一种用于预防套管变形的组合套管串及其下入方法和应用与流程

1.本发明涉及石油天然气开采技术领域，特别涉及一种用于预防套管变形的橡胶组合套管串及其下入方法和应用。


背景技术：

2.近10年，我国在四川省长宁—威远页岩气区块及新疆油田、大港油田页岩油开发过程中出现了套管不同程度的变形，近几年，随着页岩气走向深层区域套变问题更加突出。以泸州深层页岩气为例，发生套变86口，套变率46.5％，其中，a类井(通径》85mm)6口井，b类井(通径在54mm～85mm)4口井，c类井(通径《54mm)20口井。特别是c类套变，会影响现场的压裂作业。
3.现有技术中，预防或减少压裂作业时套管变形的方法包括：利用“低弹模”水泥石进行压裂作业，即水泥石的抗压强度在满足要求的情况下，弹性模量尽可能低的预防套管变形方法；以及在套管外增加弹性橡胶圈，在压裂过程中，如果高风险裂缝/断层发生滑动，橡胶圈能够吸收裂缝/断层的滑动变形，从而保护内层套管不受影响进而减少压裂作业时套管变形的方法。


技术实现要素：

4.本发明人发现，在套管外设置橡胶筒以吸收裂缝或断层的滑动变形的方法，在实际应用的过程中，由于要在套管外安装扶正器以保证套管柱下入过程中的安装位置，而将扶正器安装于橡胶筒外，在套管上提和下放的过程中，扶正器与橡胶筒会接触并产生相对位移，且在产生相对位移的过程中扶正器的刚性结构可能会破坏橡胶筒的结构，进而破坏橡胶筒对套管变形的保护作用，且产生的橡胶屑可能会堵塞井筒，进而影响正常的压裂作业；因此在利用橡胶筒进行套管变形的保护时，橡胶筒与扶正器安装位置的确定是需要进一步进行解决的问题。
5.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种用于预防套管变形的组合套管串及其下入方法和应用。
6.本发明实施例提供一种用于预防套管变形的组合套管串，包括：至少一段组合套管及套管短节；
7.所述组合套管包括：套管及套接在所述套管外的橡胶筒；
8.所述套管短节与所述套管之间通过连接部相连，所述套管短节用于安装扶正器，以使下入井筒的所述组合套管处于井筒中心位置；且所述扶正器通过所述连接部进行轴向限位。
9.在一些可选的实施例中，所述套管短节的主体长度大于大钳钳口的深度与所述扶正器高度之和。
10.在一些可选的实施例中，所述套管短节的主体长度小于大钳钳口的深度和两倍所述扶正器高度之和。
11.在一些可选的实施例中，所述套管短节的套管强度不低于q125钢级套管强度。
12.在一些可选的实施例中，所述套管短节的主体外径与所述套管的主体外径相等。
13.在一些可选的实施例中，所述连接部为接箍，所述套管短节及所述套管与所述接箍之间通过螺纹连接，且所述接箍的外径大于所述扶正器的内径。
14.在一些可选的实施例中，所述组合套管及所述套管短节设置为多段时，所述套管短节与所述组合套管交替连接。
15.在一些可选的实施例中，所述组合套管串还包括：扶正器，所述扶正器套接于所述套管短节上，且所述扶正器与所述套管短节之间为间隙配合。
16.在一些可选的实施例中，所述扶正器为刚性扶正器。
17.第二方面，本发明实施例还提供一种上述的组合套管串的下入方法，当所述组合套管串包括多段组合套管及套管短节状态下，包括：
18.将组合套管的一端下入井中；
19.下放套管短节至距离第一组合套管的另一端为第一预定距离，将扶正器套接在套管短节上，并使扶正器保持不动继续下放套管短节至距离第一组合套管的另一端为第二预定距离，将套管短节与组合套管对扣，驱动液压大钳上扣，并下放套管短节和组合套管使套管短节的一端入井；
20.下放下一个组合套管至距离套管短节的另一端为第三预定距离，将组合套管与套管短节对扣，驱动液压大钳上扣，并下放该组合套管与套管短节使组合套管的一端入井；
21.重复下放套管短节的步骤，直至组合套管串下入完成。
22.第三方面，本发明实施例还提供一种上述的用于预防套管大变形的组合套管串在天然气开采技术领域的应用。
23.本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
24.本发明实施例提供的用于预防套管变形的组合套管串，在套管外设置有橡胶筒能使在压裂的过程中，高风险裂缝/断层发生滑动时，吸收裂缝/断层的滑动变形，从而保护内层套管不受影响；同时在套管的一端连接有套管短节，以用于安装扶正器，将扶正器安装在套管短节上，一方面能够在套管下入过程中，保证下入套管柱居于井筒中心位置；另一方面，与将扶正器安装在套管外的结构相比，由于扶正器通过连接部限位于套管短节处，在组合套管下放、上提的过程中，可使扶正器在滑动的过程中不与设置在套管外的橡胶筒接触，进而避免扶正器与橡胶筒接触产生相对位移时造成橡胶筒的损坏，以保证组合套管的完整性；且该套管组合将橡胶筒与扶正器分别安装在套管和套管短节上，不用考虑橡胶筒在进行膨胀时会受到扶正器的内径的影响，即在组合套管的应用时能使橡胶筒完全膨胀，且随着吸水膨胀橡胶厚度的增大，橡胶可以吸收的断层滑动量变大，进而使套管变形量随之减小，从而实现断层滑动引起的套管大变形问题，以充分对内管进行保护，对油气井开发过程中的降本增效有重要意义；且本发明实施例的组合套管串的结构简单，解决了在套管外安装橡胶筒的情况下扶正器的安装问题。
25.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
26.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
27.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
28.图1为本发明实施例组合套管串的结构示意图；
29.图2为本发明实施例组合套管的结构示意图；
30.图3为本发明实施例套管短节的结构示例图；
31.图4为本发明实施例刚性滚轮扶正器的主视图；
32.图5为本发明实施例刚性滚轮扶正器的俯视图。
33.附图标记说明：
34.1-橡胶筒，2-连接部，3-扶正器，4-套管短节。
具体实施方式
35.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.为了预防压裂时套管变形问题，本发明人提出了“以柔克刚”的理念，基于该理念，提出了用“低弹模”水泥石，即水泥石的抗压强度在满足要求的情况下，弹性模量尽可能低的预防套管变形方法，且该方法在现场应用中取得了一定的成效，本发明人在研究中发现，利用“低弹模”水泥石进行压裂作业时，随着向固井水泥中添加弹性材料，水泥石弹性模量降低，水泥石的抗压强度也随之降低，添加量增多，强度下降得也越多，而固井质量有最低强度的要求，因此，添加材料是有限制的，套管变形量的减少也是有限制的。该方法比较适合于较小变形量的情况，对于较大变形量的情况并不适用。
39.为了解决套管大变形问题，本发明人提出了在套管外面增加弹性橡胶筒的结构，即橡胶组合套管。在高风险裂缝/断层裂缝/断层滑动处，下入橡胶组合套管，套管外增加橡胶筒，以利用橡胶筒吸收裂缝/断层的滑动变形，从而减少对内层套管的损坏。但本发明人在研究中发现在套管外增加弹性橡胶筒的方法，在井筒内会发生由于产生橡胶碎屑进而堵塞井筒的问题，且该问题在改变橡胶筒材质的情况下无法解决；后来发明人经过观察发现由于套管在下入过程中需要安装扶正器，一般的套管扶正器安装在套管上，在套管下放、上
提的过程中，可以自由移动于套管两端接箍之间；而在套管外层套接橡胶筒，在套管组合下放、上提的过程中，会使扶正器会与橡胶接触并产生相对位移，扶正器由于其刚性结构会划伤橡胶且产生较大摩阻，造成橡胶结构被破坏，产生橡胶碎屑会堵塞井筒，甚至会引发大的施工事故；而如果不在组合套管外设置扶正器，则在组合套管下入的过程中，橡胶筒极易由于与井筒接触而被刮伤且产生较大摩阻，以造成橡胶结构被破坏，且目前，现场还没有形成使用橡胶组合套管进行施工时扶正器与橡胶组合套管的安装方法。
40.为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种用于预防套管变形的组合套管串及其下入方法和应用。
41.参照图1-图3所示，本发明实施例提供的用于预防套管变形的组合套管串，包括：至少一段组合套管及套管短节4；
42.组合套管包括：套管(图中未标示出)及套接在套管外的橡胶筒1；
43.套管短节4与套管之间通过连接部2相连，套管短节4用于安装扶正器3，以使下入井筒的组合套管处于井筒中心位置；且扶正器3通过连接部2进行轴向限位。
44.本发明实施例提供的用于预防套管变形的组合套管串，在套管外设置有橡胶筒1能使在压裂的过程中，高风险裂缝/断层发生滑动状态下，吸收裂缝/断层的滑动变形，从而保护内层套管不受影响；同时在套管的一端连接有套管短节4，以用于安装扶正器3，将扶正器3安装在套管短节4上，一方面能够在套管下入过程中，保证下入套管柱居于井筒中心位置；另一方面，与将扶正器3安装在套管外的结构相比，由于扶正器3通过连接部2限位于套管短节4处，在组合套管下放、上提的过程中，可使扶正器3在滑动的过程中不与设置在套管外的橡胶筒1接触，进而避免扶正器3与橡胶筒1接触产生相对位移时造成橡胶筒1的损坏，以保证组合套管的完整性；且该套管组合将橡胶筒1与扶正器3分别安装在套管和套管短节4上，不用考虑橡胶筒1在进行膨胀时会受到扶正器3的内径的影响，即在组合套管的应用时能使橡胶筒1完全膨胀，且随着吸水膨胀橡胶厚度的增大，橡胶可以吸收的断层滑动量变大，进而使套管变形量随之减小，从而实现断层滑动引起的套管大变形问题，以充分对内管进行保护，对油气井开发过程中的降本增效有重要意义；且本发明实施例的组合套管串的结构简单，解决了在套管外安装橡胶筒1的情况下扶正器3的安装问题。
45.其中，对于套管短节4的主体长度大于大钳钳口的深度和扶正器3高度之和，所述大钳钳口的深度是指在进行套管短节4的安装时，用于夹取套管短节4所需要的深度。一般大钳分为上钳、下钳两部分，下钳卡紧下部管体或接头，上钳卡紧上部管体或接头后进行旋转安装，此处所指的大钳钳口深度为上钳和下钳的钳口的深度之和；其中套管短节4的主体长度为套管短节总长度减去两端螺纹长度后的长度；设置套管短节4的主体长度大于大钳钳口的深度与扶正器3高度之和，为套管短节安装时打大钳留出足够空间，便于现场下套管施工，同时可为扶正器4的移动留出空间。
46.进一步的，套管短节4的主体长度小于大钳钳口的深度和两倍扶正器高度与之和；在组合套管串中，由于套管短节4处没有橡胶筒，无法吸收断层/天然裂缝引起的地层滑移，故需套管短节的长度在给现场施工和扶正器留足空间的同时，要是套管短节4保持在合适的长度，以避免由于套管短节的长度过长而在套管短节处发生套管变形。
47.如对于套管外径为139.7mm的组合套管串，套管短节4的主体长度可为0.7m，大于扶正器3高度250mm与大钳钳口深度420mm之和，小于两倍扶正器高度500mm与大钳钳口深度
420mm之和。
48.在一个可选的实施例中，套管短节的套管强度不低于q125钢级套管强度，以更好的适用于井下的施工环境。
49.可选的，选择的套管短节4外径可与套管的外径相等；进一步的，在进行套管短节4的选择时，除其长度与套管的长度不同外，其余规格可与套管的参数相同，以更好的实现在扶正器对套管的限位效果，其中，套管短节的其余规格可包括套管短节的外径、壁厚等参数。
50.在一个可选的实施例中，连接部2可为接箍，套管短节4及套管与接箍之间通过螺纹连接，且接箍的外径大于扶正器3的内径，以防止扶正器3在发生滑动的过程中，滑至套管组合的外侧与橡胶筒1相接触。需要说明的是，对于连接套管短节4套管的连接部2，可为接箍，也可为其他的连接结构，只要能实现套管短节4与套管之间的连接，且能起到对扶正器3的轴向定位作用即可，本发明实施例对此不作具体限定。
51.可选的，组合套管及套管短节4设置为多段时，套管短节4与组合套管交替连接，即在组合套管串的下入过程中，先下入组合套管，再下入套管短节4，并将扶正器3套于套管短节4上，往复循环直至橡胶组合套管串全部下入完成。
52.在一个可选的实施例中，该组合套管串还包括：扶正器3，扶正器3套接于套管短节4上，且扶正器与套管短节之间为间隙配合，以利用扶正器使下入井筒的组合套管串处于井筒的中心位置；其中对于扶正器3的类型，本领域技术人员可根据现场需求进行选择，本发明实施例对此不作具体限定，如可选择刚性扶正器，具体的，可选择刚性滚轮扶正器3，刚性滚轮扶正器3的结构参照图4和图5所示，以保证下入的橡胶组合套管串居于井筒中心位置。对于扶正器3的尺寸可根据套管尺寸及相关规定进行选择，如对于套管外径为139.7mm的组合套管串，可选择刚性滚轮扶正器3的最大外径为205mm，主体外径为200mm，内径为143mm，高度为250mm。
53.本发明实施例提供的套管组合，包括橡胶筒1和套管两个部分，利用橡胶的吸水膨胀性，吸收压裂过程中，高风险裂缝/断层发生滑动引发的滑动变形，从而保护内层套管不受影响。
54.在套管外套接橡胶筒1增加了套管下入时的阻力，为了减少阻力，对于橡胶筒1可选用特殊材料的遇水膨胀橡胶，即橡胶筒1仅在固井水泥浆稠化过程中吸水膨胀。
55.在橡胶筒1的选择时，对于橡胶筒1的厚度可选择为5mm-12.7mm，对于橡胶筒1的长度可以与套管主体的长度相同；其中，套管主体长度为套管总体长度减去两端螺纹长度后的长度，将橡胶筒1与套管主体长度设计的相同能够更好的对套管进行保护；对于橡胶筒1的内径可选择不小于套管的外径，以便于将橡胶筒1套接在套管上；如对于套管外径为139.7mm、套管主体长度为10m、壁厚为12.7mm的组合套管，橡胶筒1的长度可为10m，与套管主体长度一致，内径可为139.7mm，等于所用套管的外径，壁厚可为12.7mm。
56.本发明实施例还提供一种上述的组合套管串的下入方法，当组合套管串包括多段组合套管及套管短节状态下，包括：
57.将组合套管的一端下入井中；
58.下放套管短节至距离第一组合套管的另一端为第一预定距离，将扶正器套接在套管短节上，并使扶正器保持不动继续下放套管短节至距离组合套管的另一端为第二预定距
离，将套管短节与组合套管对扣，驱动液压大钳，上扣，并下放套管短节和第一组合套管使套管短节的一端入井；
59.下放下一个组合套管至距离套管短节的另一端为第三预定距离，将橡胶组合套管与套管短节对扣，驱动液压大钳上扣，并下放该组合套管与套管短节使组合套管的一端入井；其中对于第一预定距离、第二预定距离及第三预定距离的具体距离长度，可根据施工现场的实际需要进行选择，本发明实施例对此不作具体限定。
60.重复下放套管短节的步骤，直至组合套管串下入完成。针对组合套管串的下入方法，本发明实施例对某深层页岩气井进行套管外径为139.7mm的组合套管串下入施工，组合套管串的套管壁厚12.7mm，套管长度11.350m；橡胶筒外径165.1mm，橡胶筒壁厚12.7mm，橡胶筒长度10.968m为例，对其下入步骤进行示例性说明：
61.(1)通过转盘孔和防喷器将组合套管的一端下入井中；
62.(2)下放套管短节，当套管短节一端(公扣端)距离井口组合套管另一端(接箍端)0.5米时，刹车；其中，套管短节参数：套管外径139.7mm，套管壁厚12.7mm，套管长度0.882m；
63.(3)将刚性滚轮扶正器套接在套管短节上，并扶正器保持不动，继续下放套管短节，当套管短节公扣端距离井口橡胶组合套管接箍0.2米时，刹车；其中，刚性滚轮扶正器参数：最大外径205mm，主体外径200mm，内径143mm，长度250mm；
64.(4)将套管短节与橡胶组合套管对扣，并驱动液压大钳，上扣。
65.(5)将组合套管和安装有刚性滚轮扶正器的套管短节的一端通过转盘孔和防喷器下入井中。
66.(6)下放下一个组合套管，当套管组合的一端(公扣端)高出井口套管短节另一端(接箍)0.2米时，刹车。
67.(7)将该组合套管与套管短节对扣，并驱动液压大钳，上扣。
68.(8)通过转盘孔和防喷器将套管短节与该组合套管的一端下入井中。
69.(9)重复步骤(2)-(8)，直到把组合套管串全部下入完成。
70.对于上述套管组合及套管短节的部分下顺序如表1所示。
71.表1套管外径为139.7mm的组合套管串下入井筒顺序表(部分)
[0072][0073]
需要说明的是，表中壁厚是指套管短节、套管和橡胶筒的厚度；需要注意的是，表中只是对下入的部分组合套管串进行示例性的说明，其余套管短节及套管组合的下入与上述过程一致。
[0074]
本发明还提供一种上述用于预防套管大变形的组合套管串在天然气开采技术领域的应用。
[0075]
本发明实施例提供的用于预防套管大变形的组合套管串，适用于天然气开采技术领域，尤其适用于水力压裂作业中，在保证橡胶筒完整性的前提下，解决了橡胶组合套管的扶正器的安装问题，使橡胶筒可以完全膨胀，且扶正器可以在套管短节两端接箍之间自由移动，不会与橡胶筒相接触，使组合套管完全发挥作用，从而预防断层/裂缝滑动引起的套管变形问题，对油气井开发过程中的降本增效有重要意义。
[0076]
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
[0077]
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
[0078]
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施
例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

技术特征：
1.一种用于预防套管变形的组合套管串，其特征在于，包括：至少一段组合套管及套管短节；所述组合套管包括：套管及套接在所述套管外的橡胶筒；所述套管短节与所述套管之间通过连接部相连，所述套管短节用于安装扶正器，以使下入井筒的所述组合套管处于井筒中心位置；且所述扶正器通过所述连接部进行轴向限位。2.如权利要求1所述的组合套管串，其特征在于，所述套管短节的主体长度大于大钳钳口的深度与所述扶正器高度之和。3.如权利要求2所述的组合套管串，其特征在于，所述套管短节的主体长度小于大钳钳口的深度和两倍所述扶正器高度之和。4.如权利要求1所述的组合套管串，其特征在于，所述套管短节的套管强度不低于q125钢级套管强度。5.如权利要求1所述的组合套管串，其特征在于，所述套管短节的主体外径与所述套管的主体外径相等。6.如权利要求1所述的组合套管串，其特征在于，所述连接部为接箍，所述套管短节及所述套管与所述接箍之间通过螺纹连接，且所述接箍的外径大于所述扶正器的内径。7.如权利要求1所述的组合套管串，其特征在于，所述组合套管及所述套管短节设置为多段时，所述套管短节与所述组合套管交替连接。8.如权利要求1-7任一所述的组合套管串，其特征在于，还包括：扶正器，所述扶正器套接于所述套管短节上，且所述扶正器与所述套管短节之间为间隙配合。9.如权利要求8所述的组合套管串，其特征在于，所述扶正器为刚性扶正器。10.一种如权利要求1-9任一所述的组合套管串的下入方法，其特征在于，当所述组合套管串包括多段组合套管及套管短节状态下，包括：将组合套管的一端下入井中；下放套管短节至距离第一组合套管的另一端为第一预定距离，将扶正器套接在套管短节上，并使扶正器保持不动继续下放套管短节至距离第一组合套管的另一端为第二预定距离，将套管短节与组合套管对扣，驱动液压大钳上扣，并下放套管短节和组合套管使套管短节的一端入井；下放下一个组合套管至距离套管短节的另一端为第三预定距离，将组合套管与套管短节对扣，驱动液压大钳上扣，并下放该组合套管与套管短节使组合套管的一端入井；重复下放套管短节的步骤，直至组合套管串下入完成。11.一种如权利要求1-10任一所述的用于预防套管大变形的组合套管串在天然气开采技术领域的应用。

技术总结
本发明公开了一种用于预防套管变形的组合套管串及其下入方法和应用，该组合套管串包括：至少一段组合套管及套管短节；组合套管包括：套管及套接在套管外的橡胶筒；套管短节与套管之间通过连接部相连，套管短节用于安装扶正器，以使下入井筒的组合套管处于井筒中心位置；且扶正器通过连接部进行轴向限位。该组合套管串的结构简单，能够解决组合套管下入过程中橡胶结构被破坏的问题，即解决了在套管外安装橡胶筒的情况下扶正器的安装问题，且扶正器在进行安装时不与橡胶筒进行接触，能够使橡胶筒充分吸水膨胀，进而可以预防断层滑动引起的套管大变形问题。套管大变形问题。套管大变形问题。


技术研发人员：陈朝伟 赵庆 项德贵 谭鹏 刘伟 房超 翟文宝 冯枭 杨子轩 何伟红 任乐佳
受保护的技术使用者：中国石油集团工程技术研究院有限公司 北京石油机械有限公司
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/10/11