用于顶部注水泥的分级注水泥装置及其方法与流程

1.本发明涉及石油固井技术，具体涉及一种分级注水泥装置，尤其是涉及一种用于顶部注水泥的封隔式分级注水泥装置，以及使用这种装置来进行的一种用于顶部注水泥的分级注水泥方法。


背景技术：

2.固井技术是钻完井过程中的重要技术环节。固井质量直接影响后续的油气开采作业。
3.分级注水泥工艺是固井技术中的常用工艺。对于水平井的完井作业来说，筛管顶部注水泥完井技术是常用的技术，其典型的管柱组合是筛管 盲板 套管外封隔器 压差式分级注水泥器。
4.对于这种管柱来说，其入井过程中需要控制管柱的下放速度，避免压力激荡而导致分级注水泥器提前开启问题。另外，在顶部注水泥器结束钻塞时，有可能会损坏分级注水泥器及套管，严重的话会造成套管开窗，井眼报废。此外，被钻掉的铝块无法全部循环上来，这会造成井下落物，影响后期作业。同时，作业参数不当还会损坏分级箍和套管。
5.针对这种情况，已经研发和使用了打捞式的免钻塞分级注水泥器。然而，这种打捞式的免钻塞分级注水泥器的结构复杂，并且需要下入打捞工具来进行打捞。同时，在打捞时容易遇阻，甚至无法提出。而一旦打捞失败，后期处理难度大，周期长，难以实现提速提效。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种用于顶部注水泥的封隔式分级注水泥装置，以及使用这种装置来进行的一种用于顶部注水泥的分级注水泥方法。
7.根据本发明的一个方面，提供了一种用于顶部注水泥的分级注水泥装置，包括：具有内腔的中空的圆柱形本体，在所述本体的壁上设有贯穿的循环孔，以及朝向所述内腔敞开的进液槽；设置在所述本体内的打开组件，所述打开组件包括打开套和设置在所述打开套内的打开座，其中，在初始状态下，所述打开套覆盖所述循环孔，而所述打开座覆盖了所述进液槽；以及封隔器，所述封隔器包括具有容液腔的胶筒，以及与容液腔连通的流道。其中，所述打开座能够响应于所述本体中的一次憋压向下游运动而打开所述进液槽，由此，在一级固井期间进入到所述本体的内腔中的液体能够经所述进液槽和所述流道而进入所述容液腔，从而导致所述胶筒膨胀。所述一次憋压通过下入能够与所述打开座接合的打开工具来实现。所述打开座和打开工具均由可溶性材料制成。
8.在一个优选的实施例中，在所述打开套的下端处还设有由可溶性材料制成的承接座，用于限制所述打开座的向下游运动的行程。
9.在一个优选的实施例中，所述打开套能够响应于所述本体中的二次憋压而向下游运动，从而打开所述循环孔且关闭所述进液槽。
10.在一个优选的实施例中，在所述打开套的上游设有关闭套，在所述关闭套内设有
关闭座。其中，所述关闭套构造成能够在二级固井过程中响应于所述本体中的三次憋压而向下游运动，从而关闭所述循环孔。
11.在一个优选的实施例中，所述三次憋压通过下入能够与所述关闭座接合的关闭工具来实现，其中，所述关闭座和关闭工具均由可溶性材料制成。
12.在一个优选的实施例中，所述可溶性材料是能够溶解于盐溶液中的石墨烯基可溶铝合金或可溶橡胶。
13.在一个优选的实施例中，所述打开座、承接座和关闭座均涂覆有不溶于氯盐溶液的保护涂层。
14.在一个优选的实施例中，所述盐溶液是大于5％的kcl溶液。
15.根据本发明的另一方面，提供了一种用于顶部注水泥的分级注水泥方法，其中利用上述分级注水泥装置来进行，所述方法包括步骤：将所述分级注水泥装置随管柱下入到位；下入打开工具以与打开座接合，进行一次憋压而使打开座向下游运动至承接座处以打开所述进液槽，从而使液体经本体的内腔、进液槽和流道进入容液腔，从而导致胶筒膨胀；进行二次憋压而使打开套向下游运动而打开循环孔，同时切断进液槽和流道之间的连通；在二级注水泥作业后，下入关闭工具以与关闭座接合，进行三次憋压而使关闭套向下游运动而再次关闭循环孔，同时注入盐溶液和完井液；利用盐溶液使所述打开工具、打开座、承接座、关闭工具和关闭座溶解。
16.在一个优选的实施例中，在下入打开工具之前也注入盐溶液。
17.在根据本发明的用于顶部注水泥的膨胀封隔式分级注水泥装置中，管柱构造成非封闭式的。这样，在注水泥过程中不存在压力激荡问题，从而解决了因封闭式管柱下入速度不当而导致的压力激荡所引起的封隔器提前胀封或提前打开分级箍的问题。
18.另外，根据本发明的用于顶部注水泥的膨胀封隔式分级注水泥装置，封隔器部分封隔了环空，从而实现对下部储层的保护，而分级注水泥部分实现对封隔器顶部的注水泥作业。
19.此外，各个塞座及各个胶塞均由可溶材料制成，可在固井结束后在盐溶液的环境下实现自行溶解。不需要下入管柱钻除工具来钻除这些附件，也不需要对这些进行打捞作业。因此，极大地缩短了建井周期，降低了作业成本，同时提高了施工效率。
20.另外，在塞座(例如打开座、承接座和关闭座)的表面设有保护涂层，以防止塞座在含有氯离子的钻井液中提前溶解。
附图说明
21.下面将参照附图并通过示意性的示例性实施例来对本发明进行更加详细的说明。在图中：
22.图1显示了根据本发明的一个具体实施例的用于顶部注水泥的分级注水泥装置的整体结构，其中该装置处于初始状态下；
23.图2是图1所示装置的局部放大视图，显示了打开座和打开套的位置；
24.图3显示了根据本发明的用于顶部注水泥的分级注水泥装置，其中胶筒处于膨胀状态，但循环孔仍被关闭；
25.图4显示了根据本发明的用于顶部注水泥的分级注水泥装置，其中胶筒处于膨胀
状态，并且循环孔已经打开；
26.图5是根据本发明的用于顶部注水泥的分级注水泥装置的局部示意图，显示了循环孔再次处于关闭的状态；
27.图6显示了根据本发明的一个实施例的打开工具；和
28.图7显示了根据本发明的一个实施例的关闭工具。
29.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
30.下面将结合说明书附图来对本发明作进一步的描述。在下文中，方向性用语“下”、“下游”、“向下”等指的是远离井口的方向，而“上”、“上游”、“向上”等指的是朝向井口的方向。
31.图1显示了根据本发明的用于顶部注水泥的分级注水泥装置的结构示意图。在这一具体实施例中，该分级注水泥装置是膨胀封隔式分级注水泥装置10。
32.如图1所示，膨胀封隔式分级注水泥装置10包括中空的圆柱形本体100。本体100包括形成在其中的内腔110、贯穿过本体的壁的循环孔120，以及与内腔110连通但不贯穿本体壁的进液槽130(见图2)。在本体100的上游端连接有上接头140，用于连接套管的其它部件。进液槽130设置在循环孔120的下游。循环孔120是用于二级固井的循环孔，其功能是本领域所熟知的，这里不再详细介绍。进液槽130的功能将在下文中详细介绍。
33.根据本发明，在膨胀封隔式分级注水泥装置10的圆柱形本体100内设置有打开组件300，其包括布置在本体100内的打开套310，以及布置在打开套310内的打开座320。根据本发明，打开座320由可溶性材料制成。其中，在如图1所示的初始状态下，打开套310通过第一剪切销180与本体100连接，并覆盖了循环孔120。而如图2所示，打开座320则通过第二剪切销182与打开套310连接，并覆盖了进液槽130。在图1和2所显示的实施例中，第一剪切销180设置在循环孔120的下游，但处于第二剪切销182的上游。其中，第一剪切销180的剪切应力设置成大于第二剪切销182的剪切应力，即，第二剪切销182会先于第一剪切销180被剪断。
34.在本文中，用语“初始状态”也称为“第一状态”，即在循环孔120开启之前的状态。图1到3显示的均为处于初始状态下的分级注水泥装置10。用语“可溶性材料”指的是在盐溶液的环境下可以溶解的材料，例如石墨烯基其可溶铝合金或可溶橡胶，等等。用语“盐溶液”指的是含有氯离子的盐溶液，例如kcl溶液，优选为大于5％的kcl溶液。
35.另外，根据本发明的一个实施例，打开组件300还可以包括承接座330。如图2更清楚地所示，承接座330例如通过螺纹固定在打开套310内，优选地设置在打开套310的下游端。承接座330用于承接向下运动的打开座320，即，限定打开座320的向下运动的行程。打开座320的这一向下运动将在下文中详细描述。根据本发明，承接座330由可溶性材料制成。
36.如图1所示，根据本发明，膨胀封隔式分级注水泥装置100还包括封隔器200，其设置在圆柱形本体100的下游。封隔器200包括封隔阀体210，其例如通过螺纹接合而固定地连接到本体100的下游端。封隔阀体210例如为圆柱体结构，其内壁上设有台阶215。封隔器200还包括例如固定连接到封隔阀体210的下游端处的基管250，以及设置在基管250的外侧的胶筒220。在图示实施例中，基管250的上游端伸入到封隔阀体210的内腔中，并通过螺纹与
封隔阀体210的下游端连接。在胶筒220的下游端设有下接头270。下接头270和固定于其上的短套管272一起用于连接后续的工具。
37.如图2所示，封隔阀体210包括在其内沿轴向延伸的流道230，其与本体100中的进液槽130连通(图2的剖面中未示出具体的连通细节)。流道230轴向地贯穿过封隔阀体210而延伸。另外，如图1所示，胶筒220包括与流道230连通的容液腔240。容液腔240同样可形成为在胶筒230内沿轴向延伸。在一个备选实施例中，容液腔240可由基管250和胶筒230之间的间隙形成。此外，在胶筒230的外部设置有两个彼此分开的支撑套260。其中，处于上游的第一支撑套260与封隔阀体210相连，而处于下游的第二支撑套260与下接头270相连。这两个支撑套260可用于限制胶筒220发生膨胀的轴向位置。即，胶筒220的处于两个支撑套260之间的部分能够向外膨胀。
38.此外，如图1所示，在本体100内，在打开套310的上游处还设有关闭套450。在初始状态下，关闭套450直接与打开套310抵接，并通过第三剪切销184与本体100连接。在关闭套450的上端设有关闭座460。根据本发明，关闭座460由可溶性材料制成。在一个优选的实施例中，如图5所示，在关闭套450的外壁上设有卡簧462，而在本体100的内壁上设有能够与卡簧462配合的卡簧槽118。关闭套450和关闭座460以及卡簧462和卡簧槽118的具体功能将在下方中介绍。
39.如图1和2所示，在初始状态下，打开组件300的打开套310通过第一剪切销180与本体100连接，并覆盖了循环孔120。同时，打开组件300的打开座320则通过第二剪切销182与打开套310连接，并覆盖了进液槽130。此时，本体100的内腔110与封隔器200的封隔阀体210内的流道230不连通。这样，在一级固井替浆过程中进入到本体100的内腔110内的顶替液无法进入到封隔器200的封隔阀体210内的流道230内。
40.在根据本发明的用于顶部注水泥的分级注水泥方法中，膨胀封隔式分级注水泥装置10随管柱下入。管柱下入至预定位置后，循环一周。在此阶段，优选地可以注入盐溶液，以保证塞座及之后下入的打开工具400的下部也处于盐溶液中，保证并加速下部的溶解。
41.之后，如图3所示，当在根据本发明的膨胀封隔式分级注水泥装置10中投入如图6所示的打开工具400时，打开工具400在下行过程中与打开座320接合，从而封堵住本体100的内腔110。通过在本体100中进行憋压(其在本文中称为“一次憋压”)，使得第二剪切销182剪断。在这种情况下，打开工具400连同打开座320一起向下运动，直到打开座320抵接在承接座330上为止。此时，由于打开座320的向下运动，进液槽130不再被打开座320挡住，从而与内腔110连通。这样，内腔110中的顶替液就能够经进液槽130和封隔阀体210内的流道230进入到胶筒220内的容液腔240中。这样，胶筒220发生膨胀而与井壁贴合，将环空隔离成上、下两个部分，从而避免了上部水泥下沉而污染储层。
42.之后，继续在本体100中进行憋压(其在本文中称为“二次憋压”)，使得第一剪切销180剪断。在这种情况下，打开套310能够相对于本体100向下运动，直到其抵接在封隔阀体210的台阶215上为止，如图4所示。此时，循环孔120露出，而进液槽130被向下运动的打开套310再次挡住，从而又切断了其与内腔110连通。在这种情况下，可以进行二级固井操作。
43.在二级循环及固井过程中，在注水泥结束后，可以下入如图7所示的关闭工具410并进行替浆。替浆液包括盐溶液和完井液。如图5所示，当关闭工具410下落到关闭座460上并形成密封时，关闭座460的上部形成密闭的容腔。此时在本体100中进行憋压(其在本文中
称为“三次憋压”)，使得第三剪切销184剪断。这样，关闭套450相对于主体110下行，并再次关闭了循环孔120。在这一位置下，设置在关闭套450的外壁上的卡簧462进入到设置在本体100的内壁上的卡簧槽118中。通过卡簧462和卡簧槽118的接合，能够防止关闭套450的倒退运动，从而实现了循环孔120的永久性关闭。
44.根据本发明，打开工具400优选为挠性的打开塞，而关闭工具410优选为关闭塞。同时，关闭工具410和打开工具400均由可溶性材料制成。
45.根据本发明的一个优选的实施例，所有塞座，即打开座320、承接座330和关闭座460均涂覆有不溶于氯盐溶液的保护涂层。这样，在钻井液含有氯离子的情况下，接触到钻井液的塞座(即打开座320、承接座330和关闭座460)因保护涂层存在的缘故而不会提前溶解。在塞座与塞子或其它基座接触后，在接触压力的作用下该保护涂层会破裂，从而露出内部的可溶性材料。在这种情况下，塞座的可溶性材料(例如石墨烯基材料)会与所注入的盐溶液接触，从而发生溶解。由此，可以控制溶解速度，使溶解在所需的时刻发生。
46.在根据本发明的用于顶部注水泥的膨胀封隔式分级注水泥装置中，管柱构造成非封闭式的。这样，在注水泥过程中不存在压力激荡问题，从而解决了因封闭式管柱下入速度不当而导致的压力激荡所引起的封隔器提前胀封或提前打开分级箍的问题。
47.根据本发明，在固井结束后，均由可溶性材料制成的附件(包括打开工具400、关闭工具410、打开座320、承接座330和关闭座460等零部件)会在所注入的盐溶液环境下溶解，进而实现全通径。同时，不需要下入管柱钻除工具来钻除这些附件，也不需要对这些进行打捞作业。因此，极大地缩短了建井周期，降低了作业成本，同时提高了施工效率。
48.在本实施例中虽然已经参考优选地对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，在不存在结构冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。