CN101228334A - 用于打入套管或导管的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种将管道(1)打入地面(2)内的方法，该方法尤其适于打入导管，这些导管通常在建造油井和气井，尤其是海上油井期间安装于碳氢化合物生产工业中，该方法包括：(a)在钻柱(3)下端组装，(i)用于在该钻柱上支承导管的机构(4)，(ii)可往复运动的冲击打入机构(5)，(iii)使用穿过该钻柱泵送的流体使该可往复运动的冲击打入机构往复运动的机构，(iv)能够将该可往复运动的冲击打入机构(5)的撞击力转移到该导管(1)的砧(8)，和(V)用于喷射流体的机构(10)；(b)将该组件定位在传导通道(1)内使得该组件和传导通道可通过该钻柱支承，且该用于喷射流体的机构(10)处于该传导通道(1)的下端；(c)将该导管(1)的下端定位于它将被打入的该地面(2)上；(d)促动该可往复运动的冲击打入机构(5)以冲击该砧(8)并将该导管(1)打入该地面(2)内；和(e)同时或按顺序喷射流体到该导管(1)的下部内使得它带着被强制进入到该导管内的颗粒(12)向上流动，从该导管(1)的上部移除该流体和颗粒。

Description

用于打入套管或导管的设备和方法

本发明涉及用于打入(driving)套管、桩或导管的设备和方法。特别地，本发明涉及用于打入导管的设备和方法，这些导管通常在建造油井和气井，尤其是海上油井期间安装于碳氢化合物生产工业中。

众所周知，在碳氢化合物生产工业中，在利用加重的泥浆钻进时，具有多个同心管的边界井(1ine well)使钻孔稳定并减小地层破裂的风险。油井套管的顶段通常被称作导管或传导通道(conductor)或有时被称作结构套管。这个传导通道基本上是井的基础且在它的整个寿命中具有不同的功能。该传导通道的主要要求是：

(1)通过泥浆压力防止井孔塌陷和地层破裂，因此在初始上部井段钻进操作期间稳定并保护近表面沉积物。

(2)暂时支承套管柱的下一区段(通常被称作表层套管)的重量。

(3)与结合有水泥的表层套管一起用于在钻进油井的其余区段时抵抗从立管通过防喷器(BOP)所传递的暂时的轴向拉伸载荷、剪切载荷和弯矩。

(4)与表层套管一起用于抵抗来自油井树(well tree)、采油立管和其它采油设施的较长期的操作载荷。

在陆上或在浅水中，可能使用打桩技术来将传导通道打入地面内。然而，将传导通道打桩通过相对较厚或较深砂层可能是较为困难的。在深水中安装传导通道也提出了额外的困难。已提出的一种方法使用传导通道的“桩尖打入”。在这种方法中，与利用锤子在桩头打击所进行的打入相比，通过作用于桩底或桩尖的锤击来将套管打入土壤。在一个示例中，特殊设计的尖端包括砧和锥形穿透尖端。设置于套管内部的液压锤撞击砧并且将锥尖打入土壤。套管并非刚性地附接到尖端上而是通过减震元件附接，该减震元件用于在尖端之后将套管拉入土壤。桩尖打入方法并没有被广泛地用于深水应用中，因为实现深穿透可能是较为困难的。

传导通道在深水中的安装通常包括通过钻进传导通道且用注水泥结合传导通道在适当位置、或通过喷射来形成直径过大的井，喷射是一种类似于在陆上岩土工程勘查中冲洗钻孔的程序。尽管这种钻进和固井方法广泛地用于相对较浅的水中，但深水中的土壤可能会相对松软。因此，不只是在进行钻进时，而且还在拔出钻柱以在套管中延伸时，存在钻孔被从侧部塌陷的土壤填补的倾向。因此，喷射是深水更为常用的方法。喷射常常是优选的，因为它可能更快，而且；当适当地执行时，比在正常固结粘土沉积物中进行钻进和固井更为可靠。然而，如果不适当地计划和执行，喷射可能会导致油井的过度延迟并甚至废弃。最大的风险中的一个风险是对土壤的过度扰动和润湿，这在表层套管落在它的上面时导致传导通道的较低的轴向承载力和过度沉降。

在常规喷射方法中，使钻杆在传导通道的长度内运行并通过向前钻进的运行工具而锁定到传导通道。传导通道内部的钻探管的区段，通常被称作底部钻孔组件，通常可能包括靠近传导通道下端定位的钻头，泥浆马达、随钻测量方向传感器和一系列带垫片的重砧铤。该组件被下降到海床，并且该传导通道被冲洗到适当位置，且海水和高粘性泥浆扫掠(sweep)通过钻头注入。该加压流体腐蚀在该传导通道内和下边缘周围的土壤并在传导通道与底部钻具组件之间的环形空间向上冲刷切屑。所得的减小的土壤阻力允许喷射组件在传导通道和底部钻孔组件的组合重量下穿透海床。如果这个重量不足以克服摩擦阻力，那么该传导通道被缓慢上下移动(往复运动)数米来润湿并改造钻孔表面。

因为在整个安装过程中传导通道的外表面与周围土壤直接接触，所以，利用喷射可能不需要注入水泥的操作。传导通道的安装依靠在传导通道外部周围塌陷的土壤来支承传导通道和随后的套管柱的重量。喷射常常只对于相对较浅的深度是可能的，通常低于泥线大约80米，因为超过这个深度，土壤在传导通道周围的塌陷可能不足以提供所需的支承或者可能需要不能接受的较长时间来才能提供所需支承。已知喷射方法的另一潜在问题在于如果土壤在传导通道周围没有充分固结，那么它可能不提供充分的地层隔离。这在随后的钻进或采油期间浅层升温而且水合物气化并上升穿过在传导通道周围的松软土壤到达海床(这可能会进一步使土壤松软并减小它的承载能力)时可能是比较重要的。

本发明克服或至少减轻打入末端开口的套管、桩或导管的已知技术的问题。虽然特别适用于安装导管且更具体地说来用于在深水中安装导管，但本发明具有将管状元件打入地面内的更广泛的应用且在本说明书中术语“传导通道”或“导管”的使用预期涵盖这些更广泛的应用。

与钻进该柱和向该柱注入水泥的常规方法相比，还预期通过使用根据本发明的方法和设备能够实现时间和成本的显著节约。

根据本发明的第一方面，用于将导管打入地面的设备组合地包括：

(a)能够被打入地面内的导管

(b)钻柱

(c)用于穿过该钻柱泵送流体的机构

(d)用于在该钻柱上支承该导管的机构

(e)在该导管内可通过该钻柱支承的可往复运动的冲击打入机构

(f)使用穿过该钻柱所泵送的流体使该可往复运动的冲击打入机构往复运动的机构

(g)能够将该可往复运动的冲击打入机构的撞击力转移到该导管的砧，以及

(h)用于将流体喷射到导管下部内的机构。

用于穿过该钻柱泵送流体的机构可适宜地是泥浆泵，比如那些在常规情况下处于钻机上的泥浆泵，钻机用于将钻进泥浆循环向下穿过钻柱且穿过钻柱与井孔之间的环形空间返回或反之亦然。在本发明中使用常规钻柱和泥浆泵简化了操作并减小了对于钻机活动的破坏。

可往复运动的冲击打入机构可以是液压锤，这种液压锤类似于那些已知用于打入桩或硬岩钻进的液压锤。适用于相对较深水的锤子通常将能够提供大约100到250kJ的冲击力。对于较浅的水，功率较小的锤子可能是适当的，例如，能够提供大约30到100kJ冲击力的锤子。用于使冲击打入机构往复运动的机构由穿过钻柱所泵送的流体促动。使用穿过钻柱泵送的流体排除了对于用来驱动锤子的单独的液压管线的需要。

该可往复运动的冲击打入机构冲击砧，该砧能够将该可往复运动打入机构的撞击力转移到导管。适当地，该导管具有可与砧接合的内肩。

用于在钻柱上支承导管的适当机构和用于支承该可往复运动的冲击打入机构的机构是已知的。导管和/或可往复运动的冲击打入机构可直接地或间接地由钻柱支承。

优选地，该设备还包括减震机构，该减震机构用于减小在导管与钻柱之间所传递的撞击力。例如，减震器可包括于该钻柱中用于将该导管附接到该钻柱的机构上方。这样，由于冲击打入机构的冲击所产生的力并没有被完全传递到整体钻柱。

用于将流体喷射到该导管下部内的机构包括管状元件，该管状元件与钻柱和往复运动冲击打入机构中的任一个或两个流体连通；该管状元件具有孔，相对高压流体可通过这些孔传递到导管的下部内。优选地，用于喷射流体的机构被设置使得喷射基本上完全在传导通道内引导。因此，例如，可径向朝向导管的内壁引导喷射且更为优选地基本上垂直朝向传导通道的内壁引导，例如，在水平面上方或下方至多20度。优选地，在水平面下方至多15度引导喷射流体。

可选地，可能提供用于打碎由流体喷射所扰动的土壤的机构，比如，至少一个可旋转的叶片。优选地，用于打碎土壤的机构被定位与用于将流体喷射到该导管下部内的机构相邻。举例说来，喷射接头(jetting sub)可具有至少一个可旋转叶片，该可旋转叶片可在土壤被流体喷射扰动时打碎土壤。这将便于土壤移除。可旋转叶片可设有单独的电源用于使它们旋转，例如，电动机或液压马达。优选地，通过流经钻柱的流体来驱动这些可旋转叶片。

尽管流体喷射为从导管内移除土壤的主要方法，但可能通过使用另一钻进装置来补充这种方法。例如，由孔底马达所驱动的常规可旋转钻头可能用于钻入土壤以促进流体喷射的作用。

根据本发明的第二方面，用于将导管打入地面的方法包括：

(a)在钻柱的下端组装(i)用于在该钻柱上支承导管的机构，(ii)可往复运动的冲击打入机构，(iii)使用穿过该钻柱泵送的流体使该往复运动冲击打入机构往复运动的机构，(iv)能够将该可往复运动的冲击打入机构的撞击力转移到该导管的砧，和(V)用于喷射流体的机构

(b)将该组件定位在传导通道内使得该组件和该传导通道可由该钻柱支承且该用于喷射流体的机构处于该传导通道的下端，

(c)将该导管的该下端定位于它将被打入的该地面上，

(d)促动该可往复运动的冲击打入机构以冲击该砧并将该导管打入地面

(e)同时或按顺序喷射流体到该导管的下部内使得它带着被强制进入到该导管内的颗粒向上流动，从该导管的上部移除流体和颗粒。

根据本发明的第三方面，用于本发明的向下打孔组件包括，在钻柱的下端附接的(i)用于在钻柱上支承导管的机构，(ii)可往复运动的冲击打入机构，(iii)使用穿过钻柱所泵送的流体使该可往复运动的冲击打入机构往复运动的机构，(iv)能够将该可往复运动的冲击打入机构的撞击力转移到导管的砧，和(v)用于喷射流体的机构。

将以示例的方式关于附图来描述本发明，附图是根据本发明的设备的示意性剖视图。

附图显示了被部分打入到海床(2)内的末端开口的导管(1)。通过补充工具(make-up too)(4)在钻柱(3)上支承导管(1)。导管(1)的下边缘(14)被削角以辅助导管(1)穿透到土壤内。可往复运动的冲击打入机构(5)还被支承于导管(1)内钻柱(3)上。可往复运动的冲击打入机构(5)包括液压促动的锤击元件(6)，该液压促动的锤击元件(6)可在外壳(7)内移动。

通过位于钻机(未示出)上的泥浆泵(未示出)沿钻柱(3)向下泵送流体，以促动该可往复运动的冲击打入机构(5)。流体提升锤击元件(6)且然后它被允许只在重力的影响下或在所泵送的流体的辅助下降落。所用流体可适宜地为钻进泥浆和/或海水。用于促动和控制可往复运动的冲击打入机构的适当机制对于本领域技术人员显而易见且可(例如)类似于用于硬岩钻进的已知液压锤。可选地，所泵送的流体可能被用于驱动泥浆马达，该泥浆马达可用于机械地促动该锤击元件(6)。

可往复运动的冲击打入机构(5)的外壳(7)定位于砧(8)上，而该砧(8)搁在导管(1)内的内肩(9)上。当可往复运动的冲击打入机构(5)的锤击元件(6)降落时，它打击外壳(7)的底部，将可往复运动的冲击打入机构(5)的撞击力经由砧(8)和肩部(9)转移到导管(1)。砧(8)可与外壳(7)分开或与外壳(7)整体形成。砧(8)可能被固定到导管(1)上。

在砧(8)下方且与钻柱(3)和/或可往复运动的冲击打入机构(5)的外壳(7)流体连通的是喷射接头(jetting sub)(10)。喷射接头(10)包括管状元件，在该管状元件内具有开口，这些开口允许加压流体以喷射的形式被释放到导管(1)的底部内。从开口(11)出来的流体喷射使进入到导管(1)的底部的土壤松动。钻进切屑(12)被夹带于流体中并穿过钻柱与导管(1)之间的环形空间向上移动并且从导管(1)的上部移除。包括补充工具(4)和砧(8)的该设备具有允许流体和钻进切屑通过的通路。

减震器机构(13)被包括于钻柱中补充工具(4)上方。适当减震机构是已知的。减震机构减小在导管(1)上从冲击打入机构(5)的冲击传递到钻柱的力。

流体和相关联的钻进切屑可能被提升到表面并通过筛网来从流体中分离出固体。然后可重复使用该流体。

在备选且优选的实施例中，流体可能是水或另一种环境能接受的流体而且只是允许该流体和相关联的钻进切屑从导管(1)溢出使得固体在导管(1)的外部周围沉积。这种设置可能有助于土壤在导管(1)的周围固结。

图中所示的喷射接头(10)的底部具有锥形端15，该锥形端15辅助喷射接头穿透到土壤内。

可同时或按顺序使用冲击打入机构(5)和喷射机构(10)。例如，可方便地使用冲击打入机构(5)将传导通道打入土壤内较短距离，停止该冲击打入机构(5)的往复运动且然后在停止喷射和重新开始该冲击打入机构(5)的往复运动之前使用喷射接头(10)来松动并移除进入到该导管(1)底部的土壤。

根据本发明的设备和方法可能会在导管被打入海床内时对周围土壤造成较少的损害。末端开口的传导通道壁将切入海床内且由于从导管内部移除土壤，因此与已知的喷射技术相比，对周围土壤的扰动减小。这将导致周围土壤能够提供即刻承载能力或至少显著地减小为了实现周围土壤的充分固结必须留出的时间长度。

本发明还可提供实现更大埋植深度(setting depth)的可能性。由于导管内的土壤被移除，因此打入阻力将只是在外壁上的土壤摩擦。这种外壁摩擦可进一步通过增加表面光滑度而减少，例如，通过使用减摩漆或涂层。在导管包括接合在一起的单独区段的情况下，也就是说，传导通道是传导通道串(conductor string)，可使用外加厚(external upset)接头来将它们方便地结合在一起。在传导通道的外壁上使用外加厚接头或实际上不是接头的外加厚可导致减小的土壤摩擦，这可特别适用于相对坚固的地表下地层。特殊设计的传导通道接头或具有适当外加厚轮廓(例如，光滑轮廓)的其它加厚可还可用于减小在导管主体周围的土壤摩擦。

建模示出了可能基于发现于典型墨西哥湾和其它产油区中的条件来将导管打入至少300m的深度。更大的深度可能进一步减轻与浅水危害(比如浅水流动区、水合物层和松软土壤层)相关的问题。此外，如果需要更大的深度，例如，超过300m，且地层条件允许，那么本发明的设备和方法可用于多阶段打入过程，其中，较小直径的导管穿过已安装的导管下降且然后将第二个打入地面内第一个的下方。因此，可能使用本发明的方法通过将第一表层传导通道或传导通道柱打入地面且然后穿过第一传导通道或传导通道柱来安装第二传导通道或传导通道柱来安装表层套管和中间套管。该导管可包括两个或两个以上管道长度，每个相继的长度具有小于前面的管道的直径使得它能够穿过前面的管道到达安装位置。管道长度可能具有相同或不同的壁厚。

使用本发明的设备和方法能够实现导管的更大的载荷能力，这种更大的载荷能力可能排除在某些深水油井中对于传导通道尾管的需要。这将提供显著的成本节约。

Claims (14)

1.一种用于将导管打入地面内的设备，所述设备组合地包括：

(a)能够被打入到地面(2)内的导管(1)，

(b)钻柱(3)，

(c)用于穿过所述钻柱而泵送流体的机构，

(d)用于在所述钻柱上支承所述导管的机构(4)，

(e)在所述导管(1)内可由所述钻柱(3)支承的可往复运动的冲击打入机构(5)，

(f)使用穿过所述钻柱(3)泵送的流体使所述可往复运动的冲击打入机构往复运动的机构，

(g)能够将所述可往复运动的冲击打入机构(5)的撞击力转移到所述导管的砧(8)，以及

(h)用于将流体喷射到所述向所述导管(1)的下部内的机构(10)。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括减震机构(13)，所述减震机构(13)用于减小在所述导管(1)与所述钻柱(3)之间所传递的撞击力。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述导管(1)具有可与所述砧(8)接合的内肩(9)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述用于将流体喷射到所述导管的下部内的机构(10)包括与所述钻柱(3)和所述往复运动的冲击打入机构(5)中的任一个或两个流体连通的管状元件；所述管状元件具有开口(11)，相对高压流体可通过所述开口(11)而传递到所述导管(1)的下部内。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，提供用于打碎由所述喷射流体的机构(10)扰动的土壤的机构。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述用于打碎土壤的机构包括至少一个可旋转叶片，所述至少一个可旋转叶片可由穿过所述钻柱(3)泵送的流体来驱动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，所述导管(1)具有外加厚。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述导管包括两个或两个以上的管道长度，每个相继的长度具有小于前面的管道的直径。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述导管具有不同的壁厚。

10.一种用于将导管打入到地面内的方法，包括：

(a)在钻柱(3)的下端组装(i)用于在所述钻柱(3)上支承导管(1)的机构(4)，(ii)可往复运动的冲击打入机构(5)，(iii)使用穿过所述钻柱(3)泵送的流体使所述可往复运动的冲击打入机构(5)往复运动的机构，(iv)能够将所述可往复运动的冲击打入机构(5)的撞击力转移到所述导管(1)的砧(8)，和(V)用于喷射流体的机构(10)；

(b)将所述组件定位在导管(1)内，使得所述组件和导管(1)可通过所述钻柱支承，而且所述用于喷射流体的机构(10)处于所述导管(1)的下端，

(c)将所述导管(1)的下端定位于它将被打入的地面(2)上，

(d)促动所述可往复运动的冲击打入机构(5)以冲击所述砧(8)并将所述导管(1)打入地面(2)内，

(e)同时或按顺序喷射流体到所述导管(1)的下部内，使得它带着被强制进入到所述导管(1)内的颗粒(12)向上流动，从所述导管(1)的上部移除所述流体和颗粒

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，从所述导管(1)的上部移除的颗粒(12)从所述导管(1)溢出并且在所述导管(1)的外部周围沉积。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，第一表层导管被打入地面，且随后具有更小直径的第二导管穿过所述第一导管下降，然后将所述第二导管打入到在所述第一导管下方的地面内。

13.一种用于本发明的向下打孔组件，包括：在钻柱(3)的下端附接的(i)用于在所述钻柱上支承导管的机构(4)，(ii)可往复运动的冲击打入机构(5)，(iii)使用穿过所述钻柱泵送的流体使所述可往复运动的冲击打入机构往复运动的机构，(iv)能够将所述可往复运动冲击构件(5)的撞击力转移到所述导管(1)的砧(8)，和(v)用于喷射流体的机构(10)。

14.根据权利要求13所述的向下打孔组件，其特征在于，所述向下打孔组件还包括用于打碎由所述用于喷射流体的机构(10)所扰动的土壤的机构，所述打碎土壤的机构包括至少一个可旋转叶片。