CN119900497A - 反循环固井工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气井固井领域，尤其涉及一种反循环固井工具，旨在解决现有反循环固井方法存在水泥浆堵塞套管的技术问题。该反循环固井工具通过在外壳体内设置双级致动套筒，并将双级致动套筒与感应模块、致动总成配合，可以控制外壳体与环空连通与否，如此即保证了反循环固井的顺利进行，使反循环固井技术的优势得到充分发挥，可在注水泥浆作业完成时关闭反循环通路，防止水泥浆在候凝过程中进入套管中空，从而大幅降低反循环固井施工时的风险。

Description

反循环固井工具

技术领域

本发明涉及油气井固井领域，尤其涉及一种反循环固井工具。

背景技术

固井作业在整个建井周期中占据十分重要的位置，其质量的好坏直接关系到油气井建井后能否正常生产以及生产寿命的长短。固井作业包括下套管和注水泥浆，其中，注水泥浆是套管下入后的关键工序，其目的是将套管和井壁的环形空间封固起来，以封隔油气水层。

传统意义上的固井作业通常是指从套管内注入水泥浆，然后将其替入环空来达到封固目的，这也是最为常用的固井方法。但对于某些特殊井、异常井的固井作业，比如单次长裸眼段、低压油气层、弱胶结地层、欠压实地层、大温差井、小井眼井等，该固井方法存在严重的水泥浆漏失问题，而现有堵漏措施(如使用各种轻质水泥浆体系来降低水泥浆循环产生的压力)虽有助于降低发生漏失及附带问题的可能性，但由于这些特殊井的钻井液密度窗口通常比较狭窄，导致水泥浆密度调整范围十分有限，再者，部分情况下还会出现水泥浆超缓凝问题。

为了改变上述情况，提出了一种反循环固井方法，该方法直接将水泥浆泵入环空中侯凝，而钻井液被从套管内顶替至地表，使循环压力最小化，这对以上特殊井的固井质量的改善具有重要意义。但在这里需要指出的是，反循环固井还面临一些挑战和困难，并主要集中在以下两点：

(1)难以准确获知水泥浆到达井底的时机。反循环固井作业无法使用常规固井中使用的顶胶塞碰压的方法，只能根据泵入量来估计水泥浆到达井底的时机，不能准确把握这个时间点，因此实际操作时就只能循环过量的水泥浆，以保证封固质量，但这也将导致一部分水泥浆进入套管；

(2)无法使用常规的浮鞋、浮箍等工具。由于缺少回压凡尔，水泥浆候凝时会因套管内外压差而进入套管中空，这样一来，固井作业完成后会在套管内留有过长的水泥浆塞，如果处于产层的套管内也灌有水泥浆塞，则必须进行钻塞作业，但这将会严重拖延工期，而且钻塞过程中可能会碰坏套管，从而引起其它不必要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反循环固井工具，以解决现有反循环固井方法存在水泥浆堵塞套管的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

本发明提供了一种反循环固井工具，包括：外壳体、双级致动套筒、感应模块和致动总成；

所述外壳体呈管状，并设有沿其径向且贯穿其侧壁的第一过孔；

所述双级致动套筒设置于所述外壳体内，包括外套筒和内套筒，其中，所述外套筒与所述外壳体滑动配合，并设有沿其径向且贯穿其侧壁的第二过孔，且所述第二过孔与所述第一过孔连通，所述内套筒以封堵所述第二过孔的姿态处于所述外套筒内，并通过剪切销与所述外套筒连接；

所述感应模块设置于所述外壳体侧壁，并处于所述第一过孔的一侧，以用于感测所述外壳体内是否存在水泥浆；

所述致动总成设置于所述外壳体，并与所述感应模块通讯连接，所述致动总成配置成在接收到感测信息后，使所述外套筒沿所述外壳体的轴向移动，以封堵所述第一过孔。

进一步的，所述外套筒具有上端部，所述上端部处于所述第二过孔与所述感应模块之间，并与所述外壳体内壁围合形成流体填充腔；

在所述外壳体的轴向上，所述流体填充腔的两相对壁面分别为靠近所述第二过孔的所述上端部的表面，以及远离所述第二过孔的所述外壳体的表面；

所述外壳体侧壁内形成有过流通道，所述过流通道处于所述流体填充腔远离所述第二过孔的一侧，且其一端与所述流体填充腔连通设置，另一端延伸至所述外壳体外；

所述致动总成包括封堵件和激活组件，其中，所述封堵件封堵于所述过流通道，所述激活组件配置成在接收到感测信息后，驱使所述封堵件解除封堵状态。

进一步的，所述外壳体分为上壳体和下壳体，其中，所述上壳体的其中一端部插入于所述下壳体，并与所述下壳体螺纹连接；

所述过流通道形成于所述上壳体，所述第一过孔设置于所述下壳体；

所述上端部包括插接段和挤压段，其中，所述插接段与所述上壳体插接配合，且其外径小于所述挤压段外径，所述挤压段与所述插接段一体成型，并处于所述下壳体内；

所述挤压段端面、所述插接段外壁、所述上壳体端面以及所述下壳体内壁四者围合形成所述流体填充腔。

进一步的，所述上壳体的侧壁设有充水孔，所述充水孔与所述过流通道连通；

所述充水孔的开口处设有塞子，以堵塞所述充水孔。

进一步的，所述下壳体远离所述上壳体的一端连接有浮鞋；

所述外套筒远离所述上端部的一端与所述浮鞋抵接。

进一步的，所述外壳体的其中一端部外螺纹连接有联接套筒，且所述外壳体与所述联接套筒内壁围合形成流体释放腔；

所述外壳体处于所述流体释放腔的外壁设有第一凹穴，所述第一凹穴与所述过流通道连通；

所述封堵件和所述激活组件均处于所述第一凹穴内，且其中，所述封堵件包括破裂盘，所述激活组件包括激活雷管和销推杆，所述激活雷管与所述感应模块通讯连接，所述销推杆设置于所述激活雷管与所述破裂盘之间。

进一步的，所述外壳体的外壁还设有第二凹穴；

所述致动总成还包括均处于所述第二凹穴中的控制模块和电源模块，其中，所述控制模块分别与所述电源模块、所述感应模块和所述激活雷管电连接，所述电源模块分别与所述感应模块和所述激活雷管电连接。

进一步的，所述感应模块包括磁传感器，所述磁传感器用于感测所述外壳内的磁导率变化。

进一步的，沿所述外壳体的轴向，所述外壳体外壁上间隔设有多个凹槽，且每个所述凹槽均沿所述外壳体的周向延伸；

所述凹槽的槽面、所述外壳体的外壁以及所述联接套筒的内壁三者围合形成所述流体释放腔。

进一步的，所述内套筒靠近所述感应模块的开口倒角。

综合上述技术方案，本发明提供的反循环固井工具所能实现的技术效果在于：

该反循环固井工具包括外壳体、双级致动套筒、感应模块和致动总成；外壳体呈管状，并设有沿其径向且贯穿其侧壁的第一过孔；双级致动套筒设置于外壳体内，包括外套筒和内套筒，其中，外套筒与外壳体滑动配合，并设有沿其径向且贯穿其侧壁的第二过孔，且第二过孔与第一过孔连通，内套筒以封堵第二过孔的姿态处于外套筒内，并通过剪切销与外套筒连接；感应模块设置于外壳体侧壁，并处于第一过孔的一侧，以用于感测外壳体内是否存在水泥浆；致动总成设置于外壳体，并与感应模块通讯连接，致动总成配置成在接收到感测信息后，使外套筒沿外壳体的轴向移动，以封堵第一过孔。

该反循环固井工具在初始状态时，内套筒封堵第二过孔，阻断外壳体与与外界的连通，从而防止了流体进入外壳体内；反循环固井工具随套管下入到位后，向管内投入坐封球，坐封球下落，直至坐落于内套筒，通过增压，坐封球即对内套筒施以向下的作用力，而剪切销受到剪切力，随着压力的不断增大，剪切销断开，然后内套筒下移，从而解除对第二过孔的封堵，此时外壳体通过第二过孔、第一过孔与环空连通；一旦外壳体与环空连通，即向环空注入水泥浆，水泥浆升至第一过孔所在高度后，即通过第一过孔、第二过孔进入外壳体的中心通道；水泥浆在中心通道上升至经过感应模块时，感应模块即将对应的感测信息传送给致动总成，此时致动总成启动，使外套筒沿外壳体的轴向移动，从而封堵第一过孔，再次阻断外壳体与与外界的连通，使水泥浆无法进入中心通道。

可以看出，相较于现有技术，该反循环固井工具随管串应用时，可以保证反循环固井的顺利进行，使反循环固井技术的优势得到充分发挥，还可以在注水泥浆作业完成时关闭反循环通路，防止水泥浆在候凝过程中进入套管中空，从而大幅降低反循环固井施工时的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的反循环固井工具的主视图；

图2为本发明实施例提供的反循环固井工具的应用示意图；

图3至图5为图2在不同工况下的剖视图。

图标：100-外壳体；110-上壳体；120-下壳体；111-过流通道；112-充水孔；113-第一凹穴；114-第二凹穴；115-凹槽；121-第一过孔；

200-双级致动套筒；210-外套筒；220-内套筒；211-第二过孔；212-上端部；

300-感应模块；400-剪切销；500-流体填充腔；600-封堵件；

700-激活组件；710-激活雷管；720-销推杆；

800-浮鞋；900-联接套筒；1000-控制模块；1100-电源模块；1200-坐封球。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

采用反循环固井方法固井时，因难以准确获知水泥浆到达井底的时机以及无法使用常规的浮鞋、浮箍等工具，固井作业完成后套管内会留有过长的水泥浆塞，而如果处于产层的套管内也灌有水泥浆塞，则必须进行钻塞作业，但这将会严重拖延工期，而且钻塞过程中可能会碰坏套管，从而引起其它不必要问题。

有鉴于此，本发明提供了一种反循环固井工具，包括外壳体100、双级致动套筒200、感应模块300和致动总成；外壳体100呈管状，并设有沿其径向且贯穿其侧壁的第一过孔121；双级致动套筒200设置于外壳体100内，包括外套筒210和内套筒220，其中，外套筒210与外壳体100滑动配合，并设有沿其径向且贯穿其侧壁的第二过孔211，且第二过孔211与第一过孔121连通，内套筒220以封堵第二过孔211的姿态处于外套筒210内，并通过剪切销400与外套筒210连接；感应模块300设置于外壳体100侧壁，并处于第一过孔121的一侧，以用于感测外壳体100内是否存在水泥浆；致动总成设置于外壳体100，并与感应模块300通讯连接，致动总成配置成在接收到感测信息后，使外套筒210沿外壳体100的轴向移动，以封堵第一过孔121。

该反循环固井工具在初始状态时，内套筒220封堵第二过孔211，阻断外壳体100与与外界的连通，从而防止了流体进入外壳体100内；反循环固井工具随套管下入到位后，向管内投入坐封球1200，坐封球1200下落，直至坐落于内套筒220，通过增压，坐封球1200即对内套筒220施以向下的作用力，而剪切销400受到剪切力，随着压力的不断增大，剪切销400断开，然后内套筒220下移，从而解除对第二过孔211的封堵，此时外壳体100通过第二过孔211、第一过孔121与环空连通；一旦外壳体100与环空连通，即向环空注入水泥浆，水泥浆升至第一过孔121所在高度后，即通过第一过孔121、第二过孔211进入外壳体100的中心通道；水泥浆在中心通道上升至经过感应模块300时，感应模块300即将对应的感测信息传送给致动总成，此时致动总成启动，使外套筒210沿外壳体100的轴向移动，从而封堵第一过孔121，再次阻断外壳体100与与外界的连通，使水泥浆无法进入中心通道。

可以看出，相较于现有技术，该反循环固井工具随管串应用时，可以保证反循环固井的顺利进行，使反循环固井技术的优势得到充分发挥，还可以在注水泥浆作业完成时关闭反循环通路，防止水泥浆在候凝过程中进入套管中空，从而大幅降低反循环固井施工时的风险。

在这里需要补充的是，第一过孔121和第二过孔211均设有多个，且二者一一对应，其中，多个第一过孔121沿外壳体100的周向间隔分布，多个第二过孔211沿外套筒210的周向间隔分布。

以下结合图1至图5对本实施例提供的反循环固井工具的结构和形状进行详细说明：

进一步的，参考图3，外套筒210具有上端部212，上端部212处于第二过孔211与感应模块300之间，并与外壳体100内壁围合形成流体填充腔500；在外壳体100的轴向上，流体填充腔500的两相对壁面分别为靠近第二过孔211的上端部212的表面，以及远离第二过孔211的外壳体100的表面；外壳体100侧壁内形成有过流通道111，过流通道111处于流体填充腔500远离第二过孔211的一侧，且其一端与流体填充腔500连通设置，另一端延伸至外壳体100外；致动总成包括封堵件600和激活组件700，其中，封堵件600封堵于过流通道111，激活组件700配置成在接收到感测信息后，驱使封堵件600解除封堵状态。

具体的，参考图3，在初始状态下，外套筒210下端与连接于外壳体100底部的浮鞋800接触，内套筒220封堵第二过孔211，流体填充腔500充满水，封堵件600封堵过流通道111；投入坐封球1200后，坐封球1200与内套筒220上开口的倒角面线接触，形成密封，通过增压到剪切销400断裂，内套筒220即下落至与浮鞋800抵接，如图4所示，且此时的第二过孔211与中心通道连通，即环空与中心通道连通；环空与中心通道连通后，参考图4，水泥浆可自环空经第一过孔121、第二过孔211进入中心通道，同时对外套筒210施以向上的作用力，而此时处于流体填充腔500的水则对外套筒210施以向下的作用力，阻止外套筒210向上滑动；水泥浆在中心通道上升至经过感应模块300时，感应模块300感测到对应信息，并将其发送至激活组件700，激活组件700即驱使封堵件600解除封堵状态，此时在水泥浆的推动下，外套筒210即向上滑动，并将水挤压出流体填充腔500，直至流体填充腔500消失，如图5所示，而此时的第一过孔121与第二过孔211错位，外套筒210即封堵第一过孔121，使中心通道与环空再次被阻断，阻止水泥浆继续进入中心通道。

较为优选地，如图3所示，外壳体100分为上壳体110和下壳体120，其中，上壳体110的其中一端部插入于下壳体120，并与下壳体120螺纹连接；过流通道111形成于上壳体110，第一过孔121设置于下壳体120；上端部212包括插接段和挤压段，其中，插接段与上壳体110插接配合，且其外径小于挤压段外径，挤压段与插接段一体成型，并处于下壳体120内；流体填充腔500由挤压段端面、插接段外壁、上壳体110端面以及下壳体120内壁四者围合形成，并呈环状。

采用上述设计，外套筒210在受到来自水泥浆的向上的推力时，处于流体填充腔500的水即可对外套筒210施以与推力相反的作用力，阻止外套筒210向上滑动；封堵件600解除对过流通道111的封堵后，在推力的作用下，外套筒210即可将水推出流体填充腔500，保证外套筒210顺利向上滑动，从而实现对第一过孔121的封堵。

在这里需要补充的是，参考图3，上壳体110的侧壁设有充水孔112，充水孔112与过流通道111连通；充水孔112的开口处设有塞子，以堵塞充水孔112。如此设计，便于向流体填充腔500注水。

进一步的，参考图2至图5，外壳体100的其中一端部外螺纹连接有联接套筒900，且外壳体100与联接套筒900内壁围合形成流体释放腔；外壳体100处于流体释放腔的外壁设有第一凹穴113，第一凹穴113与过流通道111连通；封堵件600和激活组件700均处于第一凹穴113内，且其中，封堵件600包括破裂盘，激活组件700包括激活雷管710和销推杆720，激活雷管710与感应模块300通讯连接，销推杆720设置于激活雷管710与破裂盘之间。

具体的，以图3为例，联接套筒900套设于上壳体110，并与上壳体110的上部螺纹连接；沿上壳体110的轴向，上壳体110外壁上间隔设有多个凹槽115，且每个凹槽115均沿上壳体110的周向延伸，凹槽115的槽面、上壳体110的外壁以及联接套筒900的内壁三者围合形成流体释放腔；感应模块300可以是识别密度变化类型或其他类型的传感器，较为优选地，感应模块300为磁传感器，磁传感器可感测具有高磁导率的颗粒，颗粒可以是例如磁铁矿或赤铁矿；参考图1和图3，外壳体100的外壁还设有第二凹穴114，致动总成还包括均处于第二凹穴114中的控制模块1000和电源模块1100，其中，控制模块1000分别与电源模块1100、感应模块300和激活雷管710电连接，电源模块1100分别与感应模块300和激活雷管710电连接。

参考图4和图5，携带有颗粒的水泥浆进入中心通道时，磁传感器将感测由颗粒引起的水泥浆的磁导率的变化，并向控制模块1000发送反应磁导率的信号，当磁导率处于设定水平时，控制模块1000即向激活雷管710发送激活信号；激活雷管710激活，即产生小的烟火反应，这将使销推杆720向下移动到破裂盘中，使破裂盘破裂，此时流体填充腔500通过过流通道111即与流体释放腔连通，从而使外套筒210上下两端产生压差，在该压差的作用下，外套筒210即向上滑动，并将水推向流体释放腔，同时封堵第一过孔121，关闭中心通道与环空的连通路径。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种反循环固井工具，其特征在于，包括：外壳体(100)、双级致动套筒(200)、感应模块(300)和致动总成；

所述外壳体(100)呈管状，并设有沿其径向且贯穿其侧壁的第一过孔(121)；

所述双级致动套筒(200)设置于所述外壳体(100)内，包括外套筒(210)和内套筒(220)，其中，所述外套筒(210)与所述外壳体(100)滑动配合，并设有沿其径向且贯穿其侧壁的第二过孔(211)，且所述第二过孔(211)与所述第一过孔(121)连通，所述内套筒(220)以封堵所述第二过孔(211)的姿态处于所述外套筒(210)内，并通过剪切销(400)与所述外套筒(210)连接；

所述感应模块(300)设置于所述外壳体(100)侧壁，并处于所述第一过孔(121)的一侧，以用于感测所述外壳体(100)内是否存在水泥浆；

所述致动总成设置于所述外壳体(100)，并与所述感应模块(300)通讯连接，所述致动总成配置成在接收到感测信息后，使所述外套筒(210)沿所述外壳体(100)的轴向移动，以封堵所述第一过孔(121)。

2.根据权利要求1所述的反循环固井工具，其特征在于，所述外套筒(210)具有上端部(212)，所述上端部(212)处于所述第二过孔(211)与所述感应模块(300)之间，并与所述外壳体(100)内壁围合形成流体填充腔(500)；

在所述外壳体(100)的轴向上，所述流体填充腔(500)的两相对壁面分别为靠近所述第二过孔(211)的所述上端部(212)的表面，以及远离所述第二过孔(211)的所述外壳体(100)的表面；

所述外壳体(100)侧壁内形成有过流通道(111)，所述过流通道(111)处于所述流体填充腔(500)远离所述第二过孔(211)的一侧，且其一端与所述流体填充腔(500)连通设置，另一端延伸至所述外壳体(100)外；

所述致动总成包括封堵件(600)和激活组件(700)，其中，所述封堵件(600)封堵于所述过流通道(111)，所述激活组件(700)配置成在接收到感测信息后，驱使所述封堵件(600)解除封堵状态。

3.根据权利要求2所述的反循环固井工具，其特征在于，所述外壳体(100)分为上壳体(110)和下壳体(120)，其中，所述上壳体(110)的其中一端部插入于所述下壳体(120)，并与所述下壳体(120)螺纹连接；

所述过流通道(111)形成于所述上壳体(110)，所述第一过孔(121)设置于所述下壳体(120)；

所述上端部(212)包括插接段和挤压段，其中，所述插接段与所述上壳体(110)插接配合，且其外径小于所述挤压段外径，所述挤压段与所述插接段一体成型，并处于所述下壳体(120)内；

所述挤压段端面、所述插接段外壁、所述上壳体(110)端面以及所述下壳体(120)内壁四者围合形成所述流体填充腔(500)。

4.根据权利要求3所述的反循环固井工具，其特征在于，所述上壳体(110)的侧壁设有充水孔(112)，所述充水孔(112)与所述过流通道(111)连通；

所述充水孔(112)的开口处设有塞子，以堵塞所述充水孔(112)。

5.根据权利要求3所述的反循环固井工具，其特征在于，所述下壳体(120)远离所述上壳体(110)的一端连接有浮鞋(800)；

所述外套筒(210)远离所述上端部(212)的一端与所述浮鞋(800)抵接。

6.根据权利要求2所述的反循环固井工具，其特征在于，所述外壳体(100)的其中一端部外螺纹连接有联接套筒(900)，且所述外壳体(100)与所述联接套筒(900)内壁围合形成流体释放腔；

所述外壳体(100)处于所述流体释放腔的外壁设有第一凹穴(113)，所述第一凹穴(113)与所述过流通道(111)连通；

所述封堵件(600)和所述激活组件(700)均处于所述第一凹穴(113)内，且其中，所述封堵件(600)包括破裂盘，所述激活组件(700)包括激活雷管(710)和销推杆(720)，所述激活雷管(710)与所述感应模块(300)通讯连接，所述销推杆(720)设置于所述激活雷管(710)与所述破裂盘之间。

7.根据权利要求6所述的反循环固井工具，其特征在于，所述外壳体(100)的外壁还设有第二凹穴(114)；

所述致动总成还包括均处于所述第二凹穴(114)中的控制模块(1000)和电源模块(1100)，其中，所述控制模块(1000)分别与所述电源模块(1100)、所述感应模块(300)和所述激活雷管(710)电连接，所述电源模块(1100)分别与所述感应模块(300)和所述激活雷管(710)电连接。

8.根据权利要求7所述的反循环固井工具，其特征在于，所述感应模块(300)包括磁传感器，所述磁传感器用于感测所述外壳内的磁导率变化。

9.根据权利要求6所述的反循环固井工具，其特征在于，沿所述外壳体(100)的轴向，所述外壳体(100)外壁上间隔设有多个凹槽(115)，且每个所述凹槽(115)均沿所述外壳体(100)的周向延伸；

所述凹槽(115)的槽面、所述外壳体(100)的外壁以及所述联接套筒(900)的内壁三者围合形成所述流体释放腔。

10.根据权利要求1所述的反循环固井工具，其特征在于，所述内套筒(220)靠近所述感应模块(300)的开口倒角。