專利名稱：在母井的節(jié)點處建立分支井的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明享有兩個申請的優(yōu)先權(quán)，一個是申請日為1996年3月11日的第60/013,227號申請，另一個是申請日為1996年8月27日的第60/025,033號申請，有關(guān)內(nèi)容作為參考使用。
本發(fā)明涉及鉆井領(lǐng)域，特別涉及在一個含烴井中建立分支井的領(lǐng)域。更確切地說，本發(fā)明涉及在井眼同一井深處，稱作節(jié)點，建立多分支井。
多分支井通常從某一深處開鉆，特別是在從海洋鉆井平臺鉆井時，為彌補(bǔ)海洋鉆井的巨大投資，必須鉆多分支井。如

圖1A和圖1B所示，這樣的分支井通過公共導(dǎo)管鉆進(jìn)，每一個分支井包括海洋石油鉆井常用的表層套管襯管，中間套管和母井套管。
在鉆井技術(shù)中，還有一種已知的分支井如圖2所示。分支井從母井中鉆進(jìn)，但是母井必須延伸到原井的分支點以下。結(jié)果，分支井的直徑要小于延伸到分支點以下的原井的直徑。而且，在連接分支井與原井的工藝中存在密封困難的問題。
例如在美國專利5,388,648描述的方法中，涉及了不同類別的實現(xiàn)這種密封的井眼連接的幾個實施例。在公開的專利’648中提出了幾種方法，用來解決在母井中建立多分支井時遇到的幾個嚴(yán)重的密封問題。這樣的密封問題涉及需要保持分支井襯管與母井套管的聯(lián)通問題以及在井底壓差下保持連接處的水力分隔問題。
在原井中某一深度建立分支井的一個基本問題是建立這樣的分支井的設(shè)備必須下入到母井套管中，而母井套管必須配合在油井中間套管內(nèi)。因此，任何建立分支井的設(shè)備的外徑不能大于母井套管的直徑。而且，當(dāng)建立分支井時，其直徑要盡可能大。另外，這樣的分支井需要下入套管，并用常規(guī)套管懸掛器上的分支設(shè)備進(jìn)行密封。
本發(fā)明的一個重要同的是提供一種設(shè)備和方法，利用這種設(shè)備和方法，使多分支井與原井在單一井深處相連，在該井深處用常規(guī)的襯管一套管連接方式對多分支井進(jìn)行控制和密封。
本發(fā)明的另一個重要目的是提供一種多分支引出接頭，其外徑應(yīng)保證它能通過原井下入到井下開鉆點位置。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種多分支引出接頭，多分支引出件以回縮狀態(tài)制造，當(dāng)下入到井下開鉆位置時，多分支引出件發(fā)生膨脹，以使分支井具有最大的直徑，并且形狀為圓形以能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的襯管一套管連接。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種使回縮狀態(tài)引出件膨脹的設(shè)備，以使每一個引出件從原井井軸向外移動到精確的方向上來，并使引出件形成一個比較圓的形狀，使得在多分支井完鉆后，常規(guī)的襯管一套管連接可以用于這樣的引出件。
從母井中建立多分支井的方法和設(shè)備用以實現(xiàn)這些目標(biāo)和其它的一些優(yōu)點和特點。利用穿過母井中的母井套管，提供一個多分支引出接頭，用來在井下開鉆。這個多分支引出接頭有一個分支腔，分支腔有一個圓柱形的第一開口端。分支腔還有一個第二開口端，連接多分支引出件。以常規(guī)方式，例如螺紋方式，第一開口端與母井套管相連，用于在母井的多分支點開鉆。
多分支引出件與分支腔之間有流體通道，每一個引出件與分支腔第二端連接形成一個整體，每一個引出件預(yù)制成回縮狀態(tài)，以便多分支引出接頭通過母井下入到井下開鉆井深。每一個多分支引出件大體上都位于一個與分支腔同軸并具有大體上同樣直徑的虛擬圓柱筒內(nèi)。多分支引出件的預(yù)制使得每一個引出件在橫截面上從圓形變?yōu)殚L橢圓形或其它合適形狀，以使多分支引出件的外部輪廓位于虛擬圓柱筒之內(nèi)。每一個引出件的外部輪廓與其它引出件的外部輪廓配合，大體上充滿虛擬圓筒的整個橫截面。結(jié)果，和具有相應(yīng)引出件數(shù)量的圓形管狀多分支引出件相比，置于虛擬圓筒中的多分支引出件具有更大的橫斷面積。
多分支引出件的制作材料用冷成型的塑性材料制成。當(dāng)多分支引出接頭入入到母井中后，使用一種成型工具，使多分支引出件的至少一個引出件從連接點朝分支腔向外膨脹。最好所有的多分支引出件同時向外膨脹。隨著膨脹，多分支引出件沿軸向膨脹成圓形的徑向橫截面。
當(dāng)從分支腔中分支出來的多分支引出件膨脹后，每個多分支引出件就被封堵。接著，通過所選擇的多分支引出件中的一個鉆出一個井眼。通過所選擇的分支引出件，一個大體上呈圓形的襯管下入到多分支井內(nèi)。利用常規(guī)的套管懸掛器，圓形截面的襯管在所選擇的圓形斷面的分支件上形成封閉。對于多分支引出件的的每個引出件都鉆一個井眼，并安置襯管。分支腔上設(shè)置有多管控制器。然后就形成了多分支井。多管控制器控制每一個多分支井的生產(chǎn)。
使多分支引出接頭的引出件膨脹的設(shè)備包括一個井上動力和控制單元和一個井下作業(yè)單元。一根電纜連接井上動力單元和井下作業(yè)單元以及井下作業(yè)單元。電纜提供一個物理連接，把井下作業(yè)單元下入到多分支引出接頭，并提供一個動力傳遞和雙向控制與狀態(tài)信號的電路。
井下作業(yè)單元包括一個成型設(shè)備，用于插入到至少一個回縮狀態(tài)的多分支引出件(最好同時插入到所有多分支引出接頭的所有引出件)內(nèi)并使該引出件從虛擬圓柱筒內(nèi)向外膨脹。最好使每一個多分支引出件同時向外膨脹，形成圓形的徑向截面形狀。井下作業(yè)單元包括一個與多分支引出接頭配合的抓緊裝置和一個定向裝置。這種配合裝置可使成型設(shè)備在多分支引出接頭內(nèi)徑向定位，以使它與多分支引出接頭，最好是所有的多分支引出接頭對準(zhǔn)。井下作業(yè)單元包括一個液壓泵和一個接頭，接頭上有一個液壓管線與液壓泵相連。成型裝置包括一塊液壓驅(qū)動成型板。每一塊成型板與接頭之間有一個可伸縮的連接，使得當(dāng)引出件膨脹時，隨著成型板的向下移動液壓流體流向成型板。
參見本發(fā)明的附圖，可以清楚地看出本發(fā)明的目的、優(yōu)點、和特點，其中給出了本發(fā)明的一個說明性實施例。其中圖1A和圖1B說明在導(dǎo)管套管的末端內(nèi)裝有三個襯管的現(xiàn)有技術(shù)，安裝時其中的引出件是圓的，配合在導(dǎo)管套管內(nèi)。
圖2說明母井或直井與從井內(nèi)側(cè)向延伸的側(cè)向分支井的現(xiàn)有技術(shù)。
圖3A，3B和3C說明了一個依據(jù)本發(fā)明的帶有三個引出件的多分支引出接頭，其中圖3A是該分支引出接頭的徑向橫截面，它有一個完全處于回縮狀態(tài)的引出件，一個處于完全回縮狀態(tài)和完全膨脹狀態(tài)之間的引出件和一個完全處于膨脹狀態(tài)的引出件；圖3B是該多分支引出接頭的徑向橫截面，在母井中開鉆后每個引出件都處于完且膨脹狀態(tài)；圖3C是該我分支引出接頭的軸向橫截面，其中的兩個引出件處于完全膨脹的圓形狀態(tài)，套管已經(jīng)下入到一個分支井內(nèi)，利用常規(guī)的襯管懸掛式封隔器相對于多分支引出件形成密封。
圖4是一個依據(jù)本發(fā)明的三維對稱的多分支引出接頭的透視圖，其中的多分支引出件處于膨脹狀態(tài)。
圖5A、5B、5C和5D是本發(fā)明的非對稱分支引出件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中至少一個引出件的內(nèi)徑大于其它兩個引出件的內(nèi)徑，圖5A是沿5A-5A線的處于回縮狀態(tài)的多分支引出件的徑向剖面圖，圖5B是圖5A中沿5B-5B線的軸向剖面圖，圖5C是圖5D中沿5C-5C線的徑向剖面圖，其中的引出件處于膨脹狀態(tài)，圖5D是圖5C中沿5D-5D線的徑向剖面圖，其中的引出件處于膨脹狀態(tài)。
圖6A-6E說明依據(jù)本發(fā)明的幾個例子中多分支引出接頭的引出件結(jié)構(gòu)的徑向剖面圖，在母井中開鉆時所有的多分支引出件都處于膨脹狀態(tài)。圖6A說明帶有兩個等直徑的引出件。圖6B說明帶有三個等直徑的引出件。象圖5C一樣，圖6C說明了三個引出件，其中一個引出件的特點是其直徑大于其它兩個引出件的直徑，圖6D說明了四個等直徑的引出件，圖6E說明了五個引出件，中央引出件的直徑小于其它四個引出件的直徑。
圖7A-7E說明依據(jù)本發(fā)明的可膨脹多分支引出接頭的引出件的膨脹過程，圖7A說明了多分支引出件的軸向截面，圖示表明，一個這樣的引出件處于回縮狀態(tài)，另一個這樣的引出件開始與和其連接的分支頭一起膨脹，并向下膨脹到該引出件的下端開口；圖7B說明圖7A中軸向B位置的徑向剖面，假定三個對稱的引出件同時膨脹；圖7C到圖7E表明了沿著引出件，膨脹作為軸向位移函數(shù)的變化過程。
圖8A和8B分別說明了一個多分支引出接頭的分支腔的抓緊和定位裝置軸向剖面和沿8B-8B線的徑向剖面，圖8 A進(jìn)一步說明了用于在母井中開鉆的一個延伸腿和一個支承鞋，多分支引出件從回縮狀態(tài)膨脹時使得多分支引出接頭具有穩(wěn)定性。
圖9是用于使多分支引出接頭的引出件膨脹的井上和井下設(shè)備的示意圖。
圖10說明了利用圖9中設(shè)備的壓力成型板使多分支引出件膨脹形成的方法步驟。
圖11A-11H說明了依據(jù)本發(fā)明，在母井中安裝多分支引出接頭的次序以及開鉆分支井的步驟。
圖12說明了一個在母井中使用的多分支引出接頭，還說明了懸掛在分支井引出件上的分支井襯管，以及多分支引出接頭上用于控制母井中分支井生產(chǎn)的生產(chǎn)設(shè)備。
圖13A和圖13B用幾何說明了與常規(guī)用母井套管末端的襯管形成的軸向分支井的現(xiàn)有技術(shù)相比，依據(jù)本發(fā)明井眼在尺寸上的增加。
圖14A-14D是本發(fā)明的分支點的說明性的示意圖，圖14A說明在母井內(nèi)建立分支節(jié)點，以及在母井內(nèi)的同一深度點開鉆分支井，所有分支井都在分支點處與母井形成聯(lián)通；圖14B說明了一個膨脹的多分支引出接頭，其多分支引出件已經(jīng)超過母井套管的直徑，并大致形成圓形；圖14C表明利用第一節(jié)點和第二節(jié)點從單一地層中開采烴；圖14D說明了使用第一節(jié)點處的膨脹的多分支引出接頭以到達(dá)多層生產(chǎn)的目的地層。
圖15A說明了依據(jù)本發(fā)明的多分支引出接頭的兩個引出件的形式，圖15B、15B、15C和15D說明了一個多分支引出接頭的兩個引出件的橫截面形狀，在引出件內(nèi)的不同深度上有一個可選擇的后成型工具。
圖16說明了兩臂形式的后成型工具。以及圖17A-17D說明了這樣的可選擇的成型工具的作業(yè)過程。
如上所述，圖1A和1B說明了用現(xiàn)有技術(shù)從母井中建立分支井的設(shè)備和方法所存在的問題。圖1A和圖1B表示了多分支引出件襯管12的徑向截面和軸向截面，懸掛并密封在一個大直徑的導(dǎo)管10上。引出件是圓形的，使得能夠利用常規(guī)的套管懸掛封隔器14來密封用于與導(dǎo)管10聯(lián)通的引出件襯管。圖1和圖2的這種結(jié)構(gòu)要求直徑為D0的圓形多分支引出件安裝在導(dǎo)管10的直徑Ds1以內(nèi)。在許多情況下，特別當(dāng)從井眼內(nèi)某一深度而不是從井口必須下入導(dǎo)管時，無法保證足夠大的井眼外徑以使井內(nèi)下入足夠大直徑的多分支井引出件。
根據(jù)圖2中描述的建立分支井的現(xiàn)有技術(shù)，是從原井20中建立分支井2和24。對分支井22和24的密封必須利用與常規(guī)套管懸掛器不同的特殊的密封裝置。本發(fā)明多分支引出接頭描述圖3A、3B和3C說明了依據(jù)本發(fā)明的一個多分支引出接頭30。該多分支引出接頭包括一個分支腔32(它可與母井套管相連并置于其上(見圖12中的母井套管604))，以及多分支引出件，例如圖3A、3B和3C中的三個引出件34、36、38。圖3A是分支腔32的徑向剖視圖，其中一個引出件24處于回縮狀態(tài)，第二個引出件處于向外膨脹的狀態(tài)，第三個引出件已經(jīng)處于完全膨脹的狀態(tài)(圖3A只是為便于說明起見，因為依據(jù)本發(fā)明，每一個引出件最好同時膨脹和形成圓形)。在回縮狀態(tài)時，每一個引出件變形如圖中的引出件34所示。一個圓管變形后，它的內(nèi)橫截面與圓管的內(nèi)橫截面相同，而其外形與其它的引出件的變形后的形狀相配，它們都位于直徑與分支腔32的直徑相同的虛擬圓柱內(nèi)。在這種情況下，分支腔32和它的處于回縮狀態(tài)的引出件有一個有效的直徑，允許其與母井套管相連下入到母井中的開鉆位置。處于回縮狀態(tài)的引出件34的形狀是長橢圓形，但是其它回縮形狀也可能有一些優(yōu)點。例如一個回縮狀態(tài)的引出件在中央部位凹入，有利于形成一個更密實的引出件。從引出件的底部到引出件的頂部的這種變得更大更深。
圖3A表明引出件36處于從分支腔32沿一弧形的路徑向外膨脹的狀態(tài)，同時為一井下成型膨脹工具所包圍，下面還要繼續(xù)描述。箭頭標(biāo)號F表示作用于引出件內(nèi)表面的力，以使引出件從分支腔32沿一弧形的路徑向外膨脹，從其回縮狀態(tài)(如引出件34的狀態(tài)所示)膨脹到象引出件38那樣充分膨脹和變形的圓形狀態(tài)。
圖3B是一個多分支引出接頭30處于引出件36、38膨脹程度時，沿圖3C中B-B線的徑向剖面圖。圖3C說明了兩個常規(guī)套管襯底42、44已經(jīng)通過分支腔32分別裝入到引出件36和38內(nèi)。常規(guī)套管懸封隔器46、48使套管襯管42、44在引出件36、38上密封。如圖3B和3C所示，如果分支腔32的直徑Ds2與圖1B中現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)管的直徑Ds1相等，則圖3C中引出件的直徑Dc是圖1B中外徑D0的1.35倍。圖3C中多分支引出接頭的襯管的橫截面積Sc是圖1A中橫截面積的1.82倍。當(dāng)引出件充分膨脹后，膨脹后的引出件34、36、38的有效直徑超過了分支腔32的直徑。
圖4是圖3A、3B、3C中的多分支引出接頭30的透視圖，其中多分支引出接頭處于膨脹后的狀態(tài)。多分支引出接頭32的頂端有螺紋31。螺紋31使多分支引出頭與母井套管連接，以便下入到地下某一地層。從母井的井口看，引出件34、36、38都處于膨脹狀態(tài)。
圖5A-5D表示依據(jù)本發(fā)明的一個可選擇的具有三個引出件的多分支引出接頭301。圖5A和5B說明了多分支引出接頭處于回縮狀態(tài)時的徑向和軸向剖視圖。在引出件341、361、381中，引出件361的徑向截面等于引出件341和381的徑向截面之和。每一個引出件從圓管形向內(nèi)變形，如圖5A所示，其中引出件341、361和381變形后面積之和大致充滿分支腔321的圓形截面。如上所述，其它變形形狀也可能是具有優(yōu)點的。圖5A中每一個引出件341、361和381(例如引出件341)有一個圓形邊342和一個或多個非圓形邊343、345。這樣的非圓形邊343、345與引出件361的362邊及引出件381的382邊配合，以使引出件341、361和381內(nèi)部的徑向截面最大。
圖5C和5D說明圖5A和圖5B中下放到母井后引出件已經(jīng)充分膨脹后的多分支引出接頭301。如圖中所示，引出件361和381從分支腔321的軸線沿一個平滑曲線路徑向外同時膨脹，從圖5A和圖5B中的回縮狀態(tài)徑向膨脹為圓管形。
圖6A-6B以圖示形式，表示與分支腔的尺寸相比，膨脹后的引出件的尺寸大小。圖6A是從回縮狀態(tài)，膨脹了的兩個引出件241和242和未膨脹時的圓形引出件241和242的直徑相比，膨脹后的引出件的直徑明顯增大。圖6B重復(fù)了圖3B中的例子。圖6C重復(fù)圖5A到5D中的不均勻的三個引出件形狀。圖6D說明了可從分支腔422中膨脹的四個引出件。每一個引出件441、442、443和445直徑相同。圖6E說明了五個引出件，其中，引出件545小于其它四個引出件541、542、543和544。引出件545在多分支引出接頭的回縮狀態(tài)時可以變形也可以不變形。使變形回縮狀態(tài)的引出件膨脹的方法的描述圖7A-7E說明了在引出件38、34、36內(nèi)的不同深度上作業(yè)的井下成型頭122、124、126。如圖7A的右側(cè)所示，一個通用化的成型頭122進(jìn)入了一個變形回縮的引出件，例如位置B處的引出件38。每一個成型頭122，124，126還未到達(dá)引出件，但如圖7B所示，這些成型頭已經(jīng)開始使分支腔32的外壁向外膨脹。成型頭122，124，126繼續(xù)使引出件向外膨脹，如在位置C所示。圖7C表示成型頭122，124，126向外使引出件膨脹的同時使引出件變圓。成型頭122，124、126內(nèi)的活塞迫使成型板123、125、127向外移動。成型頭同時緊靠中央管壁區(qū)150，該管壁區(qū)作為反力體，從而使引出件38、34、36進(jìn)行膨脹并形成，同時平衡引出件38、34、36膨脹時的反作用力。
圖8A和8B顯示了一個位于多分支引出接頭30內(nèi)的分支腔32的一個軸向延伸的槽160。這樣的槽160與井下成型工具的定向和抓緊裝置配合，用這樣的定向和抓緊的徑向定位以使井眼內(nèi)的多分支引出件發(fā)生膨脹。分支腔32上的一個凹口162用于在一個預(yù)定的軸向位置抓緊井下成型工具。
一個延伸腿170從多分支引出接頭的中央管壁區(qū)150向下突出。一個支腳172攜于延伸臂末端。在作業(yè)時，支腳172下入到需要開鉆的井底。在成型工具膨脹和進(jìn)行其它作業(yè)時，為多分支引出接頭30提供支承。成型工具描述a)圖9、10中實施例描述圖9和圖10說明的成型工具用于使多分支引出件膨脹，例如，圖3A、3B和3C以及圖7A、7B、7C中的引出件34、36、38。該成型工具包括井上設(shè)備100和井下設(shè)備200。井上設(shè)備100包括一個常規(guī)計算機(jī)102，編程以控制遙控和動力供應(yīng)單元104，接收操作者的命令和向操作者顯示信息。一個井上絞盤單元106有一個纏繞的電纜110，用于把井下設(shè)備200通過母井套管下入到與母井套管末端相連的多分支引出接頭的分支腔內(nèi)。
井下設(shè)備200包括一個常規(guī)電纜端頭202，與電纜110形成一個強(qiáng)度/電子連接。一個搖控動力供應(yīng)和控制模塊204包括一個常規(guī)搖控動力供應(yīng)和控制電路，通過電纜110與井上計算機(jī)聯(lián)系，并向井下模塊提供動力和控制信號。液壓動力動力單元206包括一個常規(guī)電驅(qū)動液壓泵，用于產(chǎn)生井下壓力流體。一個定向和抓緊接頭208包括一個抓緊裝置210(圖示說明)，它安裝在圖8A中分支腔32的凹槽162內(nèi)，以及一個定向裝置212(圖示說明)與分支腔32的槽160配合。當(dāng)井下設(shè)備200下入到多分支引出接頭30內(nèi)時，定向裝置212進(jìn)入槽160，然后井下設(shè)備進(jìn)一步下入直到抓緊裝置210進(jìn)入凹槽162并抓緊在凹槽162內(nèi)。
固定的移動頭213使液壓單元206與移動成型頭，例如122、124、126之間形成流體聯(lián)通。在多分支引出件，例如圖7B-7E中的引出件34、36、38中向下移動時，可伸縮的連接件180給成型頭122、124、126提供液壓流體。監(jiān)視頭182、184和186用于確定當(dāng)徑向形成引出件時的徑向位移大小。
圖10說明了在形成多分支引出接頭30中的一個引出件時處于不同階段的移動成型頭126、124、122。成型頭126顯示在圖中粗線所示的徑向線型前處于回縮狀態(tài)中的引出件36內(nèi)。引出件如細(xì)線36’、36”所示。36’表示引出件處于變形的中間狀態(tài)，36”表示引出件處于變形的最終狀態(tài)。
當(dāng)回縮狀態(tài)的引出件34膨脹成中間狀態(tài)34’時，成型頭124如圖所示，最終狀態(tài)圓形引出件34所示。象另兩個成型頭126、122一樣，成型頭124包括一個活塞151，活塞151上面裝有成型板125。液壓流體使得當(dāng)活塞151向外移動時，則可打開流體管線152，當(dāng)液壓流體使活塞151向內(nèi)移動時，則可關(guān)閉流體管線154。規(guī)徑器184用于確定活塞151和成型板例如125的徑向移動量。活塞151和成型板154之間有合適的密封。
成型頭122和成型板123，如圖10中所示，在一定情況下，引出件38可能過分膨脹，形成一個稍長的橢圓，以致當(dāng)成型板123和成型頭122上的徑向成型力解除后，由于鋼制引出件的殘余彈性使引出件又彈回到圓形狀態(tài)。
在分支腔32的水平上，當(dāng)分支腔32的壁向外移動時，成型頭122、124、126的反力互相平衡。因此，當(dāng)分支腔32的下端向外膨脹時，成型頭122、124、126同時操作，例如在圖7A中的B點水平。當(dāng)成型頭122進(jìn)入一個引出件例如38時，成型板反力被分支腔32的中央管壁區(qū)150支持?？缮炜s的連接180可以稍微轉(zhuǎn)動，使得線型板127，125，123可以向垂直中心軸的右邊和左邊施加壓力，這樣可提高引出件變成圓形的程度。當(dāng)膨脹成型過程完成后，從活塞151中釋放壓力，如在圖7A中的D點，以及可伸縮連接180使成型頭122向下移動一步，然后，再提高壓力以使引出件膨脹成型。
多分支引出接頭30的材料構(gòu)成最好選用含有奧氏體鋼的合金鋼象錳鋼，或鎳合金象“蒙乃”系列或“鉻鎳鐵合金”系列。這些材料能夠發(fā)生彈性形變，冷卻后可成型，從而具有一定的強(qiáng)度。b)圖15A-15D及17A-17D的可選擇實施例一種選擇的后成型工具如圖15A、15B、15C、15D、16、和17A-17D所示。后成型工具1500由圖9中的井下構(gòu)件支承，它包括一個電纜端頭202，一個遙測動力供應(yīng)和控制模塊204，液壓動力單元206和一個定向抓緊裝置208。圖16表明，后成型工具1500包括一個移動激勵器1510。移動激勵器上的活塞1512從圖17A中的回縮位置的上端向圖17C和圖17D的下端延伸位置移動。圖17B表示活塞1512處于中間位置?；钊?512移動到中間位置取決于要將引出件中的成型頭移動到什么位置。
圖16和17D表示一個帶有兩個成型頭的后成型工具1500的實施例，其中有兩個引出件(例如，圖15A-15D中的引出件1560和1562)。也可以有三個或多個引出件并與相應(yīng)數(shù)量的成型頭和激勵器對應(yīng)。連接件1514把活塞1512連接到激勵器缸體1516上。因此，當(dāng)活塞1512向下移動時，激勵器缸體1516被向下推動到引出件1560、1562內(nèi)。
每一個激勵器缸體1516包括一個液壓驅(qū)動活塞1518，該活塞通過移動激勵器1510及連接件1514從液壓動力單元206(圖9)接收液壓流體?；钊?518處于上端位置，如圖17A和7C所示，處于下端位置如圖17B和7D所示。
激勵器缸體1516通過連接件1524可轉(zhuǎn)動地連接到成型板1520上?；钊?518通過活塞桿1526連接到膨脹滾動體1522上。如圖17A和15B所示，圖15B中，成型板1520進(jìn)入了兩個回縮狀態(tài)的引出件的開口。膨脹滾動體1522和成型板1520在回縮狀態(tài)的引出件1560、1562內(nèi)處于回縮位置。
活塞1512向下移動一個微小沖程，使激勵器缸體1516向下移動一小段距離。接著，活塞1518向下作沖程移動，使成型板推壓回縮狀態(tài)引出件1560、1562的內(nèi)壁，直到引出件變成圓形形狀為止。同時，迫使引出件從多分支引出接頭1550的中心軸向外移動。接著，活塞1518向上作沖程移動，使膨脹滾動體1522回到如圖15C所示的位置。活塞1512向下移動另外一個微小沖程，使成型板1520進(jìn)一步向下移入引出件1560、1562內(nèi)。接著，活塞1518再向下作沖程運(yùn)動，使引出件1560、1562進(jìn)一步向外膨脹并變成圓形。這個過程一直持續(xù)到圖15D和17D中的位置，圖中表示，成型板1520和激勵器缸體1516位于多分支引出件1560、1562的末端。建立分支井的方法描述圖11A-11H和圖12描述了井眼中從一個多分支引出頭接頭30建立分支井的方法。多分支引出接30具有三個引出件34、36、38(圖3A、3B、3C和圖7A07E中的每個例子)，也可以采用任意數(shù)目的引出件，如圖6A-6E所示。在軸向剖面圖中只能看見引出件38、36，當(dāng)然，對于一個具有三個引出件的例子還存在第三個引出件34，但在圖11A-11H或圖12中看不到。
圖11A表示，多分支引出接頭30首先與母井套管604的下端相連，該母井套管通過中間套管(如果存在)下入。中間套管602加固井眼，并穿過表層套管600。表層套管600和中間套管602通常用來加固井眼。母井套管604可以懸掛于中間套管602上或地面的井口或在生產(chǎn)平臺上。
引出件36、38(34未示出)處于回縮狀態(tài)。在多分支引出接頭30的分支腔32內(nèi)設(shè)置槽160和凹槽162以與井下設(shè)備200(見圖9)的定向抓緊接頭208的定向裝置212和抓緊裝置210相配。當(dāng)母井套管604下入到井內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)母井套管604或者只旋轉(zhuǎn)多分支引出接頭30對多分支引出接頭30進(jìn)行定位，因為在多分支引出接頭30與母套管604的連接處設(shè)置有旋轉(zhuǎn)接頭(圖中未示)。定向過程可以通過陀螺儀或者測斜儀來監(jiān)視和控制。
圖11B表示上述的成型步驟，成型頭122、126利用由可伸縮連接件180供給的來自液壓動力單元206和固定移動頭213的液壓流體形成引出件38、36。引出件38、36變成圓形，使分支井的直徑最大，并與下面步驟中描述的襯管懸掛器或封隔器配合。圖11B中也通過冷成型使其強(qiáng)度加強(qiáng)。如上所述，多分支引出件36、38的優(yōu)選材料是含有釉氏體結(jié)構(gòu)的合金鋼，象錳鋼，它能產(chǎn)生塑性變形又具有高的強(qiáng)度。鎳合金象“鉻鎳鐵合金”的冷成型能增加分支腔32及引出件36、38底部的基質(zhì)材料的強(qiáng)度。引出件最終成型為大致圓形的徑向截面。
如上所述，在大多數(shù)情況下，通過電纜110控制井下成型設(shè)備200，但是，在某些情況下，例如在欠平衡情況下(或者大斜度井和水平井)一種帶有電纜的螺旋管將代替單獨的電纜。如圖11B和上面所述，井下成型設(shè)備200被定向，安置并鎖在多分支引出接頭30上。抓緊裝置210嵌入凹槽162，如圖11B所示(也見于圖12)。液壓動力單元206產(chǎn)生的液壓作用到由可伸縮連接件180支承的成型頭的活塞上。當(dāng)膨脹成型過程完成后，壓力從油塞釋放，可伸縮連接件180使成型板向下移動一步。然后再提高壓力，直到膨脹成型步驟完成，引出件變成圓形形狀。引出件膨脹后，井下成型設(shè)備200從母井套管604中取出。
圖11C和11D說明為連接母井套管604和多分支引出接頭30入井的注水泥固井步驟。封隔塞或者封隔器800安裝于引出件36、38內(nèi)。裝置封隔器800的最佳途徑是通過由注水泥管804或螺旋管(圖中未示出)傳輸?shù)亩囝^引鞋802來安裝。一個多頭引鞋包括一個多頭體，每一個多頭體帶有一個注水泥引鞋。與上面描述的圖11B中的一樣，多頭引鞋802在多分支引出接頭30的分支腔32內(nèi)抓緊和定位。如圖11D所示，水泥900通過注水泥管804注射到封隔器800內(nèi)，使封隔器800膨脹后，通過回壓閥(圖中未示出)進(jìn)入母井套管外的環(huán)形空間以及分支井的井底1000。接著，斷開封隔器800、注水泥管804從井眼中取出，并把封隔器800置于圖11E所示的位置。
如圖11F所示，單獨的分支井(如802)可以選擇任何適合的鉆井工藝。當(dāng)分支井完鉆后，襯管805連同多分支引出接頭30(見圖11G和圖11H)引出件上的常規(guī)套管懸掛器安放到分支井內(nèi)，在引出件例如36內(nèi)連接并密封。襯管可以注水泥加固或者處于可回收狀態(tài)，這取決于是否生產(chǎn)或注水泥參數(shù)，第二口分支井808可以如圖11H所示來鉆進(jìn)。
圖12表示從母井的一個節(jié)點處分支井的完井，母井套管604通過中間套管602和表層套管600從井口下入。正如上面提到的，母井套管604可以懸掛在中間套管602上而不是井口610上。最佳完井方法是在分支井802和808的上面，使分支井802和808連接到井下多頭控制器612上。與圖8A、8B和11B中的井下成型工具一樣，井下多頭控制器612在分支腔32內(nèi)抓緊和定位。井下多頭控制器612可以控制每一口分支井的生產(chǎn)并為分支井802、808的再鉆井提供測試和維護(hù)設(shè)備，這些設(shè)備可以通過生產(chǎn)油管820從地面下入到井內(nèi)。
在母井套管604的修井作業(yè)時，可以通過封堵井下多頭控制器612以使多頭控制器612與分支井802、808隔離。這通過生產(chǎn)油管802下入封隔器來完成，在斷開和取出生產(chǎn)油管之前，封隔器安放在井下多頭控制器612的引出件內(nèi)。從地面上可以控制的閥門和測試設(shè)備可以安放在井下設(shè)備內(nèi)。井下多頭控制器612也可以與多條完井油管相連，以使每一個分支井可以分別與井口相連。
在多分支井鉆井的多分支引出接頭的應(yīng)用中，如上所述的三分支井結(jié)構(gòu)，和圖1A、圖1B中的現(xiàn)有技術(shù)相比，可以使用較小直徑的母井套管。多分支引出接頭的直徑Ds，即膨脹后的引出件的最大直徑Do和兩個引出件的的常規(guī)軸向分支井的最大直徑之間的關(guān)系如圖13A所示，具有三個引出件的情況如圖13B所示。同樣的分析適用于其它的多分支井結(jié)構(gòu)。與同樣的具有母井套管末端襯管的軸向分支井相比，利用本發(fā)明分支井鉆進(jìn)的方法和設(shè)備所形成的分支井在橫截面上可以增大20％到80％。
圖14A-14D說明了依據(jù)本發(fā)明兩節(jié)點分支井的幾種不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。圖14A和14B依據(jù)本發(fā)明的在一個節(jié)點上的多分支引出接頭。圖14C說明了如何應(yīng)用分支在地層或油藏內(nèi)排水，而14D說明通過單一節(jié)點，使多分支井通向不同的目的層1120、1140、1160。任何一口分支井都可以與其它的分支井分離，作為一口井進(jìn)行修井、封堵和棄井作業(yè)。
本發(fā)明的方法和設(shè)備在前面的描述已經(jīng)非常清楚，各種的修改和改變都沒有離開本發(fā)明的實質(zhì)。因此，這些變化需要包括在附加在后面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，只有權(quán)利要求才能限制本發(fā)明范圍。對上述實施例的描述方式只是一種說明性的，而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于在井眼內(nèi)鉆井的多分支引出接頭，包括一個分支腔，有一個缸體形狀的第一開口端和第二開口端，所說的分支腔用于把所說的第一開口端密封到井眼的套管上；以及多分支引出件，每一個多分支引出件與所說的分支腔的第二開口端連成一個整體，每一個所說的多分支引出件與所說的分支腔保持流體聯(lián)通，所說的多分支引出接頭的特征是有一個回縮狀態(tài)，以便可以向井內(nèi)插入，當(dāng)處于回縮狀態(tài)時，每一個所說的多分支引出件大體上都在一個虛擬的圓柱筒內(nèi)，與所說的分支腔的第一開口端同軸并具有相同的半徑；以及有一個膨脹狀態(tài)，在這個狀態(tài)，至少有一個所說的多分支引出件從所說的分支腔沿一路徑延伸到所說的虛擬圓柱筒外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的多分支引出接頭，其中所說的引出件是這樣設(shè)計和安裝的，當(dāng)在所說的膨脹狀態(tài)時，所說的多分支引出件從所說的分支腔沿某一弧形路徑延伸到所說的虛擬圓柱筒外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的多分支引出接頭，其中在所說的回縮狀態(tài)時的所說的至少一個多分支引出件的特征是有一個非圓形的徑向截面；以及在所說的膨脹狀態(tài)時的所說的至少一個多分支引出件的特征是有一個大體上為圓形的徑向截面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的多分支引出接頭，其中在所說的回縮狀態(tài)時的所說的每一個多分支引出件的特征是有一個非圓形的徑向截面；以及在所說的膨脹狀態(tài)時的所說的每一個多分支引出件的特征是有一個大體上為圓形的徑向截面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的多分支引出接頭，其中所說的多分支引出件的構(gòu)造材料在冷成型時能夠產(chǎn)生塑性變形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所說的多分支引出接頭，其中所說的材料是一種具有奧氏體結(jié)構(gòu)的合金鋼。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所說的多分支引出接頭，其中所說的材料是一種鎳合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所說的多分支引出接頭，其中所說的每一個多分支引出件具有同樣的徑向截面積。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所說的多分支引出接頭，其中所說的至少一個多分支引出件的特征是，其橫截面積至少大于至少一個另外的所說多分支引出件的橫截面積。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所說的多分支引出接頭，其中所說的多分支引出件包括五個引出件，一個引出件的特征是其徑向橫截面積小于多分支引出件的其余四個引出件橫截面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所說的多分支引出接頭，還包括一個支撐腿，從所說的分支腔的第二開口端大體上沿軸向向下；以及一個支腳，置于所說的支撐臂的末端。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所說的多分支引出接頭，其中一個中央支承區(qū)位于所說的分支腔的第二開口端，并處于所說的多分支引出件與所說的第二開口端的整體連接之間；它還包括一個延伸腿，攜于所說的中央支承區(qū)，軸向延伸并超過所說的多分支引出件；以及一個支腳，置于所說的支撐腿末端。
13.一種在井眼中設(shè)置多分支引出接頭的方法，其中所說的多分支引出接頭包括一個分支腔和多分支引出件，分支腔有一個圓柱形的第一開口端和第二開口端，每一個多分支引出件與所說的分支腔的第二開口端相連，并置于回縮位置，在這個回縮位置，每一個多分支引出件大體上都在一個虛擬的圓柱筒內(nèi)，與所說的圓柱形第一開口端同軸并具有相同的半徑，該方法包括以下步驟把所說的多分支引出接頭的分支腔的第一開口端與一個套管柱的下端相連；把所說的套管柱下入井眼到需要鉆分支井的節(jié)點位置；通過所說的套管柱下入一個成型工具到所說的多分支引出接頭的分支腔內(nèi)；在所說的多分支引出接頭內(nèi)對所說的成型工具定向，在所說的分支腔的第二開口端把所說的成型工具插入到至少一個多分支引出件內(nèi)；以及利用所說的成型工具使至少一個多分支引出件膨脹，直到至少一個所說的多分支引出件從所說的分支腔的第二開口端的連接處沿一路徑延伸出所說的虛擬圓柱筒外。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所說的方法，在所說的回縮狀態(tài)的至少一個所說的多分支引出件的特征是有一個非圓形的徑向橫截面，所說的膨脹步驟包括以下子步驟利用所說的成型工具使所說的至少一個多分支引出件膨脹，直到所說的至少一個引出件的截面成為圓形為止。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所說的方法，膨脹步驟包括進(jìn)一步的子步驟，在這個子步驟中，利用成型工具使一組多分支引出件膨脹，直到所說的一組多分支引出件的每一個引出件變成圓形橫截面形狀，而且所說的一組多分支引出件從所說的分支腔的第二開口端沿一弧形路徑延伸出所說的虛擬圓柱筒外。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所說的方法，其中利用成型工具使所說的一組多分支引出件膨脹的子步驟是同時進(jìn)行的。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所說的方法，其中所說的膨脹步驟包括幾個膨脹子步驟，第一個膨脹子步驟是從所說的分支腔的至少一個所說的多分支引出件的連接處開始，其它的膨脹子步驟分別在距離所說的分支腔的至少一個所說的多分支引出件的連接處更遠(yuǎn)處進(jìn)行。
18.一種用于使在下套管井中的多分支引出接頭的引出件膨脹的設(shè)備，其中所說的多分支引出接頭包括一個分支腔和多分支引出件，分支腔有一個第一開口端和第二開口端，每一個多分支引出件連接在分支腔的第二個開口端，在分支引出件處于回縮狀態(tài)時，每一個多分支引出件大體上都在一個虛擬的圓柱筒內(nèi)，與所說的圓柱形第一開口端同軸并具有相同的半徑，所說的設(shè)備包括一個井上動力和控制單元；一個井下作業(yè)單元；以及一個電纜裝置，把所說的井上動力和控制單元和所說的井下作業(yè)單元連接在一起，以提供兩者之間的電力和電子通信信號的通道；所說的井下作業(yè)單元包括一個成型工具，它插在多分支引出接頭的處于回收狀態(tài)的引出件內(nèi)，用來使至少一個的引出件發(fā)生膨脹，以致使得該引出件沿一弧形路徑延伸出所說的虛擬圓柱筒外。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所說的設(shè)備，其中，所說的井下作業(yè)單元包括抓緊裝置，用于把所說的井下作業(yè)單元固定在所說的多分支引出接頭內(nèi)一個預(yù)定的軸向位置上；以及定位設(shè)備，用于對所說的成型工具徑向定位，使得所說的成型工具與所說的多分支引出接頭的一個選定的多分支引出件共線。
20.根據(jù)權(quán)利要求19說的設(shè)備，其中，所說的井下作業(yè)單元還包括液壓泵設(shè)備，用于產(chǎn)生液壓流體；成型頭，帶有一個液壓管線，與所說的液壓泵相連，其中所說的成型工具包括一個液壓驅(qū)動成型板和一個位于所說的成型板和成型頭之間給成型板提供液壓流體的連接件。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所說的設(shè)備，其中所說的成型設(shè)備包括一個活塞，用于使所說的成型板向外推壓所說的分支件。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所說的設(shè)備，其中所說的成型板包括一個傾斜的內(nèi)表面，所說的成型工具包括一個與所說的連接件配合的滾動體，用于與所說的內(nèi)表面配合，使所說的成型板向外推壓所說的分支件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所說的設(shè)備，還包括一個膨脹激勵器，它有一個柱狀體，通過一個可轉(zhuǎn)動的連接件與所說的成型板連接，以及一個活塞，通過一個活塞桿與所說的滾動體連接。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所說的設(shè)備，還包括一個移動激勵器，移動激勵器帶有一個活塞，該活塞與所說的膨脹激勵器的缸體形成結(jié)構(gòu)和水力連接。
25.一種在母井中鉆分支井的方法，包括穿過母井與母井套管一起下入一個帶有分支腔和多分支引出件的多分支引出接頭；對多分支引出接頭進(jìn)行定位，直到它的多分支引出件到達(dá)預(yù)定位置；使所說的至少一個引出件膨脹成型，直到其沿某一路徑延伸并超過所說的分支腔的直徑，并變成圓形形狀。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所說的方法，其中所說的膨脹和成型步驟在一組多分支引出件內(nèi)完成，直到這組多分支引出件沿一弧形路徑延伸并超過所說的分支腔的直徑。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所說的方法，還包括以下步驟封堵每一個多分支引出件；通過一個選定的多分支引出件鉆一個分支井；在所說的分支井設(shè)置大體上呈圓形的襯管；以及把所說的大體上呈圓形的襯管的一端密封到所說的所選定的一個多分支引出件的圓形端。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所說的方法，其中所說的襯管與所說的所選擇的一個多分支引出件的圓形端之間的密封是通過襯管懸掛封隔器來密封。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所說的方法，還包括以下步驟通過一組所說的多分支引出件鉆一個分支井；在該組所說的多分支引出件的每一個引出件上裝置有一個大體上呈圓形的襯管；以及把所說的大體上呈圓形的襯管的一端分別密封到所說的該組所說的多分支引出件一個多分支引出件的圓形端。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所說的方法，還包括以下步驟在所說的分支腔內(nèi)設(shè)置一個井下多管控制器；完成每一口分支井；以及通過所說的多管控制器控制所說的母井的每一個分支井的生產(chǎn)。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所說的方法，還包括以下步驟推遲通過至少一個多分支引出件形成一個分支井的鉆進(jìn)，通過這種方式保留一個引出件以備未來鉆井之用。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所說的方法，還包括以下步驟為提高油藏內(nèi)流體的流動性，注射一種加熱流體進(jìn)入所說的至少一個分支井；以及注射一種加熱流體進(jìn)入油藏而從另外一個所說的分支井內(nèi)開采含烴流體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在母井中鉆分支井的方法和設(shè)備。一種多分支引出接頭設(shè)置在井的分支點上。該多分支引出接頭包括一個分支腔和一組多分支引出件。在制造多分支引出接頭時,引出件預(yù)先變形為長橢圓形狀,使得所有的多分支引出件能置于一個虛擬的圓柱筒內(nèi),該圓柱筒與分支腔同軸并具有同樣的半徑。通過母井套管把多分支引出接頭下入到井中后,一個成型工具下入到多分支引出接頭內(nèi)。成型工具使引出件向外延伸,同時使引出件變成大體上呈圓形管狀。接著,當(dāng)通過每一個引出件鉆成每一個分支井后,每一個引出件用水泥封堵。如果需要,每一個分支井可以下入套管,通過套管懸掛器對分支件進(jìn)行密封。在分支腔內(nèi)的一個多頭控制器用于控制每一個母井的分支井生產(chǎn)。
文檔編號E21B41/00GK1182165SQ9711009
公開日1998年5月20日 申請日期1997年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月11日
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