单程完井 优先权信息
本申请要求享有2002年10月2日申请的美国临时专利申请系列号60/415,393的优先权。
【发明背景】
1.发明领域
本发明大体上涉及对生产井衬的一部分胶固以提供完井筒、从井衬和其它部分中清除多余的水泥、以及此后从完井筒中产生烃的系统和方法。进一步的方面，本发明涉及将烃从井中运出的气升系统。
2.背景技术
在一个井被钻孔、加固、打孔以后，必须要将一个生产井衬固定在井筒内，并且此后开始生产烃。经常，期望使用水泥来把生产井衬固定就位。不幸的是，将生产井衬胶固在井筒的合适位置上已经被认为是阻碍了在后来阶段使用气升技术来增加或者扩展来自井中的产品。将生产井衬胶固在合适位置上防止了生产井衬从井中抽回来。因为当胶固以后，完井就变成永久的了，任何将使用的气升机心轴将必须在最初的生产排列中运行。然而，这是有问题的，因为将生产井衬胶固在井筒的合适位置上的操作容易给气升机心轴的进气口残留水泥并且此后不能使用。
发明者公知，没有已知的方法和系统能允许将完井胶固到合适位置，从而有效地使用气升技术来帮助仅仅在进入井筒内地一个行程就将烃排除。
本发明旨在解决现有技术的问题。
【发明内容】
本发明提供了用于胶固产生井衬，接着有效地从井壁和井衬中清除多余水泥的系统和方法。另外，本发明还提供了用于此后对井中产生的流体进行气升辅助的系统和方法。所有的过程都在生产井壁的单一行程(单程)内完成。
在优选的实施例中，本发明的生产系统包括位于一系列相互连接的接头或工具内的中心流孔，并与保持气升阀的心轴合为一体。在目前优选的实施例中，直至胶固和清理工作完成后，才将气升阀置于心轴内。完井系统最好包括一横向分流器，例如鞋轨，从而使从流孔向下泵出的水泥置于井的套筒中。另外，完井系统包括一刮塞以及最好还有一个将刮塞落入流孔中的装置。典型的完井系统还在于具有一阀，其可有选择地使工作流体从流孔、套筒以及小型心轴一侧通过。在优选的实施例中，所述的阀有选择地打开和关闭以启动和停止工作流体流通。
在目前优选的实施例中，本发明也提供了一种产生方法，其特征在于将包含侧室心轴的完井系统置于井筒中。然后通过将水泥泵入完井系统的流孔中并将水泥分流到套筒中而对完井进行胶固。对套筒填充水泥至预定层位，然后设置一封隔器。在优选的实施例中，封隔器接近套筒中水泥层位定位。由此可使用钢缆打孔设备对地层进行打孔。在完井装置胶固后，在承压工作流体的推进下驱动刮塞通过完井装置的流孔可以清除完井装置中多余的水泥。工作流体有助于从流孔和组成完井系统的辅助工具和设备中清除多余的水泥。通过打开阀装置内的一侧部也可将承压流体导入封隔器上部的套筒内。由此，通过提高流孔和套筒内的流体压力可将阀装置关闭。然后用一造斜工具将气升阀放置在侧室心轴内。最后在气升设备的作用下，从打孔的地层中产生的烃能够排出。
【附图说明】
图1是根据本发明构造的已落入井筒中的典型单程生产系统的截面侧视图。
图2是在水泥已流入生产系统后图1所示的典型生产系统的截面侧视图。
图3是图1和2所示的典型系统在未显示下面设置的封隔器的情形下的截面侧视图。
图4是对地层打孔后图1-3所示的典型系统的截面侧视图。
图5是图1-4所示的典型系统具有一通过生产系统向下推入的刮塞的截面侧视图。
图6是图1-5所示的典型系统进一步表示了从系统中清除水泥的截面侧视图。
图7是在图1-6所示的典型系统中又示出了在气升心轴内放置气升阀用于随后产生烃流体这一结构的截面侧视图。
图8是根据本发明构造的典型刮塞的详细视图。
图9是具有刮塞落入其中的典型连顶接箍的详细视图。
图10A，10B和10C是图1-7所示的典型系统中的静水闭合循环阀的详细视图。
图11是完井系统内采用的典型过泥侧室心轴的截面侧视图。
图12是图11中沿线12-12的轴向剖视图。
图13是心轴引导部的详细视图。
【具体实施方式】
图1图示了已经钻入地表12内部的一个井筒10的下部。展示了一个含烃地层14。典型的井筒10至少部分地被金属套16套装，金属套16已经如公知的那样被事先胶固就位。的一个典型的单行程完井系统或组件，通常由20表示，被示出悬挂管柱22下方并布置在井筒10内部。一个套筒24限定在完井系统20和井筒10之间。此外，需要说明的是，管柱22和完井系统20在其内部沿着长度限定了一个轴向流孔26。
典型的单行程完井系统20的上部包括借助中间接头而彼此相连的一些元件。这些元件包括一个地下安全阀28，一个侧室心轴30以及一个静水闭合循环阀(HCCV)32。一个封隔组件34设置在静水闭合循环阀32下方。一个生产井衬36在封隔组件34下方延伸并被在其底端被紧固到一个连顶接箍38上。一个鞋轨(Shoe track)40被紧固到完井系统20的底端。鞋轨40具有多个侧向开口42，侧向开口允许水泥从流孔26的底端流出，并且进入套筒24内部。
地下安全阀28是现有技术已知类型的阀，用于在紧急情况下将井切断。因为本领域技术人员很容易理解这种阀的结构和操作，所以这里不对它们进行详细描述。
静水闭合循环阀(HCCV)32在图10A、10B和10C中被更详细地描述。静水闭合循环阀32包括一个内部心轴50，该内部心轴具有螺钉以及在每个轴向端部52、54的盒式连接件。内部心轴50沿着其长度限定了一个轴向流孔56。内部心轴50的中央部分容纳了一个侧向流体通道58，通过这个通道，在流孔56和内部心轴50的径向外部之间可以发生流体连通。最初，一个保险片60关闭了流体通道58防止流体流动。一个外套管62径向围绕着内部心轴50并且能在内部心轴50上轴向移动。一个流体开口64穿过外套管62设置。预定数量的易碎的安全销66将外套管62固定在内部心轴50上。
静水闭合循环阀32还包括设置在内部心轴50的流孔56内部的一个内套管67。内套管67具有一个流体孔69，该流体孔最初与内部心轴50中的流体通道58对齐。内套管67的上端具有一个啮合面71，其形状能够与一个互补的移动件互锁。如图10A所示，内套管67还可以在流孔56内部在一个第一位置和一个第二位置之间轴向移动，其中流体孔69与内部心轴50的侧向流体通道58对齐，在第二位置(图10C所示)中，流体孔69不与流体通道58对齐。当内套管67在第二位置的时候，流孔56和阀组件32的外部径向表面之间流体连通被阻断。
静水闭合循环阀32通过使用压力来致动，以提供从流孔56内到套筒24的选择性的流体流动。在进入井筒10之前，静水闭合循环阀32在图10A所示的结构中，外套管62被安全销66固定在内部心轴50上的一个上部位置，使得在外套管62上的流体开口64与内部心轴50上的流体通道58对齐。根据第一应用，适当的流体压力加载于流孔56内部，保险片60将断裂，藉此使流体在流孔56和静水闭合循环阀32的径向外部之间连通。如图10B所示，根据第二应用，适当的较高的外部流体压力施加于外套管62，安全销66将断裂，释放外套管62在内部心轴50上向下滑动到第二轴向位置。在这一位置，外套管62将内部心轴50的流体通道58盖住。从而阻断流孔56和套筒24之间的流体连通。工作流体以这种方式在静水闭合循环阀32和完井系统20的其它位置流通，可选择性地使套筒24致动或停止。
在外套管62的关闭发生故障时，作为如图10C所示的工具73，一钢缆工具，具有移动器75，以形状和尺寸上互补的方式与内套管67的侧面71配合，所述的钢缆工具降低到流孔26和阀装置32的流孔56内。当移动器75与侧面71接合时，上拉移动器75可将内套管67移动到第二关闭位置(如图10C所示)，从而内套管67上的流体孔69不与内部心轴50上的流体通道58对齐。在这一位置，流过流体通道58的流体被阻断。
侧室心轴30是我们2002年10月2日提交的待审申请60/415,393中描述的形式。在图11，12和13中对侧室心轴30进行了更详细的描述，并与完井系统中的其他部件分离。侧室心轴30包括一对分别位于上端和下端的管式装配接头72，74。装配接头的远端是延伸到表面的标准管径形式，并为了连接装配而具有螺纹。但明显不同的是，装配接头从螺纹端的标准管径到一扩大的管径部分可被锻造成非对称。例如在焊接结构中，在上下装配接头的扩大的管径端之间有一更大直径的管腔76。装配接头72和74的轴线78偏离并与管腔轴线80平行设置(图12)。
阀室缸筒82位于管腔76的截面内，所述的管腔76与管柱22的主流道部分84偏离。在管腔76外壁上的外部开孔86从侧面穿过阀室缸筒82。没有显示由一被称为“推动”工具的钢缆操纵设备放入缸筒82内的阀或活塞元件。为了进行井筒的完井，侧室心轴通常与侧室塞一起放入缸筒82内。这种侧室塞切断流体通过心轴内部流道和外部套筒之间的开孔86并隔断完井水泥的进入。在完成所有的完井工序后，可以很容易地利用钢缆工具将侧室塞拔出，并通过钢缆用流体控制元件将其替换。
心轴30上端是一具有圆柱形凸轮轮廓的的导向套管88，用于以本领域技术人员公知的方式利用阀缸筒82对推动工具定向。
在侧室缸筒82和装配接头72和74之间的管腔部分设置两列填充导向件90。在一般的意义上来说，形成填充导向件90是为了填充侧管腔76内部容积中那些不需要的部分，由此可减少水泥填满这部分容积的几率。其相当重要但不太明显的意义是填充导向件具有通过工作流体流入刮塞后方而在心轴空隙内产生紊流的功能。
与四分之一圆的清理模具相同，填充导向件90具有圆柱弧形表面92和相交的平面94和96。按阀元件插入件和推动工具所需确定出在两个填充导向件表面94之间相对表面的间距。
平面96在刮塞穿过侧管腔76时，对其起到提供侧向支撑导向面的重要作用，并保持导向刮塞元件处于主流道84内。
在沿每个填充导向件长度适当的空间位置上，钻出横向流体喷射通道97并从表面94和96中相互贯穿。同时沿平面94和96适当的位置设置压痕或加压面98。优选地，相邻的填充导向件90具有分离间距99，以适应在制造过程中由于连续地施加在部件上的热处理工序而产生的不同的膨胀率。如果认为必要，所述的间距99可以被设计成进一步促进紊流。
图8示意性地显示了被用于侧室心轴30的刮塞108。这一刮塞108与相同的现有技术设备的一个重要的区别是长度。刮塞108的长度与上下装配接头72和74之间的距离相关。刮塞108具有一带腈刮盘114引导组件和牵引组件的中心轴110。图8中清楚地表示出，刮盘114的引导组件位于轴110头部112附近，而刮盘114的牵引组件位于轴110相反端或后端附近。刮盘114中每一个都环绕着轴110并具有径向延伸部分，该延伸部分被设计成与流孔26接触并在其中清除多余的水泥。同时需要说明的是，刮盘114为凹形的，从而可从轴110后部截住承压流体。弹簧对中器116位于引导和牵引组件之间。轴110也具有一头部112。
当刮盘114的牵引组件进入侧室心轴30时，密封在刮盘114后面的流体压力消失，但填充导向平面96可保持刮盘牵引组件114与主管道流孔84轴线成一直线。同时，刮盘114的牵引组件仍然处于侧室心轴30上方管道流孔84的连续部分内。所以，作用在刮盘114牵引组件上的压力继续对轴110加载。随着刮塞108继续通过心轴30，弹簧对中器116保持轴110中部的轴向对中。在刮盘114的牵引组件进入侧室心轴30失去驱动密封时，刮盘114的导向组件再次进入心轴30下方的孔84中，并重新获得驱动密封。因此，在刮盘114的牵引密封组件失去驱动密封之前，刮盘114的导向密封组件就已经安全得到了牵引密封。
图1-7显示了单程完井系统20典型的操作。在图1中，显示了已经将完井装置20放入井筒10内，从而使管柱36位于地层14附近。一旦完成这一操作，就可以通过中心流孔26使水泥100向下流入，并通过鞋轨40上的侧向开口42径向向外流动。水泥100填充套筒24直至达到了水泥100理想的层位102，此时可使系统20固定到井筒10中。典型地，水泥100的理想层位102是封隔组建34被封闭(见图2)的那一位置。如图3所示，而后封隔组件34置于井筒10中以完成固井工作。接着，如图4所示，本领域公知的钻孔设备104插入流孔26。启动钻孔设备104在金属套16和周围地层14中形成钻孔106。然后从流孔26中抽出钻孔设备104。如果需要，可以在钻孔设备启动后放置封隔组件34，从系统20中以简要描述的一种方式清除水泥。典型地，如所描述的一样，在水泥100已经流入井筒10以及刮塞108已经进入流孔26以后启动钻孔设备104对地层14进行钻孔。同时，典型的工艺是在打孔前留出时间使水泥100落定并稍稍胶固。
通过向流孔26内插入刮塞108来清除流孔26和组成系统20部件中的多余水泥，以此清洗掉系统20中的水泥。此后，工作流体流过系统20进一步清洗各部件。如图5所示，将刮塞108插入流孔26并在流体压力下对其向下推动。利用工作流体沿流孔26向下泵送刮塞108。刮盘114后方的流体压力可驱动刮塞108沿流孔26向下。沿着这一通道，刮盘114将有效地从流孔26中清除水泥。如图6所示，当刮塞108达到流孔26的最下端时，它将落座在连顶接箍38内。
图9更详细地显示了连顶接箍38内刮塞108的落座装置。如图示，连顶接箍38包括一外壳体118，其封闭内环元件120。内环元件120设有一内部起落肩122和一组搭扣124。刮塞108的头部112落在起落肩122上，从而可防止刮塞108进一步的向下运动。搭扣124依靠摩擦与头部112接合以阻止其偏离连顶接箍38。刮塞108落座在连顶接箍38内将封闭流孔26的下端，从而进一步阻断流体通过鞋轨40向外流动。
随着刮塞108的落入，流动26在表面被升压到第一压力级，该第一压力级足以静水闭合循环阀32内的保险片60断裂。如图6箭头126所示，一旦保险片60被破坏，则工作流体能够沿着流孔26流下并向外流入套筒24内。然后，工作流体可通过套筒24返回井筒10的表面。随着工作流体从流孔26内流入静水闭合循环阀32，其进而可流过侧室心轴30。在这一过程中，通过流体流动能够从系统20中清除水泥，更具体地说是从后续工艺要用于气升操作的侧室心轴30中清除水泥。
在完成了充分的清洗后，必须封闭静水闭合循环阀32的流体通道58。套筒24在井筒10的表面上闭合。此后，通过连续沿着流孔26向下泵送流体，可使在水泥100层位102上的流孔26和套筒24内的流体压力升高。承压流体的泵送应该持续直至达到一预定的压力级。该预定的压力级将剪断安全销66并使外套管62移动到图10B所示的闭合位置。然后为了完整，可对流孔26进行压力测试。如上所述，在外套管62的关闭出现故障时，通过移动工具73关闭内套管67。
图7显示了为了有助于烃从地层14中产生而在完并系统20的侧室心轴30内设置的附加的气升阀130。利用本领域一种公知的推动工具(未示出)在侧室心轴30的缸筒82内放置一个或多个气升阀130。同样，气升阀也是本领技术人员公知的，这种设备的变化在商业上也是可用的。因此对它们的结构和操作不再讨论。
由于先前已采取措施清除了完井系统20中多余的水泥或阻止了由水泥产生的堵塞，因此侧室心轴30的开孔86内实质上没有水泥，从而可将气升阀130置于侧室心轴30内。这些极大地减少气体从流孔26中通过的措施包括在侧室心轴30和填充导向件90的缸筒82内设置侧室塞。填充导向件90因包括位于导向件90之间的横向流体喷射通道97和间距99而具有促进紊流的特点。另外，在上述方式中，工作流体流过系统20将有助于在气升阀130插入之前从侧室心轴30和其它系统部件中清除多余的水泥。
气升阀130置于侧室心轴30内以后，通过系统20可从地层14中产生烃流体。流体从钻孔106中排出并进入钻了孔的生产井衬36。然后它们向上流到流孔26并进入管柱22。气升阀130以本领域公知的方式向液态烃注入轻质气体，从而有助于它们上升到井筒10的表面。
本发明的系统和方法能够将完井系统20固定在适于在后续人工提升操作中使用的井筒内适当的位置。后续工序中将容纳气升阀130的侧室心轴30(仅)在完井系统20进入井筒10的初始阶段成为其一部分。上述的从完井系统20中清除多余水泥的技术竟有效地排除水泥，因此能够有效地利用人工气升阀13G将产生的流体提升到井筒10的表面。
本领域的技术人员能够认识到可以对在此描述的典型设计和实施例作出许多改变和变化，本发明仅通过下述的权利要求和其任何等效的描述限定。