CN1298963C - 用于为部分井筒加设衬套的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用一个可张开的管状部件为局部井筒加设衬套的系统。该系统包括一个延伸到井筒内的细长钻柱，该钻柱设置有一个处于未张开状态下的管状部件，而且该管状部件包围在钻柱的下部周围。该钻柱还设置有一个设置在管状部件之下端部上的扩张器和一个用于将管状部件的上端部固定到井筒内的锚固部件。

Description

用于为部分井筒加设衬套的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种利用一个可张开的管状部件为井筒部分加设衬套、从而能够将一个细长的管柱(string)延伸到井筒内的系统。这种管柱的一个实例就是钻井用的钻柱(drill string)。在传统的井筒钻进过程中，首先钻出多个井筒部分，然后在后续的步骤中将一个套管或衬套安装到这些井筒部分内。在各个步骤中，可穿过已经安装在井筒内的套管将钻柱下放到井筒内，然后在安装有套管的井筒下方钻出一个新的部分。利用这种方法时，需要安装到新钻井筒部分内的套管必须穿过先前安装的套管，因此，新套管的外径必须小于在先安装的套管的内径。这样，井筒的有效直径就会随着深度的增加而逐渐变小。对于深井而言，这种结果将导致井筒的直径过小，甚至不具有实用价值。在下面的说明中，所引用的术语“套管”和“衬套”并非暗示着管体类型的不同。同样，可将下文引用的术语“加衬套”理解为：在井筒内设置一个衬套或安装一个套管。

背景技术

已经有人提出：通过将一个管状部件安装到井筒内，然后利用一个被拉入、推入或泵送到管状部件内的扩张器沿径向将该管状部件的直径扩大的方式，来克服井筒套管的内径逐渐变小的问题。但是，每当将一个新的可张开管状部分安装到井筒内时，该方法都需要将钻柱从井筒内取出。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用为一部分井筒衬以一个可张开的管状部件的改进型系统，其能够克服现有技术中存在的问题。

根据本发明，其提供一种为一部分井筒衬以一可张开的管状部件的系统，该系统包括：一个延伸到井筒内的细长管柱，所述管柱设置有处于未张开状态的管状部件，从而该管状部件环绕在管柱的下部周围，该管柱还设置有一个安装在该管状部件下端部上的扩张器和一个用于将管状部件的上端部固定到井筒上的锚固部件。

使用时，该可张开的管状部件(例如一个衬套或一个套管部分)最初支承在钻柱上，而且在所需的深度位置上，该部件首先通过将上端部固定到已有套管、井筒壁或其它管状部件的内部而抵靠在井筒上进行扩张，以将其永久性安装在井筒内；接着，通过管状部件将扩张器向上拉出。此后，可将该钻柱完全收到地面上。通过这种方法，就能够对设置有可扩张管状部件的钻柱进行操作，从而钻出井筒，就象当在地下进行钻井，同时又不降低强度的情况下，通常进行的操作。如果需要将旧部件更换下来，那么在可张开的管状部件未被扩张的状态下，将整个钻柱拉到地面上，这样就能够将旧部件更换下来。该方法可以反复执行，这样就能够在已经扩张的管状部件下方钻出另一个新的钻孔部分。此外，还可通过将一种硬化流体泵送到介于已张开部件和井筒壁之间的所有剩余环形空间内，而将已经张开的部件密封到钻孔内。

附图说明

下面将参照附图，通过实例对本发明加以详细说明，其中附图：

图1为根据本发明一个实施例的系统的纵向局部剖视图；

图2A示意性示出图1所示之实施例的一部分的纵向剖视图，其中扩张器被固定到钻柱的下端上；

图2B示意性示出图2B所示的部分的纵向剖视图，其中扩张器被从钻柱上拆卸下来；

图3A为应用于图1所示之实施例中的一个锚固系统在其启动前的纵向剖视图；

图3B为图3B所示的锚固系统在其起动的最初阶段的纵向剖视图；

图3C为图3B所示的锚固系统在起动的一个随后的阶段的纵向剖视图；

图4为沿图3A中的剖面线4-4的剖视图；

图5为沿图3B中的剖面线5-5的剖视图；

图6为图2A和2B所示的扩张器的详细视图。

为简明起见，在图2A、2B、3A和3B中仅示出了各个纵向剖面的一半，其另一半与示出的这一半相对纵向轴线(由附图标记5表示)是对称的。

在这些附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

在图1中，示出了一个延伸到井筒2内的管状钻柱1，其中井筒2形成于地层3中。该井筒2的上部设置有一个套管柱4，该套管柱4具有一个纵向轴线5。一个尚未安装套管的新钻裸井部分6在套管柱4的下方延伸。该钻柱1包括多个连接在一起的钻柱部分8(例如多个钻管部分)，而且该钻柱1还设置有一个下部10，在该下部10的周围基本同心地设置有一个可张开的管状衬套12。钻柱1的下端部，即位于衬套12下方的那部分由一个底部钻具组合(BHA)14构成，该底部钻具组合包括一个双心或偏心型的钻头16、一个用于驱动该钻头16的钻进电机18和一个用于随钻测量工具(MWD)20，该工具用于在井筒轨迹的定向钻进到达一个特定的地下位置过程中起辅助作用。在该MWD工具20的顶部上，可包括有其它一般用于钻井的部件。双心钻头16的一个特性就在于：这种钻头钻出的钻孔部分的直径大于钻头本身的直径，钻头在旋转时所划出的圆形区域大于其在不旋转时的区域。该钻柱1还设置有一个扩张锥体22，该扩张锥体22安装在BHA10的顶部上，其用于通过穿过衬套12的移动使衬套12利用塑性变形而得以扩大。钻柱1的下部10包括一个沿轴向延伸的接头(sub)23，该接头23允许钻柱1相对衬套12沿轴向短距离滑动，目的是对钻柱1和衬套2之间的热膨胀差别进行补偿。

现继续参照图2A和2B，扩张锥体22设置有用于支承衬套12的可释放式支承装置，该支承装置包括多个可缩回的保持块24，这些保持块24沿锥体22的外表面沿周向间隔设置并定位于排列设置在扩张锥体22之圆锥形外表面上的各个孔26内。这些保持块24用其组合在一起的外表面形成一种类似偏梯形螺纹的螺纹结构28，这种螺纹结构能够与设置在衬套12之底端上的互补的偏梯形螺纹结构30相互啮合。螺纹结构28与螺纹结构30的啮合是通过将设置有螺纹结构30的衬套12之下端在可缩回保持块24的螺纹结构28上滑动而实现的。在这种啮合过程中，衬套12只能向下移动，而不能向上移动。或者，衬套12的下端也可以被拧到保持块24上，这样，优选的螺纹方向就是逆时针方向。一个保护套管32连接在衬套12的下端，以防止扩张锥体22的外表面受损。

扩张锥体22在其内表面上设置有一个圆环34，该圆环以能够沿轴向在环形凹槽36内滑动的方式安装在锥体22的环形凹槽36内。从图2A、2B中可以看出：有多个孔26与环形沟槽36流体联通，而且圆环34和保持块以下述方式相互配合：圆环的向下滑动能够使保持块24沿径向缩回。该圆环设置有一个搭接型面(landing profile)38，该搭接型面与一个能被泵送通过钻柱1的密封塞40(如图1、3A和3B所示)相互配合。当密封塞40支承在该搭接型面38上时，循环流过钻柱1的流体将被堵住。通过钻柱1继续泵送流体将使密封塞40上方的流体压力逐渐升高并使圆环34向下滑动。这样，保持块24就能够沿径向向里缩回，从而使扩张锥体22从衬套12上脱开。

现继续参照图3A和3B。钻柱1包括一个扩张装置42，该扩张装置设置在衬套12的上端处并用于使衬套12抵靠在套管4上沿径向扩大，从而与套管4形成一种牢固的连接和可靠的流体密封。该扩张装置42包括上部和下部管状部件44、46，该上部和下部管状部件可通过一个能够在部件44和46之间传递扭矩的花键结构48而沿轴向相对移动。在两个部件44、46的花键之间留有小间隙，小间隙形成了多个很小的纵向流体通道49，其中的一些流体通道通过多个设置在下部部件46上的孔52与钻柱1的内部50流体联通。该下部部件46的外表面通过设置在孔52上方的环形密封件54密封在上部部件44的内表面上。该下部部件46通过环形密封件56密封在衬套12上。

这两个部件44、46通过一个锁紧环58相互锁定在一起，该锁紧环58设置在下部部件46的环形凹槽60内并延伸到上部部件44的环形沟槽62内，这样就能够在两个部件44、46之间传递轴向载荷。锁定环58通过弹簧加载，以使其在释放时能够完全缩回到环形凹槽60内。一个开口支承环64在环形沟槽60所在的高度位置处安装在下部部件46内，以能够将凹槽60封闭；该支承环64可相对下部部件46沿轴向滑动。介于支承环64与锁定环58之间的那部分凹槽60内装满了一种不可压缩的流体。一个止动环65被固定连接到下部部件46的内表面上并以一个合适的距离位于环形沟槽60的下方。

现继续参照图4和5，上部部件44设置有一个可扩大的环形心轴66，该心轴沿圆周方向被划分成多个心轴部分68，这样就能够使心轴66在一个径向缩回的状态(如图4所示)和一个径向扩展的状态(如图5所示)之间操作，其中在径向缩回的状态下，相邻的心轴部分相互邻接，而在径向扩展的状态下，相邻的心轴部分沿圆周方向相互分离。心轴66设置有一个沿径向向外的方向向下成锥形延伸的下表面70(图3A、3B)和一个沿径向向外的方向向上成锥形延伸的上表面71。下表面70设置成与第一环形致动器74的截锥形互补表面72相接触，而该第一环形致动器74构成了上部部件44的一个一体的部分。该上表面71设置成与第二环形致动器78的截锥形互补表面76相接触，其中该第二环形致动器78被一个弹簧装置80顶推在心轴上。当上部部件44相对下部部件46向上移动时，心轴66可通过这种结构移动到其径向扩大的状态下。在第一致动器74和下部部件46之间形成有一个流体腔82，该腔室82通过小的流体通道49和孔52与钻柱1的内部50保持流体联通。这样，当通过孔52和流体通道49将钻井流体从钻柱1的内部泵送到流体腔82内时，上部部件44就会相对下部部件46向上移动。心轴66设置有一个径向外表面，该径向外表面的性质与扩张锥体22之外表面的性质相似。这些心轴部分68通过连接部件84(图5)互相连接在一起，而连接部件84还用于盖住当这些心轴部分68沿径向向外移动时在心轴部分68之间形成的间隙。还可通过将心轴部分68的型面选为可相互啮合的结构形式而将这些间隙盖住。

在正常操作过程中，套管4的下方将钻出一个新的钻孔部分6，这样就可以将钻柱1下放通过套管4。双心钻头16使新钻出的钻孔部分6的直径约等于上部钻孔部分2的直径。在钻进过程中，钻井流体流被泵送通过钻柱1的内部50。在钻出钻孔部分6后，钻柱1定位在能够使衬套12的上端部位于套管4内的位置上。接着，密封塞40与钻进流体流一起被泵送到钻柱1内，直到密封塞40支承在支承环64上。这样，密封塞40就能够将流体通道50堵住，而且继续将流体泵送到钻柱1内的操作将使支承环64向下朝止动环65滑动。通过这种滑动，就可以使孔52打开，而且不可压缩的介质会被完全缩入环形凹槽60内的锁紧环58推出。这样，上部部件44就会与下部部件46脱开。

通过孔52和流体通道49进入流体腔室82内的钻井流体使流体腔室82能够以一个液压活塞/缸组件的方式进行操作，从而能够相对下部部件46向上推动上部部件44。这样，心轴66的下部锥形表面72就会受到一个来自上部部件44的向上的作用力，而心轴66的上部锥形表面71将受到一个来自弹簧装置80的向下的反作用力。这样，这些心轴部分68就会沿径向向外的方向受到顶推，从而使心轴66移动到其径向扩展的状态(图3B)下，这样就使衬套12的上端部塑性变形并抵靠着套管4径向扩大。接着，上部部件44继续受到向上的顶推作用，从而使衬套12的其余上端部得以扩展(图3C)。当衬套12的上端抵靠着套管4充分扩展时，上部部件44将接触到一个能够限制其进一步移动的止动件(未示出)。这样，衬套12的上端就能够可靠固定在套管4上。

接下来，可通过不断增加泵送压力而使密封塞40与支承环64脱开，从而使止动环65断裂并允许支承环64进一步向下滑动到一个轴向位置上，在该轴向位置上，它能够扩展成一个更大的直径。该密封塞40可沿钻柱1被进一步向下泵送，直到其支承在圆环34的搭接型面38上。通过钻柱1继续泵送流体将使圆环34向下滑动到环形槽36内，从而使保持块24沿径向缩回。这样，扩张锥体22就会从衬套12上脱开。

在下一步骤中，带有扩张锥体22的钻柱1将受到向上的拉动通过衬套12，这样就可以通过被固定到位的上端部分而限制衬套12沿轴向的移动。通过在衬套12内拉动扩张锥体22，就可以使衬套12的外径扩大至几乎等于井筒2之直径的程度。

衬套12之上端的壁厚可与衬套12的其余部分的壁厚不同，特别是小于其它部分的壁厚，目的是减小使衬套扩大所需的力。

当然，也可以采用一种管下扩孔器或可张开的钻头来替代双心钻头。

可扩大的管状衬套可具有一个预定的长度，该预定长度大于最初设计的新钻钻孔部分的长度，这样，就会与已有套管形成一个重叠部分。如果需要，可将这种可扩大的衬套安装在其它中间深度位置上。

这种可扩大的衬套可包括多个预先制成的孔，这些孔在未扩展阶段处于封闭状态下并在扩展过程中打开，以能够将硬化流体泵送到介于已扩展的衬套和井筒壁之间的环形空间内。

当然，可以不利用弹簧装置80对上部部件44相对心轴66的向上移动作出响应并为第二环形致动器80提供一个向下的反作用力，而采用一个液压活塞/缸组件为第二环形致动器80提供一个向下的反作用力。这种活塞/缸体组件可由存在于钻柱1之内部50中的流体的流体压力以适当方式提供动力。

Claims (11)

1.一种为一部分井筒衬以一可张开的管状部件的系统，其包括一个延伸到井筒内的细长管柱，所述管柱设置有所述管状部件，所述管状部件处于其未张开状态下，从而该管状部件包围在管柱的下部周围，该管柱还设置有一个安装在管状部件之下端部处的扩张器和一个用于将管状部件的上端部固定到井筒内的锚固部件，其特征在于：所述管状部件的上端部延伸到一个设置在井筒内并包围着所述上端部的外部管状部件内；所述锚固部件包括用于使管状部件的上端部相对外部管状部件径向扩张的径向扩张装置。

2.根据权利要求1的系统，其特征在于：所述管状部件通过可释放的支承装置由管柱支承。

3.根据权利要求2的系统，其特征在于：所述支承装置包括至少一个设置在管柱上的保持装置，每个保持装置都可在一个径向缩回的状态和一个径向张开的状态之间移动，其中在径向缩回的状态下，管柱可相对管状部件沿轴向移动，在径向张开的状态下，保持装置支承着所述管状部件。

4.根据权利要求3的系统，其特征在于：所述管柱设置有一个用于井筒流体的纵向流体通道和一个设置在该流体通道内的环形支座，所述环形支座可相对钻柱轴向移动，而且当一个被泵送通过流体通道的塞子使所述环形支座沿轴向移动时该环形支座能够通过操作将各个保持装置从伸出状态移动到其缩回状态下。

5.根据权利要求4的系统，其特征在于：所述流体通道通过扩张器继续延伸，而且每个保持装置都设置在扩张器所在的高度位置处。

6.根据权利要求5的系统，其特征在于：所述外部管状部件是井筒套管、井筒衬套和管状搭补贴片中的一个。

7.根据权利要求5或6的系统，其特征在于：所述径向扩张装置包括一个心轴，该心轴由多个可沿径向移动的心轴部分构成。

8.根据权利要求7的系统，其特征在于：所述心轴被设置成能够通过一个液压致动系统而沿径向张开。

9.根据权利要求8的系统，其特征在于：所述液压致动系统包括一个流体腔室，该流体腔室在心轴的径向张开过程中与所述纵向流体通道流体联通。

10.根据权利要求1至6之一的系统，其特征在于：所述管柱是一种钻井用的钻柱。

11.一种利用权利要求10的系统为一部分井筒衬以一个可张开的管状部件的方法，该方法包括下述步骤：

-用钻柱钻出一部分井筒；

-利用所述锚固部件将管状部件的上部固定在井筒内；

-将钻柱从管状部件上松开；

-利用钻柱拉扩张器通过该管状部件，以使管状部件径向张开。

Images