NO872465L

NO872465L - DRILL HOLE-SEMENTERINGSVERKT.

Info

Publication number: NO872465L
Application number: NO872465A
Authority: NO
Inventors: Coenradus Gerardus Van Beelen
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1986-06-16
Filing date: 1987-06-12
Publication date: 1987-12-17
Also published as: NO872465D0; EP0250016A3; GB8614632D0; EP0250016A2

Description

Oppfinnelsen angår et verktøy for anvendelse ved borehull-sementeringsoperasjoner, og særlig en sementinnsprøy-tingshylse som kan benyttes for sementering av et foringsrør 1 et borehull, eller for sementering av et foringsrør, en foring eller et annet rør med liten diameter inne i et forings-rør med stor diameter. The invention relates to a tool for use in borehole cementing operations, and in particular a cement injection sleeve which can be used for cementing a casing 1 a borehole, or for cementing a casing, a casing or another pipe with a small diameter inside a casing large diameter pipe.

Ved brønnborings- og brønnkompletteringsoperasjoner er det vanlig praksis å installere et foringsrør eller et annet rør i et brønnhull eller borehull ved å opphenge forings-røret eller røret på et ønsket sted i borehullet, slik at det dannes et ringrom som omgir den ytre røroverflate, og deretter innsprøyte en. sementvelling i ringrommet via rørets indre og radiale portåpninger som er dannet i en sementinn-sprøytingshylse som er montert nær bunnen av røret. En metode av denne type er eksempelvis vist. i US-patentskrift 2 363 269. Når sementen til slutt størkner i stilling rundt røret, danner den en plugg som er ment å fylle fullstendig ringrommet rundt røret. In well drilling and well completion operations, it is common practice to install a casing or other pipe in a wellbore or borehole by suspending the casing or pipe at a desired location in the borehole, so that an annulus is formed that surrounds the outer pipe surface, and then inject one. cement welling into the annulus via the pipe's internal and radial port openings formed in a cement injection sleeve mounted near the bottom of the pipe. A method of this type is shown, for example. in US Patent 2,363,269. When the cement finally solidifies in position around the pipe, it forms a plug which is intended to completely fill the annulus around the pipe.

Under sementeringsoperasjonen og mens sementen presses oppover gjennom ringrommet, stiger den mot boreslammet som fyller hullet ved dette tidspunkt. I virkeligheten forsky-ver sementvellingen dette boreslam og skyver det oppover foran seg. På grunn av forskjellige faktorer, såsom tilstedeværelsen av et gel-liknende boreslam i ringrommet eller tilstedeværelsen av en klebrig slamkake langs borehullet, stiger ikke alltid sementvellingen på ensartet måte i ringrommet, men i stedet danner sementvellingen iblant kanaler oppover gjennom slammet eller slamkaken, og forringer dermed tetnings- og bindekraften til sementpluggen når den er størknet. During the cementing operation and as the cement is forced upwards through the annulus, it rises against the drilling mud which fills the hole at this point. In reality, the cement slurry displaces this drilling mud and pushes it upwards in front of it. Due to various factors, such as the presence of a gel-like drilling mud in the annulus or the presence of a sticky mud cake along the borehole, the cement slurry does not always rise uniformly in the annulus, but instead the cement slurry sometimes forms upward channels through the mud or mud cake, degrading thus the sealing and bonding power of the cement plug when it has set.

De mekaniske omrøringskrefter som er nødvendige for å rengjøre ringrommet og for å hindre kanaldannelse av sementvellingen, er tradisjonelt blitt oppnådd ved benyttelse av skrapere og turbulensgenererende anordninger på ytterveggen av foringsrøret eller et annet brønnrør. Turbulensgenererende anordninger av denne type er vist f.eks. i US-patentskriftene 2 312 600, 2 602 512, 3 072 195 og 3 176 771 . De anordninger som er kjent fra disse patentskrifter, har skruelinjeformede blad som er montert med innbyrdes mellomrom på den ytre over flate av brønnrøret, slik at de bringer sementvellingen til å følge en spiralliknende strømningsbane ved innsprøyting i det nevnte ringrom. De viktigste ulemper ved de for tiden kjente, turbulensgenererende anordninger er deres skrøpelighet og tendensen til å forårsake i det minste en viss strømningsbe-grensning i ringrommet. Tilstedeværelsen av en strømningsbe-grensning i ringrommet er uønsket da det har den konsekvens at det med et visst pumpetrykk oppnås en lavere sementsirkula-sjonshastighet. The mechanical stirring forces that are necessary to clean the annulus and to prevent channeling of the cement slurry have traditionally been achieved by using scrapers and turbulence-generating devices on the outer wall of the casing or another well pipe. Turbulence generating devices of this type are shown e.g. in US Patents 2,312,600, 2,602,512, 3,072,195 and 3,176,771. The devices known from these patents have helical blades which are mounted at intervals on the outer surface of the well pipe, so that they cause the cement slurry to follow a spiral-like flow path when injected into the said annulus. The most important disadvantages of the currently known turbulence-generating devices are their fragility and the tendency to cause at least some flow restriction in the annulus. The presence of a flow restriction in the annulus is undesirable as it has the consequence that a lower cement circulation rate is achieved with a certain pump pressure.

Det er følgelig et hovedformål med oppfinnelsen å tilveiebringe en ny form for brønnsementeringsverktøy for frembringelse av turbulens i sement- eller slamstrøm gjennom det ringrom som omgir et foringsrør eller et annet brønnrør under sementeringsoperasjoner. It is consequently a main purpose of the invention to provide a new form of well cementing tool for producing turbulence in cement or mud flow through the annulus which surrounds a casing pipe or another well pipe during cementing operations.

Sementeringsverktøyet ifølge oppfinnelsen består av en mansjett eller hylse som har en rørformet vegg med en lengdeakse, og et antall portåpninger som er dannet i den rørformede vegg for å tillate en sementvelling å sprøytes fra hylsens indre inn i et ringrom som omgir hylsen, idet hver av portåpningene har en sentral akse som krysser hylsens lengdeakse på en valgt avstand. The cementing tool according to the invention consists of a sleeve or sleeve having a tubular wall with a longitudinal axis, and a number of port openings formed in the tubular wall to allow a slurry of cement to be injected from the interior of the sleeve into an annular space surrounding the sleeve, each of the port openings have a central axis that crosses the sleeve's longitudinal axis at a selected distance.

Arrangementet av portåpninger i hylsen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å innsprøyte sementvellingen slik at den oppnår en virvlende bevegelse gjennom ringrommet umiddelbart etter innsprøyting av denne i ringrommet. The arrangement of port openings in the sleeve according to the invention makes it possible to inject the cement slurry so that it achieves a swirling movement through the annulus immediately after injecting it into the annulus.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende ved hjelp av et eksempel under henvisning til tegningen, der fig. 1 viser et langsgående snitt gjennom et brønnsementerings-verktøy som omfatter oppfinnelsen, og fig. 2 viser et tverr-snitt etter linjen II-II på fig. 1, sett i retning av pilene. The invention will be described in more detail in the following by means of an example with reference to the drawing, where fig. 1 shows a longitudinal section through a well cementing tool comprising the invention, and fig. 2 shows a cross-section along the line II-II in fig. 1, seen in the direction of the arrows.

Det på fig. 1 og 2 viste borehull-sementeringsverk-tøy består av en i hovedsaken rørformet sementeringshylse 1 som ved sin øvre og nedre ende er forsynt med henholdsvis en hunn- og en hann-gjengekrage 2, 3, for tilkopling av hylsen That in fig. The borehole cementing tool shown in 1 and 2 consists of a mainly tubular cementing sleeve 1 which is provided at its upper and lower end with a female and a male threaded collar 2, 3, respectively, for connecting the sleeve

1 til tilstøtende seksjoner av en foringsrørstreng (ikke vist). Hylsen 1 har en lengdeakse I og er forsynt med en rekke portåpninger 5 som setter en sementvelling som pumpes ned gjennom f oringsrørs trengen, som angitt ved en pil III, i stand til 1 to adjacent sections of a casing string (not shown). The sleeve 1 has a longitudinal axis I and is provided with a series of port openings 5 which enable a slurry of cement pumped down through the casing hole, as indicated by an arrow III, to

å unnslippe inn i et ringrom 6 som er dannet mellom hylsens ytre overflate og en borehullvegg 7, og deretter å vandre i oppadgående retning gjennom ringrommet 6, som angitt ved piler IV. to escape into an annulus 6 formed between the sleeve's outer surface and a borehole wall 7, and then to travel in an upward direction through the annulus 6, as indicated by arrows IV.

Sementeringshylser (sementing collars) av denne type betegnes vanligvis som flertrinns sementeringshylser, og de kan monteres i flere nivåer i et borehull-foringsrør for å sementere foringsrøret inne i et borehull langs en valgt avstand, hvilken avstand vanligvis spenner enten over avstanden mellom to sementeringshylser eller mellomrommet mellom den øverste hylse og foringsrørets topp. For å lette sementinn-sprøyting gjennom den nederste hylse først og senere gjennom hylser som er beliggende på høyere nivåer, er hver hylse eller mansjett på sin innside vanligvis forsynt med en åpnende hylse og en lukkende hylse (ikke vist), hvilke hylser (sleeves) kan beveges aksialt i nedadgående retning langs innerveggen av hylsen 1 ved hjelp av nedpumpingsplugger (ikke vist), slik at portåpningene åpnes og lukkes etter ønske. Da flertrinns-sémenteringsprosesser er i og for seg kjent for fagfolk på området, er det ikke nødvendig med noen detaljert beskrivelse av disse. Cementing collars of this type are commonly referred to as multi-stage cementing collars and can be installed at multiple levels in a wellbore casing to cement the casing inside a borehole along a selected distance, which distance usually spans either the distance between two cementing collars or the space between the top sleeve and the top of the casing. To facilitate cement injection through the lowest sleeve first and later through sleeves located at higher levels, each sleeve or sleeve is usually provided on its inside with an opening sleeve and a closing sleeve (not shown), which sleeves (sleeves) can be moved axially in a downward direction along the inner wall of the sleeve 1 by means of pump-down plugs (not shown), so that the port openings are opened and closed as desired. As multi-stage cementation processes are in and of themselves known to those skilled in the art, no detailed description of these is necessary.

I de kjente sementinnsprøytingshylser består portåpningene av boringer som er boret i radial retning gjennom hylsens rørformede vegg. Dette bringer sementvellingen som innsprøytes gjennom hylsen, til å sprute med høy hastighet mot borehullveggen og til senere å vandre i oppadgående retning gjennom ringrommet som omgir foringsrørstrengen. Slik det er kjent i teknikken, f.eks. fra US-patentskrift 3 072 195, kan sementvellingen, etter innsprøyting av denne i ringrommet, tvinges til å følge, en spiralliknende strømningsbane gjennom ringrommet ved hjelp av blad som er montert på utsiden av foringsrørstrengen og er skråttstilt i forhold til dennes lengdeakse. In the known cement injection sleeves, the port openings consist of holes drilled in a radial direction through the tubular wall of the sleeve. This causes the slurry of cement injected through the casing to spray at high velocity against the borehole wall and to later travel in an upward direction through the annulus surrounding the casing string. As is known in the art, e.g. from US patent 3,072,195, the cement slurry, after injecting it into the annulus, can be forced to follow a spiral-like flow path through the annulus by means of blades that are mounted on the outside of the casing string and are inclined in relation to its longitudinal axis.

I overensstemmelse med oppfinnelsen er portåpningene 5 boret med en slik skråttstilt orientering gjennom hylsens 1 rørformede vegg at sementvellingen umiddelbart etter inn-sprøyting gjennom portåpningene 5 følger en virvlende strøm-ningsbane gjennom ringrommet 6. For dette formål er portåpnin- genes 5 orientering valgt slik at den sentrale akse V for hver portåpning 5 krysser hylsens 1 lengdeakse I på en valgt avs tand. In accordance with the invention, the gate openings 5 are drilled with such an inclined orientation through the tubular wall of the sleeve 1 that immediately after injection through the gate openings 5 the cement ripple follows a swirling flow path through the annulus 6. For this purpose, the orientation of the gate openings 5 is chosen so that the central axis V for each gate opening 5 crosses the longitudinal axis I of the sleeve 1 on a selected tooth.

I det eksempel som er vist på tegningen, oppnås dette ved å bore portåpningene 5 slik at disses sentrale akser V er tangentiale til overflaten av en hypotetisk, matematisk kjegle som er illustrert med stiplede linjer X, hvilken kjegle, når hylsen 1 er installert i en borehull-foringsrørstreng, peker mot bunnen av borehullet. Denne matematiske kjegle har en toppvinkel A som fortrinnsvis er valgt mellom 60° og 120°. Videre har hver av portåpningene 5 lik orientering i forhold til hylsens 1 lengdeakse I, hvilken orientering er valgt slik at hver åpnings 5 sentrale akse V krysser hylsens lengdeakse i en forutbestemt vinkel som ligger mellom 0° og 90°. Den nevnte, forutbestemte vinkel velges fortrinnsvis mellom 30° og 60°. In the example shown in the drawing, this is achieved by drilling the port openings 5 so that their central axes V are tangential to the surface of a hypothetical, mathematical cone illustrated by dashed lines X, which cone, when the sleeve 1 is installed in a borehole-casing string, points towards the bottom of the borehole. This mathematical cone has an apex angle A which is preferably chosen between 60° and 120°. Furthermore, each of the port openings 5 has the same orientation in relation to the longitudinal axis I of the sleeve 1, which orientation is chosen so that the central axis V of each opening 5 crosses the longitudinal axis of the sleeve at a predetermined angle which lies between 0° and 90°. The aforementioned predetermined angle is preferably chosen between 30° and 60°.

Hensikten med det skråttstilte arrangement av portåpningene 5 i overensstemmelse med oppfinnelsen er å skape en virvel i strømmen gjennom ringrommet 6 av en sementvelling og/eller en rengjørings- eller borevæske som skyves fremover av klumpen av sementvelling under sementering. Som følge av den nevnte virvel oppnås høye væskehastigheter i ringrommet, slik at slamkaken, gel-liknende boreslam eller andre forurens-ninger spyles bort fra borehullveggen og den ytre overflate av foringsrøret, og en god binding av sementen til den nevnte vegg og overflate oppnås. Frembringelsen av en virvel ved hjelp av de skråttstilte portåpninger ifølge oppfinnelsen eliminerer behovet for benyttelse av spiraldannende ribber på foringsrørets ytre overflate, i det minste i området nær portåpningene. Sådanne spiraldannende ribber har en tendens til å forårsake i det minste en viss strømningsbegrensning i ringrommet 6. Eliminasjon av strømningsbegrensning i ringrommet har den fordel at det med et visst pumpetrykk fra sement-innsprøytingspumpene kan oppnås en høyere sementsirkulasjons-hastighet, hvilket er gunstig for en ensartet stigning av sementvellingen gjennom ringrommet og for optimalisert rengjø-ring av ringrommet. The purpose of the inclined arrangement of the port openings 5 in accordance with the invention is to create a vortex in the flow through the annulus 6 of a cement slurry and/or a cleaning or drilling fluid which is pushed forward by the lump of cement slurry during cementing. As a result of the aforementioned vortex, high fluid velocities are achieved in the annulus, so that the mud cake, gel-like drilling mud or other contaminants are flushed away from the borehole wall and the outer surface of the casing, and a good bond of the cement to the aforementioned wall and surface is achieved. The production of a vortex by means of the inclined port openings according to the invention eliminates the need for the use of spiral-forming ribs on the outer surface of the casing, at least in the area near the port openings. Such helical ribs tend to cause at least some flow restriction in the annulus 6. Elimination of flow restriction in the annulus has the advantage that with a certain pump pressure from the cement injection pumps a higher cement circulation rate can be achieved, which is beneficial for a uniform rise of the cement slurry through the annulus and for optimized cleaning of the annulus.

Det vil være klart at den viste utførelse av opp finnelsen bare er "et eksempel og at forskjellige modifikasjoner av oppfinnelsen vil bli åpenbare for fagfolk på området ut fra den foregående beskrivelse og tegningen. Sådanne modifikasjoner er ment å falle innenfor rammen av de etterfølgende krav. It will be clear that the shown embodiment of the invention is only "an example" and that various modifications of the invention will be apparent to those skilled in the art from the foregoing description and drawings. Such modifications are intended to fall within the scope of the following claims.

Claims

1. A cement injection sleeve for use in borehole cementing operations, said sleeve having a tubular wall having a longitudinal axis, and a number of port openings formed in said tubular wall to allow a slurry of cement to be injected from the interior of the sleeve into an annulus surrounding the sleeve, CHARACTERIZED WHEREAS, each of the gate openings has a central axis that crosses the sleeve's longitudinal axis at a selected distance.

2. Sleeve according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the central axes of the port openings are located tangentially to a mathematical cone which has an axis of symmetry that is coaxial with the longitudinal axis of the sleeve.

3. Sleeve according to claim 2, CHARACTERIZED IN THAT the mathematical cone has an apex angle between 60 and 120°.

4. Sleeve according to claim 3, CHARACTERIZED IN THAT the port openings are arranged so that the top of the mathematical cone, when the sleeve is installed in a borehole, points towards the bottom of the borehole.

5. Sleeve according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the port openings are essentially cylindrical in shape.

6. Sleeve according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the central axes of the door openings cross the longitudinal axis of the sleeve at substantially equal distances.

7. Sleeve according to claim 6, CHARACTERIZED IN THAT the port openings have essentially the same orientations in relation to the longitudinal axis of the sleeve.