人工操作的孔口封堵工具與油井注水泥方法

專利名稱：人工操作的孔口封堵工具與油井注水泥方法
在此所披露的方法和設備一般說來涉及分級注水泥作業(yè)，尤其關系到向烴類生產(chǎn)井套管周圍的、沿鉛直方向間隔開來的各個地層層位發(fā)送或注入高壓流態(tài)水泥的手段。此設備包括一件水泥發(fā)送器，也稱作分級接箍，其中有一個套管，其一端帶有適配接頭以便依靠鉆桿柱與加壓水泥源連通。注入的水泥將在套管外圍構成一連續(xù)的殼層。
發(fā)送器或分級接箍包括一段套管，套管的中央腔室或通道在下端帶有一個開孔，用以在第一級注水泥作業(yè)期間把流態(tài)水泥排放到地層的第一層位中去。在套管管壁上作出的一個或多個次級或側向開孔在第二級注水泥作業(yè)期間把水泥輸送到地層的第二級層位中去。
在所設想的這種類型的分級接箍之中，由流態(tài)水泥的向下液流攜入套管的一只栓塞或封堵件將同套管下端的環(huán)形臺座接合，從而中止向下的水泥液流，結束第一級流注。由此產(chǎn)生的背壓將促動一液流控制件，打開次級排放孔口，使水泥液流通過這些孔口轉向。
在初期注水泥作業(yè)之后，配裝在套管中央腔室中的可操作的一組多段套環(huán)從后縮位置被推移到前推位置。在前推位置，此段套環(huán)的功能是，在第二級作業(yè)結束時封堵側向水泥排放孔口，切斷經(jīng)過孔口的水泥液流。
分級接箍中液流控制套環(huán)的第一段具有一個環(huán)狀臺肩，將同由液流攜帶的一只孔道栓塞密封接合，從而在第一級作業(yè)期間阻礙水泥液流的進一步流通。液流控制套環(huán)的第二段包括一個第二環(huán)狀密封臺肩，同第二個頂塞接合以切斷水泥液流。
在由于頂塞動作不妥，或者由于其他原因，水泥液流控制套環(huán)無法運用以控制水泥液流的情況下，已知的手段是強制性地調整或推移該段套環(huán)到封堵位置。在任何情況下，都必需以某種方式促動液流控制套環(huán)，確保套筒側向排放開孔對水泥液流是封堵起來的。
本發(fā)明的目的之一是，提供一種改進的人工操作的井筒注水泥設備，能夠加以遠控，向一口井孔的間隔開來的各地層層位依次注入流態(tài)水泥。
進一步的目的是，提供一種方法和工具，能夠克服分放接箍或水泥發(fā)送器操作中的故障，促進水泥的正常注入，以及隨后的井眼試壓。
按照本發(fā)明，一件液流控制套環(huán)促動器同注水泥分級接箍協(xié)同工作，隨著下落一路旋轉，鉆穿套管中所包含的沉積水泥。促動器向下行進時，將首先切掉至少一部分套環(huán)上段密封臺肩。隨后促動器將同組合套環(huán)上段接合，把所述上段推向所需的推移或封堵位置。側向水泥排放孔口被封堵將把套管內部腔室或中央通道同井孔隔離開來。
本發(fā)明的一個實施例將借助實例並參照附圖加以說明，附圖中

圖1是包圍在水泥殼層中的一口油井的周圍情況圖景;
圖2是沿圖1中2-2線段所截取的剖面放大視圖;
圖3和圖4是類似于圖2的視圖;
圖5表明就位于分級套箍之中、體現(xiàn)本發(fā)明的一種促動工具;
圖6是類似于圖5的視圖。
參照圖1，具有通常所設想的形態(tài)的一口井眼10，形成于圍繞著下套管井15的地層11之中。注水泥作業(yè)期間的一部水泥混拌設備12示于地面17。所述設備包括一臺泵，能夠借助導管23提供流態(tài)水泥的加壓液流，向下送入油井以構成油井套管周圍的封裹殼層。
井眼10的中心線最好是沿著大致上的鉛直方向，盡管偏向地層某一角度並不會對本發(fā)明的運用構成某種損害。如圖所示，井眼10通常形成于地層11之中，同好幾個烴類生產(chǎn)層位相通。這種布局可用來最大限度地提高烴類產(chǎn)量。
本發(fā)明的圖示中，有待注水泥的層位13處于預先定好位置的、插入套管柱19之中的水泥發(fā)送器或分級接箍的下端。有待注水泥的上一層位16的定位使得在此兩個注水泥層位之間可以形成一個具有一定重要性的中介空間或區(qū)域18。
井下水泥發(fā)送器或分級套箍14借助鉆桿柱或套管柱19以及導管23同處于地面的混拌裝置12連通。
參照圖2，井下分級套箍或水泥發(fā)送器14(此后稱作分級套箍)包括一根細長的套管21，通常由厚鋼管制成。套管要構制成能夠承受預期的操作高壓以及從中泵送的水泥所具有的磨蝕作用。
套管或殼體21是由細長的、形成間隔腔室28的圓柱筒體構成的。所述套管段的上端帶有接頭，用以同套管接箍22構成可拆卸的連接。此接箍中的帶螺紋的凹座同一段鉆桿柱19或類似物體的端部接合，以便輸送來自地面的流態(tài)水泥。
圓柱套管21的下端可以帶有更多節(jié)套管，伸入井眼深達幾千英尺。
套管21還配有沿周向布置的一個或多個側向排放孔口27。這些孔口是貫穿套管21管壁的，連通中央腔室28。所述孔口27可以只有單獨一個開孔貫穿套管管壁。最好具有許多這種開孔，圍繞套管管壁等距離地間隔開來，沿某一特定方向或按某一特定方式排放水泥液流。
套管21封裹著一組復合的、由上段或第一段29和下段或第二段31組成的內部液流控制套環(huán)。套環(huán)上段29貼著套管21內壁形成滑動裝配，可向縱向在腔室28內活動。套環(huán)下段31是同套環(huán)上段分離開的，具有環(huán)狀臺肩32，臺肩的一側形成第一個環(huán)形密封表面。
臺肩32向內凸出朝向中央腔室28以形成一條受限的孔道。下段31做成向后延伸的尾部，同套環(huán)上段29上相鄰邊緣處的相應裙套36形成滑動配合。
在作業(yè)過程中，套環(huán)下段經(jīng)過通道或腔室28可以在其初始位置-此時尾段34橫過側向排放孔口27構成封堵-和離開所述孔口27的另一推移位置之間沿縱向移動。
如圖2所示，當復合套環(huán)下段31被推向下方位置時，側向水泥排放孔口27將會打開，並連通腔室28而使一般流態(tài)水泥液流從中穿過。液流將進入地層，貼著套管外壁向下流動，逐漸構成殼狀的包敷層9。
套環(huán)上段29由一段細長圓筒組成，帶有向下延伸的初套36。此裙套，如圖示，確定了一個圓筒狀的環(huán)形空間37，套環(huán)下段31的尾段34可套配其中。套環(huán)上段29的上端帶有向內凸出的臺肩37a，形成了第二個環(huán)狀密封臺座，或接觸表面38。在被推移之前，各個套環(huán)段是靠剪切銷釘或可剪斷的小螺釘67保持在適當位置的。
在強迫推移之前，套環(huán)上段29，如前所述，由剪切銷釘或小型固除件保持就位。后者將靠液壓剪斷以釋放套環(huán)上段29。
套環(huán)上段29可在圖2所示的后縮位置和圖4所申的前推位置之間移動。在前推位置，裙套36下落同尾段34接觸，從而橫過一個或多個側向排放孔口以實現(xiàn)封堵。
在作業(yè)過程中，如圖3所示，在從分級套箍14向下面地層層位13注入足夠的、通常是預定的水泥容量之后，栓塞41被嵌入流態(tài)水泥液流之中。為此，栓塞41是經(jīng)由鉆桿柱19向下傳送而進入中央通道28的。
栓塞41主要包括一只圓柱狀栓體42，帶有一個朝前漸縮的栓頭43和位于后部的栓柄44。栓柄的直徑適當，是以穿過套環(huán)上段29;栓柄並具有外部接觸表面。觸及臺肩33時，栓柄44將繼續(xù)下行，直至栓塞調準在分級套箍的下端之中。這樣一來，由于環(huán)狀臺肩33同栓柄44相接觸，套環(huán)下段31將向下推移，直至靠除鉆桿柱的唇緣46。栓塞的底面同第一個環(huán)狀臺肩33的密封面32形成密封接合。
與此同時，套環(huán)下段31的移動將打開一個或多個側向排放孔口27。前此曾經(jīng)指出，這種移動會使流態(tài)水泥轉向，被迫穿過孔口27進入鄰近的地層層位16。
經(jīng)過一段時間，預定數(shù)量的水泥已經(jīng)取道次級排放孔口27沉積于地層16之內，常規(guī)的操作工序則是把一只封堵頂塞47嵌入流態(tài)水泥液流。在一項實施例中，頂塞47主要包括一個塞體48，帶有許多頂塞凸緣49自塞體向外伸出。頂塞端頭51包括一個漸縮的平截頭圓錐表面52，同臺肩37a的密封表面相適應。頂塞塞體48帶有凸緣49，同水泥液流將緊貼而過的套管內表面接觸。
頂塞47是通過鉆桿柱19向下傳送的，由作用于頂塞背面54上的水泥壓力推動前行。所述封堵頂塞47進入套管21時，接觸面52將同環(huán)狀臺肩38的相應表面相貼合。水泥液流的向下壓力因而將迫使套環(huán)上段29從后縮位置轉向前推位置。在前推位置上，裙套36將同套環(huán)下段31上的相應尾段34配準。
通常，在此工序位置上，分級注水泥作業(yè)結束，油井將具備條件從事試壓。進行試壓是為了確證在分級套箍的中央腔室28與所涉及的鄰近地層之間不存在連通現(xiàn)象。
在某些情況下，頂塞47的上述封堵動作，即推移套環(huán)上段29達到其前推位置以橫過水泥側向排放孔口27，是不成功的。在這種情況下，一種補救工序是推擠水泥，施加充分的壓力在次級排放孔口27處形成封堵。
為避免出現(xiàn)側向水泥孔口的封堵無法迅速實現(xiàn)的局面，目前配備一種促動器56，其尺寸使得可以通過鉆桿柱19下放並進入分級接箍。這一器具的主要功能在于推動套環(huán)上段29，使之處于被驅動的、與套環(huán)下段31協(xié)同工作的位置。
如圖5所示，促動器56由主體段57組成，其上端58與驅動軸59配裝成可拆卸聯(lián)接，驅動軸可以是鉆桿柱、實心軸或者支撐鉆桿柱的類似物。鉆桿柱可進一步拼裝這些構件作為扶正器58，使促動器主體同分級接箍14的進液開孔對中。需要時，所述鉆桿柱也可包括一根或多根鉆鋌、伸縮鉆桿、轉向節(jié)以及類似物。
促動器主體57的下端配裝著一個可拆離的切割器或銑刀61，帶有凹入的下部切割端面62，以及沿周緣的切割表面63。驅動軸59的旋轉使切割器61既可穿過腔室28中的水泥團塊，也可穿過已就位栓塞41的塞柄44前行。切割器將切除環(huán)狀臺肩32的一部分，進一步擴大臺肩的孔道，使促動器穿之而過。切割器的動作實際上將穿過腔室28中已硬結的水泥形成一個圓筒狀的孔眼。
切割器61的外徑大小恰使促動器56能夠轉動著下落;此外徑足夠細小，在切除已就位的上頂塞47並通過環(huán)狀臺肩37a時不會觸動套環(huán)上段29。如所指出，后者不會移動到前推位置形成孔口的封堵。
在切割器61后面一定間距處的、促動器主體57的后段包括一段套帶64。在所述套節(jié)上制成環(huán)狀外表面71，同分級接箍的內表面滑動配合。套節(jié)部分64還配有貼合臺肩或者環(huán)狀臺座66。于是，在推進促動器56穿過套管14的過程中，隨著切割器61的向下行進，將依次銑掉上頂塞47和環(huán)狀臺肩37a靠里面的部分。轉動著的鉆桿柱再往下落就使切割器61切去塞柄44以及環(huán)狀臺肩32的里面一圈。
除去分級套箍內這些不然就會產(chǎn)生阻塞的部分將使促動器56能夠穿過鉆桿柱下部繼續(xù)下落，直到套節(jié)64的貼合面或環(huán)狀臺座66同環(huán)狀臺肩37a的對應剩余部分相接觸、相迭合。因而，套環(huán)上段29將被向下推動，與套環(huán)下段完全緊密接合，使裙套36配準在環(huán)套37之中，形成對許多側面排放開孔27的可靠封堵。
可以理解，盡管在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明作出多種修改和變更，但只是應當加上附錄的各項權利要求中所指出的一些限制。
權利要求
1.一種下套管井的注水泥方法，其中一種分級接箍構成油井套管的一個組成部分；所述分級接箍分別包括一個腔室、軸向進液口和初級排放孔口，用于通過所述腔室輸送水泥液流；在所述進液口和初級排放孔口之間還設有一個次級排放孔口，在所述腔室中設有一只可以操作的套環(huán)，可以移動以橫過所述次級水泥排放孔口形成封堵；此方法的特點是送入一個套環(huán)促動器到所述油井套管中去；轉動所述促動器以形成貫穿分級接箍腔室中已硬結水泥的液流通道；使所述套環(huán)接觸所述促動器，推移套環(huán)達到所述次級排放孔口以形成封堵。
2.一種用于下套管井注水泥作業(yè)的分級接箍，液態(tài)水泥通過此分級接箍輸送，沉積在周圍地層之中以形成油井套管水泥殼層，所述分級接箍包括一個限定細長腔室的殼體;在所述細長腔室的相對兩頭形成水泥液流進出開孔的裝置;在所述套管中至少一個同所述細長腔室連通的次級排放孔口;位于所述殼體中的一組可以操作的液流控制套環(huán)，用來調節(jié)通過所述水泥排放孔口的水泥液流，所述套環(huán)包括帶有第一個內部環(huán)狀臺肩的套環(huán)第一段，在所述殼體出液開孔處形成初級水泥排放孔口;帶有第二個內部環(huán)狀臺肩的套環(huán)第二段，形成為導引所述水泥液流進入所述細長腔室所需的進液孔口，使用時要結合一具細長的促動器，可加以操縱以使相對于所述次級排放孔口確定所述套環(huán)第二級的位置，此促動器包括為通過所述細長腔室兩適當制配的主體，並包括所述主體下方的切割器，直徑大小是以切掉至少一部分所述第二個環(huán)狀臺肩，所述主體下方適當距離處向外突出的一個環(huán)狀臺座，同所述第二個內部臺肩接合，借以促使套環(huán)第二段封堵所述次級排放孔口，以及可以操縱的、把所述主體聯(lián)接到轉動支撐件上去的裝置。
3.權利要求2中所確定的設備，其中所述支撐件由一剛性驅動軸組成。
4.權利要求3中所確定的設備，其中所述剛性驅動軸包括至少一件扶正器，位于該軸下方，接觸所述套管內壁，從而使所述細長促動器同所述細長腔室沿軸向對中。
5.權利要求2或權利要求4中所確定的設備，其中所述剛性驅動軸包括使所述促動器穿過所述套管行進的裝置。
6.權利要求2-5的任一項中所確定的設備，其中所述套環(huán)第一和第二段是可以操縱的，以便兩者的相應部分迭合在一起。
全文摘要
一種井下分級注水泥設備，用以依次排送流態(tài)水泥到封裹井孔套管的兩個地層層位中去。所述設備包括一個初級水泥排放孔口，以及一個或多個次級或側向水泥排放孔口(27)。設備中裝有可以操縱的一組套環(huán)(29)；可以調節(jié)套環(huán)，在注水泥作業(yè)完成之后封堵次級側向孔口。一件套環(huán)促動器(56)同所述注水泥設備協(xié)同工作，可加以遠控以封堵側向水泥排放孔口(27)，確保注水泥作業(yè)完成之后在注水泥設備和井孔之間無連通現(xiàn)象。
文檔編號E21B33/16GK1046956SQ8910782
公開日1990年11月14日 申請日期1989年10月11日 優(yōu)先權日1988年10月17日
發(fā)明者加里·李·波特, 威廉·班克·卡迪 申請人:泰克薩科開發(fā)公司