CN101868593B - 钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在地层中钻进井孔(1)的方法。所述方法包括在井眼中同轴布置钻柱(6)和能够膨胀的管状元件(8)，所述管柱具有轴向延伸的流体通路(30)，所述管状元件围绕所述钻柱并且具有沿径向向外和轴向相反方向弯曲的下端(12)，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部(10)，所述下端限定了所述管状元件的弯曲区，其中，在钻柱和剩余管部之间形成环形空间。

Description

钻井方法

技术领域

本发明涉及在地层中钻井的方法。

背景技术

在井眼构造技术中，通常使一个或多个管状元件在井眼中膨胀，例如形成给井眼壁提供稳定性的井眼套管或衬管，和/或不同地层之间的层间封隔。通常，如果管状元件从地面延伸到井眼中的话，使用术语“套管”，如果管状元件从井下位置进一步延伸到井眼中的话，使用术语“衬管”。然而，在本文中，术语“套管”和“衬管”可互换地使用并且没有区别。

在传统的井眼结构中，若干个套管设定在不同的井深间隔处，在嵌套方案中，每个在后套管穿过在先套管下降，因此具有比在先套管更小的直径。因此，用于油气开采的横截面井眼尺寸随深度减小。为了消除该缺陷，一个或多个管状元件在井眼中的希望深度处径向膨胀，以形成膨胀套管、膨胀衬管、或者抵靠已有套管或衬管的包层。同样，还建议将每个在后套管膨胀至与在先套管大体上相同的直径以形成单孔井眼。因此可以实现井眼的有效直径沿着其(一部分)深度保持大体上不变，这与传统嵌套方案相反。

EP 1438483 B1公开了一种在井眼中使管状元件径向膨胀的方法，因此，处于未膨胀状态的管状元件在钻进新井眼段期间首先附接到钻柱上。其后，管状元件径向膨胀并从管柱上松开。

为了使该井眼管状元件膨胀，通常使用圆锥胀管器，其最大外径大体上等于膨胀之后的所需管径。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的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。

发明内容

本发明的目的在于提供改进的钻井方法。

根据本发明，提供了一种在地层中钻井的方法，所述方法包括：

a)在井眼中同轴布置钻柱和可膨胀管状元件，所述管柱具有轴向延伸的流体通路，所述管状元件围绕所述钻柱并且具有沿径向向外和轴向相反方向弯曲的下端，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，所述下端限定了所述管状元件的弯曲区，其中，在钻柱和剩余管部之间形成环形空间；

b)使钻柱进一步钻进井眼；

c)使弯曲区沿轴向方向相对于剩余管部移动，从而使膨胀管部的长度增加；

d)使钻井泥浆流通过环形空间流入井眼，将钻井泥浆通过钻柱的流体通路从井眼排出。

因此，管状元件在弯曲加工期间有效地由内向外翻转。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，可以实现在钻进期间发生气体侵入井内的情况下，衬管暴露在极高气体压力下的风险显著降低。在这种情况下，井眼穿过含有高压气体的地层，因此，大量高压气体流入井眼中的钻井泥浆回流。由于包含高压气体的钻井泥浆回流通过钻柱的流体通路而非通过环形空间从井眼排出，衬管不暴露在高压气体中。因此，降低了衬管承受过度应力的风险，从而可以给衬管应用不那么严格的设计要求。

为了使钻井泥浆流流过位于钻柱下端的一个或多个喷嘴，与传统井眼钻进一样，适当地是，剩余管部相对于钻柱密封。

例如，如果钻柱设置有钻头，所述钻头具有布置成将钻井泥浆射入井眼中的流体通道，优选的是，使钻井泥浆流通过流体通道从环形空间流入井眼。

优选的是，管状元件壁包括在弯曲区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，即永久变形而保持膨胀形状。因此，无需外部作用力或压力保持膨胀形状。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。

为了使弯曲区保持靠近钻柱下端，优选的是，步骤(c)包括使弯曲区沿井眼的向下方向移动，其中，在进一步钻进井孔期间，弯曲区的向下运动速度大体上等于钻柱的向下运动速度。

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运动。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运动，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增加以及由此所导致的重量增加，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，壁部反转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，其从绞盘上开卷并且随后插入井眼中。

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状空间。为了提高膨胀管部的抗塌陷强度，可将加压流体注入环状空间中。流体压力可以单独由环形空间内的液柱重量产生，或者另外还包括来自施加给液柱的外压力。

胀管工艺通过各种适当的手段适当地起始于使管状元件的壁部在其下端部弯曲。

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纵弯趋势，剩余管部在膨胀管部内有利地保持定心。

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示意性地显示了使用本发明方法的钻进系统的实施例的纵向截面图。

具体实施方式

参考图1，显示了延伸到地层2中的井眼1，采用衬管4的形式的管状元件，以及在下端具有钻头7的钻柱6。钻柱6和衬管4穿过井眼1沿向下方向同轴地延伸，由此，衬管4围绕钻柱6。井眼1的较短开放井段1a在衬管4下面延伸。

衬管4已经通过衬管壁外翻而部分地径向膨胀，由此形成衬管4的径向膨胀管部10，其具有与井眼直径大体上相等的外径。衬管4的剩余管部8在膨胀管部10内同心地延伸。

衬管4的壁部由于其下端外翻而沿径向向外和轴向相反(即向上)方向弯曲以形成衬管的U形下部12。U形下部12使剩余衬管部8和膨胀衬管部10互相连接，并且限定衬管4的弯曲区14。

钻头7包括导向钻头15和扩孔部16，所述导向钻头的基准直径略小于剩余衬管部8的内径，所述扩孔部的基准直径适于将井眼1钻到其公称直径。扩孔部16可径向缩回至一外径，该外径允许其穿过未膨胀衬管部8，使得钻柱6可以通过未膨胀衬管部8取回到地面。

膨胀衬管部10通过膨胀衬管部10和井眼壁19之间由膨胀过程产生的摩擦力轴向固定到井眼壁19上。可选地或者另外，膨胀衬管部10通过任何适当的锚固装置(未显示)锚固到井眼壁上。

形式为封隔器20的密封元件布置在位于钻柱6和剩余衬管部8之间的环形空间22中，从而限定环形空间的上部24和环形空间的下部26，所述上部和下部24、26通过封隔器20彼此密封。封隔器20固定连接到钻柱6上，并且适合于围绕其中心纵向轴线相对于剩余衬管部8旋转。此外，封隔器20适合于沿轴向方向相对于剩余衬管部8滑动。可选地，封隔器20是非转动的，由此，钻柱6可以相对于封隔器20旋转或不旋转。

钻柱6具有轴向延伸的流体通路30，其设置有靠近钻柱下端布置的密封构件32。密封构件32限定了流体通路30的上部和下部33a、33b，所述上部和下部33a、33b通过密封构件32彼此密封。

此外，钻柱包括第一管道34，其提供环形空间22的上部24和钻头7的流体通道36之间的流体连通，流体通道36布置成通过多个钻头喷嘴38将钻井泥浆喷射到井眼1中。同样，钻柱包括第二管道40，其提供开放井眼段1a和流体通路30的上部33a之间的流体连通。第一和第二管道34、40穿过密封构件32。

在图1所示实施例的正常操作中，衬管4的下端部首先外翻，即，下端部沿径向向外和轴向相反方向弯曲，从而首先形成U形下部12和短膨胀衬管部10。随后，短膨胀衬管部10通过任何适当的锚固装置锚固到井眼壁上。根据衬管4的几何结构和/或材料性质，可选地，膨胀衬管部10可以因膨胀衬管部10和井眼壁19之间的摩擦自动锚固到井眼壁上。

随后通过在地面对未膨胀衬管部8施加适当的向下作用力，未膨胀衬管部8随后逐渐向下移动，同时，膨胀衬管部10保持固定。衬管4的弯曲区14因此沿向下方向逐渐移动，从而使剩余衬管部8逐渐外翻以形成膨胀衬管部10。在外翻加工期间，弯曲区14以剩余衬管部8的运动速度大约一半的速度沿向下方向移动。

与剩余衬管部8向下运动同时，操作钻柱6以通过围绕其中心纵向轴线旋转进一步钻进井眼1。钻柱6由此更深地移动到井眼1中。在地面控制剩余衬管部8的向下运动速率以大体上等于钻柱6的向下运动速率。这样，可以实现弯曲区14保持靠近钻头7，因此，开放井眼段1a的长度保持较短。

由于未膨胀衬管部8的长度逐渐增大，并由此使其重量逐渐增大，则向下作用力逐渐减小。最终，需要用向上作用力代替向下作用力以防止未膨胀衬管部8纵向挠曲。该向上作用力可以在地面直接施加到剩余衬管部8上。可选地，钻柱6通过适当的支承装置(未显示)支撑剩余衬管部8，使得向上作用力在地面施加到钻柱6上，并由此通过所述支承装置传递给剩余衬管部8。在这种情况下，可以使用未膨胀衬管部8的重量和向下作用力(如果有的话)的组合在钻进期间给钻头44提供推力。

适当的，在地面控制如上所述的向下或向上作用力的大小，从而实现钻柱6和剩余管部8以大体上相同的速度同步下降。

在钻柱旋转期间，钻井泥浆流在井眼1中以反向循环方式进行循环。也就是说，流体流在地面被泵送到环形空间22中。由此，流体流向下流过环形空间22的上部24，随后通过第一管道34、流体通道36和喷嘴38流入井眼1的开放井段1a中。钻井泥浆流连同由钻井过程产生的夹带岩石切屑颗粒通过第二管道40流入钻柱流体通路30的上部33a中，由此向上流到地面，钻井泥浆在地面以传统方式进行处理。

在钻进期间气体侵入井内的情况下，处于高压的大量气体从地层流入开放井段1a中，所述大量气体通过第二管道40和流体通路30流到地面。因此，像常规钻井流体循环那样，大量气体不会通过环形空间22流向地面。因此，衬管4在气体侵入井内期间不受高气体压力影响，使得超过衬管4的破裂压力的风险大大降低。

同样，本发明的优点在于，钻柱流体通路30中具有夹带钻屑的钻井泥浆流的流速较高，从而确保足够的钻屑流到地面。类似地，在钻井泥浆包含磨粒的情况下，例如在冲蚀钻井系统中，高流速确保增大流量的磨粒随钻井泥浆流流到地面。

本发明方法所用的反向流体循环的另一优点在于环形空间22中的流体压力较高。例如，如果封隔器20轴向固定到钻柱6上的话，可以利用这种流体压力产生施加给钻柱的附加推力。同样，例如，如果封隔器20临时轴向固定到未膨胀衬管部8上的话，可以利用流体压力产生施加到未膨胀衬管部8上的附加的向下作用力。代替使钻柱旋转以使井眼变深，钻头可以由设置在钻柱井底组件中的井底电机驱动，由此，钻井泥浆流驱动井底电机。

随着钻进进行，与未膨胀衬管部8下降到井眼中相对应，在所述未膨胀衬管部8的顶部增加管部，与将套管或衬管安装到井眼中的正常操作一样。

当需要将钻柱6取回地面时，例如，当钻头7需要更换或者当井眼1的钻进完成时，扩孔部16置于其径向收缩模式。随后，钻柱7穿过未膨胀衬管部8取回地面。

利用本发明的方法，可以实现在钻头钻进期间，在钻头的正上方，井眼逐渐利用外翻衬管进行加衬。因此，在钻井期间始终只有井眼的较短开放井段。在钻入地层中含有烃类流体层期间，这种短开放井段的优点最为显著。就此而言，对于许多应用来说，只在钻入烃类流体储层期间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情况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。

在井眼已经钻到预定深度并且钻柱已经从井眼中取出之后，仍然留在井眼中的未膨胀衬管部的管段可以留在井眼中或者可以从膨胀衬管部上切下并取回地面。

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

A)将例如海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12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便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)例如将胀管器泵送、推动或拉动穿过未膨胀衬管部8而使未膨胀衬管部8抵靠着膨胀衬管部10径向膨胀(即，产生包层)。

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较低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。

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管部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，从而使未膨胀管部的纵弯趋势减小。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 (12)

1.一种在地层中钻出井眼的方法，所述方法包括：

a)在井眼中同轴布置钻柱和能够膨胀的管状元件，所述钻柱具有轴向延伸的流体通路，所述管状元件围绕所述钻柱并且具有沿径向向外和轴向相反方向弯曲的下端，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，所述下端限定了所述管状元件的弯曲区，其中，在钻柱和剩余管部之间形成环形空间；

b)使钻柱进一步钻进井眼；

c)使弯曲区沿轴向方向相对于剩余管部移动，从而使膨胀管部的长度增加；

d)使钻井泥浆流通过所述环形空间流入井眼中，将钻井泥浆流通过钻柱的流体通路从井眼排出。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述剩余管部的下端部相对于钻柱密封。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述钻柱设置有钻头，所述钻头具有布置成将钻井泥浆射入井眼中的流体通道，并且其中，钻井泥浆流通过该流体通道从环形空间流入井眼中。

4.如权利要求2所述的方法，其中，所述钻柱设置有钻头，所述钻头具有布置成将钻井泥浆射入井眼中的流体通道，并且其中，钻井泥浆流通过该流体通道从环形空间流入井眼中。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，步骤(c)包括使弯曲区沿井眼的向下方向运动，并且其中，在进一步钻进井眼期间，弯曲区的向下运动速度大体上等于钻柱的向下运动速度。

6.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述管状元件的壁包括在弯曲过程期间在弯曲区中易于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。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述管状元件的壁包括在弯曲过程期间在弯曲区中易于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。

8.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，通过使剩余管部相对于膨胀管部沿向下方向运动而使所述弯曲区相对于剩余管部沿轴向方向运动。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述剩余管部承受使该剩余管部进行所述运动的轴向压力的作用。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述轴向压力至少部分地来源于施加给所述剩余管部的外部作用力。

11.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述剩余管部由于弯曲区的所述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其下端的所述轴向缩短在其上端发生轴向延伸。

12.一种用于在地层中钻出井眼的钻进系统，所述系统包括：

a)在井眼中同轴延伸的钻柱和能够膨胀的管状元件，所述钻柱具有轴向延伸的流体通路，所述管状元件围绕所述钻柱并且具有沿径向向外和轴向相反方向弯曲的下端，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，所述下端限定了所述管状元件的弯曲区，其中，在钻柱和剩余管部之间形成环形空间；

b)用于使所述钻柱进一步钻进井眼的装置；

c)用于使弯曲区沿轴向方向相对于剩余管部运动以便增大膨胀管部的长度的装置；

d)用于使钻井泥浆流通过所述环形空间流入井眼中并且将钻井泥浆流通过钻柱的流体通路从井眼排出的装置。

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