油井分段水泥灌浆用的金属板 【技术领域】
本发明涉及完成油井中的步骤，其中从地面延伸的外套管和较小直径内套管之间的环形空间填充水泥。
背景技术
在通过地面钻井的最初阶段，遇到土壤、砂、砾石、疏松岩石和其他疏松物质的区域。为了在这个不稳定的地下物质区域中使环绕产油管柱的套管柱稳定，外套管随推进钻头降下。当达到更加稳定的地层时，外套管终止然后降下内套管以完成钻井。
外套管可延伸到1,000英尺/300米的深度，或更多，并且要求其向钻井作业提供屏障并且在地面的较上层(其中地下为疏松物质)保护和稳定内套管。一旦钻井到达地层更加坚实的部分时，只有内套管被降到最终的钻井深度，其可以是4,000英尺/1300米，或更多。通过在两个套管之间的环形空间浇注水泥使内套管稳定并且牢牢地固定在适当位置。
当在外套管底部下存在循环漏失区时，分段水泥灌浆(cementing)工具的目的是使操作者能够用水泥浆填充内和外表面套管柱之间的环形空间。循环漏失区是其中水泥浆、钻井泥浆或其他流体不能容纳在井孔中并且消散和流失在周围的地层中的区域。这是不期望的状况并且必须纠正。
一个常规的分段水泥灌浆工具由膨胀式封隔器元件和在封隔器上的分流工具(DV工具)组成。这个工具连接到内套管并且在井中移动到在外套管的底部上方50到100ft的深度。
重金属物体，在本领域内称为“金属炸弹”，投入套管中。该炸弹在套管中的钻井流体(drilling fluid)中自由下落并且坐落在分段水泥灌浆工具中。从表面施加液压以移动套筒并且打开分段水泥灌浆工具上的端口。钻井流体抽入该端口中以使分段工具的封隔器膨胀并且与外套管形成密封。然后施加更高的压力以打开封隔器上方的分流工具中的端口。已知体积的水泥浆沿内套管向下抽运。关闭塞投入套管并且抽运钻井流体以移走塞子和水泥。水泥通过在封隔器上方的DV工具中的开口进入套管环形空间。当关闭塞到达分段工具时它移动套筒以关闭在DV工具中的端口。在这时，从分段工具到表面的套管环形空间填充水泥。膨胀的封隔器与外套管形成密封以防止水泥浆落入封隔器下面的循环漏失区。
当使用常规的分段水泥灌浆工具时下述问题会产生：
1.用于膨胀封隔器元件的端口未能打开。当这发生时，封隔器不能膨胀以与外套管形成密封并且任何抽运到封隔器上的水泥将落入在分段工具下面的循环漏失区。套管环形空间将仍然填充钻井流体或水。
2.在分流工具中的端口未能打开。当这发生时，水泥浆不能被抽运进入环形空间。
3.膨胀式封隔器未能承载位于它上方的水泥柱的重量。失去了膨胀式封隔器和外套管间的密封并且全部水泥浆落下到封隔器下面的循环漏失区中。环形空间将再次仍然填充钻井流体或水。
4.关闭塞在全部水泥抽运进入环形空间后未能关闭DV工具中的端口。在这个情况下，在恢复工作前施工方不得不等待大约七小时直到水泥硬化。这个等待时间可花费施工方以以目前的价格是从7000美元到10000美元。
水泥伞有时代替分段水泥灌浆工具使用以将水泥置入套管环形空间中。水泥伞不能承受大负荷的水泥并且，因此，它们通常移动到在离表面大约300到400英尺的浅的深处。水泥伞与外套管不形成密封并且水泥浆可以穿过伞臂。由于这个原因，水泥灌浆的工作通过抽运水泥浆进入在三到四级中的环形空间以填充到表面的环形空间来执行。在每级后在抽运下一级前允许水泥硬化3到4个小时。这个程序消耗过量钻机时间并且因此是高代价的。
因此本发明的目的是提供可靠地密封处于期望深度的环形空间的改进地分段水泥灌浆设备和方法。
本发明的另一目的是提供可以相对快地安装并且是足够牢固的以支撑1000英尺或更大高度的水泥浆柱的分段水泥灌浆工具。
【发明内容】
根据本发明，图形或环形的基本厚度的钢板(具有小于外套管内径的外径)被放置在一段内套管上并且作为套管柱的组成部分降入外套管。这个装置将被称为分段水泥灌浆金属板。套管和板降到预定距离以内，例如离外套管的下向钻孔端(down-hole end)50英尺。
在钻井过程中的这点上，环形空间填充钻井流体并且在外套管的末端下面的区域被称作“循环漏失区”。因此有必要在板的外缘和外套管的内壁之间提供空间以便当板降低穿过流体时给予流体通道以逸出。
典型的套管直径如下：外套管18-5/8英寸和内套管13-3/8英寸，因而限定大约2-1/8英寸的环形空间。本发明的板是环形的，其具有用于安装在内套管上的同心孔。
板置于内套管柱的耦接头上。限动环(stop collar)置于内套管上且在该板上方以防止垂直移动。
板优选地是大约2.5英寸/6.25厘米厚并且具有稍小于外套管的内径的外径以允许流体或水泥浆在板外缘和外套管柱之间流通。板在内套管上移动到在外套管柱的末端上方的期望深度。已知体积的水泥浆隔离液从表面抽运进入两个套管柱之间的环形空间中以移走环形空间中的流体到循环漏失区。
将一层砾石注入环形空间并且形成桥以大致上填充板的边缘和外套管的壁之间的间隙；同时，将筑井水泥(well cement)注入环形空间并且被该层砾石阻止流到环形板以下。最终，从板到表面的整个环形空间被水泥浆填充并且使其硬化。板保持在适当的位置以支撑硬化的水泥柱，其可能在3,000英尺/990米深。安装和水泥灌浆的最后阶段在下文详细说明。
【附图说明】
在下文中本发明将进一步说明并且参考附图其中：
图1是透视图，部分以仿真模型，示意地示出板在内套管上的定位以及它的与外套管的关系；
图2是部分示出外套管的下向钻孔端的断面的示意侧视图，其中本发明的板安装在内套管的一部分上；
图3是类似于图2的视图，示出在邻近外套管的末端的位置(在板的位置处)的水泥浆的隔离液；
图4是类似于图2的视图，示出颗粒物质引入板上方的泥浆中；
图5是类似于图4的视图，示出在板的上表面上的位置的颗粒物质；以及
图6是类似于图5的视图，示出在板上方的填充水泥的环形空间。
【具体实施方式】
参考图1，那里示出在本发明的方法中使用的在油井水泥灌浆作业中代替分段水泥灌浆工具或水泥伞以将水泥浆保持在循环漏失区上方且在两个同心套管柱之间的承重环形钢板。该板10是环形的且具有中心圆形开口14，中心圆形开口14具有稍大于内套管的外径的内径和与外套管的偏移直径相等的外径。优选地该板是大约2.5英寸/6.25cm厚并且能够支撑高达4000ft/1300m的水泥柱的重量。同样在图1的实施例中示出，该板提供有环绕中心开口14的突起的凸肩16。
现在参考图2，将说明使用本发明的方法和设备用于将水泥浆置入两个套管柱之间的环形空间且在循环漏失区上方的一步步的程序。
板10被放置在内套管20上并且安装在套管耦接头28上方。三个限动环30安装在板10的顶部以防止垂直移动并且接触凸肩16的上表面。如对于那些本领域内普通技术人员将是清晰可见的，可以使用用于固定板10以防止垂直移动的其他装置。具有牢固安装的板10的内套管20被降到一定位置使得板大约在外套管底部上方50ft/16m。如在图2中示出的，内套管20的下端用水泥23牢固地定位在下钻孔21中，其在循环漏失区60下面终止。外套管40的下端定位在上钻孔41中，并且图示中示出的套管20和40之间的环形空间46部分地填充钻井流体42，其消散到循环漏失区60中。
现在参考图3，已知体积的水泥浆以每分钟大约5到6桶抽入内和外套管之间的环形空间46以形成隔离液48并且使在板10上方的环形空间中的钻井流体移到板下面的循环漏失区中。
在水泥48被抽运后，大约一千磅的具有从600微米到0.75in/19mm之间的各种粒度的例如大理石屑和砾石等的颗粒物质50被注入环形空间，同时也继续抽运水泥浆进入环形空间，如在图4中示意地示出的。
继续水泥浆的抽运直到颗粒物质50到达板10并且在板和外套管40之间形成桥或密封以阻塞水泥浆在板周围流动，如在图5中示出的。
在抽运水泥时大约1000磅/455kg的具有从600微米到0.75in/19mm的各种粒度的例如大理石屑和砾石等的颗粒物质被注入环形空间。当颗粒物质到达板时，它在板和外套管之间形成桥以防止在板周围的水泥浆的流通。继续水泥浆的抽运直到环形空间填充到地面，如在图6中示出的。在等待水泥浆硬化时，环形空间46应保持填充水泥。
如从上文的说明将理解的，本发明的分段水泥灌浆板具有简单设计，其中没有移动部件，其使它比现有技术的常规分段水泥灌浆工具更可靠。这个设备和它的使用方法满足上文确定的所有目的并且构成对现有技术的装置和方法的重大改进。
如从上文的说明对于本领域内普通的技术人员将是明显可见的，其他的实施例可以通过对公开的设备和方法的明显修改和变化获得。因此本发明的范围将由下面的权利要求确定。