。
如图1所示，根据本发明，膨胀封隔式分级注水泥装置100还包括封隔器200，其设置在圆柱形本体100的下游。封隔器200包括封隔阀体210，其例如通过螺纹接合而固定地连接到本体100的下游端。封隔阀体210例如为圆柱体结构，其内壁上设有台阶215。封隔器200还包括例如固定连接到封隔阀体210的下游端处的基管250，以及设置在基管250的外侧的胶筒220。在图示实施例中，基管250的上游端伸入到封隔阀体210的内腔中，并通过螺纹与封隔阀体210的下游端连接。在胶筒220的下游端设有下接头270。下接头270和固定于其上的短套管272一起用于连接后续的工具。
如图2所示，封隔阀体210包括在其内沿轴向延伸的流道230，其与本体100中的进液孔130连通(图2的剖面中未示出具体的连通细节)。流道230轴向地贯穿过封隔阀体210而延伸。另外，如图1所示，胶筒220包括与流道230连通的容液腔240。容液腔240同样可形成为在胶筒230内沿轴向延伸。在一个备选实施例中，容液腔240可由基管250和胶筒230之间的间隙形成。此外，在胶筒230的外部设置有两个彼此分开的支撑套260。其中，处于上游的第一支撑套260与封隔阀体210相连，而处于下游的第二支撑套260与下接头270相连。这两个支撑套260可用于限制胶筒220发生膨胀的轴向位置。即，胶筒220的处于两个支撑套260之间的部分能够向外膨胀。
在胶筒230内的容液腔240中填充有促进剂。该促进剂是一种能够与膨胀液(其例如为顶替液的一部分，优选为液态的环氧树脂)均匀混合并固化的液体，从而实现胶筒220的二次膨胀，这将在下文中详细说明。本领域的技术人员能够根据具体使用的膨胀液而容易地选择促进剂的类型。另外，通过在促进剂中添加必要的成分，可以控制促进剂与膨胀液发生反应的时间，即，让促进剂与膨胀液在预定的时间发生反应，从而在预定的时间实现胶筒的二次膨胀。
根据本发明的一个实施例，胶筒220由吸烃膨胀橡胶加工而成，其遇烃可持续膨胀，同时能够满足一次和二次扩张胀封的性能要求。
此外，如图1所示，在本体100内，在打开套310的上游处还设有关闭套450。在初始状态下，关闭套450直接与打开套310抵接，并通过第三剪切销184与本体100连接。在关闭套450的上端设有关闭座460。在一个优选的实施例中，如图5所示，在关闭套450的外壁上设有卡簧462，而在本体100的内壁上设有能够与卡簧462配合的卡簧槽118。关闭套450和关闭座460以及卡簧462和卡簧槽118的具体功能将在下方中介绍。
如图1和2所示，在初始状态下，打开组件300的打开套310通过第一剪切销180与本体100连接，并覆盖了循环孔120。同时，打开组件300的打开座320则通过第二剪切销182与打开套310连接，并覆盖了进液孔130。此时，本体100的内腔110与封隔器200的封隔阀体210内的流道230不连通。这样，在一级固井替浆过程中进入到本体100的内腔110内的顶替液无法进入到封隔器200的封隔阀体210内的流道230内，使得顶替液与容液腔240中的促进剂物理隔离。
如图3所示，当在根据本发明的膨胀封隔式分级注水泥装置100中投入如图6所示的打开工具400时，打开工具400在下行过程中与打开座320接合，从而封堵住本体100的内腔110。通过在本体100中进行憋压(其在本文中称为“一次憋压”)，使得第二剪切销182剪断。在这种情况下，打开工具400连同打开座320一起向下运动，直到打开座320抵接在承接座330上为止。此时，由于打开座320的向下运动，进液孔130不再被打开座320挡住，从而与内腔110连通。这样，内腔110中的顶替液就能够经进液孔130和封隔阀体210内的流道230进入到胶筒220内的容液腔240中。在膨胀液的液压力的作用下，胶筒220发生膨胀(即，初次膨胀)而与井壁贴合，将环空隔离成上、下两个部分。
之后，继续在本体100中进行憋压(其在本文中称为“二次憋压”)，使得第一剪切销180剪断。在这种情况下，打开套310能够相对于本体100向下运动，直到其抵接在封隔阀体210的台阶215上为止，如图4所示。此时，循环孔120露出，而进液孔130被向下运动的打开套310再次挡住，从而又切断了其与内腔110连通。在这种情况下，可以进行二级固井操作。
在二级循环及固井过程中，膨胀液会和促进剂均匀混合，并与胶筒220固化为一体。在这种情况下，可以实现胶筒220的二次膨胀。此时，可以下入如图7所示的关闭工具410并进行替浆。如图5所示，当关闭工具410下落到关闭座460上并形成密封时，关闭座460的上部形成密闭的容腔。此时在本体100中进行憋压(其在本文中称为“三次憋压”)，使得第三剪切销184剪断。这样，关闭套450相对于主体110下行，并再次关闭了循环孔120。在这一位置下，设置在关闭套450的外壁上的卡簧462进入到设置在本体100的内壁上的卡簧槽118中。通过卡簧462和卡簧槽118的接合，能够防止关闭套450的倒退运动，从而实现了循环孔120的永久性关闭。
在二级固井结束后，在生产过程如果有油、气等烃类介质进入到环空时，由吸烃膨胀橡胶制成的胶筒220会吸收来自井内的烃类介质而继续膨胀(即三次膨胀)，填补微小间隙，阻止油气水上窜，避免环空带压问题。
如上所述，根据本发明的分级注水泥装置100，封隔器200不受管内压力的影响。必须要下入打开工具400才能打开注液通道，因而避免了因管内压力而造成的误打开操作。其次，在注液通道打开后，顶替液进入到胶筒220的容液腔240内，通过膨胀液的液压力实现封隔器的初次胀封而封隔环空。这样，在循环孔120打开后，液柱压力得以降低，从而减少了一级水泥浆的漏失，并阻止了二次水泥的漏失，提高了固井质量。第三，封隔器200内置的促进剂会与顶替液发生化学反应，短时间内实现固化，并与胶筒220形成为一体。这样，在固化后，胶筒220的体积不会收缩而是微膨胀，实现了封隔器200的二次膨胀。因此，可以避免胶筒220的老化损坏而使液体流出，最终导致封隔器200失效。第四，封隔器200的胶筒220采用遇烃膨胀橡胶制备，其在之前扩张的基础上，还能够在遇到储层中的气或油等烃类介质继续膨胀(即三次膨胀)，填补微小间隙，进一步提高了封隔器的长久密封能力。
在本实施例中虽然已经参考优选地对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，在不存在结构冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (15)
1.一种分级注水泥装置(10)，包括：
具有内腔(110)的中空的圆柱形本体(100)，在所述本体的壁上设有贯穿的循环孔(120)，以及朝向所述内腔敞开的进液孔(130)；
设置在所述本体内的打开组件(300)，所述打开组件包括打开套(310)和设置在所述打开套(310)内的打开座(320)，其中，在初始状态下，所述打开套(310)通过第一剪切销(180)与所述本体(100)连接，并覆盖了所述循环孔(120)，而所述打开座(320)通过第二剪切销(182)与所述打开套(310)连接，并覆盖了所述进液孔(130)；和
封隔器(200)，所述封隔器包括与所述本体的下游端相连的封隔阀体(210)和设置在所述封隔阀体的下游的胶筒(220)，所述封隔阀体(210)包括与所述进液孔(130)连通的流道(230)，所述胶筒(220)包括与所述流道(230)连通的容液腔(240)，
其中，所述第二剪切销(182)构造成能够在一级固井结束后响应于所述本体(100)中的一次憋压而剪断，导致所述打开座(320)向下游运动而打开所述进液孔(130)，由此，在一级固井期间进入到所述本体(100)的内腔(110)中的膨胀液能够经进液孔(130)和流道(230)而进入所述容液腔(240)，从而导致所述胶筒(220)膨胀。
2.根据权利要求1所述的分级注水泥装置，其特征在于，在所述容液腔(240)内填充有促进剂，所述促进剂能够与所述膨胀液发生反应，导致所述胶筒(220)的二次膨胀。
3.根据权利要求2所述的分级注水泥装置，其特征在于，所述膨胀液为顶替液的一部分。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的分级注水泥装置，其特征在于，所述一次憋压通过下入能够与所述打开座(320)接合的打开工具(400)来实现。
5.根据权利要求4所述的分级注水泥装置，其特征在于，在所述打开套(310)的下端处还设有承接座(330)，用于限制所述打开座(320)的向下游运动的行程。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的分级注水泥装置，其特征在于，所述进液孔(130)构造为形成在所述本体(100)的内壁上的凹槽，所述流道(230)形成在所述封隔阀体(210)的壁内，并沿轴向贯穿所述封隔阀体(210)而延伸。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的分级注水泥装置，其特征在于，所述封隔器(200)还包括与所述封隔阀体(210)固定连接的基管(250)，其中，所述基管(250)位于所述胶筒(230)的径向内侧，所述基管和胶筒之间的间隙形成为所述容液腔(240)。
8.根据权利要求7所述的分级注水泥装置，其特征在于，在所述胶筒(230)的外表面上设有两个彼此分开的支撑套(260)，用于限制所述胶筒(230)发生膨胀的轴向位置。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的分级注水泥装置，其特征在于，所述第一剪切销(180)能够响应于所述本体(100)中的二次憋压而剪断，导致所述打开套(310)向下游运动，从而打开所述循环孔(120)且关闭所述进液孔(130)。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的分级注水泥装置，其特征在于，在所述打开套(310)的上游设有关闭套(450)，所述关闭套(450)通过第三剪切销(184)与所述本体(100)连接，
其中，所述第三剪切销(184)构造成能够在二级固井过程中响应于所述本体(100)中的三次憋压而剪断，导致所述关闭套(450)向下游运动而关闭所述循环孔(120)。
11.根据权利要求10所述的分级注水泥装置，其特征在于，在所述关闭套(450)内设有关闭座(460)，所述三次憋压通过下入能够与所述关闭座(460)接合的关闭工具(410)来实现。
12.根据权利要求10或11所述的分级注水泥装置，其特征在于，所述关闭套(450)的外壁上设有弹性件(462)，在所述本体的内壁上设有弹性件容纳槽(118)，用于在所述关闭套(450)关闭所述循环孔(120)后容纳所述弹性件(462)而保持所述关闭套(450)的位置。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的分级注水泥装置，其特征在于，所述胶筒由吸烃膨胀橡胶制成。
14.利用权利要求1到13中任一项所述的分级注水泥装置来进行的分级注水泥方法，包括步骤：
在分级注水泥装置内下入打开工具(400)以与打开座(320)接合，进行一次憋压而剪断第二剪切销(182)，导致打开座(320)向下游运动以打开所述进液孔(130)；
使膨胀液经本体(100)的内腔(110)、进液孔(130)和流道(230)进入容液腔(240)，从而导致胶筒(220)膨胀；
进行二次憋压而剪断第一剪切销(180)，导致打开套(310)向下游运动而打开循环孔(120)，同时切断进液孔(130)和流道(230)之间的连通；和
下入关闭工具(410)以与关闭座(460)接合，进行三次憋压而剪断第三剪切销(184)，导致关闭套(450)向下游运动而再次关闭循环孔(120)。
15.根据权利要求14所述的分级注水泥方法，其特征在于，使膨胀液与容液腔(240)中的促进剂发生反应，从而促使胶筒(220)二次膨胀。
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