CN116163673B - 一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于深水油气井固井和完井工程技术领域，涉及一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置及方法。所述装置包括橡胶密封套、接箍和微压控制阀；微压控制阀包括中空管体，中空管体内设有流体流动通道，中空管体上端连接弹簧控制部件，弹簧控制部件下部连接弹簧，弹簧另一端连接阀体。本发明对深水浅层固井循环井口下的导管与表层套管的环空密封，通过注入可固化前置液产生额外注浆压力，调控微压控制阀使其保持在合理范围内，使得梯度固化的前置液或固化液渗入到近井地带一定径向距离，同时避免压漏地层。本发明保障可固化前置液实施深水弱胶结地层梯度固化的施工，为海洋油气的勘探开发提供了技术支持。
Description
技术领域
本发明属于深水油气井固井和完井工程技术领域，具体涉及一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置及方法。
背景技术
深水固井技术是深水海洋油气开发中的关键技术之一，关系到深水油气井安全建井及服役寿命。在深水固井中，深部地层的压实强度和温度特性等与常规陆地地层是相似的，所需固井技术也相似，但深水浅层地层胶结强度低，地层特性等更为复杂，对水泥环的支撑保护作用较差。因此深水浅层固井面临的困难重重。
目前，在解决深水浅层弱胶结地层固井质量问题的研究中，有学者提出“固井强度梯度层”和“梯度强化固井液”的概念，即该固井液在固化环空的同时能固化地层，通过固井作业形成深水弱胶结地层近井地带由水泥环到地层的具有一定强度渐变的过渡区，从而扩大地层的固化范围，提高近井地带深水浅层地层胶结强度，保证固井质量，提高井口承载能力。
专利CN 115822504 A提供了一种实现深水浅层梯度固化的工具，可以配合文献（步玉环,杜嘉培,柳华杰等. 深水弱胶结地层固井强度梯度层理论与固化材料性能[J].中国石油大学学报(自然科学版),2021,45(04):74-83.）中的固井固化一体液实施深水弱胶结地层梯度固化，该工具为固井可循环的井口回压施加装置。该工具原理为，利用回压施加装置对深水浅层固井过程中导管与套管之间的环形空间进行密封，井口的循环通道关闭，从而使继续微量注入的梯度强化固井液产生回压，使得固井液能够均匀持续地渗入深水浅层，起到梯度固化的作用。但是，由于该工具的密封环空作用，该工具只适用于文献（步玉环,杜嘉培,柳华杰等. 深水弱胶结地层固井强度梯度层理论与固化材料性能[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2021,45(04):74-83.）的固井固化一体液，当进入地层固化液以前置液形式注入地层，配合常规水泥浆固井时，专利CN 115822504 A中的装置无法在使钻井液排出井筒的同时给可固化前置液提供适宜的注浆压力，因而在深水浅层地层固化作业中限制较大。并且，该工具依靠工具特征参数控制回压值，对于回压值无法提供精准且简便的调控。
发明内容
本发明旨在克服现有深水浅部地层固化注浆压力施加工具的不足，提供了一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置及方法，利用微压控制装置对深水浅层固井循环井口下部导管与套管之间的环形空间施加预先调控好的压力范围值，使得固化液能够持续均匀并安全地渗入深水浅层弱胶结地层中，起到梯度固化的作用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置，坐封于导管与表层套管之间的环形空间内，包括橡胶密封套和接箍，还包括微压控制阀；
所述微压控制阀包括中空管体，中空管体内设有流体流动通道，中空管体上端连接有弹簧控制部件，弹簧控制部件下部连接弹簧，弹簧另一端连接阀体；所述流体流动通道内部阀体下部设有凸台，形成孔喉通道；阀体包括球形、椭球形、锥形、带有弧面的锥形等但不限于此，孔喉通道与之相配合，在微压控制阀内起到良好密封作用。
弹簧控制部件和中空管体通过螺纹或者卡扣连接，可以在中空管体内向上或者向下调节，从而使弹簧伸缩量可调节。
微压控制阀通过接箍部件固定在橡胶密封套上。
所述橡胶密封套包括内部中空的圆柱体胶片，胶片上端设有胶环，胶片外壁上均匀套设有呈喇叭状的胶碗，其小口套设在胶片上，胶碗上开设有孔洞，便于微压控制阀贯穿安装；微压控制阀穿过每层胶碗孔洞安装，通过若干接箍固定在橡胶密封套上，为流体泄压提供流动通道，流体流动通道截面包括但不仅限于圆形，与胶碗孔洞相配合。所述的圆柱体胶片为可打开的胶片对合而成。
橡胶密封套的胶环和胶碗一体化成型制成。孔洞外径与橡胶密封套的圆柱体胶片可以相接触或相距适当距离，与胶碗外边沿相距一定距离。
所述接箍包括交替分布的接箍环体I和接箍环体II；接箍环体I的端部设有向上延伸的连接板I，接箍环体II的端部设有向上延伸的连接板II，连接板I和连接板II之间通过螺栓连接。
所述接箍和微压控制阀采用刚性材料制成。
所述弹簧控制部件内部设有通道；弹簧控制部件顶部中心位置设有手柄，自中心位置向外沿周向均匀分布有辐条，保证流体经过弹簧控制部件有一定的流通通道。
所述胶环上设有与微压控制阀配合的凹槽；胶环最大外径小于胶碗最大外径，方便装置下入后胶碗可变形部分受挤压变形起到密封作用。
胶碗的最大外径大于导管内径，以便增大装置与导管内壁接触应力，起到良好密封作用；胶碗轴向截面形状包括但不限于三角形或锯齿形或梯形或矩形或菱形，胶碗受压后与导管内壁的接触面积增大。
所述接箍部件的外径小于橡胶密封套胶环的外径。
所述的接箍环体I为Ω型，与微压控制阀的中空管体适配。
本发明还提出了一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制方法，采用上述所述的控制装置，其具体步骤为：
（1）将橡胶密封套安装于表层套管外侧，将微压控制阀穿过孔洞，安装接箍与之配合，用螺栓相连接，固定在橡胶密封套上；根据所需的注浆压力值，利用弹簧控制部件调节微压控制阀内弹簧的伸缩量；随后将微压控制装置随表层套管一同下入水下，在可固化前置液到达导管与表层套管之间的环空前，微压控制装置位于井口以上且表层套管引鞋距离井底的距离要大于微压控制装置距离井口的距离，实施悬吊固井作业；
（2）计算出可固化前置液开始进入导管与表层套管环空的时间；当可固化前置液进入井筒环空后，低速持续泵注，将悬吊的表层套管逐渐下放，使微压控制装置部分移动至导管与表层套管之间的环空内，且向下移动距离小于原始状态时表层套管引鞋距离井底的距离；
（3）胶碗在环空中产生变形，将表层套管与导管之间的环空封闭，上提表层套管，保持微压控制装置坐封在井口处以下，依靠微压控制阀调控环空压力内部的额外注浆压力；
（4）保持可固化前置液的注入，基于微压控制装置，环空内流体产生额外的、向地层的正压力，达到向可固化前置液提供额外注浆压力的目的。当微压控制阀内外压差小于微压控制阀的启动压力时，微压控制阀关闭，此时随着水泥浆的泵注，环空内压力逐渐上升；当微压控制阀内外压差高于微压控制阀的启动压力时，控制阀打开，环空内的流体可以经控制阀排出，环空内压力下降，避免压漏地层。
在此额外注浆压力作用下，使得可固化前置液稳定渗入到井壁周围弱胶结地层中，保障可固化前置液实施深水弱胶结地层固化的施工。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的微压控制装置，适用于多种条件和形式下的深水固井作业中，能通过调节微压控制阀的开启压力控制施加的回压值范围，以此产生的注浆压力将使可固化地层的流体持续均匀并安全地注入地层，从而保证地层固化施工的安全性，提高深水浅层弱胶结地层的强度和深水固井质量。
本发明所述的微压控制装置，可以在固井循环中为导管与套管之间的环形空间内的流体提供额外的、向地层的正压力值，使固化液均匀持续地渗入到近井周围弱胶结地层中，实现由水泥环到深水弱胶结地层一定径向距离的强度渐变区，从而实现对深水表层的梯度固化，提高深水固井质量，为深水固井作业的安全施工提供了技术保障。
附图说明
图1为本发明实施例1所述微压控制装置的立体结构示意图；
图2为图1的A-A向剖视图（不体现胶碗，省略微压控制阀螺纹）；
图3为图1的A-A向剖视图（不体现微压控制阀）；
图4为图1的俯视图；
图5为本发明实施例1所述橡胶密封套的立体结构示意图；
图6为本发明实施例1所述接箍的立体结构示意图；
图7为本发明实施例1所述微压控制阀的剖视结构示意图（体现微压控制阀螺纹）；
图8为本发明实施例1所述微压控制阀的俯视结构示意图；
图9为本发明实施例2所述微压控制装置的立体结构示意图（省略微压控制阀）；
图10为图9的B-B向剖视图（不体现微压控制阀）；
图11为本发明实施例3所述微压控制装置的立体结构示意图（省略微压控制阀）；
图12为图11的C-C向剖视图（不体现微压控制阀）；
图中：
1橡胶密封套，1-1胶环，1-2胶碗，1-3胶片，1-4孔洞；
2微压控制阀，2-1中空管体，2-2流体流动通道，2-3弹簧控制部件，2-4弹簧，2-5阀体，2-6凸台，2-7手柄，2-8辐条；
3接箍，3-1接箍环体I，3-2接箍环体II，3-3连接板I，3-4连接板II。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例公开了一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置，所述微压控制装置如图1所示，坐封于导管与表层套管之间的环形空间内，包括橡胶密封套和接箍，还包括微压控制阀；
所述橡胶密封套包括内部中空的圆柱体胶片，采用可打开的胶片对合而成；胶片上端设有胶环，胶片外壁上均匀套设有呈喇叭状的胶碗，其小口套设在胶片上，胶碗上开设有孔洞；微压控制阀穿过每层胶碗孔洞安装；胶环、胶碗和胶片一体化成型制成，采用丁腈橡胶、氟橡胶、天然橡胶中的任一种材料制成。
所述胶环上设有与微压控制阀配合的凹槽；胶环最大外径小于胶碗最大外径，方便装置下入后胶碗可变形部分受挤压变形，胶环下端为直角形状，方便装置下入。胶碗截面设置为菱形，胶碗受压后与导管内壁的接触面积逐渐增大，胶碗可变形部分的外径大于导管内径，以便密封导管与表层套管之间的环形空间。
所述接箍包括交替分布的接箍环体I和接箍环体II；接箍环体I的端部设有向上延伸的连接板I，接箍环体II的端部设有向上延伸的连接板II，连接板I和连接板II之间通过螺栓连接；接箍采用刚性材料制成，套设于橡胶密封套和微压控制阀的外侧。
所述微压控制阀包括中空管体，中空管体内设有流体流动通道，中空管体上端连接有弹簧控制部件，弹簧控制部件下部连接弹簧，弹簧另一端连接阀体；所述流体流动通道内部阀体下部设有凸台，形成孔喉通道；微压控制阀通过接箍部件固定在橡胶密封套上。
微压控制阀贯穿于每层胶碗孔洞，与若干接箍相配合，固定在橡胶密封套表面，为流体泄压提供流体流动通道。
所述弹簧控制部件内部设有通道；弹簧控制部件顶部中心位置设有手柄，自中心位置向外沿周向均匀分布有辐条。
所述接箍部件的外径小于橡胶密封套胶环的外径；所述的接箍环体I为Ω型，与微压控制阀的中空管体适配。
实施例2
本实施例2中也述及了一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置，该装置橡胶密封套如图9和图10所示，除胶碗截面设置为锯齿形，其余技术特征均与上述实施例1相同。
实施例3
本实施例3中也述及了一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置，该微压控制装置如图11和图12所示，除了胶碗截面设置为三角形，其余技术特征均与上述实施例1相同。
实施例4
本发明还提出了一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制方法，采用实施例1所述的微压控制装置，其具体步骤为：
（1）将橡胶密封套安装于表层套管外侧，将微压控制阀穿过孔洞，安装接箍与之配合，用螺栓相连接，固定在橡胶密封套上；根据所需的注浆压力值，利用弹簧控制部件调节微压控制阀内弹簧的伸缩量；随后将微压控制装置随表层套管一同下入水下，在可固化前置液到达导管与表层套管之间的环空前，微压控制装置位于井口以上且表层套管引鞋距离井底的距离要大于微压控制装置距离井口的距离，实施悬吊固井作业；
（2）当可固化前置液进入井筒环空后，低速持续泵注，将悬吊的表层套管逐渐下放，使微压控制装置部分移动至导管与表层套管之间的环空内，且向下移动距离小于原始状态时表层套管引鞋距离井底的距离；
（3）胶碗在环空中产生变形，将表层套管与导管之间的环空封闭，上提表层套管，保持微压控制装置坐封在井口处以下，依靠微压控制阀调控环空压力内部的额外注浆压力；
（4）保持可固化前置液的注入，基于微压控制装置，环空内流体产生额外的、向地层的正压力，达到向可固化前置液提供额外注浆压力的目的；当微压控制阀内外压差小于微压控制阀的启动压力时，微压控制阀关闭，此时随着水泥浆的泵注，环空内压力逐渐上升；当微压控制阀内外压差高于微压控制阀的启动压力时，控制阀打开，环空内的流体可以经控制阀排出，环空内压力下降，避免压漏地层。
在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制方法，其特征在于，采用用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置，其具体步骤为：
（1）将橡胶密封套安装于表层套管外侧，将微压控制阀穿过孔洞，安装接箍与之配合，用螺栓相连接，固定在橡胶密封套上；根据所需的注浆压力值，利用弹簧控制部件调节微压控制阀内弹簧的伸缩量；随后将微压控制装置随表层套管一同下入水下，在可固化前置液到达导管与表层套管之间的环空前，微压控制装置位于井口以上且表层套管引鞋距离井底的距离要大于微压控制装置距离井口的距离，实施悬吊固井作业；
（2）当可固化前置液进入井筒环空后，低速持续泵注，将悬吊的表层套管逐渐下放，使微压控制装置部分移动至导管与表层套管之间的环空内，且向下移动距离小于原始状态时表层套管引鞋距离井底的距离；
（3）胶碗在环空中产生变形，将表层套管与导管之间的环空封闭，上提表层套管，保持微压控制装置坐封在井口处以下，依靠微压控制阀调控环空内部的额外注浆压力；
（4）保持可固化前置液的注入，基于微压控制装置，环空内流体产生额外的、向地层的正压力，达到向可固化前置液提供额外注浆压力的目的；当微压控制阀内外压差小于微压控制阀的启动压力时，微压控制阀关闭，此时随着水泥浆的泵注，环空内压力逐渐上升；当微压控制阀内外压差高于微压控制阀的启动压力时，控制阀打开，环空内的流体可以经控制阀排出，环空内压力下降，避免压漏地层；
所述的用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制装置，坐封于导管与表层套管之间的环形空间内，包括橡胶密封套和接箍以及微压控制阀；
所述微压控制阀包括中空管体，中空管体内设有流体流动通道，中空管体上端连接有弹簧控制部件，弹簧控制部件下部连接弹簧，弹簧另一端连接阀体；所述流体流动通道内部阀体下部设有凸台，形成孔喉通道；
微压控制阀通过接箍部件固定在橡胶密封套上；
所述橡胶密封套包括内部中空的圆柱体胶片，胶片上端设有胶环，胶片外壁上均匀套设有呈喇叭状的胶碗，其小口套设在胶片上，胶碗上开设有孔洞；微压控制阀穿过每层胶碗孔洞安装。
2.根据权利要求1所述的一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制方法，其特征在于，所述接箍包括交替分布的接箍环体I和接箍环体II；接箍环体I的端部设有向上延伸的连接板I，接箍环体II的端部设有向上延伸的连接板II，连接板I和连接板II之间通过螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制方法，其特征在于，所述弹簧控制部件内部设有通道；弹簧控制部件顶部中心位置设有手柄，自中心位置向外沿周向均匀分布有辐条。
4.根据权利要求1所述的一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制方法，其特征在于，所述胶环上设有与微压控制阀配合的凹槽；胶环最大外径小于胶碗最大外径。
5.根据权利要求1所述的一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制方法，其特征在于，胶碗的最大外径大于导管内径；胶碗轴向截面形状包括但不限于三角形或锯齿形或梯形或矩形或菱形。
6.根据权利要求1所述的一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制方法，其特征在于，所述接箍部件的外径小于橡胶密封套胶环的外径。
7.根据权利要求2所述的一种用于深水浅层梯度固井循环井口微压控制方法，其特征在于，所述的接箍环体I为Ω型，与微压控制阀的中空管体适配。
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