專利名稱：旋轉(zhuǎn)套管裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及套管水泥灌漿過程中轉(zhuǎn)動井眼套管的裝置。
在套管水泥灌漿過程中，所遇到的主要問題是怎樣在套管、井眼和環(huán)狀空間中的水泥間提供較好的水泥膠結(jié)，以便克服各區(qū)域間水分遷移的問題，這些問題有時叫做微孔道效應(yīng)。
曾試圖采用多種方法來增強(qiáng)水泥膠結(jié)。例如，有時使用水泥壓擠、封隔器層間隔離和渦輪器。這些方法都比較昂貴復(fù)雜，且不總是有效。
為增強(qiáng)井眼的水泥膠結(jié)，一般慣例是轉(zhuǎn)動淺井(約到1000米)中的套管。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該方法能顯著增強(qiáng)套管和水泥間的膠結(jié)，由此減小了沿套管柱產(chǎn)生微孔道效應(yīng)的機(jī)會。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在較淺深度轉(zhuǎn)動很有效，但由于產(chǎn)生高扭矩，在較深的井眼中，或者在井眼橋堵部分，從地表旋轉(zhuǎn)套管就不再可行。
本發(fā)明的一種裝置和方法用來轉(zhuǎn)動目的層段中的套管部件，而不需要從地面旋轉(zhuǎn)套管柱。這種轉(zhuǎn)動增進(jìn)了水泥膠結(jié)過程。該裝置能使套管在例如井眼較深部分的目的層段內(nèi)轉(zhuǎn)動，而以前套管在這些部分轉(zhuǎn)動較為困難，因此該裝置非常有用。該裝置對于在井眼橋堵部分中旋轉(zhuǎn)也十分有用。最好通過使例如為泥漿或水泥的井眼流體流過目的套管部件中的葉片來旋轉(zhuǎn)套管部件。
因此依照本發(fā)明的主要方面，本發(fā)明提供用于連接到套管柱的裝置，它包括通過軸承裝置與套管柱連接的套管部件，能允許套管部件相對于套管柱轉(zhuǎn)動的所述軸承裝置，以及使套管部件相對于套管柱轉(zhuǎn)動的設(shè)備。
用于旋轉(zhuǎn)套管部件的設(shè)備可以是在套管部件上構(gòu)成的多個葉片，這些葉片被安置在由井液流經(jīng)所述葉片的運動而引起套管部件轉(zhuǎn)動的位置。葉片最好在套管部件內(nèi)部形成。為使葉片能被拆卸，需要在其下方留有拆卸備用空間，葉片可由易鉆孔的材料制成，例如鋁或玻璃纖維。
依照本發(fā)明的另一方面，提供一種向目的層段套管部件內(nèi)注水泥的方法，它包括提供連接有套管部件的套管柱，套管柱伸過該目的層段；套管部件和套管柱各有內(nèi)孔，套管部件的內(nèi)孔與套管柱的內(nèi)孔相通；將水泥通過套管柱和套管部件的內(nèi)孔泵入，同時以比套管柱轉(zhuǎn)動速度高的轉(zhuǎn)動速度旋轉(zhuǎn)套管部件。
依照本發(fā)明的另一方面，提供一種旋轉(zhuǎn)套管部件的方法，其套管轉(zhuǎn)動速度不同于該套管部件所連接套管柱的任何轉(zhuǎn)動速度，該方法包括提供套管柱和通過軸承裝置與套管柱相接的套管部件，軸承裝置允許套管部件相對于套管柱轉(zhuǎn)動，以及相對于套管柱旋轉(zhuǎn)套管部件的設(shè)備；啟動轉(zhuǎn)動設(shè)備以便驅(qū)動套管部件在軸承上相對于套管柱轉(zhuǎn)動。
下面參照說明本發(fā)明一個實施例的附圖對上面所簡述的發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)描述。這些附圖僅描述了本發(fā)明一個典型實施例，因此不應(yīng)認(rèn)為是對本發(fā)明范圍的限制。在這些附圖中

圖1是包含本發(fā)明的裝置的井眼內(nèi)套管柱的斷面圖。
圖2是橫穿本發(fā)明所用葉片級的斷面圖。葉片級安裝在支撐在套管部件內(nèi)的襯套中。
根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)套管裝置能實施任意深度的套管轉(zhuǎn)動。僅選定的套管部分被轉(zhuǎn)動，而不需要由地面轉(zhuǎn)動來引起所選套管部分的轉(zhuǎn)動。被轉(zhuǎn)動的選定部分通常是穿越生產(chǎn)層的部分。該方法與其它方法相比非常經(jīng)濟(jì)，它不需要任何附加鉆井時間或地面設(shè)備。通過將流體泵過安裝在選定套管部分內(nèi)的葉片來驅(qū)動套管轉(zhuǎn)動。
在圖1所示的一個實施例中，該裝置包括具有一系列內(nèi)部葉片12的套管部件10和軸承組14。該裝置與套管柱20相接。套管柱20可包括標(biāo)準(zhǔn)部件，例如，這些標(biāo)準(zhǔn)部件包括位于套管柱下端的套管鞋22和位于葉片和軸承組之間的浮箍23。在圖示的實施例中，套管鞋22直接與套管部件10底部相接，浮箍23直接安裝到葉片12上方。然而，在其它實施例中，標(biāo)準(zhǔn)套管部件可連接到套管部件10下方，套管鞋與標(biāo)準(zhǔn)套管相接。軸承組14允許套管部件10和其下方的柱(如果有的話)圍繞其長軸10x相對于套管部件上方的套管柱20轉(zhuǎn)動。
在一些實施例中，可在葉片下方安裝一個下部軸承組，這樣軸承間的套管部件能相對于其上方和下方的套管柱轉(zhuǎn)動。然而，在該做法中必需考慮避免較低軸承下方的浮箍松脫。
軸承組14必需能夠承載套管部件10和套管部件下方任何其它部件的重量。軸承組也必需被密封，以防止套管內(nèi)部與其周圍的環(huán)狀空間之間發(fā)生泄漏。這就防止了由包括泥漿和水泥的井液帶來的對軸承造成的污染和損害。還必需選擇軸承組，使其達(dá)到或超過與其一起使用套管的崩裂壓力、抗張?zhí)匦院蛿D毀額定載荷?？梢岳斫獾氖?，軸承組的最小內(nèi)徑(ID)應(yīng)不小于套管最小內(nèi)徑(ID)，軸承組外徑(OD)應(yīng)選擇為小于井眼直徑。軸承組例如可以是由O形圈密封在軸承蓋內(nèi)的滾球軸承座圈。
能以任何可行方式連接軸承組，例如，通過標(biāo)準(zhǔn)套管柱20末端和套管部件10之間的焊接或螺紋連接?？梢岳斫獾氖?，所有的連接在井下壓力下必需是液密的。通過焊接而不是螺紋方式將套管鞋22連接到套管部件10上，以避免這些部件在轉(zhuǎn)動過程中松脫。
套管部件10由一節(jié)或多節(jié)套管構(gòu)成。在大多數(shù)實施例中，對于標(biāo)準(zhǔn)井眼，套管部件10由二到十節(jié)套管構(gòu)成。套管部件10必需選擇為液密連接，并達(dá)到或超過套管柱的崩裂壓力。最好，利用與構(gòu)成套管柱剩余部分的浮箍相似或相同的套管節(jié)構(gòu)成套管部件10。這保證了所用套管在外徑、長度、螺紋和額定壓力上與其它套管的一致性。
在套管部件10周圍可安置找中器24，以保證套管外徑和井眼壁之間的適當(dāng)間隔。當(dāng)然，找中器能允許套管相對于找中器和/或井眼壁轉(zhuǎn)動。
同時參照圖2，內(nèi)部葉片12的形狀和/或位置使得當(dāng)流體被泵過葉片時能驅(qū)動套管在軸承組14上旋轉(zhuǎn)?？梢岳斫獾氖?，為了提供該驅(qū)動力，葉片12可具有標(biāo)準(zhǔn)渦輪結(jié)構(gòu)和定位。在一個實施例中，可將葉片分級安裝，每級25具有四個葉片。
在優(yōu)選實施例中，為便于裝配，可通過銑削或塑模加工在襯套26上形成葉片。選擇襯套，使其具有僅略小于套管部件內(nèi)徑的外徑，以便襯套緊密配合到套管部件的內(nèi)腔內(nèi)。襯套26的外表面包括縱向延伸的鍵槽27，該鍵槽27用于容納例如通過焊接安裝到套管部件10內(nèi)表面的鍵28。一旦將襯套26安裝到套管部件內(nèi)并使鍵28位于鍵槽27中，襯套就不會在套管部件內(nèi)旋轉(zhuǎn)。最好，每個襯套容納一級葉片，并具有為使相鄰襯套相互鎖定而形成的邊緣。因此，在套管部件內(nèi)部能串聯(lián)安裝任意數(shù)目的襯套26。最低的襯套位于一個凸起擋塊29上，后者例如為安裝或形成在套管部件的內(nèi)表面上的套環(huán)或止動環(huán)。
葉片用來驅(qū)動套管部件向左轉(zhuǎn)動，如箭頭A所示。之所以使用左旋，是因為，如軸承組失靈，套管柱不會松脫和解體。
在一種優(yōu)選實施例中，由易鉆孔的材料制成葉片12和襯套26，以便于從套管柱拆卸下來，這些材料例如為鋁或玻璃纖維。
根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)套管裝置用于增強(qiáng)井眼的水泥膠結(jié)。例如，旋轉(zhuǎn)套管會增強(qiáng)水泥流動，增強(qiáng)環(huán)形空間中巖屑的清除，并減少微孔道效應(yīng)。如上所述，將根據(jù)本發(fā)明的裝置接入套管柱20并安裝定位，使得該裝置進(jìn)入井眼30時伸到目的層段32。尤其是，軸承組14最好設(shè)置在目的層段32上方，套管部件10要足夠長以便能延伸到目的層段下方。為減少鉆出葉片的需要，最好將套管部件連同葉片12安裝在目的層段下方。將水泥按箭頭B所指方向泵過套管柱20和套管部件10，再經(jīng)過浮箍23和葉片12后進(jìn)入套管鞋22。當(dāng)水泥經(jīng)過葉片12時，葉片結(jié)構(gòu)驅(qū)動套管部件10在軸承組14中轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動圍繞套管部件10的長軸10x發(fā)生在軸承組14下方。套管柱20可以是靜止或轉(zhuǎn)動的。然而，由葉片12產(chǎn)生的驅(qū)動足夠使部件10具有不同于、通常為大于軸承組14上方套管柱的任意轉(zhuǎn)動速度的轉(zhuǎn)動速度。
為確定轉(zhuǎn)動所用某一套管部件所需的葉片數(shù)目，首先需要確定旋轉(zhuǎn)套管部件所需扭矩的英尺磅值。從井眼信息能確定該參數(shù)。然后，考慮到所用流體的速度、密度和粘度，就能確定流體流經(jīng)一個葉片或一級葉片所產(chǎn)生的扭矩。然后利用該信息確定達(dá)到或超過旋轉(zhuǎn)套管部件10所需扭矩所需要的葉片數(shù)或級數(shù)。
一旦導(dǎo)入水泥，頂塞(未示出)就被壓過套管柱而座落到浮箍23內(nèi)。當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)水泥灌漿操作過程中，所述頂塞將水泥從位于浮箍上方的套管柱中排出。
如果需要的話，一旦水泥凝固，它可鉆出套管部件的內(nèi)孔。葉片12和襯套26由易鉆孔的材料制成，例如鋁或玻璃纖維，以便能進(jìn)行拆卸。套管部件10和軸承組14可以留在井下，這不會影響井的生產(chǎn)。
上述對套管部件的描述盡管是針對在井眼水泥灌漿操作過程中的使用的，該套管部件還可用于在套管下井過程中穿過井眼跨接部分的作業(yè)管。通過將泥漿泵出套管部件而引起轉(zhuǎn)動。在這樣的步驟中鍬形套管鞋是很有用的。
顯而易見的是，可對該說明性實施例作出其它變化，這些變化都落在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這意味著這些變化都為本發(fā)明所附權(quán)利要求所覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種與套管柱相接的裝置，它包括通過軸承裝置與套管柱相接的套管部件，允許套管部件相對于套管柱轉(zhuǎn)動的軸承裝置，以及使套管部件相對于套管柱轉(zhuǎn)動的設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中旋轉(zhuǎn)套管部件的設(shè)備是在套管部件上形成的多個葉片，其定位能通過流經(jīng)葉片的流體運動引起套管部件的轉(zhuǎn)動。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中葉片安裝在套管部件內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中葉片由易鉆孔的材料制成。
5.一種在目的層段的套管部件內(nèi)進(jìn)行水泥灌漿的方法，它包括提供連接有套管部件的套管柱，該套管柱穿過目的層段，套管部件和套管柱各具有內(nèi)孔，套管部件的內(nèi)孔與套管柱的內(nèi)孔相通；將水泥從套管柱和套管部件的內(nèi)孔中泵入，同時使套管部件以比套管柱轉(zhuǎn)動速度高的轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)動。
6.一種使套管部件以不同于套管柱任意轉(zhuǎn)動速度的速度轉(zhuǎn)動的方法，其中套管部件連接在該套管柱上，該方法包括提供一個套管柱和通過軸承裝置與套管柱相接的套管部件，允許套管部件相對于套管柱轉(zhuǎn)動的所述軸承裝置，以及使套管部件相對于套管柱轉(zhuǎn)動的設(shè)備；啟動所述轉(zhuǎn)動設(shè)備，以驅(qū)動套管部件在軸承裝置上相對于套管柱轉(zhuǎn)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，該方法用于在井眼的橋堵部分中轉(zhuǎn)動。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，該方法用于井眼水泥灌漿操作過程中在通過套管環(huán)狀空間的水泥中產(chǎn)生渦流。
全文摘要
在淺井(約到1000米)中旋轉(zhuǎn)套管為通用做法。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在套管和水泥、井眼壁和水泥之間顯著增加膠結(jié)可以減少沿環(huán)狀空間產(chǎn)生微孔道效應(yīng)的機(jī)會。在此公開的旋轉(zhuǎn)套管裝置和方法能在任何深度旋轉(zhuǎn)套管。僅轉(zhuǎn)動下部。該下部通常是穿越生產(chǎn)層的部分。該方法與其它方法相比是非常經(jīng)濟(jì)的,它不需要額外的鉆井時間或地面設(shè)備。被泵過套管并流過套管中葉片的流體的能量驅(qū)動套管轉(zhuǎn)動。
文檔編號E21B33/13GK1388302SQ0112081
公開日2003年1月1日 申請日期2001年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月29日
發(fā)明者伯納德·卡伯特 申請人:Cgi井下方案公司