利用減小的表面壓力鑽探的方法和系統的製作方法

2023-11-29 23:54:01 1

利用減小的表面壓力鑽探的方法和系統的製作方法
【專利摘要】一種鑽探方法包括在形成於地下地巖層中的井(14)中布置具有入口流體導管(9)和返回流體導管(10)的雙鑽柱(20)，使得在雙鑽柱(20)和井(14)的壁(21)之間形成井環空(22)。分隔物元件(3)設置在井環空(22)中以將井環空(22)分隔成上部環形區域(5)和下部環形區域(12)，上部環形區域(5)在分隔物元件(3)上方延伸至井環空(22)的表面，下部環形區域(12)在分隔物元件(3)下方朝井環空(22)的底部延伸。下部環形區域(12)包含第一流體(25)。第二流體(27)被進給到上部環形區域(5)中。該方法包括配置第二流體使得第二流體(27)的密度大於第一流體(25)的密度。
【專利說明】利用減小的表面壓力鑽探的方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及鑽井的方法和系統。
【背景技術】
[0002]為了從地下地巖層中的儲層提取烴類流體，在地巖層中鑽出井。鑽探技術的發展已演化出在任何方向上鑽井的可能性，例如以便提取存在於所鑽探的地巖層中的儘可能多的烴類流體。井可以例如包括基本上豎直的部段和從豎直部段偏離的至少一個部段，可能地基本上水平的部段。從基本上豎直的部段偏離的部段趨向於較長，常常延伸幾千米進入地巖層中。為了滿足增加能源儲備的日益增加的需求，烴類勘探正向更深的水域推進，並且井的深度在不斷增加。
[0003]通常通過將鑽柱一端上的鑽頭插入井中來進行鑽探。鑽柱的重量與鑽柱的長度成比例。當在較大的水深處鑽探時，水的深度也影響井中的壓力條件，並且增加到鑽柱的重量上。人們不希望地巖層流體在鑽探期間滲入鑽出的井中；因此，由鑽探系統施加在地巖層上的壓力應高於地巖層孔隙壓力。鑽探系統也應理解為包括在鑽柱和無襯地巖層壁之間添加的流體。利用這種流體，人們還能在鑽探期間控制井，並且因此將防止井噴。同時，還需要限制穿透無襯地巖層壁的鑽井流體的量，並且也需要在生產開始之前防止鑽出的井筒的側壁破裂。這意味著由鑽探系統施加的壓力不得超出地巖層的破裂壓力。地巖層孔隙壓力也依賴於靜液柱，並且在較大水深處，地巖層孔隙壓力增加。當由鑽探系統施加的壓力朝由地巖層孔隙壓力和地巖層破裂壓力限定的邊界移動時，在鑽探可以繼續之前，必須通過套管或尾管對井加套管。因此，需要提供一種鑽探的方法，由此，鑽探可以在地巖層孔隙壓力和地巖層破裂壓力之間的容許壓力範圍內繼續更長的時段，即更寬的鑽井窗口。
[0004]術語「鑽探」應理解為是指藉助於鑽柱在地下建立孔。它尤其適用於在海上或陸地上在地殼中鑽進，以用於回收烴類、隧道、水道或為了回收地熱能。
[0005]WO 2010/039043 Al描述了一種包括工具單元的井下鑽井工具。工具單元包括至少一個第一流體導管和返回流體導管，並且工具單元布置成置於井筒中，限定井單元和井筒或帶套管的井筒之間的環形空間。返回流體導管可以布置在第一流體導管，在第一流體導管和返回流體導管之間留下環形空間以供第一流體流動，並且其中返回流體導管在返回流體導管的居中布置的空間內行進。
[0006]從文獻WO 94/13925 Al知道利用彼此緊鄰布置的雙管道鑽探，其中一根管道用於流體從表面到鑽頭的泵送，並且另一根管道用作供鑽出的鑽屑和流體從鑽頭到表面設施的返回管線。在鑽柱的下部處，在鑽頭上方布置有密封活塞。在活塞上方為閉合管道和井筒壁或套管之間的空間的密封件，限定所述活塞和密封件之間的體積。泵入該體積內的諸如液壓流體的加壓流體液壓地抵靠孔眼的底部施力於活塞和因此鑽頭。當在地巖層中鑽探並試圖到達潛在的烴類儲層時，可能遇到具有比周圍地巖層更高的地巖層孔隙壓力的區域。這些區域可能是高壓氣體或水的氣阱或貯存器。通過常規的鑽探技術鑽穿這樣的區域可能是困難的或甚至不可能的，因為很難在欠平衡鑽井(UBD)的同時或利用控制壓力鑽井(MPD)對孔隙壓力保持控制，並且仍然進一步下探到高壓地巖層區域。UBD是指套管或尾管內部的流體靜壓小於儲層壓力的鑽探狀態，而MPD是在地巖層孔隙壓力和地巖層破裂壓力之間的差值較低時的合適方法。MPD是用來更精確地控制貫穿井筒的環形壓力分布的自適應鑽探方法。
[0007]為了能夠鑽進，鑽探系統的重量必須高於地巖層孔隙壓力。有可能在活塞上方泵送諸如液壓流體的加壓流體，但這樣旋轉控制裝置(RCD)(通常布置在井的頂部處且限定活塞和井的頂部之間的環形體積的上邊界)將不得不經受來自泵出的加壓流體的壓力。因為鑽柱伴隨泥漿穿過RCD而旋轉，對於這些產品來說將始終存在受限制的壓力/旋轉範圍。

【發明內容】

[0008]在本發明的一方面，鑽探方法包括在地巖層中鑽出的井中布置具有一個入口流體導管和一個返回流體導管的雙鑽柱，使得在雙鑽柱和井的壁之間形成井環空。該方法包括在井環空中布置分隔物元件以將井環空分隔成上部環形區域和下部環形區域，上部環形區域在分隔物元件上方延伸至井環空的表面，下部環形區域在分隔物元件下方朝井環空的底部延伸。該方法包括將具有第二密度的第二流體進給到上部環形區域。進給包括配置第二流體使得第二密度大於第一密度。
[0009]在一個實施例中，第一流體的至少一部分是來自地巖層的流體。
[0010]在一個實施例中，進給第二流體包括將第二流體作為未加壓流體提供。
[0011]在一個實施例中，該方法還包括在暴露於上部環形區域的分隔物元件的上表面和暴露於下部環形區域的分隔物元件的下表面中的至少一個處或附近測量壓力。
[0012]在一個實施例中，該方法還包括使用測量的壓力來選擇性地調整第二密度，使得在井的鑽探期間第二密度保持大於第一密度。
[0013]在一個實施例中，該方法包括在井環空的表面附近布置旋轉控制單元。作用在旋轉控制單元上的壓力將由井中的壓力和井環空中的流體的密度確定。
[0014]在本發明的另一方面，鑽探系統包括具有一個入口流體導管和一個返回流體導管的雙鑽柱。雙鑽柱布置在形成於地巖層中的井中，使得井環空形成於鑽柱和井的壁之間。布置在環空中的分隔物元件將井環空分隔成在分隔物元件上方延伸至井環空的表面的上部環形區域和在分隔物元件下方朝井環空的底部延伸的下部環形區域。下部環形區域包含具有第一密度的第一流體。具有第二密度的第二流體設置在上部環形區域中，在那裡，第二密度大於第一密度。
[0015]在一個實施例中，鑽探系統還包括流體入口，第二流體通過該入口進給到上部環形區域內。
[0016]在一個實施例中，鑽探系統還包括布置在井環空的表面附近的旋轉控制單元，在那裡，旋轉控制單元與流體入口連通。
[0017]在一個實施例中，鑽探系統還包括布置在井環空的表面附近與旋轉控制單元連接的防噴器，防噴器形成上部環形區域的上邊界。
[0018]在一個實施例中，鑽探系統還包括用於在暴露於下部環形區域的分隔物元件的下表面處或附近測量壓力的裝置。
[0019]在一個實施例中，鑽探系統還包括用於在暴露於上部環形區域的分隔物元件的上表面處或附近測量壓力的裝置。
[0020]在一個實施例中，分隔物元件為活塞。
[0021]在一個實施例中，分隔物元件固定到雙鑽柱。
[0022]在另一個實施例中，分隔物元件可相對於雙鑽柱移動。
[0023]在一個實施例中，雙鑽柱的兩個流體導管為同心的。
[0024]在一個實施例中，第一流體的至少一部分是來自地巖層的流體。
[0025]在一個實施例中，第二流體為未加壓的。
[0026]應當理解，上述
【發明內容】
和下面的【具體實施方式】是本發明的示例，並且旨在提供用於理解本發明所要求保護的本發明的性質和特徵的概述或框架。附圖是為了提供對本發明的進一步了解而包含的，並且被納入本說明書中且構成本說明書的一部分。附圖示出了本發明的各種實施例並且與說明書一起用來解釋本發明的原理和操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]以下是對附圖中的圖的描述。附圖未必按比例繪製，並且附圖的某些特徵和某些視圖可能為了清楚和簡明起見而按比例放大或以示意性方式顯示。
[0028]圖1示出具有根據本發明的一個實施例的鑽探系統的井。
[0029]圖2是示出對於兩種不同重量的流體來說作為井環空中的深度的函數的壓力的坐標圖。
【具體實施方式】
[0030]在以下詳細描述中，可闡述許多具體細節以便提供對本發明的實施例的透徹理解。然而，對本領域技術人員明顯的是，本發明的實施例可在沒有這些具體細節中的一些或全部的情況下實施。在其它情況下，可能不詳細描述熟知的特徵或過程，以免使本發明不必要地難理解。此外，類似或相同的附圖標記可用於標識共同或類似的元件。
[0031]本發明涉及一種方法，該方法控制井環空中的壓力，使得在井環空附近的旋轉控制單元(RCD)處的壓力保持較低。該方法涉及使用布置在井環空中的通常為活塞的分隔物元件的使用。該布置使得存在分隔物元件下方的流體和分隔物元件上方的流體，其中分隔物元件上方的流體為重流體，並且分隔物元件下方的流體為輕流體，即，分隔物元件上方的流體具有比分隔物元件下方的流體更高的密度。在圖2中，線A表示作為系統的深度的函數的井環空中的壓力，其中輕流體在分隔物元件下方，並且重流體在分隔物元件上方。相比之下，線B表示當分隔物元件上方和下方的流體均為例如具有基本上相等的密度的輕流體時或者當井環空中不存在分隔物元件時作為深度的函數的井環空中的壓力。如圖2所示，線A和線B具有相同的井底壓力，如在Pl處所指示的。在分隔物元件正下方，在P2處，線A和線B的壓力也相同。在分隔物元件上方，線A從線B分開。線A和線B的表面壓力分別在P3和P4處示出。如圖所示，線A的表面壓力低於線P4的表面壓力。這是由於由線A表示的在系統中的分隔物元件上方的重流體。這意味著，由線A表示的系統中的RCD將經受比由線B表示的系統中的RCD低的表面壓力。這種作用於RCD上的壓力的減小將允許更寬的鑽井窗口。如果由線A表示的系統中的重流體為未加壓的，那麼作用於RCD上的壓力可以低至零。[0032]圖1示出了根據本發明的一方面的鑽探系統I。鑽探系統I將呈現出與圖2的線A類似的井環空中的壓力，如上所述。鑽探系統I在海上鑽探的背景下示出，但它也可以應用於陸上鑽探。井14已鑽穿地巖層32並且正鑽穿覆蓋烴類地巖層36的高壓地巖層34。井14的上部設有套管2。井14的下部不帶套管。鑽探系統I由具有雙管道的鑽柱20組成。管道可以是同心的或彼此緊鄰定位。在所示實施例中，管是同心的。第一管道29具有連接到入口流體導管10的入口流體路徑A。第二管道30具有連接到返回流體導管9的返回流體路徑B。返回流體導管9在入口流體導管10的內部上，但在備選實施例中，入口流體導管10可以在返回流體導管9的內部上。鑽柱20的下部具有井底鑽具組合(BHA) 15和鑽頭4，鑽頭4在其下端中具有鑽井流體出口 18。BHA 15可以設有隔斷閥16。鑽屑入口 17定位在BHA 15的上部上。
[0033]鑽柱20布置在井14中，使得在鑽柱20和井14的壁21之間形成井環空22。諸如活塞、柱塞或油缸3的分隔物元件3在鑽柱20的外部上布置在井環空22中。分隔物元件3將井環空22分隔成在分隔物元件3上方的上部環形區域5和在分隔物元件3下方的下部環形區域12。上部環形區域5從分隔物元件3的上表面3b延伸至井環空22的表面，而下部環形區域12從分隔物元件3的下表面3a朝井環空22的底部延伸。在一個實施例中，下部環形區域12 —直延伸至井14的底部。分隔物元件3可以插入帶有套管2的井14的區域中或裸眼中。在一個實施例中，分隔物元件3固定到鑽柱20。在這種情況下，如果作用於分隔物元件3的上表面3b上的力大於作用於分隔物元件3的下表面3a上的力，分隔物元件3將趨於向下移動。如果在分隔物元件3上的淨力克服鑽柱20的重量，鑽柱20將通過分隔物元件3的運動向下(即，朝著井14的底部)施力。在另一個實施例中，分隔物元件3不固定地鑽柱20並且相對於鑽柱20自由移動。
[0034]在井14的表面或井環空22附近，在靠近海底13的區域中布置有防噴器(BOP) 8和旋轉控制裝置(RCD) 7。RCD 7與罐(未示出)或類似儲存設施連通，該設施用於通過流體入口 6儲存諸如鑽井流體的流體。流體入口 6還通向限定在分隔物元件3上方的上部環形區域5。用於旋轉或驅動鑽柱的頂部驅動轉接器11布置在水面船舶或平臺(未示出)處。
[0035]當在井14中進行鑽探操作時，鑽探系統I還包括包含在下部環形區域12中的下部環形區域流體25和設置在上部環形區域5中的上部環形區域流體27。在一個實施例中，下部環形區域流體25的至少一部分來自在其中鑽出井14的(多個)地巖層。下部環形區域流體25的剩餘部分可以來自從鑽柱20排入井14的底部中的流體。下部環形區域流體25將在分隔物兀件3的下表面3a上施加第一壓力。
[0036]上部環形區域流體27可以通過流體入口 6進給到上部環形區域5中。上部環形區域流體27將在分隔物元件3的上表面3b上施加第二壓力。上部環形區域5可以部分地或完全地用上部環形區域流體27填充。在上部環形區域5中的流體的柱的表面處的壓力將決定在井環空22的表面處的壓力。作用於RCD 7上的壓力將由在井14中的壓力和井環空22中的流體的密度確定，該密度與井環空22中的壓力有關。
[0037]在一個實施例中，上部環形區域流體27的密度大於下部環形區域流體25的密度。在這種情況下，在分隔物元件3的上表面3b處的流體靜壓將大於在分隔物元件3的下表面3a處的流體靜壓。在一個實施例中，上部環形區域流體27為「未加壓的」，即，不具有人為產生或保持的升高的壓力。如果上部環形區域流體27為未加壓的，那麼在井環空22的表面處且作用於RCD 7上的壓力將基本上為零。上部環形區域流體27可以是例如鑽井流體。一般來講，上部環形區域流體27可以是液體、一種或多種液體的混合物、或一種或多種液體與一種或多種類型的固體顆粒的混合物。上部環形區域流體27的組成將被選擇以實現所需的密度，該密度將優選地大於下部環形區域流體25的密度。通常，上部環形區域流體27的密度將大於l.0kg/1。
[0038]在一個實施例中，在分隔物元件3的上表面3b處或附近布置有壓力傳感器24，以測量上表面3b處或附近的壓力。備選地或附加地，壓力傳感器26可布置在分隔物元件3的下表面3a處或附近，以測量下表面3a處或附近的壓力。如此前所提及的，上部環形區域流體27的密度需要大於下部環形區域流體25的密度。如果上部環形區域流體27的密度大於下部環形區域流體25的密度，那麼在分隔物元件3的上表面3b處或附近測量的壓力將大於在分隔物元件3的下表面3a處或附近測量的壓力。如果傳感器24、26的輸出表明上部環形區域流體27的密度不大於下部環形區域25的密度，那麼上部環形區域流體27的密度可以增加。表面3a、3b處或附近的壓力的監測可以在鑽探過程期間的不同時間進行。這是因為在下部環形區域12中的條件可能隨時變化，例如由於地巖層流體流入或沿鑽柱20向下泵送的流體的組成中的變化。上部環形區域流體27的密度的調整可以是手動的或自動的。
[0039]如上所述，通過使用在分隔物元件3上方的重流體減小作用於RCD 7上的壓力的方法可以與諸如欠平衡鑽井模式、控制壓力鑽井模式和過平衡鑽井模式的任何鑽井模式一起使用。這意味著上部環形區域流體27的密度的選擇可以受地巖層孔隙壓力影響。
[0040]雖然本發明結合一些優選實施例進行描述，但可以做出變型。例如，流體流動方向以及鑽屑和鑽井流體的入口和出口可以互換。本領域的技術人員應理解，存在可以在所附權利要求中限定的本發明的範圍內做出的其它變型和修改。
【權利要求】
1.一種鑽探方法,包括: 在地巖層中鑽出的井(14)中布置具有一個入口流體導管(9)和一個返回流體導管(10)的雙鑽柱(20)，使得在所述雙鑽柱(20)和所述井(14)的壁(21)之間形成井環空(22)； 將分隔物元件(3)設置在所述井環空(22)中以將所述井環空(22)分隔成上部環形區域(5)和下部環形區域(12)，所述上部環形區域(5)在所述分隔物元件(3)上方延伸至所述井環空(22)的表面，所述下部環形區域(12)在所述分隔物元件(3)下方朝所述井環空(22)的底部延伸，所述下部環形區域(12)包含具有第一密度的第一流體；以及 將具有第二密度的第二流體進給到所述上部環形區域(5)中，所述進給包括配置所述第二流體，以使得所述第二密度大於所述第一密度。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一流體的至少一部分是來自所述地巖層的流體。
3.根據權利要求1或2所述的方法，還包括將所述第二流體作為未加壓流體而提供。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的方法，還包括:在暴露於所述上部環形區域 (5)的所述分隔物元件(3)上表面(3b)和暴露於所述下部環形區域(12)的所述分隔物元件(3)下表面(3a)中的至少一個處或附近而測量壓力。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的方法，還包括使用所述測量的壓力來選擇性地調整所述第二密度，以使得所述第二密度在所述井的鑽探期間保持大於所述第一密度。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，還包括將旋轉控制單元布置在所述井環空的所述表面附近，其中，作用於所述旋轉控制單元上的壓力由所述井中的壓力和所述井環空中的流體的密度確定。
7.—種鑽探系統(1)，包括: 雙鑽柱(20)，其布置在形成於地巖層中的井(14)中，以使得在所述雙鑽柱(20)和所述井(14)的壁(21)之間形成井環空(22)，所述雙鑽柱具有一個入口流體導管(10)和一個返回流體導管(9)； 分隔物元件(3)，其布置在所述井環空(22)中以將所述井環空(22)分隔成上部環形區域(5)和下部環形區域(12)，所述上部環形區域(5)在所述分隔物元件(3)上方延伸至所述井環空(22)的表面，並且所述下部環形區域(12)朝向所述井環空(22)的底部在所述分隔物元件(3)下方，所述下部環形區域(12)包含具有第一密度的第一流體(25);以及 第二流體(27)，其具有第二密度且設置在所述上部環形區域(5)中，所述第二流體被配置成使得所述第二密度大於所述第一密度。
8.根據權利要求7所述的鑽探系統(I)，還包括流體入口(6)，所述第二流體通過所述流體入口(6)進給到所述上部環形區域(5)中。
9.根據權利要求8所述的鑽探系統(I)，還包括布置在所述井環空(22)的所述表面附近的旋轉控制單元(7),所述旋轉控制單元(7)與所述流體入口(6)連通。
10.根據權利要求9所述的鑽探系統(I)，還包括與所述旋轉控制單元(7)連接而布置在所述井環空(22)的所述表面附近的防噴器，所述防噴器(8)形成所述上部環形區域(5)的上邊界。
11.根據權利要求7至10中的任一項所述的鑽探系統(I)，還包括用於在暴露於所述下部環形區域(12)的所述分隔物元件(3)下表面(3a)處或附近而測量壓力的裝置。
12.根據權利要求7至11中的任一項所述的鑽探系統(I)，還包括用於在暴露於所述上部環形區域(5)的所述分隔物元件(3)上表面(3b)處或附近而測量壓力的裝置。
13.根據權利要求7至12中的任一項所述的鑽探系統(I)，其中，所述分隔物元件(3)為活塞。
14.根據權利要求7至13中的任一項所述的鑽探系統(I)，其中，所述分隔物元件(3)固定到所述雙鑽柱(20)。
15.根據權利要求7至13中的任一項所述的鑽探系統(I)，其中，所述分隔物元件(3)能相對於所述雙鑽柱(20)移動。
16.根據權利要求7至14中的任一項所述的鑽探系統(I)，其中，所述雙鑽柱的所述兩個流體導管(9，10)為同心的。
17.根據權利要求7至16中的任一項所述的鑽探系統(I)，其中，所述第一流體(25)的至少一部分是來自所述地巖層的流體。
18.根據權利要求7至17中的任一項所述的鑽探系統(I)，其中，所述第二流體(27)是未加壓的。
【文檔編號】E21B17/20GK104040107SQ201280053006
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年8月22日 優先權日:2011年8月31日
【發明者】O.M.維斯塔維克 申請人:裡爾韋爾公司