CN101878349B

CN101878349B - 径向膨胀管状元件的方法

Info

Publication number: CN101878349B
Application number: CN200880116975.3A
Authority: CN
Inventors: P·C·克里塞尔斯
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: WO2009065890A1; AU2008327877B2; EP2209966A1; EA015724B1; CA2702870C; AU2008327877A1; EP2209966B1; US20100243275A1; CN101878349A; ATE509184T1; BRPI0819291A2; EA201000845A1; US8267184B2; CA2702870A1

Abstract

本发明公开了一种使延伸到形成于地层中的井眼内的管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括使管状元件的壁部沿径向向外和轴向相反方向弯曲，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，其中，所述弯曲发生于管状元件的弯曲区内。使所述弯曲区相对于所述剩余管部沿轴向方向移动以便使所述膨胀管部的长度增加。在膨胀管部和剩余管部之间形成环形空间，其中，所述方法还包括在所述环形空间中布置密封元件以限定该环形空间的上部和下部，所述上部和下部通过所述密封元件彼此密封。

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

在井眼中径向膨胀管状元件的技术在从地下岩层中进行油气生产的工业中产生越来越多的应用。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油层隔离。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倾向性区别。

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。此外，人们建议使每个在后套管径向膨胀到与在前套管大致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钻柱上松开。

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。

尽管已知的胀管技术在一些应用中具有满意效果，但是仍然需要使井眼中的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内的管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括：

使管状元件的壁部沿径向向外和轴向反转方向弯曲，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，其中，所述弯曲发生于管状元件的弯曲区内；

通过使所述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，在膨胀管部和剩余管部之间形成环形空间，并且其中，所述方法还包括

在所述环形空间中布置密封元件以限定该环形空间的上部和下部，所述上部和下部通过所述密封元件彼此密封。

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，在管状元件的壁部在弯曲区内受损的情况下，密封元件防止流体从环形空间的上部不希望地流出，或者防止流体从井眼不希望地流入环形空间的所述上部中。

适当地，密封元件设置有用于支撑环形空间中的密封元件的支撑构件，因此，举例来说，支撑构件支撑在管状元件的弯曲区处。

优选地，支撑构件在管状元件的弯曲区上方选定距离处支撑密封元件。例如，支撑构件可以从地面位置支撑。可选地，支撑构件包括夹持装置，其布置成支撑位于剩余管部和膨胀管部中至少一个处的密封元件。在另一个实施例中，密封元件固定连接到剩余管部和膨胀管部之一上，其中，密封元件通过密封元件两侧的压差致动。

优选地，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。

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增加以及由此而引起的重量增加，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，剩余管部根据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。

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。

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示意性地显示了在井眼衬管外翻期间的井眼系统的第一实施例；

图2示意性地显示了在井眼衬管外翻期间的井眼系统的第二实施例；

图3示意性地显示了在井眼衬管外翻期间的井眼系统的第三实施例；

图4示意性地详细显示了在第三实施例中使用的密封元件；

图5示意性地详细显示了在第三实施例中使用的改进密封元件；

图6示意性地显示了在井眼衬管外翻期间的井眼系统的第四实施例；

图7示意性地显示了当密封元件以主要致动方式致动时的第四实施例；

图8示意性地显示了当密封元件以辅助致动方式致动时的第四实施例；和

图9示意性地显示了第一实施例，改进在于钻柱延伸穿过井眼衬管。

具体实施方式

在附图中，在纵向截面中显示了大部分特征。此外，在附图和说明书中，相同的数字表示相同的部件。

参考图1，显示了第一实施例，包括延伸到地层2中的井眼1和形式为从地面6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，由此形成衬管4的径向膨胀管部10，其具有与井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反转(即向上)方向弯曲以形成使剩余衬管部8和膨胀衬管部10相互连接的衬管的U形下部11。衬管4的U形下部11限定了衬管的弯曲区12。

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14之间产生的摩擦力而轴向固定到井眼壁14上。可选地或者另外，膨胀衬管部10可通过任何适当的锚固装置(未显示)锚固到井眼壁上。

膨胀衬管部10和剩余管部8限定了位于其间的环形空间16，其中，环状密封元件18布置成限定环形空间16的上部20和下部22，因此，密封元件18使上部和下部20、22相对于彼此密封。密封元件18由形式为间隔支座24的细长支撑构件支撑，所述间隔支座继而由衬管的U形下部11支撑。间隔支座24可以形成为例如套筒或沿环形空间16的圆周隔开的多个支杆。

图2所示的第二实施例与第一实施例不同之处在于，密封元件18由形式为从地面支撑的一个或多个缆索26的支撑构件支撑，而不是由第一实施例中的间隔支座支撑。

在显示第三实施例的图3和4中，与第一实施例不同之处在于，密封元件18由形式为连接到密封元件18上或与其整体形成的夹持装置28的支撑构件支撑，而不是由第一实施例中的间隔支座支撑。夹持装置28偏压抵靠剩余衬管部8，并且起到防止密封元件18相对于剩余衬管部8向下运动的作用。密封元件18设置有用于密封抵靠剩余衬管部8的内部柔性体密封件19a和用于密封抵靠膨胀衬管部10的外部柔性体密封件19b。

图5显示了在第三实施例中使用的改进的密封元件18′。改进的密封元件18′与密封元件18大体上类似，只是改进的密封元件18′还设置有连接到密封元件18上或与其整体形成的夹持装置29。夹持装置29偏压抵靠膨胀管部10，并且起到防止密封元件18′相对于膨胀管部10向上运动的作用。

在显示第四实施例的图6-8中，多个环形柔性密封件30、31、32、33、34连接到剩余衬管部8的径向外表面上或者连接到膨胀衬管部10的径向内表面上。应当理解，每个柔性密封件30、31、32、33、34的一个边缘40连接到剩余衬管部8或膨胀衬管部10上，而柔性密封件的另一个边缘42不与柔性衬管部8、膨胀衬管部10相连。当环形空间16中位于柔性密封件30、32、34上方的流体压力超过环形空间16中位于柔性密封件30、32、34下面的流体压力时，连接到剩余衬管部8上的每个柔性密封件30、32、34的自由边缘42适合于靠着膨胀衬管部10移动，从而密封抵靠膨胀衬管部10。同样，如果环形空间16中位于柔性密封件31、33下面的流体压力超过环形空间16中位于柔性密封件30、32、34上面的流体压力的话，连接到膨胀衬管部10上的每个柔性密封件31、33的自由边缘42适合于靠着剩余衬管部8移动，从而密封抵靠剩余衬管部8。

进一步参考图9，显示了第一实施例，改变之处在于，钻柱50从地面穿过未膨胀衬管部8延伸到井眼1的底部。钻柱50在其下端设置有钻头52。钻头52包括导向钻头54和扩孔部56，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56可径向缩回至允许其穿过未膨胀衬管部8的外径，使得钻柱50可以通过未膨胀衬管部8取回到地面。

在第一实施例(图1)的正常操作期间，衬管4的下端部首先外翻，即，下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11和膨胀衬管部10。随后，已经形成的短膨胀衬管部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14之间的摩擦自动锚固到井眼壁上。

随后给未膨胀衬管部8施加向下作用力，从而使未膨胀衬管部8逐渐向下移动。因此，未膨胀衬管部8逐渐外翻，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，弯曲区12以未膨胀衬管部8的运动速度大约一半的速度沿向下方向移动。

在外翻加工之前或期间，环形空间16的上部20充满具有较高比重的流体团。也就是说，所述流体团中的流体的比重明显高于典型的井内流体的比重，例如，钻井泥浆或海水。

流体团给膨胀衬管部10的内表面施加流体静压，从而提高膨胀衬管部10的抗塌陷强度。环状密封元件18防止流体从流体团泄漏到环形空间16的下部24中。因此，如果U形下部11中的衬管4的壁部在外翻加工期间意外受损的话，密封元件18防止流体从流体团通过该受损壁部泄漏。应当理解，密封元件18可以与U形弯曲区12相当近地定位，因为在衬管4的壁部在经过弯曲区12时实际上不存在受损的风险。间隔支座24将密封元件保持在与弯曲区12大体上恒定距离处。

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由于胀管工艺而压靠井眼壁14，从而密封压靠井眼壁14和/或稳定井眼壁。

由于未膨胀部8的长度和重量逐渐增加，向下作用力的大小可以根据未膨胀部8的重量增加而逐渐减小。随着重量的增大，最终需要用向上作用力代替向下作用力以防止剩余衬管部8纵向挠曲。

第二实施例(图2)的正常操作与第一实施例的正常操作大体上类似，区别在于密封元件18通过缆索26从地面支撑。为了使密封元件18保持在弯曲区12上方的固定距离处，缆索相应于弯曲区12的下降从地面逐渐下降。

第三实施例(图3、4)的正常操作与第一实施例的正常操作大体上类似，区别在于夹持装置28将密封元件18保持在弯曲区12上方大体上恒定距离处。夹持装置28防止密封元件18相对于剩余衬管部8向下运动，但是允许剩余衬管部8相对于夹持装置28向下滑动。如果在衬管4的U形下部11的壁部中存在泄漏，外翻加工暂时停止，夹持装置28防止密封元件18因施加于其上的流体团压力而引起的任何向下运动。

具有改进密封元件18′的第三实施例的正常操作与具有密封元件18的第三实施例的正常操作大体上类似。然而，另外，改进密封元件18′防止密封元件18′相对于膨胀衬管部10向上运动。例如，如果U形下部12的壁部在外翻加工期间受损，并且井眼包含流入位于该受损壁部处的环形空间16的下部22中的高压流体的话，会发生向上运动的趋势。

第四实施例(图6-8)的正常操作与第一实施例的正常操作大体上类似，但具有如下区别。在第一致动模式(图7)中，位于U形下部11高度处的环形空间16中的流体压力超过位于U形下部11高度处的井眼压力。因此，在U形下部11的壁部中存在泄漏部60的情况下，流体从环形空间16流出并流入井眼1。流动流体使柔性密封件34的自由边缘42靠着膨胀衬管部10移动，因此，柔性密封件34密封抵靠膨胀衬管部10。从而可以防止流体从环形空间16进一步流出。

在第二致动模式(图8)中，位于U形下部11高度处的环形空间16中的流体压力低于位于U形下部11高度处的井眼压力。因此，如果在U形下部11的壁部中存在泄漏部60′的情况下，流体从井眼1流入环形空间16中。流动流体使柔性密封件33的自由边缘42靠着剩余衬管部8移动，因此，柔性密封件33密封抵靠剩余衬管部8。从而可以防止流体从井眼1进一步流入环形空间16中。

就衬管4的外翻和密封元件18的密封而言，改进的第一实施例(图9)的正常操作与第一实施例的正常操作大体上类似。另外，下列特征适用于改进的第一实施例的正常操作。操作钻柱50以使钻头52旋转，从而通过进一步钻进使井眼1变深。因此，钻柱50向下逐渐移动到井眼1中。同时，剩余衬管部8以受控方式并且以与钻柱50大体上相同的速度向下移动，从而确保弯曲区12保持在钻头52上方的短距离处。例如，可以通过控制如上所述的向下作用力或向上作用力实现剩余衬管部8的受控下降。适当地，剩余衬管部8例如借助于连接到钻柱上的支承装置(未显示)由钻柱50支撑，所述支承装置支撑U形下部11。在这种情况下，如上所述的向上作用力可以施加给钻柱50，并且通过支承装置传递给剩余衬管部8。此外，未膨胀衬管部8的重量可以传递给钻柱并用于给钻头52提供推力。

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。

当需要将钻柱50取回地面时，例如，当钻头52将更换或者当井眼1的钻进完成时，将扩孔部56置于其径向收缩模式。随后，钻柱50穿过未膨胀衬管部8取回地面。

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小的井眼开放井段。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，与必须以选定间隔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趋势而可能引起的问题。

在井眼1已经钻到预定深度并且钻柱50已经从井眼1中取出之后，仍然留在井眼1中的未膨胀衬管部8的管段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的抗塌陷强度。选择性地，在U形下部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和膨胀衬管部之间产生固体，从而使水泥在硬化时膨胀。

D)例如通过将胀管器泵送、推动或拉动穿过未膨胀衬管部而使未膨胀衬管部靠着膨胀衬管部径向膨胀(即，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压曲趋势减小。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

1.一种使延伸到形成于地层中的井眼内的管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括：

使所述弯曲区相对于所述剩余管部沿轴向方向运动以便使所述膨胀管部的长度增加；

其中，在膨胀管部和剩余管部之间形成环形空间，并且其中，所述方法还包括在所述环形空间中布置密封元件以限定该环形空间的上部和下部，所述上部和下部通过所述密封元件彼此密封。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述密封元件设置有支撑构件，所述支撑构件将密封元件支撑在环形空间中。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述支撑构件支撑在所述管状元件的弯曲区处。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述支撑构件将所述密封元件支撑在位于所述管状元件的弯曲区上方选定距离处。

5.如权利要求2所述的方法，其中，所述支撑构件从地面位置支撑。

6.如权利要求2所述的方法，其中，所述支撑构件包括夹持装置，所述夹持装置布置成支撑位于所述剩余管部和所述膨胀管部中至少一个处的密封元件。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述密封元件固定连接到所述剩余管部和所述膨胀管部之一上，并且其中，所述密封元件通过该密封元件两侧的压差致动。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述环形空间的所述上部容纳第一流体，并且所述井眼容纳第二流体，并且其中，所述第一流体具有比所述第二流体高的比重。

9.如权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述管状元件的壁部包括在弯曲加工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。

10.如权利要求1-7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轴向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。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述剩余管部经受使该剩余管部进行所述运动的轴向压力。

12.如权利要求11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。

13.如权利要求1-7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该剩余管部上端轴向延伸。

14.如权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，钻柱延伸穿过剩余管部，操作所述钻柱以进一步钻进井眼。

15.如权利要求14所述的方法，其中，在利用钻柱钻井期间剩余管部和钻柱穿过井眼同步下降。