一种降低套管剪切变形的套管装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种降低套管剪切变形的套管装置及其使用方法，属于油、气开采技术领域。

背景技术：

油、气开发中的复杂构造地质条件使得地层断层和裂缝非常发育，特别是多级压裂过程中，压裂液进入天然裂缝或者层理弱面后，容易导致断层发生滑移引起的套管剪切变形。通过微地震测量结果表明，某些地区套管变形井53.6％的变形点处在天然裂缝带处，说明断层滑移引起的剪切是套管变形的主要形式。套管损坏后，导致压裂封堵桥塞或其他井下工具下入遇阻，不能到达预定位置，致使作业时间延长，严重时甚至被迫放弃部分压裂井段，给油田造成了巨大的经济损失。

目前，还未找到预防套管剪切变形的方法，也未找到如何降低剪切套管变形的良好措施。现场作业时最常用的方法有两种，分别是增加水泥环厚度和增加套管厚度，但这两种方法均仅能很有限的降低套管变形量，依然无法下入封堵桥塞或其他井下工具。因此，当前迫切需要一种降低套管剪切变形的方法，以解决因套管剪切变形无法下入作业工具的难题。

因此，一种减低因地层裂缝带滑移引起的套管剪切变形方法及其套管装置有待研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于：克服现有技术存在的缺陷，提供一种降低套管剪切变形的套管装置及其使用方法，该套管装置及方法可大大降低因地层裂缝带发生滑移时引起的套管变形，解决无法下入作业工具的问题。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

一种降低套管剪切变形的套管装置及其使用方法，所述套管装置设于裂缝带所在位置的井筒，包括套管，设置于套管两端外壁的上扶正器和下扶正器，所述套管的外壁设有金属层，所述金属层的外壁设有遇水膨胀橡胶层。

本发明的金属层和遇水膨胀橡胶层组合方式不同，金属层和遇水膨胀橡胶层为径向叠加，增加了缓冲层的厚度，缓冲层即为金属层和遇水膨胀橡胶层，缓冲层越厚，对套管的保护效果就越明显，使得在地层发生滑移时，套管变形更小。

进一步的，所述遇水膨胀橡胶层的内侧壁与金属层外侧壁啮合，通过粘接固定于金属层外壁。

进一步的，所述金属层外壁呈带螺旋状、波纹管状、双壁管状或网状管。

进一步的，所述波纹管状的金属层为花瓣形波纹管。

本方案的金属层和遇水膨胀层的结构设计相较于现有技术有较大的改进，现有技术的套筒采用金属网，通过膨胀橡胶来径向扩张金属网层，该设计的缺点是膨胀橡胶弹性模量低，轴向可压缩性强，所以轴向不稳定，金属层可能出现不能被撑开，或者撑开后又收缩回去的技术缺陷。现有技术的套筒装置无密封性，在固定过程中水泥会侵入金属网层，使得有效的缓冲层厚度变薄，对套管的保护性性能变差。现有技术的金属层为金属网格，其缺点是径向刚度差，在固井过程中可能直接压溃金属层，或者在井筒发生蠕变时，不能实现其更佳的固井效果，导致井筒掉块或塌陷等危险的出现。所以本方案对金属层和遇水膨胀层的结构进行改进，遇水膨胀橡胶层的内侧壁与金属层的外侧壁啮合更紧密，且轴向更稳定，金属层和遇水膨胀层与水泥浆形成一体式，提高套管装置的强度和径向稳定性，当剪切力产生时，该剪切力消耗于金属层和遇水膨胀层，保护套管不受损坏。

进一步的，所述套管的上、下端各至少设置一个上扶正器和下扶正器。该设计保证了工具更好的下入，同时保护了套管组合在下入过程中不与井壁发生膨胀，既保证工具，也保护了井筒。

进一步的，所述上扶正器和下扶正器的外径均大于遇水膨胀橡胶层外径。扶正器的规格依据井筒的型号做适应性选择即可。

进一步的，所述金属层径向压缩刚度小于套管径向压缩刚度。依据《sy/t6194-1996套管和油管》的标准选择适宜的套管和对应的金属层。金属层径向压缩刚度小于套管径向压缩刚度，同时也能抵抗非地层滑移时的径向力。

进一步的，所述遇水膨胀橡胶层为低杨氏模量材料。

进一步的，一种降低套管剪切变形的套管装置的使用方法，包括如下步骤：

1)通过微地震方法确定地层中裂缝带所在位置的井筒；

2)下入套管装置，且所述套管装置到达裂缝带所在位置处，对井筒进行水循环，使得遇水膨胀橡胶层膨胀；

3)向套管和井眼环空注入水泥，完成固井作业。

进一步的，步骤1)和步骤2)之间，还包括以下步骤：对裂缝带所在位置的井筒进行扩眼，且扩眼后的井筒内径保证该位置能形成更厚的水泥环；所述遇水膨胀橡胶层膨胀后的外径小于扩眼后的井筒内径。

本发明的有益效果：

1)在井筒裂缝带增加水泥环厚度，在套管外侧增设具有径向可压缩性的金属层和遇水膨胀层，在地层滑移时可通过牺牲水泥环、增设的金属层和遇水膨胀层，有效防止或减小因地层滑移而引起的套管剪切变形。

2)本发明的装置及方法仅需对地层裂缝带所在的井筒位置作业，具有针对性，大大减少作业工作量。

3)本发明的装置及方法相比现有方法工序简单，安装方便，且能有效地解决因套管剪切变形导致的作业工具无法下入的问题。

附图说明

图1为本发明的套管装置入井后的半剖视图；

图2为本发明的遇水膨胀橡胶膨胀后的套管装置入井后的半剖视图；

图3为本发明的呈带螺旋状金属层的套管装置局部剖视图；

图4为本发明的呈波纹管状金属层的套管装置纵向剖视图；

图5为本发明的呈花瓣形波纹管状金属层的套管装置横向剖视图；

图6为图5的a-a视图；

图7为本发明的呈双壁管状金属层的套管装置纵向剖视图；

图8为本发明的呈网状管状金属层的套管装置纵向剖视图；

图中：1-套管，2-上扶正器，3-金属层，4-遇水膨胀橡胶层，5-下扶正器，6-地层，7-裂缝带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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。

实施例1

一种降低套管剪切变形的套管装置及其使用方法，如图1-3所示，所述套管装置设于裂缝带7所在位置的井筒，包括套管1，设置于套管1两端外壁的一个上扶正器2和一个下扶正器5，所述套管1的外壁设有金属层3，所述金属层3的外壁设有遇水膨胀橡胶层4。

所述遇水膨胀橡胶层4的内侧壁与金属层3外侧壁啮合，通过粘接固定于金属层3外壁；所述金属层3外壁呈带螺旋状。所述金属层3由凸形截面金属带螺旋缠绕于套管1外侧而成，遇水膨胀橡胶层4由金属层3啮合的橡胶带螺旋缠绕于金属层3外层而制得。

所述上扶正器2和下扶正器5的外径均大于遇水膨胀橡胶层4外径。

所述金属层3径向压缩刚度小于套管1径向压缩刚度。

所述遇水膨胀橡胶层4为低杨氏模量材料。

一种降低套管1剪切变形的套管1装置的使用方法，包括如下步骤：

1)通过微地震方法确定地层6中裂缝带7所在位置的井筒；

2)下入套管1装置，且所述套管1装置到达裂缝带7所在位置处，对井筒进行水循环，使得遇水膨胀橡胶层4膨胀；

3)向套管1和井眼环空注入水泥，完成固井作业。

如图2所示，若地层6裂缝带7发生滑移时，增加的水泥环厚度会降低套管1组合的剪切变形。当套管1组合开始发生剪切变形时，低杨氏模量材料的遇水膨胀橡胶层4首先发生径向变形，然后金属层3发生径向变形。当遇水膨胀橡胶层4和金属层3均无法抵消地层6滑移的径向变形时，套管1才发生径向变形。这样，通过加厚水泥环的缓冲作用，牺牲遇水膨胀橡胶层4和金属层3的变形，有效降低了套管1的剪切变形，解决了井下工具无法下入的问题。

实施例2

基于实施例1，在步骤1)和步骤2)之间，还包括以下步骤：对裂缝带7所在位置的井筒进行扩眼，且扩眼后的井筒内径保证该位置能形成更厚的水泥环；所述遇水膨胀橡胶层4膨胀后的外径小于扩眼后的井筒内径。

实施例3

如图4所示，本实施例中所述金属层3和遇水膨胀橡胶层4为波纹管，其余结构及其使用方法与实施例1一致。

实施例4

如图5和图6所示，本实施例中所述金属层3为花瓣形波纹管，遇水膨胀橡胶层4为与金属层3啮合的内波纹管，其余结构及其使用方法与实施例1一致。

实施例5

如图7所示，本实施例中所述金属层3为双壁管，遇水膨胀橡胶层4为橡胶筒，其余结构及其使用方法与实施例1一致。

实施例6

如图8所示，本实施例中所述金属层3为网状管，遇水膨胀橡胶层4为橡胶筒，其余结构及其使用方法与实施例1一致。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。