CN101842548B - 径向膨胀管状元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使延伸到形成于地层(2)中的井眼(1)中的管状元件(4)径向膨胀的方法，所述管状元件包括第一层(12)和围绕所述第一层延伸的第二层(14)，所述层可彼此分开。所述方法包括使每一层径向向外并沿轴向反转方向弯曲，以便形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，其中，每一层具有发生所述弯曲的相应弯曲区；以及通过使所述层的相应弯曲区相对于剩余管部沿轴向方向移动而使膨胀管部的长度增加。位于相应弯曲区中的所述层彼此分开以便限定所述层之间的轴向空间。

Description

径向膨胀管状元件的方法

技术领域

本发明涉及在井眼中径向膨胀管状元件的方法。

背景技术

在从地下地层中进行油气生产的工业中越来越多地使用在井眼中径向膨胀管状元件的技术。井眼通常设置有一个或多个套管或衬管以给井眼壁提供稳定性，和/或在不同的地层之间提供带状隔离。术语“套管”和“衬管”是指用于支撑和稳定井眼壁的管状元件，通常应当理解，套管从地面延伸到井眼中，衬管从井下位置进一步延伸到井眼中。然而，在本文中，术语“套管”和“衬管”可互换地使用并且没有这种带有倾向性的区别。

在传统的井眼结构中，若干根套管设定在不同的深度间隔处，在嵌套方案中，每个在后的套管穿过在先的套管下降，从而具有小于在先套管的直径。因此，用于油气生产的横截面井眼尺寸随深度减小。为了克服该缺陷，通常使井眼中位于预定深度处的一个或多个管状元件径向膨胀，例如形成膨胀套管、膨胀衬管或紧靠已有套管或衬管的护层。同样，人们建议使每个在后套管膨胀到与在前套管大致相同的直径以形成单孔井眼。与传统的嵌套方案相反，上述方式可以实现井眼的有效直径沿着其(一部分)深度保持大体不变。

EP 1438483 B1公开了一种在井眼中使管状元件径向膨胀的方法，使得在钻进新井眼段期间，处于未膨胀状态的管状元件最初附接到钻柱上。其后，管状元件径向膨胀并且与钻柱脱离。

为了使这种井眼管状元件膨胀，通常使用圆锥胀管器，其最大外径与膨胀后所需管径大体上相同。胀管器被泵送、推动或拉动穿过管状元件。这种方法会在胀管器和管状元件内表面之间产生需要克服的高摩擦力。同样，存在胀管器卡在管状元件中的风险。

EP 0044706 A2公开了一种在井眼中使由编织材料或织物制成的柔性管外翻而使其径向膨胀的方法，用于使泵入井眼中的钻井泥浆与流向地面的泥浆切屑隔开。

尽管已知的胀管技术在一些应用中具有特定的满意效果，但是仍然需要用于使管状元件径向膨胀的改进方法。

发明内容

根据本发明，提供了一种使延伸到形成于地层中的井眼中的管状元件径向膨胀的方法，所述管状元件包括第一层和围绕所述第一层延伸的第二层，所述层可彼此分开，所述方法包括：

使每一层径向向外并沿轴向反转方向弯曲，以便形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，其中，每一层具有发生所述弯曲的相应弯曲区；

通过使所述层的相应弯曲区相对于所述剩余管部沿轴向方向移动而使膨胀管部的长度增加；其中，位于相应弯曲区中的所述层彼此分开以便限定所述层之间的轴向空间。

因此，管状元件在弯曲加工期间有效地向外翻转。相应层的弯曲区限定了进行弯曲加工的位置。通过使每一层的弯曲区沿着管状元件轴向移动，可以在无需穿过管状元件推动、拉动或泵送的胀管器的情况下使管状元件逐渐膨胀。

此外，利用本发明的方法可以实现，使管状元件翻转所需的作用力明显低于具有类似壁厚的壁部(由单壁层而非分离层制成)的管状元件翻转所需的作用力。然而，利用本发明方法翻转的管状元件的爆裂强度和挤毁强度可与具有由单层制成的壁部的管状元件相当。

第一和第二层在剩余管部中借助于第二层中的拉伸环向应力和第一层中的压缩环向应力适当地保持在一起。

优选的是，所述层中的至少一个包括在弯曲加工期间在相应的弯曲区中发生塑性变形的材料，使得膨胀管部因所述塑性变形而保持膨胀形状。这样，可以实现膨胀管部由于壁部的塑性变形，即永久变形而保持其形状。因此，膨胀管部保持其膨胀形状，无需外力或压力保持其膨胀形状。如果(例如)膨胀管部已经由于壁部的所述弯曲而膨胀抵靠井眼壁的话，不需要给膨胀管部施加外部径向力或压力以使其保持抵靠井眼壁。适当地，管状元件的壁部由金属制成，例如钢或能够通过管状元件外翻而产生塑性变形的任何其它延展性金属。膨胀管部具有足够的抗塌陷强度，例如为100-150巴左右。如果管状元件在井眼中竖直延伸的话，可以使用剩余管部的重量提供使弯曲区进行向下运动所需的作用力。

适当地，通过使剩余管部相对于膨胀管部沿轴向运动，使得弯曲区相对于剩余管部沿轴向方向移动。例如，膨胀管部保持固定，而剩余管部穿过膨胀管部沿轴向方向移动，从而使壁部发生所述弯曲。

为了产生剩余管部的所述运动，优选的是，剩余管部经受产生所述运动的轴向压力。优选地，轴向压力至少部分地由剩余管部的重量引起。必要时，重量可以通过施加到剩余管部上以引起所述运动的外加向下作用力而增加。由于剩余管部的长度的增加及由此导致的重量增加，需要给剩余管部施加向上作用力，以防止弯曲区内不受控制的弯曲或纵弯。

如果弯曲区位于管状元件的下端的话，剩余管部由于弯曲区的所述运动而在其下端轴向缩短，优选的是，剩余管部相应于其下端处的所述轴向缩短而在其上端轴向延伸。由于壁部连续反向弯曲，剩余管部在其下端逐渐缩短。因此，通过使剩余管部在其上端伸长以补偿其下端处的缩短，壁部反向弯曲工艺可以连续进行，直到达到膨胀管部所需的长度。例如，通过将管状部分以任何适当方式(例如，通过焊接)连接至所述剩余管部的上端，可以使剩余管部在其上端伸长。可选地，剩余管部可以设置为盘管形式，其从绞盘上开卷并且逐渐插入井眼中。因此，盘管通过从绞盘上开卷而在其上端伸长。

作为围绕剩余管部形成膨胀管部的结果，在未膨胀管部和膨胀管部之间形成了环形空间。为了提高膨胀管部的抗塌陷强度，加压流体可以注入环形空间中。流体压力可以单独由环形空间内的液柱重量产生，或者另外，还来自施加给液柱的外压力。

适当地，胀管工艺起始于使管状元件的壁部在其下端部弯曲。

有利地是，井眼利用延伸穿过未膨胀管部的钻柱进行钻进。在这种应用中，未膨胀管部和钻柱优选地在利用钻柱钻井期间穿过井眼同步下降。

选择性地，弯曲区可被加热以促进管壁的弯曲。

为了减少未膨胀管部在胀管加工期间的任何压曲趋势，剩余管部通过各种适当的定心装置有利地定心在膨胀管部内。

附图说明

下面将参考附图以举例方式更详细地描述本发明，其中：

图1示意性地显示了与本发明方法一起使用的系统的第一实施例；

图2示意性地显示了图1的细节A；和

图3示意性地显示了与本发明方法一起使用的系统的第二实施例。

在附图和说明书中，相同的数字表示相同的部件。

具体实施方式

参考图1和2，显示了一种系统，包括延伸到地层2中的井眼1和形式为向下延伸到井眼1中的衬管4的管状元件。衬管4已经通过衬管壁外翻部分地径向膨胀，从而形成衬管4的径向膨胀管部10。衬管4的剩余管部8在膨胀管部10内同心地延伸。衬管4的壁部包括第一层12和第二层14，两者由钢制成，第二层14在剩余衬管部8处围绕第一层12延伸。因此，作为外翻工艺的结果，在膨胀衬管部10处，第二层14在第一层12内延伸。

第一和第二层12、14可彼此分开。层12、14可以例如通过沿周向方向适当的预加应力而固定在一起。也就是说，在剩余衬管部8处，第一层12受到沿周向方向的压缩预加应力，第二层14受到沿周向方向的拉伸预加应力。在衬管壁外翻之后，第一层12受到沿周向方向的拉伸应力，第二层14受到沿周向方向的压缩应力。第二层14设置有多个均匀隔开的通孔15(图2)。

第一层12(由于其下端处的外翻)径向向外并沿轴向反转(向上)方向弯曲从而形成第一层12的U形下部16，其使第一层12位于未膨胀衬管部8和膨胀衬管部10处的相应部分相互连接。第一层12的U形下部16限定了第一层12的弯曲区18。

第二层14(由于其下端处的外翻)径向向外并沿轴向反转(向上)方向弯曲从而形成第二层14的U形下部20，其使第二层14在未膨胀衬管部8和膨胀衬管部10处的相应部分相互连接。第二层14的U形下部20限定了第二层14的弯曲区22。

此外，第一和第二层12、14在各自的弯曲区18、22中彼此分开，从而在第一层12的U形下部16和第一层14的U形下部20之间形成轴向空间23。

膨胀衬管部10借助于由胀管工艺在膨胀衬管部10和井眼壁12之间产生的摩擦力而轴向固定到井眼壁12上。可选地或另外，膨胀衬管部10可以通过各种适当的锚固装置(未显示)锚固到井眼壁12上。

进一步参考图3，显示了图1中的井眼1和衬管4，改变之处在于，钻柱24从地面穿过未膨胀衬管部8延伸到井眼1的底部。钻柱24设置有支撑管状引导构件28的支撑环26，所述管状引导构件28具有延伸到未膨胀衬管部8中的上部分30和延伸到第一层12的U形下部16下面的下部分32。引导构件28的下部分32具有外部凹入引导面34，其径向向外延伸并且布置成引导和支撑U形下部16。

钻柱24具有井底钻具组件，其包括井底电机36和由所述井底电机驱动的钻头38。钻头38包括导向钻头40和扩眼部42，所述导向钻头的标记直径略小于引导构件28的内径，所述扩眼部的标记直径适合于将井眼1钻到其公称直径。扩眼部42和支撑环26可径向缩回到允许这些装置穿过引导构件28和未膨胀衬管部8的外径，使得钻柱24可以通过未膨胀衬管部8取出。

在第一实施例(图1和2)的正常操作期间，还未膨胀的衬管4的第一和第二层12、14的下端部以各种适当的方式径向向外并沿轴向反转方向弯曲，从而首先形成U形下部16、20。应当确保的是，第一层12的U形下部16在第二层14的U形下部20下面延伸选定距离以形成位于其间的轴向空间23。

在衬管4的初始部已经外翻之后，膨胀衬管部10可以通过各种适当的手段锚固到井眼壁上。根据衬管4的几何结构和/或材料性质，这种锚固还会由于膨胀衬管部10和井眼壁之间的摩擦力自动发生。

随后给未膨胀衬管部8施加足够大小的向下作用力F，以便使未膨胀衬管部8逐渐向下移动。因此，未膨胀衬管部8处的第一和第二层12、14沿反转的方向逐渐弯曲，从而将未膨胀衬管部8逐渐转变为膨胀衬管部10。在外翻加工期间，各层12、14的弯曲区18、22以未膨胀衬管部8的大约一半的速度沿向下方向移动。轴向空间23在外翻加工期间保持大致不变。然而，应当注意的是，第二层14的弯曲区22可以比第一层12的弯曲区18沿向下方向略微更快地移动。由于第一层12比第二层14承受更大的径向膨胀而产生相应弯曲区18、22的运动速度差，从而导致第一层12的轴向收缩比第二层14的轴向收缩更大。在这种情况下，应当适当地选择轴向空间23以在外翻加工开始时具有最小值，以便确保弯曲区18、20在整个外翻加工期间保持彼此轴向隔开。

第二层14上的通孔15允许流体在轴向空间23和位于未膨胀衬管部和膨胀衬管部8、10之间的环形空间之间自由输送，使得轴向空间23的可能容积变化不会导致轴向空间23中不希望的压力变化。

因此，在外翻加工期间，第二层14在进入弯曲区22时与第一层12分开。随后，在离开弯曲区22时，第二层再次包覆在第一层12上。

如果希望的话，可以选择衬管4的直径和/或壁厚，使得膨胀衬管部10由于胀管工艺而牢固地压靠井眼壁，从而密封井眼壁和/或稳定井眼壁。由于未膨胀衬管部8的长度和重量逐渐增加，向下作用力F的大小可以根据未膨胀衬管部8的重量增加而逐渐减小。

就衬管4的外翻而言，第二实施例(图3)的正常操作与第一实施例(图1和2)大体上类似。另外，下列特征适用于第二实施例的正常操作。操作井底电机36以使钻头38旋转，从而通过进一步钻进而使井眼1变深。因此，钻柱24和未膨胀衬管部8在进行钻进时同步更深地移动到井眼1中。在进行钻进时，相应于未膨胀衬管部8下降到井眼中而在其顶部上增加管段，与用于将套管或衬管安装到井眼中的正常操作相同。

第一层12的U形下部16的壁部由引导构件28的引导面34支撑和引导，从而有助于第一层12在弯曲区18弯曲。

最初，需要给未膨胀衬管部8施加向下作用力F以使其随着钻柱24的下降而同步下降。随着未膨胀衬管部8的长度及重量增加，向下作用力F的大小可以逐渐减小，最终被向上作用力取代以防止未膨胀衬管部8发生纵向弯曲(buckling)。这样的向上作用力可以在地面施加给钻柱24，并且从钻柱通过支撑环26和引导构件28传递给未膨胀衬管部8。在井眼1的钻进期间，还可以使用未膨胀衬管部8的重量与作用力F(如果有的话)的组合给钻头38施加推力。在图3所示实施例中，这种推力通过引导构件28和支撑环26传递给钻头38。

在可选实施例中，不需要引导构件28，轴向力借助于适当的支承系统(未显示)在未膨胀衬管部8和钻柱24(或钻头38)之间直接传递。

因此，通过将未膨胀衬管部8逐渐下降到井眼中，未膨胀衬管部8的层12、14沿轴向反转方向逐渐弯曲，从而逐渐形成膨胀衬管部10。

当需要将钻柱24取回地面时，例如当钻头需要更换或者当完成井眼1的钻进时，支撑环26和扩眼部42径向缩回。随后，钻柱24穿过未膨胀衬管部8取回到地面。引导构件28可以保留在井下。可选地，引导构件28可以收缩以便允许其在收缩状态下穿过未膨胀衬管部8取回到地面。

利用如上所述的方法，在钻进过程期间，井眼用正位于钻头上面的外翻衬管逐渐加衬。因此，在钻井过程期间始终只有相对较短的井眼开放井段。这种短开放井段的优点在钻入地层的含烃类流体层期间最为显著。就此而言，对于许多应用来说，只在钻入烃类流体储层过程中进行钻进期间的衬管外翻工艺就足够了，而井眼的其他部分以传统的方式加衬管或加套管。可选地，钻进期间的衬管外翻工艺根据环境在地面或者在井下选定位置开始。

就钻进期间的短开放井段而言，显著降低了井内流体压力梯度超过岩层破裂梯度，或者井内流体压力梯度降低到岩层的孔隙压力梯度以下的风险。因此，与必须在选定间隔处设置直径呈阶梯式减小的套管的常规钻进相比，能够以单一的公称直径钻进相当长的间隔。

同样，如果井眼钻穿页岩层的话，这种短开放井段消除了由页岩层隆起而可能引起的问题。

在井眼1已经钻到预定深度并且钻柱24已经从井眼中取出之后，仍然留在井眼1中的未膨胀衬管部8的长度可以留在井眼中或者可以从膨胀衬管部10上切下并取回地面。

在未膨胀衬管部8的管段留在井眼1中的情况下，对完井来说有若干种选择。例如，如下所述。

A)将例如盐水的流体泵入未膨胀衬管部和膨胀衬管部8、10之间的环形空间内，以便给环形空间加压和提高膨胀衬管部10的抗塌陷强度。选择性地，在U形下部16、20上设置一个或多个孔以允许泵送流体循环。

B)将重流体泵入环形空间，从而支撑膨胀衬管部10和提高其抗塌陷强度。

C)将水泥泵入环形空间以在水泥硬化后在未膨胀衬管部8和膨胀衬管部10之间产生固体，从而使水泥在硬化时膨胀。

D)例如通过将胀管器(未显示)泵送、推动或拉动穿过未膨胀衬管部8而使未膨胀衬管部8靠着膨胀衬管部10径向膨胀。

在上述实例中，在地面或在井下位置使衬管膨胀。在海上平台位于井眼上方的近海井眼的情况下，在海面上，有利地是在海上平台开始胀管加工。在这种工艺中，弯曲区从海上平台移动到海底并且从海底进一步移动到井眼中。因此，最终的膨胀管状元件不仅在井眼中形成衬管，而且隔水管从海上平台延伸到海底。从而不再需要单独的隔水管。

此外，例如用于与井下设备连通的电线或光纤的管道可以在位于膨胀部和未膨胀部之间的环形空间内延伸。这种管道可以在管状元件膨胀之前附接到管状元件的外表面上。同样，可以使用膨胀和未膨胀衬管部作为电气管道以在井下传送数据和/或电能。

由于在外翻加工完成之后仍然保留在井眼中的未膨胀衬管部的任意长度管段与膨胀衬管部相比经受没那么苛刻的负载条件，这段未膨胀衬管部与膨胀衬管部相比可以具有更小壁厚，或者可以具有更低的质量或钢号。例如，它可以由具有较低屈服强度或挤毁等级的管子制成。

代替在胀管加工之后在井眼中保留一段未膨胀衬管部，整个衬管可以利用本发明的方法膨胀，使得在井眼中不保留未膨胀衬管部。在这种情况下，在胀管加工的最后阶段，可以使用例如管柱的细长构件给未膨胀衬管部施加必要的向下作用力F。

为了在上述任意一个实例中描述的胀管加工期间减小未膨胀和膨胀管部之间的摩擦力，可以在未膨胀和膨胀管部之间施加适当的摩擦减小层，例如聚四氟乙烯层。例如，摩擦减小涂层可以在胀管之前施加到管状元件的外表面上。此外，这种由摩擦减小材料制成的层进一步减少了未膨胀管部和膨胀管部之间的环状间隙，从而使未膨胀管部减少压曲趋势。代替或另外，可以在未膨胀管部和膨胀管部之间施加这种摩擦减小层、定心垫和/或滚子以减少其间的摩擦力和环状间隙。

代替使膨胀衬管部靠着井眼壁(如上所述)膨胀，膨胀衬管部可以靠着已经存在于井眼中的另一个管状元件的内表面膨胀。

Claims (10)

1.一种使延伸到形成于地层中的井眼中的管状元件径向膨胀的方法，所述管状元件包括第一层和围绕所述第一层延伸的第二层，所述第一层和第二层能够彼此分开，所述方法包括：

使每一层径向向外并沿轴向反转方向弯曲，以便形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，其中，每一层具有发生所述弯曲的相应弯曲区；

通过使所述第一层和第二层的相应弯曲区相对于所述剩余管部沿轴向方向移动而使膨胀管部的长度增加；

其中，位于相应弯曲区中的所述第一层和第二层彼此分开以便限定所述第一层和第二层之间的轴向空间；

其中，在剩余管部中，所述第一层和第二层借助于第二层中的拉伸环向应力和第一层中的压缩环向应力抵靠彼此压紧。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一层和第二层中的至少一个包括在弯曲加工期间在相应的弯曲区中发生塑性变形的材料，使得膨胀管部因所述塑性变形而保持膨胀形状。

3.如权利要求1所述的方法，其中，通过使剩余管部相对于膨胀管部沿轴向方向移动而使所述弯曲区相对于剩余管部沿轴向方向移动。

4.如权利要求3所述的方法，其中，剩余管部经受使所述剩余管部进行所述移动的轴向压力。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述轴向压力至少部分地缘于所述剩余管部的重量。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述剩余管部由于弯曲区的运动而在其下端轴向缩短，并且其中，所述方法还包括使剩余管部相应于所述轴向缩短在其上端发生轴向延伸。

7.如权利要求1所述的方法，其中，在剩余管部和膨胀管部之间形成环形空间，所述方法还包括将加压流体注入所述环形空间中。

8.如权利要求1所述的方法，其中，一钻柱延伸穿过剩余管部，并且其中，操作所述钻柱以进一步钻进井眼。

9.如权利要求8所述的方法，其中，剩余管部和钻柱在利用钻柱钻井期间穿过井眼同步下降。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二层设置有至少一个通孔。

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