用於緩解在油井或氣井的環形空間內增加的壓力的系統和方法

2023-05-29 23:59:01 3

專利名稱：用於緩解在油井或氣井的環形空間內增加的壓力的系統和方法
技術領域：
本發明主要涉及緩解油井或氣井的環形收集空間內由溫度引起的壓力增加，尤其涉及用於緩解這種環形空間內壓力增加的系統和方法，這類系統和方法通常使用帶有一個或更多個壓力緩解腔的生產套管和/或回接套管。
背景技術：
由於從生產地平線到井眼會產生熱流體，使得收集在油井或氣井的套管/套管環形空間中的流體受熱膨脹，這時就會出現一些問題。如果不通風或採用另外方式來緩解壓力增加，這種膨脹就會導致環形空間內壓力增加。這種狀態通常是指「環形空間壓力增加 (APB) 」，這將導致內套管柱破損或外套管柱破裂。這些情形(破損或破裂)都潛在地對油井或氣井的機械完整性構成危害。多年來，形成了許多方法來處理環形空間壓力增加問題。使用真空絕熱管(VIT)來限制熱量從井眼傳遞到收集套管/收集套管環形空間中的流體，從而能防止有害的APB問題。例如參照kgreto的美國專利No. 7207603。有些緩解環形空間壓力增加的方法是在注水泥作業期間將可壓縮流體如氮氣 (N2)放置在用於收集的環形空間內，來限制由於被收集的流體膨脹而引起的壓力增加。例如參照Williamson等的美國專利No. 4109725。儘管這些方法能通過液化可壓縮流體來限制環形空間內的壓力增加，但是最終壓力仍然相當高。將絕熱流體/凝膠放置在管道/套管環形空間中能用來限制從井眼到收集套管/ 收集套管環形空間中的流體的熱對流引起的熱量傳遞。使用這種絕熱流體/凝膠的方法達到緩解環形空間壓力增加的效果與使用真空絕熱管的方法類似。例如參照Lon等的美國專利 No. 4877542。在某些情況下，緩解環形空間壓力增加問題涉及將可壓縮固體材料如泡沫或空心顆粒束縛在內套管柱的外側，這樣就能通過固體材料壓縮時有效「增加」環形空間容積來調節環形空間內的流體膨脹。例如參照Vargo等的美國專利No. 7096944。另一種緩解環形空間壓力增加問題的策略是將流體或其他材料放置在環形空間內，這些材料由於受熱和/或持續一定時間被激活時將「收縮」。例如參照Hermes等的美國專利申請公開No. 20070114033A1，該申請中使用了甲基丙烯酸甲酯材料。使用破裂和/或破損板來作為壓力緩解工具以使環形空間內的受熱流體通過板 「通風」。例如參照Maudt的美國專利No. 6457528。在另一種緩解環形空間壓力增加問題的技術中，可在外套管柱外側鑽孔以使流體從該孔排出或通過設置在孔中的壓力緩解裝置排出。例如參照Haugen等的美國專利 No.4732211。儘管有上述多種環形空間壓力增加緩解技術，但是環形空間壓力增加依然存在嚴重的問題-尤其對於海底作業而言。因而，能更好/進一步緩解環形空間壓力增加問題的系統和方法(這些方法和系統單獨使用或與一個或更多個上述技術結合使用)將特別有益-特別地，這些方法和系統能緩解海底作業中的環形空間壓力增加，尤其能緩解深水作業中的環形空間壓力增加。

發明內容
本發明的實施例主要涉及緩解壓力增加的系統和方法，用於緩解油井或氣井的環形收集空間內由溫度引起的壓力增加，通常這類系統和方法使用帶一個或更多個壓力緩解腔的生產套管和/或回接套管，這些腔例如通過接頭和/或其他連接件通常一體配置在一個或更多個所述套管柱中和/或與其結合一體配置。在一些實施例中，這類系統和方法能有效地應用在海上油井(如深水油井)中。在某些實施例中，本發明涉及一種或更多種用於緩解在井眼的環形套管中的壓力積聚的系統，所述系統包括(a)由至少兩個套管柱限定的環形空間的一個或更多個區域， 這些套管柱直徑不同且同心嵌套以使小直徑套管柱的至少一部分位於大直徑套管柱的至少一部分中；(b)至少一個腔，其通過套管接頭一體配置在至少一個套管柱上，該至少一個腔內含有惰性氣體，所述惰性氣體通過與所述腔結合一體配置的充氣孔被引入所述腔中； 和(c)至少一個內套活塞的活塞組件，該活塞組件與所述至少一個腔結合一體配置以使環形空間區域內的液體在壓力增加時能通過環形空間壓力增加孔進入該至少一個腔中，這樣就能推動活塞，從而腔內的惰性氣體壓強增加，而所述環形空間內的液體由於膨脹而壓強減小。在某些實施例中，這種(類)系統還包括一個或更多個第二類型腔，將該第二類型腔與環形空間分隔開的一個或更多個能夠崩裂的隔板與所述第二類型腔結合一體配置。在某些實施例中，本發明涉及一種或更多種用於緩解在井眼的環形套管中積聚的壓力的方法，所述方法包括以下步驟(a)在井眼的套管環形空間內設置腔，該腔通過套管接頭一體配置在至少一個套管柱上，其中所述腔包括與其結合一體配置的活塞；(b)將一定量的惰性氣體引入/帶進所述腔中；(c)使活塞響應於井眼套管環形空間內的壓力變化而移動，以平衡所述腔和井眼套管環形空間之間的壓力，從而降低在所述井眼的環形空間內積聚的壓力。在某些實施例中，這類方法還包括如下步驟配置第二類型腔，將該第二類型腔與環形空間分隔開的一個或更多個能夠崩裂的隔板與所述第二類型腔結合一體配置。為了更好地理解下面對本發明所作的詳細描述，前面已經主要概述了本發明的特徵。下面將描述本發明的其他特徵和有益效果，這些特徵及有益效果構成了本發明的權利要求的主題。


結合附圖參照下面的描述，能更徹底地理解本發明及其有益效果，附圖如下圖1示意表示了根據本發明的某些實施例用於緩解在環形空間中的壓力的系統；圖2表示本發明的某些實施例中的第一結構類型的環形空間壓力緩解腔；圖3A和IBB表示本發明的某些實施例中的環形空間壓力緩解腔如何與套管柱結合一體配置；圖4表示本發明的某些實施例中的第二結構類型的環形空間壓力緩解腔；和圖5按步驟表示本發明方法的實施例。
具體實施例方式1、介紹本發明總體上涉及緩解壓力增加的系統和方法，用於緩解油井或氣井的環形收集空間內由溫度引起的壓力增加(APB)，這類系統和方法使用環形空間壓力增加(緩解)腔， 這些腔通常與套管(如生產套管和/或回接套管)結合一體配置，這些腔使用活塞、閥和能夠崩裂的隔板來緩解環形空間中的壓力增加。這類系統和方法相對於現有技術，尤其針對海上油井(如深水油井)具有有益效果。2、定義一些術語首次使用時已經在說明書中作了定義，說明書中的一些其他術語定義如下「井眼」在此定義為鑽入地層用來開採石油資源如油和/或氣的鑽孔。這些井眼可以是以地面為基地的，也可以是離岸(海底)的。「深水」海上井通常是水下10000英尺或以上的井。「套管」在此定義為通常是指用於油和/或氣井完井的管狀元件。術語「套管柱」 指構成套管組件或管組的多個管件中的任一管件，這種套管柱在此可以是生產套管和/或回接套管。「環形空間」在此定義為指套管組件中的兩個同心且相鄰的套管柱界定的區域、 空間和/或容積。「環形區域液體」在此定義為指容納在或佔據井眼的環形區域的液體。這些液體可以是鑽探泥漿、生產流體、泡沫流體或它們的混合物，但並不局限於上述這些流體。「環形空間壓力」在此定義為環形空間中的液體的靜壓。3、系統參照圖1，在一些實施例中，本發明涉及一種或更多種系統100，用於緩解井眼套管環形空間中的壓力積聚，其中，井眼101設在地層102中，所述系統包括環形空間103的一個或更多個區域，其由至少兩個套管柱確定並進一步由一個或更多個水泥塞104界定和 /或確定，所述至少兩個套管柱的直徑不同且同心嵌套以使小直徑套管柱的至少一部分位於大直徑套管柱的至少一部分中；(b)至少一個腔105(第一類型腔)，其通過套管接頭一體配置在至少一個套管柱上，該至少一個腔內含有惰性氣體，所述惰性氣體通過與所述腔結合一體配置的充氣口(未示出)被引入所述腔；和(c)至少一個內套活塞的活塞組(未示出)，其與該至少一個腔結合而一體配置以使環形區域中的液體在壓力增加時能通過環形空間壓力增加(APB) 口(未示出)進入該至少一個腔，這樣就能推動活塞，從而使所述腔內的惰性氣體壓強增加，環形區域的液體由於膨脹而壓強減小。在某些實施例中，這種(這類)系統還包括一個或更多個第二類型腔107，將該第二類型腔與環形空間分隔開的一個或更多個能夠崩裂的隔板(未示出)與所述第二類型腔結合而一體配置。現在參照圖2，圖2更詳細示出了環形空間壓力緩解腔105的剖面(側視圖)。在該所示的實施例中，腔105由套管柱106界定(即腔與套管柱結合一體配置)。腔105通過充氣孔201填充有惰性氣體(例如隊)，通過活塞202和環形空間壓力增加口 205來調節井眼環形空間內的壓力。圖3A和;3B根據本發明的某些實施例還示出了腔105如何與套管柱結合一體配置，圖3A和;3B分別表示平面圖和側視圖。在某些這類實施例中，能通過下列方式來實現這種一體化將大直徑「保護套管」連接到小直徑生產套管/回接套管的外側，在連接處，套管端部通過焊件或帶密封件的端蓋密封。圖4圖示了用於緩解由溫度引起的壓力積聚的第二類型腔107，其(例如通過接頭)被配置為套管柱106整體式部件，根據本發明的某些實施例，所述第二類型腔通過能夠崩裂的隔板401被致動，因而能夠崩裂的隔板被設計為隨著環形空間內由於溫度引起的壓力增加而破裂。根據本發明的某些實施例，在這類實施例中，能夠崩裂的隔板401或連通所述第二類型腔以控制流體進入該第二類型腔的通道能用作充注孔。在這類實施例中，能夠崩裂的隔板在環形空間壓強達到至少大約2500磅/平方英寸(psi)時破裂。但是，本領域的技術人員應認識到，能夠崩裂的隔板的機械屬性以及環形空間與第二類型腔之間的壓差這兩者的共同作用使得能夠崩裂的隔板破裂。在上述這種系統的某些實施例中，該至少兩個套管柱可以是生產套管、回接套管或這兩種套管的組合。在典型的套管組中，使用多個套管柱，且一個或更多個第一和/或第二類型環形空間壓力增加緩解腔可設置在一個或更多個由套管柱潛在形成的環形區域中。 本領域的技術人員將意識到並不是井眼中所有環形空間必須相互保持流體連通。在上述這種系統的某些實施例中，至少一個第一類型腔中的每個腔的容積為0. 10 桶至20桶(bbl) (1桶(bbl) = 42加侖(gal) = 159公升(liters))。在上述這種系統的某些實施例中，至少一個第二類型腔中的每個腔的容積為0. 10桶至20桶(bbl)。如果單井眼中使用多個(任一類型)腔，就不特別限定腔的總容積。在上述這種系統的某些實施例中，腔內的惰性氣體處於標準狀態真空壓力下(例如小於1個標準大氣壓(atm))。在其他實施例中，所述腔內的惰性氣體處於大於或等於 6000磅/平方英寸(psi)的超大氣壓狀態。使用多個這種腔時，這些腔內的壓強可不同以調節內設這些腔的井內環形空間壓力增加工程響應。在某些或其他這類實施例中，惰性氣體可以選自％、Ar、He和它們的混合物。在上述這種系統的某些實施例中，該至少一個第二類型腔處於壓強低於1個標準大氣壓(Iatm)的真空狀態。在某些或其他這類實施例中，該至少一個第二類型腔內含有惰性氣體。在某些或其他這類實施例中，所述第二類型腔內含有壓強等於或大於6000磅/平方英寸(psi)的惰性氣體。在上述這種系統的某些實施例中，該至少一個腔內的預設壓強用來控制環形空間內的壓強。環形空間的壓強控制即為調節環形空間內的壓強，這種控制能同時用於環形空間的壓力緩解系統和方法中。在上述這種系統的某些實施例中，這類系統還包括調節工具，用於在現場調節所述至少一個腔中的至少一個腔內的惰性氣體量。在這類系統中，可使用增壓/通風工具來調節井眼的這種腔內的壓力。環形空間的壓力增加口將環形空間內的流體與活塞或活塞組件分離開。這些口能一起組合在分隔板中，或這些口僅用作入口。在上述這種系統的某些實施例中，環形空間壓力增加口內包括流體控制件，該控制件選自能夠崩裂的隔板、單向閥、定向閥、流體控制閥以及這些構件的組合。4、方法本發明方法的實施例與上述系統的實施例大體相一致。在很大程度上，這些方法表示上述系統的操作過程。參照圖5，在某些實施例中，本發明涉及一種或更多種用於緩解在井眼的套管環形空間中的壓力增加的方法，所述方法包括如下步驟；(步驟501)在井眼的套管環形空間內設置腔，該腔通過套管接頭一體配置在至少一個套管柱上，所述腔包括與其結合一體配置的活塞；(步驟50 將一定量的惰性氣體引入所述腔；(步驟50 使活塞響應於井眼的套管環形空間內的壓強變化而移動，以平衡所述腔與井眼的套管環形空間之間的壓力，從而緩解在所述井眼的環形空間內的壓力增加。在某些實施例中，這種(這類)方法還包括配置第二類型腔，將該第二類型腔與環形空間分隔開的一個或更多個能夠崩裂的隔板與所述第二類型腔結合而一體配置。在上述這種方法的某些實施例中，第一類型腔和/或第二類型腔內含有惰性氣體，該惰性氣體選自K、Ar、He以及這些氣體的組合。所述惰性氣體的壓強可小於1個標準大氣壓(atm)、或等於或大於6000磅/平方英寸(psi)。在上述這種方法的某些實施例中，還包括調節步驟，通過控制變化量來調節第一類型腔內的惰性氣體量，從而控制環形空間內的壓強。在某些這種實施例中，與第二類型腔相結合的一個或更多個能夠崩裂的隔板被設計為當環形空間內的壓強達到2500磅/平方英寸(psi)時破裂。在上述這種方法的某些實施例中，使用多個(第一類型)腔來緩解在井眼的環形空間內的壓力增加。在上述這種方法的某些實施例中，使用多個第二類型腔來緩解在井眼的環形空間內的壓力增加。在某些或其他這種實施例中，這種多個(任一類型的)腔的作用是調節所述井眼的環形區域內的壓強。在某些實施例中，環形空間內的壓力增加口僅起入口作用，因此環形空間內的流體能通過該口進入腔內接觸活塞/活塞組件。在上述這種方法的某些實施例中，使用環形空間壓力增加口來調節活塞和環形空間內的液體之間的流體連通。5、變化形式上述系統和方法的變化形式(即，可供選擇的實施例)的運用主要涉及環形空間內的壓力調節，而不是環形空間內壓力增加的緩解。另外，這類方法和系統並不局限於油井和氣井。本領域的技術人員將意識到這類系統和方法可用於任一種具有充注流體的環形空間的管組中，該環形空間常經受壓力增加。6、示例下面的示例用於闡述能運用本發明的這種環形空間壓力增加緩解系統/方法的深水工程，這些例子也闡述了本發明的具體實施例。本領域的技術人員能理解下面例子中公開的方法僅代表本發明的典型實施例。但是，根據本發明的公開內容，本領域的技術人員能理解在不脫離本發明實質和範圍的情況下，對所述具體實施例進行變動仍能獲得相同或類似效果。本發明的系統/方法的典型應用涉及雪佛龍公司的大溪地島(Chevron』 s Tahiti)工程的環形空間壓力增加問題。大溪地島井要求十又四分之三英寸(103/4") 的回接套管。將該回接套管安裝在大溪地島井之後，該十又四分之三英寸的回接套管和 20" χ 16"的表面/中間環形套管將形成環形收集空間。安裝這種帶有十三又八分之五英寸(135/8")的保護套管的十又四分之三英寸回接套管來形成環形空間壓力減小腔(APMC)，從而能減小環形收集空間內的壓強。經計算確定需要由環形空間壓力減小腔所形成的大約10(桶)bbls的附屬空間來緩解在典型的大溪地島井的環形空間內的壓力增加。 10個這種帶十三又八分之五英寸保護套管及相應環形空間壓力減小腔的十又四分之三英寸回接套管的接頭能獲得該10(桶)bbls的附屬空間。該十三又八分之五英寸的保護套管長為30英尺(30')，其每一端都有用於操作/滑動/提升的充足空間來操控該十又四分之三英寸套管。7、結論總而言之，本發明涉及緩解和/或調節系統和方法，用於緩解和/或調節油井或氣井環形空間內由溫度引起的壓力增加，這類系統和方法使用一體構造的環形空間壓力增加腔，這種腔使用活塞、閥和能夠崩裂的隔板來緩解環形空間內的壓力增加。這種系統和方法相對於現有技術，尤其是對於海上油井(例如深水井)具有有益效果。因此，可以參照本發明公開範圍之外的內容與本發明引證的所有專利和公開出版物相結合。可以理解為上述實施例的上述結構、功能和操作並不是實踐本發明的必須要素， 它們在說明書中僅僅是用於實現本發明的典型實施例的。另外，也將理解為上面引證的專利和公開出版物中提到的具體結構、功能和操作也能與本發明結合運用，但是它們並不是實踐本發明的必須要素。因而可理解為在不脫離本發明所附的權利要求書限定的實質和範圍的情況下，能採用不同於在此具體描述的方式來實踐本發明。
權利要求
1.一種用於緩解在井眼的套管環形空間內的壓力增加的系統，所述系統包括a)一個或更多個由至少兩個套管柱限定的環形空間區域，該至少兩個套管柱具有不同的直徑且同心嵌套，以使小直徑套管柱的至少一部分位於大直徑套管柱的至少一部分中；b)至少一個腔，該至少一個腔通過套管接頭一體配置在至少一個套管柱上，該至少一個腔內含有惰性氣體，所述惰性氣體通過與所述腔結合而一體配置的充氣孔被引入所述腔中；和c)至少一個內套活塞的活塞組件，其與所述至少一個腔相結合而一體配置，以使環形空間區域內的液體在壓力增加時能通過環形空間壓力增加口進入所述至少一個腔中，這樣就能推動活塞，從而使所述腔內的惰性氣體壓強增加，且環形空間內的液體由於膨脹而壓強減小。
2.根據權利要求1的系統，還包括一個或更多個第二類型腔，將該第二類型腔與環形空間分隔開的一個或更多個能夠崩裂的隔板與所述第二類型腔相結合而一體配置。
3.根據權利要求2的系統，其特徵在於所述能夠崩裂的隔板在壓強至少大約為2500 磅/平方英寸時破裂。
4.根據權利要求2的系統，其特徵在於所述至少兩個套管柱選自由生產套管、回接套管以及這兩種套管的組合所構成的組。
5.根據權利要求2的系統，其特徵在於至少一個第一類型腔的容積為0.10桶至20桶。
6.根據權利要求2的系統，其特徵在於至少一個第二類型腔的容積為0.10桶至20桶。
7.根據權利要求2的系統，其特徵在於所述惰性氣體選自N2、Ar、He以及它們的混合物所構成的組。
8.根據權利要求2的系統，其特徵在於至少一個第二類型腔處於壓強小於0.5標準大氣壓的真空狀態。
9.根據權利要求2的系統，其特徵在於至少一個第二類型腔內含有惰性氣體。
10.根據權利要求1的系統，其特徵在於所述至少一個腔內的預設壓強用於控制環形空間內的壓強。
11.根據權利要求10的系統，還包括調節工具，用於在現場調節所述至少一個腔中的至少一個腔內的惰性氣體的量。
12.根據權利要求1的系統，其特徵在於所述環形空間壓力增加口內設有流量控制件，該流量控制件選自能夠崩裂的隔板、安全閥、定向閥、流體控制閥以及這些構件的組合。
13.一種用於緩解在井眼的環形套管內的壓力增加方法，所述方法包括步驟a)在井眼的套管環形空間內設置腔，該腔通過套管接頭一體配置在至少一個套管柱上，所述腔包括與其一體配置的活塞；b)將一定量的惰性氣體引入所述腔中；c)使活塞響應於井眼套管環形空間內的壓強變化而移動，以平衡所述腔和井眼套管環形空間之間的壓強，從而緩解在所述井眼的環形空間內的壓力增加。
14.根據權利要求13的方法，還包括通過套管的一體化設置而配置第二類型腔的步驟，其中，將第二類型腔與環形空間分隔開的一個或更多個能夠崩裂的隔板與所述第二類型腔結合一體配置。
15.根據權利要求14的方法，其特徵在於該第二類型腔內含有惰性氣體，該惰性氣體選自由N2、Ar、He以及它們的混合物構成的組。
16.根據權利要求14的方法，還包括調節步驟，即通過控制變化量來調節第一類型腔內的惰性氣體量，從而控制環形空間內的壓強。
17.根據權利要求14的方法，其特徵在於與第二類型腔相結合的所述一個或更多個能夠崩裂的隔板被設計為在環形空間內的壓強為2500磅/平方英寸時破裂。
18.根據權利要求13的方法，其特徵在於使用多個腔來緩解在井眼的環形空間內的壓力增加。
19.根據權利要求14的方法，其特徵在於使用多個第二類型腔來緩解在井眼的環形空間內的壓力增加。
20.根據權利要求13的方法，其特徵在於使用環形空間壓力增加口來調節活塞和環形空間內的液體之間的流體連通。
全文摘要
本發明主要涉及緩解壓力增加的系統和方法，用於緩解油井或氣井的環形收集空間內由溫度引起的壓力增加，這類系統和方法使用帶有一個或更多個壓力緩解腔的生產套管和/或回接套管，這些腔使用活塞、閥和能夠崩裂的隔板來緩解環形空間中的壓力增加。這些系統和方法相對於現有技術，尤其是對於海底油井具有有益效果。
文檔編號E21B33/035GK102216557SQ200980145817
公開日2011年10月12日 申請日期2009年11月17日 優先權日2008年11月18日
發明者K·K·馬斯科斯, M·R·弗蘭奇 申請人:雪佛龍美國公司