CN87105805A - 井套多段注浆的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及为保证钻孔注浆的充分置换在第二阶段注浆中可以使上套管柱独立于下套管柱转动的一种钻孔多段注浆方法和装置。这种装置可方便地装到普通的套管柱上，再把上、下套管柱连接起来。该装置包括分别固定在上、下套管柱上的上、下衬套部分，两衬套部分伸缩式连接，因此上衬套部分可相对于下衬套管部分位移。两衬套部分均有花键，啮合时可使完整的套管柱转动，而脱开时则使上套管柱独立于下套管柱转动。

Description

本发明涉及钻孔中井套的多段注浆的方法和装置。特别是，本发明所涉及的井套多段注浆方法和装置使得上套管柱在注浆的第二阶段中能够而独立于下套管柱转动从而保证钻孔中任何液体的充分位移。

在各种油井开采操作中，当钻孔已达几千英尺深时，一个钢套管就被放置于井中以隔出一个生产所需的地质建造或层组。该套管粘结在那儿以防止松散的地质建造坍落以及防止不同的地质建造的流质互相混合。此外，套管还用于防止地质建造流质进入钻孔。不管放置钢管的原因是什么，除非在套管外面的钻屑流质完全由凝固的无孔的混合物（例如水泥）所置换，钻孔就不能适当地隔离开来。在此注浆过程中，水泥注浆通过套管柱被压下钻孔，然后再从套管柱外面被压上来，从而用水泥注浆置换套管柱外面的泥浆使得套管的外围粘结到钻孔壁上。一个成功的注浆工作应当是使所有的钻孔泥浆都被水泥所取代并且使水泥在流质侵入其中之前就凝固成一个保护壳。由于钻孔很深，所以用水泥沿井套的全长置换所有的泥土是所有油井开采工作中最为困难的工作之一。如果不能获得充分的注浆，未被置换的钻孔泥浆仍可能通过孔道垂直迁移。

此外，在套管柱比较长的情况下，很难将水泥注浆一次性置于套管四周，因为注浆的流体密度大于钻孔泥浆的流体密度，从而很难通过套管把注浆压下几千英尺深然后再由压上几千英尺到钻孔口。为了 克服这一局限，已采用了两段注浆阀。这种阀首先使水泥注浆能被压下整个套管柱并压上钻孔到达恰低于该阀的一个中间位置。在打开阀以后，套管柱中低于该阀的注浆的流道就被关闭了，而注浆就在该阀所在位置以上流动。这时，注浆只需被压下套管的大约一半的长度，然后通过阀孔进入钻孔的环形缝隙再压上钻孔的上部直至地面。

虽然这种两段注浆方法简化了把注浆压入比较长的套管柱的工程，如果没有套管柱的转动或上下移动，钻屑泥浆仍不能被完全置换。而当钻孔不是完全垂直的或是笔直的或是其几何形状是椭圆形的或是偏心圆时，情况尤其是这样，在注浆过程中套管柱的转动或是上下移动是为了借助于井套柱和泥浆之间的摩擦而从钻孔的底部将泥浆清除出去使得钻孔中的泥浆能够被水泥置换。在钻孔比较浅从而只需一段注浆的情况下，整个套管柱将转动直至沿整个套管柱的全部钻屑泥浆都被置换。

整个套管柱转动或是上下移动也用在了两段注浆过程中。当第一段的注浆被压入套管并进入钻孔的下部时，套管柱转动以确保在第一段中的全部泥浆都被置换。可是，一旦这第一段注浆凝固了，高于多段注浆阀的套管上部就不能够在第二段注浆过程中转动了。这就导致在水泥上部中的钻屑泥浆的不能被完全置换。

本发明提供了一种多段注浆的方法和装置，从而克服了已知的用于套管柱多段注浆装置所存在的缺陷。依照本发明，第二段注浆时上套管柱能够独立于下套管柱转动，从而保证了全部钻屑泥浆的置换。

本发明中的装置包括一个接管机构。该机构置于中间注浆阀附近连接在上、下套管柱之间，以使在第一段注浆时整个套管柱都能转动而在第二段或最后一段注浆时高于多段注浆阀的套管的上部能够转动。该接管机构有一个上衬套部分和一个下衬套部分，他们伸缩式安装在一起，使得上衬套部分可以相对于下衬套部分垂直移动。在推荐实施例中，两个衬套部分都有可啮合的花键，当他们互相啮合时能使整个套管柱转动，但因上套管柱相对于下套柱移动，也能使其脱开。当花键处于脱开状态时，上衬套部分和上套管可独立于下衬套部分和下套管自由转动。并且，由于花键可以自由啮合，整个套管可以向两个方向转动，而且花键脱开后甚至可以重新啮合。

本发明除了能使上、下套管柱独立转动之外，本发明的装置可以在标准套管柱中，置于沿该套管柱的任何一个位置。这样，只要使用具有不同摩擦接合或长度的花键就可完成多段注浆。此外，由于本发明的机构只用于控制在不同阶段时的转动，该机构可根据不同的特征要求而置于套管柱中。然而，为了降低设备的造价，该接管机构可与多段注浆阀联接而合为一个部件。

依据本发明的方法使用了前述装置以使得上、下套管柱可以独立转动从而确保了所有钻屑泥浆都被置换。使用这种方法时，钻孔处于正常的状态，套管被置入钻孔中，接管机构则被安装在套管分段注浆处的紧上面。当注浆通过套管被压入孔底时，整个套管柱转动以获得所需的置换。一旦预定量的注浆被压入套管后，将一个阀塞塞入井套，并将它压到套管底部。然后，将一个开阀弹放入套管以开启恰置于接管机构之下的两段注浆阀。一旦中间阀孔开启了，就开始第一段注浆作业。当过了足够的时间以后，上套管向下移动从而使接管机构中的花键脱离啮合状态。于是当上套管柱单独转动时，第二段的注浆经上套管进行置换。当第二段的注浆完成置换后，投入一个关闭栓塞，于是中间阀孔就被关闭。当注浆的置换完成后，可将在套管柱中的各个栓塞钻出，使钻孔畅通。

因此，本发明提供了一种简便的整个套管注浆的装置和方法，能够保证钻屑泥浆被完全置换。

本发明的其他目的，特征和优点将参照附图予以说明。

参照下述对于本发明的推荐实施例的详细叙述并参照附图，可以更好地理解本发明。所有附图使用统一的零部件标号。

图1是依据本发明的装置的部件分解透视图。

图2是依据本发明的装置在啮合状态下的部分剖面侧视图。

图3是依据本发明的装置在脱离啮合状态下的部分剖面侧视图。

图4是沿图2中4-4线的剖面图。

图5至图9是地下钻孔其剖面的示意图，它们也表示了依据本发明的方法和装置。

首先参看图1至图4，其中示出了体现本发明的接管装置10，它与串式联接的套管柱12相连。整个套管柱12包括由接管装置10相互连接的上套管柱14和下套管柱16。接管装置10包括用于有选择地将转动扭矩从上套管柱14传递到下套管柱16的装置，上、下套管柱可脱开，使上套管柱14可以在保持各套管柱相连的情况下，独立于下套管柱转动。

接管装置10一般包括管状下衬套部分18和管状上衬套部分20。下衬套部分18靠配合螺纹22可拆卸地固定在下套管柱16上。类似地，上衬套部分20靠螺纹24可拆卸地固定在上套管柱14上。当然，接管装置10也可以任何已知的方式与套管柱12串联，或与用于水泥注浆作业的其它工具组合。此外，上衬套部分20还包括上衬套心轴26和上衬套套筒28，以便组装接管装置10。心轴26和套筒28相互固定连接并包括密封装置30，密封装置30防止流体从上衬套部分20所包括这些部件之间流过。

如图2和图3所示，下衬套部分18可伸缩地装入上衬套部分20（更具体地说，即上衬套套筒28）。这样，上衬套部分20可相对于下衬套部分18移动，因此，上套管柱14可相对于下套管柱12从图2中所示位置纵向移动到图3中所示位置。而且，上衬套心轴26的32一端作为下衬套部分18的支撑面，限制上衬套部分20相对于下衬套部分18的向下移动。相反，下衬套部分18和上衬套套筒28分别包括支撑肩34和36，以限制上套管14相对于下套管12向上移动。因此，接管装置10的部件的纵向相对移动距离是固定的，这防止了在没有拆卸接管装置10的情况下，上套管柱14同下套管柱12分离。

参见图1和图4，其中示出了用于有选择地将转动扭矩从上衬套部分20传递到下衬套部分18，以使上套管柱14可独立于下套管12转动的装置。在本发明的一个优选实施例中，这一装置包括上衬套部分和下衬套部分上的啮合花键40。这些花键40最好包括下衬套部分18上的一对花键42和上衬套部分20上的一对花键44。这些花键形成对应的纵向槽46，槽46容纳接管装置10的配合部件的花键。如图所示，这些花键的宽度是任意的，只要对应的槽46精密地与配合花键的宽度相符，以使旋转运动的损失减至最小。但在优选实施例中，花键42的宽度实际上小于上衬套部分20的花键44的宽度，这是为了降低生产成本。为得到类似结果，可采用任何数目的花键，或改变沿套管柱12的各段设置的各组接管部件的摩擦啮合。此外，可改变花键的长度，以便在花键脱开之前有更大的纵向移动。

接管装置10的装配容许上衬套部分20相对于下衬套部分18纵向移动。在把密封件30和38放入其固定槽48中之后，将下衬套部分18装入上衬套套筒28中，以使花键42嵌入槽46。此时，可将心轴26放入套筒28的端部，并旋转心轴26，使各部件的螺纹接合，从而装配好上衬套部分20。此时，下衬套部分18的加大了直径的部分50位于心轴26的端部32和套筒28的支撑肩30之间。接管装置10此时可与套管柱12相连，以进行套管柱12的多段注浆工作。

参见图5至图9，其中示出了设置在整个套管柱12中的接管装置10。图中套管柱12装在通入地下探查可能的油气储量的钻孔52中。套管柱12大致延伸到钻孔52的底54。套管柱12包括许多在钻井作业中起特殊作用的相连的部件。但在此仅结合使用本发明的方法所必需的部件说明本发明的方法。套管柱12包括中间阀56，它带有可有选择地开、闭的横向孔58。阀56最好设置在紧靠接管装置10下面。阀56与接管装置10（具体地说，即与下衬套部分18）为一体。这样，阀56将随下衬套部分18一道旋转，同时还大大减少了这种装置的生产成本。

如图5所示，包括接管装置10和阀56的整个套管柱12一旦下到钻孔52中，即可开始多段注浆工序。随着整个套管柱12的旋转，第一段水泥60通过套管柱12的内部62移动，并在钻孔52底部54从套管柱12端部出来。套管柱12端部开有底流孔64，可使水泥注浆60进入钻孔52。在连续的表面压力下，水泥注浆60将在套管柱12的外部沿钻孔52向上回流，如图6所示。紧随水泥注浆60，放入第一个栓塞60，以保证恒定流动，它起刮刀的作用，迫使全部水泥注浆60沿套管柱12的内部62向下。反压力连续作用在栓塞66上，直至栓塞66到达浮箍68。浮箍68包括收缩隔板70，隔板70容纳栓塞66，以封闭通过套管柱12的液体流。由于可预先确定第一段注浆所需的水泥60的体积，因此当栓塞66到达浮箍68的隔板70时，套管柱12外部的水泥柱60的高度将恰好到达阀56的横向孔58下面，如图7所示。这样，随着整个套管柱12的旋转，第一段水泥注浆60合适地被压出，保证钻探泥浆的合适压出和胶结。

仍参见图7，第二个栓塞即“炸弹”72落入套管柱12中，以开启中间阀56的横向孔58。栓塞72的力使覆盖孔58的密封环74向下移动，从而使液体可通过该孔流过。在第一段水泥注浆60合适地压出且孔58开启的情况下，水泥注浆60在开始第二段注浆工作之前至少可初步凝固。

在使水泥注浆60部分凝固之后，向下移动上套管柱14，以使接管装置10的花键40脱开。在优选实施例中，需纵向移动上套管柱14约18英寸，以使接管装置10的配合花键40脱开。但所需的移动量将取决于花键40的长度。花键脱开时，上套管柱14可独立于下套管柱16转动和/或往复移动。在旋转和/或往复移动上套管柱16的同时，第二段水泥注浆80通过上套管柱16的内部62移动，如图7所示。

参见图8和图9，第二段水泥注浆80沿套管柱内部62向下时，它会通过横向孔58流入钻孔52。由于第一段水泥注浆60已在紧靠阀56下面凝固，所以当水泥注浆80流出孔58时，它被迫在上套管柱14外部沿钻孔52向上回流，如图8所示。与第一段同样，第二段水泥注浆80后跟有第三个栓塞，即封闭栓塞82，栓塞82保证水泥的充分置换。封闭栓塞到达阀56时，它与内套筒84配合并使其向下，再次封闭横向孔58，如图9所示。由于可预先确定所需要的水泥注浆80的体积，在第二段注浆完成后，套管柱外的水泥柱的高度将延伸至地面。在此第二段作业期间，上套管柱14连续旋转和/或往复移动，以保证水泥注浆80的充分置换。

因此，本发明的方法和装置可进行套管柱的多段注浆工作，同时可使上套管柱在第二段注浆期间独立地旋转和/或往复移动。虽对本发明的方法的说明仅是结合使用一个接管装置的两段注浆工作做出的，但可以采用任何数目的接管装置进行多段注浆工作。此外，因为大部分水泥已被压入套管柱之外的钻孔内，所以本说明书所述的方法有效地简化了其后的从孔中钻出水泥的工作。因此，本发明降低了套管柱注浆工作的成本，同时为套管柱提供了很好的隔离。有效地隔离了探井中的地质层系。

以上详细说明仅用于清楚地理解本发明，而没有任何不必要的限制，因为熟悉本领域技术的人显然可在不脱离权利要求书的范围和实质的情况下做出某些改型。

Claims (12)

1、送入钻孔中并通过套管的多段水泥注浆固定在钻孔中的套管柱串式联接的接管装置，该接管装置具有：

一个可装卸地固定在下套管柱上的管状下衬套部分；

一个可装卸地固定在上套管柱上的管状上衬套部分，该上衬套部分伸缩式地与该下衬套部分接合，因此该上套管柱可以相对于该下套管柱做纵向位移；以及

有选择地把转动扭矩从该上衬套部分传递到该下衬套部分的装置，其中该上套管柱可有选择地独立于该下套管柱转动。

2、权利要求1所限定的装置，其特征在于：该有选择地传递转动扭矩的装置具有啮合花键装置。

3、权利要求2所限定的装置，其特征在于：该花键装置包括至少一个在该上衬套部分形成的花键和至少一个在该下衬套部分形成的花键，该花键可有选择地啮合，以便把转动扭矩从该上衬套部分传递到该下衬套部分。

4、权利要求1所限定的装置，其特征在于：该上衬套部分包括一个可装卸地固定在一个上衬套心轴上的上衬套套筒;该心轴可装卸地固定在该上套管柱上。

5、权利要求4所限定的装置，其特征在于：该下衬套部分伸缩式地安装在该上衬套部分的该上衬套套筒内。

6、送入钻孔中并通过套管的多段水泥注浆固定在钻孔中的套管柱串式联接的接管装置，该装置具有：

一个可装卸地固定在一个下套管柱上的管状下衬套部分;

一个可装卸地固定在一个上套管柱上的管状上衬套部分;该上衬套部分包括一个可装卸地固定在一个上衬套心轴上的上衬套套筒;

该下衬套部分伸缩式地安装在该上衬套套筒中，因此该上套管柱可以相对于该下套管柱做纵向位移，该心轴限制该纵向位移;以及

有选择地把转动扭矩从该上衬套部分传递到该下衬套部分的花键装置，其中该上套管柱可以有选择地独立于该下套管柱转动。

7、权利要求6所限定的装置，其特征在于：该花键装置具有分别在该下衬套部分和该上衬套部分上形成的至少一个可啮合的花键。

8、权利要求7所限定的装置，其特征在于：该下衬套部分包括具有至少一个在该下衬套部分的壁上形成的横向孔的阀装置，该阀装置可有选择地使该孔贯通。

9、套管柱在钻孔内多段水泥注浆的方法，该方法包括以下步骤：

把一个完整的套管柱送入钻孔，该套管柱有中间阀装置，该中间阀装置带有能够有选择地被打开和闭合的横向孔，该完整的套管柱包括一个上套管柱和一个下套管柱，这两个套管柱由可有选择地把转动扭矩从该上套管柱传递到该下套管柱的装置连接起来;

转动该完整的套管柱，此时水泥注浆通过完整的套管柱内部，通过套管柱的底流孔，并且在完整的套管柱外沿钻孔向上回到紧靠该中间阀装置之下的高度;

把第一个栓塞装置放入该完整的套管柱中，直到该第一个栓塞装置封闭住该底流孔;

把第二个栓塞装置放入该完整的套管柱中，以便切断在该阀装置之下的循环，并打开该横向孔，以及

脱开该转动扭矩传递装置，从而使该上套管柱独立于该下套管柱转动，此时水泥注浆通过该上套管柱的内部，通过该横向孔，并在该上套管柱外沿钻孔向上回到地面。

10、权利要求9所限定的方法，其特征在于：还包括一个在该上套管柱中放入第三个栓塞装置的步骤，以便封闭住该阀装置的该横向孔。

11、权利要求9所限定的方法，其特征在于：该转动扭矩传递装置具有一个接管装置，该接管装置包括一个可装卸地固定在该上套管柱上的上衬套部分和一个可装卸地固定在该下套管柱上的下衬套部分，该上、下衬套部分具有可啮合的花键，以便有选择地把转动扭矩从该上衬套部分传递到该下衬套部分。

12、套管柱在钻孔内多段水泥注浆的方法，该方法包括以下步骤：

把一个完整的套管柱送入钻孔，该套管柱具有中间阀装置，该中间阀装置具有能够被有选择地打开和闭合的横向孔，该完整的套管柱包括被一个接管装置连接起来的一个上套管柱和一个下套管柱，该接管装置具有一个可装卸地固定在该上套管柱上的上衬套管部分和一个可装卸地固定在该下套管部分的下衬套部分，该上、下衬套部分具有可啮合的花键，以便有选择地把转动扭矩从该上套管柱传递到该下套管柱。

使该接管装置的该花键接合，转动该完整的套管柱，此时使水泥注浆通过该完整的套管柱的内部，通过该套管柱的底流孔，并且在该套管柱之外沿钻孔向上回到紧靠该中间阀装置之下的高度;

把栓塞装置放入该完整的套管柱以封闭住该底流孔，切断在该阀装置之下的循环，并且打开该横向孔;以及

脱开该上衬套部分和该下衬套部分的啮合花键，从而使该上套管柱独立于该下套管柱转动，此时使水泥注浆通过该上套管柱的内部，通过该横向孔，并且在该套管柱之外沿钻孔向上回到地面。

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