CN1256350A - 从地层内所钻的油井中抽提流体的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对从地层中油井内采出的流体进行泵送的设备及方法,其中油井的井孔壁由下套管来固定。本发明包括具有一静止元件和一活动元件的地下泵。一个泵固定器把泵固定到油井的下套管上。一中空连续管或盘管在井孔内从地面向井孔下延伸。盘管底端与泵的活动元件相连。优选方案是,盘管能被卷绕到地面上的卷筒上或从地面上的卷轴上展开。一中空抛光杆的底端与盘管的自由顶端相连。中空抛光杆与一装置相连,以便根据所选的,最好是往复的轴向移动,对该中空杆进行操作。在地面上把从中空抛光杆及盘管中泵送出的流体进行回收。

Description

从地层内所钻的油井中抽提流体的设备和方法

本申请要求1998年8月19日于阿根延提出的专利申请No.P980104089的优先权。

本发明涉及通过泵送方式从地层内所钻的油井中抽提流体的设备和方法。本发明尤其涉及碳氢化合物的抽提。特别是，这种设备和方法包括连续盘管的使用，流体可通过该盘管的内部被输送到地面。

虽然对液态碳氢化合物和天然气的需求正在扩大，但是原油价格却在下降。这种低价格使得有必要发展新的人工提升的技术和方法，且需要新的设备来降低新油井的最初投资成本，使新油井或旧油井的提升成本降低。

一般地，一旦探测到地下的油层和天然气层，就钻一口油井。钻孔的最初300英尺，直径大约为12.25英寸，然后以下的深度约为8.5英寸，直到全深。

一旦钻孔钻至全深，就用5.5英寸或7英寸的钢管或下套管从地面到孔底对钻孔进行加固。通过在下套管外壁与钻孔壁之间的环形空间内注入水泥，使套管被固定。通过对下套管的固定，从而使下套管被牢固地粘接至钻孔内，并利用所注入的水泥来封闭沿钻孔全长上的环形空间。

在下套管被固定后，就对下套管进行穿孔。穿孔是根据一储油层或多层储油层的性质在下套管所选定的水平或位置进行的。这些穿孔是一些穿过下套管壁和环形空间内的粘接层的孔，这些穿孔使得所采的油能自由地流到井孔内。

在某些地区，储油层的压力通过天然气就足够使所采的流体能自然提升。这种井一般被称为“自流井”。然而，一般来说，储油层的压力是较低的，这就必需使用人工提升技术来把流体从油井输送到地面。

一种传统的人工提升技术都利用一台设置在井底的地下泵，也被称为“杆式泵”。利用一串被称作“泵杆”的杆来机械地驱动杆式泵，这些泵杆在地面上与一台平衡梁泵送装置相连。杆式泵和这一串泵杆在下套管内被展开或在一串采油管内移动。被泵送的流体通过采油管和这串泵杆所形成的环形空间被输送到地面。在象所描述的常规油井内，采油管的外径为2.875英寸或3.5英寸，采油管的长度从地面或井口延伸至井底附近。

由于以下其它的一些限制，由于泵杆与采油管的壁面磨擦接触，从而使泵杆受到磨损。在偏位、倾斜或弯曲的钻孔内，泵杆的磨损会增大。一般来说，泵杆会发生机械故障，要么在杆体本身上发生机械故障，要么在连接各段泵杆和所用的螺纹接头处发生机械故障。各种各样的在泵杆上所发生的机械故障，会导致和泵杆的频繁更换。有时，还必须将地下泵取出来修理。此外，还会由于机械磨损或接头发生泄漏而必须经常更换采油管。

在上面的情况中，当泵杆中的某段、地下泵或采油管发生了机械故障，通常需要把一个被称作钻塔或牵引装置的工具运到油井，把被磨损或被损坏的元件从井孔中拉出，以便进行更换或修理。钻塔或牵引装置一般包括一个井架，井架上设有上一些滑轮、一钢丝绳卷筒和牵引件，从而可以把管和杆送进孔内或从井孔内拉出。为了尽可能地降低服务成本，就必须使工具提升上来或送下去的工序、进出井孔的工序都得高效且经济。工作效率还取决于把这种工具从一个油井位置移动另一个油井位置所花费的成本以及把管或泵杆断开或接上所花费的时间。

有许多专利试图降低油井运作所需的成本。在专利AR230316中，公开了一种由玻璃纤维制作的泵杆，其重量相当轻，从而只需很小的能量就能进行工作。在专利AR234862中，还公开了用玻璃纤维杆来取代钢制的杆。

Cholet的专利US5667369中，公开了用连续的盘管来代替泵杆，通过把连续盘管的底端与递式腔泵(PCP泵)的转子相连来使PCP泵的转子转动。在这种情况下，是通过在地面上转动盘管来转动PCP泵的转子。虽然也使用了采油管，但是与泵杆相比，这种连续管或盘管的重量更小，且处理更容易。

Walling的美国专利US4476923中，描述了一种盘卷的复合管，它允许流体在其内部输送。这种盘卷的复合管支撑着一个电驱动的井下泵。电力通过导线从地面输送到井下电机，导线沿着复合管并通过复合管的各层延伸。因此，这种复合管包括由不同材料的组成的各包裹层，从而能提供复合管所需的强度。

因此，本发明的发明目的是提供一种无需使用一般的采油管和泵杆就能从地层的钻井中泵送流体的设备和方法。本发明的另一个发明目的是提供一种更轻的采油管，它能在井孔内移动，并能容易地将它取出，而无需使用井架、地下设施及一些牵引件。

本发明提供泵送由地层中的钻井所采出的流体的设备及方法，而无需通常所用的采油管及泵杆。

本发明中的设备和方法包括与一地下泵相连的一条连续管或称盘管。连续管具有两个目的。连续盘管具有双重作用。连续管用作一往复运动的泵送管，还同时用来把流体从井底输送地面的管道。用这种连续管作为采油管，就可以不用传统的采油管。盘管采油管比传统的采油管的重量要轻一些。通过把这种盘管采油管卷绕在一个卷轴或卷筒上，就可以使这种盘管采油管在井孔内移动，并能很容易地将其从井孔中取出，而无需使用井架、地下设施及其它牵引件。卷筒可以安装在一拖车上，因而可以很容易地从一口井运到另一口井。

本发明成本经济，因为它提供了通过取代现有技术中的泵杆、采油管和它们相应的接头来从井中抽提碳氢化合物的设备和方法。这就降低了钢村成本，还降低了象连接和断开等操作程序的成本。

本发明中的设备和方法还具有很明显的优点，这是因为本发明可以钻一些比传统油井直径小的油井来抽提。本发明允许用小直径的钻头来钻井，并可用小直径的管来下套管，因此，降低了钻井成本、开支及材料。

本发明还提供了从倾斜或弯曲的井中泵送的设备和方法。本发明可以适用于从低产量的油井中进行抽提。

本发明包括一种对地层钻井中所采出的流体进行泵送的设备，其中的地层中的井壁由通过下套管来加固。该装置包括一台通常被称作杆式泵的地下泵。该地下泵包括一个静止的桶元件和一个活动的柱塞元件。一个可回收的泵固定器在一定深度把杆式泵固定到油井的下套管上。一条通常被称作盘管的中空连续管在井孔内从地面向井孔的下部延伸。连续管的底端与杆式泵的活动柱塞元件相连。连续管与活动柱塞元件之间的连接是单向通道式的连接，它允许液体从泵体内流向中空的连续管。优选的方案是，连续管是能卷绕到地面上的卷筒或从卷筒上展开的盘管。一根中空的抛光杆的底部与连续的中空管的自由顶端相连。该中空抛光杆与一个装置相连，以便根据所选的运动来操纵连续中空杆，其中所选的运动最好是往复轴向移动。被泵送的液体在地面上从中空抛光杆及连续管中回收。

本发明还包括一种用于泵送从地层钻井中采出的流体的方法，地层中的钻孔壁通过钢套管来加固，在钢套管的所选深度上穿了一些穿孔。该方法包括把一可回收的泵固定器与地下泵的一静止桶元件相连的步骤。地下泵的一活动柱塞与连续中空管的底端相连。这种连接是这样的，即通过连续中空管的内部把柱塞内部与泵桶相连。连续中空管被展开，从而进入波加固的井孔内，直到一预定的深度。连续中空管在地面上被切断。可回收的泵固定器的固定装置把泵固定器与油井下套管相连。中空抛光杆的底端与连续中空管的顶端相连。在地面下套管内或井口至少设置一个封隔元件，对下套管与中空抛光杆之间的环状空间进行密封。根据所选的往复轴向运动来操作中空抛光杆，从而通过连续中空管的孔来回收流体。被回收的采出流体通过一柔性管被送到一个抽提支管。

为了更清楚的理解在描述本发明时所提到的附图，下面将对每幅附图进行简单描述。

图1是根据本发明的设备的一个简化图，图中有一地下泵或杆式泵；

图2是中空抛光杆和地面上的流体回收装置中的柔性管的细节图；

图3是泵送设备的安装方法的简化示图。

下面将参照附图，详细地描述本发明。图1表示地层中的一口用于抽提碳氢化合物流体的油井。井孔H由一下套管或管1盖住。优选的方案是，通过向下套管1的外表面与井孔H之间的环形空间内注入水泥(图中未示)，把下套管1固定到井孔H上。正如在背景技术中所描述的那样，对水泥和下套管在选定的深度和位置进行穿孔，从而允许流体从一储油层或多层储油层流入油井下套管1。图1表示位于不同深度的三个产油区Z1、Z2、Z3。这只是油井中多地层的一个例子。

参照图1，图示中的泵送设备P包括一个地下泵4，该地下泵4具有一个可回收的泵固定器2，泵固定器2通过一个接合器与地下泵4的下部相连。图1所示的地下泵4是一种往复移动式的泵。它包括一个静止阀7、一个静止桶元件8、一个固定一第二阀或移动阀10的活动柱塞元件9、以及一中空推杆11。从Harbison-Fisher处可获得的中空杆式泵适合用于这个例子中。

可回收的泵固定器2包括一个或多个固定装置3，该固定装置3具有多组滑片，这些滑片使泵送设备P的泵固定器2可以固定到油井的下套管1上。可回收的泵固定器2的固定装置3设置在下套管1内部位的油井底端附近的位置。位于可回收的泵固器2底端上的开口5允许流体流入地下泵4的吸收腔，如图1的箭头所示。

应知道，这种类型的固定装置3允许流体从地下泵4的静止桶元件8的外壁表面与油井下套管1的内壁表面之间的环形空间自由地流向开口5。也就是说，固定装置3允许流体从固定装置3的上部流到下部，反之亦然。用于这种用途的固定器可以是由Harbison-fisher提供的直径为2.875英寸或3.5英寸的可回收的泵固定器或类似的固定器，而无需封隔元件。

参照图1，活动柱塞元件9包括设在其下端的移动阀10和连接在其上端的中空推杆11。被泵送的流体通过地下泵4的活动柱塞元件6的内部向上流动。泵柱塞元件6的中空杆11的上端与一连续中空杆12相连，该连续中空杆最好是盘管。接头13最好是滚动式接头，它带有外部衬套，以防止进一步的变形。此外，接头允许流体能从泵孔的内侧6自由流向连续中空管或盘管12的孔。

连续中空管或盘管12朝着表面上的油井的上部或井口W延伸，所说的表面通常是指地表面。盘管12的上端通过一适当的接头15连接在一中空杆14上，该中空杆14通常是一中空的抛光杆。中空抛光杆14具有一允许流体流动的孔。中空抛光杆14通过十字头16悬挂着，以便利用“泵送装置”(图中未示)来操作，该泵送装置把一个可选择的移动或往复轴向移动传给中空抛光杆14、盘管12、中空推杆11，以及活动柱塞元件9。

如图1和图2所示，中空抛光杆14的上端利用一个适当的连接器20，最好是一个“快速液压连接器”，与一柔性管21相连。柔性管21把采出的流体输送到一个抽提支管24，并随着中空抛光杆14的往复上下移动而移动。

在井口W处，下套管1向缩径元件(reduction member)17延伸，并与该缩径元件17相连。缩径元件17在中空抛光杆14的外围上设置有封隔元件18。

参照图1，那些自发地流经连续中空管或盘管12与油井下套管1之间的环形空间的碳氢化合物的流体、气体等通过设有阀的侧孔19释放出来。一般来说，由于底部井孔压力的减小，碳氢化合物中的气体就被释放出来。在其它情况下，油井会积聚足够的内部能量，从而使气体或油可以自由地流动。在这些情况下，流体或气体通过孔19被释放出来。

图2更加详细地表示出了中空抛光杆14和柔性管21的一种优选的组转情况。优选的方案是，中空抛光杆14通过快速液压接头20、一个倒“U”形的管22、以及一个第二接头23，最好是快速液压接头，与柔性管21相连，柔性管21与抽提支管24相连，并把流体输送到抽提支管24内。抽提支管24与一流动管道相连，以便对抽提出的流体进行输送。

根据本发明的优选实施例，连续中空管或盘管12是用金属板制作的，最好是用钢制造的。在Dubois的美国专利US4863991中，描述了用于制造长连续管的方法及设备。应当知道，这种类型的盘管12被卷绕在卷轴36的卷筒37上，如图3所示。

优选的方案是，所用的连续中空管的外径在1英寸至2英寸之间，其具有泵送条件所需的不同等级及壁厚。盘管的一种优选的适当的尺寸大小为：外径为1.5英寸，壁厚为0.134英寸。

下面将参照图3，描述本发明的泵送装置的安装方法。图3表示一个用下套管1进行加固了的钻井孔H。优选的情况是，把盘管或连续中空管12的带有卷筒37的卷轴36用汽车运至加固的井孔H附近的油井。

在地面上，一泵固定器2与一地下泵4的下端相连。连续中空管12的自由端与地面地下泵4的中空推杆11相连。然后，通过流筒37的连续运动使连续中空管12展开，并通过足够的导向装置(图中未示)使连续中空管进入加固的钻孔H内。

实际上，尤其是在倾斜或弯曲的井孔内，在连续中空管12上以一预定长度和间隔设置一些定中心器(未示出)。

一旦连续中空管12及其底部的泵送设备P到达预定深度，就中止松卷动作，并切断连续中空管12。中空端12的顶端通过可回收的滑片固定在地面的适当位置上。按照制作者设定的程序，可回收的固定器2被设置在下套管1内的适当位置上。

参照图1，一中空抛光杆14被连接在连续中空管12的自由端，并在中空抛光杆14与井口W之间或在下套管环形空间内至少设置一个封隔元件18。

中空抛光杆14通过一个十字头16悬挂着，以便由一“泵送装置”(图中未示)来操作，该泵送装置把一个可选择的移动或往复轴向移动传给中空抛光杆14、盘管12、中空推杆11及活动柱塞元件9。

如图2所示，优选的方案是，中空抛光杆14通过快速液压接头20、倒“U”形管22、以及快速液压接头23与柔性管21相连。于是将柔性管21连接到抽提支管24上，并把流体向抽提支管输送，该抽提支管24与流动管道相连，从而对采出的流体进行输送。

所描述的装置允许采出的流体通过泵固定器2内的开口5、通过泵柱塞9、中空推杆11、盘管12、中空抛光杆14、柔性管装置21向上流入抽提支管24和流动管道。

本发明中的泵送设备和方法可为深度为2000英尺至4500英尺的油井提供有效的提升方法，每天可以泵送大约180桶流体。此外，已发现本发明中的泵送设备及泵送方法可以为深度约选6000英尺的油井提供有效的提升方法，且平均每天的产量约350桶。

从本发明的上述描述中可以知道，本发明用一连续中空管来取代传统的采油管和一串泵杆，所用的连续中空管能完成传统的采油管的功能，同时也能完成泵杆的功能。连续中空管使得设备重量轻、节省时间、降低成本、并取消了传统采油管和泵杆所用的大量接头。连续中空管提供了泵的操作轴，而不是采用泵杆，连续中空管还提供了把采出的流体输送到地面的管道，而不是采用传统的采油管。

本发明新颖独创的设计还允许钻一些井孔H直径比传统油井小得多的新油井，传统的油井的直径通常约为8.5英寸。对于本发明来说，直径约为6.125英寸的井孔或直径更小的井孔都被认为是合适的。

类似地，根据本发明，当钻进一口新油井时，还能减小下套管1的直径。在传统油井内所用的下套管外径一般在5.5英寸和7英寸之间。而本发明下套管的外径可以为约3.5英寸或更小，这取决于油井的状况。

本发明具有非常重要的意义，具有很大的用途。要记住，世界上所钻的50％以上的新油井的深度都未超过5000英尺，对于本领域普通技术人员来说，通过本发明所获得的费用减少是很明显的。

前面对本发明所作的说明仅是描述性和示范性的，在不脱离本发明的构思的前提下，可以对所述的设备、结构及操作方法的一些细节作出各种改变。

Claims (21)

1、一种用于把采出的流体从地层内所钻油井的井孔中抽提到地面的设备，该设备包括：

一下套管，对井孔进行衬砌；

一上部壳体，与所说下套管的上端相连；

一地下泵，具有一静止元件和一往复移动元件，所说静止元件固定在所说的下套管上；

一中空管，与所说往复移动元件相连，并大致向地面延伸；

其中，所说中空管的往复移动使采出的油通过所说中空管流到地面。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于中空管是连续的盘管。

3、根据权利要求1所述的设备，其特征在于这种设备还包括：

一中空杆，与所说中空管的上端相连；

一封隔元件，安装在所说的上部壳体或所说的下套管内，以便对所说下套管与所说中空杆之间的环形空间进行密封。

4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所说中空管的外径约为1至2英寸。

5、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所说的下套管的直径约为6.125英寸或更小。

6、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所说的地下泵的静止元件与一泵固定器相连，所说的泵固定器可回收的固定在所说下套管上。

7、一种用于把流体从地层中所钻的油井中抽提到地面的设备，其中的由下套管所固定的油井在预先选定的深度被穿孔，该设备包括：

一地下泵，具有一静止元件和一活动元件；

一泵固定器，用于在一预定深度把所说的地下泵固定到下套管上；

一中空管，该管在套管内延伸并具有与所述的地下泵之活动元件相连接的第一端；

一中空杆，其第一端与所说中空管的第二端相连；

其中所说中空杆和所说中空管的往复移动使流体通过所说地下泵、中空管及中空杆流向地面。

8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于所说中空杆与一用于使所说中空杆和所说中空管进行往复移动的设备相连。

9、根据权利要求7所述的设备，其特征在于所说中空管是一根连续中空管。

10、根据权利要求7所述的设备，其特征在于所说中空管的外径约为1至2英寸。

11、根据权利要求7所述的设备，其特征在于所说下套管的直径约为6.125英寸或更小。

12、一种用于从地层中所钻的油井中抽提采出的流体的方法，该方法包括以下步骤：

对所钻井孔用下套管进行衬砌；

在地面上把一油井口固定到下套管的上端；

在所需位置对下套管进行穿孔，以便通过下套管的孔采出流体；

把一中空管连接到一地下泵的一活动元件上；

把地下泵固定在下套管的下端；

使中空管作往复移动，以便通过中空管来抽提采出的流体。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于中空管是连续盘管。

14、根据权利要求12所述的方法，其特征在于这种方法还包括用中空管把地下泵下放到下套管内的步骤。

15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于地下泵的下放步骤是在地面上通过展开中空管并使中空管移入井孔直到到达一预定深度。

16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于中空管是连续盘管。

17、根据权利要求12所述的方法，其特征在于这种方法还包括以下步骤：

把中空杆的底端与中空管的上端相连；

在井口或下套管上安装一个封隔元件，以对下套管与中空杆之间的环形空间进行密封；

使中空杆作往复移动，以便通过中空管来抽提采出的流体。

18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于该方法还包括在把中空杆连接到中空管上之前切断中空管的步骤。

19、一种用于从地层油井中抽提采出的流体的方法，其中的油井井壁用下套管来加固，且对下套管在预定深度进行空孔，该方法包括以下步骤：

把一中空管连接到一地下泵的一活动元件上；

用中空管把地下泵下放到下套管内；

把地下泵固定在下套管的下端；

使中空管作往复移动，以便通过中空管抽提采出的流体。

20、根据权利要求19所述的方法，其特征在于地下泵的下放步骤就是通过在地面上把中空管从一卷筒上展开来完成的。

21、根据权利要求20所述的方法，其特征在于该方法还包括以下步骤：

在把地下泵下放到下套管内之后切断中空管；

把一中空杆连接到中空管的上端；

使中空杆作往复移动，以便通过中空管来抽提采出的流体。

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