在井眼中使管狀元件膨脹的方法

2023-06-20 01:02:01 1

專利名稱：在井眼中使管狀元件膨脹的方法
技術領域：
本發明涉及在形成於地層的井眼中使管狀元件徑向膨脹的方法。
背景技術：
在井眼中徑向膨脹管狀元件的技術在從地下巖層中進行油氣生產的工業中產生 越來越多的應用。井眼通常設置有一個或多個套管或襯管以給井眼壁提供穩定性，和/或 在不同的地層之間提供油層隔離。術語"套管"和"襯管"是指用於支撐和穩定井眼壁 的管狀元件，通常應當理解，套管從地面延伸到井眼中，襯管從某一深度進一步延伸到井眼 中。然而，在本文中，術語"套管"和"襯管"可互換地使用並且沒有區別。在傳統的井眼結構中，若干根套管設定在不同的深度間隔處，在嵌套方案中，每個 在後的套管穿過在先的套管下降，從而具有小於在先套管的直徑。因此，用於油氣生產的橫 截面井眼尺寸隨深度減小。為了克服該缺陷，通常使井眼中位於預定深度處的一個或多個 管狀元件徑向膨脹，例如形成膨脹套管、膨脹襯管或緊靠已有套管或襯管的護層。同樣，人 們建議使每個在後套管膨脹到與在前套管大致相同的直徑以形成單孔井眼。因此可以實現 井眼的有效直徑沿著其(一部分)深度保持大體上不變，這與傳統嵌套方案相反。EP 1438483B1公開了一種在井眼中使管狀元件膨脹的系統，因此，處於未膨脹狀 態的管狀元件在鑽進新井眼段期間首先附接到鑽柱上。為了使該井眼管狀元件膨脹，通常使用圓錐脹管器，其最大外徑大體上等於膨脹 之後的所需管徑。脹管器被泵送、推動或拉動穿過管狀元件。這種方法可以在脹管器和管 狀元件之間產生高摩擦力。同樣，存在脹管器卡在管狀元件中的風險。EP 0044706 A2公開了一種通過外翻在井眼中膨脹的由編織材料或織物製成的柔 性管，用於使泵入井眼中的鑽井泥漿與流向地面的泥漿切屑隔開。然而，需要在井眼中使管狀元件徑向膨脹的改進方法。

發明內容
根據本發明，提供了一種使延伸到形成於地層中的井眼內的管狀元件徑向膨脹的 方法，所述方法包括將管狀元件布置在井眼中，因此，管狀元件的壁的下端部沿徑向向外和軸向相反 方向延伸，從而限定圍繞管狀元件的剩餘管部延伸的膨脹管部；通過使剩餘管部相對於膨脹管部向下移動選定距離而使所述膨脹管部軸向延伸， 使得所述壁的下端部沿徑向向外和軸向相反方向彎曲；使剩餘管部在其上端軸向延伸，且延伸的管狀部分的長度至少等於剩餘管部向下 運動的所述距離。通過使剩餘管部相對於膨脹管部向下移動，管狀元件有效從裡向外翻轉，因此，在 無需穿過管狀元件推動、拉動或泵送的脹管器的情況下使管狀元件逐漸膨脹。膨脹管部可 以在井眼中形成套管或襯管。
此外，由於壁連續反向彎曲，剩餘管部在其下端逐漸縮短。因此，通過使剩餘管部 在其上端伸長以補償其下端處的縮短，壁反向彎曲工藝可以連續進行，直到膨脹管部達到 希望長度。在有利的應用中，管道延伸到剩餘管部中，其中，延伸的管狀部分圍繞管道裝配。 這樣，剩餘管部可以在不取下管道的情況下在其上端延伸。適當地，所述延伸的管狀部分由彼此軸向偏移的第一和第二壁部，以及與所述第 一和第二壁部軸向重疊的第三壁部形成。因此可以實現第一和第二壁部之間的連接不會在 剩餘管部的整個圓周上延伸。這具有如下好處在外翻加工期間第一和第二壁部之間連接 受到損壞的情況下，這種損壞不會沿著剩餘管部的整個圓周擴散。在優選的應用中，所述第一和第二壁部包括在第一列壁部內，所述第三壁部包括 在第二列壁部內，所述第一列、第二列沿軸向方向彼此交錯。為了進一步降低在外翻期間損壞沿圓周方向擴散的風險，第一和第二壁部適當地 在相對於剩餘管部的中心縱向軸線傾斜延伸的連接處相互連接。在流體團位於剩餘管部中的情況下，適當地，流體管道從流體團延伸到位於剩餘 管部上方的位置，因此，流體管道相對於剩餘管部能夠沿向上方向移動。通過響應於剩餘管 部在其上端的延伸使流體管道向上移動，可以通過流體管道保持與井眼中的流體團的流體 連通。在優選實施例中，管道是用於進一步鑽進井眼的鑽柱。適當地，操作所述鑽柱以進 一步鑽進井眼，其中，所述剩餘管部和鑽柱穿過井眼同步下降。為了實現膨脹管部保持其膨脹形狀，優選的是，管狀元件的壁包括在彎曲區發生 塑性變形的材料，使得膨脹管部因所述塑性變形而自動保持膨脹。在這方面，塑性變形是指 永久變形，如各種延展性金屬在超過材料的屈服強度時變形期間發生的那樣。因此，無需外 部作用力或壓力保持膨脹形狀。如果(例如)膨脹管部已經由於壁的所述彎曲而膨脹抵靠 井眼壁的話，不需要給膨脹管部施加外部徑向力或壓力以使其保持抵靠井眼壁。適當地，管 狀元件的壁由金屬製成，例如鋼或能夠通過管狀元件外翻而產生塑性變形的任何其它延展 性金屬。膨脹管部具有足夠的抗塌陷強度，例如為100-150巴左右。為了產生剩餘管部的所述運動，優選的是，剩餘管部經受產生所述運動的軸向壓 力。優選地，軸向壓力至少部分地由剩餘管部的重量引起。必要時，重量可以通過施加到剩 餘管部上以引起所述運動的外加向下作用力而增加。由於剩餘管部的長度的長度增加而造 成的重量增加，需要給剩餘管部施加向上作用力，以防止彎曲區內不受控制的彎曲或縱彎。


下面將參考附圖以舉例方式更詳細地描述本發明，其中圖1示意性地顯示了與本發明方法一起使用的井眼系統的下部的實施例；圖2示意性地顯示了在操作初始階段期間圖1所示系統的上部的第一實施例；圖3示意性地顯示了操作後續階段期間的第一實施例；圖4示意性地顯示了在操作初始階段期間圖1所示系統的上部的第二實施例；圖5示意性地顯示了操作後續階段期間的第二實施例；圖6示意性地顯示了在操作初始階段期間圖1所示系統的上部的第三實施例；
圖7示意性地顯示了操作後續階段期間的第三實施例；圖8A-C示意性地顯示了在不同使用階段的圖1所示系統的上部的第四實施例；和圖9示意性地顯示了圖1所示系統的上部的第五實施例。
具體實施例方式在附圖和說明書中，相同的參考數字表示相同的部件。參考圖1，顯示了一種井眼系統，包括延伸到地層2中的井眼1和形式為從地面向 下延伸到井眼1中的襯管4的管狀元件。襯管4已經通過襯管壁外翻而部分地徑向膨脹， 由此形成襯管4的徑向膨脹管部10，其具有與井徑大體上相等的外徑。襯管4的剩餘管部 8 (形式為未膨脹襯管部8)在膨脹管部10內同心地延伸。襯管4的壁由於其下端外翻而沿徑向向外和軸向相反(即向上)方向延伸以形成 使未膨脹襯管部8和膨脹襯管部10相互連接的襯管的U形下部11。襯管4的U形下部11 限定了襯管的彎曲區12。膨脹襯管部10藉助於由脹管處理在膨脹襯管部10和井眼壁14之間產生的摩擦 力而軸向固定到井眼壁14上。可選地或者另外，膨脹襯管部10通過任何適當的錨固裝置 (未顯示)錨固到井眼壁上。鑽柱20從地面通過未膨脹襯管部8延伸到井眼1的底部。鑽柱20在其下端設置 有鑽頭22，所述鑽頭22包括導向鑽頭24和擴孔部26，所述導向鑽頭的基準直徑略小於未 膨脹襯管部8的內徑，所述擴孔部的基準直徑適於將井眼1鑽到其公稱直徑。擴孔部26可 徑向縮回至允許其穿過未膨脹襯管部8的外徑，使得鑽柱20可以通過未膨脹襯管部8取回 到地面。參考標記28表示未膨脹襯管部8的中心縱向軸線。圖2和3顯示了圖1所示系統的上部的第一實施例，未膨脹襯管部8 (位於地面) 具有上部邊緣30、32。每個邊緣30、32沿著未膨脹襯管部8的圓周的一部分延伸，因此，邊 緣32從邊緣30向上偏移。第一壁部34、第二壁部36和第三壁部38裝配為剩餘管部的延 伸上部40 (圖3)。壁部34、36、38具有半球形橫截面形狀。圖3顯示了由壁部34、36、38裝 配而成並且連接到膨脹襯管部8的上端的延伸上部40。圖4和5顯示了圖1所示系統的上部的第二實施例，未膨脹襯管部8 (位於地面) 具有上部邊緣42、44。每個邊緣42、44沿著未膨脹襯管部8的外周的一部分延伸，並且相對 於襯管部8的中心縱向軸線傾斜，因此，邊緣44從邊緣42向上偏移。第一壁部46、第二壁 部48和第三壁部50裝配為剩餘管部的延伸上部52 (圖5)。壁部46、48、50具有半球形橫 截面形狀。圖5顯示了由壁部46、48、50裝配好之後並且連接到膨脹襯管部8的上端的延 伸上部52。圖6和7顯示了圖1所示系統的上部的第三實施例，未膨脹襯管部8 (位於地面) 具有沿著未膨脹襯管部8的整個圓周連續延伸的上部邊緣56。為未膨脹襯管部8在其上端 的延伸設置延伸構件54，所述延伸構件54具有橫向開口 56，鑽柱20可以穿過所述橫向開 口。橫向開口 56限定在延伸構件54的一對縱向邊緣58、59之間。延伸構件54可以例如 由與未膨脹襯管部8具有相同直徑和壁厚的管段形成，沿縱向方向切割以形成邊緣58、59。 圖7顯示了邊緣58、59已經焊接在一起之後，並且延伸構件54焊接到未膨脹襯管部8的上 部邊緣56之後的延伸構件54。
圖8A-C顯示了圖1所示系統的上部的第四實施例，未膨脹襯管部8在其上端延伸 有延伸的管狀部分62，其由具有平行邊緣65、66的螺旋纏繞的金屬條64形成。圖9顯示了圖1所示系統的上部的第五實施例，因此，未膨脹襯管部8在其延伸的 上端具有螺旋纏繞的金屬條68，所述金屬條具有平行邊緣69、70。金屬條68從圍繞流體排 出管道72大體上同心布置的捲軸71上開卷，所述流體排出管道用於將鑽井泥漿從形成在 鑽柱20和未膨脹襯管部8之間的環形空間排出。流體排出管道72設置有側部出口 74並 且以這樣的方式大體上同心地延伸到未膨脹襯管部8中，以允許流體排出管道72相對於未 膨脹襯管部8沿軸向方向滑動。設置環形密封件76以將流體排出管道72密封到未膨脹襯 管部8的上部。在正常操作期間，襯管4的下端部首先外翻，即，下部沿徑向向外和軸向相反方向 彎曲。從而首先形成U形下部11和膨脹襯管部10。隨後，已經形成的短膨脹襯管部10通 過任何適當的錨固方式錨固到井眼壁上。根據襯管4的幾何結構和/或材料性質，可選地， 膨脹襯管部10可以因膨脹襯管部10和井眼壁14之間的摩擦自動錨固到井眼壁上。隨後通過施加足夠大的向下作用力而使未膨脹襯管部8逐漸向下移動，因此，未 膨脹襯管部8在彎曲區12逐漸外翻。這樣，未膨脹襯管部8逐漸轉變成膨脹襯管部10。在 外翻加工期間，彎曲區12以未膨脹襯管部8的運動速度大約一半的速度沿向下方向移動。如果希望的話，可以選擇襯管4的直徑和/或壁厚，使得膨脹襯管部10由於外翻 加工而壓靠井眼壁14，從而密封井眼壁14和/或穩定井眼壁。由於未膨脹襯管部8的長度逐漸增加而造成重量逐漸增加，向下作用力的大小可 以根據襯管部8的重量增加而逐漸減小。當重量增大時，最終需要用向上作用力代替向下 作用力以防止襯管部8縱向撓曲。與未膨脹襯管部8向下運動到井眼中同時，操作鑽柱20以使鑽頭22旋轉，從而通 過進一步鑽進使井眼1變深。因此，鑽柱20向下逐漸移動到井眼1中。未膨脹襯管部8以 受控方式並且以與鑽柱20大體上相同的速度向下移動，從而確保彎曲區12保持在鑽頭22 上方的短距離處。例如，可以通過控制如上所述的向下作用力或向上作用力實現未膨脹襯 管部8的受控下降。適當地，未膨脹襯管部8例如通過連接到鑽柱上的支承裝置(未顯示) 由鑽柱20支撐，所述支承裝置支撐U形下部11。在這種情況下，向上作用力適當地施加給 鑽柱20，隨後通過支承裝置傳遞給未膨脹襯管部8。此外，未膨脹襯管部8的重量可以通過 支承裝置傳遞給鑽柱並用於給鑽頭22提供推力。未膨脹襯管部8以下文所述的方式在其上端對應於所述向下運動進行延伸。就所述上部的第一實施例(圖2、3)而言，壁部34、36、38朝向中心縱向軸線28沿 徑向方向移動，從而圍繞鑽柱20使用，隨後裝配以形成延伸上部40。壁部彼此焊接焊接在 一起並焊接到未膨脹襯管部8上，因此，第一壁部34焊接至邊緣30，第二壁部36焊接至第 一壁部34的上端。第三壁部38焊接至邊緣32，沿軸向方向與第一和第二壁部34、36重疊。就所述上部的第二實施例(圖4、5)而言，壁部46、48、50朝向中心縱向軸線28沿 徑向方向移動，從而圍繞鑽柱20使用，隨後裝配以形成延伸上部52。壁部彼此焊接在一起 並焊接到未膨脹襯管部8上，因此，第一壁部46焊接至邊緣42，第二壁部48焊接至第一壁 部46的上端。第三壁部50焊接至邊緣44，沿軸向方向與壁部46、48重疊。就所述上部的第三實施例(圖6、7)而言，延伸構件54朝向中心縱向軸線28沿徑
6向方向移動，因此，鑽柱20穿過橫向開口 56(圖4)。延伸構件54隨後圍繞鑽柱20彎曲，直 到邊緣58、59鄰接為止。在下一步驟中，邊緣58、59焊接到一起，延伸構件54焊接至未膨 脹襯管部8的上部邊緣56 (圖7)。就所述上部的第四實施例(圖8A-C)而言，金屬條64圍繞鑽柱20成螺旋形纏繞， 隨後，相鄰繞圈的鄰接邊緣65、66焊接在一起，從而首先形成延伸的管狀部分62 (圖8A)。 在下一步驟中，延伸的管狀部分62在下部平面67a和上部平面67b切割，所述下部平面和 上部平面均大體上垂直於中心縱向軸線28 (圖8B)。延伸的管狀部分62的下部邊緣隨後焊 接到未膨脹襯管部8的上部邊緣(圖8C)上。就所述上部的第五實施例(圖9)而言，金屬條68從捲軸71內部開卷，同時以螺 旋方式卷繞鑽柱20。為此，捲軸71圍繞中心縱向軸線28沿箭頭76的方向旋轉。相鄰繞圈 的鄰接邊緣69、70焊接在一起。流體排出管道72在未膨脹襯管部8向下運動期間保持固 定，因此，環形密封件76沿著未膨脹襯管部8的內表面滑動。利用如上所述的方法，可以實現未膨脹襯管部8在其上端延伸，同時保持通過其 上端與未膨脹襯管部8內部的連通。因此，在未膨脹襯管部8在其上端延伸期間，不必將鑽 柱20從井眼中拆下或斷開。此外，利用第一和第二實施例(圖2-5)，可以實現沿圓周方向延伸的每個焊縫，例 如壁部34和壁部36之間的焊縫只沿著圓周的一部分延伸，即，不沿著整個圓周延伸。這具 有下列優點，在這種圓周焊縫在外翻加工期間受損的情況下，受損焊縫不會沿著未膨脹襯 管部8的整個圓周延伸。第二實施例(圖4，5)的附加優點是所有焊縫軸向延伸或相對於 中心縱向軸線傾斜地延伸。因此，進一步降低了在外翻加工期間，受損焊縫沿圓周方向擴散 的風險。隨著鑽進的進行，未膨脹襯管部通過以類似的方式連接附加壁部而在其上部進一 步延伸。當需要將鑽柱20取回地面時，例如，當鑽頭26將要更換或者當井眼1的鑽進完成 時，擴孔部26達到其徑向收縮模式。隨後，鑽柱20穿過未膨脹襯管部8取回地面。利用本發明的井眼系統，可以實現在鑽井過程期間，井眼利用位於鑽頭正上方的 外翻襯管逐漸進行加襯。因此，在鑽井過程期間始終只有相對較小的井眼開放井段。這種短 開放井段的優點在鑽入地層的含烴類流體層期間最為顯著。就此而言，對於許多應用來說， 只在鑽入烴類流體儲層期間進行鑽進期間的襯管外翻工藝就足夠了，而井眼的其他部分以 傳統的方式加襯管或加套管。可選地，鑽進期間的襯管外翻工藝根據環境在地面或者在井 下選定位置開始。就鑽進期間的短開放井段而言，顯著降低了井內流體壓力梯度超過巖層破裂梯 度，或者井內流體壓力梯度降低到巖層的孔隙壓力梯度以下的風險。因此，與必須在選定間 隔處設置直徑呈階梯式減小的套管的常規鑽進相比，能夠以單一的公稱直徑鑽進相當長的 間隔。同樣，如果井眼鑽穿頁巖層的話，這種短開放井段消除了由頁巖層隆起趨勢而可 能引起的問題。在井眼已經鑽到預定深度並且鑽柱已經從井眼中取出之後，仍然留在井眼中的未 膨脹襯管部的管段可以留在井眼中或者可以從膨脹襯管部上切下並取回地面。
在未膨脹襯管部的管段留在井眼中的情況下，對完井來說有若干種選擇。例如，如 下所述。A)將例如海水的流體泵入未膨脹襯管部和膨脹襯管部之間的環形空間內，以便給 環形空間加壓和提高膨脹襯管部的抗塌陷強度。選擇性地，在U形下部上設置一個或多個 孔以允許泵送流體循環。B)將重流體泵入環形空間，從而支撐膨脹襯管部和提高其抗塌陷強度。C)將水泥泵入環形空間以便在水泥硬化後在未膨脹襯管部和膨脹襯管部之間產 生固體，從而使水泥在硬化時膨脹。D)例如通過將脹管器泵送、推動或拉動穿過未膨脹襯管部而使未膨脹襯管部靠著 膨脹襯管部徑向膨脹(即，形成包層)。在上述實例中，在地面或在井下位置使襯管膨脹。在海上平臺位於井眼上方的近 海井眼的情況下，在海面上，有利地是在海上平臺開始脹管加工。在這種工藝中，彎曲區從 海上平臺移動到海底並且從海底進一步移動到井眼中。因此，最終的膨脹管狀元件不僅在 井眼中形成襯管，而且隔水管從海上平臺延伸到海底。從而不再需要單獨的隔水管。此外，例如用於與井下設備連通的電線或光纖的管道可以在位於膨脹部和未膨脹 部之間的環形空間內延伸。這種管道可以在管狀元件膨脹之前附接到管狀元件的外表面 上。同樣，可以使用膨脹和未膨脹襯管部作為電導體以在井下傳送數據和/或電能。由於在外翻加工完成之後仍然保留在井眼中的未膨脹襯管部的任意管段與膨脹 襯管部相比經受沒那麼苛刻的負載條件，這段未膨脹襯管部與膨脹襯管部相比可以具有更 小壁厚，或者可以具有更低的質量或鋼號。例如，它可以由具有較低屈服強度或較低擠毀等 級的管子製成。代替在脹管加工之後在井眼中保留一段未膨脹襯管部，整個襯管可以利用如上所 述的方法膨脹，使得在井眼中不保留未膨脹襯管部。在這種情況下，在脹管加工的最後階 段，可以使用例如管柱的細長構件給未膨脹襯管部施加必要的向下作用力。為了在脹管加工期間減小未膨脹和膨脹襯管部之間的摩擦力，可以在未膨脹管部 和膨脹襯管部之間施加適當的摩擦減小層，例如聚四氟乙烯層。例如，摩擦減小塗層可以在 脹管之前施加到管狀元件的外表面上。此外，這種由摩擦減小材料製成的層進一步減少了 未膨脹管部和膨脹管部之間的環狀間隙，從而使未膨脹管部減少壓曲趨勢。代替或另外，可 以在未膨脹管部和膨脹管部之間施加這種摩擦減小層、定心墊和/或滾子以減少其間的摩 擦力和環狀間隙。代替使膨脹襯管部靠著井眼壁(如上所述)膨脹，膨脹襯管部可以靠著已經存在 於井眼中的另一個管狀元件的內表面膨脹。
權利要求
一種在形成於地層中的井眼內使管狀元件徑向膨脹的方法，所述方法包括將管狀元件布置在井眼中，因此，管狀元件的壁的下端部沿徑向向外和軸向相反方向延伸，從而限定圍繞管狀元件的剩餘管部延伸的膨脹管部；通過使剩餘管部相對於膨脹管部向下移動選定距離而使所述膨脹管部軸向延伸，使得所述壁的下端部沿徑向向外和軸向相反方向彎曲；使剩餘管部在其上端軸向延伸，且延伸的管狀部分的長度至少等於剩餘管部向下移動的所述距離。
2.如權利要求1所述的方法，其中，一管道延伸到剩餘管部中，並且其中，所述延伸的 管狀部分圍繞管道裝配。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述延伸的管狀部分由彼此軸向偏移的第一壁部 和第二壁部，以及與所述第一和第二壁部軸向重疊的第三壁部形成。
4.如權利要求3所述的方法，其中，所述第一壁部和第二壁部包括在第一列壁部內，所 述第三壁部包括在第二列壁部內，所述第一列和第二列沿軸向方向彼此交錯。
5.如權利要求3或4所述的方法，其中，所述第一壁部和第二壁部在相對於剩餘管部的 中心縱向軸線傾斜地延伸的連接處相互連接。
6.如權利要求2-5中任意一項所述的方法，其中，所述管道是布置為進一步鑽進井眼 的鑽柱。
7.如權利要求6所述的方法，其中，操作所述鑽柱以進一步鑽進井眼，並且其中，所述 剩餘管部和鑽柱穿過井眼同步下降。
8.如權利要求2-7中任意一項所述的方法，其中，所述延伸的管狀部分由單個壁部形 成，所述單個壁部具有用於使管道穿過的橫向開口。
9.如權利要求1-8中任意一項所述的方法，其中，流體團位於剩餘管部中，並且其中， 一流體管道從流體團延伸到位於剩餘管部上方的位置，所述方法還包括與剩餘管部在所述 上端軸向延伸相一致，使所述流體管道相對於所述剩餘管部向上移動。
10.如權利要求1-9中任意一項所述的方法，其中，所述管狀元件壁包括在彎曲加工期 間易於發生塑性變形的材料，使得膨脹管部因所述塑性變形而保持膨脹形狀。
11.如權利要求1-10中任意一項所述的方法，其中，所述剩餘管部承受引起該剩餘管 部的所述向下移動的軸向壓力。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述軸向壓力至少部分地緣於所述剩餘管部的 重量。
13.基本上如上文參考附圖所描述的方法。
全文摘要
本發明提供了一種在形成於地層中的井眼內使管狀元件徑向膨脹的方法，所述方法包括將管狀元件(4)布置在井眼中，因此，管狀元件壁部的下端部沿徑向向外和軸向相反方向延伸，從而限定圍繞管狀元件的剩餘管部(8)延伸的膨脹管部(10)；和通過使剩餘管部相對於膨脹管部向下移動選定距離而使所述膨脹管部軸向延伸，使得所述壁部的下端部沿徑向向外和軸向相反方向彎曲。剩餘管部在其上端軸向延伸有延伸的管狀部分，所述延伸管狀部分的長度至少等於剩餘管部向下移動的所述距離。
文檔編號E21B43/10GK101896689SQ200880120340
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月11日 優先權日2007年12月13日
發明者P·C·克裡塞爾斯 申請人:國際殼牌研究有限公司