形成井下環形阻擋層的裝置和方法

2023-10-06 11:51:19 2

專利名稱：形成井下環形阻擋層的裝置和方法
技術領域：
本發明的實施例一般地涉及在井筒內形成環形阻擋層的方法和裝 置。尤其是，本發明涉及用於使井筒的至少一部分同該井筒的至少另 一部分隔離的方法和裝置。
背景技術：
作為井筒建造工藝的一部分，通常在地層中鑽出井孔或井筒並在 之後使所述井孔或井筒襯上套管或襯管。在套管或村管段進入井筒以 形成所稱的"管柱，，時，利用螺紋將套管或襯管段擰在一起或者以其他 方式連接在一起。這種套管通常包括外徑小於井筒內徑的鋼質管形產 品或"管"。由於這些直徑上的差別，在井筒內徑和套管外徑之間形成 了環形區域並且不具有任何其它的東西，井筒流體和地層流體能夠在 井筒長度方向上在所述環形區域內自由地運移。通常需要分階段建造井，首先在地層中將井孔鑽至某一深度，地 層坍塌或井筒流體控制在這一深度成為潛在的問題。此時，停止鑽進 並將套管設置在所述井筒內。雖然所述套管可結構性地防止坍塌，但 是其不能防止流體在套管與井筒之間的環空內沿著井筒長度方向的運 移。為此，所述套管通常被水泥固結在合適的位置。為完成這一工作， 通過所述套管向下泵送水泥漿並使其在套管管柱底部流出。之後，利 用鑽井液、水或其它合適的流體將水泥漿驅替至環空內。通常，可鑽 碎的刮塞用於在水泥柱的前面和後面使水泥同井筒流體分離。使所述 水泥在環空內固化，從而在環空內形成阻止流體運移的阻擋層。在水泥已經固化之後，鑽穿保留在套管管柱內部的已固化的水泥，並對套 管與地層之間的水泥密封或阻擋層進行壓力測試。然後使鑽頭穿過水 泥固結的套管並從套管底部開始鑽進。然後鑽出一新的井孔長度，並 進行下套管和水泥固結工藝。根據井的總長度，可按照上述的方式進 行多階段鑽進和下套管。如前所述，水泥阻擋層在每一建造階段之間都要進行測試，以便 確保已經獲得流體密封的環形密封。通常，阻擋層測試是通過向套管 內部施壓而進行的。所述施壓是通過從地面向套管管柱內部泵送流體 而實現的。所述壓力排出套管底部並作用在環形水泥阻擋層上。之後， 在地面監測所述壓力以確認是否滲漏。這種測試常常被稱作"套管鞋測 試"，這裡所用的詞語"套管鞋"指的是特定套管管柱的最下面的部分或 底端。當在前面的下套管段之下需要另一井段時，在繼續進行鑽進操 作之前完成成功的套管鞋測試是重要的。遺憾地是，固井操作需要停止鑽進操作很長一段時間。需要花費 時間來混合和泵送水泥。 一旦水泥處於合適的位置需要更長的時間使 水泥固化。在固井操作期間，鑽機成本和其它固定成本仍在增加，然 而不會產生鑽進進度。由於固定成本(如鑽機成本)以每天為基礎進 行付費，其被轉換為美元每英尺，因此井的構造通常以英尺每天為單 位進行計量。因為在固井操作期間需要時間固井並且鑽進長度為零英 尺，因此這些操作僅僅增加了每公制英尺的花費美元的數量。為了降 低與井的建造成本相關的每英尺花費美元的平均數，減少或消除這些 步驟是有利的。可膨脹的井筒管已經被用於各種井的建造目的中。利用一些類型 的管子整形器或輥子設備通常可使這種可膨脹的管機械膨脹。可膨脹套管的一個示例在美國專利US5，348，095中進行了描述，這裡對其全 文進行引用作為參考。這種可膨脹套管已經在一些實施例中進行了描 述，其在作為套管管柱的一部分而被結合時提供一環形流體阻擋層。所示的可膨脹管還具有非圓形("摺疊的")的預膨脹橫截面。這 種初始的非圓形的管在膨脹時呈現出基本圓形的橫截面。在膨脹之前和之後具有大致相同的橫截面周長的這種管被示出(即，其中所述膨 脹包括純粹的橫截面"展開")。其它這種管已經被示出，其中所述 橫截面是"展開的"，並且其周長在膨脹過程中增加。通過機械方式， 或者通過施加內壓或通過二者的組合，可使這種非圓形的管膨脹。"摺疊的"可膨脹管的一個示例在美國專利US5，083，608中示出，並且該專 利被這裡引用作為參考。如上所述，機械管膨脹機構包括管子整形器和輥子設備。管子整 形器類型的膨脹設備的一個示例在美國專利US5,348，095中示出，並 且其全部內容被這裡引用作為參考。輥子類型的膨脹設備的一個示例 在美國專利US6，457，532中示出，並且其全部內容被這裡引用作為參 考。美國專利US6，457,532還顯示了一種輥子類型的膨脹器，該膨脹 器具有屈從特徵，該特徵允許可膨脹管與諸如由井筒形成的不規則的 外圍表面"形配合"。這種形配合確保了所述管的外表面與周圍表面之 間的更好的密封特徵。被示出和描述的可膨脹管其上具有各種外塗層或元件，以便增強 由所述管形成的任意環形流體阻擋層。已經描述的彈性體元件用於執 行這種功能。有塗層的可膨脹管在美國專利US6，789，622中示出，其 全部內容被這裡引用作為參考。無論所述橫截面初始是否為圓形或者是否為摺疊的，根據所選擇 的膨脹機構，可膨脹管具有膨脹能力的限制。當為了產生環形流體阻 擋層而將可膨脹管展開時，所述管的初始構造和所用膨脹機構必須根 據給定應用而被精心地製作，以便確保所述膨脹足以產生阻擋層。在 特定的環境中，如果所選擇的膨脹機構被誤算，則結果是非常不利的。 在這種情況下，已膨脹的管是不能用作阻擋層的，另外，由於所述管 已經膨脹，因此將其取出是不切實際的。補救這一情況會花費可貴的 鑽井時間，並會產生與維修設備和替換已失效可膨脹管相關的其他成 本。因此，需要提供一種用於在套管鞋附近產生環形阻擋層的改進方 法和裝置，這種方法和裝置消除了對固井的需要。還需要一種利用可膨脹管形成環形流體阻擋層的改進方法和裝置，所述可膨脹管能夠成 功地恢復失效的膨脹嘗試。 發明內容本發明一般地涉及執行快速套管鞋測試的方法和裝置，所述測試 利用可膨脹套管部分作為環形流體阻擋層。如果需要，這種可膨脹的 環形流體阻擋層可與水泥結合使用，但是水泥不是必需的。還提供能 夠對已失效膨脹成功恢復的方法和裝置，以便在不替換可膨脹套管部 分的情況下完成套管鞋測試。在一個實施例中，套管或襯管管柱被下入到井筒中。所述套管或 襯管管柱包括靠近所述管柱下端的非圓形的或"摺疊"的可膨脹部分。 所述可膨脹部分至少包括外圍具有彈性體材料塗層的段。所述管柱的 最下端部分包括球座。當將所述管柱下入時，流體可穿過球座自由地 進入所述管柱，從而充滿所述管柱。當所述管柱到達井筒內的合適位 置時，將球從地面投入所述管柱內。隨後所述球座落在所述球座內。 當球座落在所述球座內時，它密封住所述管柱的內部以便流體不能從 管柱排出。利用地面的流體泵向套管管柱內部施加壓力，從而使內部 壓力作用在摺疊的可膨脹部分上。在預定的壓力下，摺疊的可膨脹部 分展開成基本圓形的橫截面，所述橫截面的直徑大於前述摺疊結構的 橫截面的主軸。所述摺疊段的這種"脹大"擠壓彈性體塗層，使其與周 圍井筒周向接觸，從而在所述管柱與井筒之間形成環形密封。現在通 過合適的裝置(諸如鋼纜輸送的取回工具)將球從球座中取出並從所 述管柱的內部收回。可選擇的是，可增加所述管柱內部的壓力，直到 所述球使球座塑性變形並且將球從管柱的下端驅出為止。之後向所述 管柱的內部施加壓力並保持一段時間，同時在地面監測環空流體的返 回。如果這種壓力得到保持，那麼所述的無水泥套管鞋測試就已經成 功。如果上述的套管鞋測試壓力不能保持，並且流體明顯從環空中返 回，那麼需要進行恢復階段。將位於工作管柱上的旋轉膨脹工具穿過 套管管柱的內部而下入，直到旋轉膨脹工具位於可膨脹套管的展開段附近為止。通過施加於工作管柱內部的流體壓力激勵所述旋轉工具。 之後旋轉所述工作管柱並使其沿著可膨脹套管的展開段軸向移動，從 而使所述展開段膨脹而與周圍井筒更加緊密地接觸。在第二次膨脹之 後，將所述工作管柱和膨脹工具從套管中收回。現在可按照前述的方 式進行第二次套管鞋測試。任選地是，水泥可與可膨脹套管部分結合使用，以增加流體阻擋 層密封機構的冗餘度。在該實施例中，將套管或襯管管柱下入到井筒 中，其中所述套管或襯管管柱包括非圓形的或"摺疊的"可膨脹部分， 該部分位於所述管柱的下端附近。所述可膨脹部分至少包括外圍具有 彈性體材料塗層的段。所述管柱的最下端部分包括球座。當將所述管 柱下入時，流體能夠穿過所述球座而自由地進入所述管柱，從而充滿 所述管柱。當所述管柱到達井筒內所需的位置時，將足以充滿套管與 井筒之間至少 一部分環空的 一定體積的水泥通過所述套管的內部泵 入，所述水泥從下端排出並進入下端附近的環空，所述下端包括所述 可膨脹部分。然可將球從地面投入所述管柱的內部。所述球隨後就會 座在所述球座內。當座在球座內時，所述球就會密封住所述管柱的內 部，以便使流體不能從此流出。利用地面的流體泵向所述管柱的內部 施壓，從而使內部壓力作用在所述摺疊的可膨脹部分。在預定的壓力 下，所述摺疊的可膨脹部分展開成基本圓形的橫截面，該橫截面的直 徑大於前述摺疊結構的橫截面的主軸。所述摺疊段的這種"脹大"擠壓 所述彈性體塗層，使其與水泥和水泥周圍的井筒周向接觸，從而在所述管柱和井筒之間產生環形密封。現在通過合適的裝置(如鋼纜輸送 的回收工具)將所述球從球座中取出，並從所述管柱的內部收回。可選擇地是，可增加所述管柱內部的壓力，直到所述球使所述球座塑性 變形並將球從管柱的下端驅出為止。現在向所述管柱的內部施壓並保 持一段時間，同時在地面監測環空流體的返回。如果這一壓力得以保 持，那麼水泥加強套管鞋測試就已經成功。


為了使本發明的上述特徵能夠被詳盡地理解，參考實施例對本發明(上面已經簡要敘述了 )進行更加專門的說明， 一些實施例在附圖 中示出。然而應當指出地是，所述附圖僅僅示出了本發明典型的實施 例，因而其不能被認為是對本發明範圍的限制，本發明允許具有其它 等效的實施例。圖1示出了分段的井筒內的套管管柱，所述套管管柱包括未膨脹 的摺疊的可膨脹部分和該部分的橫截面，並且在所述摺疊部分的外圍 具有兩個彈性體塗層區域。圖2示出了分段的井筒內的套管管柱，所述套管管柱包括已膨脹 的可膨脹部分，該部分具有與井筒接觸的兩個彈性體塗層區域。圖3示出了分段的井筒內的套管管柱，所迷套管管柱包括已膨脹 的可膨脹部分，該部分具有與水泥和井筒接觸的兩個彈性體塗層區域。圖4示出了半段套管管柱，其包括已膨脹的可膨脹部分，該部分 具有設置在其內的旋轉膨脹工具。
具體實施方式
本發明一般地涉及用於在套管鞋周圍形成環形阻擋層的方法和裝置。圖1 ， 2和3示出了布置在先前和常規安裝的套管6下方的實施例， 所述套管位於先前已經鑽出的井筒9中。先前已安裝的套管6的常規 套管鞋部分7與先前已鑽的井筒9之間的環形阻擋層僅僅為水泥8 。圖1示出了布置在分段的井筒2中的套管管柱1，所述套管管柱1 具有未膨脹的摺疊的可膨脹部分3和其上的橫截面4，並且在摺疊部 分3的外圍具有兩個彈性體塗層區域5。在鑽出井筒9並下入套管6、 設置水泥8和對由水泥8所形成的阻擋層進行套管鞋測試之後鑽出所 述井筒2。將套管管柱l從地面下入到井筒2中，並且將球10放置在 套管1的內部並座落在球座11上，從而封堵住套管管柱1的下端。向套管1的內部施加預定的壓力，從而使可膨脹部分3展開。如 圖2所示，響應於所述預定壓力，未膨脹的摺疊的可膨脹部分3變為 已膨脹部分和環形阻擋層12。已膨脹部分12因而徑向向外朝向井壁 13推動，並相應地擠壓彈性體塗層區域5從而使其與井壁13密封接合。任選地是，塗層區域5可包括任意合適的可壓縮塗層，如軟金屬、 特氟綸、彈性體或者它們的組合。可選擇地是，已膨脹部分12可在沒 有塗層區域5的情況下使用。現在將球IO從球座11移除，以便流道 14不受阻擋。向套管管柱1的內部施壓並監測井筒環空15內的壓力 變化。如果沒有監測到井筒環空15內的壓力變化，那就是環形阻擋層 12已經被成功地布置。在確定這一成功的布置時，鑽穿套管鞋部分16 並繼續鑽隨後的井段。圖3示出了已布置的環形阻擋層12，所述阻擋層由水泥17圍繞。 在圖3所示的實施例中，環形阻擋層12的布置繼續按照上面結合圖1 和圖2所述的方式進行，其中具有兩個顯著的例外。在球10座落在球 座11內之前和施加預定的壓力(用於使未膨脹的摺疊的可膨脹部分膨 脹)之前，將一定體積的水泥漿作為松塊(slug)向下泵入，穿過套 管l的內部，通過流道14排出並向上進入井筒環空15。水泥漿栓塊 之前和/或之後為刮塞(未示出)，所述刮塞具有合適的內徑(以使球 IO通過)，其初始由合適校準的安全膜阻隔。然後將球10放置在球 座ll內，並向套管1的內部施加預定的膨脹壓力。現在將球10從球 座11中移走，以使流道14不受阻擋。向套管管柱1的內部施加壓力， 並監測井筒環空15內的壓力變化。如果未監測到井筒環空15內的壓 力變化，那就是環形阻擋層12已經成功布置。如果監測到井筒環空 15內的壓力增加，那麼給予所述水泥適當的固化時間，並重新向套管 1的內部施加壓力。當確定了井筒環空15內沒有相應的壓力變化時， 鑽穿套管鞋部分16並繼續鑽隨後的井段。圖4示出了懸掛在工作管柱18上的旋轉膨脹工具19，所述旋轉 膨脹工具19具有至少一個徑向可延伸的膨脹部件20。將工作管柱18 下入並穿過套管1，直到膨脹部件20相鄰於套管管柱1的已膨脹部分 12為止，所述工作管柱18具有連接到其上的旋轉膨脹工具19。圖4 所示實施例可任選地用在上面結合圖1, 2和3所述的工藝中。參看圖2和3,向套管1的內部施加預定的壓力，從而使可膨脹 部分3展開。如圖2所示，未膨脹的摺疊的可膨脹部分3響應於預定的壓力而變為已膨脹部分和環形阻擋層12。已膨脹部分12因而徑向 向外推向井壁13，並相應地擠壓彈性體塗層區域5使其與井壁13密 封接合。任選的是，塗層區域5可包括任意合適的可壓縮塗敷材料， 如軟金屬、特氟綸、彈性體或者它們的組合。可選擇地是，已膨脹部 分12可在沒有塗層區域5的情況下使用。現在將球10從球座11中移 走以便使流道14不受阻擋。向套管管柱1內部施壓並監測井筒環空 15內的壓力變化。如果沒有監測到井筒環空15內的壓力變化，那麼 環形阻擋層12已經被成功地布置。如果監測到井筒環空15內的壓力 增加，參看圖4，那麼就使位於工作管柱18上的旋轉膨脹工具19穿 過套管1而下入，直到膨脹部件20相鄰於已膨脹部分12的內部為止。 向工作管柱18內部施加膨脹工具激勵壓力，從而使至少一個膨脹部件 20徑向延伸成與已膨脹部分12的內部壓力接觸。工作管柱18同時進 行旋轉及沿著已膨脹部分12的至少一部分軸向移動，從而使已膨脹部 分的所述部分進一步膨脹並與井壁13更加緊密地接觸。在已膨脹部分 12的旋轉膨脹之後，將工作管柱18和膨脹工具19從井內取出。現在 向套管1內部再次施加壓力並監測環空15內的壓力。如果未監測到環 空15內具有壓力變化，那麼就鑽穿套管鞋部分16並繼續鑽出井的隨 後井段。任選地是，在環空15內設置水泥的前述步驟可與加壓的展開 步驟和這裡所述的旋轉膨脹步驟組合使用。儘管前面涉及了本發明的實施例，但是本發明的其它或進一步的 實施例可以在不脫離本發明基本範圍的情況下設計出，並且本發明的 範圍由隨後的權利要求書進行確定。
權利要求
1.一種用於產生一環形阻擋層並對所述環形阻擋層進行測試的方法，包括鑽一井筒；將一管形件下入到所述井筒中，所述管形件包括位於其下端附近的一可膨脹部分；使所述可膨脹部分膨脹成與所述井筒大緻密封接合；向所述可膨脹部分與井筒之間的所述密封接合的第一側施壓；監測所述密封接合的第二側的壓力變化。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於還包括在所述管形件 的可膨脹部分上提供至少一個密封件。
3. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述使可膨脹部分膨 脹包括施加 一 流體壓力以使所述可膨脹部分膨脹。
4. 如權利要求3所述的方法，其特徵在於還包括切斷穿過所述 管形件的流體連通，從而增加所述管形件內的流體壓力。
5. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於還包括投球以切斷流 體連通。
6. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於還包括在向密封接合 的第 一側施壓之前取回所述球。
7. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述可膨脹部分包括 一摺疊部分。
8. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於還包括使所述可膨脹 部分一幾械地膨脹。
9. 如權利要求8所述的方法，其特徵在於還包括利用一旋轉膨 脹器來使所述可膨脹部分機械地膨脹。
10. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於還包括向可膨脹部 分與井筒之間的密封接合的所述第一側施加一第二壓力，並監測所述 密封接合的所述第二側的壓力變化。11.如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述管形件包括套管。
全文摘要
提供一種進行快速套管鞋測試的方法和裝置，所述測試利用可膨脹的套管部分作為環形流體阻擋層。如果需要，這一可膨脹的環形流體阻擋層可與水泥結合使用，但是水泥不是必需的。還提供使已失效膨脹成功恢復的方法和裝置，從而在不替換所述可膨脹套管部分的情況下完成套管鞋測試。
文檔編號E21B43/10GK101238272SQ200680026170
公開日2008年8月6日 申請日期2006年7月21日 優先權日2005年7月22日
發明者L·林, R·L·庫克 申請人:國際殼牌研究有限公司