專利名稱：水泥貫穿側(cè)穴心軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使地下井完工的方法與設(shè)備。本發(fā)明尤其涉及側(cè)穴心軸(side pocket mandrel)工具的制造、操作及使用，該工具容納通過孔而流動的水泥，并在塞子被驅(qū)動而經(jīng)過心軸時增強處于側(cè)穴心軸之內(nèi)水泥頂塞(cement wiper plug)之后的井下工作流體的紊流。
背景技術(shù)：
側(cè)穴心軸專門用于沿著地下井內(nèi)的開采管柱(production tubingstring)而組裝的管道部分，以便開采流體例如原油和天然氣。這些專門用途的管道部分包括較短的圓筒(barrel)(側(cè)穴)，它們與主管道孔(main tubing bore)的軸線平行軸向?qū)R，但在橫向上偏移。這些側(cè)穴具有在管道部分內(nèi)部敞開的孔，并在巖心管內(nèi)部與心軸壁之間具有小孔。這些側(cè)穴構(gòu)成容器，用于容納流體流動控制裝置例如閥或特性測量器具。在使用閥的情況下，從管道流入井的環(huán)狀空間(annulus)的流體或流向相反的流體受到控制。
借助于鋼絲繩(wireline)懸吊構(gòu)造，閥元件可被放置在側(cè)穴中或從那里卸出，而不需要從井下卸掉管柱。對流動控制的這種優(yōu)選對于打井的管理者而言很有價值。
由側(cè)穴心軸促進的打井控制的另一個方面就是氣升(gas lifting)。有許多油層擁有大量含油流體，這些流體的內(nèi)部驅(qū)力不足以把天生的流體提升到地面上。由于油層深度的緣故，傳統(tǒng)的抽吸不是一個好辦法。在這些情況下，可借助于氣升方式抽取地層流體(the formationfluid)。
有許多氣升技術(shù)，但一般來說可壓縮的流體例如氮、二氧化碳或天然氣的外源是被壓縮在井的環(huán)狀空間里的，并選擇性地許可經(jīng)由側(cè)穴閥而進入開采管道孔。在管道孔之內(nèi)有差別地把氣流提升到地面上而形成的壓力，可被利用來與氣升一起吸出油流，或沿著具有液態(tài)石油柱處于塞子上方的管道孔驅(qū)動塞子。
當(dāng)井首次打開時，油層可能具有充足的內(nèi)部驅(qū)動能量以便進行在商業(yè)上而言足夠把地層流體流動到地面上的開采。然而，在油層的價值耗盡很久以前，內(nèi)部能量源最終可能被驅(qū)散。通過在實際需要進行氣升開采很久以前把側(cè)穴心軸置于開采管道中，開采經(jīng)驗就可以預(yù)料到此種開采發(fā)展情況。當(dāng)需要進行氣升時，只有開始氣升所要求的向下鉆進操作，是把氣升閥零部件的鋼絲繩放置到對應(yīng)的側(cè)穴中。當(dāng)與退出或返回井下幾英里的開采管道或盤卷管道的計劃(enterprise)相比時，放鋼絲繩的工序是最小的。
此種考慮在許多井孔還未去除套管而展露出來的情況下，更加勢在必行。極深或極長的水平井孔就是這種情況的例子。例如，長井孔可能要以最小長度的套管來完成。在套管下方，新打成的鉆孔依然未去除穿過地層開采面的套管。井的完工可以包括單程放置帶有跨接及水泥粘結(jié)閥的開采管道。開采管道與鉆孔壁之間的井的環(huán)狀空間，在開采區(qū)上方被以水泥粘結(jié)以便隔離。來自開采區(qū)的產(chǎn)品流，由于使開采管道穿孔及把水泥環(huán)面(cement annulus)包圍住而被開啟。
不幸的是，為了后續(xù)氣升而以側(cè)穴心軸進行的單程完工(completion)，先前還未成為可用的選項。把水泥漿向下送到開采管道孔，就會不合理地污染側(cè)穴心軸的曲徑。
所以，本發(fā)明的目的是提供一種側(cè)穴心軸，其可以在設(shè)置之前把水泥清除掉。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種單程完工的方法，其包括把可操作性用于后續(xù)氣升操作的側(cè)穴心軸預(yù)先定位。
本發(fā)明還有一個目的，就是提供一種設(shè)備，其用于擦洗側(cè)穴心軸流動孔的水泥或其他污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各個目的，是通過側(cè)穴心軸構(gòu)造而實現(xiàn)的，該構(gòu)造具有沿著內(nèi)管道的內(nèi)部導(dǎo)向及流動葉片結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)管道適應(yīng)于側(cè)穴閥零部件的物理對齊及間隙。導(dǎo)向和葉片結(jié)構(gòu)包括多個長的弧形扇區(qū)(arcsector)，它們在心軸內(nèi)部處于側(cè)穴留隙空間(clearance space)的側(cè)面。表面起伏、翻轉(zhuǎn)及從下部切入弧形扇區(qū)表面，激發(fā)流體成為紊流而從心軸內(nèi)部清洗殘余水泥。弧形扇區(qū)本體之內(nèi)的橫流噴射小孔則促進紊流的產(chǎn)生。
最好通過管道壁上的孔進行焊接而把弧形扇區(qū)固定在心軸壁上。這些弧形扇區(qū)像平行軌道一樣沿著工具清除通道(tool clearancechannel)相反的各側(cè)而對齊。工具清除通道提供閥零件和踢翻工具(kick-over tool)所要求的最小寬度，以便相對于側(cè)穴圓筒而放置及卸掉閥零件。
與本側(cè)穴心軸操作合作使用的是水泥頂塞，該塞子具有一對在縱向上分離的擦拭盤組。擦拭盤組的分離距離與心軸的長度成比例，從而，當(dāng)側(cè)穴的部分心軸橫著時，頂塞就由前擦拭盤組或后擦拭盤組之后的流體壓力所驅(qū)動。在兩個擦拭盤組之間，是一個定中心器，其在心軸橫著時，使連接著兩個擦拭盤組的軸保持軸向?qū)R。
驅(qū)動頂塞而把大批水泥從側(cè)穴心軸內(nèi)部推動的流體壓力，通常是輕而低速的流體例如水。當(dāng)塞子后面的流體流橫過心軸時，心軸之內(nèi)的紊流狀態(tài)就由于至關(guān)重要的流體流量而引起，該流體流量經(jīng)過弧形扇區(qū)表面輪廓上，并穿過橫跨弧形扇區(qū)寬度的噴射通道。在水泥被許可凝固(set)之前，此種紊流流動擦洗及沖洗殘余在心軸內(nèi)部的水泥。


為了徹底理解本發(fā)明，現(xiàn)在參照附圖對推薦實施例進行下述詳細說明，在附圖中，所有各張圖紙里同樣的附圖標記代表同樣或相似的零部件，以及圖1是代表本發(fā)明氣升用途的鉆孔的略圖；圖2的縱向剖視圖，顯示根據(jù)本發(fā)明原理而制造的側(cè)穴心軸；圖3是圖2所示者的橫向剖視圖，顯示沿著圖2中線段3-3看去的所述心軸；圖4是心軸導(dǎo)向部分的示圖；以及圖5是本發(fā)明的頂塞局部截視立面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的代表性環(huán)境顯示于圖1中，其中，開采管道10被用水泥環(huán)狀圈(cement annulus collar)粘結(jié)在敞開的井身(well bore)12中。水泥環(huán)狀圈14的長度延伸進入或貫穿有效開采區(qū)16。當(dāng)放置水泥并使其固定之后，就用化學(xué)方式或可爆炸形成的裂縫17在開采管道及環(huán)狀圈部分上打小孔，而所述裂縫則延伸進地層16中。這些裂縫17提供了從地層16原處到開采管道10的流動孔(flow bore)18的流體流動管道。
在水泥環(huán)狀圈14的上表面15的上方，沿著開采管道10，是符合本發(fā)明的一個或更多個側(cè)穴心軸20。從程序上來說，當(dāng)開采管道10被定位于敞開的鉆孔中時，已計量過的水泥被向下抽給開采管道的流動孔18。當(dāng)已計量過的水泥成直立液柱(fluid column)處于流動孔18中時，由水泥柱限定界限的管道系統(tǒng)的拖尾面或上部表面被頂塞50蓋住，如圖5所示那樣。頂塞被插入管道流動孔18中，該孔抵靠著拖尾水泥面15，同時，拖尾面處于地面或其附近，或者處于井源處。管柱被重新與工作流體流通系統(tǒng)連接，且水或其他井下工作流體被抽送到頂塞50之后，以便把水泥向下推動給流動孔18并朝上回到井身環(huán)狀空間。塞子座被頻繁地放置在管柱10的終端末端上以便與頂塞18接觸，并密封管柱10的底部末端。
所以，環(huán)圈上部表面15的確切位置可以確定得相當(dāng)準確。相似地，沿著管柱10的心軸20所要求的位置，也可以準確地確定。
在環(huán)面粘結(jié)期間，頂塞橫穿過每個心軸，使已進入心軸的大多數(shù)水泥位移。然而，殘余水泥留在孔隙空間(void space)中，該空間實質(zhì)上是用于插入及卸除側(cè)穴閥、塞子及器具的空間。如果允許這種殘余水泥在心軸之內(nèi)凝固，那么，心軸的用處就基本上被破壞了?，F(xiàn)有技術(shù)無能力清洗這種工作空間，致使不能按上述方式使用側(cè)穴心軸。然而，至于本發(fā)明，當(dāng)頂塞50之后的井下工作流體穿過本發(fā)明的每個心軸而流動時，在行進著的頂塞之后的工作流動，引起處于心軸之內(nèi)的紊流速度和流型，以便擦凈和沖洗每個心軸而去除殘余水泥。
參看圖2，管柱10中的每個側(cè)穴心軸20包括一對分別處于上末端和下末端處的管道組裝接頭22和24。組裝接頭的遠側(cè)末端是標稱管道直徑的，其延伸到地面上并為了連續(xù)的組件而制有螺紋。然而，截然不同的是，組裝接頭不對稱地模鍛為在有螺紋末端為標稱管道直徑的，到擴大的管道直徑的。例如，在焊接的組件中，上部與下部組裝接頭22與24帶有擴大直徑的末端，且在這些末端之間，是較大直徑的側(cè)穴管子26。相應(yīng)于組裝接頭22和24的軸線32，是與側(cè)穴軸線34相偏移并與其平行的(見圖3)。
在與管柱10主流動通道區(qū)域18相偏移的側(cè)穴管子26的剖面區(qū)域之內(nèi)，有一個閥套圓筒(valve housing cylinder)40。該圓筒40被穿過側(cè)穴管子26外壁的外孔42橫向穿透。在圖2或圖3中未顯示的還有一個閥零件或塞子零件，其由稱為“踢翻”工具的鋼絲繩操縱裝置放置在圓筒40中。為了使井身完工，側(cè)穴心軸通常都設(shè)置了處于圓筒40中的側(cè)穴塞子。此種塞子打斷穿過心軸內(nèi)部流動通道與外部環(huán)面之間的外孔42的流動，并掩護完工水泥(completion cement)的進入。當(dāng)所有完工工序都實現(xiàn)之后，可用鋼絲繩工具把塞子輕易退出，并用帶有流體控制件的鋼絲繩取代。
在心軸20上部末端處有一導(dǎo)向套筒27，其具有筒形凸輪外形，以便以專業(yè)人員熟知的方式為帶有閥圓筒40的踢翻工具定向。
在側(cè)穴圓筒40與組裝接頭22及24之間，設(shè)置了兩排填充導(dǎo)向區(qū)段。一般而言，這些填充導(dǎo)向區(qū)段形成為把側(cè)穴管子26的許多不必要的內(nèi)部體積填充掉，并因此消除水泥占據(jù)這些體積的機會。此外，填充導(dǎo)向區(qū)段35形成的大塊物體，防止水泥頂塞進入?yún)^(qū)段35所占據(jù)的空間，從而防止頂塞粘貼在此種空間中。同樣重要但不那么明顯的一點，是由于頂塞之后的工作流體流動在心軸空白之內(nèi)產(chǎn)生紊流流通而形成填充導(dǎo)向區(qū)段功能的。
與四分之一圓修整模塑相似，填充導(dǎo)向區(qū)段35具有圓筒狀弧形表面36及相交的平坦表面38和39。表面38之間相反面的分離，取決于閥零件插入及踢翻工具所要求的留隙空間。
表面平面39具有重要功能，即當(dāng)頂塞50橫過側(cè)穴管子26并把前導(dǎo)擦拭零件保持在主流動通道18之內(nèi)時，為所述頂塞提供橫向支承導(dǎo)向表面。
每個填充導(dǎo)向區(qū)段35均由一個或更多個填充物焊接點49固定在側(cè)穴管子26之內(nèi)。在側(cè)穴管子26的壁上，鉆穿或磨穿了小孔47，以便使焊工能在弧形表面36的面上操作。
在沿著每個填充導(dǎo)向區(qū)段的常規(guī)間隔位置上，鉆成橫向的噴射通道44，其與表面38及39相交。沿著表面平面38和39，也是在常規(guī)間隔的位置上，有一些缺口即翻轉(zhuǎn)部(upset)46。相鄰的各填充導(dǎo)向區(qū)段35最好由空間48分離開，以便在后續(xù)的加熱處理工序期間適應(yīng)于對制造期間的組件有影響的不同的擴充率。如果認為必要，此種空間48可設(shè)計成也激發(fā)流動紊流的。
與本發(fā)明的側(cè)穴心軸合用的頂塞50，大致顯示于圖5中。此頂塞與相似的現(xiàn)有技術(shù)裝置的明顯區(qū)別在于長度。塞子50的長度跟上部組裝接頭與下部組裝接頭22與24之間的距離有關(guān)聯(lián)。頂塞50具有前擦拭盤組與后擦拭盤組52與54。在前、后擦拭盤組之間，有彈簧定中心器56。
當(dāng)前擦拭盤組52進入側(cè)穴心軸20時，該擦拭盤組之后的流體加壓密封就喪失了，但填充導(dǎo)向表面39使前擦拭盤組52與管道流動孔軸線18成一直線。同時，后擦拭盤組54還處于側(cè)穴心軸20上方管道流動孔18的延續(xù)部分中。因此，阻抗后擦拭盤組54的壓力就繼續(xù)加載于塞子軸58。當(dāng)擦拭盤組54的壓縮力使頂塞前進而穿過心軸20時，彈簧定中心器56就使軸58的中部軸向?qū)R。當(dāng)后擦拭盤組54進入側(cè)穴心軸20中以便使驅(qū)動密封(drive seal)喪失時，前密封組52已經(jīng)再次進入心軸20下方的孔18中，并恢復(fù)驅(qū)動密封。因此，在后密封組54喪失驅(qū)動密封之前，前密封組52已經(jīng)固定了牽引密封(tractionseal)。
雖然已對詳細闡明的特定實施例做了說明，但應(yīng)當(dāng)明白的是，所做的說明僅僅是例示性的，且本發(fā)明并非必定局限于此，因為就此公開件而言，專業(yè)人員都清楚，還有可選用的實施例和操作技術(shù)。相應(yīng)地，只要不背離所做說明的宗旨及提出要求的本發(fā)明，預(yù)期就可做修改。
權(quán)利要求
1.一種使地下井完工的方法，包括如下步驟a.組裝具有至少一個側(cè)穴心軸的開采管柱；b.把上述管柱放置在井身之內(nèi)；c.使水泥經(jīng)由上述管柱及上述側(cè)穴心軸移入圍繞上述管柱的井身環(huán)狀空間里；以及d.用井下工作流體從上述側(cè)穴心軸之內(nèi)充分地去除殘余的水泥。
2.如權(quán)利要求1所述地下井完工方法，其特征在于上述殘余水泥是由井下工作流體充分去除的。
3.如權(quán)利要求2所述地下井完工方法，其特征在于上述井下工作流體使水泥頂塞位移而穿過上述心軸，以便去除上述心軸之內(nèi)的第一部分水泥。
4.如權(quán)利要求3所述地下井完工方法，其特征在于使上述頂塞位移的井下工作流體借助紊流把另外的水泥從上述心軸之內(nèi)沖洗掉。
5.一種側(cè)穴心軸，包括a.一軸向長管子，其遠側(cè)末端處以不對稱組裝接頭終止；b.沿著上述組裝接頭之間的上述管子內(nèi)體積的不對稱流通通道；c.上述內(nèi)體積之內(nèi)的筒狀孔套，其處于上述流動通道側(cè)面及上述組裝接頭之間，該筒狀孔套的長度小于上述管子內(nèi)體積長度的一半；d.通常為空著的工作空間通道，其處于上述內(nèi)體積之內(nèi)，從上述筒狀孔向最貼近的組裝接頭延伸；以及e.處于上述流通通道之外的上述內(nèi)體積的未經(jīng)要求部分，上述筒狀孔套和上述工作空間通道基本上由填充材料所占據(jù)。
6.如權(quán)利要求5所述的側(cè)穴心軸，其特征在于上述填充材料包括表面間斷面，其用于引起流體流動紊流。
7.如權(quán)利要求6所述的側(cè)穴心軸，其特征在于上述表面間斷面包括表面翻轉(zhuǎn)部。
8.如權(quán)利要求6所述的側(cè)穴心軸，其特征在于上述表面間斷面包括橫向噴射通道。
9.如權(quán)利要求5所述的側(cè)穴心軸，其特征在于上述填充材料包括多個獨立增量。
10.如權(quán)利要求9所述的側(cè)穴心軸，其特征在于每個上述獨立增量的填充材料由相鄰增量所分離。
11.如權(quán)利要求9所述的側(cè)穴心軸，其特征在于每個上述獨立增量填充材料被焊接在包圍著上述內(nèi)體積的管壁上。
12.如權(quán)利要求9所述的側(cè)穴心軸，其特征在于上述填充材料在上述工作空間通道的相反側(cè)部上基本上平行成排而對齊。
13.一種井下管道頂塞，包括a.固定在組件軸上的前孔擦拭器；b.在一個位置上固定在上述組件軸上的后孔擦拭器，該位置與上述后孔擦拭器分開一段距離，該距離基本上相當(dāng)于管子接頭的長度；以及c.孔的定中心器，在上述前孔擦拭器與后孔擦拭器之間固定在上述組件軸上。
14.如權(quán)利要求13所述的井下管道頂塞，其特征在于上述擦拭器包括連續(xù)的多個柔韌材料盤。
全文摘要
井下完工水泥可經(jīng)由側(cè)穴心軸抽送，該心軸包括平行的幾排填充區(qū)段，以便把水泥從側(cè)穴管子之內(nèi)的孔隙空間中排除。填充區(qū)段上鉆有橫向的流動噴射通道及表面翻轉(zhuǎn)部，以便由水泥頂塞之后的井下工作流體激發(fā)擦洗紊流。頂塞包括固定在一根長軸上的前擦拭盤組和后擦拭盤組。該兩個擦拭盤組分開一段距離，該距離允許前密封組在后擦拭盤組的推動密封喪失之前獲得牽引密封。彈簧定中心器跨居兩個擦拭盤組之間的軸的中央部分，以便當(dāng)塞子橫過心軸的長度時保持該軸的軸向?qū)R。
文檔編號E21B21/10GK1703566SQ200380100875
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月2日
發(fā)明者小J·H·霍爾特, W·R·查普曼, J·H·克里茨勒, J·L·奧塞爾伯恩, E·K·劉易斯 申請人:貝克休斯公司