用於環繞管狀元件的環空進行密封的方法和系統的製作方法

2023-07-29 20:40:11

用於環繞管狀元件的環空進行密封的方法和系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於對環繞井眼中的管狀元件的環空進行密封的方法和系統。所述方法包括以下步驟：i)將第一鑽井流體引入到所述井眼中；ii)使用懸置於工具柱的端部處的鑽井工具鑽出井眼的裸眼段；iii)將包括顆粒的第二鑽井流體泵送到井眼中；iv)在所述管狀元件的井下端部附近將顆粒從第二鑽井流體中過濾出；v)使得管狀元件延伸到井眼的裸眼段中，而同時將已過濾出的顆粒的至少一部分引導至管狀元件與井眼壁之間的環空。可根據需要的頻率多次重複步驟i)至v)。
【專利說明】用於環繞管狀元件的環空進行密封的方法和系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於對環繞管狀元件的環空進行密封的系統和方法。這種系統和方法能夠應用於沿著井眼中的襯管進行層間封隔。

【背景技術】
[0002]使管狀元件徑向膨脹的技術在從地下地層中生產出油和氣的工業中找到日益廣泛的應用。井眼通常設置有一根或多根套管或襯管，以向井眼壁提供穩定性和/或提供不同的地球地層之間的層間封隔。術語「套管」和「襯管」指的是用於支撐和穩定井眼壁的管狀元件。通常，套管從地表延伸到井眼中，而襯管從某一深度進一步延伸到井眼中。然而，在本文的背景中，術語「套管」和「襯管」可互換使用而無任何特定區別。
[0003]在傳統井眼構造中，若干根套管以不同的深度間隔且以嵌套布置方式設置。在此，每根後續套管穿過前一根套管下入並且因此具有比前一根套管小的直徑。結果，井眼的可用於油氣生產的橫截面面積隨著深度的增加而減小。
[0004]為了減輕這種缺陷，可能在井眼中的期望深度處使得一個或多個管狀元件徑向膨脹，例如，以便形成膨脹的套管、膨脹的襯管或抵靠已有套管或襯管的包層。而且，已經提出使得每根後續套管徑向膨脹，以便使其直徑與先前套管的直徑基本相等，從而形成單一直徑井眼。因此，與傳統的嵌套式布置相比，實現了井眼的可用直徑沿著其深度(段)保持基本恆定不變。
[0005]W0-2008/006841公開了一種用於使得管狀元件在井眼中徑向膨脹的井眼系統。致使管狀元件的壁徑向向外並且沿著軸向相反方向彎曲，以便形成圍繞管狀元件的未膨脹段延伸的已膨脹段。通過使得未膨脹段運動(例如迫使或推動)進入已膨脹段中而增加已膨脹管狀段的長度。在此，已膨脹段保持膨脹的管狀形狀。在其頂端部部處，未膨脹段可例如通過添加管段或通過對片材材料進行解繞、摺疊和焊接而形成管狀形狀來擴展未膨脹段。
[0006]當使用W0-2008/006841的系統為井眼加裝襯管時，與傳統的套管系統相比，已膨脹管狀元件與井眼壁之間的環空相對小。已膨脹管段將緊鄰井眼壁或者甚至接合井眼壁。結果，不可能實施傳統的固井作業，所述固井作業在使用嵌套布置的傳統套管時通常用於建立層間封隔。
[0007]在傳統的固井作業中，在固封襯管時，可以經由鑽柱、經由鑽柱的井下端部和井口以及經由套管或襯管與井眼壁之間的環空泵送用於形成固封的泥漿。否則，水泥泥漿可以在保持在兩個水泥塞之間的同時被泵送通過套管的內流體通道。
[0008]由於當使用W0-2008/006841的系統時在倒轉的管與井眼之間的的環空相對小，因此需要相對高的壓差將水泥泥漿泵送到環空中。而且，將水泥泥漿泵送到小環空中可能導致非均勻地填充環空。另外，外翻的管可以沿著其長度的至少一部分接合井眼壁，使得環空可能缺乏從其井下端部至地表的連續流動路徑。當倒轉的管狀件沿著某一長度接合井眼壁並且由此建立層間封隔時，循環流體或水泥泥漿將不可能流過環空。


【發明內容】

[0009]本發明旨在克服上述問題。
[0010]因此，本發明提供了一種用於對環繞井眼中的管狀元件的環空進行密封的方法，其中，管狀元件是環繞工具柱的可膨脹的管狀元件，其中，可膨脹的管狀元件的壁的井下端部部分徑向向外並且沿著軸向反向方向彎曲，從而限定了圍繞未膨脹管狀段延伸的已膨脹管狀段，所述方法包括以下步驟:
[0011]i)將第一鑽井流體引入到井眼中；
[0012]ii)使用懸置於工具柱的端部處的鑽井工具鑽出井眼的裸眼段；
[0013]iii)將包括顆粒的第二鑽井流體泵送到井眼中；
[0014]iv)在管狀元件的井下端部附近將顆粒從第二鑽井流體中過濾出；
[0015]V)通過將未膨脹管狀段推入到已膨脹管狀段中而使得管狀元件延伸到裸眼段中，而同時將已過濾出的顆粒的至少一部分引導至已膨脹管狀段與井眼壁之間的環空。
[0016]本發明的方法不需要使得水泥循環通過環空。這種方法還使得能夠與用於通過外翻所述襯管而使得井眼中的襯管膨脹的系統相組合來密封環空。而且，例如在所述套管和環繞件之間的所述環形空間太小而不允許泵送水泥泥漿的情況中或在泵送所述水泥泥漿的壓力超過可用泵送設備的最大輸出壓力的情況中，本發明的方法適於隔離開環繞傳統套管的環形空間。
[0017]在一個實施例中，根據需要的頻率重複步驟i)至V)。例如，根據需要的頻率重複在環空中提供了足夠的層間封隔。而且，可以用顆粒物質填充整個環空。
[0018]在另一個實施例中，過濾出顆粒的步驟包括在井口使得設置有過濾器構件的鑽柱運動，直到所述過濾器構件接合管狀構件的井下端部為止。
[0019]將第一鑽井流體引入到井眼中的步驟可以包括在井下使得設置有過濾器構件的鑽柱運動，直到所述過濾器構件與管狀構件的井下端部脫開接合為止。
[0020]可替代地，顆粒可以是至少部分鐵磁性的，其中，過濾出顆粒的步驟包括將磁體布置在管狀構件的井下端部處，以便吸引顆粒的至少一部分。
[0021]通過使得未膨脹管狀段相對於已膨脹管狀段向下運動，管狀元件有效地從裡面轉到外面。在沒有被推動、拉動或泵送通過管狀元件的膨脹器的情況下管狀元件逐漸膨脹。已膨脹管狀段可在井眼中形成套管或襯管。已膨脹管狀襯管可以具有適於穩固或支撐井眼壁的抗外擠強度。
[0022]優選的是，管狀元件的壁包括在膨脹期間可塑性變形的材料。已膨脹管狀段將因可膨脹的管狀元件的壁的塑性變形(即，永久變形)而保持膨脹形狀。不需要施加外力或壓力來保持已膨脹管狀段處於其膨脹形式。例如，如果已膨脹管狀段接合井眼壁，則不需要施加額外的徑向力或壓力來保持已膨脹管狀段抵靠井眼壁。
[0023]管狀元件的壁可以包括諸如鋼的金屬或能夠通過外翻管狀元件而塑性變形的任何其它易延展材料。已膨脹管狀段優選地具有足夠的抗外擠強度來支撐或穩固井眼壁。根據相應的地層，已膨脹管狀段的抗外擠強度可以超過例如10bar至150bar。抗外擠強度可以處於例如200bar至大約1600bar或更大的範圍內，例如處於大約400bar至800bar或更大的範圍內。
[0024]適當地，通過使得其餘管狀段相對於已膨脹管狀段沿著軸向方向運動而致使彎曲區域相對於其餘管狀段沿著軸向方向運動。例如，已膨脹管狀段被軸向固定在某位置處，而未膨脹管狀段沿著軸向方向運動通過已膨脹管狀段，以便引致所述壁的彎曲。
[0025]為了引致其餘管狀段進行所述運動，其餘管狀段承受用於引致所述運動的軸向壓縮力。該軸向壓縮力優選至少部分地源自其餘管狀段的重力。推動裝置可以通過將額外的外力施加到其餘管狀段來補充未膨脹管狀段的重量從而引致所述運動。由推動裝置施加的額外的力可以向上或向下。例如，隨著未膨脹管狀段的長度並且因此重量逐漸增加，可能需要將向上的力施加到未膨脹管狀段，以便保持施加到未膨脹段的總力處於預定範圍內。將總力保持處於所述範圍內將防止彎曲區域不可控的彎曲或屈曲。
[0026]如果彎曲區域處於管狀元件的下端部處，由此其餘管狀段因所述彎曲區域的運動而在其下端部處軸向縮短，則優選的是，其餘管狀段對應於其下端部處的所述軸向縮短在其上端部處軸向延伸。其餘管狀段因壁的持續反向彎曲而在其井下端部處逐漸縮短。因此，通過使得其餘管狀段在其上端部處延伸來彌補其在下端部處的縮短，能夠持續進行壁反向彎曲的處理，直到達到已膨脹管狀段的期望長度為止。例如通過以諸如焊接的任何適當方式將管狀部分連接到上端部而使得其餘管狀段能夠在其上端部處延伸。可替代地，其餘管狀段能夠設置為從捲筒上解繞並且隨後插入到井眼中的連續管。
[0027]可選地，能夠加熱彎曲區域以便促進管狀壁的彎曲。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]下文將參照附圖以舉例的方式詳細描述本發明，附圖中:
[0029]圖1示出了用於使管狀元件徑向膨脹的系統的下部部分的豎直橫截面；
[0030]圖2不出了圖1的系統的上部部分的不例的豎直橫截面；
[0031]圖3示出了圖1的系統的上部部分的另一個示例的豎直橫截面；
[0032]圖4示出了井眼的豎直橫截面，其表示根據本發明的方法中的第一步驟；
[0033]圖5示出了井眼的豎直橫截面，其表示根據本發明的方法中的第二步驟；
[0034]圖6示出了井眼的豎直橫截面，其表示根據本發明的方法中的第三步驟；
[0035]圖7示出了井眼的豎直橫截面，其表示根據本發明的方法中的第四步驟；
[0036]圖8示出了用於在根據本發明的方法中使用的系統的一個實施例的豎直橫截面；
[0037]圖9示出了用於在根據本發明的方法中使用的系統的另一個實施例的豎直橫截面；
[0038]圖10示出了用於在根據本發明的方法中使用的系統的又一個實施例的豎直橫截面；
[0039]圖11示出了用於在根據本發明的方法中使用的過濾器的一個實施例處於第一位置中的豎直橫截面；和
[0040]圖12示出了圖11的過濾器處於另一個位置中的豎直橫截面。

【具體實施方式】
[0041 ] 在附圖和描述中，相同的附圖標記表不相同的部件。
[0042]圖1示出了形成在大地地層2中的井眼I。例如可膨脹的鋼襯管的徑向可膨脹的管狀元件4從地表6向下延伸到井眼I中。管狀元件4包括未膨脹管狀段8和已徑向膨脹管狀段10。未膨脹段8在已膨脹段10內延伸。優選地，已膨脹管狀段10的外徑基本等於井眼I的直徑。
[0043]儘管圖1中示出的井眼豎直延伸到地層2中，但是，本發明同樣適於任何其它井眼。例如，井眼I可以至少部分沿著水平方向延伸。在下文中，井眼的上端部指的是地表6處的端部，而下端部指的是井下端部。
[0044]在其下端部處，未膨脹段8的壁徑向向外並且沿著軸向反向(在圖1中向上)方向彎曲，以便形成彎曲的井下段12，從而限定了管狀元件4的彎曲區域14。彎曲段12的橫截面是U狀的並且將未膨脹段8和已膨脹段10互連。
[0045]鑽柱20可以從地表延伸通過未膨脹襯管段8抵達井眼I的下端部。鑽柱20的井下端部設置有鑽頭22。鑽頭包括:例如定向鑽頭24，所述定向鑽頭24的外徑略微小於未膨脹襯管段8的內徑；和擴孔器段26，所述擴孔器段26的外徑適於將井眼I鑽至其標稱直徑。擴孔器段26可以徑向縮回成更小的外徑，從而允許其通過未膨脹襯管段8，使得能夠將鑽頭22通過未膨脹襯管段8重新取回至地表。鑽柱20可以包括多節鑽杆段28。鑽杆段28可以通過陽螺紋和陰螺紋連接件30在相應端部處互連。鑽柱20與未膨脹管狀元件8之間的環形空間32被稱作鑽井環空32。
[0046]雖然沒有詳細示出連接件30，但是其包括例如帶螺紋的公連接件和母連接件。連接件30可包括在每個端部處制有陽螺紋的接頭，其中，具有陰螺紋的長度短的聯接構件(未示出)用於與鑽柱的各接頭連結在一起，或者與在一個端部上具有陽螺紋而在另一端部上具有陰螺紋的接頭連結在一起。所述螺紋連接件可以包括由美國石油協會(API)標準化的連接件。
[0047]圖1還示出了鑽臺40，所述鑽臺40相對於地表6升高並且環繞鑽柱20的上端部和未膨脹管狀段8的上端部。鑽臺40是鑽機的一部分，然而並沒有完全示出鑽機。例如布置在鑽臺下方的頂管機42環繞未膨脹段8。頂管機例如由底架43支撐。底架43提供了穩定性，並且可以例如連接到鑽機或被支撐在地表6上。頂管機可以包括:一個或多個馬達46，所述馬達46布置在底架上；一條或多條傳送帶48，所述傳送帶48能夠由相應的馬達驅動。每條傳送帶48接合未膨脹段8的外側。傳送帶48能夠將力施加到所述未膨脹段8，以便迫使未膨脹段運動到已膨脹段10中。可以設想頂管機42的能夠將向下或向上的力施加到未膨脹段的其它實施例。
[0048]密封裝置50能夠連接到已膨脹襯管段10的上端部，以便將未膨脹襯管段8相對於已膨脹襯管段10密封。在此，密封裝置50使得未膨脹襯管段8能夠相對於密封裝置50沿著軸向方向滑動。密封裝置包括管道52，所述管道連接到泵(未示出)，用於將流體泵送到盲環空44 ( S卩，未膨脹襯管段8與已膨脹襯管段10之間的環空)中或者將流體從盲環空44中泵送出。環形空間44稱作盲環空，原因在於其在井下端部處被彎曲區域14封閉。密封裝置包括一個、兩個或更多個環形密封件56、58。密封件56、58接合未膨脹段8的外側並且防止所述流體離開盲環空。優選地，密封裝置50包括至少兩個密封件56、58，以便提供至少一個額外密封，以便在第一密封件可能失效的情況下提高安全性和可靠性。
[0049]密封裝置50能夠被視作盲環空防噴器(BABOP)。因此，密封件56、58、將密封裝置50連接到已膨脹段10的上端部的連接件和用於封閉管道52的一個或多個閥(未示出)將都設計成至少承受可能在井控情況中產生的流體壓力。根據地層的具體情況，密封裝置50例如設計成承受下述壓力:在井噴的情況中，所述壓力可以預計例如處於200bar至1600bar的範圍內，例如大約為400bar至800bar或更大。與井控情況結合，在例如因可膨脹管狀件4斷裂而導致失效的情況中，例如在盲環空44中可以產生這種壓力。
[0050]通過任何適當的固定裝置軸向固定已膨脹襯管段10，以便防止軸向運動。已膨脹襯管段10可以在其上端部處固定在地表處。例如，所述已膨脹段的上端部可以例如通過焊接和/或螺接而連接到環形件或凸緣59。所述環形件能夠附接到地表處的任何適當結構(諸如，密封裝置50)或集成在所述任何適當結構中。所述環形件的內徑可以大於已膨脹段的外徑。可選地，例如憑藉因膨脹過程所產生的已膨脹襯管段10與井眼壁224之間的摩擦力而使得已膨脹段10可以固定到井眼壁224。可替代地或另外地，通過任何適當的錨固裝置能夠將已膨脹襯管段10例如錨固到井眼壁。
[0051]在由線I1-1I表示的接觸面處，圖1中示出的系統的下部部分能夠連接到如圖2和圖3所不的上部部分。
[0052]圖2示出了連接到上端部連接零件62的頂部驅動裝置60，所述上端部連接零件62能夠相對於頂部驅動裝置旋轉。優選地，上端部連接零件包括無接箍管，所述無接箍管具有光滑的外表面。遠離頂部驅動裝置的連接零件端部64設置有如上所述的螺紋連接件30。螺紋端部64連接到其它鑽柱段66。通常，其它鑽柱段66將基本等同於鑽柱段28，如圖1所示。在線I 一 I示出的接觸面處，其它鑽杆段66能夠連接到圖1示出的鑽柱20的上端部。
[0053]鑽井環空密封裝置70可以覆蓋鑽井環空32的頂端部。密封裝置70包括殼體72，所述殼體72環繞連接零件62並且提供了內部空間74。在頂端部處，在頂部驅動裝置60附近，殼體可以包括一個、兩個或更多個密封件76、78，所述密封件76、78接合管62的外側。優選地，密封件76、78使得殼體能夠沿著管62滑動。在相對的端部處，殼體可以包括一個、兩個或更多個密封件80、82，所述密封件80、82接合其它可膨脹管段84的外側。除了密封件之外，殼體還可以包括夾持器106，所述夾持器106可以接合管段84的外側和/或內側。激活線路88連接到殼體，用於激活或釋放密封件80、82和/或夾持器106。流體管道90連接到內部空間74，用於將流體(鑽井流體)供應到環形空間32中或從環形空間32排出。
[0054]密封裝置70可以包括延伸零件或插入管100。插入管延伸到其它可膨脹管段84的內部。插入管可以包括密封件102、104和/或夾持器106，以便接合管段84的上端部。插入管還可以包括密封件108，以便接合管段84的下端部，並且插入管還可以包括密封件110，以便接合未膨脹管狀段8的上端部的內部(圖1所示)。後備氣體工具(backing gastool) 198可以在密封件108、110之間結合在所述插入管中。後備氣體工具覆蓋其它可膨脹管段84和未膨脹管狀段8之間的內界面。
[0055]插入管可以至少比管段84略微長，使得插入管可以延伸到未膨脹段8中，這將使得插入管能夠用作用於使得管段84和未膨脹段8對準的對準工具。
[0056]實踐中，管段84的長度可以處於大約5-20米的範圍內，例如為大約10米。插入管將例如比管段84長大約2%至10%，例如長5%。環形空間112設置在插入管和管62之間，以便提供從環空32至空間74和管道90的流體連接。
[0057]密封裝置70可以稱作鑽井環空防噴器(DABOP) 70。密封件76_82、夾持器106和用於封閉管道88和90的一個或多個閥(未示出)將都設計成至少承受可能在井控情況中產生的流體壓力。根據地層的具體情況和預期最大孔隙壓力，鑽井環空防噴器70例如設計成承受壓力，所述壓力處於大約200bar至800bar或更大的範圍內，例如為大約400bar。
[0058]鑽井環空防噴器可以包括任何數量的密封件。鑽井環空防噴器70可以包括一個密封件76和一個密封件80，或者包括多個密封件。在一個實際實施例中，對管62實施密封的兩個密封件76、68和對管狀段84實施密封的兩個密封件將提供例如一方面失效-安全性和可靠性與另一方面成本之間的平衡。例如，由接合可膨脹管84內部的內密封件102、104以及接合可膨脹管84外部的外密封件80、82提供的雙重防護提高了密封裝置70的可靠性和密封性。
[0059]圖3示出了圖1的系統的上部部分。未膨脹襯管段8在其上端部處由卷繞在捲筒132上的(金屬)片材130形成。金屬片材130具有相對的邊緣133、134。在從捲筒132上解繞之後，金屬片材130被彎曲成管狀並且邊緣133、134通過例如焊接互連，以便形成未膨脹管狀段8。結果，可膨脹管狀元件4可以包括縱向焊接部135。
[0060]流體管道136從未膨脹管狀段8的內部延伸至未膨脹管狀段8的上端部的上方。流體管道136可以在其下端部處連接到位於未膨脹管狀段8中的管138或與所述管138形成為一體。第一環形密封件140將管138相對於未膨脹襯管段8密封，第二環形密封件142將管138相對於鑽柱20密封。流體通道136經由設置在管138的壁中的開口 144與管138的內部空間流體連通。而且，管138設置有夾持器裝置146，所述夾持器裝置146允許管138相對於未膨脹襯管段8向上滑動但防止其向下滑動。第一環形密封件140允許管138相對於未膨脹襯管段8向上滑動。
[0061]圖3中示出的上部部分能夠與圖1中示出的下部部分相組合，其中，然而，未膨脹管狀段8圍繞鑽柱20連續形成。在此，在圖3中省略了圖1中示出的特徵中的一些特徵，以便提高圖3的清晰性，諸如密封裝置50、頂管機42和鑽臺40。
[0062]將在下文後續步驟中描述根據本發明的對環繞襯管的環空進行密封的方法。可以重複實施步驟的順序，以提供加設襯管和層間隔離的井眼。
[0063]圖4示出了設置在大地地層2中的井眼I。井眼設置有可膨脹的襯管4。襯管包括未膨脹段8和已徑向膨脹段10。已膨脹段10是抵靠井眼壁224的包層，或者可以在已膨脹段10與井眼壁224之間留有相對小的環形空間202。鑽柱20延伸穿過襯管4並且在其井下端部200處靠近井眼I的底部處設置有鑽頭22。鑽頭可以包括定向鑽頭24和擴孔器段26。
[0064]已膨脹段10與井眼壁224之間的環空202設置有密封材料層204，從而提供了井眼的先前密封段206。
[0065]在第一步驟中，從先前密封段206開始，連續鑽出鑽孔1，而不需要使得襯管4反轉，從而產生了裸眼段208。在使用擴孔器26擴孔之後，所述裸眼段208的直徑可以略微大於已膨脹襯管段10的外徑。在此，略微大表示處於大約0.1mm至20mm的範圍內，典型地為數毫米或更小。在鑽進期間，用鑽井流體210填充包括裸眼段208的井眼I。
[0066]在第二步驟中(圖5)，將過濾器構件212布置在襯管4的彎曲區域14處。過濾器構件可以具有適於擱置在彎曲區域14處或附近的預定位置處的任何形狀。隨後，顆粒220被包括在鑽井流體210中並且被向井下泵送通過鑽頭22而且隨後被過濾器構件212捕獲。
[0067]如圖5所示，過濾器構件可以具有筒狀本體214，所述筒狀本體214裝配在未膨脹襯管段8的內徑內。筒狀本體設置有徑向延伸的凸緣構件216，以便接合彎曲區域14並且將過濾器構件保持在適當位置中。凸緣構件216可以縮回，以使得能夠將過濾器構件通過未膨脹襯管段8的內側通道引入。凸緣構件216的外徑可以大約等於或小於已膨脹襯管段10的外徑，以允許顆粒通過凸緣構件並且抵達環空202。
[0068]過濾器構件例如設置有開口或流體通道，所述開口或流體通道本質上允許鑽井流體通過，但是開口或流體通道小於顆粒220的平均粒徑。例如，過濾器構件可以包括設置有金屬網的開口，所述金屬網的開口小於顆粒的所述粒徑。
[0069]在第三步驟中(圖6)，管狀構件4被進一步外翻。結果，彎曲區域將接合過濾器構件212並且使得所述過濾器構件向井下運動。在襯管4外翻期間，包括所述微粒物質220的鑽井流體210經由鑽柱20被泵送到井下。過濾器212將捕獲鑽井流體的返回流中的顆粒220。所述捕獲的顆粒220將在外側通過過濾器構件並且進入到環空202中。因此，顆粒220填充環空，封閉環空並且提供了井眼的最近加設襯管段的環空中的層間封隔。
[0070]環空中的顆粒薄層222被捕獲在已膨脹管狀段10與井眼壁224之間。所述薄層的厚度可以相當於環空202的厚度，例如處於大約1mm或更小的範圍內。
[0071]在第四步驟中(圖7)，當管狀元件4已經外翻並且沿著井眼段208延伸預定距離之後，從井眼移除過濾器構件212並且通過經由鑽柱20沿著井眼向下泵送適當的流體(無顆粒)而衝掉任何沒有被捕獲在環空202中的過量顆粒212。
[0072]在完成第四步驟之後，能夠從第一步驟開始重複進行處理(圖4)。
[0073]應當指出的是，上述方法還適於提供在包圍常規的非外翻的襯管的環形空間中的顆粒層或其它顆粒物質層。如果所述襯管沒有外翻，而是襯管僅僅能夠被引入到井眼中直到達到閾值長度為止，這是因為襯管和顆粒之間的摩擦將最終防止襯管進一步運動。
[0074]圖11中示出的過濾器212允許進行連續處理。在此，能夠連續地鑽出井眼和使得管4外翻。分批或連續地向下泵送顆粒220。鑽井流體中的顆粒總量至少足以提供在過濾器212下方被捕獲在已膨脹襯管段10和井眼壁之間的環空中的足夠量的顆粒。顆粒被捕獲在筒形過濾器段的外側與井眼壁224之間。筒形過濾器段的井下端部設置有柔性翼片252。所述翼片優選地具有圓形形狀。可替代地，翼片可以由多個翼片構成，所述多個翼片一起構成所述圓形形狀。翼片252具有關閉位置(圖11)，在關閉位置中，翼片252至少部分地封閉筒形過濾器段252與鑽柱20之間的間隙。當翼片下方的流體的流體壓力超過預定閾值壓力時，翼片252可以打開至打開位置(圖12)，在打開位置中，筒形過濾器段252與鑽柱20之間的間隙的至少一部分敞開，以提供流體通道。
[0075]當過濾器段252的內側上的翼片252處於關閉位置中(圖11)時，翼片至少部分地密封鑽柱與過濾器段之間的環空。這允許在過濾器段250與井眼壁224之間的環空中生成壓力。所述壓力稍微已經壓實被捕獲在過濾器段250與井眼壁224之間的顆粒。由於管狀元件4的外翻，顆粒被捕獲在已膨脹襯管段10與井眼壁224之間，從而甚至更多地壓實所述顆粒。
[0076]當例如由於從鑽頭流出太多的鑽井流體而使得翼片252兩側的壓差超過閾值壓力時，一個或多個翼片打開(圖12)。打開翼片允許使得鑽井流體的循環(包括將顆粒傳送到環空以及從鑽孔移除鑽肩)和由過濾器212壓實顆粒之間達到平衡。這還防止顆粒堵塞鑽柱20與未膨脹管段8之間的鑽井環空。
[0077]翼片252可以以多種方式在關閉位置和打開位置之間運動。可以例如逐漸或瞬時從關閉過渡到打開。在此逐漸指的是柔性翼片將例如通過彎曲而逐漸打開。後者允許無階性地打開環空並且允許所述環空根據壓差而打開至介於O至100%的百分比之間的任何預定的百分比。因此，翼片使得能夠有中間位置，在中間位置中，環空部分關閉且部分打開，例如，處於半打開位置。翼片例如可以由具有適當彎曲剛度的柔性橡膠製成。另外，翼片的幾何結構和形狀能夠設計成使得預定彎曲與壓差相關。瞬時打開使得翼片以階梯式的方式(即，或打開或關閉的方式)從關閉位置運動到打開位置。後者大體相當於照明開關的機構。
[0078]層222的長度例如處於大約Ikm或更小的範圍內，例如為大約500米向下至數米。本發明的層間封隔處理是半連續性的，並且避免將鑽柱在井眼中的起下鑽。
[0079]本發明使得能夠將顆粒220捕獲在已膨脹襯管段10與井眼壁之間，而同時限制所述顆粒對已膨脹襯管段10與井眼壁之間的環空202的密封能力，即，防止顆粒堵塞井眼的其它部分。
[0080]當通過鑽柱20向井下泵送顆粒220時，它們需要被捕獲在彎曲區域14處的環空的中。為此，一個實際的實施例包括:
[0081]I)過濾器構件212在所施加的鑽井流體中漂浮(圖8)。所述過濾器構件能夠沿著鑽柱20自由運動。彎曲區域14防止過濾器構件向上(井口 )運動，從而將過濾器保持在適當位置中。
[0082]在鑽出井眼期間，過濾器構件212向井下運動，以便允許鑽肩通過過濾器。當鑽柱20在鑽進同時向井下運動時，徑向延伸的脊狀件230可以接合過濾器構件212並且迫使過濾器構件隨同鑽杆一起向井下運動而遠離彎曲區域14。
[0083]2)過濾器構件212 (圖9)被附接到鑽杆20。所述過濾器構件典型地可以具有筒狀本體，所述筒狀本體比過濾器構件的其它實施例的筒狀本體長。過濾器構件可以不設置凸緣構件。鑽杆20相對於彎曲區域14的準確位置並不重要，這是因為過濾器較長。
[0084]3)(強)磁體240可以布置在已膨脹襯管段與未膨脹襯管段之間的環空44中(圖10) ο顆粒選擇成至少部分為鐵磁性的。在泵送顆粒的同時，磁體吸引顆粒並且將所述顆粒捕獲在彎曲區域14處。在未膨脹襯管段8的內側處，(鑽井)流體的速度較快，而在彎曲區域14下方或在彎曲區域14處流體流動將停滯。結果，鐵磁性顆粒將附接到襯管14的彎曲區域14，並且不會堵塞未膨脹襯管段8與鑽杆20之間的環空。在襯管4外翻的同時，附接到彎曲區域的所述顆粒將被運送到環空202並且被捕獲在所述環空202中。
[0085]顆粒可以例如由流體流運送。可替代地，顆粒可以漂浮在所使用的特別鑽井流體中。結果，需要相對低密度的顆粒。
[0086]顆粒可以包括以下中的一種或多種:
[0087]?溶脹橡膠、彈性體或黏土。在此溶脹可以表示製成顆粒的材料在與某一流體(諸如水或碳氫化合物)接觸時將溶脹。如果顆粒220溶脹，則環空202的層間封隔將隨著時間推移而得以提高。在布置期間顆粒的溶脹程度優選地保持最小，例如體積或直徑的溶脹為0%至10%。在布置時顆粒的溶脹程度優選地大於布置期間的溶脹程度，例如，體積或直徑的溶脹為100%至200%，例如體積溶脹高達1000%。對於適當的材料而言，例如參照US-7578347 ο
[0088].非溶脹橡膠、彈性體或鑽肩。在襯管4膨脹期間研磨顆粒並且形成緊密充填層222。
[0089]?包括活性成分的顆粒，所述活性成分將有助於將剩餘流體留置在環空中。活性成分可以包括例如超吸收聚合物或化學反應物質中的一種或多種。可以通過例如下述方式釋放活性成分:在預定的彌散時間期間從顆粒彌散，或者可溶解的膠囊，或者當在襯管膨脹期間被壓碎時破碎的膠囊。
[0090]天然浮性顆粒的密度小於鑽井流體的密度。典型地，鑽井流體的密度與水的密度大體相同，g卩，大致為I比重(SG)。例如，鑽井流體的密度可以在從0.8SG至5SG的範圍內或者例如在ISG至2.5SG的範圍內。對鑽井流體的選擇可取決於多種因素來，包括地層的性質。浮性顆粒的密度低於鑽井流體的密度，優選地其密度與鑽井流體密度的差為0.1SG或更大。浮性顆粒的密度可以在0.7SG至2.4SG的範圍內。
[0091]顆粒可以具有非均勻一致的粒徑。粒徑分布可以例如取決於環空202的尺寸或地層的滲透性。最大的顆粒可以與已膨脹襯管段10與井眼壁224之間的環形空間202 —樣大或略微大於所述環形空間202。所述環形空間例如在0.1mm至20mm的範圍內，或者例如在3mm至6mm的範圍內。最小的顆粒的粒徑可以取決於地層和所選擇的鑽井流體。最小顆粒可以填充較大顆粒之間的空隙，由此產生緻密的充填。最小顆粒的粒徑可以是納米顆粒或更大。優選地，顆粒在環空中充填的滲透性低於相應位置處的地層的滲透性。
[0092]在另一個實施例中，作為具有能夠在管反轉部(即，彎曲區域14)的部位前方處使用的密封顆粒的替代手段，能夠使用比泥漿顆粒輕的顆粒。所述顆粒由於其浮力具有向上行進的趨勢。通過將不可滲透的管布置在外徑比孔小且具有針對原始(未翻轉)SOCCS管的(運動)密封件的反轉區域處，在反轉部位處的下方產生了環空。比泥漿輕的顆粒具有聚集在所述空間中的自然趨勢，並且因此作為反轉管周圍所需的密封材料。當使得管反轉並且使得已膨脹段延伸時，捕獲在不可滲透管與井眼壁之間的顆粒的至少一部分將被運送到已膨脹管狀段10與井眼壁之間的環空中。一旦顆粒位於後述環空中，則顆粒可以提供如上所述的相對於其它實施例的層間封隔。
[0093]在一個實際的實施例中，能夠選擇襯管4的直徑和/或壁厚，使得在膨脹處理期間已膨脹襯管段10壓抵在井眼壁224上。已膨脹襯管10可以因此對井眼壁密封和/或使得井眼壁穩定。而且，已膨脹襯管可以將顆粒220擠壓在其外表面與井眼壁之間。
[0094]襯管4的壁厚可以等於或大於大約2mm (0.08英寸)。襯管4的壁的厚度可以例如大於2.5mm，例如大約介於3mm至30mm，或大約3.2mm至10mm。未膨脹段的外徑可以為大約50mm (2英寸)或更大，例如在大約50mm至400mm (16英寸)的範圍內。已膨脹段可以具有適於或通常用於碳氫化合物井眼的外徑。襯管的壁可以包括相對強的材料，諸如金屬或優選地鋼，或可以由固體金屬或脫氧鋼製成。因此，襯管4能夠設計成具有適當的抗擠壓強度，以便在針對碳氫化合物儲層鑽井時支撐井眼壁和/或承受內部壓力或外部壓力。
[0095]在井眼延伸期間，未膨脹襯管段8的長度並且因此重量將逐漸增加。因此，對應於未膨脹襯管段8的逐漸增大的重量能夠逐漸減小推動裝置42所施加的向下力。隨著所述重量增加，向下力最終可能需要由向上力來替代以將總力維持在預定範圍內。這可防止襯管段8的屈曲。
[0096]在鑽進期間，未膨脹襯管段8行進到井眼中，同時鑽柱20也逐漸行進到井眼I中。可以以大約兩倍於鑽柱20的速度將未膨脹襯管段8推入到井眼中，使得彎曲區域14保持位於鑽頭22上方的相對短的距離處。在此，所述短距離表示井眼I的裸眼段208 (即，無襯管段)的長度LI (見圖1和圖4)。本發明的方法使得裸眼段的長度LI在鑽出井眼期間總是小於例如大約100米，或者小於50米。
[0097]未膨脹襯管段8可以由鑽柱20支撐，例如由連接到鑽柱的支承裝置(未示出)支撐，所述支承裝置支撐彎曲區域14。在那種情況中，向上的力適當地施加到鑽柱20，隨後通過支承裝置傳遞到未膨脹襯管段8。而且，未膨脹襯管段8的重量於是能夠傳遞到鑽柱並且用於提供施加到鑽柱22的推力。
[0098]經由輸出管道90將包含鑽肩的鑽井流體從井眼I排放出。可替代地，鑽井流體可以以反向模式循環，在反向模式中，鑽井流體經由管道90被泵送到井眼中並且經由鑽柱20從井眼中排放出。
[0099]當要求將鑽柱20收回到地表時，例如當更換鑽頭22或當鑽井眼I完成時，能夠壓縮擴孔器段26至其徑向縮回模式，在徑向縮回模式中，徑向直徑小於未膨脹襯管段8的內徑。隨後，能夠通過未膨脹襯管8將鑽柱20收回至地表。
[0100]通過本發明的井眼系統，實現了在鑽進處理期間用在鑽頭正上方外翻的襯管為井眼逐漸加設襯管，結果，在鑽井處理期間總是僅僅存在相對短的裸眼段208。在此，短可以表示裸眼段的長度LI (圖1)小於lkm，例如所述長度LI在大約10米至300米的範圍內。短裸眼段的優勢包括限制流入到井眼中的可能性，這將最小化所造成的壓力升高或壓力偏差並且簡化以及改善了井控。在鑽入到大地地層中的含碳氫化合物流體的儲層期間，這種短裸眼段的優勢將最為顯著。鑑於此，對於多種應用而言，優選的是，如果僅僅在鑽入到碳氫化合物流體儲層或包含異常現象的地層段中的鑽進期間僅僅在鑽進期間施加對襯管的外翻處理，而井眼的其它段以傳統方式加設襯管或套管。可替代地，根據情況，在鑽進期間，可以在地表處開始或在選定的井下位置處開始對襯管的外翻處理。
[0101]鑑於鑽進期間的裸眼段短，顯著降低了井眼流體壓力梯度超過巖石地層的壓裂梯度或井眼流體壓力梯度下降到低於巖石地層的孔隙壓力梯度的風險。因此，較之在必須以選擇的間隔設置階梯式直徑減小的套管的傳統鑽井實踐，能夠以單一的標稱直徑鑽出明顯更長的間隔。
[0102]而且，如果穿過油頁巖層鑽出井眼，則這種短裸眼段消除了因油頁巖的隆起趨勢而導致的可能問題。
[0103]在已經將井眼鑽至理想深度並且已經從井眼移除鑽柱之後，未膨脹襯管段的仍然留存於井眼中的一段能夠留置在井眼中，或者能夠從已膨脹襯管段切斷所述段並且收回到地表。
[0104]在未膨脹襯管段的所述段留存於井眼中的情況中，存在多種用於完井的選項。例如，如下文概述。
[0105]A)例如鹽水的流體被泵送到未膨脹襯管段與已膨脹襯管段之間的盲環空44中，以便為環空加壓並且增加已膨脹襯管段10的抗擠壓強度。可選地，一個或多個孔設置在彎曲區域14中，以便允許所泵送的流體循環。
[0106]B)將水泥泵送到盲環空44中，以便在水泥硬化之後在未膨脹襯管段8與已膨脹襯管段10之間產生固態體。水泥在硬化時可膨脹。
[0107]C)例如通過泵送、推動或拉動擴管器通過未膨脹襯管段而使得未膨脹襯管段徑向膨脹(即，包層)而抵靠已膨脹襯管段。
[0108]在上述示例中，在地表處或在井下部位處使得襯管開始膨脹。在離岸井眼的情況中，其中，海上平臺定位在井眼上方，可能有利的是在海上平臺處、在水面處或水面上方處開始膨脹處理。在此，彎曲區域從海上平臺運動至海床並且隨後進入到井眼中。因此，所形成的已膨脹管狀元件不僅僅形成井眼中的襯管而且還形成從海上平臺延伸至海床的立管。由此不需要單獨的立管。
[0109]而且，諸如用於與井下設備連通的電線或光纖的導管能夠在已膨脹段與未膨脹段之間的環空中延伸。在管狀元件膨脹之前這種導管能夠附接到管狀元件的外表面。而且，已膨脹襯管段和未膨脹襯管段能夠用作電導體，以便向井下傳輸數據和/或電力。
[0110]較之已膨脹襯管段，因為在完成外翻處理之後仍然存在於井眼中的未膨脹襯管段的任何一段都將承受較為寬鬆的負荷條件，所以較之已膨脹襯管段，這種未膨脹襯管段的所述段可以具有較小的壁厚或可以具有較低的質量和鋼等級。例如，其可以由具有相對低屈服強度或相對低的抗擠壓額定值的管制成。
[0111]作為使得在膨脹處理之後未膨脹襯管段的一段留存在井眼中的替代方案，可以用上述方法使得整個襯管膨脹，以使得未膨脹襯管段保持在井眼中。在這種情況中，細長的構件，例如管柱能夠用於在膨脹處理的最後階段期間向未膨脹襯管段施加必要的向下力。
[0112]為了減小在膨脹處理期間未膨脹襯管段和已膨脹襯管段之間的摩擦力，諸如Teflon層的減小摩擦層可以施加在未膨脹襯管段與已膨脹襯管段之間。例如，減小摩擦層能夠施加到未膨脹段8的外表面。減小摩擦層減小了使得襯管外翻和將未膨脹段推入到井眼中所需的力。因此，保持所述力進一步低於所謂的臨界屈曲載荷，所述臨界屈曲載荷是未膨脹襯管屈曲或失效的力。作為減小摩擦層的替代方案或附加方案，能夠將對中墊和/或輥子施加在未膨脹段與已膨脹段之間的盲環空中，以便減小摩擦力和環空空隙。
[0113]作為使得已膨脹襯管段膨脹抵靠井眼壁(如所述的)的替代方案，能夠使得已膨脹襯管段膨脹抵靠已經存在於井眼中的另一個管狀元件(例如，套管或襯管)的內表面。
[0114]儘管已經描述本發明的包括頂部驅動裝置的實施例，但是，本發明同樣適於與可替代的鑽井系統一起使用。後者可以包括例如井下馬達以取代頂部驅動裝置。所述井下馬達是包括在鑽柱中、位於鑽頭正上方的鑽井工具。通過激活加壓鑽井流體，其致使鑽頭轉動而在鑽柱沒有旋轉。井下馬達的示例包括正排量馬達和井下渦輪馬達。而且，任何其它鑽井工具可以布置用於鑽出鑽孔。這種鑽井工具可以例如包括懸置於管柱端部處的磨料噴射
目.ο
[0115]同樣，本發明還適於定向鑽井，即，在鑽進時能夠調整鑽井方向。例如，在井下馬達位於鑽頭和彎接頭之間的情況中或者在馬達的殼體可以彎曲的情況中，井下馬達可在定向鑽井中用作造斜工具，
[0116]本發明並不局限於其上述實施例，其中，在所附的權利要求的範圍內可以想到多種變型方案。例如，可以組合相應實施例的各個特徵。
【權利要求】
1.一種用於對環繞井眼中的管狀元件的環空進行密封的方法， 其中，所述管狀元件是環繞工具柱的可膨脹的管狀元件，其中，所述可膨脹的管狀元件的壁的井下端部部分徑向向外並且沿著軸向相反方向彎曲，從而限定了圍繞未膨脹管狀段延伸的已膨脹管狀段，所述方法包括以下步驟: i)將第一鑽井流體引入到所述井眼中； ?)使用懸置於所述工具柱的端部處的鑽井工具鑽出所述井眼的裸眼段； iii)將包括顆粒的第二鑽井流體泵送到所述井眼中； iv)在所述管狀元件的井下端部附近將顆粒從所述第二鑽井流體中過濾出； V)通過將所述未膨脹管狀段推入到所述已膨脹管狀段中而使得所述管狀元件延伸到井眼的裸眼段中，而同時將已過濾出的顆粒的至少一部分引導到至所述已膨脹管狀段與井眼壁之間的環空。
2.根據權利要求1所述的方法，包括重複步驟i)至V)的步驟vi)。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，引導至環空的所述顆粒為所述環空填充顆粒層O
4.根據權利要求1所述的方法，其中，過濾出顆粒的步驟包括: 一在井口使得設置有過濾器構件的鑽柱運動，直到所述過濾器構件接合所述管狀構件的井下端部為止。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，將第一鑽井流體引入到所述井眼中的步驟包括: 一在井下使得設置有過濾器構件的鑽柱運動，直到所述過濾器構件與所述管狀構件的所述井下端部脫開接合為止。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，過濾步驟使用過濾器裝置，所述過濾器裝置包括: 一過濾段，所述過濾段從所述管狀段的井下端部延伸到所述井眼中；和一柔性的翼片，所述翼片布置在所述過濾段的井下端部處，以便至少部分地封閉所述過濾段與鑽柱之間的環空。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，當所述翼片兩側的壓差超過閾值壓力時，所述柔性的翼片將至少部分地打開所述過濾段與所述鑽柱之間的環空。
8.根據權利要求6所述的方法，其中，所述翼片由一個或多個翼片段構成，所述一個或多個翼片段一起構成圓形形狀。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述顆粒是至少部分鐵磁性的，並且其中過濾出顆粒的步驟包括: 一將磁體布置在所述管狀構件的所述井下端部處，以吸引所述顆粒的至少一部分。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述顆粒的至少一部分在與預定流體接觸時溶脹。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述預定流體包括水或碳氫化合物。
12.根據權利要求1所述的方法，包括以下步驟: 一將不可滲透管布置在所述管狀元件的井下端部處，所述不可滲透管的外徑小於所述井眼的外徑，並且包括在所述不可滲透管和所述管狀元件的井下端部之間的(運動)密封件，從而在所述管狀元件的井下端部的下遊處產生環形空間； 一確保所述第二鑽井流體中的顆粒的顆粒密度低於所述第二鑽井流體中的泥漿密度； 一其中，從所述第二鑽井流體中過濾出顆粒的步驟包括將所述顆粒因它們的浮力而聚集在所述環形空間中。
13.一種用於對環繞井眼中的管狀元件的環空進行密封的系統，所述系統包括: 一工具柱，所述工具柱具有懸置於井下端部處的鑽井工具，用於鑽出所述井眼的裸眼井段； 一可膨脹的管狀元件，所述可膨脹的管狀元件環繞所述工具柱，其中，所述可膨脹的管狀元件的壁的井下端部部分徑向向外並且沿著軸向相反方向彎曲，從而限定了圍繞未膨脹管狀段延伸的已膨脹管狀段； 一引入裝置，所述引入裝置用於將第一鑽井流體引入到所述井眼中； 一泵送裝置，所述泵送裝置用於將包括顆粒的第二鑽井流體泵送到所述井眼中；一過濾器裝置，所述過濾器裝置布置在所述管狀元件的井下端部附近，用於將顆粒從第二鑽井流體中過濾出，並且用於將已過濾出的顆粒中的至少一部分引導至所述已膨脹管狀段與井眼壁之間的環空中。
14.根據權利要求13所述的系統，其中，所述過濾器裝置選自以下組: 一過濾段，所述過濾段從所述管狀段的井下端部延伸到所述井眼中；和柔性翼片，所述柔性翼片布置在所述過濾段的井下端部處，以便至少部分地封閉所述過濾段與鑽柱之間的環空； 一布置在所述管狀元件的井下端部處的不可滲透管，所述不可滲透管的外徑小於所述井眼的外徑，並且包括在所述不可滲透管和所述管狀元件的所述井下端部之間的(運動)密封件，從而在所述管狀元件的井下端部的下遊處產生環形空間。
15.根據權利要求13所述的系統，所述系統用於實施根據前述權利要求中的任意一項所述的方法。
【文檔編號】B29C63/36GK104471178SQ201380027774
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年5月6日 優先權日:2012年5月8日
【發明者】P·C·克裡塞爾斯, S·A·哈特曼, E·K·科內利森, D·薩什德哈 申請人:國際殼牌研究有限公司