本发明涉及用于抽井的钻井和完井的工具和方法，尤其是，本发明涉及在套管下井，特别是下到斜井后，能用于可靠地释放连接于套管的钻柱。 一个斜井可定义为井眼，它有一个与垂直方向成大角度的主要部分，通常有一个短的垂直部分，接着是很长的、近似水平的部分。其结果是，井的底部比较浅（即小于3000英尺），但是井的底部从井顶开始水平移动了很远的距离（即大于5000英尺）。
当钻一个典型的油井时，要用旋转的钻柱和连接的钻头，并结合钻井泥浆以钻一个井眼。钻了井眼后，套管可以下到井眼，并横跨非生产层段，和/或衬管下到井眼，并横跨生产层段。在下井操作期间，连接于钻柱或工作柱的衬管或套管（或其它管）可以取下。
下套管通过斜井会遇到困难，因为在套管和井眼壁之间有摩擦。由于套管和钻杆的重量会对着近似于水平的井眼壁的产生阻力。该阻力会引起严重的问题。
已经知道的许多方法用以克服阻力问题。在下套管期间，已采用增加钻井泥浆的润滑来降低由于阻力而产生地摩擦。下套管也需要一个浮动腔，如美国专利No4986361（引用结合在本发明中）所述的，以减少有效重量从而减少阻力。然而，浮动腔会妨碍钻井泥浆的流动。甚至在降低了有效重量情况下，下一个浮动的干套管（没有钻井泥浆循环）会抵消由降低有效重量而得到的任何降低阻力。
还有，在套管下井时，将套管下到斜井的常规工具还不能转动套管。一旦套管到位后，常规使用的一个旋转方向从套管释放下套管用的工具。旋转的转矩和柱重的振荡会引起常规接头过早的松开。其它常规工具在下套管后可以旋转，但这些工具要求间断操作，并且也不允许流体（即钻井泥浆或水泥浆）流过该工具。
一旦套管下到位，通常更换不允许流体流动的工具，从而灌入水泥浆以便将套管固定到井眼壁。水泥浆是用泵打入，通过钻杆，工具、套管并进入套管和井眼壁之间的井眼环形空间。通常水泥浆灌到井下，接着是钻井泥浆或其它由泵打入的流体。泵打入的流体和水泥浆，通常用顶塞或钻杆刮塞将其分隔开，刮水器通过钻柱，释放工具和大部分的套管。刮塞通常停止或落入靠近套管的底部，在止塞箍处。止塞箍和落入的刮塞可以阻止水泥浆的进一步流动，直到水泥凝结。一旦套管固定之后，套管松开钻管，并且从井眼移出钻管。然后在油井投产前，将其余的水泥、浮鞋、刮塞以及浮箍从井中移走。
由于这些工具的局限性，通常在下套管期间它们不可能浮动、转动和使润滑液体流动，并且在至少没有间断操作和改换工具的情况下，使水泥浆流动，水泥浆的定位、凝固和固定套管。此外，通过接近水平的工具和套管到止塞箍的刮塞的可靠性可能达不到所要求的高度。例如，工具会阻塞，并且在通过套管前拦住刮塞，阻止已接受的泥浆充填井眼环部和水泥的注入。其结果是，导致井眼环部的密封不完全，以及不能释放套管和移出工作柱。
本发明提供一种经济和高可靠性的系统和方法，它用于从套管上分离钻柱，尤其是，在下套管期间，该套管已被转动和浮动，然后在井下被定位和灌水泥。本系统的设备包括一较小直径的管柱或注水泥插头，它从释放工具延伸到套管内，在注水泥插头和套管之间形成环状空间。注水泥插头包括通道管接头和在通道管接头下游的密封座组件。用制动/密封组件密封环状空间，它在密封座组件的下游，靠近注水泥插头的顶端。靠近插入管的底部，一个衬管刮塞连接于注水泥插头，它允许流体通过注水泥插头，并且循环返回井眼环部。该系统也包括一液压释放工具，或第一接头，它由液体压力控制，一个第二接头或安全释放工具，以及一个膨胀式封隔器（或其它套管顶部装置），它用于在井眼内固定和密封该系统。下套管后，水泥浆段塞被泵入井眼环部和通过带眼接头以安置套管顶部装置，以便将套管定位，并加固和合适地封住。然后驱动释放工具，从注水泥的套管上松开钻柱，并在油井投产前（即产油）取出钻柱。
如果衬管刮塞不能落到和密封止塞箍和浮箍的座上，那么在套管的顶部将常常不可能设置流体驱动装置。在水泥浆提供一个背压力密封后，将带有下放装置的容积式刮塞插入一个测量的容积的流体中，以便形成推动套管顶部装置的流体。刮塞落到座组件，堵塞座下游的插入管流体通道。堵塞的流体保证水泥浆合适地定位，也允许提高施加套管顶部装置和液压释放工具上的压力。如果提高的流体压力仍然不能释放第一接头。那么当施加增大的轴向力和/或流体压力时，可以释放安全接头。
本发明避免需要常规的衬管刮塞（即提供可靠的后备用），它密封于座装置。因此，如果衬管刮塞组件不能密封座装置。那么驱替过程将继续直到使阻塞的刮塞（即落下装置）落到通道管接头的下面的座组件上。这样会发生在水泥均衡之前，从正在移动的套管外面流到并留在套管的里边（从而导致不能封住衬管的底部）。本发明提供可取走的注水泥插头、插塞、插座，在与水泥上面的第二流体浆结合，以便使水泥到位并使其凝固。取出钻柱，同时也能取出连接的注水泥插头（和管塞）。
在下套管期间，当润滑液流动时，本系统和方法允许浮动的套管旋转。在没有明显的间断和更换工具的情况下，使水泥浆流动，然后流到套管的下面，通过套管顶部装置以凝固水泥（即膨胀封隔器的膨胀/不膨胀），然后完成释放。该系统允许流动直到水泥浆合适地流到套管的下部，然后在允许流体流动以便安置套管顶部装置的同时，限制其流动可以可靠地提高压力以便驱动液压释放工具。还提供后备高转矩的安全接头以便达到更为可靠。在注水泥过程中，工具组件也允许套管转动和轴向上下运动，以便可靠地灌入井眼环部并除去气泡。
附图示出一个分开的、液压释放系统的半剖视图，特别适合于下套管，灌水泥和释放连接的工作管柱。
为了保证中空活塞驱动的、如在1991年3月26日申请的英国专利No07/626266中所描述的可靠操作，一种管塞或刮塞落到活塞上，以便使流体停止流动。停止了流体流动和由于装上了管塞而增加表面积，提供了附加力以移动活塞并且释放工具。
然而，一旦管塞落在活塞上时，将无法控制下游的压力。由于活塞上装有管塞，用膨胀式封隔器定位或固定套管这个重要的功能将会损失。虽然封隔器不是重要的，但它有助于确保套管得到较好的固定。最好的实施例是提高施加于释放工具的中空活塞上的力，而不损失膨胀式封隔器的功能。
参看图1所示，释放系统2将钻柱或工作柱3连接于套管（或其它管）4。释放系统包括像管道或空腔件的外柱和内柱。外柱和内柱的顶上是第一释放接头，即液压释放工具5（连接于钻柱3的下端），它由液压的流体压力控制。在外柱的下孔端连接有第二释放接头，即安全释放工具6、膨胀式封隔器7，并且一制动/密封组件8连接于套管4。在这些零件内，一个较小直径的注水泥插头或内管柱9也连接于液压释放工具5。内管柱9包括一通道管接头10和座组件11。
内管柱9和组件外管之间形成第一内环，即第一环状空间12，其顶部用第一释放接头3封住。内管柱9用制动/密封组件8可以支承在第一环状空间12的底部，但是不管支承或是不支承，制动/密封组件8构成了第一环状空间12的底部密封。制动/密封组件8也构成了在管柱9和套管4之间的第二环状空间，即气环13的顶部密封。气环空间13的底部由套管顶塞14封住，它连接于管柱9的下端，虽然气环最好是注以空气，但也可以抽空或充以其它液体，液体的密度最好低于钻井泥浆或其它泵抽送的液体。
液体释放工具5的最佳实施例如1991年3月26日申请的美国专利No07/626266所描述的，并在本发明中被引用作为参考。该工具5包括一剪切组件15和一个连接下放工具头16。剪切组件15和下放工具头16具有使用于钻井和完井的工作液体流过的轴向通孔。
剪切组件有四个径向伸出的挡块18，当伸出时，剪切组件连接于下放工具头，当缩回时，松开两挡块，如果活塞17是处于图示的固定位置，活塞17能使使和保持挡块18向外伸出的位置。由于多个剪切销19使活塞保持图示的固定位置。
由于驱动的流体压力切断剪切销19，使活塞17的不相似的前部和尾部表面产生力，使得活塞17产生轴向运动，并且挡块缩回到活塞的径向凹处。这些剪切销19从活塞17伸到组件15内。
下放工具头16具有插座以便容纳伸进的挡块18，挡块可释放地连接下放工具头16至组件15。挡块可以是倒角的，依靠下放工具头挡块能容易地进行轴向接合，并且当挡块缩回力（即由弹簧或驱动臂提供）不足时，它有助于挡块缩回。另一种是，当其它旋转或转换力施加于这些面时，挡块其它面的其它倒角也能提供缩回力。
在对该系统的其余部分进行详细描述之前，将对运用于下套管的液压释放工具的操作，作简要的说明。
通过连接挡块18，使剪切组件15和下放工具头16连接在一起，通过钻杆3转动释放工具5，钻杆连接于下放工具头16，该下放工具头传送力矩和转动套管4。当套管旋转时，并且同时润滑液如钻井泥浆从地面通过内腔或组件的流体通道向下流，并经由井眼环状空间（如箭头A所示）重返回到地面时，套管4能被下到井眼。因此，在井眼壁和套管之间的转动摩擦力将会小于当套管不被润滑、旋转或移动时的摩擦力（即较高的静态摩擦将产生较高的制动力）。由于旋转和润滑，在高角度、斜井中产生的摩擦问题已基本上被克服。
下面继续详细说明，下放工具头的下端部连接于安全释放接头，即工具6的上端部。安全释放工具6的最佳实施例如1990年9月27日申请的美国专利No07/589321所描述的，并且在本发明中被引用作为参考。在安全工具6的可分离零件的槽配合表面20的槽舌可以用罩21（为了清晰用虚线表示）保护。剪切销22也用于保持连接的接头直到足够的轴向拆开牵引力和/或压力切断剪切销22为止。按上述常规的要求设计压力和/或力以便下套管4，和释放所用的液压释放工具5。
安全工具6的下端部连接于膨胀式封隔器或其它套管顶部装置7的上部。在最佳的实施例中，膨胀式封隔器可以从K&M企业获得，它位于加利福利亚的Bakersfield。封隔器可以密封井眼的环状通道，并且在井眼23内用作套管4的顶部固定。
膨胀式封隔器是许多套管顶部装置中的一种，用以定位或固定套管。封隔器包括可膨胀的膜片24，它可膨胀密封在系统2的外部和井眼23之间的环状通道（为了清晰仅部分示出）。流到膨胀膜片24（为了清晰图示的是未膨胀的，当膨胀时用虚线表示）的流体从内管柱9通过通道接头10的流通口25得到供应。通过流通口25后，流体进入第一内环12，并且从径向流到膨胀的膜片24。流通口25可以另外包括一个阀或其它装置以保持密封的压力，直到释放为止（未示出）。阀最好是压力驱动的二通阀（开和关）。
膨胀式封隔器7的下端部是与制动/密封组件8的上端部连接。在最佳的实施例中，制动/密封组件可以从位于加利福尼亚的，Bakersfield的K&M企业获得。制动/密封组件8主要用于密封，但也可以将内管柱9支承在一承载表面上，它可以经封隔器7、安全接头6和第一释放工具5传送任何轴向载荷到钻柱3。传送载荷改进了系统的可靠性，特别是对于长的内管柱9和长的气环空间13。径向凸缘，或定中心器26，它有助于组件往井眼23内对中。因此，当套管在孔内旋转时可以保护套管顶部不会受到损坏或摩损。当释放工具5释放和移出时，制动/密封组件8也允许管柱9移走（通过牵引）。在释放之前，在上述移动过程中，套管顶塞14被抽到了底部。套管顶塞是可以变形的，以适应若干个不同的内径。套管顶塞也可以从内管柱9中分离出，以便让内管柱移走。
制动/密封组件8的连接表面也构成了第二空腔即气环空腔13的最高的密封。该空腔通常是伸到套管长度的大半部。（图示的套管4的长度不具有代表性）当下井操作中，气环空腔13和为使用它以减少阻力的方法，另外描述在1990年8月22日申请的美国专利No07/569691中，并在本发明中被引用作为参考。
当套管被下到井眼中，通常开始要进行安装和灌水泥操作。水泥浆被送入钻柱3并排放到井下。水泥浆被压平以便使套管4固定到井眼23的壁上。虽然不需要，但用固体粒子分离器或钻杆刮塞（一般包括弹性体化合物并是环状的，为了清晰未示出），水泥浆也可以从其它流体中分离出。钻杆刮塞可以从加利福利亚Bakersfield的K&M企业获得。钻杆刮塞通过钻杆移动，并最后插入到套管顶塞中。然后提高压力（通常接近1000psig或69.0大气压），以切断连接套管顶塞与注水泥插头组件的销。
在钻杆刮塞后，带有落下装置的容积式刮塞引入并且至插入体积（即在水泥浆/钻杆刮塞和剩余的排出/容积刮塞之间的第二流体）。大致的插入体积最好是等于在座组件11下面的管柱9和套管体积（不包括气环13）。如果使用，钻杆刮塞和套管顶塞的结合，可以从后来流入到钻柱3的流体中分开最上面部分的水泥浆，最后落到靠近于套管4底部的止塞箍和/或浮动箍/浮鞋组件（未示出）或套管顶塞（和刮塞止塞箍）14，所以水泥浆基本上是在套管4和井眼壁23之间。套管可以进一步浮动或轴向地往复移动以均匀分布水泥浆，使可靠地涂复在井眼的环壁上，并且从水泥浆中排走气泡。套管顶部装置7用以密封井眼环状空间和固定套管于井眼中。
一旦固定和/或灌水泥操作基本完成，将钻柱3内的液体压力提高到足以切断剪切销19，并使活塞17向下移动。如果活塞向下移动，即出现释放挡块18。挡块被移动或向内驱动。从而松开连接的下放工具16。
实施例
类似于上述的一个系统，在把组件带到要下套管的井之前，一般是把组件部分装配好或预先装配好。用于该实施例的套管的标称直径为7英寸（17.8cm），厚为0.0408英寸（0.1036cm），钻柱由42英尺（1.28m）长的套管做成。该系统使用一个7英寸（17.8cm）标称K&M液压释放工具，一个K&M7英寸（17.8cm）标称整体铸造的封隔器（ICP），作为套管顶部固定和井眼环状空间密封，一个8 3/8 英寸（21.27cm）标称带槽的制动/密封组件，一个3 1/2 英寸（8.89cm）标称通道管接头，一个3 1/2 ×2.50英寸（8.89×6.35cm）标称座组件，一个3 1/2 英寸（8.89cm）标称直径的内管柱，一个7英寸（17.78cm）标称浮鞋，一个7英寸（17.78cm）标称浮箍，和一个7英寸（17.78cm）标称套管顶塞。
大致的表面设计驱动和/或剪切压力如下：
用刮塞封住的套管顶塞
……1000psig（69大气压）
在ICP上的开启阀
……1500psig（103大气压）
在ICP上的截止阀
……1200psig（83大气压）
在座上不带容积式刮塞的液压释放工具
……2200psig（151大气压）
在座上带容积式刮塞的液压释放工具
……2200psig（151大气压）
最大负荷额定值
……340，000磅（764388达因×106）
最大转矩额定值
……110，000ft-1bs（81，121焦耳）
安全接头
……180，0001b（404，676达因×106）
收集浮鞋和浮箍（最好是至少两个浮鞋），并将其组装，即装到靠近套管的最底部的端面。组装套管顶塞/止塞箍至套管，在浮箍上有一套管接头。收集剩下的套管和较小直径的管柱并下到井里。改变升降机至5英寸（12.7cm）标称直径的升降机后，组装ICP，安全接头和带有横穿过底部的制动/密封组件的液压释放头至套管和较小的管柱，在液压释放工具顶上组装钻井减震器和钻柱，并且当组件旋转时套管下到井底。如果需要，在下套管时，也可以进行钻井泥浆的循环。
下套管后，将水泥浆灌入组件内，并在水泥浆后用钻杆刮塞落入。接着灌入钻井泥浆以代替水泥浆，直至刮塞落到套管顶塞上。在置换期间，在钻杆刮塞之后投入容积式刮塞，如果钻井泥浆的容积等于在止塞箍下面的套管容积，大约损失1bb1（159升）。如果套管顶塞碰撞到止塞箍，表面流体压力升高到2300psig以开启和膨胀ICP。压力保持大约为5分钟，然后提高压力并降低到排放压力，并锁住封隔器。流体压力再次提高到大约2200psig以释放液压释放工具。释放将通过增加（即提高流量）循环和减少旋转组件的转矩而显示出。然后，钻柱（和组件的连接部分）从液压释放工具的下放工具头（和连接的零件，包括固定的套管）中撤出。
如果套管顶塞没有撞击，容积式刮塞将落入在通道管接头下面的座组件中。压力是随着上述封隔器的膨胀和形成而变化，然后从钻柱释放套管。如果液压释放工具没有得到释放，提高流体压力和/或施加足够的表面牵引力，以释放安全接头。
液压释放系统的另外实施例可以包括：使用其它压力驱动装置以释放连接头，例如装在驱动活塞的流体旁流上游的切断圆盘。并且避免需要剪切销，或是连接于锁紧机构的波登管，或是驱动筒形线圈控制的脱钩装置的压力变换器信号;使用其它压力驱动装置用以定位、固定/或密封内管柱，例如弹簧承载径向活塞或从套管延伸到井眼壁的探测器，在那里提高压力有助于探测器伸到待测的位置;除去套管顶塞，并在气环中，根据方位和密度不同去容纳空气;另外有更多的凸缘或定中心器设在套管和/或工具的外表面以便定位靠近井眼中部的套管的其它部位;用释放工具和单独能驱动的封隔器或其它液体驱动的装置以连接钻头（即使流到钻头的流体被堵塞）并加固。如果钻头被卡住，即释放钻头。
本发明最佳的实施例已作了描述，一个具体的例子和某些另外的实施例也作了说明，此外在不脱离本发明的精神下可以做出变化和修改。因此应指出，在本发明内，所作的变化、修改和别的实施例均属于本发明权利要求的精神和范围之内。