用於對封裝管狀構件的環空進行密封的方法和系統的製作方法

2023-10-26 14:56:52

用於對封裝管狀構件的環空進行密封的方法和系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了用於對在井眼內封裝管狀構件的環空進行密封的方法和系統。該方法包括以下步驟：將第一鑽井液引入井眼內；使用懸撐在鑽柱端部處的鑽井工具鑽出井眼的裸眼區段；用密封液驅替所述第一鑽井液；將管狀構件延伸入井眼的裸眼區段；和將部分密封液衝洗出井眼，使得管狀構件和井眼壁之間的環空中充有密封液層。上述步驟可以根據需要重複。
【專利說明】用於對封裝管狀構件的環空進行密封的方法和系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及用於將管狀構件封裝在井眼內的環空進行密封的方法和系統。該系統和方法可應用於襯管在井眼內的固結。

【背景技術】
[0002]徑向擴張管狀構件的技術在從地層生產油氣的工業中得到越來越多的應用。井眼通常配備一個或更多個套管或襯管，為井眼壁提供穩定性和/或在不同地層之間提供區帶隔離。「套管」和「襯管」指用於支撐和穩固井眼壁的管狀構件。典型地，套管從地表延伸進井眼，而襯管從一定深度進一步延伸進井眼。然而，在本文中，術語「套管」和「襯管」可以互換使用且沒有刻意的區別。
[0003]在常見的井眼結構中，多個套管以不同的深度間隔設置且嵌套布置。在此，每個隨後的套管通過前一個套管下放並因而具有比前一個套管更小的直徑。結果，用於油氣生產的井眼的有效橫截面積隨深度減小。
[0004]為了避免此種缺陷，可以在井眼內預定深度處徑向擴張一個或更多個管狀構件，如形成擴張的套管、擴張的襯管或抵靠已有套管或襯管的疊置層。另外，已提出徑向擴張每個隨後的套管到與前一個套管直徑基本相同，以形成單一直徑的井眼。與常見嵌套布置相反，這樣獲得井眼的有效直徑沿其深度(的一部分)保持基本不變。
[0005]W02008/006841公開了用於在井眼中徑向擴張管狀構件的井眼系統。管狀構件的壁被徑向向外擴張並沿軸向相反方向彎曲，從而形成圍繞管狀構件的未擴張部分延伸的已擴張部分。通過例如壓或推的方式而使未擴張部分移動進入已擴張部分，使已擴張管狀部分的長度增加。這裡，已擴張部分保持已擴張的管狀。在未擴張部分的頂端，未擴張部分例如可通過增加管部分或解卷、摺疊和焊接薄片材料形成管狀的方式來延伸。
[0006]當使用W02008/006841的系統給井眼加襯時，已擴張管狀構件和井眼壁之間的環空與傳統套管系統比相對小。已擴張管部分接近井眼壁或甚至與井眼壁接觸。因此，不可能執行常規的注水泥工作，在以嵌套布置形式使用傳統套管時，注水泥工作典型地用於建立區域隔離。這裡，注水泥工作意味著在封裝襯管或套管的環空內施加水泥。
[0007]在傳統注水泥工作中，形成水泥的漿體通過鑽柱和鑽柱的井下端部向井下泵送，隨後通過套管或襯管與井眼壁之間的環空向上泵送。可替換地，水泥漿體可在容納在兩個水泥塞之間的情況下被泵送通過套管的內流體通道。
[0008]使用W02008/006841所公開的系統時，由於反轉的管和井眼壁之間的環空相對較小，需要相對高的壓差來將水泥漿體泵入環空中。另外，將水泥漿體泵入較小的環空中可導致不均勻地填充環空。另外，外翻的管沿其長度的至少一部分結合井眼壁，使所述環空從井下端到地表缺乏連續流道。當反轉管沿一定長度結合井眼壁並由此建立區域隔離時，流體或水泥漿體將不可能通過環空進行流動。
[0009]類似於W02008/006841中公開的系統，W02009/074643公開了一種用於擴張管狀構件的系統。其中，一管道延伸進入管狀構件的已擴張部分和未擴張部分之間的盲環空。該管道能夠實現使用一種替代流體來驅替上述盲環空中的流體。
[0010]但是，W02009/074643所披露的系統缺少如何在圍繞已擴張管狀部分(即，已擴張管狀部分和井眼壁或另一個套管之間)的環空內敷設水泥的任何指示。上述環空的上部例如通過使用水泥而被區域隔離或由於已擴張管狀部分結合井眼壁而被區域隔離，並從而形成區域隔離區。環空的上部被隔離則使在所述環空中設置用於驅替流體的管道變成不可能實現，或者不可能以傳統方式泵送水泥漿體。對於W02008/006841中的系統也存在上面所描述的相同問題。
[0011]本發明旨在克服上述問題。


【發明內容】

[0012]本發明因此提供一種用於對可擴張管狀構件的已擴張部分周圍的環空進行密封的方法，所述可擴張管狀構件封裝帶地層測試器的鑽柱，其中，可擴張管狀構件的壁的井下端部分徑向向外彎曲並沿軸向反向彎轉，從而限定圍繞可擴張管狀構件的未擴張管狀部分延伸的已擴張管狀部分，該方法包括以下步驟:
[0013]i)將第一鑽井液引入井眼內；
[0014]ii)使用懸撐在所述帶地層測試器的鑽柱端部的鑽井工具鑽制井眼的裸眼區段；
[0015]iii)用密封液驅替所述第一鑽井液；
[0016]iv)通過將未擴張管狀部分推入已擴張管狀部分中，將管狀構件延伸入井眼的裸眼區段；
[0017]v)將部分密封液衝洗出井眼，使環空中充有密封液層。
[0018]本發明的方法排除了使水泥通過環空流動的需要。該方法還使水泥的使用與通過外翻襯管而在井眼內擴張襯管的系統相結合。此外，本發明的方法適於在下述情況下固結傳統套管，如在所述套管和封裝部之間的環形空間太小不允許水泥漿體泵送的情況下，或在泵送水泥漿體所需的壓力超過可用泵送設備的最大輸出壓力的情況下。
[0019]在一個實施例中，該方法包括如下步驟:
[0020]vi)允許密封液層在凝固時間期間凝固。
[0021]在另一個實施例中，如上所述的方法步驟可以重複。這樣，該方法能沿井眼的預定部分提供襯管，在所述襯管和井眼壁之間留下相對小的環空，同時通過在環空內孔引入密封液來確保區域隔離。
[0022]通過相對於已擴張管狀部分向下移動未擴張管狀部分，管狀構件有效從內向外翻。在沒有將擴張器推、拉或泵送通過管狀構件的情況下，管狀構件被逐漸擴張。已擴張的管狀部分可在井眼內形成套管或襯管。已擴張管狀襯管可具有足以穩定或支撐井眼壁的抗塌陷強度。
[0023]優選的情況為:管狀構件的壁包括在擴張過程塑性變形的材料。已擴張管狀部分由於可擴張管狀構件的壁的塑性變形(即，永久變形)將保持已擴張的形狀。無需施加外力或壓力將已擴張管狀部分保持在已擴張的形式。如果例如已擴張管狀部分與井眼壁結合，無需施加附加徑向力或壓力來保持已擴張管狀部分抵靠井眼壁。
[0024]管狀構件的壁可包括諸如鋼的金屬或能通過管狀構件外翻而塑性變形的其他任何易延展的材料。已擴張管狀部分優選具有足夠的抗塌陷強度以支撐或穩定井眼壁。根據不同的地層，已擴張管狀部分的抗塌陷強度可以超過如100巴到150巴。抗塌陷強度可以在例如200巴到大約1600巴或更大的範圍內，如大約400巴到800巴或更大。
[0025]適當地，通過使剩餘的管狀部分相對於已擴張管狀部分沿軸向移動，引起彎曲區域相對於所述剩餘的管狀部分沿軸向移動。例如，將已擴張管狀部分軸向固定在某些位置，未擴張管狀部分沿軸向移動通過已擴張管狀部分，引起壁的彎曲。
[0026]為了引起未擴張管狀部分的移動，未擴張管狀部分承受一軸向壓力而引起所述移動。該軸向壓力優選至少部分來源於剩餘管狀部分的重量。一推壓裝置通過給剩餘管狀部分施加附加的外力而可對未擴張管狀部分的重量進行補充，從而引起所述移動。所述推壓裝置可以將未擴張部分推入已擴張部分來使後者延伸。推壓裝置施加的附加力可以向上或向下。例如，當未擴張管狀部分的長度增加而由此使得未擴張管狀部分的重量增加時，需要對未擴張管狀部分施加向上的作用力來保持施加在未擴張管狀部分上的總作用力在預定範圍內。保持所述總作用力在所述範圍內將能夠防止彎曲區域產生不可控的彎曲或翹曲。
[0027]如果所述彎曲區域位於管狀構件的下端，藉此，由於彎曲區域的移動，剩餘管狀部分在其下端部軸向變短，優選的情況為:與剩餘管狀部分的下端軸向縮短相對應，剩餘管狀部分在其上端軸向延伸。由於管狀構件的壁持續反向彎曲，剩餘管狀部分的井下端部逐漸變短。因此，通過在其上端延伸剩餘管狀部分來彌補在其下端部的縮短，管狀構件的壁的反向彎轉的過程能持續進行直到達到已擴張管狀部分的期望長度。例如，通過將管柱部分以任何合適的方式(如焊接)連接到剩餘管狀部分的上端，則能夠使得剩餘管狀部分在其上端處延伸。可選擇地，剩餘管狀部分可提供為連續油管的形式，該連續油管從捲軸開卷並隨後插入井眼中。
[0028]可選擇地，可加熱所述彎曲區域來促進管壁的彎曲。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]下文將參考附圖的例子更詳細地描述本發明，其中:
[0030]圖1顯示了用於徑向擴張管狀構件的系統的下部的豎向剖視圖；
[0031]圖2顯示了圖1的系統的上部的一個實例的豎向剖視圖；
[0032]圖3顯示了圖1的系統的上部的另一個實例的豎向剖視圖；
[0033]圖4顯示了井眼的豎向剖視圖，指示根據本發明方法中的第一步驟；
[0034]圖5顯示了井眼的豎向剖視圖，指示根據本發明方法中的第二步驟；
[0035]圖6顯示了井眼的豎向剖視圖，指示根據本發明方法中的第三步驟；
[0036]圖7顯示了井眼的豎向剖視圖，指示根據本發明方法中的第四步驟；
[0037]圖8顯示了包含旁通閥的本發明的可替換實施例的豎向剖視圖，旁通閥顯示為處於關閉位置；
[0038]圖9顯示了旁通閥處於開啟位置的圖8的實施例的豎向剖視圖；以及
[0039]圖10顯示了井眼的豎向剖視圖，指示根據本發明方法中的第二步驟的可替換實施例。
[0040]在附圖和說明書中，相同的標號指示相同的部件。

【具體實施方式】
[0041]圖1顯示地層2內形成的井眼I。徑向可擴張的管狀構件4(例如可擴張的鋼製襯管)從地表6向下延伸進井眼I。管狀構件4包括未擴張管狀部分8和徑向已擴張管狀部分10。未擴張管狀部分8在已擴張管狀部分10內延伸。優選地，已擴張管狀部分10的外徑與井眼的直徑基本相同。
[0042]儘管圖1所示的井眼豎向延伸進地層2中，本發明同樣適用於任何其他井眼。例如，井眼I可以至少部分沿水平方向延伸。下文中，井眼的上端是指處於地表6處的端部，而井眼的下端是指其井下端部。
[0043]在未擴張管狀部分的下端處，該未擴張管狀部分8的壁徑向向外並沿軸向相反方向(圖1中的向上)彎曲，從而形成彎曲的井下部分12，該彎曲的井下部分限定了管狀構件4的彎曲區域14。該彎曲的井下部分12具有U形橫截面，且使未擴張管狀部分8和已擴張管狀部分10相互連接。
[0044]鑽柱20可從地表穿過未擴張襯管部分8延伸到井眼I的下端。鑽柱20的井下端部配備鑽頭22。鑽頭包括例如領眼鑽頭24和擴眼器部分26，領眼鑽頭具有比未擴張襯管部分8的內徑稍小的外徑，擴眼器部分26具有適於將井眼I鑽到其標稱直徑的外徑。該擴眼器部分26徑向可回縮到更小的外徑，允許其通過未擴張襯管部分8，從而使鑽頭22能通過未擴張襯管部分8回收到地表。鑽柱20可以包括多個鑽杆部分28。鑽杆部分28可以通過內外螺紋連接部30在相應端部處相互連接。鑽柱20和未擴張管狀部分8之間的環形空間32被稱作鑽孔環空32。
[0045]連接部30在圖中沒有詳細地顯示，但包括如帶螺紋的、銷式和箱式連接部。連接部30可以包括每個端部加工有外螺紋的接頭，其中具有內螺紋的短的連接件(圖中未示出)用於將鑽柱的獨立的接頭連接在一起，或所述連接部包括一端具有外螺紋的接頭且另一端具有內螺紋的接頭。所述帶螺紋的連接部可以包括由美國石油組織(API)標準化的連接部。
[0046]圖1還顯示了鑽臺40，其相對於地表6高出，並套裝鑽柱20和未擴張管狀部分8的上端。鑽臺40是鑽機的一部分，但是沒有顯示鑽機的全部。頂管機42 (例如安裝在鑽臺的下方)環繞未擴張管狀部分8。頂管機例如由基架43支撐。基架43提供穩定性，且例如可連接到鑽機或支撐在地表6上。頂管機可以包括安裝在基架上的一個或更多個馬達46和可由相應的馬達驅動的一條或更多條傳送帶48。每條傳送帶48與未擴張管狀部分8的外側配合。傳送帶48能對所述未擴張管狀部分8施加作用力，迫使未擴張管狀部分移動進入已擴張管狀部分10內。可想到頂管機42的其他實施例，其能夠給未擴張管狀部分施加向下或向上的作用力。
[0047]密封裝置50可連接到已擴張襯管部分10的上端，以相對於已擴張襯管部分10密封未擴張襯管部分8。在此，密封裝置50允許未擴張襯管部分8能夠沿軸向相對密封裝置50滑動。該密封裝置包括管路52，該管路連接到泵(未顯示)上，該泵用於將液體泵入或泵出盲環空44(即，在未擴張襯管部分8和已擴張襯管部分10之間的環形空間)。由於環形空間44在井下的端部由彎曲區域14封閉，因此，該環形空間被稱為盲環空。密封裝置包括一個、兩個或多個環形密封件56、58。密封件56、58與未擴張襯管部分8的外側配合，防止液體流出盲環空。優選地，密封裝置50包括至少兩個密封件56、58，以在第一密封件失敗情況下提供至少一個輔助密封件來提高安全性和可靠性。
[0048]密封裝置50能被當作盲環空防噴器(BABOP)。因此，密封件56、58、密封裝置50與已擴張部分10上端的連接部以及用於閉合所述管路52的一個或更多個閥(圖中未示出)都設計成至少能夠承受井在受控狀態下所產生的流體壓力。根據地層的特性，密封裝置50例如設計成能夠承受噴發情況下預期的壓力，如在200巴到1600巴範圍內的壓力，例如大約400巴到800巴或更多。例如，在故障情況下在盲環空44中會產生這種壓力，例如由於可擴張管4破裂與井控情況相結合而會產生所述故障。
[0049]已擴張襯管部分10通過任何合適的固定裝置軸向固定，以防止軸向移動。已擴張襯管部分10的上端可固定在地表處。例如，已擴張部分的上端可通過如焊接和/或螺絲旋擰的方式連接到環或法蘭59。所述環可以附接到或結合到處於地表處的任何合適的結構(如密封裝置50)中。環的內徑可以大於已擴張部分的外徑。可選擇地，已擴張部分10可以通過例如由於擴張過程引起的已擴張襯管部分10和井眼壁224之間的摩擦力固定到井眼壁224。可替換或另外附加地，已擴張襯管部分10可以通過任何合適的錨固裝置錨固到諸如井眼壁上。
[0050]在圖1中的線I1-1I所示的界面處，圖1所示的系統的下部可連接到如圖2和3所示的上部。
[0051]圖2示出了連接到上端連接部分62的頂部驅動部60，所述上端連接部分可相對於頂部驅動部旋轉。優選地，所述上端連接部分包括具有光滑外表面的無接箍管子。與所述頂部驅動部相遠離的連接部分端部64配備如上所述的螺紋連接部30。帶螺紋的端部64連接到附加鑽柱部分66。典型地，該附加鑽柱部分66與圖1所示的鑽柱部分28基本相同。在線1-1所示的界面處，附加鑽柱部分66能連接到圖1所示的鑽柱20的上端。
[0052]鑽孔環空密封裝置70可以覆蓋鑽孔環空32的頂端。密封裝置70包括殼體72，其包繞連接部分62並提供內部空間74。所述殼體在其靠近所述頂部驅動部60的頂端處可以包括一個、兩個或更多個與管62外側配合的密封件76、78。優選地，密封件76、78能允許殼體沿管62滑動。在該殼體的相對端部處，殼體可以包括一個、兩個或更多個與附加的可擴張管部分84的外側配合的密封件80、82。除了所述密封件以外，殼體還可包括能夠與管部分84的外側和/或內側相結合的夾持器106。致動管路88連接到所述殼體，用於致動或釋放密封件80、82和/或夾持器106。流體管道90連接到內部空間74，以給環空32提供鑽井液或從所述環空排出鑽井液。
[0053]密封裝置70可以包括延伸段或插入部100。該插入部延伸進附加的可擴張管部分84內。該插入部可以包括與管部分84的上端配合的密封件102、104和/或夾持器106。該插入部還可以包括與管部分84的下端配合的密封件108和與未擴張管狀部分8 (如圖1所示)的上端內側配合的密封件110。背襯氣體工具198可以集成在插入部中且處於密封件108、110之間。背襯氣體工具覆蓋附加的可擴張管部分84和未擴張管狀部分8之間的內結合面。
[0054]所述插入部可至少比管部分84稍長，從而使得插入部可以延伸進入未擴張部分8，使插入部可以作為對準工具，而用於使管部分84和未擴張部分8相對準。
[0055]在實踐中，管部分84的長度可以在大約5-20米範圍內，如大約10米。插入部例如比管部分84長大約2%到10%，如長5 %。所述插入部和管62之間的環形空間112提供了從環空32到空間74和管道90的流體連通。
[0056]密封裝置70可以被稱作鑽孔環空防噴器(DABOP) 70。密封件76_82、夾持器106和用於關閉管道88和90的一個或更多個閥(圖中未示出)都設計成至少能夠承受井在受控情況下產生的流體壓力。根據地層的特性和預期的最大孔隙壓力，鑽孔環空防噴器70設計成承受例如大約200巴到800巴或更高範圍內的壓力，如大約400巴。
[0057]鑽孔環空防噴器可以包括任何數量的密封件。鑽孔環空防噴器70可以包括一個密封件76和一個密封件80，或多個密封件。在實踐中的實施例中，由兩個密封件76、78對管62進行密封且由兩個密封件對管狀部分84進行密封，這樣會在失效-安全和可靠性方面和成本方面之間提供平衡。例如，與可擴張管84的內側相結合的內密封件102、104和與可擴張管84的外側相結合的外密封件80、82提供的雙重阻障改善了密封裝置70的可靠性和防洩漏性。
[0058]圖3顯示圖1所示的系統的上部。未擴張襯管部分8在其上端處由卷在捲軸132上的(金屬)薄片130形成。金屬薄片130具有相對邊緣133、134。從捲軸132解卷後，金屬薄片130被彎曲成管狀，且邊緣133、134通過如焊接方式相互連接而形成未擴張管狀部分8。因此，可擴張管狀構件4可包括縱向焊縫135。
[0059]流體管道136從未擴張管狀部分8的內部延伸到未擴張管狀部分8的上端上方。流體管道136在其下端連接到位於未擴張管狀部分8內的管138，或與未擴張管狀部分內的所述管整體形成。第一環形密封件140相對於未擴張襯管部分8密封所述管138，而第二環形密封件142相對於鑽柱20密封所述管138。流體管道136與管138的內部空間通過布置在管138壁內的開口 144流體連通。此外，管138配備允許管138相對於未擴張襯管部分8向上滑動並防止其向下滑動的夾持裝置146。第一環形密封件140允許管138相對於未擴張襯管部分8向上滑動。
[0060]圖3所示的上部能與圖1所示的下部組合，其中，未擴張管狀部分8是圍繞鑽柱20連續形成的。這裡，圖1所示的一些特徵如密封裝置50、頂管機42和鑽臺40在圖3中省略，以改善圖3的清晰度。
[0061]下面按步驟描述根據本發明固結襯管的方法。步驟的順序可以重複執行，來形成襯有襯管並已固結的井眼。
[0062]圖4顯示了地層2中的井眼I。井眼配備可擴張襯管4。該襯管包括未擴張部分8和徑向已擴張部分10。已擴張部分10可抵靠在井眼壁224上，或可選擇地在兩者之間沿井眼的至少一部分保留相對小的環形空間。鑽柱20延伸穿過襯管4，並在其靠近井眼I的底部的井下端部200處配有鑽頭22。鑽頭可包括領眼鑽頭24和擴眼器部分26。
[0063]已擴張部分10和井眼壁224之間的環空202布置有水泥層204，從而提供預先固結的部分206。
[0064]在第一步驟中，從預先密封的區域206開始，在不進一步外翻襯管4的情況下連續鑽進井眼，從而形成裸眼區段208。在使用擴眼器26擴孔後，裸眼區段208可具有稍大於已擴張襯管部分10外徑的直徑。這裡稍大指的是稍大的範圍例如為大約0.1mm到20mm，典型地幾毫米或更少。鑽孔過程中，包括裸眼區段208的井眼I充注有鑽井液210。
[0065]在第二步驟(如圖5所示)中，井眼I中的鑽井液210替換成密封液220的漿體。基本上，包括裸眼區段208的井眼I充滿一池的密封液220。
[0066]在此，密封液適於包含在已擴張管部分和井眼壁224之間的環空內起密封作用的任何流體或液體和一種或更多種固體的混合物。此種密封液可以或不可以隨時間或被外源激活。
[0067]這種密封液的實際實施例包括下面的一種或更多種:水泥；可膨脹彈性體；可硬化樹脂；沙和粘土的混合物；和鑽屑。可硬化樹脂包括但不限於:有機樹脂，例如，雙酚A縮水甘油醚樹脂、丁氧基甲基丁基縮水甘油醚樹脂、雙酚A聯二苯醇丙烷表氯醇樹脂、雙酚F樹脂、環氧化物樹脂、酚醛清漆樹脂、聚酯樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、呋喃樹脂、聚氨酯樹月旨、縮水甘油醚樹脂、其他環氧樹脂以及它們的混合物。在一個實施例中，可硬化的樹脂可以包括彈性化合物，該彈性化合物可包含環氧樹脂成分、聚天冬氨酸成分和/或矽橡膠成分。
[0068]所述漿體可以在預定的設定時間內凝固和硬化，來形成耐用的固體材料。所述漿體的一個例子包括水泥漿體。可選擇地，密封液可以適時保持柔性。一個例子可以包括與諸如水或碳氫化合物的活化液接觸時膨脹的某些類型的環氧樹脂或彈性體。
[0069]在第三步驟(如圖6所示)中，管狀構件4進一步外翻，將已擴張管狀部分10延伸進密封液220的池中。襯管4的外翻過程中，在已擴張管狀部分10和井眼壁224之間形成密封液薄層222。所述薄層可具有與環形空間202的厚度相差無幾的厚度，例如在大約1mm或更少的範圍內。
[0070]在圖7所示的隨後步驟中，管狀構件4已經外翻並在密封液220中延伸超過預定的距離時，過多的水泥通過使用如鑽井液衝洗去除。為了保持水泥層222並防止水泥層從管和井眼壁之間的環空202洩露，可以使用下列的一種或多種方法:
[0071]I)引入重的和/或粘性的第二鑽井液230來驅替密封液220，並使該第二鑽井液保留至密封液薄層222凝固。術語「重的」在這裡優選意味著具有超過密封液漿體220比重(即單位體積的重量)的比重。取決於特定井眼的條件和需求，所示密封液漿體典型地具有大約0.1到10的比重(SG)。此處所指的「粘性流體」包括不觸碰時具有糖漿特性的流體，且在受到攪動或通過其他方式(例如通過鑽柱的運動)激勵時能夠流動。
[0072]鑽頭22位於井眼的井下端附近時，所述重的第二鑽井液可以引入井眼I中。隨後，密封液220被衝出直到所述重的第二鑽井液從井眼I的井下端充注井眼，並大體充注至襯管4的彎曲的井下部分12。這樣，當所述重的第二鑽井液的液柱保持最小高度時，所述重的第二鑽井液將防止水泥222從環空洩露，來限制所述液柱所引起的液體靜壓。其後，將鑽柱和鑽頭22從地表拉進井眼，直到鑽頭經過所述彎曲的井下部分12，而密封液220的殘留部分則使用標準鑽井液210衝出；和
[0073]2)設置環形密封件232來阻擋環空202的井下端部，以防止水泥還沒有凝固時水泥層22從環空中洩露。
[0074]第四步驟完成後，可以重新開始圖4所示和上面所述的第一步驟。
[0075]請注意，上述方法還適於在圍繞非外翻襯管的環空內提供水泥層或其他密封液層。如果管是非外翻的，該管則被推進水泥中。只有管的預定長度將被布置水泥層，這是因為在水泥凝固之後將使得該管固定。
[0076]水泥薄層222的長度可在大約Ikm或更少範圍內，如幾百米到幾米。本發明的固結過程是半連續的，避免鑽杆升降(即:移出並重新引入地孔中)。
[0077]諸如水泥的密封液優選具有下列特性:
[0078].具有相對低的密度。實踐中，比重(SG)可以儘可能接近1SG。比重可以在大約0.5到5範圍內，如大約I或2SG。這裡所述的比重是密封液密度(單位體積的質量)與(純)水的密度(同樣單位體積的質量)的比率。
[0079].凝固後，層222具有相對彈性；
[0080]?硬化後的層222將密封環空，密封在這裡暗示例如能承受沿井眼高達大約400巴或高達大約1200巴的不同流體壓力。
[0081]可採用其他材料來替換水泥，密封液可以包括預定時間後能夠凝固的任何其他漿體材料，或可以包含不同硬化材料的組合:
[0082].可硬化樹脂，如上面所公開的樹脂；
[0083].砂和粘土的混合物，襯管4外翻時所述混合物被擠入並固定在環空內；
[0084].鑽屑，襯管4外翻時所述鑽屑被卡滯在環空內。
[0085]在第二步驟中，有多種方法用水泥或其他密封液來替代鑽井液，如:
[0086]1.通過鑽柱20泵送水泥，該鑽柱包括可選的井底鑽具組合(BHA，圖中未示出)，並讓水泥通過鑽頭22流出；
[0087]2.通過鑽柱20泵送水泥，但讓水泥通過安裝在鑽頭22附近的旁通閥240流出。鑽孔期間旁通閥處於圖8所示的關閉位置並在水泥引入井眼時移動到圖9所示的開啟位置。
[0088]使用觸發機構242而可控制所述旁通閥240在關閉位置和開啟位置之間轉換。所述觸發機構可附裝在鑽柱20上。例如通過沿預定距離L2(由箭頭246指示)將鑽柱拉入管狀構件，直到觸發機構242與未擴張管狀部分8的內表面接觸(如圖9所示)來致動所述觸發機構。
[0089]可選擇地，可以通過下放一個或更多個觸發物體到井眼內來控制所述閥，每個觸發物體具有預定的尺寸，用於根據相應觸發物體的尺寸來開啟或關閉所述閥。觸發物體可包括例如球或投射物。可以投下多個觸發物體來重複從開啟位置到關閉位置以及從關閉位置到開啟位置的改變。這樣可避免鑽杆升降，即:從井眼中移出並重新引入鑽杆；和
[0090]3.使用相同種類的觸發機構(242)，水泥流可以從鑽柱20轉入旁通管244內，該旁通管附裝在處於鑽頭22和襯管4的彎曲的井下部分12之間的鑽柱上。
[0091]選項2)和3)能夠更好地保護井底鑽具組合(Bottom Hole Assembly)中的設備，所述設備對水泥很敏感。可替換地，任何上述方法的執行期間，上拉鑽柱20直到鑽頭22被封裝在已擴張襯管部分8中是有利的。在這裡，鑽柱被上拉超過箭頭246指示的距離。擴眼器部分26可被壓縮以將鑽頭22的外徑減小到小於未擴張管狀部分8的內徑。
[0092]在實踐中的實施例中，襯管4的直徑和/或壁厚度可以這樣選擇:使得已擴張襯管部分10在擴張過程中壓靠井眼壁224。已擴張襯管部分10因此密封井眼壁和/或穩定井眼壁。
[0093]襯管4的壁厚可以等於或大於大約2mm(0.08英寸)。襯管4的壁厚可以為例如大於2.5mm,如大約3_30mm或大約3.2到10mm。未擴張部分的外徑可以為大約50mm(2英寸)或更多，如在大約50mm到400mm (16英寸)範圍內。已擴張部分可具有適於或常用於油氣井的任何外徑。襯管的壁可包括相對堅固的材料，如金屬或優選為鋼，或由硬質金屬或硬質鋼製成。這樣，襯管4可以設計成具有足夠的抗塌陷強度來支撐井眼壁和/或承受對油氣儲層鑽孔時遇到的內部或外部壓力。
[0094]因此，在井眼延伸期間，未擴張襯管部分8的長度(並由此使其重量)會逐漸增力口。與未擴張襯管部分8增加的重量相對應，推壓裝置42施加的向下的力逐漸減少。隨著上述重量的增加，向下的作用力最終需要由向上的作用力替代，來保持總的作用力在預定範圍內。這可以防止襯管部分8的翹曲。
[0095]鑽孔期間，未擴張襯管部分8進入井眼內，與此同時，鑽柱20也逐漸進入井眼I內。未擴張襯管部分8被推入井眼內的速度為鑽柱20的速度的大約兩倍，由此使彎曲區域14以相對短的距離保持在鑽頭22上方。這裡，所述短的距離指井眼I的裸眼區段208 (即井眼的未加襯部分)的長度LI (見圖1和4)。本發明的方法使裸眼區段的長度LI在鑽進井眼的所有時間內小於如大約100或小於50米。
[0096]未擴張襯管部分8可以由鑽柱20支撐，如藉助於連接到鑽柱上的支撐裝置(圖中未示出)，該支撐裝置支撐彎曲區域14。在此種情況下，向上的作用力適於施加到鑽柱20，然後通過支撐裝置傳到未擴張襯管部分8。此外，未擴張襯管部分8的重量然後被傳遞到鑽柱，並用於為鑽頭22提供推力。
[0097]包含鑽屑的鑽井液通過輸出管90從井眼I排出。可替換地，鑽井液可以在反向循環模式下流通，在所述反向循環模式中，鑽井液通過管道90而被泵入井眼，並通過鑽柱20從井眼內排出。
[0098]當要求將鑽柱20收回到地表時，例如鑽頭22需要更換或井眼I鑽孔完畢時，可使擴眼器部分26回縮到徑向回縮模式，在此模式中，擴眼器部分的徑向直徑小於未擴張襯管部分8的內徑。隨後，鑽柱20通過未擴張襯管部分8收回到地表。
[0099]本發明的井眼系統實現了在鑽孔過程期間用鑽頭正上方的外翻襯管逐漸對井眼加襯。結果，在鑽孔過程的所有時間內僅存在相對短的裸眼區段208。術語「短」這裡指的是裸眼區段的長度LI小於1km，如在大約10米到300米範圍內。短的裸眼區段的優勢包括進入井眼的管湧的可能性非常有限，這樣會使所導致的壓力的增加量最小化且簡化對井的控制。如此短的裸眼區段的優勢在鑽進地層中的含烴流層期間最顯著。有鑑於此，對於很多應用來說，在鑽孔期間如果僅對烴儲層實施襯管外翻工藝而對井眼的其他部分以傳統方式加襯管或套管就足夠了。可替換地，鑽孔期間襯管外翻的工藝可以根據情況在地表或在選定的井下位置展開。
[0100]由於鑽孔期間的裸眼區段較短，這樣就顯著降低了井眼流體壓力梯度超過巖石地層破裂梯度的危險或井眼流體壓力梯度降到低於巖石地層空隙壓力梯度的危險。因此，與傳統鑽孔實踐中的必須沿選定距離設置階梯式直徑減小的套管相比，本申請能夠以相當長的距離單一標稱直徑鑽進。
[0101]另外，如果井眼鑽進通過頁巖層，如此短的裸眼區段則消除了由於頁巖起伏趨勢所可能帶來的問題。
[0102]當井眼鑽到預期深度且鑽柱從井眼移出後，依然存在於井眼內的一定長度的未擴張襯管部分可留在井眼內，或可從已擴張襯管部分截斷並回收到地表。
[0103]如果一定長度的未擴張部分留在井眼內，完成井眼有幾個選項，這些選項例如概述如下:
[0104]A)將諸如鹽水的流體被泵入未擴張襯管部分和已擴張襯管部分之間的盲環空44內，從而使環空增壓並增加已擴張襯管部分10的抗塌陷強度。可選擇地，在彎曲區域14內提供一個或更多個孔，以允許被泵送流體的流通。
[0105]B)將水泥泵入盲環空44中，以便在水泥硬化後在未擴張襯管部分8和已擴張襯管部分10之間產生實體。水泥可以隨硬化而膨脹。
[0106]C)將未擴張襯管部分徑向擴張而抵靠(如覆置)已擴張襯管部分，例如通過泵送、推或拉動擴張器穿過未擴張襯管部分。
[0107]在上述的實施例中，襯管的擴張開始於地表或井下某一位置。在離岸井眼的情況下，其中離岸平臺布置在井眼上方，在離岸平臺處、在水表面處或在水表面上方開始擴張過程是有益的。在此，所述彎曲區域從離岸平臺移動到海底並隨後進入井眼內。這樣，所產生的已擴張管狀構件不僅形成井眼內的襯管，而且形成從離岸平臺到海床延伸的立管。這樣就避免了對單獨立管的需要。
[0108]此外，如用於與井下設備通訊的電線或光學纖維的管道可在已擴張部分和未擴張部分之間的環空中延伸。這種管道可附裝在擴張前的管狀構件的外表面上。另外，已擴張襯管部分和未擴張襯管部分能被用做導體來傳輸井下數據和/或動力。
[0109]由於在外翻過程完成後仍然留在井眼內的任何長度的未擴張襯管部分所承受的負載條件不像已擴張襯管部分所承受的負載條件那樣嚴苛，因此，此種長度的未擴張襯管部分與已擴張襯管相比可以具有更小的壁厚，或更低的質量或採用更低的鋼號。例如，所述未擴張襯管部分可由具有相對低的屈服強度或相對低的抗塌陷等級。
[0110]可採用上述方法對全部襯管進行擴張，而不是在外翻過程後留一段未擴張襯管部分在井眼內，這樣則沒有未擴張襯管部分留在井眼內。在這種情況下，可採用諸如管柱的細長部件在擴張過程的最後階段期間對未擴張襯管部分施加必要的向下的作用力。
[0111]為了減少未擴張襯管部分和已擴張襯管部分之間在擴張過程中的摩擦力，諸如特氟綸(聚四氟乙烯)層的減摩層可以應用在未擴張襯管部分和已擴張襯管部分之間。例如，減摩覆層可應用在未擴張部分8的外表面上。減摩層減少使襯管外翻並將未擴張部分推進井眼所需的作用力。這樣，上述作用力進一步被保持為遠低於所謂的臨界翹曲載荷(critical buckling load),該臨界翅曲載荷是指在其作用下未擴張襯管產生翅曲或失敗的作用力。可替換或附加地，減摩層、定中襯墊和/或輥子能用在未擴張部分和已擴張部分之間的盲環空內，以減小摩擦和環空間隙。
[0112]取代使得已擴張襯管部分朝著井眼壁(如上所述)擴張，已擴張襯管部分可朝著另一管狀部件(如已經處於井眼內的套管或襯管)的內表面擴張。
[0113]儘管本發明的實施例已經描述了包括一頂部驅動部，本發明同樣也適用於與其他可選擇的鑽井系統一起使用。後者包括如取代頂部驅動部的井下馬達。所述井下馬達是包含在處於鑽頭正上方的鑽柱內的鑽孔工具。井下馬達由加壓鑽井液致動，當鑽柱不旋轉時，馬達引起鑽頭旋轉。井下馬達的例子包括容積式馬達和井下渦輪馬達。此外，任何其他的鑽孔工具可以用於鑽進井眼。這些鑽孔工具可以包括例如懸撐在鑽杆端部的磨料噴射裝置。
[0114]本發明同樣適用於定向鑽孔，如鑽進方向可以調整的鑽孔。例如，井下馬達在定向鑽孔中可以用作造斜工具，在鑽頭和彎接頭之間形成彎曲或馬達殼體自身可以彎曲。
[0115]本發明不限於上述的實施例，其中可以想到的各種改變落在所附權利要求的保護範圍內，例如，各個實施例的特徵可以組合。
【權利要求】
1.一種用於對可擴張管狀構件的已擴張部分周圍的環空進行密封的方法，所述可擴張管狀構件封裝帶地層測試器的鑽柱，其中，可擴張管狀構件的壁的井下端部分徑向向外彎曲並沿軸向反向彎轉，從而限定圍繞可擴張管狀構件的未擴張管狀部分延伸的已擴張管狀部分，該方法包括以下步驟: i)將弟一鑽井液引入井眼內； ii)使用懸撐在所述帶地層測試器的鑽柱端部的鑽井工具鑽制井眼的裸眼區段； iii)用密封液驅替所述第一鑽井液； iv)通過將未擴張管狀部分推入已擴張管狀部分中，將管狀構件延伸入井眼的裸眼區段中； V)將部分密封液衝洗出井眼，使環空中充注有密封液層。
2.根據權利要求1所述的方法，包括步驟: vi)允許所述密封液層在凝固時間期間凝固。
3.根據權利要求1或2所述的方法，包括如下步驟: vii)重複前面的步驟。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，衝洗出部分密封液的步驟包括: -用第二鑽井液驅替所述密封液，所述第二鑽井液具有超過密封液的第一比重的第二比重。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，用第二鑽井液驅替所述密封液直到第二鑽井液填充井眼的井下端並至少直至所述管狀構件的彎轉區域。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，衝洗出部分密封液的步驟包括: -設置一環形密封件來封閉處於所述管狀構件和井眼壁之間的所述環空的井下端部，以在所述密封液還未凝固時防止密封液從所述環空洩露。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述密封液包括水泥漿體。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述密封液選自下面材料所構成的組，包括:沙和粘土的混合物；鑽屑；和可硬化樹脂。
9.根據權利要8所述的方法，其中，可硬化樹脂選自下面材料所構成的組，包括:有機樹脂，例如雙酚A縮水甘油醚樹脂，丁氧基甲基丁基縮水甘油醚樹脂，雙酚A聯二苯醇丙烷表氯醇樹脂，雙酚F樹脂，環氧化物樹脂，酚醛清漆樹脂，聚酯樹脂，酚醛樹脂，脲醛樹脂，呋喃樹脂，聚氨酯樹脂，縮水甘油醚樹脂，其他環氧樹脂；包含環氧樹脂成分、聚天冬氨酸成分和/或矽橡膠成分的彈性化合物；和它們的混合物。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述密封液的比重在0.1到10範圍內，其中所述比重是密封液密度與水密度的比值。
11.根據權利要求1所述的方法，其中，鑽柱的井下端配備具有關閉位置和開啟位置的旁通閥或旁通管，在開啟位置，該旁通閥或旁通管提供從鑽柱內部到鑽柱外部的流體通道。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，鑽柱配備用於控制旁通閥或旁通管在關閉位置和開啟位置之間轉換的控制機構。
13.根據權利要求12所述的方法，包括如下步驟: 將鑽柱拉入管狀構件中，直到一觸發機構位於所述管狀構件內，此時，所述控制機構就將旁通閥或旁通管從關閉位置移動到開啟位置。
14.根據權利要求12所述的方法，包括如下步驟: 投下一個或更多個觸發物體，每個觸發物體具有預定尺寸，用於根據相應觸發物體的尺寸開啟或關閉所述旁通閥。
15.—種用於執行權利要求1所述方法的系統。
【文檔編號】E21B43/10GK104271874SQ201380024069
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年5月6日 優先權日:2012年5月8日
【發明者】S·A·哈特曼, P·C·克裡塞爾斯, D·薩什德哈 申請人:國際殼牌研究有限公司